JP7353884B2 - 自動衝撃発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、特徴付けすべき対象、特に工作機械に衝撃を発生させるための自動衝撃発生装置に関する。

衝撃発生装置は、特徴付けすべき対象のモードパラメータ、すなわちモード周波数および減衰ならびにモード形状を解析するためのモード試験において広く使用されている。衝撃発生装置は、特徴付けすべき構造に衝撃を与えると同時に、衝撃の応答を測定する。

工作機械において、モード試験は、振動が生じることがある機械加工プロセス、例えばフライス削りプロセスの結果を解析または予測するために重要である。フライス削りプロセスにおいて、がたつき振動は、生産性を制限する主要な問題のうちの１つである。がたつきを予測するために、ツールセンターポイントにおける工作機械のダイナミクスが導き出される。工作機械は、衝撃発生装置によって発生される衝撃によって励振され、その応答がセンサによって測定されるが、工作機械のダイナミクスを特徴付けするために工作機械の周波数応答を導き出すことができる。複数の位置において衝撃力を発生させる利便性により、モード試験のための励振を行うために、手で操作する衝撃ハンマが一般的に使用される。しかしながら、手で操作する衝撃ハンマの主な欠点のうちの１つは、衝撃レベル、衝撃位置および励振軸線を正確に反復することが困難であるということである。加えて、実際の機械加工条件を表す条件において試験が行われないと、機械ダイナミクスへの幾つかの影響、例えば、熱的効果、プレロードの僅かな変化または機械のダイナミクスにおけるクロスカップリングタームが、より正確でない予測の原因となる。しかしながら、スピンドル速度に対する機械のダイナミクスの依存を特定する必要があるために回転構造体において行われる測定など、実際の機械加工条件を表す条件において衝撃ハンマを使用して手動励振によって試験が行われると、怪我のリスクが高い。

したがって、衝撃を自動的に発生させる衝撃発生装置は、上述の欠点を克服することができる。幾つかの市販されている自動衝撃ハンマが存在する。しかしながら、このようなシステムは、非常にコストが高く、達成可能な励振周波数帯域およびロバストネスに関する高い汎用性が要求される工作機械を特徴付けするためには適していない。別の課題は、力覚センサの時間キャプチャにおける付加的な有意の信号を発生させることなくバウンシング装置を捕捉することである。別の既存の装置は、モードハンマペンデュラムの形式で実現される半自動ソリューションである。このアプローチは、かなりかさばるという欠点を有しており、これは、衝撃力の位置および向きの制御を困難にし、鉛直方向でのみ使用できるに過ぎない。さらに、制限された衝撃エネルギに起因して、例えば小さな構造体の励振のみに適した、制限された用途を有している。

本発明の目的は、衝撃励振の改良された精度および反復可能性を有する衝撃発生装置を提供することである。特に、周波数帯域幅およびインパルスエネルギに関して異なる励振力のユーザフレンドリなセッティングを可能にする低コストの衝撃発生装置を提供することが目的である。本発明の別の目的は、試験対象を二重に打撃することを回避する、危険な試験条件（例えば、回転構造体）において使用可能な衝撃発生装置を提供することである。

本発明によれば、これらの目的は、請求項１の特徴によって達成される。加えて、別の有利な実施形態は、従属請求項および詳細な説明に従う。

本発明は、特徴付けすべき対象、特に工作機械に衝撃を発生させるための自動衝撃発生装置である。装置は、ボルトユニットと、センサユニットと、引戻し機構とを有している。ボルトユニットは、ハウジングに配置されており、ボルトユニットの軸方向において可動である。センサユニットは、ハウジングの外側に配置されており、対象に接触する先端部を有するボルトユニットの前側に固定されて取り付けられている。対象に作用する力を測定するために、先端部とボルトユニットとの間に力覚センサが配置されている。引戻し機構は、ボルトユニットと作動的に接続されており、ボルトユニットの背後においてハウジングに部分的に配置されており、ボルトユニットを引き戻すことによって、蓄積エレメントに、衝撃を発生させるために必要とされるエネルギを蓄えるように構成されている。引戻し機構は、アクチュエータと、連結機構とを有している。連結機構は、ボルトユニットを引き戻すためにボルトユニットをアクチュエータに連結し、かつ対象への衝撃を発生させるためにボルトユニットをアクチュエータから切り離してボルトユニットを解放することができる。

