特開 2024-170591 外部ループトルク制御

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024170591

(43)【公開日】2024-12-10

(54)【発明の名称】外部ループトルク制御

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/08 20060101AFI20241203BHJP

【ＦＩ】

G01N3/08

【審査請求】有

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024154890

(22)【出願日】2024-09-09

(62)【分割の表示】P 2021520401の分割

【原出願日】2019-09-17

(31)【優先権主張番号】16/160,151

(32)【優先日】2018-10-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】591203428

【氏名又は名称】イリノイ トゥール ワークス インコーポレイティド

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100153729

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 有一

(74)【代理人】

【識別番号】100211177

【弁理士】

【氏名又は名称】赤木 啓二

(72)【発明者】

【氏名】クリストファー ウィリアム デモス ジャクソン

(57)【要約】

【課題】本開示は、材料試験装置に関し、アルゴリズムによる手法を用いて、材料試験試料に対して異なる力を印加する複数のモーターを制御する外部ループ制御ソフトウェアアルゴリズムを実行する。
【解決手段】特に、トーションモーターが外部ループ制御ソフトウェアによって制御され、材料試験サンプルに加えられる回転力が制御される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料試験装置であって、
材料試験サンプルを間に保持する第１のグリップ及び第２のグリップと、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第１の力を印加する第１の駆動部と、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第２の力を印加する第２の駆動部と、
前記第２の駆動部を制御するフィードバックシステムと、
を備える、材料試験装置。

【請求項2】

前記第１のグリップは、下側グリップであり、前記第２のグリップは、前記第１のグリップの上方に位置する上側グリップである、請求項１に記載の材料試験装置。

【請求項3】

前記第１の力は、前記第２の力に対して直交する、請求項２に記載の材料試験装置。

【請求項4】

前記第１の駆動部は、前記材料試験サンプルに軸力を印加する、請求項３に記載の材料試験装置。

【請求項5】

前記第２の駆動部は、前記材料試験サンプルに回転力を印加する、請求項４に記載の材料試験装置。

【請求項6】

前記下側グリップは、前記サンプルに対する軸応力及び回転応力を測定するために、ロードセルに取り付けられる、請求項５に記載の材料試験装置。

【請求項7】

前記第２のグリップが前記第１の駆動部によって駆動されるレールを更に備え、前記第２のグリップの変位は、前記材料試験サンプルの軸ひずみを計算するために測定される、請求項６に記載の材料試験装置。

【請求項8】

前記第２の駆動部は、前記材料試験サンプルの回転ひずみを測定するインクリメンタルエンコーダーを備える、請求項７に記載の材料試験装置。

【請求項9】

前記フィードバックシステムは、現在のトルク率及び現在の回転速度を用いて、前記材料試験サンプルのトルク率をゼロに維持するのに必要な回転力を計算する、請求項８に記載の材料試験装置。

【請求項10】

前記材料試験サンプルのトルク率をゼロに維持するのに必要な前記計算された回転力を用いて新しい回転速度が計算され、前記計算された新しい回転速度は、前記第２の駆動部へ伝達される、請求項９に記載の材料試験装置。

【請求項11】

材料試験の方法であって、
材料試験サンプルを間に保持する第１のグリップ及び第２のグリップを設けるステップと、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第１の力を印加する第１の駆動部を設けるステップと、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第２の力を印加する第２の駆動部を設けるステップと、
前記第２の駆動部を制御するフィードバックシステムを設けるステップと、
を含む、方法。

【請求項12】

前記第１のグリップは、下側グリップであり、前記第２のグリップは、前記第１のグリップの上方に位置する上側グリップである、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記第１の力は、前記第２の力に対して直交する、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記第１の駆動部は、前記材料試験サンプルに軸力を印加する、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記第２の駆動部は、前記材料試験サンプルに回転力を印加する、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記サンプルの軸応力及び回転応力を測定するために前記下側グリップに取り付けられるロードセルを設けるステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記第２のグリップが前記第１の駆動部によって駆動されるレールを設けるステップを更に含み、前記第２のグリップの前記変位は、前記材料試験サンプルの軸ひずみを計算するために測定される、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記第２の駆動部は、前記材料試験サンプルの回転ひずみを測定するインクリメンタルエンコーダーを備える、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記フィードバックシステムは、現在のトルク率及び現在の回転速度を用いて、前記材料試験サンプルのトルク率をゼロに維持するのに必要な回転力を計算するステップを実行する、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記フィードバックシステムは、前記材料試験サンプルのトルク率をゼロに維持するのに必要な前記計算された回転力を用いて新しい回転速度を計算するステップと、前記計算された新しい回転速度を前記第２の駆動部へ伝達するステップとを実行する、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、２０１８年１０月１５日に提出された米国特許出願第１６／１６０，１５１号の優先権を米国特許法第１１９条（ｅ）の下に主張し、この特許出願の内容は、引用することによりその全体があらゆる目的で本明細書の一部をなす。

