(57)【要約】【課題】複数の試験条件を組み合わせた材料試験を好適に実行すること。【解決手段】制御装置１００は、負荷機構１２により試験片ＴＰに試験力を付与して材料試験を行う材料試験機１の制御装置１００であって、試験片ＴＰの変位量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、速度の目標値に一致させるように、試験力Ｆを試験片ＴＰに付与する負荷機構１２を制御する速度制御と、変位量を、変位量の目標値に一致させるように、負荷機構１２を制御する位置制御と、を実行する制御部１５０を備え、制御部１５０は、特定の条件を満たす場合に、速度制御から位置制御に切り替える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機の制御装置であって、
前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する速度制御と、前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御と、を実行する制御部を備え、
前記制御部は、特定の条件を満たす場合に、前記速度制御から前記位置制御に切り替える、ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記特定の条件は、前記物理量の目標値が時間の経過に伴って変化しないことを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
積分制御を実行する積分制御器を備え、
前記制御部は、前記速度制御から前記位置制御に切り替えるときに、前記積分制御器の制御偏差の積算値を零にする、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記速度制御を実行している場合に、前記速度の目標値を積分して前記物理量の仮想目標値を算出し、
算出した前記仮想目標値に基づいて、前記速度制御から前記位置制御に切り替える、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の制御装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記速度の実績値が前記速度の目標値を連続して超過した場合に、前記速度の目標値に替えて前記速度の実績値を積分する、ことを特徴とする請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
負荷機構により試験対象に試験力を付与し、前記試験対象を変形させて材料試験を行う材料試験機であって、
請求項１から５のいずれか１項に記載の制御装置を備える、ことを特徴とする材料試験機。
【請求項７】
負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機の制御方法であって、
前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する速度制御ステップと、
前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御ステップと、を有し、
特定の条件を満たす場合に、前記速度制御ステップから前記位置制御ステップに切り替える、ことを特徴とする材料試験機の制御方法。
【請求項８】
負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機に搭載されたコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する速度制御手順と、
前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御手順と、を実行させ、
特定の条件を満たす場合に、前記速度制御手順から前記位置制御手順に切り替えることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置、材料試験機、材料試験機の制御方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、材料試験機の材料試験においては、試験対象に負荷を付与する負荷機構の駆動対象に指示を与え制御対象とする計測値をフィードバックする制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、クロスヘッドを移動させて試験片に試験力を付与する負荷機構をフィードバック制御する材料試験機を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３３７８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、材料試験には、試験対象に付与する負荷をある目標値まで一定の速度で増加させたのち、試験力をその目標値で保持する等、複数の試験条件を組み合わせた試験がある。このような複数の試験条件を組み合わせた試験においても、材料試験を好適に行いたいという要望がある。
【０００５】