フライス削りプロセスのために、対象となる周波数範囲は、低い周波数から高い周波数に及ぶ。低い周波数は、特徴付けするための機械のサイズに応じて、５０Ｈｚ以下であってもよい。高い周波数は、マイクロフライス削りプロセスが考慮されるとき、５ｋＨｚ以上であってもよい。したがって、適用可能な励振スペクトルに関して高い汎用性を有する装置を提供することが必須である。励振周波数帯域幅を調節するために、ボルトユニットが異なる質量を有するかまたは先端部を容易に適用することができるように、ボルトユニットは交換可能に設計されている。

１つの変形形態では、ボルトユニットの移動が直線で生じるようにボルトユニットを正確に案内するために、ハウジングの内面に配置された少なくとも２対のすべり軸受が設けられている。

好ましい実施形態では、引戻し機構は、アクチュエータに取り付けられた、特にアクチュエータアームの端部に取り付けられた電磁石を有している。ボルトユニットは、電磁石を作動させることによってアクチュエータと連結させ、かつ電磁石を作動停止させることによってアクチュエータから切り離すことができる。

１つの変形形態では、接触面がボルトユニットの端部に設けられており、接触面は、電磁石が作動すると、磁力によって電磁石に接触させられる。このような連結機構は、例えば電磁石に供給される電流を調整することによって単純に制御することができる。加えて、磁力は、ボルトユニットとアクチュエータとの間の安定した連結を提供するように十分に大きい。別の利点は、単純な構成である。さらに、電磁石は小さなエレメントであり、ハウジングに一体化することができる。

幾つかの実施形態では、蓄積エレメントに所定のエネルギを蓄えることができるように、ボルトユニットを初期位置から所望の位置へ引き戻すように引戻し機構を制御するために、制御ユニットが設けられている。

１つの好ましい変形形態では、エネルギ蓄積エレメントは、弾性エレメント、特にばねである。ばねは、リニアアクチュエータによってプリテンションをかけることができる。アクチュエータがボルトユニットと連結されたとき、リニアアクチュエータの端部位置を調節することによって、ばね圧縮を変化させることができる。制御ユニットは、ばねのばね圧縮を調節して蓄えられるエネルギを変化させるように構成されている。衝撃のために必要とされるエネルギは、ボルトユニットと引戻し機構との間に取り付けられたばねに蓄えられる。必要なばね圧縮を以下の式、すなわち、１／２・ｋ_s・ｓ²＝１／２・ｍ_b・ｖ_b ²に基づいて計算することができる。ここで、ｋ_sはばね剛性、ｓはばね圧縮、ｍ_bおよびｖ_bはそれぞれボルトユニットの質量およびボルトユニットの結果として生じる速度である。

１つの実施形態では、ボルトユニットを引き戻すためにリニアアクチュエータが使用される。例えば、１００ｍｍのストローク、７５Ｎの最大力および２０ｍｍ／ｓの最高速度を有するリニアアクチュエータが選択される。ボルトユニットをアクチュエータに安定して連結するための十分に大きな力を提供するために、６５Ｎの最大力を有する電磁石が適用される。電磁石は、ボルトユニットの端部に取り付けられた接触面に接触することによってボルトユニットをクランプし、所望の位置に達するまでボルトユニットを引き戻す。その後、電磁石は、ボルトユニットを解放するために作動停止する。解放後、次の衝撃のためにボルトユニットをクランプするために、リニアアクチュエータは再び前方へ移動する。

