JP5035177B2

JP5035177B2 - 材料試験機

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Publication number: JP5035177B2
Application number: JP2008215030A
Authority: JP
Inventors: 匡規金田; 俊幸河野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: JP2010048740A

Description

本発明は材料試験機に関し、更に詳しくは、負荷機構の駆動源としてモータを用いた材料試験機に関する。

負荷機構の駆動源としてモータを用いた材料試験機においては、一般に、テーブル上に２本のねじ棹を回転自在に支持するとともに、その各ねじ棹にナットを介してクロスヘッドの両端部を支持した構造が多用され、モータの回転により各ねじ棹に回転を与えることでクロスヘッドを移動させ、そのクロスヘッドとテーブルにそれぞれ装着された掴み具に両端が把持された試験片に対して負荷を加えるように構成されている。

この種の材料試験機においては、通常、負荷機構の駆動用のモータにはサーボモータが用いられ、試験片に作用する試験力や、試験片の伸び等のうち、制御量に選択されている物理量の刻々の検出値を目標値にフィードバックしてモータを制御する（例えば特許文献１参照）。

すなわち、例えば試験力が制御量として選択されている場合、その検出値（現在値）と目標値との偏差にＰＩＤ等の演算を施し、その演算結果に応じた値を、駆動用のモータに駆動信号を供給するサーボアンプに対して回転角度指令として与えることにより、モータを制御する。

具体的には、偏差を定数倍（比例ゲイン）した値、同じく偏差の時間微分を定数倍（微分ゲイン）した値、同じく偏差の時間積分を定数倍（積分ゲイン）した値を組み合わせて回転角度指令の大きさを決定している。
特開２００２−３６５１８８号公報

ところで、以上のようなモータを負荷機構の駆動源とする材料試験機においては、上記した比例ゲイン、微分ゲインおよび積分ゲインを適正に設定することによって、目標値に正しく追随する正確な材料試験を行うことができるのであるが、系に試験片を含むこともあって、これらの各ゲインは一般的には試行錯誤で設定しているのが実情である。

そのため、特に新規の種類の試験片等の試験に際して、上記の各ゲインの設定には相応の時間を必要とするばかりでなく、オペレータの熟練が必要であるという問題があり、しかも正確な試験を行うことができるという保証はない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、モータを負荷機構の駆動源とする材料試験機において、制御ゲインの設定に際して熟練を要したり、試行錯誤を行ったり、あるいは長時間を要することなく、常に正確な材料試験を行うことができ、しかも、その正確さを試験開始当初から発揮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、請求項１に係る発明の材料試験機は、試験片に負荷を加える負荷機構の駆動源としてモータを用い、そのモータを駆動するサーボアンプに対して当該モータの回転角速度指令を刻々と与えることにより、負荷機構の動作を制御する制御機構を備え、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じて上記サーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさを算出する材料試験機において、上記制御機構は、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率を逐次算出するとともに、その算出された比率により上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとし、かつ、試験の開始当初に用いる上記比率は、あらかじめ予備試験により求められた値を用いることによって特徴づけられる。

また、同じ課題を解決するため、請求項２に係る発明の材料試験機は、同じく試験片に負荷を加える負荷機構の駆動源としてモータを用い、そのモータを駆動するサーボアンプに対して当該モータの回転角速度指令を刻々と与えることにより、負荷機構の動作を制御する制御機構を備え、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じて上記サーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさを算出する材料試験機において、上記制御機構は、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率を逐次算出するとともに、その算出された比率により上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとし、かつ、試験の開始当初に用いる上記比率は、前回の試験過程の規程の時点で算出したものを用いることによって特徴づけられる。

ここで、請求項１および２に係る発明においては、いずれも、上記比率を算出するために用いる上記モータの変位量および制御量の検出値は、それぞれ、当該比率を算出する時点で採取されている最新の複数個のモータ変位量データおよび検出値データの平均値とする構成を好適に採用することができる（請求項３）。

また、本発明においては、上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさを、上記偏差を上記比率で除した値に、あらかじめ設定されている時定数の逆数を乗じた値とする構成（請求項４）を採用することができる。

そして、請求項１に記載の予備試験、または、請求項２に記載の材料試験機における最初の試験での試験開始当初の所定の区間に限り、負荷機構を等速で駆動し、その間に上記モータの変位量と上記制御量の検出値を採取し、上記区間を過ぎた後は、当該変位量に対する検出値の比率を逐次算出するとともに、その算出された比率により上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとする構成（請求項５）を採用することができる。

