JP3945056B2

JP3945056B2 - 材料試験機

Info

Publication number: JP3945056B2
Application number: JP35464098A
Authority: JP
Inventors: 尚史垣尾; 輝次松原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2018-12-14
Also published as: JP2000180329A

Description

【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。
【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では、試験片である高分子材料やマイクロマシンの機構部品などの試験対象の多様化が進むにつれて負荷する荷重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、任意波形で低負荷を与える負荷用アクチュエータとして油圧シリンダを用いたものに代わり、動電形アクチュエータを用いた材料試験機が知られている。動電形アクチュエータは、永久磁石で形成された磁気回路の中で永久磁石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させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
動電形アクチュエータを搭載した材料試験機では、試験片やボビンの変位および試験片に印加される負荷荷重を検出するセンサ自身の寸法が小さく、また、センサが検出する量も小さいので、センサに対して過大な負荷が加えられると破損することがある。特に、動電形アクチュエータが故障してボビンの推力が失われた場合には、ボビンが落下する衝撃が試験片やつかみ具、センサに加えられ、試験片やセンサなどを破損してしまうことがあった。
【０００５】
本発明の目的は、動電形アクチュエータへの駆動信号が停止して可動部への推力が失われても可動部が落下しない材料試験機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図２を参照して本発明を説明する。本発明は、電磁力により可動部２２，２３，２４を上下に駆動する動電形アクチュエータ６で試験片ＴＰに負荷を与えるようにした材料試験機に適用される。そして、動電形アクチュエータ６へ駆動信号を供給する供給手段５０と、供給手段５０が駆動信号を供給していない状態で可動部２２４を機械的に制動し、供給手段５０が駆動信号を供給している状態で制動を解除する制動手段３０とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
なお、上記課題を解決するための手段では、わかりやすく説明するために実施の形態の図と対応づけたが、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。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態による材料試験機を示す図である。この材料試験機は、固定テーブル１と、可動クロスヘッド２と、固定クロスヘッド３とが支柱４により支持され、基台５の上に固定されている。可動クロスヘッド２は、固定テーブル１と固定クロスヘッド３との間を上下方向に平行移動可能であり、不図示のハンドルを操作して上下方向に移動し、不図示のレバーを操作して支柱４に固定する。
【０００９】
固定テーブル１の下側には動電形アクチュエータ６が設置され、下負荷ロッド７が動電形アクチュエータ６で駆動されるように構成されている。可動クロスヘッド２の下側にはロードセル８が設置され、このロードセル８に上負荷ロッド９が連結されている。上下の負荷ロッド９および７のそれぞれの端部にはつかみ具１０が接続され、つかみ具１０の間に試験片ＴＰが取り付けられる。
【００１０】
動電形アクチュエータ６は、第２図に示すような断面をもつ永久磁石２１と、永久磁石２１の開口部に外挿された円筒状のボビン２２と、ボビン２２に巻き回されたコイル２３と、ボビン２２の移動を案内するためにボビン２２の中央部に立設され永久磁石２１の中心中空部に挿入されたピストンロッド２４とで構成される。ピストンロッド２４の上部は、動電形アクチュエータ６が図１に示した材料試験機に取り付けられたときの下負荷ロッド７に相当する。永久磁石２１には図示のような磁気回路ＭＳが形成され、コイル２３に駆動電流を流すことによりボビン２２に推力Ｆが発生する。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。
