特許 7115217 材料試験機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-08-01

(45)【発行日】2022-08-09

(54)【発明の名称】材料試験機

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/06 20060101AFI20220802BHJP

   G01N 3/08 20060101ALI20220802BHJP

【ＦＩ】

G01N3/06

G01N3/08

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018201460

(22)【出願日】2018-10-26

(65)【公開番号】P2020067407

(43)【公開日】2020-04-30

【審査請求日】2021-02-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100101753

【弁理士】

【氏名又は名称】大坪 隆司

(72)【発明者】

【氏名】安田 善一

【審査官】前田 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－０７２４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０２８７７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１４２４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２５２４３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３／００－３／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

治具を介して供試体を負荷するアクチュエータと、
前記治具に接続され、前記アクチュエータの駆動により変位する移動部材と、
前記移動部材の変位を検出する変位検出器と、
前記供試体に与えられる荷重を検出する力検出器と、
ユーザが操作することにより前記アクチュエータに指令信号を与える操作部と、
前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
過負荷レベルの判定基準となる荷重値を保持し、前記操作部を介して前記アクチュエータに指令信号を与えているときに、前記力検出器による検出値と過負荷レベルを比較し、検出値が過負荷レベルを超えたかどうかにより過負荷を検出する過負荷検出部と、
前記操作部からの指令信号に応じて、前記アクチュエータの移動の目標値を更新する目標値更新部と、
前記過負荷検出部が過負荷を検出したときに、前記目標値更新部による目標値の負荷方向への更新を禁止する禁止部と、
を有し、
前記目標値更新部は、前記禁止部が目標値の負荷方向への更新を禁止した後に、現在の目標値と前記変位検出器の検出値の偏差に基づいて、負荷方向と逆側となる値に目標値を更新することを特徴とする材料試験機。

【請求項2】

請求項１に記載の材料試験機において、
前記制御部は、前記目標値更新部により、負荷方向と逆側となる値に目標値が更新されたときに、更新された目標値に到達するまで前記アクチュエータの駆動を積分動作を含む制御で制御する材料試験機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、アクチュエータの手動操作時に供試体に加わる過負荷を検出して除荷する材料試験機に関する。

【背景技術】

【0002】

材料試験機においては、一般に、負荷機構の駆動により試験片に対して、各種の負荷を加えている。このような材料試験機としては、一対のつかみ具により試験片の両端を把持させて、これらのつかみ具を介して試験片に荷重を与えるものが知られている。

【0003】

このような材料試験機では、基台とヨークの間に一対の柱部材が立設され、これらの柱部材の所定の位置に架設されたクロスヘッドに上つかみ具を取り付け、基台側に設けた油圧アクチュエータの伸縮するロッドに下つかみ具を取り付けている。そして、上つかみ具と下つかみ具に試験片の両端を把持させ、目標変位または目標荷重を設定して、サーボ弁を介して油圧アクチュエータの動作をフィードバック制御することにより、上つかみ具および下つかみ具を介して試験片に荷重が与えられる（特許文献１参照）。

【0004】

試験片を一対のつかみ具の間にセットするときには、試験前の試験片に予定している荷重以外の負荷がかからないようにする必要がある。このため、従来の材料試験機には、過負荷防止機能が設けられている。従来の材料試験機において、試験片の両端をつかみ具につかませるときには、まず、試験片の一端を一方のつかみ具につかませ、次に、試験片をつかませたつかみ具を手動操作（ジョグ操作）により他方のつかみ具に向けて動かしている。このとき、試験片の端を、他方のつかみ具のつかみ歯間に挿入できずに、つかみ具の端面に試験片が衝突したり、試験片の端を他方のつかみ具のつかみ歯間に押し込みすぎたりして、試験片に過負荷が加わることがある。

【0005】

このため、特許文献１の材料試験機では、油圧アクチュエータがジョグ操作により動作されているときに、供試体に作用する荷重が設定値以上であるか否かを判定し、設定値以上であった場合には、油圧アクチュエータへのジョグ操作による指令信号の伝達を禁止し、供試体に過負荷がかかることを防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開平４－２７４７２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の過負荷防止機構では、過負荷が検出された時点で、それ以降のジョグ操作を無効化しても、アクチュエータがすぐに停止するわけではなく、応答遅れの時間分、その時の目標値に向けてさらにアクチュエータが動作する。このため、供試体には余分な荷重が与えられていた。

