JP2019132767A - 材料試験機 - Google Patents

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Abstract

【課題】 フィルタ条件が適切であるか否かをユーザが容易に判断できる情報を提示することが可能な材料試験機を提供する。【解決手段】 パーソナルコンピュータ42は、メモリ53にインストールしたプログラムの機能ブロックとして、ロードセルや伸び計からの入力信号をデジタル化した生データからノイズを除去するフィルタ処理部61と、フィルタ処理部61において生データに適用するフィルタ条件を設定するフィルタ設定部62と、生データとフィルタ処理部61においてフィルタ処理された処理データとを、同一スケールで、かつ、異なる態様で表示装置51に重畳表示する表示制御部65とを備える。【選択図】 図2

Description

この発明は、試験対象に試験力を負荷し材料試験を実行する材料試験機に関する。
材料の特性を評価するために、材料の種類や性質に応じた各種材料試験が行われている。材料試験を実行する材料試験機は、試験対象である試験片に試験力を与える負荷機構と、実際に試験片にかかった力を検出するための力検出器を備えている(特許文献1参照)。また、高速度の引張荷重を試験片に加える材料試験機においては、試験片の変位(伸び)は、試験片に装着される接触式の伸び計などによって計測される。そして、力検出器や伸び計の信号は、制御装置に入力され、制御装置での信号に基づく計算により試験力、変位として表示装置に表示される(特許文献2参照)。
特開2004−333221号公報 国際公開WO2008/081505
表示装置に表示される試験力や試験片の変位は、特許文献2に記載されているように、制御装置での計算を経たものである。この制御装置での計算には、生データからノイズを除去するフィルタ処理が含まれており、従来の表示装置でのデータ表示では、フィルタ処理後のデータが表示されていた。このため、フィルタ処理に使用したフィルタの設定が適切なものであったか否か等を、ユーザは一見して判断することはできなかった。
特にプラスチック材料に対する高速引張試験では、試験時間が短く、データの収集に際しては、細かい時間間隔でのサンプリングが必要となる。したがって、多くのノイズを検出する傾向にある。ノイズの中には試験機本体と試験片を把持するつかみ具などの治具を含む系の固有振動によるものが加わることが散見される。従来からフィルタ処理後の近似曲線上のピークを自動検出して最大試験力点として登録しているが、フィルタの設定が不適切であると、フィルタ処理の前後で最大試験力点の検出位置が生データの試験力ピークの位置と乖離していることがある。またフィルタにより、計測値の傾きがなまる場合がある。従来の試験結果の表示では、表示装置にはフィルタ処理後のデータが表示されるのみであるため、このような最大試験力点の検出位置のズレや傾斜の変化をユーザが認識することはできない。そうすると、フィルタ処理後のデータからさらに計算により求められる弾性率などの材料特性の評価の項目数値が信頼性に欠けるものであったとしても、ユーザはそれに気付くことができないという問題が生じる。
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、フィルタ条件が適切であるか否かをユーザが容易に判断できる情報を提示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、負荷機構を駆動して試験対象に試験力を与える材料試験において物理量検出器が検出した信号を処理する制御装置と、試験結果を表示する表示装置と、を備える材料試験機であって、前記制御装置は、前記物理量検出器からの入力信号をデジタル化した生データからノイズを除去するフィルタ処理部と、前記フィルタ処理部において前記生データに適用するフィルタ条件を設定するフィルタ設定部と、前記生データと前記フィルタ処理部においてフィルタ処理された処理データとを、同一スケールで、かつ、異なる態様で前記表示装置に重畳表示する表示制御部と、を備え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、前記表示制御部は、複数の物理量検出器からの異なる入力信号に基づく前記生データと前記処理データとを、それぞれの物理量において同一スケールで、かつ、異なる態様で前記表示装置に重畳表示する。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の材料試験機において、前記表示制御部は、異なるフィルタ条件で処理した複数のデータを、同一スケールで、かつ、異なる態様で前記表示装置に重畳表示する。
