JP5295348B2 - Linear actuator and mechanical testing machine - Google Patents
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Description
本発明は、電動式の直動アクチュエータ及び該アクチュエータを備えた機械試験機に関連し、特に疲労試験装置や、自動車等の大重量物を振動させる大型振動試験装置等において必要とされる、高出力で高い繰り返しレートの直線往復駆動が可能な電動式の直動アクチュエータ及び機械試験機に関する。 The present invention relates to an electric linear actuator and a mechanical testing machine including the actuator, and is particularly required for a fatigue test apparatus, a large vibration test apparatus that vibrates a heavy object such as an automobile, and the like. The present invention relates to an electric linear actuator and a mechanical testing machine capable of linear reciprocating drive at a high repetition rate with output.
直動アクチュエータには、回転式電動モータにラック・ピニオン機構等の変換器を組み合わせたものをはじめとして、リニアモータ、油圧式アクチュエータ、空気圧式アクチュエータ等、様々な機構のものが知られている。 As the linear actuator, there are known various mechanisms such as a linear motor, a hydraulic actuator, a pneumatic actuator, and the like including a combination of a rotary electric motor and a converter such as a rack and pinion mechanism.
疲労試験装置や、自動車等の大重量物を試験するための振動試験装置等においては、大荷重且つ高い繰り返しレート(例えば数10Hz以上)で直線往復駆動できるアクチュエータを使用する必要がある。また、このような試験装置において使用されるアクチュエータは、例えばサイン曲線等の所定の時間関数に従って時間変化する変位を正確に出力する必要があり、入力制御信号に対して極めて低ノイズで忠実度の高い応答特性をもつことが求められる。 In a fatigue test apparatus, a vibration test apparatus for testing a heavy object such as an automobile, etc., it is necessary to use an actuator capable of linear reciprocating drive with a large load and a high repetition rate (for example, several tens of Hz or more). In addition, an actuator used in such a test apparatus needs to accurately output a time-varying displacement according to a predetermined time function such as a sine curve. It is required to have high response characteristics.
従来、このような条件を満たす直動アクチュエータは油圧式アクチュエータに限られていた。油圧式アクチュエータは油圧ポンプ等の油圧源が供給する油圧によって作動するアクチュエータであり、直動アクチュエータとしては油圧シリンダ機構が広く使用されている。 Conventionally, linear actuators satisfying such conditions have been limited to hydraulic actuators. The hydraulic actuator is an actuator that is operated by hydraulic pressure supplied from a hydraulic source such as a hydraulic pump, and a hydraulic cylinder mechanism is widely used as a linear actuator.
油圧式アクチュエータは、油圧源が発生する油圧を伝達する媒体である作動油で内孔が充填された金属管等の油圧パイプで油圧源と接続される。油圧アクチュエータは、この油圧パイプによって伝達される油圧エネルギーによって作動する。油圧パイプの配管の中途には油圧制御弁が設けられており、油圧制御弁によって油圧ポンプに伝達される油圧を制御することでアクチュエータの駆動が制御される。 The hydraulic actuator is connected to the hydraulic power source by a hydraulic pipe such as a metal pipe whose inner hole is filled with hydraulic oil that is a medium for transmitting the hydraulic pressure generated by the hydraulic pressure source. The hydraulic actuator is operated by the hydraulic energy transmitted by this hydraulic pipe. A hydraulic control valve is provided in the middle of the piping of the hydraulic pipe, and the drive of the actuator is controlled by controlling the hydraulic pressure transmitted to the hydraulic pump by the hydraulic control valve.
このように、油圧式アクチュエータにおいては、油圧源を別途設置する必要があるため、電動式アクチュエータよりも広い設置スペースを必要とする。また、アクチュエータの稼動の有無に係わらず、油圧源は常に一定の油圧を供給する必要があり、油圧システムは一般にエネルギー利用効率が低い。また、油圧システムで使用される作動油は劣化するため、定期的に交換する必要がある。作動油の他にも、オイルフィルタや油圧制御弁等も定期的に交換する必要があり、メンテナンスに要する費用や労力が大きいといった短所がある。また、メンテナンスのためにシステム全体を定期的に停止させなければならないという問題もある。 As described above, in the hydraulic actuator, since it is necessary to separately install a hydraulic pressure source, a larger installation space is required than in the electric actuator. In addition, regardless of whether the actuator is in operation or not, the hydraulic source must always supply a constant hydraulic pressure, and the hydraulic system generally has low energy utilization efficiency. In addition, since the hydraulic oil used in the hydraulic system deteriorates, it must be replaced periodically. In addition to hydraulic oil, it is necessary to periodically replace oil filters, hydraulic control valves, etc., and there is a disadvantage that costs and labor required for maintenance are large. Another problem is that the entire system must be periodically stopped for maintenance.