【0008】

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、アクチュエータの手動操作時に供試体に加わる過負荷を検出して確実に除荷することができる材料試験機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

請求項１に記載の発明は、治具を介して供試体を負荷するアクチュエータと前記治具に接続され、前記アクチュエータの駆動により変位する移動部材と、前記移動部材の変位を検出する変位検出器と、前記供試体に与えられる荷重を検出する力検出器と、ユーザが操作することにより前記アクチュエータに指令信号を与える操作部と、前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、過負荷レベルの判定基準となる荷重値を保持し、前記操作部を介して前記アクチュエータに指令信号を与えているときに、前記力検出器による検出値と過負荷レベルを比較し、検出値が過負荷レベルを超えたかどうかにより過負荷を検出する過負荷検出部と、前記操作部からの指令信号に応じて、前記アクチュエータの移動の目標値を更新する目標値更新部と、前記過負荷検出部が過負荷を検出したときに、前記目標値更新部による目標値の負荷方向への更新を禁止する禁止部と、を有し、前記目標値更新部は、前記禁止部が目標値の負荷方向への更新を禁止した後に、現在の目標値と前記変位検出器の検出値の偏差に基づいて、負荷方向と逆側となる値に目標値を更新することを特徴とする。

【0010】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の材料試験機において、前記制御部は、前記目標値更新部により、負荷方向と逆側となる値に目標値が更新されたときに、更新された目標値に到達するまで前記アクチュエータの駆動を積分動作を含む制御で制御する。

【発明の効果】

【0011】

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、手動操作中に過負荷を検出すると、アクチュエータの移動の目標値の負荷方向への更新を禁止して、現在の目標値と変位検出器の検出値の偏差に基づいて、負荷方向と逆側となる値に目標値を更新することから、アクチュエータを除荷方向に動作させて、試験片に加わる過負荷を確実に除荷することが可能となる。

【0012】

請求項２に記載の発明によれば、目標値変更後に積分動作を含む制御を有効にしてアクチュエータを駆動することから、制御量を目標値に徐々に近づけて一致させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】この発明に係る材料試験機の概要図である。

【図2】除荷に関係する制御系の信号経路を説明するブロック図である。

【図3】除荷動作の手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。

【0015】

この材料試験機は、テーブル１１により支持された一対のコラム１２と、これらのコラム１２により支持された架台１３とを備える。テーブル１１には、供試体としての試験片１０に荷重を負荷するための油圧アクチュエータ２１が配設されている。この油圧アクチュエータ２１は、シリンダ型アクチュエータであり、シリンダ内に移動可能に嵌め合わされたピストン２４（図２参照）に連結されたシリンダロッド２５を備え、作動油の供給量を弁開度等により決定するサーボバルブ２２と、油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５の変位を検出する変位検出器２６とに接続されている。油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５は、この発明の移動部材であり、シリンダロッド２５には、試験片１０を掴む一対のつかみ具２９のうちの一方が取り付けられている。

【0016】

つかみ具２９は、くさびの自己締まり作用を応用して試験片１０を把持するくさび式つかみ具である。なお、このつかみ具２９は、一対のつかみ歯の開閉をユーザがハンドルを操作することにより行う手動式のものであるが、つかみ具２９は、一対のつかみ歯の開閉に、作動油を利用する油圧式のつかみ具や、空気圧を利用する空圧式のつかみ具であってもよい。また、つかみ具２９は、くさび式つかみ具に限定されるものではなく、つかみ歯をＴレンチによって開閉させるねじ式のつかみ具であってもよい。

【0017】

架台１３の下面には、試験片１０にかかる荷重を検出するための力検出器としてのロードセル２７と、試験片１０を固定するための他方のつかみ具２９とが配設されている。また、テーブル１１の下方には、油圧アクチュエータ２１の駆動源として、油圧アクチュエータ２１を動作させるための作動油を供給する油圧供給部３０が配置されている。

【0018】

また、この材料試験機は、装置全体を制御するための制御部４０を備える。この制御部４０は、表示部４１および入力部４２を備えたコンピュータ４３と接続されている。入力部４２は、ユーザが操作するアクチュエータに指令信号を与える操作部として機能する。上述したサーボバルブ２２は、制御部４０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。また、変位検出器２６の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは、所定時間ごとに制御部４０に取り込まれる。

