JP2001013050A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御量として荷重もしくは伸びを選択して
も、荷重検出用アンプもしくは伸び計測用アンプのレン
ジを手動もしくは自動的に切り換えることができ、アン
プの各計測用アンプのレンジを常に適切に保ちながら試
験を行うことのできる材料試験機を提供する。 【解決手段】 荷重もしくは伸びが制御量として選択さ
れている場合に、その荷重もしくは伸びの計測用アンプ
のレンジを手動もしくは自動的に切り換えるに当たり、
そのレンジ切り換え前後のアンプのゲインの変化率に比
例して、あらかじめ設定されている目標値を再設定する
ことにより、レンジ切り換え前後において制御のフィー
ドバックループ内での信号の整合性を維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は材料試験機に関し、
更に詳しくは、荷重測定用アンプもしくは伸び測定用ア
ンプとしてレンジ切換機能を備えたアンプを用いた材料
試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】万能試験機等の材料試験機においては、
一般に、試験片に対する負荷機構の制御量として荷重や
伸びの等の物理量のうちのうち任意のものを選択できる
ように構成され、制御量として選択された物理量、つま
り試験片に作用する荷重もしくは伸び等ががあらかじめ
設定された荷重目標値もしくは伸び目標値等に追随する
よう、負荷機構がフィードバック制御される。

【０００３】また、この種の材料試験機においては、試
験片に作用する荷重や伸びの計測用のアンプの出力が試
験中にフルスケールオーバーすることを避けるために、
これらのアンプにはレンジの切換機能を備えたものが用
いられ、更には、これらのアンプのレンジを自動的に切
り換えるレンジ自動切換機能を備えたものが知られてい
る。このレンジ自動切換機能を備えた材料試験器におい
ては、例えばアンプ出力がそのフルスケール値の９５％
に達した時点で、自動的にアンプのゲインを変化させる
ことによって行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
なレンジ切換機能付きのアンプを用いた材料試験機や、
あるいはレンジ自動切換機能を備えた従来の材料試験機
においては、制御量として選択されている物理量を入力
するアンプのレンジを試験中に手動もしくは自動的に切
り換えると、フィードバックループ内の検出値が瞬時に
変化し、目標値との偏差が増大して負荷機構が大きく移
動し、意図する制御が不可能となるため、試験中にレン
ジを手動で切り換えることのできるアンプ、もしくは、
レンジの自動切換機能を作動させることができるアンプ
は、制御量として選択されている物理量用以外のものに
限定されている。すなわち、例えば制御量として荷重が
選択されている場合には、荷重計測用のアンプについて
は試験中にレンジを手動により切り換えたり、レンジ自
動切換機能を作動させることができず、また、制御量と
して伸びが選択されている場合には、伸び計測用のアン
プについては試験中にレンジを手動により切り換えた
り、レンジ自動切換機能を作動させることができない。

【０００５】従って、制御量として選択されている物理
量用のアンプについては、試験中にアンプがフルスケー
ルオーバーしてしまうことを未然に防止することができ
ず、試験に先立つレンジ設定は、試験片や試験条件等に
基づいて経験的に最適なレンジを選ばざるを得ないとい
う問題があった。

【０００６】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、制御量として荷重もしくは伸びを選択した場合
でも、荷重計測用アンプもしくは伸び計測用アンプのレ
ンジを試験中に手動で切り換えることができ、あるいは
自動切換機能を作動させることができ、例えば荷重速度
制御や荷重保持制御、あるいは伸び（歪み）速度制御や
歪み保持制御をはじめとして、どのような制御でもアン
プのレンジを常に適切に保ちながら試験を行うことので
きる材料試験機の提供を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１に係る発明の材料試験機は、試験片に対す
る負荷機構と、その負荷機構の駆動により試験片に作用
する荷重を検出する荷重検出手段と、その荷重検出手段
の出力を増幅するレンジ切換機能付きアンプと、そのア
ンプの出力を入力して、試験片に作用する荷重があらか
じめ設定されている荷重目標値に追随するよう負荷機構
を制御する制御手段を備えた材料試験機において、上記
アンプのレンジ切り換え時に、当該レンジ切り換え前後
のアンプのゲインの変化率に比例して上記荷重目標値を
自動的に再設定する荷重目標値再設定手段を備えている
ことによって特徴づけられる。