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の材料試験機において、前記異なる態様は、異なる色相、異なる明度、異なる彩度、または、異なる線種による表現である。
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の材料試験機において、前記物理量検出器は、試験対象に作用する試験力を検出する力検出器、および/または、試験対象に生じた変位を検出する変位計である。
請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載の材料試験機において、前記制御装置は、前記処理データから着目点を検出する着目点検出部を備え、前記表示制御部は、前記着目点を前記表示装置に表示する。
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の材料試験機において、前記制御装置は、前記着目点検出部が検出した前記着目点の位置を変更する着目点変更部を備える。
請求項1から請求項7に記載の発明によれば、制御装置が、生データとフィルタ処理された処理データとを、同一スケールで、かつ、異なる態様で表示装置に重畳表示する表示制御を実行することから、ユーザは、試験結果のデータ表示から、フィルタ条件が適切であるか否かを容易に判断できる情報を取得することが可能となる。
請求項2に記載の発明によれば、制御装置が、複数の物理量検出器からの異なる入力信号に基づく各々のデータを、それぞれの物理量において同一スケールで、かつ、異なる態様で表示装置に重畳表示する表示制御を実行することから、ユーザは、異なる物理量の変化を、一見して認識することができる。
請求項3に記載の発明によれば、制御装置が、異なるフィルタ条件で処理した複数のデータを、同一スケールで、かつ、異なる態様で表示装置に重畳表示する表示制御を実行することから、ユーザは、処理の異なるデータ間で比較しながら、適切なフィルタ条件を判断することが可能となる。
請求項4に記載の発明によれば、生データとフィルタ処理された処理データ、異なる物理量検出器からの入力信号に基づく各々のデータ、異なるフィルタ条件で処理した複数のデータを、異なる色相、異なる明度、異なる彩度、または、異なる線種で表現した表示を行うことにより、ユーザによる、画面上の各々のデータの識別が容易となる。
請求項6に記載の発明によれば、制御装置が、着目点検出部を備え、着目点検出部が検出した処理データ上の、開始点、最大点、破断点等の着目点を表示装置に表示する表示制御を実行することから、ユーザは、生データに対して処理データの着目点の位置ズレを、容易に知ることが可能となる。
請求項7に記載の発明によれば、制御装置が、着目点変更部を備え、着目点検出部が検出した処理データ上の着目点の位置を変更可能としたことから、ユーザは、着目点を生データの値を考慮した位置に再設定することができ、着目点を利用して算出する材料特性の評価値の信頼性を向上させることができる。
この発明に係る材料試験機の概要図である。 この発明に係る材料試験機の主要な制御系を示すブロック図である。 試験結果のグラフの表示例である。 試験結果のグラフの表示例である。 試験結果のグラフの表示例である。 試験結果のグラフの表示例である。 試験結果のグラフの表示例である。 試験結果のグラフの表示例である。 試験結果のグラフの表示例である。 試験結果のグラフの表示例である。 試験結果のグラフの表示例である。 この発明に係る材料試験機の他の実施形態に係る主要な制御系を示すブロック図である。
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。図2は、この発明に係る材料試験機の主要な制御系を示すブロック図である。
この材料試験機は、試験片TPに急速に衝撃的な引張力を付与する高速引張試験を実行するものであり、試験機本体10と、制御装置40を備える。試験機本体10は、テーブル11と、テーブル11に立設された一対の支柱12と、一対の支柱12に架け渡されたクロスヨーク13と、クロスヨーク13に固定された油圧シリンダ31を備える。
