(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に配置された第１及び第２のアクチュエータを用いて試験片に載荷を行う載荷試験方法であって、
任意の場所を原点とする空間座標系を設定して、この空間座標系の任意の一点を載荷点に設定するとともに、前記第１のアクチュエータの先端と前記第２のアクチュエータの先端との間に長さが一定の仮想の第３のアクチュエータが取り付けられているものとし、
前記載荷点の座標の目標値と、第４のステップにおいて算出された載荷点の座標の現在値との偏差を算出する第１のステップと、
前記第１のステップにより算出された偏差に基づいて、前記第１及び第２のアクチュエータの長さを算出する第２のステップと、
前記第２のステップにより算出された前記第１及び第２のアクチュエータの長さとなるように前記第１及び第２のアクチュエータを駆動する第３のステップと、
前記第１及び第２のアクチュエータの長さの計測値及び前記仮想の第３のアクチュエータの長さに基づいて、前記載荷点の座標の現在値を算出する第４のステップと
を有することを特徴とする載荷試験方法。
【請求項２】
並列に配置された第１及び第２のアクチュエータを用いて試験片に載荷を行う載荷試験装置であって、
任意の場所を原点とする空間座標系を設定して、この空間座標系の任意の一点を載荷点に設定するとともに、前記第１のアクチュエータの先端と前記第２のアクチュエータの先端との間に長さが一定の仮想の第３のアクチュエータが取り付けられているものとし、
前記載荷点の座標の目標値と、第２の演算部により算出された載荷点の座標の現在値との偏差を出力する加算器と、
前記加算器から出力される偏差に基づいて、前記第１及び第２のアクチュエータの長さを算出する第１の演算部と、
前記第１の演算部により算出された前記第１及び第２のアクチュエータの長さとなるように前記第１及び第２のアクチュエータを駆動する駆動部と、
前記第１及び第２のアクチュエータの長さの計測値及び前記仮想の第３のアクチュエータの長さに基づいて、前記載荷点の座標の現在値を算出する第２の演算部と
を有することを特徴とする載荷試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物などの載荷試験方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、静的な変形を試験片に与えて載荷を行い、変形−応答荷重の関係から構造物の強度などを評価する構造物の載荷試験が行われている。
特許文献１には、各種載荷パターンで載荷試験を行う載荷試験装置及び方法の発明が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１７１７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような構造物の載荷試験において試験片に水平方向に載荷するときに、対象とする載荷量が１本のアクチュエータ（ジャッキ）でまかなえないときは、２本のアクチュエータを用いて試験を実施している。
図４は、２本のアクチュエータを用いて水平方向に載荷する試験の様子を説明するための図であり、（ａ）は試験片への載荷を説明する図、（ｂ）は載荷結果の例を示す図である。
図４において、１１は試験片、１２は載荷板である。また、Ａｃｔ０は試験片１１の頂部から鉛直方向の載荷を行うアクチュエータ、Ａｃｔ１及びＡｃｔ２は前記載荷板１２を介して試験片１１の側面から横方向（水平方向）の載荷を行うアクチュエータである。
図４の（ａ）に示すように、試験片１１の中心から左右同じ距離だけ離して２本のアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２を並列に設置して、試験片１１と該２本のアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２との間に載荷板１２を設け、載荷板１２を介して試験片１１に横方向の力を加える。
このとき、アクチュエータＡｃｔ１とＡｃｔ２に同じ量の変形命令を与えても、Ａｃｔ１とＡｃｔ２のアクチュエータの特性は現実には全くの同一ではないために、変形量の差が生じ、図４の（ｂ）に矢印で示すような回転方向の力が発生してしまうという問題がある。
【０００４】
そこで、回転方向の力が加わらないように２本のアクチュエータの同期を取りながら試験を実施している。すなわち、微小な変形の目標値をアクチュエータＡｃｔ１とＡｃｔ２に同じ量与え、Ａｃｔ１とＡｃｔ２がその目標値に到達したら、次の微小な変形の目標値を与えるといったことを繰り返し行い、アクチュエータＡｃｔ１とＡｃｔ２の変形移動に伴う干渉を制御して回転方向の力が発生しないように載荷している。
図５は、２本のアクチュエータの同期をとりながら試験を行う様子を説明するための図である。
