JP2006064668A - ねじり試験装置およびねじり試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被試験物に加圧されるトルク値を精度よく簡易に管理することができ、試験中の任意ステップにて生じ得る目標ねじりトルク値と実測値との偏差を次のステップにて容易に解消することのできるねじり試験装置およびねじり試験方法を提供する。
【解決手段】 ねじり試験装置１０が備えたねじり角度調整手段７において、検出されたねじり角度および負荷トルク値を収集し、サーボモータ１が正逆回転する際のねじり角度と負荷トルクのヒステリシスを演算し、ヒステリシスに基づいてモータ回転軸の正逆回転の基点を求めることができる。ねじり試験をおこなう前にモータ回転軸を該正逆回転の基点に初期設定した後に、試験途中のトルク管理をねじり角度にておこなうものである。また、予測制御を適用し、実測トルク値の目標負荷トルクに対する比率ごとに設定された補正指令をモータに送ることで偏差を次回ステップにて解消することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被試験物に所定のトルクを加圧して試験をおこなうねじり試験に使用されるねじり試験装置とねじり試験方法に係り、特に、被試験物に加圧されるトルク値を精度よく簡易に管理することができ、試験中の任意ステップにて生じ得る目標ねじりトルク値と実測値との偏差を次のステップにて容易に解消することのできるねじり試験装置およびねじり試験方法に関するものである。

従来のねじり試験、とりわけ被試験物の剛性が比較的大きなプロペラシャフトや産業機械用の等速ジョイントなどのねじり試験においては、油圧モータに被試験物を直結してフィードバック制御のもとでねじり試験をおこなう方法や、サーボモータに装着した減速機に被試験物を取り付けてフィードバック制御のもとでねじり試験をおこなう方法などが一般的であった。例えば、従来のねじり試験装置は特許文献１に開示されるように、サーボモータに減速機を装着し、減速機と対向する位置には被試験物の一端を固定する被試験物保持部材があり、ねじり角度を測定するエンコーダとトルク値を測定するロードセルなどから構成されている。エンコーダやロードセル、サーボモータはコントローラに接続されており、サーボモータの駆動と同時にねじり角度やトルクの計測ができるようになっている。

ところで、油圧モータを使用する場合は、減速機を使用せずとも大きなトルクを得ることができるというメリットがある一方で、モータ価格が高価であることや、メンテナンスが困難であること、モータの稼動に要するコストが高価となるといった問題があった。一方、サーボモータはそれ自体では大きなトルクを得ることが困難であることから減速機を装着することになるが、減速機を使用しながらフィードバック制御にてねじり試験をおこなう場合は、減速機をはじめとする駆動側のイナーシャ（慣性モーメント）が大きくなるといった問題があった。イナーシャの増大により、被試験物を含むねじり試験装置全体の共振周波数が極端に小さくなってしまい（例えば０．３Ｈｚ以下）、１Ｈｚや２Ｈｚ付近の周波数に基づくねじり速度にて試験をおこなおうとすると制御が困難となる。さらに、ねじり試験の途中において、バックラッシなどによるトルクの変動をフィードバック制御しようとすると、オーバーシュートをおこしたり、モータの追従遅れを生じるといった問題が頻繁に生じ、試験時のトルク管理が極めて困難な状況にあった。

また、ねじり試験におけるモータの回転制御をトルク値に基づいておこなう場合には、バックラッシに起因するトルクの衝撃が被試験物に頻繁に作用してしまうといった問題もあった。

特開平１０−２７４５７４号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、従来のフィードバック制御によるモータの追従遅れや、トルク変動に対してゲインを過大にすることによるトルク誤差の発生などを解消することのできるねじり試験装置およびねじり試験方法を提供することを目的とする。また、被試験物に加圧されるトルク値を精度よく簡易に管理することができるねじり試験装置およびねじり試験方法を提供することを目的とする。さらには、バックラッシに起因するトルクの衝撃を低減することのできるねじり試験装置およびねじり試験方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるねじり試験装置は、モータと、該モータの回転軸に装着された減速機と、ねじり角度を検出するエンコーダと、被試験物に作用する負荷トルクを検出するトルクメータと、ねじり角度調整手段と、を備えたねじり試験装置において、前記ねじり角度調整手段は、前記エンコーダによって検出されたねじり角度と、前記トルクメータによって検出された負荷トルク値を収集するとともに、モータが正逆回転する際のねじり角度と負荷トルクのヒステリシスを求めるための演算処理部を有しており、前記演算処理部は、ヒステリシスに基づいてモータ回転軸の正逆回転の基点を求め、ねじり試験をおこなう前にモータ回転軸を該正逆回転の基点に初期設定可能であることを特徴とする。