更に、油圧源や油圧配管の接続部、あるいはアクチュエータ自体からしばしば作動オイルが漏れることがあり、大規模な油圧システムが稼動する工場等では深刻な土壌汚染を引き起こす可能性もある。従って、油圧システムと比べてメンテナンスがほとんど必要なく、且つ環境汚染の心配のないアクチュエータを使用した試験装置が望まれていた。このようなアクチュエータとしては、例えば電動式の直動アクチュエータが考えられる。 Furthermore, hydraulic oil often leaks from hydraulic pressure sources, hydraulic piping connections, or the actuator itself, which can cause serious soil contamination in factories where large hydraulic systems operate. Therefore, there has been a demand for a test apparatus using an actuator that requires almost no maintenance as compared with a hydraulic system and that is free from environmental pollution. As such an actuator, for example, an electric linear actuator can be considered.
電動式の直動アクチュエータには、リニアモータの他、回転運動を直線運動に変換する変換器(例えば、ラック・ピニオン機構や送りねじ機構等)を回転式電動モータに連結したものがある。リニアモータは最も簡単な構成の電動式の直動アクチュエータであるが、可動部のイナーシャが大きいため、高い繰り返しレートでの往復駆動には適さない。また、ラック・ピニオン機構は駆動に必要な軸トルクが大きいため大型のモータが必要になり、やはり早い反転速度で駆動させることが難しい。従って、イナーシャの小さな回転式電動モータと駆動トルクの小さな送りねじ機構とを組み合わせたものが、大型振動試験装置等の高い繰り返しレートと大荷重が要求される用途に最も好適な電動式アクチュエータの構成といえる。 In addition to linear motors, electric linear actuators include converters that convert rotational motion into linear motion (for example, a rack and pinion mechanism, a feed screw mechanism, and the like) connected to the rotary electric motor. The linear motor is an electric linear actuator having the simplest configuration, but is not suitable for reciprocal driving at a high repetition rate because the inertia of the movable part is large. Further, since the rack and pinion mechanism requires a large shaft torque for driving, a large motor is required, and it is difficult to drive at a fast reversing speed. Therefore, a combination of a rotary electric motor with a small inertia and a feed screw mechanism with a small driving torque is the most suitable electric actuator configuration for applications requiring a high repetition rate and a large load, such as a large vibration testing device. It can be said.
回転式電動モータの駆動力を完全に送りねじ機構に伝達させようとする場合、モータの駆動軸と送りねじとを、どの運動成分に対しても軸と同等以上の剛性を有するリジッドカップリングを使用することが理想的である。しかしながら、リジッドカップリングは連結する軸間の僅かな軸ずれ(偏心、偏角)をも許容しないため、アライメントが非常に難しい。また、僅かなミスアライメントによっても駆動系に大きな内部ひずみが発生するため、アクチュエータの寿命が短くなるという問題がある。また、この内部ひずみが原因で発生する異常振動によって、アクチュエータを使用する試験装置に不要な振動ノイズを与え、試験精度を低下させてしまうといった問題もある。 When trying to completely transmit the driving force of the rotary electric motor to the feed screw mechanism, the motor drive shaft and the feed screw must be rigidly coupled to the shaft for any motion component. Ideal to use. However, since the rigid coupling does not allow a slight axial deviation (eccentricity, declination) between the connecting shafts, alignment is very difficult. In addition, even a slight misalignment causes a large internal strain in the drive system, resulting in a problem that the life of the actuator is shortened. Further, there is a problem that the abnormal vibration generated due to the internal strain gives unnecessary vibration noise to the test apparatus using the actuator, thereby reducing the test accuracy.
上記の問題を解決するため、本発明に係る直動アクチュエータは、貫通穴が設けられた支持プレートと、支持プレートの第1面に固定されたサーボモータと、サーボモータの駆動軸に連結された送りねじと、送りねじと係合するナットと、ナットを送りねじの軸方向にスライド自在に支持する、支持プレートの第2面に固定されたリニアガイドと、送りねじを回転自在に支持する軸受と、軸受を取り外し可能に支持する軸受取付部材と、を備える。軸受取付部材を支持プレートの貫通穴に差し込まれた状態で支持プレートに固着することにより軸受が支持プレートに取り付けられている。 In order to solve the above problem, a linear motion actuator according to the present invention is connected to a support plate provided with a through hole , a servo motor fixed to the first surface of the support plate, and a drive shaft of the servo motor. A feed screw, a nut engaged with the feed screw, a linear guide fixed to the second surface of the support plate for supporting the nut slidably in the axial direction of the feed screw, and a bearing for rotatably supporting the feed screw And a bearing mounting member that removably supports the bearing . The bearing is attached to the support plate by fixing the bearing attachment member to the support plate in a state of being inserted into the through hole of the support plate .
