JP6866830B2 - 材料試験機および把持力検出方法 - Google Patents

材料試験機および把持力検出方法 Download PDF

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Description

この発明は、試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与することにより引張試験を行う材料試験機およびこの材料試験機における把持力検出方法に関する。
このような材料試験機に使用されるつかみ具は、例えば、ナットを回転させることにより試験片を挟持する一対のつかみ歯を移動させ、試験片をつかみ具に固定させる構成となっている。このような構成を有するつかみ具においては、つかみ具による試験片の把持力は、ナットを回転させる時のトルクの大きさと比例する（特許文献１参照）。
特開２００２−１３９４１１号公報
このような材料試験機においては、試験片をつかみ具によって適正な把持力で把持した状態で材料試験を実行しないと、正確な試験結果を得ることができない。しかしながら、試験片が適正な把持力で把持されているか否かを確認することは困難であり、材料試験を完了した後に、その試験結果を確認したり、試験片における把持領域の表面を目視で確認することしか試験片が適正に把持されていたか否かを確認することはできなかった。
また、試験片をつかみ具によって把持するときに、トルクレンチ等を使用して把持力を測定することも不可能ではないが、その作業は極めて煩雑であり、また、作業者によってバラツキを生ずるという問題がある。
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、簡単な構成でありながら、つかみ具により試験片が適正な把持力で把持されているか否かを容易に判断することが可能な材料試験機および把持力検出方法を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明は、試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与することにより引張試験を行う材料試験機において、前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具により前記試験片を適正な把持力で把持したときの、前記試験片と前記一方のつかみ具とを含む系の固有振動数を、適正固有振動数として記憶する記憶部と、引張試験開始前に前記一方のつかみ具により前記試験片を把持したときの、前記試験片と前記一方のつかみ具とを含む系の固有振動数を、試験開始前固有振動数として測定する試験開始前固有振動数測定手段と、前記試験開始前固有振動数と前記適正固有振動数とを比較する比較部と、を備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与するとともに、前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具に接続された力検出器で引張試験力を測定することにより引張試験を行う材料試験機において、前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの前記力検出器による力の検出値に基づいて、前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を演算する演算部と、前記力検出器に接続されたつかみ具により前記試験片を適正な把持力で把持した状態において前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの、前記演算部により演算した前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を、適正固有振動数として記憶する記憶部と、引張試験開始前に前記力検出器に接続されたつかみ具により前記試験片を把持した状態において前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの、前記演算部により演算した前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を、試験開始前固有振動数とし、当該試験開始前固有振動数を前記記憶部に記憶した適正固有振動数と比較する比較部と、を備えたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、前記試験開始前固有振動数が前記適正固有振動数以上のときに材料試験の開始を許容するとともに、前記試験開始前固有振動数が前記適正固有振動数より小さいときに警告表示を行う制御部を備える。
請求項４に記載の発明は、試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与することにより引張試験を行う材料試験機において、前記試験片が前記つかみ具に適正な把持力で把持されているか否かを検出する把持力検出方法であって、前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具により前記試験片を適正な把持力で把持したときの前記試験片と前記一方のつかみ具とを含む系の固有振動数を、適正固有振動数として記憶する適正固有振動数記憶工程と、引張試験開始前に前記一方のつかみ具により前記試験片を把持したときの、前記試験片と前記一方のつかみ具とを含む系の固有振動数を、試験開始前固有振動数として測定する試験開始前固有振動数測定工程と、前記試験開始前固有振動数と前記適正固有振動数とを比較する比較工程と、を含むことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与するとともに、前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具に接続された力検出器で引張試験力を測定することにより引張試験を行う材料試験機において、前記試験片が前記つかみ具に適正な把持力で把持されているか否かを検出する把持力検出方法であって、前記力検出器に接続されたつかみ具により前記試験片を適正な把持力で把持した状態において前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの、前記力検出器による力の検出値を測定する第１測定工程と、前記第１測定工程において測定された前記力検出器による力の検出値に基づいて、前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を適正固有振動数として演算する適正固有振動数演算工程と、引張試験開始前に前記力検出器に接続されたつかみ具により前記試験片を把持した状態において前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの、前記力検出器による力の検出値を測定する第２測定工程と、前記第２測定工程において測定された前記力検出器による力の検出値に基づいて、前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を試験開始前固有振動数として演算する試験開始前固有振動数演算工程と、前記試験開始前固有振動数と前記適正固有振動数とを比較する比較工程と、を含むことを特徴とする。
請求項１から請求項５に記載の発明によれば、試験片と力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数に基づいて、つかみ具により試験片が適正な把持力で把持されているか否かを容易に判断することが可能となる。このため、簡易な構成でありながら、試験片を適正に把持させることができ、正確な材料試験を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、本来的の材料試験機に備わっている力検出器の振動データに基づいて把持力が適正か否かを判断するから、追加構成が不要となって簡単に把持力適否の判断を実行できる。
請求項３に記載の発明によれば、試験片がつかみ具により適正に把持されたときにのみ試験を実行することができるとともに、つかみ具による把持力が適正でないときにはそれを認識することが可能となる。
この発明に係る材料試験機の概要図である。 上つかみ具２１付近の拡大図である。 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。 この発明に係る材料試験機により引張試験を開始するときの動作を示すフローチャートであり、固有振動数を測定する適正固有振動数測定工程を示している。 この発明に係る材料試験機により引張試験を開始するときの動作を示すフローチャートであり、適正な把持力で把持されているか否かを確認するための試験開始前固有振動数測定工程を示している。 ある試験片に対する把持力と、その試験片やつかみ具等を含む系の固有振動数との関係を示すグラフである。
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。
この材料試験機は、試験片１０に対して引張試験を実行するためのものであり、基台１１と、この基台１１上に立設された左右一対のねじ棹１２と、左右一対のねじ棹１２と螺合するナット部を備え、ねじ棹１２に対して昇降するクロスヘッド１５とを備える。クロスヘッド１５には、上つかみ具２１が、軸心調整機構１３および力検出器であるロードセル１４を介して配設されている。また、基台１１には下つかみ具２２が固定されている。試験片１０は、その両端をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持される。
一対のねじ棹１２の下端部には、各々、同期ベルト１６と係合する同期プーリー１７が配設されている。また、この同期ベルト１６は、モータ１９の駆動により回転する同期プーリー１８とも係合している。このため、一対のねじ棹１２は、モータ１９の駆動により同期して回転する。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１５は、一対のねじ棹１２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１４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２３により検出される。ロードセル１４および変位計２３からの信号は後述する制御部４０に入力される。制御部４０は、ロードセル１４および変位計２３からの信号に基づいて、モータ１９の駆動制御信号を作成する。これにより、モータ１９の回転が制御され、試験片１０に対する引張試験が実行される。
図２は、上つかみ具２１付近の拡大図である。
この上つかみ具２１は、試験片１０を両側から挟むように把持するための一対のつかみ歯２８を備える。この一対のつかみ歯２８による試験片１０の把持力は、上つかみ具２１におけるハンドル２９を回転させることにより調整される。このような構成は、材料試験機においてマニュアル操作により試験片を把持するつかみ具として一般的な構成であり、例えば、上述した特許文献１にも同様のつかみ具の構成が記載されている。
図３は、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。
この発明に係る材料試験機は、プロセッサーを有し装置全体を制御する制御部４０を備える。この制御部４０は、上述したモータ１９、変位計２３およびロードセル１４と接続されている。また、この制御部４０は、各種のデータの表示および後述する警告表示を行うためのＬＣＤタッチパネル等から構成される表示部４４と接続されている。
また、制御部４０は、ロードセル１４による力の検出値に基づいて、試験片１０とロードセル１４に接続された上つかみ具２１とを含む系の固有振動数を演算するためのこの発明に係る演算部としてのＦＦＴ変換部４１と、ロードセル１４を介して接続されている。
また、制御部４０は、ＦＦＴ変換部４１により演算した固有振動数を記憶するための記憶部４３と接続されている。さらに、制御部４０は、試験開始前にＦＦＴ変換部４１により演算した固有振動数と記憶部４３に記憶した固有振動数とを比較する比較部４２とも接続されている。なお、上記のＦＦＴ変換部４１、比較部４２、および、記憶部４３は制御部４０内の構成として制御部４０に含まれていてもよい。