本発明は、複数の試験条件を組み合わせた材料試験を好適に実行することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機の制御装置であって、前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する速度制御と、前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御と、を実行する制御部を備え、前記制御部は、特定の条件を満たす場合に、前記速度制御から前記位置制御に切り替える制御装置に関する。
【０００７】
本発明の第２の態様は、負荷機構により試験対象に試験力を付与し、前記試験対象を変形させて材料試験を行う材料試験機であって、請求項１から５のいずれか１項に記載の制御装置を備える材料試験機に関する。
【０００８】
本発明の第３の態様は、負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機の制御方法であって、前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する速度制御ステップと、前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御ステップと、を有し、特定の条件を満たす場合に、前記速度制御ステップから前記位置制御ステップに切り替える材料試験機の制御方法に関する。
【０００９】
本発明の第４の態様は、負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機に搭載されたコンピュータに実行させるプログラムであって、前記コンピュータに、前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する速度制御手順と、前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御手順と、を実行させ、特定の条件を満たす場合に、前記速度制御手順から前記位置制御手順に切り替えるプログラムに関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、試験条件に対応して速度制御から位置制御への制御の切り替えができる。従って、複数の試験条件を組み合わせた材料試験を好適に実行することができる。
【００１１】
本発明の第２、３及び４の態様によれば、本発明の第１の態様と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の材料試験機の構成を模式的に示す図である。
【図２】負荷機構の制御系のブロック線図である。
【図３】変位量、試験力、及びクロスヘッドの位置の位置制御による時間変化を示す図である。
【図４】応力ゆがみ線図を示す図である。
【図５】試験片の逆方向への動きを制限した場合の変位量、試験力、及びクロスヘッドの位置の位置制御による時間変化を示す図である。
【図６】変位量、試験力、及びクロスヘッドの位置の速度制御による時間変化を示す図である。
【図７】変位量及び変位量の目標値の時間変化を示す図である。
【図８】変位量及び変位量の目標値の時間変化を示す図である。
【図９】材料試験機の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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、本実施形態の材料試験機１の構成を模式的に示す図である。
材料試験機１は、試験対象の材料である試験片ＴＰに試験力Ｆを付与する試験機本体２と、試験機本体２の作動を制御する制御装置１００とを備える。試験力Ｆとは、試験機本体２により試験片ＴＰに付与される引張荷重や圧縮荷重等の荷重を意味する。
【００１４】
試験機本体２は、テーブル６と、このテーブル６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ネジ棹８、９と、これらのネジ棹８、９に沿って移動可能なクロスヘッド１０と、このクロスヘッド１０を移動させて試験片ＴＰに試験力Ｆを付与する負荷機構１２とを備える。
【００１５】
一対のネジ棹８、９は、ボールネジから成り、クロスヘッド１０は、各ネジ棹８、９に対して図示を省略したナットを介して連結される。負荷機構１２は、各ネジ棹８、９の下端部に連結されるウォーム減速機１６、１７と、各ウォーム減速機１６、１７に連結されるサーボモータ１８とを備える。負荷機構１２は、ウォーム減速機１６、１７を介して、一対のネジ棹８、９にサーボモータ１８の回転を伝達し、ネジ棹８、９が同期して回転することにより、クロスヘッド１０がネジ棹８、９に沿って昇降する。
【００１６】
また、負荷機構１２は、ロータリエンコーダ２０を備える。ロータリエンコーダ２０は、サーボモータ１８の回転に対応してパルス信号Ａ１を出力する。パルス信号Ａ１は制御装置１００に入力される。
【００１７】
