KR100286930B1

KR100286930B1 - 재료시험기

Info

Publication number: KR100286930B1
Application number: KR1019980032557A
Authority: KR
Inventors: 유조 이시이; 노부나리 타카하시; 타쯔요시 코토
Original assignee: 미즈노 마사루; 니뽄 다바코 산교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2001-05-02
Also published as: US6089101A; DE69828551D1; EP0897109A3; EP0897109B1; KR19990023516A; EP0897109A2; DE69828551T2

Abstract

재료시험기는, 시료에 부하를 주는 액츄에이터를 포함하는 서보계의 작동을, 시료에 주어지는 실부하(實負荷)가 목표부하에 합치하도록 제어계에 의해 피드백 제어를 행하면서 재료시험을 행한다. 시험기에의 시료 장착은 시료에 가해지는 실하중이 과대가 되지 않도록 액츄에이터 가동부의 목표변위를 실하중(實荷重)에 따라 보정하면서 행해진다. 재료시험 중, 제어량을 검출하는 앰프의 증폭 배율이 절체(切替)되는 동안 제어계의 디지털 컨트롤러에서 서보계로 출력되는 제어 출력치가 증폭배율의 절체 직전의 값으로 유지되고, 제어량 검출 다음의 검출배율이 일정하게 유지된다.

Description

재료시험기

본 발명은 재료시험기에 관한 것이며, 특히 전기유압 서보제어식의 재료시험기에 관한 것이다.

유압원과 유압 액츄에이터와의 사이에 마련된 전기유압 서보밸브에, 유압 액츄에이터의 가동부(可動部)의 목표 변위에 따라 변화하는 전기신호입력을 서보 증폭기를 거쳐서 컨트롤러에서 공급되도록 한 전기유압 서보제어식의 재료시험기가 알려져 있다. 전형적으로는, 전기신호입력에 따라 서보밸브로부터의 출력유량이 변화하여 이 출력유량에 비례한 속도로 유압실린더 가동부가 변위하고, 이것에 의해 실린더 가동부에 의해 한쪽 끝이 유지된 시료에 부하가 가해진다. 그리고, 유압 실린더 가동부의 실변위(實變位)가 검출되어 피드백 신호로서 컨트롤러에 되돌아와서, 컨트롤러의 제어하에 실변위를 목표변위에 가깝게 하는 피드백 제어가 행해진다.

본원 명세서에서는, 액츄에이터 가동부에 연결된 시료의 한쪽 끝의 액츄에이터 가동부의 변위에 따른 변위를 용어 "시료의 변위"로 나타낸다. 액츄에이터의 2개의 가동부에 시료의 양끝을 유지하고 양 가동부를 전형적으로는 반대방향으로 변위시키는 재료시험기의 경우, 용어 "시료의 변위"는 2개의 유압 액츄에이터 가동부의 변위에 따른 시료의 양끝의 각각의 변위의 합을 나타낸다. 즉, 용어 "시료의 변위"는 액츄에이터 가동부의 변위에 따라 시료에 생기는 변형을 나타낸다.

주로 액츄에이터, 서보 증폭기 및 서보밸브로 이루어지는 시스템을 용어 "서보계"로 나타내고, 또한 주로 서보계 및 그 작동을 제어하는 컨트롤러로 이루어지는 시스템을 용어 "제어계"로 나타낸다. 그리고, 피드백 제어에 관련되어 주로 서보계, 컨트롤러 및 시료로 이루어지는 루프를 용어 "제어루프" 또는 "피드백 제어루프"로 나타내는 일이 있다. 또한, 시료에 가하는 실하중을 제어량으로 하여 피드백 제어를 실시하는 제어계를 용어 "하중제어계"로 나타내고, 시료의 실변위를 제어량으로 하여 피드백 제어를 실시하는 제어계를 용어 "변위제어계"로 나타낸다. 여기에서, 용어 "부하"는 일반적으로는 부하라고 칭해지는 하중과 변위를 포함하는 광의의 부하를 나타낸다. 또, 시료의 실하중 또는 실변위를 제어량이라 칭하는 경우에, 목표부하를 용어 "제어목표치"로 나타내는 일이 있다.

재료시험기에서의 피드백 제어의 제어량(시료에 가해지는 실하중 또는 시료의 실변위)의 검출에는 고감도인 아날로그 증폭기 등으로 이루어지는 검출앰프가 사용된다. 이와 같은 검출앰프를 포함하는 아날로그 검출계로부터 출력되어 제어량을 나타내는 검출신호는, 전원노이즈 등의 외란의 영향을 받기 쉽고 특히 제어량이 미소하여 검출신호레벨이 낮은 경우, 충분한 SN비를 확보하는 것이 곤란하게 되어 제어정밀도가 열화한다.

SN비의 확보를 위하여, 예컨대 1배, 2배, 5배, 10배라고 하는 복수의 선택가능배율의 하나를 선택하는 레인지절체가 가능한 멀티레인지 검출앰프를 사용하는 일이 있으며, 검출앰프의 증폭배율(증폭게인)을 검출신호레벨에 따라 변경한다. 또, 특개평3-248033호 공보에 제안되어 있는 바와 같이, 레인지절체에 연동시켜 제어목표치(목표부하)의 레벨을 변경하는 일이 있다. 또한, 이 제안에서는 레인지절체의 타이밍과 제어목표치의 레벨변경의 타이밍의 엇갈림에 의한 제어의 혼란을 방지하기 위해, 제어목표치의 레벨변경이 완료할 때까지의 동안 레인지절체 직전에 구한 검출치와 제어목표치와의 편차를 홀드회로를 사용하여 유지하도록 하고 있다. 그렇지만, 검출앰프의 증폭배율을 변경하는 레인지절체에 따라 피드백제어계 전체의 루프게인이 변화하므로, 특히 피드백제어계의 컨트롤러를 디지털회로로 구성한 경우에는, 레인지절체에 따르는 루프게인의 변화를 보상하기 위하여 이 디지털제어계의 제어게인을 재설정할 필요가 있다. 따라서, 상기 제안과 같이 레인지절체에 연동하여 제어목표치를 변경하는데는 대규모의 제어가 필요하게 된다. 또한, 아날로그 증폭기로 이루어지는 검출앰프의 레인지절체에는 일반적으로 수십 m초 정도의 시간을 요하지만, 디지털계에서의 제어목표치의 레벨변경은 100μ초 정도의 시간내로 빠르게 실행된다. 이 때문에, 디지털계에서의 레벨변경과 아날로그계에서의 레인지절체에서의 큰 타이밍의 엇갈림에 기인하여 디지털제어계의 동작이 불안정하게 되는 일이 있다.

