JP2018072096A - 材料試験機 - Google Patents

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Abstract

【課題】 装置の状態や故障の状況を容易に確認することが可能な材料試験機を提供する。【解決手段】 FPGA60にバスブリッジ74と通信コマンドを解析するコマンド解析部73とを配設し、FPGA60内のすべてのレジスタ、すなわち、インターフェイス61、デジタルフィルタ62、オフセット計算部63、ゲイン計算部64、非線形補正部65、インターフェイス66、励起信号生成部67が持つすべてのレジスタを相互に内部バス69で接続している。FPGA60内に内部バス69を張り巡らせることにより、バスブリッジ74および通信部68を介して、センサアンプ41の外部から、各レジスタが保持する数値を読み取ることができる。【選択図】 図2

Description

この発明は、機能に応じた内蔵ユニットが設けられた制御装置と、制御装置に接続されたパーソナルコンピュータと、を備えた材料試験機に関する。
材料の強度や特性を評価するための材料試験を実行する材料試験機は、試験片の伸びに相当する変位を測定する変位計や、試験片に与えられる試験力を測定するためのロードセルなど、物理量を測定する複数の検出器を備えている。変位計は、変位計用のアンプを介して材料試験機の制御装置に接続されている。同様に、ロードセルもロードセル用のアンプを介して材料試験機の制御装置に接続されている。そして、制御装置は、これらセンサアンプから取り込んだデータを表示器に表示している(特許文献1参照)。また、変位計やロードセルなどの検出器が正常に動作しているか否かを確認するために、検出器やセンサアンプの故障の有無を自動的に判定する自動故障診断装置が提案されている(特許文献2参照)。
特開2005−69868号公報 特公平5−75254号公報
各センサアンプからは、例えば、ロードセルであれば試験力(N:ニュートン)、変位計であれば変位量(mm:ミリメートル)で表すことができる測定結果が出力されている。そして、出力された測定結果が表示器に表示される表示値となる。ここで、表示器に表示された表示値が異常な値を示した場合、その原因の候補は複数考えられる。例えば、ロードセルの測定結果である試験力値が、表示器の表示でゼロのまま変化しない、という現象が発生した場合、ロードセルを励起する電圧の異常、ロードセルから出力された信号を処理する回路の何処かの異常、表示器の故障など、複数の原因候補があげられる。
考えられる複数の原因候補の中から、実際に表示器の表示に異常を生じさせた原因を特定するために、従来は、機能ごとにまとめられた部品(ユニット)のうち、表示器の表示異常に関係すると考えられるユニットの全てを、フィールドエンジニアが材料試験機の設置場所まで持参して、それらのユニットをひとつずつ交換し、基準信号に対する応答が正常かどうかを確認することにより、異常を生じさせたユニットを特定する対応がとられていた。また、各ユニットには、複数の回路ブロックが配設されており、故障の原因となっている回路ブロックを特定するには、さらに手間と時間がかかっていた。
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、装置の状態や故障の状況を容易に確認することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、試験片に試験力を与える負荷機構と、前記負荷機構の状態を監視、および/または、前記試験片の物理的変化を測定するための複数の検出器と、信号の入出力端子を有する内蔵ユニットを備えた制御装置と、前記制御装置に通信回線を介して接続されるパーソナルコンピュータと、を備える材料試験機において、前記制御装置は、データを記憶する複数のレジスタと、前記複数のレジスタを接続する内部バスと、を有するデジタル回路と、前記デジタル回路に接続され、前記内部バスを介して前記デジタル回路における前記複数のレジスタの各々が保持するデータの読み取りを実行するプロセッサーと、を備え、前記プロセッサーは、前記パーソナルコンピュータからの命令により、通信コマンドを出力し、前記パーソナルコンピュータは、前記プロセッサーからの前記通信コマンドにより、前記複数のレジスタの各々から収集したデータの内容が、正常か異常かを判定することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の材料試験機において、前記制御装置は、前記複数の検出器の各々に対応させて複数設けられた前記内蔵ユニットの各々と接続され、前記プロセッサーが配置されたメインユニットを備え、前記デジタル回路は、前記内蔵ユニットと前記メインユニットの各々に配設されている。