JP7026901B2 - 打撃装置および固有周波数測定装置 - Google Patents

打撃装置および固有周波数測定装置 Download PDF

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Description

この発明は、高速引張試験機等の材料試験機に使用する力検出器を含む系の固有周波数を計測するために使用される打撃装置、および、この打撃装置を使用した固有周波数測定装置に関する。
高速引張試験機においては、試験片の両端を移動側つかみ具と固定側つかみ具により把持した状態で、移動側つかみ具を高速で移動させることにより引張試験力を付与する構成を有する（特許文献１参照）。
このような高速引張試験機や、シャルピー衝撃試験等の、短時間に試験片に試験力が付与される材料試験を実行するときには、ロードセル等の力検出器の固有周波数（固有振動数）が試験結果に影響を与える。すなわち、材料試験時に試験片に生ずる周波数と比較して、力検出器の固有周波数が低い場合には、試験時に共振や振動が発生しやすく、その慣性力が力検出器による力の計測値に重畳して大きな誤差となる。このため、このような材料試験を行う前には、例えば、力検出器とつかみ具等、力検出器を含む系の固有周波数を予め測定しておく場合がある。
この固有周波数の測定時には、力検出器を含む系をハンマーにより打撃し、あるいは、力検出器を含む系に対して鋼球を落とすこと（落球法）によって力検出器を含む系に衝撃を与え、その時の力検出器の出力を記録するとともに、その出力値に対してＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ／高速フーリエ変換）解析等を行うことで、固有周波数を求める方法が採用されている。
特開２００６－１０４０９号公報
固有周波数を測定するときに、ハンマーによる打撃を行った場合には、打撃力の強弱や打撃ポイントのずれ等により、測定データが一定とはならない問題が生ずる。また、落球法を採用した場合においても、衝突ポイントのずれが誤差要因になるばかりではなく、鋼球が力検出器を含む系と衝突した後に転がることから、測定作業が煩雑なものとな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、力検出器を含む系の固有周波数を簡便かつ正確に測定することが可能な打撃装置および固有周波数測定装置を提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明は、材料試験機に使用する力検出器を含む系の固有周波数を計測するために使用される打撃装置であって、支軸を中心に揺動可能なアームと、前記アームの支軸とは逆側の端部に配設された重りと、前記重りを待機高さ位置で固定するとともに、前記待機高さ位置での固定を解除することにより前記重りを前記アームの揺動に伴って前記待機高さ位置から円弧状に落下させる重り固定機構と、を備え、前記力検出器を含む系を、前記重りにより、前記材料試験機による材料試験時の試験力の負荷方向と平行する方向に向けて打撃することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の打撃装置において、前記力検出器を含む系は、前記力検出器と、この力検出器に接続されたつかみ具と、を含み、前記重りは前記つかみ具を打撃する。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の打撃装置において、前記支軸と、前記重り固定機構とは、鉛直方向に立設された支柱に対して昇降可能に配設される。
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の打撃装置において、前記重りは磁性体から構成され、前記重り固定機構は、前記重りを磁力により前記待機高さ位置で固定する磁石を備える。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の打撃装置と、前記重りにより前記力検出器を含む系を打撃したときの前記力検出器の出力信号に基づいて、前記力検出器を含む系の固有周波数を演算する演算部と、を備えたことを特徴とする固有周波数測定装置である。
請求項１から請求項５に記載の発明によれば、重りをアームの揺動に伴って円弧状に落下させて力検出器を含む系を材料試験時の試験力の負荷方向と平行する方向に向けて打撃することから、簡易な構成でありながら、力検出器を含む系の固有周波数を簡便かつ正確に測定することが可能となる。
請求項３に記載の発明によれば、力検出器およびつかみ具の大きさに応じて、重りによる打撃位置を変更することが可能となる。
請求項４に記載の発明によれば、重りに対する固定とその解除を容易に実行することが可能となる。
この発明に係る打撃装置を適用する高速引張試験機の要部を示す概要図である。 この発明に係る打撃装置の概要図である。 鋼球６１により固定側つかみ具１２を打撃する状態を示す拡大断面図である。 この発明に係る打撃装置と共に使用される演算部９０を含む制御測定系を示すブロック図である。
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、この発明に係る打撃装置を適用する高速引張試験機の要部を示す概要図である。
この高速引張試験機においては、試験片１００は、その上下両端部を移動側つかみ具１１と固定側つかみ具１２とにより把持された状態で高速引張試験に供される。移動側つかみ具１１は、移動部材５１の下端部に連結部材４５を介して支持されている。一方、固定側つかみ具１２は、この発明に係る力検出器としてのロードセル１３を介してテーブル１４に固定されている。
移動側つかみ具１１に連結部材４５を介して接続された移動部材５１は、上方に配置されているピストン５３の内部に形成された空洞内に配置されている。この移動部材５１の上端部分には上向きに広がるテーパ部５２が形成されている。一方、ピストン５３における空洞の下端部には、テーパ部５２と略同一の角度で上向きに広がるテーパ部５４が形成されている。なお、ピストン５３は、図示を省略した油圧シリンダの駆動により上下方向に昇降する。このため、ピストン５３を高速度で上昇させたときには、移動部材５１におけるテーパ部５２とピストン５３におけるテーパ部５４とが当接するまでの助走区間の後に、移動部材５１がピストン５３とともに、高速度の初速度で上方に移動する。これにより、試験片１００に高速引張荷重が負荷される。
高速引張試験時に、試験片１００の伸びを測定するための変位計は、移動体２３と、固定体２１とを備える。移動体２３は、導電体からなるパイプから構成され、固定体２１はコイルから構成される。そして、移動体２３が移動することによるコイルである固定体２１のインダクタンスの変化を検出して、試験片１００の伸びを算出する構成を有する。変位計としては一般的なひずみゲージ式のものも使用できる。
ここで、変位計における移動体２３は、支持部材４１により支持された状態で移動側つかみ具１１に連結されている。また、変位計における固定体２１は、支持アーム１６により支持されている。この支持アーム１６は、テーブル１４上に立設された支柱１５に対して昇降可能となっており、位置決めリング１７および固定つまみ１８の作用により、その高さ位置を調整した上で固定される構成となっている。