그런데, 재료시험을 실시하는 경우 시험기 본체에 시험편을 안정하게 장착하는 것이 바람직하다. 특히, 장착작업 중에 시험편에 과대한 부하를 걸지 않고, 또한, 장착완료 시에 시험편에 본의 아닌 부하가 가해지는 일이 없도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 시험편의 장착을 오퍼레이터가 육안으로 안정하게 행하는 것은 곤란하다.

그래서 종래, 시험편을 시험기 본체의 정지 척킹부와 가동 척킹부의 사이에 장착하는 경우, 시험편의 제1끝을 유압 액츄에이터의 가동부에 연결된 가동 척킹부에 장착한 후 시험편에 가해지는 실하중을 하중계에 의해 감시하면서 유압 액츄에이터를 매뉴얼조작하여 시험편의 제2끝을 정지 척킹부 측으로 서서히 이동시키고, 시험편에 가해지는 근소한 실하중이 검출된 때에 시험편이 정지척킹부에 가볍게 접촉했다고 판정하여, 이 상태에서 정지 척킹부에 의해 시험편의 제2끝을 파지하도록 하고 있다. 그렇지만, 시험편과 정지 척킹부의 접촉에 의해 생기는 하중은 시험편의 강성에 따라 크게 변화한다. 또한, 유압 액츄에이터의 가동부의 근소한 변위에 의해서도 시험편에 과대한 하중이 가해질 염려가 있다. 게다가, 상술한 바와 같이 장착된 시험편은 이미 하중이 가해진 상태로 된다. 이러한 까닭에, 시험편에 하중이 가해지지 않은 초기 상태를 설정하는 것은 곤란하다.

본 발명의 목적은, 제어계를 구성하는 디지털컨트롤러의 제어게인을 변경하는 일이 없이, 실부하를 검출하는 아날로그검출계의 레인지절체를 안정하게 실행할 수 있는 재료시험기를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 재료시험기의 기본 구성을 보여주는 개략도이다.

도 2는 도 1의 재료시험기에서의 제어루프를 보여주는 블록선도이다.

도 3은 재료시험기의 제어계의 레인지 절체기능을 보여주는 블록도이다.

도 4는 레인지 절체 중에서의, 도 3에 나타낸 디지털계수기 및 홀드회로의 동작을 나타내는 타이밍도이다.

도 5는 재료시험기의 제어계의 시료 자동장착기능을 보여주는 블록도이다.

도 6은 시료 자동장착 중에 시료에 가해지는 하중과 목표변위의 보정과의 관계를 보여주는 도면이다.

도 7은 시료장착 제어루틴을 보여주는 흐름도이다.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

1 로드셀(load cell), 2 프레임,

2a 정지척킹부 3 액츄에이터

3a 가동척킹부 3b 가동로드

4 유압원(油壓源),

5 서보밸브, 6 변위계,

7 변형 게이지, 8 제어부,

8a 검출앰프, 8b 편차기,

8c 컨트롤러, 8d 신호발생기,

8e 제어게인 설정부, 9 서보앰프,

11 서보계 113 목표치 설정부

117 하중 판정부 118 목표치 보정부

212 레인지 절체제어부 213 AD 변환기

214 디지털 계수기 215 홀드회로

본 발명에 의하면, 시료에 부하를 주는 유압 액츄에이터를 포함하는 서보계의 작동을 시료에 주어지는 실부하가 목표부하에 합치하도록 컨트롤러에 의해 피드백 제어하면서, 시료에 주어진 부하와 시료에 생긴 기계적 변화(예를 들면 변위 또는 변형)에 기초하여 시료의 기계적 성질을 계측하는 재료시험기가 제공된다.

이 재료시험기는 시료에 주어지는 부하 또는 시료에 생기는 기계적 변화를 검출하여 아날로그 검출치를 출력함과 동시에, 복수의 증폭배율 중 선택된 하나로 작동가능한 검출앰프와, 검출앰프의 증폭배율을 절환하는 레인지 절체수단과, 검출앰프로부터 출력되는 아날로그 검출치를 변환하여 얻은 디지털 검출치를 검출앰프의 선택된 증폭배율에 따라 처리하고, 피드백 제어에서의 제어량을 검출하고 나서의 검출배율을 일정화하는 검출배율 일정화수단과, 처리가 끝난 디지털 검출치에 따라 피드백 제어동작하는 디지털 식의 컨트롤러에서 서보계로 출력되는 제어출력치를 검출앰프의 증폭배율이 절체되는 동안 증폭배율의 절체 직전에 출력된 값으로 유지하는 제어출력 유지수단을 구비한다.

바람직하게는 검출배율 일정화수단은, 검출앰프로부터 출력되는 아날로그 검출치를 디지털 검출치로 변환하는 AD 변환기와, AD 변환기에서의 디지털 검출치를 검출배율이 일정하게 되도록 검출앰프의 선택된 증폭배율에 따라 계수처리하는 디지털 계수기를 포함한다.

바람직하게는 제어출력 유지수단은, 검출앰프의 증폭배율의 절체 직전에서의 디지털 계수기의 출력치를 증폭배율의 절체가 완료할 때까지 유지하는 홀드회로로 이루어진다.

