JP6978465B2 - 寸法測定方法、寸法測定装置、自動引張試験装置及び耐力評価方法 - Google Patents
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Description
特許文献1には、試験片の供給から測定済試験片の排除までの一連の作業を能率よく行う方法が開示されている。
また、特許文献2には、今まで形状の異なる試験片を各々の形状に合わせた試験片ケースに分類しなければ試験機本体の引張試験クランプに試験片を確実にセットできなかったという課題に対し、試験片の形状検出機構として、フォトセンサーを用いることで1種類の試験片ケースであっても、形状の異なる試験片について引張試験のクランプまで確実にセットが可能になる方法が開示されている。
従来の自動引張試験装置での試験片の寸法測定装置では、試験片の両端部をチャック等で把持して一対の測寸子で試験片平行部の幅及び厚みを計測する。試験片がねじれや反りといった歪を有する場合、その歪量までも試験片の寸法として測定してしまい、測定値が寸法公差を外れる、試験片位置がセンサーの基準点を外れ計測不能となる等といった問題があった。
寸法公差を外れなかった場合には自動で引張試験が行われるが、試験片の幅及び厚みに上記歪による誤差が存在するため、試験結果の誤差要因となっていた。
また、本発明の態様によれば、耐力を決定するのに重要な傾斜線(ヤング率)の適否を判定する仕組みを取り入れることで、試験片形状に起因する不適正な試験結果の排除が可能になるので、自動引張試験の信頼性を高める効果がある。
本実施形態の自動引張試験装置は、図1に示すように、試験片をセットするためのストッカ1と、試験片を搬送するロボット2と、試験片における平行部の寸法を測定する寸法測定装置3と、引張試験を行い伸び−荷重特性を取得する引張試験装置4と、制御装置5とを備える。
ストッカ1は、本願の自動引張試験に供する試験片を並べる設備である。試験片は試験する順に平置きで、あるいは重ね置きでストッカ1にセットする。なお、試験片には試料識別記号、鋼種、公称厚、想定されるヤング率等の情報を制御装置に読み込ませるためのバーコード等の試験片情報を貼りつけておくことが好ましい。
ロボット2は、6軸ロボットなどで構成され、ロボットハンドでストッカ1に載置されている試験片を把持して寸法測定装置3の置き台まで搬送したり、寸法測定後の試験片を寸法測定装置3から引張試験装置4に搬送して設置したりする装置である。ロボット2として、特許文献2に記載のような、公知の産業用ロボットを使用すればよい。
引張試験装置4は、引張試験を行う引張試験機本体4Aと、引張試験機本体4Aに設置された試験片の伸びを計測する自動伸び計4Bとを備える。
寸法測定装置3で寸法の計測が終了した試験片は、ロボット2によって、引張試験機本体4Aに搬送され、引張試験機本体4Aの上部チャックと下部チャックとの間に取り付けられる。また、自動伸び計4Bの一対のアーム4Baが、試験片の評点距離を測定するために把持する。引張試験装置4は、引張試験機本体4Aによって試験片に対し、引張軸方向に向けた引張荷重を負荷させるのに同期して、自動伸び計4Bにて試験片の平行部の伸びを計測する。これによって引張試験装置4は、伸び−荷重特性用の計測値(歪量(ε)、荷重(N))を逐次連続的に、計測して、制御装置5に供給する。引張試験装置4としては、公知の引張試験装置を採用すればよい。
寸法測定装置3は、試験片の平行部の厚み及び幅を測定する。平行部の厚み及び幅が試験片の断面情報となる。
本実施形態の寸法測定装置3は、図2〜図6に記載のように、置き台10と、センタリング機構と、左右一対の把持装置14と、一対の圧子15と、エッジセンサー21と、寸法制御部22とを備える。
置き台10は、図2に示すように、試験片100が載置される台である。置き台10は、シリンダ装置などからなる昇降機構11によって、初期値高さ位置と、初期高さ位置よりも下方の待避位置とに高さが変更可能となっている。
(センタリング機構)