以上のように、本発明によれば、高出力かつ高い繰り返しレートの直線往復駆動が可能であり、尚且つ、振動試験等において必要となる制御信号に対する低ノイズかつ極めて忠実度の高い応答が可能な直動アクチュエータが実現される。 As described above, according to the present invention, high output and high repetitive rate linear reciprocating drive is possible, and low noise and extremely high fidelity response to control signals required in vibration tests and the like are possible. A linear actuator is realized.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ1aを使用した自動車振動試験システム1000によって被検車両Cの振動試験を行っている様子を示す図である。自動車振動試験システム1000は、本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ1aが組み込まれた4台の加振装置1と、図示しないシステム制御装置とから構成されている。なお、本実施形態の自動車振動試験システム1000は、4輪車である被検車両Cに対して振動試験を行うものであり、4台の加振装置1の上に、被検車両の4つの車輪Wが夫々配置されるようになっている(図1中には、加振装置1及び車輪Wは2組のみ記載)。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which a vibration test of a test vehicle C is performed by an automobile
自動車振動試験システム1000を構成する4台の加振装置1は、鉛直方向の振動を発生(直線往復駆動)する同一構造の装置であり、それぞれシステム制御装置に接続されている。システム制御装置は、各加振装置1を同期制御して、加振装置1上に載置された被検車両Cの4つの車輪Wの夫々に別々の振動を与えることができるようになっている。これによって、自動車が実際の走行時に路面から受ける様々な振動をシミュレートして被検車両Cに与えることができる。また、システム制御装置は、被検車両Cに取り付けられた種々の計測器(例えば、加速度計、ひずみゲージ等)にも接続されており、各加振装置1が被検車両Cに加える振動データと各センサが取得するデータとを同期して記録することができるようになっている。更に、システム制御装置は、振動試験中又は試験後に記録したデータを解析して、例えば被検車両Cが路面から受ける振動に対する応答特性を図示しない出力装置(例えば、表示装置、印刷装置、又は記憶装置)に出力することができるようになっている。
The four vibration exciters 1 constituting the automobile
各加振装置1の上端に設けられているアタッチメント31bには被検車両Cの車輪Wを固定するための既知の車輪把持手段2が取り付けられており、車輪把持手段2を介して各加振装置1の上に車輪Wを1輪ずつ載せるようにして振動試験システム1000に被検車両Cが設置される。本実施形態においては、被検車両Cは図示しないクレーンによって加振装置1上に載置されるが、加振装置1をピット内に配置することによって被検車両Cが自走して加振装置1上に配置されるようにしてもよい。
A known wheel gripping means 2 for fixing the wheel W of the vehicle C to be tested is attached to the
加振装置1は、フレーム10と、本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ1aとから構成される。フレーム10は、ベースBに固定されている底部12と、底部12の上面四隅から鉛直方向上方に夫々伸びる4つの脚部14と、脚部14の上端を連結するように設けられている天板16とを有する。
The vibration device 1 includes a
加振装置1の底部12には、加振装置1をベースBに対して解除可能に固定できる図示されない固定手段と、固定手段を解除したときに加振装置1をベースB上で水平方向に移動可能にする図示されない移動手段とが設けられている。試験時には固定手段を有効にして試験の振動によって加振装置1が移動しないようにし、セッティング時には固定手段を解除するとともに移動手段を作動させることによって車輪把持手段2の配置間隔が被検車両Cの車輪Wの間隔と一致するように各加振装置1を移動させることができるようになっている。
The
次に、直動アクチュエータ1aの構造について説明する。図2は加振装置1に搭載されている直動アクチュエータ1a及びその周辺の縦断面図である。本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ1aは、ACサーボモータ35が出力する回転運動を送りねじ機構にて直動運動に変換して、アタッチメント31bを上下動させるようになっている。
Next, the structure of the
フレーム10の天板16の上面16a上には、支持プレート33が天板16の中央に開けられた開口16bを塞ぐように配置され、支持プレートの側面33aの下端が天板の上面16aに全周溶接されるとともに、支持プレートの下面33bと天板の内側側面16bとが溶接される。これによって、支持プレート33は、フレーム10を介してベースB(図1)に剛体支持されることになる。
A
支持プレート33は、厚さ方向の寸法を充分に大きくとった鋼板であり、試験時に直動アクチュエータ1aに加わる荷重に対して実質剛体と見なすことができる。この支持プレート33の下面には、モータ支持フレーム37を介してACサーボモータ35が固定されている。図示されているように、モータ支持フレーム37の側壁には複数のリブ37aが形成されている。そして、モータ支持フレーム37およびリブ37aの上端と支持プレート33の下面33bとを全周溶接することによって、支持プレート33とモータ支持フレーム37とは、高い剛性をもって一体化されている。
The
ACサーボモータ35は、発明者らが独自に開発した高速反転駆動が可能な高出力ACサーボモータであり、従来のACサーボモータに対してイナーシャを大幅に低減することによって、最大500Hzの繰り返しレートで出力を発生する。
The