【０００８】また、請求項２に係る発明の材料試験機
は、試験片に対する負荷機構と、その負荷機構の駆動に
よる試験片の伸びを検出する伸び検出手段と、その伸び
検出手段の出力を増幅するレンジ切換機能付きアンプ
と、そのアンプの出力を入力して、試験片に作用する荷
重があらかじめ設定されている伸び目標値に追随するよ
う負荷機構を制御する制御手段を備えた材料試験機にお
いて、上記アンプのレンジ切り換え時に、当該レンジ切
り換え前後のアンプのゲインの変化率に比例して伸び目
標値を自動的に再設定する伸び目標値再設定手段を備え
ていることによって特徴づけられる。

【０００９】本発明は、計測用アンプのレンジが手動も
しくは自動的に切り換えられたとき、制御目標値もその
アンプのゲインの変化率に比例させて自動的に再設定す
ることによって、所期の目的を達成しようとするもので
ある。

【００１０】すなわち、例えば制御量として荷重を選択
している状態で、かつ、荷重計測用アンプのレンジを試
験中に手動により、もしくはレンジ自動切換機能により
自動的に切り換えることによって、そのフルスケール値
がＣ１からＣ２に変化してその出力が瞬時にＣ１／Ｃ２
倍に変化したとき、それと同時にあらかじめ設定されて
いる荷重目標値が自動的にＣ１／Ｃ２倍に再設定され
る。これにより、フィードバックループ内における検出
値および目標値の双方が同時にＣ１／Ｃ２倍に変化する
ことになり、レンジの切り換え前後において負荷機構は
スムーズに動作し、正常な制御状態が継続される。

【００１１】以上は制御量として伸びを選択している場
合も同等であり、伸び計測用アンプのレンジが切り換わ
っても、伸び目標値がそれに対応して自動的に再設定さ
れ、正常な制御状態が継続される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
好適な実施の形態について述べる。図１は本発明の実施
の形態を引張試験のためのセッティング状態で示す全体
構成図で、機械的構成を表す模式図と、電気的構成を表
すブロック図とを併記して示す図である。また、図２は
図１における試験機本体１の平面図である。

【００１３】試験機本体１は、テーブル１１の上に２本
の支柱１２ａ，１２ｂと、２本のねじ棹１３ａ，１３ｂ
をそれぞれ鉛直に配した公知の構造を有し、２本の支柱
１２ａ，１２ｂには上部クロスヘッド１４の両端が固定
されているとともに、２本のねじ棹１３ａ，１３ｂには
下部クロスヘッド１５がナットを介して支持されてい
る。また、上部クロスヘッド１４および下部クロスヘッ
ド１５には、試験片Ｗの両端部を把持するための掴み具
１６ａ，１６ｂが装着されている。

【００１４】上部クロスヘッド１４は、試験機本体１に
内蔵する負荷シリンダ１７の駆動によって、伝達機構
（図示せず）および支柱１２ａ，１２ｂを介して上下動
する。また、下部クロスヘッド１５は、油圧モータ１８
の駆動によるナットの回動によりねじ棹１３ａ，１３ｂ
に沿って上下動する。この下部クロスヘッド１５は、掴
み具１６ａ，１６ｂ間の距離を試験片Ｗの長さに合わせ
て調整するためのものであり、試験中には停止状態とさ
れる。上部クロスヘッド１４は、その上下動によって掴
み具１６ａ，１６ｂ間に把持された試験片Ｗに対して負
荷を与えるものであり、停止状態の下部クロスヘッド１
５に対して離隔するように上昇することによって、試験
片Ｗに対して引張負荷を与えることができる。

【００１５】負荷シリンダ１７は、油圧ユニット２１の
油圧ポンプ２１ａから吐出される圧油がサーボバルブ２
２を介して供給されることによって駆動制御される。こ
の負荷シリンダ１７の駆動により試験片Ｗに作用する荷
重は、負荷シリンダ１７内の圧力を測定する圧力セル３
１によって検出される。圧力セル３１の出力は荷重計測
用アンプ３２によって増幅された後、Ａ−Ｄ変換器４１
によってデジタル化されうえでＣＰＵを主体とする制御
部４０に刻々と取り込まれる。

