JP2005003577A

JP2005003577A - 材料試験機

Info

Publication number: JP2005003577A
Application number: JP2003168890A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Shimizu; 高行清水
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】試験片の伸びと幅変化を２種の測定装置を用いることなく測定可能で、しかも試験片の破断位置を自動的に計測することのできる材料試験機を提供する。
【解決手段】試験片Ｗを撮像するビデオカメラ５からの撮像信号を用いた画像処理により、標線間の伸びを求める伸び計測手段７１ａと、同じくその撮像信号を用いた画像処理により試験片Ｗの幅変化を求める幅計測手段７１ｂと、同じくその撮像信号を用いた画像処理により試験片Ｗの破断位置を求める破断位置計測手段７１ｃを設けることにより、１台のビデオカメラからの撮像信号によって伸び、幅変化および破断位置の計測を可能とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は材料試験機に関し、特に自動運転を行うのに適した材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料試験機においては、一般に、試験片の両端部を一対の掴み具で把持した状態で、その一方を他方に対して離隔させることによって試験片に引張負荷を加える。そのときに試験片に作用する荷重はロードセル等によって検出されるとともに、試験片の刻々の伸びは伸び計によって計測され、これらの計測結果から得られる荷重−伸び曲線から試験片の強度特性等を評価する。
【０００３】
試験片の伸びを計測する伸び計としては、接触式のものが多用されていたが、近年、試験片にあらかじめ２本の標線を付しておき、その試験片を試験中にビデオカメラで撮像し、その撮像信号を用いた画像処理によって標線間の伸びを計測する非接触式の伸び計が実用化されており、更に、そのビデオカメラによる画像データを、あらかじめ設定されている複数のタイミングで記憶することにより、試験中における試験片の状況を把握するようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、試験の進行に伴う試験片の幅寸法の変化を測定する試験片幅測定器が知られている。この種の幅測定器としては、差動トランス等の変位検出器と挟持用の治具とを対向させ、これらによって試験片を幅方向に挟み込んだ状態でバネで両者が接近する向きに付勢する構成のものや、試験片を貫通させる枠体に、バネにより試験片を厚み方向に挟着する挟着具と、試験片の幅方向に対向する２つの差動トランスを支持した構造のものなどが知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１３２７３１号公報（第２−第４頁）
【特許文献２】
特開平２−１３８２３号公報（第１−第３頁、図１，２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の材料試験機においては、試験片が破断した場合の破断位置は、試験後の試験片から測定しなければならず、特に、試験片の回収機構を備えて自動運転により多数の試験片を順次試験を行う自動試験機においては、各試験片についての破断位置を個々に測定することは困難である。なお、特許文献１に記載の技術では、あらかじめ破断後のタイミングでの画像を記憶するように設定しておくことによって、破断後の画像情報を記憶することができるため、多数の試験片を試験する場合でも、個々の試験片の破断状態での画像情報を呼び出すことによってそれぞれの試験片とその破断画像との対応を簡単につけることができるが、破断位置については画面上から人手により測定する必要がある。
【０００７】
また、試験中における試験片の伸びと幅とを計測する場合、接触式もしくはビデオ式の伸び計と、幅計の双方を用いる必要がある。
【０００８】
更に、自動試験機では上記したように試験片回収機構を備えた構成を採るのであるが、一連の試験片の切断位置がほぼ一定であれば一定の回収動作により問題なく破断後の試験片を回収することができるが、試験片の伸び量が比較的大きく相違したり、あるいは切断位置が相違している場合には、一定の動作ではうまく回収できない場合があった。
