JP2003028770A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過負荷レベルを荷重値で明確に指定すること
ができ、その設定に経験を要することなく、しかも手動
操作時に実際に試験片に作用する荷重の最大値を、設定
した過負荷レベル以下に確実に抑えることのできる材料
試験機を提供する。 【解決手段】 手動操作により変位制御で負荷機構１４
を駆動制御している状態で、荷重検出値が過負荷レベル
に達したことを検出して荷重制御に切り換え、その荷重
目標値信号として、その時点の荷重検出値からあらかじ
め設定されている除荷目標値に至る信号を発生する。荷
重検出値が除荷目標値に達した時点で、再び変位制御に
切り換えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】 【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、負荷機構を少なくとも荷重制御もしくは
変位制御のいずれかにより選択的にフィードバック制御
する制御ループを備えた材料試験機に関する。 【従来の技術】材料試験機においては、一般に、試験片
の両端を掴み具によって把持した状態で、その掴み具の
いずれかを負荷機構により変位を与えることで、試験片
に負荷を加える。また、この負荷機構の変位は変位計な
どの変位検出手段により刻々と検出されるとともに、そ
の変位により試験片に作用する荷重はロードセルなどの
荷重検出手段によって刻々と検出される。そして、試験
中における負荷機構の駆動制御は、通常、荷重もしくは
変位のいずれか選択された量を制御量とするフィードバ
ック制御によって行われる。また、試験前に試験片を掴
み具に把持させる場合等における手動操作時において、
試験片に対して過負荷が作用することを防止するための
技術として、従来、手動操作により発生する目標値信号
に対して変位検出値および荷重検出値を同時に制御ルー
プ内に導入する技術が知られている。この従来の過負荷
防止技術を、電気−油圧サーボ式の材料試験機を例にと
って図４にブロック図で示す。負荷機構の油圧アクチュ
エータ４１の変位は変位計４２によって検出され、ま
た、その変位により試験片に作用する荷重はロードセル
４３によって検出される。手動操作部４４の操作によっ
て油圧アクチュエータ４１の変位目標値信号が発生し、
その変位目標値信号に対して変位計４２による変位検出
値がフィードバックされる。また、手動操作時には、ロ
ードセル４３による荷重検出値がフィードバックされ、
その偏差が、上記した変位制御ループの偏差と重畳され
てＰＩＤ調節器４６に導入され、ＰＩＤ演算が施された
後にサーボバルブ４７に駆動信号として供給され、油圧
アクチュエータ４１はこのサーボバルブ４７を介して供
給される圧油によって動作する。以上の構成において、
試験片に荷重が作用していない状態もしくは僅かな荷重
のみが作用している状態では、荷重制御ループの偏差信
号が０または小さく、従って実質的に変位制御ループの
みが機能する。一方、試験片に大きな荷重が作用すると
荷重制御ループの偏差信号が支配的となり、試験片に作
用する荷重が荷重目標値（例えば荷重０）に近づくよう
に油圧アクチュエータ４１が動作し、これによって試験
片に過負荷が作用することが抑制される。 【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な従来の過負荷防止技術によると、変位制御ループと荷
重制御ループのループゲインの比率によって、過負荷時
におけるアクチュエータの動きが決まる。この比率は、
経験によって得られるものであるため、オペレータには
判りにくく、また、この技術によれば、過負荷レベルを
明確に指定できないという問題がある。本発明はこのよ
うな実情に鑑みてなされたもので、過負荷レベルを荷重
値によって明確に指定することができ、その設定に経験
を必要とすることなく、しかも手動操作時に実際に試験
