JP6642364B2

JP6642364B2 - 材料試験機および材料試験システム

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Publication number: JP6642364B2
Application number: JP2016189169A
Authority: JP
Inventors: 匡規金田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: JP2018054399A

Description

この発明は、試験片に試験荷重を与える負荷機構を備える材料試験機および複数台の材料試験機の稼働状況を監視する材料試験システムに関する。

材料試験を実施する施設においては、複数台の材料試験機が設置されていることがある。特許文献１には、複数台の材料試験機を接続することで、各材料試験機の稼働状況をモニタリングし、試験計画を立案する材料試験制御装置が提案されている。

ところで、材料試験に供される試験片の材質や試験の種類によっては、試験片破断時の衝撃が、他の材料試験機に及び、試験結果に影響を及ぼす場合がある。このため、複数台の材料試験機が設置されている施設では、各材料試験機を除振台上に配設することで、試験片破断時の衝撃を吸収する措置がとられている。また、試験開始から試験終了までの時間のうち、試験片破断時の衝撃が試験結果に影響を及ぼす時間帯が経験的にわかっており、例えば、試験の実行および監視を行っている各オペレータが、試験中の応力の推移から試験片の破断時期を予想し、オペレータ間で互いに声掛けをすることで、試験片の破断のタイミングを避けて、材料試験の実行動作を行う等の措置がとられている。

特開２００５−３５１６６１号公報

容量の大きな材料試験機は、試験片の破断衝撃が大きいうえに装置自体の質量も大きいため、大型の除振台を必要とする。大型の除振台は高価であるため費用が割高となる。また、材料試験機を除振台の上に設置しても、除振台で除去できる振動にも限界がある。例えば、地面を伝わる振動でも、周期の低い振動は除去することが難しい。さらに、除振台では、空気中を伝播する音圧などによる振動を除去することができない。

試験片破断時の衝撃が他の材料試験機の試験結果に影響を及ぼすことを避けるために、試験の実行および監視を行っているオペレータ間で、互いに声掛けをして各材料試験機での試験開始のタイミングをずらす対応を行っている場合、タクトタイムのずれなどで、試験効率が低下することがある。さらに、複数の材料試験機の各々が、壁で囲われた複数の部屋のそれぞれに配置されている場合は、オペレータの声が壁の向こうに伝わらず、他の材料試験機で試験されている試験片の破断タイミングを避けるために、試験の実行を中止できない場合もある。

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、試験片破断時の衝撃を避け、材料試験を効率的に実施することが可能な材料試験機および材料試験システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片に試験荷重を与える負荷機構と、前記負荷機構を制御する本体制御部を備える材料試験機であって、前記本体制御部は、過去の試験時間データに基づいて、前記試験片が破断するときを予測する破断予測部と、前記破断予測部による予測結果を予想破断情報として外部に送信するとともに、同一施設内に配設されている他の材料試験機の前記予想破断情報を受信する通信部と、前記予想破断情報を表示する表示部と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記本体制御部は、前記通信部により受信した、同一施設内に配設されている他の材料試験機の前記予想破断情報に基づいて、オペレータにより入力された試験開始命令に対する前記負荷機構による前記試験片に試験負荷を与える動作の開始を、所定の時間だけ延期する動作延期部をさらに備える。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記本体制御部は、前記通信部により受信した、同一施設内に配設されている他の材料試験機の前記予想破断情報に基づいて、オペレータにより入力された試験開始命令を無効にするリセット部をさらに備える。

