CN103003682B - 材料试验机 - Google Patents

Abstract

提供通过减低在塑性区域的试验力的变动，能够防止噪音的影响而得到适当的试验结果的材料试验机。其具有：测量在试验片（10）上的标点间的距离的位移量的位移计（15）；测量使十字头（13）移动的伺服电机（31）的旋转角的位移量的测量单元；依次算出作为距离的位移量和旋转角的位移量的比的变化率（R）的算出部（48）；以及基于该变化率（R）对伺服电机（31）进行反馈控制的反馈控制部（49），变化率（R）超过设定值时，将用于反馈控制的参数（K）的值变更为由反馈控制产生的影响力较小的值。

Description

材料试验机

技术领域

本发明涉及材料试验机，特别涉及一种对具有弹性区域和塑性区域的试验片进行试验的材料试验机。

背景技术

这种材料试验机例如具有如下的结构：互相同步且旋转自如地将一对螺杆支承在工作台上，且通过螺母将十字头的两端部支承在这些螺杆上。然后，通过利用电机的旋转使这一对螺杆互相同步地旋转，使十字头沿一对螺杆移动。在十字头和工作台上各自连接有夹具。而且，构成为，在利用这一对夹具夹持试验片的两端的状态下，通过使十字头移动，对试验片施加负载。

在这样的材料试验机中，通常，用于使螺杆旋转的电动机使用的是伺服电机。而且，例如，如在作为专利文献1的日本特开2002-365188号公报中记载的那样，将作用于试验片的试验力或者试验片的延长等中的、被选择为控制量的物理量的每个时刻的检测值反馈到目标值，以对电动机进行控制。即，例如试验力被选择为控制量的情况下，通过对其检测值（当前值）和目标值的偏差实施PID等的运算，将与该运算结果对应的值作为旋转角速度指令赋予给将驱动信号供给到驱动用的电动机的伺服放大器，对电动机进行控制。更具体地说，使偏差常数倍（微分增益）后的值、偏差的时间微分常数倍（微分增益）后的值或偏差的时间积分常数倍（积分增益）后的值配合，决定旋转角速度指令的大小。

在将这样的电动机作为驱动源的材料试验机中，不对上述的比例增益、微分增益以及积分增益进行适当地设定的话，无法进行准确跟踪目标值的正确的材料试验。但是，该各增益的设定为反复尝试地进行的情况是实际情况。因此，对特别新的种类的试验片进行材料试验时，存在需要较长的时间来进行增益的设定，且需要操作者的熟练这样的问题。

在作为专利文献2的日本特开2009-14499号公报中，揭示有具有控制机构的材料试验机，该控制机构使用电动机作为将负载施加到试验片的负载机构的驱动源，通过在每个时刻对驱动该电动机的伺服放大器赋予该电动机的旋转角速度指令，对负载机构的动作进行控制。在该材料试验机中，首先，对作为控制量的作用于试验片的试验力或作为控制量的试验片的延长作为检测值进行检测。而且，根据该检测值和目标值的偏差，计算出作为指令供给至伺服放大器的旋转角速度的大小。接着，依次算出控制量的检测值相对于电动机的位移量的比率，且将与上述偏差除以该被算出的比率后的值成比例的值设为应该作为指令供给至伺服放大器的旋转角速度的大小。

根据在该日本特开2009-14499号公报所记载的材料试验机，不存在进行控制增益的设定时需要熟练，或者进行反复尝试的操作而导致设定需要较长时间这样的情况，能够始终进行准确的材料试验。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2002-365188号公报

专利文献2:日本特开2009-14499号公报

发明内容

发明要解决的课题

例如，像钢铁材料那样，对具有弹性区域和塑性区域的试验片进行拉伸试验的情况下，在弹性区域中，试验片上的标点间的位移量相对于用于使一方的夹具移动的十字头的移动量的比例为10％～50％左右。即，对试验片施加拉伸力时，通过把持试验片的夹具或用于使该夹具移动的十字头等的负载机构整体的形变、试验片上的标点间以外的形变等，和十字头的移动量进行比较，试验片上的标点间的位移量的比例变小。