【0002】

本開示は、材料試験環境における付加的な運動としてのトルクを制御する外部制御ループに関する。

【背景技術】

【0003】

万能試験機（フレーム）は、通常、それらを制御するために、プリント回路基板（ＰＣＢ）、ハウジング接続部、プロセッサ、及び他の構成部品を含む、精巧な電子機器を収容する。これらの電子機器をこのような機械で使用するためにパッケージ化する場合、幾つかの要因について考慮しなければならない。幾つかの要因としては、冷却、衝撃保護、並びに電磁イミュニティとエミッション（ＥＭＩ）及び他の規格の遵守が含まれ、これらは全て、機械によって占有される設置面積の最小化及び保守容易性の最適化と合わせて考慮しなければならない。

【0004】

材料試験の先行技術においては、軸力等の単一の力を用いて応力を印加することが知られている。材料試験には、応力に応じたひずみを測定することが含まれる。

【0005】

先行技術においては、材料試験プロセスの一部としてひずみペーシング（strain pacing）が用いられ得る。ひずみペーシングは、現在データを監視して位置速度を変更することで、引張ひずみセンサーから判定される使用者定義引張ひずみ速度を実現する、外部ループソフトウェアアルゴリズムである。ソフトウェア内のペーシング機能により、試料のひずみ速度を事前に定義されたレベルに制御することが可能となる。これは、金属及び剛性又は半剛性のプラスチック等、弾性領域において滑らかで継続的な変形の特徴を示す材料とともに使用することが意図されている。このような材料の多くは、材料試験中に加えられるひずみ速度に対する感度が高いことから、ひずみ速度を制御又は少なくとも制限することが望ましい（必須である場合もある）。制御することのできる実際の最大ひずみ速度は、試験される試料の特徴及びひずみ速度の精度要件に応じたものとなる。試料の剛性が低く降伏が漸進的であるほど、用いることのできるひずみ速度は高い。

【0006】

電気機械試験機は、通常、位置制御サーボループを用いることによって一定のクロスヘッド変位の速度（すなわち、クロスヘッド速度）で稼働する。試験システム及び試料の特徴としては、クロスヘッド変位の速度が一定であっても、試料の特に降伏領域におけるひずみが一定とならない可能性がある。このため、ひずみ速度を制御する必要がある。

【0007】

ひずみペーシングモードでは、ソフトウェアは、クロスヘッド速度を常に変化させることで、要求速度を実現する。伸び計は、試料の実際の速度を監視し、ソフトウェアは、試験の進行中に要求速度を維持するのに必要なクロスヘッド速度を演算する。クロスヘッド変位のほとんどが永続的な試料の変形に転換されるという事実により、一定のひずみ速度を維持するために、クロスヘッド速度は材料が降伏するにつれて低下する。

【0008】

ひずみペーシングモードは、単調な（一方向性の）試験のみを意図しており、上下への降伏等の過渡効果、不連続な降伏現象、又は直交し得る複数の軸若しくは自由度において力を印加するための複数のモーターの使用時におけるひずみ速度の制御には適していない。

【発明の概要】

【0009】

このため、本開示の目的は、試験サンプルに対して複数の軸又は自由度を介して複数の力を印加する能力を含む、材料試験における改善を提供すること、及びこの機能を可能にする適切なフィードバックを提供することである。

【0010】

この目的等は、材料試験装置に複数のモーター及び駆動部を設け、直交し得る複数の軸又は自由度（限定はしないが、円筒座標系における軸方向及び回転軸）において複数の力を印加することを可能にすることで実現される。外部ループは、ねじり力又は回転力を材料試験サンプルに印加するためにトルクを制御するのに使用される。

【0011】

外部ループによる回転モーター又は駆動部の制御には、通常、追加のハードウェアは必要ない。軸制御は、ソフトウェアのみによって達成され、トルクセルがフィードバック装置として使用され、最初は単軸機械用に設計されたハードウェアに被制御軸を加える機構拡張能力が与えられる。

【0012】

本開示の更なる目的及び利点は、以下の記載及び添付の図面から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の材料試験装置の一実施形態の斜視図である。

【図2】図１の装置によって材料試験試料に加えられるねじり力又は他の力を制御するために使用される外部ループの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

ここで図面を詳細に参照すると、図１が材料試験装置又は機械試験フレーム１００の斜視図であることが分かる。試験フレーム１００は、２軸ロードセル１０４が取り付けられるベース１０２を有する。下側グリップ１０６は、２軸ロードセル１０４に取り付けられる。２軸ロードセル１０４は、下側グリップ１０６と上側グリップ１０８との間に係合される材料試験サンプル（図示せず）に加えられる荷重（通常、軸荷重及び回転トルク）を測定し、軸荷重及び回転トルクに関する情報又は未加工データを、手動入力ユニット１２４とスクリーン１２６とを備える制御ユニット１２２にケーブル１０９を介して伝達する。