この図に示すように、目標変形量に到るまでの変形量を分割１〜分割ｎで示す複数の微小な変形の目標値に分割し、該分割した微小な変形の目標値をアクチュエータＡｃｔ１とＡｃｔ２に与えてアクチュエータＡｃｔ１とＡｃｔ２を変形させ、アクチュエータＡｃｔ１とＡｃｔ２がともに分割１の目標値に達した後、次の微小な変形の目標値（分割２）をアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２に与えるという操作を繰り返す。
このとき、載荷板１２の剛性が非常に高いために、アクチュエータＡｃｔ１とＡｃｔ２のどちらかが動くと載荷板１２がシーソーのように動作して、アクチュエータのジョイント部分を中心に載荷板１２が回転してしまう。それを合わせながら制御しているために、図５に示すような待ち時間（無駄時間）が生じてしまうこととなる。この時間は制御することができないために、この試験では時間の概念を適用することができない。
【０００５】
このように従来の載荷試験方法では、２個のアクチュエータＡｃｔ１とＡｃｔ２の互いの干渉をフィードバック制御することができないため、静的な載荷試験しか行えず、長時間の試験時間を必要としていた。
そこで本発明は、試験に要する膨大な時間の短縮を図ることができる載荷試験方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の載荷試験方法は、並列に配置された第１及び第２のアクチュエータを用いて試験片に載荷を行う載荷試験方法であって、任意の場所を原点とする空間座標系を設定して、この空間座標系の任意の一点を載荷点に設定するとともに、前記第１のアクチュエータの先端と前記第２のアクチュエータの先端との間に長さが一定の仮想の第３のアクチュエータが取り付けられているものとし、前記載荷点の座標の目標値と、第４のステップにおいて算出された載荷点の座標の現在値との偏差を算出する第１のステップと、前記第１のステップにより算出された偏差に基づいて、前記第１及び第２のアクチュエータの長さを算出する第２のステップと、前記第２のステップにより算出された前記第１及び第２のアクチュエータの長さとなるように前記第１及び第２のアクチュエータを駆動する第３のステップと、前記第１及び第２のアクチュエータの長さの計測値及び前記仮想の第３のアクチュエータの長さに基づいて、前記載荷点の座標の現在値を算出する第４のステップとを有するものである。
また、本発明の載荷試験装置は、並列に配置された第１及び第２のアクチュエータを用いて試験片に載荷を行う載荷試験装置であって、任意の場所を原点とする空間座標系を設定して、この空間座標系の任意の一点を載荷点に設定するとともに、前記第１のアクチュエータの先端と前記第２のアクチュエータの先端との間に長さが一定の仮想の第３のアクチュエータが取り付けられているものとし、前記載荷点の座標の目標値と、第２の演算部により算出された載荷点の座標の現在値との偏差を出力する加算器と、前記加算器から出力される偏差に基づいて、前記第１及び第２のアクチュエータの長さを算出する第１の演算部と、前記第１の演算部により算出された前記第１及び第２のアクチュエータの長さとなるように前記第１及び第２のアクチュエータを駆動する駆動部と、前記第１及び第２のアクチュエータの長さの計測値及び前記仮想の第３のアクチュエータの長さに基づいて、前記載荷点の座標の現在値を算出する第２の演算部とを有するものである。
【発明の効果】
【０００７】
このような本発明の載荷試験方法及び装置によれば、各アクチュエータごとにその長さを制御するのではなく、任意の場所を原点とする空間座標系を設定し、該空間座標系における任意の点を載荷点として、その載荷点の座標を制御するようにしているため、前述した無駄な待ち時間をなくして試験時間の短縮を実現することができるとともに、時間の概念を試験に適用することが可能となり、動的な試験を行うことが可能となる。
また、制御ポイントは載荷点の１点だけでよく、アクチュエータごとの載荷パターンを指定する必要がなくなる。
このように、従来の２本のアクチュエータによる正確な載荷を実現しながら、時間の概念を適用することができるようになり、構造物の載荷試験を効率良く実施することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の載荷試験方法が実行される本発明の載荷試験装置の一実施の形態の構成を示す機能ブロック図である。
本発明の載荷試験方法においては、従来の載荷試験のようにアクチュエータごとに制御量を制御する制御方法ではなく、任意の場所を原点とする空間座標系を設定し、この空間座標系の任意の一点を載荷点に設定して、この載荷点の位置及び姿勢を示す座標（ｘo，ｙo，θz）を制御する制御方法を採用した。ここで、ｘoは載荷点のＸ座標、ｙoは載荷点のＹ座標、θzは載荷点のＺ軸回りの回転角である。試験片に水平方向の力を加える２本のアクチュエータの回転を抑える制御を行えば水平方向の載荷を行うという目的を達成することができることから、Ｘ−Ｙ平面座標を図中に示すように設定し、載荷点の座標の制御を行っている。なお、前記載荷点のＸ座標ｘoは、固定値となる。