クロスヘッド１０には、試験片ＴＰの上端部を把持するための上つかみ具２１が付設され、テーブル６には、試験片ＴＰの下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。試験機本体２は、例えば引張試験の際、試験片ＴＰの上端部を上つかみ具２１で把持すると共に、試験片ＴＰの下端部を下つかみ具２２で把持した状態で、制御部１５０による制御により、クロスヘッド１０を上昇させることによって、試験片ＴＰに試験力Ｆを与える。
【００１８】
また、試験機本体２は、物理量を測定する複数の検出器を備える。本実施形態の試験機本体２は、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆを測定するロードセル１４と、試験片ＴＰの縮みに相当する変位を測定する変位計３０とを備える。
【００１９】
ロードセル１４は、試験片ＴＰに付与される荷重である試験力Ｆを測定する。ロードセル１４は、測定した試験力Ｆを示す測定信号Ａ２を制御装置１００に出力する。
変位計３０は、試験片ＴＰを把持し、試験片ＴＰと共に変位する上アーム３１及び下アーム３３と、上アーム３１及び下アーム３３の変位を検出する歪みゲージ３５とを備える。変位計３０は、試験片ＴＰにおける標点間の距離の変位を測定する。変位計３０は、例えば、ひずみ計測が可能な伸び計である。変位計３０は、測定した距離の変位量を示す測定信号Ａ３を出力する。変位計３０が出力した測定信号Ａ３は、制御装置１００に入力される。
【００２０】
次に、制御装置１００について説明する。制御装置１００は、試験機本体２を制御する装置であり、試験機本体２との間で信号を送受信可能に接続される。試験機本体２から入力される信号には、ロータリエンコーダ２０から出力されるパルス信号Ａ１や、ロードセル１４から出力される測定信号Ａ２、変位計３０から出力される測定信号Ａ３等が含まれる。
【００２１】
制御装置１００は、ロードアンプ１１１、ローパスフィルタ１１２、Ａ／Ｄ（Analog-to-digital）変換器１１３、ストレインアンプ１２１、Ａ／Ｄ変換器１２３、カウンタ回路１３１、サーボアンプ１３３、表示器１４１、操作部１４５及び制御部１５０を備える。ローパスフィルタ１１２を、以下ではＬＰＦ（Low-pass filter）１１２と略記する。
【００２２】
ロードセル１４から出力された測定信号Ａ２は、ロードアンプ１１１に入力される。ロードアンプ１１１は、測定信号Ａ２を増幅してＬＰＦ１１２に出力する。ＬＰＦ１１２は、入力された測定信号Ａ２に含まれるノイズを低減するため、測定信号Ａ２にフィルタ処理を行う。ＬＰＦ１１２は、フィルタ処理した測定信号Ａ２をＡ／Ｄ変換器１１３に出力する。Ａ／Ｄ変換器１１３は、入力されたアナログの測定信号Ａ２にＡ／Ｄ変換を行い、デジタルの測定データに変換する。Ａ／Ｄ変換器１１３は、変換した測定データを制御部１５０に出力する。
【００２３】
ストレインアンプ１２１は、変位計３０から出力される測定信号Ａ３を増幅し、増幅した測定信号Ａ３をＡ／Ｄ変換器１２３に出力する。Ａ／Ｄ変換器１２３は、入力されたアナログの測定信号Ａ３にＡ／Ｄ変換を行い、デジタルの測定データに変換する。Ａ／Ｄ変換器１１３は、変換した測定データを制御部１５０に出力する。
【００２４】
カウンタ回路１３１は、ロータリエンコーダ２０が出力するパルス信号Ａ１のパルス数を計数し、サーボモータ１８の回転量、すなわちサーボモータ１８の回転によって移動するクロスヘッド１０の移動量であるストローク値を示す測定データを制御部１５０に出力する。
【００２５】
本実施形態では、負荷機構１２にロータリエンコーダ２０を搭載し、ロータリエンコーダ２０が出力するパルス信号Ａ１のパルス数を計数する構成であるが、ロータリエンコーダ２０に代えて、ネジ棹８、９の少なくとも一方に装着されるエンコーダを備える構成でもよい。この構成の場合、当該エンコーダは、装着されたネジ棹８、９の少なくとも一方が所定角度回転する毎に１つのパルスを出力する信号を生成し、カウンタ回路１３１に出力する。カウンタ回路１３１は、エンコーダが出力する信号のパルス数を計数し、ネジ棹の回転量、すなわちネジ棹の回転によって移動するクロスヘッド１０の移動量であるストローク値を示す信号を制御部１５０にデジタル信号で出力する。
【００２６】
サーボアンプ１３３は、制御部１５０から供給される指令値の大きさに対応した電流をサーボモータ１８に供給する。サーボモータ１８は、サーボアンプ１３３から供給される電流により回転駆動される。
【００２７】
表示器１４１は、制御部１５０の制御により、ロードセル１４および変位計１５により測定された変位量や試験力Ｆが表示される。
操作部１４５は、圧縮試験を含む材料試験条件の設定や各種設定パラメータの設定値、圧縮試験を含む材料試験の実行指示や中断指示等の操作を受け付ける。
【００２８】
次に、制御部１５０について説明する。
制御部１５０は、メモリ１６０及びプロセッサ１７０を備えるコンピュータ装置である。制御部１５０は、メモリ１６０及びプロセッサ１７０の他に、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージや、外部装置とのインターフェイス回路を備える。制御部１５０は、ＩＣチップやＬＳＩなどの集積回路といった１又は複数の回路により構成してもよい。
【００２９】
