JP2009085848A

JP2009085848A - 疲労試験装置

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Publication number: JP2009085848A
Application number: JP2007258005A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Murauchi; 一宏村内; Shigeru Matsumoto; 繁松本; Hiroshi Miyashita; 博至宮下; Kazuyoshi Tashiro; 和義田代
Original assignee: Kokusai Keisokuki KK
Current assignee: Kokusai Keisokuki KK
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-10-01
Also published as: WO2009044746A1; JP4812724B2; TW200925576A

Abstract

【課題】所望の作用をワークに与えることのできるようなサーボアンプへの目標波形を演算可能な疲労試験装置を提供する。
【解決手段】離散化された少なくとも一周期分の入力波形データをワークの変形量の変動波形のスペクトルに変換して初期スペクトルデータを生成し、初期スペクトルデータの各スペクトル成分に補正係数を乗じて第１のスペクトルデータを生成して第１のスペクトルデータを得、これを逆変換して得られる試験用波形データに基づいてテスト用ワークに荷重を加え、荷重が加えられているテスト用ワークの変形量の変動を示す出力波形データを取得し、出力波形データをテスト用ワークの変形量の変動波形のスペクトルに変換して第２のスペクトルデータを得、初期スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分と第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分とに基づいて補正係数を修正する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ねじり、引張、圧縮、曲げ方向の繰り返し荷重をワークに加える疲労試験装置に関する。

材料に静荷重や繰り返し荷重を加えて疲労強度を計測する疲労試験装置として、特許文献１に記載のもののようなサーボモータを用いたものが利用されている。このような疲労試験装置においては、材料の変形量を細かく制御できるため、正弦波や矩形波、三角波といった単純な繰り返し荷重のみならず、複雑なユーザ定義波形にてワークに繰り返し荷重を掛けることも可能である。特に、近年は高速の信号処理回路（ＤＳＰ）や応答性の高いサーボモータが実現されつつあり、より複雑な波形をもってワークに荷重を加えることが可能となっている。
特開昭６３−３７２３３号

このような、ユーザ定義波形をもってワークに繰り返し荷重を加えて試験を行う目的として、そのワークが実際に使用されている環境を実験室にて再現し、その状態でのワークの挙動を観察する、というものが考えられる。例えば、ワークが自動車の動力伝達シャフトである場合、実際に自動車を走行させたときにシャフトに掛かる荷重や変形量等を計測し、この計測結果と同じ荷重や変形がワークに作用するように、試験装置を作動する、という再現試験が考えられる。

このような再現試験を行う場合、ワークを実際に使用した時の計測結果を、動力伝達系の特性（例えば減速機の減速比）やワークの弾性率を考慮して加工してサーボモータの目標波形を推定し、これをサーボアンプに入力することが考えられる。

しかしながら、特に高周波域においては、ワーク自身、或いは試験装置の動力伝達系の弾性や損失のため、計測結果から推定される目標波形をサーボアンプに入力しても、所望の荷重や変形をワークに与えられない（ワークを実際に使用した時の計測結果が再現されない）ことが多い。そのため、従来はオペレータの試行錯誤によって各種パラメータを調整する必要があった。

本発明は上記の問題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、サーボアンプへ入力する目標波形を、それによって所望の荷重や変形をワークに与えることのできるような値に演算可能な疲労試験装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の疲労試験装置は、離散化された少なくとも一周期分の入力波形データを入力する波形データ入力手段と、入力波形データをスペクトルに変換する演算を行い初期スペクトルデータを生成する第１のスペクトル演算手段と、初期スペクトルデータにおいて、周波数ごとに定められた補正係数を初期スペクトルデータの各スペクトル成分に乗じて第１のスペクトルデータを生成するスペクトルデータ補正手段と、第１のスペクトルデータを逆変換して得られる試験用波形データに基づいてテスト用ワークを変形させるワーク試験手段と、ワーク試験手段によって加えられるテスト用ワークの変形量の変動を示す出力波形データを取得する出力波形データ取得手段と、出力波形データに基づいてテスト用ワークの変形量の変動波形のスペクトルを演算して第２のスペクトルデータを得る第２のスペクトル演算手段と、入力スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分と第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分とに基づいて補正係数を修正する補正係数修正手段と、を有する。

以上のように、本発明の疲労試験装置においては、入力波形データと出力波形データとをスペクトル解析し、周波数ごとに補正係数を求めている。そして、補正係数が修正された第１のスペクトルデータに基づいて演算される目標波形をサーボアンプに入力することによって、オペレータが試行錯誤を行うことなく、所望の波形で疲労試験を行うことができるようになる。

また、補正係数修正手段が入力スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分の量を第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分の量で割った値を、補正前の対応する周波数のスペクトル成分の補正係数に乗じることによって、周波数毎に定められた補正係数の修正を行うことが好適である。