本発明の特徴は、モータの変位量をθ（ｔ）、制御量、例えば試験力の検出値（現在値）をＦ（ｔ）とし、ｔより一定時間前の時刻ｔ−ｔ₀のモータ変位量θ（ｔ−ｔ₀）とＦ（ｔ−ｔ₀）を用いた、

で表される変化率Ｋ（ｔ）を刻々と算出し、その変化率Ｋ（ｔ）により、偏差を除した値に比例した値をサーボアンプに供給すべき回転角速度ｄΘ／ｄｔの大きさとするものであって、これを式で表すと、制御量の現在の検出値をＦ（ｔ）、その時点における制御量の目標値をＦ_D（ｔ）として偏差を｛Ｆ_D（ｔ）−Ｆ（ｔ）｝とすると、

とするものであり、かつ、試験開始当初においては、上記の変化率Ｋ（ｔ）を算出するためのモータ変位量θ（ｔ）および制御量の検出値Ｆ（ｔ）が得られないために、その初期値として、予備試験により得た変化率（請求項１）を用いるか、あるいは前回の試験で得た変化率（請求項２）を用いることを特徴とするものである。

ここで、（２）式においてＡはあらかじめ設定される定数であり、これは、請求項４に係る発明における時定数（偏差の変化量の時定数）の逆数に相当し、偏差の早い収束を望むならばＡを大きく、遅くてもよい場合にはＡを小さくとればよい。

本発明によると、負荷機構の駆動用のモータのアンプに供給される刻々の回転角速度指令の大きさｄΘ／ｄｔの偏差に対する割合が、モータの変位量に対する制御量の検出値の変化の比率に応じて自動的に決定され、その比率が大きい状態では小さく、比率が小さくなれば大きくなるように制御される。換言すれば、上記の比率が大きい場合には比例ゲインが小さく、比率が小さくなれば自動的に比例ゲインが大きく設定され、これにより、試験に先立って試行錯誤的にゲインを設定することなく、常に正確な材料試験を行うことが可能となる。

しかも、モータの変位量のデータと、その変位量に対する制御量の検出値のデータが揃わず、従ってこれら両者の比率である変化率Ｋ（ｔ）を算出することのできない、試験開始当初においては、請求項１に係る発明では予備試験により求めた変化率Ｋ（ｔ）を、請求項２に係る発明においては前の試験において求めた変化率Ｋ（ｔ）を、初期値として用いるため、試験開始当初からほぼ正確な試験を行うことが可能となる。

本発明は、制御量とモータの回転角の関係が、瞬時的にはほぼ比例し、かつ、試験の進行に伴う試験片の塑性変形により、その比例定数が変化していくことを前提としている。すなわち、試験開始当初からのモータの変位量をθ（ｔ）とし、制御量として選択されている例えば試験力の検出値をＦ（ｔ）とすると、

この（３）式は、制御量である試験力Ｆ（ｔ）はモータの変位量（回転角）θ（ｔ）に比例し、かつ、時間的にＦ_R（ｔ）が変化することにより厳密には比例関係にはないことを示しており、比例項以外をＦ_R（ｔ）で表している。図２にこの関係をグラフで例示する。この図２のグラフは、横軸がモータの変位量（試験開始当初を０とした回転角）θであり、縦軸が制御量としての試験力Ｆ（ｔ）の検出値である。
（３）式の両辺を時間微分して、

ここで、ｄＦ_R（ｔ）／ｄｔは一般には０にはならず、試験の進行に伴う試験片の特性変化により時間的に変化するパラメータとなるが、一般的には材料特性の変化は比較的ゆっくりとした変化となり、この時間変化量ｄＦ_R（ｔ）／ｄｔは十分に小さい値となるので、ｄＦ_R（ｔ）／ｄｔ＝０として取り扱うことが可能となる。

同様に、比率Ｋ（ｔ）も時間的に変化するが変化量は小さいと考え、ｄＫ（ｔ）／ｄｔ＝０とすると、

となる。
ここで、制御入力として、つまりサーボアンプに対する操作量としてモータの回転角速度ｄΘ／ｄｔを用いる場合、実際のモータの回転角速度ｄθ／ｄｔはモータの負荷量に依存して、サーボアンプに供給される回転角速度指令の大きさｄΘ／ｄｔとは完全に等しい値とはならないが、一般的なサーボモータとサーボアンプを用いた場合、十分に近い値となる。
そこで、（５）式を以下のように近似する。

