JPH07128207A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単で且つ安価な方法で材料試験機の周波数
応答特性を改善する。 【構成】 通常は、供試体に負荷する物理量の指令値の
波形に沿って時々刻々の指令値を設定し、設定された物
理量の指令値（指令信号）と負荷された供試体から検出
された物理量の検出値（制御量）とに基づいて常に検出
値が指令値に一致するようにフィードバック制御を行な
う。そして、物理量の指令値の波形が極大部となる時刻
ｔ２になると物理量の指令値を増加させ、極小部となる
時刻ｔ３になると物理量の指令値を減少させ、増加また
は減少させた指令値と負荷された供試体から検出された
物理量の検出値とに基づいてフィードバック制御を行な
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は材料試験機に関し、特に
デジタルフィードバック制御を採用する試験機の周波数
応答特性を改善したものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図４に示すようなフィードバ
ック制御系を応用した電気油圧サーボ式材料試験機が知
られている。図４に示すフィードバック制御系は、供試
体に負荷される物理量の時間的に変化する指令値に制御
量を追従させるサーボ系であり、且つマイクロコンピュ
ーター（以下、ＣＰＵと呼ぶ）により演算増幅処理を行
うデジタル制御系である。ここで、供試体に負荷される
物理量には荷重や変位などがある。荷重や変位などの指
令値の波形（以下、試験波形と呼ぶ）のデジタル指令信
号はＤ／Ａ変換器３によりアナログ指令信号に変換さ
れ、アクチュエータ４のサーボバルブ４ａへ出力され
る。サーボバルブ４ａはこのアナログ指令信号に従って
バルブの開閉を行い、アクチュエータ４への圧油の流量
を制御して供試体５を負荷する。

【０００３】一方、供試体５に負荷された荷重や変位は
ロードセルや変位計などの検出器６により検出され、増
幅器７で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器８によりデジタル
信号に変換される。このディジタル信号はディジタルフ
ィードバック信号として加算器１でディジタル指令信号
と比較され、制御偏差が求められる。演算増幅器２はこ
の制御偏差に演算増幅処理を行い、制御対象の供試体５
を負荷するアクチュエータ４の操作量を算出する。ここ
で、演算増幅処理とはフィードバック制御系の応答性や
制御精度などを調節するための周知のＰＩＤ制御などの
処理をいう。算出された操作量は、Ｄ／Ａ変換器３によ
りアナログ信号に変換されてサーボバルブ４ａへ出力さ
れ、サーボバルブ４ａはこの操作量に従ってバルブの開
閉を行い、アクチュエータ４への圧油の流量を制御して
供試体５を負荷する。すなわち、フィードバック制御に
より供試体５に負荷される荷重や変位などの制御量をそ
れらの目標値に追従させている。

【０００４】ここで、ＣＰＵは所定の時間間隔で図５に
示す制御プログラムを実行し、Ｄ／Ａ変換器３、Ａ／Ｄ
変換器８および加算器１を制御して演算増幅処理を行
う。まずステップＳ１において、検出器６により検出さ
れ増幅器７により増幅された荷重や変位などの制御量
を、Ａ／Ｄ変換器８によりＡ／Ｄ変換し、続くステップ
Ｓ２で、メモリから試験波形の指令信号を読み込む。ス
テップＳ３では加算器１により指令信号と制御量の検出
信号との制御偏差を算出し、さらにこの制御偏差に演算
増幅処理を行って操作量を算出する。ステップＳ４でＤ
／Ａ変換器３により操作量をアナログ信号に変換し、ア
クチュエータ４のサーボバルブ４ａへ出力する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
材料試験機では、試験波形の周波数が高くなると制御量
が試験波形に追従できなくなり、例えば試験波形が図６
（ａ）に示すような三角波の場合には、波形の極大部お
よび極小部（ここでは三角波の頂点部）に対応する制御
量が図６（ｂ）に示すように鈍ってしまい、サイン波形
のようになるという問題がある。

【０００６】このような問題を解決するために、例えば
周波数応答性能の高いアクチュエータを用いて制御系の
周波数応答特性を改善することが考えられるが、そのよ
うなアクチュエータは高価であり、材料試験機のコスト
が増加して好ましくない。

