JP7444110B2 - 試験機特性評価方法、試験機特性評価装置、及び材料試験機 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に記載の材料試験機の制御装置50は、伝達関数演算部51と、駆動信号生成部52と、駆動信号出力部54と、検出信号受信部55と、制御目標波形生成部61と、を備え、制御目標波形生成部61は、実働波形に対応した目標波形の時系列データから振幅のピーク点を抽出するピーク点抽出部62と、ピーク点抽出部62により抽出されたピーク点の隣接する2点間における速度が材料試験機の動作限界速度を超えるときに、当該ピーク点の時間軸における位置を変更する時間変更部63と、ピーク点抽出部52により抽出された各ピーク点を滑らかに接続するピーク点接続部54と、を備える。
また、最大速度や最大加速度を正確に把握することができないために、試験条件を適正に設定できない場合があった。
例えば、試験可能だと判断しても、実際には試験が困難である場合があった。また、例えば、仕様上で決定した限界特性(最大速度や最大加速度)によって、実際の応答特性よりも過剰に試験条件が制限される場合があった。
図1は、本実施形態に係る疲労試験機1の構成の一例を示す図である。
本実施形態の疲労試験機1は、試験片TPに試験力FPを与えて、試料の引張強度、降伏点、伸び、絞りなどの機械的性質を測定する引張試験を行う。試験力FPは、引張力である。
疲労試験機1は、試験対象の材料である試験片TPに試験力FPを与えて引張試験を行う試験機本体2と、試験機本体2による引張試験動作を制御する制御ユニット3と、を備える。
なお、疲労試験機1は、「材料試験機」の一例に対応する。
差動トランス19は、試験片TPの変位Xを測定し、変位Xに応じた変位測定信号SG2を制御ユニット3に出力するセンサである。
信号入出力装置40は、試験機本体2との間で信号を送受信する入出力インターフェース回路を構成するものであり、本実施形態では、第1センサアンプ42と、第2センサアンプ45と、第3センサアンプ43と、サーボアンプ44とを有する。
第1センサアンプ42は、ロードセル14が出力する試験力測定信号SG1を増幅して試験力計測値FDを生成し、試験力計測値FDを制御装置50に出力する増幅器である。
第2センサアンプ45は、変位センサ15が出力する伸び測定信号SG3を増幅して伸び計測値EDを生成し、伸び計測値EDを制御装置50に出力する増幅器である。
第3センサアンプ43は、差動トランス19が出力する変位測定信号SG2を増幅して変位計測値XDを示す変位測定信号A3を制御装置50にデジタル信号で出力する。
サーボアンプ44は、制御装置50の制御に従って、サーボ弁20を制御する装置である。制御装置50は、変位計測値XDの指令値dXを演算し、指令値dXを示す指令信号A4をサーボ弁20に対して送信する。
制御装置50は、ユーザからの操作に基づき、試験機本体2の動作を制御する。また、制御装置50は、試験機本体2に引張試験を実行させる。
本実施形態において、「ユーザ」は、試験機本体2を操作する作業者を含む。
制御装置50は、制御部51と、操作部52と、表示部53と、を備える。
制御装置50は、「試験機特性評価装置」の一例に対応する。
表示部53は、LCD(Liquid Crystal Display)等を備え、制御部51からの指示に従って、LCDに種々の画像を表示する。
プロセッサ51Aは、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro-Processing Unit)などで構成される。
メモリ51Bは、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などで構成される。また、メモリ51Bは、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)を備えてもよい。
メモリ51Bは、制御プログラムを記憶する。
