JP5353807B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

この発明は、試験片を把持するつかみ具の軸心を調整するための軸心調整装置を備えた材料試験機に関する。

このような材料試験機は、上つかみ具および下つかみ具によりその両端を把持した試験片に対して負荷を与えながら、ロードセルと変位検出器によりそのときの試験力と変位とを測定することにより、試験片の試験力−変位特性や、Ｓ−Ｎ線図を求める構成となっている。このような材料試験機においては、上つかみ具と下つかみ具との軸心が整合していないと、正確な材料試験を実行することができない。このため、このような材料試験機においては、上つかみ具と下つかみ具との軸心を調整するための軸心調整装置が配設されている。

また、このような軸心調整を行う材料試験機として、例えば、試験片に取り付けた複数の歪みゲージの検出値に基づいて、下つかみ具を設けたＸＹステージの位置を自動調整することにより、軸心のズレを補正できる材料試験機が提案されている（特許文献１参照）。

特開昭６４−３１０３３号公開

ところで、オペレータが軸心調整を行う場合には、現在の軸心のズレの程度を的確に把握し、その状況に応じた調整操作を確実に実行する必要がある。特に、繰返し回数が１０^４以下の低サイクル疲労試験と呼ばれる材料試験では、上つかみ具と下つかみ具との軸心のズレが試験データの精度や信頼性に及ぼす影響が大きくなるため、精度の高い軸心調整が要求される。このため、このような精度の高い軸心調整は、オペレータにとって精度を出すために比較的長い時間が費やされる困難な作業となっている。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、オペレータが軸心調整に必要とする情報を視覚的に容易に把握できるように情報表示を充実させることにより、軸心調整を容易に行うことが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、複数の調整ネジを操作することにより、試験片を把持するつかみ具の軸心を調整する軸心調整装置を備えた材料試験機であって、試験片に負荷を加える負荷手段と、試験片の異なる複数の高さ位置ごとに貼設される複数の歪みゲージと、前記複数の歪みゲージからの信号を記録する計測手段と、前記計測手段からの信号に基づいて、試験片の歪み方向と歪み量を複数の高さ位置ごとに算出する演算手段と、前記演算手段により算出された複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量を、複数の高さ位置の負荷軸に略直交する面ごとに表示するとともに、前記軸心調整装置における前記調整ネジの各々の配置を示す配置図を表示し、前記演算手段により算出された複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量に基づいて軸心調整のために操作すべき調整ネジを指し示す表示を前記配置図に追加して表示する表示手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記表示手段は、前記配置図に軸心調整のために操作すべき調整ネジを指し示す表示が追加された調整ネジの操作メッセージを、前記演算手段により算出された複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量に基づいて表示する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記表示手段は、複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量を立体的に表示する。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、前記複数の歪みゲージは、試験片の同一高さ位置において等間隔に貼設される。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、前記調整ネジは、つかみ具の位置を調整するための位置調整ネジと、つかみ具の角度を調整するための角度調整ネジである。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記複数の歪みゲージは、試験片の同一高さ位置において４個備えられるとともに、前記位置調整ネジおよび前記角度調整ネジは、それぞれ４方向からつかみ具の位置および角度を調整する。

請求項１に記載の発明によれば、表示手段に、試験片の歪み方向と歪み量を複数の高さ位置の負荷軸に略直交する面ごとに表示することから、オペレータがこれらの情報を視覚的に容易に把握することができ、軸心調整に費やす時間を短縮することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、表示手段に、軸心調整装置の調整ネジと調整ネジの操作メッセージを、演算手段により算出された複数の高さ位置ごとの歪み量と歪み方向に基づいて表示することから、オペレータが必要な調整操作を視覚的に容易に把握することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、表示手段は、複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量を立体的に表示することから、オペレータがこれらの情報をより視覚的に容易に把握することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、複数の歪みゲージが試験片の同一高さ位置において等間隔に貼設されることから、高さ位置ごとの歪み方向と歪み量を正確に算出することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、位置調整ネジと角度調整ネジで調整することから、より精密な軸心調整を行うことが可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、試験片の同一高さ位置に４個の歪みゲージを貼設し、位置調整ネジと角度調整ネジのそれぞれが４方向からつかみ具の位置および角度を調整することから、４個の歪みゲージの貼設位置と、位置調整ネジと角度調整ネジの調整方向を対応させることができ、より正確な歪み方向と歪み量の算出と、容易かつ精密な軸心調整を行うことが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 軸心調整装置１３の概要図である。 軸心調整装置１３における角度調整用カラー部材１３４付近の平面概要図である。 軸心調整装置１３における位置調整用カラー部材１３５付近の平面概要図である。 テスト用試験片１０ａの歪みを測定する様子を示す概要図である。 テスト用試験片１０ａにおける歪みゲージ６１の貼設位置を示す説明図である。 軸心のズレとそれに対応する軸心調整装置１３の調整操作を示す表示例である。 軸心のズレとそれに対応する軸心調整装置１３の調整操作を示す他の表示例である。 他のテスト用試験片１０ａにおける歪みゲージ６１の貼設位置を示す説明図である。 他のテスト用試験片１０ａにおける歪みゲージ６１の貼設位置を示す説明図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、基台１６と、この基台１６上に立設された左右一対のねじ棹１７と、左右一対のねじ棹１７と螺合するナット部を備え、ねじ棹１７に対して昇降するクロスヘッド２３とを備える。クロスヘッド２３には、上つかみ具１１が、軸心調整装置１３を介して付設されている。また、基台１６には下つかみ具１２が、ロードセル１５を介して付設されている。試験片１０は、その両端をこれらの上つかみ具１１および下つかみ具１２により把持される。

