JP3340057B2 - 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、油圧サーボ系を介
して試料に加える負荷をフィードバック制御して該試料
を試験する材料試験機に係り、特にその制御目標値とし
て与える信号波形を効果的に得ることのできる波形発生
器を備えた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
略的にはロードセル１を介してフレーム２と油圧シリン
ダからなるアクチュエータ３との間に各種試料である試
験片Ｓを保持し、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）を用いてアクチュエータ３を駆動
し、これによって前記試験片Ｓに負荷を加える如く構成
される。即ち、概略的には試験機本体に装着した試料Ｓ
に対し、油圧サーボ系を介して荷重や変位を加える如く
構成される。

【０００３】しかして試験片Ｓに加えられた荷重（実荷
重）は前記ロードセル１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に生じる変位は、アクチュ
エータ３の作動量（変位量）として変位計６により検出
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７により検出され
る。マイクロコンピュータ等によって構成される制御部
８は、上記の如く検出される荷重や変位，および歪みを
それぞれ入力し、例えばロードセル１によって検出され
る実荷重（制御量）と荷重目標値（制御目標値）との偏
差が零（０）となるようにサーボアンプ９を介してサー
ボ弁５の作動をフィードバック制御する。このようなフ
ィードバック制御系により、油圧駆動されるアクチュエ
ータ３がサーボ制御されて前記試験片Ｓに加えられる負
荷が調整される。

【０００４】尚、この電気油圧サーボ制御系は、図２に
示すようにフィードバック制御系を構成する閉ループを
なすブロック線図として表現される。即ち、この制御系
は荷重（または変位）に対する制御目標値と、検出アン
プ８ａを介して検出される試験片（負荷）Ｓに対する制
御量（荷重または変位）との偏差Δを偏差器８ｂを介し
て求め、所定の制御ゲインが設定されたコントローラ８
ｃの下で上記偏差Δを零（０）とするようにサーボアン
プ９の作動を制御する。このサーボアンプ９の作動によ
り前記サーボ弁５を介してアクチュエータ３が油圧駆動
され、これによって前記試験片Ｓに対する制御量（荷重
または変位）が調整される制御ループが構築されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで上述した如く
構成される電気油圧サーボ型の材料試験機を用いた試験
片（試料）Ｓの試験は、その制御系に、例えば図３に示
すような試験波形を前記制御目標値として与えて実行さ
れる。具体的には試料Ｓの疲労試験を実行する場合に
は、正弦波，三角波，矩形波，ランプ波等の連続的に繰
り返し変化する試験波形を生成し、これを油圧サーボ制
御系に対する制御目標値として与えることで該試料Ｓに
加える荷重（変位）を繰り返し変化させて行われる。ま
た引っ張り・圧縮試験を行う場合には、例えばランプ波
形をその制御目標値として与えることで実行され、更に
クリープ・リクラゼーション試験を行う場合には、ラン
プ・ホールド波形を制御目標値として与えることで実行
される。

【０００６】ちなみに制御目標値として与える試験波形
の変化幅（信号波形の振幅）や、その変化周期等につい
ては、試験片（試料）Ｓの種類やその大きさ、更にはそ
の試験目的に応じて設定される。例えば周期的に繰り返
し変化する試験波形を用いて疲労試験を実行する場合に
は、その試験仕様に応じて前記試験波形の繰り返し周波
数が０.０１Ｈzの超低周波から、油圧サーボ系の動作限
界である１００Ｈz程度の周波数域の範囲において任意
に設定される。また制御目標値の大きさ（信号波形の振
幅やその平均値レベル）についても、試験片（試料）Ｓ
の剛性（バネ定数）等に応じて設定される。

【０００７】しかしながらこれらの多様な試験波形、特
に前述した０.０１Ｈzの超低周波の繰り返し信号波形を
アナログ的に生成する波形発生器は、一般的に非常に高
価であり、その構成も複雑である。そこでこれらの試験
波形をデジタル的に発生させることが種々試みられてい
る。しかし、例えば必要な基本波形データを記憶してお
く為の波形データメモリとして大容量メモリを必要とし
たり、波形データを高精度に生成する為の演算処理が相
当複雑化する等の問題があった。

