(57)【要約】【課題】  負荷制御つまみ等の操作子を利用して試験速度を調整した場合においても、試験速度を適正な範囲内に維持することが可能な材料試験機を提供する。【解決手段】  材料試験機における制御部４８は、試験速度演算部６１と、試験速度比較部６２と、試験速度制御部６３と、警報発生部６４と、試験速度記憶部６５とを備える。制御部４８は、圧力センサ３３、ストローク検出器３４、変位計１２、試験力表示計４２および表示部４６と接続されている。また、制御部４８は、油圧ユニット３８における電動サーボ弁３７および油圧ポンプ３６とも接続されている。材料試験機においては、測定された試験速度が最大試験速度以上のときは試験速度が最大試験速度となるように、また、測定された試験速度が最小試験速度以下のときは試験速度が最小試験速度となるように、試験速度の制御を実行している。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷枠内に配置された試験片に対して負荷を付与する材料試験機において、
前記負荷枠を構成する負荷部材を移動させる油圧シリンダと、前記油圧シリンダに作動油を圧送する油圧ポンプと、前記油圧シリンダに供給する作動油の流量を調整する電動弁を備える負荷機構と、
オペレータの操作を受け、前記電動弁を開閉することにより、前記試験片に与える試験速度を変更する操作子と、
前記試験片が受けた試験力を検出する試験力検出器と、
前記試験片に発生した変位を測定するための変位測定器と、
予め設定された最大試験速度および最小試験速度を記憶する記憶部と、
前記試験力検出器により検出した単位時間当たりの試験力の変化量、または、前記変位測定器により検出した単位時間当たりの前記試験片の変位の変化量に基づいて、試験速度を測定するとともに、測定された試験速度が最大試験速度より大きいときには試験速度が最大試験速度となるように、また、測定された試験速度が最小試験速度より小さいときには試験速度が最小試験速度となるように、前記電動弁の開度を制御して試験速度を調整する制御部と、
を備えたことを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
請求項１に記載の材料試験機において、
前記操作子は、オペレータにより正逆回転され、回転位置により入力内容を変更するつまみである材料試験機。
【請求項３】
請求項２に記載の材料試験機において、
前記変位測定器は、前記負荷部材の移動量を測定する移動量検出器または前記試験片における標点間の距離の変位を測定する変位計である材料試験機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の材料試験機において、
測定された試験速度が最大試験速度以上のとき、または、測定された試験速度が最小試験速度以下のときに、警告表示を行う材料試験機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の材料試験機において、
前記制御部は、単位時間当たりの試験力の変化を制御量とすることにより、試験速度として応力速度を制御する材料試験機。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の材料試験機において、
前記制御部は、単位時間当たりの前記試験片の変位量の変化を制御量とすることにより、試験速度として変位速度を制御する材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、油圧シリンダにより試験片に負荷を与える材料試験機に関し、特に、負荷制御つまみと呼称される操作子を操作して試験速度を制御することができる材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような材料試験機には、万能試験機とも呼称されるものがある。この万能試験機と呼ばれる材料試験機は、テーブルと、このテーブルに支柱を介して連結された上部クロスヘッドと、テーブルと上部クロスヘッドとを同期して昇降させるラムシリンダと、支柱に沿って昇降可能な下部クロスヘッドと、この下部クロスヘッドを昇降させる一対のネジ棹とを備える。
【０００３】
このような材料試験機において引張試験を行う場合には、上部クロスヘッドに配設された上つかみ具と下部クロスヘッドに配設された下つかみ具により試験片の両端を把持した状態で、ラムシリンダに油圧ユニットから作動油を供給することにより、下部クロスヘッドに対して上部クロスヘッドを上昇させて試験片に負荷を与える。一方、この材料試験機において圧縮試験を行う場合には、下部クロスヘッドとテーブルとの間に試験片を配置した状態で、ラムシリンダに油圧ユニットから作動油を供給することにより、下部クロスヘッドに対してテーブルを上昇させて試験片に負荷を与える。そして試験片に与えられた負荷は、荷重検出器により検出され、そのときの荷重が表示器に表示される。
【０００４】