請求項４に記載の発明は、複数台の材料試験機とデータ通信を行う制御装置により、前記複数台の材料試験機の試験スケジュールを管理するとともに稼働状況を監視する材料試験システムであって、前記複数台の材料試験機の各々は、前記制御装置との間で情報を送受信する通信部と、試験中に過去の試験時間データに基づいて試験片が破断するときを予測する破断予測部と、を有する本体制御部を備え、前記制御装置は、前記複数台の材料試験機の各々から前記破断予測部による予測結果である予想破断情報を受信し、前記複数台の材料試験機のうち、予測された前記試験片が破断するときに試験が開始される材料試験機の試験開始時刻を変更するスケジュール変更を実行することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、複数台の材料試験機とデータ通信を行う制御装置により、前記複数台の材料試験機の試験スケジュールを管理するとともに稼働状況を監視する材料試験システムであって、前記複数台の材料試験機の各々は、前記制御装置との間で情報を送受信する通信部を備え、前記制御装置は、前記複数台の材料試験機の各々から受信する試験中の試験データと過去の試験時間データとに基づいて前記複数台の材料試験機の各々における試験片が破断するときを予測する破断予測部を備え、前記破断予測部による予測結果である予想破断情報に基づいて、前記複数台の材料試験機のうち、予測された前記試験片が破断するときに試験が開始される材料試験機の試験開始時刻を変更するスケジュール変更を実行することを特徴とする。

請求項１から請求項３に記載の発明によれば、本体制御部に試験片が破断するときを予測する破断予測部と、破断予測部による予測結果としての予想破断情報を外部に送信する通信部とを備えることにより、同一施設内の周辺の材料試験機や他の部屋に配置された材料試験機で試験準備中のオペレータに、破断衝撃発生のタイミングを知らせることが可能となる。試験片の予想破断情報を共有することにより、他の材料試験機では、試験片が破断すると予想された時間帯を避けて試験開始が可能となる。そして、通信部により同一施設内の材料試験機の間での相互通信を可能とし、試験片の予想破断情報を共有することにより、試験片の破断時の振動も材料試験での管理対象とできることから、試験片の破断時の振動に起因した試験の失敗を事前に回避して材料試験を効率的に実施することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、動作延期部を備えることにより、オペレータが試験を開始する指示を材料試験機に与えても、自動的に破断衝撃発生すると予想された時間帯を避けて、負荷機構による試験片に試験負荷を与える動作を開始させることが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、リセット部を備えることにより、オペレータが試験を開始する指示を材料試験機に与えても、破断衝撃発生すると予想された時間帯に試験が開始されることを防止することが可能となる。

請求項４および請求項５に記載の発明によれば、各材料試験機と制御装置とを通信可能に構成し、材料試験システム内に試験片が破断するときを予測する破断予測部を備えたことにより、複数台の材料試験機のスケジュール管理において、破断予測部により予想された試験片が破断するときを考慮することができることから、より試験スケジュールが最適化され、材料試験を効率的に実施することが可能となる。

この発明に係る材料試験機１の概要図である。この発明に係る材料試験機１の主要な制御系を示すブロック図である。この発明に係る材料試験機１の使用の態様を説明する概要図である。予想破断情報を送信するときの動作を示すフローチャートである。予想破断情報を受信したときの動作を示すフローチャートであるこの発明の他の実施形態に係る材料試験機１の主要な制御系を示すブロック図である。予想破断情報を受信したときの動作を示すフローチャートである。この発明に係る材料試験機１を有する材料試験システムを説明する概要図である。

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１の正面概要図である。図２は、この材料試験機１の主要な制御系を示すブロック図である。

この材料試験機１は、クロスヘッド１３と、基台１５と、この基台１５の左右に立設されたカバー１４とにより囲まれた試験空間に、試験片１０を配置して、例えば、材料試験としての引張試験を実行するものである。試験片１０は、クロスヘッド１３側に配設された上つかみ具１１と基台１５に固定された下つかみ具１２とによって両端部を把持されることにより、試験空間に配置される。

クロスヘッド１３の両端部には、基台１５の左右に立設されたカバー１４内に配置される一対のねじ棹と螺合する図示しないナット部が配設されている。そして、一対のねじ棹が基台１５内に配設されたモータなどの負荷機構動力源２２（図２参照）の駆動により同期して回転することで、クロスヘッド１３が上下方向に移動する。クロスヘッド１３が上昇することにより、試験片１０に引張荷重（試験力）が負荷される。

試験片１０に負荷される試験力は、試験力検出器としてのロードセル１６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、接触方式または非接触方式の変位計２１（図２参照）により検出される。ロードセル１６および変位計２１からの信号は、本体制御部１７に入力される。

