JP4172544B2 - 疲労試験機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、疲労試験機に係り、例えば、超高サイクル域データ取得用の油圧サーボ疲労試験機等に利用できる。
【０００２】
【背景技術】
機械構造物の破損の７〜８割以上は疲労が原因とされており、疲労に対する対策は機械技術者にとって最も切実な課題の一つである。一般に、鉄鋼材料のＳ−Ｎ曲線には１０6〜１０7程度の繰返し数で水平部、すなわち疲労限度が現れる。そして、航空機や原子力機器等の一定期間での修理や部品交換が前提となる場合を除き、一般の機械では疲労限度を基準とした設計が行われている。
【０００３】
しかし、近年、高強度鋼や表面硬化鋼等において、１０7〜１０8以上の長寿命域でもＳ−Ｎ曲線に水平部が現れず、疲労限度が認められない現象が報告されるようになってきた。この現象は超高サイクル疲労、あるいは超長寿命疲労と呼ばれ、現在、その機構解明を目指して活発な研究がなされている。
【０００４】
このような超高サイクル疲労を対象とする試験機には、繰返し速度、荷重精度、荷重安定性、偏荷重の除去等において、従来の疲労試験機に比べ、高い性能が要求される。そこで、本願出願人により、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）コントローラを用いたデジタル制御を行って油圧サーボ機構を操作することにより、荷重精度、荷重安定性、操作性を高めた軸荷重疲労試験機が開発されている（特許文献１参照）。この軸荷重疲労試験機では、試験機本体構成部品の一体化を進めて高剛性化を図り、系の固有振動数を高くすることで、高応答性を確保し、超高サイクル域のデータの多数取得を実現している。また、試験片取付部に球状ベアリング（球面軸受）が組み込まれ、試験片に引張荷重が負荷される際に自動調芯が行われるようになっている。さらに、ＤＳＰコントローラには、コンピュータが接続され、このコンピュータの画面上で、試験中の実測値の表示や制御パラメータの入力を行うことができるようになっている。
【０００５】
この他に、デジタル制御を行う油圧式の疲労試験機としては、例えば、制御対象出力量の値が複数の所定レベルの各々に達する都度に、データサンプリングを行うようにした低サイクル疲労試験機等がある（特許文献２等参照）。この低サイクル疲労試験機では、制御対象出力量の反復変化の一周期当たりのデータポイントの個数を、その反復変化の周期の長短に影響されることなく、適正個数に近づけることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２４３６０６号公報（図１、図３、段落［００６１］〜［００６３］、［００６８］、［００７４］〜［００７６］）
【特許文献２】
特開２０００−１３１２０３号公報（図１、図７、段落［０００７］〜［０００１１］、［００２６］、［００４０］）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、疲労試験機は、様々な外乱の影響を受けるため、増幅率を一定値とすると荷重信号が目標値信号に追従しない場合がある。このような場合には、荷重信号の最大値および最小値をリアルタイムでモニタし、このモニタ結果と目標値信号とのずれ量から最適な増幅率補正量および零点補正量を計算し、この計算結果に基づき、増幅率および零点を補正するという外乱に対する修正動作が行われる。このような比例制御は、外乱等があってもそれに適応して増幅率および零点を時々刻々と変化させることから、適応比例制御と呼ばれることがあり、前述した特許文献１に記載された疲労試験機でも、この適応比例制御が行われている。
【０００８】
しかし、このような適応比例制御を行った場合でも、荷重信号が目標値信号にある程度収束すると、それ以上収束しなくなる場合があるため、この問題を解消し、より一層収束の度合いを高めて試験精度を向上させることが望まれる。
【０００９】
また、前述した特許文献２には、増幅率の自動的な制御を行うＡＧＣ（Auto Gain Control）方式は、制御の実行中に、あるサイクルで実際に発生した制御対象出力量の振幅に基づき、その次のサイクルに用いる目標値信号の振幅の大きさを修正する方式であるため、最初の１サイクルから高精度な制御を行うことはできないので、試験片の応力−ひずみ曲線のヒステリシスカーブの面積が比較的大きい低サイクル疲労試験への適用は困難である旨が記載されている。従って、前述した特許文献２に記載された低サイクル疲労試験機は、そもそもＡＧＣ方式の制御を行っていないので、上記のような問題を解消するものではない。
【００１０】
さらに、前述した特許文献１に記載された疲労試験機では、ＤＳＰコントローラに接続されたコンピュータの画面上で、試験中の実測値（例えば、試験片に負荷されている荷重や、その最大値、最小値、関数発生器の信号の値等）の表示が行われているが、これらの表示は、荷重値や電圧値としての表示であり、実験者が必要とする応力表示ではない。従って、実験者は、試験片直径をもとに、計算を行って応力を把握しなければならなかった。また、制御パラメータの入力も、応力値で入力することはできず、試験片直径をもとに、制御すべき荷重や電圧の値を計算して制御パラメータとして入力する必要があった。さらに、誤認識や誤入力があれば、試験精度向上の妨げにもなる。このため、試験機の操作性や使い勝手を向上させ、実験者の操作の手間や判断の手間を軽減し、より確実に試験精度の向上を図ることができる環境を作り出すことが望まれる。
【００１１】
ところで、超高サイクル疲労研究において対象となる高強度材料の疲労破壊は、低・中強度材料の疲労破壊に比べ、表面傷や表面に存在する介在物の応力集中に敏感である。もし、試験片に偏荷重が作用すると、本来なら内部破壊するものでも表面破壊を生じることがある。このような場合、試験結果の信頼性が著しく低下するおそれがあるので、試験片の芯合わせに細心の注意が必要であり、また、これを回避すべく調芯作業の簡略化（アライメントフリー）を図るのであれば、超高サイクル疲労研究に用いる試験機および試験片には偏荷重を防止する機構等が求められる。そこで、前述した特許文献１に記載された疲労試験機では、試験片取付部に球状ベアリングを組み込み、試験片に引張荷重が負荷される際に自動調芯が行われるようにすることで、アライメントフリーを実現している。
【００１２】
しかし、このように球状ベアリングを組み込んだ場合には、試験条件が、引張荷重のみが負荷される疲労試験（引張−引張疲労試験）に限られ、圧縮負荷を伴う疲労試験を行うことができない。疲労研究では応力比（最小応力／最大応力）が−１となる引張−圧縮疲労試験が基本データとなるため、超高サイクル疲労研究に用いる軸荷重疲労試験機は、アライメントフリー機能を有し、かつ、引張−圧縮荷重の負荷が可能である機構を備えていることが求められる。一方、このような機構が無い場合に高精度のデータを得るためには、偏荷重防止のために、試験片にひずみゲージを貼って調芯作業を行う必要がある。しかし、この調芯作業は、一回の試験毎に行う必要があり、膨大な時間と労力を費やす。このため、アライメントフリーを実現しつつ偏荷重防止を図ることで、試験精度を向上させることが望まれる。
【００１３】
本発明の目的は、試験精度を向上させることができる疲労試験機を提供するところにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試験片を取り付ける試験片取付部および試験片に荷重を負荷するアクチュエータ部を有する本体と、試験片に負荷される荷重に応じた検出信号をフィードバックしてアクチュエータ部の動作を制御するための制御信号を本体に送るフィードバック制御を行う制御手段とを備えた疲労試験機において、制御手段は、フィードバック制御をデジタル処理で行うデジタルコントローラを備えて構成され、このデジタルコントローラは、検出信号と目標値信号との偏差量に応じた制御信号を発生する制御信号発生手段と、検出信号の波形と目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき制御信号の発生処理に用いられる増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う増幅率補正／零点補正計算手段と、この増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき増幅率の補正処理を行う増幅率補正手段と、増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき零点の補正処理を行う零点補正手段とを含んで構成され、増幅率補正／零点補正計算手段は、検出信号の目標値信号への収束度に応じて増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされていることを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、「増幅率および零点の補正に関する計算処理」には、増幅率や零点の元の値（補正前の値）に対して増減する分の量を計算する処理、および補正後の零点や増幅率の値そのもの（修正値そのもの）を計算する処理のいずれも含まれる。
【００１６】
また、「アルゴリズムを段階的に切り替える構成」には、２つのアルゴリズムを切り替える構成、および３つ以上のアルゴリズムを切り替える構成のいずれも含まれる。この際の切替は、一回切り替えたら元のアルゴリズムに戻ることはない一方通行の切替、および一回切り替えても再び元のアルゴリズムに戻ることがあり得る相互方向通行の切替のいずれも含まれる。
【００１７】
さらに、「アルゴリズム」を「切り替える」ことには、例えば、以下のようなことが含まれる。すなわち、（１）計算処理に使用される数式の形態そのものを切り替えることが含まれる。例えば、１次関数から２次関数への変更、べき乗数の変更、加算項から減算項への変更またはその逆の変更、項数の変更等である。（２）計算処理に使用される数式に含まれる係数や定数の値を切り替えることが含まれる。例えば、０．１％を乗じていた処理を、０．０５％を乗じる処理に変更する等である。（３）計算処理に使用されるデータやデータ群を切り替えることが含まれる。（４）選択処理（例えばＩＦ文等の処理）や分岐処理（例えばＣＡＳＥ文等の処理）の構造を切り替えることが含まれる。例えば、プログラム内における選択処理の順序や位置の変更、分岐数の増減、選択処理や分岐処理の重層度合いの変更等である。（５）全く異種のアルゴリズムへ切り替えることが含まれる。例えば、数式を用いた計算処理を行うアルゴリズムから、データの選択処理を行うアルゴリズムへの切替、あるいは数式を用いた計算処理を行うアルゴリズムから、異なる処理内容のルーチン（例えば、異なる数式を用いるルーチン、異なるデータを用いるルーチン等）の選択処理を行うアルゴリズムへの切替等である。
【００１８】
このような本発明の疲労試験機においては、増幅率補正／零点補正計算手段により、検出信号の波形と目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う際に、検出信号の目標値信号への収束度に応じ、増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える。
【００１９】
このため、検出信号が目標値信号にある程度収束したときに、増幅率の補正に関するアルゴリズムを切り替えることにより、収束が頭打ちになる状態を回避し、検出信号の目標値信号への収束度を高めることが可能となる。従って、試験精度の向上が図られ、これにより前記目的が達成される。
【００２０】
また、前述した疲労試験機において、増幅率補正／零点補正計算手段は、検出信号の目標値信号への収束度に応じて零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされていることが望ましい。
【００２１】
このように零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とした場合には、増幅率のみならず、零点の補正に関する計算処理についても、アルゴリズムが切り替えられるので、検出信号の目標値信号への収束度をより一層高め、試験精度をより一層向上させることが可能となる。
【００２２】
さらに、以上に述べた疲労試験機において、増幅率補正／零点補正計算手段は、周期的に変化する検出信号の波形と、周期的に変化する目標値信号の波形とを波形一周期毎に比較し、この比較結果として得られた双方の波形のずれ量に基づき増幅率および零点の補正に関する計算処理を波形一周期毎に行うとともに、この計算処理を行う際にアルゴリズムを切り替えるか否かを波形一周期毎に判断する構成とされていることが望ましい。
【００２３】
このようにアルゴリズムを切り替えるか否かの判断を波形一周期毎に行う構成とした場合には、適切なタイミングでアルゴリズムの切替を行うことが可能となり、収束の速度が上がり、試験精度のより一層の向上が図られる。
【００２４】
なお、本願明細書では、以上に述べた増幅率や零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える処理を伴う制御を、多段適応比例制御（ＭＡＰ：Multimode Adaptive Proportional Control）と呼ぶものとする。このような多段適応比例制御は、本発明の疲労試験機だけではなく、他の制御対象装置にも適用することができる。すなわち、制御対象装置（疲労試験機の本体に相当するもの。）からの出力信号（試験片に負荷される荷重に応じた検出信号に相当するもの。）をフィードバックして制御対象装置を制御するための制御信号を制御対象装置に送るフィードバック制御を行うシステムを実現するにあたり、フィードバック制御をデジタル処理で行うデジタルコントローラを設け、このデジタルコントローラを、出力信号と目標値信号との偏差量に応じた制御信号を発生する制御信号発生手段と、出力信号の波形と目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき制御信号の発生処理に用いられる増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う増幅率補正／零点補正計算手段と、この増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき増幅率の補正処理を行う増幅率補正手段と、増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき零点の補正処理を行う零点補正手段とを含む構成とし、増幅率補正／零点補正計算手段を、出力信号の目標値信号への収束度に応じて増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成としてもよい。また、増幅率に加え、零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成としてもよい。
【００２５】
そして、本発明は、試験片を取り付ける試験片取付部および試験片に荷重を負荷するアクチュエータ部を有する本体と、試験片に負荷される荷重に応じた検出信号をフィードバックしてアクチュエータ部の動作を制御するための制御信号を本体に送るフィードバック制御を行う制御手段とを備えた疲労試験機において、制御手段は、フィードバック制御をデジタル処理で行うデジタルコントローラと、このデジタルコントローラに接続されてデジタルコントローラとの間で情報の送受信を行うことによりフィードバック制御に関する処理以外の処理を行う外部処理装置とを備えて構成され、外部処理装置は、試験中以外の状態でアクチュエータ部を動作させる場合に使用する待機中画面を表示する処理およびこの待機中画面を用いて行われる実験者によるアクチュエータ部に対する操作入力を受け付ける処理を行う待機中画面表示・入力受付処理手段と、試験条件を設定するための試験条件設定画面を表示する処理およびこの試験条件設定画面を用いて行われる実験者による試験条件の設定入力を受け付ける処理を行う試験条件設定画面表示・入力受付処理手段と、試験中に試験状況をモニタする試験中画面を表示する処理およびこの試験中画面を用いて行われる実験者による入力を受け付ける処理を行う試験中画面表示・入力受付処理手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２６】
ここで、「フィードバック制御に関する処理」には、フィードバックのメインループの処理の他に、例えば、前述した増幅率および零点の補正に関する計算処理、並びに増幅率および零点の補正処理等が含まれる。
【００２７】
このような本発明の疲労試験機においては、デジタルコントローラとは別途に設けられた外部処理装置により、待機中画面、試験条件設定画面、試験中画面の３つの画面の表示処理およびこれらの画面を用いた入力の受付処理を行う。従って、試験機操作の各状況毎に、つまり試験の準備段階から本番段階に至るまでの各場面毎に、これらの画面が切り替わる。
【００２８】
このため、実験者は、試験およびその準備の各場面において、３つの画面のいずれかを参照しながら、各場面で必要となる情報の表示のみを確認し、また、各場面で必要となる入力作業のみを行う。従って、実験者は、試験およびその準備の各場面で必要最低限の操作を行えばよくなり、余分な操作を行ったり、余分な情報を参照して余分な事を考える余地を排除することが可能となるので、操作性の向上が図られる。そして、操作性の向上が図られることから、誤認識や誤操作等の発生も回避または抑制されるので、試験精度の向上にも繋がる。
【００２９】
なお、待機中画面表示・入力受付処理手段、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段、および試験中画面表示・入力受付処理手段に加え、ある操作を実行中に、行ってはならない操作または行うべきでない操作を強制的に無効にする相反操作強制無効手段、あるいは実験者により入力されるパラメータ（試験条件等）が異常か否かを監査する入力パラメータ監査手段を設けてもよく、これらを設けることで、誤操作が防止されるので、試験精度のより一層の向上に繋がる。
【００３０】
また、待機中画面表示・入力受付処理手段、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段、および試験中画面表示・入力受付処理手段は、全て外部処理装置に設けられ、デジタルコントローラは、これらの手段により行われる３つの画面の表示処理や３つの画面での入力受付処理を負担しない。すなわち、実験者と試験機との間のマンマシンインターフェースの機能は、全て外部処理装置により実現し、デジタルコントローラは、制御性能に直接関係する演算処理のみを負担する。このため、デジタルコントローラの処理負担が軽減され、応答性や荷重精度、外乱に対する収束性等の制御性能に直接関係する演算処理の速度が向上するので、この点でも試験精度の向上が図られ、これらにより前記目的が達成される。
【００３１】
また、前述した疲労試験機において、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段は、試験条件設定画面で試験条件として、最大応力および最小応力の組合せ、最大応力および応力比の組合せ、最小応力および応力比の組合せのうちのいずれかの組合せ、並びに試験片直径の入力を受け付ける構成とされ、試験中画面表示・入力受付処理手段は、試験中画面で試験状況として、応力のグラフ表示を行う構成とされていることが望ましい。
【００３２】
このように試験条件設定画面での応力・応力比・試験片直径による入力受付、および試験中画面での応力のグラフ表示を行う構成とした場合には、実験者は、応力・応力比・試験片直径という普段使用するパラメータのみを使用すればよくなるので、試験機の操作性が向上する。また、試験中画面での応力表示がグラフ化されているので、実験者は、直感的に試験状況を把握することが可能となり、試験機の操作性がより一層向上する。このため、疲労試験機や制御の知識がない実験者でも容易に疲労試験を行うことが可能となる。
【００３３】
なお、以上に述べた外部処理装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムは、以下に示すように、プログラムそれ自体でも流通対象や取引対象となる。すなわち、以上に述べた外部処理装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムまたはその一部は、例えば、光磁気ディスク（ＭＯ）、コンパクトディスク（ＣＤ）を利用した読出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、ＣＤレコーダブル（ＣＤ−Ｒ）、ＣＤリライタブル（ＣＤ−ＲＷ）、デジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）を利用した読出し専用メモリ（ＤＶＤ−ＲＯＭ）、ＤＶＤを利用したランダム・アクセス・メモリ（ＤＶＤ−ＲＡＭ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、磁気テープ、ハードディスク、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去および書換可能な読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュ・メモリ、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）等の記録媒体に記録して保存や流通等させることが可能であるとともに、例えば、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、メトロポリタン・エリア・ネットワーク（ＭＡＮ）、ワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）、インターネット、イントラネット、エクストラネット等の有線ネットワーク、あるいは無線通信ネットワーク、さらにはこれらの組合せ等の伝送媒体を用いて伝送することが可能であり、また、搬送波に載せて搬送することも可能である。さらに、以上に述べたプログラムは、他のプログラムの一部分であってもよく、あるいは別個のプログラムと共に記録媒体に記録されていてもよい。