支持プレートの上面33cには、リニアガイド40のガイドフレーム42がボルト等によって固定されている。ガイドフレーム42は、鉛直方向に伸びる一対の側壁42aと、この側壁42a同士を上端で連結する上部壁面42bとを有し、全体として逆U字状の形状となっている。
A guide frame 42 of the
ガイドフレーム42の内部には、可動部31が配置されている。また、側壁42aの内側の面には、鉛直方向に伸びる一対のレール44が固定されている。可動部31の図2中左右両端には、一対のレール44の夫々と係合する一対のランナーブロック46が設けられており、ランナーブロック46の移動をレール44が案内することによって、可動部31の移動方向は上下方向のみに限定される。
A
可動部31には、ボール循環機能を備えたボールナット31aが埋めこまれている。ボールナット31aは、サーボモータ35の回転軸35aに連結されているボールねじ36の上部に形成されたねじ部36aと係合している。前述のように、可動部31の移動方向はリニアガイド40によって上下方向のみに限定されているので、ボールねじ36を回転させると、ボールナット31aはボールねじ36と共に回転することはなく、上下方向に移動する。そして、ボールナット31aが埋め込まれている可動部31もまた、上下方向に移動する。可動部31の上部には、前述のアタッチメント31bが形成されており、可動部31の上下動に伴ってアタッチメント31bが上下動する。以上のように、本実施形態によれば、サーボモータ35を駆動することによってアタッチメント31bを上下動させることができる。
A ball nut 31 a having a ball circulation function is embedded in the
なお、ガイドフレーム42の上部壁部42bの中央部には開口部42cが設けられており、可動部31はこの開口部42cを貫通し、その上端のアタッチメント31bは上部壁部42bの上側に配置されている。本実施例においては、前述のように、アタッチメント31bcには被検車両Cの車輪Wを固定するための車輪把持手段2が取り付けられている(図1)が、実施する試験の対象や方法に適した種々の治具を取り付けることができるようになっている。
An opening 42c is provided at the center of the upper wall portion 42b of the guide frame 42. The
ボールねじ36の下部は、ナット66と係合するための溝が形成されていない軸部36bとなっている。この軸部36bは、セミリジッドカップリング300を介してACサーボモータ35の駆動軸35aと連結されている。詳細な構成は後述するが、本実施形態のセミリジッドカップリング300は、ねじり剛性が極めて高くなるように構成されており、ACサーボモータ35の駆動軸35aに加わるトルクを高い応答性をもってボールねじ36に伝達させることができる。また、セミリジッドカップリング300は、その内部の樹脂部材によって長さ方向の軸の変位を柔軟に吸収するように構成されており、ACサーボモータ35の駆動軸24から伝わるACサーボモータ35が発生する軸方向の振動を大幅に減衰させ、ボールねじ36に伝わり難くなっている。
A lower portion of the
次に、セミリジッドカップリング300の構造につき説明する。図3は、セミリジッドカップリング300及び、このセミリジッドカップリング300を介して互いに連結されるACサーボモータ35の駆動軸35aとボールねじ36の軸部36bを示す拡大断面図である。
Next, the structure of the
図示されているように、セミリジッドカップリング300は、ナイロン(登録商標)製の内輪360と、一対のジュラルミン製の外輪320及び340、及びこれらを締結する複数(本実施形態では6つ)のボルト382から構成されている。内輪360の中央には、内部で相互に連絡する丸穴362a、362bが同軸上に設けられている。丸穴362aの内径はACサーボモータ35の駆動軸35aが隙間なく挿入できる大きさであり、丸穴362bの内径はボールねじ36の軸部36bが隙間なく挿入できる大きさとなっている。なお、本実施形態においては、ボールねじ36の軸部36bはACサーボモータ35の駆動軸35aよりも小径であるので、丸穴362bの外径は丸穴362aの外径よりも小径となっている。
As illustrated, the
内輪360の軸方向中央にはフランジ部360aが形成されている。フランジ部360aの両面中央部からは、軸方向に伸びるテーパ部がそれぞれ形成されている。テーパ部の外側面364、366は、軸方向先端に近づくほど外径が小さくなる円錐面状のテーパ面となっている。また、内輪360を挟む一対の外輪320、340の中央には、それぞれテーパ形状の内側面322、342をもつ貫通穴が形成されている。外輪320と340は、それぞれ内側面322、342のテーパ面が開く方向を内輪側に向けて配置されている。外輪320、340のテーパ形状の内側面322、342は、それぞれ内輪360の外側面364、366と同じテーパ角をもっている。そして、外輪320の内側面322と内輪360の外側面364、外輪340の内側面342と内輪360の外側面366とが重なるように、内輪の両端に形成されたテーパ部が外輪320、340の貫通穴に差し込まれている。
A
また、外輪340の貫通穴の周囲には、ボルト382の先端部に形成されたおねじと係合するめねじ344が、貫通穴の軸を中心とする円周上に等間隔に形成されている。また、外輪320と内輪360のフランジ部360aにもめねじ344に対応する位置にボルト穴324、368がそれぞれ形成されており、6本のボルト382が外輪320のボルト穴324及び内輪360のボルト穴368を通して外輪340のめねじ344と係合している。
Further, around the through hole of the
内輪360の丸穴362aに下方からACサーボモータ35の駆動軸35aの先端が、丸穴362bに上方からボールねじ36の軸部36bの先端が差し込まれた後、ボルト382を締結すると、内輪360は両側から外輪320と外輪340とで強く挟まれ、外輪320、340の貫通穴に内輪360の2つのテーパ部がそれぞれ深く嵌入される。このため、くさびの原理によって、内輪360の丸穴362a、362bからACサーボモータ35の駆動軸35a及びボールねじ36の軸部36bにそれぞれ強い側圧が加えられる。従って、丸穴362a、362bと駆動軸35a、ボールねじ軸部36bとの間にそれぞれ強力な摩擦力が発生し、駆動軸35aとボールねじ軸部36bとが内輪360を介して一体に連結される。この結果、セミリジッドカップリング300による連結部のねじり剛性は、送りねじ36やACサーボモータ35の駆動軸35aと同等以上となる。