【0015】

レール１１０は、ベース１０２から上方に延在するとともに、クロスヘッド１１３を備えて上側グリップ１０８と係合する上側アセンブリ１１２を支持する。上側アセンブリ１１２は、クロスヘッド１１３を駆動することで材料試験サンプル（下側グリップ１０６と上側グリップ１０８との間に係合している）に対して鉛直方向の力（すなわち、直線力若しくは軸力、又は応力）を印加する、駆動アセンブリ１１４を備える。加えて、材料試験サンプルに軸力を印加している状態でのレール１１０に沿ったクロスヘッド１１３の軸方向の並進の変化は、ひずみ計算における距離又は長さの変化（Δｙ）として解釈することができる。クロスヘッド１１３の鉛直方向又は軸方向の位置（及びこれによる上側グリップ１０８の鉛直方向の位置）に関する情報又は未加工データは、ベース１０２内に設置されたモーター上に取り付けられるとともに制御ユニット１１２（手動入力ユニット１２４とスクリーン１２６とを備える）と通信するエンコーダーによって提供される。上側グリップ１０８の回転位置についての情報は、上側アセンブリ１１２内に収容されたトーションモーターに取り付けられるエンコーダーによって提供され、ケーブル１２０を介して制御ユニット１２２に送信される。

【0016】

同様に、駆動アセンブリ１１４は、上側グリップ１０８を介して材料試験サンプルにねじり力を印加するトーションモーター又は駆動部を備える。トーションモーターは、試験フレーム１００のレール１１０上に取り付けられたトーションモーター制御部１３０によって制御される。

【0017】

トーションモーター制御部１１８を含むねじり力付加機構は、電気機械アセンブリであり、材料試験装置又は試験フレーム１００に追加されると、軸方向に移動するクロスヘッド１１３にねじり能力を与える。ねじり力付加（ＴＡＯ）機構は、単一カラムフレーム又は二重カラムフレームに追加することができる。材料試験機器の使用者は、軸荷重を加える前、加えている最中、又は加えた後に試験試料の回転を行うことができる。回転は、上側アセンブリ１１２内のトーションモーターに取り付けられたインクリメンタルエンコーダーを用いて監視及び制御される。トルク値及び軸荷重値は、試験試料に加えられる力を監視する２軸ロードセル１０４を用いて記録及び制御される。

【0018】

ねじり力付加機構及び機械試験フレーム１００は、ソフトウェアによって制御される。手動入力ユニット１２４等のソフトウェアインターフェースを介して作業する使用者は、試験パラメーターを入力することで、材料試験装置１００がどのように試験を実行するかを定義する。材料試験装置１００の全ての運動は、通常は閉ループ制御で達成され、これは、材料試験装置１００のハードウェア及びファームウェアがクロスヘッド１１３の軸運動を制御することに特化していることを意味する。

【0019】

機構は、所望のトルク値に達するまで試験対象の材料試験サンプル（下側グリップ１０６と上側グリップ１０８との間に係合している）を回転させることができる。この時点において、機構は外部ループトルク保持モードに入ることができ、このモードでは、外部の制御部によって制御されるトーションモーターの回転速度が一定間隔で更新され、試験対象の材料試験サンプルのトルク率がゼロ（又は通常は事前に選択される正のトルク率若しくは負のトルク率）に維持される。異なる剛性を有する材料を一定かつ所望のトルクに保持することができるアルゴリズムには、ゲイン係数の乗数が組み込まれる。

【0020】

アルゴリズムによる手法は、図２のフローチャート３００によってより詳細に例示される。現在のトルク率がステップ３０２で計算される一方、現在の回転速度がステップ３０４で計算される。ステップ３０２、３０４からの出力は、アルゴリズムにおけるステップ３０６によって使用され、トルク率がゼロ（又は通常は事前に選択される正のトルク率若しくは負のトルク率）に維持される。ステップ３０６からの出力は、ステップ３０８において新しい回転速度を計算するのに使用される。ステップ３０８からの出力は、ステップ３１０において回転モーターに新しい回転速度を適用するのに使用される。ステップ３１０からの出力は、ステップ３０２、３０４によって受け取られ、閉ループ制御システムが完了する。

【0021】

この手法は、２つ以上のモーターを使用して材料試験サンプルに力を加えるのに使用することができる。

【0022】

このように、幾つかの上述の目的及び利点が、最も効率的に達成される。本明細書において本発明の好ましい実施形態を詳細に開示及び記載してきたが、本発明がこれにより限定されるものでは決してないことが理解されるべきである。