装置の汎用性を改良するために、先端部が交換可能である。材料が異なると、対象に異なる衝撃力が生じる。より具体的には、先端部材料の機械的特性（例えば、ヤング率）に応じて、先端部と目標構造物との接触の継続時間が変化し、これにより、ボルトの運動エネルギを、異なる周波数帯域幅のインパルス励振に変換することができる。したがって、装置の汎用性を改良すべく、衝撃エネルギの広範囲の帯域幅を生じさせるために、先端部を異なる材料から形成することができる。用途に応じて、先端部は、テフロン（登録商標）、鋼、レソフィルまたはゴムから形成されている。

幾つかの実施形態では、ボルトユニットが対象に衝撃を発生させた後、ボルトユニットの跳ね返りを減速させるために、空圧原理に基づくブレーキング機構が設けられている。励振スペクトルのゆがみを回避するために、主衝撃の後に測定されるあらゆる力は、原理的励振力の１％未満であるべきである。これは、対象への衝撃の後、ボルトユニットが跳ね返ったときのボルトユニットの移動を滑らかに減速させるためにブレーキング機構を適用することによって、達成することができる。

ブレーキング機構は、例えば、ハウジングの側壁に配置されかつ制御ユニットによって制御される弁を有している。ボルトユニットが対象の方向へ移動するとき、ハウジングの内部から外部への空気流を許容するために、弁が開放される。ハウジングの内側からの空気流を停止させるために、ボルトユニットが対象から跳ね返ったとき、弁が閉鎖される。

弁を制御するために、ボルトユニットの跳ね返りを遅滞なく検出することが必須である。このために、ボルトユニットの位置は、ハウジングの側壁に配置された光センサによって監視され、特にレーザとフォトダイオードとが半径方向で向き合ってハウジングに配置されている。ボルトユニットの跳ね返りをできるだけ早く検出することができるように、光センサは、好ましくはハウジングの前側部分に配置されている。

本開示の利点および特徴を得ることができる形式を説明するために、以下では、上記で簡単に説明された原理のより具体的な説明が、添付の図面に示された、その特定の実施形態を参照することによって提供される。これらの図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、本開示の範囲の限定であるとみなされるべきではない。本開示の原理は、添付図面の使用により、付加的な特異性および詳細を用いて記述および説明される。

自動衝撃発生装置の組み立てられた図を示している。 自動衝撃発生装置の分解図を示している。 ボルトユニットおよびセンサユニットの断面図を示している。 引戻し機構の断面図を示している。 光センサを用いたボルト位置の監視の断面図を示している。 弁が開放しているときのブレーキング機構の断面図を示している。 センサユニットの組み立てられた図および分解図を示している。 ボルトユニットの組み立てられた図および分解図を示している。 蓄積エレメントの側面図を示している。 アクチュエータの側面図を示している。 ハウジング前側部分の分解図を示している。 ハウジング後側部分の分解図を示している。 制御ユニットの概略図を示している。

図１および図２は、それぞれ組み立てられた状態および分解された状態における自動衝撃発生装置１の図を示している。図２に示されているように、装置は、センサユニット２、ハウジング前側部分３、ボルトユニット５、ハウジング後側部分４、蓄積エレメント６およびリニアアクチュエータ３２を有している。これらの各部品の詳細な説明は、以後の図面に示されている。

完全に自動化された衝撃を可能にするために、以下の機能、すなわち、ボルトユニットを引き戻し、衝撃のためのエネルギを蓄え、ボルトユニットを解放しかつ跳ね返ったボルトユニットを減速させることが満たされる必要がある。第１に、ボルトユニットを所望の位置に引き戻し、ボルトユニットを任意の瞬間に解放することができる必要がある。第２に、エネルギ蓄積エレメントが、ボルトユニットを加速するために必要なエネルギを蓄えることが要求される。第３に、センサユニットによって測定される力信号における望ましくない外乱を回避するために、ボルトユニットの後退移動を、できるだけ滑らかに減速させる必要がある。

