JP7247711B2 - 材料試験機、及び、材料試験機の制御方法 - Google Patents
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Description
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る材料試験機1の構成を模式的に示す図である。
材料試験機1は、引張試験や、圧縮試験、曲げ試験等の材料試験を実行し、試験対象である試験片TPの機械的性質を試験する試験機である。なお、試験対象は、各種材料や工業製品、この工業製品の部品又は部材等であり、試験片TPは、材料試験のために所定の規格に基づいて作成されている。
試験機本体2は、テーブル6と、このテーブル6上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹8、9と、これらのねじ棹8、9に沿って移動可能なクロスヘッド10と、このクロスヘッド10を移動させて試験片TPに試験力Fを与える負荷機構12と、ロードセル14と、を備える。ロードセル14は、試験片TPに与えられる荷重である試験力Fを測定し、試験力測定信号A1を出力するセンサである。なお、試験機本体2は、ねじ棹を1本とする構成としてもよい。
そして、負荷機構12は、ウォーム減速機16、17を介して、一対のねじ棹8、9にサーボモータ18の回転を伝達し、ねじ棹8、9が同期して回転することにより、クロスヘッド10がねじ棹8、9に沿って昇降する。
制御ユニット4は、制御装置30と、表示装置32と、試験プログラム実行装置34と、を備える。
図1に示すように、制御装置30は、信号入出力ユニット40と、制御回路ユニット50と、を備える。
制御回路ユニット50は、CPUやMPUなどのプロセッサと、ROMやRAMなどのメモリデバイスと、HDDやSSDなどのストレージ装置と、信号入出力ユニット40とのインターフェース回路と、試験プログラム実行装置34と通信する通信装置と、表示装置32を制御する表示制御回路と、各種の電子回路と、を備えたコンピュータを備え、プロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶されたコンピュータログラムを実行することで、制御部54の各機能部を実現する。また信号入出力ユニット40のインターフェース回路にはA/D変換器が設けられており、アナログ信号の試験力測定信号A1がA/D変換器によってデジタル信号に変換される。
なお、制御回路ユニット50は、コンピュータに限らず、ICチップやLSIなどの集積回路といった1又は複数の適宜の回路によって構成されてもよい。
目標データは、材料試験における試験力Fやクロスヘッド10の移動速度等の目標値の時間的変動を示す時系列データである。目標データ561は、試験プログラム実行装置34に対するユーザ設定操作に応じて制御回路ユニット50によって変更可能に記憶される。
図2を参照して、サーボモータ18をフィードバック制御する制御系の構成について説明する。
図2は、本実施形態におけるサーボモータ18のフィードバック制御の制御系を示すブロック線図である。図2においてtは、フィードバック制御の制御周期の実行タイミングを示している。
図1を参照して、制御部54の機能ブロックについて説明する。
制御部54は、第1傾き算出部541、第2傾き算出部542、制御コンプライアンス算出部543、及び、フィードバック制御部544を備える。制御コンプライアンス算出部543は、本発明の「変化量比算出部」の一例に対応する。
Comp(t)=Slop1(t)/Slop2(t)・・・(1)
式(1)において、tは制御周期の実行タイミングである。また、Comp(t)は各制御周期における制御コンプライアンスを示す。また、Slop1(t)は各制御周期における第1傾き算出部541が算出した第1傾きを示す。また、Slop2は各制御周期における第2傾き算出部542が算出した第2傾きを示す。
次に、材料試験機1の動作について説明する。
図3は、材料試験機1の動作を示すフローチャートであり、特にサーボモータ18のフィードバック制御に係る動作を示すフローチャートである。
図4~図8を参照して、制御コンプライアンス算出部543が算出する制御コンプライアンスCompの精度について説明する。
まず、シミュレーションから、制御コンプライアンス算出部543が算出する制御コンプライアンスCompの精度について説明する。
次に、測定データに基づいて、制御コンプライアンス算出部543が算出する制御コンプライアンスCompの精度について説明する。
次に、変形例について説明する。
変形例において第1傾き算出部541は、傾き算出設定期間における単位時間当たりのクロスヘッド10の移動距離の変化率、すなわち、傾き算出設定期間における単位時間当たりのクロスヘッド10の移動量Xに応じて、傾き算出設定期間の時間幅を変更する。また、変形例において第2傾き算出部542は、傾き算出設定期間における単位時間当たりの試験片TPの伸び量Pの変化率、すなわち、傾き算出設定期間における単位時間当たりの試験片TPの伸び量Pの変化量に応じて、傾き算出設定期間の時間幅を変更する。そして、第1傾き算出部541、及び、第2傾き算出部542は、いずれかの算出部が変更した傾き算出設定期間に基づいて、対応する近似直線の傾きを算出する。
