JP2009085849A - 疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波域を含めた広い周波数帯において速度振幅一定スイープ試験を行うことのできる疲労試験装置を提供する。
【解決手段】ワークの変形速度を検出する速度検出手段と、速度検出手段の検出結果に基づいて、ワークに繰り返し荷重を加える周期が変化するたびに、繰り返し荷重を加える周期に関わらずワークの変形速度と所定速度との比が所定の範囲内に収まるようにサーボモータを制御する制御手段と、を有する構成として、上記課題を解決した。
【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その材料の物性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広く利用されている。サーボモータは、目標となる角度（設定角度）をサーボアンプに入力することによってサーボモータの回転軸の位相をその角度に移動させるものである。サーボモータには軸の位相の変化を検出するためのロータリーエンコーダが設けられており、サーボアンプは、ロータリーエンコーダの検出値から判断される回転軸の位相と、設定角度との差分に基づいてサーボモータに与える駆動電力を生成する。
特開昭６３−３７２３３号

ねじり試験を行うねじり試験装置は、ワークの一端を把持するチャックとサーボモータの回転軸との間に設けられた減速機（減速ギアなど）によって、サーボモータのトルクを増幅してワークに付与している。また、引張、圧縮、曲げ試験を行う万能試験装置は、サーボモータの回転軸に送りねじ機構等の直動変換器を設けて、サーボモータの回転運動を直進運動に変換している。

近年、応答性の高いサーボモータが実用化されつつあり、正弦波や矩形波、三角波といった波形の繰り返し荷重を高い周波数でワークに加えることが出来るようになりつつある。このような試験装置においては、疲労試験の一種である、ワークの変形速度（ねじり試験においては角速度）の振幅を一定に保ちながら周波数を変化させる、速度振幅一定スイープ試験を行うことができる。

このようなスイープ試験においては、ワークの変形速度の振幅を一定のものとする必要がある。従来においては、ねじり試験装置であれば減速機の減速比、万能試験装置であれば直動変換器の変換率（送りねじ機構であれば、送りねじのリード）に基づいて、サーボモータの角速度を制御することによって、所望の角速度や速度でワークが繰り返し荷重を受けるようにしていた。しかしながら、特に高周波域においては、ワーク自身、或いは動力伝達系（減速機及び直動変換器）の弾性や粘性のため、サーボモータの回転軸の位相の変化量と動力伝達系の特性に基づいて演算されるワークの角速度や速度の理論値と、実際のワークの角速度や速度は必ずしも一致しない。このため、従来の疲労試験装置は、高周波域を含めた広い周波数帯において速度振幅一定スイープ試験を行うことができなかった。

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、高周波域を含めた広い周波数帯において速度振幅一定スイープ試験を行うことのできる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、ワークの変形速度を検出する速度検出手段と、速度検出手段の検出結果に基づいて、ワークに繰り返し荷重を加える周期が変化するたびに、繰り返し荷重を加える周期に関わらずワークの変形速度と所定速度との比が所定の範囲内に収まるようにサーボモータを制御する制御手段と、を有する。

また、速度検出手段が所定期間中に計測した速度の最大値と所定速度との比に基づいて制御手段がサーボモータの回転軸の振幅を変化させるよう制御する、ことが好ましい。

また、所定の範囲内とは、例えば０．９５から１．０５の間である。或いは、所定の範囲内とは、０．９９から１．０１の間である。

また、例えば、疲労試験装置がワークにねじり荷重を加えるねじり試験装置であり、ワークの変形速度はワークの特定の位置における該ワークの回転軸回りの角速度である。

或いは、疲労試験装置が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、ワークの変形速度は、ワークの特定の位置における速度の送りねじ機構の送り方向成分である。

以上のように、本発明によれば、高周波域を含めた広い周波数帯において速度振幅一定スイープ試験を行うことのできる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疲労試験装置である。

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から送信される設定角度（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によって設定された値を乗じて目標波形を演算し、この目標波形からサーボアンプ２０に送るべき設定角度を演算する。そして、操作手段３５にて設定された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、ワークＷの角速度を正弦波波形に従って変動させると共に、この波形の周波数を徐々に増減させることによって、広い周波数域にて繰り返し荷重をワークに加えることができる、角速度振幅一定スイープ試験を行うことができる。

