JP3858833B2

JP3858833B2 - 材料試験機

Info

Publication number: JP3858833B2
Application number: JP2003044202A
Authority: JP
Inventors: 武彦福田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP2004251825A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、モータにて金属、ゴム、食品などの供試体を負荷する材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、サーボモータにより一対のねじ棹を駆動して供試体に引張荷重や圧縮荷重を与えて供試体を評価する材料試験機が知られている。このような材料試験機では、応力増加速度一定制御を行う場合、応力を検出し、目標とする応力増加速度と検出した応力から演算された応力増加速度との偏差を算出し、この偏差がゼロになるようにサーボモータを制御する。歪み増加速度一定制御の場合は、歪みを検出し、目標とする歪み増加速度と検出した歪みから演算された歪み増加速度との偏差を算出し、この偏差がゼロになるようにサーボモータを制御する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の材料試験機では、試験条件に応じたゲインを設定しておき、上記偏差と予め設定されたゲインとを用いて下記（１）式に基づいてモータへ入力する指令値が算出される。
【数１】
指令値Ｐ＝偏差ΔＶ×ゲインＧ×定数α ……（１）
【０００４】
しかしながら、定数αは材料試験機にハード的に設定された値であり、ユーザが変更することができない。そのため、試験条件に最適なゲインを探し出すために、試験前に試行錯誤で最適なゲインを見つける作業が不可欠であり、作業性を改善する要望がある。
【０００５】
本発明は、作業性を改善する材料試験機を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による材料試験機は、供試体を負荷するためのモータと、供試体の応力または歪みの変化速度を検出する検出手段と、設定された供試体の目標変化速度と、検出手段で検出された供試体の実変化速度との偏差に基づいてモータ駆動信号をモータへ供給する駆動手段と、偏差に対するモータ駆動信号のテーブルを供試体の材料ごとに作成するテーブル作成手段と、テーブル作成手段で作成された複数のテーブルの中から、供試体の材料に適したテーブルを設定する設定手段とを備え、駆動手段は、設定されたテーブルから偏差を用いて算出されたモータ駆動信号をモータへ供給するものである。
請求項２の発明は、請求項１の材料試験機において、テーブルを用いて行った試験中にサンプリングした偏差に対するモータ駆動信号に基づいて、テーブルを更新する更新手段を更に備えるものである。
請求項３の発明は、供試体を負荷するためのモータと、供試体の応力または歪みの変化する速度を検出する検出手段と、設定された供試体の目標変化速度と、検出手段で検出された供試体の実変化速度との偏差に基づいてモータ駆動信号をモータへ供給する駆動手段と、偏差に対するモータ駆動信号のテーブルを供試体の材料ごとに作成するテーブル作成手段とを備え、テーブル作成手段は、（１）第１のゲインを用いて供試体を負荷しながら偏差に対するモータ駆動信号をサンプリングし、第１のゲインにおける偏差ごとの頻度分布に基づいて偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをし、（２）第２のゲインを用いて供試体を負荷しながら偏差に対するモータ駆動信号をサンプリングして、第２のゲインにおける偏差ごとの頻度分布に基づいて偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをし、（３）第１および第２のゲインによる重み付け後のモータ駆動信号を加重平均して偏差とモータ駆動信号とのテーブルを作成し、駆動手段は、設定されたテーブルから偏差を用いて算出されたモータ駆動信号をモータへ供給するものである。
請求項４の発明は、請求項３の材料試験機において、（１）テーブルを用いて行った試験中にサンプリングした偏差に対するモータ駆動信号に基づいて、偏差ごとの頻度分布に基づいて偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをし、（２）試験に使用したテーブルの偏差に対するモータ駆動信号と、試験中に重み付けしたモータ駆動信号を加重平均して、偏差とモータ駆動信号とのテーブルを更新する更新手段を更に備えるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