センタリング機構は、平面視からみて、置き台10に載置された試験片100の位置を目的とする載置位置に位置決めを行う機構である。センタリング機構は、第1センタリング機構12と第2センタリング機構13とを備える。
本実施形態の第1センタリング機構12は、図2に示すように、置き台10に載置された試験片100を、長手方向から挟んで対向可能な一対の押し当てパッド12aと、その一対の押し当てパッド12aを同期をとって接近・離脱する同期変位機構12bと、一対の押し当てパッド12aを昇降させる昇降機構12cとを備える。
そして、第1センタリング機構12は、寸法制御部22からの作動指令を受信すると、昇降機構12cが作動して、一対の押し当てパッド12aの高さがセンタリング高さ位置に移動する。続けて、一対の押し当てパッド12aの高さがセンタリング高さ位置となったと判定すると、同期変位機構12bが作動して、一対の押し当てパッド12aが接近して、一対の押し当てパッド12aで試験片100を挟み込むことで、試験片100の長手方向のセンタリングをし、その後に、再度一対の押し当てパッド12aを離隔させる。続いて、昇降機構12cの作動によって、一対の押し当てパッド12aが待避位置に向けて下降する。
本実施形態の第2センタリング機構13は、図3及び図4に示すように、平面視でみて、置き台10に載置された試験片100を、幅方向から挟んで対向する対をなす棒体13aと、その対をなす棒体13aを同期をとって接近・離脱する同期変位機構と、対をなす棒体13aを昇降させる昇降機構13cとを備える。対をなす棒体13aの高さは、昇降機構13cの作動によって、置き台10に載置された試験片100に幅方向から対向するセンタリング高さ位置と、センタリング高さ位置よりも下方の待避位置(初期位置)とに切り替えることが可能となっている。
左右一対の把持装置14は、置き台10に載置された試験片100の長手方向両端部をそれぞれ把持する装置である。
左右の各把持装置14は、図2及び図3に示すように、試験片100の端部を挟持可能な一対の掴み部14A、14Bを有する。一対の掴み部14A、14Bは、一対の掴み部14A、14B間が接近・離脱可能な状態で第1スライダ部14Cに支持されている。第1スライダ部14Cは、横方向に延びる回転軸14Dを有する。回転軸14Dは、L字フレーム14Fの垂直部に支持されていると共に、回転駆動部14Eによって軸回転可能となっている。そして、回転軸14D周りに回転変位することで、一対の掴み部14A、14Bは、上下方向で対向する初期位置と、長手方向を回転軸として90度回転した左右方向で対向する第2位置の二つの対向位置が取れるようになっている。
この構成によって、左右一対の把持装置14は、寸法制御部22からの指令によって同期をとって作動して、第2スライダ部14Gによって一対の掴み部14A、14Bが試験片100の長手方向端部に接近して、一対の掴み部14A、14Bが、試験片100の長手方向端部を挟んで対向し、続いて、第1スライダ部14Cが寄って、一対の掴み部14A、14Bが接近して、試験片100の端部を上下から挟み込んで当該試験片100を、厚み方向を上下方向に向けて把持した状態となる。このとき、置き台10は下方に待避する。これによって、左右一対の把持装置14は、試験片100を水平に支持可能となっている。
(一対の圧子15) 一対の圧子15は、図5に示すように、平面視でみて、置き台10に置かれた試験片100の幅方向に離れた位置が初期値となっている。
下側のチャック部16は、昇降機構19によって上下に変位可能となっており、この下側のチャック部16の昇降による下側の圧子15の変位によって、一対の圧子15間の距離が変化するようになっていると共に、一対の圧子15で試験片100を挟持した際の挟持圧が調整できるようになっている。これによって、一対の圧子15は、試験片の平行部を厚み方向と幅方向から挟持可能な構成となっている。