油圧シリンダ31は、サーボバルブ34を介してテーブル11内に配置された油圧源(図示せず)と接続されており、この油圧源から供給される作動油によって動作する。油圧シリンダ31のピストンロッド32には、助走治具25およびジョイント26を介して上つかみ具21が接続されている。一方で、テーブル11には、力検出器であるロードセル27を介して、下つかみ具22が接続されている。このように、この試験機本体10は、助走治具25により引張方向に助走区間を設け、ピストンロッド32を0.1〜20m/sの高速で引き上げることにより、試験片TPの両端部を把持する一対のつかみ具を急激に離間させる高速引張試験を実行するための構成となっている。高速引張試験を実行したときの負荷機構の変位(ストローク)、すなわち、ピストンロッド32の移動量は、ストロークセンサ33により検出され、その時の試験力はロードセル27により検出される。
また、試験片TPには、試験片TPに生じた変位を検出する変位計である伸び計35が配設されている。伸び計35は、試験片TPの伸びを測定するために、試験片TPに直接取り付けられるものであり、例えば、特開2006−10409号公報に記載されているような構造を有する。すなわち、試験片TPに設定されている2箇所の標線にそれぞれに固定された固定具と、一方の固定具に固着される伝導体から成るパイプと、他方の固定具に固着されるパイプ内に移動自在に挿入されるコイルとを備え、パイプに対するコイルの挿入量の変化に基づくコイルのインダクタンスの変化を検出して、試験片TPの標線間の伸びを測定している。なお、変位計は、ストロークセンサ33であってもよく、高速ビデオカメラなどの非接触式の伸び計であってもよい。
制御装置40は、試験機本体10の動作を制御するための本体制御装置41と、パーソナルコンピュータ42とから構成される。本体制御装置41は、プログラムを格納するメモリ43と、各種演算を実行するMPU(micro processing unit)などの演算装置45と、パーソナルコンピュータ42との通信を行う通信部46とを備える。メモリ43、演算装置45および通信部46は、相互にバス49により接続されている。また、本体制御装置41は、機能的構成として試験制御部44を備える。試験制御部44は、試験制御プログラムとしてメモリ43に格納されている。高速引張試験を実行するときには、試験制御プログラムを実行することにより、サーボバルブ34に制御信号が供給され、油圧シリンダ31が動作する。本体制御装置41には、ロードセル27、伸び計35などの物理量検出器の各々に対応する信号入出力ユニットが設けられ、ストロークセンサ33の出力信号、ロードセル27の出力信号、および、伸び計35の出力信号は、デジタル化されて所定の時間間隔で本体制御装置41に取り込まれる。
パーソナルコンピュータ42は、データ解析プログラムを記憶するROM、プログラム実行時にプログラムをロードして一時的にデータを記憶するRAMなどから成るメモリ53、各種演算を実行するCPU(central processing unit)などの演算装置55、本体制御装置41などの外部接続機器との通信を行う通信部56、データを記憶する記憶装置57、試験結果が表示される表示装置51および試験条件を入力するための入力装置52を備える。メモリ53には、演算装置55を動作させて機能を実現するプログラムが格納されている。なお、記憶装置57は、ロードセル27から入力された試験力の生データである時系列データなどを記憶する記憶部であり、HDD(hard disk drive)などの大容量記憶装置から構成される。メモリ53、演算装置55、通信部56、記憶装置57、表示装置51および入力装置52は相互にバス59により接続されている。
図2においては、パーソナルコンピュータ42にインストールされ、メモリ53に記憶されているプログラムを機能ブロックとして示している。この実施形態では、機能ブロックとして、ロードセル27や伸び計35からの入力信号をデジタル化した生データからノイズを除去するフィルタ処理部61と、フィルタ処理部61において生データに適用するフィルタ条件を設定するフィルタ設定部62と、生データとフィルタ処理部61においてフィルタ処理された処理データとを、同一スケールで、かつ、異なる態様で表示装置51に重畳表示する表示制御部65とを備える。なお、フィルタ処理部61でのノイズ除去には、ロードセル27や伸び計35の電気的ゆらぎなどに起因する測定ノイズの除去と、試験機本体10とロードセル27に接続している下つかみ具22を含む系に生じる固有振動の除去とを含む。また、フィルタ設定部62においては、フィルタの種類として、移動平均フィルタ、メディアンフィルタ、ローパスフィルタ等、いくつかのフィルタが用意されている。
