JP6958742B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

この発明は、試験条件に応じてつかみ具などの治具を交換する材料試験機に関する。

材料試験を実行する材料試験機は、試験の種類や試験条件に応じた治具により試験片や試験体を試験空間に配置している。引張試験をはじめとする材料試験では、一対のつかみ具により試験片の両端を把持させている。一般的には、一対のつかみ具のうちの一方は、テーブルに対して固定されており、他方のつかみ具は負荷機構の駆動によりテーブルに対して昇降するクロスヘッドに支持されている。そして、試験片の両端部をこれらのつかみ具で把持した状態でクロスヘッドを昇降させることにより、試験片に負荷を与える構成となっている。

このような材料試験機では、上つかみ具と下つかみ具の間の距離を規格等に則って正確にセットする必要があるため、つかみ具間距離を予め登録しておき、クロスヘッドの絶対位置検出機能を利用して、つかみ具間距離が設定した距離になるようにクロスヘッドを移動させている。また、特許文献１には、撮影手段によりつかみ具を撮影することで、つかみ具の種類に係わらず設定されているつかみ具間距離が得られるように、クロスヘッドを自動位置決めする材料試験機が提案されている。

特開２００２−３６５１８８号公報

特許文献１の材料試験機では、試験機本体に取り付けられているつかみ具を認識することができるが、一対のつかみ具が視野内に収まるＣＣＤカメラとその出力を画像処理する構成を備える必要がある。一方で、このような構成を採用しない材料試験機では、つかみ具が交換されたことを試験機本体が自動的に認識することはできない。

つかみ具間距離の設定は、作業者による手入力であり、つかみ具が交換されたことを試験機本体が認識できていなければ、設定されているつかみ具間距離が、現在取り付けられているつかみ具に適しているものであるか否かの確認は、作業者が自発的に行わなければならない。しかしながら、作業者は、このような確認を忘れることがある。

例えば、以前に行った試験と同じ試験条件を呼び出して、同様の試験を行うときに、つかみ具が交換されていることに作業者が気付かないまま、交換される前のつかみ具に適したつかみ具間距離を設定した場合、試験機本体が認識しているつかみ具間距離と、現実に取り付けられているつかみ具に適したつかみ具間距離との間にズレが生じる。このような状態では、クロスヘッドの可動範囲に誤認が生じるため、つかみ具同士が衝突して破損することや、つかみ具同士の衝突による衝撃で力検出器であるロードセルが破損することもある。さらには、試験機本体の変形や治具等の破損により作業者等に人的被害が及ぶ可能性もある。

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、試験条件に応じた治具が取り付けられていることを容易に確認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。もっと一般的には、試験機本体に現在どの治具が取り付けられているかを判別して、試験目的や試験条件との不整合を認識すること、試験機の作業者に対して注意や警告を発することなどを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片を装着するためのつかみ具と、前記つかみ具に連結された力検出器を有し、前記つかみ具を相対的に移動させることによって前記つかみ具に把持された試験片に試験力を付与する材料試験機において、前記つかみ具は複数種別のつかみ具が交換可能なものであり、前記つかみ具に試験片を装着する前の前記力検出器の出力に基づいて前記つかみ具の種別を判別するつかみ具判別部を有する制御装置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、前記力検出器が検出したつかみ具の重量を試験条件と関連付けて記憶する記憶部を備え、前記つかみ具判別部は、前記試験条件として登録されているつかみ具の重量と、前記力検出器が検出したつかみ具の重量とが一致しているか否かを判定する判定部を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の材料試験機において、前記制御装置は、前記判定部において前記試験条件として登録されているつかみ具の重量と、前記力検出器が検出したつかみ具の重量とが不一致と判定された場合は、作業者に対する警告を実行する警告部を備える。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の材料試験機において、前記警告部は、表示部に警告表示を行う。

請求項１から請求項４に記載の発明によれば、つかみ具の種別を、力検出器の出力に基づいて判別することから、交換されて使用されるつかみ具の種別の判別のために、つかみ具の形状を撮影するカメラなどの部品を追加する必要がなく、現在装着されているつかみ具の種別を、容易に判別することが可能となる。また、現在装着されているつかみ具の種別の判別に、材料試験機に備えられている力検出器の出力を利用することで、簡易な構成で、つかみ具の判別機能を追加することができる。