また、このような材料試験機は、ラムシリンダの動作を制御して試験片に与える負荷を制御するための操作盤や操作パネルが配設された制御装置を備える。材料試験機のオペレータは、制御装置に配設された回転式のつまみである負荷制御つまみを手動で回転させることにより、油圧ユニットに設けられた流量調整用の弁の開度を手動で調整し、テーブルの移動速度を調整している（特許文献１参照）。
【０００５】
このような流量調整用の弁としては、電動サーボ弁等の電動弁が採用される。このような電動弁を使用する場合には、操作された負荷制御つまみの位置を弁開度に対応する電気信号として出力し、電動弁に供給することにより、弁開度を調整するようにしている。たとえば、電動弁が閉から全開になるまでに対応する負荷制御つまみの回転量が＋１２０度であったとすると、現在の負荷制御つまみの回転位置（回転角度）を１２０度で除した値に電動弁を全開する電流値を乗算する計算式による開ループ制御により、電動弁の弁開度の調整が行われている。
【０００６】
ところで、このような材料試験機を使用した材料試験時には、試験速度を予め定められた一定の範囲とすることが要請されている。例えば、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１（金属材料引張試験方法）においては、弾性係数Ｅが１５００００ＭＰａより小さな材料に対する応力速度の上限は２０ＭＰａ／ｓ、また、下限は２ＭＰａ／ｓと規定されており、弾性係数Ｅが１５００００ＭＰａ以上の材料に対する応力速度の上限は３０ＭＰａ／ｓ、また、下限は３ＭＰａ／ｓと規定されている。従って、試験速度は、ＪＩＳ等の規定により定められた範囲内で変更する必要がある。
【０００７】
このため、試験速度の調整を精度よく、しかも、自動的に実行することが可能な材料試験機の負荷速度制御装置も提案されている(特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１１２７５３号公報
【特許文献２】特開昭５８−７３８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２に記載された装置のように、試験速度を予め設定しておき、材料試験機の制御装置により自動的に試験速度を調整して材料試験を実行した場合には、材料試験を適正な範囲内で実行することが可能となる。一方、従来より使用されている負荷制御つまみを手動で回転させることによりテーブルの移動速度を調整する構成の材料試験機に慣れたオペレータは、そのような制御装置による制御を利用せず、使い慣れた負荷制御つまみを利用して材料試験を実行することも多い。
【００１０】
しかしながら、このようにオペレータが負荷制御つまみを操作して材料試験を実行した場合においては、試験速度がＪＩＳ等の規格により予め定められた範囲から逸脱してしまう場合がある。このように、試験速度が規格により定められた範囲を逸脱した場合には、適正な材料試験が実行されなかったことになる。また、試験速度が規格により定められた範囲内でなかった場合においても、材料試験後のデータの解析が終了するまでその事実が判明しない場合があり、適正な材料試験の完了までに長い時間を要する場合がある。
【００１１】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、負荷制御つまみ等の操作子を利用して試験速度を調整した場合においても、試験速度を適正な範囲内に維持することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、負荷枠内に配置された試験片に対して負荷を付与する材料試験機において、前記負荷枠を構成する負荷部材を移動させる油圧シリンダと、前記油圧シリンダに作動油を圧送する油圧ポンプと、前記油圧シリンダに供給する作動油の流量を調整する電動弁を備える負荷機構と、オペレータの操作を受け、前記電動弁を開閉することにより、前記試験片に与える試験速度を変更する操作子と、前記試験片が受けた試験力を検出する試験力検出器と、前記試験片に発生した変位を測定するための変位測定器と、予め設定された最大試験速度および最小試験速度を記憶する記憶部と、前記試験力検出器により検出した単位時間当たりの前記試験力の変化量、または、前記変位測定器により検出した単位時間当たりの試験片の変位の変化量に基づいて、試験速度を測定するとともに、測定された試験速度が最大試験速度より大きいときには試験速度が最大試験速度となるように、また、測定された試験速度が最小試験速度より小さいときには試験速度が最小試験速度となるように、前記電動弁の開度を制御して試験速度を調整する制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記操作子は、オペレータにより正逆回転され、回転位置により入力内容を変更するつまみである。