JPH0543407Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 この考案は、試験片を掴むチヤツク機構と、こ
のチヤツク機構によつて掴まれた試験片に対しモ
ータ駆動によつて荷重を与える負荷機構と、試験
片に与えられた荷重を検出するロードセルなどの
荷重検出部とを備えた材料試験機において、試験
片掴み動作時にチヤツク機構から試験片に与えら
れる初期荷重を自動的に除去する装置に関する。

Ｂ 従来技術 材料試験の最初の作業として試験片をチヤツク
機構によつて掴むのであるが、この掴み動作時に
試験片に余分な荷重が加わることは避けがたいも
のである。

この荷重のことを初期荷重と称するが、初期荷
重を放置したまま試験片の材料特性の試験を行う
ことは絶対に避けなければならない。

従来、材料試験機における初期荷重除去装置と
して知られているものに、チヤツク機構による掴
み動作時に試験片に加わり荷重検出部によつて検
出された初期荷重の正・負に応じてモータの回転
方向をその初期荷重がゼロ荷重に近づく側に決定
し、その決定された方向にモータを一定の除荷速
度で回転して初期荷重をゼロ荷重に近づけるよう
に構成したものがある。

この従来装置では、ゼロ荷重ポイントにおける
ハンチング現象を避けるために、ゼロ荷重ポイン
トを負側と正側とから挟む一定範囲（−V_D〜＋
V_D；V_Dは比較的小さな値）の不感帯を設け、モ
ータの除荷動作に伴つて荷重の大きさが減少して
不感帯に達したときにモータを停止する。すなわ
ち、マイナス側から不感帯に近づく場合には、−
V_Dに達したときにモータを停止し、プラス側か
ら不感帯に近づく場合には、＋V_Dに達したときに
モータを停止する。

したがつて、この従来例の場合は、初期荷重除
去といつても、±V_Dの荷重は残り、初期荷重ゼロ
とはならない。このため、後で行う試験片の材料
特性の試験において、試験結果に誤差が生じると
いう問題があつた。

また、除荷速度が一定であるために、初期荷重
が大きいときは、その大きな初期荷重がかかつて
いる時間が長く、試験片の特性に最初から誤差要
因を含んでしまうという問題があつた。

そこで、除荷速度を一定値に固定していたのに
代えて、複数段階にわたる除荷速度を予め設定す
るとともに、除荷過程における荷重の減少速度と
各除荷速度とを対応させていずれか一つの除荷速
度を選択するようにした改良案も提案された。

これによれば、ハンチング現象の起きる確率が
低くなるため、不感帯を狭くすることができる。
初期荷重をほとんどゼロに近づけることができ
る。また、全体として除荷速度を速めることがで
き、試験片の特性に与える悪影響も緩和される。

Ｃ 考案が解決しようとする問題点 しかしながら、この提案例の場合にも、除荷速
度が複数段階のものであり、連続無段階ではない
ので、狭いとはいつても必ず不感帯を必要とし、
その結果、初期荷重を厳密な意味でゼロに調整す
ることはできないという問題を有している。

また、複数段階の除荷速度のうちの１つを選択
するのに、荷重の減少速度に対応させたものであ
るため、掴み動作の条件によつては、除荷過程の
初期において、試験片に対してかかる初期荷重が
大きな値を持続している可能性がある。

すなわち、除荷過程がある程度進んだ段階で初
めて除荷速度の選択が行われるために、応答遅れ
が避けられず、この遅れの間に大きな荷重がかか
るおそれがある。

そして、大きな荷重が試験片にかかると、前述
のとおり、後の試験片の材料特性の試験において
試験片の特性に最初から誤差要因を含んでしまう
という不都合を招く。

この考案は、このような事情に鑑みてなされた
ものであつて、上記の提案例の場合よいも速く除
荷することができ、しかも、初期荷重を厳密な意
味でゼロに調整できるようにするとことを目的と
する。

Ｄ 問題点を解決するための手段 この考案は、このような目的を達成すために、
次のような構成をとる。

すなわち、この考案の材料試験機における初期
荷重除去装置は、試験片を掴むチヤツク機構と、
このチヤツク機構によつて掴まれた試験片に対し
モータ駆動によつて荷重を与える負荷機構と、試
験片に与えられた荷重を検出する荷重検出部とを
備えた材料試験機において、前記チヤツク機構に
よる掴み動作時に試験片に加わり前記荷重検出部
によつて検出された初期荷重の正・負に応じて前
記モータの回転方向をその初期荷重がゼロ荷重に
近づく側に決定しその回転方向信号をモータドラ
イブ回路に出力するモータ回転方向決定手段と、
初期荷重の大きさに比例した周波数のクロツク信
号を作成し前記モータドライブ回路に出力する荷
重／周波数変換手段と、前記モータ回転方向決定
手段および前記荷重／周波数変換手段を動作状態
と非動作状態とに切り換える切換え手段とを備え
たものである。