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の材料試験機において、前記メインユニットの前記デジタル回路には、前記プロセッサーの外部バスと前記メインユニットの前記デジタル回路における前記内部バスと、を接続するバスブリッジが設けられ、前記内蔵ユニットの前記デジタル回路には、前記メインユニットとの間でデータを送受信する通信部と、前記通信部が受信した前記通信コマンドを解析するコマンド解析部と、前記内蔵ユニットの前記デジタル回路における前記内部バスと前記通信部とを前記コマンド解析部を介して接続するバスブリッジと、が設けられる。
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の材料試験機において、前記プロセッサーは、前記パーソナルコンピュータからの命令により、前記複数のレジスタのうち特定のレジスタが保持するデータの書き換えを実行する。
請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の材料試験機において、前記パーソナルコンピュータの記憶装置には、前記デジタル回路の前記複数のレジスタの各々に保持されるデータの内容が正常か異常かを判定するときに参照するテーブルが記憶される。
請求項6に記載の発明は、請求項1に記載の材料試験機において、前記パーソナルコンピュータは、前記複数のレジスタの各々から読み取られたデータと、それらのデータの内容が正常か異常かを判定した結果とを記述したレポートファイルを作成する。
請求項1から請求項6に記載の発明によれば、制御装置のデジタル回路内に内部バスを張り巡らし、プロセッサーにより、デジタル回路内のあらゆるレジスタが保持するデータを読み取り可能とするとともに、パーソナルコンピュータで、その内容が正常か異常を判定することから、装置の状態や故障の状況を容易に確認することが可能となるとともに、より詳細な故障原因の特定が可能となる。
請求項6に記載の発明によれば、レポートファイルにより、装置の状態を容易に把握することが可能となる。
この発明に係る材料試験機の概要図である。 センサアンプ41の構成を示すブロック図である。 メインユニット40の構成を示すブロック図である。 レポートファイルの記述内容の一例を示す表である。
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、この発明に係る材料試験機の概要図である。
この材料試験機は、試験機本体1と、試験片10の物理的変化を測定するために試験機本体1や試験片10に配置された複数の検出器との間で信号を送受信する制御装置2から構成される。試験機本体1は、テーブル16と、このテーブル16上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹11、12と、これらのねじ棹11、12に沿って移動可能なクロスヘッド13と、このクロスヘッド13を移動させて試験片10に対して負荷を付与するための負荷機構30と、被測定物である試験片10における物理量の変化を電気信号に変換する検出器であるロードセル14および変位計15とを備える。
クロスヘッド13は、一対のねじ棹11、12に対して、図示を省略したナット(ボールナット)を介して連結されている。各ねじ棹11、12の下端部には、負荷機構30におけるウォーム減速機32、33が連結されている。このウォーム減速機32、33は、負荷機構30の駆動源であるサーボモータ31と連結されており、サーボモータ31の回転がウォーム減速機32、33を介して、一対のねじ棹11、12に伝達される構成となっている。サーボモータ31の動作は、メインユニット40によりサーボアンプ44を介して制御され、サーボモータ31の回転はロータリエンコーダ34により検出される。サーボモータ31の回転によって、一対のねじ棹11、12が同期して回転することにより、クロスヘッド13は、これらのねじ棹11、12に沿って昇降する。なお、ロータリエンコーダ34は、サーボモータ31の回転を検出することにより、クロスヘッド13の位置を監視する検出器でもある。
