JP3340056B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試験機本体に装着
した試料に荷重または変位を加える油圧サーボ系の作動
を、前記試料に加わった荷重または変位とその制御目標
値との偏差値に基づいてフィードバック制御する材料試
験機に係り、特に荷重または変位を検出する検出系アン
プのレンジ切替に拘わることなく上記フィードバック制
御系を安定に動作させ得る電気油圧サーボ型の材料試験
機に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】近時、各種試料に対する適用範囲
が広く、しかも精度の高い制御が可能なことから、図１
に示すように構成された閉ループ式の電気油圧サーボ型
の材料試験機が注目されている。この材料試験機は、概
略的には試験機本体をなすフレーム１にロードセル２を
介して装着された試験片（試料）Ｓに対して、油圧アク
チュエータ３を用いて荷重や変位を加えるように構成さ
れる。この油圧アクチュエータ３は、油圧源４からサー
ボ弁５を介して与えられる圧力油（油圧）を受けて作動
するものである。また制御部６は、サーボアンプ７を介
して上記サーボ弁５の作動を制御するもので、基本的に
は制御ゲイン設定部６ａにより設定された制御ゲインの
下で作動するコントロールユニット６ｂを備え、前記試
験片Ｓに加わる荷重や変位が、信号発生器６ｃにより生
成した制御目標値となるように前記サーボアンプ７の作
動を制御し、ひいては油圧アクチュエータ３の作動を制
御する如く構成される。

【０００３】尚、試験片Ｓに加えられた荷重（実荷重）
は前記ロードセル２によって検出される。また上記荷重
の印加によって試験片Ｓに生じる変位（実変位）は、例
えばアクチュエータ３の作動量（変位量）として変位計
８を介して検出され、更に前記荷重の印加によって試験
片Ｓに生じる歪みは該試験片Ｓに貼付された歪ゲージ９
により検出される。

【０００４】ここで制御部６について今少し詳しく説明
すると、この制御部６はマイクロプロセッサ等からなる
デジタル制御装置６ｅを主体として構成される。そして
図２に示すように、例えばロードセル２を介して求めら
れる試験片（試料）Ｓに生じた荷重（制御量）を検出ア
ンプ６ｄを介して検出し、その検出値（実荷重）と前記
信号発生器６ｃから与えられる制御目標値との偏差値Δ
を偏差器６ｆにて求めている。そして前記デジタル制御
装置６ｅにおいて上記偏差値Δが零（０）となるよう
に、前記サーボアンプ７の作動をフィードバック制御す
るように構成される。尚、前記制御ゲイン設定部６ａ
は、このようなフィードバック制御系におけるループゲ
インが最適化するように、前記デジタル制御装置６ｅの
制御ゲインを設定するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで試験片Ｓに生
じた荷重や変位を検出する検出アンプ６ｄは、専ら高感
度なアナログ増幅器等によって構成される。この為、上
記検出アンプ６ｄからなるアナログ検出系において検出
される制御量（荷重や変位）に電源ノイズ等の雑音が混
入することが否めない。特に試験片Ｓに生じる荷重や変
位の制御量が微小で、その検出レベルが低い場合、上記
制御量が雑音中に埋もれ易くなる。即ち、検出値の十分
なＳ／Ｎを確保することが困難となり、制御精度が劣化
する。

【０００６】そこで従来では、検出対象とする制御量の
信号レベルに応じて検出アンプ６ｄの増幅倍率（増幅ゲ
イン）を変更し、これによってそのＳ／Ｎを確保するこ
とが行われている。この処理は、所謂検出アンプ６ｄの
レンジ切替と称され、例えば１倍,２倍,５倍,１０倍と
言うように、その増幅倍率が選択的に設定される。ちな
みにこの場合には、例えば特開平３−２４８０３３号公
報に示されるように、上記増幅倍率の変更に連動させて
制御目標値のレベルも同時に変更することが行われる。
しかし一般に、検出信号に対するレンジ切替と制御目標
値のレベル変更とのタイミングにずれが生じることが否
めない。そこでこの公報では、制御目標値のレベル変更
が完了するまでの間、レンジ切替の実行直前に求めた検
出値と制御目標値との偏差値を、ホールド回路を用いて
保持することで上記タイミングのずれに起因する制御の
乱れを防ぐ技術が示されている。

