Dynamic load measurement method and dynamic load measuring device |
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| 申请号 | JP52524694 | 申请日 | 1994-05-16 | 公开(公告)号 | JP3090688B2 | 公开(公告)日 | 2000-09-25 |
| 申请人 | 共栄制御機器株式会社; 栄一 多田; | 发明人 | 栄一 多田; 和男 渡辺; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | 【請求項１】ばね系を構成する部材の一端を非ばね系のベースに固定するとともに、他端を自由端とし、上記ばね系構成部材の自由端に荷重を掛けて上記ベースを上記ばね系構成部材ごと連続的に所定周期で振動させ、上記ベースの変位y 1と上記自由端の変位y 2を連続的に計測し、これら変位y 1 、y 2の１回微分値 １ 、 ２及び２回微分値 １ 、 ２により上記荷重の質量ｍを ｍ［］＝mg−［（mg＋kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ））− f 3 （− １ ＋ ２ ）＋f 1 （ｍ 1 ,m ２ ）］ （但し、式中［ ］内は自由度数×データ個数の行列式を意味し、ｇは重力加速度、kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ）はばね系構成部材の物質定数、ｋは比例定数、f 3 （− １ ＋ ２ ）は粘性減衰、摩擦減衰、ヒステリシス減衰、流体抵抗減衰、非定常付加抵抗減衰等による減衰項、f 1 （ｍ １ 、ｍ ２ ）は起振力である。 ） として測定することを特徴とする動的荷重測定方法。 【請求項２】上記ベースの振動を、上記ばね系構成部材の自由端に掛かる荷重の印加方向に沿う方向で行わせるようにしたことを特徴とする請求項１の動的荷重測定方法。 【請求項３】非ばね系のベースと、一端を該ベースに固定するとともに他端を自由端としたばね系を構成する基枠体と、上記基枠体の固定端側に設けた上記ベースの振動、動揺等による変位y 1を計測する第１の変位センサーと、上記基枠体の自由端側に設けた該自由端の変位y 2を計測する第２の変位センサーと、これら変位y 1 、y 2から上記自由端に掛かる荷重の質量ｍを算出する演算手段と、上記ベースを上記基枠体及び上記第１、第２の変位センサーごと連続的に所定周期で振動させる手段とからなり、上記演算手段は、上記変位y 1 、y 2の１回微分値 １ 、 ２及び２回微分値 １ 、 ２により上記荷重の質量ｍを ｍ［］＝mg−［（mg＋kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ））− f 3 （− １ ＋ ２ ）＋f 1 （ｍ 1 ,m ２ ）］ （但し、式中［ ］内は自由度数×データ個数の行列式を意味し、ｇは重力加速度、kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ）はばね系構成部材の物質定数、ｋは比例定数、f 3 （− １ ＋ ２ ）は粘性減衰、摩擦減衰、ヒステリシス減衰、流体抵抗減衰、非定常付加抵抗減衰等による減衰項、f 1 （ｍ １ 、ｍ ２ ）は起振力である。 ） として測定することを特徴とする動的荷重測定装置。 【請求項４】上記第１、第２の変位センサーが、発光素子と、連接配置した少なくとも一対のシリコンフォトダイオード（PPD）からなる一次元位置検出素子と、これら発光素子と一次元位置検出素子との間に介在するばね材とからなり、上記発光素子と一次元位置検出素子の一方を上記基枠体の自由端側に、他方を固定端側に取り付けるとともに、上記ばね材の一端を上記基枠体の自由端側に取り付け、上記ばね材により上記一次元位置検出素子の一部を覆い、該ばね材の振動による上記発光素子の照射状態変化に対応する出力を生じさせるものである請求項３の動的荷重測定装置。 【請求項５】上記振動手段は、上記ばね系構成部材の自由端に掛かる荷重の印加方向に沿う方向で上記ベースを振動させることを特徴とする請求項４または５の動的荷重測定装置。 |
