JP7067456B2

JP7067456B2 - 材料試験機

Info

Publication number: JP7067456B2
Application number: JP2018237604A
Authority: JP
Inventors: 善一安田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: JP2020101368A

Description

この発明は、試験片を一対のつかみ具間にセットするときに過負荷を検出して除荷する材料試験機に関する。

材料試験機においては、一般に、負荷機構の駆動により試験片に対して、各種の負荷を加えている。このような材料試験機としては、一対のつかみ具により試験片の両端を把持させて、これらのつかみ具を介して試験片に荷重を与えるものが知られている。

このような材料試験機では、基台とヨークの間に一対の柱部材が立設され、これらの柱部材の所定の位置に架設されたクロスヘッドに上つかみ具を取り付け、基台側に設けた油圧アクチュエータの伸縮するロッドに下つかみ具を取り付けている。そして、上つかみ具と下つかみ具に試験片の両端を把持させ、目標変位または目標荷重を設定して、サーボ弁を介して油圧アクチュエータの動作をフィードバック制御することにより、上つかみ具および下つかみ具を介して試験片に荷重が与えられる（特許文献１および特許文献２参照）。

試験片を一対のつかみ具の間にセットするときには、試験前の試験片に予定している荷重以外の負荷がかからないようにする必要がある。このため、従来の材料試験機には、過負荷防止機能が設けられている。従来の材料試験機において、試験片の両端をつかみ具につかませるときには、まず、試験片の一端を一方のつかみ具につかませ、次に、試験片をつかませたつかみ具を手動操作（ジョグ操作）により他方のつかみ具に向けて動かしている。このとき、試験片の端を、他方のつかみ具のつかみ歯間に挿入できずに、つかみ具の端面に試験片が衝突したり、試験片の端を他方のつかみ具のつかみ歯間に押し込みすぎたりして、試験片に過負荷が加わることがある。

このため、特許文献１の材料試験機では、油圧アクチュエータがジョグ操作により動作されているときに、供試体に作用する荷重が設定値以上であるか否かを判定し、設定値以上であった場合には、油圧アクチュエータへのジョグ操作による指令信号の伝達を禁止し、供試体に過負荷がかかることを防止している。

また、特許文献２の材料試験機では、過負荷レベルと除荷レベルを荷重値で予め設定し、変位制御によりジョグ操作を行っている状態で、過負荷が検出されると、強制的に荷重制御に切り替えて、過負荷レベルよりも低い除荷レベルまで荷重を低下させた後に、再度変位制御に切り替えることにより、試験片に過負荷が作用することを防止している。

特開平４－２７４７２９号公報特開２００３－２８７７０号公報

試験片を一対のつかみ具に完全に把持させる前のジョグ操作時に発生する過負荷は、上述したような過負荷除荷機能により取り除かれる。しかしながら、つかみ具の位置を一定にして、つかみ歯を近接させることにより試験片を把持させる動作を実行する間にも、試験片に過負荷がかかる場合がある。すなわち、つかみ具で試験片をつかむときには、試験片を引っ張り上げるようにアクチュエータを動かしていることから、試験片を同じ変位位置で保持している状態でも、試験片に過負荷がかかることがある。

試験片を一対のつかみ具で把持させたときの過負荷は、従来の材料試験機では、油圧アクチュエータを除荷する方向に動かすジョグ操作により、除荷を行うことは可能である。このジョグ操作による除荷は、ユーザによる手動操作であるため、個人差が生じる。

また、従来の材料試験機では、ユーザが手動で荷重制御モードに切り替えてから除荷している。目標変位または目標荷重を設定して、サーボ弁を介して油圧アクチュエータをフィードバック制御する場合、変位フィードバックゲインと荷重フィードバックゲインを適切に設定しなければ、ハンチングなどの問題が生じる。このため、ゲインなどのパラメータを事前に調整しておく必要があり、ユーザにとって煩雑である。また、負荷がかかる前に荷重制御に切り替えると、ピストンが一時的にフリーの状態になってしまい、試験片をつかんだ位置を維持できなくなる。したがって、負荷がかかってから荷重制御に切り替えて、荷重目標値をゼロにして過負荷を除去することになる。

上述のような、ユーザの手動操作が介在する除荷は、ユーザが過負荷に気付かなければ実行されない。このため、ユーザが過負荷に気付くのが遅れ、試験片に歪みを生じさせる場合もある。また、過負荷をそのままにして試験を実行してしまい、正確な試験データが得られない場合もある。

