JP6658383B2

JP6658383B2 - 材料試験機

Info

Publication number: JP6658383B2
Application number: JP2016147149A
Authority: JP
Inventors: 博志辻
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: JP2018017579A

Description

この発明は、モータの駆動によりクロスヘッドを移動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。

図１は、このような材料試験機の基本的な構成を示す概要図である。

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と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、治具としての上つかみ具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。

このような材料試験機においては、上つかみ具３１や下つかみ具３２等の治具としては各種のサイズのものが使用される。一方、試験片１００を上つかみ具３１および下つかみ具３２に装着する前にクロスヘッド１４を高速で移動させるリターン動作等を実行したときに、クロスヘッド１４が大きく下降した場合等においては、上つかみ具３１と下つかみ具３２とが衝突してしまう可能性がある。このような衝突が生じた場合に、ロードセル１６に対して最大許容試験力（例えば、ロードセル１６の定格容量の２００％程度の力）が付与されたときには、ロードセル１６が損傷してしまうという問題が生ずる。このため、従来の材料試験機においては、ロードセル１６に付与される力が一定以上となれば、クロスヘッド１４を停止させてロードセル１６の破損を防止する機構が採用されている（特許文献１参照）。

特開平１１−２３４３４号公報

このようなロードセル１６の損傷を防止するための構成として、ロードセル１６の検出値が所定値を越えたときに、クロスヘッド１４を移動させているサーボモータ２３の回転を停止させるという構成が採用される場合がある。しかしながら、このような構成を採用した場合においては、クロスヘッド１４等の慣性力により、ロードセル１６の検出値が所定値を越えた位置からクロスヘッド１４がさらに移動してから停止する場合があり、ロードセル１６が損傷することがある。

また、このようなロードセルの損傷１６を防止する構成として、ロードセル１６の検出値が所定値を越えたときに、サーボモータ２３を駆動制御するサーボアンプの偏差カウンタをクリアした後、サーボモータ２３を減速停止させ、サーボモータ２３を偏差カウンタがクリアされた位置まで戻す構成が採用される場合がある。しかしながら、このような構成を採用した場合においても、クロスヘッド１４の停止位置はロードセルの検出値が所定値を越えた状態の位置となることから、ロードセル１６に負荷がかかったままの状態となり、また、ロードセル１６への力が所定値を越えてからそれを検出するまでに時間がかかった場合等においては、ロードセル１６に大きな力がかかったままの状態となることから、ロードセル１６が損傷することがある。

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、ロードセルの損傷をより確実に防止する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、試験片を把持または押圧する治具を備えたクロスヘッドと、前記試験片に付与される試験力を検出するロードセルと、前記クロスヘッドに配設されたナットと螺合するねじ棹と、前記ねじ棹を回転駆動するサーボモータと、前記サーボモータを駆動制御するサーボアンプと、を備えた材料試験機において、前記サーボアンプの駆動により前記クロスヘッドが第１の方向に移動している状態で前記ロードセルの検出値が設定値を超えたことを検知したときに、前記サーボアンプにおける偏差カウンタをクリアすることにより前記クロスヘッドを前記第１の方向と逆の方向である第２の方向に移動させて前記検知時の位置まで復帰させるとともに、前記クロスヘッドを前記第２の方向に、ロードセルに対してロードセルの定格試験力が付与されたときにロードセル単体が変形する大きさに相当する距離以上の距離として予め設定された距離だけさらに移動させることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、サーボアンプにおける偏差カウンタをクリアすることによりクロスヘッドを第１の方向と逆の方向である第２の方向に移動させて検知時の位置まで復帰させるとともに、クロスヘッドを第２の方向に予め設定された距離だけさらに移動させることから、ロードセルの損傷をより確実に防止することが可能となる。

材料試験機の基本的な構成を示す概要図である。この発明に係る材料試験機における負荷検出とサーボモータ２３の制御に関する制御系を示すブロック図である。保護動作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２は、この発明に係る材料試験機における負荷検出とサーボモータ２３の制御に関する制御系を示すブロック図である。なお、材料試験機の機械的な構成は、図１に示すものと同様であることから、詳細な説明を省略する。

この材料試験機においては、ロードセル１６で検出された試験力信号は、Ａ／Ｄ変換器５１によりデジタル変換された後、デジタルフィルタ５２とデジタルフィルタ５５とに送られる。デジタルフィルタ５２は、比較的低速であるが精度の高いフィルタ処理を実行するものであり、デジタルフィルタ５２からの信号は、試験力値換算部５３において試験力値に換算され、試験力表示器５４に送信される。試験力表示器５４においては、現在の試験力が表示される。