상기 재료시험기 또는 그 바람직한 태양에 의하면, 레인지 절환에 의한 검출앰프의 증폭배율의 절체에 구애받지 않고, 디지털 컨트롤러에 주어지는 제어량(예컨대 시료에 가해지는 하중 또는 시료에 생기는 기계적 변화)의 검출배율을 일정하게 유지할 수 있다. 이 때문에 검출앰프에 관한 레인지절체에 연동하여 디지털 컨트롤러에서의 제어출력치나 디지털 컨트롤러의 제어게인을 변경할 필요가 없이 제어계를 간이하게 구성할 수 있다. 게다가, 아날로그 검출계에서의 레인지 절체의 타이밍과 디지털 컨트롤러에서의 제어출력치의 레벨변경의 타이밍의 엇갈림에 기인하는 제어오차를 흡수할 수 있으므로, 레인지절체를 안정하게 실행함과 동시에 디지털 제어계의 동작을 안정화할 수 있다. 따라서, 재료시험기의 취급을 용이하게 함과 동시에, 시험효율의 향상을 도모한다.

바람직하게는, 재료시험기는 액츄에이터의 가동부에 연결된 시료장착부를 가지는 시험기 본체와, 액츄에이터의 가동부의 실변위가 목표변위에 합치하도록 서보계의 작동을 피드백 제어하는 컨트롤러를 포함하는 변위제어계와, 액츄에이터의 가동부의 변위에 따라서 시료에 가해지는 실하중을 검출하는 하중검출기와, 변위제어계에 의한 피드백 제어를 실시하면서 시험기 본체에의 시료의 장착을 실행하는 동안, 액츄에이터 가동부의 목표변위를 시료에 가해지는 실하중이 소정하중을 상회하지 않도록 실하중에 따라 보정하는 보정수단을 구비한다.

이 바람직한 태양에 의하면, 변위제어계에 의해 액츄에이터 가동부의 변위를 제어하면서 실시되는 시험기 본체에의 시료의 장착 중, 시료에 가해지는 실하중이 소정하중을 상회하지 않도록 액츄에이터 가동부의 목표변위 자체가 보정되어, 이것에 의해 목표변위를 급격하게 변화시키지 않고 액츄에이터 가동부의 변위위치를 고정밀도로 규정하여, 시료를 시험기 본체에 안정하게 장착하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 시료의 장착작업의 용이화 및 대폭적인 효율화를 도모한다.

바람직하게는, 보정수단은 하중검출기에 의해 검출되어 시료에 가해지는 실하중이 하중검출기의 검출 분해능을 상회한 때 목표변위가 감소하도록 목표변위를 보정한다.

이 바람직한 태양에 의하면, 시험기 본체에의 시료의 장착 중, 근소한 실하중이 검출된 때에 목표 변위를 감소보정하므로, 시료에 가해지는 실하중을 실질적으로 영으로 할 수 있다. 이 결과, 시료를 시험기 본체에 무부하(無負荷)상태에서 장착가능하게 된다.

본 발명의 특징 및 이점은, 첨부된 도면에 비한정적인 예로서만 도시한 특정 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 관한 전기유압 서보형의 재료시험기를 설명한다.

도 1에 보인 것처럼, 이 재료시험기는 시험기 본체의 프레임(2)측에 마련된 정지 척킹부(2a)와 유압실린더로 이루어지는 액츄에이터(3)측에 마련된 가동(可動) 척킹부(3a)와의 사이에 시험편(S)을 유지하고, 이어서, 유압원(4)으로부터의 압력유(유압)를 서보밸브(5)를 거쳐서 액츄에이터(3)에 주어 액츄에이터(3)의 가동 로드(3b)를 작동시키고, 이것에 의해 시험편(S)에 부하를 가하는 것과 같이 구성되어 있다. 또, 재료시험의 종류에 따라서는, 정지 척킹부(2a)를 제거함과 동시에 가동 척킹부(3a) 대신 다이를 설치하고, 다이(3a)와 로드셀(1)과의 사이에 시료(S)를 장착하도록 하여도 좋다.

가동 로드(3b)에서 시험편(S)에 가해지는 실하중은 로드셀(1)에 의해 검출되고, 또한 시험편(S)에 생기는 변위는 변위계(6)에 의해 검출되며, 시험편(S)의 변형은 시험편에 붙여진 변형게이지(7)에 의해 검출된다. 마이크로컴퓨터 등에 의해 구성되는 제어부(8)의 컨트롤러(8c)는 상기와 같이 각각 검출된 하중, 변위, 변형을 입력하고, 예를 들면 로드셀(1)에 의해 검출되는 하중과 제어부(8)의 신호발생기(8d)로부터 주어지는 목표하중과의 편차가 영으로 되도록 제어게인설정부(8e)에 의해 설정된 제어게인으로, 서보앰프(9)를 거쳐서 서보밸브(5)의 작동을 피드백 제어한다. 이와 같은 피드백 제어계에 의해 유압 액츄에이터(3)가 서보제어되어 시험편(S)에 가해지는 하중(부하)이 조정된다.

이 전기유압 서보제어계는 도 2에 보인 것처럼 피드백 제어루프로서 표현된다. 즉, 이 제어계는 부하에 관한 제어목표치(예를 들면 목표하중 또는 목표변위)와 시험편(S)에 생긴 변화(예를 들면 실하중 또는 실변위)를 나타내는 검출앰프(8a)의 출력과의 편차(Δ)를 구하는 편차기(8b)와, 이 편차(Δ)에 따라 서보앰프(9)를 거쳐서 서보밸브(5)의 작동을 제어하는 컨트롤러(8c)를 구비하고, 편차(Δ)를 영으로 하도록 서보밸브(5)의 작동을 제어하여 액츄에이터(3)를 유압구동하고, 이것에 의해 시험편(S)에 가하는 부하를 조정한다.

이 실시예에 관한 재료시험기의 제1의 특징은, 도 3에 나타낸 것처럼 검출앰프(8a)로 주로 구성되는 아날로그 검출계와, 주로 디지털 회로에 의해 구성된 디지털 컨트롤러(8c)로 주로 구성되는 디지털 제어계를 구비하는 점에 있다. 이 디지털 제어계는 검출앰프(8a)를 거쳐서 검출되어 시료(S)에 가해지는 하중 또는 시료에 생긴 변위를 나타내는 검출치에 따라, 서보계(11)의 작동을 디지털적으로 피드백 제어하도록 구성되어 있다. 디지털 제어계는 하중 또는 변위의 검출치를 아날로그·디지털 변환하여 거두어 들이고, 이 검출치와 신호 발생기(8d)로부터 주어지는 제어목표치와의 편차(Δ)에 기초하여 서보계(11)에 대한 제어출력을 소정의 제어게인 하에서 디지털 연산에 의해 구하도록 구성되어, PI 또는 PID 제어장치로서 기능한다.