相对于此，关于塑性区域，在试验片上标点间的区域中产生局部的形变，在标点间的区域以外的区域几乎不产生形变，因此试验片上的标点间的位移量相对于十字头的移动量的比率大致成为接近1的值。

这里，在一般的弹性区域中，对试验片的试验力（拉伸力）与十字头的移动量成比例地上升，但是在塑性区域中，试验力不产生较大的变动。另一方面，试验力对十字头的移动速度的依存性较高，在试验中变更十字头的移动速度的话，随着其变更，产生由试验速度的变更引起的试验力的变动。

如在上述的专利文献2中记载的那样，关于具有通过对驱动电动机的伺服放大器在每个时刻赋予该电动机的旋转角速度指令来控制负载机构的动作的控制机构的材料试验机，随着该控制动作，产生这样的试验速度被变更的现象。

这里，伴随这样的试验速度的变更的试验力的变动特别地在塑性区域产生的情况下，产生以下那样的问题。即，变更试验速度的话，产生试验力的变动，在塑性区域中，试验中的试验力成为大致一定值，变动较小，因此试验速度的微小的变更引起试验力的变动相对更大地产生，在将试验结果图表化时，无法制作平滑的图表，由此制作的是包含了噪声的图表。

本发明是为了解决上述课题而作出，其目的是提供通过减少塑性区域中的试验力的变动，能够防止噪声的影响，得到恰当的试验结果的材料试验机。

解决课题的手段

关于第1发明的材料试验机，其对具有弹性区域和塑性区域的试验片进行试验，该材料试验机的特征在于，具有,把持所述试验片的两端的一对夹具；使所述一对夹具中的一方的夹具移动的移动构件；对通过所述移动构件使所述一方的夹具移动时的、所述试验片上的标点间的距离的位移量进行测量的位移计；测量所述移动构件的移动量的移动量测量单元；依次算出变化率Ｒ的算出单元，该变化率Ｒ为通过所述位移计测量到的距离的位移量与通过所述移动量测量单元测量到的移动构件的移动量的比；基于所述依次被算出的变化率R，算出用于对所述移动构件的移动量进行反馈控制的参数K的单元；以及反馈控制部，所述反馈控制部在所述变化率Ｒ超过设定值时，将用于反馈控制的参数Ｋ的值变更为由所述反馈控制产生的影响力小的值来进行反馈控制。

关于第2发明的材料试验机，其在第1发明的材料试验机的基础上具有特征：所述反馈控制部在所述变化率R超过设定值时，将用于反馈控制的参数Ｋ的值固定为规定的值来进行所述反馈控制。

关于第3发明的材料试验机，其在第2发明的材料试验机的基础上具有特征：所述反馈控制部在所述变化率R超过设定值时，将用于反馈控制的参数Ｋ的值固定为该时刻的R的值和1之间的值来进行所述反馈控制。

关于第4发明的材料试验机，其在第2发明的材料试验机的基础上具有特征：所述反馈控制部在所述变化率R超过设定值时，将用于反馈控制的参数Ｋ的值固定为该时刻的R的值来进行所述反馈控制。

关于第5发明的材料试验机，其在第1发明的材料试验机的基础上具有特征：所述反馈控制部在所述变化率R超过设定值时，对用于反馈控制的参数Ｋ的值进行使得该Ｋ的值的变动率成为小的值那样的运算处理。

关于第6发明的材料试验机，其在第1-第5的任一发明的材料试验机的基础上具有特征：所述设定值是0.7。

关于第7发明的材料试验机，其在第6发明的材料试验机的基础上具有特征：使所述移动构件移动的移动机构具有用于使所述移动构件移动的电动机和驱动该电动机的伺服放大器，所述移动量测量单元基于所述电动机的旋转角的位移量来测量移动量。