When the tip of the
図3に示されているように、外輪320と340との間は、粘弾性体であるナイロン樹脂で形成された内輪のみで支持されている。また、セミリジッドカップリング300において、ACサーボモータ35の駆動軸35aの先端と、ボールねじ36の軸部36bの先端とは、わずかな(例えば、約1ミリメートル)の間隔を離して連結されている。従って、モータから軸を圧縮する方向の力が加わった場合には、内輪360が弾性変形して、この駆動軸35aとボールねじ36との間隔が狭まることにより、セミリジッドカップリング300内で軸方向の力を吸収して、ボールねじ36側に伝わる力を大幅に減衰させることができる。本実施形態においては、内輪360の振動減衰率は駆動軸35aの固有振動数において略最大となっている。これにより、駆動軸35aの軸方向、又は、軸の半径方向の振動を効果的に減衰させることができる。
As shown in FIG. 3, the
一方、上述のように、ACサーボモータ35の駆動軸35aの先端と、ボールねじ36の軸部36bの先端との間隔は1ミリメートル程度と短く、また、各軸の先端は全周が内輪と一体化されている。このため、捩り方向には十分にリジッドに連結されており、ACサーボモータ35の駆動軸35aの回転駆動を正確にボールねじ36に伝達することができる。
On the other hand, as described above, the distance between the tip of the
図2に示されるように、支持プレート33の中央には貫通孔33dが設けられており、ボールねじ36はこの貫通孔33dを貫通している。本実施形態においては、試験時にスラスト方向の大荷重を受けるボールねじ36を回転可能に支持するため、貫通孔33dの位置に軸受部60を設けている。以下、この軸受の構造について説明する。
As shown in FIG. 2, a through
図4は、支持プレート33の貫通孔33d付近の縦断面図である。図4に示されているように、貫通孔33dには、円環形状の第1軸受取付部材62が嵌入されている。第1軸受取付部材62の上端には半径方向外側に広がるフランジ部62aが形成されている。フランジ部62aは溶接によって支持プレート33と一体に固定されている。なお、フランジ部62aと支持プレート33との溶接は、ボールねじ36の位置決めが完了した後に行われる。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the
また、ボールねじ36のねじ部36aと軸部36bとの間には、軸部36b側が小径となるような段差が設けられている。この段差の部分に、第1カラー64が配置されている。第1カラー64は軸部36bの外径とほぼ同程度の内径を有しており、第1カラー64をボールねじ36の軸部36b側(下方)から通すと、段差部分で引掛かって止まる。そして、第1カラー64の下には、組合せアンギュラ玉軸受61、第2カラー65が順次装着される。また、ボールねじ36の軸部36bの中途にはおねじ36cが形成されており、第1カラー64、組合せアンギュラ玉軸受61、第2カラー65をボールねじ36の軸部36bに装着した後、ナット66をボールねじ36のおねじ36cに取り付けることによって、第1カラー64と第2カラー65との間で組合せアンギュラ玉軸受61の内輪が支持される。
Further, a step is provided between the
円環形状の第1軸受取付部材62の開口には組合せアンギュラ玉軸受61が上方から嵌入されている。第1軸受取付部材62の開口の下方には、内径が組合せアンギュラ玉軸受61の外径よりも小さくなるような段差が設けられており、上方から嵌入された組合せアンギュラ玉軸受61の外輪がこの段差に引掛かることで、第1軸受取付部材62に下方から支持される。
A combined
また、第1軸受取付部材62の上部には、第2軸受取付部材63が配置されている。第2軸受取付部材63は、ボルト68によって、第1軸受取付部材62に締結されている。第2軸受取付部材63の下面は組合せアンギュラ玉軸受61の外輪と当接しており、これによって組合せアンギュラ玉軸受61の外輪を第1軸受取付部材62と一体に固定している。
In addition, a second
組合せアンギュラ玉軸受61は、一対のアンギュラ玉軸受61a、61bの正面同士を対向させるように組み合わせたもの(正面組合せ)である。本実施形態においては、振動試験時にボールねじ36が上下方向の大荷重を受ける。このため、一対のアンギュラ玉軸受を正面組合せで組み合わせて、上下両方向のスラスト荷重を支持可能な構成としている。また、正面組合せの組合せアンギュラ玉軸受61は、軸(ボールねじ36の軸部36b)に撓みが発生した時であっても軸受内部の応力集中は起こりにくいので、軸受自身の破損が起きにくい。なお、組合せアンギュラ玉軸受の構成は、一対のアンギュラ玉軸受の背面同士を対向させるように組み合わせた背面組合せの組合せアンギュラ玉軸受を使用してもよい。当然ながら、3つ以上のアンギュラ玉軸受を組み合わせた組合せアンギュラ玉軸受を使用してもよい。
The combined
前述のように、本実施形態における直動アクチュエータ1aは、高出力で高い繰り返しレートの反転駆動が可能な低慣性ACサーボモータ35、捻り剛性が高く、なおかつ軸方向の振動を吸収するセミリジッドカップリング300、更に応答性が高く且つ低トルクで低損失に動作可能なボールねじ機構を使用することによって、自動車等の重量物用の振動試験装置等に適用可能な、高出力、高繰り返しレートで、制御信号に対して低ノイズかつ高い忠実度を有する作動を実現している。前述の通り、このような低損失で高い応答性を有するアクチュエータを実現するためには、連結するACサーボモータ35の駆動軸35aとボールねじ36、及びボールねじ36を回転可能に支持する軸受部60の相対配置を極めて高精度に位置決めする必要がある。そのために、本実施形態においては、剛性の高い支持プレート33上にこれらの要素を全て配置することによって、容易に高精度で組み立てることができ、かつ、組立後も高い精度が安定して維持されるようになっている。
As described above, the