トルクメータとねじり角度調整手段、およびエンコーダとねじり角度調整手段とはそれぞれ回路で繋がれており、ねじり角度調整手段はコントローラによってデータの収集や演算をおこなうことができる。かかる演算は、ねじり角度調整手段の内部にある演算処理部にておこなわれる。また、モータはサーボモータを使用でき、被試験物の剛性や減速機等を勘案した適宜の性能のモータを選択するのがよい。減速機と対向する位置には、被試験物を固定するスライド式の固定具と、この固定具にトルクメータが装着された固定ユニットが設けられている。固定具の先端に装着されたアダプタにプロペラシャフトなどの被試験物の一端を取り付け、被試験物の長さに応じて固定具をスライドさせ、被試験物の他端を減速機の出力軸に装着されたアダプタに取り付けることができる。

ねじり角度調整手段は、エンコーダにて検出されたねじり角度とトルクメータにて検出された負荷トルク値を収集格納するとともに、この２種類のデータの相関、すなわちヒステリシスを演算処理部にて演算するパートである。

減速機に取り付けられた被試験物を、正転方向と逆転方向にそれぞれ所定の目標負荷トルク値までねじることにより、被試験物が固有のヒステリシスを示すことは公知の事実である。また、トルク試験時のトルクの繰り返し載荷においては、各載荷ステップ（正逆回転のステップ）がほぼ同様のヒステリシス軌跡を辿ることも知られている。そこで、ねじり試験の開始に先立って、被試験物を少なくとも１回、所定のトルク値まで正逆回転させてそのときのヒステリシスを作成する。そして、そのヒステリシスから正転方向のねじり角度と逆転方向のねじり角度の平均を求め、例えばその平均値をモータの回転軸の基点とする。かかる基点を中心にして正転方向と逆転方向のそれぞれに同じねじり角度で繰り返しのねじり試験をおこなうことで、トルク試験時のトルク管理を極めて容易なものとできる。なお、この場合に、ねじり角度とトルク値との間に一定の相関関係があることが前提となる。すなわち、ねじり角度にてトルク管理をおこなうため、所定の目標トルク値に対応したねじり角度が分かっていなければならない。

ところで、一定のねじり速度で被試験物にトルクを加圧すると、ねじり角度は一定勾配で増加する。一方、トルク値は被試験物の弾性領域内では一定勾配で増加し、塑性領域内ではその増加が緩やかな曲線形状となった後に急激な破壊モードへ移行する。したがって、疲労破壊試験などのねじり試験においては、被試験物の弾性領域における適宜の目標トルク値までのトルクの増加とねじり角度の増加はともに比例関係となり、それぞれのトルク値に対応したねじり角度が算出できる。尤も、目標トルク値を被試験物の塑性領域内に設定した場合でも、かかる目標トルク値に対応したねじり角度を求めることができるため、この場合でもねじり角度を管理することで目標トルク値の管理が可能となる。

以上のように、ねじり試験に先立って、被試験物に少なくとも１回、所定のねじり角度まで正逆回転のトルク加圧を実施してそのヒステリシスを求め、ヒステリシスに基づいてモータ回転軸の基点を求め、その基点から正逆回転それぞれに同様のねじり角度にてねじり試験を実施することにより、加圧トルク値の精度の向上と、トルク管理の簡易化を図ることができる。なお、従来のねじり試験においては、トルク値にてトルク管理をおこなうのが一般的であり、ねじり角度にてトルク管理をおこなう場合でも、被試験物のヒステリシスを考慮してモータ回転軸を初期設定することはおこなわれていなかった。したがって、被試験物固有のヒステリシスもしくはねじり特性が反映されておらず、正逆回転の基点に誤差をもった状態でねじり角度による管理（試験時のトルク値管理）がおこなわれていた。