そして、Ｋ（ｔ）は試験の進行に伴って変化するので、制御量の刻々の検出値とモータの変位量を用いて刻々とＫ（ｔ）を算出し、この算出したＫ（ｔ）と、その時点における偏差を用いて、サーボアンプに供給すべきモータの角速度指令の大きさを、前記した（２）式によって算出する。
この（２）式を（６）式に代入すると、

となり、

とおくと、

となって、Ａは誤差の変化量の時定数を示す。従って、望む時定数を考慮して決定すればよい。例えばＡ＝１とした場合、ステップ応答に対する誤差の時間的変化は、ステップ応答の目的値の時間微分ｄＦ₀／ｄｔはゼロであることを考慮すると、

となり、１秒後の誤差はｅｘｐ（−１）＝０．３６と計算することができる。

本発明によれば、モータを負荷機構の駆動源とする材料試験機において、モータをフィードバック制御するためのゲインの設定を行う必要がなく、刻々のモータの変位量（回転量）と制御量の検出値から、刻々の適正なゲインが自動的に算出されて逐次設定されていく。

従って、オペレータは、試験に先立って従来のように試行錯誤的にゲイン設定を行う必要がなくなり、その手間を省けると同時に、熟練を要することなく、常に正確な材料試験を行うことが可能となる。

しかも、試験開始当初のモータの変位量並びに制御量の検出値のデータが揃わない間においては、予備試験で求めた比率（変化率Ｋ（ｔ））、あるいは前の試験において得られた比率（変化率Ｋ（ｔ））を用いて、モータの回転角速度を求めるため、試験開始当初からほぼ正確な試験を行うことが可能となる。

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、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１は、テーブル１１の上に２本のねじ棹１２ａ，１２ｂを鉛直の姿勢で回動自在に支持し、これらの各ねじ棹１２ａ，１２ｂに、クロスヘッド１３の両端部に固定されているナット（図示せず）をねじ込んだ構造を有している。

クロスヘッド１３およびテーブル１１には、互いに上下に対向するように一対の掴み具１４ａ，１４ｂが取り付けられており、これらの掴み具１４ａ，１４ｂに試験片Ｗの両端部が把持される。

各ねじ棹１２ａ，１２ｂには、負荷機構２０の駆動源であるサーボモータ２１の回転がウォーム減速機２２ａ，２２ｂ等を介して伝達され、これによって各ねじ棹１２ａ，１２ｂが回転する。このねじ棹１２ａ，１２ｂの回転によってクロスヘッド１３が上下動し、引張試験を行う場合には、クロスヘッド１３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に作用する試験力はロードセル１５によって検出され、また、試験片Ｗの伸びは伸び計１６によって検出され、それぞれロードアンプ３１、ストレインアンプ３２により増幅されたうえで、Ａ／Ｄ変換器３３，３４でデジタル化された後、演算制御部３０に取り込まれる。

演算制御部３０はコンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成され、所定の微小時間ごとにロードセル１５および伸び計１６からの試験力データおよび伸びデータを取り込んでデータ処理を行い、試験力−伸び曲線等の試験データを作成するとともに、取り込んだデータのうち、制御量に設定されているデータとその制御量の目標値とから、サーボモータ２１をフィードバック制御する。また、この演算制御部３０には操作部３０ａが設けられており、この操作部３０ａの操作によって各種指令を与えたり、あるいは下記に示す時定数に対応する定数Ａ等を設定することができる。

サーボモータ２１はサーボアンプ３６から供給される電流により回転駆動するが、そのサーボアンプ３６は演算制御部３０からＤ／Ａ変換器３５を通じて供給される回転角度指令の大きさに応じた電流をサーボモータ２１に供給する。

さて、以上の本発明の実施の形態を使用するとき、試験に先立って予備試験を行う。予備試験の動作手順を、制御量として試験力が選択されている場合を例にとって図３にフローチャートで示す。この予備試験においては、実際の試験に用いるのと同じ材料で同じ寸法、形状の試験片を用い、その両端を掴み具１４ａ，１４ｂに把持した状態で試験開始指令を与える。