また、入力スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分を第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分で割った値が所定の範囲内に納まっているかどうかに基づいて、対応する周波数のスペクトル成分の補正係数の修正が必要であるかどうかを判定する修正判定手段と、修正判定手段によって補正係数の修正が必要であると判定された時にワーク試験手段は補正係数修正手段によって補正係数が修正された第１のスペクトルデータを逆変換して得られる試験用波形データに基づいて、テスト用ワークの再試験を行う構成とすることが好適である。

このように、入力波形データと出力波形データが近づくまで再試験を繰り返すことによって、より好適な補正係数を得ることができる。

また、所定の範囲内は、０．９５から１．０５の間であることが好適である。さらに、所定の範囲内は、０．９９から１．０１の間であることがより好適である。

また、第１及び第２のスペクトル演算手段は、例えば離散フーリエ変換によってスペクトルを演算するものである。

また、例えば疲労試験装置はワークにねじり荷重を加えるねじり試験装置であり、ワークの変形量はワークのねじり角度である。或いは、疲労試験装置は送りねじ機構を介してワークに引張、圧縮又は曲げ荷重を加える万能試験装置であり、ワークの変形量は送りねじ機構によって駆動され且つワークを保持するアダプタの変位量である。

また、第１及び第２のスペクトル演算手段は、入力波形データや出力波形データからスペクトルを演算する前に、波形データの高周波成分のカットを行うことが好ましい。この構成は、入力波形データ及び出力波形データが離散化されたデータ群である場合に、本来高周波域のスペクトル成分が低周波域のスペクトル成分として演算されてしまう可能性を除外することができる。

以上のように、本発明によれば、所望の荷重や変形をワークに与えることができるようにサーボアンプへ入力する目標波形を演算可能な疲労試験装置が実現される。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置のブロック図を示したものである。本実施形態の疲労試験装置は、試験片（ワーク）にねじり荷重を反復的に加えることができる。

図１に示されるように、本実施形態の疲労試験装置１は、ワークＷにねじり荷重を加える装置本体１０と、装置本体１０のサーボモータ１２を駆動するためのサーボアンプ２０と、サーボアンプ２０を制御する制御部３０とを有する。

装置本体１０は、チャック１１ａ、１１ｂと、サーボモータ１２と、減速機１３と、トルクセンサ１４と、角度センサ１５とを有する。チャック１１ａ及び１１ｂは、ワークＷを両端から把持する。減速機１３は、サーボモータ１２の駆動軸と一方のチャック１１ａの間に配置され、サーボモータ１２の駆動軸のトルクを増大してワークＷに与える。また、他方のチャック１１ｂは、トルクセンサ１４を介して図示しない装置本体のフレームに固定されている。

以上説明した構成において、サーボモータ１２を駆動すると、チャック１１ａ、１１ｂに把持されたワークＷにねじり荷重が加わり、その大きさはトルクセンサ１４によって計測される。また、角度センサ１５が減速機１３の出力軸に設けられ、チャック１１ａ付近におけるワークＷのねじれ角度を検出する。

サーボモータ１２は、サーボアンプ２０によって制御される。すなわち、サーボアンプ２０は、制御部３０から送信される目標値（目標とするサーボモータの回転軸の角度）に基づいてサーボモータ１２を駆動するための駆動電力を生成し、これをサーボモータ１２に送ってこれを駆動させる。サーボモータ１２には、サーボモータ１２の回転軸の回転数や角度等を検出するためのロータリーエンコーダ１２ａが設けられている。ロータリーエンコーダ１２ａの信号出力はサーボアンプ２０に接続されており、サーボアンプ２０はロータリーエンコーダ１２ａの計測結果に基づいて駆動電力のフィードバック制御を行う。

次いで、制御部３０の構成につき説明する。図２は、本実施形態の制御部３０のブロック図である。図２に示されているように、本実施形態の制御部３０は、コントローラ３１、信号変換手段３２、Ａ／Ｄ変換手段３３、トルクセンサ用アンプ３４ａ、角度センサ用アンプ３４ｂ、操作手段３５、波形発生回路３６、フレキシブルディスクドライブ（ＦＤＤ）３７、メモリ３８及びアナログポート３９を有する。なお、図１及び図２においては、制御部３０は一つのブロックとして記載されているが、実際は複数のユニットによって形成される。例えば、トルクセンサ用アンプ３４ａ、角度センサ用アンプ３４ｂはそれぞれが独立したユニットとして形成される。また、操作手段３５は、コントローラ３１を含むユニットのケース外面に設けられる制御パネルであるが、ケーブルを介してコントローラ３１に接続される独立したユニット（例えばパーソナルコンピュータ）であってもよい。

本実施形態の制御部３０は、トルクセンサ１４、角度センサ１５（共に図１）によって検出されたワークＷのトルクや角度を参照しながら、トルク又は角度の経時変動が所望の波形を示すように、サーボアンプ２０（図１）に設定角度を送信するものである。