図３は、一緒に取り付けられたセンシングユニットおよびボルトユニットの断面図を示しており、これらは、それらの軸方向に可動である。モジュール式のボルトユニット５は、前側ボルト１２および後側ボルト１３を有している。力覚センサ１４が、プリテンショニングボルト１１を用いて、先端部１７と前側ボルトとの間に取り付けられている。力覚センサは、圧縮およびテンション作用力の正確な測定を保証するために、所与のプリテンションを必要とする。後側ボルトは前側ボルトに接続されており、両部材は交換可能であり、したがって、ボルト材料の密度に応じて、異なる特性を有する衝撃を発生させることができる。

図４は、引戻し機構の断面図を示している。ボルトユニットは、ハウジング前側部分の内面に固定されて取り付けられた２つのすべり軸受１５ａ，１５ｂによって軸方向に案内される。前側ボルトおよび後側ボルトの質量は、衝撃スペクトルの要求に依存するように設計されている。引戻し機構は、アクチュエータ３２と、ボルトユニットを引き戻すためにボルトユニットとアクチュエータとを連結するための連結機構とを有している。連結機構は、アクチュエータアームの一方の端部に電磁石３１を取り付けることによって実現される。引戻し機構が作動すると、電磁石３１がスイッチオンされ、これにより、ボルトユニットの一方の端部に配置された研磨された接触面２４が、アクチュエータ３２に配置された電磁石に接続される。アクチュエータは、ボルトユニットを衝撃方向とは反対方向に所望の位置まで引っ張るために制御ユニットによって制御されるのに対し、ばねキャップ２１とハウジングキャップ２３との間に配置されたばね２２は、試験対象に対して衝撃を発生させるために必要とされるエネルギを蓄えるように圧縮される。ボルトユニットが所望の位置に達すると、電磁石がスイッチオフされ、接触面２４と電磁石３１とが切り離されるため、ボルトユニットがアクチュエータから切り離され、これにより、ボルトユニットが解放され、対象の方向へ加速され、対象に対して衝撃を発生させる。ボルトユニットから切り離された後、アクチュエータは初期位置へ戻り、次の引戻しおよび解放のためにボルトユニットを連結する準備をする。

図５および図６は、ブレーキング機構の断面図を示している。空圧式ブレーキング機構は、例えば光センサ４２である光センサと、この光センサと向き合って配置されたレーザ４１とによって作動される。ハウジングの前側部分のシリンダ４０には弁が設けられている。シリンダの側壁に、外部電磁弁４６に接続されるように管４５が設けられている。ボルトユニットを解放する前、内部に前側ボルトが配置されたシリンダから空気が逃げ出すことができるように、電磁弁が開放される。ボルトが解放された後、電磁弁はまだ開放しており、これにより、ボルトは試験対象の方向へ自由に移動することができる。跳ね返ったボルトがフォトダイオードによって検出されると、電磁弁が短い遅れで閉鎖され、ボルトが短い距離だけ跳ね返ることを許容する。電磁弁が閉鎖された後、シリンダから外部への空気流は停止され、これにより、移動するボルトが制動される。ボルトユニットの移動が停止すると、電磁弁は、次の解放のために再び開放する。

図６は、電磁弁が開放しており、空気がシリンダから流出することができる状態を示している。

図７および図７ａは、組み立てられた状態および分解された状態におけるセンサユニットの図を示している。センサユニットは、２つのねじによって直列に接続された、先端部１７、先端部ホルダ１８、スペーサディスク１９および力覚センサ１４を有している。先端部は、先端部ねじ１８ａによって先端部ホルダ１８に交換可能に取り付けられている。先端部ねじ１７ａの一方の端部を先端部ホルダへねじ込むことができ、先端部ねじの反対側の端部には、先端部を取り付けるための突出部が設けられている。