【００３４】
また、本発明は、試験片に荷重を負荷するアクチュエータ部と、このアクチュエータ部による荷重方向に沿う方向に配置される状態で試験片を取り付ける試験片取付部とを備え、試験片取付部には、試験片の両側の端部をそれぞれ掴む掴み部が設けられ、これらの各掴み部には、試験片の両側の端面がそれぞれ当接される試験片当接面が形成されている疲労試験機において、試験片の両側の端面は、平行度０．０１を満たし、かつ、試験機本体構成部品の各面のうち、対向する各掴み部の試験片当接面同士の平行度を規定する役割を果たす各面も、全て平行度０．０１を満たす状態で仕上げられているとともに、試験片を試験片取付部に取り付けた状態で、試験片の各端部の外周面と各掴み部との間に隙間が形成される構成とされていることを特徴とするものである。
【００３５】
ここで、「平行度」とは、製図学上の平行度（製作図面に記載する平行度）であり、平面部分の基準平面に対する平行度である。「平行度０．０１」は、基準平面にそれぞれ平行で０．０１ｍｍの間隔を持つ二つの平面の間の空間を許容域にするという意味である。基準平面は、例えば、各部品の反対側の面等とすればよい。
【００３６】
また、「対向する各掴み部の試験片当接面同士の平行度を規定する役割を果たす各面」とは、複数の試験機本体構成部品を組み立てて試験機本体を構成するときに、結果的に、各掴み部の試験片当接面同士の相対姿勢に影響を及ぼすことになる面をいう。
【００３７】
このように試験片および試験機本体構成部品の各面の平行度を向上させ、かつ、試験片の端部と掴み部とのはめ合いを緩めにした場合には、平行度を向上させたことから、偏荷重の発生が抑えられ、また、緩めのはめ合いであることから、試験片に側面（試験片の端部の外周面）からの拘束力が加わらないようになり、偏荷重の発生を抑えることが可能となる。このため、試験精度の向上が図られる。さらに、通常、はめ合いを緩くすると、疲労試験中に試験片の横ずれが懸念されるが、試験片および試験機本体構成部品の各面の平行度を向上させているので、試験片には横ずれを生じさせる力が加わらない。
【００３８】
さらに、前述した疲労試験機において、試験本番で用いる試験片の各端部の外周面と各掴み部とのはめ合いの隙間は、試験前に行う調芯作業で用いる調芯用ダミー試験片の各端部の外周面と各掴み部とのはめ合いの隙間よりも大きいことが望ましい。
【００３９】
このように試験本番で用いる試験片よりも大きい端部を有する調芯用ダミー試験片を用いて調芯作業を行うことができる構成とした場合には、試験前に調芯用ダミー試験片を用いて調芯作業を行った後に、調芯用ダミー試験片を取り除き、試験本番で用いる試験片を取り付ける。これにより、調芯作業を精度よく行うことが可能になることに加え、前述した緩めのはめ合いも容易に実現可能となる。また、調芯用ダミー試験片による調芯作業を一回行えば、そのままの状態で複数の試験を行うことが可能であり、実験者の作業の手間が軽減される。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、本実施形態の疲労試験機１０の全体構成が示されている。また、図２は、疲労試験機１０の本体１１を構成する試験片取付部２０の断面図であり、図３は、試験片取付部２０の要部の拡大断面図である。さらに、図４〜図６には、疲労試験機１０の制御手段６０を構成する外部処理装置９０による処理に伴う画面例が示されている。この疲労試験機１０は、超高サイクル域データを取得するための疲労試験機である。
【００４１】
図１において、疲労試験機１０は、試験片１を取り付けてこの試験片１に荷重を負荷する本体１１と、この本体１１における荷重の負荷のための動作を制御する制御手段６０とを備えて構成されている。
【００４２】
本体１１は、試験片１を取り付ける試験片取付部２０と、試験片１に荷重を負荷するアクチュエータ部４０と、このアクチュエータ部４０に供給する油圧の切換操作を行うサーボバルブ５０とを備えて構成されている。
【００４３】
図２において、試験片取付部２０は、試験片１の上側の端部１Ａに複数の部品を介して接続されて試験片１にかかる負荷を検出するロードセル２１と、このロードセル２１のひずみを検出するひずみ計２２と、ロードセル２１を保持するロードセルホルダ２３と、試験片１の上側の端部１Ａを掴む上側（ロードセル２１側）の掴み部２４と、試験片１の下側の端部１Ｂを掴む下側（ピストン４１側）の掴み部２５とを含み構成されている。
【００４４】
ロードセル２１は、複数本のボルト２６によりロードセルホルダ２３の上面２３Ａに固定されている。ロードセル２１は、試験片１から力を受けて微小変形し、そのときの歪みがひずみ計２２により検出され、これにより試験片１にかかる負荷が検出されるようになっている。
【００４５】
ロードセルホルダ２３は、図示されない複数本のボルトによりアクチュエータ部４０のシリンダ４２の上面４２Ａに固定されている。このロードセルホルダ２３は、上下のフランジ部を複数本（例えば２本）の支柱部により連結した構成を有し、例えば一塊の金属材料により形成されている。
【００４６】
上側の掴み部２４には、上方に向かって延びる丸棒状の軸部２７が設けられ、この軸部２７の上部には、雄ねじ２８が切られている。軸部２７とロードセル２１との間には、ブッシュ２９が挟み込まれ、これにより荷重方向（図２中の上下方向）と直交する方向についての上側の掴み部２４とロードセル２１との相対的な位置決めが行われている。また、軸部２７の雄ねじ２８には、ロックナット３０が螺合され、このロックナット３０を締め込むことにより、荷重方向についての上側の掴み部２４のロードセル２１に対する相対的な位置が固定されるようになっている。
【００４７】
下側の掴み部２５は、アクチュエータ部４０の第一ピストンロッド４１Bの先端に設けられたピストン用ねじ４１Ｄに螺合されて第一ピストンロッド４１Ｂに固定されている。これにより試験片１に対し、アクチュエータ部４０のピストン４１の進退運動による荷重が負荷されるようになっている。
【００４８】
図２および図３において、試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂを掴む各掴み部２４，２５は、試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂを挿入する例えば円形状の挿入穴３１，３２が形成された試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａと、複数本のボルト３３，３４の締め込みにより各挿入穴３１，３２に挿入された試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂを押さえ付けて固定する試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂとを備えて構成されている。各試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂは、中央に試験片１を挿通する貫通孔を備えた円盤形状、すなわちドーナツ形状を有し、例えば、それぞれ二分割され、互いに線対称に配置される略半円形の蓋片により構成されている。
【００４９】
また、各試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂは、それぞれ二分割ではなく、それぞれ三分割等としてもよい。例えば、三分割とする場合には、１２０度ずつに分割して略扇形の蓋片とし、これらの各々の蓋片をそれぞれ２本のボルト３３，３４を用いて各試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａに固定する。つまり、試験片固定蓋２４Ｂを合計６本のボルト３３で固定し、試験片固定蓋２５Ｂを合計６本のボルト３４で固定する。これにより、同じ合計６本のボルト３３，３４で固定するにしても、二分割の場合に比べて三分割の方が、試験片１の各端部１Ａ，１Ｂへの荷重のかかり方が均等になる。従って、試験片１にとっては、二分割の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂよりも、三分割の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂを使用した方が、無理のない負荷が可能となる。但し、二分割の方が、取付けが容易であるという利点もある。このため、例えば長寿命域で試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂと各試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂとの接触部から疲労破壊してしまう可能性のある材料については、三分割の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂを使用し、例えば高強度鋼等のように上記のような破壊が生じない材料については、二分割の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂを使用する等により、試験片１の材料に応じ、分割数の異なる試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂを使用するようにしてもよい。
【００５０】
図３において、試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａに形成された挿入穴３１，３２の底面は、試験片１の上下の端面１Ｃ，１Ｄがそれぞれ当接される試験片当接面３１Ａ，３２Ａとなっている。また、試験片１を試験片取付部２０に取り付けた状態では、試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂの外周面１Ｅ，１Ｆと、上下の掴み部２４，２５の試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａに形成された挿入穴３１，３２の内周面（側面）３１Ｂ，３２Ｂとの間に、隙間３５，３６がそれぞれ形成されるようになっている。
【００５１】
また、図３において、試験前に行う調芯作業で用いる調芯用ダミー試験片の上下の端部２Ａ，２Ｂが、図中二点鎖線で示されている。この調芯用ダミー試験片は、上下の端部２Ａ，２Ｂ以外の部分については、試験本番で用いる試験片１と同じである。そして、調芯用ダミー試験片の上下の端部２Ａ，２Ｂの外径寸法（直径）Ｗ１，Ｗ２は、試験本番で用いる試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂの外径寸法（直径）Ｄ１，Ｄ２よりも、それぞれ大きくなっている。従って、上下の掴み部２４，２５の試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａに形成された挿入穴３１，３２の内径寸法（直径）をＨ１，Ｈ２とすると、試験本番で用いる試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂの外周面１Ｅ，１Ｆと、挿入穴３１，３２の内周面（側面）３１Ｂ，３２Ｂとのはめ合いの隙間（Ｈ１−Ｄ１），（Ｈ２−Ｄ２）は、調芯用ダミー試験片の上下の端部２Ａ，２Ｂの外周面２Ｅ，２Ｆと、挿入穴３１，３２の内周面（側面）３１Ｂ，３２Ｂとのはめ合いの隙間（Ｈ１−Ｗ１），（Ｈ２−Ｗ２）よりも、それぞれ大きくなっている。
【００５２】
さらに、上下の掴み部２４，２５の試験片当接面３１Ａ，３２Ａ（図３参照）同士の平行度を規定する役割を果たす各構成部品（図２参照）の加工精度は高く、各構成部品の各面（上面または下面）は、平行度０．０１を満たす仕上げとなっている。また、これらの各面の表面粗さは、研磨仕上げ相当の粗さとなっている。なお、これらの各面の平行度は、荷重方向（ピストン４１の進退方向）に対する直角度を確保したうえでの平行度である。
【００５３】
具体的には、次の面について、平行度０．０１および研磨仕上げ相当の粗さとなる加工が行われている。すなわち、図３において、（１）試験片１の上下の端面１Ｃ，１Ｄ、（２）上下の掴み部２４，２５の試験片当接面３１Ａ，３２Ａ、（３）試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂの対向面１Ｇ，１Ｈ、（４）これらの対向面１Ｇ，１Ｈに当接する上下の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂの裏側底面２４Ｃ，２５Ｃ、（５）上下の掴み部２４，２５の試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａの表面２４Ｄ，２５Ｄ、（６）これらの表面２４Ｄ，２５Ｄに接合される上下の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂの裏側接合面２４Ｅ，２５Ｅについて、上記の条件を満たす高精度な加工が行われている。
【００５４】
また、図２において、（７）アクチュエータ部４０のシリンダ４２の上面４２Ａ、（８）ロードセルホルダ２３の下面２３Ｂ、（９）ロードセルホルダ２３の上面２３Ａ、（１０）ロードセル２１の下面２１Ａ、（１１）ロックナット３０の下面３０Ａ、（１２）ブッシュ２９の上面２９Ａ、（１３）ブッシュ２９の下面２９Ｂ、（１４）上側の掴み部２４の上面２４Ｆ、（１５）下側の掴み部２５の下面２５Ｆ、（１６）第一ピストンロッド４１Ｂの上端面４１Ｅについて、上記の条件を満たす高精度な加工が行われている。
【００５５】
アクチュエータ部４０は、前述した本願出願人による特許文献１に記載の疲労試験機のアクチュエータ部と同様のものであるため、詳細な図示による説明は省略する。図１において、アクチュエータ部４０は、試験片１に荷重を負荷するための進退運動を行うピストン４１と、このピストン４１の周囲に配置されてピストン４１の摺動を案内するシリンダ４２とを備えている。そして、ピストン４１は、前後の油圧差により進退運動を行うヘッド部４１Ａと、このヘッド部４１Ａの前進側に設けられた第一ピストンロッド４１Ｂと、ヘッド部４１Ａの後退側に設けられた第二ピストンロッド４１Ｃとを含み構成されている。
【００５６】
シリンダ４２の内部の円柱状の空間には、ピストン４１のヘッド部４１Ａの前進側に第一圧力室４３が形成され、ヘッド部４１Ａの後退側に第二圧力室４４が形成されている。これらの第一圧力室４３および第二圧力室４４には、シリンダ４２に形成された第一流路４５および第二流路４６を通してヘッド部４１Ａに油圧をかけるための油が供給されるようになっている。
【００５７】
サーボバルブ５０は、前述した本願出願人による特許文献１に記載の疲労試験機のサーボバルブと同様のものであり、図示されない四つのポート、すなわちＰポート、Ｒポート、Ｃ１ポート、Ｃ２ポートを備えている。このうち、Ｐポートは、図示されない油圧ユニットの供給圧配管に接続され、Ｒポートは、図示されないオイルタンクに繋がる戻り配管に接続されている。また、Ｃ１ポート、Ｃ２ポートは、アクチュエータ部４０のシリンダ４２に形成された第一流路４５、第二流路４６にそれぞれ接続されている。
【００５８】
サーボバルブ５０は、ＤＳＰコントローラ７０から送られてくる電流信号または電圧信号により、Ｐポートから入ってきた油をＣ１またはＣ２ポートに切り換えて流すようになっている。例えば、Ｃ１ポートに切り換えたときには、Ｃ１ポートから出た油は、第一流路４５を通って第一圧力室４３に入り、ピストン４１のヘッド部４１Ａを押してピストン４１を後退移動させる。このピストン４１の後退移動により、第二圧力室４４内の油は、ヘッド部４１Ａに押されて第二流路４６を通ってＣ２ポートに入る。そして、Ｃ２ポートからサーボバルブ５０内に入った油は、サーボバルブ５０の中でＲポートに導かれ、最終的に油圧ユニットの戻り配管に流される。このような経路を経て、油は循環するようになっている。また、Ｃ２ポートに切り換えたときも、同様であり、このときには、ピストン４１は前進移動する。
【００５９】
従って、サーボバルブ５０の切換制御により、ピストン４１は進退運動を行うようになっている。この際、図２に示すように、アクチュエータ部４０の第一ピストンロッド４１Ｂは、下側の掴み部２５を介して試験片１の下側の端部１Ｂに接続されている。このため、ピストン４１の進退運動に伴って、試験片１の下側の端部１Ｂには試験片１の長手方向についての変位が与えられ、その結果、試験片１に荷重がかけられるようになっている。
【００６０】
サーボバルブ５０としては、例えば、いわゆるノズルフラッパ型サーボバルブを好適に用いることができ、さらに応答性を向上させるという観点から、いわゆるダイレクトドライブ型サーボバルブを用いてもよい。ここで、前者のノズルフラッパ型サーボバルブとは、ファーストステージと称される部分の中のノズルとフラッパとの間の圧力差でスプールを動かすものであり、後者のダイレクトドライブ型サーボバルブとは、スプールを直接に、ボイスコイルあるいは超磁歪素子や電歪素子等の駆動素子で駆動するものである。
【００６１】
図１において、制御手段６０は、試験片１に負荷される荷重に応じたひずみ計２２の検出信号をフィードバックしてアクチュエータ部４０の動作を制御するための制御信号をサーボバルブ５０に送るフィードバック制御を行うものであり、制御性能に直接関係する処理をデジタル処理で行うＤＳＰコントローラ７０と、このＤＳＰコントローラ７０に接続されてＤＳＰコントローラ７０との間で情報の送受信を行うことにより制御性能に直接関係しない処理を行う外部処理装置９０とを備えて構成されている。
【００６２】
図１において、ＤＳＰコントローラ７０は、関数発生器７１と、制御信号発生手段を構成するサーボ増幅器７２と、Ｄ−Ａコンバータ７３と、Ａ−Ｄコンバータ７４と、カウンタ７５と、リミッタ７６とを備えている。また、ＤＳＰコントローラ７０は、ピークボトムホールド７７と、増幅率補正／零点補正計算手段７８と、増幅率補正手段７９と、零点補正手段８０とを備えている。
【００６３】
なお、上記のＤＳＰコントローラ７０の各構成要素は、ＤＳＰコントローラ７０の内部に設けられた一つまたは複数の中央演算処理装置（ＣＰＵ）、およびこのＣＰＵの動作手順を規定する一つまたは複数の制御プログラム、並びにＲＯＭやＲＡＭ等の各種メモリにより実現される。また、ＤＳＰコントローラ７０を構成するハードウェアとしては、ＣＰＵの他に、例えば積和演算器等が含まれていてもよい。制御プログラムは、外部処理装置９０により作成されてコンパイルされた実行プログラムを、ＤＳＰコントローラ７０に搭載したものである。この制御プログラムは、外部処理装置９０により作成されたプログラムと、ＤＳＰコントローラ７０に内蔵されたＤＳＰボードで用意されている種々の命令（例えば、サイン波形を出力する命令等）とを組み合わせて作成されるのが一般的であるが、制御プログラムの全ての部分を外部処理装置９０により作成してもよい。
【００６４】
そして、ＤＳＰコントローラ７０では、次のようなフルデジタル化されたフィードバック制御が行われる。制御の概要から説明すると、先ず、関数発生器７１において目標荷重に相当する信号が作られる。この信号は、サーボ増幅器７２により所定の増幅率で増幅され、Ｄ−Ａコンバータ７３を通じてアナログ電流信号または電圧信号に変換される。このアナログ電流信号または電圧信号は、サーボバルブ５０において、この信号の大きさに比例した流量の油に置き換えられ、アクチュエータ部４０の第一圧力室４３または第二圧力室４４に導かれる。この結果、ピストン４１が移動し、試験片１に荷重が負荷される。
【００６５】
次に、試験片１に負荷された荷重は、ロードセル２１およびひずみ計２２により荷重に比例したアナログ電圧信号または電流信号に変換され、さらに、Ａ−Ｄコンバータ７４を通じてデジタル信号に変換される。そして、関数発生器７１からの目標値信号とこの荷重信号との偏差値が計算され、この値が再びサーボ増幅器７２に送られる。このようなフィードバックループによって最終的に偏差が収束し、試験片１に目標値信号に相当する荷重が負荷される。
【００６６】
一方、疲労試験機１０は、システム全体として様々な外乱の影響を受けるため、増幅率を一定値とすると荷重信号が目標値信号に追従しない場合がある。このような場合には、ピークボトムホールド７７、増幅率補正／零点補正計算手段７８、増幅率補正手段７９、零点補正手段８０により、外乱に対する修正動作が行われる。すなわち、ピークボトムホールド７７により荷重信号の最大値および最小値がリアルタイムでモニタされ、増幅率補正／零点補正計算手段７８により、このモニタ結果と目標値信号とのずれ量から最適な増幅率補正量および零点補正量が計算される。そして、この計算結果に基づき、零点補正手段８０により、関数発生器７１の信号が補正されるとともに、増幅率補正手段７９により、サーボ増幅器７２の増幅率が修正される。
【００６７】