クロスヘッド13には、試験片10の上端部を把持するための上つかみ具21が付設されている。一方、テーブル16には、試験片10の下端部を把持するための下つかみ具22が付設されている。引張試験を行う場合には、試験片10の両端部をこれらの上つかみ具21および下つかみ具22により把持した状態で、クロスヘッド13を上昇させることにより、試験片10に試験力(引張試験力)を負荷する。
制御装置2は、コンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成されており、後述するMPU(Micro Processing Unit)91や、装置の制御に必要な動作プログラムやデータ等が一時的にストアされるメモリを有し、装置全体を制御するメインユニット40を備える。メインユニット40は、ロードセル14により測定した試験力および変位計15により測定した変位量を表示するための表示器48と、データ処理用のパーソナルコンピュータ(PC)49に接続されている。
この材料試験機の制御装置2に設けられる主な内蔵ユニットは、ロードセル14の信号を処理する試験力用のセンサアンプ41aと、変位計15の信号を処理する変位用のセンサアンプ41bと、ロータリエンコーダ34の出力が入力されるカウンタユニット43である。このように、制御装置2内には、材料試験の種別、試験片10の材質に応じて選択される測定機器、サーボモータ31の駆動状況を監視するセンサなどの機能に対応させて、複数の内蔵ユニットが設けられており、図1には記載していないが他の内蔵ユニットとして汎用入出力ユニットやパルスカウンタユニットなども存在する。
負荷機構30を動作させたときに、上つかみ具21および下つかみ具22により両端を把持された試験片10に作用する試験力はロードセル14によって検出され、センサアンプ41aを介してメインユニット40に入力される。また、試験片10に生じた伸びは、変位計15により検出され、センサアンプ41bを介してメインユニット40に入力される。
メインユニット40では、デジタル回路やメモリに格納された制御プログラムの動作により、ロードセル14および変位計15からの試験力データおよび変位量データを取り込み、表示器48に表示させる表示制御が実行される。またメインユニット40は、デジタルデータとして入力された試験力および変位量の変動を利用して、クロスヘッド13の位置を制御するためにサーボモータ31の回転駆動を制御する。
この材料試験機の制御装置2に設けられる内蔵ユニットの構成を、ロードセル14に接続される試験力用のセンサアンプ41aを例に説明する。以下では試験力用のセンサアンプ41aをセンサアンプ41と記載する。図2は、センサアンプ41の構成を説明するブロック図である。
センサアンプ41には、検出器との間で信号を伝送するケーブルを接続する信号の入出力端子が設けられている。センサアンプ41は、ロードセル14のひずみゲージに与える励起電圧を出力する出力側のアナログ回路ブロックと、ロードセル14から入力される信号を処理するための入力側のアナログ回路ブロックと、デジタル信号を処理するデジタル回路ブロックとから成る。ロードセル14からの入力側のアナログ回路ブロックは、入力されたアナログ信号を増幅する計装アンプ51と、ローパスフィルタ52と、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器53から構成される。また、ロードセル14への出力側のアナログ回路ブロックは、デジタル回路から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換器54と、ローパスフィルタ55と、パワーアンプ56とから構成される。なお、デジタル回路は、FPGA(Field Programmable Gate Array)60により構成される。
ロードセル14から計装アンプ51に入力され、入力側のアナログ回路ブロックを経た信号は、A/D変換器用のインターフェイス61を介してFPGA60に入力される。また、ロードセル14を励起する信号は、FPGA60内でその元となる波形を生成し、D/A変換器54用のインターフェイス66を介して、出力側のアナログ回路ブロックへ出力される。しかる後、ローパスフィルタ55で高周波成分が除去され、パワーアンプ56で増幅された信号(アナログ電圧)によりロードセル14が励起される。
