(57)【要約】【課題】  未知の特性を持つ被試験体に対して、監視対象量とは異なる量を制御対象量として負荷機構を駆動制御するに当たり、試験の開始当初から被試験体に対してほぼ監視対象量目標値に一致した負荷を加えることのできる材料試験機を提供する。【解決手段】  試験に先立ち、選択された制御対象量のもとに低速ランプ波を目標値として被試験体Ｗに負荷を加えつつ、監視対象量の検出値を取り込んでこれら両者の関係を自動的に計測し、その計測結果に基づき、試験時における制御対象量に対する目標値を自動的に決定することで、試験開始当初から被試験体Ｗに対して意図する負荷を加えることを可能とする。【選択図】  図２
2006300740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被試験体に負荷を加える負荷機構と、被試験体に作用する試験力を検出する力検出手段と、上記負荷機構の変位を検出する変位検出手段と、少なくともこれらの力検出手段および変位検出手段による試験力検出値および変位検出値を含む複数の検出値のうち、制御対象量として選択された検出値が、あらかじめ設定されている目標値に一致するように上記負荷機構を制御する制御装置を備えた材料試験機において、
選択された制御対象量とは異なる量の検出値を監視対象量として、その監視対象量が別途設定される監視対象量目標値に一致するよう、上記負荷機構を制御する試験を行うに当たり、試験に先立ち、低速ランプ波を目標値として、選択された制御対象量のもとに上記負荷機構を駆動制御して被試験体に負荷を加えつつ、上記監視対象量の検出値を取り込んで当該監視対象量と制御対象量との関係を自動的に求める被試験体特性計測手段と、その求められた被試験体特性に基づき、試験時における上記制御対象量に対する目標値を自動的に決定する目標値決定手段を備えていることを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
上記監視対象目標値が上限値と下限値を繰り返す目標値であって、上記被試験体特性計測手段は、上記低速ランプ波を目標値として負荷機構を駆動制御しつつ、監視対象量が上記上限値および下限値にそれぞれ到達した時点における制御対象量の値を記憶し、上記目標値決定手段は、これらの記憶値から制御対象量に対する目標値の平均値と振幅値を求めることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は材料試験機に関し、特に、監視対象量がその目標値に一致するように、これとは異なる検出値を制御量として負荷機構を制御する試験を行うのに適した材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
疲労試験や耐久試験等においては、一般に、負荷機構のアクチュエータとして油圧シリンダや空圧シリンダ、あるいは電磁式等の直動型のアクチュエータを用い、そのアクチュエータをフィードバック制御する構成が多用されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
すなわち、例えば一対の掴み具の一方を油圧シリンダのピストンロッドに取り付けるとともに、これに対向して他方の掴み具をクロスヘッド等に固定して、これらにより被試験体の両端部を把持した状態で油圧シリンダを駆動することによって、被試験体に負荷が加わるように構成する。また、被試験体に作用する試験力および油圧シリンダのストロークを検出する。油圧シリンダ等の負荷機構の制御は、これらの試験力ないしは変位の検出値のうち、制御対象量（制御量）として選択された量の検出値を、あらかじめ設定されている目標値波形にフィードバックすることによって行われ、これにより、被試験体に目標値波形通りの負荷が加えられる。
【特許文献１】特開２００２−３４０７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、以上のような材料試験機を用いて、制御対象量とは異なる量を監視対象量として、その監視対象量が目標値に一致するように負荷機構を制御する試験が行われることがある。
【０００５】
すなわち、例えば図５に要部外観図を示すように、部材ＷａとＷｂとからなる被試験体Ｗの疲労試験や耐久試験等を行うべく、例えば部材Ｗａを図中矢印で示す方向に繰り返し変位させたとき、その変位と被試験体Ｗに作用する試験力の関係は図６に例示する通りとなる。このような被試験体Ｗに対して、図示するような上下の到達目標試験力ＦｔおよびＦｐを作用させるような試験を行う場合、試験力は負荷機構の変位に対して連続的に変化しないために、試験力を制御対象量として負荷機構を制御することはできない。