片に作用する荷重の最大値を設定した過負荷レベル以下
に確実に抑えることのできる材料試験機の提供を目的と
している。 【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、試験片の把持状態で変位す
ることにより当該試験片に負荷を与える負荷機構と、そ
の負荷機構の刻々の変位を検出する変位検出手段と、そ
の負荷機構の変位により試験片に作用する荷重を検出す
る荷重検出手段を備えるとともに、変位および荷重のう
ちいずれかを選択的に制御量として目標値信号にフィー
ドバックすることにより、上記負荷機構を変位制御もし
くは荷重制御のもとに駆動制御する制御ループを備えた
材料試験機において、手動操作により上記負荷機構を変
位制御で駆動制御している状態で、上記荷重検出手段に
よる荷重検出値があらかじめ設定されている過負荷レベ
ルに達したことを検出する過負荷検出手段と、その過負
荷検出手段による過負荷レベルへの到達検出時点で、制
御手段による負荷機構の制御を強制的に荷重制御に切り
換え、かつ、その時点における荷重検出値から上記過負
荷レベルより低いあらかじめ設定された除荷目標値に至
る荷重目標値信号を発生するとともに、荷重検出値が上
記除荷目標値に達した時点で自動的に変位制御に戻す制
御切換手段を備えていることによって特徴づけられる。
本発明は、試験片の掴み具への取り付け時等をはじめと
する、負荷機構の変位制御による手動操作時に、試験片
に作用する荷重を監視し、その荷重があらかじめ設定さ
れている過負荷レベルに達した時点で変位制御から荷重
制御に強制的に切り換え、荷重制御によって試験片に作
用する荷重を小さくしたうえで変位制御に戻すことで、
所期の目的を達成しようとするものである。すなわち、
本発明においては、変位制御により手動操作を行ってい
る状態において荷重検出手段による荷重検出値を監視
し、その荷重検出値があらかじめ設定されている過負荷
レベルに達したことを検出した時点で、荷重制御に切り
換え、かつ、そのときの荷重目標値信号として、その時
点における荷重値から過負荷レベルよりも低い除荷目標
値に至る信号を発生し、試験片に作用する荷重をその除
荷目標値にまで低下させたうえで、再び変位制御に自動
的に切り換える。このような構成並びに動作により、試
験片に作用する荷重の上限値はあらかじめ設定されてい
る過負荷レベルとなって、荷重値で指定した過負荷レベ
ルを越える荷重が試験片に作用してしまうことを確実に
防止することができると同時に、オペレータにとっても
その過負荷レベルの指定が極めて判りやすく、経験を必
要とすることがない。 【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は本発明を電気−油
圧サーボ式の材料試験機に適用した実施の形態の全体構
成図であり、図２はその制御装置５を主体とする制御シ
ステムの試験中における機能の内容を表すブロック図で
あって、図３は同じく制御装置５を主体とする制御シス
テムの手動操作時における機能の内容を表すブロック図
である。試験機本体１は、テーブル１１上に２本のコラ
ム１２ａ，１２ｂを設け、そのコラム１２ａ，１２ｂに
よってクロスヨーク１３の両端部を支持した構造を有し
ている。テーブル１には負荷機構を構成する油圧アクチ
ュエータ１４が設けられており、この油圧アクチュエー
タ１４のラム１４１に下掴み具１５ａが装着されている
とともに、前記したクロスヨーク１３に、ロードセル２
を介して上掴み具１５ｂが装着されており、試験片Ｗは
こられ上下の掴み具１５ａ，１５ｂにその両端部が把持
された状態で試験に供される。すなわち、上下の掴み具
１５ａ，１５ｂに両端部が把持された試験片Ｗは、油圧
アクチュエータ１４の駆動によって負荷が加えられると
ともに、試験片Ｗに作用する荷重はロードセル２によっ
て刻々と検出され、また、油圧アクチュエータ１４のラ
ム１４１の変位は変位計３によって刻々と検出される。
油圧アクチュエータ１４は、油圧ユニット（図示せず）