−第１の実施の形態−
図１は、本実施の形態の材料試験機の概略構成を示すブロック図である。同図に示す材料試験機１００は、サーボモータ１を駆動して引張あるいは圧縮試験などを行うものである。材料試験機１００は、モータ１の他にＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、Ｄ／Ａ変換器１０４、ロードセル１０５、伸び計１０６、Ａ／Ｄ変換器１０７、メモリカード１０８およびカードリーダ１０９を有する。
【０００８】
ＣＰＵ１０１は、ＲＡＭ１０３を作業領域としてＲＯＭ１０２に記憶されたプログラムを実行することにより、各種の演算を実施する。またＣＰＵ１０１は、モータ駆動信号をＤ／Ａ変換器１０４に出力することにより、モータ１を制御する。
【０００９】
試料に働く荷重を測定するロードセル１０５と、荷重による試料の変形を測定する伸び計１０６とにより計測されたデータは、アナログ信号によりＡ／Ｄ変換器１０７へ出力される。Ａ／Ｄ変換器１０７によってデジタル信号に変換された計測データは、ＣＰＵ１０１へ出力される。ＣＰＵ１０１は、この計測データより試料の応力や歪みの変化速度を検出し、その検出結果と試験条件として設定される目標変化速度との偏差ΔＶに基づいて、モータ駆動信号としてＤ／Ａ変換器１０４に出力するパルス数Ｐを決定する。このパルス数Ｐのモータ駆動信号は、Ｄ／Ａ変換器１０４によってアナログ信号に変換された後にモータ１へ出力され、パルス数Ｐに応じた速度でモータ１を駆動する。ＣＰＵ１０１はまた、計測データをメモリカード１０８の読出・書込を制御するカードリーダ１０９へ出力し、メモリカード１０８へ計測データを格納する。
【００１０】
図２は図１の材料試験機１００について、試料を負荷する部分の構造を模式的に示す図である。材料試験機１００は、テーブル３１上に立設された一対のねじ棹３２と、ねじ棹３２に螺合されたクロスヘッド３３と、ねじ棹３２を回転駆動するサーボモータ１とを有し、クロスヘッド３３にはロードセル１０５を介してつかみ具３４が、テーブル３１には下つかみ具３５が設けられている。モータ１の回転は駆動歯車列３８を介して一対のねじ棹３２に伝達され、ねじ棹３２の回転によりクロスヘッド３３が昇降して供試体３７が負荷される。供試体３７の伸びは伸び計１０６で検出される。
【００１１】
ＣＰＵ１０１よりモータ駆動信号として出力するパルス数Ｐは偏差ΔＶの値により決定されるが、偏差ΔＶの値が同じであっても、試験条件や供試体の種類によって決定されるパルス数Ｐの値は異なる。そのため、ある偏差ΔＶの値に対する最適なパルス数Ｐの値は、あらかじめ設定しておくのが困難である。これを解決するため、本実施の形態では、次の２つのモードを有している。
（Ａ）テーブル作成モード：ある試験条件における偏差ΔＶの値に対するパルス数Ｐの値をはじめに決定するモード
（Ｂ）テストモード：テーブル作成モードで決定した偏差ΔＶとパルス数Ｐの関係により試験を実施し、その試験結果をさらに偏差ΔＶとパルス数Ｐの関係に反映するモード
以下に、この２つのモードについて詳細に説明する。なお以下では、応力増加速度一定制御で供試体を試験する場合について説明する。
【００１２】
（Ａ）テーブル作成モード
テーブル作成モードでは、ある特定の材料、例えば７００７アルミを供試体として、偏差ΔＶの値に対して出力すべきパルス数Ｐの値を決定する。すなわちこのモードでは、供試体の材料ごとに、目標とする応力増加速度とロードセル１０５で検出した実応力の増加速度との偏差ΔＶに応じたパルス数のテーブルを作成する。ここで、パルス数Ｐは偏差ΔＶにより下記の式（２）のように表される。
【数２】
Ｐ＝ΔＶ・Ｇ・β
＝Γ・β ・・・・・・・・・・（２）
ただし、
Ｇ：試験機のゲイン
Γ：偏差ΔＶとゲインＧの乗算値
β：試験機ごとに固有の定数
【００１３】
テーブル作成モードを実行すると、まずゲインＧをある値に仮に設定する。このゲインはたとえばオペレータが任意に設定することができ、ここではたとえばＧ＝ｇ_１と設定する。このゲインにより供試体を試験し、ある時間間隔、たとえば５０ｍｓごとにサンプリングした偏差ΔＶについて、偏差ΔＶとゲイン値ｇ_１との乗算値Γ_１およびそのときに出力するパルス数Ｐ_１を測定する。
【００１４】
試験が終了したら、乗算値Γ_１とパルス数Ｐ_１の測定結果をテーブル化する。測定結果テーブルの例を図３（ａ）に示す。図３（ａ）の例では、時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，・・・においてサンプリングされた偏差ΔＶ_１ ^ｔ１，ΔＶ_１ ^ｔ２，ΔＶ_１ ^ｔ３，ΔＶ_１ ^ｔ４，・・・について、乗算値Γ_１の測定結果Γ_１ ^ｔ１，Γ_１ ^ｔ２，Γ_１ ^ｔ３，Γ_１ ^ｔ４，・・・と、パルス数Ｐ_１の測定結果Ｐ_１ ^ｔ１，Ｐ_１ ^ｔ２，Ｐ_１ ^ｔ３，Ｐ_１ ^ｔ４，・・・がテーブル化されている。
