WO2020121563A1 - 材料試験機、及び材料試験機の制御方法 - Google Patents
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Abstract
応答性及び安定性を向上させて、試験条件のフィードバック制御を行うことができる材料試験機、及び材料試験機の制御方法を提供する。 モニタ量変換部23は、伸び量測定部22により測定された伸び量に、試験片TPの制御剛性を乗じて、推定試験力を算出する。材料試験制御部24は、推定試験力に基づいて、試験片TPに付与されている実際の試験力と、試験条件に応じた目標試験力との偏差を減少させるためのサーボモータ43に対する操作量を決定して、試験片TPの引張試験を実行する。
Description
本発明は、材料試験機、及び材料試験機の制御方法に関する。
従来、材料試験機においは、試験条件を維持して材料試験を実行するために、試験条件(試験対象に付与する試験力、引張試験における引張速度等)のフィードバック制御が行われている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載された材料試験機は、試験片に付与されている試験力を測定するロードセルを備え、試験片に対して、目標値まで試験力を定速増加させる引張荷重を付与した後に、試験力を目標値にホールドさせる条件で試験力をフィードバック制御している。
試験条件により設定された条件のフィードバック制御を行う場合、フィードバックゲインを上げて応答性を良くすることが望ましい。しかしながら、フィードバックゲインを上げると、条件要素の測定に使用されるセンサの検出信号に重畳したノイズ成分も増幅されるため、制御が不安定になり易い。ノイズ成分を減少させるために、ローパスフィルタを介してセンサの検出信号を入力する構成も採用されているが、この場合には、ローパスフィルタによる検出信号の遅延によって、制御の安定性が低下するという不都合がある。
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、応答性及び安定性を向上させて、試験条件のフィードバック制御を行うことができる材料試験機、及び材料試験機の制御方法を提供することを目的とする。
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、応答性及び安定性を向上させて、試験条件のフィードバック制御を行うことができる材料試験機、及び材料試験機の制御方法を提供することを目的とする。
第1の発明は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる物理量の変化である第1モニタ量を測定する第1モニタ量測定部と、試験の目標となる物理量である第2モニタ量を測定する第2モニタ量測定部と、前記第1モニタ量測定部により測定された前記第1モニタ量を、前記試験対象又は前記負荷機構における前記第1モニタ量と前記第2モニタ量との相関を示す相関条件に従って、前記第2モニタ量の測定値として扱う第2モニタ量推定値に変換するモニタ量変換部と、前記第2モニタ量推定値に基づいて、前記試験対象における実際の前記第2モニタ量と、試験条件に応じた目標第2モニタ量との偏差を減少させるための前記負荷機構に対する操作量を決定して、前記試験対象の材料試験を実行する材料試験制御部とを備える。
第2の発明は、第1の発明において、前記材料試験制御部は、前記第2モニタ量測定部による測定値と前記目標第2モニタ量との偏差の積分値、及び前記第2モニタ量推定値に基づいて、前記操作量を決定する。
第3の発明は、第2の発明において、前記第1モニタ量測定部は、前記第1モニタ量として前記試験対象に加えられた前記負荷機構の移動量を測定し、前記第2モニタ量測定部は、前記第2モニタ量として前記負荷により前記試験対象に付与されている試験力を測定し、前記相関条件は、前記試験対象に加えられた前記負荷機構の移動量に対する前記試験力の増減量である制御剛性であり、前記モニタ量変換部は、前記第1モニタ量測定部による測定値に前記制御剛性を乗じることによって、前記第1モニタ量測定部により測定された前記負荷機構の移動量を、前記試験対象に付与されている前記試験力の推定値として扱う前記第2モニタ量推定値に変換する。
第4の発明は、第3の発明において、前記材料試験の実行中に、所定期間における前記第1モニタ量測定部による測定値と前記第2モニタ量測定部による測定値との相関に基づいて、前記制御剛性を算出する制御剛性算出部を備える。
