(57)【要約】【課題】シンプルな構成のもとに、十数ｍ／秒にもおよぶ高速度の試験から数ｍｍ／秒の低速度で安定した試験まで行うことのできる材料試験機を提供する。【解決手段】入力信号の変化に対する弁開度の変化が大流量側で大きくなる２段の入出力特性を持つサーボバルブ３を用い、また、サーボ機構内に、偏差が設定値を越えている状態においてのみサーボバルブ３の弁開度を大流量側の特性内で一定量に保持する回路手段（非線形化回路９２，速度制限回路９５）を設けることにより、低速試験時にはランプ波等の目標値信号を用いることでサーボバルブ３を小流量特性内で動作させてフィードバック制御を行い、高速試験時にはステップ波等の目標値信号を用いることで、サーボバルブ３の弁開度を大流量特性内の一定量に保持し、試験開始時には実質的にオープンループ制御で高速度で動作させ、かつ、目標値近傍ではフィードバック制御で動作させることを可能とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧アクチュエータを駆動源とする負荷機構を備えるとともに、その油圧アクチュエータを駆動制御するサーボバルブを含むサーボ機構を備えた材料試験機において、
上記サーボバルブが、入力信号の変化に対する弁開度の変化が大流量側で大きくなる２段の入出力特性を有し、上記サーボ機構内に、偏差が設定値を越えている状態においてのみ上記サーボバルブの弁開度を大流量側特性内であらかじめ設定された一定量に保持する回路手段を備えていることを特徴とする材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は材料試験機に関し、更に詳しくは、負荷機構の駆動源である油圧アクチュエータをサーボ機構により駆動制御する方式で、しかも高速試験が可能な材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
数ｍ／秒以上の高速度で試験を行うことのできる材料試験機（衝撃試験機）の負荷機構の駆動方式は、通常、オープンループ制御方式を用いたもの（例えば特許文献１参照）や、サーボバルブによるストロークフィードバック制御方式を用いたもの（例えば特許文献２参照）、更には高速用（大流量）のバルブと低速用（小流量）用のサーボバルブの２つのバルブを備えてこれらを選択的に用いてストロークフィードバックを行う制御方式を用いたものなどが実用化されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２４４９４３号公報（第２頁−第３頁）
【特許文献２】
特開平９−１４５５７７号公報（第２頁−第３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の制御方式のうち、オープンループ制御方式では、刻々のピストン位置を任意に制御することができず、また、数ｍｍ／秒といった低い速度での試験を行うことができない。
【０００５】
また、サーボバルブによるストロークフィードバック制御方式では、ピストンの位置制御を行うことができるため、低い速度での試験を行うことができ、しかもある程度の高速の試験を行うことはできるものの、低速度での試験を可能としつつ十数ｍ／秒といった高速度の試験にも対応可能とすることは困難である。更に、高速用（大流量）のバルブと低速用（小流量）のサーボバルブを備え、これらを選択的に用いてストロークフィードバックを行う制御方式のものでは、上記した問題を解決できるものの、試験速度に応じてオペレータがバルブの切り換えを行う必要があるばかりでなく、制御回路も各バルブに対応して用意する必要があって、システムが冗長となってしまう。
【０００６】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、１つのバルブとその制御回路を備えたシンプルな構成のもとに、十数ｍ／秒にもおよぶ高速度の試験から数ｍｍ／秒の低速度で安定した試験まで行うことのできる材料試験機の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の材料試験機は、油圧アクチュエータを駆動源とする負荷機構を備えるとともに、その油圧アクチュエータを駆動制御するサーボバルブを含むサーボ機構を備えた材料試験機において、上記サーボバルブが、入力信号の変化に対する弁開度の変化が大流量側で大きくなる２段の入出力特性を有し、上記サーボ機構内に、偏差が設定値を越えている状態においてのみ上記サーボバルブの弁開度を大流量側特性内であらかじめ設定された一定量に保持する回路手段を備えていることによって特徴づけられる。
【０００８】
本発明は、小流量特性と大流量特性の２段の入出力特性を備えたサーボバルブを用い、そのサーボバルブの弁開度を制御する制御回路内に、偏差が所定値を越えた状態において大流量特性内で一定の弁開度を維持する回路手段を設けることにより、低速度領域ではフィードバック制御方式を、高速度領域ではオープンループ制御とフィードバック制御を複合させた制御方式を、それぞれ自動的に選択することを可能とし、所期の目的を達成しようとするものである。
【０００９】
