(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片に負荷を加える負荷機構の駆動源としてモータを用い、そのモータを駆動するサーボアンプに対して当該モータの回転角速度指令を刻々と与えることにより、負荷機構の動作を制御する制御機構を備え、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じて上記サーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさを算出する材料試験機において、
上記制御機構は、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率を逐次算出するとともに、その算出された比率により上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに供給すべき回転角速度の大きさとすることを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
上記比率を算出するために用いる上記モータの変位量および制御量の検出値は、それぞれ、当該比率を算出する時点で採取されている最新の複数個のモータ変位量データおよび検出値データの平均値とすることを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。
【請求項３】
上記サーボアンプに供給すべき回転角度の大きさを、上記偏差を上記比率で除した値に、あらかじめ設定されている時定数の逆数を乗じた値とすることを特徴とする請求項１または２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、更に詳しくは、負荷機構の駆動源としてモータを用いた材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
負荷機構の駆動源としてモータを用いた材料試験機においては、一般に、テーブル上に２本のねじ棹を回転自在に支持するとともに、その各ねじ棹にナットを介してクロスヘッドの両端部を支持した構造が多用され、モータの回転により各ねじ棹に回転を与えることでクロスヘッドを移動させ、そのクロスヘッドとテーブルにそれぞれ装着された掴み具に両端が把持された試験片に対して負荷を加えるように構成されている。
【０００３】
この種の材料試験機においては、通常、負荷機構の駆動用のモータにはサーボモータが用いられ、試験片に作用する試験力や、試験片の伸び等のうち、制御量に選択されている物理量の刻々の検出値を目標値にフィードバックしてモータを制御する（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
すなわち、例えば試験力が制御量として選択されている場合、その検出値（現在値）と目標値との偏差にＰＩＤ等の演算を施し、その演算結果に応じた値を、駆動用のモータに駆動信号を供給するサーボアンプに対して回転角度指令として与えることにより、モータを制御する。
【０００５】
具体的には、偏差を定数倍（比例ゲイン）した値、同じく偏差の時間微分を定数倍（微分ゲイン）した値、同じく偏差の時間積分を定数倍（積分ゲイン）した値を組み合わせて回転角度指令の大きさを決定している。
【特許文献１】特開２００２−３６５１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、以上のようなモータを負荷機構の駆動源とする材料試験機においては、上記した比例ゲイン、微分ゲインおよび積分ゲインを適正に設定することによって、目標値に正しく追随する正確な材料試験を行うことができるのであるが、系に試験片を含むこともあって、これらの各ゲインは一般的には試行錯誤で設定しているのが実情である。
【０００７】
そのため、特に新規の種類の試験片等の試験に際して、上記の各ゲインの設定には相応の時間を必要とするばかりでなく、オペレータの熟練が必要であるという問題があり、しかも正確な試験を行うことができるという保証はない。
【０００８】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、モータを負荷機構の駆動源とする材料試験機において、制御ゲインの設定に際して熟練を要したり、試行錯誤を行ったり、あるいは長時間を要することなく、常に正確な材料試験を行う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、試験片に負荷を加える負荷機構の駆動源としてモータを用い、そのモータを駆動するサーボアンプに対して当該モータの回転角速度指令を刻々と与えることにより、負荷機構の動作を制御する制御機構を備え、この制御機構は、選択されている制御量の検出値と目標値との偏差に応じて上記サーボアンプに指令として供給する回転角速度の大きさを算出する材料試験機において、上記制御機構は、上記モータの変位量に対する上記制御量の検出値の比率を逐次算出するとともに、その算出された比率により上記偏差を除した値に比例した値を上記サーボアンプに指令として供給すべき回転角速度の大きさとす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、上記比率を算出するために用いる上記モータの変位量および検出値は、それぞれ、当該比率を算出する時点で採取されている最新の複数個のモータ変位量データおよび検出値データの平均値とする構成（請求項２）を好適に採用することができる。
【００１１】