【０００７】本発明の目的は、簡単で且つ安価な方法で
周波数応答特性を改善した材料試験機を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応づけて本発明を説明すると、本発明は、供試体２１に
物理量を負荷する負荷手段２０ｅと、この負荷手段２０
ｅにより負荷された供試体２１の物理量を検出する物理
量検出手段２２，２３と、供試体２１に負荷する物理量
の指令値の波形を記憶する記憶手段３０ｍと、この記憶
手段３０ｍに記憶されている物理量の指令値の波形の極
大部および極小部を算出する極大極小算出手段３０と、
記憶手段３０ｍから物理量の指令値の波形を読み出して
その指令値の波形に沿って時々刻々の物理量の指令値を
設定するとともに、物理量の指令値の波形が極大極小算
出手段３０により算出された極大部になると設定した物
理量の指令値を増加させ、極小部になると設定した物理
量の指令値を減少させる指令値設定手段３０と、この指
令値設定手段３０により設定された物理量の指令値と物
理量検出手段２２，２３により検出された物理量の検出
値とに基づいてフィードバック制御を行なう制御手段３
０とを備え、これにより、上記目的を達成する。

【０００９】

【作用】通常、供試体２１に負荷する物理量の指令値の
波形に沿って時々刻々の指令値を設定し、設定された物
理量の指令値と負荷された供試体２１から検出された物
理量の検出値とに基づいて常に検出値が指令値に一致す
るようにフィードバック制御を行なう。そして、物理量
の指令値の波形が極大部になると物理量の指令値を増加
させ、極小部になると物理量の指令値を減少させ、増加
または減少させた指令値と負荷された供試体２１から検
出された物理量の検出値とに基づいてフィードバック制
御を行なう。これにより、指令値の波形の周波数が高く
なっても、波形の極大部および極小部で負荷された供試
体の物理量が鈍るようなことがなく、簡単で且つ安価な
方法で材料試験機の周波数応答特性を改善できる。

【００１０】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段および作用の項では、本発明を分り
やすくするために実施例の図を用いたが、これにより本
発明が実施例に限定されるものではない。

【００１１】

【実施例】図１は一実施例の構成を示す機能ブロック図
である。図において、２０は試験機本体で、支柱２０ｇ
に上下移動可能に取り付けたクロスヘッド２０ｂと、こ
のクロスヘッド２０ｂにロードセル２２を介して取り付
けた上部治具２０ｃと、基台２０ｄ内に設置した荷重負
荷用のアクチュエータ２０ｅと、このアクチュエータ２
０ｅの可動部に取り付けた下部治具２０ｆとを備え、下
部治具２０ｆと上部治具２０ｃとの間には供試体２１が
介在されている。２３はアクチュエータ２０ｅのストロ
ーク、すなわち荷重時の変位を検出する作動トランスで
ある。

【００１２】３０はメモリ３０ｍなどの周辺部品を有す
るＣＰＵであり、後述する制御プログラムを実行してフ
ィードバック制御を行う。このＣＰＵ３０には、増幅器
３１およびＡ／Ｄ変換器３２を介してロードセル２２が
接続され、増幅器３３およびＡ／Ｄ変換器３４を介して
作動トランス２３が接続される。ＣＰＵ３０にはまた、
Ｄ／Ａ変換器３５および増幅器３６を介してアクチュエ
ータ２０ｅのサーボバルブ２０ｅ１が接続される。な
お、ＣＰＵ３０のメモリ３０ｍには正弦波、三角波、矩
形波、ランプ波などの試験波形が単位時間ごとのディジ
タル値で記憶されており、供試体２１の試験条件に応じ
て単位時間ごとに読み出され、指令信号として出力され
る。

【００１３】次に、この実施例の材料試験機の全体の動
作を説明する。試験に先立って、供試体２１の試験条件
に応じて供試体２１に負荷する物理量と、正弦波、三角
波、矩形波、ランプ波などの物理量の指令値の波形（以
下、試験波形と呼ぶ）の種類、振幅、周波数などを不図
示の入力装置により設定する。なお、この実施例では供
試体２１に負荷する物理量として荷重および変位を例に
上げて説明する。試験が開始されると、ＣＰＵ３０は、
設定された試験波形の荷重または変位のディジタル指令
信号をＤ／Ａ変換器３５へ出力する。このディジタル指
令信号はＤ／Ａ変換器３５によりアナログ信号に変換さ
れ、増幅器３６で増幅されてアクチュエータ２０ｅのサ
ーボバルブ２０ｅｌへ供給される。サーボバルブ２０ｅ
１はこのアナログ指令信号に従って不図示の油圧源から
アクチュエータ２０ｅに圧送される油量を制御し、これ
によりアクチュエータ２０ｅは下部治具２０ｆを介して
供試体２１を負荷する。