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| 说明书全文 | 【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、動揺や振動が存在する動的な状態での荷重計測、例えば液体が流入、流出していて計測中に荷重が変動する場合の荷重計測、計測対象物が生魚などで計測中に運動する場合の荷重計測、船舶、飛行機、コンベア等のように動揺する場所やベース上での荷重計測、走行する車両等の荷重計測等、いわゆる動揺や振動が存在する動的な状態での荷重計測に適する動的荷重測定方法動的荷重測定装置に関する。 発明の背景 従来より、動揺や振動等の変動が存在する、いわゆる動的な状態での荷重測定について多くの提案がなされてきた。 しかしながら従来の荷重測定方法及び装置は、変動周期が１秒以上等のように比較的長い場合や、変動による加速度が1G以下の場合等のように準定常的な状態においてのみ測定が可能なものであり、静的な荷重計測の域を出ていなかった。 そこで本発明者は、完全な意味での動的荷重測定方法及び動的荷重測定装置をPCT/JP91/01168（国際公開番号 本発明は、上記方法及び装置をさらに改良し、装置自体や周囲環境から生じる振動が存在しても、これらの影響を受けずに荷重測定を行なえる動的荷重測定方法動的荷重測定装置を提供しようとするものである。 発明の開示 本発明を以下に詳述する。 本発明に係る動的荷重測定方法は、ばね系を構成する部材の一端を非ばね系のベースに固定するとともに、他端を自由端とし、上記ばね系構成部材の自由端に荷重を掛けて上記ベースを上記ばね系構成部材ごと連続的に所定周期で、移動、振動あるいはこれらの合成動作（以下において移動もしくは振動と単にいうときはこれらの動作のいずれかであり、移動もしくは振動そのものに限定されない。）行なわせ、上記ベースの変位y 1と上記自由端の変位y 2を連続的に計測し、これら変位y 1 、y 2の１回微分値１ 、 ２及び２回微分値１ 、 ２により上記荷重の質量ｍを ｍ［］＝mg−［（mg＋kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ））− f 3 （− １ ＋ ２ ）＋f 1 （ｍ 1 ,m ２ ）］ （但し、式中［ ］内は自由度数×データ個数の行列式を意味し、ｇは重力加速度、kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ）はばね系構成部材の物質定数、ｋは比例定数、f 3 （− １ ＋ また本発明に係る動的荷重測定装置は、非ばね系のベースと、一端を該ベースに固定するとともに他端を自由端としたばね系を構成する基枠体と、上記基枠体の固定端側に設けた上記ベースの振動、動揺等による変位y 1を計測する第１の変位センサーと、上記基枠体の自由端側に設けた該自由端の変位y 2を計測する第２の変位センサーと、これら変位y 1 、y 2から上記自由端に掛かる荷重の質量ｍを算出する演算手段と、上記ベースを上記基枠体及び上記第１、第２の変位センサーごと連続的に所定周期で振動させる手段とからなり、上記演算手段は、上記変位y 1 、y 2の１回微分値１ 、 ２及び２回微分値 上記第１、第２の変位センサーは、発光素子と、連接配置した少なくとも一対のシリコンフォトダイオード（PPD）からなる一次元位置検出素子と、これら発光素子と一次元位置検出素子との間に介在するばね材とから構成し、上記発光素子と一次元位置検出素子の一方を上記基枠体の自由端側に、他方を固定端側に取り付け、上記ばね材の一端を上記基枠体の自由端側に取り付けるとともに、上記ばね材により上記一次元位置検出素子の一部を覆い、該ばね材の振動による上記発光素子の照射状態変化に対応する出力を生じさせるようにすることができる。 また上記振動手段は、上記ばね系構成部材の自由端に掛かる荷重の印加方向に沿う方向で上記ベースを振動させるようにするとよい。 