また、上記サーボアンプに供給すべき回転角度の大きさを、上記偏差を上記比率で除した値に、あらかじめ設定されている時定数の逆数を乗じた値とする構成（請求項３）を採用することができる。
【００１２】
本発明の特徴は、モータの変位量をθ（ｔ）、制御量、例えば試験力の検出値（現在値）をＦ（ｔ）とし、ｔより一定時間前の時刻ｔ−ｔ0のモータ変位量θ（ｔ−ｔ0）とＦ（ｔ−ｔ0）を用いた、
【００１３】
【数１】
0004883307.tif 000002
【００１４】
で表される変化率Ｋ（ｔ）を刻々と算出し、その変化率Ｋ（ｔ）により、偏差を除した値に比例した値をサーボアンプに供給すべき回転角速度ｄΘ／ｄｔの大きさとするものであって、これを式で表すと、制御量の現在の検出値をＦ（ｔ）、その時点における制御量の目標値をＦD （ｔ）として偏差を｛ＦD（ｔ） −Ｆ（ｔ）｝とすると、
【００１５】
【数２】
0004883307.tif 000003
【００１６】
とするものである。
（２）式においてＡはあらかじめ設定される定数であり、これは、請求項３に係る発明における時定数（偏差の変化量の時定数）の逆数に相当し、偏差の早い収束を望むならばＡを大きく、遅くても良い場合にはＡを小さくとればよい。
【００１７】
本発明によると、負荷機構の駆動用のモータのアンプに供給される刻々の回転角速度指令の大きさｄΘ／ｄｔの偏差に対する割合が、モータの変位量に対する制御量の検出値の変化の比率に応じて自動的に決定され、その比率が大きい状態では小さく、比率が小さくなれば大きくなるように制御される。換言すれば、上記の比率が大きい場合には比例ゲインが小さく、比率が小さくなれば自動的に比例ゲインが大きく設定され、これにより、試験に先立って試行錯誤的にゲインを設定することなく、常に正確な材料試験を行うことが可能となる。
【００１８】
本発明は、制御量とモータの回転角の関係が、瞬時的にはほぼ比例し、かつ、試験の進行に伴う試験片の塑性変形により、その比例定数が変化していくことを前提としている。  すなわち、試験開始当初からのモータの変位量をθ（ｔ）とし、制御量として選択されている例えば試験力の検出値をＦ（ｔ）とすると、
【００１９】
【数３】
0004883307.tif 000004
【００２０】
この（３）式は、制御量である試験力Ｆ（ｔ）はモータの変位量（回転角）θ（ｔ）に比例し、かつ、時間的にＦR（ｔ）が変化することにより厳密には比例関係にはないことを示しており、比例項以外をＦR（ｔ）で表している。図２にこの関係をグラフで例示する。この図２のグラフは、横軸がモータの変位量（試験開始当初を０とした回転角）θであり、縦軸が制御量としての試験力Ｆ（ｔ）の検出値である。
（３）式の両辺を時間微分して、
【００２１】
【数４】
0004883307.tif 000005
【００２２】
ここで、ｄＦR（ｔ）／ｄｔは一般には０にはならず、試験の進行に伴う試験片の特性変化により時間的に変化するパラメータとなるが、一般的には材料特性の変化は比較的ゆっくりとした変化となり、この時間変化量ｄＦR（ｔ）／ｄｔは十分に小さい値となるので、ｄＦR（ｔ）／ｄｔ＝０として取り扱うことが可能となる。
【００２３】
同様に、比率Ｋ（ｔ）も時間的に変化するが変化量は小さいと考え、ｄＫ（ｔ）／ｄｔ＝０とすると、
【００２４】
【数５】
0004883307.tif 000006
【００２５】
となる。
ここで、制御入力として、つまりサーボアンプに対する操作量としてモータの回転角速度ｄΘ／ｄｔを用いる場合、実際のモータの回転角速度ｄθ／ｄｔはモータの負荷量に依存して、サーボアンプに供給される回転角速度指令の大きさｄΘ／ｄｔとは完全に等しい値とはならないが、一般的なサーボモータとサーボアンプを用いた場合、十分に近い値となる。
【００２６】
そこで、（５）式を以下のように近似する。
【００２７】
【数６】
0004883307.tif 000007
【００２８】
そして、Ｋ（ｔ）は試験の進行に伴って変化するので、制御量の刻々の検出値とモータの変位量を用いて刻々とＫ（ｔ）を算出し、この算出したＫ（ｔ）と、その時点における偏差を用いて、サーボアンプに供給すべきモータの角速度指令の大きさを、前記した（２）式によって算出する。
この（２）式を（６）式に代入すると、
【００２９】
【数７】
0004883307.tif 000008
【００３０】
となり、
【００３１】
【数８】
0004883307.tif 000009
【００３２】
とおくと、
【００３３】
【数９】
0004883307.tif 000010
【００３４】
となって、Ａは誤差の変化量の時定数を示す。従って、望む時定数を考慮して決定すればよい。例えばＡ＝１とした場合、ステップ応答に対する誤差の時間的変化は、ステップ応答の目的地の時間微分ｄＦ0／ｄｔはゼロであることを考慮すると、
【００３５】
【数１０】
0004883307.tif 000011
【００３６】
となり、１秒後の誤差はｅｘｐ（−１）＝０．３６と計算することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、モータを負荷機構の駆動源とする材料試験機において、モータをフィードバック制御するためのゲインの設定を行う必要がなく、刻々のモータの変位量（回転量）と制御量の検出値から、刻々の適正なゲインが自動的に算出されて逐次設定されていく。
【００３８】
従って、オペレータは、試験に先立って従来のように試行錯誤的にゲイン設定を行う必要がなくなり、その手間を省けると同時に、熟練を要することなく、常に正確な材料試験を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