关于第8发明的材料试验机，其在第7发明的材料试验机的基础上具有特征：将所述距离的位移量的目标值与距离的位移量的检测值的偏差除以上述参数Ｋ后的值再乘以预先设定了的时间常数的倒数后的值设为应该对所述伺服放大器供给的旋转角度的大小。

发明的效果

根据第1发明至第6发明的记载，基于被依次算出的变化率R，进行反馈控制，由此能够始终进行适当的材料试验。此时，通过减少塑性区域中的试验力的变动，能够防止噪声的影响，得到恰当的试验结果。

根据第7发明以及第8发明的记载，在将电动机作为驱动源的材料试验机中，不需要进行用于反馈控制电动机的增益的设定，因此没有在增益的设定时需要熟练，或者进行反复尝试的操作而导致设定需要较长的时间这样的情况，能够始终进行准确的材料试验。

附图说明

图1是本发明所涉及的材料试验机的概略图。

图2是试验片10的概略图。

图3是标点19间的距离D的位移量E（t）和伺服电机31的旋转角的位移量θ（t）的关系的图表。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施形态进行说明。图1是本发明所涉及的材料试验机的概略图。在该概略图中，将表示机械的结构的示意图和表示电气的结构的框图一并记载。又，图2是试验片10的概略图。

该材料试验机具有：台16；以朝向铅垂方向的状态能够旋转地被立设在该台16上的一对螺杆11、12；能够沿着这些螺杆11、12移动的十字头13；和用于使该十字头13移动且对试验片10赋予负载的负载机构30。

十字头13通过省略了图示的螺母与一对螺杆11、12相连接。在各螺杆11、12的下端部，连接有负载机构30的蜗轮减速机32、33。该蜗轮减速机32、33的结构为，与作为负载机构30的驱动源的伺服电机31连接，伺服电机31的旋转通过蜗轮减速机32、33被传达到一对螺杆11、12。通过利用伺服电机31的旋转，一对螺杆11、12同步地旋转，十字头13沿着该螺杆11、12进行升降。

在十字头13上，附设有用于紧握试验片10的上端部的上夹具21。该十字头13作为本发明所涉及的移动构件起作用。另一方面，在台16上，附设有用于把持试验片10的下端部的下夹具22。在进行拉伸试验的情况下，以通过这些上夹具21以及下夹具22把持试验片10的两端部的状态，使十字头13上升，由此将试验力（拉伸负载）F加载到试验片10上。

此时，作用于试验片10的试验力通过负载传感器14被检测出，通过负载放大器41被放大后，由AD变换器43数字化且被输入到运算控制部40。又，试验片10上的标点19间的距离D（参照图2）的位移量通过位移计15来测量，通过应变放大器42被放大后，由AD变换器44数字化且被输入到运算控制部40。

运算控制部40通过计算机、序列发生器以及它们的周边设备构成，通过采集来自负载传感器14以及位移计15的试验力数据以及位移量数据，进行数据处理。又，伺服电机31利用从伺服放大器45所供给的电流旋转驱动。伺服放大器45将与从运算控制部40经过D/A变换器46供给的旋转角速度指令的大小对应的电流供给到伺服电机31。伺服电机31由该运算控制部40反馈控制。此时，该运算控制部40也起到基于伺服电机31的旋转角的位移量测量十字头13的移动量的移动量测量单元的作用。

该运算控制部40包含用于依次算出后叙的变化率R的算出部48，和用于基于被算出的变化率R，决定进行反馈控制所需要的参数K，进行反馈控制的反馈控制部49。又，在该运算控制部40上连接有操作部47，能够通过该操作部47的操作赋予各种的指令，或者进行与后叙的时间常数对应的常数A的设定。

