JP2008164463A - 試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンチングを変位や試験力の検出信号のフィルタ処理で検出する。
【手段】変位フィードバック制御中、変位信号をフィルタ１３１に導く。試験周波数以上の変位信号がフィルタ１３１を通過する。フィルタ１３１を通過した変位信号の振幅は比較器１５１において基準値と比較され、振幅が基準値以上のときハンチングが発生したことを検出してスイッチ１７１を開いてサーボ弁３を停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、供試体である各種材料、部品、構造物の動的な特性を検査する試験機に関する。

従来から、復動式油圧シリンダを用いて供試体を負荷する疲労試験機が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のものにおいては、ＰＩＤ制御のゲインが高すぎるとアクチュエータがハンチングを起こして発振することがある。そのため、試験力や変位に制限値を設定してハンチングによる問題を回避している。

特開平１１−７２４２２号公報

しかしながら、試験条件に合わせて試験力や変位を推定して制限値を適切に設定する必要があり、ハンチングが適切に抑制できないことがある。

（１）請求項１の発明による試験機は、供試体に負荷を与える負荷手段と、供試体の変位や試験力を検出する検出手段と、検出手段で検出された検出信号と目標信号とに基づいて負荷手段を制御する制御手段と、検出信号に含まれるハンチング信号を抽出するハンチング抽出手段と、ハンチング抽出手段により抽出されたハンチング信号に基づいてハンチング発生を検出するハンチング発生検出手段と、ハンチング発生検出手段でハンチング発生が検出されたときにハンチングを抑制するハンチング抑制手段とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１の試験機において、ハンチング抽出手段は、検出信号に含まれる所定周波数帯域の信号成分を抽出するフィルタであり、ハンチング発生検出手段は、フィルタで抽出された信号の振幅を基準値と比較し、抽出信号が基準値以上のときにハンチングを検出する比較器であることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または３に記載の試験機において、ハンチング抑制手段は、負荷手段を停止することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１または２の試験機において、ハンチング抑制手段は、制御手段による負荷手段の制御を変更してハンチングを抑制することを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項４に記載の試験機において、ハンチング抑制手段は、制御手段のゲインを低減することを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項４の試験機において、制御手段は、変位フィードバック制御および試験力フィードバック制御のいずれかにより負荷手段を制御し、ハンチング抑制手段は、制御手段で実行中のフィードバック制御を他のフィードバック制御に切り換えることを特徴とする。

本発明による試験機によれば、変位や試験力など試験中に計測される検出信号からハンチングによる信号を抽出してハンチングを検出するようにしたので、適切にハンチングを防止することできる。

図１は本発明による試験機の一実施の形態を示す図である。この試験機は、材料の静的強度または動的強度を試験するものであり、図１に示すように、供試体ＴＰの両端を一対のつかみ具２５，２６で把持し、これらのつかみ具２５，２６を介して供試体ＴＰを負荷する。

図１において、基台２１上に一対の支柱２３Ａ、２３Ｂが立設され、その上端がヨーク２２で連結されている。支柱２３Ａ、２３Ｂの間にはクロスヘッド２４が横架され、クロスヘッド２４からロードセル５を介して上つかみ具２５が吊持されている。基台２１には油圧アクチュエータ２が固設され、この油圧アクチュエータ２のピストンロッド２Ａ先端に下つかみ具２６が設けられている。

油圧アクチュエータ２には変位計４が備えられている。この変位計４は、油圧アクチュエータ２のロッド２Ａの伸縮、すなわち供試体ＴＰに与えられた変位に応じた変位信号を出力する。変位信号は、アンプ３０およびＡ／Ｄコンバータ３１を介して制御回路１００に入力される。上つかみ具２５とクロスヘッド２４の間に設けられたロードセル５は、供試体ＴＰに与えられた試験力に応じた試験力信号を出力する。試験力信号は、アンプ２８およびＡ／Ｄコンバータ２９を介して制御回路１００に入力される。

制御回路１００には、入力部３２から試験条件が入力される。試験条件としては、たとえば、フィードバック制御の種別、振幅、試験周波数、供試体ＴＰの材質、形状、寸法などがある。フィードバック制御の種別は、この実施の形態の試験機では、変位フィードバックと試験力フィードバックである。振幅と試験周波数は、目標とする波形で供試体ＴＰに繰り返し負荷を与えるための入力データである。

制御回路１００は例えばマイクロコンピュータ等を備えて構成され、フィードバック制御部１１０と、フィルタ部１３０と、ハンチング検出部１５０と、ハンチング抑制部１７０とを有する。制御回路１００の詳細を図２に基づいて説明する。図２は制御回路１００を機能的に示すブロック図であり、制御回路１００は、スイッチ１１１と、目標波形発生回路１１２と、偏差器１１３と、ＰＩＤ制御部１１４と、スイッチ１７１と、フィルタ１３１と、比較器１５１とを備える。スイッチ１１１、目標波形発生回路１１２、偏差器１１３、およびＰＩＤ制御部１１４がフィードバック制御部１１０を構成する。フィルタ１３１がフィルタ部１３０を構成し、比較器１５１がハンチング検出部１５０を構成し、スイッチ１７１がハンチング抑止部１７０を構成する。