このようなスイープ試験においては、ワークＷに加わる角速度の上下限、すなわち振幅を一定にすることが望ましい。しかしながら、スイープ試験において振幅を一定に保つためには、特に高周波域において減速機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、これらの摩擦や粘性による減衰の影響を考慮したうえで、サーボアンプ２０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、ワークＷの実際の変位の計測値に基づいて、サーボアンプ２０に与える設定角度をフィードバック制御し、所望の振幅でスイープ試験が行われるようにしている。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、試験装置１に取り付けられたワークＷに対して、速度振幅一定周波数スイープ試験を行う手順を示したフロー図である。以下の説明は、このフローに基づいてなされる。

まず、装置１のオペレータは、操作手段３５を操作して、「周波数スイープを行う上限周波数Ｆ_ｍａｘ及び下限周波数Ｆ_ｍｉｎ」「周波数スイープを等差間隔と等比間隔のいずれで行うか」「周波数スイープの間隔Δｆ」「ワークＷの角速度の振幅ω_Ｓ」「スイープ回数Ｋ」といったパラメータを制御部３０に入力する（ステップＳ１）。

上記のパラメータの内、間隔Δｆは、周波数スイープを等差間隔で行う場合は差、等比間隔で行う場合は比である。本実施形態においては、周波数スイープが行われる周波数をＦ_ｎ（ｎ＝１，２，・・・Ｎ）とすると、Ｆ_ｍｉｎ、Δｆ、ｎ及びＦ_ｎの間には数１の関係が成立する。

また、周波数スイープを等差間隔、等比間隔のいずれで行う場合であっても、Ｆ_ｎ、ＮとＦ_ｍａｘの間には数２の関係が成立する。

すなわち、Ｆ_ｎの最小値はＦ_ｍｉｎであり、Ｆ_ｎの最大値Ｆ_ＮはＦ_ｍａｘを越えない最大の周波数である。

次いで、下記の数３に基づいて、速度振幅一定周波数スイープ試験を行う際に、サーボモータ１２の回転軸の角度の振幅Ｄ_ｎを求める（ステップＳ２）。

なお、上記の数３において、Ｒは減速機１３の減速比である。

続いて、振幅Ｄ_１、周波数Ｆ_１＝Ｆ_ｍｉｎの正弦波を設定角度（すなわちＤ_ｎ×ｓｉｎ（２π×Ｆ_ｎ×ｔ）としてサーボモータ１２を駆動する（ステップＳ３）。

次いで、ワークＷの角速度を計測する（ステップＳ４）。本実施形態においては、ワークＷのねじれ角度をより正確に計測するため、ワークＷに加速度センサを取り付け、ワークＷの回転軸回りの加速度を計測している。加速度センサの出力はアンプを介して制御部３０のアナログポート３９（図２）に接続されており、コントローラ３１は加速度センサが計測した加速度ａを時間で積分して得られる速度ｖ_Ｍと、加速度計の取り付け位置とワークＷの回転軸との距離ｌから、以下の数４に基づいてワークＷの角速度ω_Ｍ（単位：ｒａｄ／ｓ）を得ることができる。コントローラ３１は、角速度ω_Ｍを少なくとも１周期、すなわち時間１／Ｆ_ｎ計測し、角速度の最大値（すなわち、角速度の振幅）ω_Ｍｍａｘを得る。

次いで、ステップＳ１にて設定された角速度ω_ＳとステップＳ４で計測された角速度ω_Ｍｍａｘとを比較する（ステップＳ５）。すなわち両角速度の比が、０．９５≦ω_Ｓ／ω_Ｍｍａｘ≦１．０５を満たすのであれば、サーボアンプ２０に与える設定角度を変更する必要はないと判断し（ステップＳ５：ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。一方、両角速度の比が上記の規定を満たしていないのであれば、サーボアンプ２０に与える設定角度を変更する必要があると判断し（ステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ２１に進む。なお、本実施形態においては、上記のように両角速度の差が±５％以内であることを基準としているが、より正確な試験を行う際は上記基準を±１％（すなわち０．９９≦ω_Ｓ／ω_Ｍｍａｘ≦１．０１）より厳しくしてもよい。

ステップＳ２１においては、ステップＳ１にて設定された角速度ω_ＳとステップＳ４で計測された角速度ω_Ｍｍａｘのどちらが大きいのかの判定が行われる。すなわち、計測値ω_Ｍｍａｘが設定値ω_Ｓよりも大きいのであれば（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、サーボモータ１２の回転軸の振幅Ｄ_ｎを下記の数５に基づいて演算し、修正したＤ_ｎに基づいて、サーボアンプ２０に与える設定角度を変更する。次いで、ステップＳ４に戻り、角速度の振幅ω_Ｍｍａｘを再度演算する。