第5の発明は、第3の発明又は第4の発明において、前記負荷機構は、前記試験対象をつかむ一対のつかみ具と、前記一対のつかみ具の一方と接続されて、前記一対のつかみ具の間隔が変更される方向にボールねじの回転によりスライドするヘッド部を有し、前記第1モニタ量測定部は、前記ボールねじに取り付けられて前記ボールねじが所定角度回転する毎に1つのパルスを出力するエンコーダと、前記エンコーダから出力される前記パルスをカウントするカウンタとを有し、前記カウンタのカウント値に基づいて前記負荷機構の移動量を測定する。
第6の発明は、試験対象に負荷を付与する負荷機構と、前記負荷に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる物理量の変化である第1モニタ量を測定する第1モニタ量測定部と、試験の目標となる物理量である第2モニタ量を測定する第2モニタ量測定部と、制御装置とを備えた材料試験機により実行される材料試験機の制御方法であって、前記制御装置が、前記第1モニタ量測定部により測定された前記第1モニタ量を、前記試験対象又は前記負荷機構における前記第1モニタ量と前記第2モニタ量との相関を示す相関条件に従って、前記第2モニタ量の測定値として扱う第2モニタ量推定値に変換するモニタ量変換ステップと、前記制御装置が、前記第2モニタ量推定値に基づいて、前記試験対象における実際の前記第2モニタ量と、所定の目標第2モニタ量との偏差を減少させるための前記負荷機構に対する操作量を決定して、前記試験対象の材料試験を実行する材料試験制御ステップとを含む。
なお、この明細書には、2018年12月13日に出願された日本国特許出願・特願2018-233186号の全ての内容が含まれるものとする。
なお、この明細書には、2018年12月13日に出願された日本国特許出願・特願2018-233186号の全ての内容が含まれるものとする。
第1の発明によれば、モニタ量変換部により、第1モニタ量測定部により測定された第1モニタ量が、試験対象における第1モニタ量と第2モニタ量との相関を示す相関条件に従って、第2モニタ量の測定値として扱う第2モニタ量推定値に変換される。そして、材料試験制御部により、第2モニタ量推定値に基づいて、試験対象における実際の第2モニタ量と、試験条件に応じた目標第2モニタ量との偏差を減少させるための負荷機構に対する操作量が決定される。この場合、ノイズの影響を抑えて第2モニタ量を測定することが困難であるときに、耐ノイズ性が高い第1モニタ量測定部による測定値を用いることにより、ノイズの影響を抑制して第2モニタ量のフィードバック制御を行うことができる。これにより、応答性及び安定性を向上させて、試験条件である第2モニタ量のフィードバック制御を行うことができる。
第2の発明によれば、第2モニタ量測定部による測定値と目標第2モニタ量との偏差に基づいて、負荷機構の操作量を決定することにより、モニタ量変換部により第1モニタ量の測定値を第2モニタ量推定値に変換する際の誤差の影響を低減して、フィードバック制御の精度を高めることができる。
第3の発明によれば、モニタ量変換部により、第1モニタ量測定部により測定された負荷機構の移動量である第1モニタ量が、試験対象又は負荷機構の制御剛性を乗じることによって、第2モニタ量の測定値として扱われる第2モニタ量推定値に変換される。そして、材料試験制御部により、第2モニタ量推定値に基づいて負荷機構の操作量を決定することにより、試験対象に付与される試験力のフィードバック制御を行うことができる。
第4の発明によれば、制御剛性算出部により、材料試験の実行中に、所定期間における第1モニタ量測定部による測定値と第2モニタ量による測定値との相関に基づいて、試験対象の制御剛性が算出される。これにより、材料試験の実行中に試験対象の制御剛性が変化する場合に、第2モニタ量推定値の変換誤差を減少させることができる。
第5の発明によれば、試験対象をつかんでいるつかみ具に接続されたヘッド部をスライドさせるボールねじに取り付けられたエンコーダを用いて、負荷機構の移動量が測定される。これにより、ボールねじを駆動するモータ等の駆動源からボールねじまでの伝達機構におけるガタやバックラッシュの影響を排除して、負荷機構の移動量を精度良く測定することができる。
第6の発明によれば、第6の発明の方法を材料試験機で実施することにより、第1の発明と同様の効果を得ることができる。
第2の発明によれば、第2モニタ量測定部による測定値と目標第2モニタ量との偏差に基づいて、負荷機構の操作量を決定することにより、モニタ量変換部により第1モニタ量の測定値を第2モニタ量推定値に変換する際の誤差の影響を低減して、フィードバック制御の精度を高めることができる。