【００１１】
ピストンロッド２４の下端には変位センサ２５が設けられ、変位センサ２５はピストンロッド２４、すなわち、試験片ＴＰの変位に応じた検出信号を出力する。この変位センサ２５の検出信号は、後述するフィードバック制御回路５０において変位アンプ５１で増幅され、フィードバック信号として用いられる。
【００１２】
図２に示すように、動電形アクチュエータ６にはブレーキ装置３０が設けられ、動電形アクチュエータ６に駆動信号が供給されているときを除いてピストンロッド２４が機械的に制動される。このブレーキ装置３０を、図３を参照して説明する。ブレーキ装置３０は、動電形アクチュエータ６のボディ（不図示）に取付けられた円筒状の本体３１と、本体３１に移動可能に内装されたピストンカム３２と、軸３３を支点として回動可能に取り付けられた一対のフィンガー３４と、一対のフィンガー３４を軸３３の左側で押し開かせるためのリターンスプリング３５と、一対のフィンガー３４のブレーキ取付部３４ａにピン３６で固定された一対のブレーキパッド３７と、ピストンカム３２と本体の３１との隙間に設けられたパッキン３８とから構成される。本体３１にはエアポート３９が形成され、このエアポート３９への圧縮空気の供給、排気によりブレーキ動作、ブレーキ解除が行われる。
【００１３】
エアポート３９を介して本体３１内から圧縮空気が排気されたとき、リターンスプリング３５の力により一対のブレーキパッド３７の間隔が広がり、ピストンロッド２４への制動を解除する。このとき、一対のフィンガー３４の軸３３より右側に位置する一対のカムフォロアレバー３４ｂの間隔が狭まりピストンカム３２を右方へ押すことになる。図３はその状態を示している。圧縮空気がエアポート３９を介してピストンカム３２の右側から本体３１内に供給されたとき、ピストンカム３２が左側へ移動して一対のフィンガー３４のカムフォロアレバー３４ｂを押し開く。一対のフィンガー３４のブレーキ取付部３４ａは軸３３を支点に回動して間隔が狭まるので、フィンガー３４のブレーキ取付部３４ａに固定された一対のブレーキパッド３７がピストンロッド２４を挟持して制動をかける。
【００１４】
図２において、目標信号発生回路４１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６はフィードバック制御回路５０により、目標信号発生回路４１から発生する変位の目標繰り返し信号に基づいて駆動され、試験片ＴＰを目標とする変位で繰り返し負荷する。
【００１５】
フィードバック制御回路５０は、目標信号発生回路４１からの設定信号と変位アンプ５１の出力である検出変位との偏差を算出する加算点５２と、偏差に所定のゲインを与えるゲイン設定回路（たとえばＰＩＤ制御回路）５３と、ゲイン設定回路５３の出力に対して時間とともに出力制限値を変化させる出力制限回路５４と、出力制限回路５４の出力を増幅して動電形アクチュエータ６のコイル２３へ印加するパワーアンプ５５とを有する。
【００１６】
出力制限回路５４の入力波形と出力波形について図４を参照して説明する。出力制限回路５４は、試験片ＴＰを材料試験機のつかみ具１０にセットするために、下負荷ロッド７を静止している初期位置から試験片ＴＰの長さに応じた位置に移動させるときに作動する。図４（ａ）〜（ｄ）は、動電形アクチュエータ６のスイッチ（不図示）を投入した瞬間（ｔ＝０）と以降の出力制限回路５４の入力波形と出力波形を時間軸上に表したものである。図４（ａ）および（ｃ）は、出力制限回路５４へ入力されるステップ入力波形を表し、図４（ｂ）および（ｄ）は、それぞれの入力波形に対する出力応答波形を表している。図４（ａ）は、動電形アクチュエータ６のスイッチ（不図示）が投入された以降（ｔ≧０）にゲイン設定回路５３から出力されて出力制限回路５４へ入力される入力レベルが、目標信号発生回路４１からの目標変位信号と検出変位信号との偏差に基づいて、入力レベル＝Ｖ_L に一定である場合を仮定したものである。このとき出力制限回路５４は、スロースタート機能と出力制限機能により図４（ｂ）に示すような時間とともに一定の傾きで変化するランプ波形を出力する。同様に、図４（ｄ）は、図４（ｃ）のような入力レベル＝−Ｖ_L に一定となる入力波形を入力した場合における出力制限回路５４からの出力波形である。
