KR100307271B1

KR100307271B1 - 재료시험기

Info

Publication number: KR100307271B1
Application number: KR19980032558A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 마쯔모토; 노부나리 타카하시; 스스무 카미오; 타쯔요시 코토
Original assignee: 미즈노 마사루; 니뽄 다바코 산교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2001-12-17
Also published as: EP0897111A3; DE69828341D1; EP0897111B1; US6098465A; DE69828341T2; EP0897111A2; KR19990023517A

Abstract

재료시험기는, 시료에 부하를 주는 액츄에이터를 포함하는 서보계의 작동을, 시료에 주어지는 실부하가 목표부하에 합치하도록 제어계에 의해 피드백 제어를 행하면서 재료시험을 행한다. 재료시험기는 목표부하를 나타내는 시험파형을 생성하는 파형발생기를 포함하고, 이 파형발생기의 파형데이터메모리에는 기본파형을 특징짓도록 기본파형으로부터 샘플링된 기본신호치의 계열이 기억되어 있다. 재료시험중, 데이터메모리로부터 기본신호치의 각각이 반복하여 판독되고, 이들 기본신호치에 기초하여 목표부하를 나타내는 시험파형이 생성된다. 또한, 제어량의 피크치와 바텀치에 기초하여 제어량과 목표부하와의 편차가 구해지고, 이 편차에 따라서 목표부하가 조정되어 서보계의 응답성 향상이 도모된다.

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 가동부와 시험기 본체에 의해 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 따라 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 관련하여 주로 서보계, 컨트롤러 및 시료로 이루어지는 루프를 용어 "제어루프" 또는 "피드백 제어루프"로 나타내는 일이 있다. 또한, 시료에 가하는 실하중(實荷重)을 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 일반적으로 부하라고 칭해지는 하중과 변위를 포함하는 광의의 부하를 나타낸다. 또, 시료의 실하중 또는 실변위를 제어량이라 칭하는 경우에, 목표부하를 용어 "제어목표치"로 나타내는 일이 있다.

재료시험기에서는 시료에 주어지는 부하를 주기적으로 변화시키면서 시료의 기계적성질을 측정하는 피로시험(疲勞試驗)을 행하는 것이 있다. 피로시험에서는 재료시험기의 컨트롤러에 주어지는 목표부하 예컨대, 목표하중을 정현파, 삼각파, 구형파(矩形波), 램프파 등의 소정의 패턴으로 반복하여 변화시키면서 시료에 가해지는 실하중과 시료의 실제변위를 계측한다. 이때, 실하중은 제어계의 피드백제어기능하에서, 일반적으로는 가변 목표하중에 추종하여 변화한다. 하지만, 목표하중의 반복변화주기에 역비례하는 주파수가 높아짐에 따라 목표하중에 대한 실하중의 추종성이 저하하여 시험정밀도가 저하한다.

상기한 바와 같이, 피로시험시에 재료시험기의 서보제어계에 일정한 패턴으로 반복변화하는 목표부하를 나타내는 시험파형이 주어진다. 시험파형의 진폭이나 변화주기는 시료의 종류나 크기 또는 시험목적에 따라서 설정된다. 예컨대, 피로시험의 경우에는 시험목적에 따라서 시험파형의 반복주파수는 0.01Hz의 초저주파에서 유압서보계의 동작한계인 100Hz정도의 주파수까지의 범위내에서 설정된다.

하지만, 이들 다양한 시험파형, 특히 초저주파의 반복신호파형을 아날로그적으로 생성하는 파형발생기는 일반적으로 특히 고가이고 그 구성도 복잡하다. 그래서, 이들 시험파형을 디지털적으로 발생시키는 것이 여러 가지로 시험되고 있지만, 시험파형생성을 위한 파형데이터를 기억해 두기 위해 대용량의 메모리를 필요로 하거나, 시험파형을 고정밀도로 생성하기 위한 연산처리가 상당히 복잡화하는 등의 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 목표하중을 일정패턴으로 반복하여 변화시키는 주파수가 높은 경우에서도 목표하중에 대한 실하중의 추종지연을 보상하여 고정밀도의 피로시험을 가능하게 하는 재료시험기를 제공하는 것에 있다.

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

도 2는 도 1의 재료시험기에서의 제어루프를 나타내는 블록선도이다.

도 3은 재료시험기의 제어계 및 보정제어계를 보여주는 블록도이다.

도 4는 도 3에 나타낸 제어계에서의 제어량과 목표부하와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 5는 재료시험기의 파형발생기를 보여주는 블록도이다.

도 6은 정현파의 기본파형과 도 5에 나타낸 파형데이터메모리에 기억되는 기본신호치와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 7은 삼각파의 기본파형과 기본신호치와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 8은 인장시험용 램프파의 기본파형과 기본신호치와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 9는 압축시험용 램프파의 기본파형과 기본신호치와의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 10은 파형데이터메모리에 기억되고 또 정현파의 기본파형에 대응하는 기본신호치와, 파형데이터메모리로부터 판독되는 임시 신호치와, 임시 신호치로 시닝(thinning) 보상을 행하여 얻어 임시 시험파형을 구성하는 신호치를 보여주는 그래프이다.