【０００９】
図１において、前記図４の（ａ）と同様に、１１は試験片、１２は載荷板である。そして、前述と同様に、アクチュエータＡｃｔ０により試験片１１の頂部から鉛直方向の載荷を行い、２本のアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２を用いて、試験片１１の側面から載荷板１２を介して水平方向の載荷を行う。ここで、前記アクチュエータＡｃｔ１及びアクチュエータＡｃｔ２には、それぞれ、その長さを計測することができるように、変位センサが取り付けられている。
また、１は図示しない関数発生器などから供給される載荷点の座標（ｘo，ｙo，θz）の目標値と、後述する第２の演算部５において算出された載荷点の座標値との偏差を出力する加算器、２は該加算器１の出力から得たデータに基づいて系を同定するフィルタ（アクティブフィルタ）、３は前記フィルタ２を介して出力される前記載荷点の座標の目標値と前記第２の演算部５により算出された載荷点の座標値との差に基づいてアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２の長さを算出する第１の演算部、４は、該第１の演算部３において算出されたアクチュエータＡｃｔ１の長さＬ１をそのアクチュエータＡｃｔ１に対する命令値としてアクチュエータＡｃｔ１を駆動し、また、算出したアクチュエータＡｃｔ２の長さＬ２をそのアクチュエータＡｃｔ２に対する命令値としてアクチュエータＡｃｔ２を駆動する駆動部である。
５は、前記アクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２にそれぞれ取り付けられている変位センサからの計測信号が入力され、該計測信号により計測されたアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２の長さに基づいて、載荷点の座標値を算出し、前記加算器１に出力する第２の演算部である。
【００１０】
前記第１の演算部３及び前記第２の演算部において実行される演算処理について説明する。
図２は、本発明における空間座標系を示す図である。この図に示すように、任意のＸ−Ｙ平面座標を設定する。ここで、アクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２は、前述したアクチュエータである。載荷点の位置と姿勢を２本のアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２で制御する。ここで、Ｘ方向の移動は、ＬＭガイドとよばれるガイドで常に拘束されているため、０となる。図２の平面座標上で、載荷点はＹ軸上の移動とＺ軸回りの回転の姿勢変化しか起きない。
また、アクチュエータＡｃｔ３は仮想のアクチュエータであり、前記アクチュエータＡｃｔ１の先端（ヘッド）とＡｃｔ２の先端（ヘッド）との間に取り付けられていると考える。この仮想アクチュエータＡｃｔ３を導入することにより、各アクチュエータＡｃｔ１〜Ａｃｔ３の長さから、載荷点の座標を演算により求めることが可能となる。
【００１１】
ここで、各アクチュエータのヘッド側の座標を、アクチュエータＡｃｔ１は（ｘ1h，ｙ1h）、アクチュエータＡｃｔ２は（ｘ2h，ｙ2h）、アクチュエータＡｃｔ３は（ｘ3h，ｙ3h）＝（ｘ2h，ｙ2h）とする。また、各アクチュエータのベース側の座標を、アクチュエータＡｃｔ１は（ｘ1b，ｙ1b）、アクチュエータＡｃｔ２は（ｘ2b，ｙ2b）、アクチュエータＡｃｔ３は（ｘ3b，ｙ3b）＝（ｘ1h，ｙ1h）とする。これらの座標は、各アクチュエータにおける対応するボールジョイントの中心の座標である。
【００１２】
載荷点が初期位置にあるときに、載荷点の座標を（ｘo，ｙo，θz）だけ変化させるときのアクチュエータＡｃｔ１、Ａｃｔ２及びＡｃｔ３の長さＬ１、Ｌ２及びＬ３は、次のように求めることができる。
【数１】
0005248169.tif 000002
ここで、ｘ'1h，ｙ'1h，ｘ'2h，ｙ'2h，ｘ'3h，ｙ'3hは移動後の各アクチュエータのヘッド側の座標である。
【数２】
0005248169.tif 000003
【００１３】
前記第１の演算部３は、上記式（１）及び（２）の演算を行い、アクチュエータＡｃｔ１の長さＬ１及びアクチュエータＡｃｔ２の長さＬ２を求める。前記駆動部４は、求められた長さＬ１及びＬ２をそれぞれのアクチュエータに対する命令値として、アクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２を動作させる。ここで、Ｌ３は、仮想のアクチュエータＡｃｔ３の命令値であり、常に長さ一定となる。