【０００９】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その主たる目的は、試験片の破断位置を自動的に計測することのできる材料試験機を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、試験片の伸びと幅変化とを２種の測定装置を用いることなく測定可能な材料試験機を提供することにある。
更に、本発明の更に他の目的は、一連の試験に際して、各試験片の伸びや破断位置が相違しても、確実に試験片を回収することのできる材料試験機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した主たる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、試験片の両端部を把持する一対の掴み具のうちの一方を、負荷機構の駆動により他方に対して離隔させることにより、試験片に対して引張負荷を加えるとともに、その試験片に作用する刻々の荷重を計測する荷重計測手段を備えた材料試験機において、上記試験片を撮像するビデオカメラと、そのビデオカメラからの撮像信号を用いた画像処理により試験片に付された２つの標線間の伸びを求める伸び計測手段と、上記ビデオカメラからの撮像信号を用いた画像処理により試験片の破断位置を求める破断位置計測手段を備えていることによって特徴づけられる。
【００１１】
また、上記に加えて前記した他の目的を達成するため、請求項２に係る発明の材料試験機は、上記ビデオカメラからの撮像信号を用いた画像処理により試験片の幅変化を求める幅計測手段を備えていることによって特徴づけられる。
【００１２】
更に、上記した更に他の目的を達成するため、請求項３に係る発明は、試験により破断して上記一対の掴み具のそれぞれ把持されている破断片をそれぞれ回収する試験片回収機構と、その試験片回収機構を、あらかじめ設定されている複数の回収動作のいずれかの動作で駆動制御する回収機構制御手段を備えるとともに、その回収機構制御手段は、上記破断位置計測手段および伸び計測手段による計測結果を用いて、上記複数の回収動作のうちの最適な動作を選択して駆動制御するように構成されていることによって特徴づけられる。
【００１３】
ここで、本発明においては、上記ビデオカメラにより撮像された画像情報を記憶する記憶手段を備えるとともに、指令の付与によりその記憶手段に記憶された画像情報を再生する再生手段と、上記伸び計測手段の出力と上記荷重計測手段の出力から得られる荷重−伸び曲線の経時的変化を、上記画像情報の再生時に同期させて表示する表示制御手段を備えた構成（請求項４）を好適に採用することができる。
【００１４】
本発明は、試験片を撮像するビデオカメラからの撮像信号を利用して、試験片の伸びのほか、破断位置をも計測することにより、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１５】
すなわち、試験中に試験片を撮像するビデオカメラからの撮像信号を画像処理して、従来のビデオ式伸び計と同様にして試験片に付された２つ標線間の距離の刻々の変化を求めることによって伸びを計測することができ、同じビデオカメラからの撮像信号のうち、破断後の撮像信号の画像処理を行い、試験片に付された標線と破断部位との距離を求めることにより、試験片の破断位置を計測することができ、１つのビデオカメラによる撮像信号を画像処理することによって、伸びと破断位置を計測することができる。
【００１６】
また、請求項２に係る発明においては、上記と同じビデオカメラからの試験中の試験片の撮像信号を画像処理して、試験片の幅方向両側のエッジ間の距離の刻々の変化を求めることによって、幅変化を計測することができる。
【００１７】
更に、請求項３に係る発明においては、試験片回収機構を備えるとともに、その試験片回収機構による回収動作を、破断位置の計測結果と伸びの計測結果に基づいて複数の動作の中から最適なものを選択することによって、一連の試験において試験片の伸びや破断位置が種々に変化しても、試験後の試験片を確実に回収することが可能となる。
【００１８】
更にまた、請求項４に係る発明のように、ビデオカメラによる画像情報を記憶して再生可能とするとともに、その再生に際しては、伸び計測手段の出力と荷重計測手段の出力から得られる荷重−伸び曲線の経時的変化を同期させて表示することにより、試験片の挙動と荷重−伸びデータとを関連付けて把握することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の全体構成を示す模式図である。