ワークＷに与える作用（荷重や変形量）の波形は、操作手段３５を用いて設定される。操作手段３５は、例えばキーボードなどの入力手段と、この入力手段による入力結果を確認するための表示手段とを備えており、本実施形態のねじり試験装置１のオペレータは、操作手段３５を操作して、繰り返しねじり試験を行う際のトルク、角度、又は角速度の範囲を設定することができる。例えば、正弦波状に往復ねじり運動を行う際の角度変動の振幅を設定することができる。操作手段３５による設定結果は、コントローラ３１に送信され、メモリ３８に保存される。

また、波形発生回路３６は、所望の周期・タイミングで正弦波、三角波、矩形波などの信号波形を生成する回路である。より具体的には、ｆ（ｔ）を時刻ｔを引数とする関数としたときに、式ｓ＝ｆ（ｔ）で示される値ｓを順次コントローラ３１に出力するものである。なお、上式において、例えば波形が正弦波であれば、周期をＴ、位相をａとして、ｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（２π（ｔ−ａ）／Ｔ）である。ここで、周期Ｔ及び位相ａは、操作手段３５を操作することによって任意の値に設定可能である。

コントローラ３１は、波形発生回路３６からコントローラ３１に送信される値に、操作手段３５によって別途設定される所定の定数を乗じて目標波形を演算し、この目標波形とトルクセンサ１４が検出したトルク、角度センサ１５が検出したねじれ角度（又はその時間微分値である角速度）とを比較して、サーボアンプ２０に送るべき設定角度を演算する。演算された設定角度は、設定角度をパルスに変換する信号変換手段３２を介してサーボアンプ２０に送信される。

以上のような構成により、ワークＷのねじり角、角速度、或いはトルクが、正弦波、三角波又は矩形波といった規定の波形に従って変動するように、サーボモータ１２を駆動することが出来るようになっている。

また、本実施形態のねじり試験装置１は、上記の規定の波形の代わりに、装置のオペレータによって入力されるユーザ定義波形に基づいてワークＷに与えるねじり角を変動させることが出来るようになっている。ユーザ定義波形は、あらかじめ他の計測装置にて計測されたデータを用いるかオペレータがＰＣ等でユーザ定義波形データを生成することによって得られる。このように、外部の機器にて計測または生成されたユーザ定義波形データは、ＦＤＤ３７を介してメモリ３８に読み取られる。或いは、アナログポート３９に計測器（センサ及びセンサに付随する回路、アンプなど）を接続してねじり試験を行い、計測器の出力であるアナログ信号をＡ／Ｄ変換手段３３でサンプリングしてデジタルのユーザ定義波形データを得てこれをメモリ３８に保存することも可能である。

このようなユーザ定義波形に基づいたねじり試験は、例えばそのワークが実際に使用される状況においてかかりうる荷重変動や変形量を再現するために実施される。例えば、ワークＷが自動車用のドライブシャフトである場合は、実際に自動車を走行させた時に自動車にマウントされたドライブシャフトに加わる負荷変動が再現できるように、ユーザ定義波形に基づいた試験が行われる。

ユーザ定義波形に基づいたねじり試験を高い再現性にて行うためには、減速機１３（図１）等の伝達系やワークＷ自身の弾性による応答遅れや、これらの摩擦等による減衰の影響を考慮したうえで、サーボアンプ１２に送る目標値（目標波形）を演算する必要がある。本実施形態においては、サーボモータ１２に入力される信号と、実際にワークＷに加わる荷重変動や変形量の計測値との関係を周波数スペクトル上で解析し、ワークＷに所望の作用を与えられるような目標波形を得るようになっている。以下、その具体的な手順を説明する。

図３は、本実施形態において、ワークＷに対して所望のユーザ定義波形に基づいたねじり試験を行う際に、サーボアンプ１２に送る目標波形を演算する手順を示したフロー図である。以下、このフロー図に基づいて目標波形の演算手順について説明する。まず、装置１のオペレータは、前述の手段の何れかを用いて、ワークＷに加えるべき荷重変動や変形量に対応したユーザ定義波形データを制御部３０に入力する（ステップＳ１）。

続いて、オペレータは操作手段３５を操作して、ユーザ定義波形の種別（波形が加速度、角加速度、角速度、角度のいずれを示すものであるのか）、単位（Ｇ、ｍ／ｓ^２、ｒａｄ／ｓ^２、ｒａｄ／ｓ、ｒａｄ等）といったパラメータを入力する。また、ユーザ定義波形が加速度を示すものであれば、回転中心からセンサまでの距離ｌ（単位：ｍｍ）も入力する（ステップＳ２）。

次いで、オペレータは装置１のチャック１１ａ、１１ｂに目標波形演算のためのテスト用ワークを取り付ける（ステップＳ３）。また、ステップＳ１で入力したユーザ定義波形が加速度の波形である場合は、テスト用ワークに加速度計を取り付ける。この加速度計の出力は、アナログポート３９（図２）に接続される。