また、この実施形態では、メモリ53にプログラムとして記憶されている機能ブロックとして、着目点検出部63を備える。着目点検出部63は、開始点、最大試験力点、破断点、その他変極点など、材料の強度評価において着目される着目点を、フィルタ処理後のデータから自動計算により特定する。すなわち、着目点の特定は、演算装置55がメモリ53の着目点検出部63から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。特定された着目点は、表示制御部65の作用により、表示装置51に表示したフィルタ処理後のデータのグラフ中に自動付与される。
このような構成の材料試験機で高速引張試験を実行するときの、表示装置51への試験結果の表示について説明する。図3および図4は、試験結果グラフの表示例である。この試験結果は、高速(例えば、試験速度20m/s)で引張試験を実行したときの試験力の時系列データを示すものである。グラフの縦軸は試験力(kN:キロニュートン)であり、横軸は時間(ms:ミリ秒)である。そして、これらのグラフ中、生データを破線で示し、フィルタ処理後の処理データを実線で示している。
本体制御装置41から通信部46、56を介してパーソナルコンピュータ42に入力され、デジタル化された生データは、時間のデータ列として記憶装置57に保存される。そして、生データは、フィルタ処理部61でフィルタ処理され、フィルタ処理後の処理データも、時間のデータ列として記憶装置57に保存される。生データとフィルタ処理後の処理データは、表示制御部65の作用により、試験力の時間経過を示すグラフ、荷重―変位曲線等、ユーザが選択したグラフ形式に従って、表示装置51に表示される。
図3および図4のグラフは、生データにフィルタ処理後の処理データを重畳させて表示している。また、フィルタ処理後のデータ上に、開始点(図中に白丸で示す)、最大試験力点(図中に黒丸で示す)、破断点(図中に白二重丸で示す)をマーキングしている。
図3では、フィルタ処理後の処理データの最大試験力点が、生データの試験力のピークトップと一致せず、データの位相が後ろにずれている。このような位相ズレは、生データとフィルタ処理後の処理データを重畳させて表示することで、ユーザが一見して知ることができる。そして、このような位相ズレを解消するには、ユーザは、固有振動を除去するフィルタの種類を変更することで、改善することができる。すなわち、ユーザは、入力装置52を操作してフィルタ設定部62で設定するフィルタ設定を変更することで、別の種類のフィルタを適用する。
フィルタ設定を変更した図4のグラフでは、フィルタ処理後の処理データと生データとの位相ズレが解消され、開始点、最大試験力点、破断点のそれぞれの点が、破線で示す生データ上にも乗っていることが理解できる。このように、生データとフィルタ処理後の処理データを同一画面上に同一スケールで重畳表示することで、ユーザは、生データと処理データとの間で位相ズレが生じていないか、あるいは、フィルタ設定が適切であるか等の確認を容易に行うことが可能となる。なお、説明の便宜上、グラフ中の生データを破線で示し、フィルタ処理後の処理データを実線で示しているが、データを重畳表示するに際しては、異なる線種での表現に限定されない。すなわち、この発明における異なる態様での表現とは、異なる色での表示も含み、この異なる色とは、同一色相で生データ側の明度や彩度を小さくして、フィルタ処理後の処理データの表示の方が強調される表現とすることや、データごとに異なる色相を割り当てること等、色相、明度、彩度の違いによる多様な表現が含まれる。
図5から図7は、試験結果のグラフの表示例であり、荷重―変位曲線を示している。これらのグラフにおいて、縦軸は試験力(kN:キロニュートン)であり、横軸は変位(mm:ミリメートル)である。そして、これらのグラフ中、生データを破線で示し、フィルタ後の処理データを実線で示している。また、これらの図においても、フィルタ処理後のデータ上に、開始点(図中に白丸で示す)、最大試験力点(図中に黒丸で示す)、破断点(図中に白二重丸で示す)をマーキングしている。
図5の表示例では、フィルタ処理後の処理データの最大試験力点の変位位置が、生データの最大試験力の位置からズレており、フィルタ処理後の処理データの試験力のピーク値が減衰していることを、生データにフィルタ処理後の処理データを重畳表示することで、読み取ることができる。フィルタ処理により最大試験力点の変位位置がズレ、試験力のピーク値が減衰すると、弾性域(データが直線的に変化する領域)での直線の傾きが緩やかとなり、本来よりも弾性率を低く見積もってしまう。このような場合は、ユーザは、固有振動を除去するフィルタの種類を変更する。