メモリ１６０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性のメモリデバイスと、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性のメモリデバイスとを備え、プロセッサ１７０が実行する制御プログラム１６３及び目標データ１６５を記憶する。
目標データ１６５は、圧縮試験を含む材料試験における物理量の目標値を示すデータである。物理量には、ロードセル１４により測定される試験力Ｆや、試験力Ｆの単位時間当たりの変化量を示す速度、変位計３０により測定される試験片ＴＰの変位量や、変位量の単位時間当たりの変化量を示す速度等が含まれる。
【００３０】
プロセッサ１７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-processing unit）等の演算装置であり、制御プログラム１６３を実行して制御装置１００の各部を制御する。制御部１５０は、試験機本体２の負荷機構１２としてサーボモータ１８をフィードバック制御して圧縮試験を実行する。
【００３１】
制御部１５０は、指令値演算部１７５を備える。指令値演算部１７５は、サーボアンプ１３３に出力する指令値を演算する。指令値演算部１７５は、ロードセル１４により測定された試験力Ｆの測定値や、変位計３０により測定された変位量の測定値と、試験力Ｆや変位量の目標値と、の偏差を減少させるサーボモータ１８の回転量を演算し、演算した回転量を示す指令値をサーボアンプ１３３に出力する。試験力Ｆや変位量の目標値は、フィードバック制御の目標値であり、目標データ１６５に基づいて設定される。
【００３２】
図２は、本実施形態におけるサーボモータ１８のフィードバック制御の制御系を示すブロック線図である。負荷機構１２のフィードバック制御では、図２に示すように積分制御が行われ、クロスヘッド１０の移動速度に対応するサーボモータ１８の回転量を決定する。
図２に示すようにフィーバック制御のブロック線図は、減算器２０１及び積分制御器２０２を含む。減算器２０１は、各制御周期において目標値から測定値を減じた制御偏差を算出し、算出した制御偏差を積分制御器２０２に出力する。積分制御器２０２は、制御偏差を受信し、制御偏差を累積加算する。積分制御器２０２は、累積加算した演算結果である偏差積分値を制御値として負荷であるサーボモータ１８に出力する。
【００３３】
制御部１５０は、フィードバック制御として位置制御と、速度制御とを実行する。
位置制御は、変位計３０により測定される試験片ＴＰの変位量の実測値と、目標データ１６５に基づいて設定される変位量の目標値との偏差を減少させ、変位量の実測値を変位量の目標値に一致させるフィードバック制御である。位置制御により、変位計３０により測定される変位量の実測値を、変位量の目標値に一致させ、変位量が目標値であるときの材料試験の試験結果を得ることができる。
速度制御は、変位計３０により測定される試験片ＴＰの変位量の速度と、変位量の目標速度との偏差を減少させ、変位量の速度を、変位量の目標速度に一致させるフィードバック制御である。変位量の速度は、変位量の単位時間当たりの変化量である。特に、本実施形態の速度制御は、変位量の速度が一定、すなわち、変位量の単位時間当たりの変化量が一定となるように目標速度が設定されている。速度制御により、変位計３０により測定される変位量の速度を、変位量の目標速度に一致させ、変位量の速度が目標速度であるときの材料試験の試験結果を得ることができる。
【００３４】
図３は、変位量、試験力Ｆ、及びクロスヘッド１０の位置の位置制御による時間変化を示す図である。
図３に示す実線は、変位計３０により測定される変位量（ｍｍ）の位置制御による変化を示す。また、図３に示す破線は、クロスヘッド１０の位置（ｍｍ）の位置制御による変化を示す。また、図３に示す一点鎖線は、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆ（Ｎ）の位置制御による変化を示す。
【００３５】
試験片ＴＰが変形しても元に戻る弾性範囲で、試験片ＴＰを変形させている場合、材料試験に問題は生じない。しかし、試験材料が降伏し、試験片ＴＰの伸びが急速に進み、変位量の目標値を超えた場合、位置制御では、変位計３０により測定される試験片ＴＰの変位量が目標値以下になるように試験力Ｆが調整される。
【００３６】
これにより、材料試験機１による試験方向とは逆方向の変化が試験片ＴＰに生じる。試験方向とは、例えば、材料試験が引張り試験であれば、試験片ＴＰの伸びが小さくなる方向であり、逆に、材料試験が圧縮試験であれば、試験片ＴＰの伸びが大きくなる方向である。図３に破線で囲んだ範囲Ａにおいて、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆが減少している状態を示す。また、図３に破線で囲んだ範囲Ｂにおいて、試験材料が降伏し、試験片ＴＰの変位が急速に進んだ状態と、その後、試験片ＴＰの変位が試験方向とは逆方向の小さくなる方向に進んだ状態とを示す。
【００３７】
図４は、応力ゆがみ線図を示す図である。
図４に示す応力ゆがみ線図の縦軸は、試験片ＴＰのひずみ速度（％／ｓｅｃ）であり、横軸は、ひずみ（％）である。図４に破線で囲んだ範囲において、試験片ＴＰの変位が試験方向とは逆方向の小さくなる方向に進んだ状態を示す。