請求項２に記載の発明によれば、一対のつかみ具のうちの一方の重量と試験条件とを記憶部に記憶させ、登録されているつかみ具の重量と、力検出器が検出したつかみ具の重量とが一致しているか否かを判定することで、つかみ具の種別を判別することから、入力されたつかみ具間距離や試験条件と装着されたつかみ具の不整合を容易に判断することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、試験条件として登録されているつかみ具の重量と、力検出器が検出したつかみ具の重量とが一致していない場合は作業者に対して警告を行うことから、作業者は、試験条件に応じたつかみ具取り付けられているか否かを、容易に確認できる。このため、試験機本体が移動部材の可動範囲を誤認識し、正しいつかみ具間距離で試験片を把持させることができない状況や、つかみ具同士の衝突などの危険な状況を回避することができる。

この発明の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説明するブロック図である。 つかみ具の重量を記憶部２３に記憶させるときの手順を示すフローチャートである。 上つかみ具１１および下つかみ具１２に換えて、試験機本体に上つかみ具４１と下つかみ具４２が装着されている状態の材料試験機の概要図である。 治具判定機能の手順を示すフローチャートである。 治具判定機能の手順の変形例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、この発明の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主要な制御系を説明するブロック図である。

この材料試験機は、クロスヘッド１３と、テーブル１５と、このテーブル１５の左右に立設されたカバー１４とにより囲まれた試験機本体の試験空間に、試験片を配置して材料試験としての引張試験を実行するものである。試験片は、クロスヘッド１３側に配設された上つかみ具１１とテーブル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。なお、上つかみ具１１および下つかみ具１２は、試験機本体に対して交換可能であり、試験片のサイズや材質に応じて複数種別のものが用意されている。

クロスヘッド１３の両端部には、テーブル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、一対のねじ棹がテーブル１５内に配設されたモータ３１（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、試験片に引張荷重（試験力）が付与される。なお、一対のねじ棹とモータ３１は、移動部材であるクロスヘッド１３を、固定部材であるテーブル１５に対して接近／離隔することで上つかみ具１１および下つかみ具１２のつかみ具間距離Ｌを変更する移動機構３０（図２参照）である。

試験片に負荷される試験力は、クロスヘッド１３に配設された力検出器としてのロードセル１６により検出される。また、試験片に付される標点間の変位量は、図示を省略した変位計により検出される。ロードセル１６および変位計からの信号は、制御装置２０に入力される。制御装置２０は、ロードセル１６および変位計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３１の駆動制御信号を作成する。これにより、モータ３１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。

制御装置２０は、試験機本体の動作プログラムを記憶するメモリを有するコンピュータとその周辺機器によって構成され、メモリに格納されたプログラムに従って各種機能を実行する。図２においては、メモリに格納されたプログラムを機能ごとの集合として図示している。

この制御装置２０には、表示部１８と、作業者によるボタンのＯＮ／ＯＦＦによりクロスヘッド１３を断続的に動かすジョグ操作などを行うときに使用する操作部１９と、移動機構３０が接続されている。なお、表示部１８は、タッチパネルを備えた液晶表示装置であり、この発明の入力部および表示部として機能する。

制御装置２０は、ロードセル１６が検出した力を取り込んでデータ処理を実行する。また、制御装置２０は、試験条件やつかみ具の重量を記憶する記憶部２３と、ロードセル１６の出力に基づいて、つかみ具の種別を判別するつかみ具判別部２５を備える。また、つかみ具判別部２５は、試験条件として登録されているつかみ具の重量と、ロードセル１６が検出したつかみ具の重量とが一致しているか否かを判定する判定部２１を有する。さらに、制御装置２０は、判定部２１においてつかみ具の重量が不一致と判定された場合は、作業者に対する警告を実行する警告部２２を備える。

このような構成において、試験条件ファイルにつかみ具の重量を記憶させる動作について説明する。図３は、つかみ具の重量を記憶部２３に記憶させるときの手順を示すフローチャートである。

作業者は、操作部１９を操作して、試験片がつかめる位置までクロスヘッド１３を移動させる（ステップＳ１１）。作業者は、このときのつかみ具間距離Ｌを、試験片の寸法、材質および試験力などの情報とともに表示部１８のタッチパネル機能を用いて入力する（ステップＳ１２）。制御装置２０は、このときのクロスヘッド１３の絶対位置（テーブル１５上面からの高さ位置）を読み込み、入力されたつかみ具間距離Ｌとともに、試験条件ファイルに保存する情報として記憶部２３に記億させる（ステップＳ１３）。なお、クロスヘッド１３の絶対位置は、この実施形態のようにねじ棹を回転させてクロスヘッド１３を昇降させる材料試験機では、モータ３１、あるいは、ねじ棹に連結されたロータリエンコーダ３２の回転量などによって計測される。