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電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００４０】
試験機本体１は、テーブル１１の上に２本のねじ棹１２ａ，１２ｂを鉛直の姿勢で回動自在に支持し、これらの各ねじ棹１２ａ，１２ｂに、クロスヘッド１３の両端部に固定されているナット（図示せず）をねじ込んだ構造を有している。
【００４１】
クロスヘッド１３およびテーブル１１には、互いに上下に対向するように一対の掴み具１４ａ，１４ｂが取り付けられており、これらの掴み具１４ａ，１４ｂに試験片Ｗの両端部が把持される。
【００４２】
各ねじ棹１２ａ，１２ｂには、負荷機構２０の駆動源であるサーボモータ２１の回転がウォーム減速機２２ａ，２２ｂ等を介して伝達され、これによって各ねじ棹１２ａ，１２ｂが回転する。このねじ棹１２ａ，１２ｂの回転によってクロスヘッド１３が上下動し、引張試験を行う場合には、クロスヘッド１３を上昇させることによって、試験片Ｗに試験力（引張荷重）Ｆが負荷される。
【００４３】
試験片Ｗに作用する試験力はロードセル１５によって検出され、また、試験片Ｗの伸びは伸び計１６によって検出され、それぞれロードアンプ３１、ストレインアンプ３２により増幅されたうえで、Ａ−Ｄ変換器３３，３４でデジタル化された後、演算制御部３０に取り込まれる。
【００４４】
演算制御部３０はコンピュータやシーケンサーおよびこれらの周辺機器によって構成され、所定の微小時間ごとにロードセル１５および伸び計１６からの試験力データおよび伸びデータを取り込んでデータ処理を行い、試験力−伸び曲線等の試験データを作成するとともに、取り込んだデータのうち、制御量に設定されているデータとその制御量の目標値とから、サーボモータ２１をフィードバック制御する。また、この演算制御部３０には操作部３０ａが設けられており、この操作部３０ａの操作によって各種指令を与えたり、あるいは下記に示す時定数に対応する定数Ａ等を設定することができる。
【００４５】
サーボモータ２１はサーボアンプ３６から供給される電流により回転駆動するが、そのサーボアンプ３６は演算制御部３０からＤ／Ａ変換器３５を通じて供給される回転角度指令の大きさに応じた電流をサーボモータ２１に供給する。
【００４６】
そして、演算制御部３０は、サーボアンプ３６に与えるべき回転角度指令ｄΘ／ｄｔを、制御量として試験力が設定されている場合、その時点における試験力の検出値Ｆ（ｔ）と目標値ＦD（ｔ）との偏差｛ＦD（ｔ）−Ｆ（ｔ）｝と、前記した（１）式で表されるモータ２１の変位量θ（ｔ）に対する試験力の検出値Ｆ（ｔ）の比率Ｋ（ｔ）を計算し、あらかじめ設定されている定数Ａとともに用いて、前記した（２）式によって決定し、サーボアンプ３６に供給する。
【００４７】
以上の計算は、ロードセル１５からの試験力データを取り込むごとに行われるが、そのときの計算に用いられる試験力の検出値Ｆ（ｔ）およびモータ２１の変位量θ（ｔ）のデータは、その時点で刻々と採取して記憶している複数個のデータ、例えば１００個程度の平均値が用いられる。そのため、各回の採取データにノイズが含まれていても、その影響を殆ど受けることなく正確な制御が可能となる。
【００４８】
以上の実施の形態によれば、オペレータは従来のように制御ゲインを試行錯誤により前もって設定する必要がなく、時定数に対応する定数Ａのみを設定すれば良いため、その手間を省け、また、熟練者でなくとも試験に先立つ設定を行うことができる。
【００４９】
ここで、本発明は、以上の（２）により回転角速度指令を求めるほか、この（２）式に付加的な項を追加することもできる。例えば、フィードフォワード項を追加した下記の（１１）式をより好適に用いることができる。また、速度フィードバック項を追加する場合には、下記の（１２）式を用いればよく、積分項を追加する場合には下記の（１３）式を用いればよい。いずれの項においても、前記したＫ（ｔ）を用いることで、ゲインの設定が実質的に不要となる。なお、（１２）式および（１３）式におけるＢおよびＣは、いずれも、前記したＡと同様に任意に設定可能な定数である。
【００５０】
【数１１】
0004883307.tif 000012
【００５１】
【数１２】
0004883307.tif 000013
【００５２】
【数１３】
0004883307.tif 000014
【００５３】
また、以上の実施の形態においては、制御量として試験力を選択した例を示したが、伸び等の他の物理量であっても、上記と同様にＫ（ｔ）を刻々と計算し、その値で偏差を除した値をモータの回転角速度とすることで、上記と同等の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【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電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】本発明の原理を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１  試験機本体
１１  テーブル
１２ａ，１２ｂ  ねじ棹
１３  クロスヘッド
１４ａ，１４ｂ  掴み具
１５  ロードセル
１６  伸び計
２０  負荷機構
２１  サーボモータ
２２ａ，２２ｂ  ウォーム減速機
３０  演算制御部
３０ａ  操作部
３１，３２  増幅器
３３，３４  Ａ−Ｄ変換器
３５  Ｄ−Ａ変換器
３６  サーボアンプ
Ｗ  試験片
【図１】
0004883307.tif 000015
【図２】
0004883307.tif 000016