JP2005331255A

JP2005331255A - 材料試験機

Info

Publication number: JP2005331255A
Application number: JP2004147581A
Authority: JP
Inventors: Shogoro Iwakiri; 省吾郎岩切
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】試験片の塑性歪み振幅を所要の大きさに維持する制御を自動運転のもとに行うことができ、オペレータの負担の軽減並びに人為的ミスに起因する誤った試験の行う可能性をなくすことのできる材料試験機を提供する。
【解決手段】歪み制御に設定した状態で、試験片Ｗに作用する試験力と試験片１Ｗの歪みの検出値を刻々と入力し、これらの検出値から塑性歪み振幅を刻々と算出する塑性歪み振幅演算手段１５と、刻々の塑性歪み振幅の算出値が、あらかじめ設定されている値を維持するように、負荷波形発生部１から出力される負荷波形の振幅を自動的に変化させる負荷波形振幅補正手段１６を設けることにより、歪み（全歪み）制御でありながら、塑性歪みを一定とした試験を自動運転のもとに行うことを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験片に負荷を与える負荷機構をフィードバック制御するサーボ系を備えた材料試験機に関し、特に、自動運転のもとに塑性歪み振幅を一定に制御することのできる材料試験機に関する。

例えば疲労試験など、試験片に繰り返し負荷を与える材料試験機においては、負荷機構をフィードバック制御するタイプのものが多用されている。この種の材料試験機においては、通常、負荷波形発生部から出力される負荷波形を目標値信号とし、その目標値信号に対し、制御量として選択された物理量の刻々の検出値信号をフィードバックし、検出値信号が目標値信号に一致するように負荷機構を制御する（例えば特許文献１参照）。

制御量としては、通常、試験片に加えるべき荷重（試験力）、負荷機構の変位、あるいは試験片の歪みなどが選択できるようになっている。この種の材料試験機の構成例を図６にブロック図で示す。

この図６の例はデジタルサーボ系を備えた材料試験機の例であり、負荷波形発生部６１から出力されるデジタルの負荷波形信号は目標値信号として演算制御部６２に導入される。演算制御部６２では、後述するように検出された変位、試験力もしくは歪みのうち、制御量に選択されている信号をデジタル化したものをデータ採取部６３を介して刻々と取り込み、目標値信号と比較して両者間の偏差を算出し、その偏差をＰＩＤ演算を施したうえで出力する。その出力はＤ−Ａ変換器６４でアナログ化されたうえで、負荷機構のアクチュエータ６５に動作信号として供給される。

このアクチュエータ６５の駆動により試験片Ｗに負荷が加えられ、その間、アクチュエータ６５の変位は変位検出器６６によって検出されるとともに、その負荷により試験片Ｗに作用する試験力はロードセル６７によって検出され、更に試験片Ｗに生じる歪みは歪み計６８によって検出される。変位検出器６６、ロードセル６７および歪み計６８の出力は、それぞれ変位アンプ６９、ロードアンプ７０および歪みアンプ７１により増幅されたうえで、それぞれに対応するＡ−Ｄ変換器７２、７３および７４によってデジタル化された後、データ採取部６３を介して演算制御部６２に取り込まれ、前記したように制御量として選択されている検出値信号が目標値信号との比較に供される。

なお、以上の例はデジタルサーボ系を備えた材料試験機における構成例であり、アナログサーボ系を備えた材料試験機においては、演算制御部をはじめとして全ての回路がアナログ回路で構成され、信号は全てアナログ信号で取り扱われる。
特開２００３−１４９１０９号公報

ところで、以上のようなサーボ系を備えた材料試験機により、歪みを制御量として選択したとき、つまり歪み制御のもとに負荷機構を制御する場合、その歪み検出値は弾性歪みと塑性歪みを合わせた全歪みが制御量となり、その全歪み振幅が負荷波形の振幅に一致するように制御されることになる。

すなわち、試験片に塑性域に至るまで繰り返し負荷を与えた場合、図７に試験力−歪み曲線を例示するように、試験片は弾性域と塑性域を往復しながら繰り返し歪むことになるが、歪み計では弾性歪みと塑性歪みを合わせた全歪みしか検出することができない。そのため、その検出値信号を目標値信号にフィードバックして制御を行えば、全歪みを制御量とした制御が行われる。

このような材料試験機により、塑性歪み振幅を所定の値となるように試験を行おうとした場合、オペレータが実際の試験力−歪み曲線を常に観測しながら、塑性歪み振幅が所定の値を維持するように、手動により目標値信号（全歪み目標値信号）の振幅を変更する必要がある。