【０００７】しかしながらこの場合、検出アンプの増幅
倍率の変更に伴って、その制御系の全体的なループゲイ
ンが変化することが否めない。特に図２に示すように、
そのフィードバック制御系がデジタル回路で実現される
場合、検出アンプの増幅倍率の変更（レンジ切替）に伴
うループゲインの変化に応じてデジタル制御装置６ｅの
制御ゲインを設定し直す必要が生じるので、その制御が
非常に大掛かりなものとなる。

【０００８】また図２に示すようにフィードバック制御
系が構成される場合には、アナログ増幅器によって構成
される検出アンプ６ｄでのレンジ切替には、一般的に数
十ｍ秒程度の時間を要するが、前述したデジタル回路を
主体として実現されるフィードバック制御系におけるレ
ンジ切替は、１００μ秒程度の制御周期のタイミングで
速やかに実行される。この為、デジタル系でのレンジ切
替とアナログ系でのレンジ切替とにおけるレンジ切り替
えの大きなタイミングのずれに起因して、デジタル制御
系の動作が不安定化することが否めない。

【０００９】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、油圧サーボ系の作動をフィード
バック制御するデジタル制御装置の制御ゲインを変更す
ることなしに、試料に生じた荷重や変位のレベルに応じ
てそのアナログ検出系のレンジ切替を安定に実行するこ
とのできる材料試験機を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る材料試験機は、試験機本体に装着され
た試料に荷重または変位を加える油圧サーボ系の作動
を、制御目標値と検出アンプを介して求められる前記試
料に加えられた荷重または変位の検出値との偏差値に基
づいて、デジタル制御装置を介してフィードバック制御
するようにしたものであって、特に前記試料に加えられ
た荷重または変位を検出する検出アンプの増幅倍率をレ
ンジ切替手段により設定すると共に、該連出アンプによ
る検出値をＡＤ変換器を介してデジタル変換した後、デ
ジタル係数器にて前記検出アンプの増幅倍率に応じて係
数処理することでその検出倍率を一定化した上で、該デ
ジタル係数器の出力値と前記制御目標値との偏差値を求
めて前記デジタル制御装置を作動させるようにし、更に
前記レンジ切替手段による前記検出アンプに対する増幅
倍率の切り替えが実行される期間、該増幅倍率の切り替
え直前における前記デジタル制御装置の前記油圧サーボ
系に対する制御値を一定に保持する保持手段を備えたこ
とを特徴としている。

【００１１】特に請求項２に記載するように前記保持手
段を、前記検出アンプの増幅倍率の切り替え直前におけ
る前記デジタル係数器の出力値を、上記増幅倍率の切り
替えが完了するまで保持して前記偏差器に与えるホール
ド回路として実現することを特徴としている。即ち、本
発明は検出アンプを介して試料に加えられた荷重または
変位を検出すると共に、その検出値をＡＤ変換器を介し
てデジタル変換した後、デジタル係数器にて前記検出ア
ンプの増幅倍率に応じて係数処理してその検出倍率を一
定化した上で偏差器に与えてその制御目標値との偏差を
求めるに際し、前記検出アンプの増幅倍率を変更設定す
るに要する期間、例えばデジタル係数器の出力値をホー
ルドすることで、制御目標値を変更することなく、また
デジタル制御装置の制御ゲインを変更することなしに、
しかもアナログ系とデジタル系とにおける制御タイミン
グのずれに拘わりなく、簡易に、且つ安定にそのレンジ
切替を行い得るようにしたことを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る材料試験機について、特に試料に対して
荷重または変位を加える油圧サーボ系のフィードバック
制御動作中における制御量のアナログ検出系のレンジ切
替機能について説明する。この実施形態に係る材料試験
機は、基本的には前述した図１に示すように、ロードセ
ル２を介してフレーム１と油圧アクチュエータ３との間
に試験片（試料）Ｓを装着する試験機本体と、サーボア
ンプ７を介してサーボ弁５の作動を制御して、前記油圧
アクチュエータ３により前記試験片（試料）Ｓに加える
荷重または変位をフィードバック制御する制御部（デジ
タル制御系）６とを備えて構成される。特に上記デジタ
ル制御系は、基本的には検出アンプ６ｄを介して検出さ
れる荷重または変位の検出値をデジタル変換して取り込
み、その検出値と信号発生器６ｃから与えられる制御目
標値との偏差値Δに基づいて、所定の制御ゲインの下で
前記油圧サーボ系に対する制御出力をデジタル演算によ
って求めるＰＩＤ制御装置として実現される。