【図1】

【図2】

【手続補正書】

【提出日】2024-09-17

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0022】

このように、幾つかの上述の目的及び利点が、最も効率的に達成される。本明細書において本発明の好ましい実施形態を詳細に開示及び記載してきたが、本発明がこれにより限定されるものでは決してないことが理解されるべきである。
上述の実施形態は下記のように記載され得るが、下記に限定されるものではない。
［構成１］
材料試験装置であって、
材料試験サンプルを間に保持する第１のグリップ及び第２のグリップと、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第１の力を印加する第１の駆動部と、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第２の力を印加する第２の駆動部と、
前記第２の駆動部を制御するフィードバックシステムと、
を備える、材料試験装置。
［構成２］
前記第１のグリップは、下側グリップであり、前記第２のグリップは、前記第１のグリップの上方に位置する上側グリップである、構成１に記載の材料試験装置。
［構成３］
前記第１の力は、前記第２の力に対して直交する、構成２に記載の材料試験装置。
［構成４］
前記第１の駆動部は、前記材料試験サンプルに軸力を印加する、構成３に記載の材料試験装置。
［構成５］
前記第２の駆動部は、前記材料試験サンプルに回転力を印加する、構成４に記載の材料試験装置。
［構成６］
前記下側グリップは、前記サンプルに対する軸応力及び回転応力を測定するために、ロードセルに取り付けられる、構成５に記載の材料試験装置。
［構成７］
前記第２のグリップが前記第１の駆動部によって駆動されるレールを更に備え、前記第２のグリップの変位は、前記材料試験サンプルの軸ひずみを計算するために測定される、構成６に記載の材料試験装置。
［構成８］
前記第２の駆動部は、前記材料試験サンプルの回転ひずみを測定するインクリメンタルエンコーダーを備える、構成７に記載の材料試験装置。
［構成９］
前記フィードバックシステムは、現在のトルク率及び現在の回転速度を用いて、前記材料試験サンプルのトルク率をゼロに維持するのに必要な回転力を計算する、構成８に記載の材料試験装置。
［構成１０］
前記材料試験サンプルのトルク率をゼロに維持するのに必要な前記計算された回転力を用いて新しい回転速度が計算され、前記計算された新しい回転速度は、前記第２の駆動部へ伝達される、構成９に記載の材料試験装置。
［構成１１］
材料試験の方法であって、
材料試験サンプルを間に保持する第１のグリップ及び第２のグリップを設けるステップと、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第１の力を印加する第１の駆動部を設けるステップと、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第２の力を印加する第２の駆動部を設けるステップと、
前記第２の駆動部を制御するフィードバックシステムを設けるステップと、
を含む、方法。
［構成１２］
前記第１のグリップは、下側グリップであり、前記第２のグリップは、前記第１のグリップの上方に位置する上側グリップである、構成１１に記載の方法。
［構成１３］
前記第１の力は、前記第２の力に対して直交する、構成１２に記載の方法。
［構成１４］
前記第１の駆動部は、前記材料試験サンプルに軸力を印加する、構成１３に記載の方法。
［構成１５］
前記第２の駆動部は、前記材料試験サンプルに回転力を印加する、構成１４に記載の方法。
［構成１６］
前記サンプルの軸応力及び回転応力を測定するために前記下側グリップに取り付けられるロードセルを設けるステップを更に含む、構成１５に記載の方法。
［構成１７］
前記第２のグリップが前記第１の駆動部によって駆動されるレールを設けるステップを更に含み、前記第２のグリップの前記変位は、前記材料試験サンプルの軸ひずみを計算するために測定される、構成１６に記載の方法。
［構成１８］
前記第２の駆動部は、前記材料試験サンプルの回転ひずみを測定するインクリメンタルエンコーダーを備える、構成１７に記載の方法。
［構成１９］
前記フィードバックシステムは、現在のトルク率及び現在の回転速度を用いて、前記材料試験サンプルのトルク率をゼロに維持するのに必要な回転力を計算するステップを実行する、構成１８に記載の方法。
［構成２０］
前記フィードバックシステムは、前記材料試験サンプルのトルク率をゼロに維持するのに必要な前記計算された回転力を用いて新しい回転速度を計算するステップと、前記計算された新しい回転速度を前記第２の駆動部へ伝達するステップとを実行する、請求項１９に記載の方法。

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料試験装置であって、
材料試験サンプルを間に保持する第１のグリップ及び第２のグリップと、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第１の力を印加する第１の駆動部と、
前記第１のグリップ及び前記第２のグリップのうちの少なくとも一方を介して第２の力を印加する第２の駆動部と、
前記第２の駆動部を制御するフィードバックシステムと、
を備える、材料試験装置。

【外国語明細書】