また、試験片１の破断時、あるいは、非常事態の発生時等、荷重信号が予め設定された範囲を逸脱した場合には、リミッタ７６により疲労試験機１０が停止される。なお、カウンタ７５により、疲労試験に必要な繰返し数が計数される。
【００６８】
続いて、制御の詳細、すなわちＤＳＰコントローラ７０の各構成要素の処理内容の詳細を説明する。
【００６９】
関数発生器７１は、目標値ｒ（ｋ）の発生処理を行うものである。目標値ｒ（ｋ）は、サイン波形であり、次の式（１）で示される。
【００７０】
ｒ（ｋ）＝Ａt×ｓｉｎ（２π×（Ｆ×ｋ／Ｆs））＋ＯＦＦt ・・・（１）
【００７１】
ここで、Ａtは、到達目標荷重のサイン波振幅（amplitude）であり、Ｆは、疲労試験の繰返し周波数（frequency）であり、Ｆsは、ＤＳＰコントローラ７０のＡ−Ｄコンバータ７４の動作周波数（sampling frequency）であり、ＯＦＦtは、零点すなわち目標荷重のサイン波平均値（offset）である。ｋは、離散化した時間のうちのある一つの時刻を意味する値であり、例えば、サンプリング周波数Ｆsを５０Ｈｚとすると、１秒間に５０回分の時刻データを測定することができ、このとき、ｋ＝１のデータは、５０個のデータのうち１番目の時刻データを表す。
【００７２】
また、到達目標荷重のサイン波振幅Ａtおよび零点ＯＦＦtは、後述する図５の試験条件設定画面２００を用いて実験者により入力される最大応力および応力比から決定される。この決定処理は、外部処理装置９０の処理手段９０Ａにより行われ、その決定結果が関数発生器７１に引き渡され、関数発生器７１での処理に用いられる。例えば、ロードセル２１を１０００ｋｇｆ（９．８１ｋＮ）で１０Ｖ出力するように較正したとする。このとき、試験片１に最大値１０００ｋｇｆ（９．８１ｋＮ）、最小値１００ｋｇｆ（０．９８ｋＮ）のサイン波形の繰返し荷重を加えたい場合には、目標荷重の振幅は（１０００−１００）／２＝４５０ｋｇｆ（４．４１ｋＮ）となり、目標荷重のサイン波平均値は（１０００＋１００）／２＝５５０ｋｇｆ（５．３９ｋＮ）となる。換言すれば、この波形は、５５０ｋｇｆ（５．３９ｋＮ）を中心として上下に４５０ｋｇｆ（４．４１ｋＮ）の振幅を持つサイン波形となる。このとき、１ｋｇｆ（９．８１Ｎ）は０．０１Ｖに対応するので、上記の目標荷重を目標電圧信号に変換すれば、振幅Ａt＝４５０×０．０１＝４．５Ｖ、零点ＯＦＦt＝５５０×０．０１＝５．５Ｖとなる。なお、疲労試験機１０では、後述する如く、外部処理装置９０の試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により、図５の試験条件設定画面２００上で応力値による設定入力を受け付けるので、実験者は、応力値から荷重値への換算作業を行う必要はなく、外部処理装置９０が、応力値から荷重値への換算処理、目標荷重の振幅および零点の算出決定処理、電圧値への変換処理を全て自動的に行う。
【００７３】
さらに、疲労試験の繰返し周波数Ｆは、後述する図５の試験条件設定画面２００を用いて実験者により入力される。
【００７４】
サーボ増幅器７２は、サーボバルブ５０に送る制御信号を発生させる処理を行うものである。ＤＳＰコントローラ７０による制御は、比例制御であり、サーボバルブ５０に制御信号として送る比例制御の操作量ｕ（ｋ）は、次の式（２）で示される。
【００７５】
ｕ（ｋ）＝Ｇ×ｅ（ｋ） ・・・・・・・（２）
【００７６】
ここで、Ｇは、増幅率すなわち比例ゲイン（gain）である。ｅ（ｋ）は、目標値ｒ（ｋ）と応答値（ひずみ計２２で検出される荷重値）ｘ（ｋ）との偏差量であり、ｅ（ｋ）＝ｒ（ｋ）−ｘ（ｋ）で表される。
【００７７】
従って、偏差量ｅ（ｋ）の算出処理およびその偏差量ｅ（ｋ）に基づくサーボ増幅器７２による処理を合わせて考えると、最終的に、サーボバルブ５０に送る制御信号の値は、上記の式（２）に式（１）を代入し、次の式（３）のようになる。
【００７８】
ｕ（ｋ）
＝Ｇ×（ｒ（ｋ）−ｘ（ｋ））
＝Ｇ×（Ａt×ｓｉｎ（２π×（Ｆ×ｋ／Ｆs））＋ＯＦＦt−ｘ（ｋ））・・・・・・・・（３）
【００７９】
ピークボトムホールド７７は、ひずみ計２２で検出される実測荷重値の波形についての各周期の最大値および最小値を測定し、それを記憶保持する処理を行うものである。
【００８０】
増幅率補正／零点補正計算手段７８は、目標値信号の波形と、ひずみ計２２の検出信号の波形（フィードバック波形）とを比較し、この比較結果に基づき増幅率（ゲイン）および零点（オフセット）の補正に関する計算処理を行うものである。これは、適応比例制御を行うための処理である。目標値信号の波形とフィードバック波形との比較とは、目標値信号の波形の振幅とフィードバック波形の振幅との比較、および目標値信号の波形の零点（オフセット）とフィードバック波形の零点（オフセット）との比較である。ここで、目標値信号の波形の振幅およびオフセットは、前述した如く、図５の試験条件設定画面２００で最初に試験条件を設定するときに外部処理装置９０により算出決定された値である。一方、フィードバック波形の振幅およびオフセットは、ピークボトムホールド７７により測定された最大値および最小値に基づき、増幅率補正／零点補正計算手段７８により算出される。なお、これらの波形の比較処理および比較結果に基づく補正に関する計算処理は、波形一周期毎に行うのが原則であるが、複数周期毎に行うようにしてもよい。
【００８１】
また、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、応答信号（ひずみ計２２の検出信号）の目標値信号への収束度に応じ、増幅率（ゲイン）および零点（オフセット）の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える処理を行う。これは、多段適応比例制御を行うための処理である。なお、切り替えるか否かの判断処理は、波形一周期毎に行うのが原則であるが、複数周期毎に行うようにしてもよい。
【００８２】
アルゴリズムを段階的に切り替える処理の具体例として、以下のような２段階の切替処理を挙げることができるが、切替の段階数、アルゴリズムの内容、切替判断方法等は、以下の例に限定されるものではない。
【００８３】
例えば、増幅率（ゲイン）については、次のようなアルゴリズムＡとアルゴリズムＢとを、下記の条件に基づき自動的に切り替えることができる。
【００８４】
＜アルゴリズムＡ＞
疲労試験中のある時刻に、実測荷重の振幅がＡcで、そのときの比例ゲインがＧcであるとする。ここで、到達目標荷重の振幅をＡtとすると、これを達成するための比例ゲイン予測値Ｇtは、Ｇt＝（Ａt／Ａc）×Ｇcと考えることができる。このＧtの値と、現在の比例ゲインＧcとの差をΔＧとすると、ΔＧは、次の式（４）で与えられる。
【００８５】
ΔＧ＝Ｇt−Ｇc＝（（Ａt／Ａc）−１）×Ｇc ・・・・・・・（４）
【００８６】
通常の適応比例制御における増幅率の補正に関する計算処理（ＡＧＣ：Auto Gain Control）では、上記の式（４）のΔＧを基本にして、次の式（５）で示されるアルゴリズムで最適ゲインを求める計算を行っている。
【００８７】
Ｇc（ｉ＋１）
＝Ｇc（ｉ）＋ｇｔｐ×ΔＧ
＝Ｇc（ｉ）＋ｇｔｐ×（（Ａt／Ａc）−１）×Ｇc（ｉ） ・・・（５）
【００８８】
ここで、ｉは、ｉ番目のサンプリングデータであることを示し、各周期に対応する。従って、ｉの値は、前記式（１）〜式（３）におけるｋよりも長い時間間隔で変わる。また、ｇｔｐは、比例ゲインの変化を滑らかにするために用いるパラメータ（ゲインチューニングパラメータ）である。このｇｔｐの値としては、例えば、経験値として０．０２等を用いることができるが、これに限定されるものではない。以上の方法が、アルゴリズムＡである。
【００８９】
＜アルゴリズムＢ＞
通常の適応比例制御では、上記のアルゴリズムＡのみでＡＧＣを行っている。しかし、実測荷重値が目標値にある程度収束すると、ｇｔｐ×ΔＧの値が極端に小さくなるため、収束が頭打ちになり、誤差を例えば１％よりもさらに小さな値に収束させることが困難となる。
【００９０】
そこで、多段適応比例制御では、試験開始後、実測荷重値が目標値にある程度収束した時点で、ＡＧＣのアルゴリズムを、上記のアルゴリズムＡから下記のアルゴリズムＢに変更する。
【００９１】
（１）Ａc＜Ａtの場合には、比例ゲインを０．０００２増加させる。
（２）Ａc＞Ａtの場合には、比例ゲインを０．０００２減少させる。
（３）Ａc＝Ａtの場合には、比例ゲインをそのままとする。
【００９２】
なお、このようなアルゴリズムＢにおいて、増減量は上記の０．０００２に限定されず、他の値としてもよく、また、増加量と減少量とを異なる値としてもよい。
【００９３】
アルゴリズムＡからアルゴリズムＢへの切替のタイミングは、アルゴリズムＡによる制御を行っている際に、初めてｇｔｐ×ΔＧ＜０．０００６を満たした時点である。従って、各周期毎にｇｔｐ×ΔＧ＜０．０００６を満たしているか否かを判断する。なお、０．０００６という数値は、実験により経験的に得られた値であるが、判断基準値は、これに限定されるものではない。
【００９４】
以上のようなアルゴリズムＡからアルゴリズムＢへの切り替えを行う多段適応比例制御により、誤差を±０．１％以下にまで収束させることができる。なお、アルゴリズムＡにおけるｇｔｐの値を、収束の度合いを監視しながら、動的に変更させたり、あるいは上記の例では０．０００６のみとなっている切替の判断基準値（ｇｔｐ×ΔＧの境界値）を複数設け、アルゴリズムＢにおける増減量を変更する等により、３段階以上の切替えを行う多段適応比例制御としてもよい。
【００９５】
また、零点（オフセット）については、次のようなアルゴリズムＣとアルゴリズムＤとを、下記の条件に基づき自動的に切り替えることができる。
【００９６】
＜アルゴリズムＣ＞誤差が定格出力の１．５％よりも大きいときに、次のアルゴリズムＣを用いる。
【００９７】
（１）現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも大きい場合には、オフセットの値を小さくする。調整量は、定格出力の０．１５％である。
（２）現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも小さい場合には、オフセットの値を大きくする。調整量は、定格出力の０．１５％である。
（３）現在の荷重平均値が目標荷重平均値と同じ場合には、オフセットをそのままとする。
【００９８】
＜アルゴリズムＤ＞誤差が定格出力の１．５％以下のときに、次のアルゴリズムＤを用いる。
【００９９】
（１）現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも大きい場合には、オフセットの値を小さくする。調整量は、定格出力の０．００６％である。
（２）現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも小さい場合には、オフセットの値を大きくする。調整量は、定格出力の０．００６％である。
（３）現在の荷重平均値が目標荷重平均値と同じ場合には、オフセットをそのままとする。
【０１００】
ここで、定格出力とは、目標荷重の最大値の絶対値と、目標荷重の最小値の絶対値とのうち、大きい方の値を指す。
【０１０１】
従って、アルゴリズムＣ，Ｄのいずれについても、オフセットの補正量を決定する処理の流れは、同じであり、調整量の数値が異なるだけである。前述したように、本発明では、このように使用データの相違のみの場合も、アルゴリムが相違するものと捉え、「アルゴリズム」を定義している。なお、定格出力の０．１５％、０．００６％という各調整量の値は、実験により経験的に求めたものであるが、この数値に限定されるものではない。また、アルゴリズムＣ，Ｄの切替の判断基準値となる定格出力の１．５％という誤差の値も、これに限定されるものではなく、他の値を用いてもよい。
【０１０２】
なお、上記の例で、定格出力の１．５％となっている切替の判断基準値（誤差の境界値）を複数設け、調整量も別の数値を追加して用意することにより、３段階以上の切替えを行う多段適応比例制御としてもよい。
【０１０３】
また、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、ＡＧＣが無効にされているときでも、自動オフセットコントロール（ＡＯＣ：Auto offset control）を常時有効としている。つまり、試験中、荷重平均値は常に目標値に一致または略一致していることになる。実験者は、図６の試験中画面３００で「ＡＧＣ有効」ボタン３６０を用いて、ＡＧＣの有効・無効の選択を行うことができる。なお、本実施形態の疲労試験機１０では、試験前に、一度平均値の調整を行うため、試験開始直後から平均値の誤差を小さい値にとどめることができる。従って、実際に使用されるオフセット調整量は、殆どアルゴリズムＤの値となってもよい。
【０１０４】
増幅率補正手段７９および零点補正手段８０は、増幅率補正／零点補正計算手段７８による計算結果をメモリに記憶しておき、この計算結果に基づき、増幅率および零点の補正処理をそれぞれ行うものである。増幅率補正／零点補正計算手段７８による処理が波形一周期毎に行われるので、増幅率補正手段７９および零点補正手段８０による補正処理の内容は、波形一周期毎に更新される。
【０１０５】
カウンタ７５は、疲労試験に必要な繰返し数の計数処理を行うとともに、カウンタリミットの処理を行うものである。カウンタリミットは、試験繰返し数が規定の値に達した時点で試験を停止する機能である。規定の値とは、実験者が、図５の試験条件設定画面２００の打切り繰返し数の入力部２３３で入力した値である。
【０１０６】
リミッタ７６は、最大リミッタ、最小リミッタ、ゲイン発振防止リミッタ、試験片破断検出機構の各処理を行うものである。
【０１０７】
最大リミッタは、ピークボトムホールド７７で検出した最大値が、試験前に予め設定した値を上回ったときに、一方、最小リミッタは、ピークボトムホールド７７で検出した最小値が、試験前に予め設定した値を下回ったときに、それぞれ試験動作を停止し、異常な荷重負荷が繰り返されることを防止する機能である。試験前に予め設定した値とは、実験者が、図５の試験条件設定画面２００の許容過大誤差の入力部２３１で入力した値に基づき算出された値である。
【０１０８】
ゲイン発振防止リミッタは、オートチューニングにより、無制限に出力が増大し、試験が不安定となることを防止する機能である。実験者が、図５の試験条件設定画面２００の許容最大ゲインの入力部２３２で入力した値によりリミッタをかける。
【０１０９】
試験片破断検出機構は、応答荷重波形の急激な変化を感知することにより試験片１の破断を検出し、試験片１が破断した瞬間に疲労試験を停止することで試験片破面と疲労試験機１０そのものを保護する機能である。
【０１１０】
外部処理装置９０は、コンピュータにより構成され、制御性能に直接関係しない各種処理を行う処理手段９０Ａと、例えばキーボードやマウス等の入力手段９６と、例えば液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等の表示手段９７とを備えて構成されている。また、例えばプリンタやプロッタ等の出力手段を適宜設けてもよい。
【０１１１】
処理手段９０Ａは、待機中画面表示・入力受付処理手段９１と、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２と、試験中画面表示・入力受付処理手段９３と、相反操作強制無効手段９４と、入力パラメータ監査手段９５とを含み構成されている。
【０１１２】
待機中画面表示・入力受付処理手段９１は、試験中以外の状態でアクチュエータ部４０を動作させる場合に使用する図４の待機中画面１００を表示する処理、およびこの待機中画面１００を用いて行われる実験者によるアクチュエータ部４０に対する操作入力を受け付ける処理を行うものである。
【０１１３】
試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２は、試験条件を設定するための図５の試験条件設定画面２００を表示する処理、およびこの試験条件設定画面２００を用いて行われる実験者による試験条件の設定入力を受け付ける処理を行うものである。実験者が、図５の試験条件設定画面２００で必要な数値を入力して決定を指示すれば、入力された試験条件は、この試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により、ＤＳＰコントローラ７０の制御プログラムが解釈できるパラメータに自動変換され、ＤＳＰコントローラ７０に転送される。
【０１１４】
試験中画面表示・入力受付処理手段９３は、試験中に試験状況をモニタする図６の試験中画面３００を表示する処理、およびこの試験中画面３００を用いて行われる実験者による入力を受け付ける処理を行うものである。また、試験中画面表示・入力受付処理手段９３は、試験中に異常が発生し、試験が停止した場合には、ＤＳＰコントローラ７０の制御プログラムと通信を行って原因を調査し、レポートする処理を行う。
【０１１５】
相反操作強制無効手段９４は、ある操作を実行中に、行ってはならない操作または行うべきでない操作を強制的に無効にする処理を行うものである。例えば、試験中には、試験条件のパラメータを変更することができないようになっている。
【０１１６】
入力パラメータ監査手段９５は、実験者により入力されるパラメータ（試験条件等）が異常か否かを監査する処理を行うものである。例えば、図５の試験条件設定画面２００での矛盾したパラメータ入力を監視する。
【０１１７】
そして、処理手段９０Ａに含まれる各手段９１〜９５は、外部処理装置９０を構成するコンピュータ本体（パーソナル・コンピュータのみならず、その上位機種のものも含む。）の内部に設けられた中央演算処理装置（ＣＰＵ）、およびこのＣＰＵの動作手順を規定する一つまたは複数のプログラムにより実現される。
【０１１８】
このような本実施形態においては、以下のようにして疲労試験機１０を用いて超高サイクル域データを取得するための疲労試験が行われる。
【０１１９】
先ず、実験者は、疲労試験を行う前に、調芯用ダミー試験片を用いて疲労試験機１０の本体１１の調芯作業を行う。図２および図３において、調芯作業では、先ず最初に、調芯用ダミー試験片を下側（ピストン４１側）の掴み部２５に装着する。この際には、試験片ホルダ２５Ａに形成された挿入穴３２に、調芯用ダミー試験片の下側の端部２Ｂを挿入し、ボルト３４を締め込んで試験片固定蓋２５Ｂにより調芯用ダミー試験片の下側の端部２Ｂを押さえ付けて固定する。
【０１２０】
次に、上側（ロードセル２１側）の掴み部２４の試験片ホルダ２４Ａに形成された挿入穴３１に、調芯用ダミー試験片の上側の端部２Ａが入るようにロードセル２１の水平位置を調整する。
【０１２１】
続いて、ロードセル２１の水平位置を調整後に、ボルト２６によりロードセル２１を固定し、ロックナット３０を締める。最後に、調芯用ダミー試験片を取り外す。
【０１２２】
以上の調芯作業は、数分程度で行うことが可能であり、従来のように試験片にひずみゲージを貼って調芯作業を行う場合に比べ、作業時間が格段に短縮できる。この調芯作業の後は、疲労試験用の試験片１を無作為に何回取り付けたとしても、試験片１には、側面からの拘束力が加わることはない。従って、この調芯作業は、従来の場合と異なり、疲労試験毎に行う必要はない。
【０１２３】
実験者は、上記の如く調芯用ダミー試験片を用いて調芯作業を行った後に、疲労試験を行うために、疲労試験機１０の本体１１の試験片取付部２０に、試験片１を取り付ける。この際、実験者は、外部処理装置９０の待機中画面表示・入力受付処理手段９１により表示手段９７の画面上に表示された図４の待機中画面１００を用いて、試験片１の取付作業に必要なピストン４１の操作を行う。
【０１２４】
図４において、待機中画面１００には、フィードバック値表示部１１０と、試験条件表示部１２０と、ピストンコントロール部１３０と、「通信終了」ボタン１４０と、「試験条件設定」ボタン１５０と、「試験コンソールへ」ボタン１６０と、「数値オフセット入力」ボタン１７０とが設けられている。
【０１２５】
フィードバック値表示部１１０には、ひずみ計２２の検出信号から得られる負荷荷重の表示部１１１と、負荷荷重を試験片直径を用いて換算した負荷応力の表示部１１２とが設けられている。応力値への換算処理は、待機中画面表示・入力受付処理手段９１により行われる。
【０１２６】
試験条件表示部１２０には、最大絶対応力、試験応力比、試験片直径、試験周波数の各表示部１２１〜１２４が設けられている。これらの表示値は、実験者が「試験条件設定」ボタン１５０をクリックして図５の試験条件設定画面２００で入力した値である。
【０１２７】
ピストンコントロール部１３０には、ピストン４１を前進移動（上昇）させる上昇ボタン１３１と、ピストン４１を後退移動（下降）させる下降ボタン１３２と、ピストン４１を中央位置にするニュートラルボタン１３３と、ピストン４１の前進量（上昇量）をバー表示する前進量表示部１３４と、ピストン４１の後退量（下降量）をバー表示する後退量表示部１３５と、サーボバルブ５０の零点の調整量を入力するバルブ零調入力部１３６と、バルブ零調入力部１３６で入力した値を実際に設定する「Ｓｅｔ」ボタン１３７とが設けられている。なお、サーボバルブ５０の零点は、通常、安全サイドにずらしてあるので、これを予め補正して精密な制御を行うために零点調整を行う。
【０１２８】
「通信終了」ボタン１４０は、ＤＳＰコントローラ７０との通信を終了させるボタンであり、「試験条件設定」ボタン１５０は、図５の試験条件設定画面２００へ移動するためのボタンであり、「試験コンソールへ」ボタン１６０は、図６の試験中画面３００へ移動するためのボタンであり、「数値オフセット入力」ボタン１７０は、試験開始前等の調整時に、強制的に零点（オフセット）をある値に定める場合に使用するボタンである。
