JP3284958B2 - 材料試験機 - Google Patents
材料試験機Info
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- JP3284958B2 JP3284958B2 JP02343598A JP2343598A JP3284958B2 JP 3284958 B2 JP3284958 B2 JP 3284958B2 JP 02343598 A JP02343598 A JP 02343598A JP 2343598 A JP2343598 A JP 2343598A JP 3284958 B2 JP3284958 B2 JP 3284958B2
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- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁力により駆動
力を発生する動電形アクチュエータを用いた材料試験機
に関する。
力を発生する動電形アクチュエータを用いた材料試験機
に関する。
【０００２】
【従来の技術】試験片に任意波形の荷重を負荷して疲労
強度試験を行う材料試験機においては、負荷用アクチュ
エータとして一般的に油圧シリンダが用いられる。近
年、高分子材料やマイクロマシンの機構部品等、試験対
象の多様化が進むにつれて荷重そのものの絶対値が小さ
くなり、荷重制御精度をより高めた材料試験機が求めら
れている。
強度試験を行う材料試験機においては、負荷用アクチュ
エータとして一般的に油圧シリンダが用いられる。近
年、高分子材料やマイクロマシンの機構部品等、試験対
象の多様化が進むにつれて荷重そのものの絶対値が小さ
くなり、荷重制御精度をより高めた材料試験機が求めら
れている。
【０００３】そこで、このような任意波形の低負荷を動
電形アクチュエータで与えるようにした材料試験機が提
案されている。動電形アクチュエータは、コアと永久磁
石とヨークで磁気回路を形成し、コアに対して可動なボ
ビンにコイルを巻き回し、コイルに駆動電流を供給する
ことにより、ボビンに推力を発生する電磁式アクチュエ
ータである。
電形アクチュエータで与えるようにした材料試験機が提
案されている。動電形アクチュエータは、コアと永久磁
石とヨークで磁気回路を形成し、コアに対して可動なボ
ビンにコイルを巻き回し、コイルに駆動電流を供給する
ことにより、ボビンに推力を発生する電磁式アクチュエ
ータである。
【０００４】図３に示すように、動電形アクチュエータ
を用いた材料試験機は、試験片を負荷する動電形アクチ
ュエータ５１と、試験片を目標値で負荷するための目標
信号を与える目標信号発生回路５２と、試験片の変位を
検出する変位センサ５３と、試験片に働く荷重を検出す
る荷重センサ５４と、センサ５３もしくは５４で検出し
た変位もしくは荷重と目標信号との偏差を求め、ＰＩＤ
回路などを介してアクチュエータ駆動信号を生成して動
電形アクチュエータ５１へ供給するフィードバック制御
回路５５とを備える。試験片を変位フィードバック制御
する場合、目標信号発生回路５２はたとえばｓｉｎ波の
目標信号を出力する。
を用いた材料試験機は、試験片を負荷する動電形アクチ
ュエータ５１と、試験片を目標値で負荷するための目標
信号を与える目標信号発生回路５２と、試験片の変位を
検出する変位センサ５３と、試験片に働く荷重を検出す
る荷重センサ５４と、センサ５３もしくは５４で検出し
た変位もしくは荷重と目標信号との偏差を求め、ＰＩＤ
回路などを介してアクチュエータ駆動信号を生成して動
電形アクチュエータ５１へ供給するフィードバック制御
回路５５とを備える。試験片を変位フィードバック制御
する場合、目標信号発生回路５２はたとえばｓｉｎ波の
目標信号を出力する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、動電形
アクチュエータ５１に印加される電流信号をｉ、磁束密
度をＢ、コイル長をＬとすると、動電形アクチュエータ
５１の推力Ｆは、 Ｆ＝ｉ・Ｂ・Ｌ で表わされる。したがって、フィードバック制御系のブ
ロック線図は図４（ａ）に示すようになり、要素Ｋが正
であっても共振系となり、制御変位や制御荷重が小さい
場合には、安定した変位フィードバック制御や荷重フィ
ードバック制御ができない。
アクチュエータ５１に印加される電流信号をｉ、磁束密
度をＢ、コイル長をＬとすると、動電形アクチュエータ
５１の推力Ｆは、 Ｆ＝ｉ・Ｂ・Ｌ で表わされる。したがって、フィードバック制御系のブ
ロック線図は図４（ａ）に示すようになり、要素Ｋが正
であっても共振系となり、制御変位や制御荷重が小さい
