JP4123377B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

本発明は、負荷機構のフィードバック制御系を備えた材料試験機に関する。

材料試験機においては、一般に、試験片の両端部を一対の掴み具により把持した状態で、掴み具の一方を他方に対して接近／離隔させることによって試験片に負荷を与える。通常、一対の掴み具のうち一方はテーブルに、他方は負荷機構の駆動によりテーブルに対して接近／離隔する方向に移動するクロスヘッドにそれぞれ取り付けられ、試験片の両端部をこれらの掴み具で把持した状態でクロスヘッドを移動させることによって試験片に負荷を与えるように構成されている。

負荷機構の制御は、試験力や伸び、あるいは変位などのなかから制御量として選択された物理量の検出信号を、あらかじめ設定されている目標信号にフィードバックすることによって行われる（例えば特許文献１参照）。

負荷機構としては、ねじ棹駆動式や油圧式のものが知られているが、ねじ棹駆動式の構成例を図２に示す。テーブル１に２本の鉛直のねじ棹２ａ，２ｂが回動自在に支持されている。これらの各ねじ棹２ａ，２ｂは、それぞれクロスヘッド３の両端部に固定されているナット（図示せず）にねじ込まれている。クロスヘッド３およびテーブル１には、互いに上下に対向するように一対の掴み具４ａ，４ｂが取り付けられており、引張試験を行う場合には、これらの掴み具４ａ，４ｂに試験片Ｗの両端部が把持され、その状態でクロスヘッド３を上昇させることによって、試験片Ｗに試験力（引張荷重）Ｆが負荷される。

試験片Ｗに作用する試験力Ｆはロードセル５によって検出され、また、試験片Ｗの伸びは伸び計６によって検出されて、それぞれロードアンプ７，ストレインアンプ８により増幅されたうえで、Ａ−Ｄ変換器９，１０でデジタル化された後、コントローラ１１に取り込まれる。

各ねじ棹２ａ，２ｂの回転駆動は、モータ１２の回転をウォーム減速機１３ａ，１３ｂ等を介して各ねじ棹２ａ，２ｂに伝達することによって行われる。そして、このモータ１２を駆動する駆動回路１４は、コントローラ１１から供給される操作信号によって動作する。コントローラ１１においては、試験力制御が選択されている場合、その試験力目標値Ｆ_D とロードセル５による試験力の検出値Ｆとを比較し、目標値に試験力が追従するように駆動回路１４に操作信号を供給する。

以上のような構成のもとに、図３に例示するような試験力が試験片Ｗに作用するようにモータ１２を制御するのであるが、この制御中におけるモータ１２が発生するトルクに注目すると、
Ｔ＝Ｋ（Ｆ_D −Ｆ） ・・（１）
となる。ここでＴはトルク、Ｆ_D は経時的に変化する試験力の目標値、Ｆは実際に試験片Ｗに作用する試験力であって、Ｋはパラメータ（フィードバックゲイン）である。

このような制御においては、Ｆは必ずしもＦ_D と等しくならず、これら両者間の誤差はパラメータＫの値により異なる値となる。一般的にはＫを大きくすれば誤差は小さくなるが、Ｋの値が大きすぎる場合にはハンチングを起こすため、Ｋの値には上限が存在する。従って、大まかな目安はあるものの最終的には試行錯誤にてＫの値を決定している。
特開２００２−３６５１８８号公報

ところで、以上のようなフィードバック制御方法では、（１）式からも明らかなように、試験力の目標値に対する検出値の誤差が生じない限り負荷機構のモータのトルクが発生しないことになり、試験時に大きなトルクを必要とする場合には必然的に大きな誤差を発生させることになる。また、パラメータＫはハンチング等により上限があるため、大きなトルクを必要とする場合には大きな誤差の発生を抑制することができず、しかもこのＫの値は、試行錯誤によってしか最適な値を見いだすことができないという問題があった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、フィードバック制御系により負荷機構を制御する材料試験機において、発生する誤差を可及的に小さくしてその制御性能を向上させることができ、また、フィードバック制御におけるパラメータＫの値についても従来のように試行錯誤により決定することなく、自動的に最適な値を決定することのできる材料試験機の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の材料試験機は、アクチュエータの駆動によるクロスヘッドの移動により試験片に負荷を加える負荷機構と、その負荷機構のアクチュエータをフィードバック制御する制御機構を備えた材料試験機において、上記負荷機構を、試験力を制御量としてフィードバック制御している状態で、当該試験力の刻々の検出出力と、上記クロスヘッドの刻々の変位検出出力を用いて、試験中における試験片を含む負荷機構の弾性率を刻々と求めるとともに、その算出結果と試験力目標値とから上記アクチュエータの操作量を算出し、その算出した操作量を、当該アクチュエータに対して上記フィードバック制御による操作量に加えて供給するフィードフォワード制御手段を備えていることによって特徴づけられる。

