JP4803259B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

本発明は、金属、プラスチック、ゴムなどの各種素材から成る供試体に引張力や圧縮力などを与えて材料を評価する材料試験機に関する。

従来から、供試体の複数の計測点に設けた検出器（たとえばひずみゲージ）からの検出信号を用いて各チャンネルの情報を収集して材料を評価する材料試験機が特許文献１により知られている。

この種の材料試験機においては、ユーザが予め指定したチャンネルごとに計測結果を表示モニタに表示する。したがって、ユーザは、モニタに表示されていない他のチャンネルの計測結果を知りたい場合、その都度、操作部材からチャンネルを再指定し、そのチャンネルの計測結果の表示に切換える操作が必要であり、煩雑である。

特開平９−４９７９１号公報

（１）本発明による材料試験機は、複数の計測点が設定された供試体に負荷を与える負荷装置と、供試体を負荷する試験力を測定する第１の検出器と、複数の計測点の負荷による変形に伴う変位、ひずみなどの物理量を測定データとしてそれぞれ検出する第２の検出器と、供試体を負荷する際の負荷装置のストロークを測定する第３の検出器と、第1の検出器で検出される試験力と、複数の第２の検出器で検出される測定データと、第３の検出器で検出されたストロークまたは測定データのサンプル時間との関係を記憶する記憶手段と、計測結果を表示する表示装置と、計測結果をグラフ表示し、そのグラフ上に指定したポイントについて、複数の計測点の測定データを表示する表示制御手段と、ポイントを指定する指定手段とを備え、表示制御手段は、第１の検出器で検出された試験力と、第３の検出器で検出したストロークまたはサンプル時間との関係を共通グラフとして表示し、この共通グラフ上で指定手段により指定されたポイント近傍に、複数の第２の検出器でそれぞれ検出した測定データを記憶手段より読み出して数値表示することを特徴とする。
（２）表示制御手段は、複数の計測点の測定データを、特定ポイントから吹き出した第１ボックス内に表示して共通グラフ上に重畳表示することができる。
（３）複数の計測点の測定データは、一例としてひずみとすることができる。
（４）表示制御手段は、表示装置に数値表示されている複数の計測点における測定データのいずれかが指定されると、その測定データの前後の測定データを記憶手段から読み出し、測定データによる部分グラフとして表示する。
（５）部分グラフを共通グラフに重畳して、第１ボックスからさらに吹き出された第２ボックス内に表示することができる。
（６）部分グラフで示される範囲を拡大する拡大手段をさらに備え、拡大手段で拡大が指示されると、第２ボックスを広げるとともに部分グラフの範囲を拡大して表示するようにしてもよい。

本発明によれば、指定されたポイントにおける複数チャンネルの計測結果を簡単な操作で表示することができる。

本発明による材料試験機の構成を模式的に示す図 複数箇所にひずみゲージを貼着した供試体ＴＰを説明する図 図1に示すメモリ３０Ｍのデータ構造を示す図 試験終了後に表示されるストローク−試験力のグラフを示す図 図４のストローク−試験力のグラフに各チャンネルのひずみを重畳して表示する図 図５のストローク−試験力のグラフにさらに指定されたチャンネルのひずみ−試験力の部分グラフを重畳して表示する図 図6の部分グラフの拡大、縮小を説明する図 図１の材料試験機の処理プログラムを説明するフローチャート

符号の説明

１０：試験機本体 １８ａ、１８ｂ：ひずみゲージ
３０：制御装置 ３１：データサンプリング部
３２：表示データ生成部 ３３：認識部
３４：読み出し部 ３０Ｍ：メモリ
５０：表示装置 ８０：入力装置
ＴＰ：供試体

図１は本発明の一実施の形態による材料試験機を示している。材料試験機１００は、試験機本体１０と、制御装置３０と、入力装置５０と、表示装置８０とを備えている。試験機本体１０は以下のように構成されている。