そして、この予備試験においては、サーボアンプ３６に与えるべき回転角度指令の初期値を、あらかじめ設定されている一定値の回転角速度指令とする。つまり、予備試験の試験開始当初は、クロスヘッド１３を等速で移動させる。その間、刻々と試験力データＦ（ｔ）およびサーボモータ２１の変位量θ（ｔ）、並びに目標値Ｆ_D（ｔ）を取り込み、やがてサーボモータ２１の変位量θ（ｔ）があらかじめ設定されている量θ_Pに達した時点から、試験力データＦ（ｔ）をはじめとするデータを取り込むごとに、試験力データＦ（ｔ）およびサーボモータ２１の変位量データθ（ｔ）から、前記した（１）式で表される比率Ｋ（ｔ）を算出するとともに、試験力データＦ（ｔ）と目標値Ｆ_D（ｔ）との偏差｛Ｆ_D（ｔ）−Ｆ（ｔ）｝と、あらかじめ設定されている定数Ａを用いて、前記した（２）式によってサーボアンプ３６に与えるべき回転角度指令ｄΘ／ｄｔを決定する。

従って、サーボモータ２１の変位量θ（ｔ）がθ_Pに到達した以降は、サーボモータ２１は当該サーボモータ２１の変位量θ（ｔ）に対する制御量（試験力）の検出値Ｆ（ｔ）の比率Ｋ（ｔ）により、偏差｛Ｆ_D（ｔ）−Ｆ（ｔ）｝を除した値に比例した回転角速度のもとに制御されることになる。

そして、以上の制御動作がある程度落ち着くと考えられる時点、例えばサーボモータ２１の変位量θがあらかじめ設定されているθ_Sに達した時点における比率Ｋ（ｔ）を本試験における初期比率Ｋ_Kとして記憶する。また、試験の終了条件が満たされた時点で試験を終了する。

次に、実際の試験を行うが、この実際の試験は図４にフローチャートを示す通りの手順で行われる。すなわち、この実際の試験においては、サーボアンプ３６に与えるべき回転角度指令を算出するための比率Ｋ（ｔ）のの初期値を、上記した予備試験で記憶した初期比率Ｋ_Kとし、その比率Ｋ_Kと刻々の偏差｛Ｆ_D（ｔ）−Ｆ（ｔ）｝、および定数Ａを用いて、前記した（２）式によってサーボアンプ３６に与えるべき回転角速度指令ｄΘ／ｄｔを決定する。また、サーボモータ２１の変位量θ（ｔ）があらかじめ設定されているθ_Pに達した以降は、刻々の試験力データＦ（ｔ）とサーボモータ２１の変位量θ（ｔ）から（１）式で表される比率Ｋ（ｔ）を算出し、その比率Ｋ（ｔ）と偏差｛Ｆ_D（ｔ）−Ｆ（ｔ）｝並びに定数Ａを用いて、（２）によって回転角速度指令ｄΘ／ｄｔを算出する。

ここで、以上の比率Ｋ（ｔ）や回転角速度指令ｄΘ／ｄｔの各計算は、試験力データＦ（ｔ）等を取り込むごとに行われるのであるが、そのときの計算に用いられる各データは、その時点で刻々と採取して記憶しているｎ個のデータ、例えば１００個程度の平均値が用いられる。そのため、各回の採取データにノイズが含まれていても、その影響を殆ど受けることなく正確な制御が可能となる。

以上の実施の形態によれば、オペレータは従来のように制御ゲインを試行錯誤により前もって設定する必要がなく、時定数に対応する定数Ａのみを設定すればよいため、その手間を省け、また、熟練者でなくとも試験に先立つ設定を行うことができる。しかも、実際の試験においては、データが揃うまでの試験開始当初において、予備試験で求めた比率Ｋ（ｔ）を初期比率Ｋ_Kとして用いるので、実際に試験においては試験開始当初からほぼ正確な制御を行うことが可能となる。

ここで、以上の実施の形態においては、実際の試験に先立って予備試験を行い、その予備試験において制御が落ち着いた時点における比率Ｋ（ｔ）を記憶し、その記憶した比率Ｋ（ｔ）を実際の試験における初期比率Ｋ_Kとして用いたが、毎回の試験において制御が落ち着いた時点における比率Ｋ（ｔ）を記憶し、その比率Ｋ（ｔ）を次の試験の初期比率として用いることもできる。その場合の手順を図５にフローチャートで示す。