검출앰프(8a)는 복수의 증폭배율(검출레인지), 예컨대 1배, 2배, 5배, 10배라고 하는 것과 같은 4개의 증폭배율 중의 임의의 하나로 작동가능하게 되어 있다.

디지털 제어계는 검출앰프(8a)의 증폭배율을 절체설정하는 레인지 절체제어부(212)와, 검출앰프(8a)로부터 출력되는 하중 또는 변위의 검출치를 아날로그·디지털 변환하여 디지털 검출치를 얻는 AD 변환기(213)와, 검출앰프(8a)에 설정된 레인지(증폭 배율)에 따라서 디지털 검출치를 계수처리하는 디지털 계수기(214)와, 계수처리된 디지털 검출치를 유지하는 홀드회로(215)를 구비하고 있다. 그리하여, 편차기(8b)는 홀드회로(215)로부터 공급되어 계수처리된 디지털 검출치와 신호발생기(8d)가 발생한 제어목표치와의 편차를 구하고, 디지털 컨트롤러(8c)는 상기 편차에 따라 서보계(11)의 작동을 소정의 제어게인으로 제어하는 것으로 되어 있다. 또한, 디지털 계수기(214) 및 홀드회로(215)는 레인지 절체제어부(212)에 의해 그 작동이 제어된다.

이하, 이와 같이 구성되는 제어계의 특징적인 기능과 동작에 대하여 설명한다. 검출앰프(8a)는 고감도인 아날로그 증폭기에 의해 구성되어 있으며, 레인지 절체제어부(212)의 제어에 의해 그 증폭배율이 선택적으로 설정되도록 구성되어 있다. 이 검출앰프(8a)의 레인지절체는 증폭기의 회로정수를 변경하는 것과 같이 하드적으로 실행되며, 그 절체처리에는 수십 m초 정도의 시간을 요한다.

이것에 대하여 제어부(8)에서의 AD변환기(213)나 디지털 계수기(214)등으로 이루어지는 각종 기능부는, 예컨대 100μ초의 제어주기로 연산처리를 실행하도록 구성되고, 또한, 디지털 계수기(214)에서의 계수처리에 사용되는 계수에 대해서도 상기 제어주기로 절체설정되도록 되어 있다. 디지털 계수기(214)는 레인지 절환제어부(212)의 제어하에서 검출앰프(8a)에서의 레인지절체에 연동하여 그 계수치가 검출앰프(8a)에서의 증폭배율에 역비례하여 변경되고, 이것에 의해 검출앰프(8a)의 증폭배율과 디지털 계수기(214)에서의 계수치와의 곱(시료(S)에 가해지는 하중 또는 시료의 변위를 검출하고 나서의 검출배율)을 일정하게 유지하도록 하고 있다. 예컨대, 검출 앰프(8a)에서의 증폭배율이 10배로 설정된 경우, 디지털 계수기(214)에서의 계수치는 증폭배율이 1배일 때의 통상의 계수치의 10분의 1로 변경되고, AD변환기(213)로부터의 출력을 10분의 1로 변환함으로써 검출배율이 일정하게 유지된다.

상세하게는, 로드셀(1)에 의해 검출되는 하중치가 최대 하중의 10분의 1정도인 경우, 이 하중치를 양호한 SN 비로 고감도로 검출하기 위해 검출 앰프(8a)의 증폭배율을 10배로 설정하면, 검출앰프(8a)로부터 출력되는 제어량의 신호레벨은 통상의 10배로 된다. 디지털 계수기(214)는 이와 같은 검출앰프(8a)로부터의 출력신호를 AD변환기(213)를 거쳐서 아날로그·디지털 변환하여 얻은 디지털 검출치를 검출앰프(8a)의 증폭배율에 역비례하는 계수치를 사용하여 계수처리함으로써, 편차기(8b)에 주어지는 제어량을 본래의 레벨로 복원하는 역할을 담당하고 있다.

이와 같은 검출앰프(8a)에 대한 레인지절체와 이것에 연동한 계수처리에 의해 검출배율을 일정하게 유지한 조건 그대로, 아날로그 검출계에 혼입하는 전원노이즈 등의 잡음성분이 저감되어 그 SN 비의 향상이 도모된다. 나아가서는 잡음에서 기인하는 제어계의 오동작(誤動作)이 방지되며, 그 동작안정화가 도모된다. 즉, 검출앰프(8a)의 증폭배율을 높게 하여 하중 또는 변위를 고감도로 검출해도 그쪽으로 혼입하는 잡음성분은 일정한 채이므로, 이것에 의해 검출신호에 대한 잡음성분의 비율을 작게 할 수 있다.

그렇지만 검출앰프(8a)에서의 레인지절체에 따르는 디지털계에서의 동작모드의 절체는, 전술한 바와 같이 그 제어주기의 타이밍으로 고속으로 실행된다. 이 때문에, 예컨대 유압 서보계(11)에 대한 피드백 제어동작 중에 레인지절체가 지시되면, 디지털계에서의 모드 절체타이밍과 검출앰프(8a)에서 레인지 절체타이밍과의 사이에 시간적인 엇갈림이 생기는 것을 부정할 수 없다. 그래서, 레인지 절체제어부(212)는 검출앰프(8a)에서의 레인지절체가 완료할 때까지, 디지털 컨트롤러(8c)가 서보계(11)에 대하여 주는 제어출력을 일정하게 유지하기 위하여, 홀드회로(215)를 작동시키도록 되어 있다.