【０１２９】
実験者は、試験前に試験条件の設定も行う。この際には、実験者は、図４の待機中画面１００で「試験条件設定」ボタン１５０をクリックする。すると、外部処理装置９０の表示手段９７の画面上には、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により、図５の試験条件設定画面２００が表示される。
【０１３０】
図５において、試験条件設定画面２００には、試験条件のうちの主要条件を設定する主要条件設定部２１０と、試験条件のうちの高度な条件の設定を行う高度条件設定部２２０と、各種のリミッタの値を設定するリミッタ設定部２３０と、各設定部２１０，２２０，２３０での入力を取り消す「キャンセル」ボタン２４０と、各設定部２１０，２２０，２３０で入力した条件を実際に設定する「条件を設定」ボタン２５０とが設けられている。
【０１３１】
主要条件設定部２１０には、最大絶対応力、試験応力比、試験片直径、試験周波数の各入力部２１１〜２１４が設けられるとともに、圧縮−圧縮試験を行う場合にチェックを入れるための圧縮−圧縮試験選択チェック入力部２１５が設けられている。ここで入力した最大絶対応力、試験応力比、および試験片直径の各値は、前述した式（１）中の到達目標荷重のサイン波振幅Ａtおよびサイン波平均値（零点）ＯＦＦtの算出決定処理に用いられる。この算出決定処理は、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により行われる。また、ここで入力した試験周波数の値は、前述した式（１）中のＦの値として設定される。
【０１３２】
高度条件設定部２２０には、ロードセル変換定数、真空バイアス、デフォルトゲインの各入力部２２１〜２２３が設けられている。ロードセル変換定数は、ロードセル２１に負荷される荷重と、ひずみ計２２の出力電圧との関係を示し、ロードセル２１の較正結果に応じて入力するものであり、前述した式（１）中の到達目標荷重のサイン波振幅Ａtおよびサイン波平均値（零点）ＯＦＦtの算出決定処理等の各種処理における荷重−電圧換算処理に用いられる。また、デフォルトゲインは、増幅率（ゲイン）の初期値を設定するものである。
【０１３３】
リミッタ設定部２３０には、許容過大誤差、許容最大ゲイン、打切り繰返し数の各入力部２３１〜２３３が設けられている。これらの入力値は、リミッタ７６およびカウンタ７５により行われる各種のリミットの処理に用いられる。
【０１３４】
実験者が、各設定部２１０，２２０，２３０での入力を終えて「条件を設定」ボタン２５０をクリックすると、入力した条件が設定され、図４の待機中画面１００に戻る。そして、実験者は、試験を開始する際には、この画面１００で「試験コンソールへ」ボタン１６０をクリックする。すると、外部処理装置９０の表示手段９７の画面上には、試験中画面表示・入力受付処理手段９３により、図６の試験中画面３００が表示される。
【０１３５】
図６において、試験中画面３００には、試験条件を表示する試験条件表示部３１０と、試験状況を数値表示する試験状況数値表示部３２０と、試験状況として実測荷重に基づく応力表示をグラフ表示で行う試験状況グラフ表示部３３０とが設けられている。
【０１３６】
試験条件表示部３１０には、最大絶対応力、試験応力比、試験片直径、試験周波数の各表示部３１１〜３１４が設けられている。これらの表示値は、実験者が図５の試験条件設定画面２００で入力した値である。
【０１３７】
試験状況数値表示部３２０には、カウンタ７５の計数値を表示するカウント表示部３２１と、現在のゲインを表示するゲイン表示部３２２と、サーボバルブ５０の定格入力のうち何％まで使用しているか（最大流量に対して何％の流量となっているか）という出力レベルを表示する出力ＬＶ表示部３２３と、試験誤差表示部３２４とが設けられている。ここで表示する試験誤差とは、（実荷重振幅−目標荷重振幅）／目標荷重振幅×１００（％）のことをいう。
【０１３８】
試験状況グラフ表示部３３０には、実荷重から算出した応力の波形（横軸を時間とし、縦軸を応力とした波形）が表示される。この際の荷重値から応力値への換算処理は、試験中画面表示・入力受付処理手段９３により行われる。
【０１３９】
これらの試験状況数値表示部３２０および試験状況グラフ表示部３３０の表示内容は、試験中画面表示・入力受付処理手段９３により、定期的に更新される。
【０１４０】
また、試験中画面３００には、オフセットを自動調整する「オフセット自動調整」ボタン３４０と、試験を停止する「試験停止」ボタン３５０と、ＡＧＣを有効にする「ＡＧＣ有効」ボタン３６０と、カウンタ７５の計数値をリセットする「カウンタリセット」ボタン３７０と、除荷を行う「除荷」ボタン３８０と、図４の待機中画面１００に移動するための「メインコンソールへ」ボタン３９０とが設けられている。
【０１４１】
なお、実際に試験を行う場合には、目標荷重のオフセットの値まで静的にオフセットを調整し、その後、それに加算してサイン波形を重畳させる。「オフセット自動調整」ボタン３４０は、試験開始前に荷重を静的にそのオフセット値まで自動的にもっていくためのボタンである。
【０１４２】
また、「ＡＧＣ有効」ボタン３６０をクリックしないと、多段適応比例制御が有効にならず、単なる比例制御となる。この場合には、増幅率（ゲイン）や零点（オフセット）の値は一定値となり、実荷重が外的要因によって目標荷重からずれたとしても、それに適応して増幅率や零点の値の修正動作は行われない。
【０１４３】
このような本実施形態によれば、次のような効果がある。すなわち、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う際に、実荷重信号（ひずみ計２２の検出信号）の目標値信号への収束度に応じ、増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされているので、検出信号が目標値信号にある程度収束したときに、増幅率の補正に関するアルゴリズムを切り替えることにより、検出信号の目標値信号への収束度を高めることができる。従って、試験精度の向上を図ることができる。
【０１４４】
また、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、検出信号の目標値信号への収束度に応じ、増幅率のみならず、零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされているので、検出信号の目標値信号への収束度をより一層高めることができ、試験精度をより一層向上させることができる。
【０１４５】
さらに、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、アルゴリズムを切り替えるか否かの判断を波形一周期毎に行う構成とされているので、適切なタイミングでアルゴリズムの切替を行うことができる。このため、収束の速度を向上させることができ、試験精度をより一層向上させることができる。
【０１４６】
具体的には、従来の適応比例制御で、目標値信号と検出信号との誤差の収束度が例えば±１％程度であったとすると、本実施形態の多段適応比例制御では、±０．１％以内に収束させることができる。
【０１４７】
そして、疲労試験機１０は、制御手段６０として、ＤＳＰコントローラ７０と外部処理装置９０とを備えているので、ＤＳＰコントローラ７０には、制御性能に直接関係する演算処理（目標値信号と荷重信号との比較、増幅率補正、零点補正、ピークボトムホールド、多段適応比例制御を行うための増幅率や零点の補正に関する計算等の処理）のみを負担させ、一方、外部処理装置９０には、制御性能に直接関係しない演算処理（フィードバックされた電圧を荷重に換算する演算処理、応力の数値表示・応力のグラフ表示・ピストン移動量のバー表示・ピストン操作用ボタンの矢印表示等のように人間が見て扱いやすい表示にするためのインターフェースに係る演算処理）を負担させることができる。つまり、制御性能に直接関係する演算処理用のプログラムと、制御性能に直接関係しない演算処理用のプログラムとを完全に分離し、これらの各プログラムを実行するハードウェアを分離することができる。
【０１４８】
このため、ＤＳＰコントローラ７０の処理負担を軽減できるので、応答性や荷重精度、外乱に対する収束性等の制御性能に直接関係する演算処理についての処理速度を向上させることができ、この点でも試験精度の向上を図ることができる。
【０１４９】
また、外部処理装置９０は、待機中画面表示・入力受付処理手段９１、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２、および試験中画面表示・入力受付処理手段９３を備えているので、実験者は、試験およびその準備の各場面において、図４の待機中画面１００、図５の試験条件設定画面２００、図６の試験中画面３００の３つの画面のうちのいずれかを参照しながら、各場面で必要となる情報の表示のみを確認し、また、各場面で必要となる入力作業のみを行うことができる。従って、実験者は、試験およびその準備の各場面で必要最低限の操作を行えばよくなるので、余分な操作を行ったり、余分な情報を参照して余分な事を考える余地を排除することができ、操作性の向上を図ることができる。そして、操作性の向上を図ることができるため、誤認識や誤操作等の発生も回避または抑制することができ、試験精度の向上にも繋がる。
【０１５０】
そして、待機中画面表示・入力受付処理手段９１により、図４の待機中画面１００のピストンコントロール部１３０において、上昇ボタン１３１および下降ボタン１３２が矢印表示とされ、前進量表示部１３４および後退量表示部１３５がバー表示とされているので、実験者は、ピストン４１の操作を直感的に行うことができる。また、これにより誤操作等も回避または抑制することができる。さらに、フィードバック値表示部１１０が設けられ、応力表示が行われるので、実験者は、現在の荷重の負荷状態を容易に確認することができる。
【０１５１】
また、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により、図５の試験条件設定画面２００で、最大絶対応力、応力比、および試験片直径の入力を受け付けることができる。このため、実験者は、応力・応力比・試験片直径という普段使用するパラメータのみを使用すればよくなるので、疲労試験機１０の操作性を向上させることができ、疲労試験機や制御の知識がない実験者でも容易に疲労試験を行うことができる。
【０１５２】
さらに、試験中画面表示・入力受付処理手段９３により、図６の試験中画面３００の試験状況グラフ表示部３３０において、応力のグラフ表示が行われるので、実験者は、現在の試験状況を容易かつ直感的に把握することができる。また、実験者は、各ボタン３４０〜３９０を押していくだけで、設定した条件での疲労試験を適切に行うことができる。
【０１５３】
そして、外部処理装置９０は、相反操作強制無効手段９４を備えているので、誤操作を防止できる。
【０１５４】
また、外部処理装置９０は、入力パラメータ監査手段９５を備えているので、試験の安全性を高めることができる。
【０１５５】
さらに、疲労試験機１０では、試験片１および本体１１の各構成部品の各面の平行度を向上させたので、偏荷重の発生を抑えることができる。また、これと併せ、試験片１の端部１Ａ，１Ｂと上下の掴み部２４，２５とのはめ合いを緩めにしたので（図３参照）、試験片１に側面（試験片１の端部１Ａ，１Ｂの外周面１Ｅ，１Ｆ）からの拘束力が加わらないようにすることができ、偏荷重の発生を抑えることができる。このため、試験精度を向上させることができる。そして、通常、はめ合いを緩くすると、疲労試験中に試験片１の横ずれが懸念されるが、試験片１および本体１１の各構成部品の各面の平行度を向上させているので、試験片１に横ずれを生じさせる力が加わることを回避できる。
【０１５６】
そして、試験本番で用いる試験片１の端部１Ａ，１Ｂよりも大きい端部２Ａ，２Ｂを有する調芯用ダミー試験片を用いて調芯作業を行うので、調芯作業を精度よく行うことができることに加え、前述した緩めのはめ合いも容易に実現できる。また、調芯用ダミー試験片による調芯作業を一回行えば、そのままの状態で複数の試験を行うことができるので、実験者の作業の手間を軽減できる。
【０１５７】
なお、本発明の効果を確かめるために、次のような手順で偏応力Δσの測定実験を行った。先ず、調芯用ダミー試験片を用いて疲労試験機１０の調芯作業を行う。次に、試験片中央部の外周を３分割した位置に合計３枚のひずみゲージを貼った試験片１を試験片取付部２０に取り付ける。この際、ひずみゲージの値は参考にしない。続いて、試験片１に±４００ＭＰａの静的応力を負荷する。最後に、ひずみゲージの値から偏応力Δσを算出する。そして、以上の測定を数回行った。
【０１５８】
上記の測定結果は、次のようになった。負荷応力±４００ＭＰａのときの偏応力Δσは、３．２〜３．９ＭＰａであった。Δσの割合は、負荷応力に対して０．８〜２．３％である。この値は、疲労試験結果には全く影響しない値である。また、前述した特許文献１に記載された本願出願人による疲労試験機（球状ベアリングを備えた疲労試験機）では、負荷応力４００ＭＰａに対するΔσの割合は、３．５〜７．４％である。従って、本実施形態の疲労試験機１０では、偏荷重を大幅に軽減できたことがわかり、これにより本発明の効果が顕著に示された。
【０１５９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲内での変形等は本発明に含まれるものである。
【０１６０】
すなわち、前記実施形態では、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、増幅率および零点のいずれについても、それらの補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされていたが、本発明では、増幅率についてだけアルゴリズムを段階的に切り替える構成としてもよい。但し、前記実施形態のように増幅率および零点の双方についてアルゴリズムを段階的に切り替える構成としておけば、試験精度をより一層向上することができる。
【０１６１】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明によれば、増幅率補正／零点補正計算手段により、検出信号の波形と目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う際に、検出信号の目標値信号への収束度に応じ、増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替えるので、検出信号が目標値信号にある程度収束したときに、増幅率の補正に関するアルゴリズムを切り替えることにより、検出信号の目標値信号への収束度を高めることができ、試験精度の向上を図ることができるという効果がある。
【０１６２】
また、本発明によれば、デジタルコントローラとは別途に設けられた外部処理装置により、待機中画面、試験条件設定画面、試験中画面の３つの画面の表示処理およびこれらの画面を用いた入力の受付処理を行うので、操作性の向上を図ることができ、実験者の操作負担を軽減して誤認識や誤操作等の発生を回避または抑制し、試験精度の向上を図ることができるという効果がある。
【０１６３】
さらに、本発明によれば、試験片および試験機本体構成部品の各面の平行度を向上させ、かつ、試験片の端部と掴み部とのはめ合いを緩めにしたので、偏荷重の発生を抑えることができ、試験精度の向上を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の疲労試験機の全体構成図。
【図２】前記実施形態の疲労試験機の本体を構成する試験片取付部の断面図。
【図３】前記実施形態の試験片取付部の要部の拡大断面図。
【図４】前記実施形態の疲労試験機の制御手段を構成する外部処理装置による処理に伴う待機中画面の例示図。
【図５】前記実施形態の疲労試験機の制御手段を構成する外部処理装置による処理に伴う試験条件設定画面の例示図。
【図６】前記実施形態の疲労試験機の制御手段を構成する外部処理装置による処理に伴う試験中画面の例示図。
【符号の説明】
１ 試験片
１Ａ 試験片の上側の端部
１Ｂ 試験片の下側の端部
１Ｃ 試験片の上側の端面
１Ｄ 試験片の下側の端面
１Ｅ 試験片の上側の端部の外周面
１Ｆ 試験片の下側の端部の外周面
１０ 疲労試験機
１１ 本体
２０ 試験片取付部
２４，２５ 掴み部
３１Ａ，３２Ａ 試験片当接面
３５，３６ 隙間
４０ アクチュエータ部
６０ 制御手段
７０ デジタルコントローラであるＤＳＰコントローラ
７２ 制御信号発生手段を構成するサーボ増幅器
７８ 増幅率補正／零点補正計算手段
７９ 増幅率補正手段
８０ 零点補正手段
９０ 外部処理装置
９１ 待機中画面表示・入力受付処理手段
９２ 試験条件設定画面表示・入力受付処理手段
９３ 試験中画面表示・入力受付処理手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、疲労試験機に係り、例えば、超高サイクル域データ取得用の油圧サーボ疲労試験機等に利用できる。
【０００２】
【背景技術】
機械構造物の破損の７〜８割以上は疲労が原因とされており、疲労に対する対策は機械技術者にとって最も切実な課題の一つである。一般に、鉄鋼材料のＳ−Ｎ曲線には１０6〜１０7程度の繰返し数で水平部、すなわち疲労限度が現れる。そして、航空機や原子力機器等の一定期間での修理や部品交換が前提となる場合を除き、一般の機械では疲労限度を基準とした設計が行われている。
【０００３】
しかし、近年、高強度鋼や表面硬化鋼等において、１０7〜１０8以上の長寿命域でもＳ−Ｎ曲線に水平部が現れず、疲労限度が認められない現象が報告されるようになってきた。この現象は超高サイクル疲労、あるいは超長寿命疲労と呼ばれ、現在、その機構解明を目指して活発な研究がなされている。
【０００４】
このような超高サイクル疲労を対象とする試験機には、繰返し速度、荷重精度、荷重安定性、偏荷重の除去等において、従来の疲労試験機に比べ、高い性能が要求される。そこで、本願出願人により、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）コントローラを用いたデジタル制御を行って油圧サーボ機構を操作することにより、荷重精度、荷重安定性、操作性を高めた軸荷重疲労試験機が開発されている（特許文献１参照）。この軸荷重疲労試験機では、試験機本体構成部品の一体化を進めて高剛性化を図り、系の固有振動数を高くすることで、高応答性を確保し、超高サイクル域のデータの多数取得を実現している。また、試験片取付部に球状ベアリング（球面軸受）が組み込まれ、試験片に引張荷重が負荷される際に自動調芯が行われるようになっている。さらに、ＤＳＰコントローラには、コンピュータが接続され、このコンピュータの画面上で、試験中の実測値の表示や制御パラメータの入力を行うことができるようになっている。
【０００５】
この他に、デジタル制御を行う油圧式の疲労試験機としては、例えば、制御対象出力量の値が複数の所定レベルの各々に達する都度に、データサンプリングを行うようにした低サイクル疲労試験機等がある（特許文献２等参照）。この低サイクル疲労試験機では、制御対象出力量の反復変化の一周期当たりのデータポイントの個数を、その反復変化の周期の長短に影響されることなく、適正個数に近づけることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２４３６０６号公報（図１、図３、段落［００６１］〜［００６３］、［００６８］、［００７４］〜［００７６］）
【特許文献２】
特開２０００−１３１２０３号公報（図１、図７、段落［０００７］〜［０００１１］、［００２６］、［００４０］）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、疲労試験機は、様々な外乱の影響を受けるため、増幅率を一定値とすると荷重信号が目標値信号に追従しない場合がある。このような場合には、荷重信号の最大値および最小値をリアルタイムでモニタし、このモニタ結果と目標値信号とのずれ量から最適な増幅率補正量および零点補正量を計算し、この計算結果に基づき、増幅率および零点を補正するという外乱に対する修正動作が行われる。このような比例制御は、外乱等があってもそれに適応して増幅率および零点を時々刻々と変化させることから、適応比例制御と呼ばれることがあり、前述した特許文献１に記載された疲労試験機でも、この適応比例制御が行われている。
【０００８】
しかし、このような適応比例制御を行った場合でも、荷重信号が目標値信号にある程度収束すると、それ以上収束しなくなる場合があるため、この問題を解消し、より一層収束の度合いを高めて試験精度を向上させることが望まれる。
【０００９】
また、前述した特許文献２には、増幅率の自動的な制御を行うＡＧＣ（Auto Gain Control）方式は、制御の実行中に、あるサイクルで実際に発生した制御対象出力量の振幅に基づき、その次のサイクルに用いる目標値信号の振幅の大きさを修正する方式であるため、最初の１サイクルから高精度な制御を行うことはできないので、試験片の応力−ひずみ曲線のヒステリシスカーブの面積が比較的大きい低サイクル疲労試験への適用は困難である旨が記載されている。従って、前述した特許文献２に記載された低サイクル疲労試験機は、そもそもＡＧＣ方式の制御を行っていないので、上記のような問題を解消するものではない。