次に、以上のような構成を有する材料試験機により材料試験を開始するときの動作について説明する。図４および図５は、この発明に係る材料試験機により引張試験を開始するときの動作を示すフローチャートである。ここで、図４は、試験片１０を上つかみ具２１により適正な把持力で把持したときの試験片１０とロードセル１４に接続された上つかみ具２１とを含む系の固有振動数を測定する適正固有振動数測定工程を示し、図５は、試験片１０が上つかみ具２１により適正な把持力で把持されているか否かを確認するための試験開始前固有振動数測定工程を示している。
適正固有振動数測定工程においては、上つかみ具２１により試験片１０を適正な把持力で把持したときの試験片１０とロードセル１４に接続された上つかみ具２１とを含む系の固有振動数を適正固有振動数として測定する。これは、試験片１０が大きな把持力で把持されたときには、試験片１０とロードセル１４に接続された上つかみ具２１とを含む系の固有振動数も大きくなることが見出されたことによるものである。
図６は、ある試験片に対する把持力と、その試験片やつかみ具等を含む系の固有振動数との関係を示すグラフである。
このグラフに示すように、試験片に対する把持力が大きくなれば、試験片やつかみ具等を含む系の固有振動数も大きくなる。このグラフに示す条件の場合においては、材料試験を適正に実行するのに必要な試験力が、例えば、２０（Ｎ・ｍ）であるとすれば、試験片やつかみ具等を含む系の固有振動数が１６ｋＨｚ以上となればよいことになる。
再度図４を参照して、適正固有振動数測定工程においては、最初に、試験片１０を上つかみ具２１に装着する（ステップＳ１１）。そして、図２に示す上つかみ具２１におけるハンドル２９を回転させ、試験片１０を一対のつかみ歯２８により適正な把持力となる状態で挟持する。このときの試験片１０の把持力の測定は、引張試験の開始時に一度だけ実行すればよいことから、トルクレンチ等を使用して測定してもよく、実際に試験片１０に引張試験力を付与することにより測定してもよい。
試験片１０を適正な把持力で把持した後（ステップＳ１２）、上つかみ具２１を打撃する（ステップＳ１３）。このときには、図２において矢印で示すように、上つかみ具２１の下端部を、ハンマー等により、引張試験時の試験片１０への試験力の付与方向と同一方向に向けて打撃することで振動を与える。
そして、打撃後のロードセル１４による力の測定値を測定し、この測定値をＦＦＴ変換部４１に入力する。ＦＦＴ変換部４１においては、ロードセル１４による力の測定値をＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）変換する。そして、ＦＦＴ変換後の波形のピークから、試験片１０とロードセル１４に接続された上つかみ具２１とを含む系の固有振動数を演算する（ステップＳ１４）。ここで、ＦＦＴ変換は、高速フーリエ変換とも呼称され、離散フーリエ変換を計算機上で高速に計算するためのアルゴリズムである。
演算された試験片１０とロードセル１４に接続された上つかみ具２１とを含む系の固有振動数は、適正固有振動数として、記憶部４３に記憶される（ステップＳ１５）。
以上の準備工程が終了すれば、試験片１０に対する引張試験を開始する。このときには、実際に試験を開始する前に、試験片１０が上つかみ具２１により適正な把持力で把持されているか否かを確認するための、図５に示す試験開始前固有振動数測定工程を実行する。
試験開始前固有振動数測定工程においては、まず、次に試験を行うべき試験片１０を上つかみ具２１に装着する（ステップＳ２１）。そして、上つかみ具２１を打撃する（ステップＳ２２）。このときには、上述した適正固有振動数測定工程と同様、図２において矢印で示すように、上つかみ具２１の下端部を、ハンマー等により、引張試験時の試験片１０への試験力の付与方向と同一方向に向けて打撃する。
そして、打撃後のロードセル１４による力の測定値を測定し、この測定値をＦＦＴ変換部４１に入力する。ＦＦＴ変換部４１においては、ロードセル１４による力の測定値をＦＦＴ変換することにより、試験片１０とロードセル１４に接続された上つかみ具２１とを含む系の固有振動数を演算する（ステップＳ２３）。
演算された試験片１０とロードセル１４に接続された上つかみ具２１とを含む系の固有振動数は、試験開始前固有振動数として、記憶部４３に記憶された適正固有振動数と比較される（ステップＳ２４）。そして、測定された試験開始前固有振動数が記憶された適正固有振動数以上である場合には（ステップＳ２５）、制御部４０が引張試験の開始を許可する（ステップＳ２６）。この場合においては、上端が上つかみ具２１に把持されている試験片１０の下端を下つかみ具２２により把持した上で、この試験片１０に対する引張試験が実行される。
ここで、図６に示すように、試験片１０に対する把持力が大きくなれば、試験片１０や上つかみ具２１等を含む系の固有振動数も大きくなる。従って、測定された試験開始前固有振動数が記憶された適正固有振動数以上である場合には、試験片１０に対する把持力が適正な把持力の下限以上であると判断することができる。なお、試験片１０に対する把持力の上限は、試験片１０が損傷する限界等に基づいて決定すればよい。
一方、測定された試験開始前固有振動数が記憶された適正固有振動数より小さい場合においては（ステップＳ２５）、制御部４０が引張試験の開始を許可せず、表示部４４に対して警告表示が成される（ステップＳ２７）。これにより、試験片１０の上端が適正に把持されていない状態において引張試験が開始されることを未然に防止することができる。なお、表示部４４に対する警告表示とともに、あるいは、表示部４４に対する警告表示に変えて、警告音により把持力が適正でないことを表示するようにしてもよい。
上述した実施形態においては、ロードセル１４による力の測定値から固有振動数を求めるようにしている。その場合は通常の材料試験機に追加する構成が不要なので、手軽に固有振動数を求めることができる。場合によっては、ロードセル１４から得られる振動データを利用する代わりに加速度センサなどを上つかみ具２１に取り付けておき、それから得られる振動データから固有振動数を求めてもよい。
また、上述した実施形態においては、適正固有振動数測定工程を実行した後、試験開始前固有振動数測定工程を実行している。しかしながら、適正固有振動数測定工程を実施するかわりに、試験片と上つかみ具の組み合わせ毎に、図６に示すグラフと同様、上つかみ具による把持力と試験片やつかみ具等を含む系の固有振動数との関係を求め、適正な把持力となる固有振動数を記憶しておいてもよい。この場合には、試験片と上つかみ具の組む合わせから、適正な把持力となる適正固有振動数を読み出して、これを試験開始前固有振動数と比較すればよい。