【０００６】
そこで、従来、制御対象量を変位として負荷機構を駆動制御しつつ、試験力を監視対象量として、上下の到達目標試験力ＦｔおよびＦｐが繰り返し被試験体Ｗに作用するような変位目標値を設定している。このような監視対象量である試験力とは異なる量である変位を制御対象量として負荷機構を駆動制御する場合、実際に被試験体を負荷してみないと、被試験体に作用する試験力がどのような値となるか不明である。そのため、従来では、オペレータが経験に基づいて、監視対象量が目標とする値となるように、制御対象量の目標値の振幅等を設定していた。
【０００７】
ところで、未知の特性を持つ被試験体に対して上記のような試験を行う場合、制御対象量の目標値の振幅等を適当に設定して試験を行うことになるが、例えば目標値の振幅を過大に設定してしまうと、被試験体に過負荷がかかり、試験結果に影響が及んでしまう。逆に目標値の振幅を過小に設定してしまうと監視対象量の上下限値に到達せず、その後に補正処理を行ったとしても、監視対象量の上下限値に到達する試験を行えるまでに時間を要してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、未知の特性を持つ被試験体に対して、監視対象量とは異なる量を制御対象量として負荷機構を駆動制御するに当たり、試験の開始当初から被試験体に対してほぼ監視対象量目標値に一致した負荷を加えることのできる材料試験機の提供をその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明の材料試験機は、被試験体に負荷を加える負荷機構と、被試験体に作用する試験力を検出する力検出手段と、上記負荷機構の変位を検出する変位検出手段と、少なくともこれらの力検出手段および変位検出手段による試験力検出値および変位検出値を含む複数の検出値のうち、制御対象量として選択された検出値が、あらかじめ設定されている目標値に一致するように上記負荷機構を制御する制御装置を備えた材料試験機において、選択された制御対象量とは異なる量の検出値を監視対象量として、その監視対象量が別途設定される監視対象量目標値に一致するよう、上記負荷機構を制御する試験を行うに当たり、試験に先立ち、低速ランプ波を目標値として、選択された制御対象量のもとに上記負荷機構を駆動制御して被試験体に負荷を加えつつ、上記監視対象量の検出値を取り込んで当該監視対象量と制御対象量との関係を自動的に求める被試験体特性計測手段と、その求められた被試験体特性に基づき、試験時における上記制御対象量に対する目標値を自動的に決定する目標値決定手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。
【００１０】
ここで、本発明においては、上記監視対象目標値が上限値と下限値を繰り返す目標値であって、上記被試験体特性計測手段は、上記低速ランプ波を目標値として負荷機構を駆動制御しつつ、監視対象量が上記上限値および下限値にそれぞれ到達した時点における制御対象量の値を記憶し、上記目標値決定手段は、これらの値から制御対象に対する目標値の平均値と振幅値を求めるように構成すること（請求項２）ができる。
【００１１】
本発明は、監視対象量とは異なる制御対象量のもとに負荷機構を制御する試験に際して、試験に先立って被試験体の特性を自動的に計測し、その結果をもとに制御対象量の目標値を自動的に求めることによって、課題を解決するものである。
【００１２】
すなわち、本発明においては、試験に先立ち、選択された制御対象量のもとに、被試験体に対して影響を及ぼしにくい低速ランプ波を目標値として被試験体を負荷しつつ、監視対象量の検出値を取り込み、被試験体の特性、つまり例えば制御対象量である変位と監視対象量である試験力との関係を自動計測する。そして、その計測結果に基づき、監視対象量が当該監視対象量に対して設定されている目標値に一致するような、制御対象量の目標値を自動的に求めることにより、未知の特性を持つ被試験体であっても試験開始当初から監視対象量をほぼ目標値通りとした試験を行うことができる。
【００１３】