도 11은 임시신호치에 대한 시닝 보상처리를 보여주는 그래프이다.

도 12는 제어량에 기초한 시험파형에 대한 보정에 관련된 패러미터를 보여주는 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 로드셀(load cell), 2 프레임,

3 액츄에이터, 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.

본 발명에 의하면, 시료에 부하를 부여하는 유압 액츄에이터를 포함하는 서보계의 작동을, 시료에 주어지는 실부하(實負荷)가 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 피드백 제어에서의 목표부하를 주기적으로 변화시켜 시료에 주어지는 부하를 주기적으로 변화시키는 부하제어수단과, 부하의 변화에 따라서 변화하는 피드백제어에서의 제어량의 피크치 및 바텀치에 기초하여 제어량과 목표부하의 편차를 구하는 편차검출수단과, 이 편차검출수단으로 구해진 편차에 따라서 목표부하를 보정하는 보정수단을 구비한다.

이 재료시험기에 의하면, 서보계가 시료에 가해지는 실부하 또는 실부하의 인가에 의해 시료에 발생하는 기계적 변화를 제어량으로 하는 피드백제어를 행하면서 실시되는 재료시험중, 제어량의 피크치와 바텀치로부터 제어량과 목표부하와의 편차를 구하고, 이 편차에 따라서 목표부하자체를 보정하는 것으로 목표부하의 변화주기가 짧을 때에 특히 발생하기 쉬운 서보계의 제어응답성의 열화를 보상할 수 있다. 이 결과, 목표부하의 변화주기의 장단에 상관없이 시료에 가해지는 실부하를 목표부하변화에 양호하게 추종시켜서 고정밀도의 재료시험을 행할 수 있다.

바람직하게는, 편차검출수단은 시료의 목표부하의 변화주기마다 제어량의 피크치와 바텀치로부터 제어량의 진폭을 구하고, 다음에, 제어량의 진폭과 목표부하의 진폭에 기초하여 제어량과 목표부하와의 편차를 구한다.

이 바람직한 형태에 의하면, 목표부하변화주기마다 구해진 편차에 기초하여 목표부하를 그 변화주기마다 보정할 수 있고, 서보계의 제어응답성을 보다 확실하게 향상할 수 있다.

바람직하게는, 재료시험기는 피드백제어에서의 목표부하를 나타내는 시험파형을 생성하는 파형발생기를 구비한다. 파형발생기는 기본파형을 특징짓도록 기본파형으로부터 샘플링된 기본신호치의 계열을 기억한 파형데이터메모리와, 이 파형데이터메모리로부터의 기본신호치의 계열을 판독할 때, 시닝 수에 의해 정해지는 반복회수에 걸쳐 적어도 하나의 기본신호치를 반복하여 판독하여 임시신호치를 얻는 파형데이터판독수단과, 임시신호치중 기본파형의 샘플링점에 대응하지 않는 것을 시닝 수에 따라서 보정하여 기본파형과 유사한 형상의 임시 시험파형을 얻는 시닝 보상수단과, 임시시험파형의 진폭을 조정하여 시험파형을 얻는 시험파형생성수단을 포함한다.

이 바람직한 형태에 의하면, 전형적으로는 주기적으로 변화하는 목표부하로서의 시험파형이 생성된다. 이 전형예에서는 시험파형의 1주기분은 기본파형의 1주기분을 구성하는 기본신호치의 계열보다 수가 많은 신호치로 구성된다. 파형데이터메모리로부터 기본신호치의 계열을 판독할 때, 기본신호치의 각각을 시닝 수에 대응하는 반복회수에 걸쳐 반복하여 판독하고, 이 결과 얻어진 임시신호치의 필요한 것을 보정하여 얻어진 임시시험파형으로부터 시험목적에 적합한 주파수 및 진폭을 가지는 시험파형이 생성된다. 따라서, 각종의 시험파형, 특히 극저주파의 시험파형을 대용량의 파형데이터메모리를 사용하지 않고 간단하게 하여 효과적으로 아주 정밀하게 생성할 수 있다.

바람직하게는, 파형데이터메모리는 기본파형의 1주기분을 구성하는 기본신호치의 계열을 기억하고, 시닝 수는 기본파형의 샘플링수와 시험파형의 주파수와 파형판독수단의 기본신호치 판독주기에 따라 설정된다. 시닝 보상수단은 시험파형의 주파수와 동일한 주파수를 가지는 임시 시험파형을 얻는다.

이 바람직한 형태에 의하면, 일정한 패턴으로 주기적으로 변화하는 정현파나 삼각파 등의 시험파형을 대용량의 파형데이터메모리를 사용하지 않고 생성할 수 있다.

바람직하게는, 시닝 보상수단은 임시 신호치중 기본파형의 샘플링점에 대응하지 않는 것의 각각을 기본파형의 샘플링점에 대응하는 임시신호치중 관련하는 2개의 임시신호치의 차이와 시닝 수에 따라 결정되는 보상치에 기초하여 보정한다.

