JP2006292400A

JP2006292400A - 材料試験機

Info

Publication number: JP2006292400A
Application number: JP2005109525A
Authority: JP
Inventors: Yukimitsu Iwanaga; 幸満岩永
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】試験機と試験片を含む系の周波数応答特性を、簡単な設定により正確に知ることができ、疲労試験等を行う際の事前作業の簡素化を達成することのできる材料試験機を提供する。
【解決手段】繰り返し波形の振幅および周波数範囲を設定する手段を設け、試験片Ｗの装着状態で、設定された周波数範囲で周波数を順次自動的に変化させながら、設定された振幅のもとに試験片Ｗに試験力が加わるように負荷機構（油圧シリンダ）１４を駆動制御し、各周波数ごとの力検出手段１６の出力を取り込み、試験片Ｗを含む系の周波数応答特性を表すグラフを作成して表示等の出力を行うことにより、オペレータは簡単な設定作業を行うだけで試験片Ｗを含む系の周波数応答特性を知り、実際の試験に際しての設定周波数の上限値等を容易に知ることが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は材料試験機に関し、特に疲労試験や耐久試験など、繰り返し負荷を加える試験を行うのに適した材料試験機に関する。

疲労試験等の試験片に対して繰り返し負荷を加える試験を行うための材料試験機においては、一般に、負荷機構のアクチュエータとして油・空圧シリンダや電磁式等の直動型のアクチュエータを用い、そのアクチュエータをフィードバック制御する構成が多用されている（例えば特許文献１参照）。

すなわち、例えば一対の掴み具の一方を油圧シリンダのピストンロッドに取り付けるとともに、これに対向して他方の掴み具をクロスヘッド等に固定して、これらにより試験片の両端部を把持した状態で油圧シリンダを駆動することによって、試験片に負荷が加わるように構成する。また、試験片に作用する試験力および油圧シリンダのストロークを検出し、少なくともこれらのいずれかの検出値を、あらかじめ設定されている目標値波形にフィードバックすることによって、試験片に目標値波形どおりの負荷が加わるように油圧シリンダを駆動制御する。
特開２００２−３４０７６３号公報

ところで、以上のような材料試験機により試験片に対して繰り返し負荷を加えるに当たっては、当然のことながら、系が応答可能な範囲内に繰り返し周波数を設定しなければ正確な試験ができない。

従来の材料試験機においては、通常、試験機自体の振幅特性図が明らかにされており、この特性図を参照することによって試験機自体の周波数応答限界を知ることができる。しかしながら、実際の試験に際しての目標波形信号の設定に先立って必要なのは、試験機と試験片とを組み合わせた系の周波数応答特性である。

従来の材料試験機において、正確な試験を行うことのできる目標波形信号の周波数範囲を知るためには、本試験に先立ち、試験片を実際に装着した状態で、目標波形信号の周波数を様々に設定変更して複数回にわたって予備的な試験を行い、その都度試験片に作用する試験力の計測値からその振幅を確認して、目標波形信号の上限を探る、という作業が必要であった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、試験機と試験片を含む系の周波数応答特性を、簡単な設定により正確に知ることができ、もって疲労試験等を行う際の事前作業の簡素化を達成することのできる材料試験機の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の材料試験機は、試験片に負荷を加える負荷機構と、試験片に作用する試験力を検出する力検出手段と、上記負荷機構の変位を検出する変位検出手段と、少なくともこれらの力検出手段および変位検出手段による試験力検出値および変位検出値のいずれか選択された検出値が、あらかじめ設定されている目標値に一致するように上記負荷機構を制御する制御装置を備えた材料試験機において、繰り返し波形の振幅および周波数範囲を設定する設定手段と、試験片の装着状態で、設定された周波数範囲で周波数を順次自動的に変化させながら、設定された振幅のもとに試験片に試験力が加わるように上記負荷機構を制御する制御手段と、その各周波数ごとの上記力検出手段の出力を取り込み、試験片を含む系の周波数応答特性を表すグラフを作成して出力する応答特性出力手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記設定手段により上記力検出手段の出力の到達許容値を設定できるように構成され、かつ、当該設定手段により設定される周波数範囲は少なくとも周波数下限値であって、上記制御手段は、設定された周波数下限値から順次周波数が増大していくように上記負荷機構を制御し、かつ、上記力検出手段の出力が上記到達許容値に到達しなくなった時点で上記負荷機構の駆動を停止するように構成すること（請求項２）ができる。

また、本発明においては、上記繰り返し波形の形状を設定できるように構成すること（請求項３）が望ましい。

本発明は、繰り返し波形の振幅と周波数範囲を設定することにより、試験片を装着した状態で、設定範囲で周波数を自動的に変化させながら設定された振幅の負荷を加え、そのときの応答に基づいて試験片を含む系の周波数応答特性を表すグラフを作成して出力することによって、課題を解決しようとするものである。