一対のねじ棹１７の下端部には、各々、同期ベルト２２と係合する同期プーリー２１が配設されている。また、この同期ベルト２２は、モータ１８の駆動により回転する同期プーリー１９とも係合している。このため、一対のねじ棹１７は、モータ１８の駆動により同期して回転する。そして、一対のねじ棹１７が同期して回転することにより、クロスヘッド２３は、一対のねじ棹１７の軸心方向に昇降する。

試験片１０に負荷される試験力は、ロードセル１５により検出される。また、試験片１０の上下の標点間の変位量は、変位計１４により検出される。ロードセル１５および変位計１４からの信号は図示しない制御回路に入力される。この制御回路は、ロードセル１５および変位計１４からの信号に基づいて、モータ１８の駆動制御信号を作成する。これにより、モータ１８の回転が制御され、引張や圧縮等の各種材料試験が行われる。

図２は、軸心調整装置１３の概要図である。

この軸心調整装置１３は、クロスヘッド２３と上つかみ具１１との間に介在されるものであり、クロスヘッド２３と上つかみ具１１とを連結する連結軸１３１と、この連結軸１３１の中央部に固定された枠部材１３９と、枠部材１３９の内部で連結軸１３１の外周部に配設され、クロスヘッド２３に固定された角度調整用カラー部材１３４と、枠部材１３９の内部で連結軸１３１の外周部に配設され、上つかみ具１１に固定された位置調整用カラー部材１３５とを備える。

連結軸１３１は、角度調整用カラー部材１３４、枠部材１３９および位置調整用カラー部材１３５を貫通するとともに、連結軸１３１の上端部は取付板１３２と螺合しており、連結軸１３１の下端部は上つかみ具１１と螺合している。また、取付板１３２は、一組のジャッキボルト１３３を介してクロスヘッド２３と連結されている。このため、一組のジャッキボルト１３３を利用して取付板１３２をクロスヘッド２３に対して上方に移動させることにより、上つかみ具１１を所定の力でクロスヘッド２３に対して締結することができる。

枠部材１３９は、連結軸１３１に螺合して固定された支持部１３７と、連結軸１３１の周囲を囲う矩形状の枠部１３６とから構成される。支持部１３７の上面には、半球状の凸部１３８が形成されており、角度調整用カラー部材１３４の下面にはこの凸部１３８と対応する形状を有する半球状の凹部が形成されている。また、支持部１３７の下面は平面状となっており、平面状の位置調整用カラー部材１３５の上面と当接している。

図３は、軸心調整装置１３における角度調整用カラー部材１３４付近の平面概要図である。

この角度調整用カラー部材１３４は、平面視において矩形状の形状を有し、その外周面は、枠部材１３９における枠部１３６と螺合する４本のネジ１４１、１４２、１４３、１４４の先端部と当接している。このため、４本のネジ１４１、１４２、１４３、１４４を調整することにより、枠部材１３９を連結軸１３１とともに傾斜させて上つかみ具１１の角度を調整することが可能となる。すなわち、４本のネジ１４１、１４２、１４３、１４４のうち、互いに対向する２本のネジの一方を緩め一方を締めた状態で、枠部材１３９の半球状の凸部１３８を角度調整用カラー部材１３４の半球状の凹部に沿って移動させることにより、枠部材１３９を連結軸１３１とともに傾斜させることが可能となる。そして、この連結軸１３１の傾斜に伴って、上つかみ具１１が傾斜する。