【００１７】
アラーム回路４２は、電源装置４５の状態を監視する電源モニタ回路４６、パワーアンプ５５を監視するアンプモニタ回路４７，動電形アクチュエータ６のコイル２３を監視するコイルモニタ回路４８のいずれかで異常が検知されたときは、異常発生と判定して後述する操作回路４４および目標信号発生回路４１、ゲイン設定回路５３、後述するブレーキ回路４３へ動電形アクチュエータ６の駆動を停止させる信号を送る。
【００１８】
ブレーキ回路４３は、動電形アクチュエータ６の駆動を停止させる信号を受けると動電形アクチュエータ６のピストンロッド２４に制動をかけるため、ブレーキ装置３０のエアポート３９へ圧縮空気を供給してブレーキ装置３０を作動させる。動電形アクチュエータ６が通電されて駆動状態にあるときは、ブレーキ装置３０のエアポート３９への圧縮空気の供給を停止するとともにエアポート３９から排気してブレーキ装置３０の作動を止める。本実施の形態では、ブレーキ回路４３は、コンプレッサと、コンプレッサから吐き出される圧縮空気の供給およびブレーキ装置３０からの排気を制御する電磁弁を有し、動電形アクチュエータ６の駆動を停止させる信号を受信すると電磁弁を介して圧縮空気をブレーキ装置３０へ送り、動電形アクチュエータ６のピストンロッド２４に対してブレーキをかける。そして、動電形アクチュエータ６の駆動時には電磁弁を介してエアポート３９を大気と連通させてブレーキを解除する。なお、上記の電磁弁は、動電形アクチュエータ６への通電が開始されると励磁されてブレーキ装置３０のエアポート３９を大気連通とし、消磁されるとエアポート３９へ圧縮空気を送るようにネガブレーキとして構成すれば、突然の停電時などにもブレーキをかけることができる。
【００１９】
操作回路４４は、材料試験機の不図示の操作盤からの入力に基づいて上述した各回路を動作させる。操作者が試験片ＴＰを試験するとき、たとえば、試験片ＴＰをつかみ具１０に把持する際に負荷ロッド７を移動させる場合や、負荷試験を開始させる場合など、各回路および装置に対して必要な設定を行う。また、アラーム回路４２から動電形アクチュエータ６の駆動を停止させる信号が送出されたときは、パワーアンプ５５へ供給される電源を遮断して動電形アクチュエータ６の駆動を停止するとともに、上記ブレーキ回路４３でネガブレーキが構成されているときは、ブレーキ回路４３に備えられる上記電磁弁の励磁用電源を遮断してブレーキ装置３０のエアポート３９へ圧縮空気が送られるようにする。
【００２０】
電源装置４５は、ＡＣライン入力から入力された電圧を上記各回路および装置で使用される直流の所定の電圧に変換し、各回路および装置へ供給する。電源モニタ回路４６は、各回路および装置へ供給される電圧値が所定の範囲にあるかどうかを監視して、上記電圧が所定の範囲から外れたと判定したときはアラーム回路４２へ報知する。
【００２１】
アンプモニタ回路４７は、パワーアンプ５５を冷却するための不図示の冷却装置の温度を監視するとともに、パワーアンプ５５に流れる電流値が所定の範囲にあるかどうかを監視する。上記温度が所定の範囲から外れたと判定したときや、電流値が所定の範囲から外れたと判定したときはアラーム回路４２へ報知する。
【００２２】
コイルモニタ回路４８は、動電形アクチュエータ６のコイル２３の温度が所定の範囲にあるかどうかを監視する。上記温度が所定の範囲を外れたと判定したときはアラーム回路４２へ報知する。
【００２３】
このような材料試験機の操作手順を図５を参照して説明する。図５の縦軸はパワーアンプ５５へ送られる出力制限回路５４の出力レベルを表し、横軸は時間軸を表したタイムチャートである。始めに、材料試験機の主電源スイッチ（不図示）を投入する（１０１）。可動クロスヘッド２を上下に移動し、試験片ＴＰの長さに応じた所定の位置に固定する（１０２）。次に、試験片ＴＰをつかみ具１０で把持させるために、下負荷ロッド７を試験片ＴＰの大きさに応じて移動させる目標信号設定値を図示しない操作盤より入力する（１０２）。そして、動電形アクチュエータ６のスイッチ（不図示）を投入し（１０３）、下負荷ロッド７を移動させる。
【００２４】