また、上述した実施形態においては、一対のねじ棹によりクロスヘッドを昇降させる形式の材料試験機にこの発明を適用しているが、その他の形式の材料試験機にこの発明を適用してもよい。
１０ 試験片
１１ 基台
１２ ねじ棹
１３ 軸心調整機構
１４ ロードセル
１５ クロスヘッド
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２３ 変位計
２８ つかみ歯
２９ ハンドル
４０ 制御部
４１ ＦＦＴ変換部
４２ 比較部
４３ 記憶部
４４ 表示部

Claims (5)

  1. 試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与することにより引張試験を行う材料試験機において、
    前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具により前記試験片を適正な把持力で把持したときの、前記試験片と前記一方のつかみ具とを含む系の固有振動数を、適正固有振動数として記憶する記憶部と、
    引張試験開始前に前記一方のつかみ具により前記試験片を把持したときの、前記試験片と前記一方のつかみ具とを含む系の固有振動数を、試験開始前固有振動数として測定する試験開始前固有振動数測定手段と、
    前記試験開始前固有振動数と前記適正固有振動数とを比較する比較部と、
    を備えたことを特徴とする材料試験機。
  2. 試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与するとともに、前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具に接続された力検出器で引張試験力を測定することにより引張試験を行う材料試験機において、
    前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの前記力検出器による力の検出値に基づいて、前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を演算する演算部と、
    前記力検出器に接続されたつかみ具により前記試験片を適正な把持力で把持した状態において前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの、前記演算部により演算した前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を、適正固有振動数として記憶する記憶部と、
    引張試験開始前に前記力検出器に接続されたつかみ具により前記試験片を把持した状態において前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの、前記演算部により演算した前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を、試験開始前固有振動数とし、当該試験開始前固有振動数を前記記憶部に記憶した適正固有振動数と比較する比較部と、
    を備えたことを特徴とする材料試験機。
  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、
    前記試験開始前固有振動数が前記適正固有振動数以上のときに材料試験の開始を許容するとともに、前記試験開始前固有振動数が前記適正固有振動数より小さいときに警告表示を行う制御部を備える材料試験機。
  4. 試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与することにより引張試験を行う材料試験機において、前記試験片が前記つかみ具に適正な把持力で把持されているか否かを検出する把持力検出方法であって、
    前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具により前記試験片を適正な把持力で把持したときの前記試験片と前記一方のつかみ具とを含む系の固有振動数を、適正固有振動数として記憶する適正固有振動数記憶工程と、
    引張試験開始前に前記一方のつかみ具により前記試験片を把持したときの、前記試験片と前記一方のつかみ具とを含む系の固有振動数を、試験開始前固有振動数として測定する試験開始前固有振動数測定工程と、
    前記試験開始前固有振動数と前記適正固有振動数とを比較する比較工程と、
    を含むことを特徴とする把持力検出方法。
  5. 試験片の両端を一対のつかみ具により把持した状態で前記試験片に引張試験力を付与するとともに、前記一対のつかみ具のうちの一方のつかみ具に接続された力検出器で引張試験力を測定することにより引張試験を行う材料試験機において、前記試験片が前記つかみ具に適正な把持力で把持されているか否かを検出する把持力検出方法であって、
    前記力検出器に接続されたつかみ具により前記試験片を適正な把持力で把持した状態において前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの、前記力検出器による力の検出値を測定する第１測定工程と、
    前記第１測定工程において測定された前記力検出器による力の検出値に基づいて、前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を適正固有振動数として演算する適正固有振動数演算工程と、
    引張試験開始前に前記力検出器に接続されたつかみ具により前記試験片を把持した状態において前記力検出器に接続されたつかみ具を打撃したときの、前記力検出器による力の検出値を測定する第２測定工程と、
    前記第２測定工程において測定された前記力検出器による力の検出値に基づいて、前記試験片と前記力検出器に接続されたつかみ具とを含む系の固有振動数を試験開始前固有振動数として演算する試験開始前固有振動数演算工程と、
    前記試験開始前固有振動数と前記適正固有振動数とを比較する比較工程と、
    を含むことを特徴とする把持力検出方法。
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