一方、デジタルフィルタ５５としては、遅れ時間の短いものが選択される。すなわち、デジタルフィルタ５５は、サンプリング数が少なく精度はある程度低くはなるが、試験力が一定値を越えたときに迅速に反応するものが使用される。そして、デジタルフィルタ５５からの信号は、過負荷検出部５６に送信され、過負荷検出部５６においては、デジタルフィルタ５５からの信号が設定値を超えているか否かを判断し、設定値を超えている場合には過負荷であると判断する。

この設定値は、例えば、ロードセル１６の定格の１５０パーセントである。すなわち、デジタルフィルタ５５からの信号が、例えば、ロードセルの定格の１５０パーセントを超えている場合には、過負荷であると判断し、過負荷である旨の信号を位置制御部５７に送信する。なお、このときには、ロードセル１６に対して上方向に１５０パーセントを超える負荷が付与された場合と、下方向に１５０パーセントを超える負荷が付与された場合のいずれの場合においても、過負荷であるとの判断がなされる。

位置制御部５７は、通常の材料試験時においては、材料試験全体を制御する試験制御部５８から材料試験に応じたクロスヘッド１４の制御信号を受信し、その内容に従ってサーボアンプ５９に対して位置指令信号を送信している。そして、サーボモータ２３は、サーボアンプ５９からの位置指令信号に応じて回転する。

これに対して、過負荷検出部５６が過負荷を検出し、その信号を位置制御部５７に送信した場合においては、位置制御部５７は、通常の材料試験時における試験制御部５８からの信号を遮断するとともに、ロードセル保護動作を実行するための信号をサーボアンプ５９に送信し、サーボモータ２３はサーボアンプ５９からの信号に応じて保護動作を実行する回転動作を行う。

なお、上述したデジタルフィルタ５５、過負荷検出部５６および位置制御部５７を単一のＦＰＧＡで構成することにより、低コストでありながら、上述した処理を高速で実行することが可能となる。

図３は、上述した保護動作を示すフローチャートである。

過負荷検出部５６がデジタルフィルタ５５からの信号が設定値を超えていることから過負荷を検出したときには（ステップＳ１）、位置制御部５７はサーボアンプ５９に対して、サーボアンプ５９の偏差カウンタをクリアするための偏差カウンタクリア信号を送信する（ステップＳ２）。また、位置制御部５７は、サーボアンプ５９に対して、クロスヘッド１４が移動していた方向（第１の方向）と逆の方向（第２の方向）に一定距離だけ移動させるための位置指令を送信する（ステップＳ３）。

これにより、サーボモータ２３が減速停止する（ステップＳ４）。そして、サーボモータ２３が逆回転を開始し、クロスヘッド１４を、設定値を超えたと検知した時の位置まで復帰させるとともに、クロスヘッド１４を予め設定された距離だけさらに移動させる（ステップＳ５）。なお、この予め設定された距離とは、ロードセル１６に対して、ロードセル１６の定格試験力が付与されたときにロードセル１６単体が変形する大きさに相当する距離として設定された距離であり、例えば、０．１ミリメートルから０．５ミリメートル程度の距離である。

このように、上述した材料試験機によれば、サーボアンプ５９における偏差カウンタをクリアすることによりクロスヘッド１４を逆方向に移動させて過負荷検知時の位置まで復帰させるとともに、クロスヘッド１４を予め設定された距離だけさらに移動させることから、ロードセル１６の損傷をより確実に防止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、例えば、圧盤等の治具を使用して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。

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
２１ギアボックス
２３サーボモータ
２４ロータリエンコーダ
３１上つかみ具
３２下つかみ具
５２デジタルフィルタ
５５デジタルフィルタ
５６過負荷検出部
５７位置制御部
５８試験制御部
５９サーボアンプ
１００試験片

Claims

試験片を把持または押圧する治具を備えたクロスヘッドと、
前記試験片に付与される試験力を検出するロードセルと、
前記クロスヘッドに配設されたナットと螺合するねじ棹と、
前記ねじ棹を回転駆動するサーボモータと、
前記サーボモータを駆動制御するサーボアンプと、
を備えた材料試験機において、
前記サーボアンプの駆動により前記クロスヘッドが第１の方向に移動している状態で前記ロードセルの検出値が設定値を超えたことを検知したときに、前記サーボアンプにおける偏差カウンタをクリアすることにより前記クロスヘッドを前記第１の方向と逆の方向である第２の方向に移動させて前記検知時の位置まで復帰させるとともに、前記クロスヘッドを前記第２の方向に、ロードセルに対してロードセルの定格試験力が付与されたときにロードセル単体が変形する大きさに相当する距離以上の距離として予め設定された距離だけさらに移動させることを特徴とする材料試験機。