【００１６】また、負荷シリンダ１７を駆動して試験片
Ｗに引張負荷を与えることによって生じる試験片Ｗの伸
びは、試験片Ｗに装着された伸び計３３によって検出さ
れ、伸び計測用アンプ３４によって増幅された後、Ａ−
Ｄ変換器４２によってデジタル化されたうえで制御部４
０に取り込まれる。このようにして制御部４０に取り込
まれた刻々の荷重検出値および伸び検出値は、レコーダ
４３に例えば荷重−伸び曲線等として出力される。

【００１７】制御部４０には、制御量選択スイッチ４４
および目標値設定器４５が接続されており、制御量選択
スイッチ４４によって選択された制御量の検出値が、目
標値設定器４５によって設定された目標値に一致するよ
う、Ｄ−Ａ変換器４６を介して前記したサーボバルブ２
２に対して動作信号を与え、負荷シリンダ１７をフィー
ドバック制御する。

【００１８】制御量選択スイッチ４４により選択可能な
制御量は、少なくとも荷重と伸びを含み、制御量として
荷重が選択されている状態では、制御部４０はＡ−Ｄ変
換器４１を介して取り込んだ荷重計測用アンプ３２から
の荷重計測値が、目標値設定器４５により設定された目
標値に一致するようにサーボバルブ２２を動作させると
ともに、制御量として伸びが選択されている状態では、
制御部４０はＡ−Ｄ変換器４２を介して取り込んだ伸び
計測用アンプ３４からの伸び計測値が、目標値設定器４
５により設定された目標値に一致するようにサーボバル
ブ２２を動作させる。

【００１９】荷重計測用アンプ３２および伸び計測用ア
ンプ３４は、それぞれ、そのレンジを手動設定すること
ができるようになっているとともに、その出力値が設定
されているレンジにおけるフルスケール値の例えば９５
％に達した時点で、制御部４０から供給される信号によ
って自動的にレンジが切り換わるように構成されてい
る。すなわち、荷重計測用アンプ３２および伸び計測用
アンプ３４のレンジ自動切換機能を有している。

【００２０】さて、以上のようなレンジ自動切換機能を
有している従来の材料試験機においては、荷重制御を選
択している状態では荷重計測用アンプについては自動レ
ンジ切換機能を動作させることができず、また、伸び制
御を選択している状態では伸び計測用アンプについて自
動レンジ切換機能を動作させることができないことは前
記した通りであるが、この実施の形態では、以下に示す
処理によって、荷重制御と荷重計測用アンプ３２に関し
てのレンジ自動切換機能の能動化、および、伸び制御と
伸び計測用アンプ３４に関してのレンジ自動切換機能の
能動化をそれぞれ両立させることができる。

【００２１】図３は荷重制御を選択している状態での制
御部４０による制御ルーチンを示すフローチャートであ
る。このフローチャートは、荷重速度を一定とする制御
を行う場合の例を示すもので、目標値設定器４５による
設定は、当初に設定されている荷重計測用アンプ３２の
フルスケール値Ｃに到達する時間の形、例えばＣ／ｍｉ
ｎの形とされ、その設定によって制御部４０が自動的に
刻々の荷重目標値Ｆを算出する。また、レンジ自動切換
機能は、荷重計測用アンプ３２の出力値がレンジ切換前
のフルスケール値の９５％に達した時点とし、以下のフ
ローチャートでは、切換前のレンジのフルスケール値を
Ｃ１、切換後のレンジのフルスケール値をＣ２と表すも
のとする。

【００２２】さて、上記の設定を行った後に起動指令を
与えると、１回のルーチンの始めにその時点における荷
重目標値Ｆが上記の計算によって求められるとともに、
Ａ−Ｄ変換器４１を介して取り込んだ荷重計測用アンプ
２２からの荷重計測データＮが、その時点におけるフル
スケール値に対して９５％に達しているか否かによって
荷重レンジを切り換えるか否かが判別される。レンジを
切り換えないと判断した場合には、制御偏差量ＤをＤ＝
Ｆ−Ｎによって算出し、Ｄ−Ａ変換器４６によってアナ
ログ化した後にサーボバルブ２２に供給する。

