JP5435135B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

この発明は材料試験機に関し、特に、弾性域と塑性域とを有する試験片に対して試験を行う材料試験機に関する。

このような材料試験機は、例えば、テーブル上に一対のねじ棹を互いに同期して回転自在に支持するとともに、それらの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成を有する。そして、モータの回転により一対のねじ棹を互いに同期して回転させることにより、クロスヘッドを一対のねじ棹に沿って移動させる。クロスヘッドとテーブルとには、それぞれつかみ具が連結されている。そして、これら一対のつかみ具により試験片の両端を把持した状態で、クロスヘッドを移動させることにより、試験片に対して負荷を加えるように構成されている。

このような材料試験機においては、通常、ねじ棹を回転させるためのモータにはサーボモータが用いられる。そして、例えば、特許文献１としての特開２００２−３６５１８８号公報に記載されているように、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。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速度指令として与えることにより、モータを制御する。より具体的には、偏差を定数倍（比例ゲイン）した値、偏差の時間微分を定数倍（微分ゲイン）した値、あるいは、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、回転角速度指令の大きさを決定している。

このようなモータを駆動源とする材料試験機においては、上述した比例ゲイン、微分ゲインおよび積分ゲインを適正に設定しなければ、目標値に正しく追従する正確な材料試験を実行することができない。しかしながら、この各ゲインの設定は試行錯誤的に行っているのが実情である。このため、特に新しい種類の試験片に対して材料試験を行うときには、ゲインの設定に長い時間を要し、また、オペレータの熟練が必要となると言う問題がある。

特許文献２としての特開２００９−１４４９９号公報には、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た材料試験機が開示されている。この材料試験機においては、まず、制御量としての試験片に作用する試験力や、制御量としての試験片の伸びを、検出値として検出する。そして、この検出値と目標値との偏差に応じて、サーボアンプに指令として供給する回転角速度の大きさを算出している。しかる後、モータの変位量に対する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、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としている。

この特開２００９−１４４９９号公報に記載された材料試験機によれば、制御ゲインの設定に際して熟練を要したり、試行錯誤的な作業を行って設定に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可能となる。

特開２００２−３６５１８８号公報 特開２００９−１４４９９号公報

例えば、鉄鋼材料のように、弾性域と塑性域とを有する試験片に対して引っ張り試験を行う場合、弾性域においては、一方のつかみ具を移動させるためのクロスヘッドの移動量に対する試験片における標点間の変位量の割合は、１０％〜５０％程度となる。すなわち、試験片に対して引っ張り力を負荷していくと、試験片を把持しているつかみ具や、このつかみ具を移動させるためのクロスヘッドなどの負荷機構全体の変形や、試験片における標点間以外の変形等により、クロスヘッドの移動量と比較して、試験片における標点間の変位量の割合は小さくなる。

これに対して、塑性域においては、試験片における標点間の領域において局所的な変形が発生し、標点間の領域以外の領域においては変形はほとんど発生しないことから、クロスヘッドの移動量に対する試験片における標点間の変位量の比率が、ほぼ１に近い値となる。

ここで、一般的な弾性域においては、試験片に対する試験力（引っ張り力）はクロスヘッドの移動量に比例して上昇するが、塑性域においては試験力に大きな変動が生ずることはない。一方、試験力はクロスヘッドの移動速度に対する依存性が高く、試験中にクロスヘッドの移動速度を変更すると、これに伴って、試験速度の変更に起因する試験力の変動が発生する。

上述した特許文献２に記載されたように、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た材料試験機においては、その制御動作に伴って、このような試験速度が変更される現象が発生していることになる。

ここで、このような試験速度の変更に伴う試験力の変動が、特に塑性域で発生した場合には、次のような問題が生ずる。すなわち、試験速度を変更すると試験力の変動が発生するが、塑性域においては試験中の試験力がほぼ一定値となり変動が小さい為、試験速度の微小な変更による試験力の変動が相対的に大きく発生し、試験結果をグラフ化したときに、スムーズなグラフが作成されず、ノイズを含んだグラフが作成されることになる。