また、ステップＳ２１において、計測値ω_Ｍｍａｘが設定値ω_Ｓよりも小さいのであれば（ステップＳ２１：ＮＯ）、ステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３では、以下の数６に基づいてサーボモータ１２の回転軸の振幅Ｄ_ｎを下記の数５に基づいて演算し、修正したＤ_ｎに基づいて、サーボアンプ２０に与える設定角度を変更する。次いで、ステップＳ４に戻り、角速度の振幅ω_Ｍｍａｘを再度演算する。

以上のように、ステップＳ１にて設定された角速度ω_ＳとステップＳ４で計測された角速度ω_Ｍｍａｘとの比が所定の基準を越えていた場合は、ステップＳ２１〜Ｓ２３の処理により、サーボモータ１２の回転軸の振幅が調整されるようになっている。

ステップＳ６では、計測値ω_Ｍｍａｘと設定値ω_Ｓが基準以内に納まった状態で、所定周期繰り返し荷重がワークに加えられるまで待機する。次いで、ステップＳ７に進む。

本実施形態においては、周波数を最小値Ｆ_１から最大値Ｆ_Ｎまで増加させ（往路）、周波数が最大値Ｆ_Ｎに達した後は、周波数をＦ_１まで減少させ（復路）る。そしてこれを１サイクルとし、Ｋサイクルの試験を実行する。ステップＳ７では、現在実行しているのが往路であるか復路であるかを判断し、往路であるならば（ステップＳ７：ＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。復路であるならば（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ９に進む。

ステップＳ８では現在試験を行っている周波数が最大値Ｆ_Ｎに達したかどうかの判定を行う。最大値Ｆ_Ｎに達したのであれば（ステップＳ８：ＹＥＳ）、往路が完了したと判定し、ステップＳ３２に進む。一方、周波数が最大値Ｆ_Ｎに達していないのであれば（ステップＳ８：ＮＯ）、ステップＳ３１に進む。

ステップＳ３１では、周波数を増加する。すなわち現在の周波数がＦ_ｎであるならば、周波数をＦ_ｎ＋１にする。次いで、ステップＳ４に戻り、この周波数で角速度の振幅ω_Ｍｍａｘを計測する。

ステップＳ９では、現在試験を行っている周波数が最小値Ｆ_１に達したかどうかの判定を行う。最小値Ｆ_１に達したのであれば（ステップＳ９：ＹＥＳ）、復路が完了したと判定し、ステップＳ１０に進む。一方、周波数が最小値Ｆ_１に達していないのであれば（ステップＳ９：ＮＯ）、ステップＳ３２に進む。

ステップＳ３２では、周波数を減少する。すなわち現在の周波数がＦ_ｎであるならば、周波数をＦ_ｎ−１にする。次いで、ステップＳ４に戻り、この周波数で角速度の振幅ω_Ｍｍａｘを計測する。

ステップＳ１０では、現在何サイクル目の試験が完了したかのチェックを行う。すなわち、ステップＳ１で設定したＫサイクルの試験が完了したと判断された場合は（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、ステップＳ１１にてサーボモータ１２の停止を行い、本フローを終了する。一方、ステップＳ１０にて完了したサイクル数がＫ未満であるならば（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ４に戻り、次のサイクルの試験を行う。

以上のように、本実施形態によれば、設定した角速度振幅ω_Ｓと計測される角速度振幅ω_Ｍｍａｘが略一致するように、角速度振幅一定周波数スイープ試験を行うことができる。

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、ワークＷの速度を正弦波波形に従って変動させると共に、この波形の周波数を徐々に増減させることによって、広い周波数域にて繰り返し荷重をワークに加えることができる、速度振幅一定スイープ試験を行うことができる。

このようなスイープ試験においては、ワークＷに加わる速度の上下限、すなわち振幅を一定にすることが望ましい。しかしながら、スイープ試験において振幅を一定に保つためには、特に高周波域において送りねじ機構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、これらの摩擦や粘性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、ワークＷの実際の変位の計測値に基づいて、サーボアンプ１２０に与える設定角度をフィードバック制御し、所望の振幅でスイープ試験が行われるようにしている。以下、その具体的な手順を説明する。