FPGA60内には、ロードセル14からの入力信号を試験力に変換する信号経路を形成する機能的構成として、デジタルフィルタ62、オフセット計算部63、ゲイン計算部64、非線形補正部65が設けられている。また、FPGA60内には、ロードセル14に出力する信号の元となる波形を生成する機能的構成として、励起信号生成部67が設けられている。これらの機能的構成は、それぞれの信号処理時に利用するデータを保持するレジスタを備えている。
FPGA60に入力された信号は、デジタルフィルタ62で不要な周波数成分が除去され、オフセット計算部63で試験力のゼロ点に相当するオフセット量が差し引かれる。そして、ゲイン計算部64でフルスケールを調整するための定数が乗算され、非線形補正部65で非線形補正が行われる。一連の信号経路を経て求められた試験力は、通信部68からメインユニット40に出力される。
この実施形態では、FPGA60にバスブリッジ74と通信コマンドを解析するコマンド解析部73とを配設し、FPGA60内のすべてのレジスタ、すなわち、インターフェイス61、デジタルフィルタ62、オフセット計算部63、ゲイン計算部64、非線形補正部65、インターフェイス66、励起信号生成部67が持つすべてのレジスタを相互に内部バス69で接続している。従来は、通信部68からセンサアンプ41の外部に送信される情報は、信号処理後の試験力値のみであったが、この実施形態のようにFPGA60内に内部バス69を張り巡らせることにより、バスブリッジ74および通信部68を介して、センサアンプ41の外部から、複数のレジスタの各々が保持する数値を読み取ることが可能となっている。
図3は、メインユニット40の構成を示すブロック図である。
メインユニット40は、デジタル回路としてのFPGA80と、プロセッサーであるMPU91と、通信回線を通じてパーソナルコンピュータ49に接続するためのイーサネットコントローラ92(イーサネットは登録商標)を備える。
FPGA80には、各内蔵ユニットとの間での通信を行うための機能的構成として、内蔵ユニットの各々に対応する複数の内蔵ユニット通信部81a、81b、81c、81dが設けられている。このように、内蔵ユニット通信部81a、81b、81c、81dを複数設けることで、メインユニット40に対し内蔵ユニットが複数接続される。また、FPGA80には、さらに機能的構成として、クロスヘッド13を移動させるための位置指令を生成してサーボアンプ44に送信する位置制御部82と、試験力用のセンサアンプ41aや、変位用のセンサアンプ41bからメインユニット40に入力された測定結果を表示器48に送信する表示制御部83が配置される。
これらのFPGA80内の機能的構成は、各々レジスタを有する。そして、各レジスタは、内部バス89に接続される。FPGA80の内部バス89を、MPUバスブリッジ84を介して、MPU91の外部バスに接続することで、FPGA80内の各機能的構成は、パーソナルコンピュータ49の命令によるMPU91からの通信コマンドを受け付けることが可能である。パーソナルコンピュータ49は、演算装置(CPU)、記憶装置、表示部および入力装置を備え、各種動作命令を生成して、MPU91に命令を送信する。
パーソナルコンピュータ49からの命令が、デジタル回路(FPGA60およびFPGA80)内の全てのレジスタが保持する数値を取得する内容であった場合は、MPU91はそれに対応する通信コマンドを送信する。MPU91からFPGA80の内蔵ユニット通信部81aを経て、センサアンプ41に送信された通信コマンドは、通信部68を経てコマンド解析部73で解析され、内部バス69を介して、FPGA60内の各レジスタからのデータの読み取りが行われ、メインユニット40に送信される。
変位用のセンサアンプ41b、カウンタユニット43、パラレル入出力ユニットなどの他の内蔵ユニットについても、図2を参照して説明したセンサアンプ41と同様に、各ユニットに配置したデジタル回路内に内部バスを張り巡らせておくことで、メインユニット40からの通信コマンドにより、各レジスタからのデータの読み取りが行われる。