図４は、軸心調整装置１３における位置調整用カラー部材１３５付近の平面概要図である。

この位置調整用カラー部材１３５は、平面視において矩形状の形状を有し、その外周面は、枠部材１３９における枠部１３６と螺合する４本のネジ１５１、１５２、１５３、１５４の先端部と当接している。このため、４本のネジ１５１、１５２、１５３、１５４を調整することにより、枠部材１３９を連結軸１３１とともに移動させて上つかみ具１１の位置を調整することが可能となる。すなわち、４本のネジ１５１、１５２、１５３、１５４のうち、互いに対向する２本のネジの一方を緩め一方を締めた状態で、枠部材１３９を位置調整用カラー部材１３５の上面に沿って移動させることにより、枠部材１３９を連結軸１３１とともに位置調整用カラー部材１３５に対して相対的に移動させることが可能となる。そして、この連結軸１３１の相対的な移動に伴って、上つかみ具１１が移動する。

上述したように、この軸心調整装置１３においては、４本のネジ１４１、１４２、１４３、１４４および４本のネジ１５１、１５２、１５３、１５４に相当するネジを調整することにより、連結軸１３１の位置および角度の調整が可能となっている。すなわち、上つかみ具１１の位置および角度を調整することにより、上つかみ具１１と下つかみ具１２の負荷軸、すなわち軸心の調整が可能となっている。

図５は、テスト用試験片１０ａの歪みを測定する様子を示す概要図である。図６は、テスト用試験片１０ａにおける歪みゲージ６１の貼設位置を示す説明図である。

上つかみ具１１と下つかみ具１２との軸心の歪み方向と歪み量は、歪みゲージ６１を貼設したテスト用試験片１０ａを、上つかみ具１１と下つかみ具１２に把持させた状態と、その状態でさらに軽い負荷（例えば２０Ｎ程度）をテスト用試験片１０ａに与えた状態とで計測される。歪みゲージ６１は、図６に示すように、テスト用試験片１０ａの上・中・下の異なる高さ位置に各４個、合計１２個貼設される。

図５に示すように、テスト用試験片１０ａに貼設された歪みゲージ６１は、計測手段であるデータロガー６２に接続される。データロガー６２は、歪みゲージ６１の検出値を記録しその結果を保存する計測機器であり、この実施形態では、同一高さ位置の歪みゲージ６１ごとにデータロガー６２を各１台備えている。

各データロガー６２は、表示手段であるディスプレイ６３と、筐体６４内部にＲＯＭ，ＲＡＭ，および演算手段であるＣＰＵ等を備えたパーソナルコンピュータ６５とに接続される。そして、筐体６４内において、歪みゲージ６１の検出値に基づいて、テスト用試験片１０ａの上・中・下の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量が算出される。

次に、歪み方向と歪み量の算出方法の一例を説明する。まず、データロガー６２により記録されパーソナルコンピュータ６５に送られた各歪みゲージ６１の検出値から、各歪みゲージ６１の位置ごとの歪み（Ｇ１〜Ｇ１２）が計算される。図６に示すように、歪みゲージ６１は同一高さ位置において等間隔に４つ貼設されていることから、その高さ位置の負荷軸に略直交する面において、向かい合う２個の歪みゲージ６１間を結ぶ対角線が直交することになる。その直交する対角線のそれぞれをＸ軸方向およびＹ軸方向と規定して、上位置のＸ軸方向の歪み＝（Ｇ１−Ｇ３）／２および上位置のＹ軸方向の歪み＝（Ｇ２−Ｇ４）／２から、上位置の負荷軸に略直交する面における歪み方向と歪み量を表す（Ｘ，Ｙ）座標を求める。同様に、中位置のＸ軸方向の歪み＝（Ｇ５−Ｇ７）／２および中位置のＹ軸方向の歪み＝（Ｇ６−Ｇ８）／２から、中位置の負荷軸に略直交する面における（Ｘ，Ｙ）座標、そして、下位置のＸ軸方向の歪み＝（Ｇ９−Ｇ１１）／２および上位置のＹ軸方向の歪み＝（Ｇ１０−Ｇ１２）／２から、下位置の負荷軸に略直交する面における（Ｘ，Ｙ）座標を求める。なお、座標原点は、上・中・下の高さ位置における面と負荷軸が交わる点としている。