また、本発明によるねじり試験装置の他の実施形態において、前記ねじり試験装置の前記演算処理部は、目標となる目標負荷トルク値を記憶するとともに、この目標負荷トルク値に対応する正転方向および逆転方向の目標ねじり角度を算定し、該正転方向および逆転方向の目標ねじり角度まで負荷トルクを被試験物に加圧することによってヒステリシスを演算し、該ヒステリシスにおけるモータ回転軸の正転方向への往き側の前記目標ねじり角度と、該ヒステリシスにおける目標ねじり角度からトルク値が零となるまで戻した戻り側のねじり角度とを平均してなる第一平均値と、該ヒステリシスにおけるモータ回転軸の逆転方向への往き側の前記目標ねじり角度と、該ヒステリシスにおける目標ねじり角度からトルク値が零となるまで戻した戻り側のねじり角度とを平均してなる第二平均値とを算定し、該第一平均値と第二平均値との平均値を前記基点とすることを特徴とする。

例えば、正転方向に所定トルク値までねじった際のねじり角度をθ１、その状態から被試験物のトルクを解放してトルクが零となるまでのねじり角度をθ２、逆転方向に同様の所定トルク値までねじった際のねじり角度をθ３、その状態から被試験物のトルクを解放してトルクが零となるまでのねじり角度をθ４とする。このとき、θ１よりもθ２が大きくなり、θ３よりもθ４が大きくなり、θ１〜θ４がそれぞれ異なる値となることが一般的である。そこで、簡易的に演算処理部にてモータ回転軸の基点を算定するにあたり、θ１とθ２の平均値（第一平均値）を求め、θ３とθ４の平均値（第二平均値）を求め、それぞれの平均値のさらに平均値を算定する。この平均値、すなわちθ１〜θ４すべての平均値が現時点のモータ回転軸のずれ量であると同定し、かかるずれ量分だけモータ回転軸を回転させることで（初期設定）、ねじり試験開始前のモータ回転軸の基点とするものである。この方法によれば、被試験物固有のヒステリシスが考慮されたモータ回転軸の基点を極めて簡易に算出することが可能となる。

また、本発明によるねじり試験装置の好ましい実施形態において、前記ねじり角度調整手段は、さらに、ねじり試験の途中のステップで目標負荷トルク値と実測値との間に偏差が生じた場合に、次のステップで該偏差を解消するようにモータに指令を出す予測制御を可能としたことを特徴とする。

ねじり試験の途中においては、ねじり角度によるトルク管理をおこなう一方で、トルクメータからのトルク値の計測も同時におこなっている。計測されたトルク値が目標トルク値から所定の偏差範囲にある場合には、次のステップ（次の正逆回転のねじりステップ）で、かかる偏差を解消するような指令をモータに送る構成としたものであり、ここでは予測制御と称している。かかる予測制御もねじり角度調整手段にておこなうことができるが、モータ回転軸の基点の演算処理と予測制御とを別途の処理手段でおこなってもよい。

疲労破壊試験においては、数千回程度の正逆回転のねじりを被試験物に与えることにより、最終的な被試験物の疲労性状の分析や確認がおこなわれている。しかし、試験の途中で被試験物が降伏等することで一定のトルク値に達していない場合や、逆にトルク値が過大に出すぎてしまう場合などが想定され得る。そこで、偏差に一定の範囲を設定しておき、かかる範囲内の場合には、次のステップで該偏差を解消するように、ねじり角度の大小を調整するような指令をモータに送ることとする。あるステップで生じた偏差を次回のステップで修正できるようにねじり角度を調整することにより、所望回数の疲労破壊試験を実施することができる。一方、偏差の程度が大きすぎて疲労破壊試験を継続させる必要がないと判断される場合には、上記のような予測制御をおこなうまでもなく、モータを停止させる指令を送るように構成されている。

従来のトルク試験のように、フィードバック制御をおこなおうとすると、前述したような様々な問題が生じ、精度のよいトルク管理が困難であった。本発明は、現時点の偏差を現時点で解消しようとするフィードバック制御ではなく、現時点での偏差は許容しながら次回ステップで該偏差の解消を図ることにより所望回数のねじり試験を終了させることを目的の一つとしている。予測制御方式を適用することにより、試験全体を通した場合には、精度のよいねじり試験が実現できるものと考えられる。

また、本発明によるねじり試験装置の他の実施形態として、前記偏差にはその大きさに応じたパルス数が設定されており、モータにパルス数に基づいた指令を出すことによって、モータは次のステップで、該パルス数に基づくねじり角度で回動することにより、次のステップにおける偏差を解消可能としたことを特徴とする。