【０００８】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、油圧サーボ系をフィードバック
制御して実行される各種試験において、その制御目標値
として用いられる試験波形を、試験仕様に応じて簡易に
生成することのできる波形発生器を備えた材料試験機を
提供することにある。

【０００９】

【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
た試料に負荷を加える油圧サーボ系の作動を、前記試料
に加えられた荷重または変位として検出される制御量
と、その制御目標値として与えられる試験波形との偏差
に応じてフィードバック制御する制御系と、試験目的に
応じて上記試験波形を生成する波形発生器とを備えたも
のであって、特に前記波形発生器として、１周期分の基
本信号波形を該基本信号波形の特徴に応じてサンプリン
グした信号値の系列として記憶した波形データメモリを
備えてなり、この波形データメモリから所定の周期で前
記信号値を順に読み出すに際して、前記制御目標値とし
て与える信号波形の周波数に応じて設定される間引き数
に従って前記波形データメモリから同一サンプリング点
の信号値を連続して繰り返し読み出し、この波形データ
メモリから順次読み出された信号値を前記間引き数に応
じて補正（間引き補正）して前記信号値の系列が示す基
本信号波形を復元し、復元された基本信号波形の振幅を
調整することで前記制御目標値をなす試験波形を得るよ
うにしたことを特徴としている。

【００１０】即ち、波形データメモリに記憶された信号
値の系列を、制御目標値として与える試験波形を、予め
その周波数に応じて間引きした信号値の系列として捉
え、該波形データメモリに記憶された信号値をその間引
き数に応じて順次連続して繰り返し読み出すことで、見
掛け上、間引きされたサンプリング点における仮の信号
値を得、且つその信号値を前記間引き数に応じて補正す
ることで上記間引きされたサンプリング点に相当する信
号値を求めることによって、前記試験波形を等価的に復
元するようにし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、間引き数
に従って連続して繰り返し読み出された信号値の補正
を、例えば前記波形データメモリから読み出される連続
した２サンプリング点間の信号値差と、前記間引き数と
に応じて定まる補償値に基づいて補正することで、前記
２サンプリング点間の、見掛け上、間引きされたサンプ
リング点おける信号値を効果的に与えるようにしたこと
を特徴としている。

【００１２】更に本発明は請求項３に記載するように、
前記波形発生器に、前記制御系にフィードバックされる
制御量に応じて、該制御系に与える信号波形の平均値レ
ベルを可変設定する手段を設けることで、油圧サーボ系
の応答特性に応じた試験波形を得ることを特徴としてい
る。

【００１３】

【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が備えた波形発生器について
説明する。即ち、試料に対して荷重または変位を加える
油圧サーボ系の作動をフィードバック制御する制御系に
対して与える制御目標値としての、各種試験仕様に応じ
た信号波形を生成する波形発生器の構成とその機能につ
いて説明する。

【００１４】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１を介して
フレーム２とアクチュエータ３との間に試験片（試料）
Ｓを装着する試験機本体と、サーボ弁５を介して油圧駆
動されて前記試験片（試料）Ｓに荷重または変位を加え
るアクチュエータ３（油圧サーボ系）と、この油圧サー
ボ系の作動をフィードバック制御する制御部（制御系）
８とを備えて構成される。この制御系８は、基本的には
検出アンプ８ａを介して検出された制御量（荷重または
変位）と、試験仕様に応じて波形発生器から与えられる
試験波形によって示される制御目標値との偏差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の作動
をフィードバック制御することで、前記試験波形に応じ
て変化する荷重または変位を前記試験片（試料）Ｓに加
える如く構成される。

【００１５】さてこの材料試験機が特徴とする波形発生
器は、図４にその機能的な概略構成を示すように、各種
試験に用いられる正弦波や三角波等の、予め正規化され
た１周期分の基本信号波形を該基本信号波形の特徴に応
じてサンプリングした信号値の系列として記憶した波形
データメモリ２１を備えている。即ち、この波形データ
メモリ２１は、例えば図５に示すように所定の信号レベ
ルに正規化された１周期分の正弦波を１６等分し、各サ
ンプリング点での信号値の系列（ａ1,ａ2,ａ3,…,ａ16,
ａ17）として記憶することで該正弦波の基本波形を表現
している。尚、三角波の場合には、例えばその１周期分
の基本波形を４等分する各サンプリング点での信号値の
系列（ｂ1,ｂ2,ｂ3,ｂ4,ｂ5）として記憶される。また
ランプ波の場合には、例えばその１周期における最初と
最後の信号値からなる２点を特定する信号値の系列（ｃ
1,ｃ2）,（ｄ1,ｄ2）としてその基本波形が記憶され
る。尚、これらの各基本信号波形を、それぞれ同じサン
プリング数の信号値の系列として記憶することも勿論可
能である。