場合には、安定した変位フィードバック制御や荷重フィ
ードバック制御ができない。
【０００６】なお、電気油圧サーボ弁で制御される油圧
シリンダを使用した材料試験機では、サーボ弁はその入
力信号ｉに応じた開度に、すなわち、入力信号ｉに対し
て油圧シリンダへの流量Ｑが制御される。したがって、
試験片の変位もしくは荷重を目標値にフィードバックす
るフィードバック系のブロック線図は図４（ｂ）に示す
ようになり、要素Ｋが正であれば安定した系となり、微
小な荷重や変位に対しても精度よく試験を行うことがで
きる。
シリンダを使用した材料試験機では、サーボ弁はその入
力信号ｉに応じた開度に、すなわち、入力信号ｉに対し
て油圧シリンダへの流量Ｑが制御される。したがって、
試験片の変位もしくは荷重を目標値にフィードバックす
るフィードバック系のブロック線図は図４（ｂ）に示す
ようになり、要素Ｋが正であれば安定した系となり、微
小な荷重や変位に対しても精度よく試験を行うことがで
きる。
【０００７】本発明の目的は、動電形アクチュエータで
試験片を負荷する場合に、制御変位が小さい場合や制御
荷重が場合でも安定した変位フィードバック制御や荷重
フィードバック制御ができるようにした材料試験機を提
供することにある。
試験片を負荷する場合に、制御変位が小さい場合や制御
荷重が場合でも安定した変位フィードバック制御や荷重
フィードバック制御ができるようにした材料試験機を提
供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
に対応づけて本発明を説明すると、本発明は、試験片Ｔ
Ｐを負荷する動電形アクチュエータ２と、試験片ＴＰを
目標値で負荷するための目標信号を与える目標信号発生
回路６０と、試験片ＴＰの変位もしくは荷重を検出する
検出センサ３１，３２と、検出センサ３１，３２で検出
した変位もしくは荷重と目標信号との偏差によって動電
形アクチュエータ２をフィードバック制御するフィード
バック制御回路４０とを備えた材料試験機に適用され
る。そして、試験片ＴＰの変形速度に応じた速度信号を
発生する速度信号発生回路３２を設け、フィードバック
制御回路４０を、変位もしくは荷重の検出信号がメージ
ャーループとして、速度信号発生回路３２から発生する
速度信号はマイナーループとしてフィードバックされる
ように構成することにより上記目的を達成する。
に対応づけて本発明を説明すると、本発明は、試験片Ｔ
Ｐを負荷する動電形アクチュエータ２と、試験片ＴＰを
目標値で負荷するための目標信号を与える目標信号発生
回路６０と、試験片ＴＰの変位もしくは荷重を検出する
検出センサ３１，３２と、検出センサ３１，３２で検出
した変位もしくは荷重と目標信号との偏差によって動電
形アクチュエータ２をフィードバック制御するフィード
バック制御回路４０とを備えた材料試験機に適用され
る。そして、試験片ＴＰの変形速度に応じた速度信号を
発生する速度信号発生回路３２を設け、フィードバック
制御回路４０を、変位もしくは荷重の検出信号がメージ
ャーループとして、速度信号発生回路３２から発生する
速度信号はマイナーループとしてフィードバックされる
ように構成することにより上記目的を達成する。
【０００９】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態に係る
動電形アクチュエータで試験片に任意の低負荷波形を与
えて試験を行なう材料試験機を示す図である。この材料
試験機はフレーム１を備えている。フレーム１の下側に
は動電形アクチュエータ２が設置され、下負荷ロッド３
が動電形アクチュエータ２で駆動されるように構成され
ている。フレーム１の上側にはロードセル４が設置さ
れ、このロードセル４に上負荷ロッド５が連結されてい
る。上下負荷ロッド３および５のそれぞれの端部にはつ
かみ具６が接続され、つかみ具６の間に試験片ＴＰが取
り付けられる。
動電形アクチュエータで試験片に任意の低負荷波形を与
えて試験を行なう材料試験機を示す図である。この材料
試験機はフレーム１を備えている。フレーム１の下側に
は動電形アクチュエータ２が設置され、下負荷ロッド３
が動電形アクチュエータ２で駆動されるように構成され
ている。フレーム１の上側にはロードセル４が設置さ
れ、このロードセル４に上負荷ロッド５が連結されてい
る。上下負荷ロッド３および５のそれぞれの端部にはつ
かみ具６が接続され、つかみ具６の間に試験片ＴＰが取
り付けられる。
【００１１】動電形アクチュエータ２は、断面が逆Ｔ字
状のコア２１と、コア２１のフランジ部に設置されたリ
ング状の永久磁石２２と、永久磁石２２の上に重ね合わ