즉, 레인지 절체제어부(212)는, 제어프로그램에서 자동적으로 또는 오퍼레이터에서 수동으로 레인지절체 지시신호가 주어진 때, 검출앰프(8a) 및 디지털 계수기(214)에 대하여 레인지절환을 지시함과 동시에, 홀드회로(215)에 대해서는 디지털 계수기(214)의 출력을 일정기간에 걸쳐서 유지하도록 지시하는 것으로 되어 있다. 따라서, 레인지절체 지시시점으로부터 일정기간이 경과할 때까지는 레인지 절체지시 직전에서의 검출치가 그대로 편차기(8b)에 주어진다. 그리고, 검출앰프(8a)에서의 레인지절체가 완료하면, 이미 모드절체(계수치절체)가 실행된 디지털 계수기(214)를 거쳐서 검출치가 바르게 구해진다. 레인지절체 지시시점으로부터 일정기간이 경과하면, 레인지 절체제어부(212)는 홀드회로(215)에 대하여 디지털 검출치 유지동작을 해제하도록 지시하고, 이것에 의해 디지털 계수기(214)로부터의 출력이 편차기(8b)에 주어진다.

이렇게 하여 이와 같이 구성된 제어계에 의하면, 도 4에 나타낸 바와 같이 제어계의 제어동작 중에, 예컨대 1배에서 10배로의 증폭배율절체를 지시하는 레인지 절체 지시신호(RS)가 레인지 절체제어부(212)에 주어지면, 제어부(212)의 제어 하에서 계수기(214)는 그 제어주기를 규정하는 클록(CP)에 따라 도 4에 기호 RA로 나타낸 바와 같이 그 계수치를 예컨대 1에서 1/10로 다음의 클록(CP)이 발생할 때까지 빠르게 절체한다. 그렇지만, 검출앰프(8a)에서의 증폭배율을 1배에서 10배로 절체하는 레인지절체는, 도 4에 기호 RB로 나타낸 바와 같이 레인지절체 지시신호(RS)에 대하여 수십 m초 지체하여 완료한다.

그리하여 레인지 절체제어부(212)는, 상술한 검출앰프(8a)의 레인지 절체시간을 미리 계산한 타이밍으로 도 4에 기호 RH로 나타낸 바와 같이 홀드신호를 출력하고, 홀드회로(215)를 작동시킨다. 이 결과, 레인지 절체 직전에서의 디지털 검출치(C1)가 검출앰프(8a)의 레인지 절체가 완료할 때까지 홀드회로(215)에 유지되어, 일정의 검출치(C2)로서 편차기(8b)에 주어진다. 특히, 홀드회로(215)는 디지털 계수기(214)의 계수치가 변경되기 직전의 디지털계수기(214)의 출력을 그대로 유지하고, 이것을 편차기(8b)에 주는 것으로 되어 있다. 그리고 검출앰프(8a)의 레인지 절체가 완료한 후에는, 새로운 검출레인지 하에서 구해진 검출치(C3)가 편차기(8b)에 주어지게 된다.

덧붙여서 말하면, 검출앰프(8a)의 레인지절체가 완료할 때까지의 기간에서는 디지털 계수기(214)는 AD변환기(213)의 출력을 이미 레인지절체가 완료하고 있다고 간주하여 계수처리하므로, 디지털 계수기(214)의 출력은 도 4에 기호 RD로 나타낸 바와 같이 본래 레벨의 검출치와는 크게 다른 것으로 된다. 즉, 검출앰프(8a)에서의 증폭배율이 10배로 설정된 경우, 디지털 계수기(214)는 AD변환기(213)의 출력을 10분의 1로 저감하도록 계수처리하여 검출배율을 일정하게 유지한다고 하지만, 실제로는 검출앰프(8a)의 증폭배율이 10배로 되어 있지 않으므로, 계수처리된 검출치는 도 4에 신호 RD로 나타낸 바와 같이 본래 레벨의 10분의 1로 된다. 이와 같이 검출레벨이 크게 다른 신호 RD가 편차기(8b)에 주어지는 것을 방지하기 위하여, 레인지 절체제어부(212)에서는 홀드회로(215)를 작동시킨다. 그리고, 레인지 절체 직전에 디지털 계수기(214)로부터 출력되고 있는 검출치를 유지함으로써, 디지털계수기(214)로부터의 본의 아닌 검출치가 그대로 편차기(8b)에 주어지는 것을 방지하고 있다.

그리고 검출앰프(8a)의 레인지절체가 완료한 후에는 검출앰프(8a)로부터 출력되는 검출치는, 도 4에 기호 RE로 나타낸 바와 같이 그 증폭배율에 따른 것으로 된다. 이 때, 디지털 계수기(214)는 검출앰프(8a)의 새로운 증폭배율 10배에 따른 계수치 1/10로 검출치(RE)를 계수처리하고, 디지털 계수기(214)의 출력이 일정 검출배율의 검출치(C3)로 복원한다. 그래서, 홀드회로(215)는 전술한 홀드신호(RH)의 소멸에 따라, 디지털 계수기(214)에서 계수처리하여 구해진 검출치(C3)를 통과시켜 이것을 편차기(8b)에 주게 된다.

따라서, 상술한 바와 같이 하여 검출앰프(8a)의 레인지 절체가 완료할 때까지의 기간, 그 레인지 절체지시 직전의 검출치를 유지하여 서보계(11)에 주는 제어 출력치의 레벨을 일정하게 유지하는 기능을 구비한 이 실시예에 관한 재료시험기에 의하면, 유압 서보계(11)를 작동시키면서 재료시험 중에 시험상태 등에 따라 검출 앰프(8a)의 레인지(증폭배율)를 적당히 절체하여도, 예컨대 편차기(8b)에 주는 검출치의 연속성을 확보할 수 있다. 따라서, 시료에 가해지는 하중이나 시료에 생기는 변위인 제어량이나 제어목표치에 적합한 증폭배율을 주는 검출레인지에서 제어량을 양호한 SN 비로 검출하여, 피드백 제어를 안정하게 또한 고정밀도로 실행하는 것이 가능하게 된다.

특히 상술한 구성에 의하면, 검출앰프(8a)에 대하여 설정한 증폭배율(검출레인지)에 따라 디지털 계수기(214)에서의 계수를 설정하여 편차기(8b)에 주는 검출치의 검출배율을 일정하게 유지하므로, 신호발생기(8d)에서 편차기(8b)에 주는 제어 목표치의 레벨을 변경할 필요가 없다. 게다가, 신호검출계의 게인이 일정하게 유지되므로 디지털 컨트롤러(8c)에서의 제어게인을 변경할 필요도 없다. 따라서, 매우 간이하게 그 검출계의 검출레인지(증폭배율)를 절체하는 것이 가능하게 된다.