各レジスタから読み取られたデータの内容は、パーソナルコンピュータ49に集約され、蓄積される。さらに、読み取られたデータの内容が正常か異常かの判定が行われる。そして、パーソナルコンピュータ49は、各レジスタから読み取られたデータの内容とともに判定結果についてレポートファイルを作成し、ファイルを記憶装置に保存するとともにレポート内容を表示部に表示する。これにより、ユーザおよびフィールドエンジニアは、装置の状態や故障の状況を容易に確認することが可能となる。
図4は、レポートファイルの記述内容の一例を示す表である。図4(a)は、試験力用のセンサアンプ41aの情報、図4(b)は、変位用のセンサアンプ41bの情報、図4(c)は、位置制御部82の情報をそれぞれ示している。
各項目は、デジタル回路内の各レジスタに対応し、現在値は、各レジスタに現在保持されている数値である。最大値と最小値は、各内蔵ユニットのデジタル回路での処理において許容される範囲の上限と下限を示すものである。各レジスタから読み取られた数値である現在値が正常か異常かは、現在値が最小値と最大値の間に収まっているか否かで判断できる。なお、図4に示す表の項目、最小値、最大値の情報を含む参照テーブルをパーソナルコンピュータ49の記憶装置に記憶させておき、パーソナルコンピュータ49の演算装置の作用により、項目ごとに現在値と参照テーブルの数値とを比較することで、各レジスタから読み取られたデータの内容が正常か異常かの判定を行うことができる。
図4に示すレポートファイルの記述例では、判定結果は、現在値が最小値と最大値の間に収まる数値であれば、「正常」と表記される。また、図4(a)のオフセット値のように、現在値3000が、最大値+2000を超えている場合には、「異常(H)」と表記され、図4(c)の現在速度のように、現在値−2000が最小値−1500を下回っている場合には、「異常(L)」と表記される。
上述したように、この材料試験機では、メインユニット40およびセンサアンプ41などの内蔵ユニットのデジタル回路に内部バス69、89を張り巡らしたことで、この材料試験機では、パーソナルコンピュータ49からの命令によるMPU91からの通信コマンドにより、各レジスタが保持する情報を読み取ることが可能である。そして、ユーザおよびフィールドエンジニアは、レポートファイルを参照することで、材料試験機のどこに不具合が生じているのかを、容易に知ることができるようになる。また、内部バス69、89により、MPU91を介してパーソナルコンピュータ49から各レジスタへのアクセスを可能としたことで、図4に示すレポートで異常と判断された特定のレジスタについて、パーソナルコンピュータ49の命令により数値を書き換えることも可能である。さらに、特定のレジスタの数値を書き換えた後の各レジスタの数値の変化を見ることで、故障の原因の特定に有用な、より詳細な情報を取得することもできる。
また、レポートファイルをパーソナルコンピュータ49の記憶装置に保存し、このレポートファイルをパーソナルコンピュータ49から通信回線を通じてさらに遠隔のパーソナルコンピュータに送ることで、サービス拠点に材料試験機の状態を知らせることも容易となる。サービス拠点では、ユーザからのメンテナンス依頼があったときに、担当するフィールドエンジニアが予めレポートファイルの内容を検討し、不具合の原因箇所を絞り込むことができるため、従来のように、多くの部品を持参して材料試験機の設置場所を訪問する必要がなくなり、メンテナンス作業も効率化される。レポートファイルの内容を検討した結果、例えば、特定のレジスタの数値を書き換える対応や、制御設定の変更などで特定のレジスタの数値の異常が解消できるなど、制御装置2の内部のユニットの交換の必要性がない場合には、フィールドエンジニアが材料試験機の設置場所を訪問することなく、ユーザに対処法を連絡するなどの対応で、極めて短時間に問題を解決することも可能となる。
パーソナルコンピュータ49での各レジスタの数値の収集とレポートファイルの作成は、所定の時間間隔で自動的に行ってもよく、任意の日時にユーザがパーソナルコンピュータ49の入力装置を操作して行うようにしてもよい。なお、各レジスタの数値の収集とレポートファイルの作成を所定の時間間隔で自動的に行わせておけば、ユーザおよびフィールドエンジニアは、時間を追ってレポートファイルを参照することで、材料試験機の測定機器や制御機器の長い時間軸での状態変化を把握することが可能となる。装置の各部の消耗状態が確認できるため、故障が発生する前に、部品の交換や点検をサービス拠点からユーザに提案することも可能となる。