第3の発明によれば、モニタ量変換部により、第1モニタ量測定部により測定された負荷機構の移動量である第1モニタ量が、試験対象又は負荷機構の制御剛性を乗じることによって、第2モニタ量の測定値として扱われる第2モニタ量推定値に変換される。そして、材料試験制御部により、第2モニタ量推定値に基づいて負荷機構の操作量を決定することにより、試験対象に付与される試験力のフィードバック制御を行うことができる。
第4の発明によれば、制御剛性算出部により、材料試験の実行中に、所定期間における第1モニタ量測定部による測定値と第2モニタ量による測定値との相関に基づいて、試験対象の制御剛性が算出される。これにより、材料試験の実行中に試験対象の制御剛性が変化する場合に、第2モニタ量推定値の変換誤差を減少させることができる。
第5の発明によれば、試験対象をつかんでいるつかみ具に接続されたヘッド部をスライドさせるボールねじに取り付けられたエンコーダを用いて、負荷機構の移動量が測定される。これにより、ボールねじを駆動するモータ等の駆動源からボールねじまでの伝達機構におけるガタやバックラッシュの影響を排除して、負荷機構の移動量を精度良く測定することができる。
第6の発明によれば、第6の発明の方法を材料試験機で実施することにより、第1の発明と同様の効果を得ることができる。
[1.材料試験機の構成]
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る材料試験機1の構成を模式的に示す図である。
本実施形態の材料試験機1は、いわゆる引張試験機であり、引張りやせん断などの外力に対する耐久性などを決定する材料固有の機械的性質を試験する試験機である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る材料試験機1の構成を模式的に示す図である。
本実施形態の材料試験機1は、いわゆる引張試験機であり、引張りやせん断などの外力に対する耐久性などを決定する材料固有の機械的性質を試験する試験機である。
材料試験機1は、試験対象の材料である試験片TPに負荷としての試験力を付与して引張試験を行う引張試験機本体2と、試験機本体2による引張試験動作を制御する制御装置10とを備えている。図1には、後述する試験片TPの歪みを測定する際に使用する伸び計90を示している。伸び計90は、試験片TPの把持と解放を使用者の手作業に依らずに行う自動伸び計であり、試験片TPを把持して、試験片TPと共に変位する上アーム92及び下アーム93と、上アーム92及び下アーム93の変位を検出する歪みゲージ91とを備えている。
[2.試験機本体の構成]
試験機本体2は、テーブル30と、テーブル30上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹31、32と、これらのねじ棹31、32に沿って移動可能なクロスヘッド33と、このクロスヘッド33を移動させて試験片TPに負荷を与える負荷機構40と、ロードセル36とを備えている。ロードセル36は、試験片TPに実際に作用している引張荷重である試験力を測定し、測定された試験力を示す試験力測定信号A1を制御装置10に出力するセンサである。試験力は本発明の第2モニタ量に相当し、ロードセル36は本発明の第2モニタ量測定部に相当する。なお、ねじ棹を1本とする構成としてもよい。
試験機本体2は、テーブル30と、テーブル30上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹31、32と、これらのねじ棹31、32に沿って移動可能なクロスヘッド33と、このクロスヘッド33を移動させて試験片TPに負荷を与える負荷機構40と、ロードセル36とを備えている。ロードセル36は、試験片TPに実際に作用している引張荷重である試験力を測定し、測定された試験力を示す試験力測定信号A1を制御装置10に出力するセンサである。試験力は本発明の第2モニタ量に相当し、ロードセル36は本発明の第2モニタ量測定部に相当する。なお、ねじ棹を1本とする構成としてもよい。
一対のねじ棹31、32はボールねじから成り、クロスヘッド33は、各ねじ棹31、32に対して図示を省略したナットを介して連結されている。負荷機構40は、各ねじ棹31、32の下端部に連結されるウォーム減速機41、42と、各ウォーム減速機41、42に連結されるサーボモータ43とを備えている。また、ねじ棹31にはエンコーダ45が装着されており、エンコーダ45は、ねじ棹31が所定角度回転する毎に1つのパルスを出力する位置測定信号A2を生成する。