固定テーブル１１には左右一対のねじ棒１２，１３が立設され、このねじ棒１２，１３の上部にはヨーク１４が横架されている。ねじ棒１２，１３には、クロスヘッド１５の左右両側に設けられた一対のナット（不図示）が螺合しており、これによりクロスヘッド１５がねじ棒１２，１３で昇降可能に支持される。ねじ棒１２，１３は、固定テーブル１１内に配設されたサーボモータ１６により駆動される。ねじ棒１２の回転はエンコーダ１７で検出されて制御装置３０へ入力される。

クロスヘッド１５の下面にはロードセル１９を介して上つかみ具２１が、固定テーブル１１の上面には下つかみ具２２がそれぞれ相対向して取り付けられており、これら上つかみ具２１および下つかみ具２２の間に供試体ＴＰが保持される。

ねじ棒１２，１３の回転によりクロスヘッド１５が上昇すると、上つかみ具２１および下つかみ具２２により保持された供試体ＴＰに引張力が加えられる。このとき、クロスヘッド１５に取り付けられたロードセル１９により検出された引張力と、エンコーダ１７で検出されたクロスヘッド１５のストロークが制御装置３０へ出力される。供試体ＴＰには、たとえば、図２に示すように、複数箇所にひずみゲージ１８ａ、１８ｂが貼着されている。ロードセル１９の出力信号と、ひずみゲージ１８ａ、１８ｂの出力信号はそれぞれ制御装置３０に入力される。

制御装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、およびその他周辺回路で構成され、材料試験機１００全体を制御し、さらに材料試験機本体１０から入力される計測結果である検出信号をメモリ３０Ｍに記憶する。制御装置３０は、試験中もしくは試験終了後、メモリ３０Ｍ内のデータを用いて各種計測結果の表示データを生成し、表示装置８０上に計測結果を表示する。したがって、制御装置３０は、機能的には、計測結果をサンプリングしてメモリ３０Ｍに記憶するデータサンプリング部３１と、メモリ３０Ｍのデータに基づいて表示装置８０に表示するグラフ表示データを生成する表示データ生成部３２とを備えて構成される。

また制御装置３０は、表示装置８０に表示したグラフ上でユーザが指定した特定のポイントを認識し、その特定ポイントに該当するデータをメモリ３０Ｍから読み出して表示装置８０にグラフ表示する。したがって、制御装置３０はまた、機能的に、マウスにより特定ポイントが指定されたことを認識する認識部３３と、認識した特定ポイントに対応するデータをメモリ３０Ｍから読み出す読み出し部３４も備えて構成されている。表示データ生成部３２は、読み出し部３４で読み出されたデータにより表示データを生成する機能も有する。

図３は、メモリ３０Ｍに記憶する各種データのデータ構造の一例を示す。メモリ３０Ｍには、制御装置３０で定められたデータサンプル時間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４……ｔ５０に対応付けてロードセル１９，エンコーダ１７およびひずみゲージ１８ａ、１８ｂでそれぞれ検出される、試験力、ストロークおよびひずみが記録されている。ここで、試験力はロードセル１９からの信号に基づいて制御装置３０で計算される試験力である。ストロークは、ねじ棒１２の回転を検出するエンコーダ１７からの信号に基づいて制御装置３０で計算されるクロスヘッド１５の移動量である。ひずみゲージ１およびひずみゲージ２は、ひずみゲージ１８ａ，１８ｂからそれぞれ出力されて制御装置３０で計算された供試体ＴＰのひずみである。

入力装置４０は、種々の入力スイッチ、キーボード、マウス等のユーザによって操作される入力用操作部材を含んでいる。ユーザはこの入力装置４０を操作して、供試体に対する試験の試験条件などをあらかじめ設定する。試験条件には、後述するシングルチャンネル表示かマルチチャンネル表示の設定が含まれる。上述したグラフ上の特定ポイントはマウスで指示される。

以上のように構成された材料試験機の動作について説明する。
供試体ＴＰを材料試験機本体１０の上下つかみ具２１，２２間にセットした後、試験が開始されると、たとえば、予め定めたストロ−ク速度で供試体ＴＰが変形するように制御装置３０によりモータ１６が駆動される。すなわち、ストロークフィードバック制御で試験が行われる。試験力フィードバック制御やひずみフィードバック制御で試験してもよい。