図6は、図5と同じ生データに、別の種類のフィルタを適用してフィルタ処理を行った結果である。図6の表示例では、生データとフィルタ処理後の処理データとで最大試験力点の変位位置にズレがなく、試験力のピーク値も減衰しない。したがって、開始点直後の弾性域でのデータの傾きも、生データとフィルタ処理後の処理データとでほぼ一致し、弾性率を正確に求めることができる。
図7の表示例では、開始点から破断点までの試験片TPに試験力が与えられている状態でのデータ域において、生データに固有振動の影響が大きく表れていることが、生データにフィルタ処理後の処理データを重畳表示することで、読み取ることができる。ユーザは、フィルタ処理後の処理データに対して、開始点から破断点までの間の生データの波形振幅の程度を、このようなグラフ表示により見ることで、試験結果の信頼性について判断材料を得ることができる。
図8は、試験結果のグラフの表示例であり、図4の試験力の時系列データの一部を拡大して示すとともに、同一種類のフィルタの強度を変更した2つのフィルタ処理後の処理データを、生データに重畳して示している。グラフの縦軸は試験力(kN:キロニュートン)であり、横軸は時間(ms:ミリ秒)である。そして、このグラフ中、生データを破線で示し、弱い強度のフィルタを適用したフィルタ処理後の処理データを1点鎖線、強い強度のフィルタを適用したフィルタ処理後の処理データを実線で示している。
図8の表示例では、データを平滑化するフィルタの強さを2段階に変更し、生データの上に2つのフィルタ処理後の処理データを重畳表示することで、ユーザは、フィルタ強度が適切であるかどうかを、一見して容易に確認することが可能となる。フィルタ強度の変更は、例えばローパスフィルタであればカットオフ周波数を段階的に変更したもの、あるいは、バンドパスフィルタであれば、フィルタ通過周波数域の範囲を変更したものなど、フィルタの種類に応じて、ユーザが段階的に選択できるようになっている。なお、この表示例では、説明の便宜上、各データを異なる線種で示しているが、フィルタの強弱に応じて、色の濃淡をつけるなど、同一色相で異なる明度や彩度の着色を各データに施した表示をすることもできる。さらに、異なる色相や異なる線種をさらに組み合わせて各データを表示してもよい。
図9から図11は、試験結果のグラフの表示例であり、異なる物理量検出器であるロードセル27と伸び計35からの各入力信号に基づく、同じ時系列の試験力と変位の各データを、同一画面に同一スケールで表示するものである。図9および図11のグラフの左縦軸は試験力(kN:キロニュートン)、右縦軸は変位(mm:ミリメートル)であり、横軸は時間(ms:ミリ秒)である。また、図10のグラフの縦軸は変位(mm:ミリメートル)であり、横軸は時間(ms:ミリ秒)である。そして、これらのグラフ中、生データを細線で示し、フィルタ処理後の処理データを太線で示している。また、図10および図11においては、変位の生データについては、輪郭を細線で示している。
図9の表示例のように、同一時間軸(同一スケール)で異なる系列(試験力と変位)を、同一画面上に重畳させて表示している。なお、図面の都合上、試験力と変位を同一線種で表しているが、実際の表示では、異なる系列ごとに異なる色相を割り当て、相互に視覚的な判別がでるようにしている。例えば、試験力を青、変位を赤で表現している。
また、図9の表示例から、図10の表示例のように、変位の生データにフィルタ処理後の変位の処理データを重畳表示する表示に切り替えて表示することも可能である。
試験力の生データにフィルタ処理後の試験力の処理データを重畳表示した上に、さらに、図10に示す変位グラフを重畳表示した表示例が図11である。このように異なる系列のデータを、生データとフィルタ処理後の処理データの両方を表示するときには、試験力は青系の色、変位は赤系の色など、系列ごとに色相を割り当て、生データとフィルタ処理後の処理データとで、彩度や明度を変えることで、それぞれのデータの視覚的な識別を助けるようにすることができる。
図12は、この発明に係る材料試験機の他の実施形態に係る主要な制御系を示すブロック図である。なお、先に図2を参照して説明した構成と同じ構成は、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