以上、説明したように、材料試験機1は、試験片TPに試験力Fを付与する負荷機構12と、クロスヘッド10の移動距離を測定する測定する移動距離測定部60と、負荷機構12のフィードバック制御において応答となる試験片TPの伸び量Pを測定する伸び計90と、移動距離測定部60が測定したクロスヘッド10の移動距離と時間との関係を表す近似直線の傾きである第1傾きSlop1を算出する第1傾き算出部541と、伸び計90が測定した伸び量Pと時間との関係を表す近似直線の傾きである第2傾きSlop2を算出する第2傾き算出部542と、第1傾きSlop1と第2傾きSlop2との比を制御コンプライアンスCompとして算出する制御コンプライアンス算出部543と、制御コンプライアンス算出部543が算出した制御コンプライアンスCompに基づいて、測定伸び量Psと目標伸び量Pcとの偏差eを減少させるように負荷機構12をフィードバック制御するフィードバック制御部544と、を備える。
なお、上述した実施形態及び変形例は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、および応用が可能である。
上述した実施形態及び変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
一態様に関わる材料試験機は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷の付与に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる第1物理量を測定する第1測定部と、前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる第2物理量を測定する第2測定部と、前記第1測定部が測定した前記第1物理量と時間との関係を表す近似直線の傾きである第1傾きを算出する第1傾き算出部と、前記第2測定部が測定した前記第2物理量と時間との関係を表す近似直線の傾きである第2傾きを算出する第2傾き算出部と、前記第1傾き算出部が算出した前記第1傾きと、前記第2傾き算出部が算出した前記第2傾きとの比を、前記第1物理量の変化を示す第1変化量と前記第2物理量の変化を示す第2変化量との比である変化量比として算出する変化量比算出部と、前記変化量比算出部が算出した前記変化量比に基づいて、前記試験対象における実際の前記第2物理量と、前記第2物理量の目標値である目標第2物理量との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を備える。
第1項に記載の材料試験機において、前記第1傾き算出部は、最小二乗法によって前記第1傾きを算出し、前記第2傾き算出部は、最小二乗法によって前記第2傾きを算出する。
第1項又は第2項に記載の材料試験機において、前記第1測定部は、前記第1物理量として前記負荷機構の移動距離を測定し、前記第2測定部は、前記第2物理量として前記試験対象の変位量を測定し、前記変化量比は、前記負荷機構の移動量と前記試験対象の変位量の変化量との比を示す制御コンプライアンスであり、前記フィードバック制御部は、前記偏差に前記制御コンプライアンスを乗じることによって、前記偏差を前記試験対象の変位量の変化量から前記負荷機構の移動量に換算し、換算した前記負荷機構の移動量に基づいて前記負荷機構をフィードバック制御する。
第1項から第3項のいずれか一つの材料試験機において、前記第1傾き算出部は、所定期間において前記第1測定部が測定した前記第1物理量に基づいて前記第1傾きを算出し、前記第2傾き算出部は、前記所定期間において前記第2測定部が測定した前記第2物理量に基づいて前記第2傾きを算出し、前記第1傾き算出部、及び、前記第2傾き算出部は、前記所定期間における単位時間当たりの前記第1物理量の変化率、及び、前記所定期間における単位時間当たりの前記第2物理量の変化率の少なくともいずれかに応じて、前記所定期間の時間幅を変更して対応する傾きを算出する。
別の一態様に関わる材料試験機の制御方法は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷の付与に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる第1物理量を測定する第1測定部と、前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる第2物理量を測定する第2測定部と、制御装置と、を備える材料試験機の制御方法であって、前記制御装置が、前記第1測定部が測定した前記第1物理量と時間との関係を表す近似直線の傾きである第1傾きを算出し、前記第2測定部が測定した前記第2物理量と時間との関係を表す近似直線の傾きである第2傾きを算出し、算出した前記第1傾きと、算出した前記第2傾きとの比を、前記第1物理量の変化を示す第1変化量と前記第2物理量の変化を示す第2変化量との比である変化量比として算出し、算出した前記変化量比に基づいて、前記試験対象における実際の前記第2物理量と、前記第2物理量の目標値である目標第2物理量との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御する。
