JPH0416738A - 反力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 例えばプラスチック等の試験部品に変位を与え、力検出
器でその応力を求め、応力のデータを処理して反力を求
めるようにした反力測定装置に関し、等価モーメント法
による試験部品の反力の測定をより正確にできるように
し、かつ測定者の負担を少なくすることを目的とし、 試験部品のある領域に所定の変位を与えるための変位付
与手段と、所定の変位を与えられた該試験部品に対して
接触し該試験部品から受ける反力を検８する手段と、該
力検出手段からのデータを処理する処理手段とを具備す
る反力測定装置であって、該力検出手段を変位付与方向
において該試験部品１０に対して離間した位置から接触
位置へと逐次移動させて反力を測定し、該測定した反力
データのグラフに近似する３本の最小二乗近似折線を求
め、該折れ線の折れ点での反力の値の差分をとることに
よって該試験部品が変位付与手段に及ぼす反力を求める
ように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は例えばプラスチック等の試験部品に変位を与え
、力検出器でその反力を求め、反力のデータを処理して
変位点における反力を求めるようにした反力測定装置に
関し、応力緩和の測定に応用できるものである。

〔従来の技術〕

プラスチックの場合は、金属と異なり一定の負荷をかけ
ていると時間とともに特性が変化してくる傾向が顕著で
ある。

プラスチックの弾性を利用して、部品を組つける場合を
考えてみると、ある一定の変位をプラスチック部品に与
えることにより、所定の力で部品を組み立てることがで
きる。しかしプラスチックの場合、一定の変位（歪）を
与えていると、時間とともに力（応力）が徐々に低下し
てくる。このように、一定の変位を与えていると力が減
少する現象、言い換えれば一定の変位（歪）を与えるた
めに必要な力（応力）が減少する現象は、一般に応力緩
和と呼ばれる。応力緩和は時間とともに進むため、応力
緩和による製品トラブルは、製品を製作した時点よりも
市場に製品が出回ってから生じることが多い。市場に製
品が出回ってからトラブルが発生した場合、製品の信用
、製品の回収・交換・改善等にかかる費用は美大なもの
となる。

したがって、応力緩和に関しては製品設計段階で十分に
吟味する必要がある。また、設計に活かすためには各種
条件における特性を長い時間にわたり容易に測定できる
必要がある。

このような応力緩和を測定する時に適用できる反力測定
装置として第１２図のような装置がある。

１は固定部であり、２は試験部品である。最初にマイク
ロメータヘッドのシャフト３で一定の変位を試験部品に
与えておく。このような状態でＺ方向に移動可能なステ
ージ４に力検出器５（例えばロードセル）を取りつけて
、試験部品を押し、そのときのステージと力検出器の出
力をプロッタ６に出力する。このときのプロッタ出力の
図形を描くと、例えば第３図のようになる。第３図から
理想的なグラフを再現すると第４図が得られる。グラフ
が折れ曲がるときの力の値Ｆ、より試験部品にかかって
いる曲げモーメントを求めることができる。そして、変
位を与えてから特定の時間間隔（必ずしも等間隔ではな
い）で曲げモーメントを測定すれば応力緩和が求まる。

このようにして応力緩和を求とる方法を等価モーメント
法と呼んでいる。

等価モーメント法の原理を簡単に説明する。簡単のため
、座標ｘ、Ｚを第１２図に示したように定義する。固定
端１からシャフト３までの距離をＸとし、シャフト３は
試験部品２を力ｆで押しているとする。このとき、シャ
フト３が試験部品２に与えている曲げモーメン）ｍｏは
、 ｍｏ＝ｆｏ−ｘ　　　　　　　　Ｈ・・（１）となる。

応力緩和により、力ｆ。（曲げモーメントｍｏ）は時間
とともに小さくなるので、ある時間間隔（例えば、設定
後１日、１週間、２週間後、１か月後、３か月後、１年
後、・・・等）で力ｆ。

（曲げモーメン）ｍ。）を測定すれば、応力緩和を知る
ことができる。

次に、シャフト３が試験部品２を押している力ｆｏ　（
あるいは曲げモーメントｍｏ）を測定する方法について
説明する。第１２図で先ずステージ４を降下させると、
最初、ステージ４は試験部品２と接触していないが、ス
テージ４を更に降下させると、固定端１からＸの位置８
において試験部品２と接触する。ステージ４を更に降下
させていくと、試験部品２はシャフト３と接触しなくな
る。

この間におけるステージ４の位置Ｚと試験部品２より受
けた力Ｆとの関係を表すと、第４図のようになる。第４
図において、Ｚ、は力検出器のシャフト４が試験部品２
と接触し始めるＺ方向の位置を表し、２．はシャフト３
が試験部品２と接触しなくなるときのステージ４のＺ方
向の位置を表わす。ＦｐはＺ、においてステージ４が試
験部品２から受ける力を表している。