【００１４】
アクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２が駆動され、それらの長さが変化したときの各アクチュエータの長さは、次の式（３）で表される。
【数３】
0005248169.tif 000004
【００１５】
アクチュエータの長さが変化した後の、載荷点の位置と姿勢（ｘo，ｙo，θz）に対する微小変化を表すために、ヤコビ行列Ｊを求める。ヤコビ行列Ｊは、次の式（４）の偏微分の項である。
【数４】
0005248169.tif 000005
【００１６】
以下、ヤコビ行列Ｊの各成分を次のようにして求める。
式の展開の便宜上、アクチュエータの長さを求める前記式（１）と式（２）から、各成分を次式のように定義する。
【数５】
0005248169.tif 000006
【００１７】
いま、式（５）の偏微分計算から、
【数６】
0005248169.tif 000007
となり、次の式（６）が得られる。
【数７】
0005248169.tif 000008
これにより、各アクチュエータの長さＬ１〜Ｌ３のＸ軸及びＹ軸に対する偏微分が求められる。
【００１８】
次に、各アクチュエータの長さＬ１〜Ｌ３のＺ軸回りの回転に対する偏微分については、前記式（１）と式（５）から、次の式（７）が導かれる。
【数８】
0005248169.tif 000009
【００１９】
式（７）を展開することにより、次の式（８）が得られる。
【数９】
0005248169.tif 000010
【００２０】
このようにして、式（１）〜式（８）によりヤコビ行列Ｊが求められたので、アクチュエータ長の時間変化に対しての載荷点の位置及び姿勢の変化は、次の式（９）によって表される。
【数１０】
0005248169.tif 000011
【００２１】
ここで、各アクチュエータの長さの変化を次の式（１０）のように表すと、
【数１１】
0005248169.tif 000012
載荷点の位置及び姿勢の変化は、次の式（１１）で表すことができる。
【数１２】
0005248169.tif 000013
【００２２】
これを、Δｘo、Δｙo、Δθzについて、順次積分していく。
【数１３】
0005248169.tif 000014
こうして、求まったｘo、ｙo、θzを用いて、各アクチュエータの長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を、式（１）と式（２）により計算する。
次に、求まったアクチュエータの長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３が、変位センサで計測されたアクチュエータの長さと比較して、任意の規格値に収まるまで一連の計算を繰り返して載荷点の現在の位置と姿勢を示す座標値（現座標値）を求める。
【００２３】
前記第２の演算部５は、上記繰返し演算を行うことにより、アクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２にそれぞれ取り付けられている変位センサにより計測された各アクチュエータの長さに基づいて、載荷点の現座標値を求める。
【００２４】
図３は、上述のように構成された本発明の載荷試験装置において実行される載荷試験方法の処理の流れを示すフローチャートである。
図示しない関数発生部から載荷点の座標の目標値が供給されると（ステップＳ１）、前記加算器１から、その目標値と前記第２の演算部５から出力される載荷点の現座標値との偏差が出力され（ステップＳ２）、フィルタ２を介して、第１の演算部３に入力される。
第１の演算部３は、前記載荷点の座標の目標値と現座標値の偏差を用い、式（１）及び（２）により、各アクチュエータＡｃｔ１〜Ａｃｔ３の長さＬ１〜Ｌ３を算出する（ステップＳ３）。
前記駆動部４は、算出されたＡｃｔ１の長さＬ１を命令値としてアクチュエータＡｃｔ１を駆動し、算出したＡｃｔ２の長さＬ２を命令値としてアクチュエータＡｃｔ２を駆動する（ステップＳ４）。これにより、アクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２の動作が開始される。
【００２５】
前記第２の演算部５には、前記アクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２にそれぞれ取り付けられている変位センサからの計測信号が入力され、前記第２の演算部５は、該計測信号を用いて、前記式（９）〜（１１）により、載荷点の座標の時間変化（所定のΔｔ時間におけるｘo，ｙo，θzの変化Δｘo，Δｙo，Δθz）を求める（ステップＳ５）。