【0019】

油圧アクチュエータ２１は、油圧供給部３０から供給される作動油によって動作する。この油圧供給部３０からの作動油は、管路３７からサーボバルブ２２を介して油圧アクチュエータ２１に供給される。また、油圧アクチュエータ２１から排出された作動油は、サーボバルブ２２を通過した後、管路３８を介して油圧供給部３０に戻される。

【0020】

以上のような構成を有する材料試験機においては、試験片１０の両端を一対のつかみ具２９により把持した状態で、下側のつかみ具２９を油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５により往復移動させ、この試験片１０に対して振動を付与する。このときの油圧アクチュエータ２１におけるシリンダロッド２５の往復移動のストロークは、油圧アクチュエータ２１の振幅として変位検出器２６により検出される。また、このときに試験片１０に付与される荷重は、ロードセル２７により検出される。そして、上述したように、このときの変位検出器２６の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは、所定時間ごとに制御部４０に取り込まれる。制御部４０では、設定された変位の目標値と変位検出器２６から入力された検出値との偏差、または、荷重の目標値とロードセル２７から入力された検出値との偏差が算出され、この偏差に基づいた駆動信号がサーボバルブ２２に入力されることで、油圧アクチュエータ２１がフィードバック制御される。

【0021】

図２は、除荷に関係する制御系の信号経路を説明するブロック図である。

【0022】

この材料試験機の制御部４０は、サーボバルブ２２に入力される駆動信号を演算する駆動制御部５１を備える。駆動制御部５１は、ＰＩＤ制御器として動作する構成を有し、変位検出器２６やロードセル２７からのフィードバック値と目標値との偏差に対して、比例演算、積分演算、微分演算を組み合わせて、油圧アクチュエータ２１への操作量を決定し、サーボバルブ２２に駆動信号を出力する。

【0023】

制御部４０は、値を保持（記憶）する機能を持った素子を含むことにより、過負荷レベルの判定基準となる荷重値を保持し、入力部４２を介して油圧アクチュエータ２１に指令信号を与えているときに、ロードセル２７による検出値と過負荷レベルを比較し、検出値が過負荷レベルを超えたかどうかにより過負荷を検出する過負荷検出部５２と、入力部４２からの指令信号に応じて、油圧アクチュエータ２１の移動目標値を更新する目標値更新部５４と、過負荷検出部５２が過負荷を検出したときに、目標値更新部５４による目標値の負荷方向への更新を禁止する禁止部５３と有する。なお、油圧アクチュエータ２１の目標値とは、例えば、図２におけるシリンダの最下端の位置を０ｍｍとして、そこからのピストン２４の高さ位置を示す値である。下側のつかみ具２９に試験片１０をつかませた状態で、下側のつかみ具２９をジョグ操作により上側のつかみ具２９に向けて移動させているときに過負荷が検出される状態は、試験片１０の上端部が上側のつかみ具２９のつかみ歯間に挿入できずに上側のつかみ具２９の端面に衝突した場合などである。したがって、このときの過負荷を生じさせる負荷方向は上方向となる。そして、このときに目標値の負荷方向への更新を禁止するとは、例えば、ピストン２４の高さ位置の目標値が５ｍｍとなっているのを、目標値更新部５４が、さらにそれより上側の位置となる７ｍｍに更新することを禁止することである。

【0024】

次に、上述した材料試験機において、ジョグ操作中に試験片１０に加わる過負荷を除荷する除荷動作について説明する。図３は、除荷動作の手順を示すフローチャートである。

【0025】

この材料試験機で疲労試験を行うときには、最初に、試験片１０の下端を下側のつかみ具２９に把持させ、ジョグ操作により、試験片１０の上端が上側のつかみ具２９のつかみ歯により把持される位置まで下側のつかみ具２９を上昇させる。ジョグ操作は、ユーザが入力部４２を操作して、シリンダロッド２５に接続された下側のつかみ具２９移動方向と移動量を入力することにより行われる。このとき、例えば試験片１０が上側つかみ具２９の端面に衝突するなどして生じた荷重は、過負荷検出部５２における過負荷レベルとの比較により過負荷か否かが判定される（ステップＳ１）。過負荷検出部５２において過負荷が検出されたと判定されると、禁止部５３によって、入力部４２を介して目標値更新部５４に伝達された指令信号に基づく目標値の負荷方向への更新を禁止し（ステップＳ２）、ユーザによる入力部４２からのシリンダロッド２５の上方向への移動操作を無効化する。