本体制御部１７は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶装置、ＣＰＵ等の演算装置を備え、ロードセル１６および変位計２１からの信号に基づいて、クロスヘッド１３を昇降させるためのモータの駆動制御信号を作成する。これにより、モータの回転が制御されクロスヘッド１３が負荷軸に沿って移動し、引張試験等の各種材料試験が実行される。また、本体制御部１７は、液晶表示パネル等から構成される表示部１８と、装置本体の各種動作の実行命令を入力する操作部１９と、ネットワーク２６に接続されている。なお、操作部１９には、クロスヘッド１３を原点位置に移動させるリターン、クロスヘッド１３を任意に上下させるジョグアップ、ジョグダウン、試験のスタートなどの入力ボタンが配設されている。

本体制御部１７は、機能的構成として、過去の試験時間データに基づいて試験片１０が破断するときを予測する破断予測部３１と、同一施設内の他の材料試験機１での試験において試験片１０が破断すると予測された時間帯に試験開始の入力があった場合に、そのスタート命令の入力から負荷機構動力源２２が実際に駆動を開始するまでの時間を所定の時間だけ遅延させることにより試験開始を延期する動作延期部３２と、過去の試験時間データを記憶する記憶部３４と、ネットワーク２６を介して同一施設内に配設されている他の材料試験機との間で情報を送受信するための通信部３６を備える。

以上の構成を有する材料試験機１の動作について、さらに詳細に説明する。図３は、この発明に係る材料試験機１の使用の態様を説明する概要図である。図４は、予想破断情報を送信するときの動作を示すフローチャートである。図５は、予想破断情報を受信したときの動作を示すフローチャートである。

図３に示すように、この発明に係る材料試験機１は、本体制御部１７をネットワーク２６に接続することにより、同一施設内で相互に情報の送受信を可能としている。なお、複数の材料試験機１ａ、１ｂ、１ｃを総称するときには、材料試験機１と記載する。

同一施設内で壁１０１を隔てて別々の部屋に配置された各材料試験機１の状態は、材料試験機１ａのように試験中の状態、材料試験機１ｂのように試験を開始するためにオペレータが操作部１９を操作する直前の状態、材料試験機１ｃのようにオペレータが操作部１９を操作してクロスヘッド１３をリターン位置に移動させた状態など、様々である。なお、図３に示す材料試験機１の各部の詳細は、図１を参照して説明したとおりである。ここで、材料試験機１ｂの操作部１９の試験開始のスタートボタンがオペレータにより押され、試験開始命令により試験荷重を試験片１０に与えるために負荷機構が動きはじめたタイミングで、他の材料試験機１ａで試験中の試験片１０が破断した場合には、その破断の衝撃が床面などを伝わり、試験開始直後の試験片１０に、試験荷重とは関係のない力が加わり、それが試験結果のノイズとなる。

また、材料試験機１の負荷機構の駆動制御では、変位計２１やロードセル１６の検出値を利用したフィードバック制御が行われている。特に、制御開始時の初期値を試験開始直後の検出値に基づいて自動設定する自動制御を行う試験機では、他の材料試験機１で試験中の試験片１０の破断衝撃が、試験開始直後に伝わった場合には、自動制御に失敗し試験が失敗になるなどの問題が生じる。そこで、この発明の材料試験機１では、本体制御部１７に、破断予測部３１と、外部への情報送信と外部からの情報受信を可能とする通信部３６を設け、ネットワーク２６を介して同一施設内の材料試験機１の間で、試験片１０の予想破断情報を共有している。これにより、試験片１０の破断時の振動も材料試験での管理対象とし、試験片１０の破断時の振動に起因した試験の失敗を事前に回避できるようにしている。したがって、それぞれの材料試験機での材料試験を効率的に実施することが可能となる。