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、塑性域において試験力の変動を低減することにより、ノイズの影響を防止して適正な試験結果を得ることができる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、弾性域と塑性域とを有する試験片に対して試験を行う材料試験機であって、前記試験片の両端を把持する一対のつかみ具と、前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具を移動させる移動部材と、前記移動部材により前記一方のつかみ具を移動させたときの、前記試験片における標点間の距離の変位量を測定する変位計と、前記移動部材の移動量を測定する移動量測定手段と、前記変位計により測定した距離の変位量と前記移動量測定手段により測定した移動部材の移動量との比である変化率Ｒを逐次算出する算出手段と、前記逐次算出された変化率Ｒに基づいて、前記移動部材の移動量をフィードバック制御するために使用するパラメータを算出する手段と、フィードバック制御部と、を備え、前記フィードバック制御部は、変化率Ｒが設定値を超えたか否かで現在試験を行っている試験片が弾性域であるか塑性域であるかを判定し、変化率Ｒが設定値を超えて試験片が塑性域となったときに、フィードバック制御に使用するパラメータＫの値を、フィードバック制御による影響力が小さい、そのときのＲの値と１との間の値に変更してフィードバック制御を実行することを特徴とする。

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、前記設定値は０．７である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記移動部材を移動させる移動機構は、前記移動部材を移動させるために使用されるモータと、このモータを駆動するサーボアンプとを備え、前記移動量測定手段は、前記モータの回転角の変位量に基づいて移動量を測定する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記距離の変位量の目標値と距離の変位量の検出値との偏差を、上記パラメータＫで除した値に、予め設定されている時定数の逆数を乗じた値を、前記サーボアンプに対して供給すべき回転角度の大きさとする。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、逐次算出された変化率Ｒに基づいてフィードバック制御を行うことから、常に適正な材料試験を行うことができる。このとき、塑性域において試験力の変動を低減することにより、ノイズの影響を防止して適正な試験結果を得ることが可能となる。

請求項３および請求項４に記載の発明によれば、モータを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いことから、ゲインの設定に際して熟練を要したり試行錯誤的な作業を行って設定に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可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 試験片１０の概要図である。 標点１９間の距離Ｄの変位量Ｅ（ｔ）とサーボモータ３１の回転角の変位量θ（ｔ）との関係をグラフである。

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。この概要図においては、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いる。また、図２は、試験片１０の概要図である。

この材料試験機は、テーブル１６と、このテーブル１６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹１１、１２と、これらのねじ棹１１、１２に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、このクロスヘッド１３を移動させて試験片１０に対して負荷を付与するための負荷機構３０とを備える。

クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１、１２に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹１１、１２の下端部には、負荷機構３０におけるウォーム減速機３２、３３が連結されている。このウォーム減速機３２、３３は、負荷機構３０の駆動源であるサーボモータ３１と連結されており、サーボモータ３１の回転がウォーム減速機３２、３３を介して、一対のねじ棹１１、１２に伝達される構成となっている。サーボモータ３１の回転によって、一対のねじ棹１１、１２が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これらのねじ棹１１、１２に沿って昇降する。

クロスヘッド１３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。このクロスヘッド１３は、この発明に係る移動部材として機能する。一方、テーブル１６には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド１３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）Ｆを負荷する。

このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル１４によって検出され、ロードアンプ４１により増幅された後、ＡＤ変換器４３でデジタル化されて演算制御部４０に入力される。また、試験片１０における標点１９間の距離Ｄ（図２参照）の変位量は、変位計１５により測定され、ストレインアンプ４２により増幅された後、ＡＤ変換器４４でデジタル化されて演算制御部４０に入力される。