また上側のチャック部16における上側の圧子15の前側には、エッジセンサー21が設けられている。これにより、エッジセンサー21は、一対の把持装置に支持された試験片に接近・離隔する構成となっている。本実施形態のエッジセンサー21は例えばレーザー距離計からなる。エッジセンサー21は、一対の圧子15の対向方向である、下方に検出方向が設定されている。これによって、相対的に、一対のチャック部16の先端部に試験片100が入り込み、試験片100が平面視でエッジセンサー21の位置にくると、レーザー距離計が検出する距離が短くなることで、試験片100の平行部のエッジを検出できる。
寸法制御部22は、図7に示すように、厚み測定制御部22Aと幅測定制御部22Bとを備える。寸法制御部22は、コンピュータのプログラムで構成される。
(厚み測定制御部22A)
厚み測定制御部22Aは、図8に示すように、第1センタリング処理部と、第2センタリング処理部と、試験片支持部22Aaと、圧子挟持部22Abと、把持緩和部22Acと、厚み計測部22Adとを備える。
ステップS200にて、試験片100が置き台10に載置されたか否かを判定する。載置されたと判定すると、ステップS201に移行する。
ステップS201では、第1センタリング処理部が起動して、第1センタリング機構12によって、置き台10に載置された試験片100の長手方向のセンタリング処理を行う。
次に、ステップS203では、試験片支持部22Aaが起動する。
試験片支持部22Aaは、一対の把持装置14に作動指令を供給して、置き台10に載置された試験片100の両端部を一対の把持装置14で把持させ、一対の把持装置14によって、試験片100を厚み方向を上下方向に向けた状態で支持させる。このとき、把持させたと判定すると、置き台10を下方に変位させておく。
ここで、圧子挟持部22Abは、一対の把持装置で支持されている試験片の平行部を、一対の圧子で厚み方向又は幅方向から挟持させる処理を行う。
圧子挟持部22Abは、一対の圧子15に作動指令を供給して、一対の圧子15を、試験片100の平行部を挟んで上面側と下面側に対向する位置に移動させる。圧子15の初期位置と試験片100までの距離は一定であるので、その一定距離だけ圧子15を移動させればよい。続いて、上下方向で対向する一対の圧子15を接近させて、一対の把持装置14で支持されている試験片100の平行部を、一対の圧子15で上下から所定の挟持圧で挟持させる。
その理由は、挟持圧が0.2MPaより低いと、後述の試験片の挟持が不安定となり、試験片厚みを正確に測定することができないからである。挟持が安定すればよいので挟持圧の上限値は特にないが、把持装置14の負荷を軽減するために、挟持圧は0.7MPa以下とすることが好ましい。
厚み測定精度向上のためには、圧子先端部は試験片と点接触することが好ましいが、接触面積が小さくなるほど、後述の試験片の挟持が不安定となる。よって試験片100との当接面の面積を40mm2以上250mm2以下とする。より好ましくは、78mm2以上200mm2以下とする。なお、圧子当接面の形状は、円形状または等方的な多角形状が好ましい。
把持緩和部22Acでは、図9に示すように、ステップS300で試験片100の重量を取得する。試験片100の重量は、例えば、試験片100に設けられたバーコード等の試験片情報を読み取ることで取得する。
閾値重量未満の場合には、ステップS302に移行して、試験片100を支持する上記一対の掴み部14A、14Bの両方をそれぞれ試験片100から離れる方向に変位させる。試験片100の重量が予め設定した閾値重量以上と判定するとステップS303に移行して、試験片100を支持する上記一対の掴み部14A、14Bのうちの上側の掴み部14Aだけを上方に変位させることで、試験片100の把持を緩和する。
厚み計測部22Adは、一対の圧子15間の距離を試験片100の厚みとして測定し、厚み測定制御部に記憶させる。
ここで、平行部での測定位置を長さ方向にずらしながら、ステップS204〜S206の処理を繰り返すことで、複数箇所の平行部の厚みを計測することができる。複数箇所の厚みを計測する場合は、その平均値を計算して試験片の厚みとする。