【００１５】
乗算値Γ_１とパルス数Ｐ_１の測定結果をテーブル化したら、そのテーブルにおける偏差ΔＶのヒストグラムを作成し、ゲイン値ｇ_１のときの偏差ΔＶの頻度ｑ_１を算出する。図３（ａ）のテーブルにより作成されるヒストグラムの例を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）の例では、偏差ΔＶ_１，ΔＶ_２，ΔＶ_３，ΔＶ_４，・・・の頻度はそれぞれｑ_１ ^１，ｑ_１ ^２，ｑ_１ ^３，ｑ_１ ^４，・・・である。
【００１６】
頻度ｑ_１を算出したら、その頻度ｑ_１よりパルス数Ｐ_１に対する重み係数ｗ_１を算出する。重み係数ｗ_１は、下記の式（３）により算出される。このとき、オペレータの判断によって重み係数ｗ_１の値を調節してもよい。算出した重み係数ｗ_１は、頻度ｑ_１およびパルス数Ｐ_１とともに、偏差ΔＶの値ごとにテーブル化される。テーブル化した例を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）の例では、偏差ΔＶ_１，ΔＶ_２，ΔＶ_３，ΔＶ_４，・・・の頻度ｑ_１ ^１，ｑ_１ ^２，ｑ_１ ^３，ｑ_１ ^４，・・・ごとに算出された重み係数ｗ_１ ^１，ｗ_１ ^２，ｗ_１ ^３，ｗ_１ ^４・・・が、パルス数Ｐ_１ ^１，Ｐ_１ ^２，Ｐ_１ ^３，Ｐ_１ ^４，・・・とともにテーブル化されている。
【数３】

【００１７】
以上のようにして、ゲイン値ｇ_１における重み係数のテーブルを作成する。同様にして、ゲイン値を変えたときの重み係数テーブルをそのゲイン値ごとに作成する。このときのゲイン値および作成する重み係数テーブルの数は、オペレータが任意に設定できる。図４（ａ）〜（ｃ）に、ｇ_１とは別のゲイン値ｇ_２において重み係数テーブルを作成した例を示す。（ａ）は供試体の試験結果による乗算値Γ_２とパルス数Ｐ_２の測定結果テーブル、（ｂ）は（ａ）の測定結果テーブルによる偏差ΔＶのヒストグラム、（ｃ）は（ｂ）のヒストグラムより算出した重み係数テーブルの例をそれぞれ示している。
【００１８】
全てのゲイン値における重み係数テーブルを作成し終えたら、作成した重み係数テーブルにより、偏差ΔＶに対して出力すべきパルス数Ｐを算出する。出力すべきパルス数Ｐは、重み付け加重平均による下記の式（４）によって算出される。
【数４】

ただし、
ｍ：作成した変数テーブルの数
ｗ_ｋ：ゲイン値ｇ_ｋのときの重み係数
Ｐ_ｋ：ゲイン値ｇ_ｋのときのパルス数
【００１９】
上記のようにして偏差ΔＶごとの出力すべきパルス数Ｐを算出したら、これを供試体の種類や試験条件とともにテーブル化する。図３（ｃ）および図４（ｃ）の重み係数テーブルにより出力すべきパルス数Ｐを算出し、これをテーブル化した例を図５に示す。図５の例では、行５１の偏差ΔＶの各値に対応するパルス数が供試体の種類ごとに各行にテーブル化されており、行５２に図３（ｃ）および図４（ｃ）により算出した７００７アルミのときのパルス数Ｐ_ｃがテーブル化されている。上記の式（４）により、この図５における出力すべきパルス数Ｐ_Ｃの値Ｐ_Ｃ ^１，Ｐ_Ｃ ^２，Ｐ_Ｃ ^３，Ｐ_Ｃ ^４，・・・は下記の式（５）で算出される。
【数５】
Ｐ_Ｃ＝（ｗ_１・Ｐ_１＋ｗ_２・Ｐ_２）／（ｗ_１＋ｗ_２）・・・・（５）
【００２０】
作成した偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐのテーブルは、データベースとして図１のメモリカード１０８に記憶する。また、このテーブルを作成するのに用いた重み係数テーブルも合わせて記憶する。これらのテーブルを記憶すると、テーブル作成モードを終了する。
【００２１】
（Ｂ）テストモード
テストモードでは、テーブル作成モードで作成した偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐのテーブルを用いて、供試体に対する負荷試験を実施する。さらに、負荷試験の結果を反映してテーブルを更新する。
【００２２】
テストモードを実行すると、まず使用する偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐのテーブルを選択する。これは、たとえば供試体の種類や試験条件を指定することで、記憶されたデータベースより自動的に検索して選択してもよいし、あるいはデータベースよりオペレータが選択してもよい。選択した偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐのテーブルにより、検出したモータ速度の偏差ΔＶの値に対して出力するパルス数Ｐが決定され、材料試験機１００のモータ１が制御される。このようにして試験が行われる。