【００３８】
図５は、試験片ＴＰの逆方向への動きを制限した場合の変位量、試験力Ｆ、及びクロスヘッド１０の位置の位置制御による時間変化を示す図である。
図５に示す実線は、変位計３０により測定される変位量（ｍｍ）の位置制御による変化を示す。また、図５に示す破線は、クロスヘッド１０の位置（ｍｍ）の位置制御による変化を示す。また、図５に示す一点鎖線は、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆ（Ｎ）の位置制御による変化を示す。
【００３９】
試験片ＴＰに付与される試験力Ｆを調整することで、試験片ＴＰの変化が試験方向とは逆方向に生じるのを防止する制御も行なわれている。この場合、試験片ＴＰの変化が試験方向とは逆方向に生じない代わりに、変位量の目標値が、変位計３０の変位量よりも大きくなるまで、フィードバック制御が停止し、クロスヘッド１０が動かずに静止するという事態が生じる。クロスヘッド１０が静止している間、目標速度を達成することがでない。試験片ＴＰの単位時間当たりの変化の割合である速度が目標速度に到達せず、試験片ＴＰに対して好ましい材料試験を行なうことができない。
【００４０】
図５に破線で囲んで示す範囲Ａにおいて、試験材料の降伏が生じ、試験片ＴＰの伸びが急速に進んだ状態を示す。また、図５に破線で囲んで示す範囲Ｂにおいて、クロスヘッド１０の位置が静止した状態を示す。また、図５に破線で囲んで示す範囲Ｃにおいて、試験片ＴＰの変位量が目標値よりも小さくなり、位置制御が再開され、クロスヘッド１０の動きが再開した状態を示す。
【００４１】
図６は、変位量、試験力Ｆ、及びクロスヘッド１０の位置の速度制御による時間変化を示す図である。
図６に示す実線は、変位計３０により測定される変位量（ｍｍ）の変化を示す。また、図６に示す破線は、クロスヘッド１０の位置（ｍｍ）の変化を示す。また、図６に示す一点鎖線は、試験片ＴＰに付与される試験力Ｆ（Ｎ）の変化を示す。
速度制御は、変位計３０により測定される変位量と、目標データ１６５によって設定される速度の目標値との偏差が減少するようにサーボモータ１８を駆動させるフィードバック制御である。図６に示す区間Ａにおいて、変位計３０により測定される変位量が一定の割合で変化している。
【００４２】
しかし、速度制御の場合、フィードバック制御を終了した後、クロスヘッド１０の動きを停止させることができなかった。また、速度制御の場合、変位計３０の変位量を所定の目標値に制御することができなかった。
【００４３】
以上の点を鑑み、本実施形態の制御部１５０は、複数の試験条件を組み合わせた試験として、速度制御により変位計３０の変位量を一定の割合で増加させ、変位計３０の変位量が保持目標値に到達した後は、位置制御により変位計３０の変位量を保持目標値に維持する制御を実行する。保持目標値は、材料試験機１の使用者により設定される値である。
【００４４】
また、制御部１５０は、特定の条件が成立した場合に、フィードバック制御を、速度制御から位置制御に切り替える。制御部１５０は、速度の目標値が時間の経過に伴って変化しない場合に、特定の条件が成立したと判定し、フィードバック制御を、速度制御から位置制御に切り替えてもよい。また、制御部１５０は、後述する図８により説明する仮想目標値が保持目標値以上になった場合にも、特定の条件が成立したと判定し、フィードバック制御を、速度制御から位置制御に切り替える。
【００４５】
図７は、変位量と、変位量の目標値との時間変化を示す図である。
図７に示す実線は、変位量の目標値を示し、破線は、変位量の測定値を示す。
次に、制御部１５０が、フィードバック制御を速度制御から位置制御に切り替える切り替えタイミングについて説明する。
図７は、変位量の速度の目標値が保持目標値以上になった場合に、速度制御から位置制御に切り替えた場合を示す。変位量の速度の目標値が保持目標値以上になった場合に、速度制御から位置制御に切り替えた場合、図７に示す区間Ａにおいて変位量が保持目標値よりも大きくなりオーバーシュートが発生している。
【００４６】
図８は、仮想目標値が保持目標値以上になった場合に、速度制御から位置制御に切り替えた場合を示す。図８に示す実線は、仮想目的値を示し、破線は、変位量の測定値を示す。仮想目標値は、目標速度を積分して求める。速度は、変位量の単位時間当たりの変位量である。目標速度は、目標データ１６５に基づいて求められる。
また、試験片ＴＰの塑性変形等により、変位計３０により測定される変位量の速度が目標速度を上回った場合、目標データ１６５に基づいて求めた目標速度ではなく、変位計により計測された変位量に基づいて求めた速度を積分し仮想目標値を求める。
制御部１５０は、仮想目標値が保持目標値以上になった場合に、フィードバック制御を速度制御から位置制御に切り替える。これにより、オーバーシュートの発生を抑制することができる。
【００４７】
また、制御部１５０は、速度制御から位置制御に切り替える場合に、目標速度と、変位計３０の変位量に基づいて求めた測定速度との偏差である制御偏差の積分値である偏差積分値をゼロにリセットする。これによりオーバーシュートの発生を抑制することができる。