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記変位測定器は、前記負荷部材の移動量を測定する移動量検出器または前記試験片における標点間の距離の変位を測定する変位計である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、測定された試験速度が最大試験速度以上のとき、または、測定された試験速度が最小試験速度以下のときに、警告表示を行う。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の発明において、前記制御部は、単位時間当たりの試験力の変化を制御量とすることにより、試験速度として応力速度を制御する。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の発明において、前記制御部は、単位時間当たりの前記試験片の変位量の変化を制御量とすることにより、試験速度として変位速度を制御する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１から請求項３に記載の発明によれば、負荷制御つまみ等の操作子を利用して試験速度を調整した場合においても、試験速度を適正な範囲内に維持することが可能となる。このため、オペレータがマニュアルで試験速度を変更した場合においても、材料試験を常に適正に実行することが可能となる。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、オペレータによる操作量が試験速度が適正となる範囲を超えることから、オペレータによる操作量とは異なる試験速度で材料試験が実行されたことを容易に認識することが可能となる。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、応力速度を適正な範囲内に維持することが可能となる。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、変位速度を適正な範囲内に維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明に係る材料試験機の概要図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】計測制御装置４０の試験力指示計４２および負荷制御つまみ５１を示す図である。
【図４】この発明に係る材料試験機の制御系を示すブロック図である。
【図５】この発明に係る材料試験機による材料試験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】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る材料試験機の概要図であり、図２はそのＡ−Ａ断面図である。
【００２４】
この材料試験機は、テーブル２１と、このテーブル２１に一対の支柱２２を介して連結された上部クロスヘッド２４と、テーブル２１と上部クロスヘッド２４とを同期して昇降させるラムシリンダ２５と、一対の支柱２２に沿って昇降可能な下部クロスヘッド２６と、この下部クロスヘッド２６の両端に設けられた図示しないナットと螺合する一対のネジ棹２３と、一対のネジ棹２３と図示しない駆動連結機構を介して連結され、一対のネジ棹２３を互いに同期して回転させるモータ２７とを備える。
【００２５】
上部クロスヘッド２４には上つかみ具３１が付設されており、下部クロスヘッド２６には下つかみ具３２が付設されている。引張試験がなされる試験片１０は、これらの上つかみ具３１および下つかみ具３２によりその両端を把持され、負荷枠内に固定される。また、下部クロスヘッド２６には圧盤２８が付設されており、圧縮試験がなされる試験片１１は、下部クロスヘッド２６とテーブル２１の間に配置され、この圧盤２８とテーブル２１とによりその上下端部を押圧される。
【００２６】
ラムシリンダ２５は、シリンダ室２５ａに作動油を供給することによりラム２５ｂが移動する構成を有する。そして、ラム２５ｂが移動することにより、テーブル２１、一対の支柱２２および上部クロスヘッド２４が同期して上昇する。このテーブル２１および上部クロスヘッド２４の上昇により、引張試験を行うときには上つかみ具３１および下つかみ具３２によりその両端を把持された試験片１０に引張荷重が付与され、圧縮試験を行うときには圧盤２８とテーブル２１との間に配置された試験片１１に圧縮荷重が付与される。このラムシリンダ２５は、油圧ユニット３８から作動油の供給を受けることにより動作する。
【００２７】
このように、引張試験においては、一対の支柱２２と、上部クロスヘッド２４と、下部クロスヘッド２６により負荷枠が構成され、圧縮試験においては、一対の支柱２２と、下部クロスヘッド２６とテーブル２１により負荷枠が構成される。
【００２８】
この材料試験機は、試験力等の計測およびこの材料試験機全体の動作を制御する計測制御装置４０を備える。この計測制御装置４０は、制御部４８と、試験片１０、１１に与えられた試験力を表示する試験力表示計４２と、制御部４８に接続されたスイッチ群からなる操作部４７を備える。
【００２９】
