JP6642371B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

この発明は、負荷機構を動作させて試験片に試験力を付与することにより材料試験を行う材料試験機に関する。

材料試験機は、試験片に引張や圧縮などの負荷を与えるために、ボールねじとナットなどの溝が形成された部材の噛み合いにより、電動モータや油圧装置などの駆動源からの動力を伝達し、クロスヘッドなどの負荷部材を移動させる負荷機構を備えている。このような材料試験機による材料試験において、試験力や変位の単位時間あたりの変化量を一定とする試験においては、その変化量をもとにフィードバック制御が実施される（特許文献１から特許文献３参照）。このときの制御パラメータは、オペレータが設定するか、あるいは、制御装置自体が試験開始の初期変化量をもとに決定している。

材料試験機に試験片を取り付ける際には、負荷枠内に配設された一対のつかみ具に、試験片の両端を強くつかませるため、試験片に圧縮や引張の力が加わる。このつかみ具から受ける初期荷重は、試験結果に影響するため、試験片装着後にオペレータが手動でクロスヘッドを移動させて除去するか、材料試験機が自動で除去するかの対応が取られている。特許文献４には、試験片をつかみ具に装着後、試験荷重を負荷する前の初期荷重を検出し、その検出値の方向と大きさにより、クロスヘッドの位置を変位させ、初期荷重を自動的に除去しうるように構成された試験片荷重除去装置が開示されている。

特開２００５−３３７８１２号公報 特開２０１０−４８７４０号公報 特開２０１４−６０９５号公報 特開昭５８−７６７３５号公報

試験片装着時の初期荷重を除去する場合、試験片にかかる試験力が目標値（例えば、０Ｎ：ニュートン）となるように、材料試験機の制御装置が、電動モータや油圧などの負荷機構の駆動源を動作させる。このような制御動作は、試験開始の直前まで続けられる。

一方、負荷機構には、ボールねじなどのいくつかの部材の噛み合いによって、駆動源からの動力を伝達する部材が採用されているため、バックラッシの存在が問題となる。特許文献１や特許文献２に示す材料試験機は、駆動源であるモータの回転をボールねじである一対のねじ棹に伝達し、このねじ棹にナットを介して両端を螺合させたクロスヘッドを、ねじ棹の同期した回転に従って上下動させている。このような材料試験機で、例えば、クロスヘッドを下方向に移動させた後に、上方向に移動させる引張試験を試験片１００に対して実行した場合、バックラッシの存在により、試験開始直後ではモータの駆動に対してクロスヘッドの移動が伴わない時間が生じる。特に、試験力や変位の単位時間当たりの変化量を一定に制御する試験条件（試験力制御、ストローク制御）の場合、試験開始直後の情報から制御パラメータを同定するため、試験開始の直前には、試験中のクロスヘッドの移動方向に対して、負荷機構のバックラッシはゼロの状態であること望ましい。

初期荷重の除去動作の終了時、クロスヘッドが試験時に試験片に試験荷重がかかる方向（試験方向）に移動してきた状態で停止していれば、試験が実行されるときには試験方向に対するバックラッシはゼロの状態である。しかしながら、初期荷重を除去する動作は、目標値近傍となるように制御しているため、試験開始時に、バックラッシがクロスヘッドの移動方向との関係で順方向側に存在するのか、逆方向側に存在するのか、その状態は不明である。試験方向のバックラッシの有無が試験結果に影響するため、常に試験力とクロスヘッドの位置との関係を正しく測定することができないという問題が生じる。

また、特許文献３のように油圧によりラムシリンダの動作を制御して試験片に付与する試験力を制御する場合には、初期荷重を除去する動作で、ラムの移動方向が試験方向と逆であると、試験実行時のラムの動きに時間遅れが発生する。このため、試験開始直後では、実際には試験片に試験力が与えられていない状態となる。