이 바람직한 형태에 의하면, 기본파형의 샘플링점에 대응하지 않는 임시신호치를 임시 시험파형을 구성하는데 적합한 것으로 되도록 보정할 수 있다.

바람직하게는, 파형발생기는 컨트롤러에 피드백되는 제어량에 따라서 시험파형의 평균치 레벨을 가변설정하는 시험파형레벨설정수단을 더 구비한다.

이 형태에 의하면, 서보계의 제어응답특성에 적합한 시험파형을 얻을 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점은 첨부도면에 비한정적인 예로서만 도시한 특정 실시예의 상세한 설명으로부터 밝혀진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 관한 전기유압 서보형 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)로부터 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 Δ를 구하는 편차기(8b)와, 이 편차 Δ에 따라 서보앰프(9)를 거쳐서 서보밸브(5)의 작동을 제어하는 컨트롤러(8c)를 구비하고, 편차 Δ를 영으로 하도록 서보밸브(5)의 작동을 제어하여 액츄에이터(3)를 유압구동하고, 이것에 의해 시험편(S)에 가하는 부하를 조정한다.

이 실시예에 관한 재료시험기는 피로시험기로서 기능하는 것으로서, 그 제1 특징은 그 제어부(8)가 도 3에 나타낸 바와 같이, 서보계(11)의 액츄에이터(3)가 시료(S)에 가하는 부하를 제어량과 제어목표치와의 편차에 기초하여 피드백제어하는 제어계(312)에 가하여 제어량에 따라 제어목표치 자체를 보정하는 보정제어계(313)를 구비하고 있는 점에 있다.

또한, 제어계(312)는 예컨대 시료(S)에 가해진 실하중 K를 제어량으로서 검출하고, 실하중 K와 목표하중치 R_K와의 편차 Δe_K에 따라서, 서보계(11)에 대한 제어출력치 U_K를 생성하는 하중제어계로서 실현된다. 또는, 제어계(312)는 시료(S)에 발생된 실변위 H를 제어량으로서 검출하고, 실변위 H와 목표변위치 R_H와의 편차 Δe_H에 따라서 서보계(11)에 대한 제어출력치 U_H를 생성하는 변위제어계로서 실현된다.

또한, 보정제어계(313)는 제어목표치(목표하중치 R_K, 목표변위치 R_H)를 소정의 주기로 변화시켜 시료(S)에 가하는 부하조건을 소정의 주기로 변화시킬 때, 부하변화의 1주기에서의 제어량(실하중 K, 실변위 H)의 피크치를 검출하는 피크검출부(321)와, 제어량의 바텀치를 검출하는 바텀검출부(322)를 구비하고 있다. 또 상기 피크치와 바텀치에 따라서 후술하는 바와 같이 상기 부하조건의 1변화주기내에서의 제어량과 제어목표치와의 실적편차를 구하는 진폭편차연산부(323)와, 상기 실적편차에 따라서 상기 제어목표치에 대한 보정치를 구하는 보정연산부(324)와, 이 보정치로 제어목표치의 변화주기마다 제어목표치를 보정하는 목표치 보정부(325)를 구비하고 있다.

또한, 도 3에 있어서 검출앰프(하중·변위검출부)(8a)는 제어량인 시료(S)의 실하중 K 또는 실변위 H를 검출한다. 그리고, 편차기(8b)는 제어목표치로서 주어지는 목표하중치 R_K와 실하중 K와의 편차 Δe_K, 또는 목표변위치 R_H와 실변위 H와의 편차 Δe_H를 구한다. 또한, 컨트롤러(8c)는 소정의 제어게인에서 상기 편차 Δe_K또는 Δe_H에 따라서 유압서보계(11)에 대한 제어출력치 U_K또는 U_H를 각각 생성하여 서보계(11)의 작동을 제어하는 것으로 되어 있다.

구체적으로는 제어계(312)가 하중제어계로서 실현되는 경우, 컨트롤러(8c)는 시료(S)의 스프링 정수에 따라서 설정된 비례제어게인 P_K와 적분제어게인 I_K와의 하에서 식(11)에 따라서 제어출력치 U_K를 구하고, 이것에 대하여 제어계(312)가 변위제어계로서 실현되는 경우에는 시료(S)의 스프링정수에 따라서 설정된 비례제어게인 P_H와 적분제어게인 I_H와의 하에서 제어출력치 U_H를 식(12)에 따라서 구하는 것으로 되어 있다. 각 식에 있어서, ΣK는 편차 Δe_K의 적분치이고, ΣH는 편차 Δe_H의 적분치이고, 이들은 PI제어에서의 적분성분을 나타내고 있다.

U_K=P_K⋅Δ e_K+I_K⋅Σ K

…(11)

U_H=P_H⋅Δ e_H+I_H⋅Σ H

…(12)

이들 식 (11), (12)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서의 피드백제어는 PID제어에서의 미분항을 영으로 한 PI제어에 의해 실현되고 있지만, 미분제어게인을 주어 PID제어를 실행하는 것도 물론 가능하다. 또한, 컨트롤러(8c)에 의한 유압서보계(11)에 대한 제어는 예컨대, 컨트롤러(8c)를 주(主)로 구성하는 마이크로 프로세서에 의해 제어연산이 실행되는 동작주기, 구체적으로는 100μ초의 주기로 실행된다.