負荷機構40は、ウォーム減速機41、42を介して、一対のねじ棹31、32にサーボモータ43の回転を伝達し、各ねじ棹31、32が同期して回転することにより、クロスヘッド33がねじ棹31、32に沿って昇降する。
クロスヘッド33には、試験片TPの上端部を把持するための上つかみ具34が付設され、テーブル30には、試験片TPの下端部を把持するための下つかみ具35が付設されている。試験機本体2は、引張試験の際、試験片TPの上端部を上つかみ具34で把持すると共に、試験片TPの下端部を下つかみ具35で把持した状態で、制御装置10による制御により、クロスヘッド33を上昇させることによって、試験片TPに試験力を付与する。上つかみ具34の上下のスライドに応じて、上つかみ具34と下つかみ具35との間隔が変更される。上つかみ具34及び下つかみ具35は本発明の一対のつかみ具に相当し、クロスヘッド33は、つかみ具が接続された本発明のヘッド部に相当する。
[3.制御装置の構成]
制御装置10は試験機本体2の作動の制御と試験状況の測定を行う。制御装置10には、外部制御装置であるPC(Personal Computer)100が接続され、PC100は、制御装置10との間で通信を行って、引張試験の試験条件の設定、引張試験の開始の指示、引張試験の進行状況の監視、及び測定データの表示と解析等を行う。
制御装置10は試験機本体2の作動の制御と試験状況の測定を行う。制御装置10には、外部制御装置であるPC(Personal Computer)100が接続され、PC100は、制御装置10との間で通信を行って、引張試験の試験条件の設定、引張試験の開始の指示、引張試験の進行状況の監視、及び測定データの表示と解析等を行う。
制御装置10は、CPU(Central Processing Unit)20、メモリ11、図示しないインターフェース回路等により構成された電子回路ユニットである。制御装置10は、ロードセル36から出力される試験力測定信号A1を増幅するセンサアンプ12と、エンコーダ45から出力される位置測定信号A2のパルス数をカウントするカウンタ13と、サーボモータ43に駆動電流を供給するサーボアンプ14とを備えている。
エンコーダ45とカウンタ13とにより、試験片TPの伸び量を測定する変位量測定部16が構成される。伸び量は本発明の第1モニタ量に相当し、変位量測定部16は本発明の第1モニタ量測定部に相当する。サーボアンプ14は、CPU20から入力される電流指示Icに対応した駆動電圧を生成して、サーボモータ43に出力する。
制御装置10は、メモリ11に保存された材料試験機1の制御プログラムを、CPU20により実行することによって、制御剛性算出部21、伸び量測定部22、モニタ量変換部23、及び材料試験制御部24として機能する。制御剛性算出部21は、引張試験の実行中に、ロードセル36により測定される試験力と、変位量測定部16により測定される変位量とに基づいて、変位量(上つかみ具34の移動量)に対する試験力の増減量である制御剛性を算出する。制御剛性は、本発明の相関条件に相当する。変位量測定部16と伸び量測定部22とにより、本発明の第1モニタ量測定部が構成される。
伸び量測定部22は、変位量測定部16により測定された変位量から、材料試験開始時の変位量を減じて、試験片TPの伸び量を算出する。伸び量は、本発明の移動量及び第1モニタ量に相当する。モニタ量変換部23は、伸び量測定部22により算出された試験片TPの伸び量に、制御剛性算出部21により算出された制御剛性を乗じて、伸び量を試験片TPに付与されている試験力の測定値として扱う試験力推定値に変換する。試験力推定値は、本発明の第2モニタ量推定値に相当する。材料試験制御部24は、試験片TPに対する引張試験の処理を実行する。モニタ量変換部23により実行される処理は、本発明の材料試験機の制御方法におけるモニタ量変換ステップに相当する。材料試験制御部24により実行される処理は、本発明の材料試験機の制御方法における材料試験制御ステップに相当する。
制御装置10は、PC100から送信される試験条件命令TCd、試験開始命令TSc等を受信する。材料試験制御部24は、試験開始命令TScが受信された時に、試験条件命令TCdにより指示された試験条件に従って引張試験を実行する。試験条件命令TCdにより、原点調整、試験力、引張速度等の試験条件が指示される。