からの圧油がサーボバルブ４を介して供給されることに
よって駆動制御される。このサーボバルブ４の駆動信号
は、ＣＰＵを主体に構成されたデジタル動作の制御装置
５から供給される。この制御装置５には、手動操作時に
用いる手動操作部６が接続されている。ロードセル２お
よび変位計３の出力は、それぞれアンプ並びにＡ−Ｄ変
換器などを含むデータサンプリング回路（図示せず）を
介して刻々と制御装置５に取り込まれる。制御装置５
は、試験中においては、図２に示すような動作のもとに
サーボバルブ４に対する駆動信号を生成する。なお、こ
の図２において、検出器のブロックはロードセル２もし
くは変位計３を表し、これらのうち、制御量として選択
されたものが図２における検出器のブロックとなる。さ
て、試験中においては、波形発生部５１からの目標値信
号に対して、制御量として選択された荷重もしくは変位
の検出値がフィードバックされる。そして、その偏差が
ＰＩＤ調節部５２によって比例・積分・微分演算された
うえで、サーボバルブ４に駆動信号として供給され、こ
れにより、油圧アクチュエータ１４は目標値信号に追随
するように動作し、試験片Ｗに目標通りの負荷を加える
ことができる。一方、上下の掴み具１５ａ，１５ｂに対
して試験片Ｗを装着する場合をはじめとして、油圧アク
チュエータ１４を手動操作によって駆動する場合には、
図３に示すような動作のもとにサーボバルブ４に対する
駆動信号を生成する。すなわち、手動操作時において
は、ＰＩＤ調節部５２の前段に制御量切換部５３が挿入
され、この制御量切換部５３は、当初は図中実線で示す
側、つまり変位制御側に設定される。また、この手動操
作時においては、制御装置５に接続されている手動操作
部６を操作することによって、変位目標値信号発生部５
４がその操作通りの変位目標値信号を発生し、その変位
目標値信号に対して変位計３による変位検出値がフィー
ドバックされ、その偏差がＰＩＤ調節部５２により比例
・積分・微分演算されたうえでサーボバルブ４に駆動信
号として供給される。そして、この手動操作による変位
制御状態において、ロードセル２による荷重検出値が過
負荷検出部５５に導入され、この過負荷検出部５５にお
いては、刻々の荷重検出値とあらかじめ設定されている
過負荷レベルとを比較し、荷重検出値が過負荷レベルに
達した時点で、制御量切換部５３を強制的に荷重制御側
（図中二点鎖線で示す側）に切り換える。この荷重制御
時には、荷重目標値信号発生部５６が、その時点におけ
る荷重値から、あらかじめ設定された除荷速度のもと
に、同じくあらかじめ設定されている除荷レベルに達す
る荷重目標値信号を発生し、その荷重目標値信号に対し
てロードセル２による荷重検出値がフィードバックさ
れ、その偏差がＰＩＤ調節部５２導入され、同じく比例
・積分・微分演算されたうえでサーボバルブ４に対して
駆動信号として供給される。この荷重制御によって試験
片に作用する荷重検出値が除荷レベルにまで達した時点
で、制御切換部５３を変位制御側に自動的に切り換え
る。以上の手動操作時における動作によると、試験片Ｗ
に作用する荷重が過負荷レベルに達していない状態にお
いては、操作部６の操作により変位制御のもとに油圧ア
クチュエータ１４が駆動制御され、その変位制御状態に
おいて試験片Ｗに作用する荷重が過負荷レベルに達する
と、その時点で、荷重制御のもとに、試験片Ｗに作用す
る荷重があらかじめ設定されている速度で除荷レベルに
まで達するように油圧アクチュエータ１４が駆動制御さ
れ、試験片Ｗに作用する荷重は、あらかじめ設定されて
いる過負荷レベルを越えることがない。また、除荷が終
了した時点で自動的に変位制御に戻されて、操作部６の
操作通りに油圧アクチュエータ１４が駆動制御される。
この本発明の実施の形態において特に注目すべき点は、
あらかじめ過負荷レベルと除荷レベルをそれぞれ荷重値
で設定し、また、除荷スピードを適宜に設定しておくこ
とによって、試験片Ｗに作用する荷重は過負荷レベルを
越えないように制御量が自動的に切り換えられる点であ