【００１６】しかして読出し制御部２２は、試験仕様に
応じて選択指定された種別の基本信号波形を示す信号値
の系列を前記波形データメモリ２１から順次読み出すも
のである。特に読出し制御部２２は、波形データメモリ
２１を所定の読み出し周期でアクセスしており、該波形
データメモリ２１から一定の周期で信号値を読み出して
いる。

【００１７】この際、読み出し制御部２２は、油圧サー
ボ系の制御部８に対して制御目標値として与える試験波
形の周波数に応じて、前記波形データメモリ２１に記憶
された１周期分の信号値の系列を上記試験波形を間引い
たものと看做し、その間引かれたサンプリング点の信号
値を補間するべく、その間引き数に応じて同一サンプリ
ング点の信号値を連続して繰り返し読み出すものとなっ
ている。

【００１８】即ち、波形データメモリ２１に記憶された
１周期分の信号値の系列が、例えば１６サンプルのデー
タ系列からなり、これらの１６サンプルのデータ系列を
前述した読み出し速度で順次読み出したときの該信号値
の系列によって示される信号波形の周波数に比較して、
制御目標値値として与える試験波形の周波数が（１／
３）倍である場合、実際的には前記波形データメモリ２
１から前記信号値の系列を３倍の周期でゆっくりと読み
出す必要がある。このような場合、読出し制御部２２で
は、波形データメモリ２１に記憶された１周期分の信号
値の系列が、上記試験波形を２サンプル分ずつ間引いた
信号値の系列である看做している。

【００１９】そしてこの場合、読出し制御部２２では、
上記の如く見掛け上、間引かれたサンプル点での信号値
を補うべく、波形データメモリ２１に記憶された図６
(ａ)に示す如き各サンプリング点での信号値を、図６
(ｂ)に示すように３回ずつ連続して繰り返し読み出すこ
とで、前記試験波形の周波数を再現し、間引かれたサン
プリング点における仮の信号値を求めている。

【００２０】しかして間引き補償部２３は、上述した如
くして波形データメモリ２１から連続して繰り返し読み
出される信号値の系列を、上記間引き数に応じて補償し
て図６(ｃ)に示す信号値の系列を生成することで、前記
波形データメモリ２１に記憶された信号値の系列が示す
信号波形を、周波数変換した状態で復元している。この
間引き補償は、例えば図７に示すように波形データメモ
リ２１に記憶された連続する２サンプリング(i),(i+1)
点間の信号値Ｄ(i),Ｄ(i+1)の差ｅと、その間引き数ｎ
とに応じて実行される。具体的には、間引きされたサン
プリング点を含む複数のサンプリング点（ｎ＋１）間に
おいて、上記信号値の差ｅが生じたとして捉え、各サン
プリング点間おける補正値を [補正値] ＝（Ｄ(i+1)−Ｄ(i)）／（ｎ＋１） として求める。この補正値を間引きによって波形データ
メモリ２１から繰り返し読み出された信号値Ｄ(i)の繰
り返し回数に応じて順次累積加算することによって、そ
の間引き補償が実行される。この結果、前述したように
図６(ｂ)に示す如く連続して繰り返し読み出された信号
値の系列が、図６(ｃ)に示すように間引き補償されて、
波形データメモリ２１に記憶された信号値の系列が示す
基本波形の信号成分に復元されることになる。

【００２１】しかしてこのようにして間引き補償部２３
にて間引き補償が施されて復元された信号波形は、振幅
換算部２４に入力され、前記制御部８に制御目標値とし
て与えるべく振幅値に変換される。具体的には上記信号
波形を係数処理する等して、その振幅レベルの調整が行
われる。このようにして振幅調整された信号波形（信号
値の系列）が後述する補正回路２５を介して波形出力部
２６に与えられ、該波形出力部２６において、適宜スム
ージング処理が施された後、制御目標値として前述した
制御部８に出力される。