ステップＳ４では、波形データの整形が行われる。すなわち、サーボモータ１２によって制御可能な角速度、角加速度には上限があるため、波形データの角速度や角加速度が所定の範囲内に納まるように波形データを修正する。また、本実施形態においては、高速離散フーリエ変換（ＦＦＴ）によって波形データのスペクトルを求めているが、正確にスペクトルを求めるため、移動平均を行ってＦＦＴの上限周波数を越える周波数をカットしている。この整形後の波形データをｍ（ｎ）とする。なお、ｎは離散化された波形データに含まれる値のそれぞれに対して、時刻順に定められた標本番号である。すなわち、標本数がＮである時、最初の標本に定められた標本番号は１であり、最後の標本に定められた標本番号はＮである。

次いで、波形データｍ（ｎ）のスペクトルをＦＦＴによって演算する（ステップＳ５）。このスペクトルをＭ（ｋ）とする。ここで、ｋは周波数順に定められたスペクトルデータの標本番号である。なお、本実施形態においては、フーリエ変換前の標本数とフーリエ変換後の標本数は同一である。さらに、サーボアンプ２０に入力されるのは角度であるため、以下の数１によってＭ（ｋ）をサーボアンプ２０に入力される角度（単位：ｒａｄ）のスペクトルＶ（ｎ）に変換する。

上式において、Ｇは重力加速度をｍｍ／ｓ^２単位で示したものであり、その値は約９８０６．６５である。また、Ｔは周期（単位：ｓ）、すなわちｍ（ｎ）のユーザ定義波形を一周期実行する際に要する時間である。従って、Ｆ_ｋはｋに対応する周波数（単位：Ｈｚ）を意味する。また、Ｒは減速機１３の減速比である。また、Ａ_ｋは標本番号ｋ毎に定められる補正係数である。この補正係数Ａ_ｋは、伝達系やワークの応答の遅延や、減衰に対応した値であり、テスト用ワークにねじり荷重を加えて得られる計測値に基づいて算出される。なお、この時のＡ_ｋの値（初期値）は、ｋの値に関わらず１とする。

次いで、Ｖ（ｋ）を逆フーリエ変換し、角度の変動を示す波形データｖ（ｎ）を生成する（ステップＳ６）。なお、この時もＡ_ｋの値（初期値）は、ｋの値に関わらず１とする。また、Ａ_ｋ＝１の時のＶ（ｋ）をＶ_０（ｋ）と定義する。次いで、ｖ（ｎ）に基づいてサーボモータ１２を駆動し、テスト用ワークへのねじり荷重の付与をＹ周期（例えば３０回）実行し、その時の角度、角速度、角加速度、又は加速度（元々の波形データに対応するもの）を記録する（ステップＳ７）。これによって得られた波形データをｍ’_ｙ（ｎ）とする。なお、ｙはそのデータを取得した荷重付与の周期の番号であり、１≦ｙ≦Ｙである。すなわち、このステップにて波形データはＹ組生成される。

次いで、下記の数２に基づいてｍ’_ｙ（ｎ）の平均値ｍ’（ｎ）を演算する（ステップＳ８）。

次いで、ステップＳ８で得られた波形ｍ’（ｎ）をフーリエ変換し、さらに数１に基づいて角度のスペクトルに変換する（ステップＳ９）。このスペクトルをＶ’（ｋ）とする。

次いで、全てのｋについて、Ｖ_０（ｋ）とＶ’（ｋ）との比較を行う（ステップＳ１０）。全てのｋについて、Ｖ_０（ｋ）／Ｖ’（ｋ）の比が所定基準以内であれば、その時のＡ_ｋを補正係数とするスペクトルＶ（ｋ）を逆フーリエ変換してユーザ定義波形ｖ_１（ｎ）をサーボアンプに入力すれば、ワークＷに荷重を加えた時に計測されるユーザ定義波形はｍ（ｎ）に略一致する。すなわち、ｖ_１（ｎ）は所望の目標波形に相当するといえる。従って、このような時は（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、目標波形を得るための処理を完了させる。なお、上記所定基準は、例えば０．９５〜１．０５である。また、より高い再現性をもってワークＷに荷重を加える場合は、所定基準を０．９９〜１．０１とすることが好ましい。

一方、ステップＳ１０において、Ｖ_０（ｋ）とＶ’（ｋ）との比が所定基準を満たさないものが１つでもあれば、補正する必要のあるＡ_ｋが残されていることを意味する。従って、このような場合は（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ１１に進み、テスト補正係数Ａ_ｋの修正を行う。

ステップＳ１１においては、このスペクトルＶ’（ｋ）と、スペクトルＶ_０（ｋ）とを比較し、下記の数３に基づいて補正係数Ａ_ｋの修正を行う。ただし、Ｖ_０（ｋ）とＶ’（ｋ）の比が所定基準以内のものについては、補正係数の修正を行わない。Ａ_ｋの補正が終わった後、ステップＳ６に戻り、Ａ_ｋが補正されたＶ（ｋ）を逆フーリエ変化して得られたｖ（ｎ）にて再度テスト用ワークにねじり荷重を加える。