그런데, 상기한 바와 같이 구성된 제어계(312)의 하에서 유압서보계(11)의 작동을 제어하여 시료(S)의 피로시험을 실행할 경우, 제어목표치로서는 일반적으로 정현파나 삼각파 등의 소정의 주기로 변화하는 신호파형이 사용된다. 또한, 제어목표치의 변화주기(시험주파수)나 변화폭(진폭)은 시험목적에 따라서 설정된다. 특히, 변화주기(시험주파수)에 대해서는 시료(S)의 강성(스프링 특성)에도 좋지만, 유압서보형 피로시험기에 있어서는 예컨대, 0.001Hz 내지 100Hz정도의 넓은 범위에 걸쳐 가변설정되는 것이 많다.

그러나 이와 같이 소정의 주기로 변화하는 신호파형으로 이루어지는 제어목표치를 제어계(312)에 부여하는 경우, 당연한 것이지만 제어목표치의 변화에 따라서 시료(S)에 가해지는 부하조건이 변화하여 제어량(하중이나 변위)이 변화한다. 하지만, 제어목표치의 변화주기가 짧은 경우, 결국 부하조건의 제어주파수가 높으면 제어목표치를 나타내는 삼각파로 이루어지는 신호파형을 제어계에 부여한 경우, 도 4에 실선으로 나타낸 제어목표치의 변화에 비교하여 도 4에 파선으로 나타낸 바와 같이 제어량(시료에 가해지는 하중 또는 시료의 변위)의 변화가 작게 되는 일이 있다. 이와 같은 제어응답성의 열화는 유압서보계(11)의 주파수응답성 등에 기인하는 것이고 특히 제어주파수가 높게 될수록 현저하게 발생한다.

본 실시예에서는 제어응답성의 열화를 보상하기 위해, 피크검출부(321)와 바텀검출부(322)에 의해 부하조건의 1변화주기에서의 제어량(실하중 K, 실변위 H)의 피크치 Pb와 바텀치 Bb를 각각 검출하고 있다. 그리고, 진폭편차연산부(323)에서 실적피크치 Pb와 실적바텀치 Bb에 따라서 하중의 실적평균치 Mb를

Mb = (Pb + Bb)/2 …(13)

로 하여 구하고, 또 시료에 가해지는 하중의 실적진폭치(편진폭) P를

P = (Pb - Bb)/2 …(14)

로 하여 구하고 있다. 또 제어목표치(목표하중)의 피크치는 Pa이고, 또 그 바텀치는 Ba이다. 그리고 이들 피크치 Pa와 바텀치 Ba에 의해 나타나는 하중의 목표진폭 Pref는

Pref = (P - B)/2 …(15)

이고, 목표하중의 평균치 Ma는

Ma = (Pa - Bb)/2 …(16)

이다.

진폭편차연산부(323)는 이렇게 하여 부하조건이 변화하는 1주기마다 구해지는 실적진폭치 P와, 제어목표치로 된 부여된 신호파형의 목표진폭 Pref로부터 그 실적편차 ΔP를

ΔP = Pref - P …(17)

로 하여 구하고, 이 실적편차 ΔP를 PI제어계로서 실현되는 보정연산부(324)로 주어져 있다.

보정연산부(324)에서는 시료(S)의 스프링정수에 따라서 설정된 제어게인의 하에서 제어목표치를 보정하기 위해 제어출력치 C(PB)를 생성하는 것이며, 예컨대 하중제어계를 구축할 경우에는 비례제어게인 P_K(PB)와 적분제어게인 I_K(PB)하에서, 그 제어출력치 C_K(PB)를

C_K(PB)=P_K(PB)⋅Δ P+I_K(PB)⋅Σ ΔP

…(18a)

로 하여 구하고 있다. 또한, 변위제어계가 구축될 경우에는 그 비례제어게인 P_H(PB)와 적분제어게인 I_H(PB)의 하에서 그 제어출력치 C_H(PB)가

C_H(PB)=P_H(PB)⋅Δ P+I_H(PB)⋅Σ ΔP

…(18b)

로 하여 구해진다.

목표치보정부(325)는 상기한 바와 같이 구해지는 제어출력치 C(PB)에 기초하여 제어목표치 R의 변화주기마다 그 제어목표치 R을

R_K' = R_K·(1+C_K(PB)) …(19a)

R_H' = R_H·(1+C_H(PB)) …(19b)

로 하여 보정하고, 보정된 제어목표치 R'(R_K', R_H')를 제어계(312)에 부여하고 있다.