【００１０】
さらに、前述した特許文献１に記載された疲労試験機では、ＤＳＰコントローラに接続されたコンピュータの画面上で、試験中の実測値（例えば、試験片に負荷されている荷重や、その最大値、最小値、関数発生器の信号の値等）の表示が行われているが、これらの表示は、荷重値や電圧値としての表示であり、実験者が必要とする応力表示ではない。従って、実験者は、試験片直径をもとに、計算を行って応力を把握しなければならなかった。また、制御パラメータの入力も、応力値で入力することはできず、試験片直径をもとに、制御すべき荷重や電圧の値を計算して制御パラメータとして入力する必要があった。さらに、誤認識や誤入力があれば、試験精度向上の妨げにもなる。このため、試験機の操作性や使い勝手を向上させ、実験者の操作の手間や判断の手間を軽減し、より確実に試験精度の向上を図ることができる環境を作り出すことが望まれる。
【００１１】
ところで、超高サイクル疲労研究において対象となる高強度材料の疲労破壊は、低・中強度材料の疲労破壊に比べ、表面傷や表面に存在する介在物の応力集中に敏感である。もし、試験片に偏荷重が作用すると、本来なら内部破壊するものでも表面破壊を生じることがある。このような場合、試験結果の信頼性が著しく低下するおそれがあるので、試験片の芯合わせに細心の注意が必要であり、また、これを回避すべく調芯作業の簡略化（アライメントフリー）を図るのであれば、超高サイクル疲労研究に用いる試験機および試験片には偏荷重を防止する機構等が求められる。そこで、前述した特許文献１に記載された疲労試験機では、試験片取付部に球状ベアリングを組み込み、試験片に引張荷重が負荷される際に自動調芯が行われるようにすることで、アライメントフリーを実現している。
【００１２】
しかし、このように球状ベアリングを組み込んだ場合には、試験条件が、引張荷重のみが負荷される疲労試験（引張−引張疲労試験）に限られ、圧縮負荷を伴う疲労試験を行うことができない。疲労研究では応力比（最小応力／最大応力）が−１となる引張−圧縮疲労試験が基本データとなるため、超高サイクル疲労研究に用いる軸荷重疲労試験機は、アライメントフリー機能を有し、かつ、引張−圧縮荷重の負荷が可能である機構を備えていることが求められる。一方、このような機構が無い場合に高精度のデータを得るためには、偏荷重防止のために、試験片にひずみゲージを貼って調芯作業を行う必要がある。しかし、この調芯作業は、一回の試験毎に行う必要があり、膨大な時間と労力を費やす。このため、アライメントフリーを実現しつつ偏荷重防止を図ることで、試験精度を向上させることが望まれる。
【００１３】
本発明の目的は、試験精度を向上させることができる疲労試験機を提供するところにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試験片を取り付ける試験片取付部および試験片に荷重を負荷するアクチュエータ部を有する本体と、試験片に負荷される荷重に応じた検出信号をフィードバックしてアクチュエータ部の動作を制御するための制御信号を本体に送るフィードバック制御を行う制御手段とを備えた疲労試験機において、制御手段は、フィードバック制御をデジタル処理で行うデジタルコントローラを備えて構成され、このデジタルコントローラは、検出信号と目標値信号との偏差量に応じた制御信号を発生する制御信号発生手段と、検出信号の波形と目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき制御信号の発生処理に用いられる増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う増幅率補正／零点補正計算手段と、この増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき増幅率の補正処理を行う増幅率補正手段と、増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき零点の補正処理を行う零点補正手段とを含んで構成され、増幅率補正／零点補正計算手段は、検出信号の目標値信号への収束度に応じて増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされていることを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、「増幅率および零点の補正に関する計算処理」には、増幅率や零点の元の値（補正前の値）に対して増減する分の量を計算する処理、および補正後の零点や増幅率の値そのもの（修正値そのもの）を計算する処理のいずれも含まれる。
【００１６】
また、「アルゴリズムを段階的に切り替える構成」には、２つのアルゴリズムを切り替える構成、および３つ以上のアルゴリズムを切り替える構成のいずれも含まれる。この際の切替は、一回切り替えたら元のアルゴリズムに戻ることはない一方通行の切替、および一回切り替えても再び元のアルゴリズムに戻ることがあり得る相互方向通行の切替のいずれも含まれる。
【００１７】
さらに、「アルゴリズム」を「切り替える」ことには、例えば、以下のようなことが含まれる。すなわち、（１）計算処理に使用される数式の形態そのものを切り替えることが含まれる。例えば、１次関数から２次関数への変更、べき乗数の変更、加算項から減算項への変更またはその逆の変更、項数の変更等である。（２）計算処理に使用される数式に含まれる係数や定数の値を切り替えることが含まれる。例えば、０．１％を乗じていた処理を、０．０５％を乗じる処理に変更する等である。（３）計算処理に使用されるデータやデータ群を切り替えることが含まれる。（４）選択処理（例えばＩＦ文等の処理）や分岐処理（例えばＣＡＳＥ文等の処理）の構造を切り替えることが含まれる。例えば、プログラム内における選択処理の順序や位置の変更、分岐数の増減、選択処理や分岐処理の重層度合いの変更等である。（５）全く異種のアルゴリズムへ切り替えることが含まれる。例えば、数式を用いた計算処理を行うアルゴリズムから、データの選択処理を行うアルゴリズムへの切替、あるいは数式を用いた計算処理を行うアルゴリズムから、異なる処理内容のルーチン（例えば、異なる数式を用いるルーチン、異なるデータを用いるルーチン等）の選択処理を行うアルゴリズムへの切替等である。
【００１８】
このような本発明の疲労試験機においては、増幅率補正／零点補正計算手段により、検出信号の波形と目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う際に、検出信号の目標値信号への収束度に応じ、増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える。
【００１９】
このため、検出信号が目標値信号にある程度収束したときに、増幅率の補正に関するアルゴリズムを切り替えることにより、収束が頭打ちになる状態を回避し、検出信号の目標値信号への収束度を高めることが可能となる。従って、試験精度の向上が図られ、これにより前記目的が達成される。
【００２０】
また、前述した疲労試験機において、増幅率補正／零点補正計算手段は、検出信号の目標値信号への収束度に応じて零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされていることが望ましい。
【００２１】
このように零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とした場合には、増幅率のみならず、零点の補正に関する計算処理についても、アルゴリズムが切り替えられるので、検出信号の目標値信号への収束度をより一層高め、試験精度をより一層向上させることが可能となる。
【００２２】
さらに、以上に述べた疲労試験機において、増幅率補正／零点補正計算手段は、周期的に変化する検出信号の波形と、周期的に変化する目標値信号の波形とを波形一周期毎に比較し、この比較結果として得られた双方の波形のずれ量に基づき増幅率および零点の補正に関する計算処理を波形一周期毎に行うとともに、この計算処理を行う際にアルゴリズムを切り替えるか否かを波形一周期毎に判断する構成とされていることが望ましい。
【００２３】
このようにアルゴリズムを切り替えるか否かの判断を波形一周期毎に行う構成とした場合には、適切なタイミングでアルゴリズムの切替を行うことが可能となり、収束の速度が上がり、試験精度のより一層の向上が図られる。
【００２４】
なお、本願明細書では、以上に述べた増幅率や零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える処理を伴う制御を、多段適応比例制御（ＭＡＰ：Multimode Adaptive Proportional Control）と呼ぶものとする。このような多段適応比例制御は、本発明の疲労試験機だけではなく、他の制御対象装置にも適用することができる。すなわち、制御対象装置（疲労試験機の本体に相当するもの。）からの出力信号（試験片に負荷される荷重に応じた検出信号に相当するもの。）をフィードバックして制御対象装置を制御するための制御信号を制御対象装置に送るフィードバック制御を行うシステムを実現するにあたり、フィードバック制御をデジタル処理で行うデジタルコントローラを設け、このデジタルコントローラを、出力信号と目標値信号との偏差量に応じた制御信号を発生する制御信号発生手段と、出力信号の波形と目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき制御信号の発生処理に用いられる増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う増幅率補正／零点補正計算手段と、この増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき増幅率の補正処理を行う増幅率補正手段と、増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき零点の補正処理を行う零点補正手段とを含む構成とし、増幅率補正／零点補正計算手段を、出力信号の目標値信号への収束度に応じて増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成としてもよい。また、増幅率に加え、零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成としてもよい。
【００２５】
そして、本発明は、試験片を取り付ける試験片取付部および試験片に荷重を負荷するアクチュエータ部を有する本体と、試験片に負荷される荷重に応じた検出信号をフィードバックしてアクチュエータ部の動作を制御するための制御信号を本体に送るフィードバック制御を行う制御手段とを備えた疲労試験機において、制御手段は、フィードバック制御をデジタル処理で行うデジタルコントローラと、このデジタルコントローラに接続されてデジタルコントローラとの間で情報の送受信を行うことによりフィードバック制御に関する処理以外の処理を行う外部処理装置とを備えて構成され、外部処理装置は、試験中以外の状態でアクチュエータ部を動作させる場合に使用する待機中画面を表示する処理およびこの待機中画面を用いて行われる実験者によるアクチュエータ部に対する操作入力を受け付ける処理を行う待機中画面表示・入力受付処理手段と、試験条件を設定するための試験条件設定画面を表示する処理およびこの試験条件設定画面を用いて行われる実験者による試験条件の設定入力を受け付ける処理を行う試験条件設定画面表示・入力受付処理手段と、試験中に試験状況をモニタする試験中画面を表示する処理およびこの試験中画面を用いて行われる実験者による入力を受け付ける処理を行う試験中画面表示・入力受付処理手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２６】
ここで、「フィードバック制御に関する処理」には、フィードバックのメインループの処理の他に、例えば、前述した増幅率および零点の補正に関する計算処理、並びに増幅率および零点の補正処理等が含まれる。
【００２７】
このような本発明の疲労試験機においては、デジタルコントローラとは別途に設けられた外部処理装置により、待機中画面、試験条件設定画面、試験中画面の３つの画面の表示処理およびこれらの画面を用いた入力の受付処理を行う。従って、試験機操作の各状況毎に、つまり試験の準備段階から本番段階に至るまでの各場面毎に、これらの画面が切り替わる。
【００２８】
このため、実験者は、試験およびその準備の各場面において、３つの画面のいずれかを参照しながら、各場面で必要となる情報の表示のみを確認し、また、各場面で必要となる入力作業のみを行う。従って、実験者は、試験およびその準備の各場面で必要最低限の操作を行えばよくなり、余分な操作を行ったり、余分な情報を参照して余分な事を考える余地を排除することが可能となるので、操作性の向上が図られる。そして、操作性の向上が図られることから、誤認識や誤操作等の発生も回避または抑制されるので、試験精度の向上にも繋がる。
【００２９】
なお、待機中画面表示・入力受付処理手段、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段、および試験中画面表示・入力受付処理手段に加え、ある操作を実行中に、行ってはならない操作または行うべきでない操作を強制的に無効にする相反操作強制無効手段、あるいは実験者により入力されるパラメータ（試験条件等）が異常か否かを監査する入力パラメータ監査手段を設けてもよく、これらを設けることで、誤操作が防止されるので、試験精度のより一層の向上に繋がる。
【００３０】
また、待機中画面表示・入力受付処理手段、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段、および試験中画面表示・入力受付処理手段は、全て外部処理装置に設けられ、デジタルコントローラは、これらの手段により行われる３つの画面の表示処理や３つの画面での入力受付処理を負担しない。すなわち、実験者と試験機との間のマンマシンインターフェースの機能は、全て外部処理装置により実現し、デジタルコントローラは、制御性能に直接関係する演算処理のみを負担する。このため、デジタルコントローラの処理負担が軽減され、応答性や荷重精度、外乱に対する収束性等の制御性能に直接関係する演算処理の速度が向上するので、この点でも試験精度の向上が図られ、これらにより前記目的が達成される。
【００３１】
また、前述した疲労試験機において、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段は、試験条件設定画面で試験条件として、最大応力および最小応力の組合せ、最大応力および応力比の組合せ、最小応力および応力比の組合せのうちのいずれかの組合せ、並びに試験片直径の入力を受け付ける構成とされ、試験中画面表示・入力受付処理手段は、試験中画面で試験状況として、応力のグラフ表示を行う構成とされていることが望ましい。
【００３２】
このように試験条件設定画面での応力・応力比・試験片直径による入力受付、および試験中画面での応力のグラフ表示を行う構成とした場合には、実験者は、応力・応力比・試験片直径という普段使用するパラメータのみを使用すればよくなるので、試験機の操作性が向上する。また、試験中画面での応力表示がグラフ化されているので、実験者は、直感的に試験状況を把握することが可能となり、試験機の操作性がより一層向上する。このため、疲労試験機や制御の知識がない実験者でも容易に疲労試験を行うことが可能となる。
【００３３】
なお、以上に述べた外部処理装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムは、以下に示すように、プログラムそれ自体でも流通対象や取引対象となる。すなわち、以上に述べた外部処理装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムまたはその一部は、例えば、光磁気ディスク（ＭＯ）、コンパクトディスク（ＣＤ）を利用した読出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、ＣＤレコーダブル（ＣＤ−Ｒ）、ＣＤリライタブル（ＣＤ−ＲＷ）、デジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）を利用した読出し専用メモリ（ＤＶＤ−ＲＯＭ）、ＤＶＤを利用したランダム・アクセス・メモリ（ＤＶＤ−ＲＡＭ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、磁気テープ、ハードディスク、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去および書換可能な読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュ・メモリ、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）等の記録媒体に記録して保存や流通等させることが可能であるとともに、例えば、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、メトロポリタン・エリア・ネットワーク（ＭＡＮ）、ワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）、インターネット、イントラネット、エクストラネット等の有線ネットワーク、あるいは無線通信ネットワーク、さらにはこれらの組合せ等の伝送媒体を用いて伝送することが可能であり、また、搬送波に載せて搬送することも可能である。さらに、以上に述べたプログラムは、他のプログラムの一部分であってもよく、あるいは別個のプログラムと共に記録媒体に記録されていてもよい。
【００３４】
また、本発明は、試験片に荷重を負荷するアクチュエータ部と、このアクチュエータ部による荷重方向に沿う方向に配置される状態で試験片を取り付ける試験片取付部とを備え、試験片取付部には、試験片の両側の端部をそれぞれ掴む掴み部が設けられ、これらの各掴み部には、試験片の両側の端面がそれぞれ当接される試験片当接面が形成されている疲労試験機において、試験片の両側の端面は、平行度０．０１を満たし、かつ、試験機本体構成部品の各面のうち、対向する各掴み部の試験片当接面同士の平行度を規定する役割を果たす各面も、全て平行度０．０１を満たす状態で仕上げられているとともに、試験片を試験片取付部に取り付けた状態で、試験片の各端部の外周面と各掴み部との間に隙間が形成される構成とされていることを特徴とするものである。
【００３５】
ここで、「平行度」とは、製図学上の平行度（製作図面に記載する平行度）であり、平面部分の基準平面に対する平行度である。「平行度０．０１」は、基準平面にそれぞれ平行で０．０１ｍｍの間隔を持つ二つの平面の間の空間を許容域にするという意味である。基準平面は、例えば、各部品の反対側の面等とすればよい。
【００３６】
また、「対向する各掴み部の試験片当接面同士の平行度を規定する役割を果たす各面」とは、複数の試験機本体構成部品を組み立てて試験機本体を構成するときに、結果的に、各掴み部の試験片当接面同士の相対姿勢に影響を及ぼすことになる面をいう。
【００３７】
このように試験片および試験機本体構成部品の各面の平行度を向上させ、かつ、試験片の端部と掴み部とのはめ合いを緩めにした場合には、平行度を向上させたことから、偏荷重の発生が抑えられ、また、緩めのはめ合いであることから、試験片に側面（試験片の端部の外周面）からの拘束力が加わらないようになり、偏荷重の発生を抑えることが可能となる。このため、試験精度の向上が図られる。さらに、通常、はめ合いを緩くすると、疲労試験中に試験片の横ずれが懸念されるが、試験片および試験機本体構成部品の各面の平行度を向上させているので、試験片には横ずれを生じさせる力が加わらない。
【００３８】
さらに、前述した疲労試験機において、試験本番で用いる試験片の各端部の外周面と各掴み部とのはめ合いの隙間は、試験前に行う調芯作業で用いる調芯用ダミー試験片の各端部の外周面と各掴み部とのはめ合いの隙間よりも大きいことが望ましい。
【００３９】
このように試験本番で用いる試験片よりも大きい端部を有する調芯用ダミー試験片を用いて調芯作業を行うことができる構成とした場合には、試験前に調芯用ダミー試験片を用いて調芯作業を行った後に、調芯用ダミー試験片を取り除き、試験本番で用いる試験片を取り付ける。これにより、調芯作業を精度よく行うことが可能になることに加え、前述した緩めのはめ合いも容易に実現可能となる。また、調芯用ダミー試験片による調芯作業を一回行えば、そのままの状態で複数の試験を行うことが可能であり、実験者の作業の手間が軽減される。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、本実施形態の疲労試験機１０の全体構成が示されている。また、図２は、疲労試験機１０の本体１１を構成する試験片取付部２０の断面図であり、図３は、試験片取付部２０の要部の拡大断面図である。さらに、図４〜図６には、疲労試験機１０の制御手段６０を構成する外部処理装置９０による処理に伴う画面例が示されている。この疲労試験機１０は、超高サイクル域データを取得するための疲労試験機である。
【００４１】
図１において、疲労試験機１０は、試験片１を取り付けてこの試験片１に荷重を負荷する本体１１と、この本体１１における荷重の負荷のための動作を制御する制御手段６０とを備えて構成されている。
【００４２】