試験中、ロードセル１９の出力信号と、エンコーダ１７の出力信号と、各ひずみゲージ１８ａ、１８ｂの出力信号とが制御装置３０にサンプル時間ごとに取り込まれ、メモリ３０Ｍに図３に示すようなデータ構造として記憶される。試験中、これらのデータに基づいてグラフ表示データを生成して表示装置８０に表示したり、試験力やひずみなどの数値を表示する。試験終了後は、表示装置８０に図４に示すようなグラフを表示する。

図４は、表示装置８０に表示されるグラフの一例を示す。本実施の形態では、ひずみゲージ１８ａ、１８ｂの２チャンネルについて同時に計測するものとしており、図４は、横軸の指標にストロークを、縦軸の指標に試験力を設定した全チャンネル共通のストローク−試験力のグラフである。図４のグラフ上に符号ＹＰで示すポイントは上降伏点であり、材料評価の重要なデータポイントである。ユーザがマウスにより上降伏点ＹＰを指定すると、図５に示すように、その近傍に吹き出しボックスＢＸ１が表示される。ボックスＢＸ１内には、上降伏点における各種計測結果が表示される。図４では、「試験力：１００Ｎ、ストロ−ク：１０ｍｍ、サンプル時間：７ｓｅｃ、ひずみゲージ１：３μｓｔ、ひずみゲージ２：５μｓｔ」のように表示されている。

図６に示すようにボックスＢＸ１内の「ひずみゲージ２」をマウスで指定すると、さらにボックスＢＸ１とは別に円形の吹き出しボックスＢＸ２が表示される。この円形吹出しボックスＢＸ２の内部には、指定された「ひずみゲージ２」のひずみ−試験力のグラフの上降伏点付近が拡大されて表示される。その状態で、マウスのホイールを一方向に回転すると、図７に示すように、円形吹き出しボックスＢＸ２が拡大され、ホイールを他方向に回転すると円形吹き出しボックスＢＸ２が縮小される。ここで、縮小、拡大とは、上降伏点の前後で使用するデータサンプル数の縮小、拡大である。上降伏点近傍のデータ数を縮小すると短い試験時間範囲のデータによる部分グラフが表示され、上降伏点近傍のデータ数を拡大すると長い試験時間範囲のデータによる部分グラフが表示され、これらの表示切替をユーザのマウスホイール操作により行う。図７のように２段階に切換えても良いし、複数段階ないしは連続的に切換えても良い。

図８は、上述した表示処理を制御装置３０で実行するプログラムのフローチャートである。ステップＳ１で試験処理を行う。試験処理とは、供試体ＴＰをセットした材料試験機１００により供試体ＴＰに予め定めた試験条件で試験を行いつつデータをメモリ３０Ｍに格納し、予め定めた試験終了条件が検出されると試験を終了する一連の処理である。

試験処理が終了するとステップＳ２において、シングルチャンネル表示かマルチチャンネル表示のいずれが設定されているか判定する。マルチチャンネル表示が設定されている場合、ステップＳ３以降の処理によりマルチチャンネル表示処理が実行される。シングルチャンネル表示が設定されている場合は、図示しないシングルチャンネル表示処理を実行する。

ステップＳ３において、計測結果をメモリ３０Ｍから読み出し、ストローク−試験力グラフの表示データを生成し、図４に示すグラフを表示装置８０に表示する。ステップＳ４において、マウスでグラフ上の任意の点が指示されたか否かを判定する。ここでは、マウスにより特定ポイントである上降伏点が指定されたものとする。ステップＳ５において、マウスの指定したポイントに対応するストロークを検出する。そして、検出されたストロークでメモリ３０Ｍを参照して、検出されたストロークに最も近いストロークが含まれるデータ欄を決定する。そして、ステップＳ６において、そのデータ欄における試験力、各チャンネルのひずみを読み出し、吹き出し内表示データを生成して、図５に示すように、吹き出しボックスＢＸ１にそれらの情報を表示したグラフを表示装置８０に表示する。