【００２３】試験の進行に伴い、荷重計測データＮがそ
の時点のフルスケール値の９５％に達すると、レンジを
切り換えるべきと判断すると同時に、以後の荷重目標値
ＦをそれまでのＣ１／Ｃ２倍に変更したうえで、荷重レ
ンジの切り換えを実行して試験を続行する。なお、荷重
レンジの変更により、Ａ−Ｄ変換器４１を介して取り込
まれた荷重データＮの値はＣ１／Ｃ２倍になるが、試験
データとして記憶し、あるいはレコーダ４３に出力する
際には、レンジの切換後にはＣ２／Ｃ１倍とされる。

【００２４】以上の動作によると、荷重制御状態におい
て荷重計測用アンプ３２のレンジを自動的に切り換えて
も、それに合わせて荷重目標値もレンジ切換前後におけ
る荷重計測用アンプ３２のゲインの変化率に比例するよ
うに自動的に再設定されるため、負荷機構はレンジ切換
前後において不安定となることなく、当初に設定された
荷重速度を継続することができる。

【００２５】一方、伸び制御を選択している状態におい
ては、図４にフローチャートを示す制御ルーチンが実行
される。この図４の例におけるフローチャートは、歪み
（伸び）速度を一定とする制御を行う場合の例を示すも
ので、目標値設定器４５による設定は、当初に設定され
ている伸び計測用アンプ３４のフルスケール値Ｃεに到
達する時間の形、例えばＣε／ｍｉｎの形とされ、その
設定によって制御部４０が自動的に刻々の伸び目標値Ｆ
εを算出する。また、自動レンジ切換機能は、上記と同
様に伸び計測用アンプ３４の出力値がレンジ切換前のフ
ルスケール値の９５％に達した時点とし、以下のフロー
チャートでは、切換前のレンジのフルスケール値をＣε
１、切換後のレンジのフルスケール値をＣε２と表して
いる。

【００２６】この例においても、起動指令を与えると、
１回のルーチンの始めにその時点における伸び目標値Ｆ
εが求められるとともに、Ａ−Ｄ変換器４２を介して取
り込んだ伸び計測用アンプ３４からの伸び計測データＮ
εの大きさに基づき、伸びレンジを切り換えるか否かが
判別される。レンジを切り換えないと判断した場合に
は、制御偏差量ＤεをＤε＝Ｆε−Ｎεによって算出
し、Ｄ−Ａ変換器４６によってアナログ化した後にサー
ボバルブ２２に供給する。

【００２７】伸び計測データＮεがその時点のフルスケ
ール値の９５％に達すると、レンジを切り換えるべきと
判断すると同時に、以後の伸び目標値Ｆεをそれまでの
Ｃε１／Ｃε２倍に変更し、伸びレンジの切り換えを実
行して試験を続行する。また、伸びレンジの変更によ
り、Ａ−Ｄ変換器４２を介して取り込まれた伸びデータ
Ｎεの値はＣε１／Ｃε２倍になるが、試験データとし
て記憶し、あるいはレコーダ４３に出力する際には、レ
ンジの切換後にはＣε２／Ｃε１倍とされる。

【００２８】以上の例においても、伸び制御状態におい
て伸び計測用アンプ３４のレンジを自動的に切り換えて
も、それに合わせて伸び目標値もレンジ切換前後におけ
る伸び計測用アンプ３４のゲインの変化率に比例するよ
うに自動的に再設定されるため、負荷機構はレンジ切換
前後において不安定となることなく、当初に設定された
伸び速度を継続することができる。

【００２９】なお、以上の各例においては、荷重速度制
御および歪み速度制御を選択した場合について述べた
が、荷重保持制御や歪み保持制御の場合にも上記の各例
と同様の処理によって、荷重計測用アンプ３２および伸
び計測用アンプ３４のレンジを自動に切り換えることが
可能となる。