【００４８】
次に、材料試験機１の動作について説明する。
図９は、材料試験機１の動作を示すフローチャートである。
制御部１５０は、まず、引張り試験を開始するか否かを判別する（ステップＳ１）。制御部１５０は、操作部１４５により圧縮試験の実行を指示する操作を受け付けた場合に、引張り試験を開始する（ステップＳ１）。
【００４９】
制御部１５０は、操作を受け付けた場合（ステップＳ１／ＹＥＳ）、速度制御によるフィードバック制御を開始する（ステップＳ２）。ステップＳ２は、本発明の「速度制御ステップ」に相当する。
制御部１５０は、サーボモータ１８を駆動して試験片ＴＰに試験力Ｆを付与し（ステップＳ３）、変位計３０により試験片ＴＰが変位した変位量を計測する（ステップＳ４）。
【００５０】
次に、制御部１５０は、変位計３０により測定した変位量に基づいて算出した速度の実測値が速度の目標値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。制御部１５０は、速度の実測値が速度の目標値以下である場合（ステップＳ５／ＮＯ）、速度の目標値を積分して仮想目標値を算出する（ステップＳ８）。
【００５１】
また、制御部１５０は、速度の実測値が速度の目標値よりも大きい場合（ステップＳ５／ＹＥＳ）、速度の実測値が速度の目標値よりも大きい状態が予め設定された回数連続しているか否かを判定する（ステップＳ６）。制御部１５０は、速度の実測値が速度の目標値よりも大きい状態が連続した回数が、予め設定された回数よりも小さい場合（ステップＳ６／ＮＯ）、速度の目標値を積分して仮想目標値を算出する（ステップＳ８）。
【００５２】
また、制御部１５０は、速度の実測値が速度の目標値よりも大きい状態が連続した回数が、予め設定された回数以上である場合（ステップＳ６／ＹＥＳ）、速度の実測値を積分して仮想目標値を算出する（ステップＳ７）。速度の実測値が速度の目標値よりも大きい状態が連続した回数が、予め設定された回数以上である場合が、本発明の「連続して超過した場合」に対応する。
【００５３】
次に、制御部１５０は、ステップＳ７又はステップＳ８で算出した仮想目標値が保持目標値以上であるか否かを判定する（ステップＳ９）。制御部１５０は、仮想目標値が保持目標値よりも小さい場合（ステップＳ９／ＮＯ）、ステップＳ３に戻り、変位計３０により測定された変位量と、変位量の目標値との偏差の積分値に対応した指令値をサーボアンプ１３３に出力する。サーボアンプ１３３は、指令値に対応した電流をサーボモータ１８に供給してサーボモータ１８を回転駆動させる。これにより、試験片ＴＰに試験力Ｆを付与する。
【００５４】
また、制御部１５０は、仮想目標値が保持目標値以上である場合（ステップＳ９／ＹＥＳ）、まず、積分制御器２０２の偏差積分値をゼロクリアする（ステップＳ１０）。その後、制御部１５０は、フィードバック制御を、速度制御によるフィードバック制御から、位置制御によるフィードバック制御に切り替える（ステップＳ１１）。ステップＳ１１は、本発明の「位置制御ステップ」に相当する。
【００５５】
この後、制御部１５０は、速度制御によるフィードバック制御の場合と同様に、変位計３０により測定された変位量と、変位量の目標値との偏差の積分値に対応した指令値をサーボアンプ１３３に出力し、試験片ＴＰに試験力Ｆを付与させる。これにより、変位計３０により測定される変位量が、目標の変位量に近づくように制御される。
また、制御部１５０は、次の試験条件が成立したか否かを判定し、次の試験条件が成立していない場合（ステップＳ１２／ＮＯ）、位置制御によるフィードバック制御を継続する（ステップＳ１１）。また、制御部１５０は、次の試験条件が成立した場合（ステップＳ１２／ＹＥＳ）、この処理フローを終了し、次の試験条件に対応した制御フローに移行する。
【００５６】
以上説明したように、制御装置１００は、負荷機構１２により試験片ＴＰに試験力Ｆを付与して材料試験を行う材料試験機１の制御装置１００であって、試験片ＴＰの単位時間当たりの変化量を示す速度を、速度の目標値に一致させるように、試験力Ｆを試験片ＴＰに付与する負荷機構を制御する速度制御と、変位量を、変位量の目標値に一致させるように、負荷機構を制御する位置制御と、を実行する制御部１５０を備え、制御部１５０は、特定の条件を満たす場合に、速度制御から位置制御に切り替える。
【００５７】
これによれば、試験条件に対応して速度制御から位置制御への制御の切り替えができる。このため、複数の試験条件を組み合わせた材料試験を好適に実行することができる。
【００５８】
特定の条件は、試験片ＴＰの変位量の目標値が時間の経過に伴って変化しないことを含む。
【００５９】
これによれば、試験片ＴＰの変位量の目標値が時間の経過に伴って変化しない場合に、制御が速度制御から位置制御に切り替えられる。このため、位置制御を実行して、変位量を、変位量の目標値に一致させることができる。
【００６０】
材料試験機１は、積分制御を実行する積分制御器２０２を備え、制御部１５０は、速度制御から位置制御に切り換えるときに、積分制御器２０２の制御偏差の積算値を零にする。
【００６１】