材料試験制御部24は、引張試験の実行中に、センサアンプ12により増幅された試験力測定信号A1に基づいて、試験片TPに付与されている試験力の測定値(以下、測定試験力Fsと記す)を認識する。また、材料試験制御部24は、変位量測定部16により測定された試験片TPの変位量に基づいて、引張試験開始時からの試験片TPの上方向の変位量(伸び量、以下測定伸び量ΔPsと記す)を認識する。そして、材料試験制御部24は、測定試験力Fsと測定伸び量ΔPsを含む測定データMdを、PC100に送信する。
PC100は、使用者Pの操作により設定される引張試験の試験条件を取得して、試験条件命令TCdを制御装置10に送信する。また、PC100は、使用者Pの操作により指示される引張試験の開始を受け付けて、試験開始命令TScを制御装置10に送信する。さらに、PC100は、制御装置10から送信される測定データMdを受信して測定試験力Fsと測定伸び量ΔPsを示すモニタ画面を表示する。
[4.制御系の構成]
図2を参照して、試験片TPに付与される試験力をフィードバック制御する構成について説明する。図2は本実施形態における試験力の制御系のブロック線図であり、材料試験制御部24は、図2に示したブロック線図によるI-PD制御(比例微分先行型PID制御)を行って、サーボモータ43に対する操作量u(t)を決定する。材料試験制御部24は、予め設定された制御周期毎に操作量u(t)を更新する。図2におけるtは、制御周期の実行タイミングを示している。
図2を参照して、試験片TPに付与される試験力をフィードバック制御する構成について説明する。図2は本実施形態における試験力の制御系のブロック線図であり、材料試験制御部24は、図2に示したブロック線図によるI-PD制御(比例微分先行型PID制御)を行って、サーボモータ43に対する操作量u(t)を決定する。材料試験制御部24は、予め設定された制御周期毎に操作量u(t)を更新する。図2におけるtは、制御周期の実行タイミングを示している。
図2のブロック線図は、各制御周期における目標試験力Fc(t)から測定試験力Fs(t)を減じた偏差er(t)についての処理を行う第1処理ブロック50含む。また、図2のブロック線図は、各制御周期における試験片TPの測定変位量Ps(t)から、引張試験開始時の試験片TPの測定変位量Ps(t0)を減じた測定伸び量ΔPs(t)(=Ps(t)-Ps(t0))についての処理を行う第2処理ブロック60を含む。さらに、図2のブロック線図は、第1処理ブロック50による第1処理値C1に操作量初期値u0を加算して、第2処理ブロック60による第2処理値C2を減じて、制御対象であるサーボモータ43の操作量u(t)を算出する加減算器70を含む。目標試験力Fc(t)は、本発明の目標第2モニタ量に相当する。
第1処理ブロック50においては、第1減算器51により、目標試験力Fc(t)から測定試験力Fs(t)を減じて偏差er(t)が算出される。そして、偏差er(t)が第1比例器52、積分器53、及び第1微分器54に入力され、第1比例器52及び第1微分器54の出力と、積分器53の出力(積分値)とが、第1加算器55により加算されて、第1処理値C1が算出される。
第2処理ブロック60においては、モニタ量変換器61により、測定伸び量ΔPs(t)が、推定試験力Fe(t)に変換される。そして、推定試験力Fe(t)が第2比例器62及び第2微分器63に入力され、第2比例器62と第2微分器63の出力が、第2加算器64により加算されて、第2処理値C2が算出される。図2のブロック線図による伝達関数は、以下の式(1)で表される。
但し、u(t):操作量、er(t):目標試験力Fc(t)から測定試験力Fs(t)を減じた偏差、KP1:第1比例器52の比例ゲイン、TI:積分器の積分ゲイン、TD1:第1微分器54の微分ゲイン、ΔPs(t):測定伸び量、Stiff:試験片TPの制御剛性、KP2:第2比例器62の比例ゲイン、TD2:第2微分器63の微分ゲイン、u0:操作量の初期値。
[5.操作量の決定処理]
図3に示したフローチャートに従って、引張試験の実験条件として、試験片TPに付与される試験力の目標値が設定された場合に実行される試験力のフィードバック制御について説明する。制御装置10は、引張試験の実行中に、図3に示したフローチャートによる処理を所定の制御周期毎に実行して、試験片TPに付与される試験力をフィードバック制御する。
図3に示したフローチャートに従って、引張試験の実験条件として、試験片TPに付与される試験力の目標値が設定された場合に実行される試験力のフィードバック制御について説明する。制御装置10は、引張試験の実行中に、図3に示したフローチャートによる処理を所定の制御周期毎に実行して、試験片TPに付与される試験力をフィードバック制御する。