演算制御部４０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ており、ロードセル１４および変位計１５からの試験力データおよび変位量データを取り込んでデータ処理を実行する。また、サーボモータ３１はサーボアンプ４５から供給される電流により回転駆動する。サーボアンプ４５は、演算制御部４０からＤ／Ａ変換器４６を介して供給される回転角速度指令の大きさに応じた電流をサーボモータ３１に供給する。サーボモータ３１は、この演算制御部４０により、フィードバック制御される。このとき、この演算制御部４０は、サーボモータ３１の回転角の変位量に基づいて、クロスヘッド１３の移動量を測定する移動量測定手段としても機能する。

この演算制御部４０は、後述する変化率Ｒを逐次算出するための算出部４８と、算出された変化率Ｒに基づいてフィードバック制御を実行する為に必要となるパラメータＫを決定し、フィードバック制御を実行するためのフィードバック制御部４９とを含んでいる。また、この演算制御部４０には、操作部４７が接続されており、この操作部４７の操作によって各種の指令を与えたり、後述する時定数に対応する定数Ａの設定を行うことができる。

このときには、以下に述べる演算式が利用される。すなわち、この発明に係る材料試験機においては、サーボモータ３１の回転角の変位量をθ（ｔ）、試験片１０における標点１９間の距離Ｄの変位量（伸び量）の検出値（現在値）をＥ（ｔ）とし、ｔより一定時間前の時刻ｔ−ｔ０のサーボモータ３１の回転角の変位量θ（ｔ−ｔ０）と、標点間の距離Ｄの変位量Ｅ（ｔ−ｔ０）を用いた下記の式（１）で表される変化率Ｒ（ｔ）を刻々と算出する。

ＲよりＫを計算する方法として、

としてもよいが、

（但し、ａは係数であり、０＜ａ＜1）
とすることもできる。
この時ａ= 1 とすると式（２）となり、ａ０に近づけるとＫの変化が小さくなる。

そして、式（３）で求められたパラメータ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４５に供給すべき回転角速度ｄθ／ｄｔの大きさとしている。これを式で表すと、制御量である現在の標点１９間の距離Ｄの変位量の検出値をＥ（ｔ）、その時点における制御量の目標値をＥｄ（ｔ）とし、偏差を｛Ｅｄ（ｔ）−Ｅ（ｔ）｝とすると、サーボアンプ４５に供給すべき回転角速度ｄθ／ｄｔは下記の式（４）で表される。

ここで、式（４）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３に係る発明における時定数（偏差の変化量の時定数）の逆数に相当する。ここで、偏差の早い収束を望むならばＡを大きく、遅くても良い場合にはＡを小さくとればよい。

この発明によると、負荷機構３０の駆動用のサーボモータ３１用のサーボアンプ４５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、サーボモータ３１の回転角の変位量に対する標点１９間の距離Ｄの変位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る。これによって、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。

この発明は、制御量である標点１９間の距離Ｄの変位量とサーボモータ３１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サーボモータ３１の変位量をθ（ｔ）とし、制御量として選択されている標点１９間の距離Ｄの変位量の検出値をＥ（ｔ）とすると、下記の式（５）が成立する。

すなわち、この（５）式は、制御量である標点１９間の距離Ｄの変位量Ｅ（ｔ）はサーボモータ３１の回転角の変位量θ（ｔ）に比例し、かつ、時間的にＥｒ（ｔ）が変化することにより、両者は厳密には比例関係にはないことを示している。ここで、式（５）においては、比例項以外をＥｒ（ｔ）で表している。

図３は、標点１９間の距離Ｄの変位量Ｅ（ｔ）とサーボモータ３１の回転角の変位量θ（ｔ）との関係をグラフである。この図３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標点１９間の距離Ｄの変位量Ｅの検出値である。
ここで、式（５）の両辺を時間微分すると、式（６）となる。

ｄＥｒ（ｔ）／ｄｔは一般には０にはならず、試験の進行に伴う試験片１０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ｄＥｒ（ｔ）／ｄｔは十分に小さい値となるので、ｄＥｒ（ｔ）／ｄｔ＝０として取り扱うことが可能となる。同様に、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、下記の式（７）が成立する。