操作部４７には、油圧ユニット３８に配設された油圧ポンプの始動と停止、材料試験の開始と停止、後述する分割目盛表示部４３における表示範囲変更や指針４１のゼロ点合わせ等の各動作に対応した複数のスイッチの他に、後述する負荷制御つまみ５１が配設されている。
【００３０】
この材料試験機により引張試験または圧縮試験を行ったときの試験力は、試験力検出器としての圧力センサ３３により測定される。すなわち、この圧力センサ３３により測定された圧力値は、計測制御装置４０の制御部４８に送信され試験力に変換され、必要に応じＬＣＤなどにより構成される表示部４６および試験力表示計４２に表示される。また、このときのテーブル２１および上部クロスヘッド２４の移動量は、ストローク検出器３４により検出される。このストローク検出器３４の検出値は、制御部４８に送信され、必要に応じ表示部４６に表示される。さらに、引張試験を行ったときの試験片１０における標点間の距離の変位を測定する変位計１２が付設されている。この変位計１２の検出値も、制御部４８に送信される。なお、この実施形態においては、ストローク検出器３４の他に変位計１２を配設した場合を示しているが、変位計１２は必ずしも必要なものではない。ストローク検出器３４により試験片１０に発生した変位を測定することで、変位計１２を省略するようにしてもよい。
【００３１】
図３は、計測制御装置４０に設けられた試験力表示計４２および負荷制御つまみ５１を示す図である。
【００３２】
図３（ａ）に示す試験力表示計４２は、アナログ表示器としての指針４１と、デジタル表示器により構成される、分割目盛表示部４３、試験力表示部４４およびピーク表示部４５とを備える。指針４１は、現在の試験力値をアナログ表示するものであり、表示盤の中心に配設された軸を介して連結されたステッピングモータ（図示せず）の回転駆動により、試験力に対応する表示盤上の位置を指し示すように移動する。また、各分割目盛表示部４３には、表示盤のフルスケール（１周分）の５分割位置の試験力値がデジタル表示され、試験力表示部４４には現在の試験力が表示され、ピーク表示部４５には最大試験力が表示される。
【００３３】
図３（ｂ）に示す負荷制御つまみ５１は、オペレータにより正逆回転される回転式のつまみであり、オペレータの手動操作により試験速度の変更および調整を可能とする操作子である。負荷制御つまみ５１の背面には軸を介して可変抵抗器（図示せず）が接続されており、負荷制御つまみ５１の回転に伴って変更される抵抗値に応じた電圧を出力するように構成されている。操作部４７の負荷制御つまみ５１が配設されたパネル面には、負荷制御つまみ５１の回転範囲の外周に沿って「ＲＥＴＵＲＮ」、「ＨＯＬＤ」、「ＬＯＡＤ」および「ＯＰＥＮ」の表示が記されている。
【００３４】
オペレータが負荷制御つまみ５１を「ＬＯＡＤ」から「ＯＰＥＮ」の間の位置に回転させると、ラム２５ｂ（図１参照）が上昇し、負荷制御つまみ５１の回転位置が「ＯＰＥＮ」に近づくほど、シリンダ室２５ａに流入する作動油の流量が増し、ラム２５ｂの上昇速度が速くなる。オペレータは、負荷制御つまみ５１の回転位置を「ＬＯＡＤ」から「ＯＰＥＮ」の間で変更することにより、ラム２５ｂの上昇速度を変更し、テーブル２１および上部クロスヘッド２４の移動速度であるストローク速度や、試験片１０、１１に与える単位時間あたりの試験力である試験力速度といった試験速度を調整することができる。なお、オペレータが負荷制御つまみ５１を「ＲＥＴＵＲＮ」の位置に回転させると、ラム２５ｂが下降し規定位置に戻り、「ＨＯＬＤ」の位置に回転させると、ラム２５ｂが同じ位置にとどまる。
【００３５】
図４は、この発明に係る材料試験機の制御系を示すブロック図である。
【００３６】
制御部４８は、記憶装置としてのＲＡＭ、ＲＯＭおよび演算装置としてのＣＰＵにより後述する各種機能を実現するものである。制御部４８は、後述する各種の動作を実行するための機能的構成として、試験速度演算部６１と、試験速度比較部６２と、試験速度制御部６３と、警報発生部６４と、試験速度記憶部６５とを備える。この制御部４８は、上述した圧力センサ３３、ストローク検出器３４、変位計１２、試験力表示計４２および表示部４６と接続されている。また、この制御部４８は、上述した油圧ユニット３８における電動サーボ弁３７および油圧ポンプ３６とも接続されている。この電動サーボ弁３７の開度は、オペレータが負荷制御つまみ５１を操作することにより変更される。
【００３７】
図５は、この発明に係る材料試験機による材料試験動作を示すフローチャートである。
【００３８】
以下に説明するように、この発明に係る材料試験機においては、測定された試験速度が最大試験速度以上のときは試験速度が最大試験速度となるように、また、測定された試験速度が最小試験速度以下のときは試験速度が最小試験速度となるように、試験速度の制御を実行している。ここで、「試験速度」とは、試験力制御により材料試験を実行するときの単位時間当たりの試験力の変化速度である「応力速度」、歪み制御により材料試験を実行するときの単位時間当たりの標点間の距離の変化速度である「歪み速度」、および、ストローク制御により材料試験を実行するときの単位時間当たりのつかみ具間の距離の変化速度である「ストローク速度」を包括する概念である。