この発明における荷重測定の原理について説明する。 まず、図17（Ａ）のような装置において、非ばね系であるベースＢ及びベースＢ上のばね系を構成するビーム状のセンサーアセンブリＡがそれぞれ動揺、振動等の変動（例えば図17（Ｂ））をしているものとし、ベースＢ ところで上記瞬時荷重W iについての式は、ダランベール（D'Alembert）の原理を適用したものであるが、装置の構成要素について理想的な取り扱いをしており、実際には各構成要素の材質、構造等を考慮する必要がある。 i :y e ＝W i :W e ＝（ｇ＋ ｉ ）:g と表せ、これより となる。 この関係を上記静止荷重W eについての式に適用すると、 となり、これより となる。 ところで図17の場合には、上述のようにセンサーアセンブリＡの自由端がベースＢに対して加速度２で振動しているのであるから、ベースＢが静止している場合を示す数式14中の２にベースＢの変位y 1から得られる加速度１を考慮した加速度（ ２ − １ ）を代入すればよいから、上記式 ｍ ｉ −ｍ ｅ ＋ｋ（y i −y e ）＝W i −W eは、 ｍ（ ２ − １ ）＋ｋ（y 2 −y 1 ）＝ｍ（ｇ＋ ２ − 1からの加速度 １の算出及びセンサーアセンブリＡの変位y 2からの瞬時荷重W iと加速度 ２の算出を行うことにより、
eを計測できる。 なお変位y 1か、y 2から瞬時荷重W iを算出するには、静止荷重W eと変位y 1 、y 2の関係を予め調べておくことにより両者の関係をテーブル化し、
ところで、上記の原理説明においては、運動が連続しているので時系列データを取って前後時刻での関連（慣性項）を考慮する必要があること、及び装置自体や周囲環境等に起因する振動や揺動等の外乱については考慮していない。 そこで本発明においてはベースＢをセンサーアセンブリＡごと連続的に所定周期で振動させて時系列データを得て、複数のデータを連続的に処理してセンサーアセンブリＡ及びベースＢの変位測定に対する外乱の影響を排除するようにしている。 図19に示すように、センサーアセンブリＡの土台環境Ｂ及び被計測物体Ｃが３次元運動をするものとし、センサーアセンブリＡ外の振動発生点ｋ（ｋ＝1,・・・,N） すると、振動発生点ｋからセンサーアセンブリＡに作用する振動波形ξ′ ｋ （ｔ）は、 ξ′ ｋ （ｔ）＝λ ｋ ξ ｋ （ｔ） ′ ｋ （ｔ）＝λ ｋ ξ ｋ （ｔ） ′ ｋ （ｔ）＝λ ｋ ξ ｋ （ｔ） と表わせる。 λは減衰係数で、振動発生点ｋとセンサーアセンブリＡとの距離、伝波経路、伝波媒体物質、振動周波数等の関係であり、λ ｋ ∝ｆ（距離、周波数等）と表わせる。 またセンサーアセンブリＡ自身が運動、振動する場合、振動波形Ｙ（ｔ）、速度波形（ｔ）、加速度波形（ｔ）によって表わすものとする。 これらの波形の加速度スペクトル、加速度パワースペクトルを図20に示す。 すると、センサーアセンブリＡに作用する振動波形は、 速度成分は、 となり、その結果被計測物体Ｃ（質量ｍ）に作用する外力ｍ１は、 によって与えられる。 また振動波形のスペクトル強度、
ξ （ω）、S Y （ω）は有限値）。 ここでセンサーアセンブリＡの運動による力と外乱振動による力の比αを と定義すると、外乱振動項を除去するには、力α≪１、
２ ≪１とする必要がある。 即ち、センサーアセンブリＡの運動を外乱振動項よりも大きく設定することによって計測時の外乱の影響を常時除去することが可能となり、常に安定した計測が行なえる。 例えば、図21のような単純な１自由度のばね系のモデル上にセンサーアセンブリＡがあり、センサーアセンブリＡには質量ｍのベースＢの振動のみが作用すると考える（センサーアセンブリＡとベースＢのばね系の連成振動は考えない）。 即ち、ばねｋ、ダンパＣによって支持された質量ｍのベースＢがP 0 sinω p tなる力によって ｙ＝y p cos（ω p t−δ） なる運動を行ない、同時にばねｋ、ダンパＣを通して外部から外乱 が作用しているとすると、運動方程式は、 ｍ＋ｋ（−１ ）＋Ｃ（ｙ−y 1 ）＝P 0 sinω p t となる。 