以上のような構成を有する高速引張試験時においては、ピストン５３を高速度で上昇させると、ピストン５３の助走区間を経た後に移動部材５１が高速度で上昇し、これによって移動側掴み具１１を介して試験片１００に高速引張荷重が負荷される。そして、試験片１００が伸びることにより移動側つかみ具１１が上方に移動する。この移動側つかみ具１１の移動により、変位計における移動体２３を構成するパイプ内への固定体２１としてのコイルの挿入量が減少し、そのインダクタンスが変化する。そして、このインダクタンスを検出し、その変化に基づいて変位計の変位量すなわち試験片１００の伸びが算出される。
次に、この発明に係る打撃装置の構成について説明する。図２は、この発明に係る打撃装置の概要図である。また、図３は、鋼球６１により固定側つかみ具１２を打撃する状態を示す拡大断面図である。
この発明に係る打撃装置は、支軸６３を中心に揺動可能なアーム６２と、アーム６２の支軸６３とは逆側の端部に配設された重りとしての鋼球６１とを備える。支軸６３は、マグネットスタンド７０に立設された支柱７１に対して昇降可能な支持部６４に支持されている。支軸６３を支持する支持部６４は、ネジ６５を操作することにより、支柱７１における任意の高さ位置に固定可能となっている。なお、この図においては、マグネットスタンド７０を基台７２上に載置しているが、マグネットスタンド７０をテーブル１４上に載置してもよい。
支柱７１における支持部６４の上方の位置には、支持板６７を支持する支持部６８が配設されている。支持板６７を支持する支持部６８は、ネジ６９を操作することにより、支柱７１における任意の高さ位置に固定可能となっている。そして、支持板６７の上部には、永久磁石６６が載置されている。この永久磁石６６は、図２において実線で示すように、鋼球６１が支持板６７の下面と当接する高さ位置に配置されたときに、磁力により鋼球６１を支持板６７の下面と当接する待機高さ位置で固定する。そして、永久磁石６６が図２に示す状態から取り除かれたときには、鋼球６１は、図２において実線で示す待機高さ位置から円弧状に落下し、図２において仮想線で示す状態となる。なお、支持板６７はアルミニウムやステンレス、プラスチックなどの非磁性体の材料から作られている。
図４は、この発明に係る打撃装置とともに使用される演算部９０を含む制御測定系を示すブロック図である。この制御測定系は図１に示す高速引張試験機の一部として構成されてもよいし、固有周波数の測定のために別途用意してもよい。
この演算部９０は、ロードセル１３と、液晶表示パネル等から構成される表示部９２とに接続されている。この演算部９０は、ロードセル１３から送信された信号に対して高速フーリエ変換を実行するＦＦＴ変換部９１を備える。ロードセル１３からの信号は、ＦＦＴ変換部９１において高速フーリエ変換され、演算部９０においてロードセル１３および固定側つかみ具１２を含む系の固有周波数が演算される。演算された固定周波数は、表示部９２に表示される。
このような構成を有する打撃装置により力検出器としてのロードセル１３および固定側つかみ具１２を含む系の固有周波数を計測するときには、図３に示すように、支持板８３上にダミーの試験片８２を配置し、固定側つかみ具１２における一対のつかみ歯８１によりダミーの試験片８２を把持しておく。これは、つかみ歯８１や試験片８２を含めてつかみ具１２が一体となって振動するようにするためであり、後述する固定側つかみ具１２における一対のつかみ歯８１と鋼球６１との衝突時に、一対のつかみ歯８１に位置ずれが生ずることを防止するためでもある。なお、図３では鋼球６１が二つのつかみ歯８１に同時に衝突しているように描いてあるが、これは理想形であり、実際は片方のつかみ歯８１に衝突することが多いと考えられる。この場合でも打撃を与える機能としては、とくに問題はない。また、試験片８２の材質によっては、その先端を少しつかみ歯８１より上に出しておいて鋼球６１を試験片８２の先端に衝突させてもよい。
この状態において、図２において仮想線で示すように、アーム６２が水平方向を向いた状態において鋼球６１の下面が固定側つかみ具１２の上端と当接するように、マグネットスタンド７０の位置を調整するとともに、支軸６３を支持する支持部６４の高さ位置を調整する。また、支持板６７を支持する支持部６８を、鋼球６１を打撃に適した位置に配置し得る高さ位置に配置する。そして、図２において実線で示すように、永久磁石６６の作用により、鋼球６１を支持板６７の下面と当接する待機高さ位置で固定する。
この状態において、永久磁石６６を支持板６７の上面から除去する。これにより、待機高さ位置で固定されている鋼球６１は、この待機高さ位置での固定が解除され、アーム６２の支軸６３を中心とする揺動に伴って円弧状に落下する。そして、この鋼球６１は、固定側つかみ具１２における一対のつかみ歯８１を、図１に示す材料試験機による材料試験時の試験力の負荷方向と平行する方向（図２では鉛直方向）に向けて打撃することになる。また、これは負荷軸と同軸上で打撃することにもなる。
この打撃によりロードセル１３および固定側つかみ具１２を含む系に生じた振動は、ロードセル１３の力検出機能により測定される。そして、ロードセル１３による振動する力の検出信号は、演算部９０におけるＦＦＴ変換部９１により高速フーリエ変換されることにより、ロードセル１３および固定側つかみ具１２を含む系の固有周波数が演算され、演算された固定周波数は、表示部９２に表示される。
なお、ロードセル１３は、固定側つかみ具１２と接続されるだけではなく、テーブル１４とも当接している。しかしながら、ロードセル１３における力を検出するひずみゲージ等の検出部は、図２に示す領域１９内に存在する起歪部に収納されている。ロードセル１３は内部に設けられている起歪部によって上下に分かれており、起歪部はバネの性質を持っているので固定側つかみ具１２を含む系の振動は主にこの起歪部より上方で起こることになる。このため、ロードセル１３と当接するテーブル１４がロードセル１３および固定側つかみ具１２を含む系の固有周波数に影響を与えることはない。
以上のように、この発明に係る打撃装置によれば、支柱７１を支持するマグネットスタンド７０の配置および支軸６３を支持する支持部６４の高さ位置を調整することにより、鋼球６１によって常に固定側つかみ具１２の同一位置を打撃することができる。また、支持板６７を支持する支持部６８の高さ位置を調整することにより、鋼球６１により固定側つかみ具１２を常に一定の力で打撃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、ロードセル１３を含む系の固有周波数を簡便かつ正確に測定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、永久磁石６６を支持板６７の上面から除去することにより、鋼球６１に対する磁力の影響をなくして鋼球６１を円弧状に落下させているが、永久磁石６６のかわりに電磁石を使用し、この電磁石の電磁力をオン／オフする構成を採用してもよい。また、機械的な保持機構により鋼球６１を支持する構成を採用してもよい。
また、上述した実施形態においては、助走機構を含む高速引張試験機に本発明を適用しているが、試験速度によっては必ずしも助走機構は必要ない。例えば静的な引張試験機において最大速度で試験する場合でも振動が問題になる場合はありうるので、その場合にも本発明は適用できる。
１１ 移動側つかみ具
１２ 固定側つかみ具
１３ ロードセル
１４ テーブル
５１ 移動部材
５２ テーパ部
５３ ピストン
５４ テーパ部
６１ 鋼球
６２ アーム
６３ 支軸
６４ 支持部
６６ 永久磁石
６７ 支持板
６８ 支持部
７０ マグネットスタンド
７１ 支柱
９０ 演算部
９１ ＦＦＴ変換部
９２ 表示部
１００ 試験片