図3のステップS1で、制御剛性算出部21は、ロードセル36から出力される試験力測定信号A1により、試験片TPに付与されている試験力(測定試験力Fs(t))を測定する。続くステップS2で、制御剛性算出部21は、変位量測定部16のカウンタ13のカウント値に基づいて、試験片TPの変位量(測定変位量Ps(t))を測定する。次のステップS3で、制御剛性算出部21は、以下の式(2)により、試験片TPの制御剛性Stiff(t)を算出する。
但し、Stiff:試験片TPの制御剛性、t~t-1:試験力及び変位量の変化分の測定期間、本発明の所定期間に相当する。
上記式(2)では、前回の制御周期における測定値と今回の制御周期における測定値の変化量に基づいて、今回の制御周期で使用する制御剛性Stiff(t)を算出した。他の構成として、直近の複数の制御周期における測定値の変化量に基づいて、今回の制御周期で使用する制御剛性Stiff(t)を算出してもよい。或いは、直近の複数の各制御周期で測定値の変化量に基づいて算出した制御剛性の平均値を、今回の制御周期で使用する制御剛性Stiff(t)としてもよい。
また、材料試験実行中の試験片TPの制御剛性の変化が許容可能な範囲である場合は、制御剛性を一定値に設定してもよい。或いは、材料試験実行中の試験片TPの制御剛性の変化が試験片TPの特性等に基づいて想定可能であるときには、予め設定された制御剛性の変化パターンに基づいて、今回の制御周期における制御剛性Stiff(t)を設定してもよい。
次のステップS4で、伸び量測定部22は、ステップS2で測定された今回の制御周期における測定変位量Ps(t)から、引張試験開始時の測定変位量Ps(t0)を減じて、測定伸び量ΔPs(t)を算出する。続くステップS5~S8は、材料試験制御部24による処理である。ステップS5で、材料試験制御部24は、試験条件で設定された目標試験力Fc(t)を取得する。目標試験力Fc(t)は、例えば、試験片TPの引張速度が一定となるように、試験力を定速増加させるパターンにより設定される。
次のステップS6で、材料試験制御部24は、目標試験力Fc(t)から測定試験力Fs(t)を減じて、偏差er(t)を算出する。そして、ステップS7で、材料試験制御部24は、上記式(1)の伝達関数に、偏差er(t)及び測定伸び量ΔPs(t)を代入して、今回の制御周期における操作量u(t)を算出する。上記式(1)の第4項は、モニタ量変換部23により、測定伸び量ΔPs(t)に制御剛性Stiff(t)に乗じて、測定伸び量ΔPs(t)を推定試験力Fe(t)に変換する処理を含む。
続くステップS8で、材料試験制御部24は、操作量u(t)に対応した電流指示Icをサーボアンプ14に出力する。これにより、試験片TPに付与される試験力と目標試験力Fc(t)との偏差を減少させるように、サーボモータ43の出力トルクが調整されて、試験力がフィードバック制御される。
[6.本発明による効果の立証]
図4及び図5に示した引張試験の測定グラフにより、本発明を材料試験機に適用して引張試験を実行した場合の効果について説明する。図4及び図5は、図1に示したように、試験片TPに伸び計90を取り付けて、引張試験実行時の試験片TPの歪み(伸び量に相当する)を歪みゲージ91により測定した試験データを示している。試験条件として、歪み増加率(引張り速度)を一定の0.025(%/sec)にすることが設定されており、この試験条件に応じて、試験力を定速増加させる態様の目標試験力Fc(t)が設定される。
図4及び図5に示した引張試験の測定グラフにより、本発明を材料試験機に適用して引張試験を実行した場合の効果について説明する。図4及び図5は、図1に示したように、試験片TPに伸び計90を取り付けて、引張試験実行時の試験片TPの歪み(伸び量に相当する)を歪みゲージ91により測定した試験データを示している。試験条件として、歪み増加率(引張り速度)を一定の0.025(%/sec)にすることが設定されており、この試験条件に応じて、試験力を定速増加させる態様の目標試験力Fc(t)が設定される。
図4及び図5は、横軸を試験片TPの歪み(%)に設定し、左縦軸を歪み増加率(%/sec)に設定し、右縦軸を応力(N/mm2)(試験片に付与されている試験力に相当)に設定して、歪みの増加に応じた歪み増加率及び応力の変化を示している。