Ｅ 作用 この考案の構成による作用は、次のとおりであ
る。

試験片をチヤツク機構によつて掴むと、試験片
に初期荷重が加えられこの初期荷重が荷重検出部
によつて検出される。次いで、切換え手段によつ
てモータ回転方向決定手段および荷重／周波数変
換手段を動作状態に切り換える。

モータ回転方向決定手段は、検出された初期荷
重の正・負に応じてモータの回転方向をその初期
荷重が減少する側に決定しその回転方向信号をモ
ータドライブ回路に出力する。

また、荷重／周波数変換手段は、初期荷重の大
きさに比例した周波数のクロツク信号を作成しモ
ータドライブ回路に出力する。モータドライブ回
路は、初期荷重の大きさに比例した周波数でモー
タを前記の決定された回転方向に回転し、これに
よつて、初期荷重の除荷が行われる。

詳しくは、モータの回転速度すなわち除荷速度
は、初期荷重の大きさに比例した周波数に対応す
るから、実質的に連続無段階のものとなる。

したがつて、初期荷重が値が大きければ大きい
ほど除荷速度も高速となり、大きな初期荷重を小
さな初期荷重まで減少させることについての応答
速度が提案例のものに比べてより速く、速やかに
除荷が進行するから、試験片に大きな初期荷重が
かかり続けることが回避される。

すなわち、後の材料試験において試験片の特性
に最初から誤差要因を含んでしまうということが
回避される。

また、除荷速度が初期荷重の大きさに比例する
ので、除荷の進行に伴つて除荷速度が次第に減少
しゼロ荷重付近になると、除荷速度も充分に低く
なる。そして、ゼロ荷重に達するまでは周波数は
ゼロとはならず、低速ではあつてもモータの回転
による除荷を続行し、ゼロ荷重に達して始めて周
波数がゼロとなつてモータの回転が停止される。

つまり、不感帯を設けてなくても、初期荷重は
最終的には厳密な意味でゼロに調整されることと
なり、また、ハンチングが起こる確率はゼロある
いはきわめて低いものとなる。

Ｆ 実施例 以下、この考案の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

第１図はこの考案の一実施例に係る材料試験機
における初期荷重除去装置の機械系と電気系とを
示す概略構成図である。

第１図において、１は試験機本体、２は試験機
本体１は内蔵されたサーボモータ、３はサーボモ
ータ２に連動連結された減速機構、４はそれぞれ
試験機本体１から立設された支柱、５は両支柱４
の上端間に架設された固定クロスヘツド、６はそ
れぞれ縦姿勢で試験機本体１と固定クロヘツド５
との間に架設され、減速機構３に連動連結された
ネジ棒、７は両ネジ棒６に螺合された可能クロス
ヘツドである。

８ａは固定クロスヘツド５に取り付けられた上
部チヤツク、８ｂは可動クロスヘツド７に取り付
けられた下部チヤツクで、上下両チヤツク８ａ，
８ｂで試験片Ｍの両端を掴むチヤツク機構８を構
成している。

固定クロスヘツド５には試験片Ｍに与えられる
荷重を上部チヤツク８ａを介して検出しその荷重
を電気量に変換するロードセル等の荷重検出部９
が設けられている。

なお、サーボモータ２、減速機構３、固定クロ
スヘツド５、ネジ棒６、可動クロスヘツド７によ
つて、試験片Ｍに対して荷重を与える負荷機構１
０が構成されている。

１１は荷重アンプであり、試験片Ｍにかかる荷
重が引張荷重のときはプラス電圧が出力され、圧
縮荷重のときはマイナス電圧が出力されるように
構成されている。

１２はこの考案の根幹をなす初期荷重除荷回
路、１３は所望の条件でサーボモータ２を制御す
るコントローラ、１４はサーボモータ２の駆動制
御を直接に司るモータドライブ回路（サーボアン
プ）である。

コントローラ１３およびモータドライブ回路１
４は、チヤツク機構８による試験片Ｍの掴み動作
時には使用されず、後の試験片の材料特性の試験
の際に使用されるものである。