すなわち、本発明においては、弁開度の小さい小流量領域、つまりバルブへの入力信号が小さいときには小流量特性となり、弁開度の大きい領域、つまりバルブへの入力信号が大きいときには大流量特性となる、２段の入出力特性を有するサーボバルブを用いる。また、サーボ機構内に、偏差がある大きさを越えた状態においてのみ、サーボバルブの弁開度を大流量特性内で一定に保つべく当該サーボバルブに供給すべき制御信号を変化させる回路手段を設ける。
【００１０】
この構成において、低速度で試験を行う場合、負荷機構のストローク制御とし、目標値信号として例えばランプ波などの漸増する信号を用いることにより、サーボバルブは小流量特性内で駆動制御され、従来のサーボバルブを用いた通常の材料試験と同様に低速度で安定したフィードバック制御による試験を行うことができる。
【００１１】
また、高速度で試験を行う場合には、同じくストローク制御のもとに、目標値信号として例えばステップ波などの立ち上がりの急峻な信号を用いる。これにより、偏差は当初から設定値を越え、サーボバルブは一定の弁開度を保って負荷機構を高速度で動作させ、実質的にオープンループ制御となる。このときの試験速度は、この状態におけるサーボバルブの弁開度の設定により任意に決定することができる。また、偏差が設定値以下となると、サーボバルブは上記した小流量特性内で駆動制御され、フィードバック制御に変わり、良好なブレーキ特性のもとに目標値で停止する。
【００１２】
従って本発明によれば、１つのバルブとその制御回路を備えたシンプルな構成のもとに、低速の試験をフィードバック制御により安定して行うことができ、しかも十数ｍ／秒にも及ぶ高速の試験をも容易に行うことが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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全体構成を示す概略図である。
【００１４】
試験機本体のフレーム１は、テーブル１ａ上に複数のコラム１ｂを介して架台１ｃを配した構造を有し、架台１ｃの上に負荷用の油圧アクチュエータ２と、その油圧アクチュエータ２に対する作動油の供給量を弁開度で決定するためのサーボバルブ３と、油圧アクチュエータ２のピストン２ａの変位を検出する変位検出器４が配置されている。油圧アクチュエータ２のピストンには、試験力を検出するための試験力検出器５を介在させた状態でポンチ６が取り付けられている。
【００１５】
また、テーブル１ａの上には、試験片Ｗを把持するための掴み具７が設けられており、このテーブル１ａの下に、配管８ａ，８ｂを通じて油圧アクチュエータ２に作動油を供給／回収するための油圧ユニット８が配置されている。
【００１６】
前記したサーボバルブ３は、制御装置９から供給される制御信号によってその弁開度が制御される。このサーボバルブ３は、その入出力特性が２段になっており、その入出力特性、つまり制御信号入力に対する流量の特性を図３に示す。制御入力信号がＩｔｈ以下では、制御入力信号に対して流量が緩やかに増加する小流量特性を示すが、制御入力信号がＩｔｈを越えると、流量が急峻に増加する大流量特性を示す。
【００１７】
制御装置９は、変位検出器４および試験力検出器５の出力を刻々と取り込み、内蔵のアンプおよびＡ−Ｄ変換器により増幅およびデジタル化した後、コンピュータを主体とする計測・処理装置１０に送り、所定のデータ処理に供するとともに、以下に示す回路構成のもとに、制御量として設定されている物理量の検出値が目標値に一致するようにサーボバルブ３に対して制御信号を供給する。
【００１８】
図２は本発明の実施の制御システムの構成を示すブロック図である。この例は、油圧アクチュエータ２のピストン２ａの変位を制御量とした例を示している。なお、この図２においては、制御装置９は制御システムに関連する部分のみを図示している。
【００１９】
信号発生器９１は目標値信号を発生し、その目標値信号に変位検出器４によるピストン２ａの変位検出信号がアンプ９６を介してフィードバックされる。目標値信号から変位検出信号を減算した偏差信号は、まず非線形化回路９２を通る。
【００２０】
非線形化回路９２は、図４（Ａ）にグラフで示す入出力特性を持ち、入力がＶｔｈ以下の場合はバッファアンプとして動作するが、Ｖｔｈを越えると出力はＶｍａｘ  となる。Ｖｍａｘ  は固定値で、Ｖｔｈは設定器９３によって任意に設定することができる。
【００２１】
非線形化回路９２の出力はアンプ９４によってゲインが乗じられた後、速度制限回路９５に入力される。速度制限回路９５は、図４（Ｂ）にグラフで示す入出力特性を持ち、入力がＶｌｉｍ  以下の場合はバッファアンプとして動作するが、Ｖｌｉｍ  を越えると出力はＶｌｉｍ  に制限される。このＶｌｉｍ  は設定器９３によって任意に設定することができる。そして、この速度制限回路９５の出力が制御信号としてサーボバルブ３に供給され、その刻々の値に応じてサーボバルブ３の刻々の弁開度が決定し、これによって油圧アクチュエータ２が動作する。
【００２２】