ここで、制御入力として、つまりサーボアンプ４５に対する操作量としてサーボモータ３１の回転角速度ｄθ／ｄｔを用いる場合、実際のサーボモータ３１の回転角速度ｄθ／ｄｔはサーボモータ３１の負荷量に依存して、サーボアンプ４５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３１とサーボアンプ４５を用いた場合、十分に近い値となる。このため、式（７）を以下のように近似することができる。

そして、Ｋ（ｔ）は試験の進行に伴って変化するので、制御量である標点１９間の距離Ｄの変位量Ｅ（ｔ）の刻々の検出値とサーボモータ３１の回転角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４５に供給すべきサーボモータ３１の角速度指令の大きさを、前記した式（４）によって算出する。

この式（４）を式（７）に代入すると、下記の式（９）となる。

そして、下記の式（１０）を規定することにより、式（１１）が成立する。

ここで、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ｄＥ０／ｄｔがゼロであることを考慮すると、下記の式（１２）が成立し、１秒後の誤差はｅｘｐ（−１）＝０．３６と計算することができる。

以上の構成を採用した場合には、サーボモータ３１を負荷機構３０の駆動源とする材料試験機において、サーボモータ３１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、刻々のサーボモータ３１の回転角の変位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。

以上のように、この発明に係る材料試験機においては、サーボアンプ４５に供給すべき回転角速度ｄθ／ｄｔを上記式（４）となるように制御している。すなわち、式（１）に示す変化率Ｒの値が計算されて、これより（２）ないし（３）式よりＫが計算されて変更されれば、サーボアンプ４５に供給すべき回転角速度ｄθ／ｄｔが変更され、クロスヘッド１３の移動速度が変更される。ここで、試験力はクロスヘッド１３の移動速度に対する依存性が高く、試験中にクロスヘッド１３の移動速度を変更すると、これに伴って、試験速度の変更に起因する試験力の変動が発生する。試験速度の変更に伴う試験力の変動が、特に塑性域で発生した場合、塑性域においては試験片における標点間の領域において局所的な変形が発生しており、小さな試験力により大きな変形が発生することから、微小な速度変更により試験力が変動し、試験力の変動に伴うノイズがそのまま変形の変動に直結する。このため、試験結果をグラフ化したときに、スムーズなグラフが作成されず、上述したノイズを含んだグラフが作成されることになる。

このため、この発明に係る材料試験機においては、演算制御部４０における算出部４８が変化率Ｒを逐次算出するとともに、この変化率Ｒが、予め設定した設定値である０．７を越えたか否かを常に監視している。

上述したように、鉄鋼材料のような弾性域と塑性域とを有する試験片に対して引っ張り試験を行う場合、弾性域においては、クロスヘッド１３の移動量に対する試験片１０における標点１９間の変位量の割合は、１０％〜５０％程度となる。これに対して、塑性域においては、試験片１０における標点間の領域において局所的な変形が発生し、それ以外の領域においては変形はほとんど発生しない。このため、クロスヘッド１３の移動量に対する試験片１０における標点１９間の変位量の比率が１に近くなる。従って、上述した変化率Ｒの値が、例えば、０．７を越えるか否かで、現在試験を行っている試験片１０が弾性域であるか塑性域であるかを判定することができる。

そして、変化率Ｒが０．７を超えた場合には、試験片１０が塑性域となったと判定し、パラメータＫの値を、フィードバック制御による影響力が小さい値に変更し、この変更後のパラメータＫを利用して、それ以降のフィードバック制御を実行する。

すなわち、一つの実施形態においては、変化率Ｒが設定値である０．７を超えた時点で、フィードバック制御に使用するパラメータＫの値を所定の値に固定して前記フィードバック制御を実行する。このときのＫの値を、そのときの値と１との間の値に固定して前記フィードバック制御を実行する。あるいは、このときのＫの値を、そのときの値に固定して前記フィードバック制御を実行する。