また、制御部51は、DSP(Digital Signal Processor)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等、プログラムされたハードウェアを備えてもよい。また、制御部51は、SoC(System-on-a-Chip)-FPGAを備えてもよい。
また、制御部51のプロセッサ51Aが、メモリ51Bに記憶された制御プログラムを実行することによって、メモリ51Bを、実験条件記憶部515、実験結果記憶部516、曲線記憶部517、及び設定条件記憶部518、として機能させる。
変位Xは、差動トランス19から出力される変位測定信号SG2に対応する変位計測値XDとして検出する。
周波数Fは、例えば、時間Tに対して直線的に変化させる。周波数Fは、例えば、次の式(1)で表される。
F=β×T (1)
ここで、定数βは、例えば、1(Hz/秒)である。すなわち、1秒間で周波数Fが1Hz増加するように、周波数Fを連続的に変化させる。また、周波数Fの最大値は、疲労試験機1の性能や行いたい周波数域に応じて決定し、例えば50Hzである。
例えば、変位Xの周期TXの所定個数NX倍の期間が経過する度に、1Hz増加するように、周波数Fを変化させてもよい。所定個数NXは、例えば、10個である。この場合には、周波数Fを直線的に変化させる場合と比較して、実験に要する時間を削減できる。
周波数Fが10Hzである場合には、周期TXは、0.1秒であるため、1秒間が10個の周期TXに対応する。そこで、周波数Fが10Hzである場合には、1秒後に、周波数Fが11Hzに変更される。
周波数Fが20Hzである場合には、周期TXは、0.05秒であるため、0.5秒間が10個の周期TXに対応する。そこで、周波数Fが20Hzである場合には、0.5秒後に、周波数Fが21Hzに変更される。
なお、この場合には、振幅Wがゼロの近傍で、周波数Fを変更することが好ましい。
実験実行部511によって実行された実験の結果は、実験実行部511によって実験結果記憶部516に記憶される。
最大速度曲線W1(F)、及び、最大加速度曲線W2(F)は、曲線近似部512によって曲線記憶部517に記憶される。
また、実験実行部511は、振幅一定制御を行う。振幅一定制御では、実験実行部511は、振幅WAが、目標振幅WTと一致するように、変位Xを制御する。目標振幅WTは、振幅WAの目標値を示す。目標振幅WTは、例えば、±1mmである。
実験実行部511は、実験を実行することによって、実験結果として、設定された周波数Fと、周波数Fに対応する変位Xとを所定時間ΔT毎に取得する。所定時間ΔTは、例えば、0.001秒である。
また、実験実行部511は、実験結果、すなわち、周波数Fと変位Xとを対応付けて実験結果記憶部516に記憶させる。
V(T)=A1×sin(2π×F×T) (2)
ここで、第1係数A1は、速度V(T)の振幅Wを示す。第1係数A1は、最大速度VMを示す。
変位X(T)は、式(2)を時間Tについて1回積分することによって、次の式(3)で表される。
X(T)=(A1/(2π×F))×cos(2π×F×T) (3)
よって、速度V(T)が一定の条件で周波数Fが変化する場合における振幅Wを示す最大速度曲線W1(F)は、次の式(4)で表される。
W1(F)=±A1/(2π×F) (4)
ただし、最大速度曲線W1(F)の絶対値が目標振幅WTより大きい場合には、最大速度曲線W1(F)の絶対値を目標振幅WTとする。目標振幅WTは、例えば、±1mmである。
なお、式(4)は、特許請求の範囲に記載する式(A)と同一である。
α(T)=A2×sin(2π×F×T) (5)
ここで、第2係数A2は、加速度α(T)の振幅Wを示す。第2係数A2は、最大加速度αMを示す。
変位X(T)は、式(5)を時間Tについて2回積分することによって、次の式(6)で表される。
X(T)=(-A2/(2π×F)2)×sin(2π×F×T) (6)
よって、加速度α(T)が一定の条件で周波数Fが変化する場合における振幅Wを示す最大加速度曲線W2(F)は、次の式(7)で表される。
W2(F)=±A2/(2π×F)2 (7)