本体１１は、試験片１を取り付ける試験片取付部２０と、試験片１に荷重を負荷するアクチュエータ部４０と、このアクチュエータ部４０に供給する油圧の切換操作を行うサーボバルブ５０とを備えて構成されている。
【００４３】
図２において、試験片取付部２０は、試験片１の上側の端部１Ａに複数の部品を介して接続されて試験片１にかかる負荷を検出するロードセル２１と、このロードセル２１のひずみを検出するひずみ計２２と、ロードセル２１を保持するロードセルホルダ２３と、試験片１の上側の端部１Ａを掴む上側（ロードセル２１側）の掴み部２４と、試験片１の下側の端部１Ｂを掴む下側（ピストン４１側）の掴み部２５とを含み構成されている。
【００４４】
ロードセル２１は、複数本のボルト２６によりロードセルホルダ２３の上面２３Ａに固定されている。ロードセル２１は、試験片１から力を受けて微小変形し、そのときの歪みがひずみ計２２により検出され、これにより試験片１にかかる負荷が検出されるようになっている。
【００４５】
ロードセルホルダ２３は、図示されない複数本のボルトによりアクチュエータ部４０のシリンダ４２の上面４２Ａに固定されている。このロードセルホルダ２３は、上下のフランジ部を複数本（例えば２本）の支柱部により連結した構成を有し、例えば一塊の金属材料により形成されている。
【００４６】
上側の掴み部２４には、上方に向かって延びる丸棒状の軸部２７が設けられ、この軸部２７の上部には、雄ねじ２８が切られている。軸部２７とロードセル２１との間には、ブッシュ２９が挟み込まれ、これにより荷重方向（図２中の上下方向）と直交する方向についての上側の掴み部２４とロードセル２１との相対的な位置決めが行われている。また、軸部２７の雄ねじ２８には、ロックナット３０が螺合され、このロックナット３０を締め込むことにより、荷重方向についての上側の掴み部２４のロードセル２１に対する相対的な位置が固定されるようになっている。
【００４７】
下側の掴み部２５は、アクチュエータ部４０の第一ピストンロッド４１Bの先端に設けられたピストン用ねじ４１Ｄに螺合されて第一ピストンロッド４１Ｂに固定されている。これにより試験片１に対し、アクチュエータ部４０のピストン４１の進退運動による荷重が負荷されるようになっている。
【００４８】
図２および図３において、試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂを掴む各掴み部２４，２５は、試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂを挿入する例えば円形状の挿入穴３１，３２が形成された試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａと、複数本のボルト３３，３４の締め込みにより各挿入穴３１，３２に挿入された試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂを押さえ付けて固定する試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂとを備えて構成されている。各試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂは、中央に試験片１を挿通する貫通孔を備えた円盤形状、すなわちドーナツ形状を有し、例えば、それぞれ二分割され、互いに線対称に配置される略半円形の蓋片により構成されている。
【００４９】
また、各試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂは、それぞれ二分割ではなく、それぞれ三分割等としてもよい。例えば、三分割とする場合には、１２０度ずつに分割して略扇形の蓋片とし、これらの各々の蓋片をそれぞれ２本のボルト３３，３４を用いて各試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａに固定する。つまり、試験片固定蓋２４Ｂを合計６本のボルト３３で固定し、試験片固定蓋２５Ｂを合計６本のボルト３４で固定する。これにより、同じ合計６本のボルト３３，３４で固定するにしても、二分割の場合に比べて三分割の方が、試験片１の各端部１Ａ，１Ｂへの荷重のかかり方が均等になる。従って、試験片１にとっては、二分割の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂよりも、三分割の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂを使用した方が、無理のない負荷が可能となる。但し、二分割の方が、取付けが容易であるという利点もある。このため、例えば長寿命域で試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂと各試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂとの接触部から疲労破壊してしまう可能性のある材料については、三分割の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂを使用し、例えば高強度鋼等のように上記のような破壊が生じない材料については、二分割の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂを使用する等により、試験片１の材料に応じ、分割数の異なる試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂを使用するようにしてもよい。
【００５０】
図３において、試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａに形成された挿入穴３１，３２の底面は、試験片１の上下の端面１Ｃ，１Ｄがそれぞれ当接される試験片当接面３１Ａ，３２Ａとなっている。また、試験片１を試験片取付部２０に取り付けた状態では、試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂの外周面１Ｅ，１Ｆと、上下の掴み部２４，２５の試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａに形成された挿入穴３１，３２の内周面（側面）３１Ｂ，３２Ｂとの間に、隙間３５，３６がそれぞれ形成されるようになっている。
【００５１】
また、図３において、試験前に行う調芯作業で用いる調芯用ダミー試験片の上下の端部２Ａ，２Ｂが、図中二点鎖線で示されている。この調芯用ダミー試験片は、上下の端部２Ａ，２Ｂ以外の部分については、試験本番で用いる試験片１と同じである。そして、調芯用ダミー試験片の上下の端部２Ａ，２Ｂの外径寸法（直径）Ｗ１，Ｗ２は、試験本番で用いる試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂの外径寸法（直径）Ｄ１，Ｄ２よりも、それぞれ大きくなっている。従って、上下の掴み部２４，２５の試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａに形成された挿入穴３１，３２の内径寸法（直径）をＨ１，Ｈ２とすると、試験本番で用いる試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂの外周面１Ｅ，１Ｆと、挿入穴３１，３２の内周面（側面）３１Ｂ，３２Ｂとのはめ合いの隙間（Ｈ１−Ｄ１），（Ｈ２−Ｄ２）は、調芯用ダミー試験片の上下の端部２Ａ，２Ｂの外周面２Ｅ，２Ｆと、挿入穴３１，３２の内周面（側面）３１Ｂ，３２Ｂとのはめ合いの隙間（Ｈ１−Ｗ１），（Ｈ２−Ｗ２）よりも、それぞれ大きくなっている。
【００５２】
さらに、上下の掴み部２４，２５の試験片当接面３１Ａ，３２Ａ（図３参照）同士の平行度を規定する役割を果たす各構成部品（図２参照）の加工精度は高く、各構成部品の各面（上面または下面）は、平行度０．０１を満たす仕上げとなっている。また、これらの各面の表面粗さは、研磨仕上げ相当の粗さとなっている。なお、これらの各面の平行度は、荷重方向（ピストン４１の進退方向）に対する直角度を確保したうえでの平行度である。
【００５３】
具体的には、次の面について、平行度０．０１および研磨仕上げ相当の粗さとなる加工が行われている。すなわち、図３において、（１）試験片１の上下の端面１Ｃ，１Ｄ、（２）上下の掴み部２４，２５の試験片当接面３１Ａ，３２Ａ、（３）試験片１の上下の端部１Ａ，１Ｂの対向面１Ｇ，１Ｈ、（４）これらの対向面１Ｇ，１Ｈに当接する上下の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂの裏側底面２４Ｃ，２５Ｃ、（５）上下の掴み部２４，２５の試験片ホルダ２４Ａ，２５Ａの表面２４Ｄ，２５Ｄ、（６）これらの表面２４Ｄ，２５Ｄに接合される上下の試験片固定蓋２４Ｂ，２５Ｂの裏側接合面２４Ｅ，２５Ｅについて、上記の条件を満たす高精度な加工が行われている。
【００５４】
また、図２において、（７）アクチュエータ部４０のシリンダ４２の上面４２Ａ、（８）ロードセルホルダ２３の下面２３Ｂ、（９）ロードセルホルダ２３の上面２３Ａ、（１０）ロードセル２１の下面２１Ａ、（１１）ロックナット３０の下面３０Ａ、（１２）ブッシュ２９の上面２９Ａ、（１３）ブッシュ２９の下面２９Ｂ、（１４）上側の掴み部２４の上面２４Ｆ、（１５）下側の掴み部２５の下面２５Ｆ、（１６）第一ピストンロッド４１Ｂの上端面４１Ｅについて、上記の条件を満たす高精度な加工が行われている。
【００５５】
アクチュエータ部４０は、前述した本願出願人による特許文献１に記載の疲労試験機のアクチュエータ部と同様のものであるため、詳細な図示による説明は省略する。図１において、アクチュエータ部４０は、試験片１に荷重を負荷するための進退運動を行うピストン４１と、このピストン４１の周囲に配置されてピストン４１の摺動を案内するシリンダ４２とを備えている。そして、ピストン４１は、前後の油圧差により進退運動を行うヘッド部４１Ａと、このヘッド部４１Ａの前進側に設けられた第一ピストンロッド４１Ｂと、ヘッド部４１Ａの後退側に設けられた第二ピストンロッド４１Ｃとを含み構成されている。
【００５６】
シリンダ４２の内部の円柱状の空間には、ピストン４１のヘッド部４１Ａの前進側に第一圧力室４３が形成され、ヘッド部４１Ａの後退側に第二圧力室４４が形成されている。これらの第一圧力室４３および第二圧力室４４には、シリンダ４２に形成された第一流路４５および第二流路４６を通してヘッド部４１Ａに油圧をかけるための油が供給されるようになっている。
【００５７】
サーボバルブ５０は、前述した本願出願人による特許文献１に記載の疲労試験機のサーボバルブと同様のものであり、図示されない四つのポート、すなわちＰポート、Ｒポート、Ｃ１ポート、Ｃ２ポートを備えている。このうち、Ｐポートは、図示されない油圧ユニットの供給圧配管に接続され、Ｒポートは、図示されないオイルタンクに繋がる戻り配管に接続されている。また、Ｃ１ポート、Ｃ２ポートは、アクチュエータ部４０のシリンダ４２に形成された第一流路４５、第二流路４６にそれぞれ接続されている。
【００５８】
サーボバルブ５０は、ＤＳＰコントローラ７０から送られてくる電流信号または電圧信号により、Ｐポートから入ってきた油をＣ１またはＣ２ポートに切り換えて流すようになっている。例えば、Ｃ１ポートに切り換えたときには、Ｃ１ポートから出た油は、第一流路４５を通って第一圧力室４３に入り、ピストン４１のヘッド部４１Ａを押してピストン４１を後退移動させる。このピストン４１の後退移動により、第二圧力室４４内の油は、ヘッド部４１Ａに押されて第二流路４６を通ってＣ２ポートに入る。そして、Ｃ２ポートからサーボバルブ５０内に入った油は、サーボバルブ５０の中でＲポートに導かれ、最終的に油圧ユニットの戻り配管に流される。このような経路を経て、油は循環するようになっている。また、Ｃ２ポートに切り換えたときも、同様であり、このときには、ピストン４１は前進移動する。
【００５９】
従って、サーボバルブ５０の切換制御により、ピストン４１は進退運動を行うようになっている。この際、図２に示すように、アクチュエータ部４０の第一ピストンロッド４１Ｂは、下側の掴み部２５を介して試験片１の下側の端部１Ｂに接続されている。このため、ピストン４１の進退運動に伴って、試験片１の下側の端部１Ｂには試験片１の長手方向についての変位が与えられ、その結果、試験片１に荷重がかけられるようになっている。
【００６０】
サーボバルブ５０としては、例えば、いわゆるノズルフラッパ型サーボバルブを好適に用いることができ、さらに応答性を向上させるという観点から、いわゆるダイレクトドライブ型サーボバルブを用いてもよい。ここで、前者のノズルフラッパ型サーボバルブとは、ファーストステージと称される部分の中のノズルとフラッパとの間の圧力差でスプールを動かすものであり、後者のダイレクトドライブ型サーボバルブとは、スプールを直接に、ボイスコイルあるいは超磁歪素子や電歪素子等の駆動素子で駆動するものである。
【００６１】
図１において、制御手段６０は、試験片１に負荷される荷重に応じたひずみ計２２の検出信号をフィードバックしてアクチュエータ部４０の動作を制御するための制御信号をサーボバルブ５０に送るフィードバック制御を行うものであり、制御性能に直接関係する処理をデジタル処理で行うＤＳＰコントローラ７０と、このＤＳＰコントローラ７０に接続されてＤＳＰコントローラ７０との間で情報の送受信を行うことにより制御性能に直接関係しない処理を行う外部処理装置９０とを備えて構成されている。
【００６２】
図１において、ＤＳＰコントローラ７０は、関数発生器７１と、制御信号発生手段を構成するサーボ増幅器７２と、Ｄ−Ａコンバータ７３と、Ａ−Ｄコンバータ７４と、カウンタ７５と、リミッタ７６とを備えている。また、ＤＳＰコントローラ７０は、ピークボトムホールド７７と、増幅率補正／零点補正計算手段７８と、増幅率補正手段７９と、零点補正手段８０とを備えている。
【００６３】
なお、上記のＤＳＰコントローラ７０の各構成要素は、ＤＳＰコントローラ７０の内部に設けられた一つまたは複数の中央演算処理装置（ＣＰＵ）、およびこのＣＰＵの動作手順を規定する一つまたは複数の制御プログラム、並びにＲＯＭやＲＡＭ等の各種メモリにより実現される。また、ＤＳＰコントローラ７０を構成するハードウェアとしては、ＣＰＵの他に、例えば積和演算器等が含まれていてもよい。制御プログラムは、外部処理装置９０により作成されてコンパイルされた実行プログラムを、ＤＳＰコントローラ７０に搭載したものである。この制御プログラムは、外部処理装置９０により作成されたプログラムと、ＤＳＰコントローラ７０に内蔵されたＤＳＰボードで用意されている種々の命令（例えば、サイン波形を出力する命令等）とを組み合わせて作成されるのが一般的であるが、制御プログラムの全ての部分を外部処理装置９０により作成してもよい。
【００６４】
そして、ＤＳＰコントローラ７０では、次のようなフルデジタル化されたフィードバック制御が行われる。制御の概要から説明すると、先ず、関数発生器７１において目標荷重に相当する信号が作られる。この信号は、サーボ増幅器７２により所定の増幅率で増幅され、Ｄ−Ａコンバータ７３を通じてアナログ電流信号または電圧信号に変換される。このアナログ電流信号または電圧信号は、サーボバルブ５０において、この信号の大きさに比例した流量の油に置き換えられ、アクチュエータ部４０の第一圧力室４３または第二圧力室４４に導かれる。この結果、ピストン４１が移動し、試験片１に荷重が負荷される。
【００６５】
次に、試験片１に負荷された荷重は、ロードセル２１およびひずみ計２２により荷重に比例したアナログ電圧信号または電流信号に変換され、さらに、Ａ−Ｄコンバータ７４を通じてデジタル信号に変換される。そして、関数発生器７１からの目標値信号とこの荷重信号との偏差値が計算され、この値が再びサーボ増幅器７２に送られる。このようなフィードバックループによって最終的に偏差が収束し、試験片１に目標値信号に相当する荷重が負荷される。
【００６６】
一方、疲労試験機１０は、システム全体として様々な外乱の影響を受けるため、増幅率を一定値とすると荷重信号が目標値信号に追従しない場合がある。このような場合には、ピークボトムホールド７７、増幅率補正／零点補正計算手段７８、増幅率補正手段７９、零点補正手段８０により、外乱に対する修正動作が行われる。すなわち、ピークボトムホールド７７により荷重信号の最大値および最小値がリアルタイムでモニタされ、増幅率補正／零点補正計算手段７８により、このモニタ結果と目標値信号とのずれ量から最適な増幅率補正量および零点補正量が計算される。そして、この計算結果に基づき、零点補正手段８０により、関数発生器７１の信号が補正されるとともに、増幅率補正手段７９により、サーボ増幅器７２の増幅率が修正される。
【００６７】
また、試験片１の破断時、あるいは、非常事態の発生時等、荷重信号が予め設定された範囲を逸脱した場合には、リミッタ７６により疲労試験機１０が停止される。なお、カウンタ７５により、疲労試験に必要な繰返し数が計数される。
【００６８】
続いて、制御の詳細、すなわちＤＳＰコントローラ７０の各構成要素の処理内容の詳細を説明する。
【００６９】
関数発生器７１は、目標値ｒ（ｋ）の発生処理を行うものである。目標値ｒ（ｋ）は、サイン波形であり、次の式（１）で示される。
【００７０】
ｒ（ｋ）＝Ａt×ｓｉｎ（２π×（Ｆ×ｋ／Ｆs））＋ＯＦＦt ・・・（１）
【００７１】
ここで、Ａtは、到達目標荷重のサイン波振幅（amplitude）であり、Ｆは、疲労試験の繰返し周波数（frequency）であり、Ｆsは、ＤＳＰコントローラ７０のＡ−Ｄコンバータ７４の動作周波数（sampling frequency）であり、ＯＦＦtは、零点すなわち目標荷重のサイン波平均値（offset）である。ｋは、離散化した時間のうちのある一つの時刻を意味する値であり、例えば、サンプリング周波数Ｆsを５０Ｈｚとすると、１秒間に５０回分の時刻データを測定することができ、このとき、ｋ＝１のデータは、５０個のデータのうち１番目の時刻データを表す。
【００７２】
また、到達目標荷重のサイン波振幅Ａtおよび零点ＯＦＦtは、後述する図５の試験条件設定画面２００を用いて実験者により入力される最大応力および応力比から決定される。この決定処理は、外部処理装置９０の処理手段９０Ａにより行われ、その決定結果が関数発生器７１に引き渡され、関数発生器７１での処理に用いられる。例えば、ロードセル２１を１０００ｋｇｆ（９．８１ｋＮ）で１０Ｖ出力するように較正したとする。このとき、試験片１に最大値１０００ｋｇｆ（９．８１ｋＮ）、最小値１００ｋｇｆ（０．９８ｋＮ）のサイン波形の繰返し荷重を加えたい場合には、目標荷重の振幅は（１０００−１００）／２＝４５０ｋｇｆ（４．４１ｋＮ）となり、目標荷重のサイン波平均値は（１０００＋１００）／２＝５５０ｋｇｆ（５．３９ｋＮ）となる。換言すれば、この波形は、５５０ｋｇｆ（５．３９ｋＮ）を中心として上下に４５０ｋｇｆ（４．４１ｋＮ）の振幅を持つサイン波形となる。このとき、１ｋｇｆ（９．８１Ｎ）は０．０１Ｖに対応するので、上記の目標荷重を目標電圧信号に変換すれば、振幅Ａt＝４５０×０．０１＝４．５Ｖ、零点ＯＦＦt＝５５０×０．０１＝５．５Ｖとなる。なお、疲労試験機１０では、後述する如く、外部処理装置９０の試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により、図５の試験条件設定画面２００上で応力値による設定入力を受け付けるので、実験者は、応力値から荷重値への換算作業を行う必要はなく、外部処理装置９０が、応力値から荷重値への換算処理、目標荷重の振幅および零点の算出決定処理、電圧値への変換処理を全て自動的に行う。
【００７３】
さらに、疲労試験の繰返し周波数Ｆは、後述する図５の試験条件設定画面２００を用いて実験者により入力される。
【００７４】
サーボ増幅器７２は、サーボバルブ５０に送る制御信号を発生させる処理を行うものである。ＤＳＰコントローラ７０による制御は、比例制御であり、サーボバルブ５０に制御信号として送る比例制御の操作量ｕ（ｋ）は、次の式（２）で示される。
【００７５】
ｕ（ｋ）＝Ｇ×ｅ（ｋ） ・・・・・・・（２）
【００７６】
ここで、Ｇは、増幅率すなわち比例ゲイン（gain）である。ｅ（ｋ）は、目標値ｒ（ｋ）と応答値（ひずみ計２２で検出される荷重値）ｘ（ｋ）との偏差量であり、ｅ（ｋ）＝ｒ（ｋ）−ｘ（ｋ）で表される。
【００７７】
従って、偏差量ｅ（ｋ）の算出処理およびその偏差量ｅ（ｋ）に基づくサーボ増幅器７２による処理を合わせて考えると、最終的に、サーボバルブ５０に送る制御信号の値は、上記の式（２）に式（１）を代入し、次の式（３）のようになる。
【００７８】
ｕ（ｋ）
＝Ｇ×（ｒ（ｋ）−ｘ（ｋ））
＝Ｇ×（Ａt×ｓｉｎ（２π×（Ｆ×ｋ／Ｆs））＋ＯＦＦt−ｘ（ｋ））・・・・・・・・（３）
【００７９】
ピークボトムホールド７７は、ひずみ計２２で検出される実測荷重値の波形についての各周期の最大値および最小値を測定し、それを記憶保持する処理を行うものである。
【００８０】
増幅率補正／零点補正計算手段７８は、目標値信号の波形と、ひずみ計２２の検出信号の波形（フィードバック波形）とを比較し、この比較結果に基づき増幅率（ゲイン）および零点（オフセット）の補正に関する計算処理を行うものである。これは、適応比例制御を行うための処理である。目標値信号の波形とフィードバック波形との比較とは、目標値信号の波形の振幅とフィードバック波形の振幅との比較、および目標値信号の波形の零点（オフセット）とフィードバック波形の零点（オフセット）との比較である。ここで、目標値信号の波形の振幅およびオフセットは、前述した如く、図５の試験条件設定画面２００で最初に試験条件を設定するときに外部処理装置９０により算出決定された値である。一方、フィードバック波形の振幅およびオフセットは、ピークボトムホールド７７により測定された最大値および最小値に基づき、増幅率補正／零点補正計算手段７８により算出される。なお、これらの波形の比較処理および比較結果に基づく補正に関する計算処理は、波形一周期毎に行うのが原則であるが、複数周期毎に行うようにしてもよい。