コントローラ１３のUP端子からは可動クロス
ヘツド７を上昇させる方向にサーボモータ２を回
転するアツプ信号がモータドライブ回路１４のＵ
端子に出力され、DOWN端子からは可動クロス
ヘツド７を下降させる方向にサーボモータ２を回
転するダウン信号がモータドライブ回路１４のＤ
端子に出力され、CLOCK端子からはサーボモー
タ２の回転速度を指令するクロツク信号がモータ
ドライブ回路１４のＣ端子に出力されるように構
成されている。

一方、初期荷重除荷回路１２のLOAD端子は
荷重アンプ１１のOUT端子に接続され、そのUP
端子からのアツプ信号、DOWN端子からのダウ
ン信号およびCLOCK端子からのクロツク信号
は、それぞれコントローラ１３とモータドライブ
回路１４とを結ぶ各信号ラインに対して各々加算
部１５ａ，１５ｂ，１５ｃを介して入力されるよ
うに構成されている。

この初期荷重除荷回路１２には、この初期荷重
除荷回路１２を動作状態と非動作状態とに切り換
える切換え手段としての切換えスイツチ１６を付
属している。

なお、荷重アンプ１１の出力信号はコントロー
ラ１３にフイードバツクされているとともに、図
示しないレコーダに送信されるようになつてい
る。

初期荷重除荷回路１２の具体的な回路構成を第
２図に示す。

第２図において、２１は初期荷重が引張荷重つ
まり正のときに“Ｈ”レベルを出力する第１コン
パレータで、その非反転入力端子（＋）は
LOAD端子に、反転入力端子（−）はグランド
端子にそれぞれ接続されている。

２２は初期荷重が圧縮荷重つまり負のときに
“Ｈ”レベルを出力する第２コンパレータで、そ
の非反転入力端子（＋）はグランド端子に、反転
入力端子（−）はLOAD端子にそれぞれ接続さ
れている。

この第１コンパレータ２１と第２コンパレータ
２２とが、考案の構成にいう、チヤツク機構８に
よる掴み動作時に試験片Ｍに加わり荷重検出部９
によつて検出された初期荷重の正・負に応じてサ
ーボモータ２の回転方向をその初期荷重がゼロ荷
重に近づく側に決定しその回転方向信号であるア
ツプ信号またはダウン信号をモータドライブ回路
１４に出力するモータ回転方向決定手段１７を構
成している。

２３はLOAD端子から入力される電圧が正・
負またはゼロの荷重信号を、電圧が正またはゼロ
の絶対値信号に変換する絶対値回路である。この
絶対値回路２３の入出力特性を第３図Ａに示す。

２４は絶対値化された電圧の大きさに比例した
周波数のクロツク信号を出力するＶ／Ｆ変換回路
である。このＶ／Ｆ変換回路２４の入出力特性を
第３図Ｂに示す。

この絶対値回路２３とＶ／Ｆ変換回路２４と
が、考案の構成にいう、初期荷重の大きさに比例
した周波数のクロツク信号を作成しモータドライ
ブ回路１４に出力する荷重／周波数変換手段１８
を構成している。

第１コンパレータ２１の出力端子は第1ANDゲ
ート２５の第１入力端子に接続され、第２コンパ
レータ２２の出力端子は第2ANDゲート２６の第
１入力端子に接続され、Ｖ／Ｆ変換回路２４の出
力端子は第3ANDゲート２７の第１入力端子に接
続されている。

第１，第２，第３の各ANDゲート２５，２６，
２７の第２入力端子はそれぞれ切換えスイツチ１
６のコモン端子に接続されている。切換えスイツ
チ１６のａ端子はプラス電源（＋Ｖ）に接続さ
れ、ｂ端子はグランド端子に接続されている。

第1ANDゲート２５の出力端子がUP端子、第
2ANDゲート２６の出力端子がDOWN端子、第
3ANDゲート２７の出力端子がCLOCK端子であ
る。

第４図に初期荷重−除荷速度の特性図を示す。
この特性図から明らかなように、除荷速度は初期
荷重の大きさに比例している。また、初期荷重が
引張荷重の場合は除荷の方向が圧縮側となり、初
期荷重が圧縮荷重の場合は除荷の方向が引張側と
なる。

次に、この実施例の動作を説明する。

説明の都合上、予め負荷機構１０の動作につい
て触れておく。サーボモータ２にアツプ信号とク
ロツク信号とが入力されると、サーボモータ２が
正転し、減速機構３を介して両ネジ棒６を時計方
向に回転するため、可動クロスヘツド７が上昇し
試験片Ｍに与える負荷を圧縮側に増大する。

逆に、サーボモータ２にダウン信号とクロツク
信号とが入力されると、サーボモータ２が逆転
し、減速機構３を介して両ネジ棒６を反時計方向
に回転するため、可動クロスヘツド７が下降し試
験片Ｍに与える負荷を引張側に増大する。