ただし、最大加速度曲線W2(F)の絶対値が目標振幅WTより大きい場合には、最大加速度曲線W2(F)の絶対値を目標振幅WTとする。目標振幅WTは、例えば、±1mmである。
なお、式(7)は、特許請求の範囲に記載する式(B)と同一である。
Min(W1(F),W2(F))≦Amp(F) (8)
ここで、Min(W1(F),W2(F))は、最大速度曲線W1(F)の絶対値と最大加速度曲線W2(F)の絶対値とのうち、小さい方の値を示す。関数Amp(F)は、実験によって周波数Fの関数として求められる((周波数Fにおける変位1周期の最大値)-(周波数Fにおける変位1周期の最小値)/2)である。
なお、式(7)は、特許請求の範囲に記載する式(C)と同一である。
まず、最大速度曲線W1(F)と、最大加速度曲線W2(F)との交点における交点周波数Finは、式(4)及び式(7)によって、次の式(9)として算出される。
Fin=A2/(2π×A1) (9)
また、評価関数GE(A1,A2)は、次の式(10)で表される。
評価関数GE(A1,A2)が最小になる第1係数A1及び第2係数A2を算出することによって、第1係数A1及び第2係数A2を算出できる。
なお、評価関数GE(A1,A2)が最小になる第1係数A1及び第2係数A2は、最適化問題として、周知の最急降下法、共役勾配法等によって求めることができる。
その結果,最大速度曲線W1(F)、及び最大加速度曲線W2(F)が算出される。
交点周波数Fin、最小周波数Fmin、及び最大周波数Fmaxについては、図3を参照して更に説明する。
試験条件設定部514によって設定された試験条件に対応する試験を実行する場合には、制御部51は、振幅一定制御を行う。振幅一定制御では、制御部51は、振幅WAが、目標振幅WT(=±0.5mm)と一致するように、変位Xを制御する。
試験条件設定部514は、設定した試験条件を設定条件記憶部518に記憶させる。
図3の横軸は、周波数F(Hz)を示し、縦軸は振幅W(mm)を示す。
グラフG11は、実験実行部511によって実行された実験結果を示す。グラフG12は、曲線近似部512によって算出された最大速度曲線W1(F)を示す。グラフG13は、曲線近似部512によって算出された最大加速度曲線W2(F)を示す。
グラフG12に示す最大速度曲線W1(F)と、グラフG13に示す最大加速度曲線W2(F)とは、周波数F13(=交点周波数Fin)において交差する。
第1係数A1は、曲線近似部512によって、例えば、140mm/secと算出され、第2係数A2は、曲線近似部512によって、例えば、2.8Gと算出される。Gは重力加速度を示す。重力加速度Gは、9.8m/sec2であるから、第1係数A1は、27.44m/sec2である。
周波数Fが、第1周波数F11より大きく、第3周波数F13以下の領域では、曲線LM12に示すように、グラフG12に示す最大速度曲線W1(F)によって振幅Wが近似される。
また、周波数Fが、第3周波数F13より大きく第4周波数F14(=最大周波数Fmax)以下の領域では、曲線LM13に示すように、グラフG13に示す最大加速度曲線W2(F)によって振幅Wが近似される。
なお、第2周波数F12は、最大加速度曲線W2(F)の値が目標振幅WT(±1mm)と一致する周波数Fを示す。
なお、この効果については、図5~図7を参照して更に説明する。
次に、図4を参照して、制御部51の処理について説明する。
図4は、本実施形態に係る制御部51の処理の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップS101において、実験実行部511は、実験条件記憶部515に記憶された実験条件に基づいて、疲労試験機1における周波数Fと変位Xに対応する振幅Wとの関係を求める実験を実行する。
次に、ステップS103において、実験実行部511は、実験結果を実験結果記憶部516に記憶させる。
次に、ステップS107において、曲線近似部512は、算出した最大速度曲線W1(F)、及び最大加速度曲線W2(F)を曲線記憶部517に記憶させる。