【００２２】尚、上述した試験波形の発生処理は、正弦
波や三角波等のように所定の繰り返し周期で連続的に変
化する波形を生成する場合には、その基本信号波形をな
す信号値の系列を上記繰り返し周期で巡回的に繰り返し
読み出すことによって実現される。この点、ランプ波形
のような場合には、その変化時間に応じた間引き数で最
初の信号値を繰り返し読み出しながら、最後の信号値と
の差ｅに基づいて上記繰り返し読み出す信号値を順次累
積的に間引き補償するようにすれば良い。またランプ・
ホールド波形を発生する場合には、上述したランプ波形
の読み出し処理と、その間引き補償を実行した後、最後
に読み出した信号値をホールドするようにすれば良い。

【００２３】かくして上述した如く構成された波形発生
器によれば、波形データメモリ２１に予め記憶した基本
波形のサンプル数が少ない場合であっても、該波形デー
タメモリ２１から基本波形を示す信号値の系列を所定の
周期で読み出す際、制御目標値として与える信号波形の
周波数（変化周期）に応じて同一サンプリング点の信号
値を繰り返し読み出すことで、見掛け上、間引きされた
サンプリング点における仮の信号値と看做し、これをそ
の間引き数に応じて補正するので、試験波形の周波数が
低い場合であっても精度の高い信号波形として得ること
ができる。しかも波形データメモリ２１に記憶された信
号波形の系列が間引きされたものである看做すことで、
波形データメモリ２１から同一データを繰り返し連続的
に読み出し、且つそのデータを間引き補償して所望とす
る周波数の基本信号波形を復元するので、その信号処理
が非常に簡単であり、簡単な構成の下で精度の高い試験
波形を得ることができると言う効果が奏せられる。

【００２４】ところで前述した補正回路２５は、油圧サ
ーボ制御系から検出される制御量に基づいて前述した如
く生成する試験波形を補正する役割を担っている。即
ち、油圧サーボ系は、該油圧サーボ系に固有な周波数応
答特性を有しており、仮に試験仕様に応じた試験波形を
制御目標値として与えたとしても、その制御目標値に示
される荷重または変位の応答が得られるとは限らない。
つまり試験片（試料）Ｓに対して或る変化幅で荷重を周
期的に加えるべく試験波形を発生させ、この試験波形を
制御目標値として制御部８に与えても、実際に試験片
（試料）Ｓに加わる荷重が所望とする荷重変化を示さな
いことがある。

【００２５】このような応答性に起因する試験条件の誤
差要因に対処するべく、この波形発生器においては補正
回路２５を備えている。この補正回路２５は、例えば油
圧サーボ系で検出される実荷重や実変位からなる制御値
のピーク値およびボトム値を検出するＰＢ検出器２５ａ
と、このＰＢ検出器２５ａによって求められた１周期に
亘る制御量のピーク値とボトム値とから、図８に示すよ
うにその平均値ｍを求め、制御目標値（試験波形）によ
って示される目標とする荷重の平均値Ｍとの差に基づい
て前記制御目標値に対する補正量を求める平均値補正手
段２５ｂとを備えている。前記振幅換算部２４により振
幅レベルの調整が行われた信号波形（信号値の系列）を
入力する振幅補正部２５ｃは、上記平均値補正手段２５
ｂにて求められた補正値に従って上記信号波形の振幅と
その平均値を補正し、これによって試験片（試料）Ｓに
加えられる荷重が本来の試験条件で示される振幅値で変
化するように、前記制御目標値として制御部８に与える
試験波形の振幅自体を調整するものである。

【００２６】このような補正回路２５による試験波形の
振幅調整により、図８に実線で示すようなレベルの試験
波形（制御目標値）を加えたにも拘わらず、実際に試料
Ｓに加わる荷重が図８に破線で示すようなレベルでしか
変化しないような場合、油圧サーボ系から検出される制
御量に従って試験波形（制御目標値）が補正されること
になるので、試験片（試料）Ｓに対する試験条件（例え
ば荷重条件）を高精度に規定することが可能となる。こ
の結果、簡易に生成した試験波形の下で、その試験を高
精度に実行することが可能となり、試験精度の向上を図
ることが可能となる。特に振幅換算して得られた試験波
形の振幅を直接的に補正し、これを制御目標値として出
力するので、簡易にして効率的にその試験精度を高める
ことが可能となる等の効果が奏せられる。