本実施形態においても、図３に示したフロー図に従って速度振幅一定周波数スイープ試験が行われる。従って、以下の説明は図３に基づいてなされる。

まず、装置１０１のオペレータは、操作手段３５を操作して、「周波数スイープを行う上限周波数Ｆ_ｍａｘ及び下限周波数Ｆ_ｍｉｎ」「周波数スイープを等差間隔と等比間隔のいずれで行うか」「周波数スイープの間隔Δｆ」「ワークＷの速度の振幅Ｖ_Ｓ」「スイープ回数Ｋ」といったパラメータを制御部３０に入力する（ステップＳ１）。

上記のパラメータの内、間隔Δｆは、周波数スイープを等差間隔で行う場合は差、等比間隔で行う場合は比である。本実施形態においては、周波数スイープが行われる周波数をＦ_ｎ（ｎ＝１，２，・・・Ｎ）とすると、Ｆ_ｍｉｎ、Δｆ、ｎ及びＦ_ｎの間には前述の数１の関係が成立する。また、周波数スイープを等差間隔、等比間隔のいずれで行う場合であっても、Ｆ_ｎ、ＮとＦ_ｍａｘの間には前述の数２の関係が成立する。

すなわち、Ｆ_ｎの最小値はＦ_ｍｉｎであり、Ｆ_ｎの最大値Ｆ_ＮはＦ_ｍａｘを越えない最大の周波数である。

次いで、下記の数７に基づいて、速度振幅一定周波数スイープ試験を行う際に、サーボモータ１２の回転軸の角度の振幅Ｄ_ｎを求める（ステップＳ２）。

なお、上記の数７において、Ｌは送りねじ１１３のリード（単位ｍｍ／回転）である。

続いて、振幅Ｄ_１、周波数Ｆ_１＝Ｆ_ｍｉｎの正弦波を設定角度（すなわちＤ_ｎ×ｓｉｎ（２π×Ｆ_ｎ×ｔ）としてサーボモータ１２を駆動する（ステップＳ３）。

次いで、ワークＷの速度を計測する（ステップＳ４）。本実施形態においては、ワークＷの速度をより正確に計測するため、ワークＷに加速度センサを取り付け、ワークＷ表面の特定位置における加速度を計測している。加速度センサの出力はアンプを介して制御部３０のアナログポート３９（図２）に接続されており、コントローラ３１は加速度センサが計測した加速度ａを時間で積分してワークＷの速度ｖ_Ｍ（単位：ｍｍ／ｓ）を得ることができる。コントローラ３１は、速度ｖ_Ｍを少なくとも１周期、すなわち時間１／Ｆ_ｎ計測し、速度の最大値（すなわち、速度の振幅）Ｖ_Ｍｍａｘを得る。

次いで、ステップＳ１にて設定された速度Ｖ_ＳとステップＳ４で計測された速度Ｖ_Ｍｍａｘとを比較する（ステップＳ５）。すなわち両角速度の比が、０．９５≦Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｍｍａｘ≦１．０５を満たすのであれば、サーボアンプ２０に与える設定角度を変更する必要はないと判断し（ステップＳ５：ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。一方、両速度の比が上記の規定を満たしていないのであれば、サーボアンプ２０に与える設定角度を変更する必要があると判断し（ステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ２１に進む。なお、本実施形態においては、上記のように両速度の差が±５％以内であることを基準としているが、より正確な試験を行う際は上記基準を±１％（すなわち０．９９≦Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｍｍａｘ≦１．０１）より厳しくしてもよい。

ステップＳ２１においては、ステップＳ１にて設定された速度Ｖ_ＳとステップＳ４で計測された速度Ｖ_Ｍｍａｘのどちらが大きいのかの判定が行われる。すなわち、計測値Ｖ_Ｍｍａｘが設定値Ｖ_Ｓよりも大きいのであれば（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、サーボモータ１２の回転軸の振幅Ｄ_ｎを下記の数８に基づいて演算し、修正したＤ_ｎに基づいて、サーボアンプ２０に与える設定角度を変更する。次いで、ステップＳ４に戻り、角速度の振幅Ｖ_Ｍｍａｘを再度演算する。

また、ステップＳ２１において、計測値Ｖ_Ｍｍａｘが設定値Ｖ_Ｓよりも小さいのであれば（ステップＳ２１：ＮＯ）、ステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３では、以下の数９に基づいてサーボモータ１２の回転軸の振幅Ｄ_ｎを演算し、修正したＤ_ｎに基づいて、サーボアンプ２０に与える設定角度を変更する。次いで、ステップＳ４に戻り、速度の振幅Ｖ_Ｍｍａｘを再度計測する。