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、試験片を一対のつかみ具間にセットするときに過負荷を検出して確実に除荷することができる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、一対のつかみ具で試験片の両端を把持させ、前記つかみ具を介して供試体に荷重を与える材料試験機であって、前記一対のつかみ具のうち一方のつかみ具が接続され、駆動源の動作により移動する移動部材と、前記移動部材の変位を検出する変位検出器と、前記試験片に与えられる荷重を検出する力検出器と、前記駆動源の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、過負荷レベルの判定基準となる荷重値を保持し、前記移動部材の位置を一定に保持する制御を行っているときに、前記力検出器による検出値と過負荷レベルを比較して、検出値が過負荷レベルを超えたか否かにより過負荷を検出する過負荷検出部と、前記過負荷検出部が過負荷を検出したときに、変位制御で前記移動部材を除荷方向に移動させる速度を設定する速度設定部と、前記移動部材が除荷方向に移動しているときに、前記力検出器の検出値と前記変位検出器の検出値とから、荷重と変位との比率を計算する比率計算部と、を有し、前記移動部材が除荷方向に移動しているときの前記力検出器の検出値が所定の荷重範囲に到達するまで、前記比率計算部において算出した前記荷重と変位との比率に基づいて前記速度設定部の設定速度を変更する、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記移動部材は、シリンダ型アクチュエータのシリンダロッドである。

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、前記つかみ具は、くさび式つかみ具である。

請求項１から請求項３に記載の発明によれば、移動部材の位置を一定に保持する制御を行っているときに過負荷を検出すると、除荷方向に移動部材を移動させ、その移動部材の移動速度を荷重とストロークの比率に基づいて調整することから、試験片を一対のつかみ具間にセットするときの過負荷を検出して確実に除荷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。除荷に関係する制御系の信号経路を説明するブロック図である。除荷動作の手順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、この発明に係る材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、テーブル１１により支持された一対のコラム１２と、これらのコラム１２により支持された架台１３とを備える。テーブル１１には、供試体としての試験片１０に荷重を負荷するための油圧アクチュエータ２１が配設されている。この油圧アクチュエータ２１は、シリンダ型アクチュエータであり、シリンダ内に移動可能に嵌め合わされたピストン２４（図２参照）に連結されたシリンダロッド２５を備え、作動油の供給量を弁開度等により決定するサーボバルブ２２と、油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５の変位を検出する変位検出器２６とに接続されている。油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５は、この発明の移動部材であり、シリンダロッド２５には、試験片１０を掴む一対のつかみ具２９のうちの一方が取り付けられている。

つかみ具２９は、くさびの自己締まり作用を応用して試験片１０を把持するくさび式つかみ具である。なお、このつかみ具２９は、一対のつかみ歯の開閉をユーザがハンドルを操作することにより行う手動式のものであるが、つかみ具２９は、一対のつかみ歯の開閉に、作動油を利用する油圧式のつかみ具や、空気圧を利用する空圧式のつかみ具であってもよい。また、つかみ具２９は、くさび式つかみ具に限定されるものではなく、つかみ歯をＴレンチによって開閉させるねじ式のつかみ具であってもよい。

架台１３の下面には、試験片１０にかかる荷重を検出するための力検出器としてのロードセル２７と、試験片１０を固定するための他方のつかみ具２９とが配設されている。また、テーブル１１の下方には、油圧アクチュエータ２１の駆動源として、油圧アクチュエータ２１を動作させるための作動油を供給する油圧供給部３０が配置されている。

また、この材料試験機は、装置全体を制御するための制御部４０を備える。この制御部４０は、表示部４１および入力部４２を備えたコンピュータ４３と接続されている。上述したサーボバルブ２２は、制御部４０から供給される制御信号によってその弁開度が制御される。また、変位検出器２６の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは、所定時間ごとに制御部４０に取り込まれる。

油圧アクチュエータ２１は、油圧供給部３０から供給される作動油によって動作する。この油圧供給部３０からの作動油は、管路３７からサーボバルブ２２を介して油圧アクチュエータ２１に供給される。また、油圧アクチュエータ２１から排出された作動油は、サーボバルブ２２を通過した後、管路３８を介して油圧供給部３０に戻される。

以上のような構成を有する材料試験機においては、試験片１０の両端を一対のつかみ具２９により把持した状態で、下側のつかみ具２９を油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５により往復移動させ、この試験片１０に対して振動を付与する。このときの油圧アクチュエータ２１におけるシリンダロッド２５の往復移動のストロークは、油圧アクチュエータ２１の振幅として変位検出器２６により検出される。また、このときに試験片１０に付与される荷重は、ロードセル２７により検出される。そして、上述したように、このときの変位検出器２６の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは、所定時間ごとに制御部４０に取り込まれる。制御部４０では、設定された変位の目標値と変位検出器２６から入力された検出値との偏差、または、荷重の目標値とロードセル２７から入力された検出値との偏差が算出され、この偏差に基づいた駆動信号がサーボバルブ２２に入力されることで、油圧アクチュエータ２１がフィードバック制御される。