この制御装置２０では、入力されたつかみ具間距離Ｌとなるようにクロスヘッド１３を移動させるときには、クロスヘッド１３の移動目標となる絶対位置Ａを試験条件として記憶されている治具情報に基づいて算出する。図１の例では、上つかみ具１１と接続部品の負荷軸と同方向の長さＣ１と、下つかみ具１２と接続部品の負荷軸と同方向の長さＣ２と、つかみ具間距離Ｌの合計がクロスヘッド１３の移動目標となる絶対位置Ａとなる。すなわち、Ａ＝Ｃ１+Ｃ２+Ｌを算出する。そして、クロスヘッド１３の現在の絶対位置と移動目標となる絶対位置Ａとの差分が、クロスヘッド１３の移動量として算出される。また、制御装置２０は、上つかみ具１１と下つかみ具１２がぶつからない位置（Ｃ１+Ｃ２+α）を最小位置として、クロスヘッド１３の可動範囲を認識している。ここでαはＣ１やＬなどと比較して微小な量を表している。

現在のクロスヘッド１３の絶対位置とつかみ具間距離Ｌとを記憶部２３に記憶させるのと同時に、制御装置２０は、このときロードセル１６が検出している力を、上つかみ具１１の重量として、試験条件ファイルに保存する情報として記憶部２３に記億させる（ステップＳ１４）。なお、試験片を把持させていない状態では、ロードセル１６が検出している力は、上つかみ具１１とクロスヘッド１３との接続部品の重さの合計であるため、この実施形態では、ロードセル１６が検出している力を上つかみ具１１の重量としている。

この実施形態では、つかみ具の重量を、試験条件と同一ファイルに保存することで、試験条件の一部として扱っているが、これに限定されない。つかみ具の重量を試験条件と関連付けて記憶することができれば、例えば、つかみ具の重量を含む治具情報テーブルを記憶部２３に記憶させておき、試験条件ファイルがつかみ具の重量を参照可能にする構成を採用してもよい。

次に、試験条件に応じたつかみ具が取り付けられているか否かを判定するための治具判定機能について説明する。図４は、試験機本体に図１の上つかみ具１１および下つかみ具１２より大きな上つかみ具４１と下つかみ具４２を装着した場合を表しており、この状態でクロスヘッド１３が絶対位置Ａとなるように動くとどうなるかを説明するための図である。この状態ではクロスヘッド１３が絶対位置Ａまで動くと上つかみ具４１と下つかみ具４２が衝突してしまうので、図５に示す手順による治具判定機能を使用することで衝突を回避することができる。

作業者は、過去に行った試験と同条件の試験を行いたい場合には、記憶部２３に記憶させた過去の複数の試験条件ファイルの中から、試験を行いたい試験条件ファイルを選択する。なお、作業者は、上つかみ具１１および下つかみ具１２が取り付けられているときに行った引張試験の試験条件ファイルを選択し、つかみ具間距離Ｌが登録されているものとする。この試験条件では、作業者が試験片を上つかみ具４１および下つかみ具４２に把持させるために、つかみ具間距離Ｌとなるようにクロスヘッド１３を移動させる操作を行うと、クロスヘッド１３は、移動目標となる絶対位置Ａに向けて移動することになる。そうすると、上つかみ具４１が下つかみ具４２に衝突しかねない。このため、この発明では、試験条件に応じたつかみ具が取り付けられているか否かを判定するための治具判定機能を制御装置２０に設け、つかみ具の衝突などの事故の発生を回避するようにしている。

治具判定機能は、以下の手順に従ってＣＰＵがプログラムを実行することにより実行される。制御装置２０は、記憶部２３から選択された試験条件ファイルの内容をメモリに読み込む（ステップＳ２１）。そして、現在においてロードセル１６が検出している上つかみ具４１の重量を読み込む（ステップＳ２２）。しかる後、判定部２１の作用により、現在においてロードセル１６が検出している上つかみ具４１の重量と試験条件ファイルに予め記憶させておいたつかみ具の重量（上つかみ具１１の重量）とが一致しているか否かを判定する(ステップＳ２３)。判定部２１において、現在ロードセル１６が検出している上つかみ具４１の重量が試験条件ファイルに予め記憶させておいたつかみ具の重量と一致しないと判定されれば、警告部２２の作用により、警告が実行される（ステップＳ２４）。警告は、表示部１８に警告文を表示することにより行われる。この警告文は、作業者につかみ具の交換を促す内容や、つかみ具間距離の再設定を促す内容であってもよく、エラーコードの表示であってもよい。また、警告は、表示部１８への警告表示に限定されず、例えば、警報音を発生させることであってもよく、アラームランプを点灯させることであってもよい。