此时，利用下述的运算式。即，在本发明所涉及的材料试验机中，将伺服电机31的旋转角的位移量设为θ（t），将试验片10上的标点19间的距离D的位移量（延长量）的检测值（当前值）设为E（t），计算出用下述的式（1）所表示的变化率R（t），下述的式（1）使用了在t之前一定时间的时刻t-t0的伺服电机31的旋转角的位移量θ（t-t0）和标点间的距离D的位移量E（t-t0）。

[式1]

$R\left(t\right)=\frac{E\left(t\right)-E(t-t0)}{\mathrm{\θ}\left(t\right)-\mathrm{\θ}(t-t0)}---\left(1\right)$

作为通过R计算K的方法，可以如下式（2）

[式2]

R(t)＝K(t)    (2)

也可以是如下式（3）

[式3]

K(t)＝K(t-t0)+(R(t)-K(t-t0))×a    (3)

（其中，a为系数，0＜a＜1）

这时，设为ａ=1则得到式（2），a接近于0的话，K的变化将变小。

而且，将与偏差除以与用式（3）所求出的参数K（t）后的值成比例的值设成应该供给到伺服放大器45的旋转角速度dθ／dt的大小。用算式表示这个大小的话，将作为控制量的当前的标点19间的距离D的位移量的检测值设为E（t），将该时刻的控制量的目标值设为Ed（t），将偏差设为｛Ed（t）-E（t）｝，应该供给到伺服放大器45的旋转角速度dθ／dt用下述的式（4）表示。

[式4]

$\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{A}{K\left(t\right)}\{\mathrm{Ed}\left(t\right)-E\left(t\right)\}---\left(4\right)$

这里，在式（4）中，A是被预先设定的常数，这个常数相当于第7发明所涉及的时间常数（偏差的变化量的时间常数）的倒数。这里，希望偏差迅速收敛的话，将A增大，偏差慢慢收敛也可以的情况下，可以减小A。

根据本发明的话，进行如下那样的控制，对于被供给到负载机构30的驱动用的伺服电机31用的伺服放大器45的每个时刻的旋转角速度指令的大小dθ／dt的偏差的比例根据标点19间的距离D的位移量的检测值的变化相对于伺服电机31的旋转角的位移量的比率被自动地决定，该比率为较大的状态则变小，比率变小的话则变大。换言之，上述的比率为较大的情况下，比例增益被较小地设定，比率减小的话，比例增益被自动地较大地设定。由此，不用在试验之前反复尝试地设定增益，而能够始终进行准确的材料试验。

本发明以以下情况为前提：作为控制量的标点19间的距离D的位移量与伺服电机31的旋转角的关系为瞬间地大致成比例，且，由于伴随试验的进行的试验片的塑性变形，该比例常数会变更。即，将从试验开始最初起算的伺服电机31的位移量设为θ（t），将作为控制量被选择的标点19间的距离D的位移量的检测值设为E（t），下述的式（5）成立。

[式5]

E(t)-Er(t)＝K(t)×θ(t)    (5)

即，该（5）式表示：作为控制量的标点19间的距离D的位移量E（t）与伺服电机31的旋转角的位移量θ（t）成比例，且，由于Er（t）随着时间变化，两者失去严密的比例关系。这里，在式（5）中，用Er（t）表示比例项以外。

图3是标点19间的距离D的位移量E（t）和伺服电机31的旋转角的位移量θ（t）的关系的图表。该图3的图表的横轴是电动机的位移量（将试验开始最初设为0的旋转角）θ，纵轴是作为控制量的标点19间的距离D的位移量E的检测值。

这里，将式（5）的两进行时间微分的话，得到式（6）。

[式6]

$\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dEr}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=K\left(t\right)\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{dK}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{\θ}\left(t\right)---\left(6\right)$

dEr（t）/dt一般不为0，由于伴随试验的进行的试验片10的特性变化，成为在时间上变化的参数，但是一般来说材料特性的变化是比较缓慢的变化，该时间变化量dEr（ｔ）／dt是十分微小的值，因此能够作为dEr（t）/dt=0来处理。同样地，考虑到K（t）在时间上变化但变化量较小，在设为dK（t）/dt=0时，下述的式（7）成立。