そして、監視対象目標値が、被試験体に対して監視対象量の上限値と下限値を繰り返し負荷する目標値である場合には、請求項２に係る発明のように、低速ランプ波を目標値とした負荷により監視対象量の上限値および下限値に対応する制御対象量の検出値を記憶することにより、制御対象量の目標値の平均値と振幅を容易に求めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、制御対象量と監視対象量とが相違する試験を行う場合において、被試験体の特性が未知であっても、試験開始当初から被試験体に対して目標とする監視対象量の負荷を加えることができ、オペレータの勘に頼ることなく常に安全・正確な試験を行うことができる。しかも、被試験体の特性の計測には低速ランプ波を目標値とした負荷を加えるので、実質的に１サイクルの負荷を加えるだけでよく、短時間で特性計測を行うことができると同時に、被試験体に対する影響を殆ど無視することができる。
【００１５】
また、監視対象量の目標値が上限値と下限値を繰り返すものである場合には、請求項２に係る発明のように、低速ランプ波を目標値とした負荷時に、監視対象量の上限値と下限値に対応する制御対象量の値を記憶するだけで、簡単な計算によって制御対象量の目標値を算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１７】
試験機本体１は、テーブル１１上に複数の支柱１２を介してクロスヘッド１３が支持されているとともに、テーブル１１には負荷用の油圧シリンダ１４が固定され、その油圧シリンダ１４のピストンロッド１４ａの上端部に下側の掴み具１５ａが装着され、クロスヘッド１３の下面にロードセル１６を介して上側の掴み具１５ｂが装着された構造を有している。
【００１８】
被試験体Ｗは、上下の掴み具１５ａ，１５ｂに両端部が把持された状態で試験に供される。従って、被試験体Ｗには、油圧シリンダ１４の駆動により引張もしくは圧縮荷重が作用し、その際に被試験体Ｗに作用する試験力はロードセル１６によって刻々と検出される。また、油圧シリンダ１４のピストンロッド１４ａの変位、従って下側の掴み具１５ａの変位は、ピストンロッド１４ａの下端部に設けられたストロークセンサ１７によって刻々と検出される。
【００１９】
油圧シリンダ１４には、サーボバルブ１８を介して油圧源（図示せず）から作動油が供給される。サーボバルブ１８は制御装置２から供給される操作信号によってその弁開度が制御され、従って油圧シリンダ１４は、制御装置２からの操作信号によって駆動制御されることになる。
【００２０】
前記したロードセル１６の出力は被試験体Ｗに作用する試験力の検出出力として制御装置２に刻々と取り込まれ、また、ストロークセンサ１７の出力も負荷機構（油圧シリンダ１４）の変位検出出力として同じく制御装置２に取り込まれる。試験に際しては、制御装置２では、これらの各検出出力のうち、制御対象量に選択されている検出出力を、あらかじめ設定される目標値信号にフィードバックし、その偏差にＰＩＤ演算等を施してサーボバルブ１８に操作信号として供給する。これにより、被試験体Ｗに目標値信号通りの試験力が作用するか、あるいは目標値信号通りの変位が与えられるように、油圧シリンダ１４が駆動制御される。
【００２１】
制御装置２にはパーソナルコンピュータ３が接続されており、このパーソナルコンピュータ３は、制御装置２を介してロードセル１６による試験力の検出出力およびストロークセンサ１７による変位検出出力を入力し、各種データ処理を行うとともに、キーボードやマウス等の操作部４を操作して指令を与えることによって、以下に示す動作により、監視対象量と制御対象量が相違する試験を行うに当たって、制御対象量の目標値を自動的に求めて設定するための目標値自動設定プログラムがインストールされている。
【００２２】
図２にそのプログラムの内容を表すフローチャートを示す。この図２の例は、前記した図５に示したような被試験体Ｗに対して、監視対象量の目標上限値と目標下限値を繰り返し作用させる場合の例を示し、監視対象量を試験力、制御対象量をピストン１４ａの変位とした例を示している。
【００２３】
被試験体Ｗを一対の掴み具１５ａ，１５ｂに装着した状態で、操作部４の操作により目標値自動設定プログラムを選択し、監視対象量と制御対象量をそれぞれ試験力および変位に設定し、監視対象量の上限目標値Ｆｔおよび下限目標値Ｆｐを設定すると、まず、油圧シリンダ１４を変位制御に切り換える。次に、引張もしくは圧縮側、例えば引張側への低速ランプ波を目標値として発生する。これによって、油圧シリンダ１４のピストンロッド１４ａが原点位置から下降を開始し、図３にグラフを示すように、変位計測値が目標値である低速ランプ波に従って変化していく。なお、この低速ランプ波の速度は、試験力が目標値に到達した時点で停止しても殆ど行き過ぎることのない程度の速度とする。一方、試験力計測値は変位がある程度大きくなった時点から変化していく。この間、監視対象量である試験力計測値が目標上限値Ｆｔに到達したか否かを刻々と判別し、到達した時点で、そのときの制御対象量である変位計測値Ｄｔを記憶し、油圧シリンダ１４のピストンロッド１４ａを原点位置に復帰させる。