次にステージの位置と力の関係を３つの領域に分けて説
明する。

■　Ｚ＜Ｚｌの場合。ステージ４は試験部品２と接触し
ていないので、ステージ４が試験部品２から受ける力Ｆ
は零である。

■　Ｚｉ≦Ｚ≦Ｚ、の場合。ステージの移動に伴い、試
験部品２はシャフト３が試験部品に変位を付与している
位置５を中心に曲げられていくため、ステージ４の位置
Ｚが増加するにつれ、ステージ４が試験部品２から受け
る力Ｆも増加する。ここで、試験部品２を厚さ、幅が一
定の梁とみなして梁の理論を適用すると、位置Ｚと力Ｆ
との関係は次のようになる。

となる。

■　２．＜２の場合。この場合は、シャフト３が試験部
品２と接触していないため、ステージ４が移動するにつ
れ、試験部品２は固定端における位置７を回転中心にし
て曲げられていく。

この場合の位置２と力Ｆとの関係は次のようになる。

したがって、第４図におけるこの領域における直線の傾
き、即ち剛性に２は、 ただし、Ｅ、１．はそれぞれ試験部品２の縦弾性係数、
断面２次モーメントである。したがって、第４図におけ
るこの領域における直線の傾き、即ち剛性に、は、 となる。

第４図においてＺ、の位置において直線が折れ曲がって
いるのは、■の場合に比較し、■の場合において剛性が
小さくなっていることを表している。これは、■の場合
と■の場合では試験部品の回転中心が異なるために生じ
た現象である。

ところで、状態（２＋≦２≦ＺＪ　）においては、Ｚの
増加とともにシャフト３が試験部品２に与えている力Ｆ
は段々小さくなり、ステージ４が試験部品２に与えてい
る力Ｆは段々大きくなる。そして、Ｚ＝Ｚ」において、
Ｆ＝０となる。このときのＦが丁度第４図におけるＦｐ
になる。このとき、ステー、ジ４が試験部品２に与えて
いる曲げモーメントＭは、 Ｍ＝Ｆｐ−Ｘ　　　　　　　　　　・・・（２）となり
、この値は（１）式のｍ。と等しい値になる。

なお、シャフト３が試験部品を押している力ｆ。

は、 ｆ、＝　　　　　Ｆ。

より求まる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の従来技術の実際の測定においては、力検出部の特
性の影響、ノイズの影響、オフセット等により誤差が増
加するので誤差の少ない測定値のグラフを求める必要が
あった。

また、ステージ４を上下動作させ、プロッタ出力よりグ
ラフが折れ曲がったときの力を読み取るこの一連の動作
を常に人が介在して行うため、測定者の負担が大きく、
さらに、−回の測定で１サンプルしか測定できないた約
、多数の試験部品の測定が困難であった。

従って本発明の目的は、等価モーメント法による試験部
品の反力の測定をより正確にできるようにし、かつ測定
者の負担を少なくすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、第１図に例示するように、試験部品
１０のある領域に所定の変位を与えるための変位付与手
段２３と、所定の変位を与えられた該試験部品１０に対
して接触し該試験部品１０から受ける力を検出する手段
３１と、該力検出手段３１からのデータを処理する処理
手段３６とを具備する反力測水装置であって、核力検出
手段３１を変位付与方向において該試験部品１０に対し
て離開した位置から接触位置へと逐次移動させて反力を
測定し、該測定した反力データのグラフに近似する３本
の最小二乗近似折線を求め、該折れ線の折れ点での反力
の値の差分をとることによって該試験部品１０が変位付
与手段２３に及ぼす反力を求めるようにした反力測定装
置が提供される。

〔作　用〕

上述の装置を用いれば、求められた反力データのグラフ
を３つの区間に分割し、それぞれの区間を最小二乗法に
よる近似直線で近似させ、これら３本の近似直線の誤差
の二乗の総和が最小となるように区間を設定して、実際
の測定データから、誤差の少ないグラフを再現し、それ
により、第４図のＦ、に相当する反力値を求めることが
できる。

〔実施例〕

本発明の一実施例としての反力測定装置の構成図が第１
図に示される。

この反力測定装置はｘｙｚ　＜第１２図参照）の３軸方
向の移動が可能なロボット３０、ｘＹＺの３軸方向の力
とＸＹＺＢ軸回りの回転モーメントが測定可能な６軸の
力センサ３１、試験部品１０を押すためのロッド３２、
試験部品１０に変位を与えるマイクロメータヘッド２３
、および測定データの処理を行う処理装置３６を具備し
ている。

