JP7472505B2 - 材料試験機、及び材料試験機の制御方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に記載の引張試験機の制御部は、試験力の変化量に基づいて、負荷機構の動作制御をストローク速度制御から歪み速度制御に切り替えるための動作制御切替部を備える。この制御部は、圧力センサ、ストローク検出器、変位計、表示計、操作部およびタッチパネルと接続されている。また、この制御部は、油圧ユニットにおける電動サーボ弁および油圧ポンプとも接続されている。特許文献1に記載の引張試験機によれば、歪み速度制御による引張試験を実行することができる。
図1は、本実施形態に係る引張試験機1の構成の一例を示す図である。
本実施形態に係る引張試験機1は、試験対象TPに試験力Fを与えて試験対象TPを変形させる引張試験を実行する。具体的には、引張試験機1は、試験対象TPに試験力F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材料試験を行う。試験力Fは、引張力である。
引張試験機1は、試験対象TPに試験力F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4と、を備える。試験対象TPは、引張試験を実行する対象の材料で形成された試験片を示す。
なお、引張試験機1は、「材料試験機」の一例に対応する。また、引張試験は、「材料試験」の一例に対応する。
ロードセル14は、試験対象TPに与えられる引張荷重である試験力Fを測定し、試験力測定信号SG1を出力するセンサである。
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28、29にサーボモータ18の回転を伝達し、各ねじ棹28、29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28、29に沿って昇降する。
統括制御装置30は、試験機本体2を中枢的に制御する装置であり、試験機本体2との間で信号を送受信可能に接続される。試験機本体2から受信する信号は、ロードセル14が出力する試験力測定信号SG1、ロータリエンコーダ20が出力する回転測定信号SG2、変位センサ15が出力する伸び測定信号SG3、及び制御や試験に要する適宜の信号などである。
表示装置32は、統括制御装置30から入力される信号に基づいて各種情報を表示する装置であり、例えば、統括制御装置30は、引張試験の間、伸び測定信号SG3に基づいて試験対象TPの伸びの測定値である伸び量EDを表示装置32に表示する。また、例えば、統括制御装置30は、引張試験の間、回転測定信号SG2に基づくクロスヘッド10の変位を示す変位量XDを表示装置32に表示する。
更に、本実施形態に係る引張試験機1では、統括制御装置30は、引張試験の間、伸び速度VEを表示装置32に表示する。伸び速度VEは、伸び量EDの単位時間当たりの変化量を示す。
本実施形態の引張試験プログラム実行装置34はコンピュータを備え、このコンピュータは、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro-Processing Unit)などのプロセッサと、ROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などのメモリデバイスと、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)などのストレージ装置と、統括制御装置30や各種の周辺機器などを接続するためのインターフェース回路と、を備える。そして、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プログラムである引張試験プログラムを実行することで、上述の各種の機能を実現する。
信号入出力ユニット40は、試験機本体2との間で信号を送受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、カウンタ回路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を増幅して制御回路ユニット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を増幅して制御回路ユニット50に出力する増幅器である。
カウンタ回路43は、ロータリエンコーダ20が出力する回転測定信号SG2のパルス数を計数し、サーボモータ18の回転量、すなわちサーボモータ18の回転によって昇降するクロスヘッド10の変位量XDを示す変位測定信号A3を制御回路ユニット50にデジタル信号で出力する。サーボアンプ44は、制御回路ユニット50の制御に従って、サーボモータ18を制御する装置である。
制御回路ユニット50は、CPUやMPUなどのプロセッサ50Aと、ROMやRAMなどのメモリデバイス50Bと、HDDやSSDなどのストレージ装置50Cと、信号入出力ユニット40とのインターフェース回路と、引張試験プログラム実行装置34と通信する通信装置50D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る。また、制御回路ユニット50のプロセッサ50Aがメモリデバイス50B又はストレージ装置50Cに記憶された制御プログラムを実行することで、図2に示す表示判定制御部53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SG1及び伸び測定信号SG3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。