本発明は、偏差をその大きさで数段階に分類するとともに、それぞれの偏差に応じたパルス指令をモータに送るものである。例えば、ねじり角度に対応したパルス数を予め設定しておく。そして、実測値と目標トルク値との比率を求め、その結果が〇％〜△％の範囲にあることから、次回ステップではねじり角度を◇度とする指令（◇度のねじり角度に対応したパルス数）をモータに送る。一方、実測値と目標トルク値との比率が補正対象外となる範囲となった場合には、モータの回転を停止させるように構成しておく。

単位ねじり角度（例えば１度）に応じた単位パルスを設定しておくことで、ねじり角度に対応したパルス数を簡易に算定し、パルス指令をモータへ送ることが可能となる。なお、かかるねじり角度とパルスの相関や、実測値と目標トルク値との比率の分類データなども全てねじり角度調整手段の内部に格納しておくのが好ましい。

また、本発明によるねじり試験方法は、被試験物に所定のトルクを加圧して試験をおこなうねじり試験方法であって、前記ねじり試験方法は、モータを正逆回転させることによって被試験物のねじり角度と負荷トルクのヒステリシスを求め、該ヒステリシスからモータ回転軸の正逆回転の基点を求め、モータ回転軸を該基点に初期設定する第一工程と、モータ回転軸を前記基点から正逆方向に同じ回動角度で回動させながら被試験物に所定のトルクを加圧する第二工程と、からなることを特徴とする。

本発明のねじり試験方法は、試験時のトルク管理をねじり角度にておこなうものであるため、モータの正逆回転の基点を精度よく設定することが重要である。そこで、被試験物のヒステリシスを考慮して正転方向と逆転方向のねじり角度の平均値を求め、該平均値をモータ回転軸のずれ量であると同定し、かかるずれ量分だけモータ回転軸をセットバックすることで初期設定が終了する（第一工程）。ねじり試験は、第一工程にて設定された基点を正逆回転の中心とし、該基点から正転方向および逆転方向へ同じねじり角度でトルクの加圧をおこなう（第二工程）。なお、ねじり角度は、目標負荷トルク値に対応したねじり角度を予め求めておく必要がある。なお、被試験物に加圧されるねじり角度（負荷トルク）を時系列的にみた場合には、所望周波数の正弦波形状となっている。

被試験物のヒステリシスを考慮して正逆回転のねじりの基点を算定し、該基点から正転方向および逆転方向へ同じねじり角度でトルク管理をおこなう方法であるため、試験精度の向上を図ることができるとともに、トルク管理が極めて容易となる。また、トルク値にてトルク管理をおこなう場合に、バックラッシに起因するトルクの衝撃が被試験物に頻繁に作用するといった問題が生じていたが、ねじり角度にてトルク管理をおこなうことにより、かかるトルクの衝撃も緩和することができる。これは、モータ回転軸の回転が一連のねじり速度の周期で管理されることにより、急激かつ高速度で目標負荷トルク値に到達せんと回転することで生じていたバックラッシが減少し、衝撃の程度も弱くなるためであると考えられる。

また、本発明によるねじり試験方法の好ましい実施形態は、前記第二工程において、ねじり試験の途中のステップで目標負荷トルク値と実測値との間に偏差が生じた場合に、次のステップで該偏差を解消するようにモータに指令を出すことを特徴とする。

指令は上記するようにねじり角度に対応したパルス指令とするのがよい。また、偏差の程度に応じてねじり角度を予め設定しておくことで、容易に次回ステップで該偏差を解消することが可能となる。

さらに、本発明によるねじり試験方法の他の実施形態は、前記第二工程の開始時および終了時のモータのねじり速度を、該モータに過負荷を与えないように調整するようにしたことを特徴とする。

モータの回転軸が正逆回転する場合には、例えば、ねじられた被試験物の反力を利用することができるため、モータの動力は比較的少なくて済む。例えば、正転方向の目標ねじり角度にあるモータ回転軸が基点に向かって戻ろうとする際には、ねじられた被試験物がもとに戻ろうとする反力がモータ回転軸に作用する。したがって、一定周期でねじり試験がおこなわれている途中でモータ回転軸が反転しようとする場合には、常に被試験物の反力を利用することが可能となる。