本発明は、試験中のクロスヘッドの変位量と実際に発生した試験力を用いて、試験中の試験片を含んだ系の弾性率を算出し、その算出結果と目標値とから、負荷機構のアクチュエータが必要とする操作量を算出する。換言すれば、試験片を含む系の弾性率の刻々の算出結果から、実際に発生させたい試験力を発生するのに要するアクチュエータの操作量を算出する。そして、このようにして刻々と算出した操作量をフィードフォワード制御の操作量としてアクチュエータに供給し、併せてフィードバック制御を効かせることにより、所期の目的を達成しようとするものである。

すなわち、試験片に作用している試験力とクロスヘッドの刻々の変位とから、試験片を含む系の弾性率を算出することができる。この弾性率がわかると、後述する式（２）〜（５）から明らかなように、目標とする試験力Ｆ_D を発生させるために必要なアクチュエータの操作量（例ではモータのトルクＴ）を算出することができる。この算出結果をフィードフォワードとして与え、かつ、弾性率の演算誤差を考慮してその補償のためにフィードバック制御を行えば、大きな試験力が必要な場合であっても、目標値と実際の試験力との誤差を小さくすることを実現できる。また、後述する式（６）〜（１０）に示すように、フィードバックゲイン（前記したパラメータＫ）の目安値を自動的に計算することが可能となる。

本発明によれば、試験中における試験片を含んだ系の弾性率を刻々と算出し、その弾性率と試験力目標値とから、負荷機構のアクチュエータが必要とする操作量を算出し、その算出結果を用いてフィードフォワード制御すると同時に、そのフィードフォワード制御の操作量の算出誤差を補償するために従来と同等のフィードバック制御を行うので、高い応答性のもとに試験力の目標値に対する実際の試験力の誤差を可及的に少なくすることができ、しかも、フィードバック制御におけるパラメータの目安値を自動的に算出することが可能となり、従来のような試行錯誤による決定に比してその決定作業を大幅に簡易化することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図であり、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。

試験機本体の基本的構成は図２に示した従来のものと同等であり、テーブル１の上に２本のねじ棹２ａ，２ｂが鉛直の姿勢で回動自在に支持されており、これらの各ねじ棹２ａ，２ｂはクロスヘッド３の両端部に設けたナット（図示せず）にそれぞれねじ込まれている。この構成により、各ねじ棹２ａ，２ｂに回転を与えることによって、テーブル１に対してクロスヘッド３が接近／離隔するように移動する。

また、クロスヘッド３およびテーブル１には、それぞれ掴み具４ａ，４ｂが上下に対向するように取り付けられており、引張試験を行うに当たってはこれらの掴み具４ａ，４ｂに試験片Ｗの両端部を把した状態でクロスヘッド３を上昇させることにより、試験片Ｗに試験力（引張荷重）Ｆを負荷する。この負荷により試験片Ｗに作用する試験力Ｆはロードセル５によって検出され、試験片Ｗの伸びは伸び計６によって検出されて、それぞれロードアンプ７，ストレインアンプ８により増幅されたうえで、Ａ−Ｄ変換器９，１０でデジタル化された後、コントローラ１１に取り込まれる点も同じである。

更に、各ねじ棹２ａ，２ｂはモータ１２の回転をウォーム減速機１３ａ，１３ｂ等を介して伝達することによって回転駆動され、このモータ１２の駆動回路１４は、コントローラ１１から供給される操作信号によって動作する点も図２の場合と同等である。

さて、この例におけるコントローラ１１は、試験力制御が選択されている場合において、その試験力目標値Ｆ_D と試験力の検出値Ｆとを比較してその差に応じたフィードバックのための操作量Ｔ_B を演算し、そのフィードバック用の操作量Ｔ_B と、演算装置１５から供給されるフィードフォワードのための操作量Ｔ_F を加算してモータ１２の駆動回路１４に供給する。

また、この例においては、クロスヘッド３の上下方向への変位量Ｘが変位検出器１６によって検出され、その変位検出出力は変位アンプ１７で増幅された後、Ａ−Ｄ変換器１８でデジタル化されて演算装置１５に刻々と取り込まれる。

演算装置１５では、以下に示す演算により、試験力目標値Ｆ_D とクロスヘッド３の変位量Ｘを用いて、モータ１２にフィードフォワードとして供給する操作量Ｔ_F を求める。
試験機の試験力に関する方程式は、

によって表すことができる。この（２）式において、Ｔはモータ１２が発生するトルクであり、右辺第１項が慣性項であって、Ｊは等価慣性モーメントを表している。また、右辺第２項は動摩擦によるトルクの消費を示し、同じく第３項は静摩擦項で、第４項は試験片Ｗを含んだ形でのトータルの系での弾性による反力を示している。第２項におけるＫ_d は試験機本体の動摩擦係数、第３項におけるＫ_p は同じく試験機本体の静摩擦係数、Ｋ_s は力とトルクの換算係数を示し、第１項の等価慣性モーメントとともに試験機に固有の値であり、事前に計測可能である。