本実施形態では、フィードバック制御部52が速度制御を実行する。具体的には、フィードバック制御部52は、例えば、変位センサ15が出力する伸び量EDについて速度制御を実行する。具体的には、フィードバック制御部52は、伸び速度VEを伸び速度目標値VTに一致させるように変位量XDの指令値dXを演算し、当該指令値dXを示す指令信号A4をサーボアンプ44に出力する。換言すれば、フィードバック制御部52は、伸び速度一定制御を実行する。なお、伸び速度目標値VTは、伸び速度VEの目標値を示す。また、伸び速度VEは、伸び量EDの単位時間当たりの変化量を示す。
また、試験対象TPが塑性変形を開始すると、フィードバック制御部52は、試験力一定制御を実行する。試験力一定制御では、フィードバック制御部52は、試験力Fが一定値になるように、変位量XDの指令値dXを演算し、当該指令値dXを示す指令信号A4をサーボアンプ44に出力する。
また、「位置制御」とは、センサ等によって測定された検出値を、その目標値に一致させるように制御することを示す。試験力一定制御は、位置制御の一例に対応する。
図2は、表示判定制御部53の構成の一例を示す図である。
図2に示すように、表示判定制御部53は、検出部531と、算出部532と、表示制御部533と、第1判定部534と、第2判定部535と、停止指示部536とを備える。具体的には、制御回路ユニット50のプロセッサ50Aが、メモリデバイス50B又はストレージ装置50Cに記憶された制御プログラムを実行することによって、検出部531、算出部532、表示制御部533、第1判定部534、第2判定部535及び停止指示部536として機能する。
伸び量EDは、「歪み」の一例に対応する。
具体的には、算出部532は、次の式(1)で示すように、検出部531によって検出された第1伸び量ED1と、第1伸び量ED1の次に検出部531によって検出された第2伸び量ED2との差を、所定時間ΔTで除することによって伸び速度VEを算出する。
VE=(ED2-ED1)/ΔT (1)
なお、第1伸び量ED1は、「第1歪み」の一例に対応し、第2伸び量ED2は、「第2歪み」の一例に対応し、伸び速度VEは、「歪み速度」の一例に対応する。
VE1≦VE≦VE2 (2)
なお、第1伸び速度VE1は、所定範囲の下限値を示し、第2伸び速度VE2は、所定範囲の上限値を示す。第1伸び速度VE1は、例えば、次の式(3)で規定され、第2伸び速度VE2は、次の式(4)で規定される。
VE1=VT×(1-α) (3)
VE2=VT×(1+α) (4)
なお、伸び速度目標値VTは、伸び速度VEの目標値を示す。また、係数αは、伸び速度VEの制御精度に対応する。係数αは、例えば10%、すなわち、0.1である。また、フィードバック制御部52は、伸び速度VEを伸び速度目標値VTに一致させるように変位量XDを制御する。
第3伸び量ED3は、引張試験を開始し、伸び速度VEが伸び速度目標値VTに到達した後、所定伸び量ΔED1だけ増加後の伸び量EDを示す。第3伸び量ED3は、例えば、次の式(5)で表わされる。
ED3=EDT+ΔED1 (5)
ただし、伸び量EDTは、伸び速度目標値VTに到達したときの伸び量EDを示す。
所定伸び量ΔED1は、試験対象TPの材質及びサイズに応じて、予め設定される。
第4伸び量ED4は、例えば、次の式(6)で表わされる。
ED4=EDB-ΔED2 (6)
所定伸び量ΔED2は、試験対象TPの材質及びサイズに応じて、予め設定される。
第3伸び量ED3及び第4伸び量ED4の各々については、図3を参照して具体的に説明する。
なお、本実施形態において、「引張試験の結果の合否」とは、引張試験が問題なく実行されたか否かを示す。具体的には、試験対象TPが弾性変形をする範囲において、伸び速度VEが所定範囲内である場合には、第2判定部535は、引張試験の結果が合格であると判定する。また、試験対象TPが弾性変形をする範囲において、伸び速度VEが所定範囲内ではない場合には、第2判定部535は、引張試験の結果が不合格であると判定する。
図3は、表示装置32に表示される伸び速度表示画面600の一例を示す画面図である。伸び速度表示画面600は、表示制御部533によって表示装置32に表示される。
図3に示すように、伸び速度表示画面600は、グラフ表示部601と、結果表示部602と、を含む。
グラフ表示部601は、伸び速度VEと伸び量EDとの関係を示すグラフG1と、応力σと伸び量EDとの関係を示すグラフG2とが表示される。グラフ表示部601において、左側の縦軸が伸び速度VEを示し、右側の縦軸が応力σを示し、横軸が伸び量EDを示す。応力σは、次の式(7)で算出される。
σ=FD/CS (7)
なお、断面積CSは、試験対象TPの1対の標点間の中央部において、試験対象TPが変形する前の断面積を示す。