このほか、４０．４１は架台であり、結合板４２および
４３により一体化されている。試験部品１０を固定して
いる固定板２０は板４４．４５を介して架台４１に固定
されている。

変位付与手段としてのマイクロメータヘッド２３は試験
部品１０に変位を与え、力センサ３１はロッド３２を介
して試験部品１０の反力を測定し、データを処理装置３
６へ送る。

次に、前述のデータの処理について、説明する。

第３図において、グラフの横軸Ｚ（変位負荷手段の位置
）が Ｚｏ（＝　０）、　Ｚ、、　Ｚ２．−、　　Ｚ。

と分割でき、Ｚ＝２つのときの縦軸Ｆ（力測定手段の出
力）がＦ＝Ｆうであるとする。

区Ｍ　［：ｉ　、ｊｌ　　（Ｚ　：　Ｚ１≦Ｚ≦Ｚｊ）
における最小二乗近似直線Ｌ　（３が、 ＬｉＪ＝：ａｉｊｚ＋ｂ１ｊ で表されるとすると、この直線の係数ａ、ｊおよびす、
は、以下の式で求められる。

ただし、 ｍ＝　コ　−　ｋ＋ｌ　　、 二のときの誤差として残差二乗和平均ＳｉＪを評価する
と、 となる。

第２図に、本発明による反力Ｆｐ算出のアルゴリズムを
示す。Ｑ＜ｉ＜ｊ＜ｎなる１・ｊによってＺの全区間を
ＣＯ，ｉ）、〔ｉ、ｊ）、〔Ｊ・ｎ〕の３つの区間に分
割し、それぞれの区間について最小二乗直線近似を行っ
て、残差二乗和平均Ｓｏｌ・ＳＩＪ・Ｓｊ、を算出する
。この１．ｊをＺ全域に渡って走査し、残差二乗和平均
の総和ｓ０１＋ＳＬＪ＋Ｓｊ、、が最小となるｉ、Ｊの
組み合わせを求める。この１．Ｊが第４図のグラフの折
れている部分にあたる。そこで、近似直線上で１．Ｊに
相当する部分でのＦの値の差分をとれば、これが求める
反力Ｆ、の値となる。この差分をとる計算により、力測
定手段のオフセットの影響をキャンセルすることができ
る。第３図のデータに対して、本発明の手法で直線近似
した例を第５図に示す。

この実施例では、１．Ｊを求するた於にＺの全区間を１
刻みで走査したが、もっと荒い刻みで走査を行って１．
コを求めた後に、この１・ｊの近辺で細かい走査を行う
方法により、計算時間を短縮してもよい。

次に、この実施例の装置の各部について説明する。

まず、測定に用いる試験部品の形状が第９図、第１０図
に側面図、平面図として示される。試験部品１０の一端
１１は固定側であり、固定方法が測定結果に及ぼす影響
を小さくするように外形の厚さが厚くなっている。但し
、成形し易いように内部を一部（１２の部分）くりぬい
である。

第６図は、試験部品に一定変位を与える機構を表してい
る。１０は試験部品である。２０は固定板である。固定
板２０の上端部は試験部品１０を取りつけるだめの凹部
２１がある。凹部２１の深さＨは試験部品１０の１１部
分における厚さより若干小さくなっているので、板２２
を固定板２０にねじ（図示せず）で固定することにより
、試験部品１０を固定板２０に固定することができる。

２３はマイクロメータヘッドであり、板２５により、固
定板２０に固定されている。

２６は試験部品１０に変位を与えるためのシャフトであ
り、板２７を介してマイクロメータヘッド２３の可動く
シャフト）部分２４に固定されている。しだがって、マ
イクロメータヘッドを調整することにより、試験部品１
０に与える変位量を調整することができる。なお、板２
５のマイクロメータヘッドを取りつける位置は、試験部
品に変位を与える位置を考慮して決められている。

第１図において試験部品１０をロボット３０で下方向に
押す。このときの位置はロボットを駆動するためにロボ
ットに内蔵されているＺ軸の位置を検知するだめの検出
器（エンコーダ）の出力より知ることができる。また、
ロボット３０が試験部品１０にかけている力は力センサ
３１のＺ軸方向の力より知ることができる。この間の一
連のデータは処理装置３６におけるデータ格納装置（メ
モリ）に格納しておき、前述のように処理される。