り、これにより、試験片Ｗに作用することを許容する荷
重の上限値を荷重値で設定することができ、かつ、試験
片Ｗに作用する荷重は、設定された過負荷レベル以下に
確実に抑えられる。なお、以上の実施の形態において
は、本発明を電気−油圧サーボ式の材料試験機に適用し
た例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、
制御量として少なくとも荷重と変位を選択することので
きるフィードバックループを備えた材料試験機であれ
ば、どのような制御型式のものにも等しく適用し得るこ
とは勿論である。 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、試験片
の掴み具への装着時等、手動操作により負荷機構を動作
させるに当たり、当初は変位制御のもとに負荷機構を駆
動制御するとともに、その変位制御状態において試験片
に作用する荷重を監視し、その荷重値があらかじめ設定
されている過負荷レベルに達した時点で、強制的に荷重
制御に切り換え、その荷重制御時においては、その時点
における荷重値からあらかじめ設定されている除荷レベ
ルにまで到達する荷重目標値信号を発生することによ
り、試験片に作用する荷重を自動的に除荷レベルにまで
低下させ、そのうえで変位制御に自動的に戻すので、オ
ペレータは、手動操作時において試験片に作用する最大
の荷重、つまり過負荷レベルを荷重値で明確に設定する
ことができ、過負荷防止のための設定に経験を要するこ
とがなく、しかも手動操作時に試験片に実際に作用する
荷重はその設定された過負荷レベルを越えることなく確
実に負荷機構が駆動制御される。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施の形態の全体構成図である。 【図２】図１の実施の形態における制御装置５を主体と
する制御システムの試験中における機能の内容を表すブ
ロック図である。 【図３】同じく図１の実施の形態における制御装置５を
主体とする制御システムの手動操作時における機能の内
容を表すブロック図である。 【図４】従来の手動操作時における過負荷防止技術を、
電気−油圧サーボ式の材料試験機を例にとって示すブロ
ック図である。 【符号の説明】 １ 試験機本体 １１ テーブル １２ａ，１２ｂ コラム １３ クロスヨーク １４ 油圧アクチュエータ １５ａ，１５ｂ 掴み具 ２ ロードセル ３ 変位計 ４ サーボバルブ ５ 制御装置 ５１ 波形発生部 ５２ ＰＩＤ調節部 ５３ 制御切換部 ５４ 変位目標値信号発生部 ５５ 過負荷検出部 ５６ 荷重目標値信号発生部 ６ 手動操作部 Ｗ 試験片

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 試験片の把持状態で変位することにより
   当該試験片に負荷を与える負荷機構と、その負荷機構の
   刻々の変位を検出する変位検出手段と、その負荷機構の
   変位により試験片に作用する荷重を検出する荷重検出手
   段を備えるとともに、変位および荷重のうちいずれかを
   選択的に制御量として目標値信号にフィードバックする
   ことにより、上記負荷機構を変位制御もしくは荷重制御
   のもとに駆動制御する制御ループを備えた材料試験機に
   おいて、 手動操作により上記負荷機構を変位制御で駆動制御して
   いる状態で、上記荷重検出手段による荷重検出値があら
   かじめ設定されている過負荷レベルに達したことを検出
   する過負荷検出手段と、その過負荷検出手段による過負
   荷レベルへの到達検出時点で、制御手段による負荷機構
   の制御を強制的に荷重制御に切り換え、かつ、その時点
   における荷重検出値から上記過負荷レベルより低いあら
   かじめ設定された除荷目標値に至る荷重目標値信号を発
   生するとともに、荷重検出値が上記除荷目標値に達した
   時点で自動的に変位制御に戻す制御切換手段を備えてい
   ることを特徴とする材料試験機。