しかし、ねじり試験の開始時と終了時では上記の反力を利用することができず、このときにモータには最大の負荷がかかることになり、モータ容量の決定要因にもなり得る。そこで、かかる開始時と終了時のねじり速度は、試験途中のねじり速度ではなく、モータに過負荷とならないような速度に調整することにより、使用するモータ容量をより小さなものとすることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のねじり試験装置およびねじり試験方法によれば、モータの正逆回転の基点を求めた後に、ねじり角度にてトルク管理をおこなうことから、トルク管理精度を向上させることができるとともに、トルク管理を容易なものとすることができる。また、本発明のねじり試験装置およびねじり試験方法によれば、予測制御を適用することで、試験全体を通した場合には管理精度の高い疲労破壊試験を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、ねじり試験装置の一実施形態を示した図である。図２は、被試験物のねじり角度とねじりトルクの関係のヒステリシスを示した図を、図３は、被試験物の静的破壊試験結果の一例を示したグラフをそれぞれ示している。図４は、ねじり試験におけるねじり角度とトルクを時系列でみたグラフである。図５は、モータ回転軸の基点を求めるフロー図を、図６は、予測制御のフロー図をそれぞれ示している。図７は、トルク実測値と目標トルク値との比率と制御内容の関係を示した図である。なお、ねじり試験装置は図示する実施形態に限定されるものでないことは勿論のことである。例えば、エンコーダはモータの外部に備えられた角度検出機であってもよい。また、図示する被試験物はプロペラシャフトであるが、あくまでも被試験物の一例を挙げたに過ぎない。ただし、被試験物としては比較的剛性の大きなものであることが好ましい。また、サーボモータ以外のモータを使用することもできる。さらに、駆動側のイナーシャの問題等を解消するために、適用されるモータとの関係で減速機を使用しない構成とするのがよい場合もあり得る。

図１に、ねじり試験装置１０の一実施形態を示す。ねじり試験装置１０は、ベース５上に設置されたサーボモータ１と、モータ回転軸に装着された減速機２、被試験物の一端を固定する固定具３と、ねじり角度やトルク値を読み込んで演算処理するためのねじり角度調整手段７およびコントローラ８１などから構成されている。サーボモータ１にはモータ回転軸のねじり角度を検出するためのエンコーダ１１が装着されており、固定具３にはトルク値を検出するためのトルクメータ３１が装着されている。固定具３には、ベース５上に設けられたレール５１上をスライドできるようなベアリング３２が備えてある。プロペラシャフトａなどの被試験物の一端を固定具３の端部に装着したアダプタ６２に取り付け、被試験物の長さに応じて固定具３をスライドさせながら、被試験物の他端を減速機２の出力軸に装着したアダプタ６１に取り付けることができる。

エンコーダ１１およびトルクメータ３１は、ねじり角度調整手段７とそれぞれ回路８３，８３にて繋げられており、さらに、ねじり角度調整手段７はサーボアンプ８２を介して回路８３にてサーボモータ１に繋げられている。ねじり角度調整手段７はコントローラ８１にて各種の作動を実行することができる。なお、エンコーダ１１からのモータ回転軸のねじり角度データは矢印Ｘ方向で、トルクメータ３１からのトルク値データは矢印Ｙ方向でねじり角度調整手段７へデータ送信がおこなわれる。ねじり角度調整手段７内に格納された各データをコントローラ８１が読み取るとともに、ねじり角度調整手段７への操作指令が矢印Ｚ方向でおこなわれる。ねじり角度調整手段７にて演算処理された結果は、パルス指令としてサーボアンプ８２へ送信され（矢印Ｗ方向）、サーボアンプ８２にてパルス指令に応じたモータ作動用電流が流れる（矢印Ｗ方向）。

ねじり角度調整手段７では、ねじり角度データとトルク値データが収集格納され、このデータに基づいて、演算処理部にてモータ回転軸の基点の算出や到達トルク角度の算出がおこなわれる。さらに、ねじり角度調整手段７では、ねじり試験途中におけるピークトルク値と目標負荷トルク値との比較をおこない、ピークトルク値の目標負荷トルク値に対する比率が既設定の許容偏差内にあるか否かによってねじり角度を調整する、予測制御指令をモータへ送出すこともおこなわれる。