【００１４】ＣＰＵ３０は、供試体２１に負荷される荷
重および変位をロードセル２２および作動トランス２３
によりそれぞれ検出し、Ａ／Ｄ変換器３２，３４により
Ａ／Ｄ変換して荷重および変位のデジタルフィードバッ
ク信号を入力する。そして、設定された荷重または変位
の指令信号とそれぞれのフィードバック信号とを比較
し、制御偏差を算出してフィードバック制御の演算増幅
処理を行い、操作部であるアクチュエータ２０ｅの操作
量を算出する。算出された操作量はＤ／Ａ変換器３５に
よりアナログ信号に変換され、増幅器３６で増幅されて
アクチュエータ２０ｅのサーボバルブ２０ｅ１へ出力さ
れる。サーボバルブ２０ｅ１はこの操作量信号に従って
不図示の油圧源からアクチュエータ２０ｅに圧送される
油量を制御し、これによりアクチュエータ２０ｅは下部
治具２０ｆを介して供試体２１を負荷する。以下、この
ような動作を繰り返し、設定された試験波形に従って供
試体２１を負荷し、試験を行なう。

【００１５】図２は試験波形が極大部および極小部へ到
達する時刻を検出するプログラムを示し、図３はフィー
ドバック制御プログラムを示す。これらのフローチャー
トにより、実施例の動作を説明する。なお、この実施例
では図６（ａ）に示すような三角波の試験波形を例に上
げて説明し、三角波の極大および極小を頂点と呼ぶ。Ｃ
ＰＵ３０は、所定の時間間隔で図２に示す頂点部到達時
刻検出プログラムを実行する。まずステップＳ１１にお
いて、メモリ３０ｍから入力装置により選択された試験
波形を現在時刻から所定時間分、先読みする。例えば、
図６（ａ）に示すように現在時刻がｔ１であるとする
と、現在時刻ｔ１から所定時間Ｔ後の時刻ｔ４までの試
験波形データを読み出す。ステップＳ１２で先読みした
試験波形を微分し、続くステップＳ１３で微分値が０か
否かを判別する。試験波形を微分した値が０であれば、
その点は極大または極小すなわち三角波の頂点であると
し、ステップＳ１４へ進んで頂点部到達時刻を算出し、
メモリ３０ｍに記憶する。図６（ａ）に示す例では、時
刻ｔ２と時刻ｔ３が三角波の試験波形がその頂点に到達
する時刻である。なお、ステップＳ１３で試験波形の微
分値が０でなければ、試験波形に大きな頂点がないとし
て処理を終了する。

【００１６】ここで、試験波形の頂点の判定基準である
所定値Ｋは、試験波形の設定周波数に応じて変化させ
る。つまり、試験波形の設定周波数が高ければ高いほ
ど、制御系が試験波形に追従しにくくなるので、試験波
形の設定周波数が高くなるほど所定値Ｋを小さくして頂
点部の判定基準を下げる。なお、頂点部到達時刻を実際
の試験波形の頂点部より所定時間だけ早い時刻としても
よく、さらにその所定時間を試験波形の設定周波数に応
じて変化させてもよい。また、図２に示す頂点部到達時
刻検出プログラムの実行時間間隔と、試験波形データの
先読み時間Ｔは、設定された試験波形の種類、振幅、周
波数などによって最適な時間を決定すればよい。

【００１７】ＣＰＵ３０は、所定の時間間隔で図３に示
すフィードバック制御プログラムを実行する。ステップ
Ｓ２１において、ロードセル２２により検出された供試
体２１の荷重をＡ／Ｄ変換器３２でディジタル信号に変
換して入力するとともに、作動トランス２３により検出
された供試体２１の変位をＡ／Ｄ変換器３３でディジタ
ル信号に変換して入力する。続くステップＳ２２で、メ
モリ３０ｍから設定された試験波形の現在時刻の指令値
を読み込む。ステップＳ２３で、メモリ３０ｍに記憶さ
れている頂点部到達時刻か否かを判別し、頂点部到達時
刻であればステップＳ２４へ進み、そうでなければステ
ップＳ２６へ進む。