されたリング状のヨーク２３と、コア２１の軸部に外挿
された円筒状のボビン２４と、ボビン２４に巻き回され
たコイル２５と、ボビン２４の移動を案内するためにボ
ビン２４の中央部に立設されコア軸部に挿入されたガイ
ド軸２６とで構成されている。コア２１と永久磁石２２
とヨーク２３により図示のような磁気回路ＭＳが形成さ
れる。そして、コイル２５に駆動電流を通電することに
よりボビン２４に推力Ｆが発生する。上述したように、
推力Ｆは、 Ｆ＝ｉ・Ｂ・Ｌ ただし、Ｂは磁束密度、Ｌはコイル長、ｉは電流（ただ
し、各巻線に流れる電流と巻数の積）で表される。
状のコア２１と、コア２１のフランジ部に設置されたリ
ング状の永久磁石２２と、永久磁石２２の上に重ね合わ
されたリング状のヨーク２３と、コア２１の軸部に外挿
された円筒状のボビン２４と、ボビン２４に巻き回され
たコイル２５と、ボビン２４の移動を案内するためにボ
ビン２４の中央部に立設されコア軸部に挿入されたガイ
ド軸２６とで構成されている。コア２１と永久磁石２２
とヨーク２３により図示のような磁気回路ＭＳが形成さ
れる。そして、コイル２５に駆動電流を通電することに
よりボビン２４に推力Ｆが発生する。上述したように、
推力Ｆは、 Ｆ＝ｉ・Ｂ・Ｌ ただし、Ｂは磁束密度、Ｌはコイル長、ｉは電流（ただ
し、各巻線に流れる電流と巻数の積）で表される。
【００１２】ガイド軸２６の下端は変位センサ３１と速
度センサ３２に挿入され、変位センサ３１はガイド軸２
６すなわち試験片ＴＰの変位に応じた検出信号を出力
し、速度センサ３２はガイド軸２６すなわち試験片ＴＰ
の変形速度に応じた検出信号を出力する。これらの変位
センサ３１および速度センサ３２の検出信号はそれぞれ
変位アンプ３３と速度アンプ３４で増幅されて後述する
フィードバック制御回路４０に入力される。ロードセル
４の検出信号も荷重アンプ３５で増幅されてフィードバ
ック制御回路４０に入力される。
度センサ３２に挿入され、変位センサ３１はガイド軸２
６すなわち試験片ＴＰの変位に応じた検出信号を出力
し、速度センサ３２はガイド軸２６すなわち試験片ＴＰ
の変形速度に応じた検出信号を出力する。これらの変位
センサ３１および速度センサ３２の検出信号はそれぞれ
変位アンプ３３と速度アンプ３４で増幅されて後述する
フィードバック制御回路４０に入力される。ロードセル
４の検出信号も荷重アンプ３５で増幅されてフィードバ
ック制御回路４０に入力される。
【００１３】図１において、目標信号発生回路６０は、
荷重もしくは変位の平均値と振幅と周波数で決定される
目標設定信号を出力する。そして、動電形アクチュエー
タ２はフィードバック制御回路４０により、目標信号発
生回路６０から発生する荷重もしくは変位の目標繰り返
し信号に基づいて駆動され、試験片を目標の荷重で繰り
返し負荷する。
荷重もしくは変位の平均値と振幅と周波数で決定される
目標設定信号を出力する。そして、動電形アクチュエー
タ２はフィードバック制御回路４０により、目標信号発
生回路６０から発生する荷重もしくは変位の目標繰り返
し信号に基づいて駆動され、試験片を目標の荷重で繰り
返し負荷する。
【００１４】フィードバック制御回路４０は、荷重アン
プ３５もしくは変位アンプ３３の出力を選択するスイッ
チ４１と、荷重フィードバック制御時は目標信号発生回
路６０からの設定信号と検出荷重との偏差を算出し、変
位フィードバック制御時は目標信号発生回路６０からの
設定信号と検出変位との偏差を算出する第１加算点４２
と、偏差に所定のゲインを与える第１ゲイン設定器（た
とえばＰＩＤ制御回路）４３と、第１ゲイン設定器４３
の出力と速度アンプ３４から出力される変形速度との偏
差を算出する第２加算点４４と、第２加算点４４から出
力される偏差に所定のゲインを与える第２ゲイン設定器
（たとえばＰＩＤ制御回路）４５と、第２ゲイン設定器
４５の出力を増幅して動電形アクチュエータ２のコイル
２５へ印加するパワーアンプ４６とから成る。
プ３５もしくは変位アンプ３３の出力を選択するスイッ
チ４１と、荷重フィードバック制御時は目標信号発生回
路６０からの設定信号と検出荷重との偏差を算出し、変
位フィードバック制御時は目標信号発生回路６０からの
設定信号と検出変位との偏差を算出する第１加算点４２
と、偏差に所定のゲインを与える第１ゲイン設定器（た
とえばＰＩＤ制御回路）４３と、第１ゲイン設定器４３
の出力と速度アンプ３４から出力される変形速度との偏
差を算出する第２加算点４４と、第２加算点４４から出
力される偏差に所定のゲインを与える第２ゲイン設定器
（たとえばＰＩＤ制御回路）４５と、第２ゲイン設定器
４５の出力を増幅して動電形アクチュエータ２のコイル