【００８１】
また、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、応答信号（ひずみ計２２の検出信号）の目標値信号への収束度に応じ、増幅率（ゲイン）および零点（オフセット）の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える処理を行う。これは、多段適応比例制御を行うための処理である。なお、切り替えるか否かの判断処理は、波形一周期毎に行うのが原則であるが、複数周期毎に行うようにしてもよい。
【００８２】
アルゴリズムを段階的に切り替える処理の具体例として、以下のような２段階の切替処理を挙げることができるが、切替の段階数、アルゴリズムの内容、切替判断方法等は、以下の例に限定されるものではない。
【００８３】
例えば、増幅率（ゲイン）については、次のようなアルゴリズムＡとアルゴリズムＢとを、下記の条件に基づき自動的に切り替えることができる。
【００８４】
＜アルゴリズムＡ＞
疲労試験中のある時刻に、実測荷重の振幅がＡcで、そのときの比例ゲインがＧcであるとする。ここで、到達目標荷重の振幅をＡtとすると、これを達成するための比例ゲイン予測値Ｇtは、Ｇt＝（Ａt／Ａc）×Ｇcと考えることができる。このＧtの値と、現在の比例ゲインＧcとの差をΔＧとすると、ΔＧは、次の式（４）で与えられる。
【００８５】
ΔＧ＝Ｇt−Ｇc＝（（Ａt／Ａc）−１）×Ｇc ・・・・・・・（４）
【００８６】
通常の適応比例制御における増幅率の補正に関する計算処理（ＡＧＣ：Auto Gain Control）では、上記の式（４）のΔＧを基本にして、次の式（５）で示されるアルゴリズムで最適ゲインを求める計算を行っている。
【００８７】
Ｇc（ｉ＋１）
＝Ｇc（ｉ）＋ｇｔｐ×ΔＧ
＝Ｇc（ｉ）＋ｇｔｐ×（（Ａt／Ａc）−１）×Ｇc（ｉ） ・・・（５）
【００８８】
ここで、ｉは、ｉ番目のサンプリングデータであることを示し、各周期に対応する。従って、ｉの値は、前記式（１）〜式（３）におけるｋよりも長い時間間隔で変わる。また、ｇｔｐは、比例ゲインの変化を滑らかにするために用いるパラメータ（ゲインチューニングパラメータ）である。このｇｔｐの値としては、例えば、経験値として０．０２等を用いることができるが、これに限定されるものではない。以上の方法が、アルゴリズムＡである。
【００８９】
＜アルゴリズムＢ＞
通常の適応比例制御では、上記のアルゴリズムＡのみでＡＧＣを行っている。しかし、実測荷重値が目標値にある程度収束すると、ｇｔｐ×ΔＧの値が極端に小さくなるため、収束が頭打ちになり、誤差を例えば１％よりもさらに小さな値に収束させることが困難となる。
【００９０】
そこで、多段適応比例制御では、試験開始後、実測荷重値が目標値にある程度収束した時点で、ＡＧＣのアルゴリズムを、上記のアルゴリズムＡから下記のアルゴリズムＢに変更する。
【００９１】
（１）Ａc＜Ａtの場合には、比例ゲインを０．０００２増加させる。
（２）Ａc＞Ａtの場合には、比例ゲインを０．０００２減少させる。
（３）Ａc＝Ａtの場合には、比例ゲインをそのままとする。
【００９２】
なお、このようなアルゴリズムＢにおいて、増減量は上記の０．０００２に限定されず、他の値としてもよく、また、増加量と減少量とを異なる値としてもよい。
【００９３】
アルゴリズムＡからアルゴリズムＢへの切替のタイミングは、アルゴリズムＡによる制御を行っている際に、初めてｇｔｐ×ΔＧ＜０．０００６を満たした時点である。従って、各周期毎にｇｔｐ×ΔＧ＜０．０００６を満たしているか否かを判断する。なお、０．０００６という数値は、実験により経験的に得られた値であるが、判断基準値は、これに限定されるものではない。
【００９４】
以上のようなアルゴリズムＡからアルゴリズムＢへの切り替えを行う多段適応比例制御により、誤差を±０．１％以下にまで収束させることができる。なお、アルゴリズムＡにおけるｇｔｐの値を、収束の度合いを監視しながら、動的に変更させたり、あるいは上記の例では０．０００６のみとなっている切替の判断基準値（ｇｔｐ×ΔＧの境界値）を複数設け、アルゴリズムＢにおける増減量を変更する等により、３段階以上の切替えを行う多段適応比例制御としてもよい。
【００９５】
また、零点（オフセット）については、次のようなアルゴリズムＣとアルゴリズムＤとを、下記の条件に基づき自動的に切り替えることができる。
【００９６】
＜アルゴリズムＣ＞誤差が定格出力の１．５％よりも大きいときに、次のアルゴリズムＣを用いる。
【００９７】
（１）現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも大きい場合には、オフセットの値を小さくする。調整量は、定格出力の０．１５％である。
（２）現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも小さい場合には、オフセットの値を大きくする。調整量は、定格出力の０．１５％である。
（３）現在の荷重平均値が目標荷重平均値と同じ場合には、オフセットをそのままとする。
【００９８】
＜アルゴリズムＤ＞誤差が定格出力の１．５％以下のときに、次のアルゴリズムＤを用いる。
【００９９】
（１）現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも大きい場合には、オフセットの値を小さくする。調整量は、定格出力の０．００６％である。
（２）現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも小さい場合には、オフセットの値を大きくする。調整量は、定格出力の０．００６％である。
（３）現在の荷重平均値が目標荷重平均値と同じ場合には、オフセットをそのままとする。
【０１００】
ここで、定格出力とは、目標荷重の最大値の絶対値と、目標荷重の最小値の絶対値とのうち、大きい方の値を指す。
【０１０１】
従って、アルゴリズムＣ，Ｄのいずれについても、オフセットの補正量を決定する処理の流れは、同じであり、調整量の数値が異なるだけである。前述したように、本発明では、このように使用データの相違のみの場合も、アルゴリムが相違するものと捉え、「アルゴリズム」を定義している。なお、定格出力の０．１５％、０．００６％という各調整量の値は、実験により経験的に求めたものであるが、この数値に限定されるものではない。また、アルゴリズムＣ，Ｄの切替の判断基準値となる定格出力の１．５％という誤差の値も、これに限定されるものではなく、他の値を用いてもよい。
【０１０２】
なお、上記の例で、定格出力の１．５％となっている切替の判断基準値（誤差の境界値）を複数設け、調整量も別の数値を追加して用意することにより、３段階以上の切替えを行う多段適応比例制御としてもよい。
【０１０３】
また、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、ＡＧＣが無効にされているときでも、自動オフセットコントロール（ＡＯＣ：Auto offset control）を常時有効としている。つまり、試験中、荷重平均値は常に目標値に一致または略一致していることになる。実験者は、図６の試験中画面３００で「ＡＧＣ有効」ボタン３６０を用いて、ＡＧＣの有効・無効の選択を行うことができる。なお、本実施形態の疲労試験機１０では、試験前に、一度平均値の調整を行うため、試験開始直後から平均値の誤差を小さい値にとどめることができる。従って、実際に使用されるオフセット調整量は、殆どアルゴリズムＤの値となってもよい。
【０１０４】
増幅率補正手段７９および零点補正手段８０は、増幅率補正／零点補正計算手段７８による計算結果をメモリに記憶しておき、この計算結果に基づき、増幅率および零点の補正処理をそれぞれ行うものである。増幅率補正／零点補正計算手段７８による処理が波形一周期毎に行われるので、増幅率補正手段７９および零点補正手段８０による補正処理の内容は、波形一周期毎に更新される。
【０１０５】
カウンタ７５は、疲労試験に必要な繰返し数の計数処理を行うとともに、カウンタリミットの処理を行うものである。カウンタリミットは、試験繰返し数が規定の値に達した時点で試験を停止する機能である。規定の値とは、実験者が、図５の試験条件設定画面２００の打切り繰返し数の入力部２３３で入力した値である。
【０１０６】
リミッタ７６は、最大リミッタ、最小リミッタ、ゲイン発振防止リミッタ、試験片破断検出機構の各処理を行うものである。
【０１０７】
最大リミッタは、ピークボトムホールド７７で検出した最大値が、試験前に予め設定した値を上回ったときに、一方、最小リミッタは、ピークボトムホールド７７で検出した最小値が、試験前に予め設定した値を下回ったときに、それぞれ試験動作を停止し、異常な荷重負荷が繰り返されることを防止する機能である。試験前に予め設定した値とは、実験者が、図５の試験条件設定画面２００の許容過大誤差の入力部２３１で入力した値に基づき算出された値である。
【０１０８】
ゲイン発振防止リミッタは、オートチューニングにより、無制限に出力が増大し、試験が不安定となることを防止する機能である。実験者が、図５の試験条件設定画面２００の許容最大ゲインの入力部２３２で入力した値によりリミッタをかける。
【０１０９】
試験片破断検出機構は、応答荷重波形の急激な変化を感知することにより試験片１の破断を検出し、試験片１が破断した瞬間に疲労試験を停止することで試験片破面と疲労試験機１０そのものを保護する機能である。
【０１１０】
外部処理装置９０は、コンピュータにより構成され、制御性能に直接関係しない各種処理を行う処理手段９０Ａと、例えばキーボードやマウス等の入力手段９６と、例えば液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等の表示手段９７とを備えて構成されている。また、例えばプリンタやプロッタ等の出力手段を適宜設けてもよい。
【０１１１】
処理手段９０Ａは、待機中画面表示・入力受付処理手段９１と、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２と、試験中画面表示・入力受付処理手段９３と、相反操作強制無効手段９４と、入力パラメータ監査手段９５とを含み構成されている。
【０１１２】
待機中画面表示・入力受付処理手段９１は、試験中以外の状態でアクチュエータ部４０を動作させる場合に使用する図４の待機中画面１００を表示する処理、およびこの待機中画面１００を用いて行われる実験者によるアクチュエータ部４０に対する操作入力を受け付ける処理を行うものである。
【０１１３】
試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２は、試験条件を設定するための図５の試験条件設定画面２００を表示する処理、およびこの試験条件設定画面２００を用いて行われる実験者による試験条件の設定入力を受け付ける処理を行うものである。実験者が、図５の試験条件設定画面２００で必要な数値を入力して決定を指示すれば、入力された試験条件は、この試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により、ＤＳＰコントローラ７０の制御プログラムが解釈できるパラメータに自動変換され、ＤＳＰコントローラ７０に転送される。
【０１１４】
試験中画面表示・入力受付処理手段９３は、試験中に試験状況をモニタする図６の試験中画面３００を表示する処理、およびこの試験中画面３００を用いて行われる実験者による入力を受け付ける処理を行うものである。また、試験中画面表示・入力受付処理手段９３は、試験中に異常が発生し、試験が停止した場合には、ＤＳＰコントローラ７０の制御プログラムと通信を行って原因を調査し、レポートする処理を行う。
【０１１５】
相反操作強制無効手段９４は、ある操作を実行中に、行ってはならない操作または行うべきでない操作を強制的に無効にする処理を行うものである。例えば、試験中には、試験条件のパラメータを変更することができないようになっている。
【０１１６】
入力パラメータ監査手段９５は、実験者により入力されるパラメータ（試験条件等）が異常か否かを監査する処理を行うものである。例えば、図５の試験条件設定画面２００での矛盾したパラメータ入力を監視する。
【０１１７】
そして、処理手段９０Ａに含まれる各手段９１〜９５は、外部処理装置９０を構成するコンピュータ本体（パーソナル・コンピュータのみならず、その上位機種のものも含む。）の内部に設けられた中央演算処理装置（ＣＰＵ）、およびこのＣＰＵの動作手順を規定する一つまたは複数のプログラムにより実現される。
【０１１８】
このような本実施形態においては、以下のようにして疲労試験機１０を用いて超高サイクル域データを取得するための疲労試験が行われる。
【０１１９】
先ず、実験者は、疲労試験を行う前に、調芯用ダミー試験片を用いて疲労試験機１０の本体１１の調芯作業を行う。図２および図３において、調芯作業では、先ず最初に、調芯用ダミー試験片を下側（ピストン４１側）の掴み部２５に装着する。この際には、試験片ホルダ２５Ａに形成された挿入穴３２に、調芯用ダミー試験片の下側の端部２Ｂを挿入し、ボルト３４を締め込んで試験片固定蓋２５Ｂにより調芯用ダミー試験片の下側の端部２Ｂを押さえ付けて固定する。
【０１２０】
次に、上側（ロードセル２１側）の掴み部２４の試験片ホルダ２４Ａに形成された挿入穴３１に、調芯用ダミー試験片の上側の端部２Ａが入るようにロードセル２１の水平位置を調整する。
【０１２１】
続いて、ロードセル２１の水平位置を調整後に、ボルト２６によりロードセル２１を固定し、ロックナット３０を締める。最後に、調芯用ダミー試験片を取り外す。
【０１２２】
以上の調芯作業は、数分程度で行うことが可能であり、従来のように試験片にひずみゲージを貼って調芯作業を行う場合に比べ、作業時間が格段に短縮できる。この調芯作業の後は、疲労試験用の試験片１を無作為に何回取り付けたとしても、試験片１には、側面からの拘束力が加わることはない。従って、この調芯作業は、従来の場合と異なり、疲労試験毎に行う必要はない。
【０１２３】
実験者は、上記の如く調芯用ダミー試験片を用いて調芯作業を行った後に、疲労試験を行うために、疲労試験機１０の本体１１の試験片取付部２０に、試験片１を取り付ける。この際、実験者は、外部処理装置９０の待機中画面表示・入力受付処理手段９１により表示手段９７の画面上に表示された図４の待機中画面１００を用いて、試験片１の取付作業に必要なピストン４１の操作を行う。
【０１２４】
図４において、待機中画面１００には、フィードバック値表示部１１０と、試験条件表示部１２０と、ピストンコントロール部１３０と、「通信終了」ボタン１４０と、「試験条件設定」ボタン１５０と、「試験コンソールへ」ボタン１６０と、「数値オフセット入力」ボタン１７０とが設けられている。
【０１２５】
フィードバック値表示部１１０には、ひずみ計２２の検出信号から得られる負荷荷重の表示部１１１と、負荷荷重を試験片直径を用いて換算した負荷応力の表示部１１２とが設けられている。応力値への換算処理は、待機中画面表示・入力受付処理手段９１により行われる。
【０１２６】
試験条件表示部１２０には、最大絶対応力、試験応力比、試験片直径、試験周波数の各表示部１２１〜１２４が設けられている。これらの表示値は、実験者が「試験条件設定」ボタン１５０をクリックして図５の試験条件設定画面２００で入力した値である。
【０１２７】
ピストンコントロール部１３０には、ピストン４１を前進移動（上昇）させる上昇ボタン１３１と、ピストン４１を後退移動（下降）させる下降ボタン１３２と、ピストン４１を中央位置にするニュートラルボタン１３３と、ピストン４１の前進量（上昇量）をバー表示する前進量表示部１３４と、ピストン４１の後退量（下降量）をバー表示する後退量表示部１３５と、サーボバルブ５０の零点の調整量を入力するバルブ零調入力部１３６と、バルブ零調入力部１３６で入力した値を実際に設定する「Ｓｅｔ」ボタン１３７とが設けられている。なお、サーボバルブ５０の零点は、通常、安全サイドにずらしてあるので、これを予め補正して精密な制御を行うために零点調整を行う。
【０１２８】
「通信終了」ボタン１４０は、ＤＳＰコントローラ７０との通信を終了させるボタンであり、「試験条件設定」ボタン１５０は、図５の試験条件設定画面２００へ移動するためのボタンであり、「試験コンソールへ」ボタン１６０は、図６の試験中画面３００へ移動するためのボタンであり、「数値オフセット入力」ボタン１７０は、試験開始前等の調整時に、強制的に零点（オフセット）をある値に定める場合に使用するボタンである。
【０１２９】
実験者は、試験前に試験条件の設定も行う。この際には、実験者は、図４の待機中画面１００で「試験条件設定」ボタン１５０をクリックする。すると、外部処理装置９０の表示手段９７の画面上には、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により、図５の試験条件設定画面２００が表示される。
【０１３０】
図５において、試験条件設定画面２００には、試験条件のうちの主要条件を設定する主要条件設定部２１０と、試験条件のうちの高度な条件の設定を行う高度条件設定部２２０と、各種のリミッタの値を設定するリミッタ設定部２３０と、各設定部２１０，２２０，２３０での入力を取り消す「キャンセル」ボタン２４０と、各設定部２１０，２２０，２３０で入力した条件を実際に設定する「条件を設定」ボタン２５０とが設けられている。
【０１３１】
主要条件設定部２１０には、最大絶対応力、試験応力比、試験片直径、試験周波数の各入力部２１１〜２１４が設けられるとともに、圧縮−圧縮試験を行う場合にチェックを入れるための圧縮−圧縮試験選択チェック入力部２１５が設けられている。ここで入力した最大絶対応力、試験応力比、および試験片直径の各値は、前述した式（１）中の到達目標荷重のサイン波振幅Ａtおよびサイン波平均値（零点）ＯＦＦtの算出決定処理に用いられる。この算出決定処理は、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により行われる。また、ここで入力した試験周波数の値は、前述した式（１）中のＦの値として設定される。
【０１３２】
高度条件設定部２２０には、ロードセル変換定数、真空バイアス、デフォルトゲインの各入力部２２１〜２２３が設けられている。ロードセル変換定数は、ロードセル２１に負荷される荷重と、ひずみ計２２の出力電圧との関係を示し、ロードセル２１の較正結果に応じて入力するものであり、前述した式（１）中の到達目標荷重のサイン波振幅Ａtおよびサイン波平均値（零点）ＯＦＦtの算出決定処理等の各種処理における荷重−電圧換算処理に用いられる。また、デフォルトゲインは、増幅率（ゲイン）の初期値を設定するものである。
【０１３３】
リミッタ設定部２３０には、許容過大誤差、許容最大ゲイン、打切り繰返し数の各入力部２３１〜２３３が設けられている。これらの入力値は、リミッタ７６およびカウンタ７５により行われる各種のリミットの処理に用いられる。
【０１３４】
実験者が、各設定部２１０，２２０，２３０での入力を終えて「条件を設定」ボタン２５０をクリックすると、入力した条件が設定され、図４の待機中画面１００に戻る。そして、実験者は、試験を開始する際には、この画面１００で「試験コンソールへ」ボタン１６０をクリックする。すると、外部処理装置９０の表示手段９７の画面上には、試験中画面表示・入力受付処理手段９３により、図６の試験中画面３００が表示される。
【０１３５】
図６において、試験中画面３００には、試験条件を表示する試験条件表示部３１０と、試験状況を数値表示する試験状況数値表示部３２０と、試験状況として実測荷重に基づく応力表示をグラフ表示で行う試験状況グラフ表示部３３０とが設けられている。
【０１３６】
試験条件表示部３１０には、最大絶対応力、試験応力比、試験片直径、試験周波数の各表示部３１１〜３１４が設けられている。これらの表示値は、実験者が図５の試験条件設定画面２００で入力した値である。
【０１３７】
試験状況数値表示部３２０には、カウンタ７５の計数値を表示するカウント表示部３２１と、現在のゲインを表示するゲイン表示部３２２と、サーボバルブ５０の定格入力のうち何％まで使用しているか（最大流量に対して何％の流量となっているか）という出力レベルを表示する出力ＬＶ表示部３２３と、試験誤差表示部３２４とが設けられている。ここで表示する試験誤差とは、（実荷重振幅−目標荷重振幅）／目標荷重振幅×１００（％）のことをいう。
【０１３８】
試験状況グラフ表示部３３０には、実荷重から算出した応力の波形（横軸を時間とし、縦軸を応力とした波形）が表示される。この際の荷重値から応力値への換算処理は、試験中画面表示・入力受付処理手段９３により行われる。
【０１３９】
これらの試験状況数値表示部３２０および試験状況グラフ表示部３３０の表示内容は、試験中画面表示・入力受付処理手段９３により、定期的に更新される。
【０１４０】
また、試験中画面３００には、オフセットを自動調整する「オフセット自動調整」ボタン３４０と、試験を停止する「試験停止」ボタン３５０と、ＡＧＣを有効にする「ＡＧＣ有効」ボタン３６０と、カウンタ７５の計数値をリセットする「カウンタリセット」ボタン３７０と、除荷を行う「除荷」ボタン３８０と、図４の待機中画面１００に移動するための「メインコンソールへ」ボタン３９０とが設けられている。