さて、試験片Ｍをチヤツク機構８によつて掴む
前に、コントローラ１３を動作停止状態にする。
その結果、コントローラ１３からはアツプ信号、
ダウン信号、クロツク信号の出力はなく、可動ク
ロスヘツド７は停止する。

この状態で、試験片Ｍの両端を上部チヤツク８
ａと下部チヤツク８ｂとで掴む作業を行う。ただ
し、このときは完全な締付け状態とはせず、試験
片Ｍが脱落しない程度に掴むものとする。

この予備的な掴み作業によつても試験片Ｍに初
期荷重L_Iが加わる（第５図の時刻t₁〜t₂の期間）。
この期間においては、切換えスイツチ１６がｂ端
子（グランド電位）に接続されているため、初期
荷重除荷回路１２は非動作状態であり、クロツク
信号の出力がないためサーボモータ２は停止して
いる（回転速度V_R＝０）。

この初期荷重L_Iをゼロにするために、予備的な
掴み作業が終了した直後の時刻t₃において、切換
えスイツチ１６をａ端子（プラス電源）に接続す
るように操作して、初期荷重除荷回路１２を動作
状態とする。すなわち、各ANDゲート２５，２
６，２７の第２入力端子を“Ｈ”レベルとする。

一方、荷重アンプ１１からLOAD端子に印加
された初期荷重L_Iの信号が第１コンパレータ２
１、第２コンパレータ２２および絶対値回路２３
に入力される。初期荷重L_Iがゼロでない限り、第
１コンパレータ２１と第２コンパレータ２２との
うちいずれか一方から“Ｈ”レベルが出力され
る。

すなわち、初期荷重L_Iが圧縮荷重であるときは
荷重信号は負の値をもつので、第２コンパレータ
２２が“Ｈ”レベルを出力し、第2ANDゲート２
６からダウン信号がモータドライブ回路１４に出
力される。

初期荷重L_Iが引張荷重であるときは荷重信号は
正の値をもつので、第１コンパレータ２１が
“Ｈ”レベルを出力し、第1ANDゲート２５から
アツプ信号がモータドライブ回路１４に出力され
る。

ただし、通常は、チヤツク機構８の掴みによつ
て圧縮荷重が試験片Ｍに加わりダウン信号が出力
される。

他方、初期荷重L_Iの信号が絶対値回路２３にお
いて絶対値化され、その荷重信号の大きさに比例
した周波数のクロツク信号がＶ／Ｆ変換回路２４
から第3ANDゲート２７を介してモータドライブ
回路１４に出力される。

このダウン信号とクロツク信号とは切換えスイ
ツチ１６を操作した瞬間（時刻t₃）からモータド
ライブ回路１４に入力され、サーボモータ２をダ
ウン側に向けてドライブする。最初は初期荷重L_I
が大きいのでクロツク信号の周波数も高く、サー
ボモータ２を高い回転速度V_Rでドライブする。
その結果、可動クロスヘツド７が比較的高速で下
降し、初期荷重L_I（圧縮荷重）が減少する。

この減少は、安定掴みのための再締付けが行わ
れる時刻t₄まで続くが、初期荷重L_Iの減少に伴つ
てクロツク信号の周波数ひいてはサーボモータ２
の回転速度V_Rが比例的に減少するので、初期荷
重L_Iの減少速度は、最初は速く、後になるほど遅
くなる。このことによつて、大きな値の初期荷重
L_Iが試験片Ｍに加わつている状態をいち早く解消
する。

時刻t₄からチヤツク機構８による試験片Ｍの再
締付けを行う。この再締付けは時刻t₆で完了する
ものとし、その完了によつて試験片Ｍの掴みが安
定したものとなる。時刻t₄での再締付けの初期に
おいて、初期荷重L_I（圧縮荷重）が急激に増大し
ようとする。もし、除荷機能がないとすれば、初
期荷重L_Iは破線のように増大する。

しかし、除荷機能が働き、大きな値の初期荷重
L_Iに応答してクロツク信号の周波数ひいてはサー
ボモータ２の回転速度V_Rがかなり高速となるた
め、初期荷重L_Iは直ちに減少し始める（時刻t₅）。

しかし、再締付けが継続している間は、初期荷
重L_Iは増大しようとし、これに応答してサーボモ
ータ２はその増大しようとする初期荷重L_Iの大き
さに比例した回転速度V_Rで可動クロスヘツド７
を下降して初期荷重L_Iを減少しようとする。この
ため、初期荷重L_Iも回転速度V_Rも一定範囲内で
脈動する（時刻t₅〜t₆）。