次に、ステップS109において、表示制御部513は、実験結果、最大速度曲線W1(F)、及び最大加速度曲線W2(F)を、表示部53に表示させる。
次に、ステップS111において、試験条件設定部514は、最大速度曲線W1(F)、及び最大加速度曲線W2(F)に基づいて、試験条件を設定する。その後、処理が終了する。
次に、図5~図7を参照して、本実施形態に係る制御装置50の効果の一例について説明する。
図5は、材料試験機1の仕様書に記載の振幅特性図の一例を示すグラフである。図5の横軸は、周波数(Hz)を示し、縦軸は片振幅(mm)を示す。
グフフGAは、無負荷時の特性を示し、グラフGBは、定格負荷時の特性を示す。
なお、最大速度曲線W1A(F)は、式(4)に示す最大速度曲線W1(F)と同様に、次の(11)式で表される。
W1A(F)=±VM/(2π×F) (11)
ただし、最大速度VMは、変位Xの速度の最大値を示す。
また、最大加速度曲線W2A(F)は、式(7)に示す最大加速度曲線W2(F)と同様に、次の(12)式で表される。
W2A(F)=±αM/(2π×F)2 (12)
ただし、最大加速度αMは、変位Xの加速度の最大値を示す。
最大吐出量、リーク量、アキュムレータの効果、油圧アクチュエータ18の断面積、及び、電源周波数の低下による吐出量の減少等を考慮して、最大速度VMを86mm/secと推定した。
また、油圧アクチュエータ18の重量、上つかみ具21及び下つかみ具22の重量、油の圧縮性、サーボ弁20の特性、及びサーボ弁20の最大力等を考慮して、最大加速度αMを2Gと推定した。Gは、重力加速度を示す。重力加速度Gは、9.8m/sec2であるから、最大加速度αMは、19.6m/sec2である。
グラフG21は、実験実行部511によって実行された実験結果を示す。すなわち、グラフG21は、図3に示すグラフG11と同一のグラフである。
また、グラフG22は、振幅特性図から推定した最大速度曲線W1A(F)を示す。グラフG23は、振幅特性図から推定した最大加速度曲線W2A(F)を示す。
周波数Fが、第1周波数F21より大きく、第3周波数F23以下の領域では、曲線LM22に示すように、グラフG22に示す最大速度曲線W1A(F)によって振幅Wが推定される。
また、周波数Fが、第3周波数F23より大きく第4周波数F24(=最大周波数Fmax)以下の領域では、曲線LM23に示すように、グラフG23に示す最大加速度曲線W2A(F)によって振幅Wが推定される。
なお、第2周波数F22は、最大加速度曲線W2A(F)の値が目標振幅WT(±1mm)と一致する周波数Fを示す。
図7の横軸は、周波数F(Hz)を示し、縦軸は振幅W(mm)を示す。領域ARNは、図3に示す直線LM11、曲線LM12及び曲線LM13と、図6に示す曲線LM22及び曲線LM23と、で挟まれる領域である。
換言すれば、領域ARNは、振幅特性図から推定した最大速度曲線W1A(F)、及び最大加速度曲線W2A(F)では、試験を実行できないと判定され、且つ、最大速度曲線W1(F)、及び最大加速度曲線W2(F)では、試験を実行できると判定される試験条件の領域を示す。
したがって、最大速度曲線W1(F)、及び最大加速度曲線W2(F)に基づいて、試験条件を設定することによって、適正な試験条件を設定できる。
上述した本実施形態は、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。
第1態様に関わる試験機特性評価方法は、材料試験機の試験片に印加する変位の周波数を変更して、前記周波数と前記変位に対応する振幅との関係を求める実験を実行する実験実行ステップと、前記周波数と前記振幅との関係を近似する最大速度曲線、及び最大加速度曲線の少なくとも一方を算出する曲線近似ステップと、を含み、前記最大速度曲線は、前記変位に対応する最大速度が一定である曲線を示し、前記最大加速度曲線は、前記変位に対応する最大加速度が一定である曲線を示す。
よって、最大速度及び最大加速度の少なくとも一方を正確に求めることができる。したがって、試験条件を適正に設定できる。
