(57)【要約】【課題】  高い周波数の試験波形で材料試験を行う。【解決手段】  供試体を負荷するアクチュエーターの制御量ｙが直流成分に交流成分を重畳した負荷試験波形に追従するようにフィードバック制御を行う高サイクル材料試験機において、アクチュエーターの制御量ｙのフィードバック信号ｆｂｋに含まれる直流成分を直流指令信号ｒdcに一致させるための直流成分操作量ｕdcを演算する直流成分フィードバック制御系（直流指令信号発生回路２１１、減算器２１２、ＰＩＤ演算増幅器２１３および検出器４０）と、アクチュエーター１５の制御量ｙのフィードバック信号ｆｂｋに含まれる交流成分の振幅を交流指令信号ｒacに一致させるための交流成分操作量ｕacを演算する交流成分フィードバック制御系（交流指令信号発生回路２１５、振幅制御回路２１６および検出器４０）とを備え、直流成分操作量ｕdcと交流成分操作量ｕacとを加算した操作量ｕによりアクチュエーターを駆動する。【選択図】  図３
2005181036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体を負荷するアクチュエーターの制御量が直流成分に交流成分を重畳した負荷試験波形に追従するようにフィードバック制御を行う高サイクル材料試験機であって、
前記アクチュエーターの制御量を検出する制御量検出手段と、
負荷試験波形の直流成分指令値と交流成分指令値とを発生する指令値発生手段と、
前記制御量検出値の直流成分を前記直流成分指令値に一致させるための直流成分操作量を演算する直流成分フィードバック制御手段と、
前記制御量検出値の交流成分の振幅を前記交流成分指令値に一致させるための交流成分操作量を演算する交流成分フィードバック制御手段と、
前記直流成分操作量と前記交流成分操作量とを加算した操作量により前記アクチュエーターを駆動するアクチュエーター駆動手段とを備えることを特徴とする高サイクル材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料に高周波数の変位や荷重をかけて試験を行う高サイクル材料試験器に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボ弁と油圧アクチュエーターの制御対象を駆動して供試体に負荷し、荷重または変位の制御量を発生させて材料の引っ張り試験や疲労試験を行う材料試験機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種の材料試験機では、荷重または変位の指令信号として設定レベルの直流成分に設定振幅と設定周波数の交流成分を重畳した試験波形を発生させるとともに、供試体に負荷される実際の荷重または変位を検出器により検出し、指令信号と検出信号の偏差を演算増幅するフィードバック制御を行っている。
【０００３】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献１】特開平０９−２０３７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の材料試験機では、直流成分に交流成分を重畳した荷重または変位の指令信号に対して、供試体に負荷される実際の荷重または変位の検出信号をフィードバックして両者の偏差を演算増幅するフィードバック制御系を構成しているので、制御系の位相遅れ、振幅ゲインの低下、機械系の共振などが発生して１００ヘルツを超えるような高い周波数での試験は困難である。
また、ＰＩＤなどの演算増幅器の出力に機械系の共振を防止するための補償回路を設けると、指令信号の交流成分に対する制御系の応答が低下して高い周波数での試験がさらに困難になるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
供試体を負荷するアクチュエーターの制御量が直流成分に交流成分を重畳した負荷試験波形に追従するようにフィードバック制御を行う高サイクル材料試験機であって、前記アクチュエーターの制御量を検出する制御量検出手段と、負荷試験波形の直流成分指令値と交流成分指令値とを発生する指令値発生手段と、前記制御量検出値の直流成分を前記直流成分指令値に一致させるための直流成分操作量を演算する直流成分フィードバック制御手段と、前記制御量検出値の交流成分の振幅を前記交流成分指令値に一致させるための交流成分操作量を演算する交流成分フィードバック制御手段と、前記直流成分操作量と前記交流成分操作量とを加算した操作量により前記アクチュエーターを駆動するアクチュエーター駆動手段とを備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高い周波数の試験波形で材料試験を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は一実施の形態の構成を示す図である。供試体ＳＰに圧縮荷重や引張荷重などを加える試験機本体１０は、基台１１上に一対の支柱１２ａ、１２ｂとヨーク１３とにより負荷枠を形成し、支柱１２ａ、１２ｂに上下に移動可能にクロスヘッド１４を取り付けて構成される。基台１１には負荷用の油圧アクチュエーター１５が設置され、そのピストンロッド１５ａには供試体固定用の下部治具１６ａが取り付けられている。