しかしながら、このような方法では、オペレータが常に試験力−歪み曲線を監視しておかなければならないため、繰り返し数の大きな試験を行う場合にはオペレータにとって大きな負担となる。試験によっては定期的な監視でよい場合も考えられるが、監視を怠ってしまい、塑性歪み振幅が所定の値を超えてしまった場合、振幅を元に戻しても材料の試験力−歪み特性は元に戻らないため、正しい試験結果が得られなくなってしまう。また、手動により目標値信号の振幅を調整するため、調整中に誤って塑性歪み振幅が所定の値を超えてしまうと、上記と同様に正しい試験結果を得ることができない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、オペレータの監視や手動調整を必要とすることなく、従って自動運転のもとに試験片の塑性歪み振幅を所要の大きさに維持することができ、もってオペレータの負担を軽減し、かつ、オペレータの過誤に起因する誤った試験を行う可能性をなくして常に正確な試験を行うことのできる材料試験機の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の材料試験機は、負荷波形発生部から出力される負荷波形を目標値信号として、制御量の検出値信号が目標値信号に追随するように負荷機構を駆動制御する材料試験機において、試験片の歪みを制御量に設定した状態で、試験片に作用する試験力と試験片の歪の検出値を刻々と入力し、これらの検出値に基づく試験力−歪曲線から試験片の塑性歪み振幅を刻々と算出する塑性歪み振幅演算手段と、その塑性歪み振幅演算手段による塑性歪み振幅の算出結果が、あらかじめ設定されている値を維持するよう、上記負荷波形発生部から出力される負荷波形の振幅を変化させる負荷波形振幅補正制御手段を備えていることによって特徴づけられる。

本発明は、歪み制御に設定している状態で、試験片の塑性歪み振幅を刻々と算出し、その算出結果に基づいて、当該塑性歪み振幅が設定されている値を維持するように、目標値信号である負荷波形の振幅を自動的に変化さることによって、所期の目的を達成しようとするものである。

すなわち、試験片の塑性歪みは、図７に示すように試験力がゼロの状態における歪み量であり、試験力の検出値と歪み（全歪み）の検出値とから、塑性歪み振幅を算出することができる。そして、その塑性歪み振幅の算出値が、あらかじめ設定されている値を維持するように、目標値信号である負荷波形の振幅を変化させることにより、全歪みをを制御量としながら、塑性歪み振幅が設定値を維持するように負荷機構を制御することが可能となる。

本発明によれば、歪み制御に設定している状態において、塑性歪み振幅があらかじめ設定されている値を維持するように自動的に負荷波形振幅が補正されるので、従来のようにオペレータによる波形の監視や手動による調整が不要となり、無人運転のもとに塑性歪み振幅を所定の値に維持する試験を行うことが可能となった。また、オペレータが調整に関与しないため、人為的ミスの発生の恐れがなくなり、常に正確な試験を行うことができるという効果もある。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成を示すブロック図である。この実施の形態は、デジタルサーボ計を備えた材料試験機に本発明を適用した例を示している。

図６に示した従来のデジタルサーボ系を備えた材料試験機と同様に、負荷波形発生部１からデジタル化された負荷波形信号が出力され、目標値信号として演算制御部２に導入される。演算制御部２では、試験力、変位、および歪みの各検出値信号の刻々のデジタルデータをデータ採取部３を介して取り込み、これらのうち、制御量に設定されている検出値信号と目標値信号を比較し、その偏差にＰＩＤ演算等を施した後、Ｄ−Ａ変換器４でアナログ化したうえで、動作信号として負荷機構のアクチュエータ５に供給する。

アクチュエータ５の変位は変位検出器６によって検出され、また、アクチュエータ５の駆動により試験片Ｗに作用する試験力はロードセル７により、また、その負荷により試験片Ｗに生じる歪み（全歪み）は歪み計８によりそれぞれ検出される。これらの各検出出力は、それぞれ変位アンプ９、ロードアンプ１０および歪みアンプ１１によって増幅された後、Ａ−Ｄ変換器１２，１３および１４によってデジタル化され、データ採取部３を介して演算制御部２に取り込まれ、前記したように制御量として選択されている検出値信号が目標値信号との比較に供される。塑性歪み振幅を一定に制御する試験にあっては、歪み計８による全歪みの検出データが検出値信号として選択される。

さて、塑性歪み振幅を一定に制御する試験においては、データ採取部３により採取される各検出データのうち、試験力と歪みの検出データが塑性歪み振幅演算部１５に導入され、試験片Ｗの塑性歪み振幅の演算に供される。すなわち、塑性歪み振幅演算部１５では、刻々の試験力と歪み検出データから、試験力が０を示す時点における正負の歪みの値を求めて、塑性歪み振幅を算出する。そして、このようにして刻々と求められる塑性歪み振幅は負荷波形振幅補正部１６に導入される。負荷波形振幅補正部１６には、試験において維持すべき塑性歪み振幅の値があらかじめ設定されており、塑性歪み振幅演算部１５により求められる塑性歪み振幅が、設定されている振幅値を維持するように負荷波形発生部１に対してその出力波形の振幅を変化させるように指令を供給する。この負荷波形の振幅の変化のさせ方の例について、以下に説明する。