再支持処理部では、一対の把持装置14に作動指令を供給して、置き台10に載置された試験片100の両端部を一対の把持装置14で把持させる。
次に、ステップS208に移行して、圧子復帰処理部を起動する。
圧子復帰処理部は、一対の圧子15間の距離を離隔させて挟持状態を解除すると共に、圧子15を初期位置に横移動させる。
次に、幅測定制御部22Bの処理を、図10を参照して説明する。
幅測定制御部22Bは、図10に示すように、試験片回転変位部22Ba、圧子位置再設定部22Bb、幅計測部22Bcを備える。
幅測定制御部22Bの処理は、厚み測定制御部22Aの処理が終了すると作動する。
試験片回転変位部22Baは、一対の把持装置14に回転変位の作動指令を供給して、一対の掴み部14A、14Bを90度回転変位させて、一対の掴み部14A、14Bが左右で対向する位置に設定する。この状態では、把持されている試験片100は幅方向が上下方向を向く。
圧子15で試験片100が挟持されたら、幅計測部22Bcは、一対の圧子15間の距離を試験片100の幅として計測し、幅測定制御部22Bに記憶させる。
ここで、計測位置を変更して、ステップS401〜ステップS403を複数回繰り返すことで、複数箇所の平行部の幅を計測することができる。複数箇所の幅を計測する場合は、その平均値を計算して試験片の幅とする。
把持解除部は、下方に待避していた置き台10を初期位置に復帰させると共に、一対の把持装置14による把持を解除する。
ここで、ステップS401において、予め設定した試験片厚みを用いる場合は、寸法制御部22で、第2センタリング処理後、厚み測定制御ステップS203〜S208と幅測定制御ステップS400〜S404の順番を入れ替えて実施することもできる。
制御装置5は、図12に示すように、伸び−荷重特性取得部5Aと、演算部5B、評価部5Cとを備える。
伸び−荷重特性取得部5Aは、寸法測定装置3から平行部の幅と厚みからなる断面情報を取得すると共に、引張試験装置4から伸び−荷重特性の特性情報(歪量ε、引張荷重N)を取得する。
評価部5Cの処理を、図13を参照して説明する。
次に、ステップS602にて、ステップS601にて求めたヤング率が、予め試験片情報として設定した管理範囲内にあるか否かを判定する。管理範囲内と判定した場合にはステップS603に移行し、管理範囲外と判定した場合にはステップS604に移行する。
管理範囲は、試験片100を構成する鋼材が有するヤング率の上限値と下限値とで構成される。この管理範囲内は、理論値として設定しても良いし、過去に求めたヤング率を統計処理して設定してもよい。
一方、ステップS604では、カウンターの値が所定カウント値(例えば3)以下であれば、ステップS600に移行し、応力−歪特性の微分値を取得する演算部5Bから、弾性域と推定される他の2つの組み合わせの特性情報を取得して、上記評価をやり直す。
引張試験では、所定サイズに試験片100を加工する必要があるが、実際には、製品は製造過程において様々な歪を受けており、試材切断後においては、試験片100が長手方向に反ったり、長手方向を軸にひねりが生じたりすることがある。従来にあっては、反りやひねりのある試験片100は、試験片100の測定結果が異常値を示すことがある。そして、従来の自動引張試験装置では測寸不可として装置を止め、試験装置から試験片100を取り除く必要があった。取り除いた場合は、手動で測定を行い試験片100の寸法測定値を試験機端末に手入力してから自動引張試験を行うため、自動化率を下げる大きな要因となる。
このとき、試験片100にねじれが生じている場合には、一対の把持装置14で試験片100を把持した状態(図14(a))で一対の圧子15により試験片の厚みを測定すると、図16(a)に示すように、試験片100が斜めになった状態で一対の試験片100で挟持されるため、本来の寸法よりも大きく測定される。
また、一対の圧子15だけでは把持できない場合は、図15(b)に示すように、両側の掴み部14A、14Bの下側の掴み部14Bだけで支え、上側の掴み部14Aは開いて自由端の状態にすれば、同様にねじれの影響を受けないで測定できることを確認した。すなわち、所定以上の重量の試験片100にねじれがあっても、厚みを精度良く測定することが可能である。