【０００８】
一方、クロスヘッド１４にはロードセル１７を介して供試体固定用の上部治具１６ｂが取り付けられている。油圧アクチュエーター１５はサーボ弁１８により圧油方向と圧油量が制御されてピストンロッド１５ａが伸縮し、それによって上部治具１６ａと下部治具１６ｂとの間に固定された供試体ＳＰが負荷される。
【０００９】
油圧アクチュエーター１５のストローク、すなわち供試体ＳＰの変位は、油圧アクチュエーター１５に取り付けられた作動トランス１９により検出される。また、油圧アクチュエーター１５により供試体ＳＰに印加される荷重は、クロスヘッド１４と上部治具１６ｂとの間に取り付けられたロードセル１７により検出される。
【００１０】
試験機本体１０を制御する制御系２０は、制御回路２１、入出力装置２２、増幅器２３、２５、２７、Ａ／Ｄ変換器２４、２８、Ｄ／Ａ変換器２６などを備えている。制御回路２１はマイクロコンピューターとその周辺部品から構成され、供試体ＳＰを負荷する試験波形と、ロードセル１７から増幅器２３およびＡ／Ｄ変換器２４を介して入力した荷重信号と、作動トランス１９から増幅器２７およびＡ／Ｄ変換器２８を介して入力した変位信号とに基づいて、油圧アクチュエーター１５を駆動するための指令信号を生成し、Ｄ／Ａ変換器２６および増幅器２５を介してサーボ弁１８へ出力する。
【００１１】
入出力装置２２は、図２に示すように供試体ＳＰの負荷試験波形ｗの直流成分である平均値ｍと交流成分である振幅ａおよび周波数ｆなどを入力する入力部と、試験結果の供試体ＳＰの荷重−変位特性などを出力する出力部とを備えている。なお、負荷試験波形ｗは直流成分に交流成分を重畳した波形である。この一実施の形態では負荷試験波形ｗの交流成分はサイン波形とするが、必ずしもサイン波形に限定されるものではない。
【００１２】
図３は制御回路２１の制御ブロック図である。制御回路２１は、マイクロコンピューターのソフトウエア形態により構成される直流指令信号発生回路２１１、減算器２１２、ＰＩＤ演算増幅回路２１３、補償回路２１４、交流指令信号発生回路２１５、振幅制御回路２１６および加算器２１７を備えている。制御対象３０は、上述したサーボ弁１８、油圧アクチュエーター１５、Ｄ／Ａ変換器２６、増幅器２５である。また、検出器４０は、供試体ＳＰの荷重を検出するためのロードセル１７、増幅器２３およびＡ／Ｄ変換器２４と、供試体ＳＰの変位を検出するための作動トランス１９、増幅器２７およびＡ／Ｄ変換器２８である。
【００１３】
制御回路２１は制御対象３０へ荷重または変位の操作量ｕを出力し、制御対象３０は供試体ＳＰに負荷して荷重または変位の制御量ｙを発生させる。検出器４０は、荷重または変位の制御量ｙを検出し、信号ｆｂｋとして制御回路２１にフィードバックする。
【００１４】
直流指令信号発生回路２１１は、図２に示すように、供試体ＳＰの試験条件に応じた試験波形ｗの直流成分である平均値ｍの直流指令信号ｒdcを発生する。減算器２１２は、平均値ｍの直流指令信号ｒdcから検出器４０のフィードバック信号ｆｂｋを減算して偏差を求める。ＰＩＤ演算増幅回路２１３は、直流指令信号ｒdcとフィードバック信号ｆｂｋの偏差をＰＩＤにより演算増幅し、フィードバック信号ｆｂｋの直流成分ｆdcを直流指令信号ｒdcに一致させるための直流成分操作量ｕdcを出力する。補償回路２１４は機械系の共振を防止するための補償回路であり、ＰＩＤ演算増幅回路２１３から出力される直流成分操作量ｕdcに例えばフィルター処理を施す。
【００１５】
なお、これらの直流指令信号発生回路２１１、減算器２１２、ＰＩＤ演算増幅回路２１３および検出器４０が、制御量ｙのフィードバック信号ｆｂｋに含まれる直流成分を直流指令信号ｒdcに一致させるための直流成分操作量ｕdcを演算出力する直流成分フィードバック制御系を構成する。
【００１６】
交流指令信号発生回路２１５は、図２に示すように、供試体ＳＰの試験条件に応じた試験波形ｗの交流成分である振幅ａと周波数ｆの交流指令信号ｒacを発生する。振幅制御回路２１６は、交流指令信号ｒacの振幅ａと検出器４０からのフィードバック信号ｆｂｋに含まれる交流成分の振幅とを比較し、供試体ＳＰに負荷される実際の振幅が振幅ａとなるように交流指令信号ｒacを補正する。このように交流成分の振幅のみをフィードバックして交流指令信号と一致するように制御するので、高い周波数の信号にも追随して動作させることができる。