【００２０】
試験機本体１は、テーブル１１上に鉛直方向に沿った２本のねじ棹１２ａ，１２ｂを回動自在に支持し、その各ねじ棹１２ａ，１２ｂにクロスヘッド１３の両端部をナット（図示せず）を介して支持した構造を有し、減速装置およびモータ等からなる負荷機構１４を駆動してねじ棹１２ａ，１２ｂを回転させることにより、クロスヘッド１３が上下動するように構成されている。この負荷機構１４はコントローラ２からの制御信号によって動作する。
【００２１】
クロスヘッド１３の下面と、テーブル１１の上面には、それぞれ掴み具１５ａ，１５ｂが設けられており、これらの各掴み具１５ａ，１５ｂは例えば空圧駆動式であって、コントローラ２からの制御信号によって開閉動作する。試験片Ｗは、図２に正面図を示すように、標線Ｓが印刷された２つの標線マーク体ｍ１，ｍ２が貼着された状態で、その両端が掴み具１５ａ，１５ｂに把持され、その状態でクロスヘッド１３を上昇させることによって引張負荷が加えられる。この引張負荷により試験片Ｗに作用する荷重はロードセル１６によって検出され、Ａ−Ｄ変換器３を介して後述するデータ処理部７に取り込まれる。
【００２２】
クロスヘッド１３およびテーブル１１には、それぞれ試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂが取り付けられている。各試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂは、それぞれ鉛直軸の回りに旋回するアーム４１ａ，４１ｂの先端に、試験片Ｗを把持／開放すべく開閉動作する把持機構４２ａ，４２ｂを備えたものであって、これらの各試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂについても例えば空圧駆動式であって、コントローラ２からの制御信号によって動作し、試験後の試験片Ｗを把持して回収ボックス４０内に廃棄する。
【００２３】
さて、一方のねじ棹１２ａのカバーには、ＣＣＤカメラ５が固定されており、このＣＣＤカメラ５は、一対の掴み具１５ａ，１５ｂに把持された試験片を含む領域を視野内に収めるように配置されている。このＣＣＤカメラ５の出力はキャプチャーボードなどの画像取り込み回路６を介してデータ処理部７の画像処理部７１に取り込まれると同時に、画像データ記憶部７２に格納される。ここで、データ処理部７は、実際にはコンピュータとその周辺機器によって構成されているのであるが、図１においては、インストールされているプログラムに基づく機能ごとにブロック図で示している。
【００２４】
画像処理部７１は、伸び計測部７１ａと、幅計測部７１ｂおよび破断位置計測部７１ｃとからなり、これらによって以下に示すような３種の画像処理を行う。なお、伸び計測部７１ａと幅計測部７１ｂは試験開始当初からタイムシェアリングにより並行して画像処理を行い、破断位値計測部７１ｃは、例えばロードセル１６の出力等を用いて行われる破断検出時点の撮像信号を用いて画像処理を行う。
【００２５】
伸び計測部７１ａでは、試験開始当初からの試験片Ｗの撮像信号から２つの標線マーク体ｍ１，ｍ２の各標線Ｓの刻々の位置を求めて、これらの間の距離から試験片Ｗの伸びを算出する。また、幅計測部７１ｂでは、同じく試験開始当初からの試験片Ｗの撮像信号から、幅方向両縁部の刻々の位置を求めて、これらの間の距離から試験片Ｗの幅変化を算出する。更に、破断位置検出部７１ｃでは、破断検出時点の試験片Ｗの撮像信号から、あらかじめ定められている一方の標線Ｓおよびその標線Ｓが属する側の破断点の位置を求めて、これら両者間の距離を破断位置として算出する。なお、試験片Ｗが破断せずに他の要件によって試験を終了したときには、この破断位置計測部７１ｃは画像処理を行わない。
【００２６】
以上の伸び計測部７１ａ、幅計測部７１ｂおよび破断位置計測部７１ｃによる各算出結果は、演算・制御部７３に取り込まれる。演算・制御部７３では、前記したロードセル１６からの刻々の荷重データと伸び計測部７１ａによる刻々の伸びデータから荷重−伸び曲線を作成し、幅計測部７１ｂによる幅変化データとともに表示器８にリアルタイムで表示し、また、プロッタ９等に出力する。また、演算・制御部７３では、ロードセル１６からの荷重データ等があらかじめ設定されている目標値に一致するようにコントローラ２の動作を制御する。更に、試験片Ｗの破断検出後に破断位置計測部７１ｃにより算出された破断位置についても、表示器８およびプロッタ９に表示および印字させる。また、以上の荷重−伸び曲線は、その曲線を構成する各プロットの採取時における時間データとともにデータ記憶部７４に記憶される。また、幅変化データ、更には破断位置データについてもデータ記憶部７４に記憶される。