또한, 유압 서보계(11)에 대한 작동제어를 실행하면서, 그 검출계의 검출 레인지를 적당히 절체설정할 수 있고, 레인지의 절환동작기간에서의 제어계의 동작 불안정화를 초래하는 일이 없다. 따라서, 시험상태에 따라서 적응적으로 검출레인지의 절체를 행하는 것이 가능하게 되므로, 시험기에 대한 취급을 용이하게 하고, 또한, 시험효율의 향상을 도모하여 얻는 등의 효과가 나타난다.

이 실시예의 재료시험기의 제2의 특징은, 시험기 본체에의 시료(S)의 장착시에 유압서보계(11)의 액츄에이터(3)(시료(S))의 변위에 따라 서보계(11)의 작동을 피드백 제어하는 변위제어계를 제어부(8)에 의해 구성한 점과, 이 변위제어계의 제어 하에서 액츄에이터(3)가 시료(S)에 가하는 하중에 따라 변위제어계에 주는 변위목표치를 보정하는 보정수단을 구비하고 있는 점에 있다. 또, 재료시험기는 시료(S)를 액츄에이터(3)의 가동로드(3b)에 연결된 다이(3a)와 로드셀(1)과의 사이에 장착하도록 되어 있다.

상세하게는, 도 5에 나타낸 바와 같이 재료시험기의 변위제어계는 변위계(6)의 출력으로부터 유압 서보계(11)의 작동량을 나타내는 유압 액츄에이터(3)의 실변위(제어량)(H)를 검출하는 변위검출수단(검출앰프(8a))과, 키조작부(미도시됨) 등으로 이루어지는 목표치설정수단(113)을 거쳐서 오퍼레이터가 매뉴얼설정한 변위 목표치(R_H)와 실변위(H)와의 편차(Δe_H)를 구하는 편차기(8b)와, 편차(Δe_H)를 영으로 하도록 서보계(11)의 작동을 피드백 제어하는 컨트롤러(8c)를 구비한다.

재료시험기의 보정수단은, 액츄에이터(3)가 시료(S)에 가해지는 하중(K)을 로드셀(1)의 출력으로부터 항상 검출하는 하중검출수단(검출앰프(8a))과, 검출된 하중의 크기를 판정하는 하중판정수단(117)과, 판정된 하중의 크기에 따라서 변위 목표치(R_H)를 보정하는 목표치보정수단(118)을 구비한다. 이 하중의 검출과 검출된 하중에 기초한 변위목표치의 보정은, 변위제어계에 의한 액츄에이터(3)의 변위제어가 안정한지 아닌지에 구애받지 않고, 환언하면 상기 변위목표치에 의해 나타내는 변위위치까지 액츄에이터(3)가 변위했는지 아닌지에 구애받지 않고 소정의 제어주기로 항상 실행된다.

또한, 하중판정수단(117)은, 예컨대 로드셀(1)에 의해 검출되는 시료(S)에 가해진 하중치가 로드셀의 검출풀스케일(full-scale)의 0.2% 이상에 달하는 큰 하중인지, 혹은, 검출풀스케일의 0.2% 미만에 상당하는 작은 하중인지를 판정한다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 로드셀(1)의 검출풀스케일의 0.2% 미만의 하중치는 로드셀(1)을 포함하는 검출계의 불감대 영역에 있으며, 그와 같은 하중(K)은 실질적으로 영으로 간주된다.

목표치보정수단(118)은 상술한 하중의 판정결과에 기초하여, 변위제어계 하에서 제어되는 서보계(11)의 액츄에이터(3)에 의해 시료(S)에 가해지는 하중이 영으로 되도록, 즉, 시료(S)에 가해지는 하중(K)이 그 검출풀스케일의 0.2% 이하로 되도록, 변위제어계에 주는 변위목표치(R_H)를 보정(수정)한다.

또한, 검출된 하중치(K)가 풀스케일의 0.2%를 넘는 경우에는, 예컨대 당해 시점에서 검출되고 있는 하중(K)에 소정의 정수(α)를 곱함으로써 하중성분을 변위제어계의 성분으로 등가변환한 변환치(전압치)(α·K)를 보정량으로서 구한다. 그리고, 이 보정량(α·K)을 그 시점에서 변위제어계에 피드백되고 있는 제어량(변위에 상당하는 전압치)(H)에서 제하고, 이것을 새로운 변위목표치(R_H)로서 재설정하여 변위목표치(R_H)를 보정한다. 또한, 상기 정수(α)는 하중제어계의 제어게인과 변위제어계의 제어게인의 비에 상당한 것이고, 예컨대 시료(S)의 스프링정수 등에 따라 미리 구해진다.

시험기 본체에의 시료(S)의 장착 중, 변위제어계에 주는 변위목표치를 시료(S)에 가해지는 하중에 따라 수정·보정하고, 시료(S)에 가해지는 하중을 실질상 영으로, 구체적으로는 로드셀(1)의 검출풀스케일의 0.2% 이내의 값으로 억제하는 구성에 의하면, 서보계(11)의 액츄에이터(3)의 변위를 효과적으로 제어할 수 있고, 시험기 본체에의 시료(S)의 장착 중에 시료(S)에 가해지는 하중을 영으로 할 수 있다. 특히 변위목표치를 급격히 변화시키지 않고, 시료에 가해진 하중에 따라 변위목표치를 하중이 영으로 되도록 수정·보정하면서 서보계(11)의 작동을 제어하고, 액츄에이터(3)의 변위위치를 고정밀도로 규정하므로, 시료(S)에 과대한 부하를 가하는 일이 없이, 시료(S)를 무부하 상태에서 시험기 본체에 안정하게 장착할 수 있다. 따라서, 시료(S)의 장착작업의 용이화와 대폭적인 효율화를 도모한다.

도 7은 시험기 본체에의 시료의 장착 중에 컨트롤러(8c)에 의해 실시되는 시료장착 제어루틴을 나타낸다.