【００１７】
なお、これらの交流指令信号発生回路２１５、振幅制御回路２１６および検出器４０が、制御量ｙのフィードバック信号ｆｂｋに含まれる交流成分を交流指令信号ｒacに一致させるための交流成分操作量ｕacを演算出力する交流成分フィードバック制御系を構成する。
【００１８】
加算器２１７は、直流成分フィードバック制御系から出力される直流成分操作量ｕdcと、交流成分フィードバック制御系から出力される交流成分操作量ｕacとを加算し、荷重または変位の操作量ｕとして制御対象３０へ出力する。制御対象３０では、Ｄ／Ａ変換器２６により操作量ｕをアナログ信号へ変換し、増幅器２５により増幅してサーボ弁１８へ供給する。サーボ弁１８は操作量ｕにしたがって油圧アクチュエーター１５の圧油方向と圧油量を制御し、ピストンロッド１５ａを伸縮させて上部治具１６ａと下部治具１６ｂとの間に固定された供試体ＳＰに負荷する。
【００１９】
図４は制御回路２１の試験処理を示すフローチャートである。このフローチャートにより一実施の形態の動作を説明する。ステップ１において入出力装置２２から平均値ｍ、振幅ａ、周波数ｆの設定値を読み込み、続くステップ２で平均値ｍ、振幅ａおよび周波数ｆにより試験波形ｗを設定する。ステップ３では試験波形ｗに応じた直流指令信号ｒdcと交流指令信号ｒacを発生させて試験を開始し、ステップ４で上述した試験波形ｗの直流成分のフィードバック制御と交流成分のフィードバック制御とを行う。ステップ５で入出力装置２２により試験の終了操作が行われたか否かを確認し、試験の終了操作が行われるまでステップ４のフィードバック制御を続ける。
【００２０】
このように、一実施の形態によれば、供試体ＳＰを負荷するアクチュエーター１５の制御量ｙが直流成分に交流成分を重畳した負荷試験波形ｗに追従するようにフィードバック制御を行う高サイクル材料試験機において、アクチュエーター１５の制御量ｙのフィードバック信号ｆｂｋに含まれる直流成分を直流指令信号ｒdcに一致させるための直流成分操作量ｕdcを演算する直流成分フィードバック制御系（直流指令信号発生回路２１１、減算器２１２、ＰＩＤ演算増幅器２１３および検出器４０）と、アクチュエーター１５の制御量ｙのフィードバック信号ｆｂｋに含まれる交流成分の振幅を交流指令信号ｒacに一致させるための交流成分操作量ｕacを演算する交流成分フィードバック制御系（交流指令信号発生回路２１５、振幅制御回路２１６および検出器４０）とを備え、直流成分操作量ｕdcと交流成分操作量ｕacとを加算した操作量ｕによりアクチュエーター１５を駆動するようにしたので、制御系２０に試験機本体１０の機械共振を抑制する補償回路２１４を付加しても、高い周波数の試験波形ｗで材料試験を行うことができる。
【００２１】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、検出器４０（ロードセル１７、作動トランス１９、増幅器２３，２７およびＡ／Ｄ変換器２４，２８）が制御量検出手段を、直流指令信号発生回路２１１および交流指令信号発生回路２１５が指令値発生手段を、減算器２１２およびＰＩＤ演算増幅回路２１３が直流成分フィードバック制御手段を、振幅制御回路２１６が交流成分フィードバック制御手段を、増幅器２５およびサーボ弁１８がアクチュエーター駆動手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】試験波形ｗを示す図である。
【図３】制御回路の構成を示す制御ブロック図である。
【図４】一実施の形態の試験処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２３】
１０  試験器本体
１１  基台
１２ａ、１２ｂ  支柱
１３  ヨーク
１４  クロスヘッド
１５  油圧アクチュエーター
１５ａ  ピストンロッド
１６ａ  下部治具
１６ｂ  上部治具
１７  ロードセル
１８  サーボ弁
１９  作動トランス
２０  制御系
２１  制御回路
２２  入出力装置
２３、２５、２７  増幅器
２４、２８  Ａ／Ｄ変換器
２６  Ｄ／Ａ変換器
３０  制御対象
４０  検出器
２１１  直流指令信号発生回路
２１２  減算器
２１３  ＰＩＤ演算増幅回路
２１４  補償回路
２１５  交流指令信号発生回路
２１６  振幅制御回路
２１７  加算器
【図１】
2005181036.tif 000003
【図２】
2005181036.tif 000004
【図３】
2005181036.tif 000005
【図４】
2005181036.tif 000006