【００１８】現在時刻がメモリ３０ｍに記憶されている
頂点部到達時刻のときは、ステップＳ２４で、ステップ
Ｓ２１で検出された荷重と変位の負荷波形のピーク値と
単位時間当りの面積を検出する。続くステップＳ２５
で、検出された負荷波形のピーク値および単位時間当り
の面積と、試験波形のピーク値および単位時間当りの面
積とをそれぞれ比較し、比較結果に基づいて試験波形全
体の振幅を決定するとともに、その頂点部の振幅を他の
部分よりも一定の割合で増加させる。このとき、例えば
負荷波形の単位時間当りの面積が試験波形の面積よりも
小さければ、制御系がひずんでいると判断して試験波形
全体の振幅を増加させ、頂点部の振幅を減少させてひず
みを解消する。なお、試験波形の頂点部の振幅の増加割
合は試験波形の種類、振幅、周波数などにより変化させ
てもよいし、さらに真の頂点部とその周辺で変化させて
もよい。

【００１９】ステップＳ２６において、決定された荷重
または変位の試験波形の振幅すなわち指令値と、ステッ
プＳ２１で検出された荷重または変位の検出値すなわち
フィードバック値との制御偏差を算出し、さらにこの制
御偏差に演算増幅処理を行なってアクチュエータの操作
量を算出する。続くステップＳ２７で、算出された操作
量のディジタル信号をＤ／Ａ変換器３５でアナログ信号
に変換し、増幅器３６で増幅してサーボバルブ２０ｅｌ
へ出力する。

【００２０】アクチュエータ２０ｅは、例えば図６
（ａ）に破線で示すように、試験波形の頂点部で振幅が
増加された指令信号により駆動され、従来、図６（ｂ）
に示すように頂点部で鈍っていた供試体２１の負荷波
形、すなわち制御量は、図６（ｃ）に示すように、図６
（ａ）に実線で示す本来の試験波形に近くなり、制御系
の周波数応答が改善される。

【００２１】なお、上述した実施例では供試体に負荷す
る物理量として荷重と変位を例に上げて説明したが、供
試体に負荷する物理量は実施例に限定されない。

【００２２】以上の実施例の構成において、アクチュエ
ータ２０ｅが負荷手段を、ロードセル２２および作動ト
ランス２３が物理量検出手段を、メモリ３０ｍが記憶手
段を、ＣＰＵ３０が極大極小算出手段、指令値設定手段
および制御手段をそれぞれ構成する。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、物
理量の指令値の波形が極大部になると物理量の指令値を
増加させ、極小部になると物理量の指令値を減少させ、
増加または減少させた指令値と負荷された供試体から検
出された物理量の検出値とに基づいてフィードバック制
御を行なうようにしたので、指令値の波形の周波数が高
くなっても、波形の極大部および極小部で負荷された供
試体の物理量が鈍るようなことがなく、簡単で且つ安価
な方法で材料試験機の周波数応答特性を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の構成を示す機能ブロック図。

【図２】頂点部到達時刻検出プログラムを示すフローチ
ャート。

【図３】フィードバック制御プログラムを示すフローチ
ャート。

【図４】従来の材料試験機の構成を示す制御ブロック
図。

【図５】従来の材料試験機の演算処理を示すフローチャ
ート。

【図６】試験波形の指令信号と供試体に負荷される制御
量を示すタイムチャート。

【符号の説明】

２０ 試験機本体 ２０ｅ アクチュエータ ２０ｅｌ サーボバルブ ２０ｂ クロスヘッド ２０ｃ 上部治具 ２０ｄ 基台 ２０ｇ 支柱 ２２ ロードセル ２３ 作動トランス ３０ マイクロコンピューター ３０ｍ メモリ ３１，３３，３６ 増幅器 ３２，３４ Ａ／Ｄ変換器 ３５ Ｄ／Ａ変換器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供試体に物理量を負荷する負荷手段と、 この負荷手段により負荷された前記供試体の物理量を検
   出する物理量検出手段と、 前記供試体に負荷する物理量の指令値の波形を記憶する
   記憶手段と、 この記憶手段に記憶されている物理量の指令値の波形の
   極大部および極小部を算出する極大極小算出手段と、 前記記憶手段から物理量の指令値の波形を読み出してそ
   の指令値の波形に沿って時々刻々の物理量の指令値を設
   定するとともに、前記物理量の指令値の波形が前記極大
   極小算出手段により算出された極大部になると設定した
   物理量の指令値を増加させ、極小部になると設定した物
   理量の指令値を減少させる指令値設定手段と、 この指令値設定手段により設定された物理量の指令値と
   前記物理量検出手段により検出された物理量の検出値と
   に基づいてフィードバック制御を行なう制御手段とを備
   えることを特徴とする材料試験機