以上の手順にて、全てのｋについてＶ_０（ｋ）とＶ’（ｋ）の比が所定基準以内となるまで、テスト用ワークへのねじり荷重の付与とＡ_ｋの修正を繰り返し、ユーザ定義波形ｍ（ｎ）を再現できる目標波形ｖ_１（ｎ）を得る。

以上の手順にて求められた目標波形ｖ_１（ｎ）を用いて、テスト用ワークと同型のワークＷの試験を行えば、所望のユーザ定義波形のねじり荷重をワークＷに加えることができるようになる。

以上説明した本発明の第１の実施の形態は、ねじり試験装置に関するものである。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではない。すなわち、本発明はサーボモータを使用する他のタイプの疲労試験装置においても適用可能である。以下に説明する本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置は、サーボモータによって駆動される送りねじ機構によって、ワークに引張、圧縮、又は曲げ荷重を加える事が可能な、所謂万能試験装置である。

図４は、本実施形態の疲労試験装置１０１のブロック図を示したものである。本実施形態の疲労試験装置は、試験片（ワーク）に引張、圧縮、又は曲げ荷重を反復的に加えることができるようになっている。

図４に示されるように、本実施形態の試験装置１０１は、ワークＷに荷重を加える装置本体１１０と、装置本体１１０のサーボモータ１１２を駆動するためのサーボアンプ１２０と、サーボアンプ１２０を制御する制御部１３０とを有する。装置本体１１０は、フレーム１１１と、サーボモータ１１２と、直動変換器１１３と、ロードセル１１４と、変位センサ１１５と、アダプタ１１８ａ及び１１８ｂとを有する。

直動変換器１１３は、サーボモータ１１２の回転軸の回転運動を直進方向の運動に変換するためのものであり、送りねじ１１３ａと、ナット１１３ｂと、一対のガイドレール１１３ｃと、ガイドレール１１３ｃの夫々に対応したランナーブロック１１３ｄとを有する。ナット１１３ｂは、送りねじ１１３ａと係合している。また、ランナーブロック１１３ｄは、ナット１１３ｂに固定されている。ランナーブロック１１３ｄは、対応するガイドレール１１３ｃに沿って移動可能であると共に、この方向以外には移動できないようになっている。このため、ランナーブロック１１３ｄ及びナット１１３ｂの運動は、ガイドレール１１３ｃが伸びる方向に沿った一自由度に限定される。さらに、送りねじ１１３ａの軸方向は、ガイドレール１１３ｃが伸びる方向と平行（すなわち上下方向）であるため、サーボモータ１１２によって送りねじ１１３ａを回動させると、ナット１１３ｂはガイドレール１１３ｃに沿って移動する。図４に示されるように、サーボモータ１１２は、フレーム１１１のテーブル部１１１ａの下に固定されており、また、ガイドレール１１３ｃはテーブル部１１１ａの上に固定されている。このため、ナット１１３ｂはテーブル部１１１ａに対して上下動することになる。なお、ナットの上には、ワークＷを下から保持するための下部アダプタ１１８ａが取り付けられる。

フレーム１１１の天井１１１ｂの下面から、上部ステージ１１６が吊り下げられている。また、テーブル部１１１ａの上面には、図中上方向に伸びるガイドバー１１７ｃが設けられている。上部ステージ１１６の左右方向端部には、上下方向に穿孔された貫通孔１１６ａが形成されており、この貫通孔１１６ａにガイドバー１１７ｃが通されている。このため、上部ステージ１１６はガイドバー１１７ｃに沿って上下方向に移動可能となっている。また、上部ステージ１１６に設けられた図示しないボルトを締めることによって、貫通孔１１６ａの内径を絞る事が出来るようになっており、これによって、ガイドバー１１７ｃに対して上部ステージ１１６を固定できるようになっている。

上部ステージ１１６の下面には、ワークＷを上から保持するための上部アダプタ１１８ｂが取り付けられる。本実施形態においては、上部アダプタ１１８ｂと下部アダプタ１１８ａとの間でワークＷを保持した状態でナット１１３ｂを上下動させる事によって、ワークＷに荷重を加える事が出来るようになっている。なお、上部及び下部アダプタ１１８ａ、１１８ｂはそれぞれ上部ステージ１１６、ナット１１３ｂに対して着脱可能に構成されており、ワークＷに加えるべき荷重の種類に応じて適切なアダプタを選択可能となっている。図４は、ワークＷに圧縮荷重を加える構成であるため、上部アダプタ１１８ｂの下面及び下部アダプタの上面は平面状に形成されている。ワークＷに引張荷重を加える際は、ワークＷを把持するチャックが設けられたアダプタ１１８ａ、１１８ｂが使用される。三点曲げ試験をおこなう際は、圧縮試験用のアダプタと三点曲げ用の治具とを組み合わせて使用する。