すなわち、本発明においては、繰り返し波形の周波数範囲と振幅を設定することによって、試験片の装着状態で設定された振幅のもとに繰り返し波形の周波数を自動的に順次変化させながら力検出手段の出力を取り込む。この各周波ごとの力検出手段の出力は、試験片を含めた系の周波数応答特性を表し、これをグラフ化して表示ないしはプリントアウトなどの出力を行う。

また、請求項２に係る発明では、設定手段により力検出手段の出力の到達許容値を設定しておき、周波数下限値から順次周波数が増大していくように負荷機構制御し、力検出出力が到達許容値に到達しなくなった時点で負荷機構の駆動を停止することで、応答が限度を越えて低下した後にも周波数応答の調査を続ける無駄を省くことができる。
そして、請求項３に係る発明ように、繰り返し波形の形状を設定可能としておくことにより、実際の試験に用いる波形と同じ波形のもとに周波数応答の調査を行うことが可能となる。

本発明によれば、オペレータは簡単な設定を行うだけで、試験片を含めた系の周波数応答特性を知ることができ、正確な試験を行うことのできる最適の目標値波形の設定が可能となる。

また、請求項２に係る発明のように、設定された限度を下回る応答となったときに周波数応答特性の調査動作を自動的に停止することにより、その調査を短時間で完了することができる。

そして、請求項３に係る発明のように、調査に用いる繰り返し波形の形状を設定できるように構成すると、試験に用いる目標値波形と同じ波形のもとに周波数応答特性の調査を行うことが可能となり、実際の試験に際しての周波数応答により近い調査結果を得ることができる。

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構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。

試験機本体１は、テーブル１１上に複数の支柱１２を介してクロスヘッド１３が支持されているとともに、テーブル１１には負荷用の油圧シリンダ１４が固定され、その油圧シリンダ１４のピストンロッド１４ａの上端部に下側の掴み具１５ａが装着され、クロスヘッド１３の下面にロードセル１６を介して上側の掴み具１５ｂが装着された構造を有している。試験片Ｗは、上下の掴み具１５ａ，１５ｂに両端が把持された状態で試験に供される。また、ピストンロッド１４の下端部にはストロークセンサ１７が設けられている。

油圧シリンダ１４には、サーボバルブ１８を介して油圧源（図示せず）から作動油が供給される。サーボバルブ１８は制御装置２から供給される操作信号によってその弁開度が制御され、従って油圧シリンダ１４は、制御装置２からの操作信号によって駆動制御されることになる。

前記したロードセル１６の出力は試験片Ｗに作用する試験力の検出出力として制御装置２に刻々と取り込まれ、また、ストロークセンサ１７の出力も負荷機構（油圧シリンダ１４）の変位検出出力として同じく制御装置２に取り込まれる。試験に際しては、制御装置２では、これらの検出出力のうち、制御量に設定されている検出出力を、あらかじめ設定されている目標値波形信号に対してフィードバックし、その偏差にＰＩＤ演算等を施してサーボバルブ１８に操作信号として供給する。これにより、試験片Ｗに目標値波形通りの試験力が作用するか、あるいは目標値波形通りの変位が与えられるように、油圧シリンダ１４が駆動制御される。

制御装置２にはパーソナルコンピュータ３が接続されており、このパーソナルコンピュータ３は、制御装置２を介してロードセル１６による試験力の検出出力およびストロークセンサ１７による変位検出出力を入力し、各種データ処理を行うとともに、キーボードやマウス等の入力装置４を操作して指令を与えることによって、以下に示す動作により制御装置２を通じて試験機本体１を駆動制御して、試験片Ｗを含む系の周波数応答特性を求めて表示器５に表示する。

図２はその周波数応答特性を求める際の動作を表すフローチャートであり、図３は表示器５の表示例を示す図である。

まず、入力装置４の操作によりこのプログラムを立ち上げることにより、表示器５に図３に示す画面が表示される。この画面上には、繰り返し波形の形状を選択するためのプルダウンスイッチ５１と、振幅（試験力の振幅）の設定欄５２、波形の開始極性の選択スイッチ５３、後述する試験力の到達許容値の設定欄５４、繰り返し波形の開始周波数の設定枠５５並びに終了周波数の設定欄５６、および動作開始スイッチ５７と停止スイッチ５８が設けられている。また、繰り返し波形の上側ピークと下側ピークを個別に設定するための欄５９ａ，５９ｂとその場合の振幅の表示欄５９ｃも設けられている。そして、系の周波数応答特性を表示するための片対数グラフの表示欄６０が設けられている。