これを変形すると、 ｍ＋ｋ＋Cy＝Ｃ １ ＋ky 1 ＋P 0 sinω p t となり、 であるから、強制振動項による振幅y 0は、 となる。 例えば、図22はベースＢの運動による力Ｐ（ｔ）と、 Cは臨界減衰定数であり、ω n 2は固有振動数であり、それぞれ と表わされる。 従ってベースＢの動的条件が下記の条件を満たすものであれば外乱を除去でき、センサーアセンブリＡはベースＢの運動のみを計測することになる。 その条件とは、Q i /P 0 ≪１とし、上記強制振動項による振幅を無視し得るようにして、上記式を とし、ベースＢの運動の力を外乱の力よりも大きくすることである。 なお、被計測物Ｃ自体の運動等によって発生する振動による力ｍ ２は、 で与えられ、上記と同様にしてセンサーアセンブリＡの運動による力の比βを と定義して、上記比αと同様に考えると、外乱の場合と同様に被計測物Ｃ自体の運動による影響も排除できる。
本発明は、上記条件を満たすようにしておいて、センサーアセンブリＡにより計測した時系列データを運動方程式 ｍ＝mg−（mg＋kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ））−f 3 （− 上記時系列データの計算は、従来公知の手法を用いてコンピュータにより行なうが、例えば図23に示すように、計測した変位の時系列データのサンプリングとAD変換を行ない、波形を整え、運動、振動状態を分析し、関数形f 1 、f 2 、f 3を決定し、計測個数Ｎ個の時系列の微分方程式をｍを未知数として解き、質量ｍを求めるものである。 即ち上記運動方程式を行列式 ｍ［］＝mg−［（mg＋kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ））− f 3 （− １ ＋ ２ ）＋f 1 （ｍ 1 ,m ２ ）］ として質量ｍを連続的に計算する。 系の自由度をｎ、データ個数をＮとすれば、ｎ×Ｎ個の行列式となり、通常の計測では系の自由度を１と考えてもよいから、１×Ｎ なお、例えば関数f 1が級数展開できるものとすれば、 f 1 （ｍ 1 ,m ２ ）＝C 11 （ｍ １ ）＋C 12 （ｍ ２ ） ＋C 21 （ｍ １ ） ２ ＋C 22 （ｍ １ ）（ｍ ２ ）＋C 図面の簡単な説明 図１は、本発明に係る動的荷重測定装置を用いた計量装置を部分的に示す透視投影図である。 図２は、図１の装置の正投影図である。 図３は、図１の装置の正面図である。 図４は、図１の装置の動的荷重測定装置に加えられる振動を示すグラフである。 図５は、図１の装置の動的荷重測定装置の振動による道程を示すグラフである。 図６は、本発明に係る動的荷重測定装置の基枠体を示す斜視図である。 図７は、図６のＢ−Ｂ断面図である。 図８は、図６に示す基枠体の拡大側面図である。 図９は、図６の基枠体に内蔵した加速度検出センサー部の拡大平面図である。 図10は、図９のＣ−Ｃ断面図である。 図11は、多素子型シリコンフォトダイオードによる位置検出の原理図である。 図12は、多素子型シリコンフォトダイオードにより位置検出の実験例を示す説明図である。 図13は、図12の実験例による測定結果を示すグラフである。 図14は、本発明に係る動的荷重測定装置の電気回路構成を示すブロック図である。 図15は本発明に係る動的荷重測定方法及び同装置による外乱を含む測定結果を示すグラフである。 図16は、図23の測定結果から外乱を除去した測定結果を示すグラフである。 図17は、荷重測定装置を動揺、振動等の変動をするベース上に設置した状態を示す図で、（Ａ）はその装置構成を、（Ｂ）はセンサーアセンブリに生じる荷重の変化を示す図である。 図18は、動的荷重測定の原理を説明するための図で、 図19は、本発明に係る動的荷重測定方法及び同装置の荷重測定原理を説明するための図で、センサーアセンブリのベース及び被計測物体が３次元運動をするものとし、センサーアセンブリ外の振動発生点においての振動発生状態を説明するための図である。 図20は、図19の振動発生に関する波形の加速度スペクトル、加速度パワースペクトルを示す図である 図21は、本発明に係る動的荷重測定方法及び同装置の荷重測定原理を説明するための図で、１自由度の振動系を模式的に示す図である。 