この図12に示す実施形態では、図2の実施形態の構成に加えて、メモリ53に機能的構成として着目点変更部64を備える。例えば、図4や図6の表示例に黒丸で示すように、着目点検出部63の作用により自動検出された最大試験力点の位置は、生データにおいて最大試験力値を記録した位置と完全に一致しているわけではない。最大試験力点を生データにおいて最大試験力値を記録した位置により近づけたい場合には、ユーザは、入力装置52を操作して、画面を見ながら、最大試験力点を示す黒丸を所望の位置に移動させる。このとき、演算装置55がメモリ53の着目点変更部64から読み込んだプログラムを実行することにより、その所望の位置を最大試験力点として登録され、記憶装置57に記憶される。
なお、上述した実施形態では、高速引張試験の試験結果における着目点である最大試験力点の位置変更について説明したが、開始点や破断点についても、ユーザの所望の位置に変更することが可能である。これにより、ユーザは、着目点を生データの値を考慮した位置に再設定することができ、着目点を利用して算出する材料特性の評価値の信頼性を向上させることができる。
上述した実施形態では、高速引張試験について説明したが、圧縮荷重をコンクリートなどの試験体に与える高速圧縮試験、打ち抜き試験などにおいて、フィルタ処理が適切に行われているか否か、着目点の検出が適正であるか否かをユーザが一見して確認できるように、この発明を適用することが可能である。
10 試験機本体
11 テーブル
12 支柱
13 クロスヨーク
21 上つかみ具
22 下つかみ具
25 助走治具
26 ジョイント
27 ロードセル
31 油圧シリンダ
32 ピストンロッド
33 ストロークセンサ
34 サーボバルブ
35 伸び計
40 制御装置
41 本体制御装置
42 パーソナルコンピュータ
43 メモリ
44 試験制御部
45 演算装置
46 通信部
51 表示装置
52 入力装置
53 メモリ
55 演算装置
56 通信部
57 記憶装置
61 フィルタ処理部
62 フィルタ設定部
63 着目点検出部
64 着目点変更部
65 表示制御部
TP 試験片

Claims (7)

  1. 負荷機構を駆動して試験対象に試験力を与える材料試験において物理量検出器が検出した信号を処理する制御装置と、試験結果を表示する表示装置と、を備える材料試験機であって、
    前記制御装置は、
    前記物理量検出器からの入力信号をデジタル化した生データからノイズを除去するフィルタ処理部と、
    前記フィルタ処理部において前記生データに適用するフィルタ条件を設定するフィルタ設定部と、
    前記生データと前記フィルタ処理部においてフィルタ処理された処理データとを、同一スケールで、かつ、異なる態様で前記表示装置に重畳表示する表示制御部と、
    を備え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、
    前記表示制御部は、複数の物理量検出器からの異なる入力信号に基づく前記生データと前記処理データとを、それぞれの物理量において同一スケールで、かつ、異なる態様で前記表示装置に重畳表示する材料試験機。
  3. 請求項1に記載の材料試験機において、
    前記表示制御部は、異なるフィルタ条件で処理した複数のデータを、同一スケールで、かつ、異なる態様で前記表示装置に重畳表示する材料試験機。
  4. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の材料試験機において、
    前記異なる態様は、異なる色相、異なる明度、異なる彩度、または、異なる線種による表現である材料試験機。
  5. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の材料試験機において、
    前記物理量検出器は、試験対象に作用する試験力を検出する力検出器、および/または、試験対象に生じた変位を検出する変位計である材料試験機。
  6. 請求項1から請求項5のいずれかに記載の材料試験機において、
    前記制御装置は、前記処理データから着目点を検出する着目点検出部を備え、
    前記表示制御部は、前記着目点を前記表示装置に表示する材料試験機。
  7. 請求項6に記載の材料試験機において、
    前記制御装置は、前記着目点検出部が検出した前記着目点の位置を変更する着目点変更部を備える材料試験機。

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