【００２７】
また、試験を終了したとき、演算・制御部７３では、伸び計測部７１ａと破断位置計測部７１ｃによる各計測結果から、試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂの動作を決定してコントローラ２を通じてこれらを駆動制御する。
【００２８】
すなわち、演算・制御部７３では、試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂの動作としてあらかじめ複数の動作が設定されており、例えば、（１）試験片Ｗが大きく伸びずに破断しているか、あるいは大きく伸びて破断しているものの、その破断位置が下側の標線Ｓに対して所定の距離以内である場合、（２）試験片Ｗが大きく伸びずに破断していない場合、（３）試験片Ｗが大きく伸びて破断し、その破断位置がある位置を越えて上部である場合、（４）試験片が大きく伸びて破断していない場合等、それぞれに応じた動作が設定されている。
【００２９】
（１）の場合は、上下の試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂを同時に試験片Ｗ側に旋回させ、破断により上下に分離した試験片Ｗをそれぞれに対応する試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂで把持した後、上下の掴み具１５ａ，１５ｂを開く。次いで上側の試験片把持・搬送機構４ａを回収ボックス４０の上方の原点位置にまで復帰させ、把持機構４２ａを開いて試験片Ｗの上半分を回収ボックス４０内に投棄する。その後、下側の試験片把持・搬送機構４ｂを回収ボックス４０の上方の原点位置にまで復帰させ、把持機構４２ｂを開いて試験片Ｗの下半分を回収ボックス４０内に投棄する。
【００３０】
（２）の場合は、クロスヘッド１３を若干下降させて試験片Ｗに作用している荷重を抜いた後に、上下の試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂを同時に試験片Ｗ側に旋回させて試験片Ｗの上部および下部を同時に把持し、次いで上下の掴み具１５ａ，１５ｂを開き、更に上下の試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂを同時に回収ボックスの上方にまで復帰させ、把持機構４２ａ，４２ｂを同時に開いて試験片Ｗを回収ボックス４０内に投棄する。
【００３１】
（３）の場合は、（１）の場合と同様に、上下の試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂを同時に試験片Ｗ側に旋回させ、破断により上下に分離した試験片Ｗをそれぞれに対応する試験片把持・搬送機構４ａ，４ｂで把持した後、上下の掴み具１５ａ，１５ｂを開く。次に、下側の試験片把持・搬送機構４ｂを回収ボックス４０の上方に復帰させ、把持機構４２ｂを開いて下半分の試験片Ｗを回収ボックス４０内に投棄する。次いでその下側の試験片把持・搬送機構４ｂを再び試験片Ｗ側に旋回させた後、上側の試験片把持・搬送機構４ａを回収ボックス４０上に旋回させた後、クロスヘッド１３を例えば原点位置にまで下降させた上で、把持機構４２ｂを開いて上半分の試験片Ｗを投棄する。最後に下側の把持・搬送機構４ｂを旋回復帰させる。これにより、試験終了時点における上半分の試験片Ｗが回収ボックス４０に対して相当に上方に位置していても、クロスヘッド１３の下降後に把持機構４ａを開くことで、確実に回収ボックス４０内への投棄が可能となる。
【００３２】
（４）の場合は、（２）場合と同様に、まず、クロスヘッド１３を若干下降させて試験片Ｗに作用している荷重を抜いた後、上下の試験片把持・回収機構４ａ，４ｂを試験片Ｗ側に旋回させる。そして、上側の試験片把持・搬送機構４ａによってのみ試験片Ｗを把持する。その状態で下側の掴み具１５ｂを開く。これにより、破断せずに大きく伸びていた試験片Ｗが縮むので、その状態で上側の試験片把持・搬送機構４ａのみを回収ボックス４０の上にまで旋回させ、把持機構４２ａを開いて試験片Ｗを投棄する。このとき、下側の試験片把持・搬送機構４ｂは試験片Ｗ側に旋回しているので、試験片Ｗの落下時に干渉することがない。試験片Ｗの投棄後、下側の試験片把持・搬送機構４ｂを原点に復帰させる。