Claims (5)

  1. 材料試験機に使用する力検出器を含む系の固有周波数を計測するために使用される打撃装置であって、
    支軸を中心に揺動可能なアームと、
    前記アームの支軸とは逆側の端部に配設された重りと、
    前記重りを待機高さ位置で固定するとともに、前記待機高さ位置での固定を解除することにより前記重りを前記アームの揺動に伴って前記待機高さ位置から円弧状に落下させる重り固定機構と、を備え、
    前記力検出器を含む系を、前記重りにより、前記材料試験機による材料試験時の試験力の負荷方向と平行する方向に向けて打撃することを特徴とする打撃装置。
  2. 請求項１に記載の打撃装置において、
    前記力検出器を含む系は、前記力検出器と、この力検出器に接続されたつかみ具と、を含み、
    前記重りは前記つかみ具を打撃する打撃装置。
  3. 請求項２に記載の打撃装置において、
    前記支軸と、前記重り固定機構とは、鉛直方向に立設された支柱に対して昇降可能に配設される打撃装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の打撃装置において、
    前記重りは磁性体から構成され、
    前記重り固定機構は、前記重りを磁力により前記待機高さ位置で固定する磁石を備える打撃装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の打撃装置と、
    前記重りにより前記力検出器を含む系を打撃したときの前記力検出器の出力信号に基づいて、前記力検出器を含む系の固有周波数を演算する演算部と、
    を備えたことを特徴とする固有周波数測定装置。
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