【０１４１】
なお、実際に試験を行う場合には、目標荷重のオフセットの値まで静的にオフセットを調整し、その後、それに加算してサイン波形を重畳させる。「オフセット自動調整」ボタン３４０は、試験開始前に荷重を静的にそのオフセット値まで自動的にもっていくためのボタンである。
【０１４２】
また、「ＡＧＣ有効」ボタン３６０をクリックしないと、多段適応比例制御が有効にならず、単なる比例制御となる。この場合には、増幅率（ゲイン）や零点（オフセット）の値は一定値となり、実荷重が外的要因によって目標荷重からずれたとしても、それに適応して増幅率や零点の値の修正動作は行われない。
【０１４３】
このような本実施形態によれば、次のような効果がある。すなわち、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う際に、実荷重信号（ひずみ計２２の検出信号）の目標値信号への収束度に応じ、増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされているので、検出信号が目標値信号にある程度収束したときに、増幅率の補正に関するアルゴリズムを切り替えることにより、検出信号の目標値信号への収束度を高めることができる。従って、試験精度の向上を図ることができる。
【０１４４】
また、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、検出信号の目標値信号への収束度に応じ、増幅率のみならず、零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされているので、検出信号の目標値信号への収束度をより一層高めることができ、試験精度をより一層向上させることができる。
【０１４５】
さらに、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、アルゴリズムを切り替えるか否かの判断を波形一周期毎に行う構成とされているので、適切なタイミングでアルゴリズムの切替を行うことができる。このため、収束の速度を向上させることができ、試験精度をより一層向上させることができる。
【０１４６】
具体的には、従来の適応比例制御で、目標値信号と検出信号との誤差の収束度が例えば±１％程度であったとすると、本実施形態の多段適応比例制御では、±０．１％以内に収束させることができる。
【０１４７】
そして、疲労試験機１０は、制御手段６０として、ＤＳＰコントローラ７０と外部処理装置９０とを備えているので、ＤＳＰコントローラ７０には、制御性能に直接関係する演算処理（目標値信号と荷重信号との比較、増幅率補正、零点補正、ピークボトムホールド、多段適応比例制御を行うための増幅率や零点の補正に関する計算等の処理）のみを負担させ、一方、外部処理装置９０には、制御性能に直接関係しない演算処理（フィードバックされた電圧を荷重に換算する演算処理、応力の数値表示・応力のグラフ表示・ピストン移動量のバー表示・ピストン操作用ボタンの矢印表示等のように人間が見て扱いやすい表示にするためのインターフェースに係る演算処理）を負担させることができる。つまり、制御性能に直接関係する演算処理用のプログラムと、制御性能に直接関係しない演算処理用のプログラムとを完全に分離し、これらの各プログラムを実行するハードウェアを分離することができる。
【０１４８】
このため、ＤＳＰコントローラ７０の処理負担を軽減できるので、応答性や荷重精度、外乱に対する収束性等の制御性能に直接関係する演算処理についての処理速度を向上させることができ、この点でも試験精度の向上を図ることができる。
【０１４９】
また、外部処理装置９０は、待機中画面表示・入力受付処理手段９１、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２、および試験中画面表示・入力受付処理手段９３を備えているので、実験者は、試験およびその準備の各場面において、図４の待機中画面１００、図５の試験条件設定画面２００、図６の試験中画面３００の３つの画面のうちのいずれかを参照しながら、各場面で必要となる情報の表示のみを確認し、また、各場面で必要となる入力作業のみを行うことができる。従って、実験者は、試験およびその準備の各場面で必要最低限の操作を行えばよくなるので、余分な操作を行ったり、余分な情報を参照して余分な事を考える余地を排除することができ、操作性の向上を図ることができる。そして、操作性の向上を図ることができるため、誤認識や誤操作等の発生も回避または抑制することができ、試験精度の向上にも繋がる。
【０１５０】
そして、待機中画面表示・入力受付処理手段９１により、図４の待機中画面１００のピストンコントロール部１３０において、上昇ボタン１３１および下降ボタン１３２が矢印表示とされ、前進量表示部１３４および後退量表示部１３５がバー表示とされているので、実験者は、ピストン４１の操作を直感的に行うことができる。また、これにより誤操作等も回避または抑制することができる。さらに、フィードバック値表示部１１０が設けられ、応力表示が行われるので、実験者は、現在の荷重の負荷状態を容易に確認することができる。
【０１５１】
また、試験条件設定画面表示・入力受付処理手段９２により、図５の試験条件設定画面２００で、最大絶対応力、応力比、および試験片直径の入力を受け付けることができる。このため、実験者は、応力・応力比・試験片直径という普段使用するパラメータのみを使用すればよくなるので、疲労試験機１０の操作性を向上させることができ、疲労試験機や制御の知識がない実験者でも容易に疲労試験を行うことができる。
【０１５２】
さらに、試験中画面表示・入力受付処理手段９３により、図６の試験中画面３００の試験状況グラフ表示部３３０において、応力のグラフ表示が行われるので、実験者は、現在の試験状況を容易かつ直感的に把握することができる。また、実験者は、各ボタン３４０〜３９０を押していくだけで、設定した条件での疲労試験を適切に行うことができる。
【０１５３】
そして、外部処理装置９０は、相反操作強制無効手段９４を備えているので、誤操作を防止できる。
【０１５４】
また、外部処理装置９０は、入力パラメータ監査手段９５を備えているので、試験の安全性を高めることができる。
【０１５５】
さらに、疲労試験機１０では、試験片１および本体１１の各構成部品の各面の平行度を向上させたので、偏荷重の発生を抑えることができる。また、これと併せ、試験片１の端部１Ａ，１Ｂと上下の掴み部２４，２５とのはめ合いを緩めにしたので（図３参照）、試験片１に側面（試験片１の端部１Ａ，１Ｂの外周面１Ｅ，１Ｆ）からの拘束力が加わらないようにすることができ、偏荷重の発生を抑えることができる。このため、試験精度を向上させることができる。そして、通常、はめ合いを緩くすると、疲労試験中に試験片１の横ずれが懸念されるが、試験片１および本体１１の各構成部品の各面の平行度を向上させているので、試験片１に横ずれを生じさせる力が加わることを回避できる。
【０１５６】
そして、試験本番で用いる試験片１の端部１Ａ，１Ｂよりも大きい端部２Ａ，２Ｂを有する調芯用ダミー試験片を用いて調芯作業を行うので、調芯作業を精度よく行うことができることに加え、前述した緩めのはめ合いも容易に実現できる。また、調芯用ダミー試験片による調芯作業を一回行えば、そのままの状態で複数の試験を行うことができるので、実験者の作業の手間を軽減できる。
【０１５７】
なお、本発明の効果を確かめるために、次のような手順で偏応力Δσの測定実験を行った。先ず、調芯用ダミー試験片を用いて疲労試験機１０の調芯作業を行う。次に、試験片中央部の外周を３分割した位置に合計３枚のひずみゲージを貼った試験片１を試験片取付部２０に取り付ける。この際、ひずみゲージの値は参考にしない。続いて、試験片１に±４００ＭＰａの静的応力を負荷する。最後に、ひずみゲージの値から偏応力Δσを算出する。そして、以上の測定を数回行った。
【０１５８】
上記の測定結果は、次のようになった。負荷応力±４００ＭＰａのときの偏応力Δσは、３．２〜３．９ＭＰａであった。Δσの割合は、負荷応力に対して０．８〜２．３％である。この値は、疲労試験結果には全く影響しない値である。また、前述した特許文献１に記載された本願出願人による疲労試験機（球状ベアリングを備えた疲労試験機）では、負荷応力４００ＭＰａに対するΔσの割合は、３．５〜７．４％である。従って、本実施形態の疲労試験機１０では、偏荷重を大幅に軽減できたことがわかり、これにより本発明の効果が顕著に示された。
【０１５９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲内での変形等は本発明に含まれるものである。
【０１６０】
すなわち、前記実施形態では、増幅率補正／零点補正計算手段７８は、増幅率および零点のいずれについても、それらの補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされていたが、本発明では、増幅率についてだけアルゴリズムを段階的に切り替える構成としてもよい。但し、前記実施形態のように増幅率および零点の双方についてアルゴリズムを段階的に切り替える構成としておけば、試験精度をより一層向上することができる。
【０１６１】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明によれば、増幅率補正／零点補正計算手段により、検出信号の波形と目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う際に、検出信号の目標値信号への収束度に応じ、増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替えるので、検出信号が目標値信号にある程度収束したときに、増幅率の補正に関するアルゴリズムを切り替えることにより、検出信号の目標値信号への収束度を高めることができ、試験精度の向上を図ることができるという効果がある。
【０１６２】
また、本発明によれば、デジタルコントローラとは別途に設けられた外部処理装置により、待機中画面、試験条件設定画面、試験中画面の３つの画面の表示処理およびこれらの画面を用いた入力の受付処理を行うので、操作性の向上を図ることができ、実験者の操作負担を軽減して誤認識や誤操作等の発生を回避または抑制し、試験精度の向上を図ることができるという効果がある。
【０１６３】
さらに、本発明によれば、試験片および試験機本体構成部品の各面の平行度を向上させ、かつ、試験片の端部と掴み部とのはめ合いを緩めにしたので、偏荷重の発生を抑えることができ、試験精度の向上を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の疲労試験機の全体構成図。
【図２】前記実施形態の疲労試験機の本体を構成する試験片取付部の断面図。
【図３】前記実施形態の試験片取付部の要部の拡大断面図。
【図４】前記実施形態の疲労試験機の制御手段を構成する外部処理装置による処理に伴う待機中画面の例示図。
【図５】前記実施形態の疲労試験機の制御手段を構成する外部処理装置による処理に伴う試験条件設定画面の例示図。
【図６】前記実施形態の疲労試験機の制御手段を構成する外部処理装置による処理に伴う試験中画面の例示図。
【符号の説明】
１ 試験片
１Ａ 試験片の上側の端部
１Ｂ 試験片の下側の端部
１Ｃ 試験片の上側の端面
１Ｄ 試験片の下側の端面
１Ｅ 試験片の上側の端部の外周面
１Ｆ 試験片の下側の端部の外周面
１０ 疲労試験機
１１ 本体
２０ 試験片取付部
２４，２５ 掴み部
３１Ａ，３２Ａ 試験片当接面
３５，３６ 隙間
４０ アクチュエータ部
６０ 制御手段
７０ デジタルコントローラであるＤＳＰコントローラ
７２ 制御信号発生手段を構成するサーボ増幅器
７８ 増幅率補正／零点補正計算手段
７９ 増幅率補正手段
８０ 零点補正手段
９０ 外部処理装置
９１ 待機中画面表示・入力受付処理手段
９２ 試験条件設定画面表示・入力受付処理手段
９３ 試験中画面表示・入力受付処理手段
Claims (7)
- 試験片を取り付ける試験片取付部および前記試験片に荷重を負荷するアクチュエータ部を有する本体と、前記試験片に負荷される荷重に応じた検出信号をフィードバックして前記アクチュエータ部の動作を制御するための制御信号を前記本体に送るフィードバック制御を行う制御手段とを備えた疲労試験機において、
前記制御手段は、前記フィードバック制御をデジタル処理で行うデジタルコントローラを備えて構成され、
このデジタルコントローラは、
前記検出信号と目標値信号との偏差量に応じた前記制御信号を発生する制御信号発生手段と、
前記検出信号の波形と前記目標値信号の波形とを比較してこの比較結果に基づき前記制御信号の発生処理に用いられる増幅率および零点の補正に関する計算処理を行う増幅率補正／零点補正計算手段と、
この増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき前記増幅率の補正処理を行う増幅率補正手段と、
前記増幅率補正／零点補正計算手段による計算結果に基づき前記零点の補正処理を行う零点補正手段とを含んで構成され、
前記増幅率補正／零点補正計算手段は、前記検出信号の前記目標値信号への収束度に応じて前記増幅率の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされ、前記アルゴリズムを切り替えることは、（１）計算処理に使用される数式の形態そのものを切り替えること、（２）計算処理に使用される数式に含まれる係数または定数の値を切り替えること、（３）計算処理に使用される前記検出信号および前記目標値信号以外のデータまたはデータ群を切り替えること、（４）条件に応じた選択処理または分岐処理の構造を切り替えること、（５）全く異種のアルゴリズムへ切り替えることのいずれかである
ことを特徴とする疲労試験機。 - 請求項１に記載の疲労試験機において、
前記増幅率補正／零点補正計算手段は、互いに全く異種のアルゴリズムＡからアルゴリズムＢへの切り替えを含む２段階以上のアルゴリズムの切り替えを行う構成とされ、
前記アルゴリズムＡは、
Ａ c を実測荷重の振幅とし、Ａ t を到達目標荷重の振幅とし、Ｇ c （ｉ），Ｇ c （ｉ＋１）を前記増幅率とし、ｉをｉ番目、ｉ＋１をｉ＋１番目のサンプリングデータであることを示すものとし、ｇｔｐを前記増幅率の変化を滑らかにするために用いるゲインチューニングパラメータとすると、Ｇ c （ｉ＋１）＝Ｇ c （ｉ）＋ｇｔｐ×（（Ａ t ／Ａ c ）−１）×Ｇ c （ｉ）という式で示されるアルゴリズムであり、
前記アルゴリズムＢは、
Ａ c ＜Ａ t の場合には、前記増幅率を所定量だけ増加させ、Ａ c ＞Ａ t の場合には、前記増幅率を前記所定量と同一または異なる所定量だけ減少させ、Ａ c ＝Ａ t の場合には、前記増幅率をそのままとするアルゴリズムであり、
前記アルゴリズムＡから前記アルゴリズムＢへの切り替えのタイミングは、ｇｔｐ×（（Ａ t ／Ａ c ）−１）×Ｇ c （ｉ）が所定の判断基準値を下回ったときであり、
前記アルゴリズムＡについては、前記ｇｔｐを固定値として１段階の前記アルゴリズムＡとするか、または前記ｇｔｐの値を収束の度合いに応じて変更して２段階以上の前記アルゴリズムＡとし、前記アルゴリズムＢについては、前記ｇｔｐ×（（Ａ t ／Ａ c ）−１）×Ｇ c （ｉ）に対する前記所定の判断基準値を１つ設定して１段階の前記アルゴリズムＢとするか、または前記所定の判断基準値を２つ以上設定するとともに前記増幅率を増減させる前記所定量を変更して２段階以上の前記アルゴリズムＢとする構成とされている
ことを特徴とする疲労試験機。 - 請求項１または２に記載の疲労試験機において、
前記増幅率補正／零点補正計算手段は、前記検出信号の前記目標値信号への収束度に応じて前記零点の補正に関する計算処理のアルゴリズムを段階的に切り替える構成とされ、前記アルゴリズムを切り替えることは、（１）計算処理に使用される数式の形態そのものを切り替えること、（２）計算処理に使用される数式に含まれる係数または定数の値を切り替えること、（３）計算処理に使用される前記検出信号および前記目標値信号以外のデータまたはデータ群を切り替えること、（４）条件に応じた選択処理または分岐処理の構造を切り替えること、（５）全く異種のアルゴリズムへ切り替えることのいずれかである
ことを特徴とする疲労試験機。 - 請求項３に記載の疲労試験機において、
前記増幅率補正／零点補正計算手段は、互いに使用データの相違するアルゴリズムＣからアルゴリズムＤへの切り替えを含む２段階以上のアルゴリズムの切り替えを行う構成とされ、
目標荷重の最大値の絶対値と、目標荷重の最小値の絶対値とのうち、大きい方の値を定格出力とすると、
前記アルゴリズムＣは、
前記定格出力に対する誤差のパーセンテージが、所定の判断基準値よりも大きいときに、現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも大きい場合には、前記定格出力に対するパーセンテージで示されたアルゴリズムＣ用の調整量で前記零点の値を小さくし、現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも小さい場合には、前記アルゴリズムＣ用の調整量で前記零点の値を大きくし、現在の荷重平均値が目標荷重平均値と同じ場合には、前記零点の値をそのままとするアルゴリズムであり、
前記アルゴリズムＤは、
前記定格出力に対する誤差のパーセンテージが、所定の判断基準値以下のときに、現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも大きい場合には、前記アルゴリズムＣ用の調整量よりも小さいアルゴリズムＤ用の調整量で前記零点の値を小さくし、現在の荷重平均値が目標荷重平均値よりも小さい場合には、前記アルゴリズムＤ用の調整量で前記零点の値を大きくし、現在の荷重平均値が目標荷重平均値と同じ場合には、前記零点の値をそのままとするアルゴリズムであり、
前記アルゴリズムＣから前記アルゴリズムＤへの切り替えのための前記所定の判断基準値を少なくとも１つ設定し、前記アルゴリズムＣから前記アルゴリズムＤへの切り替えを、少なくとも１回行う構成とされている
ことを特徴とする疲労試験機。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の疲労試験機において、
前記増幅率補正／零点補正計算手段は、周期的に変化する前記検出信号の波形と、周期的に変化する前記目標値信号の波形とを波形一周期毎に比較し、この比較結果として得られた双方の波形のずれ量に基づき前記増幅率および前記零点の補正に関する計算処理を波形一周期毎に行うとともに、この計算処理を行う際に前記アルゴリズムを切り替えるか否かを波形一周期毎に判断する構成とされていることを特徴とする疲労試験機。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の疲労試験機において、
前記制御手段は、
前記フィードバック制御をデジタル処理で行うデジタルコントローラと、
このデジタルコントローラに接続されてデジタルコントローラとの間で情報の送受信を行うことにより前記フィードバック制御に関する処理以外の処理を行う外部処理装置とを備えて構成され、
前記外部処理装置は、
試験中以外の状態で前記アクチュエータ部を動作させる場合に使用する待機中画面を表示する処理およびこの待機中画面を用いて行われる実験者による前記アクチュエータ部に対する操作入力を受け付ける処理を行う待機中画面表示・入力受付処理手段と、
試験条件を設定するための試験条件設定画面を表示する処理およびこの試験条件設定画面を用いて行われる前記実験者による前記試験条件の設定入力を受け付ける処理を行う試験条件設定画面表示・入力受付処理手段と、
試験中に試験状況をモニタする試験中画面を表示する処理およびこの試験中画面を用いて行われる前記実験者による入力を受け付ける処理を行う試験中画面表示・入力受付処理手段とを備え、
前記試験条件設定画面表示・入力受付処理手段は、前記試験条件設定画面で前記試験条件として、最大応力および最小応力の組合せ、最大応力および応力比の組合せ、最小応力および応力比の組合せのうちのいずれかの組合せ、並びに試験片直径の入力を受け付ける構成とされ、
前記試験中画面表示・入力受付処理手段は、前記試験中画面で前記試験状況として、応力のグラフ表示を行う構成とされている
ことを特徴とする疲労試験機。 - 請求項１〜６のいずれかに記載の疲労試験機において、
前記試験片取付部は、前記アクチュエータ部による荷重方向に沿う方向に配置される状態で前記試験片を取り付ける構成とされ、
前記試験片取付部には、前記試験片の両側の端部をそれぞれ掴む掴み部が設けられ、これらの各掴み部には、前記試験片の両側の端面がそれぞれ当接される試験片当接面が形成され、
前記試験片の両側の端面は、平行度０．０１を満たし、かつ、試験機本体構成部品の各面のうち、対向する前記各掴み部の試験片当接面同士の平行度を規定する役割を果たす各面も、全て平行度０．０１を満たす状態で仕上げられているとともに、
前記試験片を前記試験片取付部に取り付けた状態で、前記試験片の各端部の外周面と前記各掴み部との間に隙間が形成され、試験本番で用いる前記試験片の各端部の外周面と前記各掴み部とのはめ合いの隙間は、試験前に行う調芯作業で用いる調芯用ダミー試験片の各端部の外周面と前記各掴み部とのはめ合いの隙間よりも大きい
ことを特徴とする疲労試験機。
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