図８および図８ａは、組み立てられた状態および分解された状態におけるボルトユニットの図を示している。前側ボルト１２は、管形状を有する後側ボルト１３に軸方向に部分的に挿入されている。前側ボルトは、後側ボルトの一方の端部から、ボルトねじ２５によって後側ボルトに接続されている。ボルトねじ２５の他方の端部において、図１に示されたアクチュエータ３２とのボルトユニットの連結を可能にするために、ボルトねじ２５に研磨された接触面２４が固定されており、衝撃軸線を中心とするボルトの回転を回避するために後側ボルトにガイドピン１０が固定されている。

図９は、組み立てられた状態における蓄積ユニットの図を示している。ハウジングキャップ２３は、一方の端部において拡大されたヘッドを備える管状エレメントを有している。管状エレメントの周囲にかつばねキャップとハウジングキャップのディスクエレメントとの間に収容されたばね２２を停止させるために、管状エレメントの端部の反対側に、ばねキャップ２１が取り付けられている。ボルトがアクチュエータによって引き戻されたときにばねを圧縮させ、または引戻しの後にボルトが解放されたときにばねを復元させるために、ばねキャップは軸方向に可動である。

図１０は、アクチュエータアームの端部において、磁気ねじ３３によって固定された電磁石３１が設けられた、アクチュエータ３２を示している。ボルトユニットをアクチュエータと連結してボルトユニットを所望の位置に引き戻すために、電磁石３１を制御ユニットによって作動させることができる。

図１１および図１２は、それぞれ前側ハウジング部分および後側ハウジング部分を示している。前側ハウジング部分は、ハウジング後側部分４と固定されるシリンダ４０を有している。すべり軸受１５ａおよび１５ｂが、シリンダ４０の内面に固定されて取り付けられている。ボルトユニットの位置を検出するために、シリンダの壁部における２つの開口にレーザ４１およびフォトダイオード４２が配置されている。外部で電磁弁に接続することができる弁を接続するために、シリンダの壁部に別の開口が設けられている。

１つの実施形態では、電磁弁４６は、後側部分ハウジング４の外面に配置されている。

図１３は、衝撃発生装置の自動化を可能にする制御ユニット７を示している。工作機械のモードパラメータを解析するためのモード試験を、手作業なしに行うことができる。制御ユニットは、マイクロコントローラ８およびパワー電子モジュール９を有している。マイクロコントローラは、衝撃発生装置からの入力信号を受信し、パワー電子モジュールのための制御信号を生成するように構成されており、パワー電子モジュールは、衝撃発生装置の構成部材を直接的に作動または作動停止させる。例えば、マイクロコントローラは、第１のパワー電子モジュール９ａへ制御信号を送信し、第１のパワー電子モジュール９ａは、リニアアクチュエータ３２の動きを命令する。第２のパワーエレクトロニック９ｂは、主に、トランジスタを有している。トランジスタのゲート電圧を制御することによって、電磁石３１を作動または作動停止させることができ、これにより、アクチュエータをボルトユニットと連結して引戻し機構を実行することができる。加えて、制御ユニットは、ブレーキング機構に命令する。例えば、光センサ４２は、ボルトユニットの位置を検出し、マイクロコントローラへ入力信号を送信し、マイクロコントローラは、第３のパワー電子モジュール９ｃを制御して電磁弁４６を開閉させる。

１ 自動衝撃発生装置
２ センサユニット
３ ハウジング前側部分
４ ハウジング後側部分
５ ボルトユニット
６ 蓄積ユニット
７ 制御ユニット
８ マイクロコントローラ
９ パワー電子モジュール
９ａ 第１のパワー電子モジュール
９ｂ 第２のパワー電子モジュール
９ｃ 第３のパワー電子モジュール
１０ 案内ピン
１１ プリテンショニングボルト
１２ 前側ボルト
１３ 後側ボルト
１４ 力覚センサ
１５ａ，１５ｂ すべり軸受
１６ 接続ボルト
１７ 先端部
１８ 先端部ホルダ
１８ａ 先端部ねじ
１９ スペーサディスク
２１ ばねキャップ
２２ ばね
２３ ハウジングキャップ
２４ 接触面
２５ ボルトねじ
３１ 電磁石
３２ リニアアクチュエータ
３３ ねじ
４０ シリンダ
４１ レーザ
４２ 光センサ
４６ 電磁弁