２５へ印加するパワーアンプ４６とから成る。
【００１５】このような材料試験機の動作を説明する。
荷重フィードバック制御時、目標信号発生回路６０から
平均荷重と荷重振幅と周波数で決定される目標繰り返し
荷重信号を出力する。そして、スイッチ４１により荷重
アンプ３５から出力される検出荷重信号を選択する。第
１加算点４２において、目標信号発生回路６０からの目
標繰り返し荷重信号と検出荷重信号との偏差が算出され
る。第１ゲイン設定器４３はその荷重偏差に所定のゲイ
ンを与えて出力する。第１ゲイン設定器４３の出力は第
２加算点４４に入力され、ここで、速度アンプ３４から
出力される変形速度との偏差が算出される。第２ゲイン
設定器４５は第２加算点４４から出力される速度偏差に
所定のゲインを与えて出力する。この出力信号はパワー
アンプ４６で増幅されて動電形アクチュエータ２のコイ
ル２５へ印加される。したがって、動電形アクチュエー
タ２は目標となる繰り返し荷重信号に対応して動き試験
片ＴＰに繰り返し荷重が負荷される。
荷重フィードバック制御時、目標信号発生回路６０から
平均荷重と荷重振幅と周波数で決定される目標繰り返し
荷重信号を出力する。そして、スイッチ４１により荷重
アンプ３５から出力される検出荷重信号を選択する。第
１加算点４２において、目標信号発生回路６０からの目
標繰り返し荷重信号と検出荷重信号との偏差が算出され
る。第１ゲイン設定器４３はその荷重偏差に所定のゲイ
ンを与えて出力する。第１ゲイン設定器４３の出力は第
２加算点４４に入力され、ここで、速度アンプ３４から
出力される変形速度との偏差が算出される。第２ゲイン
設定器４５は第２加算点４４から出力される速度偏差に
所定のゲインを与えて出力する。この出力信号はパワー
アンプ４６で増幅されて動電形アクチュエータ２のコイ
ル２５へ印加される。したがって、動電形アクチュエー
タ２は目標となる繰り返し荷重信号に対応して動き試験
片ＴＰに繰り返し荷重が負荷される。
【００１６】変位フィードバック制御時、目標信号発生
回路６０から平均変位と変位振幅と周波数で決定される
目標繰り返し変位信号を出力する。そして、スイッチ４
１により変位アンプ３３からの検出変位信号を選択す
る。以降は荷重フィードバック制御と同様に、試験片Ｔ
Ｐが目標繰り返し信号で与えられる変位で負荷される。
回路６０から平均変位と変位振幅と周波数で決定される
目標繰り返し変位信号を出力する。そして、スイッチ４
１により変位アンプ３３からの検出変位信号を選択す
る。以降は荷重フィードバック制御と同様に、試験片Ｔ
Ｐが目標繰り返し信号で与えられる変位で負荷される。
【００１７】図１に示す通り、フィードバック制御回路
４０では、変位フィードバック制御時、試験片ＴＰの検
出変位信号がメジャーループＭＪＬとして、試験片ＴＰ
の検出変形速度がマイナーループＭＮＬとしてフィード
バックされる。また、荷重フィードバック制御時、試験
片ＴＰの検出荷重信号がメジャーループＭＪＬとして、
試験片ＴＰの検出変形速度がマイナーループＭＮＬとし
てフィードバックされる。したがって、フィードバック
系のブロック線図は図２に示すように表され、要素Ｋ
１，Ｋ２を正とすれば安定した系となる。その結果、ダ
イナミック特性が改善され、１０ｇｆ〜１０ｋｇｆ程度
の微小荷重による疲労試験や、５０μｍ〜１ｍｍ程度の
微小変位による疲労試験を精度よく行うことができる。
４０では、変位フィードバック制御時、試験片ＴＰの検
出変位信号がメジャーループＭＪＬとして、試験片ＴＰ
の検出変形速度がマイナーループＭＮＬとしてフィード
バックされる。また、荷重フィードバック制御時、試験
片ＴＰの検出荷重信号がメジャーループＭＪＬとして、
試験片ＴＰの検出変形速度がマイナーループＭＮＬとし
てフィードバックされる。したがって、フィードバック
系のブロック線図は図２に示すように表され、要素Ｋ
１，Ｋ２を正とすれば安定した系となる。その結果、ダ
イナミック特性が改善され、１０ｇｆ〜１０ｋｇｆ程度
の微小荷重による疲労試験や、５０μｍ〜１ｍｍ程度の
微小変位による疲労試験を精度よく行うことができる。
【００１８】なお、速度センサに代えて変位センサで検
出した変位を時間微分して変形速度信号として利用して
もよい。この場合、速度センサが不要となりコストが低
減される。
出した変位を時間微分して変形速度信号として利用して
もよい。この場合、速度センサが不要となりコストが低
減される。
【００１９】なお、速度センサ３２が速度信号発生回路
を構成する。
を構成する。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
変位もしくは荷重の検出信号をメージャーループとし