[式7]

$\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=K\left(t\right)\×\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

这里，使用伺服电机31的旋转角速度dθ／dt作为控制输入，即作为对伺服放大器45的操作量的情况下，实际的伺服电机31的旋转角速度dθ／dt依存于伺服电机31的负载量，与被供给到伺服放大器45的旋转角速度指令的大小dθ／dt并不是完全相等的值，但是使用一般的伺服电机31与伺服放大器45的情况下，它们是十分接近的值。因此，能够将式（7）近似为以下那样。

[式8]

$\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=K\left(t\right)\×\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

而且，由于K（t）随着试验的进行而变化，使用作为控制量的标点19间的距离的位移量E（t）的在每个时刻的检测值与伺服电机31的旋转角的位移量，算出每个时刻的K（t），使用该算出了的K（t）和该时刻的偏差，通过上述式（4）算出应该供给到伺服放大器45的伺服电机31的角速度指令的大小。

将该式（4）代入到式（7）的话，得到下述的式（9）。

[式9]

$\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=A\{\mathrm{Ed}\left(t\right)-E\left(t\right)\}---\left(9\right)$

而且，通过规定下述的式（10），式（11）成立。

[式10]

G=E(t)-Ed(t)    (10)

[式11]

$\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{AG}---\left(11\right)$

这里，A表示误差的变化量的时间常数。因此，也可以考虑希望的时间常数来进行决定。例如设为A=1的情况下，对于阶跃响应的误差的时间上的变化考虑阶跃响应的目的值的时间微分dE0/dt为零的话，下述的式（12）成立，能够计算出1秒后的误差为exp（-1）=0.36。

[式12]

G＝exp(-t)    (12)

采用以上的结构的情况下，在将伺服电机31设为负载机构30的驱动源的材料试验机中，不需要进行用于对伺服电机31进行反馈控制的增益的设定，从每个时刻的伺服电机31的旋转角的位移量和控制量的检测值，每个时刻的适当的增益被自动地算出且被依次设定。因此，操作者在试验之前不需要如以往那样反复尝试地进行增益设定，节省其工夫的同时不需要熟练，能够始终进行准确的材料试验。

如上，本发明所涉及的材料试验机对应该供给到伺服放大器45的旋转角速度dθ／dt如上述式（4）那样地进行控制。即，式（1）所示的变化率R的值被计算，由此通过式（2）或者式（3）K被计算且被变更的话，应该供给到伺服放大器45的旋转角速度dθ／dt被变更，十字头13的移动速度被变更。这里，试验力对十字头13的移动速度的依存性较高，在试验中变更十字头13的移动速度的话，随着该变更，产生由试验速度的变更引起的试验力的变动。伴随试验速度的变更的试验力的变动特别地在塑性区域产生的情况下，在塑性区域中在试验片上的标点间的区域中产生局部的形变，由小的试验力产生较大的形变，所以试验力由于微小的速度变更而变动，伴随试验力的变动的噪声就照原样与形变的变动直接结合。因此，将试验结果进行图表化时，无法制作平滑的图表，制作的是包含上述的噪声的图表。

因此，在本发明所涉及的材料试验机中，运算控制部40中的算出部48依次算出变化率R，且始终监视该变化率R是否超过作为预先设定了的设定值0.7。

如上述那样地，对像钢铁材料那样的具有弹性区域和塑性区域的试验片进行拉伸试验的情况下，在弹性区域中，试验片10上的标点19间的位移量相对于十字头13的移动量的比例为10％～50％左右。相对于此，在塑性区域中，在试验片10上的标点间的区域中产生局部的形变，在除此以外的区域中几乎不产生形变。因此，试验片10上的标点19间的位移量相对于十字头13的移动量的比率变为接近1。因此，能够根据上述的变化率R的值例如是否超过0.7来判断进行当前试验的试验片10是在弹性区域还是在塑性区域。