【００３３】
以上のように、試験終了時点における試験片Ｗの状態や破断位置に応じた回収動作を行うことによって、試験後の試験片Ｗを確実に回収ボックス４０内に投棄することができる。
【００３４】
また、試験後に、例えばキーボード等から指令を与えることによって、画像データ記憶部７２に記憶されているビデオ画像を再生することができる。この再生に際しては、画像データ記憶部７２の内容が、データ記憶部７４に記憶されている荷重−伸びデータとともに表示制御部７５に取り込まれる。表示制御部７５では、図３に表示例を示すように、表示器８の同じ画面上に、画像データ記憶部７２からのビデオ画像Ｖと、データ記憶部７４からの荷重−伸び曲線Ｃとを、経時的に同期させて表示する。これにより、試験片の挙動とその試験片の荷重−伸びとの関係を容易に把握することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、１台のビデオカメラからの撮像信号の画像処理により、試験片の伸びと破断位置の情報を得ることができる。また、請求項２に係る発明のように、同じビデオカメラからの撮像信号の画像処理により幅変化を求める画像処理機能を追加することにより、従来のように伸び計と幅計等の複数の測定装置を用いる必要がなくなる。
【００３６】
請求項３に係る発明のように、破断位置情報と伸びの情報に基づいて、試験片の回収機構の動作を自動的に最適に設定することにより、試験片の伸びや破断の状況に係わらず、試験後の試験片を確実に回収することができる。
【００３７】
更に、ビデオカメラによる画像情報と、荷重−伸び曲線とを同期させて表示させる請求項４に係る発明の採用により、試験片の挙動をその荷重−伸びと関連付けてビジュアル的に把握することができ、特に無人で自動試験を行った際、試験結果に異常があった場合でも従来は荷重−伸び曲線から試験状況を類推していた従来の試験機に比して、その判断ないしは確認のための情報量を大幅に増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態において用いられる試験片Ｗの例を示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態における表示器８による表示例の説明図である。
【符号の説明】
１試験機本体
１５ａ，１５ｂ掴み具
１６ロードセル
２コントローラ
４ａ，４ｂ試験片把持・搬送機構
５ＣＣＤカメラ値
７データ処理部
７１ａ伸び計測部
７１ｂ幅計測部
７１ｃ破断位置計測部
７２画像データ記憶部
７３演算・制御部
７４データ記憶部
７５表示制御部
８表示器
Ｗ試験片
ｍ１，ｍ２標線マーク体
Ｓ標線

Claims

試験片の両端部を把持する一対の掴み具のうちの一方を、負荷機構の駆動により他方に対して離隔させることにより、試験片に対して引張負荷を加えるとともに、その試験片に作用する刻々の荷重を計測する荷重計測手段を備えた材料試験機において、
上記試験片を撮像するビデオカメラと、そのビデオカメラからの撮像信号を用いた画像処理により試験片に付された２つの標線間の伸びを求める伸び計測手段と、上記ビデオカメラからの撮像信号を用いた画像処理により試験片の破断位置を求める破断位置計測手段を備えていることを特徴とする材料試験機。
上記ビデオカメラからの撮像信号を用いた画像処理により試験片の幅変化を求める幅計測手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
試験により破断して上記一対の掴み具のそれぞれ把持されている破断片をそれぞれ回収する試験片回収機構と、その試験片回収機構を、あらかじめ設定されている複数の回収動作のいずれかの動作で駆動制御する回収機構制御手段を備えるとともに、その回収機構制御手段は、上記破断位置計測手段および伸び計測手段による計測結果を用いて、上記複数の回収動作のうちの最適な動作を選択して駆動制御するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の材料試験機。
上記ビデオカメラにより撮像された画像情報を記憶する記憶手段を備えるとともに、指令の付与によりその記憶手段に記憶された画像情報を再生する再生手段と、上記伸び計測手段の出力と上記荷重計測手段の出力から得られる荷重−伸び曲線の経時的変化を、上記画像情報の再生時に同期させて表示する表示制御手段を備えていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の材料試験機。