これによれば、制御の切り替えのときに、積分制御器２０２の制御偏差の積算値が零になるので、速度制御のときに算出された制御偏差の積算値が、位置制御に影響しないようにすることができる。
【００６２】
制御部１５０は、速度制御を実行している場合に、速度の目標値を積分して変位量の仮想目標値を算出し、算出した仮想目標値に基づいて、速度制御から位置制御に切り替える。
【００６３】
これによれば、速度制御から位置制御への切り替えのときに、オーバーシュートの発生を抑制することができる。つまり、フィードバック制御では、速度の目標値は、速度の実測値よりも大きくなることから、速度の目標値を積分して求めた仮想目標値を基準として速度制御から位置制御に切り替えることで、オーバーシュートの発生を抑制しながら制御を位置制御に切り替えることができる。
【００６４】
制御部１５０は、速度の実績値が速度の目標値を連続して超過した場合に、速度の目標値に替えて速度の実績値を積分する。
【００６５】
これによれば、速度制御から位置制御への切り替えのときに、オーバーシュートの発生を抑制することができる。試験材料に塑性変形が生じると、速度の実測値が速度の目標値よりも大きくなる場合がある。この場合に、速度の実測値を積分して仮想目標値を算出することで、試験材料に塑性変形が生じた場合であっても、オーバーシュートの発生を抑制しながら制御を位置制御に切り替えることができる。
【００６６】
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、および応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、フィードバック制御の対象の物理量が試験片ＴＰの変位である場合を例にして説明したが、負荷機構１２により試験片ＴＰに付与される試験力Ｆを対象の物理量とし、試験力Ｆの単位時間当たりの変化量から算出した試験力Ｆの速度を、速度の目標値に一致させる制御であってもよい。
【００６７】
また、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。
【００６８】
例えば、図９に示す動作のステップ単位は、材料試験機１の各部の動作の理解を容易にするために、主な処理内容に応じて分割したものであり、処理単位の分割の仕方や名称によって、本発明が限定されることはない。処理内容に応じて、さらに多くのステップ単位に分割してもよい。また、１つのステップ単位がさらに多くの処理を含むように分割してもよい。また、そのステップの順番は、本発明の趣旨に支障のない範囲で適宜に入れ替えてもよい。
【００６９】
例えば、上記実施形態では、伸張試験を行う材料試験機１を示したが、本発明は、試験片ＴＰに試験力Ｆを付与して、試験片ＴＰの物理量の変化を測定する材料試験機１に対して広く適用することができる。例えば、引張試験、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。なお、試験片ＴＰの試験機本体２に固定する冶具は、試験種に応じて適切なものが採用される。
【００７０】
また、本発明のプログラムをコンピュータにより実現する場合、このコンピュータに実行させるプログラムを記録媒体、又はプログラムを伝送する伝送媒体の態様で構成することも可能である。記録媒体には、磁気的、光学的記録媒体又は半導体メモリデバイスを用いることができる。具体的には、記録媒体には、フレキシブルディスク、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read Only Memory）、ＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標） Ｄｉｓｃ、光磁気ディスクが挙げられる。また、記録媒体として、フラッシュメモリ、カード型記録媒体等の可搬型、或いは固定式の記録媒体を挙げることもできる。また、上記記録媒体は、表示装置が備える内部記憶装置であるＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等の不揮発性記憶装置であってもよい。
【００７１】
上述した実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
【００７２】
（請求項１）
一態様に係る制御装置は、負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機の制御装置であって、前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記試験力を前記試験対象に付与する前記負荷機構を制御する速度制御と、前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御と、を実行する制御部を備え、前記制御部は、特定の条件を満たす場合に、前記速度制御から前記位置制御に切り替える。
【００７３】
第１項に記載の制御装置によれば、試験条件に対応して速度制御から位置制御への制御の切り替えができる。このため、複数の試験条件を組み合わせた材料試験を好適に実行することができる。
【００７４】
（請求項２）
第１項の制御装置において、前記特定の条件は、前記物理量の目標値が時間の経過に伴って変化しないことを含む。