このように、変化率Ｒが設定値を超えたときに、Ｋの値をフィードバック制御による影響力が小さい値に固定してフィードバック制御を行うことにより、塑性域において試験力の変動を低減することが可能となる。このため、試験力の変動に伴うノイズの影響を防止することが可能となり、試験結果をグラフ化したときに、スムーズなグラフを作成することができる。

また、他の実施形態においては、変化率Ｒが０．７を超えた時点で、この変化率Ｒの値に対応する、フィードバック制御に使用するパラメータＫの値の変動率が小さな値となるような演算処理を行って、前記フィードバック制御を実行する。より具体的には、変化率Ｒが０．７を超えた場合に、演算制御部４０における算出部４８は、このＫの値の変動率が一定の条件で小さくなるような演算を行うとともに、フィードバック制御部４９は演算後の変動率を考慮したＫを用いてフィードバック制御を実行する。この場合においても、試験力の変動に伴うノイズの影響を防止することが可能となり、試験結果をグラフ化したときに、スムーズなグラフを作成することができる。

なお、上述した設定値の値は、０．７には限定されず、その材料試験機と試験片１０との関係に応じて適宜設定すればよい。例えば、材料試験機が十分大型のものであり、試験片１０に対して十分な剛性を持っている場合には、設定値として０．７よりも大きく１に近い値を設定すればよく、材料試験機の剛性が小さな場合には、設定値として０．７よりも小さい値を設定すればよい。また、例えば、弾性域におけるクロスヘッド１３の移動量に対する試験片１０における標点１９間の変位量の割合を予め測定し、その割合に対応させてこの設定値を設定するようにしてもよい。

１０ 試験片
１１ ねじ棹
１２ ねじ棹
１３ クロスヘッド
１４ ロードセル
１５ 変位計
１６ テーブル
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
３０ 負荷機構
３１ サーボモータ
３２ ウォーム減速器
３３ ウォーム減速器
４０ 演算制御部
４１ ロードアンプ
４２ ストレインアンプ
４５ サーボアンプ
４７ 操作部
４８ 算出部
４９ フィードバック制御部

Claims (4)

1. 弾性域と塑性域とを有する試験片に対して試験を行う材料試験機であって、
   前記試験片の両端を把持する一対のつかみ具と、
   前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具を移動させる移動部材と、
   前記移動部材により前記一方のつかみ具を移動させたときの、前記試験片における標点間の距離の変位量を測定する変位計と、
   前記移動部材の移動量を測定する移動量測定手段と、
   前記変位計により測定した距離の変位量と前記移動量測定手段により測定した移動部材の移動量との比である変化率Ｒを逐次算出する算出手段と、
   前記逐次算出された変化率Ｒに基づいて、前記移動部材の移動量をフィードバック制御するために使用するパラメータＫを算出する手段と、
   フィードバック制御部と、を備え、
   前記フィードバック制御部は、変化率Ｒが設定値を超えたか否かで現在試験を行っている試験片が弾性域であるか塑性域であるかを判定し、変化率Ｒが設定値を超えて試験片が塑性域となったときに、フィードバック制御に使用するパラメータＫの値を、フィードバック制御による影響力が小さい、そのときのＲの値と１との間の値に変更してフィードバック制御を実行する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、
   前記設定値は０．７である材料試験機。
3. 請求項２に記載の材料試験機において、
   前記移動部材を移動させる移動機構は、前記移動部材を移動させるために使用されるモータと、このモータを駆動するサーボアンプとを備え、
   前記移動量測定手段は、前記モータの回転角の変位量に基づいて移動量を測定する材料試験機。
4. 請求項３に記載の材料試験機において、
   前記距離の変位量の目標値と距離の変位量の検出値との偏差を、上記パラメータＫで除した値に、予め設定されている時定数の逆数を乗じた値を、前記サーボアンプに対して供給すべき回転角度の大きさとする材料試験機。

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