図3では、速度目標値VTは、0.007(%/秒)である。すなわち、試験対象TPが弾性変形している間において、フィードバック制御部52によって、伸び速度VEが0.007(%/秒)になるように、伸び速度一定制御が実行される。
また、第1伸び速度VE1は、0.0063(%/秒)であり、第2伸び速度VE2は、0.0077(%/秒)である。伸び速度VEが、第1伸び速度VE1及び第2伸び速度VE2によって規定される上記式(2)を満たす場合に、第1判定部534は、伸び速度VEが所定範囲内であると判定する。
そして、伸び量EDが第4伸び量ED4に到達した後、所定伸び量ΔED2だけ伸び量が増加した伸び量EDBにおいて、試験対象TPが塑性変形を開始する。
所定伸び量ΔED2は、例えば、0.03(%)である。
そして、伸び量EDが伸び量EDS以上になると、伸び速度VEの変動が収束する。伸び量EDSは、試験対象TPの塑性変形が開始した後の伸び速度VEの変動が収束する伸び量EDの下限値を示す。
グラフG1に示すように、第3伸び量ED3から第4伸び量ED4までの範囲RGにおいて、伸び速度VEは、第1伸び速度VE1以上、且つ第2伸び速度VE2以下の範囲であるため、第1判定部534は、試験対象TPが弾性変形をする範囲RGにおいて、伸び速度VEが所定範囲内であると判定する。
そこで、結果表示部602には、「試験結果:合格」と表示されている。
図4は、表示判定制御部53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、表示判定制御部53が、試験機本体2が引張試験を開始したか否かを判定する。
試験機本体2が引張試験を開始していないと表示判定制御部53が判定した場合(ステップS101;NO)には、処理が待機状態になる。試験機本体2が引張試験を開始したと表示判定制御部53が判定した場合(ステップS101;YES)には、処理がステップS103に進む。
そして、ステップS103において、試験機本体2が引張試験を実行する。
次に、ステップS105において、検出部531は、試験対象TPの伸び量EDを検出する。
次に、ステップS107において、算出部532は、検出部531の検出結果に基づき、試験対象TPの伸び速度VEを算出する。
次に、ステップS111において、表示制御部533は、伸び速度VEの伸び量EDに対する変化を示すグラフG1を表示装置32に表示する。
次に、ステップS113において、第1判定部534は、伸び速度VEが所定範囲内であるか否かを判定する。
そして、ステップS115において、第1判定部534は、試験対象TPが弾性変形をする範囲RGであるか否かを判定する。具体的には、範囲RGは、伸び量EDが第3伸び量ED3から第4伸び量ED4のである範囲を示す。
試験対象TPが弾性変形をする範囲RGではないと第1判定部534が判定した場合(ステップS115;NO)には、処理がステップS117に進む。試験対象TPが弾性変形をする範囲RGであると第1判定部534が判定した場合(ステップS115;YES)には、処理がステップS121に進む。
そして、ステップS121において、第2判定部535が引張試験の結果を不合格と判定し、停止指示部536は、引張試験の実行を停止する。
次に、ステップS123において、表示判定制御部53が、引張試験の結果が不合格であることを表示装置32に表示し、その後、処理が終了する。
そして、ステップS117において、表示判定制御部53は、引張試験が終了したか否かを判定する。
引張試験が終了していないと表示判定制御部53が判定した場合(ステップS117;NO)には、処理がステップS103に戻る。引張試験が終了したと表示判定制御部53が判定した場合(ステップS117;YES)には、処理がステップS119に進む。
そして、ステップS119において、第2判定部535が、引張試験の結果が合格であると判定し、引張試験の結果が合格であることを表示装置32に表示する。その後、処理が終了する。
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、試験対象に試験力を与えて前記試験対象の変形させる材料試験を実行する材料試験機であって、前記試験対象の歪み量を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づき、前記試験対象の歪み速度を算出する算出部と、前記歪み速度の変化を示すグラフを表示する表示制御部と、を備える、材料試験機である。
第1項に記載の材料試験機において、前記表示制御部は、前記算出部が前記歪み速度を算出する度に、前記グラフを更新する。
第1項又は第2項に記載の材料試験機において、前記グラフは、前記歪み速度の前記歪み量に対する変化を示す。
第1項又は第2項に記載の材料試験機において、前記グラフは、前記歪み速度の時間に対する変化を示す。
第1項から第4項のいずれか1項に記載の材料試験機において、前記検出部は、所定時間毎に前記試験対象の歪み量を検出し、前記算出部は、前記検出部によって検出された第1歪み量と、前記第1歪み量の次に前記検出部によって検出された第2歪み量との差を、前記所定時間で除することによって前記歪み速度を算出する。
第1項から第5項のいずれか1項に記載の材料試験機において、前記歪み速度が所定範囲内であるか否かを判定する第1判定部と、前記第1判定部の判定結果に基づいて、前記材料試験の結果の合否を判定する第2判定部と、を備える。