【００３０】また、以上の実施の形態においては、荷重
計測用アンプ３２および伸び計測用アンプ３４のレンジ
を、レンジ自動切換機能の動作によって自動的に切り換
える場合について述べたが、本発明はこのようなレンジ
自動切換時のみならず、手動によって荷重計測用アンプ
３２および伸び計測用アンプ３４のレンジを切り換えた
ときにも有効である。すなわち、荷重制御が選択されて
いる状態で、荷重計測アンプ３２のレンジを手動によっ
て切り換えたとき、あるいは伸び制御が選択されている
状態で、伸び計測用アンプ３４のレンジを手動によって
切り換えたときに、上記した例と同様に、その切り換え
前後のアンプのゲインの変化率に比例して荷重目標値あ
るいは伸び目標値を自動的に再設定することによって、
負荷機構はレンジ切り換え前後において不安定となるこ
とがなく、当初に設定された荷重速度等の目標値に追随
した正常な動作を継続することができる。また、このよ
うなレンジの手動切り換え時にも本発明の適用が可能で
あることから、本発明は、荷重または伸びの計測用アン
プのレンジ自動切換機能を有していない材料試験機にも
等しく適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、手動に
より、あるいはレンジ自動切換機能の動作により、制御
量として選択されている荷重もしくは伸びの計測用アン
プのレンジを切り換えたとき、目標値もその切り換えに
合わせて自動的に再設定するように構成したから、レン
ジの切り換え前後において負荷機構が不安定とならず、
当初に設定された条件のもとにスムーズな制御が継続さ
れる。その結果、荷重制御中に荷重計測用アンプの、ま
た、伸び制御中に伸び計測用アンプのレンジの手動もく
しは自動切り換えがそれぞれ可能となり、どのような制
御でも各計測用アンプを常に適切なレンジのもとに動作
させて試験を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の全体構成図で、機械的構
成を表す模式図と、電気的構成を表すブロック図とを併
記して示す図である。

【図２】図１における試験機本体１の平面図である。

【図３】本発明の実施の形態を荷重速度制御で行う場合
の制御部４０の動作を示すフローチャートである。

【図４】本発明の実施の形態を歪み（伸び）速度制御で
行う場合の制御部４０の動作を示すフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１ 試験機本体 １１ テーブル １２ａ，１２ｂ 支柱 １３ａ，１３ｂ ねじ棹 １４ 上部クロスヘッド １５ 下部クロスヘッド １６ａ，１６ｂ 掴み具 １７ 負荷シリンダ ２１ａ 油圧ポンプ ２２ サーボバルブ ３１ 圧力セル ３２ 荷重計測用アンプ ３３ 伸び計 ３４ 伸び計測用アンプ ４０ 制御部 ４１，４２ Ａ−Ｄ変換器 ４４ 制御量選択スイッチ ４５ 目標値設定器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験片に対する負荷機構と、その負荷機
   構の駆動により試験片に作用する荷重を検出する荷重検
   出手段と、その荷重検出手段の出力を増幅するレンジ切
   換機能付きのアンプと、そのアンプの出力を入力して、
   試験片に作用する荷重があらかじめ設定されている荷重
   目標値に追随するよう上記負荷機構を制御する制御手段
   を備えた材料試験機において、 上記アンプのレンジ切り換え時に、当該レンジ切り換え
   前後のアンプのゲインの変化率に比例して上記荷重目標
   値を自動的に再設定する荷重目標値再設定手段を備えて
   いることを特徴とする材料試験機。
2. 【請求項２】 試験片に対する負荷機構と、その負荷機
   構の駆動による試験片の伸びを検出する伸び検出手段
   と、その伸び検出手段の出力を増幅するレンジ切換機能
   付きのアンプと、そのアンプの出力を入力して、試験片
   に作用する荷重があらかじめ設定されている伸び目標値
   に追随するよう上記負荷機構を制御する制御手段を備え
   た材料試験機において、 上記アンプのレンジ切り換え時に、当該レンジ切り換え
   前後のアンプのゲインの変化率に比例して上記伸び目標
   値を自動的に再設定する伸び目標値再設定手段を備えて
   いることを特徴とする材料試験機