このように、噛み合い部材のバックラッシやラムの時間遅れなど、負荷機構を動作させる前後の状態に起因した、想定される試験力が検出できない要因の存在は、自動制御を行う材料試験機では、試験制御に支障をきたす原因となる。すなわち、自動制御では、材料試験の試験開始直後の試験力を利用して試験片の剛性を予測しているため、試験片の剛性が過度に小さく評価され、適切な試験力制御ができないという問題が生じる。

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、材料試験開始直前の負荷機構の状態を材料試験実行の可否の条件とすることにより、高精度な試験制御を実現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、負荷部材を移動させて試験片に試験力を付与する負荷機構と、前記負荷機構の移動を制御する制御装置とを備える材料試験機であって、前記制御装置は、試験開始の命令が入力されたときに、前記負荷機構の試験開始前の制御方向を確認して試験開始前の前記制御方向が試験方向と同一方向であるか否かを判定する判定部と、前記判定部により試験開始前の前記制御方向が前記試験方向と同一方向であると判定された場合に試験を実行し、試験開始前の前記制御方向が前記試験方向と同一方向でない場合に試験開始の命令を無効にする試験実行制御部と、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、前記制御装置は、前記試験実行制御部が試験開始の命令を無効にしたときに、試験開始前に前記負荷部材を移動させる方向を表示部に表示する。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、試験開始前の負荷部材の移動方向と試験方向が一致していることが確認され、試験開始前の移動方向と試験方向が一致しない状態、すなわち、バックラッシなどの負荷機構の動作命令に対する時間遅れが生じうる状態となったときに試験の実行が中止される。このため、材料試験をより精度よく実行することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、試験実行の動作が停止されたときに、試験開始前に負荷機構を動かしておくべき方向を表示部に表示するようにしたことで、オペレータは、負荷機構に実行させる動作を容易に理解することができる。これにより、誤った方向への負荷部材の移動を防止することができる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 この発明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。 試験開始時の制御手順を示すフローチャートである。

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。図２は、この発明に係る材料試験機の制御系を示すブロック図である。

この材料試験機は、基台１１とクロスヨーク１５とにわたり回転可能に立設された左右一対のねじ棹１２を備える。このねじ棹１２は、ボールねじから構成される。また、この材料試験機は、クロスヘッド１４を備える。このクロスヘッド１４の両端付近には、ねじ棹１２に螺合するボールねじ用のナット１３が内蔵されている。

また、この材料試験機は、サーボモータ２３と、このサーボモータ２３の回転情報を取得するロータリエンコーダ２４とを備える。サーボモータ２３の回転力は、サーボモータ２３の回転軸２６に配設された同期プーリ２５、同期ベルト２８、同期プーリ２７を介して回転軸２６に伝達される。回転軸２６の両端部には複数のギアを有するギアボックス２１が配設されており、回転軸２６の回転力が一対のねじ棹１２の回転力に変換され、一対のねじ棹１２が同期して回転する。そして、一対のねじ棹１２が同期して回転することにより、クロスヘッド１４が昇降する。

クロスヘッド１４には、上つかみ具３１が、ロードセル１６を介して支持されている。また、基台１１には、下つかみ具３２が支持されている。図１において仮想線で示すように、試験片１００は、これらの上つかみ具３１および下つかみ具３２によりその両端を把持される。この状態において、クロスヘッド１４が上昇することにより、試験片１００に対して引張試験力が付与され、材料試験としての引張試験が実行される。なお、上つかみ具３１および下つかみ具３２を圧盤等に変更することにより、試験片に対して圧縮試験を実行することも可能となっている。

この材料試験機は、論理演算を実行するプロセッサーとしてのＣＰＵと、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭと、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭと、各種の試験条件や測定結果等を蓄えるハードディスクなどを備えた制御装置４０を有する。試験片１００に付与される試験力は、ロードセル１６により検出され、その検出信号は、制御装置４０に送信される。また、試験片１００の伸びは、変位計１７により検出され、その検出信号は、制御装置４０に送信される。制御装置４０は、サーボモータ２３を駆動源とするねじ棹１２の回転により負荷部材であるクロスヘッド１４を移動させる負荷機構を、試験力または変位を制御量としてフィードバック制御する。