以上の構成において、油圧アクチュエータ２を低速度で動作させる場合は、信号発生器９１からの目標値信号はランプ波などの徐々に値が増加していく形の信号とされる。このような目標値信号を与えることにより、偏差は小さい値を保ってＶｔｈを越えることがなく、従って非線形化回路９２および速度制限回路９５はいずれもバッファアンプとして機能し、サーボバルブ３への入力はＩｔｈ以下に制限される。つまり、低速度で制御する場合には、サーボバルブ３の流量を小流量に制限していることを除いては一般的なフィードバック制御として動作する。
【００２３】
次に、油圧アクチュエータ２を高速度で動作させる場合について、図５のタイムチャートの例を参照しつつ説明する。高速度で動作させる場合には、信号発生器９１からの目標値信号は図５（Ａ）に示すようなステップ波などの急激に立ち上がる信号とされる。この場合、同図（Ｂ）に示すように偏差は目標値信号の発生と同時にＶｔｈを越えるため、非線形化回路９２の出力はＶｍａｘ  となり、また、同図（Ｃ）に示すように速度制限回路９５の出力はＶｌｉｍ  に固定される。これにより、同図（Ｄ）に示すように、サーボバルブ３は固有の応答遅れを伴うものの一定の弁開度を保ち、同図（Ｅ）に変位検出信号を示すように、油圧アクチュエータ２のピストン２ａの速度はＶｌｉｍ  に応じたほぼ等速度となる。つまり、この場合の速度の設定は、低速度の場合がランプ波等の目標値信号の傾きによって決定されるのに対し、Ｖｌｉｍ  に対応する弁開度の設定で行われる。よって、動作開始時における制御はオープンループ制御とほぼ等価となる。
【００２４】
以上の動作開始時においては、非線形化回路９２が直ちに動作してその出力をＶｍａｘ  とするので、ランプ波で目標値を与える場合に比して油圧アクチュエータ２の立ち上がり速度を速くすることができるという利点がある。
【００２５】
そして、油圧アクチュエータ２が目標値付近に達すると、偏差がＶｔｈよりも小さくなるため、非線形化回路９２並びに速度制限回路９５がいずれもバッファアンプとして動作するように変わり、制御がオープンループ制御からフィードバック制御へと自動的に切り換わる。フィードバック制御に切り換わると、油圧アクチュエータ２のピストン２ａが目標値の位置に近づくにつれて、制御信号の大きさ、従ってサーボバルブ３の弁開度が徐々に小さくなっていく。このブレーキ効果により、油圧アクチュエータ２は高速度で動作する場合でも目標値で停止させることができる。ブレーキ効果の程度は、非線形化回路９２のＶｔｈにより決定される。Ｖｔｈの値が大きいとブレーキ効果が早く現れるようになり、小さいとブレーキ効果が遅く現れるようになる。このＶｔｈは試験速度に応じて適宜に設定すればよい。
【００２６】
ここで、以上の実施の形態では、本発明をポンチを用いた衝撃試験を行う材料試験機に適用した例を示したが、本発明は、高速引張試験を行う材料試験機等にも等しく適用可能であることは勿論であり、また、試験機本体の構造は以上の実施の形態に限定されることなく任意とし得ることは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、入出力特性が２段のサーボバルブを用い、偏差の大きさに応じて、偏差が小さいときには小流量特性内でフィードバック制御を行うとともに、偏差が大きいときには大流量特性内でその弁開度を一定に保持するように構成しているので、油圧アクチュエータをフィードバック制御のもとに位置制御できることは勿論のこと、複数のバルブを使用することなく、目標値信号の選択によって低速度から高速度まで随意の試験を行うことができる。
【００２８】
また、全体のシステムとしてみた場合にも、機構的にも制御回路的にもシンプルなシステムとすることができ、しかも低い試験速度ではフィードバック制御、高い試験速度ではオープンループ制御とブレーキ機構用のフィードバック制御を複合した制御方式を用いることが可能となり、低速で安定した試験を行うことができながらも、十数ｍ／秒といった高速の試験も行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるサーボバルブ３の入出力特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態における非線形化回路９２および速度制限回路９５の特性の説明図で、（Ａ）は非線形化回路９２に入出力特性を示すグラフで、（Ｂ）は速度制限回路９５の入出力特性を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態において油圧アクチュエータ２を高速度で動作させる場合の各部の動作を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１  フレーム
２  油圧アクチュエータ
２ａ  ピストン
３  サーボバルブ
４  変位検出器
５  試験力検出器
８  油圧ユニット
９  制御装置
９１  信号発生器
９２  非線形化回路
９３  設定器
９４  アンプ
９５  速度制限回路
Ｗ  試験片
【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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