また、判定部２１において、上つかみ具４１の重量が試験条件ファイルに予め記憶させておいたつかみ具の重量と一致しないと判定されたときには、警告と同時に、登録されているつかみ具間距離への移動を禁止するようにしてもよい。

このように、この実施形態では、現在クロスヘッド１３に装着されているつかみ具の重さをロードセル１６の出力により判別している。そして、試験条件で定まるつかみ具の重さと現在クロスヘッド１３に装着されているつかみ具の重さが合わなければ、現在クロスヘッド１３に装着されているつかみ具が試験条件に合わないつかみ具であると判別される。制御装置２０は、つかみ具判別部２５の作用によりつかみ具と試験目的や試験条件との不整合を認識できることから、作業者に対して警告などを行い、クロスヘッド１３の可動範囲を誤認した状態での移動機構３０の動作を回避する。

警告を受けた作業者は、上つかみ具４１および下つかみ具４２を、試験条件に合ったつかみ具のセット（上つかみ具１１および下つかみ具１２）に交換する。そして、つかみ具交換後に、試験条件ファイルに予め記憶させておいたつかみ具の重量と、試験片を把持していない状態でロードセル１６が検出している力に相当する上つかみ具１１の重量とが一致すれば（ステップＳ２３）、制御装置２０は治具判定を終了する。しかる後、作業者は、先に登録したつかみ具間距離Ｌとなるように、クロスヘッド１３を移動させ、試験片を上つかみ具１１および下つかみ具１２によって把持させる。

上述した例では、治具と試験条件とが不整合な場合に、作業者に警告をし、作業者が治具を交換することで上つかみ具４１および下つかみ具４２の衝突を回避している。なお、つかみ具として上つかみ具４１および下つかみ具４２を使用することを許容する場合には、つかみ具間距離が設定されているＬとなるように、クロスヘッド１３の絶対位置Ａを絶対位置Ａ’に自動的に変更するという動作も可能である。その場合でも上下のつかみ具の衝突を回避できる。

図６は、治具判定機能の手順の変形例を示すフローチャートである。

制御装置２０は、記憶部２３から選択された試験条件ファイルの内容をメモリに読み込む（ステップＳ３１）。そして、現在においてロードセル１６が検出している上つかみ具４１の重量を読み込む（ステップＳ３２）。そして、その重量を表示部１８に表示させる（ステップＳ３３）。この表示は、作業者が試験条件を作成するときの入力画面に、試験片などの情報とともに表示させるのが好ましい。すなわち、試験情報の入力の際に、現在のつかみ具の重さが表示されることで、試験条件と装着されたつかみ具の不整合に作業者が気付きやすくなる。なお、表示部１８に表示する内容は、つかみ具の重さに限定されるものではなく、重さから特定できるつかみ具の型名や定格容量などの他のつかみ具情報であってもよい。

この変形例では、上述した判定部２１や警告部２２の機能を省略することができる。すなわち、ロードセル１６の出力に基づいて判別した現在クロスヘッド１３に装着されているつかみ具の情報を表示部１８に試験条件とともに示すことにより、試験機本体に現在どの治具が取り付けられているかを作業者に判るように示し、試験目的や試験条件との不整合を作業者に積極的に認識させることできればよい。表示部１８に表示させる内容は、作業者につかみ具に対する注意を促すことができる内容であればよく、警告表示でなくてもよい。