また、この実施形態では、Ｘ軸は、上述した軸心調整装置１３におけるネジ１４１とネジ１４２とを結ぶ線、および、ネジ１５１とネジ１５２とを結ぶ線と略同一であり、Ｙ軸は、上述した軸心調整装置１３におけるネジ１４３とネジ１４４とを結ぶ線、および、ネジ１５３とネジ１５４とを結ぶ線と略同一である。なお、Ｘ軸およびＹ軸の数値の単位は、マイクロストレイン（με）である。歪みは、単位長さ当たりの変形量で表されるため無次元量であるが、歪み計測に関する技術分野では、歪みを表す単位として慣習的にストレイン（ε：ｓｔｒａｉｎ）が使用されている。このため、この実施形態においても数値の単位としてストレインを用いている。

上述した算出方法により求められた各（Ｘ，Ｙ）座標は、上・中・下の高さ位置ごとの後述する座標図７１にプロットされ、ディスプレイ６３に表示される。図７は、軸心のズレとそれに対応する軸心調整装置１３の調整操作を示す表示例である。

この表示例では、上・中・下の高さ位置ごとの座標図７１を、負荷軸である中心軸を基準として立体的に表示している。オペレータは、このような立体表示により、座標図７１にプロットされた（Ｘ，Ｙ）座標の中心軸からのズレ、すなわち軸心のズレをイメージとして視覚的に把握することができる。

また、この表示例では、軸心調整装置１３を模した調整ネジの配置図７２と、座標図７１に表示された軸心のズレ（歪み方向と歪み量）の度合いに対応する、調整操作が必要な調整ネジを矢印で指し示すとともに、具体的な調整ネジの操作を操作メッセージ表示部７３に表示している。なお、調整ネジの配置図７２のＡ００、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０は、それぞれ図３に示す、角度調整ネジであるネジ１４４、１４１、１４３、１４２に相当する。また、調整ネジの配置図７２のＣ００、Ｃ９０、Ｃ１８０、Ｃ２７０は、それぞれ図４に示す、位置調整ネジであるネジ１５４、１５１、１５３、１５２に相当する。

操作メッセージ表示部７３に表示する操作メッセージの内容は、軸心のズレの度合いに対応させて、位置調整および角度調整のそれぞれについて、パーソナルコンピュータ６５の筐体６４内の記憶部（ＲＯＭ等）に格納されている。

次に、軸心調整について説明する。軸心調整は、まず位置調整、次に角度調整の順で行なわれる。例えば、上・中・下の高さ位置ごとの座標図７１において、図７に示すように、それぞれの（Ｘ，Ｙ）座標が中心軸と平行な同一軸線上にないときには、まず、上・中・下の座標が同一軸線上となるように上・下の座標を中の座標に近づける操作が行なわれる。この操作は、ネジ１５１、１５２、１５３、１５４を操作する位置調整である。そのときには、操作メッセージ表示部７３に、記憶部から読み出された「Ｃ９０を緩めて、Ｃ２７０を締めて下さい。」等の操作メッセージが表示される。そして、オペレータは、その操作メッセージに従って調整ネジを操作し、位置調整を行う。しかる後、中の座標をさらに座標中心に近づける操作が行われる。この操作は、ネジ１４１、１４２、１４３、１４５を操作する角度調整である。このときには、操作メッセージ表示部７３に、図７に示すように記憶部から読み出された「Ａ２７０を緩めて、Ａ９０を締めて下さい。」等の操作メッセージが表示される。そして、オペレータは、その操作メッセージに従って調整ネジを操作し、角度調整を行う。

オペレータが軸心調整のため調整ネジを操作している間も、歪みゲージ６１からのデータはデータロガー６２により計測および記録がされており、座標図７１には、リアルタイム座標が表示される。オペレータは、ディスプレイ６３の表示を見ながら軸心調整を行ない、上・中・下の高さ位置ごとの軸心のズレがいずれも閾値内となれば、ほぼ軸心調整はできたものと判断して、操作を終了する。なお、ここでの閾値は、例えば、Ｘ軸およびＹ軸において半径５０マイクロストレイン程度のズレを想定している。

図８は、軸心のズレとそれに対応する軸心調整装置１３の調整操作を示す他の表示例である。この表示例は、図７に示す座標図７１に替えて、上・中・下の高さ位置ごとの軸心のズレを各高さ位置の２次元図である座標図７４に示している。

この表示例の座標図７４のように、上・中・下の高さ位置ごとの２次元図を、Ｘ軸およびＹ軸のスケールをあわせて縦方向に整列させるレイアウトを行った場合でも、軸心のズレの全体イメージを視覚的に把握することができる。