【００２４】
次に、圧縮側への低速ランプ波を目標値として発生する。これにより、ピストンロッド１４ａが原点位置から上昇を開始し、図３のグラフに示すように、変位計測値が目標値である低速ランプ波に従って変化し、その変位がある程度大きくなった時点で試験力計測値が変化を開始する。やがて試験力計測値が目標下限値Ｆｐに達した時点で、そのときの変位計測値Ｄｐを記憶し、ピストンロッド１４ａを原点に復帰させる。
【００２５】
次に、以上の動作で記憶した変位計測値ＤｔおよびＤｐを用いて、実際の試験時に発生すべき変位目標値を算出する。すなわち、試験力の上限目標値に対応する変位計測値Ｄｔと、同じく下限目標値に対応する変位計測値Ｄｐの平均値をＤａ算出するとともに、これらの各計測値Ｄｔ，Ｄｐの差Ｄｄを算出する。変位目標値は、振幅をＤｄ、平均値をＤａとする波形（例えばサイン波）とする。
【００２６】
実際の試験に際しては、図４に示すように、原点位置から変位目標値の平均値Ｄａに達するランプ波に続いて、上記のプログラムで求めた振幅Ｄｄの目標値波形を発生する。これにより、被試験体Ｗには図示のような目標上限値Ｆｔと目標下限値Ｆｐが繰り返し作用する。
【００２７】
以上の実施の形態において特に注目すべき点は、オペレータが監視対象量とその上下限目標値、および制御対象量を設定し、被試験体Ｗの装着状態で指令を与えるだけで、被試験体Ｗの特性を自動的に計測してその結果に基づいて制御対象量の目標値を決定する点であり、これにより、特性が未知の被試験体Ｗの試験に際しても、オペレータの勘に頼ることなく直ちに意図する試験を行うことができる。
【００２８】
ここで、以上の実施の形態においては、被試験体Ｗに対して予備的な負荷を加えてその特性を計測して求めた振幅Ｄｄの変位目標値を直ちに発生したが、被試験体Ｗの特性計測動作において監視対象量の上下限目標値よりも小さい負荷しか掛けられない場合には、上下限目標に対して規定の割合の負荷を掛け、その負荷に対応する制御対象量の目標値から試験を開始し、監視対象量が本来の上下限目標値に到達するように徐々に制御対象量の目標値を増大させていくという方法を採用することもできる。
【００２９】
また、以上の実施の形態においては、例えばサイン波等の目標値を発生する例を示したが、試験目的に応じて任意の繰り返し波形を発生してもよく、また、プログラム波等の目標値を発生する場合にも本発明を適用し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における目標値自動設定プログラムの内容を表すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態における目標値自動設定プログラムにおける被試験体の特性計測動作時に負荷機構に与えられる変位と、被試験体に作用する試験力の例をそれぞれ示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態における実際の試験時に負荷機構に与えられる変位と、被試験体に作用する試験力の例をそれぞれ示すグラフである。
【図５】監視対象量とは異なる制御対象量を選択する必要のある被試験体の例の要部外観図である。
【図６】図５に示した被試験体に繰り返し変位を与えたときの変位検出値と試験力検出値の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１  試験機本体
１１  テーブル
１２  支柱
１３  クロスヘッド
１４  油圧シリンダ
１４ａ  ピストンロッド
１５ａ，１５ｂ  掴み具
１６  ロードセル
１７  ストロークセンサ
１８  サーボバルブ
２  パーソナルコンピュータ
３  操作部
Ｗ  被試験体
【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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