再締付けが時刻t₆において完了すると、その後
は締付けによる初期荷重L_Iの増加はなくなる。そ
の時刻t₆における初期荷重L_Iの大きさに比例した
回転速度V_Rでサーボモータ２がドライブされ、
可動クロスヘツド７が最初は急速に下降し、次第
にその下降速度が減少しながらなおも下降する。
これによつて、最終的に時刻t₇において、初期荷
重L_Iは厳密な意味でゼロ荷重に達し、サーボモー
タ２の回転も停止する。

なお、もし、時刻t₇においてオーバーシユート
を起こした場合には、初期荷重L_Iの信号が正とな
り、第１コンパレータ２１から“Ｈ”レベルが出
力されて第1ANDゲート２５からアツプ信号がモ
ータドライブ回路１４に出力され、サーボモータ
２の回転方向をアツプ側とする。これによつて、
可動クロスヘツド７が上昇するが、その上昇速度
は充分に低いものである。

さらに、時刻t₈においてオーバーシヨートを起
こした場合はサーボモータ２の回転方向が反転
し、可動クロスヘツド７が再び下降する。このよ
うなオーバーシユートによるハンチングが起こる
可能性はあるが、従来例や提案例に比べてその確
率はきわめて低く、早期のうちにゼロ荷重に達し
安定する。

なお、上記実施例では、モータ回転方向決定手
段１７を２つのコンパレータ２１，２２から構成
したが、第６図に示すように１つのコンパレータ
２８とインバータ２９とからモータ回転方向決定
手段１７を構成してもよい。また、上記実施例で
は、荷重／周波数変換手段１８を絶対値回路２３
とＶ／Ｆ変換回路２４とから構成したが、第７図
に示すようにインバータ３０と２つのＶ／Ｆ変換
回路３１，３２とORゲート３３とから荷重／周
波数変換手段１８を構成してもよい。

さらに、上記実施例では、モータ回転方向決定
手段１７および荷重／周波数変換手段１８をハー
ドウエア構成としたが、マイクロコンピユータを
利用するソフトウエアで実現してもよい。

Ｇ 考案の効果 この考案によれば、次の効果が発揮される。

すなわち、初期荷重の大きさに比例した周波数
のクロツク信号をもつてモータを制御するように
構成してあるため、除荷速度を実質的に連続無段
階的に、しかも、初期荷重の大きさの変化に応じ
てリアルタイムで除荷速度を制御することができ
る。

したがつて、除荷過程の初期において試験片に
大きな初期荷重がかかり続けることを回避でき、
また、不感帯を設けていなくても、初期荷重を最
終的には厳密な意味でゼロに調整することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はこの考案の一実施例に係
り、第１図は材料試験機における初期荷重除去装
置の機械系と電気系とを示す概略構成図、第２図
は初期荷重除荷回路の具体的な回路構成を示す回
路図、第３図のＡは絶対値回路の入出力特性図、
第３図のＢはＶ／Ｆ変換回路の入出力特性図、第
４図は初期荷重−除荷速度の特性図、第５図は動
作説明に供するタイムチヤートである。第６図は
モータ回転方向決定手段についての別実施例を示
す回路図、第７図は荷重／周波数変換手段につい
ての別実施例を示す回路図である。 Ｍ……試験片、２……サーボモータ、８……チ
ヤツク機構、９……荷重検出部、１０……負荷機
構、１２……初期荷重除荷回路、１４……モータ
ドライブ回路、１６……切換えスイツチ（切換え
手段）、１７……モータ回転方向決定手段、１８
……荷重／周波数変換手段。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 試験片を掴むチヤツク機構と、このチヤツク機
   構によつて掴まれた試験片に対しモータ駆動によ
   つて荷重を与える負荷機構と、試験片に与えられ
   た荷重を検出する荷重検出部とを備えた材料試験
   機において、前記チヤツク機構による掴み動作時
   に試験片に加わり前記荷重検出部によつて検出さ
   れた初期荷重の正・負に応じて前記モータの回転
   方向をその初期荷重がゼロ荷重に近づく側に決定
   しその回転方向信号をモータドライブ回路に出力
   するモータ回転方向決定手段と、初期荷重の大き
   さに比例した周波数のクロツク信号を作成し前記
   モータドライブ回路に出力する荷重／周波数変換
   手段と、前記モータ回転方向決定手段および前記
   荷重／周波数変換手段を動作状態と非動作状態と
   に切り換える切換え手段とを備えた材料試験機に
   おける初期荷重除去装置。