さて、このような画面が表示されると、オペレータは画面上の上記した各スイッチを操作したり各設定欄に数値を設定して、繰り返し波形の形状、例えばサイン波、三角波、矩形波、ハーバーサイン波など、あらかじめ設定されている波形のなかから所望の波形を選択するとともに、開始周波数、終了周波数および試験力の到達許容値等を設定した後、開始スイッチ５７を操作する。これにより、試験力を制御量として開始周波数のもとに油圧シリンダ１４を駆動し、１サイクルが終了した時点で、ロードセル１６による試験力の振幅が到達許容値を越えているか否かを判別し、越えている場合には、その振幅値を表示欄６０の片対数グラフ上の該当の周波数の位置にプロットする。

なお、開始周波数での負荷時に検出された試験力の振幅が到達許容値を越えていない場合には、設定振幅を規定量だけ増大させて同じ開始周波数で再度負荷し、検出振幅が到達許容値を越えるまでこれを繰り返す。設定振幅が試験機で設定可能な最大値を越えてもなお検出振幅が到達許容値を越えない場合には、グラフに最終の検出振幅をプロットしてこの周波数応答調査動作を終了する。

さて、到達許容周波数を越える検出振幅が得られた場合、前記したように該当の周波数位置にその振幅値をプロットした後、周波数を所定量だけ増大させ、上記と同様の動作を繰り返し、検出振幅値を表示欄６０の片対数グラフ上の該当の周波数の位置にプロットする。そして、順次増大させた周波数があらかじめ設定されている終了周波数を越えるか、あるいは検出振幅値が到達許容値を越えなくなれば、この周波数応答調査動作を終了する。

以上の動作により、表示器５の表示画面上の片対数グラフの表示欄６０には、試験片Ｗを含めた系の周波数応答特性を表すグラフが表示されることになる。従って、オペレータは最初に上記した振幅や到達許容値、開始・終了周波数等を設定して試験片Ｗを装着するだけで、あとは試験機が自動的に動作して試験片Ｗを含む系の周波数応答特性を知り、実際の試験に際して設定できる周波数の上限等を簡単に見出すことができる。

なお、以上の実施の形態においては、開始周波数と終了周波数、および到達許容値を設定した例を示したが、開始周波数と終了周波数のみを設定したり、あるいは開始周波数と到達許容値のみを設定する構成を採用しても、同等の作用効果を奏することができる。

また、試験機本体１の構造や、負荷用アクチュエータの種類等についても、他の公知の構造や他のアクチュエータを用い得ることは勿論である。

本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。本発明の実施の形態における応答周波数を求める際の動作を表すフローチャートである。本発明の実施の形態における応答周波数を求める際の表示器５の表示例を示す図である。

符号の説明

１試験機本体
１１テーブル
１２支柱
１３クロスヘッド
１４油圧シリンダ
１５ａ，１５ｂ掴み具
１６ロードセル
１７ストロークセンサ
１８サーボバルブ
２制御装置
３パーソナルコンピュータ
４入力装置
５表示器
５１繰り返し波形の形状選択用プルダウンスイッチ
５２振幅設定欄
５４到達許容値設定欄
５５開始周波数設定欄
５６終了周波数設定欄
５７動作開始スイッチ
５８動作停止スイッチ
６０周波数応答特性表示欄
Ｗ試験片

Claims

試験片に負荷を加える負荷機構と、試験片に作用する試験力を検出する力検出手段と、上記負荷機構の変位を検出する変位検出手段と、少なくともこれらの力検出手段および変位検出手段による試験力検出値および変位検出値のいずれか選択された検出値が、あらかじめ設定されている目標値に一致するように上記負荷機構を制御する制御装置を備えた材料試験機において、
繰り返し波形の振幅および周波数範囲を設定する設定手段と、試験片の装着状態で、設定された周波数範囲で周波数を順次自動的に変化させながら、設定された振幅のもとに試験片に試験力が加わるように上記負荷機構を制御する制御手段と、その各周波数ごとの上記力検出手段の出力を取り込み、試験片を含む系の周波数応答特性を表すグラフを作成して出力する応答特性出力手段を備えていることを特徴とする材料試験機。
上記設定手段により上記力検出手段の出力の到達許容値を設定できるように構成され、かつ、当該設定手段により設定される周波数範囲は少なくとも周波数下限値であって、上記制御手段は、設定された周波数下限値から順次周波数が増大していくように上記負荷機構を制御し、かつ、上記力検出手段の出力が上記到達許容値に到達しなくなった時点で上記負荷機構の駆動を停止するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
上記繰り返し波形の形状を設定でき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。