JP5109987B2

JP5109987B2 - 材料試験機

Info

Publication number: JP5109987B2
Application number: JP2009009025A
Authority: JP
Inventors: 省吾郎岩切
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: JP2010164524A

Description

本発明は、駆動部材を介して試験片に試験力を負荷する材料試験機に関する。

この種の材料試験機では、一般に、フィードバック制御によりアクチュエータを駆動し、駆動部材を介して試験片に試験力を負荷するとともに、試験開始前の駆動部材の初期位置を設定する。このため、フィードバック制御における制御ゲインが最適に設定されていないと、アクチュエータがハンチングを起こし、初期位置設定の際に駆動部材が試験片に接触し、試験片が損傷するおそれがある。制御ゲインの設定に関しては、フィードバック制御からオープンループ制御に切り換えてゲイン設定を行うようにした材料試験機が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−１９５４００号公報

しかしながら、フィードバック制御により駆動部材の初期位置設定を行う場合、予め最適なゲイン設定が必要となるため、初期位置設定が面倒である。

請求項１に係る材料試験機は、試験片に接離する駆動部材を介して前記試験片に試験力を負荷するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動するためのフィードバック回路とオープンループ回路とを有し、前記フィードバック回路および前記オープンループ回路のいずれか一方を選択することにより前記アクチュエータを制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記フィードバック回路が選択されたときにおける力または変位の目標信号を設定する目標信号設定部と、前記オープンループ回路が選択されたときにおける前記駆動部材の位置を可変指定するための駆動信号を設定する駆動信号設定部と、前記駆動部材の静止位置を重力に抗して保持させるための保持信号を前記アクチュエータに供給する保持信号設定部と、を有することを特徴とする。
請求項２に係る材料試験機は、前記アクチュエータは、電磁力により駆動する電磁力アクチュエータであることを特徴とする。

本発明によれば、オープンループ回路でアクチュエータの駆動信号を設定するようにしたので、駆動部材を容易に初期位置に設定することができる。

本発明の実施の形態に係る材料試験機の概略構成を示す図。図１の制御回路の構成を示すブロック図。

以下、図１、２を参照して本発明による材料試験機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に係る材料試験機の概略構成を示す図である。この材料試験機は、フレーム構造としてベース１ａと、ベース１ａ上に立設された一対の縦フレーム１ｂと、縦フレーム１ｂの間に横架された横フレーム１ｃとを有する。横フレーム１ｃの底面には試験片ＴＰに試験力を負荷するアクチュエータ２が取り付けられている。なお、図では、３点曲げ試験を行う場合を示しており、試験片ＴＰは治具４の上に載置されている。

アクチュエータ２は、電磁力によりピストン３を鉛直方向に駆動する電磁力アクチュエータである。アクチュエータ２内にはコイルと磁石が内蔵され、コイルに流れる電流を制御することで、ピストン３を駆動し、試験力が制御される。すなわちアクチュエータ２は、試験片ＴＰに対して駆動信号に応じた一定の加振力を負荷できる力制御式のアクチュエータである。

ピストン３の変位、すなわち試験片ＴＰの変形量は変位検出器５により検出され、試験片ＴＰに負荷される試験力は試験力検出器６により検出される。変位検出器５と試験力検出器６からの信号は制御装置１０に入力される。制御装置１０では、試験力検出器６からの荷重信号または変位検出器５からの変位信号に基づき、後述するようにフィードバック演算を行い、制御信号をパワーアンプ９に対して出力する。制御装置１０は、パワーアンプ９の起動・停止などの制御も行う。

パワーアンプ９は、制御装置１０から入力された制御信号を増幅してアクチュエータ２のコイルに流す電流を生成する。アクチュエータ２へ電流が供給されると、加振力が発生し、ピストン３が動作する。

図２は、制御装置１０内の制御回路の構成を示すブロック図である。この制御回路は、目標信号に対して制御量となる試験力や変位をフィードバックしてアクチュエータ２を制御するフィードバック制御回路と、駆動設定信号に応じてアクチュエータ２を制御するオープンループ制御回路とを有する。

フィードバック制御回路の信号発生部１１には、目標試験力や目標変位等の試験条件が設定され、信号発生部１１はこの試験条件に対応した目標信号を出力する。制御量として試験片ＴＰの変位または試験力のいずれを用いるかは、ユーザにより操作されるスイッチ１２によって選択される。減算器１３では、目標信号と試験力検出器６により検出された荷重信号との偏差、または目標信号と変位検出器５により検出された変位信号との偏差が求められ、この偏差信号はＰＩＤ調節器１４に入力される。

ＰＩＤ調節器１４ではその偏差を予め設定されているゲインに基づいて調節する。図２の制御回路には、ユーザの操作により回路を切り換えるスイッチ１５が設けられている。スイッチ１５が端子ａ側に切り換えられると、ＰＩＤ調節器１４により調節および増幅された信号がアクチュエータ２に出力され、アクチュエータ２が駆動される。なお、スイッチ１５は、制御装置１０の電源オン時には端子ａ側に自動的に切り換えられる。

信号発生部１６には、例えばダイヤル操作によりダイヤル操作量に応じたアクチュエータ２の駆動信号が設定され、信号発生部１６はこの駆動設定信号を出力する。スイッチ１５が端子ｂ側に切り換えられると、駆動設定信号が加算器１８を介してアクチュエータ２に出力され、アクチュエータ２が駆動される。

保持信号設定部１７には、フィードバック回路からオープンループ回路に制御回路が切り換えられた際にピストン３の位置を保持するための保持信号が設定される。保持信号は、重力に抗してピストン３を静止した状態で浮上させるための初期電流に相当し、保持信号はスイッチ１５が端子ａ側から端子ｂ側に切り換えられた場合にのみ加算器１８に出力される。