이렇게 상기한 바와 같이 제어량(실적치)에 따라서 보정된 제어목표치를 제어계(312)에 부여하면 시료(S)에 실제로 가해지는 부하조건을 목표로 하는 부하조건에 효과적으로 맞추는 것이 가능하게 되고, 유압서보계(11)에서의 제어응답의 열화를 효과적으로 보상하는 것이 가능하게 된다. 즉, 제어응답성의 열화에 의해 발생하는 부하변화의 감소분을, 미리 제어목표치 자체를 그 실제치에 기초하여 보정에 의해 증대시켜 두는 것으로서, 미리 보상된 제어목표치를 제어계(312)에 부여하는 것이 가능하게 되어 시료(S)에 대하여 목적으로 하는 부하를 아주 정밀하게 가하는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 시료(S)에 대한 부하조건을 소정의 주기로 변화시키는 경우에 있어서, 그 변화주기가 짧은 경우라도 유압서보계(11)의 제어응답성에 상관없이 시료(S)에 대한 부하조건을 아주 정밀하게 규정하고, 예컨대 목적으로 하는 하중변화폭의 하에서 고정밀도의 피로시험을 실행하는 것이 가능하게 된다.

이 실시예에 관한 재료시험기의 제어부(8)는 기본적으로는 검출앰프(8a)를 통해 검출된 제어량(하중 또는 변위)과, 시험사양에 따라서 파형발생기로부터 주어지는 시험파형에 의해 나타난 제어목표치와의 편차에 기초하여 소정의 제어게인으로 서보계(11)의 작동을 피드백제어하는 것으로, 시험파형에 따라서 변화하는 하중 또는 변위를 시험편(S)에 가하도록 구성된다.

그리고, 이 재료시험기의 제2 특징인 파형발생기는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 각종 시험에 사용되는 정현파나 삼각파 등의 미리 정규화된 1주기분의 기본신호파형을 상기 기본신호파형의 특징에 따라 샘플링한 기본신호치의 계열로서 기억한 파형데이터메모리(421)를 구비하고 있다. 상세하게는 이 파형데이터메모리(421)는 예컨대, 소정의 신호레벨로 정규화된 정현파 즉, 정현파의 기본파형(도 6에 파선으로 나타냄)을 특징짓도록 등시간 간격의 17개의 샘플링점에서 기본파형으로부터 샘플링된 기본신호치 Sa1, Sa2, Sa3, …, Sa16, Sa17의 계열을 기억하도록 되어 있다. 이 기본신호치의 계열은 정현파의 기본파형의 1주기분을 구성하고 있다. 또한, 삼각파의 기본파형은 도 7에 나타낸 바와 같이, 예컨대 1주기분의 삼각파를 나타내는 5개의 샘플링점에서의 기본신호치 Sb1, Sb2, …, Sb5의 계열로 나타낸다. 또 램프파의 기본파형은 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 램프파형의 시작 끝과 종료 끝을 각각 특정하는 2개의 기본신호치 Sc1, Sc2 또는 Sd1, Sd2의 계열로 나타낸다. 또, 이들 기본신호파형을 각각 동일한 샘플링수 예컨대, 17개의 기본신호치의 계열로서 기억하는 것도 물론 가능하다.

그러나 판독제어부(422)는 시험사양에 따라 선택적으로 지정된 종류별의 기본신호파형을 나타내는 기본신호치의 계열을 파형데이터메모리(421)로부터 순차적으로 판독하는 것이다. 상세하게는 판독제어부(422)는 파형데이터메모리(421)로부터 일정한 판독주기로 기본신호치를 판독한다.

본 실시예의 파형발생기는 이 파형발생기가 생성해야 할 종류별의 시험파형을 이 종류별에 따른 기본파형에 기초하여 생성하는 것이다. 그리고, 일반적으로는 시험파형의 주파수는 기본파형의 주파수와는 다르고, 기본신호치를 파형데이터메모리(421)로부터 상기 판독주기로 판독하면, 판독주기 및 샘플링주기로 정해지는 주파수를 가지고 또 기본파형에 유사한 신호파형이 단순히 재현되는데 지나지 않는다. 환언하면, 기본신호치를 일정주기로 판독하면, 시험파형의 주파수가 기본파형의 주파수보다 낮은 경우, 시험파형을 구성하는 신호치의 수는 일반적으로는 기본파형을 구성하는 기본신호치의 수보다 많다. 즉, 시험파형은 파형의 위상으로 보아 기본신호치의 샘플링점에 대응하는 신호치와 기본신호치의 샘플링점에 대응하지 않는 신호치로 이루어지는 것으로 볼 수 있다. 이하, 시험파형을 구성하는 신호치중 기본신호치의 샘플링점에 대응하지 않는 신호치를 "시닝 신호치" 또는 "시닝된 샘플링점에서의 신호치"라고 한다. 또한, 기본신호치의 샘플링점에 대응하는 시험파형의 신호치가 서로 이웃하는 것끼리의 사이에 있는 시닝된 신호치의 수를 "시닝 수"라고 한다. 이 시닝 수는 시험파형의 주파수와 판독주기와 기본파형으로부터의 기본신호치의 샘플링수에 따라서 정해진다.