動電形アクチュエータ６への通電が開始されると、ブレーキ回路４３の電磁弁が励磁されてブレーキ装置３０のエアポート３９を大気連通にして、動電形アクチュエータ６のピストンロッド２４を解放する。そして、上述した出力制限回路５４のスロースタート機能と出力制限機能により、下負荷ロッド７は上記動電形アクチュエータ６のスイッチが投入された時点（ｔ＝０）から所定の時間を経過する時点（ｔ＝ｔ₀ ）までは、時間の経過とともに徐々に移動する（１０４）。したがって、下負荷ロッド７の初期位置が目標信号発生回路４１から出力される目標値と大きく離れていて、試験片ＴＰの変位を検出する変位センサ２５から大きな値が出力される場合でも、フィードバック制御回路５０から動電形アクチュエータ６へ急激に大きな駆動信号が出力されることがない。このことにより、たとえ、変位の目標値に対する制御出力量に行き過ぎ量が発生したときでも、下負荷ロッド７が急激に駆動されることがないから試験片ＴＰおよびつかみ具、センサなどを損傷することが防止される。
【００２５】
所定の時間を経過した以降（ｔ≧ｔ₀ ）は、目標信号設定値として与えられた変位に対応して駆動される（１０５）。下負荷ロッド７が移動完了すると（１０６）、いったん下負荷ロッド７が停止するので試験片ＴＰを上下負荷ロッド９および７に把持させる。負荷試験波形を設定して（１０６）、最後に試験開始スイッチ（不図示）を投入する（１０７）。この操作により、後に説明するフィードバック制御が行われ、動電形アクチュエータ６が下負荷ロッド７を上下に動かして、設定した試験波形に基づいて試験片ＴＰに負荷を与える（１０８）。
【００２６】
負荷試験が終了すると下負荷ロッド７が停止されるので（１０９）、試験を終了するときは試験片ＴＰをつかみ具１０より外して、図示しない操作盤より下負荷ロッド７を初期位置へ駆動するように目標信号設定値を入力する。そして、下負荷ロッド７を駆動させて（１１０）、初期位置に移動完了（１１１）してから図示しない動電形アクチュエータ６のスイッチを断にする。この操作により、動電形アクチュエータ６への通電を遮断してからブレーキ回路４３の電磁弁が消磁されてブレーキ装置３０のエアポート３９へ圧縮空気が送られるので、推力が失われた動電形アクチュエータ６のピストンロッド２４が初期位置において挟持される。この後、図示しない材料試験機の主電源スイッチを開放して一連の操作を終了する。
【００２７】
次に、材料試験機を変位フィードバック制御する場合の動作を説明する。目標信号発生回路４１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が出力される。加算点５２において、目標信号発生回路４１からの目標繰り返し変位信号と検出変位信号との偏差が算出される。ゲイン設定回路５３はその変位偏差に所定のゲインを与えて出力する。所定のゲインは、あらかじめ材料試験機の調整・保守時に調整された値である。ゲイン設定回路５３の出力が出力制限回路５４に入力されて不図示の試験開始スイッチが投入されると、出力制限回路５４はこの入力された信号に基づいた出力信号を出力する。ただし、動電形アクチュエータ６のスイッチが投入されてから所定の時間ｔ₀ が経過していなければ、上述したように徐々に出力レベルを増加させる。出力制限回路５４から出力された信号は、パワーアンプ５５で増幅されて動電形アクチュエータ６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６が目標となる繰り返し変位信号に対応するように制御されるので、つかみ具１０に接続する下負荷ロッド７が振動するから試験片ＴＰが目標繰り返し信号で与えられた変位で負荷される。
【００２８】
上述したように動作する材料試験機における異常発生時の動作について説明する。動電形アクチュエータ６により試験片ＴＰを負荷しているときにアラーム回路４２に異常が報知されたときは、操作回路４４を介して動電形アクチュエータ６の駆動が停止され、上述したようにブレーキ回路４３へ停止信号が送られる。これにより電磁弁への通電が断たれてコンプレッサからの圧縮空気がエアポート３９へ供給されてブレーキ装置３０が作動し、駆動が停止されて推力が失われた動電形アクチュエータ６のピストンロッド２４をブレーキパッド３７が挟持してその落下を防止する。その結果、ピストンロッド２４の自重が試験片ＴＰに作用して試験片ＴＰを破損したりロードセル８を破損したりすることが防止される。
【００２９】
なお、本実施の形態ではブレーキ装置３０のピストンカム３２を圧縮空気により駆動したが、電磁力を使用して駆動させるようにしてもよい。この場合には、動電形アクチュエータ６への通電が開始されるとブレーキ用電磁ソレノイドを励磁してブレーキを解除し、動電形アクチュエータ６への通電が遮断されるとブレーキ用電磁ソレノイドを消磁してブレーキがかかるようにすれば、停電時にもピストンロッド２４の落下を防止できる。