材料に塑性歪みを繰り返し与えていくと硬化現象を起こす場合、図２に例示するように、負荷波形の振幅ａ１，ａ２を一定としてこれに全歪みの振幅が一致するように制御していると、硬化現象により所要試験力が大きくなり、かつ、塑性歪み振幅はΔａ１，Δａ２だけ小さくなる。このΔａ１，Δａ２が０となるように負荷の１サイクル中もしくは数サイクルおきに負荷波形振幅ａ１，ａ２に対してそれぞれΔａ１×ｋ，Δａ２×ｋだけ振幅を増大させていくことにより、最終的に目標となる塑性歪み振幅に到達する。ここで、パラメータｋは補正を行う感度であって、この値が大きいほど目標とする塑性歪み振幅に到達する時間が短くなるが、大きすぎると補正がオーバーシュートしてしまう。逆に小さすぎると材料特性の変化速度に追従できず、目標となる塑性歪み振幅に到達することができなくなる。これらの点から、ｋ＝０．５程度が妥当な値と考えられる。

以上のような制御を行うことにより、図３に示すように、硬化現象により自動的に負荷波形振幅はｂ１，ｂ２が増大し、それに伴って全歪み振幅が増大するが、塑性歪み振幅は一定に維持される。このような制御を常に行いながら試験をすることにより、図４に例示するように、塑性歪み振幅が常に一定となる試験結果を得ることができる。

ここで、以上の実施の形態においては、デジタルサーボ系を備えた材料試験機に本発明を適用した例を示したが、アナログサーボ系を有する材料試験機や既設の材料試験機にも本発明を等しく適用することができる。

図５にアナログサーボ系を備えた既設の材料試験機に本発明を適用する場合の構成例をブロック図で示す。

この例においては、負荷機構のアクチュエータ５に対してアナログ回路からなる演算制御部２０から動作信号か供給される。なお、アクチュエータ５の変位は変位検出器６により、試験片Ｗに作用する荷重はロードセル７により、また、試験片Ｗの歪み（全歪み）は歪み計８によって検出され、それぞれ変位アンプ９、ロードアンプ１０および歪みアンプ１１によって増幅される点は先の例と同じである。そして、これらの各検出出力のうち、制御量として選択されている出力、この例では歪み検出出力が検出値信号として演算制御部２０に導入され、目標値信号との比較に供される。

このようなアナログサーボ系を備えた材料試験機に本発明を適用する場合、既設のアナログサーボ機構と切り離した補正機構２１を設置することにより対処することができる。すなわち、補正機構２１は、先の例と同等の負荷波形発生部１と、そのデジタル出力をアナログ化するＤ−Ａ変換器１７と、既設の変位アンプ９、ロードアンプ１０および歪みアンプ１１の各出力をデジタル化するＡ−Ｄ変換器１２，１３および１４と、データ採取部３、並びに先の例と同等の塑性歪み振幅演算部１５および負荷波形振幅補正部１６により構成される。

このような補正機構２１を既設のアナログサーボ系に対して付加することにより、制御は既設のアナログサーボ系により行われ、アナログ回路からなる演算制御部２０に対して供給される目標値信号の振幅が、試験の進行に伴う試験片Ｗの硬化等によって先の例と同様にして自動的に補正されたうえで供給され、同様の作用効果を得ることができる。

本発明の実施の形態の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態における負荷波形の振幅の変化のさせ方の例の説明図であり、材料が硬化現象を起こしたときに、負荷波形負荷波形の振幅一定としてこれに全歪みの振幅が一致するように制御した場合の試験力−歪み曲線の変化の例を表すグラフである。本発明の実施の形態において負荷波形の振幅を変化させたときに得られる試験力−歪み曲線の例を表すグラフである。本発明の実施の形態により負荷波形の振幅を自動的に補正しながら試験を行ったときに得られる試験力−歪み曲線の例を表すグラフである。本発明の他の実施の形態の構成を示すブロック図で、アナログサーボ系を備えた既設の材料試験機に本発明を適用する場合の例の説明図である。デジタルサーボ系を備えた従来の材料試験機の構成例を示すブロック図である。試験片に塑性域に至るまで繰り返し負荷を与える場合の試験力−歪み曲線の例を示すグラフである。

符号の説明

１負荷波形発生部
２演算制御部
３データ採取部
４Ｄ−Ａ変換器
５アクチュエータ
６変位検出器
７ロードセル
８歪み計
９変位アンプ
１０ロードアンプ
１１歪みアンプ
１２，１３，１４Ａ−Ｄ変換器
１５塑性歪み振幅演算部
１６負荷波形振幅補正部
２０演算制御部（アナログ）
２１補正機構
Ｗ試験片

Claims

負荷波形発生部から出力される負荷波形を目標値信号として、制御量の検出値信号が目標値信号に追随するように負荷機構を駆動制御する材料試験機において、
試験片の歪みを制御量に設定した状態で、試験片に作用する試験力と試験片の歪の検出値を刻々と入力し、これらの検出値に基づく試験力−歪曲線から試験片の塑性歪み振幅を刻々と算出する塑性歪み振幅演算手段と、その塑性歪み振幅演算手段による塑性歪み振幅の算出結果が、あらかじめ設定されている値を維持するよう、上記負荷波形発生部から出力される負荷波形の振幅を変化させる負荷振幅補正制御手段を備えていることを特徴とする材料試験機。