상기한 바와 같이 파형데이터메모리(421)로부터 일정한 판독주기로 기본신호치를 판독할 때, 판독제어부(422)는 각 기본신호치를 시닝 수에 의해 정해지는 반복회수에 걸쳐 반복하여 판독한다.

즉, 파형데이터메모리(421)에 기억된 1주기분의 기본신호치의 계열이 예컨대, 16개의 샘플데이터로 이루어지고, 이들 샘플 데이터를 상기한 판독속도로 순차적으로 판독했을 때의 신호치의 계열에 의해 구성되는 신호파형의 주파수에 비교하여 제어목표치로서 주어지는 시험파형의 주파수가 (1/3)배인 경우, 실제적으로는 파형데이터메모리(421)로부터 상기 신호치의 계열을 3배의 주기로 천천히 판독할 필요가 있다. 이와 같은 경우, 판독제어부(422)에서는 파형데이터메모리(421)에 기억된 기본신호치의 계열이 상기 시험파형의 3분의 1에 대응하는 것으로 간주하고 있다.

그리고 이 경우, 판독제어부(422)에서는 시닝된 샘플점에서의 신호치를 보상하기 위해 파형데이터메모리(421)에 기억된 도 10의 위 부분에 나타낸 것 같은 각 기본신호치를 도 10의 중간부분에 나타낸 바와 같이 3회씩 연속하여 반복 판독하는 것으로 기도(企圖)한 주파수를 가지는 시험파형을 재현하는데 있어 필요한 수의 임시신호치를 구하도록 하고 있다. 이들 임시신호치는 기본신호치의 샘플링점에 대응하는 것에 더하여, 기본파형샘플링점에 대응시키지 않고 시험파형에 관한 시닝된 샘플링점에서의 임시신호치를 포함하고 있다.

그러나 시닝 보상부(423)는 상기한 바와 같이 하여 파형데이터메모리(421)로부터 판독되는 임시신호치중, 시닝된 샘플링점의 것을 보정하여 도 10의 아래 부분에 나타낸 임시 시험파형을 얻도록 하고 있다. 이하, 임시신호치의 보정을 "시닝 보상"이라고 한다. 이 임시 시험파형은 기본파형과 유사한 형상이고, 시험파형이 일정한 패턴이고 또 소정의 주기로 변화하는 것이라면 시험파형의 주파수와 동일한 주파수를 가지고 있다.

이 시닝 보상은 예컨대, 도 11에 나타낸 바와 같이, 기본파형 샘플링 (i), (i+1)점에서의 2개의 기본시험에 각각 대응하는 2개의 임시 신호치 SD(i), SD(i+1)의 차이 e와 시닝 수 n에 따라서 실행된다. 구체적으로는 시닝된 n개의 샘플링점을 포함하는 시험파형에 관한 n+1개의 샘플링점에 대응하는 기간에 있어서 상기 임시 신호치의 차이 e가 발생한 것으로 받아들이고, 시작하는 시닝된 샘플링점에서의 보정치를 다음식에 따라서 산출한다.

[보정치] = (SD(i+1)-SD(i))/(n+1)

그 외의 시닝된 샘플링점에 대한 시닝 보상에서는 기도하는 시닝 샘플링점에서의 임시 신호치를 얻을 때까지의 파형데이터메모리(421)로부터의 동일한 기본신호치 SD(i)의 판독반복회수를 상기 보정치에 곱하여 얻은 누적보정치가 사용된다. 도 10의 중간부분에 나타낸 바와 같은 각 기본신호치를 시닝 수 n과 값 1의 합으로 나타내는 반복회수에 걸쳐서 반복판독함으로써 임시신호치의 계열이 얻어진다. 그리고, 임시신호치의 계열에 상기의 보정을 실시함으로써, 임시신호치가 도 10의 아래 부분에 나타낸 바와 같이 시닝 보상되어 기본신호파형과 유사한 형상이고 또 시험파형의 주파수와 동일한 주파수를 가진 임시시험파형이 생성된다.

그러나, 이와 같이 하여 시닝 보상부(423)에서 생성된 임시시험파형은 진폭환산부(424)에 입력된다. 제어부(8)에 제어목표치로서 주어지는 시험파형을 얻기 위해, 진폭환산부(424)에서는 임시 시험파형을 계수처리하는 등하여, 그 진폭레벨의 조정이 행하여진다. 이와 같이 하여 진폭조정된 신호파형(신호치의 계열)이 후술하는 보정회로(425)를 거쳐 파형출력부(426)에 주어지고, 파형출력부(426)에 있어서 적당한 스무딩(smoothing) 처리가 행해진 후, 시험파형으로서 제어부(8)에 출력된다.