【００２７】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。例えば波形データメモリ２１に記憶す
る基本波形のサンプリング数は、そのメモリ容量が許す
限り多く設定しておくことが望ましい。また波形データ
メモリ２１から同一データを連続して繰り返し読み出す
回数、即ち、間引きの数はｎは、該波形データメモリ２
１に記憶した基本信号波形のサンプリング数と、その読
み出し周期とに従って決定される基本周波数と、制御目
標値として与える試験波形の周波数に応じて定めれば良
いものである。特にこれにの周波数が等しい場合には、
間引き数ｎを零（０）とし、前述した間引き処理しない
ことは勿論のことである。

【００２８】また例えば上述した基本波形以外に、外部
においてサンプリング収集されたランダム波形を読み込
み、このランダム波形を同様に処理してフィードバック
制御の目標値として用いることも可能である。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、制
御目標値として与える試験波形の周波数に応じて、波形
データメモリに記憶された信号値の系列を、間引き処理
された信号値系列と看做して同一データを連続して繰り
返し読み出しながら、そのデータを間引き補償するの
で、簡易にして効果的に高精度な試験波形を生成するこ
とができる。しかも大容量の波形データメモリを用いる
ことなしに、所望とする周波数の試験波形を、特に極低
周波の試験は計を高精度に生成することができる等の実
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において用いられる各
種試験波形の例を示す図。

【図４】本発明に係る材料試験機に組み込まれる波形発
生器の概略的な機能構成図。

【図５】波形データメモリに予め書き込まれる各種基本
信号波形をサンプリングした信号値の系列を示す図。

【図６】波形データメモリに記憶された信号値の系列
と、該波形データメモリから読み出される信号値の系
列、および間引き補償を施した信号値の系列を対比して
示す図。

【図７】波形データメモリから連続して繰り返し読み出
された信号値に対する間引き補償の処理概念を示す図。

【図８】試験波形として与える制御目標値に対する制御
量に基づく補正の概念を示す図。

【符号の説明】

Ｓ 試料（試験片） １ ロードセル ２ フレーム ３ アクチュエータ ４ 油圧源 ５ サーボ弁 ６ 変位計 ８ 制御部 ８ａ 検出アンプ ８ｂ 偏差器 ８ｃ コントローラ ２１ 波形データメモリ ２２ 読み出し制御部 ２３ 間引き補償部 ２４ 振幅換算部 ２５ 補正回路 ２６ 波形出力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−128207（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−78052（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−63543（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−123686（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−203700（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−78044（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−33638（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−101204（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(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負荷を加
   える油圧サーボ系と、前記試料に加えられた荷重、変位
   または歪みを制御量として検出し、該制御量と制御目標
   値との偏差に応じて前記油圧サーボ系をフィードバック
   制御する制御系と、前記制御目標値を前記試料の試験目
   的に応じた試験波形として与える波形発生器とを具備し
   た材料試験機であって、 前記波形発生器は、１周期分の基本信号波形を該基本信
   号波形の特徴に応じてサンプリングした信号値の系列と
   して記憶した波形データメモリと、この波形データメモ
   リから所定の周期で前記信号値を順に読み出すに際し
   て、前記制御目標値として与える信号波形の周波数に応
   じて設定される間引き数に従って前記波形データメモリ
   から同一サンプリング点の信号値を連続して繰り返し読
   み出す波形データ読み出し手段と、前記波形データメモ
   リから順次読み出された信号値を前記間引き数に応じて
   補正して前記信号値の系列が示す前記基本信号波形を復
   元する間引き補償手段と、復元された基本信号波形の振
   幅を調整して前記制御目標値をなす試験波形を得る手段
   とを具備したことを特徴とする材料試験機。
2. 【請求項２】 前記間引き補償手段は、前記波形データ
   メモリから読み出される連続した２サンプリング点間の
   信号値差と、前記間引き数とに応じて定まる補償値に基
   づいて前記波形データメモリから読み出された信号値を
   補正することを特徴とする請求項１に記載の材料試験
   機。
3. 【請求項３】 前記波形発生器は、前記制御系にフィー
   ドバックされる制御量に応じて、該制御系に与える信号
   波形の平均値レベルを可変設定する手段を備えているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。