まず、オペレータが操作部１９のスタートボタンを操作することによる試験開始のためのスタート入力（ステップＳ１）の後、試験が実行（ステップＳ２）されると、試験実行中の材料試験機１ａ、１ｂの本体制御部１７では、破断予測部３１において、試験片１０が破断するときを予測する動作が行われる。破断予測部３１は、試験に先だって入力される試験片１０の種類や試験種別、試験力などの試験条件に基づいて、記憶部３４に予め記憶させておいた過去の試験時間データ、すなわち、過去の同様の試験条件での試験結果の時間データを参照し、試験片１０が破断するまでの時間を取得する（ステップＳ３）。なお、過去の試験時間データは、試験片１０の材質、形状、サイズ、破断するまでの時間との関係を含むテーブルである。破断するまでの時間は、例えば、試験によって求められる材料の各種機械的性質（上降伏点、下降伏点、最大試験力など）と破断との関係により得ることができる。試験の種別や材料によっては、いくつかの機械的性質が明りょうに表れない場合や、ある機械的性質と破断までの時間が短すぎる場合があるため、破断するまでの時間を求めるときの起点は、試験片１０の性質や試験条件に合わせて決められる。

破断予測部３１は、過去の試験時間データから取得した破断するまでの時間に基づいて、予測される試験片１０が破断するときを予測する破断予測を実行する（ステップＳ４）。ここで予測される試験片１０が破断するときとは、破断衝撃発生のおおよそのタイミングであって、ある幅を持つ時間帯である。そして、予測結果は、予想破断情報として記憶部３４に記憶される。しかる後、予想破断情報は、通信部３６よりネットワーク２６を介して、同一施設内の他の材料試験機１に送信される（ステップＳ５）。すなわち、図３の材料試験機１ｂの予想破断情報が材料試験機１ａ、１ｃに送信される。そして、破断予測部３１において予測された時間帯を含む予想破断情報は、同一施設内の各材料試験機の表示部１８に警告表示される。なお、表示部１８に表示される警告は、予想破断時刻まであと何分かをカウントダウンするタイマー表示や、まもなく破断します、などの文字表示である。また、破断するまでのときは、例えば、最大試験力到達時刻から所定の時間後の時刻を破断時刻とし、その前後の時間帯を破断するときとしてもよく、材料の種類によっては、伸びや降伏点などの測定時刻と破断との関係で破断するときを予測するようにしてもよい。

材料試験機１ｂは、予想破断情報を、ネットワーク２６を介して受信すると（ステップＳ１１）、試験片１０が破断すると予想された時間帯に試験が開始されないようにする、回避動作を実行する。この実施形態では、このような回避動作が、動作延期部３２の作用により、破断が予想される時間帯に操作部１９から入力された試験開始命令に対して、所定の時間が経過するまで、負荷機構の動作の変更を一時停止させることにより実行される。まず、オペレータが操作部１９のスタートボタンを操作することによるスタート命令の入力があったときに（ステップＳ１２）、受信した予想時間帯でのスタート入力であるか否かの判断が行われる（ステップＳ１３）。受信した予想時間帯でのスタート入力でなければ、そのまま試験が実行される（ステップＳ１５）。一方で、受信した予想時間帯でのスタート入力であれば、所定の時間が経過するのを待って（ステップＳ１４）、試験が実行される。ここでの所定の時間は、破断すると予想された時間帯と重ならない時刻に試験が開始されるように、例えば、予想時間帯として示される時間幅と同じ時間などの一定の時間が設定される。こうして、負荷機構による試験片１０に試験負荷を与える動作の開始を遅らせることで、自動的に破断衝撃が発生すると予想された時間帯を避けて、試験開始動作を実行することが可能となる。

図６は、この発明の他の実施形態に係る材料試験機の主要な制御系を示すブロック図である。図７は、予想破断情報を受信したときの動作を示すフローチャートである。

本体制御部１７は、機能的構成として、上述した実施形態の動作延期部３２に替えて、同一施設内の他の材料試験機での試験において試験片１０が破断すると予測された時間帯に試験開始の入力があった場合に、その試験開始命令を無効にするリセット部３３を備える。なお、図６に示す構成のうち、図２と同様の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図３に示す材料試験機１ｂは、予想破断情報を、ネットワーク２６を介して受信すると（ステップＳ２１）、破断すると予想された時間帯に試験が開始されないようにする、回避動作を実行する。この実施形態では、このような回避動作が、リセット部３３の作用により、操作部１９から破断が予想される時間帯に入力された試験開始命令を無効とすることにより実行される。まず、オペレータが操作部１９を操作することによる試験開始（スタート）命令の入力があったとき（ステップＳ２２）、受信した予想時間帯でのスタート入力であるか否かの判断が行われる（ステップＳ２３）。受信した予想時間帯でのスタート入力でなければ、そのまま試験が開始される（ステップＳ２５）。