ステップＳ７では、吹き出しボックスＢＸ１内の「ひずみゲージ１」または「ひずみゲージ２」が指定されたか否かを判定する。ステップＳ７が肯定されると、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、指定されたひずみゲージ（チャンネル）について、特定ポイントに対応するサンプル時間前後の複数個のデータ欄から各データを読み出し、読み出しデータの一部を用いて、ひずみ−試験力の部分グラフの表示データを作成する。そして、図６に示すように、円形吹出しボックスＢＸ２内に指定されたチャンネルの部分グラフを表示する。

ステップＳ９において、マウスのホイールの回転の有無と回転方向を検出し、円形吹き出しＢＸ２内の部分グラフ表示領域を拡大するか、縮小するかを判定する。拡大操作が判定されると、ステップＳ１０において、現在のグラフ表示に使用されているデータよりも時間的に外側のサンプル時間のデータを使用し、拡大した部分グラフを作成する。縮小操作が判定されると、ステップＳ１１において、現在のグラフ表示に使用されているデータよりも時間的に内側のサンプル時間のデータを使用し、縮小した部分グラフを作成する。

ステップＳ４において、特定ポイントが指定されたことが判定されない場合、ステップＳ７において、ボックスＢＸ１内のひずみ１および２がいずれも指定されていないと判定されている場合、ステップＳ９においてホイールの回転操作が無いと判定されている場合は、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２が否定されるとステップＳ４に戻り、肯定されると、一連の表示処理を終了する。

以上のように構成された材料試験機によれば次のような作用効果を奏することができる。
（１）表示装置８０には、供試体ＴＰを負荷する際のクロスヘッド１５のストロークと試験力の関係を示すグラフを表示し、グラフ上で特定ポイントが指定されると、そのポイントに対応する各ひずみゲージで検出されたひずみを表示するようにした。したがって、複数のチャンネルの特定ポイントにおけるひずみの全データを表示することができる。その結果、グラフ表示指定をチャンネルごとに切換える操作や、Ｘ軸およびＹ軸の単位を指定する操作が不要となり、操作性が向上する。

（２）各チャンネルごとにひずみ−試験力のグラフを作成しておき、ユーザが指定したチャンネルのグラフを切換えて表示する場合に比べ、実施の形態の材料試験機では特定ポイントのひずみを数値表示するだけでよく、全チャンネルについてのグラフ表示データの作成処理が不要となる。

（３）表示されているグラフ上で特定ポイントをマウスで指定し、複数のひずみゲージで検出されているひずみを表示した上で、さらに複数のひずみのいずれかを指定すると、特定ポイントのデータとして選択されたひずみ前後において測定された試験力とひずみのデータとが読み出され、それら読み出されたデータに基づいて部分グラフを表示するようにした。したがって、特定ポイント近傍の他のチャンネルのデータをユーザの好みに応じて簡単に表示することができ、使い勝手が向上する。
（４）マウスのホイールを操作することにより、部分グラフで示されるひずみ−試験力グラフの表示範囲を拡大するようにした。したがって、簡単な操作で、ユーザが特定ポイント近傍について多くのデータを参考にすることができる。

以上のように構成された材料試験機を次のように変形することもできる。
（１）特定ポイントとして上降伏点を一例として説明したが、その他の特定ポイント、たとえば、下降伏点、破断点などをマウスで指定した場合も、同様な表示をすればよい。
（２）特定ポイントが指定された場合に表示する計測結果としてひずみを一例として説明したが、応力、変位などを数値表示してもよい。
（３）吹き出しボックスＢＸ１内にひずみの数値を表示するようにしたが、それらの表示形式は問わない。

（４）数値表示したひずみ、換言するとひとつのチャンネルを指定すると、そのチャンネルについて、特定ポイント近傍のひずみ−試験力の部分グラフをストローク−試験力のグラフに重畳表示するようにした。しかし、各チャンネルの詳細データを表示する形態であれば、部分グラフに限定されない。

（５）マウスのホイールを回転操作して部分グラフを拡大表示するようにしたが、グラフ拡大指示はマウスホイールに限定されない。たとえば、タッチパネル上に拡大、縮小のボタンを表示し、ボタンをタッチすることでグラフを拡大してもよい。