【００１３】さてこの材料試験機が特徴とするところ
は、図３に制御部６の機能的な概略構成を示すように、
検出アンプ６ｄを主体とするアナログ検出系と、この検
出アンプ６ｄを介して検出された試料Ｓに生じた荷重ま
たは変位の検出値に従って油圧サーボ系１１の作動をデ
ジタル的にフィードバック制御するデジタル制御系とか
らなる。

【００１４】特に上記デジタル制御系は、前記検出アン
プ６ｄの増幅倍率（検出レンジ）を、例えば１倍,２倍,
５倍,１０倍と言うように選択的に切り替え設定するレ
ンジ切替制御部１２と、上記検出アンプ６ｄを介して検
出された荷重または変位からなる検出値をデジタル変換
するＡＤ変換器１３と、前記検出アンプ６ｄに設定され
たレンジ（増幅倍率）に応じて前記ＡＤ変換器１３によ
りデジタル変換された検出値を係数処理するデジタル係
数器１４と、係数処理された検出値を保持するホールド
回路１５とを備えている点にある。しかして偏差器６ｆ
は、前記ホールド回路１５を介して得られた検出値と信
号発生器６ｃが発生した制御目標値との偏差値Δを求て
おり、デジタル制御装置６ｅは所定の制御ゲインの下で
上記偏差値Δに従って前記油圧サーボ系１１の作動を制
御するものとなっている。尚、前記デジタル係数器１４
およびホールド回路１５は、前記レンジ切替制御部１２
によってその作動が制御される。

【００１５】このように構成される制御系における特徴
的な機能とその動作について説明すると、前記検出アン
プ６ｄは高感度なアナログ増幅器によって構成されてお
り、レンジ切替制御部１２の制御により、その増幅倍率
（検出レンジ）が選択的に設定されるように構成されて
いる。この検出アンプ６ｄのレンジ切替は、増幅器の回
路定数を変更する等してハード的に実行され、その切り
替え処理には数十ｍ秒程度の時間を要する。

【００１６】これに対して制御部６におけるＡＤ変換器
１３やデジタル係数器１４等からなる各処理機能は、例
えば１００μ秒の制御周期の下で演算処理を実行してお
り、デジタル係数器１４における係数処理に用いられる
係数についても、上記制御周期で切り替え設定されるよ
うになっている。このデジタル係数器１４は、前記レン
ジ切換制御部１２の制御を受けて、前記検出アンプ６ｄ
でのレンジ切替に連動してその係数値が変更されるもの
で、例えば検出アンプ６ｄでの検出レンジが１０倍に設
定された場合、ＡＤ変換器１３からの出力を（１／１
０）に変換することで、試料Ｓに生じた荷重または変位
の検出倍率を一定に保つ役割を担う。