一方で、受信した予想時間帯での入力であれば、スタート入力がリセットされる（ステップＳ２４）。この実施形態では、スタート入力がリセットされるため、試験を開始するには、予想破断時間帯に重ならない時刻になってから、オペレータが再度、操作部１９のスタートボタンを操作する必要がある。予想破断情報を受信してから予想時間帯が経過するまでの間、表示部１８に破断に注意を促す警告を表示することで、オペレータは、スタート入力がリセットされた理由を知ることができ、次のスタート入力時も、表示部１８の警告が消えていることを確認して操作することが可能となる。

図８は、複数台の材料試験機１を有する材料試験システムを説明する概要図である。

この材料試験システムは、複数台の材料試験機１の試験スケジュールを管理する制御装置４０を備える。制御装置４０には、表示部４１と入力部４２が接続されている。制御装置４０は、各種演算を実行するＣＰＵなどの演算装置と、データを一時的に記憶するＲＡＭ、材料試験機のスケジューリング等を行うソフトウェアを記憶するＲＯＭなどの記憶装置の他に、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）やソリットステートドライブ（ＳＳＤ）などの大容量記憶装置を備えるパーソナルコンピュータによって実現される。

この材料試験システムでは、ネットワーク２６を介して各材料試験機１の本体制御部１７と制御装置４０がデータ通信可能となっており、制御装置４０において、接続されている各材料試験機１の稼働状況を監視するとともに、全ての材料試験機１の試験スケジュールを決めることができる。各材料試験機１の試験中の試験データなどの稼働状況と試験スケジュールは、表示部４１に表示される。そして、各材料試験機１の試験開始などの動作指示を、予め策定された試験スケジュールに従って、制御装置４０が行う。

制御装置４０は、大容量記憶装置を備えていることから、より多くの過去の試験時間データをデータベース化して記憶保存することが可能となっている。また、過去の試験時間データに、実際の試験中の実試験時間のデータだけでなく、破断した試験片を新しい試験片に取り換える時間もデータに含ませることで、制御装置４０は、各材料試験機１で連続して材料試験を行う場合に、オペレータが入力部４２を介して設定した試験条件に対して、試験に係る所要時間をデータベースより採取して全体のスケジュールを決めている。

この実施形態では、各材料試験機１の本体制御部１７における破断予測部３１は、制御装置４０の大容量記憶装置に記憶されたデータベースを照会することにより、過去の試験時間データから試験片１０が破断するときを予測するのに必要な情報を取得する。破断予測部３１では、各材料試験機１の試験中の試験データと過去に試験時間データとに基づいて、各材料試験機における試験片１０が破断する時間帯を予測する。図４を参照し説明した実施形態と同様に、試験中の試験データから得られる最大試験力などを利用して、破断予測が実行される。破断予測部３１での予測結果である予想破断情報は、制御装置４０に送信される。予想破断情報を受け取った制御装置４０では、予測された試験片１０が破断するときに試験が開始される材料試験機の試験開始時刻を変更するスケジュール変更が実行される。

全自動で試験片の供給・測寸・回収を行う材料試験機を複数台備えた材料試験システムでも、予想された破断の時間帯を考慮したスケジュールの全体の変更が可能となる。したがって、いずれの材料試験機１においても、スケジュールの最適化とともに、予想された破断時刻を避けて、試験が開始でき、試験の失敗を減らすことができる。