【0026】

油圧アクチュエータ２１の動作においては、シリンダロッド２５を移動させる目標値が更新されてからその目標値に到達するまで、応答遅れがある。したがって、先に目標値が更新された後に、過負荷が検出されたことによって目標値の負荷方向への更新が禁止されても、油圧アクチュエータ２１は、その時点で設定されている目標値にむけてシリンダロッド２５を移動させている途上にある。応答遅れ分の時間内に、目標値更新部５４は、変位検出器２６から入力された現在の検出値と目標値との偏差を求め、その偏差を目標値から引いた値を新たな目標値として算出し（ステップＳ３）、目標値を更新する（ステップＳ４）。なお、禁止部５３は、目標値の負荷方向への更新は禁止するが、負荷方向の逆側となる値に更新することは許容している。したがって、例えば、目標値が５ｍｍに設定されているときに、目標値更新部５４が応答遅れ分に相当する現在の検出値と目標値との偏差２ｍｍを解消するように、目標値を５ｍｍより下側の位置となる３ｍｍに更新することは、許容される。

【0027】

目標値が更新されると、駆動制御部５１から油圧アクチュエータ２１の駆動信号をサーボバルブ２２に与えて、目標値にむけてシリンダロッド２５を移動させる（ステップＳ５）。そして、変位検出器２６からの入力をモニタしてピストン２４が新しい目標値に到達するのを待つ。このとき、駆動制御部５１の積分制御を有効にすることで、制御量を目標値に徐々に近づけて一致させることができる。なお、積分制御を有効にする動作は、ユーザが入力部４２から入力してもよく、ジョグ操作が行われたときに自動的に積分制御を有効にしてもよい。また、駆動制御部５１は、比例制御により油圧アクチュエータ２１を制御することもできるが、比例積分制御とすることで、細かい制御が可能となる。

【0028】

しかる後、ロードセル２７から過負荷検出部５２に入力された検出値が所定の荷重範囲内に到達した否かにより除荷終了判定が行われる（ステップＳ６）。ロードセル２７の検出値が所定の荷重範囲内に到達していない、すなわち過負荷レベルよりも低い荷重値に到達していない場合は、ステップＳ３からステップＳ５が繰り返し行われる。ロードセル２７の検出値が所定の荷重範囲内に到達している場合は、除荷動作が完了したものとして、禁止部５３による負荷方向への目標値更新の禁止を解除する（ステップＳ７）。これ以降、入力部４２から入力された目標値変更のための指令信号は、方向に関係なく有効となる。この過負荷検出と除荷の一連の動作は、入力部４２を介したジョグ操作中に繰り返し実行される。

【0029】

従来は、ジョグ操作により油圧アクチュエータ２１のシリンダロッド２５を移動させて、一方のつかみ具２９に試験片１０を把持させた状態で、上下一対のつかみ具２９を近接させるときに、ユーザがつかみ具２９の位置を見ながらシリンダロッド２５の停止信号を入力しても、アクチュエータがすぐに停止するわけではなく、応答遅れの時間分、その時の目標値に向けてさらにアクチュエータが動作したため、試験片１０が他方のつかみ具２９の意図しない位置に当たり、試験片１０に過負荷が加わる状態が生じていた。この発明に係る材料試験機においては、ジョグ操作中に、過負荷を検出すると目標値が自動で操作されるため、油圧アクチュエータ２１に除荷を実現する動作を実行させることができ、試験前に試験片１０に過負荷が加わることを確実に防止することが可能となる。

【0030】

上述した実施形態では、テーブル１１側に油圧アクチュエータ２１を配置し、負荷枠内に治具として一対のつかみ具２９を配置した材料試験機を例に説明したが、材料試験機の構成は、これに限定されない。すなわち、クロスヘッド側にアクチュエータを配置し、シリンダロッドに治具として圧盤を接続し、基台上に配置したブロックなどの供試体に繰り返し圧縮荷重を与える材料試験機にも、この発明を適用することができる。

【符号の説明】

【0031】

１０ 試験片
１１ テーブル
１２ コラム
１３ 架台
２１ 油圧アクチュエータ
２２ サーボバルブ
２４ ピストン
２５ シリンダロッド
２６ 変位検出器
２７ ロードセル
２９ つかみ具
３０ 油圧供給部
３７ 管路
３８ 管路
４０ 制御部
４１ 表示部
４２ 入力部
４３ コンピュータ
５１ 駆動制御部
５２ 過負荷検出部
５３ 禁止部
５４ 目標値更新部

【図1】

【図2】

【図3】