第1項に記載の試験機特性評価方法において、前記最大速度曲線は、次の式(A)で表わされる。
W1(F)=±A1/(2π×F) (A)
ここで、Fは、前記周波数を示し、A1は前記最大速度を規定する第1係数を示す。
よって、前記最大速度曲線を用いて、簡素な処理で正確な最大速度を算出できる。したがって、試験条件を適正に設定できる。
第2項に記載の試験機特性評価方法において、前記最大加速度曲線は、次の式(B)で表わされる。
W2(F)=±A2/(2π×F)2 (B)
ここで、Fは、前記周波数を示し、A2は前記最大加速度を規定する第2係数を示す。
よって、前記最大加速度曲線を用いて、簡素な処理で正確な最大加速度を算出できる。したがって、試験条件を適正に設定できる。
第3項に記載の試験機特性評価方法において、前記最大速度曲線、及び前記最大加速度曲線は、次の式(C)を満たす最大の前記第1係数、及び最大の前記第2係数を決定することによって求められる。
Min(W1(F),W2(F))≦Amp(F)
ただし、Min(W1(F),W2(F))は、W1(F)の絶対値とW2(F)の絶対値とのうち、小さい方の値を示し、Amp(F)は、前記実験によって前記周波数の関数として求められる前記振幅を示す。
よって、前記最大速度曲線、及び前記最大加速度曲線を算出できる。したがって、試験条件を適正に設定できる。
第2項から第4項のいずれか1項に記載の試験機特性評価方法において、前記実験によって求められる前記周波数と前記振幅との関係を示すグラフと、前記最大速度曲線、及び前記最大加速度曲線の少なくとも一方とを1つのグラフとして表示する表示ステップ(ステップS109)、を更に含む。
よって、実験結果と、前記最大速度曲線、及び前記最大加速度曲線の少なくとも一方とをユーザが視認できる。したがって、ユーザの利便性を向上できる。
第2態様に関わる試験機特性評価装置は、材料試験機の試験片に印加する変位の周波数を変更して、前記周波数と前記変位に対応する振幅(W)との関係を求める実験を実行する実験実行部と、前記周波数と前記振幅との関係を近似する最大速度曲線、及び最大加速度曲線の少なくとも一方を算出する曲線近似部と、を備え、前記最大速度曲線は、前記変位に対応する最大速度が一定である曲線を示し、前記最大加速度曲線は、前記変位に対応する最大加速度が一定である曲線を示す。
第3態様に関わる材料試験機は、材料試験機の試験片に印加する変位の周波数を変更して、前記周波数と前記変位に対応する振幅との関係を求める実験を実行する実験実行部と、前記周波数と前記振幅との関係を近似する最大速度曲線、及び最大加速度曲線の少なくとも一方を算出する曲線近似部と、を備え、前記最大速度曲線は、前記変位に対応する最大速度が一定である曲線を示し、前記最大加速度曲線は、前記変位に対応する最大加速度が一定である曲線を示す。
なお、本実施形態に係る疲労試験機1は、あくまでも本発明に係る材料試験機の態様の例示であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲において任意に変形および応用が可能である。
例えば、本実施形態では、材料試験機が疲労試験機1である場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されない。材料試験機が試験片TPに試験力を付与し、試験片TPを変形させて材料試験を行えばよい。例えば、材料試験機が、圧縮試験機、曲げ試験機、又はねじり試験機でもよい。
2 試験機本体
3 制御ユニット
10 クロスヘッド
14 ロードセル
15 変位センサ
18 油圧アクチュエータ
181 ピストンロッド
19 差動トランス
20 サーボ弁
21 上つかみ具
22 下つかみ具
26 テーブル
28、29 支柱
40 信号入出力装置
42 第1センサアンプ
43 第3センサアンプ
44 サーボアンプ
45 第2センサアンプ
50 制御装置(試験機特性評価装置)
51 制御部
51A プロセッサ
51B メモリ
511 実験実行部
512 曲線近似部
513 表示制御部