図4は、従来の材料試験機で行われているロードセル36により測定された測定試験力Fs(t)と目標試験力Fc(t)との偏差erp(=Fc(t)-Fs(t))を減少させるように、PID制御により、試験力をフィードバック制御した場合の試験結果を示している。この場合は、ロードセル36から出力される試験力測定信号A1に重畳するノイズの影響が大きくなる。図4では、応力をFm1で示し、歪み増加率をPm1で示しており、R1は試験片TPが破断したタイミングを示している。図4では、Eで示したように、歪み増加率の目標値である0.025(%/sec)に対して、伸び計90により測定された歪み増加率の変動幅が±10%以上となっている。
それに対して、図5は、上述した本実施形態の構成により、変位量測定部16により測定された試験片TPの変位量に基づく測定伸び量ΔPs(t)を、変換した推定試験力Fe(t)を用いて、試験力をフィードバック制御した場合の試験結果を示している。図5では、応力をFm2で示し、歪み増加率をPm2で示し、試験片TPが破断したタイミングをR2で示している。図5では、歪み増加率の目標値である0.025(%/sec)に対して、伸び計90の測定値による歪み増加率の変動幅が±2%程度に収まっており、試験力のフィードバック制御の精度が向上していることが検証された。
[7.他の実施形態]
上記実施形態では、図2に示したブロック線図に示したように、目標試験力Fc(t)から測定試験力Fs(t)を減じた偏差er(t)を、第1比例器52、積分器53、及び第1微分器54に入力した。他の構成として、第1比例器52と第1微分器54の両方又は一方を省略した構成としてもよい。
上記実施形態では、図2に示したブロック線図に示したように、目標試験力Fc(t)から測定試験力Fs(t)を減じた偏差er(t)を、第1比例器52、積分器53、及び第1微分器54に入力した。他の構成として、第1比例器52と第1微分器54の両方又は一方を省略した構成としてもよい。
上記実施形態では、図2に示したブロック線図に示したように、I-PD制御により、試験力のフィードバック制御を行った。他の構成として、一般的なPD制御或いはPID制御により、試験力のフィードバック制御を行ってもよい。この場合は、目標試験力Fc(t)から推定試験力Fe(t)を減じた偏差を、第2比例器62及び第2微分器63に入力する構成となる。また、制御剛性Stiffの算出誤差が問題にならない場合は、目標試験力Fc(t)と測定試験力Fs(t)との偏差er(t)についての第1処理ブロック50を省略した構成としてもよい。
上記実施形態では、試験片TPの伸び量を本発明の第1モニタ量とし、試験片TPに付与される試験力を本発明の第2モニタ量として、試験力をフィードバック制御する例を示した。第1モニタ量と第2モニタ量の組み合わせはこれに限られず、第2モニタ量の測定に使用される測定器から出力される測定信号に重畳するノイズの影響が問題になり、第1モニタ量の測定器の耐ノイズ性が第2モニタ量の測定器よりも高ければ、本発明の効果を得ることができる。例えば、第2モニタ量は、トルク、圧力、変位等であってもよい。ノイズが重畳し易い測定器としては、ロードセル等の力センサの他に、微小変位を測定する歪みゲージ式のクリップゲージ等が挙げられる。
上記実施形態では、ねじ棹32に取り付けられたエンコーダ45により、試験片TPの変位量を測定したが、変位センサ、測長センサ、リニアゲージ、ポテンショメータ等により変位量を測定してもよい。また、サーボモータ43に取付けられたエンコーダ、リニアスケール(リニアエンコーダ)等を用いて、変位量を測定してもよい。リニアスケールとしては、透過形光電式スケール、反射形光電式スケール、レーザホロスケール、電磁誘導式スケール等を用いることができる。
上記実施形態では、上記実施形態では、負荷機構40の駆動源としてサーボモータ43を用いたが、油圧源等の他の駆動源を用いてもよい。この場合は、図2のブロック線図における操作対象の近似式負荷機構の仕様に合わせて設定する。
上述実施形態において、図1に示した機能ブロックは、本願発明を理解容易にするために構成要素を主な処理内容に応じて分類して示した概略図であり、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、1つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。
上記実施形態では、本発明の材料試験機として、引張試験を行う材料試験機1を示したが、本発明は、試験対象に試験力を付与して、試験対象の物理量の変化を測定する材料試験機に対して広く適用することができる。例えば、圧縮試験、曲げ試験、引き剥がし試験等を行う材料試験機に対して、本発明を適用することができる。