図２は、除荷に関係する制御系の信号経路を説明するブロック図である。

この材料試験機の制御部４０は、サーボバルブ２２に入力される駆動信号を演算する駆動制御部５１を備える。駆動制御部５１は、ＰＩＤ制御器として動作する構成を有し、変位検出器２６やロードセル２７からのフィードバック値と目標値との偏差に対して、比例演算、積分演算、微分演算を組み合わせて、油圧アクチュエータ２１への操作量を決定し、サーボバルブ２２に駆動信号を出力する。

制御部４０は、ジョグ操作後につかみ具２９の位置を一定に保持するように油圧アクチュエータ２１を制御しているときに生じた過負荷を除荷するための構成として、過負荷検出部５２と、比率計算部５３と、速度設定部５４とを備える。過負荷検出部５２は、値を保持（記憶）する機能を持った素子を含むことにより、過負荷レベルの判定基準となる荷重値を保持し、ロードセル２７による荷重検出値と過負荷レベルを比較し、荷重検出値が過負荷レベルを超えたかどうかを判断する。比率計算部５３は、油圧アクチュエータ２１が除荷動作中にロードセル２７が検出した荷重と、変位検出器２６が検出したシリンダロッド２５のストローク（移動量）との比率を計算する。そして、速度設定部５４は、変位制御でシリンダロッド２５を除荷方向に移動させる速度を設定する機能構成であり、油圧アクチュエータ２１の除荷動作前には、シリンダロッド２５を移動させる所定の初期速度を保持し、除荷動作中には、移動速度の設定を比率計算部５３において算出した荷重と変位との比率に基づいて計算した速度に変更する。

次に、上述した材料試験機において、ジョグ操作後に試験片１０を上側のつかみ具２９に把持させるときに、試験片１０にかかる過負荷を除荷する除荷動作について説明する。図３は、除荷動作の手順を示すフローチャートである。

この材料試験機で疲労試験を行うときには、最初に、試験片１０の下端を下側のつかみ具２９に把持させ、ジョグ操作により、試験片１０の上端が上側のつかみ具２９のつかみ歯により把持される位置まで下側のつかみ具２９を上昇させる。ジョグ操作は、ユーザが入力部４２を操作することにより行われる。このとき、例えば試験片１０が上側つかみ具２９の端面に衝突するなどして生じた過負荷は、従来のジョグ操作時の過負荷防止機構（特許文献１および特許文献２参照）により防止される。下側のつかみ具２９が、目標位置まで到達したら、油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５の変位指令の目標値が変更されない変位一定の状態とし、つかみ具２９の位置を一定位置に保持する。

つかみ具２９の位置が一定に保持された状態、すなわち、目標位置を一定として位置を変えない制御を行っている状態で、ユーザは、上側のつかみ具２９のつかみ歯の開閉動作を実行する。このとき、ロードセル２７から過負荷検出部５２に入力された荷重が過負荷であると判定されたときは（ステップＳ１）、油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５の位置を、現状の位置から除荷方向に０．１ｍｍ／秒で移動させる（ステップＳ２）。この実施形態においては、過負荷が検出される前に速度設定部５４が保持している設定速度は、初期速度である０．１ｍｍ／秒である。なお、この初期速度は、試験片１０に影響を与えない程度の速度であればよく、０．１ｍｍ／秒に限定されない。このとき、比率計算部５３には、ロードセル２７と変位検出器２６から検出値が入力され、ロードセル２７が検出した荷重と変位検出器２６が検出したシリンダロッド２５のストロークとの比率が計算される(ステップＳ３)。初期速度０．１ｍｍ／秒で移動させたときの荷重と変位との比率が求まると、その比率に基づいて、速度設定部５４において除荷目標値（０ｋＮ）まで１秒で到達できるストローク速度が計算される（ステップＳ４）。しかる後、シリンダロッド２５を除荷方向に移動させる速度を、初期速度からステップＳ４で求めた速度に変更する（ステップＳ５）。

シリンダロッド２５の移動中にも、ロードセル２７から過負荷検出部５２に検出値が入力され、検出値が所定の荷重範囲内に到達した否かにより除荷終了判定が行われる（ステップＳ６）。ロードセル２７の検出値が所定の荷重範囲内に到達していない、すなわち過負荷レベルよりも低い荷重値に到達していなければ、シリンダロッド２５の移動が続行される。シリンダロッド２５の移動中には、現在のシリンダロッド２５の移動速度での荷重とストロークとの比率をモニタし（ステップＳ３）、ステップＳ３～ステップＳ５を繰り返すことで移動速度の調整を常時実行する。この移動速度の調整は、荷重が所定の範囲内に到達するまで実行される。