右辺第２項および第３項において試験力Ｆが存在しているのは、系に加わっている力Ｆに比例して軸受等に力が加わるが故に、動摩擦・静摩擦力がＦに比例して上昇することを示している。

一方、力と変位の関係として、
Ｆ＝Ｋ₀ （Ｘ−Ｘ₀ ） ・・（３）
が成立している。Ｋ₀ は試験片Ｗを含む系の弾性率であり、試験ごとに相違して事前に計測することはできないが、クロスヘッド３の試験開始当初における上下方向の位置Ｘ₀ と刻々の位置Ｘとの差、つまりクロスヘッド３の当初位置からの移動量（Ｘ−Ｘ₀ ）と、刻々の試験力の検出値Ｆから（３）式を用いて計算することができる。

式変換を簡単化するために、Ｘ₀ ＝０とし、（３）式を用いて（２）式からＸを消去すると

この（４）式において、前記したようにＪ，Ｋ_d ，Ｋ_p ，Ｋ_s は事前計測が可能で、Ｋ₀ は（３）式から算出できる。従って、（４）式におけるＦに試験力の刻々の目標値Ｆ_D を代入して、

により求めたＴ_F は、刻々の試験力目標値Ｆ_D を得るためにモータ１２が発生すべきトルクを表すものと考えることができる。

このＴ_F を、駆動回路１４に対してフィードフォワード制御の操作量として与える。同時に、駆動回路１４には、フィードバック制御の操作量として、
Ｔ_B ＝Ｋ（Ｆ_D −Ｆ） ・・（６）
を与える。つまり、モータ１２の駆動回路１４には、モータ１２が発生すべきトルクの操作量としてＴ_F ＋Ｔ_B を与える。これにより、モータ１２は刻々の試験力目標値Ｆ_D に基づいて予想される操作量Ｔ_F が供給されるため、大きな試験力を必要とする場合においても、試験力目標値Ｆ_D に対する実際の試験力Ｆの誤差が大きくならず、しかも、このフィードフォワード制御における操作量Ｔ_F の演算誤差分はフィードバック制御に基づく操作量Ｔ_B により解消される。その結果、高い応答で少ない誤差のもとに試験力を制御することができ、制御性能が大幅に向上する。

また、以上の制御において、フィードバック制御のパラメータＫ（フィードバックゲイン）は、以下に計算により決定することができる。
通常の引張試験等においては、

であるので、

とする。この（７）式と前記した（４）〜（６）式より、
Ｅ_F ＝Ｆ_D −Ｆ ・・（８）
と定義すると、

となる。誤差Ｅ_F →０とすればよいので、

とおくと、λ≪−１であればよい。
従って（９）式に（１０）式を代入して、

よって

従って

となるようにＫを決定する。ここで、αは１以上にとり、ハンチングを起こさないように１．５〜２とする。

このような計算によりパラメータＫを演算装置１５で求め、コントローラ１１におけるフィードバック制御のパラメータとして設定すれば、ハンチングを起こさず、しかも誤差Ｅ_F を可及的に少なくすることが可能となる。

なお、以上の実施の形態においては、負荷機構をねじ棹式とし、そのねじ棹をモータによって駆動制御する方式のものについて述べたが、油圧式の負荷機構を持つ材料試験機にも本発明を適用することができる。その場合、先の例におけるモータのトルクに代えてシリンダ圧力を用いて、上記と同等の方程式を作成し、試験力目標値を得るためのフィードフォワード制御におけるシリンダ圧力の操作量を算出することができる。

また、以上の実施の形態においては、クロスヘッドの変位を変位計を用いて計測した例を示したが、モータの回転軸に取り付けたエンコーダの出力を用いてクロスヘッドの変位量を算出してもよいことは勿論である。

本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。 負荷機構をフィードバック制御する従来の材料試験機の例を示す構成図で、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。 材料試験機により試験片に加える試験力の例を示すグラフである。

符号の説明

１ テーブル
２ａ，２ｂ ねじ棹
３ クロスヘッド
４ａ，４ｂ 掴み具
５ ロードセル
６ 伸び計
１１ コントローラ
１２ モータ
１４ 駆動回路
１５ 演算装置
１６ 変位計
Ｗ 試験片

Claims (1)

1. アクチュエータの駆動によるクロスヘッドの移動により試験片に負荷を加える負荷機構と、その負荷機構のアクチュエータをフィードバック制御する制御機構を備えた材料試験機において、
   上記負荷機構を試験力を制御量としてフィードバック制御している状態で、当該試験力の刻々の検出出力と、上記クロスヘッドの刻々の変位検出出力を用いて、試験中における試験片を含む負荷機構の弾性率を刻々と求めるとともに、その算出結果と試験力目標値とから上記アクチュエータの操作量を算出し、その算出した操作量を、当該アクチュエータに対して上記フィードバック制御による操作量に加えて供給するフィードフォワード制御手段を備えていることを特徴とする材料試験機。

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