本発明のねじり試験方法は、被試験物のヒステリシスに基づいてモータ回転軸を正逆回転の基点に初期設定する第一工程と、予測制御をおこないながら一定のねじり角度にて所定回数のねじり試験（疲労破壊試験）をおこなう第二工程から構成される。そこで、まず、第一工程の説明を図２〜５に基づいておこなう。

図２は、被試験物のねじり角度とねじりトルクの関係のヒステリシスの一実施例を示したものである。ねじり試験装置１０にプロペラシャフトａを取り付け、比較的遅い角速度にて少なくとも１回正逆回転のねじり試験を実施することにより、ねじり角度調整手段７内にヒステリシスが求められる。２回以上同様に正逆回転をおこなった場合でも、被試験物の弾性範囲内におけるねじり試験であれば、最初に求められたヒステリシス軌跡付近を辿ることになるのが一般的である。ヒステリシスより、例えば、あるトルク値に対する正転方向の往き側のねじり角度と戻り側のねじり角度の相違が見てとれる。逆転方向についても同様である。本発明では、この正逆回転、さらにはそれぞれの往き側と戻り側のねじり角度の相違を考慮し、それらの平均値をモータ回転軸の基点にしようとするものである。本発明のねじり試験方法は、トルク管理をねじり角度にておこなおうとするものであるため、被試験物のヒステリシス（ねじり特性）を加味してモータ回転軸の正逆回転の基点とすることにより、該被試験物に対する精度のよいトルク管理を実現できる。

また、ねじり試験に際しては、予め被試験物の静的破壊試験を実施しておき、ねじり角度の時刻歴およびトルク値の時刻歴の各グラフを作成しておくことが好ましい。例えば、図３に示すように、被試験物のトルク値が弾性領域から塑性領域に移行し、その後破壊モードに移行するグラフと、一定速度で増加させたねじり角度のグラフを求めておく。ねじり試験（疲労破壊試験）に際しては、目標負荷トルクを所定回数連続して被試験物に加圧する。本発明のねじり試験では、かかる目標負荷トルクをねじり角度にてトルク管理するため、適宜のトルク値に応じたねじり角度を求めておく必要がある。通常の疲労破壊試験では、被試験物の弾性範囲内における適宜のトルクを被試験物に加圧するため、所定トルクＴ１に対応する同時刻ｔ１のねじり角度θ１を求めておく。尤も、被試験物の塑性範囲内に目標トルク値を設定した場合でも（Ｔ２）、かかる目標トルク値に応じたねじり角度θ２を求めることができる。

ねじり試験は、まず、第一工程として、モータ回転軸の基点を求めるべく、少なくとも１回の正逆回転のねじり試験を実施する。この際の角速度は、図４に示すように、第二工程における角速度に比して極めて遅い速度にておこなうのが好ましい。被試験物のヒステリシスを精度良く求めるためである。なお、例えば、正転方向のねじり試験時では、図４の点線で示した模式図のように、ヒステリシスの影響により、往き側のねじり角度の勾配に比べて戻り側のねじり角度の勾配が少ないような時刻歴となり得る。

モータ回転軸の基点が算定され、モータ回転軸を基点に合わせて所期設定した後に、一定の周波数（角速度）にて所定回数のねじり試験をおこなう。

次に、図５に基づいてモータ回転軸の初期設定の方法について説明する。この初期設定は、ねじり角度調整手段７内の演算処理部にて実行されるものである。

ねじり角度調整手段７からモータへ送信されるデータ指令はパルス指令であるため、まず指令パルスの条件設定をおこなう（Ｓ１）。本発明では、ねじり角度の指令をパルス指令としてモータに送信するため、ねじり角度に応じたパルス数の設定がおこなわれることとなる。

次に、正転方向への回転指令（Ｓ２）をおこない、目標負荷トルク値に対応した往き側のねじり角度θ１を検出する（Ｓ２１）。次に、その状態から今度は、トルク値が零となるまでモータ回転軸を戻した際の戻り側のねじり角度θ２を検出する（Ｓ２２）。
逆転方向においても同様の操作をおこない（Ｓ３，Ｓ３１，Ｓ３２）、往き側のねじり角度θ３と戻り側のねじり角度θ４を検出する。