第6項に記載の材料試験機において、前記材料試験は、引張試験であって、前記第1判定部は、前記試験対象が弾性変形をする範囲において、前記歪み速度が所定範囲内であるか否かを判定する。
第6項又は第7項に記載の材料試験機において、前記第2判定部が前記材料試験の結果を不合格であると判定した場合に、前記材料試験の実行を停止する停止部を備える。
すなわち、従来は、材料試験の結果の合否は、試験完了後に作業者が判定していたため、不合格となる場合であっても、試験対象が塑性変形し、試験対象を再利用することはできなかった。第8項に記載の材料試験機では、試験対象が弾性変形中に不合格と判定された場合には、試験対象を再利用できるため、試験対象の消費量を低減できる。
別の一態様に関わる材料試験機の制御方法は、試験対象に試験力を与えて前記試験対象を変形させる材料試験を実行する材料試験機の制御方法であって、前記試験対象の歪み量を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおける検出結果に基づき、前記試験対象の歪み速度を算出する算出ステップと、前記歪み速度の変化を示すグラフを表示する表示制御ステップと、を含む、材料試験機の制御方法である。
なお、上述した実施形態は、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。
2 試験機本体
10 クロスヘッド
12 負荷機構
14 ロードセル
15 サーボモータ
20 ロータリエンコーダ
21 上つかみ具
22 下つかみ具
26 テーブル
28、29 ねじ棹
4 制御ユニット
30 統括制御装置
32 表示装置
34 試験プログラム実行装置
40 信号入出力ユニット
42 センサアンプ
43 カウンタ回路
44 サーボアンプ
50 制御回路ユニット
50A プロセッサ
50B メモリデバイス
50C ストレージ装置
50D 通信装置
51 通信部
52 フィードバック制御部
53 表示判定制御部
531 検出部
532 算出部
533 表示制御部
534 第1判定部
535 第2判定部
536 停止指示部
dX 指令値
ED、EDB、EDS、EDT 伸び量(歪み量)
ED1 第1伸び量
ED2 第2伸び量
ED3 第3伸び量
ED4 第4伸び量
ΔED1、ΔED2 所定伸び量
T、TB、TC 時間
TP 試験対象
VE 伸び速度(歪み速度)
VE1 第1伸び速度
VE2 第2伸び速度
VT 伸び速度目標値
XD 変位量
σ 応力
Claims (9)
- 試験対象に試験力を与えて前記試験対象の変形させる材料試験を実行する材料試験機であって、
前記試験対象の歪みを検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づき、前記試験対象の歪み速度を算出する算出部と、
前記歪み速度の変化を示すグラフを表示する表示制御部と、
を備え、
前記表示制御部は、前記算出部が前記歪み速度を算出する度に、前記グラフを更新する、
材料試験機。 - 前記グラフは、前記歪み速度の前記歪みに対する変化を示す、請求項1に記載の材料試験機。
- 前記グラフは、前記歪み速度の時間に対する変化を示す、請求項1に記載の材料試験機。
- 前記検出部は、所定時間毎に前記試験対象の歪みを検出し、
前記算出部は、前記検出部によって検出された第1歪みと、前記第1歪みの次に前記検出部によって検出された第2歪みとの差を、前記所定時間で除することによって前記歪み速度を算出する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の材料試験機。 - 前記歪み速度が所定範囲内であるか否かを判定する第1判定部と、
前記第1判定部の判定結果に基づいて、前記材料試験の結果の合否を判定する第2判定部と、
を備える、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の材料試験機。 - 前記材料試験は、引張試験であって、
前記第1判定部は、前記試験対象が弾性変形をする範囲において、前記歪み速度が所定範囲内であるか否かを判定する、請求項5に記載の材料試験機。 - 前記第2判定部が前記材料試験の結果を不合格であると判定した場合に、前記材料試験の実行を停止する停止部を備える、請求項5又は請求項6に記載の材料試験機。
- 前記表示制御部は、前記歪み速度の変化を示すグラフに、前記歪み速度の前記所定範囲の上限値、及び下限値を表示する、
請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の材料試験機。 - 試験対象に試験力を与えて前記試験対象を変形させる材料試験を実行する材料試験機の制御方法であって、
前記試験対象の歪みを検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおける検出結果に基づき、前記試験対象の歪み速度を算出する算出ステップと、
前記歪み速度の変化を示すグラフを表示する表示制御ステップと、
を含み、
前記算出ステップで前記歪み速度を算出する度に、前記表示制御ステップで前記グラフを更新する、
材料試験機の制御方法。
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