【００３９】
なお、以下の実施形態においては、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１（金属材料引張試験方法）に即して、弾性係数Ｅが１５００００ＭＰａより小さな試験片１０に対して応力速度の上限が２０ＭＰａ／ｓ、また、下限が２ＭＰａ／ｓの範囲で、試験力制御により引張試験を実行する場合について説明する。
【００４０】
引張試験を実行するときには、上つかみ具３１と下つかみ具３２とに試験片１０を把持させる。そして、計測制御装置４０による制御を開始する。このとき、負荷制御つまみ５１が操作されると、負荷制御つまみ５１の回転位置に応じた信号が制御部４８に入力され、その回転位置が読み取られる（ステップＳ１）。そして、負荷制御つまみ５１による入力値に基づいて、試験速度（応力速度）が設定され、試験速度制御が開始される（ステップＳ２）。
【００４１】
次に、試験速度の上限値と下限値とが設定されているか否かを判断する（ステップＳ３）。例えば、弾性係数Ｅが１５００００ＭＰａより小さな材料に対してＪＩＳ  Ｚ  ２２４１（金属材料引張試験方法）に即して引張試験を実行する場合には、応力速度の上限が２０ＭＰａ／ｓに、また、下限が２ＭＰａ／ｓに設定されている。この応力速度の上限値と下限値とは、制御部４８における試験速度記憶部６５に、予め、記憶されている。一方、ＪＩＳ等に規定されていない規格外の材料試験を実行する場合には、このような上限値と下限値とは、設定されていない。このような場合には、以下に述べる制御は実行されない。
【００４２】
一方、試験速度の上限値と下限値とが設定されてい場合には（ステップＳ３）、そのときの試験速度（応力速度）を測定する（ステップＳ４）。この試験速度の測定は、圧力センサ３３からの信号を利用して、制御部４８における試験速度演算部６１により実行される。そして、制御部４８における試験速度比較部６２により、そのときの試験速度と、試験速度記憶部６５に記憶された試験速度の上限値および下限値とが比較される。
【００４３】
そのときの試験速度が上限値である２０ＭＰａ／ｓより大きいときには（ステップＳ５）、試験速度が最大試験速度である２０ＭＰａ／ｓとなるように、電動サーボ弁３７の開度が設定される（ステップＳ６）。この制御は、制御部４８における試験速度制御部６３により実行される。そして、制御部４８における警報発生部６４により、表示部４６にその旨の警告表示が行われるとともに、必要に応じ、警告音が発生される（ステップＳ７）。
【００４４】
一方、そのときの試験速度が下限値である２ＭＰａ／ｓより小さいときには（ステップＳ８）、試験速度が最小試験速度である２ＭＰａ／ｓとなるように、電動サーボ弁３７の開度が設定される（ステップＳ９）。この制御は、制御部４８における試験速度制御部６３により実行される。そして、制御部４８における警報発生部６４により、表示部４６にその旨の警告表示が行われるとともに、必要に応じ、警告音が発生される（ステップＳ１０）。
【００４５】
試験片１０が破断して試験が終了するまで、上述した試験速度で試験が継続される（ステップＳ１１）。このとき、負荷制御つまみ５１が操作された場合には、ステップＳ１に戻って試験速度制御を再開する。
【００４６】
なお、上述した実施形態においては、試験速度としての応力速度の上限が２０ＭＰａ／ｓ、下限が２ＭＰａ／ｓの範囲で試験力制御により材料試験を実行する場合について説明したが、試験速度を歪み速度とした歪み制御により材料試験を行う場合や、試験速度をストローク速度としたストローク制御により材料試験を行う場合にも、この発明を適用することができる。この場合には、変位計１２やストローク検出器３４の信号を利用して試験速度を所定の範囲内になるよう制御するようにすればよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０    試験片
１１    試験片
１２    変位計
２１    テーブル
２２    支柱
２３    ネジ棹
２４    上部クロスヘッド
２５    ラムシリンダ
２６    下部クロスヘッド
３１    上つかみ具
３２    下つかみ具
３３    圧力センサ
３４    ストローク検出器
３６    油圧ポンプ
３７    電気油圧サーボ弁
３８    油圧ユニット
４０    計測制御装置
４２    試験力表示計
４６    表示部
４７    操作部
４８    制御部
５１    負荷制御つまみ
６１    試験速度演算部
６２    試験速度比較部
６３    試験速度制御部
６４    警報発生部
６５    試験速度記憶部
【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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