또한, 상기한 임시 시험파형의 발생은 정현파나 삼각파 등과 같이 소정의 반복주기로 연속적으로 변화하는 파형을 생성하는 경우에는 그 기본신호파형을 이루는 기본신호치의 계열을 상기 반복주기로 순회적으로 반복판독함으로써 실현된다. 이 점, 램프파형과 같은 경우에는 최후의 기본신호치와 동시에 램프파형을 나타내는 최초의 기본신호치를 반복판독하여 시닝된 샘플링점에서의 임시 신호치를 생성하면서, 최초의 기본신호치와 최후의 기본신호치와의 차이 e와 임시 신호치를 얻을 때까지의 최초의 기본신호치의 판독회수에 기초하여 얻은 누적보정치로 임시신호치를 시닝 보상하도록 하면 된다. 또한, 램프·홀드파형을 발생하는 경우에는 상기한 램프파형의 판독처리와 시닝 보상을 실행한 후, 최후에 판독된 기본신호치를 홀드하도록 하면 된다.

그래서, 상기한 바와 같이 구성된 파형발생기에 의하면, 파형데이터메모리(421)에 미리 기억되어 기본파형을 나타내는 샘플데이터 즉, 기본신호치의 수가 적은 경우라도 파형데이터메모리(421)로부터 기본신호치의 계열을 소정의 주기로 판독할 때, 시험파형의 주파수(변화주기)에 따른 회수에 걸쳐 동일한 샘플링점에서의 기본신호치를 반복판독하는 것으로, 시닝된 샘플링점에서의 임시신호치를 얻고, 이것을 시닝 수에 따라서 보정함으로써, 시험파형의 주파수가 낮은 경우라도 정밀도가 높은 시험파형을 생성할 수 있다. 또, 임시 신호치를 시닝 보상하여 얻은 소망주파수의 임시 시험파형을 진폭조정함으로써 시험파형을 생성할 수 있기 때문에, 시험파형 생성을 위한 신호처리가 특히 간단하고, 간단한 구성 하에서 정밀도가 높은 시험파형을 얻을 수 있다.

그런데, 상기한 보정회로(425)는 상기한 바와 같이 생성된 시험파형을 제어량에 기초하여 보정하는 역할을 맡고 있다. 즉, 유압서보계는 이것에 고유한 주파수 응답특성을 가지고 있고, 임시로 시험사양에 따른 시험파형을 제어목표치로서 부여한다고 해도, 반드시 그 제어목표치가 나타내는 목표하중 또는 목표변위에 합치하는 실제하중 또는 실제변위를 응답성이 좋게 얻을 수 있다고는 할 수 없다. 결국, 시험편(S)에 대하여 어느 변화폭으로 하중을 주기적으로 가하기 위해 생성된 시험파형을 제어부(8)에 부여해도 실제로 시험편(S)에 가해지는 하중이 소망하는 것으로 되지 않는 것이 있다.

이와 같은 서보계의 주파수 응답특성에 기인하는 시험조건의 오차요인에 대처하기 위해, 이 파형발생기는 상기한 바와 같이 하여 얻은 시험파형을 보정하여 보다 적정한 시험파형을 얻는 보정회로(425)를 구비하고 있다. 이 보정회로(425)는 예컨대, 실하중이나 실변위인 제어치의 피크치 및 바텀치를 검출하는 PB검출기(425a)를 구비하고 있다. 보정회로(425)는 이 PB검출기(425a)에 의해 구해진 1주기에 걸친 제어량의 피크치 Sp와 바텀치 Sb로부터 도 12에 나타낸 바와 같이 제어량의 평균치 Sm을 구하고, 제어량의 평균치 Sm과 제어목표치에 의해 나타낸 목표하중의 평균치 SM과의 차이에 기초하여 제어목표치에 대한 보정량을 구하는 평균치 보정수단(425b)을 구비하고 있다. 도 12중, 기호 SP 및 SB는 목표하중의 피크치 및 바텀치를 나타낸다. 또한, 보정회로(425)는 진폭환산부(424)에 의해 진폭레벨의 조정이 행해진 시험파형을 입력하는 진폭보정부(425c)를 구비하고, 이 진폭보정부(425c)는 평균치보정수단(425b)으로 구해진 보정치에 따라서 시험파형의 진폭과 평균치를 보정하고, 이것에 의해 시험편(S)에 가해지는 하중이 본래의 시험조건에서 나타낸 진폭치로 변화하도록 시험파형의 진폭 자체를 조정하는 것이다.

이와 같은 보정회로(425)에 의한 시험파형의 진폭조정에 의해 도 12에 실선으로 나타낸 바와 같은 시험파형(제어목표치)을 가한 것에 상관없이 실제로 시료(S)에 가해지는 하중이 도 12에 파선으로 나타낸 것처럼 밖에 변화하지 않는 경우, 본 실시예에서는 제어량에 따라서 시험파형이 보정되게 되므로, 시험편(S)에 대한 시험조건(에컨대, 하중조건)을 고정밀도로 규정하는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 간이하게 생성된 시험파형의 하에서, 재료시험을 고정밀도로 실행하는 것이 가능하게 되고, 시험정밀도의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다. 특히, 진폭환산하여 얻어진 시험파형의 진폭을 직접적으로 보정하여 얻은 진폭보정이 완료된 시험파형을 제어목표치로서 출력하기 때문에, 간이하게 효율적으로 그 시험정밀도를 높이는 것이 가능하게 되는 등의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 여러 가지로 변형가능하다.