上述した実施形態では、移動部材をクロスヘッド１３、固定部材をテーブル１５、移動機構３０を一対のねじ棹とモータ３１とし、力検出器であるロードセル１６をクロスヘッド１３側に配置にて上つかみ具の重量を検出する試験機構成となっているが、これに限定されない。すなわち、一対のつかみ具のいずれか一方の重量が力検出器で検出できればよい。例えば、移動機構を油圧または空圧アクチュエータとし、移動部材をアクチュエータのロッドとし、アクチュエータをテーブル内に配置して、テーブル上面を貫通したロッドに下つかみ具を連結し、力検出器であるロードセルを支柱に架設された固定部材であるクロスヨークに側に配置して上つかみ具の重量を検出する試験機構成でも、この発明を適用することができる。また、この発明においては、ロードセル１６は上つかみ具の重量を検出しているが、ロードセルを下つかみ具と連結させて、下つかみ具の重量を検出するようにしてもよい。試験片を把持していない状態であれば、ロードセルにかかる力は、下つかみ具と接続部品の重さである点は、上つかみ具の場合と同様である。なお、本発明において、つかみ具を相対的に移動させるという表現は、一対のつかみ具のうち少なくとも一方を移動させるという意味であり、力検出器が装着されている方のつかみ具を移動させるという意味に限定しているものではない。

本発明におけるつかみ具判別部は力検出器の出力、すなわち、つかみ具の重量に基づいて各種のつかみ具の種別を判別している。つかみ具は、その容量、大きさ、形式などによって多種類のものが実用されているが、それぞれの物としての重量は種別ごとに設計値で決まるほぼ一定の値となる。つかみ具は重量を設計の目標値としているわけではないので一つのつかみ具がその重量となるのはほとんど偶然に過ぎないが、この重量を指標としてつかみ具の判別に利用するというのが本発明の特徴である。かりに偶然に二つの種別のつかみ具がほぼ同じ重量になることがあるとしたら、一方のつかみ具に錘を付加することなどによって重量を異なるものにすれば本発明を適用するのに適したものとなる。

つかみ具は、材料試験機の重要な構成要素であるにもかかわらず、しばしば交換されて使用されるので、現在どのつかみ具が装着されているかを自動的に知ることは材料試験を実行する際の多くの場面で有益である。しかもその判別に特別な機構（例えば上述の引用文献１ではＣＣＤカメラなど）が不要で、材料試験機にはほとんど必ず使用される力検出器の出力で判別できることは構成の簡単さという点で大きな利点がある。

ある材料試験機本体に使用されるつかみ具の一覧表につかみ具の重量のデータを付け加えることで、本発明の試験機に使用されるつかみ具のデータベースとすることができる。そのデータベースはつかみ具の重量をキーとして検索できるものであり、つかみ具の型名や外形の大きさ、負荷軸方向の長さなどが含まれることが望ましい。そのデータベースを利用することで、例えば、作業者に対しては今試験機に装着されているつかみ具が何という型名であるかを表示し、ひいては、試験しようとする材料に対して装着されているつかみ具がその使用に適したものであるか否かを知らせることができる。

また、図１の例を用いて説明すると、材料試験機に装着した時のつかみ具の負荷軸方向の長さＣ１，Ｃ２も自動的に材料試験機が認識できるので、作業者がつかみ具間距離Ｌを指定するだけでクロスヘッド１３の絶対位置Ａが自動設定され、しかも上下のつかみ具同士が衝突する恐れがない、という使い方もできる。

１１ 上つかみ具
１２ 下つかみ具
１３ クロスヘッド
１４ カバー
１５ テーブル
１６ ロードセル
１８ 表示部
１９ 操作部
２０ 制御装置
２１ 判定部
２２ 警告部
２３ 記憶部
２５ つかみ具判別部
３０ 移動機構
３１ モータ
３２ ロータリエンコーダ
４１ 上つかみ具
４２ 下つかみ具

Claims (4)

1. 試験片を装着するためのつかみ具と、前記つかみ具に連結された力検出器を有し、前記つかみ具を相対的に移動させることによって前記つかみ具に把持された試験片に試験力を付与する材料試験機において、
   前記つかみ具は複数種別のつかみ具が交換可能なものであり、
   前記つかみ具に試験片を装着する前の前記力検出器の出力に基づいて前記つかみ具の種別を判別するつかみ具判別部を有する制御装置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、前記力検出器が検出したつかみ具の重量を試験条件と関連付けて記憶する記憶部を備え、
   前記つかみ具判別部は、前記試験条件として登録されているつかみ具の重量と、前記力検出器が検出したつかみ具の重量とが一致しているか否かを判定する判定部を有する材料試験機。
3. 請求項２に記載の材料試験機において、
   前記制御装置は、前記判定部において前記試験条件として登録されているつかみ具の重量と、前記力検出器が検出したつかみ具の重量とが不一致と判定された場合は、作業者に対する警告を実行する警告部を備える材料試験機。
4. 請求項３に記載の材料試験機において、
   前記警告部は、表示部に警告表示を行う材料試験機。
   

Images