이 시료장착 제어루틴은 액츄에이터(3)의 가동로드(3b)를 소정의 기준위치로 초기설정하고, 다음에, 액츄에이터(3)의 다이(3a) 상에 시료(S)를 재치한 상태에서 개시된다. 이 시료재치상태에서는, 당연한 것이지만, 시료(S)는 로드셀(1) 또는 로드셀측의 정지척킹부(2a)로부터 이반(離反)한 상태에 있다. 그래서, 먼저 로드셀(1)에 의해 검출되는 하중치를 영으로 리셋하고(스텝 S201), 로드셀(1)에 작용하고 있는 외적요인의 영향을 제거한다. 이 상태에서 시료의 척모드를 기동한다.

그리고 나서, 액츄에이터(3)의 목표이동량을 변위제어계에 대한 변위목표치(R_H)로 하여 제어프로그램에 의해 자동적으로 또는 오퍼레이터가 키조작부(113)를 거쳐서 수동으로 초기 설정한다(스텝 S202). 그리고 변위제어계를 작동시켜 액츄에이터(3)의 실변위량을 제어량으로 하여 서보계(11)를 피드백 제어하고, 액츄에이터(3)를 목표이동위치까지 변위시킨다(스텝 S203).

이와 같이 하여, 변위제어를 실행하고 있는 상태에서 모드변경의 요구가 있는지 없는지를 감시하고(스텝 S204), 모드변경이 요구되고 있는 경우에는 척킹모드를 종료하여 요구된 동작모드로 이행한다.

모드변경이 요구되고 있지 않는 것이 스텝 S204에서 판별된 경우에는, 그대로 척킹모드를 계속하면서 변위목표치(R_H)에 대한 매뉴얼 설정변경의 요구가 있는지 없는지를 조사하고(스텝 S205), 스텝 S202에서 설정된 변위목표치의 초기치가 과소 또는 과대인 등의 이유로 변경요구가 있는 경우에는, 오퍼레이터에 의한 변위목표치(R_H)의 수동입력을 기다려서, 변위목표치(R_H)를 수동입력된 새로운 값으로 설정 변경한다(스텝 S206). 이 경우, 새로운 변위목표치(R_H) 하에서 그 후의 척킹모드가 실행되게 된다.

척킹모드의 계속 중, 액츄에이터(3)의 가동로드(3b)가 로드셀(1) 측으로 변위되는 동안, 로드셀(1)의 출력에 기초하여 액츄에이터(3)의 가동로드(3b)에서 시료(S)에 하중이 가해졌는지 아닌지를, 컨트롤러(8c)의 제어주기에 따라 정해지는 타이밍으로 주기적으로(예컨대 100μ초 주기) 감시한다(스텝 S207). 그리고, 하중이 검출되지 않은 경우에는 제어흐름은 스텝 S203으로 되돌아 간다. 이것에 비하여 시료(S)에 가해지는 하중이 검출된 때, 특히 로드셀(1)의 풀스케일의 0.2%를 넘는 하중이 검출된 경우에는 전술한 바와 같이 그 하중을 영으로 하기 위해, 그때의 하중치(K)와 환산정수(α)와의 곱을 가동로드(3b)(시료(S))의 실변위(H)에서 제하여 새로운 변위목표치(R_H)를 구한다(스텝 S208). 그리고, 변위목표치에 새로운 값(R_H)을 재설정하고, 검출된 하중치(K)에 따라 변위목표치(R_H)를 보정한다(스텝 S209). 이 결과, 시료(S)에 가해지는 하중이 실질적으로 영, 다시 말하면 로드셀(1)의 검출 풀스케일의 0.2% 이내로 들어오는 값이 된다.

다음에, 제어흐름은 스텝 S203으로 되돌아가고, 변위제어가 실행된다. 스텝 S209에서 변위목표치(R_H)의 보정이 일단 행해지면, 액츄에이터(3)의 가동로드(3b)는 실질적으로는 변위하지 않고, 시료(S)에 가해지는 하중이 실질적으로 영인 무부하상태가 유지된다. 따라서, 시험기 본체에 대한 시료(S)의 장착이 완료하게 된다. 스텝 S209에서의 변위목표치의 보정이 완료한 때에, 또는 보정 완료시점으로부터 소정시간이 경과한 때에 시료 장착의 완료를 오퍼레이터에 알려지도록 한다면 편리하다.

이와 같이, 본 실시예에서의 시료장착은 간단한 제어 알고리즘 하에서 변위제어계를 작동시킴으로써 실행할 수 있다. 특히 시료(S)에 가해진 하중에 따라 변위제어계에 주는 변위목표치를 보정하면서, 시료(S)에 가해지는 하중이 영으로 되도록 액츄에이터(3)의 가동로드(3b)의 변위위치를 고정밀도로 규정하므로, 시료(S)를 안정·확실하게, 게다가 무부하상태에서 시험기 본체에 장착가능하게 된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 여러 가지로 변형가능하다.

예컨대, 디지털 컨트롤러(8c)가 유압서보계(11)에 주는 제어 출력을 홀드함으로써 검출앰프(8a)의 레인지절체에 따르는 유압 서보계(11)의 동작 불안정화를 방지하도록 해도 좋다. 또는, 편차기(8b)의 출력(편차값)을 홀드함으로써, 같은 기능을 실현하는 것도 가능하다. 이 경우, 검출앰프(8a)의 검출 레인지를 절체하는 기간에, 신호발생기(8d)로부터 편차기(8b)에 주는 제어목표치를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

예컨대, 하중(K)에 따른 변위목표치의 보정량(α·K)에 대해서는 변위제어계의 제어게인 등에 따라 정하도록 한다면 좋고, 보정연산식 H - α·K 에 대해서도 여러 가지로 변형할 수 있다. 또한, 하중에 대한 불감대(不感帶)영역을 어느 정도로 할 지에 대해서도, 시험기나 로드셀의 사양에 따라 정하면 된다.