次に、本実施形態によるリニアガイド40のレール44及びランナーブロック46(図2)の構成について、図面を用いて詳細に説明する。図5は、レール44及びランナーブロック46を、レール44の長軸方向に垂直な一面(すなわち水平面)で切断した断面図であり、図6は図5のI−I断面図である。図5及び図6に示されるように、ランナーブロック46にはレール44を囲むように凹部が形成されており、この凹部にはレール44の軸方向に延びる4本の溝46a、46a’が形成されている。この溝46a、46a’には、多数のステンレス鋼製のボール46bが収納されている。レール44には、ランナーブロック46の溝46a、46a’と対向する位置にそれぞれ溝44a、44a’が設けられており、ボール46bが溝46aと溝44a、又は溝46a’と溝44a’との間に挟まれるようになっている。溝46a、46a’、44a、44a’の断面形状は円弧状であり、その曲率半径はボール46bの半径と略等しい。このため、ボール46bは、あそびのほとんど無い状態で溝46a、46a’、44a、44a’に密着する。
Next, the configuration of the
ランナーブロック46の内部には、溝46aの夫々と略平行な4本のボール退避路46c、46c’が設けられている。図6に示されるように、溝46aと退避路46cとは、夫々の両端でU字路46dを介して接続されており、溝46a、溝44a、退避路46c、及びU字路46dによって、ボール46bを循環させるための循環路が形成される。溝46a’、溝44a’及び退避路46c’によっても、同様の循環路が形成されている。
Inside the
このため、ランナーブロック46がレール44に対して移動すると、多数のボール46bが溝46a、46a’、44a、44a’を転がりながら循環路を循環する。このため、レール軸方向以外の方向に大荷重が加わっていたとしても、多数のボールでランナーブロックを支持可能であると共にボール46bが転がることによりレール軸方向の抵抗が小さく保たれるので、ランナーブロック46をレール44に対してスムーズに移動させることができる。なお、退避路46c及びU字路46dの内径は、ボール46bの径よりやや大きくなっている。このため、退避路46c及びU字路46dとボール46bとの間に発生する摩擦力はごくわずかであり、それによってボール46bの循環が妨げられることはない。
Therefore, when the
図示されているように、溝46aと44aに挟まれた二列のボール46bの列は、接触角が略±45°となる正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。この場合の接触角とは、溝46a及び44aがボール46bと接触する接触点同士を結んだ線が、リニアガイドのラジアル方向(ランナーブロックからレールに向かう方向であり、図5における下方向)に対してなす角度である。このように形成されたアンギュラ玉軸受は、逆ラジアル方向(レールからランナーブロックに向かう方向であり、図5における上方向)及び横方向(ラジアル方向及びランナーブロックの進退方向の双方に直交する方向であり、図5における左右方向)の荷重を支持することができる。
As shown in the drawing, the two rows of
同様に、溝46a’と44a’に挟まれた二列のボール46bの列は、接触角(溝46a’及び44a’がボール46bと接触する接触点同士を結んだ線が、リニアガイドの逆ラジアル方向に対してなす角度)が略±45°となる正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。このアンギュラ玉軸受は、ラジアル方向及び横方向の荷重を支持することができる。
Similarly, the two rows of
また、溝46aと44aの一方(図中左側)と、溝46a’と44a’の一方(図中左側)にそれぞれ挟まれた二列のボール46bの列もまた、正面組み合わせ型のアンギュラ玉軸受を形成する。同様に溝46aと44aの他方(図中右側)と、溝46a’と44a’の他方(図中右側)にそれぞれ挟まれた二列のボール46bの列もまた、正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。
Further, two rows of
このように、本実施形態においては、ラジアル方向、逆ラジアル方向、横方向のそれぞれに働く荷重に対して、多数のボール46bを有する正面組合せ型のアンギュラ玉軸受が支持することになり、レール軸方向以外の方向に加わる大荷重を十分支持できるようになっている。
Thus, in this embodiment, the front combination type angular contact ball bearing having a large number of
次に、本実施形態の直動アクチュエータ1aの制御計測部の構成について説明する。図7は、本実施形態の直動アクチュエータ1aの制御計測部200のブロック図である。本実施形態の直動アクチュエータ1aは、実際に路面を走行したときに車両が路面から受ける振動を忠実に再現するために、500Hzまでの周波数の直線往復運動を発生することができるようになっている。
Next, the configuration of the control measurement unit of the
直動アクチュエータ1aの制御計測部200は、設定値指示ユニット210、駆動制御ユニット220を有する。
The
設定値指示ユニット210は、どのようにして可動部31(図2)を移動させるかを指示するためのユニットである。より具体的には、可動部31の初期位置からの変位量(目標位置)を信号として出力して駆動制御ユニット220に送るユニットである。設定値指示ユニット210は、入力インターフェース212と、波形生成手段214とを有する。
The set
入力インターフェース212は、設定値指示ユニット210と自動車振動試験システム1000の図示されないシステム制御装置とを接続するためのインターフェースである。システム制御装置は、どのようにして可動部31を変位させるのかを指示する。例えば、一定方向に一定速度で可動部31を動かすのであれば、システム制御装置は可動部31に与える変位速度を入力インターフェース212に送信する。また、一定波形の振動を発生させる場合には、システム制御装置は可動部31の振幅、周波数、及び波形(正弦波と三角波のいずれの波形を使用するか、等)を入力インターフェース212に送信する。入力インターフェース212に入力された指示は、波形生成手段214に送られる。
The input interface 212 is an interface for connecting the set