12 負荷機構
30 制御装置
60 移動距離測定部(第1測定部)
90 伸び計(第2測定部)
541 第1傾き算出部
542 第2傾き算出部
543 制御コンプライアンス算出部(変化量比算出部)
544 フィードバック制御部
P 伸び量(第2物理量)
Pc 目標伸び量(目標第2物理量)
Ps 測定伸び量(実際の前記第2物理量)
Slop1 第1傾き
Slop2 第2傾き
Comp 制御コンプライアンス(変化量比)
TP 試験片(試験対象)
X 移動量(第1変化量)
Claims (4)
- 試験対象に負荷を付与する負荷機構と、
前記負荷の付与に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる第1物理量を測定する第1測定部と、
前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる第2物理量を測定する第2測定部と、
所定期間において前記第1測定部が測定した前記第1物理量と時間との関係を表す近似直線の傾きである第1傾きを算出する第1傾き算出部と、
前記所定期間において前記第2測定部が測定した前記第2物理量と時間との関係を表す近似直線の傾きである第2傾きを算出する第2傾き算出部と、
前記第1傾き算出部が算出した前記第1傾きと、前記第2傾き算出部が算出した前記第2傾きとの比を、前記第1物理量の変化を示す第1変化量と前記第2物理量の変化を示す第2変化量との比である変化量比として算出する変化量比算出部と、
前記変化量比算出部が算出した前記変化量比に基づいて、前記試験対象における実際の前記第2物理量と、前記第2物理量の目標値である目標第2物理量との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御するフィードバック制御部と、を備え、
前記第1傾き算出部、及び、前記第2傾き算出部は、前記所定期間の時間幅を変更して対応する傾きを算出し、
前記第1傾き算出部は、前記所定期間における単位時間当たりの前記第1物理量の変化率が大きくなればなるほど前記所定期間の時間幅を狭くし、あるいは、前記第2傾き算出部は、前記所定期間における単位時間当たりの前記第2物理量の変化率が大きくなればなるほど前記所定期間の時間幅を狭くする、
材料試験機。 - 前記第1傾き算出部は、最小二乗法によって前記第1傾きを算出し、
前記第2傾き算出部は、最小二乗法によって前記第2傾きを算出する、
請求項1に記載の材料試験機。 - 前記第1測定部は、前記第1物理量として前記負荷機構の移動距離を測定し、
前記第2測定部は、前記第2物理量として前記試験対象の変位量を測定し、
前記変化量比は、前記負荷機構の移動量と前記試験対象の変位量の変化量との比を示す制御コンプライアンスであり、
前記フィードバック制御部は、前記偏差に前記制御コンプライアンスを乗じることによって、前記偏差を前記試験対象の変位量の変化量から前記負荷機構の移動量に換算し、換算した前記負荷機構の移動量に基づいて前記負荷機構をフィードバック制御する、
請求項1又は2に記載の材料試験機。 - 試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷の付与に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる第1物理量を測定する第1測定部と、前記負荷機構のフィードバック制御において応答となる第2物理量を測定する第2測定部と、制御装置と、を備える材料試験機の制御方法であって、
前記制御装置が、
所定期間において前記第1測定部が測定した前記第1物理量と時間との関係を表す近似直線の傾きである第1傾きを算出し、
前記所定期間において前記第2測定部が測定した前記第2物理量と時間との関係を表す近似直線の傾きである第2傾きを算出し、
算出した前記第1傾きと、算出した前記第2傾きとの比を、前記第1物理量の変化を示す第1変化量と前記第2物理量の変化を示す第2変化量との比である変化量比として算出し、
算出した前記変化量比に基づいて、前記試験対象における実際の前記第2物理量と、前記第2物理量の目標値である目標第2物理量との偏差を減少させるように前記負荷機構をフィードバック制御し、
前記所定期間における単位時間当たりの前記第1物理量の変化率が大きくなればなるほど前記所定期間の時間幅を狭くして、あるいは、前記所定期間における単位時間当たりの前記第2物理量の変化率が大きくなればなるほど前記所定期間の時間幅を狭くして、対応する傾きを算出する、
材料試験機の制御方法。
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