トルク中立点角度θ０の設定は適宜の方法によることができるが、例えば、θ１とθ２との平均値を第一平均値として求め、θ３とθ４との平均値を第二平均値として求め、第一平均値と第二平均値の平均値をθ０とすることができる。この際、θ１，２をプラスにとれば、θ３，４はマイナスの値となる。

トルク中立点θ０を算定した後、到達トルク角度θｒを算定する。このθｒは、目標負荷トルク値に対応したねじり角度を被試験物のヒステリシスを考慮して求めるものであり、上記する第一平均値と第二平均値の各絶対値の平均をもってθｒとすることができる（Ｓ４）。

次に、モータ回転軸をθ０だけ調整回転させる（Ｓ５）。この時のトルク値をトルクメータ３１から読み取り、トルク値が零に近いか否かを確認する（Ｓ６）。この際の評価基準、すなわちトルク値の零からの誤差程度は適宜設定することができる。トルク値が設定された誤差範囲にない場合には、被試験物の検査や被試験物のアダプタ取り付け部の検査など、各種の検証をおこなう（Ｓ８）。一方、トルク値が設定された誤差範囲にある場合は、Ｓ５で調整されたモータ回転軸の現在位置をねじり試験におけるねじり角度零点として設定する。
上記の方法により、第一工程におけるモータ回転軸の初期設定が完了する。

次に、第二工程における予測制御の方法について図６，７に基づいて説明する。本発明では、従来一般に適用されていたフィードバック制御を適用せず、今回ステップにおける偏差を次回ステップにて修正しようとするものである。これは、数千回繰り返されるねじりサイクルにおいて、現時点での偏差を現時点で無理に修正せず、次回ステップで修正するようにしても、最終的な試験結果に及ぼす影響はほとんどないという思想に基づいている。フィードバック制御を実施せんとすることにより、前述する様々な問題が生じ得ることから予測制御を適用する利点は大きいものと考えられる。なお、予測制御についても、ねじり角度調整手段７にて制御用の演算処理がおこなわれ、演算結果に応じたパルス指令がサーボアンプ８２に送出され、該パルス指令に応じた電流がサーボモータ１に流れることでモータの回転制御が実行されることになる。

図６に示すように、まず、試験開始時および終了時の角速度の調整をおこなう（Ｓ１０）。これは、ねじり試験途中の通常の角速度でモータの駆動を開始しようとしたり、モータの停止をおこなおうとすると、モータに過負荷を与えることとなるため、かかる過負荷を防止するためにおこなう調整である。

モータ回転軸が基点に初期設定された後、モータをゆっくりと正転方向に駆動させながら、ねじり試験が開始される（Ｓ１１）。試験途中においては、所定トルク値に対応したねじり角度に応じて設定された指令パルスがサーボアンプ８２に送られる（Ｓ１２）。一方、各繰り返しねじりステップにおけるピークトルク値は、随時トルクメータ３１からねじり角度調整手段７へ送られており、ねじり角度調整手段７にてピークトルク値が読み込まれている（Ｓ１３）。なお、Ｓ１２とＳ１３のステップはどちらが先におこなわれてもよい。読み込まれたピークトルク値と目標負荷トルク値を比較し、ピークトルク値の目標負荷トルク値に対する比率が算定される（Ｓ１４）。逆転方向においても同様にピークトルク値の読み込み〜ピークトルク値の目標負荷トルク値に対する比率の算定が実行される（Ｓ１５）この比率が予めねじり角度調整手段７内に格納されている許容偏差範囲内か否かをねじり角度調整手段７にて検証する（Ｓ１６）。

ここで、ピークトルク値の目標負荷トルク値に対する比率（以下、Ｒとする）に関しては、その大きさの程度に応じて次回ステップにおけるねじり角度の補正量が設定されており、ねじり角度調整手段７内に格納されている。その一実施形態を図７に示している。Ｒが極端に大きい場合や小さい場合（図示では１５０％以上，５０％以下の場合）は、トルクの過大異常、不足異常と判定し、以後のねじり試験を終了する指令を出すこととする（図６のＳ１７）。一方、Ｒが９６％よりも大きく、１０４％以下の範囲にある場合には、次回ステップにおけるねじり角度の補正の必要はないものとして扱い、今回ステップのねじり角度のままで次回ステップの試験がおこなわれる。その他、Ｒの範囲に応じてねじり角度（トルク）の補正量を異にし、その補正量ごとに設定されたパルス数を送出すようにする（図６のＳ１８）。