波形生成手段214は、入力インターフェース212より送信された指示を解釈し、可動部31の初期位置からの変位量を逐次演算し、これを駆動制御ユニット220に送信する。なお、振動試験を行う際は、単一の正弦波や三角波といった一定の波形・周波数で可動部31を駆動するだけに留まらず、様々な振幅や周波数をもつ関数から合成された任意の波形関数に基づいて可動部31を駆動することも可能である。例えば、周波数の異なる正弦波を掛け合わせた関数に基づき、可動部31の振幅が経時変化するように、可動部31を駆動させることも可能である。
The
可動部31の変位量はディジタル信号として波形生成手段214から出力される。このため、波形生成手段214から駆動制御ユニット220に送信される信号は、まずD/Aコンバータ222に入力されてアナログ信号に変換される。アナログ信号に変換された可動部31の変位量情報は、次にアンプ224に送られる。そして、アンプ224は、D/Aコンバータ222から送られた可動部31の変位量情報を増幅して出力する。
The displacement amount of the
前述のように、本実施形態においては、ACサーボモータ35が可動部31を駆動することによって振動試験が行われる。ここで、ACサーボモータ35は、駆動軸24(図1)の回転数を検出するためのエンコーダを内蔵しており、エンコーダが検出した回転数は駆動制御ユニット220の現在位置演算回路226に送信される。
As described above, in the present embodiment, the vibration test is performed by the
現在位置演算回路226は、ACサーボモータ35のエンコーダの検出結果に基づいて、可動部31の現在位置を演算して出力する。そして、アンプ224の出力と現在位置演算回路226の出力との差分(すなわち、可動部31の目標位置と現在位置との差に相当する信号)が電流生成回路228に送信される。
The current
電流生成回路252は、受信した信号に基づいて、ACサーボモータ35に出力する三相電流を生成し、これをACサーボモータ35に出力する。この結果、可動部31が目標位置に到達するようにACサーボモータ35が駆動される。
The current generation circuit 252 generates a three-phase current to be output to the
以上のような構成の直動アクチュエータ1aを使用することによって、極めて高精度な振動試験を行うことができる。前述のように、本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ1aにおいては、従来のACサーボモータと比べて可動部のイナーシャが低く、高出力で最大500Hzの繰り返しレートの高速反復駆動が可能なACサーボモータ35が使用されている。また、本実施形態の直動アクチュエータ1aにおいては、セミリジッドカップリング300によってACサーボモータ35の軸出力をロス無くリニアにボールねじ機構に伝達するとともにモータが発生する直動アクチュエータ1aの駆動軸方向の振動を遮断し、更に、セミリジッドカップリング300及びボールねじ36によって軸回転を高効率に直線運動に変換する構成となっている。これらの構成によって、高出力かつ高い繰り返しレートの直線往復駆動が可能となるのみならず、振動試験等において必要となる制御信号に対する極めて低ノイズで忠実度の高い応答が可能になり、ACモータを使用した大重量物用の振動試験等をより高精度に行うことが可能になった。
By using the
また、本実施形態の構成によれば、図2に示されるように、可動部31を移動させるための動力源であるACサーボモータ35と、ACサーボモータ35の駆動軸35aの回転運動を上下運動に変換するためのボールねじ機構、及び駆動軸35aを回転可能に支持する軸受部60とが、同一のプレートである支持プレート33に固定されている。この構成は、ACサーボモータ35の駆動軸35やボールねじ36、軸受部60、可動部31をガイドするためのリニアガイド40等の相対位置を高精度に位置決めして取り付けることを可能とし、従って、互いに連結するACサーボモータ35の駆動軸35aとボールねじ36の軸部36bとの芯出しを容易且つ極めて正確に行うことができる。これによって高い繰り返しレートでの高出力な反転駆動を実現するために必要な、ACサーボモータ35の駆動軸35a、ボールねじ36、軸受部60及びリニアガイド40の相互の精密な位置決めを容易にし、かつ精密な配置状態を安定に維持することが可能となる。このような高精度の位置決めの実現によって、内部ひずみが大幅に軽減されるために直動アクチュエータの駆動に必要なトルクが小さくなり、高出力かつ高い繰り返しレートでの直線往復駆動が可能となるとともに、直動アクチュエータを使用した各種試験の測定精度に影響を与える振動ノイズを低下させることにも寄与する。
Further, according to the configuration of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the rotational movements of the
B ベース
C 自動車(被検車両)
W 車輪
1 加振装置
1a 直動アクチュエータ
2 車輪把持手段
10 フレーム
31 可動部
33 支持プレート
35 ACサーボモータ
35a 駆動軸
36 ボールねじ
37 モータ支持フレーム
42 ガイドフレーム
60 軸受部
200 制御計測部
210 設定値指示ユニット
220 駆動制御ユニット
250 測定ユニット
300 セミリジッドカップリング
1000 自動車振動試験システム
B Base C Automobile (Test vehicle)
W Wheel 1
Claims (13)
前記支持プレートの一面に固定されたサーボモータと、
前記サーボモータの駆動軸に連結された送りねじと、
前記送りねじと係合するナットと、
前記ナットを前記送りねじの軸方向にスライド自在に支持する、前記支持プレートの他面に固定されたリニアガイドと、
前記送りねじを回転自在に支持する軸受と、
前記軸受を取り外し可能に支持する軸受取付部材と、
を備え、
前記軸受取付部材を前記支持プレートの貫通穴に差し込まれた状態で前記支持プレートに固着することにより前記軸受が前記支持プレートに取り付けられた直動アクチュエータ。 A support plate provided with a through hole;
A servo motor fixed to one surface of the support plate ;
A feed screw connected to the drive shaft of the servo motor;
A nut engaged with the feed screw;