Claims (13)

1. 特徴付けすべき対象において衝撃を発生させるための自動衝撃発生装置（１）であって、
   ハウジングに配置されかつボルトユニットの軸方向に可動なボルトユニット（５）と、
   前記ボルトユニットの前側に固定されて取り付けられたセンサユニット（２）であって、該センサユニット（２）は、前記対象に接触するための先端部（１７）と、前記対象に作用する力を測定するための、前記先端部と前記ボルトユニットとの間に配置された力覚センサ（１４）とを有する、センサユニット（２）と、
   前記ボルトユニットと作動的に接続されかつ前記ボルトユニットの背後に配置された引戻し機構であって、該引戻し機構は、前記ボルトユニットを引き戻すことによって、蓄積エレメント（６）に、衝撃を発生させるために必要とされるエネルギを蓄えるように構成されている、引戻し機構と、
   を備える自動衝撃発生装置（１）において、
   前記引戻し機構は、アクチュエータと、連結機構とを有しており、該連結機構は、前記ボルトユニットを引き戻すために前記ボルトユニットと前記アクチュエータとを連結し、かつ前記アクチュエータから前記ボルトユニットを切り離して前記ボルトユニットを解放することができ、
   前記ボルトユニットが前記対象に衝撃を発生させた後、前記ボルトユニットの跳ね返りを減速させるためのブレーキング機構が設けられており、
   前記蓄積エレメント（６）に所定のエネルギを蓄えることができるように、ボルトを初期位置から所望の位置へ引き戻すように前記引戻し機構を制御するために、制御ユニットが設けられており、
   弁が設けられており、該弁は、前記制御ユニットによって制御され、前記弁は、前記ボルトユニットが前記対象の方向へ移動するときに開放されかつ前記ボルトユニットが前記対象から跳ね返ったときに閉鎖される、
   ことを特徴とする、自動衝撃発生装置（１）。
2. 前記対象は、工作機械である、請求項１記載の自動衝撃発生装置。
3. 前記引戻し機構は、前記アクチュエータに取り付けられた電磁石（３１）を有しており、前記ボルトユニットを、前記電磁石を作動させることによって前記アクチュエータと連結しかつ前記電磁石を作動停止させることによって前記アクチュエータから切り離すことができる、請求項１または２記載の自動衝撃発生装置。
4. 前記蓄積エレメント（６）は、弾性エレメントである、請求項１から３までのいずれか１項記載の自動衝撃発生装置。
5. 前記蓄積エレメント（６）は、ばね（２２）である、請求項４記載の自動衝撃発生装置。
6. 前記制御ユニットは、前記ばね（２２）のばね圧縮を調節して蓄えられるエネルギを変化させるように構成されている、請求項５記載の自動衝撃発生装置。
7. 前記ボルトユニットは、前側ボルト（１２）と、該前側ボルトに交換可能に接続された後側ボルト（１３）とを有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の自動衝撃発生装置。
8. 前記先端部は交換可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載の自動衝撃発生装置。
9. 前記先端部は、テフロン（登録商標）、鋼、レソフィルまたはゴムから形成されている、請求項８記載の自動衝撃発生装置。
10. 前記アクチュエータはリニアアクチュエータ（３２）である、請求項１から８までのいずれか１項記載の自動衝撃発生装置。
11. 前記ブレーキング機構は、空圧原理に基づく、請求項１から１０までのいずれか１項記載の自動衝撃発生装置。
12. 前記ボルトユニットの位置は、前記ハウジングに配置された光センサによって監視される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の自動衝撃発生装置。
13. レーザ（４１）およびフォトダイオードが、前記ハウジングにおいて半径方向で向き合って配置されておりかつ前記弁の制御のために前記制御ユニットに接続されている、請求項１２記載の自動衝撃発生装置。

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