【００１７】即ち、例えばロードセル２により検出され
る荷重値が、その最大荷重の（１／１０）程度であり、
この荷重値をＳ／Ｎ良く高感度に検出するべく前記検出
アンプ６ｄの検出レンジを１０倍に設定すると、該検出
アンプ６ｄから出力される制御量の信号レベルは通常の
１０倍となる。デジタル係数器１４は、このような検出
アンプ６ｄからの出力信号を前記ＡＤ変換器１３を介し
てデジタル変換した値を、前記検出アンプ６ｄの検出レ
ンジに対応して（１／１０）に係数処理することで、偏
差器６ｆに与えるべく制御量を本来のレベルに復元する
役割を担っている。

【００１８】このような検出アンプ６ｄに対するレンジ
切替と、これに連動した係数処理により、検出倍率を一
定に保った条件のまま、アナログ系において混入する電
源ノイズ等の雑音成分が低減され、そのＳ／Ｎの向上が
図られる。ひいては雑音に起因する制御系の誤動作が防
止され、その動作安定化が図られる。即ち、検出アンプ
６ｄの増幅倍率を高くして荷重または変位を高感度に検
出しても、そこに混入する雑音成分は一定のままなの
で、これによって検出信号に対する雑音成分の比率を小
さくすることができる。

【００１９】ところで上記検出アンプ６ｄにおけるレン
ジ切替に伴うデジタル系での動作モードの切り替えは、
前述したようにその制御周期のタイミングで高速に実行
される。この為、例えば油圧サーボ系１１に対するフィ
ードバック制御動作中にレンジ切替が指示されると、検
出アンプ６ｄでレンジ切り替えタイミングとの間に時間
的なずれが生じることが否めない。そこでレンジ切替制
御部１２では、検出アンプ６ｄでのレンジ切替が完了す
るまで、デジタル制御装置６ｅが油圧サーボ系１１に対
して与える制御出力を一定に保つべく、前記ホールド回
路１５を作動させている。

【００２０】即ち、レンジ切替制御部１２は、レンジ切
替が指示されたとき、デジタル係数器１４の出力を一定
期間に亘って保持し、レンジ切替直前における検出値を
そのまま偏差器６ｆに与えるものとなっている。そして
検出アンプ６ｄでのレンジ切替が完了し、既にレンジ切
替が実行されたデジタル係数器１４を介して検出値が正
しく求められた時点で、再度、デジタル係数器１４から
の出力を前記偏差器６ｆに与えるものとなっている。

【００２１】かくしてこのように構成された制御系によ
れば、図４にその制御処理の概念を時間的な経緯として
示すように、油圧サーボ系１１に対する制御動作中にレ
ンジ切替信号Ｓが与えられると、制御系６におけるデジ
タル係数器１４は、その制御周期を規定するクロックＣ
Ｐに従って、図中Ａに示すようにその係数を速やかに切
り替える。しかしながら検出アンプ６ｄにおけるレンジ
切替は、図中Ｂに示すように数十ｍ秒の遅れを経て完了
する。

【００２２】しかしてレンジ切替制御部１２は、上述し
た検出アンプ６ｄのレンジ切替時間を見込んで図中Ｈに
示すようにホールド信号を出力し、ホールド回路１５を
作動させている。この結果、レンジ切替直前の検出値Ｃ
1が、前記検出アンプ６ｄのレンジ切り替えが完了する
までホールド回路１５に保持され、一定の検出値Ｃ2と
して偏差器６ｆに与えられる。特にホールド回路１５
は、デジタル係数器１４の係数値が変更される直前の該
デジタル係数器１４の出力をそのまま保持し、これを偏
差器６ｆに与えるものとなっている。そして検出アンプ
６ｄのレンジ切り替えが完了した後には、新たな検出レ
ンジの下で求められた検出値Ｃ3が偏差器８ｂに与えら
れることになる。