上記実施形態では、変位量測定部16と伸び量測定部22とにより第1モニタ量測定部を構成し、第1モニタ量として、上つかみ具34の変位量を測定した。他の構成として、2つ以上の物理量を第1モニタ量として測定するようにしてもよい。
1 材料試験機
2 試験機本体
10 制御装置
16 変位量測定部
20 CPU
21 制御剛性算出部
22 モニタ量変換部
23 材料試験制御部
36 ロードセル
40 負荷機構
43 サーボモータ
45 エンコーダ
90 伸び計
100 PC
TP 試験片
2 試験機本体
10 制御装置
16 変位量測定部
20 CPU
21 制御剛性算出部
22 モニタ量変換部
23 材料試験制御部
36 ロードセル
40 負荷機構
43 サーボモータ
45 エンコーダ
90 伸び計
100 PC
TP 試験片
Claims (6)
- 試験対象に負荷を付与する負荷機構と、
前記負荷に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる物理量の変化である第1モニタ量を測定する第1モニタ量測定部と、
試験の目標となる物理量である第2モニタ量を測定する第2モニタ量測定部と、
前記第1モニタ量測定部により測定された前記第1モニタ量を、前記試験対象又は前記負荷機構における前記第1モニタ量と前記第2モニタ量との相関を示す相関条件に従って、前記第2モニタ量の測定値として扱う第2モニタ量推定値に変換するモニタ量変換部と、
前記第2モニタ量推定値に基づいて、前記試験対象における実際の前記第2モニタ量と、試験条件に応じた目標第2モニタ量との偏差を減少させるための前記負荷機構に対する操作量を決定して、前記試験対象の材料試験を実行する材料試験制御部と
を備える材料試験機。 - 前記材料試験制御部は、前記第2モニタ量測定部による測定値と前記目標第2モニタ量との偏差の積分値、及び前記第2モニタ量推定値に基づいて、前記操作量を決定する
請求項1に記載の材料試験機。 - 前記第1モニタ量測定部は、前記第1モニタ量として前記試験対象に加えられた前記負荷機構の移動量を測定し、
前記第2モニタ量測定部は、前記第2モニタ量として前記負荷により前記試験対象に付与されている試験力を測定し、
前記相関条件は、前記試験対象に加えられた前記負荷機構の移動量に対する前記試験力の増減量である制御剛性であり、
前記モニタ量変換部は、前記第1モニタ量測定部による測定値に前記制御剛性を乗じることによって、前記第1モニタ量測定部により測定された前記負荷機構の移動量を、前記試験対象に付与されている前記試験力の推定値として扱う前記第2モニタ量推定値に変換する
請求項2に記載の材料試験機。 - 前記材料試験の実行中に、所定期間における前記第1モニタ量測定部による測定値と前記第2モニタ量測定部による測定値との相関に基づいて、前記制御剛性を算出する制御剛性算出部を備える
請求項3に記載の材料試験機。 - 前記負荷機構は、前記試験対象をつかむ一対のつかみ具と、前記一対のつかみ具の一方と接続されて、前記一対のつかみ具の間隔が変更される方向にボールねじの回転によりスライドするヘッド部を有し、
前記第1モニタ量測定部は、前記ボールねじに取り付けられて前記ボールねじが所定角度回転する毎に1つのパルスを出力するエンコーダと、前記エンコーダから出力される前記パルスをカウントするカウンタとを有し、前記カウンタのカウント値に基づいて前記負荷機構の移動量を測定する
請求項3又は請求項4に記載の材料試験機。 - 試験対象に負荷を付与する負荷機構と、
前記負荷に応じて前記試験対象又は前記負荷機構に生じる物理量の変化である第1モニタ量を測定する第1モニタ量測定部と、
試験の目標となる物理量である第2モニタ量を測定する第2モニタ量測定部と、
制御装置と
を備えた材料試験機により実行される材料試験機の制御方法であって、
前記制御装置が、前記第1モニタ量測定部により測定された前記第1モニタ量を、前記試験対象又は前記負荷機構における前記第1モニタ量と前記第2モニタ量との相関を示す相関条件に従って、前記第2モニタ量の測定値として扱う第2モニタ量推定値に変換するモニタ量変換ステップと、
前記制御装置が、前記第2モニタ量推定値に基づいて、前記試験対象における実際の前記第2モニタ量と、所定の目標第2モニタ量との偏差を減少させるための前記負荷機構に対する操作量を決定して、前記試験対象の材料試験を実行する材料試験制御ステップと
を含む材料試験機の制御方法。
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