【００７５】
第２項に記載の制御装置によれば、物理量の目標値が時間の経過に伴って変化しない場合に、制御が速度制御から位置制御に切り替えられる。このため、位置制御を実行して、変位量を、変位量の目標値に一致させることができる。
【００７６】
（請求項３）
第１項又は第２項の制御装置において、積分制御を実行する積分制御器を備え、前記制御部は、前記速度制御から前記位置制御に切り替えるときに、前記積分制御器の制御偏差の積算値を零にする。
【００７７】
第３項に記載の制御装置によれば、制御の切り替えのときに、積分制御器の制御偏差の積算値が零になるので、速度制御のときに算出された制御偏差の積算値が、位置制御に影響しないようにすることができる。
【００７８】
（請求項４）
第１項から第３項のいずれか１項に記載の制御装置において、前記制御部は、前記速度制御を実行している場合に、前記速度の目標値を積分して前記物理量の仮想目標値を算出し、算出した前記仮想目標値に基づいて、前記速度制御から前記位置制御に切り替える。
【００７９】
第４項に記載の制御装置によれば、速度制御から位置制御への切り替えのときに、オーバーシュートの発生を抑制することができる。つまり、フィードバック制御においては、速度の目標値は、速度の実測値よりも大きくなることから、速度の目標値を積分して求めた仮想目標値を基準として速度制御から位置制御に切り替えることで、オーバーシュートの発生を抑制しながら制御を位置制御に切り替えることができる。
【００８０】
（請求項５）
第４項に記載の制御装置において、前記制御部は、前記速度の実績値が前記速度の目標値を連続して超過した場合に、前記速度の目標値に替えて前記速度の実績値を積分する。
【００８１】
第５項に記載の制御装置によれば、速度制御から位置制御への切り替えのときに、オーバーシュートの発生を抑制することができる。試験材料に塑性変形が生じた場合、速度の実測値が速度の目標値よりも大きくなる場合がある。このような場合に、速度の実測値を積分して仮想目標値を算出することで、試験材料に塑性変形が生じた場合であっても、オーバーシュートの発生を抑制しながら制御を位置制御に切り替えることができる。
【００８２】
（請求項６）
一態様に係る材料試験機は、負荷機構により試験対象に試験力を付与し、前記試験対象を変形させて材料試験を行う材料試験機であって、請求項１から５のいずれか１項に記載の制御装置を備える。
【００８３】
第６項に記載の材料試験機によれば、第１項に記載の制御装置と同様の効果を奏する。
【００８４】
（請求項７）
一態様に係る材料試験機の制御方法は、負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機の制御方法であって、前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する速度制御ステップと、前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御ステップと、を有し、特定の条件を満たす場合に、前記速度制御ステップから前記位置制御ステップに切り替える。
【００８５】
第７項に記載の材料試験機の制御方法によれば、第１項に記載の制御装置と同様の効果を奏する。
【００８６】
（請求項８）
一態様に係るプログラムは、負荷機構により試験対象に試験力を付与して材料試験を行う材料試験機に搭載されたコンピュータに実行させるプログラムであって、前記コンピュータに、前記試験対象の物理量の単位時間当たりの変化量を示す速度を、前記速度の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する速度制御手順と、前記物理量を、前記物理量の目標値に一致させるように、前記負荷機構を制御する位置制御手順と、を実行させ、特定の条件を満たす場合に、前記速度制御手順から前記位置制御手順に切り替える。
【００８７】
第８項に記載の材料試験機の制御方法によれば、第１項に記載の制御装置と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００８８】
１  材料試験機
２  試験機本体
６  テーブル
８、９  ネジ棹
１０  クロスヘッド
１２  負荷機構
１４  ロードセル
１６、１７  ウォーム減速機
１８  サーボモータ
２０  ロータリエンコーダ
２１  上つかみ具
２２  下つかみ具
３１  上アーム
３３  下アーム
３５  歪みゲージ
１００  制御装置
１１１  ロードアンプ
１１２  ＬＰＦ
１１３、１２３  Ａ／Ｄ変換器
１２１  ストレインアンプ
１３１  カウンタ回路
１３３  サーボアンプ
１４１  表示器
１４５  操作部
１５０  制御部
１６０  メモリ
１６３  制御プログラム
１６５  目標データ
１７０  プロセッサ
１７５  指令値演算部
２０１  減算器
２０２  積分制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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