【００２３】
試験の終了後には、試験の実施結果により、テーブル作成モードで作成した重み係数テーブルと同様の重み係数テーブルを作成する。テストモードの試験結果により重み係数テーブルを作成したら、このテストモードで作成した重み係数テーブルと、前述のテーブル作成モードで作成した重み係数テーブルとを用いて、偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐのテーブルを更新する。このときの方法は、前述のテーブル作成モードにおける方法と同様である。すなわち、テストモードとテーブル作成モードのそれぞれで作成した重み係数テーブルにより、偏差ΔＶに対して出力すべきパルス数Ｐを上記の式（４）を用いて算出する。
【００２４】
テストモードで作成した重み係数テーブルおよび更新した偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐのテーブルは、図１のメモリカード１０８に記憶される。ここで更新したテーブルにより、次に実施する試験における偏差ΔＶに対して出力するパルス数Ｐを決定する。さらに、その試験結果によっても同様にして偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐのテーブルを更新する。テストモードを実行している間は、このようにして処理を繰り返し実施し、テーブルを逐次更新する。
【００２５】
以上説明したようにして、テーブル作成モードとテストモードを行う。このようにすることで、あらかじめゲイン値を調節しなくても試験を実施することができ、さらに試験の実施結果を逐次反映して、より適切にモータ１の制御を行うことができる。
【００２６】
なお上述した材料試験機では、テーブル作成モードにおいて、サンプリングされた偏差ΔＶのヒストグラムを作成することを説明したが、このとき値が一定範囲内にあるものごとにグループ化し、このグループのヒストグラムを作成することとしてもよい。この場合、それぞれのグループに対応するパルス数の値は、そのグループに含まれる偏差ΔＶに対応するパルス数の値によって決定される。たとえば、対応するパルス数全体の平均値や最頻値としてもよく、あるいはそのグループ内での頻度に基づいて加重平均した値により決定してもよい。
【００２７】
上述した材料試験機では、はじめにテーブル作成モードにより偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐの関係を決定し、その関係を用いてテストモードにより試験を実施することとしたが、テーブル作成モードを省略してもよい。この場合、あらかじめ設定された偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐのテーブルを用いてテストモードを実施し、その実施結果を反映してテーブルを逐次更新していくようにする。
【００２８】
上述した材料試験機では、モータをサーボモータ１、検出手段をロードセル１０５、変位計１０６およびＣＰＵ１０１で実現し、駆動手段、テーブル作成手段、設定手段および更新手段をＣＰＵ１０１で実現している。しかし、これらはあくまで一例であり、本発明の特徴が損なわれない限り、各構成要素は上記実施の形態に限定されない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、供試体の応力または歪みの変化速度を検出し、設定された供試体の目標変化速度と、検出された供試体の実変化速度との偏差に基づいてモータ駆動信号をモータへ供給し、偏差に対するモータ駆動信号のテーブルを供試体の材料ごとに作成し、作成された複数のテーブルの中から、供試体の材料に適したテーブルを設定し、設定されたテーブルから偏差を用いて算出されたモータ駆動信号をモータへ供給する。このようにしたので、あらかじめ偏差に対するモータ駆動信号のゲイン値を調節しなくても試験を実施することができ、作業性を改善できる。
また、テーブルを用いて行った試験中にサンプリングした偏差に対するモータ駆動信号に基づいてテーブルを更新するようにしたので、試験の実施結果を逐次反映してテーブルを更新し、より適切にモータの制御を行うことができる。