このように、上述した２つの表示例では、上・中・下の高さ位置ごとの軸心のズレをそれぞれ表示することで、オペレータが軸心のズレをイメージとして把握できるため、軸心調整の方向性がオペレータにとって理解しやすいものとなっている。また、現状の軸心のズレから、どの調整ネジをどのように調整すればよいのかを、調整ネジの配置図７２と操作メッセージ表示部７３に示しているので、オペレータは、それらの情報をイメージとして視覚的に容易に把握でき、調整操作を容易に行うことが可能となる。さらに、これらの表示例に、（Ｘ，Ｙ）座標の具体的な数値等を同時に表示させ、より軸心調整に必要とされる情報の表示を充実させるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、軸心調整装置１３が上つかみ具１１側のみに配設されており、下つかみ具１２はロードセルを介して基台１６に固定されているため、上つかみ具１１の位置および角度変更の影響を受けやすいテスト用試験片１０ａの上・中の位置に歪みゲージ６１を貼設し、それらの位置の軸心のズレに基づいて軸心調整を行うことも可能である。

また、上述した実施形態では、テスト用試験片１０ａの同一高さ位置において４個の歪みゲージ６１を貼設しているが、歪みゲージ６１を等間隔に貼設していれば３個であってもよい。すなわち、規定した座標系において、各高さ位置の平面における歪み方向と歪み量をあらわす（Ｘ，Ｙ）座標が求められればよく、同一高さ位置における歪みゲージ６１の個数は４個に限定されるものではない。

図９および図１０は、他のテスト用試験片１０ａにおける歪みゲージ６１の貼設位置を示す説明図である。このように、軸心調整に用いるテスト用試験片１０ａの形状は、上述した実施形態における丸棒状のものに限定されるものではなく、図９に示す厚板状のもの、もしくは図１０に示す薄板状のものであっても、それらのテスト用試験片１０ａの上、中、下の異なる高さ位置に歪みゲージ６１をそれぞれ４枚貼り付けることにより、各歪みゲージ６１の位置ごとの歪み（Ｇ１〜Ｇ１２）から算出された異なる高さ位置ごとの軸心のズレに基づいて軸心調整を行うことが可能である。

１０ 試験片
１０ａ テスト用試験片
１１ 上つかみ具
１２ 下つかみ具
１３ 軸心調整装置
１４ 変位計
１５ ロードセル
１７ ねじ棹
１８ モータ
２３ クロスヘッド
６１ 歪みゲージ
６２ データロガー
６３ ディスプレイ
６４ 筐体
６５ パーソナルコンピュータ
７１ 座標図
７２ 調整ネジの配置図
７３ 操作メッセージ表示部
１３１ 連結軸
１３２ 取付板
１３３ ジャッキボルト
１３４ 角度調整用カラー部材
１３５ 位置調整用カラー部材
１３６ 枠部
１３７ 支持部
１３８ 凸部
１３９ 枠部材
１４１ ネジ
１４２ ネジ
１４３ ネジ
１４４ ネジ
１５１ ネジ
１５２ ネジ
１５３ ネジ
１５４ ネジ

Claims (6)

1. 複数の調整ネジを操作することにより、試験片を把持するつかみ具の軸心を調整する軸心調整装置を備えた材料試験機であって、
   試験片に負荷を加える負荷手段と、
   試験片の異なる複数の高さ位置ごとに貼設される複数の歪みゲージと、
   前記複数の歪みゲージからの信号を記録する計測手段と、
   前記計測手段からの信号に基づいて、試験片の歪み方向と歪み量を複数の高さ位置ごとに算出する演算手段と、
   前記演算手段により算出された複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量を、複数の高さ位置の負荷軸に略直交する面ごとに表示するとともに、前記軸心調整装置における前記調整ネジの各々の配置を示す配置図を表示し、前記演算手段により算出された複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量に基づいて軸心調整のために操作すべき調整ネジを指し示す表示を前記配置図に追加して表示する表示手段と、
   を備えたことを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記表示手段は、前記配置図に軸心調整のために操作すべき調整ネジを指し示す表示が追加された調整ネジの操作メッセージを、前記演算手段により算出された複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量に基づいて表示する材料試験機。
3. 請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
   前記表示手段は、複数の高さ位置ごとの歪み方向と歪み量を立体的に表示する材料試験機。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の材料試験機において、
   前記複数の歪みゲージは、試験片の同一高さ位置において等間隔に貼設される材料試験機。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の材料試験機において、
   前記調整ネジは、つかみ具の位置を調整するための位置調整ネジと、つかみ具の角度を調整するための角度調整ネジである材料試験機。
6. 請求項５に記載の材料試験機において、
   前記複数の歪みゲージは、試験片の同一高さ位置において４個備えられるとともに、前記位置調整ネジおよび前記角度調整ネジは、それぞれ４方向からつかみ具の位置および角度を調整する材料試験機。