また、反りやねじれが少なければ、応力−歪曲線の弾性域に影響はなく、特性値にも影響を及ぼすことはないが、そり、ねじれが大きいと応力−歪曲線の弾性域が直線にならず、立ち上がりの傾斜線が揺らぐため、試験片の鋼種から推定されるヤング率の値にならないことが多い。そのため、例えば、0.2%オフセット耐力(応力−歪曲線の比例域の傾斜線を歪が増加する方向に0.2%平行移動し、応力−歪曲線と交わる位置の応力値)の測定結果が、異常値となる場合がある。従来の自動引張試験装置では、上記異常値を判定し試験結果から排除する必要があった。
このようなことを考慮して、本実施形態では、求めたヤング率が管理範囲内かどうかの適性評価を行うことで、求めたヤング率の精度を向上させた。
4 引張試験装置
5 制御装置
5A 伸び−荷重特性取得部
5B 演算部
5C 評価部
10 置き台
12 第1センタリング機構
13 第2センタリング機構
14 把持装置
14A、14B 掴み部
15 圧子
21 エッジセンサー
22 寸法制御部
22A 厚み測定制御部
22Aa 試験片支持部
22Ab 圧子挟持部
22Ac 把持緩和部
22Ad 厚み計測部
22B 幅測定制御部
22Ba 試験片回転変位部
22Bb 圧子位置再設定部(圧子位置制御部)
22Bc 幅計測部
100 試験片
Claims (12)
- 引張試験を行う試験片の平行部に当接させた一対の圧子間の距離に基づき、上記平行部の厚み及び幅を測定する寸法測定装置であって、
置き台に載置された試験片の長手方向両端部をそれぞれ把持する左右一対の把持装置と、
上記試験片の平行部を厚み方向と幅方向から挟持可能な一対の圧子と、
上記試験片の平行部エッジを検出可能なエッジセンサーと、
上記把持装置及び上記圧子の作動を制御する寸法制御部と、を備え、
上記一対の圧子と上記エッジセンサーは、上記一対の把持装置に支持された試験片に接近・離隔する構成となっており、
上記寸法制御部は、
上記置き台に載置された試験片の両端部を上記一対の把持装置で把持させ、上記試験片を厚み方向を上下又は水平に向けた状態で支持させる試験片支持部と、
上記一対の把持装置で支持されている試験片の平行部を、上記一対の圧子で厚み方向又は幅方向から挟持させる圧子挟持部と、
上記一対の把持装置で支持されている試験片の平行部を上記一対の圧子で挟持したと判定すると、上記一対の把持装置による試験片の把持を緩和する把持緩和部と、
上記把持緩和部によって試験片の把持を緩和したと判定したら、上記一対の圧子で厚みを求める厚み計測部と、
上記エッジセンサーで試験片の平行部のエッジを検出した位置を基準とし、試験片厚みに基づき、上記一対の圧子の接近を停止する圧子位置制御部と、
上記圧子位置制御部によって上記一対の圧子が停止したと判定したら、上記一対の圧子で上記平行部の幅を求める幅計測部と、
を備えることを特徴とする寸法測定装置。 - 上記把持緩和部は、上記把持装置による試験片の支持を解除させることで上記試験片の把持を緩和することを特徴とする請求項1に記載した寸法測定装置。
- 上記把持装置はそれぞれ、試験片の端部を挟持可能な一対の掴み部を有し、
上記試験片支持部は、試験片の端部を上下から上記一対の掴み部で挟み込むことで当該試験片を支持させ、
上記把持緩和部は、試験片を支持する上記一対の掴み部のうちの上側の掴み部を上方に変位させることで、試験片の把持を緩和することを特徴とする請求項1に記載した寸法測定装置。 - 上記各把持装置はそれぞれ、試験片の端部を挟持可能な一対の掴み部を有し、
上記試験片支持部は、試験片の端部を上下から上記一対の掴み部で挟み込むことで当該試験片を支持させ、