예컨대, 상기한 제어량의 피크치와 바텀치로부터 구해지는 실적평균치에 기초하여 제어목표치를 보정하는 것도 가능하다. 구체적으로는 제어목표치의 평균치 Ma와 제어량의 실적의 평균치 Mb로부터 평균치 편차 Δm을 구하고, 이 평균치 편차 Δm에 따라서 소정의 제어게인 Km의 하에서 새로운 제어목표치의 평균치 M을

로 하여 구하고, 제어목표치를 보정하는 것도 가능하다. 또, 이와 같은 제어목표치의 평균치 M과, 상기한 제어목표치의 보정처리를 병용하여 제어계(312)에 주어지는 목표치를 보정하는 것도 가능하다.

파형데이터메모리(421)에 기억하는 기본신호치를 얻기 위한 샘플링수는 그 메모리 용량이 허용하는 한 많이 설정해 두는 것이 요망된다. 또, 파형데이터메모리(421)로부터 각 기본신호치를 연속하여 반복판독하는 회수를 정하는 시닝 수 n은 기본파형의 샘플링수와, 데이터메모리(421)로부터의 기본신호치의 판독주기에 따라서 결정되는 기본주파수와, 제어목표치로서 주어지는 시험파형의 주파수에 따라 정해지면 되는 것이다. 또한, 기본주파수와 시험파형의 주파수가 동일한 경우에는 시닝 수 n을 영으로 하고, 상기한 시닝 처리는 하지 않는 것은 물론이다.

또한, 예컨대 상기한 기본파형 이외의 재료시험기의 외부에서 샘플링수집된 랜덤파형을 제어부(8)로 판독하고, 이 랜덤파형을 기본파형과 마찬가지로 처리하여 시험파형을 얻고 피드백제어의 목표치로서 사용하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면 목표하중을 일정 패턴으로 반복하여 변화시키는 주파수가 높은 경우에서도 목표하중에 대한 실하중의 추종지연을 보상하여 고정밀도의 피로시험이 가능하게 된다는 효과가 있다.

Claims

시료에 부하를 부여하는 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,

상기 피드백제어에서의 목표부하를 주기적으로 변화시켜서 시료에 주어지는 부하를 주기적으로 변화시키는 부하제어수단(8c, 8d)과,

부하의 변화에 따라서 변화하는 피드백제어에서의 제어량의 피크치 및 바텀치에 기초하여 상기 제어량과 목표부하와의 편차를 구하는 편차검출수단(321, 322, 323)과,

상기 편차검출수단으로 구해진 편차에 따라서 목표부하를 보정하는 보정수단(324)과

를 구비하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 편차검출수단(321, 322, 323)은 시료의 목표부하의 변화주기마다 상기 제어량의 피크치와 바텀치로부터 상기 제어량의 진폭을 구하고, 다음에 상기 제어량의 진폭과 상기 목표부하의 진폭에 기초하여 상기 제어량과 목표부하의 편차를 구하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 1 항에 있어서,

상기 피드백제어에서의 목표부하를 나타내는 시험파형을 생성하는 파형발생기(8d)를 더 포함하고,

상기 파형발생기는,

기본파형을 특징짓도록 상기 기본파형으로부터 샘플링된 기본신호치(Sa1∼Sa17 ; Sb1∼Sb5 ; Sc1, Sc2 ; Sd1, Sd2)의 계열을 기억한 파형데이터메모리(421)와,

상기 파형데이터메모리(421)로부터의 상기 기본신호치의 계열을 판독할 때, 시닝(thinning) 수에 의해 정해지는 반복회수에 걸쳐 동일한 기본신호치를 반복판독하여 임시신호치(도 10)를 얻는 파형데이터 판독수단(422)과,

상기 임시 신호치중 기본파형의 샘플링점에 대응하지 않는 것을 시닝 수에 따라 보정하고, 기본신호파형과 유사한 형상의 임시 시험파형(도 10)을 얻는 시닝 보상수단(423)과,

상기 임시 시험파형의 진폭을 조정하여 시험파형을 얻는 시험파형생성수단(423, 424)을 포함하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 3 항에 있어서,

상기 파형데이터메모리(421)는 기본파형의 1주기분을 구성하는 기본신호치(Sa1∼Sa17 ; Sb1∼Sb5)의 계열을 기억하고, 상기 시닝 수는 상기 기본파형의 샘플링수와 상기 시험파형의 주파수와 상기 파형 판독수단의 기본신호치 판독주기에 따라서 설정되고, 상기 시닝 보상수단은 시험파형의 주파수와 동일한 주파수를 가지는 임시 시험파형을 얻는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 3 항에 있어서,

상기 시닝 보상수단(423)은, 상기 임시 신호치를 잇따라 판독되는 2개의 기본 신호치의 차이와 상기 시닝 수에 따라서 정해지는 보상치에 의거해서 보정하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.
제 4 항에 있어서,

상기 파형발생기(8e)는 상기 컨트롤러에 피드백되는 상기 제어량에 따라서, 상기 시험파형의 평균치 레벨을 가변설정하는 시험파형레벨설정수단(425b)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 재료시험기.