この例においては、ｉ番目の試験において、その試験開始当初の比率Ｋ（ｔ）の初期値として、前回（ｉ−１番目）の試験で記憶した比率Ｋ_i-1を用い、その初期比率Ｋ_i-1と刻々の偏差｛Ｆ_D（ｔ）−Ｆ（ｔ）｝、および定数Ａを用いて、前記した（２）式によってサーボアンプ３６に与えるべき回転角速度指令ｄΘ／ｄｔを決定する。また、サーボモータ２１の変位量θ（ｔ）があらかじめ設定されているθ_Pに達した以降は、刻々の試験力データＦ（ｔ）とサーボモータ２１の変位量θ（ｔ）から（１）式で表される比率Ｋ（ｔ）を算出し、その比率Ｋ（ｔ）と偏差｛Ｆ_D（ｔ）−Ｆ（ｔ）｝並びに定数Ａを用いて、（２）によって回転角速度指令ｄΘ／ｄｔを算出する。また、このｉ番目の試験においても、規定の時点における比率Ｋ（ｔ）を記憶しておき、その比率を次回（ｉ＋１番目）の試験における初期比率Ｋ_iとして用いる。

この手法によると、初期比率は試験回数を増やしていくに従ってより試験片の性状に合致した値となっていき、試験開始当初から正確な試験を行うことが可能となる。なお、この手法において、１番目の試験は、前記した手法の予備試験と同様に、試験開始当初はクロスヘッドを等速で移動させる制御を行えばよい。

ここで、本発明は、以上の（２）により回転角速度指令を求めるほか、この（２）式に付加的な項を追加することもできる。例えば、フィードフォワード項を追加した下記の（１１）式をより好適に用いることができる。また、速度フィードバック項を追加する場合には、下記の（１２）式を用いればよく、積分項を追加する場合には下記の（１３）式を用いればよい。いずれの項においても、前記したＫ（ｔ）を用いることで、ゲインの設定が実質的に不要となる。なお、（１２）式および（１３）式におけるＢおよびＣは、いずれも、前記したＡと同様に任意に設定可能な定数である。

また、以上の実施の形態においては、制御量として試験力を選択した例を示したが、伸び等の他の物理量であっても、上記と同様にＫ（ｔ）を刻々と計算し、その値で偏差を除した値をモータの回転角速度とすることで、上記と同等の作用効果を得ることができる。

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。本発明の原理を説明するためのブロック図である。本発明の実施の形態における予備試験の制御手順を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における実際の試験の制御手順を示すフローチャートである。本発明の他の実施の形態における試験の制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１試験機本体
１１テーブル
１２ａ，１２ｂねじ棹
１３クロスヘッド
１４ａ，１４ｂ掴み具
１５ロードセル
１６伸び計
２０負荷機構
２１サーボモータ
２２ａ，２２ｂウォーム減速機
３０演算制御部
３０ａ操作部
３１，３２増幅器
３３，３４Ａ−Ｄ変換器
３５Ｄ−Ａ変換器
３６サーボアンプ
Ｗ試験片

Claims

試験片に負荷を加える負荷機構の駆動源としてモータを用い、そのモータを駆動するサーボアンプに対して当該モータの回転角速度指令を刻々と与えることにより、負荷機構の動作を制御する制御機構を備え、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じて上記サーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさを算出する材料試験機において、
上記制御機構は、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率を逐次算出するとともに、その算出された比率により上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとし、かつ、試験の開始当初に用いる上記比率は、あらかじめ予備試験により求められた値を用いることを特徴とする材料試験機。
試験片に負荷を加える負荷機構の駆動源としてモータを用い、そのモータを駆動するサーボアンプに対して当該モータの回転角速度指令を刻々と与えることにより、負荷機構の動作を制御する制御機構を備え、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じて上記サーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさを算出する材料試験機において、
上記制御機構は、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率を逐次算出するとともに、その算出された比率により上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとし、かつ、試験の開始当初に用いる上記比率は、前回の試験過程の規程の時点で算出したものを用いることを特徴とする材料試験機。
上記比率を算出するために用いる上記モータの変位量および制御量の検出値は、それぞれ、当該比率を算出する時点で採取されている最新の複数個のモータ変位量データおよび検出値データの平均値とすることを特徴とする請求項１または２に記載の材料試験機。
上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさを、上記偏差を上記比率で除した値に、あらかじめ設定されている時定数の逆数を乗じた値とすることを特徴とする請求項１、２または３のいずれか１項に記載の材料試験機。
請求項１に記載の予備試験、または、請求項２に記載の材料試験機における最初の試験での試験開始当初の所定の区間に限り、負荷機構を等速で駆動し、その間に上記モータの変位量と上記制御量の検出値を採取し、上記区間を過ぎた後は、当該変位量に対する検出値の比率を逐次算出するとともに、その算出された比率により上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとすることを特徴とする請求項１、２、３、または４のいずれかに記載の材料試験機。