本実施の形態に係る材料試験機による試験手順について説明する。まず、制御装置１０の電源オン後、ユーザはスイッチ１５を端子ｂ側に操作する。このとき保持信号設定部１７から保持信号が出力され、ピストン３は試験片ＴＰの上方に浮上された状態で保持される。次いで、ユーザはダイヤル操作により信号発生部１６に例えばプラスの駆動設定信号を設定する。これにより保持信号にプラスの駆動設定信号が加算され、アクチュエータ２が駆動されて、ピストン３が下降する。

このときダイヤル操作量が大きいほど、アクチュエータ２に供給される制御電流が大きくなり、ピストン３に作用する電磁力が大きくなる。ピストン３が試験片ＴＰに近づくと、ユーザはダイヤル操作量を小さくし、電磁力を低減する。ピストン３の下端部が試験片ＴＰの上面に接触すると、ダイヤル操作量を０にする。これによりピストン３は下降を停止し、試験開始時の初期位置にピストン３がセットされる。このとき試験片ＴＰにピストン３が接触した際に、試験片ＴＰには電磁力に応じた押し込み力が負荷されるが、電磁力を低減しているため押し込み力は微小であり、試験片ＴＰが損傷することはない。

以上によりピストン３が初期位置にセットされた後、ユーザはスイッチ１５を端子ａ側に操作し、オープンループ回路からフィードバック回路に制御回路を切り換える。この状態でアクチュエータ２をフィードバック制御しつつ、３点曲げ試験を行う。

試験終了後、ユーザはスイッチ１５を端子ｂ側に操作し、フィードバック回路からオープンループ回路に制御回路を切り換える。このときピストン３は保持信号により初期位置に保持され、ピストン３の重力による下降が阻止される。その後、ユーザはダイヤル操作により信号発生部１６に例えばマイナスの駆動設定信号を設定する。これにより保持信号にマイナスの駆動設定信号が加算され、アクチュエータ２が駆動されて、ピストン３が上昇する。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）フィードバック回路とオープンループ回路を切換可能に構成して各制御回路により電磁力アクチュエータ２を制御するとともに、フィードバック回路の信号発生部１１からは試験条件に対応した目標信号を出力し、オープンループ回路の信号発生部１６からはアクチュエータ２の駆動設定信号を出力するようにした。これによりオープンループ回路でアクチュエータ２を電磁力により制御（力制御）しつつピストン３を初期位置に移動することができるため、フィードバック回路で位置設定をする場合に比べ、ピストン３の位置設定が容易である。

（２）フィードバック回路からオープンループ回路に制御回路が切り換えられた際に、保持信号設定部１７から保持信号を出力するようにしたので、試験終了後にピストン３をそのまま保持することができ、制御の切換の際にピストン３が急激に動作してショックを与えることを防止できる。

なお、上記実施の形態では、ダイヤル操作によりオープンループ回路の信号発生部１６に駆動設定信号を設定するようにしたが、ボタンスイッチの操作により駆動設定信号を設定するようにしてもよく、駆動信号設定部の構成は上述したものに限らない。例えばボタンスイッチを操作している間のみ、駆動設定信号を保持信号に加減し、操作をやめると保持信号に戻すようにしてもよい。ボタンスイッチを操作するごとに、駆動設定信号を保持信号に加減するようにしてもよい。

フィードバック回路の信号発生部１１に目標信号を設定するようにしたが、力または変位の目標信号を設定するのであれば、目標信号設定部の構成はいかなるものでもよい。アクチュエータ２として電磁力アクチュエータを用いたが、電気的な信号が力に変換されるアクチュエータであれば、電磁力アクチュエータ以外を用いてもよい。フィードバック回路とオープンループ回路とを有し、これらいずれかによりアクチュエータ２を制御するのであれば、制御回路の構成は上述したものに限らない。例えば切換部としてのスイッチ１５や保持信号設定部１７はなくてもよい。

ピストン３を介して試験片ＴＰに試験力を負荷するようにしたが、駆動部材はこれに限らない。例えば試験片ＴＰの両端部をチャックで把持し、チャックをアクチュエータ２で駆動して、チャックを介し試験力を負荷するものでもよい。また、ピストン３が水平方向に駆動されるものでもよく、この場合には、電流が０のときピストン３の位置をそのまま保持できるため、保持信号は不要である。すなわち材料試験機の構成は図１に示したものに限らない。

以上では、３点曲げ試験を行う場合について説明したが、他の試験を行う場合にも同様に構成できる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の材料試験機に限定されない。

２アクチュエータ
３ピストン
１０制御装置
１１信号発生部
１５スイッチ
１６信号発生部
１７保持信号設定部

Claims

試験片に接離する駆動部材を介して前記試験片に試験力を負荷するアクチュエータと、
前記アクチュエータを駆動するためのフィードバック回路とオープンループ回路とを有し、前記フィードバック回路および前記オープンループ回路のいずれか一方を選択することにより前記アクチュエータを制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記フィードバック回路が選択されたときにおける力または変位の目標信号を設定する目標信号設定部と、
前記オープンループ回路が選択されたときにおける前記駆動部材の位置を可変指定するための駆動信号を設定する駆動信号設定部と、
前記駆動部材の静止位置を重力に抗して保持させるための保持信号を前記アクチュエータに供給する保持信号設定部と、
を有することを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記アクチュエータは、電磁力により駆動する電磁力アクチュエータであることを特徴とする材料試験機。