A linear guide fixed to the other surface of the support plate for supporting the nut slidably in the axial direction of the feed screw;
A bearing that rotatably supports the feed screw;
A bearing mounting member that removably supports the bearing;
Equipped with a,
A linear motion actuator in which the bearing is attached to the support plate by fixing the bearing attachment member to the support plate in a state of being inserted into a through hole of the support plate .
前記支持プレートに固着される第1軸受取付部材と、A first bearing mounting member fixed to the support plate;
前記第1軸受取付部材との間で前記軸受の外輪を軸方向両側から挟み込み、前記第1軸受取付部材にねじ止めされた第2軸受取付部材と、A second bearing mounting member sandwiched between the outer ring of the bearing from both axial sides between the first bearing mounting member and screwed to the first bearing mounting member;
を含むことを特徴とする請求項1に記載の直動アクチュエータ。The linear motion actuator according to claim 1, comprising:
前記支持プレートの貫通穴に差し込まれる円筒部と、A cylindrical portion inserted into the through hole of the support plate;
前記円筒部の軸方向一端から半径方向外側に広がって形成され、その片面が前記支持プレートの片面に当接するフランジ部と、A flange portion that is formed so as to spread radially outward from one axial end of the cylindrical portion, and whose one surface is in contact with one surface of the support plate;
を有し、前記フランジ部において前記支持プレートに固着されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の直動アクチュエータ。The linear motion actuator according to claim 1, wherein the linear motion actuator is fixed to the support plate at the flange portion.
前記リニアガイドは、前記ガイドフレームを介して、前記支持プレートに固定されたことを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の直動アクチュエータ。 A guide frame,
The linear guide via said guide frame, characterized in that fixed to the support plate, the linear actuator according to any one of claims 1 to 5.
前記一対の壁部にそれぞれ固定された一対のレールと、
前記ナットに固定された、前記一対のレールのそれぞれと係合するランナーブロックと、を備えることを特徴とする、請求項7に記載の直動アクチュエータ。 The linear guide is
A pair of rails respectively fixed to the pair of wall portions;
The linear motion actuator according to claim 7 , further comprising a runner block that is fixed to the nut and engages with each of the pair of rails.
前記サーボモータが、前記モータ支持フレームを介して、前記支持プレートに支持され、
前記モータ支持フレームが、前記サーボモータの駆動軸を挟んで対向配置され、それぞれ一端が前記支持プレートに固定された一対の第二壁部を有することを特徴とする、請求項8に記載の直動アクチュエータ。 A motor support frame;
The servo motor is supported on the support plate via the motor support frame ,
9. The direct motor according to claim 8, wherein the motor support frame has a pair of second wall portions that are opposed to each other with the drive shaft of the servo motor interposed therebetween, and each of which has one end fixed to the support plate. Moving actuator.
前記サーボモータが前記連結版に取り付けられていることを特徴とする、請求項9に記載の直動アクチュエータ。 The motor support frame has a connecting plate that connects the other ends of the pair of second wall portions,
The linear actuator according to claim 9 , wherein the servo motor is attached to the connecting plate.
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