上記把持緩和部は、測定する試験片の重量が予め設定した閾値重量未満と判定すると、試験片を支持する上記一対の掴み部の両方をそれぞれ試験片から離れる方向に変位させ、試験片の重量が予め設定した閾値重量以上と判定すると、試験片を支持する上記一対の掴み部のうちの上側の掴み部だけを上方に変位させることで、試験片の把持を緩和することを特徴とする請求項1に記載した寸法測定装置。 - 上記置き台に載置された試験片を長手方向両側から同期をとって挟み込んで、試験片の長手方向位置を予め設定した位置に位置合わせする第1センタリング機構と、
上記置き台に載置された試験片を幅方向両側から同期をとって挟み込んで、試験片の幅方向位置を予め設定した位置に位置合わせする第2センタリング機構と、
を備えることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載した寸法測定装置。 - 試験片を搬送するためのロボットハンドと、試験片における平行部の幅と厚みを測定する寸法測定装置と、幅と厚みを測定した試験片の引張試験を行って伸び−荷重特性を取得する引張試験装置と、上記寸法測定装置が求めた幅と厚み及び上記引張試験装置が取得した伸び−荷重特性から、試験を行った試験片の応力−歪特性を計算する演算装置と、を有し、
上記寸法測定装置が、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の寸法測定装置であることを特徴とする自動引張試験装置。 - 上記演算装置により計算した応力−歪特性からヤング率を求め、試験を行った試験片で想定されるヤング率として予め設定した管理範囲内か否かに基づいて試験結果の合否を判定する評価部をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の自動引張試験装置。
- 引張試験を行う試験片の平行部に測定方向で当接する一対の圧子間の距離に基づき、当該平行部の厚み及び幅を測定する寸法測定方法であって、
上記試験片の上記厚みは、
一対の把持装置で上記試験片の両端部をそれぞれ把持させて、上記平行部の厚み方向を上下に向けた状態で上記試験片を支持させた後に、上記平行部を上記一対の圧子で上下から挟持し、
その後、上記一対の把持装置による試験片の把持を緩和したときの上記一対の圧子間の距離に基づき求め、
上記試験片の上記幅は、
エッジセンサーによる試験片のエッジ検出位置と上記試験片の厚みから求めた圧子挟持位置で圧子を停止し、試験片の幅方向から圧子で挟持し、該圧子間の距離に基づき求めることを特徴とする寸法測定方法。 - 上記各把持装置はそれぞれ、試験片の端部を挟持可能な一対の掴み部を有し、その一対の掴み部で上下方向から挟み込むことで当該試験片の端部を支持させ、
上記試験片の把持の緩和は、試験片の重量が予め設定した閾値重量未満の場合には、試験片を支持する上記一対の掴み部の両方をそれぞれ試験片から離れる方向に変位させ、試験片の重量が予め設定した閾値重量以上と判定すると、試験片を支持する上記一対の掴み部のうちの上側の掴み部だけを上方に変位させることで、試験片の把持を緩和することを特徴とする請求項8に記載した寸法測定方法。 - 一対の把持装置で上記試験片を把持させる前に、平面視において、上記試験片を予め設定した位置にセンタリングさせることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載した寸法測定方法。
- 請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の寸法測定方法を用いて試験片における平行部の幅と厚みを測定し、幅と厚みを測定した試験片の引張試験を行って伸び−荷重特性を取得し、測定した幅と厚み及び上記伸び−荷重特性から応力−歪特性を計算し、
該応力−歪特性から計算したヤング率が、試験を行った試験片で想定されるヤング率として予め設定した管理範囲内か否かに基づいて試験結果の合否を判定することを特徴とする耐力評価方法。 - 上記管理範囲は、過去に引張試験を実施した各試験片の試験実績から求めること特徴とする請求項11に記載した耐力評価方法。
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