また、上述した実施形態では、ロードセル14などの検出器の状態を捉えるための内蔵ユニットについて主に説明したが、この発明の内蔵ユニットはこれに限定されない。すなわち、検出器の検出信号に限らず、制御信号などの信号の入出力端子を有し、何らかの信号処理を行うデジタル回路を備える内蔵ユニット(例えば、汎用入出力ユニット)であればよい。
1 試験機本体
2 制御装置
10 試験片
11 上つかみ具
12 下つかみ具
13 クロスヘッド
14 ロードセル
15 変位計
16 テーブル
21 上つかみ具
22 下つかみ具
31 サーボモータ
32 ウォーム減速機
33 ウォーム減速機
34 ロータリエンコーダ
41 センサアンプ
43 カウンタユニット
44 サーボアンプ
48 表示器
49 パーソナルコンピュータ
51 計装アンプ
52 ローパスフィルタ
53 A/D変換器
54 D/A変換器
55 ローパスフィルタ
56 パワーアンプ
60 FPGA
61 インターフェイス
62 デジタルフィルタ
63 オフセット計算部
64 ゲイン計算部
65 非線形補正部
66 インターフェイス
67 励起信号生成部
69 内部バス
73 コマンド解析部
74 バスブリッジ
80 FPGA
81 内蔵ユニット通信部
82 位置制御部
83 表示器制御部
84 MPUバスブリッジ
89 内部バス
91 MPU
92 イーサネットコントローラ

Claims (6)

  1. 試験片に試験力を与える負荷機構と、前記負荷機構の状態を監視、および/または、前記試験片の物理的変化を測定するための複数の検出器と、信号の入出力端子を有する内蔵ユニットを備えた制御装置と、前記制御装置に通信回線を介して接続されるパーソナルコンピュータと、を備える材料試験機において、
    前記制御装置は、
    データを記憶する複数のレジスタと、前記複数のレジスタを接続する内部バスと、を有するデジタル回路と、
    前記デジタル回路に接続され、前記内部バスを介して前記デジタル回路における前記複数のレジスタの各々が保持するデータの読み取りを実行するプロセッサーと、
    を備え、
    前記プロセッサーは、前記パーソナルコンピュータからの命令により、通信コマンドを出力し、
    前記パーソナルコンピュータは、前記プロセッサーからの前記通信コマンドにより、前記複数のレジスタの各々から収集したデータの内容が、正常か異常かを判定することを特徴とする材料試験機。
  2. 請求項1に記載の材料試験機において、
    前記制御装置は、前記複数の検出器の各々に対応させて複数設けられた前記内蔵ユニットの各々と接続され、前記プロセッサーが配置されたメインユニットを備え、
    前記デジタル回路は、前記内蔵ユニットと前記メインユニットの各々に配設されている材料試験機。
  3. 請求項2に記載の材料試験機において、
    前記メインユニットの前記デジタル回路には、前記プロセッサーの外部バスと前記メインユニットの前記デジタル回路における前記内部バスと、を接続するバスブリッジが設けられ、
    前記内蔵ユニットの前記デジタル回路には、前記メインユニットとの間でデータを送受信する通信部と、前記通信部が受信した前記通信コマンドを解析するコマンド解析部と、前記内蔵ユニットの前記デジタル回路における前記内部バスと前記通信部とを前記コマンド解析部を介して接続するバスブリッジと、が設けられる材料試験機。
  4. 請求項1に記載の材料試験機において、
    前記プロセッサーは、前記パーソナルコンピュータからの命令により、前記複数のレジスタのうち特定のレジスタが保持するデータの書き換えを実行する材料試験機。
  5. 請求項1に記載の材料試験機において、
    前記パーソナルコンピュータの記憶装置には、前記デジタル回路の前記複数のレジスタの各々に保持されるデータの内容が正常か異常かを判定するときに参照するテーブルが記憶される材料試験機。
  6. 請求項1に記載の材料試験機において、
    前記パーソナルコンピュータは、前記複数のレジスタの各々から読み取られたデータと、それらのデータの内容が正常か異常かを判定した結果とを記述したレポートファイルを作成する材料試験機。
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