て、変形速度信号をマイナーループとしてフィードバッ
クするようにしたので、フィードバック系が安定した系
となり、ダイナミック特性が改善されて、微小荷重、微
小変位での試験を精度よく行うことができる。
変位もしくは荷重の検出信号をメージャーループとし
て、変形速度信号をマイナーループとしてフィードバッ
クするようにしたので、フィードバック系が安定した系
となり、ダイナミック特性が改善されて、微小荷重、微
小変位での試験を精度よく行うことができる。
【図１】本発明の実施の形態に係る材料試験機の構成図
【図２】図１のフィードバック系のブロック線図
【図３】動電形アクチュエータの従来のフィードバック
制御回路を示す図
制御回路を示す図
【図４】（ａ）は従来の動電形アクチュエータのフィー
ドバック系のブロック線図、（ｂ）は油圧アクチュエー
タのフィードバック系のブロック線図
ドバック系のブロック線図、（ｂ）は油圧アクチュエー
タのフィードバック系のブロック線図
２ 動電形アクチュエータ ４ ロードセル ２１ コア ２２ 永久磁石 ２３ ヨーク ２４ ボビン ２５ コイル ３１ 変位センサ ３２ 速度センサ ４０ フィードバック制御回路 ４１ スイッチ ４２ 第１加算点 ４３ 第１ゲイン設定回路 ４４ 第２加算点 ４５ 第２ゲイン設定回路 ６０ 目標信号発生回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 3/38 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (1)
- 【請求項１】試験片を負荷する動電形アクチュエータ
と、前記試験片を目標値で負荷するための目標信号を与
える目標信号発生回路と、前記試験片の変位もしくは荷
重を検出する検出センサと、前記検出センサで検出した
変位もしくは荷重と前記目標信号との偏差によって前記
動電形アクチュエータをフィードバック制御するフィー
ドバック制御回路とを備えた材料試験機において、 前記試験片の変形速度に応じた速度信号を発生する速度
信号発生回路を備え、 前記フィードバック制御回路は、前記変位もしくは荷重
の検出信号をメージャーループとして、前記速度信号発
生回路から発生する速度信号をマイナーループとしてフ
ィードバックすることを特徴とする材料試験機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02343598A JP3284958B2 (ja) | 1998-02-04 | 1998-02-04 | 材料試験機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02343598A JP3284958B2 (ja) | 1998-02-04 | 1998-02-04 | 材料試験機 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11223593A JPH11223593A (ja) | 1999-08-17 |
| JP3284958B2 true JP3284958B2 (ja) | 2002-05-27 |
Family
ID=12110435
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02343598A Expired - Fee Related JP3284958B2 (ja) | 1998-02-04 | 1998-02-04 | 材料試験機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3284958B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106053272A (zh) * | 2016-08-16 | 2016-10-26 | 苏州东菱振动试验仪器有限公司 | 一种宽频疲劳试验机 |
| CN114252362B (zh) * | 2021-12-02 | 2024-03-19 | 北京建筑大学 | 一种双轴加载微动磨损试验机 |
-
1998
- 1998-02-04 JP JP02343598A patent/JP3284958B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11223593A (ja) | 1999-08-17 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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