また、上部ステージ１１６は、フレーム１１１の天井１１１ｂから送りねじ１１７ａによって吊り下げられている。天井１１１ｂには、送りねじ１１７ａと係合する回転可能なナット（図示せず）が埋めこまれている。ナットは天井１１１ｂに配置されたモータ１１７ｂによって回転駆動されるようになっている。また、送りねじ１１７ａと上部ステージ１１６とを連結するリンクによって、上部ステージ１１６に対して送りねじ１１７ａはその軸回りに回転しないようになっている。従って、上部ステージ１１６のボルトを緩めて上部ステージ１１６を移動可能とした状態で、モータ１１７ｂによってこのナットを回動させることで、送りねじ１１７ａ及びこの送りねじ１１７ａと連結している上部ステージ１１６を上下方向に駆動することができる。この機能は、ワークＷの寸法に合わせてアダプタ１１８ａ、１１８ｂの間隔を調整する際に使用される。すなわち、試験を行う際はボルトを締めて上部ステージ１１６をガイドバー１１７ｃに固定する。

以上説明した構成において、アダプタ１１８ａ、１１８ｂでワークＷを保持してサーボモータ１１２を駆動すると、ワークＷに引張、圧縮又は曲げ荷重が加わり、その大きさはロードセル１１４によって計測される。また、変位センサ１１５は、下部のアダプタの変位、すなわちワークＷの変形量を検出するセンサ（例えば、ロータリーエンコーダが組み込まれたダイヤルゲージ）である。

第１の実施形態と同様、サーボモータ１１２は、サーボアンプ１２０によって制御される。すなわち、サーボアンプ１２０は、制御部１３０から送信される目標値（目標とするサーボモータの回転軸の角度）に基づいてサーボモータ１１２を駆動するための駆動電力を生成し、これをサーボモータ１１２に送ってこれを駆動させる。サーボモータ１１２には、サーボモータ１１２の回転軸の回転数や角度等を検出するためのロータリーエンコーダ１１２ａが設けられている。ロータリーエンコーダ１１２ａの信号出力はサーボアンプ１２０に接続されており、サーボアンプ２１０はロータリーエンコーダ１１２ａの計測結果に基づいてフィードバック制御を行う。

次いで、制御部１３０の構成につき説明する。図５は、本実施形態の制御部１３０のブロック図である。図示されているように、本実施形態の制御部１３０は、トルクセンサの代わりにロードセルが、角度センサの代わりに変位センサがそれぞれ接続できるようになっているほかは、図２に示される本発明の第１の実施の形態と同一である。従って、制御部１３０において本発明の第１の実施の形態と同一又は類似の構成要素には同一の符号を配し、また制御部１３０に関する詳細な説明は省略する。

本実施形態の制御部１３０は、ロードセル１１４、変位センサ１１５（共に図４に記載）によって検出されたワークＷの荷重や変形量を参照しながら、荷重又は変形量の経時変動が所望の波形を示すように、サーボアンプ１２０（図１）に設定角度を送信するものである。

ワークＷに与える作用波形は、操作手段３５を用いて設定される。本実施形態の試験装置１０１のオペレータは、操作手段３５を操作して、繰り返し試験を行う際の荷重、変形量等の幅を設定することができる。例えば、ワークＷに正弦波状の復繰り返し圧縮変位を加える際の変位の振幅を設定することができる。

コントローラ３１は、波形発生回路３６からコントローラ３１に送信される値に、操作手段３５によって設定された値を乗じて目標値を演算し、この目標値とロードセル１１４が検出した荷重、又は変位センサ１１５が検出した変形量（又はそれらの時間微分値である変形速度）とを比較して、サーボアンプ１２０に送るべき設定角度を演算する。演算された設定角度は、信号変換手段３２を介してサーボアンプ１２０に送信される。

以上のような構成により、ワークＷに加わる荷重やワークＷの変形量が、正弦波、三角波又は矩形波といった規定の波形に従って変動するように、サーボモータ１１２を駆動することが出来るようになっている。

また、第１の実施形態と同様、本実施形態の試験装置１０１は、上記の規定の波形の代わりに、装置のオペレータによって入力されるユーザ定義波形に忠実にワークＷの変形量を変動させることが出来るようになっている。

このようなユーザ定義波形に基づいた繰り返し試験は、例えばそのワークが実際に使用される状況においてかかりうる荷重変動や変形量を再現するために実施される。例えば、ワークＷが自動車用のドライブシャフトである場合は、ドライブシャフトが自動車にマウントされた状態で自動車を走行させた時にドライブシャフトに加わる負荷変動を再現できるように、ユーザ定義波形に基づいた試験を行う。