【００２３】ちなみに検出アンプ６ｄのレンジ切り替え
が完了するまでの期間においては、デジタル係数器１４
はＡＤ変換器１３の出力を、既にレンジ切り替えが完了
していると看做して係数処理するので、その出力は図中
Ｄに示すように本来のレベルの検出値とは大きく異なっ
たものとなる。即ち、検出アンプ６ｄでの増幅倍率が１
０倍に設定された場合、デジタル係数器１４はその出力
を（１／１０）に係数処理して検出倍率を一定に保とう
とするが、実際には検出アンプ６ｄの出力が１０倍とな
っていないので、係数処理された検出値は、図中信号Ｄ
に示すように本来のレベルの（１／１０）となる。この
ように検出レベルの大きく異なる信号Ｄが偏差器６ｆに
与えられることを防ぐべく、レンジ切替制御部１２では
ホールド回路１５を作動させている。そしてレンジ切替
直前にデジタル係数器１４から出力されている検出値を
保持することで、上記の如く大きく変化するデジタル係
数器１４からの不本意な検出値がそのまま偏差器６ｆに
与えられることを防いでいる。

【００２４】そして検出アンプ６ｄのレンジ切替が完了
した後には、検出アンプ６ｄから出力される検出値は、
図中Ｅに示すようにその増幅倍率に応じたものとなる。
このときデジタル係数器１４は上記検出アンプ６ｄの増
幅倍率に応じて上記検出値Ｅを係数処理して、その出力
が一定の検出倍率の検出値Ｃ3に復元する。そこでホー
ルド回路１５は、前述したホールド信号Ｈの消滅に伴
い、上記デジタル係数器１４にて係数処理して求められ
た検出値Ｃ3を通過させ、これを偏差器６ｆに与えるこ
とになる。

【００２５】従って上述した如くして検出アンプ６ｄの
レンジ切り替えが完了するまでの期間、そのレンジ切り
替え直前の検出値をホールド回路１５に保持し、これに
よって油圧サーボ系１１に与える制御出力値を一定に保
持する機能を備えたこの実施形態に係る材料試験機によ
れば、油圧サーボ系１１を作動させながら、そのときの
試験状態等に応じて検出アンプ６ｄのレンジを適宜切り
替えても、例えば偏差器６ｆに与える検出値の連続性を
確保することができる。従ってその制御目標に応じたレ
ンジの下で、油圧サーボ系１１における荷重や変位の制
御量をＳ／Ｎ良く検出して、そのフィードバック制御を
安定に、且つ高精度に実行することが可能となる。

【００２６】特に上述した構成によれば、検出アンプ６
ｄに対して設定した増幅倍率（検出レンジ）に応じてデ
ジタル係数器１４における係数を設定して、偏差器６ｆ
に与える検出値の検出倍率を一定に保つので、信号発生
器６ｃから偏差器６ｆに与える制御目標値のレベルを変
更する必要がない。しかも信号検出系のゲインが一定に
保たれるので、デジタル制御装置６ｅにおける制御ゲイ
ンを変更する必要もない。従って非常に簡易に、その検
出系の検出レンジ（増幅倍率）を切り替えることが可能
となる。

【００２７】また油圧サーボ系１１に対する作動制御を
実行しながら、その検出系の検出レンジを適宜切り替え
設定することができ、レンジの切り換え動作期間におけ
る制御系の動作不安定化を招くことがない。従って試料
Ｓの試験状態に応じて適応的に検出レンジの切り替えを
行うことが可能となるので、試験機に対する取り扱いを
容易ならしめ、更には試験効率の向上を図り得る等の効
果が奏せられる。