そして、該求めた載荷点の座標の時間変化を積分して載荷点の座標（ｘo，ｙo，θz）を求める（ステップＳ６）。
そして、求めた載荷点の座標（ｘo，ｙo，θz）と、前記式（１）及び式（２）を用いて、アクチュエータＡｃｔ１、Ａｃｔ２及びＡｃｔ３の長さＬ１、Ｌ２及びＬ３を求める（ステップＳ７）。
そして、ステップＳ７において計算により求めたアクチュエータＡｃｔ１〜Ａｃｔ３の長さＬ１〜Ｌ３と、前記変位センサにより計測されたアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２の長さＬ１及びＬ２、並びに、前記仮想のアクチュエータＡｃｔ３の長さＬ３（固定長）とをそれぞれ比較し、その差があらかじめ定められている規格値以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。
【００２６】
ステップＳ８の判定の結果、計算により求めたアクチュエータＡｃｔ１〜Ａｃｔ３の長さＬ１〜Ｌ３と、前記変位センサにより計測されたアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔの長さＬ１及びＬ２並びに仮想のアクチュエータＡｃｔ３の長さＬ３との差が、所定の規格値よりも大きいときは、前記ステップＳ５に戻り、前記ステップＳ５〜Ｓ７の処理を繰り返す。すなわち、前記アクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２にそれぞれ取り付けられている変位センサによる計測データに基づいて載荷点の座標の時間変化を求め（ステップＳ５）、それを積分して載荷点の座標を求め（ステップＳ６）、求めた載荷点の座標からアクチュエータＡｃｔ１〜Ａｃｔ３の長さＬ１〜Ｌ３を求める。そして、前記ステップＳ８に進む。
ステップＳ８の判定の結果、計算により求めたアクチュエータＡｃｔ１〜Ａｃｔ３の長さＬ１〜Ｌ３と、計測されたアクチュエータＡｃｔ１及びＡｃｔ２の長さＬ１及びＬ２並びに仮想のアクチュエータＡｃｔ３の固定長Ｌ３との差が所定の規格値以下であるときは、そのときの載荷点の座標（ステップＳ７で求めた載荷点の座標）を載荷点の現座標値と決定する（ステップＳ９）。
そして、該載荷点の現座標値を前記加算器１に供給し、前記ステップＳ２に戻る。
【００２７】
以下、前記加算器１に供給されている載荷点の座標の目標値とステップＳ９で決定された載荷点の現座標値との差が加算器１から出力され、この差が０となるまで、上述した処理が繰り返される。
次に、前記載荷点の座標の目標値が新たな目標値に変更されると、該新たな載荷点の座標の目標値となるように、上述した処理が実行される。
このように、本発明によれば、時間の概念を試験に適用することが可能となり、動的な試験を行うことが可能となる。
【００２８】
なお、上記において、前記空間座標系における任意の点を載荷点に設定することができる。すなわち、載荷点（制御ポイント）を変えて試験を行うことができる。
また、上述した実施の形態においては載荷点のＸ座標、Ｙ座標及びＺ軸回りの回転角を制御するものとしたが、その他のパラメータ、例えば、モーメントを制御する場合等にも同様に適用することができる。
さらに、以上の説明では、建造物などの載荷試験の場合について説明したが本発明の載荷試験方法は、２軸の疲労試験などにも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の載荷試験方法が実行される本発明の載荷試験装置の一実施の形態の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明における空間座標系を示す図である。
【図３】本発明の載荷試験装置において実行される載荷試験方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】２本のアクチュエータを用いて水平方向に載荷する試験の様子を説明するための図であり、（ａ）は試験片への載荷を説明する図、（ｂ）は載荷結果の例を示す図である。
【図５】２本のアクチュエータの同期をとりながら試験を行う様子を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１：加算器、２：フィルタ、３：第１の演算部、４：駆動部、５：第２の演算部、１１：試験片、１２：載荷板、Ａｃｔ０〜Ａｃｔ３：アクチュエータ
【図１】
0005248169.tif 000015
【図２】
0005248169.tif 000016
【図３】
0005248169.tif 000017
【図４】
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【図５】
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