而且，变化率R超过0.7的情况下，判断为试验片10在塑性区域，将参数K的值变更为由反馈控制产生的影响力较小的值，利用该变更后的参数K，实行那以后的反馈控制。

即，在一个实施形态中，在变化率R超过作为设定值的0.7的时刻，将用于反馈控制的参数K的值固定为规定的值，实行所述反馈控制。将此时的K的值固定为该时刻的值和1之间的值，实行所述反馈控制。或者，将此时的K的值固定为该时刻的值，实行所述反馈控制。

像这样，变化率R超过设定值时，通过将K的值固定为由反馈控制产生的影响力较小的值，进行反馈控制，能够减少在塑性区域中的试验力的变动。因此，能够防止伴随试验力的变动的噪声的影响，将试验结果图表化时，能够制作平滑的图表。

又，在其他的实施形态中，在变化率R超过0.7的时刻，进行与该变化率R的值对应的、用于反馈控制的参数K的值的变动率为较小的值那样的运算处理，实行所述反馈控制。更具体地说，变化率R超过0.7的情况下，运算控制部40中的算出部48进行该K的值的变动率以一定的条件变小那样的运算，且反馈控制部49使用考虑了运算后的变动率的K，实行反馈控制。这时，也能够防止伴随试验力的变动的噪声的影响，将试验结果图表化时，能够制作平滑的图表。

另外，上述的设定值的值可以不被限定在0.7，而根据该材料试验机和试验片10的关系适当地进行设定。例如，材料试验机为十分大型的设备，对于试验片10保持充分的硬度的情况下，也可以设定比0.7大的接近1的值作为设定值，材料试验机的硬度较小的情况下，也可以设定比0.7小的值作为设定值。又，例如，也可以预先测量试验片10上的标点19间的位移量相对于弹性区域中的十字头13的移动量的比例，以便与该比例对应地设定该设定值。

符号说明

10试验片

11螺杆

12螺杆

13十字头

14负载传感器

15位移计

16台

21上夹具

22下夹具

30负载机构

31伺服电机

32蜗轮减速机

33蜗轮减速机

40运算控制部

41负载放大器

42应变放大器

45伺服放大器

47操作部

48计算部

49反馈控制部。

Claims (4)

1.一种材料试验机，其对具有弹性区域和塑性区域的试验片进行试验，该材料试验机的特征在于，具有,

把持所述试验片的两端的一对夹具；

使所述一对夹具中的一方的夹具移动的移动构件；

对通过所述移动构件使所述一方的夹具移动时的、所述试验片上的标点间的距离的位移量进行测量的位移计；

测量所述移动构件的移动量的移动量测量单元；

依次算出变化率R的算出单元，该变化率R为通过所述位移计测量到的距离的位移量与通过所述移动量测量单元测量到的移动构件的移动量的比；

基于所述依次算出的变化率R，算出用于对所述移动构件的移动量进行反馈控制的参数K的单元；以及

反馈控制部，

所述反馈控制部对变化率R是否超过设定值且现在进行试验的试验片在弹性区域还是在塑性区域进行判定，在所述变化率R超过设定值且所述试验片在塑性区域时，将用于反馈控制的参数K的值变更为由所述反馈控制产生的影响力小的此时的R的值与1之间的值来进行反馈控制。

2.如权利要求1所述的材料试验机，其特征在于，所述设定值是0.7。

3.如权利要求2所述的材料试验机，其特征在于，使所述移动构件移动的移动机构具有用于使所述移动构件移动的电动机和驱动该电动机的伺服放大器，所述移动量测量单元基于所述电动机的旋转角的位移量来测量移动量。

4.如权利要求3所述的材料试验机，其特征在于，将所述距离的位移量的目标值与距离的位移量的检测值的偏差除以上述参数K后的值再乘以预先设定了的时间常数的倒数后的值设为应该对所述伺服放大器供给的旋转角度的大小。