以上のように、ステップＳ１にて設定された速度Ｖ_ＳとステップＳ４で計測された速度Ｖ_Ｍｍａｘとの比が所定の基準を越えていた場合は、ステップＳ２１〜Ｓ２３の処理により、サーボモータ１２の回転軸の振幅が調整されるようになっている。

ステップＳ６では、計測値Ｖ_Ｍｍａｘと設定値Ｖ_Ｓが基準以内に納まった状態で、所定周期繰り返し荷重がワークに加えられるまで待機する。次いで、ステップＳ７に進む。

本実施形態においては、周波数を最小値Ｆ_１から最大値Ｆ_Ｎまで増加させ（往路）、周波数が最大値Ｆ_Ｎに達した後は、周波数をＦ_１まで減少させ（復路）る。そしてこれを１サイクルとし、Ｋサイクルの試験を実行する。ステップＳ７では、現在実行しているのが往路であるか復路であるかを判断し、往路であるならば（ステップＳ７：ＹＥＳ）、ステップＳ８に進む。復路であるならば（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ９に進む。

ステップＳ８では現在試験を行っている周波数が最大値Ｆ_Ｎに達したかどうかの判定を行う。最大値Ｆ_Ｎに達したのであれば（ステップＳ８：ＹＥＳ）、往路が完了したと判定し、ステップＳ３２に進む。一方、周波数が最大値Ｆ_Ｎに達していないのであれば（ステップＳ８：ＮＯ）、ステップＳ３１に進む。

ステップＳ３１では、周波数を増加する。すなわち現在の周波数がＦ_ｎであるならば、周波数をＦ_ｎ＋１にする。次いで、ステップＳ４に戻り、この周波数で角速度の振幅ω_Ｍｍａｘを計測する。

ステップＳ９では、現在試験を行っている周波数が最小値Ｆ_１に達したかどうかの判定を行う。最小値Ｆ_１に達したのであれば（ステップＳ９：ＹＥＳ）、復路が完了したと判定し、ステップＳ１０に進む。一方、周波数が最小値Ｆ_１に達していないのであれば（ステップＳ９：ＮＯ）、ステップＳ３２に進む。

ステップＳ３２では、周波数を減少する。すなわち現在の周波数がＦ_ｎであるならば、周波数をＦ_ｎ−１にする。次いで、ステップＳ４に戻り、この周波数で速度の振幅Ｖ_Ｍｍａｘを計測する。

ステップＳ１０では、現在何サイクル目の試験が完了したかのチェックを行う。すなわち、ステップＳ１で設定したＫサイクルの試験が完了したと判断された場合は（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、ステップＳ１１にてサーボモータ１２の停止を行い、本フローを終了する。一方、ステップＳ１０にて完了したサイクル数がＫ未満であるならば（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ４に戻り、次のサイクルの試験を行う。

以上のように、本実施形態によれば、設定した速度振幅Ｖ_Ｓと計測される速度振幅Ｖ_Ｍｍａｘが略一致するように、速度振幅一定周波数スイープ試験を行うことができる。

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の実施形態における、速度振幅一定周波数スイープ試験を行うフロー図である。 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 (6)

1. 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、
   該ワークの変形速度が所定の波形となり、且つ繰り返し荷重を加える周期を変化させながら該ワークに繰り返し荷重を加える試験手段と、
   該ワークの変形速度を検出する速度検出手段と、
   前記速度検出手段の検出結果に基づいて、該ワークに繰り返し荷重を加える周期が変化するたびに、繰り返し荷重を加える周期に関わらず該ワークの変形速度と所定速度との比が所定の範囲内に収まるように前記サーボモータを制御する制御手段と、
   を有する、疲労試験装置。
2. 前記制御手段は、前記速度検出手段が所定期間中に計測した変形速度の最大値と該所定速度との比に基づいて前記サーボモータの回転軸の振幅を変化させるよう制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
3. 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１又は２に記載の疲労試験装置。
4. 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３に記載の疲労試験装置。
5. 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、該ワークの変形速度は該ワークの特定の位置における該ワークの回転軸回りの角速度である、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の疲労試験装置。
6. 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、該ワークの変形速度は、該ワークの特定の位置における速度の該送りねじ機構の送り方向成分である、事を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の疲労試験装置。

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