図22は、本発明に係る動的荷重測定方法及び同装置の荷重測定原理を説明するための図で、強制振動による外乱の除去効果を示す図である。 図23は、本発明に係る動的荷重測定方法及び同装置における時系列データの処理過程を概念的に示すブロック図である。 実施例 以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。 図１ 図中４は摺動ベース、５は駆動モータ、６はねじ軸、 摺動ベース４は一対のガイドバー12、12に対して図中３中の矢印Ｂ方向で往復摺動可能に支持してあり、底部に駆動手段を備えている。 この駆動手段は、図示せぬ駆動源からの回転を伝達するための回転伝達軸13と、中間伝達軸14と、伝達レバー15と、この伝達レバー15の先端に回転可能に取り付けたガイド16と、このガイド16と嵌まり合うように摺動ベース４の底面に設けたガイドレール17とからなる。 この駆動手段は、駆動源からの回転を回転伝達軸13と中間伝達軸14とを介して伝達レバー15に伝達し、伝達レバー15を水平に回転させ、ガイド16を回転させつつガイドレール17に沿って往復動させ（即ちガイド16の軌跡は円となる。）、そしてこれによって摺動ベース４を矢印Ｂ方向で往復摺動させる。 摺動ベース４ 駆動モータ５は、摺動ベース４の往復動と連動して回転し、DLS10ごとベースプレート９を上下に駆動する（図中矢印Ｃ方向）。 これによってローディングプレート11は、ガイドレール１の隙間から出没し、ガイドレール１から突出する際にその上に位置している被測定物２ 図４は摺動ベース４の往復摺動とベースプレート９の上下動によって生じる振動の１周期を示すグラフであり、図５は同じく振動による道程の一例を示す。 この振動は、ローディングプレート11を上昇させる前半部はゆっくりと、ローディングプレート11を下降させる後半部は速く作動させるものである。 この動作は例えば偏心カムを用いて回転伝達軸13を不等速で回転させることにより実現できる。 もっともこのような動作は測定タクトを短くすることを考慮したものであり、本発明における測定が必ずこのような動作態様を採用しなければならないというものではない。 DLS10は、本発明者が上述したPCT/JP91/01168並びにP DLS10は主に基枠体51、アーム体52及び荷重検出用センサー部53と、加速度検出用センサー部54とからなる。 アーム体52は基枠体51の中空部60内で、可動部56側へ向けて突出し、その先端には荷重検出用センサー部53のハウジング62が固定してある。 また荷重検出用センサー部53は、ハウジング62内にLED等の発光素子63と一次元位置検出用の多素子系シリコンフォトダイオード（以下 また加速度検出用センサー部54は窪み67内に取付けてあり、カバー68内にLED等の発光素子69と一次元位置検出用のPPD70を間隔をおいて対向させ、発光素子69とPPD ここでPPDを用いた位置検出の原理を図11により説明する。 図11（Ａ）は、PPDとマスク部材Ｍとの位置関係を示し、図11（Ｂ）はPPDの出力電圧とマスク部材Ｍの位置関係を示す。 PPDが受光面積と光量の強さＩに比例する出力電圧を生じる素子があることは周知のとおりである。 即ち、PPD単体では位置検出素子としては機能しない。 そこで本発明者は、一対の素子PPD1、PPD2を極く僅かなギャップを介して連接した多素子型PPDにマスク部材Ｍを組み合わせることにより、PPDが位置検出素子として機能するようにしている。 素子PPD1、PPD2の出力電圧を夫々V1、V2とし、マスク部材Ｍの中心のPPD中心Ｏからの変位を１とすると、マスク部材Ｍの中心がＯ−Ａ間にあるとき（変位１は０≦