なお、試験部品は第１１図のようにユニット化されてい
る。したがって、変位押付は位置、変位量、材料等の各
種要因を変えたときの測定を一括して行うことができる
。これらの測定手順はあらかじめコマンドファイルの形
にしておくこと（ごより自動化できる。また、応力緩和
の測定は比較的長時間（例えば１０００時間）にわたっ
て測定を行う必要がある。しかし、時間とともに応力緩
和の量は小さくなるので一般に時間とともに測定間隔も
長くとることができる（例えば１週間に１回）。このよ
うな場合、ロボットを常に応力緩和の測定にのみ使用す
ると、１週間に１回しかロボットを使用しないような場
合が生じ、ロボットを効率的に使用しているとは言い難
くなる。このような場合は、応力緩和を測定する場合の
み、ユニットを架台にのせてロボットで測定し、次の測
定を行うまでは、ユニットを架台から取外し、別の場所
に置く方法が有効である。ユニットの構成から判るよう
に全ての部品は相互にネジ等により位置決めされている
たｔ、ユニットの移動等を行っても測定結果に悪影響は
殆ど生じない。また、このようにすることにより、ロボ
ットを他の測定にも使用でき、ロボットの稼働率を上げ
ることができる。なおこのようにユニットを架台からと
り外す場合には次に設置するときに、ロボットとユニッ
トとの位置関係が変化する可能性がある。このような場
合は何らかの方法で位置ずれを検知する必要がある。こ
のような方法としては次のような対策をとればよい。

第６図の固定板２０の上部にねじ止められた板２２部分
の平面図が第８図に示される。第８図の穴２８は、ロッ
ド３２を挿入可能な円錐形の穴である。ユニットを架台
に設置した後、反力を測定する前にロボットに第１１図
のユニットの両端の板５０・５１の穴２８にロッド３２
を挿入させる動作をさせることにより、ユニットとロボ
ットとの相対位置を自動的に補正することができる。な
お、穴２８はロッド３２を挿入可能な円柱としてもよい
。あるいは、穴を設けず、ユニットの特定の位置、例え
ば、第１１図の５３．５４の面にまたは第６図の５２の
面にロボットに倣い動作をさせても同様に位置の自動補
正を行うことができる。

なお、実施例では６自由度の力センサを使用した場合に
ついて説明したが、本発胡の主旨はＺ軸方向の力が検知
できる力検出器であればよく、必ずしも６自由度の力セ
ンサを使用する必要はない。

本実施例によれば、等価モーメント法による応力緩和の
測定が容易に行える。特に測定手順、データ処理に関す
る自動化が図れるため、測定者の負担を大幅に軽減でき
る。また、多数の試験部品の測定が可能となる。

本発朋はこれらの特徴を持つために、ひいてはプラスチ
ックモールド品を使用した設計において応力緩和を考慮
した設計が行い易くなり、製品の信頼性を高することが
できる。また、市場にでてからの製品トラブルを減少さ
せることができるた給、製品コストを引き下げることが
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、等価モーメント法による試験部品の反
力の測定をより正確に行うことができ、かつ測定者の負
担を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例としての反力測定装置の構
成を示す図、 第２図は第１図の装置の処理装置における処理過程を示
す流れ図、 第３図は力検出部出力の一例としてのグラフを示す図、 第４図は力検出部出力の理想化されたグラフを例示する
図、 第５図は第３図のグラフを第１図の装置で処理した例を
示す図、 第６図は第１図の装置におけるマイクロメータヘッドと
試験部品１０を説明する正面図、第７図は第６図と同様
な側面図、 第８図は第６図の板２２の部分の平面図、第９図は試験
部品の側面図、 第１０図は試験部品の平面図、 第１１図はユニット化された試験部品およびマイクロメ
ータヘッドを示す正面図、および第１２図は従来型の応
力緩和測定における反力測定装置の概略図である。 図において、 １・・・固定部、　　　　　２・・・試験部品、３・・
・シャフト、　　　　　４・・・ステージ、５・・・力
検出器、 １０・・・試験部品、 ２３・・・マイクロメ ３０・・・ロボット、 ３２・・・ロッド、 である。 ６・・・プロッタ、 −タヘッド、 ３１・・・力センサ、 ３６・・・処理装置、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試験部品（１０）のある領域に所定の変位を与える
   ための変位付与手段（２３）と、所定の変位を与えられ
   た該試験部品（１０）に対して接触し該試験部品（１０
   ）から受ける力を検出する手段（３１）と、該力検出手
   段（３１）からのデータを処理する処理手段（３６）と
   を具備する反力測定装置であって、 該力検出手段（３１）を変位付与方向において該試験部
   品（１０）に対して離間した位置から接触位置へと逐次
   移動させて反力を測定し、該測定した反力データのグラ
   フに近似する３本の最小二乗近似折線を求め、該折れ線
   の折れ点での反力の値の差分をとることによって該試験
   部品（１０）の変位付与手段（２３）に対する反力を求
   めるようにした反力測定装置。 ２、該力検出手段（５）は移動手段（４）に装着されて
   おり、該移動手段の移動手順を指示する指示手段を有す
   る請求項１に記載の装置。