또한, 액츄에이터(3)의 가동로드(3b)의 이동위치 및 변위목표치의 초기설정에 대해서는, 실시예에서는 가동로드(3b)를 기준위치로 설정한 상태에서, 예컨대, 목표치설정수단(113)을 거쳐서 수치입력함으로써 매뉴얼 설정하도록 하고 있다. 이것에 대신하여, 액츄에이터(3)의 가동로드(3b)의 변위상태를 눈으로 보면서, 오퍼레이터가 변위량의 단계적인 증감을 예컨대 버튼 조작에 의해 반복하여 지시하여, 가동로드(3b)의 이동위치의 초기설정을 행하도록 해도 된다. 또한, 변위목표치의 초기설정에서도 목표변위의 후보치를 예컨대 버튼조작에 의해 단계적으로 증감변화시킴과 동시에 표시패널 등에 표시하고, 표시패널에 표시된 후보치가 원하는 값으로 된 때에 확정버튼을 누름으로써 원하는 변위목표치를 수동설정 가능하게 해도 된다.

또한, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형할 수 있다.

이상의 설명에서 명백해진 바와 같이, 상기 재료시험기 또는 그 바람직한 태양에 의하면, 레인지절환에 의한 검출앰프의 증폭배율의 절체에 구애받지 않고, 디지털 컨트롤러에 주어지는 제어량(예컨대 시료에 가해지는 하중 또는 시료에 생기는 기계적 변화)의 검출배율을 일정하게 유지할 수 있다. 이 때문에 검출앰프에 관한 레인지절체에 연동하여 디지털 컨트롤러에서의 제어출력치나 디지털 컨트롤러의 제어게인을 변경할 필요가 없이 제어계를 간이하게 구성할 수 있다. 게다가, 아날로그 검출계에서의 레인지절체의 타이밍과 디지털 컨트롤러에서의 제어출력치의 레벨변경 타이밍의 엇갈림에 기인하는 제어오차를 흡수할 수 있으므로, 레인지절체를 안정하게 실행함과 동시에 디지털 제어계의 동작을 안정화할 수 있다. 따라서 재료시험기의 취급을 용이하게 함과 동시에, 시험효율의 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.

또, 변위제어계에 의해 액츄에이터 가동부의 변위를 제어하면서 실시되는 시험기 본체의 시료장착 중, 시료에 가해지는 실하중이 소정하중을 상회하지 않도록 액츄에이터 가동부의 목표변위 자체가 보정되어, 이것에 의해 목표변위를 급격하게 변화시키지 않고 액츄에이터 가동부의 변위위치를 고정밀도로 규정하여, 시료를 시험기 본체에 안정하게 장착하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 시료의 장착작업의 용이화와 대폭적인 효율화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

또한, 시험기 본체에의 시료의 장착 중, 근소한 실하중이 검출된 때에 목표변위를 감소 보정하므로, 시료에 가해지는 실하중을 실질적으로 영으로 할 수 있다. 이 결과, 시료를 시험기 본체에 무부하상태에서 장착가능하게 되는 효과를 갖는다.

Claims

시료에 부하를 주는 유압 액츄에이터를 포함하는 서보계의 작동을, 시료에 주어지는 실부하가 목표부하에 합치하도록 컨트롤러에 의해 피드백 제어하면서, 시료에 주어진 부하와 시료에 생긴 기계적 변화에 기초하여 시료의 기계적 성질을 계측하는 재료시험기에 있어서,

시료에 주어지는 부하 또는 시료에 생기는 기계적 변화를 검출하여 아날로그 검출치를 출력함과 동시에, 복수의 증폭배율 중 선택된 하나로 작동가능한 검출앰프(8a)와,

상기 검출앰프의 증폭배율을 절환하는 레인지 절체수단(212)과,

상기 검출앰프로부터 출력되는 아날로그 검출치를 변환하여 얻은 디지털 검출치를 상기 검출앰프의 증폭배율에 따라 처리하고, 상기 피드백제어에서의 제어량을 검출하고 나서의 검출배율을 일정화하는 검출배율 유지수단(213,214)과,

상기 처리가 끝난 디지털 검출치에 따라 피드백 제어동작하는 디지털식의 컨트롤러(도 3의 8c)에서 상기 서보계로 출력되는 제어출력치를, 상기 검출앰프의 증폭배율이 절체되는 동안 증폭배율의 절체 직전에 출력된 값으로 유지하는 제어출력 유지수단(215)

을 구비하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 1항에 있어서,

상기 검출배율 유지수단(213,214)은, 상기 검출앰프로부터 출력되는 아날로그 검출치를 상기 디지털 검출치로 변환하는 AD변환기(213)와, 상기 AD변환기에서의 디지털 검출치를 상기 검출배율이 일정하게 되도록 상기 검출앰프의 증폭배율에 따라 계수처리하는 디지털 계수기(214)를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 1항에 있어서,

상기 제어출력유지수단(215)은, 상기 검출앰프의 증폭배율의 절체 직전에서의 상기 디지털 계수기의 출력치를 상기 증폭배율의 절체가 완료할 때까지 유지하는 홀드회로(215)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 1항에 있어서,

상기 액츄에이터의 가동부(3b)에 연결된 시료장착부(3a)를 가지는 시험기 본체(2)와,

상기 액츄에이터의 가동부의 실변위가 목표변위에 합치하도록 상기 서보계의 작동을 피드백 제어하는 컨트롤러를 포함하는 변위제어계(도 5의 8a, 8b, 8c, 11)와,

상기 액츄에이터의 가동부의 변위에 따라서 시료에 가해지는 실하중을 검출하는 하중검출기(8a)와,

상기 변위제어계에 의한 피드백 제어를 실시하면서 상기 시험기 본체에의 시료의 장착을 실행하는 동안, 상기 액츄에이터의 가동부의 목표변위(R_H)를 시료에 가해지는 실하중(K)이 소정 하중을 상회하지 않도록 실하중에 따라 보정하는 보정수단(118, S208, S209)을 구비하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 4항에 있어서,

상기 보정수단(118, S208)은, 상기 하중검출기(8a)에 의해 검출되어 시료에 가해지는 실하중(K)이 상기 하중검출기의 검출분해능을 상회한 때 목표변위(R_H)가 감소하도록 목표변위를 보정하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.