【００２８】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えばデジタル制御装置６ｅが油圧サ
ーボ系１１に与える制御出力をホールドすることによっ
て検出アンプ６ｄのレンジ切替に伴う油圧サーボ系１１
の動作不安定化か防止するようにしても良い。或いは偏
差器６ｆの出力（偏差値Δ）をホールドすることによっ
て、同様な機能を実現することも可能である。この場
合、検出アンプ６ｄの検出レンジを切り替える期間、信
号発生器６ｃから偏差器６ｆに与える制御目標値を一定
に保つことが望ましい。その他、本発明はその要旨を逸
脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ンジ切替手段により増幅倍率が設定される検出アンプを
介して試料に加えられた荷重または変位を検出し、この
検出アンプによる検出値をＡＤ変換器を介してデジタル
変換した後、前記検出アンプの増幅倍率に応じて前記デ
ジタル変換された検出値を係数処理してその検出倍率を
一定化するデジタル係数器とを備え、デジタル制御装置
では上記デジタル係数器の出力値と前記試料に加える荷
重または変位に対する制御目標値との偏差値に従って油
圧サーボ系の作動をフィードバック制御するようにし、
前記レンジ切替手段による前記検出アンプに対する増幅
倍率の切り替えが実行される期間、該増幅倍率の切り替
え直前における前記デジタル制御装置の前記油圧サーボ
系に対する制御値を一定に保持する保持手段を備えてい
る。具体的には、保持手段として、前記デジタル偏差器
の出力を保持するホールド回路、または偏差器の出力を
保持するホールド回路を備えている。

【００３０】従って本発明によれば、検出アンプのレン
ジ切替に拘わることなく、デジタル制御装置に与える検
出値の検出倍率を一定に保つことができるので、制御目
標値やデジタル制御装置の制御ゲインを変更することな
しに検出アンプのレンジを切り替えて、その制御精度を
高めることができる。しかもホールド回路により、アナ
ログ系とデジタル系でのレンジ切替のタイミングのずれ
に起因する制御誤差を吸収するので、そのレンジ切替を
安定に実行することができる。従って材料試験機の取り
扱いを容易ならしめると共に、試験効率の向上を図り得
る等の実用上多大なる効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る材料試験機の概略的
な構成を示す図。

【図２】本発明に係る電気油圧サーボ型の材料試験機に
おける制御系の構成を示すブロック線図。

【図３】本発明に係る材料試験機の特徴的なレンジ切替
機能を実現する制御系の概略的な構成を示す図。

【図４】レンジ切り替え時の制御処理の概念を時間的な
経緯として示す図。

【符号の説明】

Ｓ 試料（試験片） １ フレーム ２ ロードセル ３ 油圧アクチュエータ ４ 油圧源 ５ サーボ弁 ６ 制御部 ８ 変位計 ６ｃ 信号発生器 ６ｄ 検出アンプ ６ｅ デジタル制御装置 ６ｆ 偏差器 ８ｃ コントローラ ９ サーボアンプ １１ 油圧サーボ系 １２ レンジ切替制御部 １３ ＡＤ変換器 １４ デジタル係数器 １５ ホールド回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−248033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−298601（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−142233（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−35053（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 3/02 G01N 3/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試験機本体に装着された試料に荷重また
   は変位を加える油圧サーボ系と、レンジ切替手段により
   設定された増幅倍率の下で前記試料に加えられた荷重ま
   たは変位を検出する検出アンプと、この検出アンプによ
   る上記荷重または変位の検出値をデジタル変換するＡＤ
   変換器と、前記検出アンプの増幅倍率に応じて前記デジ
   タル変換された検出値を係数処理して前記荷重または変
   位に対する検出倍率を一定化するデジタル係数器と、こ
   のデジタル係数器の出力値と前記試料に加える荷重また
   は変位に対する制御目標値との偏差値を求める偏差器
   と、上記偏差値に従って前記油圧サーボ系の作動をフィ
   ードバック制御するデジタル制御装置と、前記レンジ切
   替手段による前記検出アンプに対する増幅倍率の切り替
   えが実行される期間、該増幅倍率の切り替え直前におけ
   る前記デジタル制御装置の前記油圧サーボ系に対する制
   御値を一定に保持する保持手段とを具備したことを特徴
   とする材料試験機。
2. 【請求項２】 前記保持手段は、前記検出アンプの増幅
   倍率の切り替え直前における前記デジタル係数器の出力
   値を、上記増幅倍率の切り替えが完了するまで保持して
   前記偏差器に与えるホールド回路からなることを特徴と
   する請求項１に記載の材料試験機。