荷重が所定の範囲内に到達し、除荷終了と判定されると（ステップＳ６）、油圧アクチュエータ２１の応答遅れによるオーバーシュートを防止するため、応答遅れ分だけ設定信号（目標値）を補正し（ステップＳ７）、その目標値で変位一定とする制御状態に戻る。すなわち、シリンダロッド２５の変位目標値が補正され、補正された変位目標を停止位置としてサーボバルブ２２の開閉状態を制御する信号が駆動制御部５１からサーボバルブ２２に出力される。このように、この実施形態では、ステップＳ１で、過負荷が検出された後は、変位の目標値を除荷方向の値に逐次変える変位制御により、油圧アクチュエータ２１を動作させている。

なお、ロードセル２７からの荷重をモニタし、過負荷を検出したときに（ステップＳ１）、ステップＳ２～ステップＳ７を実行する除荷動作は、上側のつかみ具２９によるつかみ位置の位置決めのためのジョグ操作を終了した後、試験開始や、再度のジョグ操作などの負荷機構に対する何らか指令信号が制御部４０に入力されるまで、自動的に行われる。このため、試験前に試験片１０に試験で予定している荷重以外の力が加わる状態を速やかに回避できる。

以上のように、この発明に係る材料試験機においては、ロードセル２７で検出した荷重と、変位検出器２６で検出した変位との関係をモニタしながら除荷のための移動速度を調整している。従来の材料試験機（特許文献２）のように、除荷のために試験力制御を行わないため、予めゲインを調整しておく必要がなく、剛性の違う試験片１０に対して、試験片把持時の過負荷を確実に取り除くことが可能となる。

上述した実施形態では、テーブル１１側に油圧アクチュエータ２１を配置して下側のつかみ具２９を上下動させることにより、試験片１０に繰り返し引張・圧縮荷重を与える材料試験機を例に説明したが、試験片１０を負荷する構成は、これに限定されない。すなわち、クロスヘッド側にアクチュエータを配置し、一対のつかみ具２９に試験片１０を把持させるときには、試験片１０の上端を把持させた上側のつかみ具２９を下側のつかみ具２９に向けて移動させて下側のつかみ具２９により把持させる材料試験機にも、この発明を適用することができる。また、モータの駆動により一対のネジ棹を同期して回転させ、一対のネジ棹に架設したクロスヘッドを上下動させることにより試験片１０に負荷を与える材料試験機にも、この発明を適用することができる。

また、上述した実施形態では、つかみ具が接続された移動部材とその駆動源として、油圧により動作するシリンダ型の油圧アクチュエータ２１を例に説明したが、これに限定されない。ボールねじに駆動源としてステッピングモータを組み合わせたボールねじアクチュエータや、可動軸に駆動源としてボイスコイルモータを組み合わせたボイスコイルアクチュエータや、あるいは、リニアモータアクチュエータなど、直動型の位置決め機構を実現できるアクチュエータであればよい。

１０試験片
１１テーブル
１２コラム
１３架台
２１油圧アクチュエータ
２２サーボバルブ
２４ピストン
２５シリンダロッド
２６変位検出器
２７ロードセル
２９つかみ具
３０油圧供給部
３７管路
３８管路
４０制御部
４１表示部
４２入力部
４３コンピュータ
５１駆動制御部
５２過負荷検出部
５３比率計算部
５４速度設定部

Claims

一対のつかみ具で試験片の両端を把持させ、前記つかみ具を介して供試体に荷重を与える材料試験機であって、
前記一対のつかみ具のうち一方のつかみ具が接続され、駆動源の動作により移動する移動部材と、
前記移動部材の変位を検出する変位検出器と、
前記試験片に与えられる荷重を検出する力検出器と、
前記駆動源の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
過負荷レベルの判定基準となる荷重値を保持し、前記移動部材の位置を一定に保持する制御を行っているときに、前記力検出器による検出値と過負荷レベルを比較して、検出値が過負荷レベルを超えたか否かにより過負荷を検出する過負荷検出部と、
前記過負荷検出部が過負荷を検出したときに、変位制御で前記移動部材を除荷方向に移動させる速度を設定する速度設定部と、
前記移動部材が除荷方向に移動しているときに、前記力検出器の検出値と前記変位検出器の検出値とから、荷重と変位との比率を計算する比率計算部と、
を有し、
前記移動部材が除荷方向に移動しているときの前記力検出器の検出値が所定の荷重範囲に到達するまで、前記比率計算部において算出した前記荷重と変位との比率に基づいて前記速度設定部の設定速度を変更する、ことを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記移動部材は、シリンダ型アクチュエータのシリンダロッドである材料試験機。
請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
前記つかみ具は、くさび式つかみ具である材料試験機。