【００３０】
また、上述したフィードバック制御に関して、変位センサ２５で検出した変位出力に基づいて制御する変位フィードバック制御の代わりに、ロードセル８で検出した負荷荷重に基づいて荷重フィードバック制御を行ってもよい。図６は、図２におけるフィードバック制御回路５０について、他の実施の形態を示した図である。変位の目標信号発生回路４１と荷重の目標信号発生回路４１ａから出力される２つの目標繰り返し信号がスイッチ５７で切換えられる。スイッチ５６は、変位アンプ５１の出力と荷重アンプ５１ａの出力のうちいずれか一方を選択する。スイッチ５６と５７は同期して切り換えられ、荷重フィードバック制御を行うときは荷重アンプ５１ａおよび荷重の目標信号発生回路４１ａの出力が選択される。加算点５２において、スイッチ５７で選択された目標繰り返し荷重信号と、スイッチ５６で選択された検出荷重信号との偏差が算出される。ゲイン設定回路５３はその荷重偏差に所定のゲインを与えて出力する。所定のゲインは、あらかじめ材料試験機の調整・保守時に調整された値である。ゲイン設定回路５３の出力が出力制限回路５４に入力されて不図示の試験開始スイッチが投入されると、出力制限回路５４はこの入力された信号に基づいた出力信号を出力する。この信号はパワーアンプ５５で増幅され、動電形アクチュエータ６のコイル２５へ印加される。
【００３１】
なお、変位の目標信号発生回路４１は、試験片ＴＰをセットするとき下負荷ロッド７を所定位置に移動させる変位フィードバック制御に使用し、そのとき、荷重の目標信号発生回路４１ａからの出力信号は０である。スイッチ５６と５７が切換えられ、荷重フィードバック制御による試験が開始されると、荷重の目標信号発生回路４１ａから荷重の目標繰り返し信号が出力されるようになる。
【００３２】
以上説明したように、動電形アクチュエータ６を目標となる繰り返し荷重信号に対応するように荷重フィードバック制御すれば、試験片ＴＰを目標繰り返し荷重で負荷することができる。
【００３３】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態による各構成要素との対応について説明すると、ボビン２２、コイル２３およびピストンロッド２４が可動部に、ブレーキ装置３０が制動手段にそれぞれ対応する。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明では、動電形アクチュエータの上下に駆動される可動部の推力喪失時に可動部の落下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】材料試験機の一実施の形態を説明する図である。
【図２】材料試験機の一実施の形態による制御動作を説明する図である。
【図３】材料試験機の一実施の形態によるブレーキ装置を説明する図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が断面図である。
【図４】材料試験機の一実施の形態による出力制限回路の入力と出力波形を説明する図である。
【図５】材料試験機の操作手順を示すタイムチャートである。
【図６】他の実施の形態によるフィードバック制御回路を示した図である。
【符号の説明】
６…動電形アクチュエータ、２２…ボビン、２４…ピストンロッド、３０…ブレーキ装置、３７…ブレーキパッド、３９…エアポート、４１…目標信号発生回路、４２…アラーム回路、４３…ブレーキ回路、４４…操作回路、４５…電源回路、４６…電源モニタ回路、４７…アンプモニタ回路、４８…コイルモニタ回路、５０…フィードバック制御回路、５１…変位アンプ、５２…加算点、５３…ゲイン設定回路、５４…出力制限回路、５５…パワーアンプ、ＭＳ…磁気回路

Claims

電磁力により可動部を上下に駆動する動電形アクチュエータで試験片に負荷を与えるようにした材料試験機において、
前記動電形アクチュエータへ駆動信号を供給する供給手段と、
前記供給手段が前記駆動信号を供給していない状態で前記可動部を機械的に制動し、前記供給手段が前記駆動信号を供給している状態で前記制動を解除する制動手段とを備えたことを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記制動手段はさらに、前記供給手段の異常時、および前記動電形アクチュエータのコイル異常時にもそれぞれ前記可動部を機械的に制動することを特徴とする材料試験機。