さらに本発明によれば、第１のゲインを用いて供試体を負荷しながら偏差に対するモータ駆動信号をサンプリングし、第１のゲインにおける偏差ごとの頻度分布に基づいて偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをする。さらに、第２のゲインを用いて供試体を負荷しながら偏差に対するモータ駆動信号をサンプリングし、第２のゲインにおける偏差ごとの頻度分布に基づいて偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをする。第１および第２のゲインによる重み付け後のモータ駆動信号を加重平均して偏差とモータ駆動信号とのテーブルを作成するようにした。このようにしたので、供試体ごとにそれぞれ適した偏差とモータ駆動信号とのテーブルを作成することができる。
また本発明によれば、テーブルを用いて行った試験中にサンプリングした偏差に対するモータ駆動信号に基づいて、偏差ごとの頻度分布に基づいて偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをし、試験に使用したテーブルの偏差に対するモータ駆動信号と、試験中に重み付けしたモータ駆動信号を加重平均して、偏差とモータ駆動信号とのテーブルを更新するようにした。このようにしたので、試験の実施結果を逐次反映してテーブルを更新し、より適切にモータの制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の材料試験機の概略構成を示すブロック図
【図２】材料試験機の構造を模式的に示す図
【図３】テーブル作成モードにおいてゲイン値ｇ_１のときに作成されるテーブルとヒストグラムの例を示す図であり、（ａ）は試験の測定結果テーブルの例、（ｂ）は偏差ΔＶのヒストグラムの例、（ｃ）は重み係数テーブルの例をそれぞれ示す
【図４】テーブル作成モードにおいてゲイン値ｇ_２のときに作成されるテーブルとヒストグラムの例を示す図であり、（ａ）は試験の測定結果テーブルの例、（ｂ）は偏差ΔＶのヒストグラムの例、（ｃ）は重み係数テーブルの例をそれぞれ示す。
【図５】偏差ΔＶと出力すべきパルス数Ｐをテーブル化した例を示す図
【符号の説明】
１：モータ１００：材料試験機
１０１：ＣＰＵ１０２：ＲＯＭ
１０３：ＲＡＭ１０４：Ｄ／Ａ変換器
１０５：ロードセル１０６：伸び計
１０７：Ａ／Ｄ変換器１０８：メモリカード
１０９：カードリーダ

Claims

供試体を負荷するためのモータと、
前記供試体の応力または歪みの変化速度を検出する検出手段と、
設定された供試体の目標変化速度と、前記検出手段で検出された供試体の実変化速度との偏差に基づいてモータ駆動信号を前記モータへ供給する駆動手段と、
前記偏差に対する前記モータ駆動信号のテーブルを前記供試体の材料ごとに作成するテーブル作成手段と、
前記テーブル作成手段で作成された複数のテーブルの中から、前記供試体の材料に適したテーブルを設定する設定手段とを備え、
前記駆動手段は、設定されたテーブルから前記偏差を用いて算出されたモータ駆動信号を前記モータへ供給することを特徴とする材料試験機。
請求項１の材料試験機において、
前記テーブルを用いて行った試験中にサンプリングした偏差に対するモータ駆動信号に基づいて、前記テーブルを更新する更新手段を更に備えることを特徴とする材料試験機。
供試体を負荷するためのモータと、
前記供試体の応力または歪みの変化する速度を検出する検出手段と、
設定された供試体の目標変化速度と、前記検出手段で検出された供試体の実変化速度との偏差に基づいてモータ駆動信号をモータへ供給する駆動手段と、
前記偏差に対する前記モータ駆動信号のテーブルを前記供試体の材料ごとに作成するテーブル作成手段とを備え、
前記テーブル作成手段は、
（１）第１のゲインを用いて前記供試体を負荷しながら偏差に対するモータ駆動信号をサンプリングし、第１のゲインにおける偏差ごとの頻度分布に基づいて前記偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをし、
（２）第２のゲインを用いて前記供試体を負荷しながら偏差に対するモータ駆動信号をサンプリングして、第２のゲインにおける偏差ごとの頻度分布に基づいて前記偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをし、
（３）第１および第２のゲインによる前記重み付け後のモータ駆動信号を加重平均して前記偏差とモータ駆動信号とのテーブルを作成し、
前記駆動手段は、設定されたテーブルから前記偏差を用いて算出されたモータ駆動信号を前記モータへ供給することを特徴とする材料試験機。
請求項３の材料試験機において、
（１）前記テーブルを用いて行った試験中にサンプリングした偏差に対するモータ駆動信号に基づいて、偏差ごとの頻度分布に基づいて前記偏差に対するモータ駆動信号に重み付けをし、
（２）試験に使用したテーブルの偏差に対するモータ駆動信号と、試験中に重み付けしたモータ駆動信号を加重平均して、前記偏差とモータ駆動信号とのテーブルを更新する更新手段を更に備えることを特徴とする材料試験機。