制御装置４０には、ＬＣＤタッチパネルからなる入力表示部１８が接続され、オペレータによる試験条件の入力や、クロスヘッド１４を任意に昇降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が可能となっている。また、制御装置４０には、ロータリエンコーダ２４の信号が入力され、ロータリエンコーダ２４の検出値に基づいて、クロスヘッド１４に位置および移動方向が監視される。クロスヘッド１４の位置や移動方向、ロードセル１６により検出された試験力等は、入力表示部１８に表示される。

この制御装置４０は、機能的構成として、材料試験の試験方向を含む試験条件を記憶する試験情報記憶部４１と、負荷機構の試験開始前の制御方向を含む動作内容を記憶する動作記憶部４２と、試験開始前の制御方向と実行しようとする試験の試験方向が一致しているか否かを判定する判定部４３と、試験開始前の制御方向と実行しようとする試験の試験方向が一致していなかった場合に、試験開始命令を無効にして試験実行を中止する試験実行制御部４４とを備える。

このような構成の材料試験機において、制御装置４０による材料試験開始時の制御について説明する。図３は、試験開始時の制御手順を示すフローチャートである。

試験条件は、オペレータにより予め入力表示部１８から入力され、試験情報記憶部４１に記憶される。試験条件には、試験の種別、試験時の負荷機構の制御モード、試験力などのパラメータが含まれる。なお、ここでは、試験の種別として引張試験が選択されているものとする。試験片１００の材料試験機への取り付けが終わると、オペレータは、入力表示部１８から試験スタートの操作を行う。これにより、制御装置４０に試験開始命令が入力される（ステップＳ１）。

試験片１００には、両端を上つかみ具３１および下つかみ具３２により把持される際に、引張や圧縮の試験力（初期荷重）がかかる。この試験力は試験結果に影響を及ぼすため、オペレータは、試験スタートの入力操作の前に、クロスヘッド１４を移動させて試験力を除去する初期荷重除去動作を行う。初期荷重除去動作中の試験力はロードセル１６により検出され、入力表示部１８に表示される。

初期荷重除去動作は、予め設定した目標値に近づくように負荷機構の動作命令を記述したプログラムに従って制御装置４０が自動で行ってもよく、オペレータが入力表示部１８からジョグアップまたはジョグダウンを選択することにより、手動で行ってもよい。この場合、オペレータは、入力表示部１８に表示される試験力の値がゼロに近づいたことを目視で確認しながら初期荷重除去を実行する。なお、自動での初期荷重除去動作の実行は、オペレータが入力表示部１８のタッチパネルを操作することにより、必要に応じて選択できるようにすることが好ましい。

初期荷重除去時の負荷部材の移動方向を示す負荷機構の制御方向は、動作記憶部４２に記憶される。ここでの制御方向は、初期荷重をゼロに近づけるためにクロスヘッド１４を移動させた方向であり、サーボモータ２３に対する回転方向を含む指令信号から取得できる。

制御装置４０に試験開始命令が入力されると、動作記憶部４２に記憶されている制御方向が読み出され（ステップＳ２）、設定されている試験条件で試験片１００に試験力を与える方向（試験方向）と、読み出された制御方向とが一致しているか否かが判定される（ステップＳ３）。この判定は、判定部４３の作用により実行される。なお、動作記憶部４２に記憶されている制御方向は、負荷機構が動作するごとに書き換えられる。したがって、動作記憶部４２には、常に直前の負荷機構動作時の制御方向が記憶され、判定部４３では、試験スタート入力直前の制御方向と試験方向とが対比されることになる。