514 試験条件設定部
515 実験条件記憶部
516 実験結果記憶部
517 曲線記憶部
518 設定条件記憶部
52 操作部
53 表示部
A1 第1係数
A2 第2係数
ARN 領域
Amp 関数
ED 伸び計測値
F 周波数
FD 試験力計測値
FP 試験力
FT 目標振幅
Fin 交点周波数
Fmax 最小周波数
Fmin 最大周波数
F11、F21 第1周波数
F12、F22 第2周波数
F13、F23 第3周波数
F14、F24 第4周波数
G 重力加速度
G11、G12、G13、G21、G22、G23 グラフ
GA、GB グフフ
GE 評価関数
LM11、LM21 直線
LM12、LM13、LM22、LM23 曲線
NX 所定個数
P 点
SG1 試験力測定信号
SG2 変位測定信号
SG3 伸び測定信号
T 時間
TP 試験片
TX 周期
V 速度
VM 最大速度
W 振幅
W1、W1A 最大速度曲線
W2、W2A 最大加速度曲線
WT 目標振幅
X 変位
XD 変位計測値
dX 指令値
ΔT 所定時間
α 加速度
αM 最大加速度
Claims (7)
- 材料試験機の試験片に印加する変位の周波数を変更して、前記周波数と前記変位に対応する振幅との関係を求める実験を実行する実験実行ステップと、
前記周波数と前記振幅との関係を近似する最大速度曲線、及び最大加速度曲線の少なくとも一方を算出する曲線近似ステップと、
を含み、
前記最大速度曲線は、前記変位に対応する最大速度が一定である曲線を示し、前記最大加速度曲線は、前記変位に対応する最大加速度が一定である曲線を示す、
試験機特性評価方法。 - 前記最大速度曲線は、次の式(A)で表わされる、
請求項1に記載の試験機特性評価方法。
W1(F)=±A1/(2π×F) (A)
ここで、Fは、前記周波数を示し、A1は前記最大速度を規定する第1係数を示す。 - 前記最大加速度曲線は、次の式(B)で表わされる、
請求項2に記載の試験機特性評価方法。
W2(F)=±A2/(2π×F)2 (B)
ここで、Fは、前記周波数を示し、A2は前記最大加速度を規定する第2係数を示す。 - 前記最大速度曲線、及び前記最大加速度曲線は、次の式(C)を満たす最大の前記第1係数、及び最大の前記第2係数を決定することによって求められる、
請求項3に記載の試験機特性評価方法。
Min(W1(F),W2(F))≦Amp(F)
ただし、Min(W1(F),W2(F))は、W1(F)の絶対値とW2(F)の絶対値とのうち、小さい方の値を示し、Amp(F)は、前記実験によって前記周波数の関数として求められる前記振幅を示す。 - 前記実験によって求められる前記周波数と前記振幅との関係を示すグラフと、前記最大速度曲線、及び前記最大加速度曲線の少なくとも一方とを1つのグラフとして表示する表示ステップ、を更に含む、
請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の試験機特性評価方法。 - 材料試験機の試験片に印加する変位の周波数を変更して、前記周波数と前記変位に対応する振幅との関係を求める実験を実行する実験実行部と、
前記周波数と前記振幅との関係を近似する最大速度曲線、及び最大加速度曲線の少なくとも一方を算出する曲線近似部と、
を備え、
前記最大速度曲線は、前記変位に対応する最大速度が一定である曲線を示し、前記最大加速度曲線は、前記変位に対応する最大加速度が一定である曲線を示す、
試験機特性評価装置。 - 材料試験機の試験片に印加する変位の周波数を変更して、前記周波数と前記変位に対応する振幅との関係を求める実験を実行する実験実行部と、
前記周波数と前記振幅との関係を近似する最大速度曲線、及び最大加速度曲線の少なくとも一方を算出する曲線近似部と、
を備え、
前記最大速度曲線は、前記変位に対応する最大速度が一定である曲線を示し、前記最大加速度曲線は、前記変位に対応する最大加速度が一定である曲線を示す、
材料試験機。
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