なお、上述した実施形態では、材料試験機１の本体制御部１７に、試験片１０の破断時刻を予測する破断予測部３１を設けた例について説明したが、図８に示すような、材料試験機１の上位に全ての材料試験機１の動作制御と試験状況をモニタリング可能なパーソナルコンピュータを制御装置４０として備える材料試験システムでは、破断予測部３１を、制御装置４０内にプログラムをインストールすることにより設けてもよい。この場合には、材料試験機１の本体制御部１７は、通信部３６を備え、動作が制御装置４０によりリモートコントロールされるように構成されていればよい。

また、上述した実施形態においては、負荷機構動力源２２として、一対のねじ棹を回転させることでクロスヘッド１３を昇降させるモータを採用した材料試験機１にこの発明を適用した場合について説明したが、この発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、負荷機構動力源２２として、油圧シリンダと油圧源を採用する材料試験機にこの発明を適用してもよい。

さらに、上述した実施形態においては、引張試験を行う材料試験機について説明したが、複数台の材料試験機で試験システムを構成する場合の材料試験機は、圧縮試験や疲労試験を行う材料試験機であってもよい。また、試験片１０の予想破断情報を受信する材料試験機は、試験片１０の破断を伴う試験を実行する材料試験機だけではなく、曲げ試験を行う材料試験機であってもよい。

１材料試験機
１０試験片
１１上つかみ具
１２下つかみ具
１３クロスヘッド
１４カバー
１５基台
１６ロードセル
１７本体制御部
１８表示部
１９操作部
２１変位計
２２負荷機構駆動源
２６ネットワーク
３１破断予測部
３２動作延期部
３３入力リセット部
３４記憶部
３６通信部
４０制御装置
４１表示部
４２入力部
１０１壁

Claims

試験片に試験荷重を与える負荷機構と、前記負荷機構を制御する本体制御部を備える材料試験機であって、
前記本体制御部は、
過去の試験時間データに基づいて、前記試験片が破断するときを予測する破断予測部と、
前記破断予測部による予測結果を予想破断情報として外部に送信するとともに、同一施設内に配設されている他の材料試験機の前記予想破断情報を受信する通信部と、
前記予想破断情報を表示する表示部と、
を備え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、
前記本体制御部は、
前記通信部により受信した、同一施設内に配設されている他の材料試験機の前記予想破断情報に基づいて、オペレータにより入力された試験開始命令に対する前記負荷機構による前記試験片に試験負荷を与える動作の開始を、所定の時間だけ延期する動作延期部をさらに備える材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記本体制御部は、
前記通信部により受信した、同一施設内に配設されている他の材料試験機の前記予想破断情報に基づいて、オペレータにより入力された試験開始命令を無効にするリセット部をさらに備える材料試験機。
複数台の材料試験機とデータ通信を行う制御装置により、前記複数台の材料試験機の試験スケジュールを管理するとともに稼働状況を監視する材料試験システムであって、
前記複数台の材料試験機の各々は、前記制御装置との間で情報を送受信する通信部と、試験中に過去の試験時間データに基づいて試験片が破断するときを予測する破断予測部と、を有する本体制御部を備え、
前記制御装置は、前記複数台の材料試験機の各々から前記破断予測部による予測結果である予想破断情報を受信し、前記複数台の材料試験機のうち、予測された前記試験片が破断するときに試験が開始される材料試験機の試験開始時刻を変更するスケジュール変更を実行することを特徴とする材料試験システム。
複数台の材料試験機とデータ通信を行う制御装置により、前記複数台の材料試験機の試験スケジュールを管理するとともに稼働状況を監視する材料試験システムであって、
前記複数台の材料試験機の各々は、前記制御装置との間で情報を送受信する通信部を備え、
前記制御装置は、前記複数台の材料試験機の各々から受信する試験中の試験データと過去の試験時間データとに基づいて前記複数台の材料試験機の各々における試験片が破断するときを予測する破断予測部を備え、前記破断予測部による予測結果である予想破断情報に基づいて、前記複数台の材料試験機のうち、予測された前記試験片が破断するときに試験が開始される材料試験機の試験開始時刻を変更するスケジュール変更を実行することを特徴とする材料試験システム。