判定部４３での判定で、制御方向と試験方向とが一致していないと判定された場合には（ステップＳ３）、試験スタートの入力がリセットされ、試験開始命令が無効にされる（ステップＳ５）。この実施形態では、試験の種別として引張試験が選択されていることから、試験開始前にクロスヘッド１４が動いた方向が下方向であった場合には、試験方向の上方向と制御方向が一致しないことになる。この場合には、ねじ棹１２とナット１３との噛み合いにおいて、試験方向と同じ方向（順方向）にバックラッシがあることになり、試験の実行が中止される。このように、この発明の制御方向と試験方向との関係から試験方向の順方向にバックラッシが存在している状態であるか否かを判断することで、判定部４３による材料試験実行の可否を判断している。なお、試験スタートの入力のリセットは、試験実行制御部４４の作用により実行される。

試験実行制御部４４により試験スタートの入力がリセットされ、試験実行が中止されたときには、オペレータは、設定されている試験条件の試験方向と同じ方向にクロスヘッド１４を移動させるために、入力表示部１８を介してジョグアップを行う。ジョグアップが終了すると、動作記憶部４２に記憶されている制御方向が書き換えられる。この状態で、オペレータが再度試験スタートを入力すると、判定部４３で、制御方向と試験方向が一致していると判定され（ステップＳ３）、試験が実行される（ステップＳ４）。このように、この発明に係る材料試験機では、試験開始前に負荷機構を駆動したときにクロスヘッド１４がどの方向に移動して止まったのかなどのクロスヘッド１４の状態、すなわち負荷機構の状態を試験実行の可否の条件として、試験実行制御部４４により、試験の実行または中止を制御している。

以上のように、この発明に係る材料試験機によれば、バックラッシを取り除いた状態で試験を実行することから、材料試験をより精度よく実行することが可能となる。すなわち、この発明に係る材料試験機では、負荷機構の状態を材料試験実行の可否の条件とすることにより、高精度の試験制御を実現することが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、上つかみ具３１および下つかみ具３２により試験片１００の両端を把持して引張試験を実行する材料試験機にこの発明を適用した場合について説明したが、圧縮試験を実行する材料試験機等のその他の材料試験機に対してこの発明を適用してもよい。

また、上述した実施形態においては、ねじ棹１２を回転させることにより負荷部材であるクロスヘッドを昇降させて試験片に負荷を与える材料試験機にこの発明を適用した場合について説明したが、油圧によりラムシリンダを駆動して、テーブルを移動させることにより試験片に引張荷重や圧縮荷重を与える負荷機構を備えるその他の材料試験機に対して、この発明を適用することもできる。

１１ 基台
１２ ねじ棹
１３ ナット
１４ クロスヘッド
１５ クロスヨーク
１６ ロードセル
１７ 変位計
１８ 入力表示部
２１ ギアボックス
２３ サーボモータ
２４ ロータリエンコーダ
２６ 回転軸
３１ 上つかみ具
３２ 下つかみ具
４０ 制御装置
４１ 試験情報記憶部
４２ 動作記憶部
４３ 判定部
４４ 試験実行制御部
１００ 試験片

Claims (2)

1. 負荷部材を移動させて試験片に試験力を付与する負荷機構と、前記負荷機構の移動を制御する制御装置とを備える材料試験機であって、
   前記制御装置は、
   試験開始の命令が入力されたときに、前記負荷機構の試験開始前の制御方向を確認して試験開始前の前記制御方向が試験方向と同一方向であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部により試験開始前の前記制御方向が前記試験方向と同一方向であると判定された場合に試験を実行し、試験開始前の前記制御方向が前記試験方向と同一方向でない場合に試験開始の命令を無効にする試験実行制御部と、を備え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、
   前記制御装置は、前記試験実行制御部が試験開始の命令を無効にしたときに、試験開始前に前記負荷部材を移動させる方向を表示部に表示する材料試験機。

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