そこで光量が変化する場合を考える。 PPD1、PPD2夫々においては、光量の強さＩが変化しても、出力電圧の変化量dVと、光量の強さの変化量dIとが比例する。 またPP 上記２つの式からわかるように、光量の変化による影響は除去でき、従って上述のような構成をとればPPDは位置検出センサーとして使用できる。 また位置検出が行なえれば、既に述べたように位置データを２回微分することにより加速度検出センサーとしても使用できる。 図12は上述のような多素子型シリコンフォトダイオードにより位置検出の実験例を示す説明図である。 LEDとP 次にDSL10の電気回路構成について説明する。 図７中の72はカバーで、図６では図示を省略してある。 このカバー72内には、プリント基板73、74が設けてある。 プリント基板73、74は、例えば複数枚の基板を重ねる等により構成するもので、荷重検出用センサー部53の発光素子 これらの検出用回路25、26は図14に示すように同一の回路構成を有し、それぞれセンサー電源回路27、PPD6 電源回路33は外部電源に接続し、両検出用回路25、26 本実施例においては、荷重計測は常にDLS10が位置変動するモードにおいて行なわれ、演算ユニット31における演算は、 ｍ［］＝mg−［（mg＋kf 2 （ｙ−y 1 ＋y 2 ））− f 3 （− １ ＋ ２ ）＋f 1 （ｍ 1 ,m ２ ）］ に基づいて行なわれる。 既に述べたように、ｍは求めるべき値の質量で、 １ 、 １はベース59の変動の速度、 次に演算結果の実例について説明する。 図15は、ガイドレール１上に被測定物２（mg＝10Kg）を供給し、モータ等による外乱振動が存在している状態において非常にゆっくりと摺動ベース４及びローディングプレート11を作動させたときに測定される変位y 1 、y 2から得られる荷重値（mg）の一例を示すグラフである。 また図16はごく速い周期で摺動ベース４及びローディングプレート11を作動させたときに測定される荷重値（mg）の一例を示すグラフである。 図15では外乱の影響が直接的に測定データに現われており、図16ではDLS10を振動させたことによる影響だけが測定データに現われ、図15で現われていたモータ等による外乱振動の影響が測定データに現われなくなっていることがわかる。 図15の場合では測定結果が瞬時値の最大11.827Kg、最小7.913Kg、そして本発明方法の演算による算出荷重10.001Kgとなるのに対し、図16の場合では瞬時値の最大13.924Kg、最小4.677Kg、算出荷重10.000K 即ち、DLS10に対して大きな周期的な振動による外力を与えることにより、装置要素自体で生じさせている振動や周囲環境からくる振動、動揺の影響を受けず、非常に高精度に荷重測定を行なえるとの結果を得られた。 本発明に係る動的荷重測定方法及び動的荷重測定装置は以上説明してきたように、動的に荷重を測定する要素を積極的に移動、振動あるいはその合成動作をさせることにより、装置自体や周囲環境から生じる振動や動揺の存在下でも、これらの影響を受けずに荷重測定を精密に行なえようになるという効果を奏する。 符号の説明 １ ガイドレール ２ 被測定物 ３ 搬送プレート ４ 摺動ベース ５ 駆動モータ ６ ねじ軸 ９ ベースプレート 10 動的荷重測定センサー本体（DLS） 11 ローディングプレート 12 ガイドバー 13 回転伝達軸 15 伝達レバー 25 荷重検出用回路 26 加速度検出用回路 31 演算ユニット 51 基枠体 52 アーム体 53 荷重検出用センサー部 54 加速度検出用センサー部 55 固定部 56 可動部 63、69 発光素子 64、70 PPD ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−299420（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−83918（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−54932（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／5371（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl. 7 ，ＤＢ名) G01G 9/00 G01G 23/01 G01G 23/37 |
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