図６に戻り、上記する予測制御を実行しながら所定回数の繰り返しねじり試験が実施されることにより、ねじり試験は終了する（Ｓ１９）。

予測制御を適用することで、トルク値の管理を簡易に実施することができ、ねじり試験全体を通して精度のよい試験を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

ねじり試験装置の一実施形態を示した図。 被試験物のねじり角度とねじりトルクの関係のヒステリシスを示した図。 被試験物の静的破壊試験結果の一例を示したグラフ。 ねじり試験におけるねじり角度とトルクを時系列でみたグラフ。 モータ回転軸の基点を求めるフロー図。 予測制御のフロー図。 トルク実測値と目標トルク値との比率と制御内容の関係を示した図。

符号の説明

１…サーボモータ、２…減速機、３…固定具、５…ベース、７…ねじり角度調整手段、１０…ねじり試験装置、１１…エンコーダ、３１…トルクメータ、５１…レール、６１，６２…アダプタ、８１…コントローラ、８２…サーボアンプ、８３…回路、ａ…プロペラシャフト（被試験物）

Claims (7)

1. モータと、該モータの回転軸に装着された減速機と、ねじり角度を検出するエンコーダと、被試験物に作用する負荷トルクを検出するトルクメータと、ねじり角度調整手段と、を備えたねじり試験装置において、
   前記ねじり角度調整手段は、前記エンコーダによって検出されたねじり角度と、前記トルクメータによって検出された負荷トルク値を収集するとともに、モータが正逆回転する際のねじり角度と負荷トルクのヒステリシスを求めるための演算処理部を有しており、前記演算処理部は、ヒステリシスに基づいてモータ回転軸の正逆回転の基点を求め、ねじり試験をおこなう前にモータ回転軸を該正逆回転の基点に初期設定可能であることを特徴とするねじり試験装置。
2. 前記演算処理部は、目標となる目標負荷トルク値を記憶するとともに、この目標負荷トルク値に対応する正転方向および逆転方向の目標ねじり角度を算定し、該正転方向および逆転方向の目標ねじり角度まで負荷トルクを被試験物に加圧することによってヒステリシスを演算し、該ヒステリシスにおけるモータ回転軸の正転方向への往き側の前記目標ねじり角度と、該ヒステリシスにおける目標ねじり角度からトルク値が零となるまで戻した戻り側のねじり角度とを平均してなる第一平均値と、該ヒステリシスにおけるモータ回転軸の逆転方向への往き側の前記目標ねじり角度と、該ヒステリシスにおける目標ねじり角度からトルク値が零となるまで戻した戻り側のねじり角度とを平均してなる第二平均値とを算定し、該第一平均値と第二平均値との平均値を前記基点とすることを特徴とする請求項１に記載のねじり試験装置。
3. 前記ねじり角度調整手段は、さらに、ねじり試験の途中のステップで目標負荷トルク値と実測値との間に偏差が生じた場合に、次のステップで該偏差を解消するようにモータに指令を出す予測制御を可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載のねじり試験装置。
4. 前記偏差にはその大きさに応じたパルス数が設定されており、モータにパルス数に基づいた指令を出すことによって、モータは次のステップで、該パルス数に基づくねじり角度で回動することにより、次のステップにおける偏差を解消可能としたことを特徴とする請求項３に記載のねじり試験装置。
5. 被試験物に所定のトルクを加圧して試験をおこなうねじり試験方法であって、
   前記ねじり試験方法は、モータを正逆回転させることによって被試験物のねじり角度と負荷トルクのヒステリシスを求め、該ヒステリシスからモータ回転軸の正逆回転の基点を求め、モータ回転軸を該基点に初期設定する第一工程と、モータ回転軸を前記基点から正逆方向に同じ回動角度で回動させながら被試験物に所定のトルクを加圧する第二工程と、からなることを特徴とするねじり試験方法。
6. 前記第二工程において、ねじり試験の途中のステップで目標負荷トルク値と実測値との間に偏差が生じた場合に、次のステップで該偏差を解消するようにモータに指令を出すことを特徴とする請求項５に記載のねじり試験方法。
7. 前記第二工程の開始時および終了時のモータのねじり速度を、該モータに過負荷を与えないように調整するようにしたことを特徴とする請求項５または６に記載のねじり試験方法。

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