ユーザ定義波形に基づいた繰り返し試験を高い再現性にて行うためには、送りねじ機構１１３（図４）等の伝達系やワークＷ自身の弾性による応答遅れや、これらの摩擦や塑性変形等による減衰の影響を考慮したうえで、サーボアンプ１２０に送る設定角度（目標波形）を演算する必要がある。本実施形態においては、サーボアンプ１２０に入力される信号と、実際にワークＷに加わる荷重変動や変形量の計測値とをスペクトル解析し、ワークＷに所望の作用を加えられるような入力信号を得るようになっている。その手順は、一部演算式が異なるものの、基本的には図３にて説明した第１の実施形態のものと同じである。そこで、本実施形態における目標波形の演算手順を、図３のフローチャートを用いて以下に説明する。

本実施形態において、ワークＷに所望のユーザ定義波形に忠実な変形を加えるための目標波形を得るには、まず、装置１０１のオペレータが、ＦＤＤ３７（図５）を介してユーザ定義波形データを制御部１３０に読み取らせ、これをメモリ３８（図５）に保存する。或いは、アナログポート３９（図５）にセンサ（例えば加速度計）を接続して、実際にワークが使用される環境において計測したユーザ定義波形のサンプリングを行い、これをメモリ３８に保存する（ステップＳ１）。

続いて、オペレータは操作手段３５（図５）を操作して、ユーザ定義波形の物理量（波形が加速度、速度、変位のいずれを示すものであるのか）、単位（Ｇ、ｍｍ／ｓ^２、ｍｍ／ｓ、ｍｍ等）といったパラメータを入力する。

次いで、オペレータは装置１０１のアダプタ１１８ａ、１１８ｂに目標波形演算のためのテスト用ワークを取り付ける（ステップＳ３）。また、ステップＳ１で入力したユーザ定義波形が加速度の波形である場合は、テスト用ワークに加速度計を取り付ける。この加速度計の出力は、アナログポート３９（図２）に接続される。

ステップＳ４では、波形データの整形が行われる。すなわち、サーボモータ１１２によって制御可能な変位量、速度、加速度には上限があるため、波形データの速度や加速度などが所定の範囲内に納まるようにする。また、本実施形態においては、高速離散フーリエ変換によって波形データのスペクトルを求めているが、正確にスペクトルを求めるため、波形データの移動平均を行ってＦＦＴの上限周波数を越える周波数をカットしている。この整形後の波形データをｍ（ｎ）とする。なお、ｎは離散化された波形データに含まれる値のそれぞれに対して、時刻順に定められた標本番号である。すなわち、標本数がＮである時、最初の標本に定められた標本番号は１であり、最後の標本に定められた標本番号はＮである。

次いで、波形データｍ（ｎ）のスペクトルをＦＦＴによって演算する（ステップＳ５）。このスペクトルをＭ（ｋ）とする。なお、本実施形態においては、フーリエ変換前の標本数とフーリエ変換後の標本数は同一である。さらに、サーボアンプ１２０に入力されるのは角度であるため、以下の数４によってＭ（ｋ）を角度（単位：ｒａｄ）のスペクトルＶ（ｎ）に変換する。

上式において、Ｇは重力加速度をｍｍ／ｓ^２単位で示したものであり、その値は約９８０６．６５である。また、Ｔは周期（単位：ｓ）、すなわちｍ（ｎ）のユーザ定義波形を一回実行する際に要する時間である。従って、Ｆ_ｋはｋに対応する周波数（単位：Ｈｚ）を意味する。また、Ｌは送りねじ１１３ａのリードである。また、Ａ_ｋは標本番号ｋ毎に定められる補正係数である。この補正係数は、伝達系やワークの応答の遅延や、減衰に対応した値であり、テスト用ワークに荷重を加えて得られる計測値に基づいて算出される。なお、この時のＡ_ｋの値（初期値）は、ｋの値に関わらず１とする。

次いで、Ｖ（ｋ）を逆フーリエ変換し、角度の変動を示す波形データｖ（ｎ）を生成する（ステップＳ６）。なお、この時もＡ_ｋの値（初期値）は、ｋの値に関わらず１とする。また、Ａ_ｋ＝１の時のＶ（ｋ）をＶ_０（ｋ）と定義する。次いで、ｖ（ｎ）に基づいてサーボモータ１２を駆動し、テスト用ワークへの荷重の付与をＹ周期（例えば３０回）実行し、その時のワークの変形量、変形の速度、加速度（元々の波形データに対応するもの）を記録する（ステップＳ７）。これによって得られた波形データをｍ’_ｙ（ｎ）とする。なお、ｙは荷重を加えた周期ごとに定められた番号であり、１≦ｙ≦Ｙである。すなわち、このステップにて波形データはＹ組生成される。

次いで、前述の数２に基づいてｍ’_ｙ（ｎ）の平均値ｍ’（ｎ）を演算する（ステップＳ８）。

次いで、全てのｋについて、Ｖ_０（ｋ）とＶ’（ｋ）との比較を行う（ステップＳ１０）。全てのｋについて、Ｖ_０（ｋ）とＶ’（ｋ）の比が所定基準（例えば１〜５％の間の特定の値）以内であれば、その時のＡ_ｋを補正係数とするスペクトルＶ（ｋ）を逆フーリエ変換してユーザ定義波形ｖ_１（ｎ）をサーボアンプに入力すれば、ワークＷに荷重を加えた時に計測されるユーザ定義波形はｍ（ｎ）に略一致する。すなわち、ｖ_１（ｎ）は所望の目標波形に相当するといえる。従って、このような時は（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、目標波形を得るための処理を完了させる。