（６）全チャンネルに共通するストローク−試験力のグラフ（共通グラフと呼ぶ）を表示するものとしたが、試験力の時間変化特性を共通グラフとして表示してもよい。
（７）本発明は、共通グラフとして計測結果を表示するものに限定されない。たとえば、ひずみ１についてひずみ−応力特性をグラフ表示し、そのグラフ上の任意の位置をポイントすると、ひずみ２についての計測結果を吹き出しボックス内に表示してもよい。また、吹き出しボックス内のひずみ２をポイントすると、ひずみ２のひずみ−応力特性をグラフ表示に切換えても良い。すなわち、一つの計測点のグラフを表示し、そのグラフ上で他の計測点を指定すると、当該指定した他の計測点について、一つの計測点のグラフに対応するグラフを表示するようにしてもよい。

（８）特定ポイントをマウスで指定したが、表示装置８０がタッチパネルで構成される場合、表示モニタ上のグラフを指などでタッチして指定するようにしてもよい。

（９）ねじ棒１２，１３を回転してクロスヘッド１５を昇降して試験力を付与する材料試験機について、とくに引張力を付与する場合について説明したが、圧縮力を付与する場合にも本発明を適用できる。また、供試体を負荷して素材を評価する試験機であって、複数チャンネルの試験データを同時にサンプルする試験機であれば、構造物試験装置など各種試験機にも本発明を適用できる。

（１０）さらにまた、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係では、負荷装置はクロスヘッド１５，ねじ棒１２，１３，ヨーク１４などに対応し、第１の検出器はロードセル１９に対応し、第２の検出器はひずみゲージ１８ａ，１８ｂに対応し、第３の検出器はエンコーダ１７に対応し、記憶手段はメモリ３０Ｍに対応し、指定手段は入力装置（マウス）５０に対応し、表示制御手段は制御装置３０にそれぞれ対応する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

Claims (7)

1. 複数の計測点が設定された供試体に負荷を与える負荷装置と、
   前記供試体を負荷する試験力を測定する第１の検出器と、
   前記複数の計測点の前記負荷による変形に伴う変位、ひずみなどの物理量を前記測定データとしてそれぞれ検出する第２の検出器と、
   前記供試体を負荷する際の前記負荷装置のストロークを測定する第３の検出器と、
   前記第1の検出器で検出される試験力と、前記複数の第２の検出器で検出される前記測定データと、前記第３の検出器で検出されたストロークまたは前記測定データのサンプル時間との関係を記憶する記憶手段と、
   計測結果を表示する表示装置と、
   前記計測結果をグラフ表示し、そのグラフ上に指定したポイントについて、前記複数の計測点の測定データを表示する表示制御手段と、
   前記ポイントを指定する指定手段とを備え、
   前記表示制御手段は、前記第１の検出器で検出された試験力と、前記第３の検出器で検出した前記ストロークまたはサンプル時間との関係を共通グラフとして表示し、この共通グラフ上で前記指定手段により指定されたポイント近傍に、前記複数の第２の検出器でそれぞれ検出した前記測定データを前記記憶手段より読み出して数値表示することを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１の材料試験機において、
   前記表示制御手段は、前記複数の計測点の測定データを、前記ポイントから吹き出した第１ボックス内に表示して前記共通グラフ上に重畳表示する。
3. 請求項１乃至２のいずれか一項の材料試験機において、
   前記複数の計測点の測定データはひずみである。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項の材料試験機において、
   前記表示制御手段は、前記表示装置に数値表示されている前記複数の計測点における測定データのいずれかが指定されると、その測定データの前後の測定データを前記記憶手段から読み出し、前記測定データによる部分グラフとして表示する。
5. 請求項４の材料試験機において、
   前記表示制御手段は、前記部分グラフを前記共通グラフに重畳して、前記第１ボックスからさらに吹き出された第２ボックス内に表示する。
6. 請求項５の材料試験機において、
   前記部分グラフで示される範囲を拡大する拡大手段をさらに備え、
   前記拡大手段で拡大が指示されると、前記第２ボックスを広げるとともに前記部分グラフの範囲を拡大して表示する。
7. 請求項１の材料試験機において、
   前記グラフは、一つの計測点のグラフであり、前記グラフ上で他の計測点を指定すると、当該指定した他の計測点について、前記一のグラフに対応するグラフを表示する。

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