一方、ステップＳ１０において、Ｖ_０（ｋ）とＶ’（ｋ）との比が所定基準を満たさないものが一つでもあれば、補正する必要のあるＡ_ｋが少なくともあるということを意味する。従って、このような場合は（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ１１に進み、テス補正係数Ａ_ｋの修正を行う。

次いで、このスペクトルＶ’（ｋ）と、スペクトルＶ_０（ｋ）とを比較し、前述の数３に基づいて補正係数Ａ_ｋの修正を行う（ステップＳ１１）。ただし、Ｖ_０（ｋ）とＶ’（ｋ）の比が所定基準以内のものについては、補正係数の修正を行わない。Ａ_ｋの補正が終わった後、ステップＳ６に戻り、Ａ_ｋが補正されたＶ（ｋ）を逆フーリエ変化して得られたｖ（ｎ）にて再度テスト用ワークにねじり荷重を加える。

以上の手順にて求められた目標波形ｖ_１（ｎ）を用いて、テスト用ワークと同型のワークＷの試験を行えば、所望のユーザ定義波形に基づいてワークＷに引張、圧縮又は曲げ荷重を加えることができるようになる。

本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置の概要を示したものである。本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置の制御部のブロック図である。本発明の第１及び第２の実施形態において、補正係数の修正を行うための手順を示したフロー図である。本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置の概要を示したものである。本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置の制御部のブロック図である。

符号の説明

１疲労試験装置
１０装置本体
１２サーボモータ
２０サーボアンプ
３０制御部
３１コントローラ
３３変換手段
３５操作手段
３７フレキシブルディスクドライブ
Ｗワーク

Claims

サーボモータによってワークに繰り返し荷重を加える疲労試験装置であって、
離散化された少なくとも一周期分の入力波形データを入力する波形データ入力手段と、
該入力波形データをスペクトルに変換する演算を行い初期スペクトルデータを生成する第１のスペクトル演算手段と、
該初期スペクトルデータにおいて、周波数ごとに定められた補正係数を該初期スペクトルデータの各スペクトル成分に乗じて第１のスペクトルデータを生成するスペクトルデータ補正手段と、
該第１のスペクトルデータを逆変換して得られる試験用波形データに基づいてテスト用ワークを変形させるワーク試験手段と、
前記ワーク試験手段によって加えられるテスト用ワークの変形量の変動を示す出力波形データを取得する出力波形データ取得手段と、
該出力波形データに基づいて該テスト用ワークの変形量の変動波形のスペクトルを演算して第２のスペクトルデータを得る第２のスペクトル演算手段と、
該入力スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分と、該第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分とに基づいて、該補正係数を修正する補正係数修正手段と、
を有する、疲労試験装置。
前記補正係数修正手段は、該入力スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分の量を該第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分の量で割った値を、補正前の対応する周波数のスペクトル成分の補正係数に乗じることによって、周波数毎に定められた補正係数の修正を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
該入力スペクトルデータの各周波数のスペクトル成分を該第２のスペクトルデータの対応する周波数のスペクトル成分で割った値が所定の範囲内に納まっているかどうかに基づいて、対応する周波数のスペクトル成分の該補正係数の修正が必要であるかどうかを判定する修正判定手段と、
前記修正判定手段によって該補正係数の修正が必要であると判定された時は、前記ワーク試験手段は、前記補正係数修正手段によって補正係数が修正された該第１のスペクトルデータを逆変換して得られる試験用波形データに基づいて、テスト用ワークの再試験を行う、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の疲労試験装置。
該所定の範囲内とは、０．９５から１．０５の間である、ことを特徴とする請求項３に記載の疲労試験装置。
該所定の範囲内とは、０．９９から１．０１の間である、ことを特徴とする請求項４に記載の疲労試験装置。
前記第１及び第２のスペクトル演算手段は、離散フーリエ変換によってスペクトルを演算する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の疲労試験装置。
前記疲労試験装置が該ワークにねじり荷重を加えるねじり試験装置であり、該ワークの変形量が該ワークのねじり角度である、事を特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の疲労試験装置。
前記疲労試験装置が、送りねじ機構を介して該ワークに引張、圧縮又は曲げ荷重を加える万能試験装置であり、該ワークの変形量は、該送りねじ機構によって駆動され且つ該ワークを保持するアダプタの変位量である、事を特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の疲労試験装置。
前記第１及び第２のスペクトル演算手段は、該入力波形データや該出力波形データからスペクトルを演算する前に、波形データの高周波成分のカットを行う、ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の疲労試験装置。