スイッチ１１１は、図１に示した入力部３２からのフィードバック制御種別信号により切り換えられて試験力信号または変位信号を選択して出力する。すなわち、試験力フィードバックまたは変位フィードバックが選択される。目標波形発生回路１１２は、選択されたフィードバック制御に応じた目標波形を発生する。偏差器１１３は、スイッチ１１１で切り換えられた変位信号または試験力信号と目標波形信号との偏差を算出する。ＰＩＤ制御部１１４には偏差器１１３から偏差信号が入力される。

ＰＩＤ制御部１１４は、入力された偏差信号に対して周知の比例、積分、微分演算を行ってサーボ弁駆動信号を生成する。スイッチ１７１は通常は閉のスイッチであり、ＰＩＤ制御部１１４で生成されたサーボ弁駆動信号はスイッチ１７１を介してサーボ弁３へ送出される。すなわち、サーボ弁駆動信号はＤ／Ａコンバータ２７へ出力され、サーボ弁３を駆動する。

このように構成された制御回路１００のフィードバック制御部１１０は、変位計４またはロードセル５により検出された供試体ＴＰに実際に与えられた変位または試験力が、目標変位または目標試験力と一致するように、サーボ弁３を介して油圧アクチュエータ２をフィードバック制御する。このようなフィードバック制御により供試体ＴＰに目標波形による疲労試験が行われ、供試体ＴＰの歪み−応力特性が計測される。

フィルタ１３１には、スイッチ１１１で切り換えられた変位信号または試験力信号が入力され、フィルタ１３１は所定周波数以上の帯域の検出信号を抽出する。所定周波数以上の周波数成分を有するフィルタ出力信号(ハンチング信号）は比較器１５１に入力されて基準値と比較される。比較器１５１は、フィルタ１３１からの出力信号の振幅が基準値より大きい場合はスイッチを開く信号を出力してスイッチ１７１を開いてサーボ弁３を停止する。

なお、この実施の形態では、フィルタ１３１、比較器１５１および偏差器１１３は、制御回路１００のＣＰＵなどによりソフトウエアとして構成することができる。この場合、フィルタ１３１はデジタルフィルタであり、入力部３２で入力された試験条件に応じてパラメータを変更することによりフィルタ特性を変更するプログラマブルなフィルタである。制御回路１００により、試験周波数、供試体の材質、寸法形状などで決まる試験機全体の系の共振周波数を演算し、その共振周波数に基づいて自動的にパラメータを設定するように構成することができる。あるいは、ユーザが、上記試験機全体の系の共振周波数を演算しパラメータを手動で設定するようにしてもよい。すなわち、試験機や供試体で決まる試験機全体の系による共振特性に応じてフィルタ特性を変更すればよい。

以上のように構成された試験機の具体的な動作を説明する。
入力部３２により、試験条件を制御回路１００に入力する。フィードバック制御の種別に応じて、上述したように、図２に示したスイッチ１１１が切り換えられる。上述した試験条件に応じて、デジタルフィルタ１３１のパラメータを設定してフィルタ特性が変更される。試験周波数と振幅に基づいて、目標波形発生回路１１２の出力波形が設定される。

供試体ＴＰを上下つかみ具２５,２６間にセットして不図示の試験開始スイッチをオン操作すると試験が開始され、サーボ弁３によりアクチュエータ２のピストンロッド２Ａが往復運動を開始する。変位フィードバック制御の場合、変位計４で検出された変位信号と目標波形との偏差が偏差器１１３で算出され、供試体ＴＰの変位が目標波形と一致するようにサーボ弁３が駆動される。試験力フィードバック制御の場合、ロードセル５で検出された試験力信号と目標波形との偏差が偏差器１１３で算出され、供試体ＴＰに負荷される試験力が目標波形と一致するようにサーボ弁３が駆動される。その結果、供試体ＴＰには試験周波数と振幅による繰り返し負荷が与えられる。

フィードバック制御により供試体ＴＰが負荷されている間、変位計４あるいはロードセル５の検出信号はフィルタ１３１にも入力される。この実施の形態では、フィルタ１３１のフィルタ特性は、試験周波数等で決定した所定周波数以上の入力信号を通過させるように設定されており、所定周波数以上の周波数成分を含む検出信号がフィルタ１３１に入力される場合、その検出信号が比較器１５１へ出力される。比較器１５１は、入力された検出信号の振幅があらかじめ設定した基準値より大きければ、スイッチを開く信号を出力する。これにより、スイッチ１７１が開となってサーボ弁３が停止され、ハンチングの発生を未然に防止し、あるいは、ハンチングを抑制する。

以上のように構成した試験機では次のような作用効果を奏することができる。
フィルタ１３１のフィルタ特性を試験条件に応じて設定するだけで、ハンチングを適切に検出して抑制することができる。すなわち、
（ａ）検出された変位信号や試験力信号をフィルタ１３１に入力して試験周波数などで決定された所定周波数以上の検出信号を取り出し、
（ｂ）取り出された検出信号の振幅があらかじめ設定した基準値を超えている場合、スイッチ１７１を開いてＰＩＤ制御部１１４から出力されるサーボ弁駆動信号を遮断してサーボ弁３を停止する。

このように構成した本実施の形態の試験機によれば、従来のように、変位や試験力を制限値と比較する方式を採用する場合に比べてハンチングを精度良く検出できる。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。たとえば、以下のような変形が可能である。
（１）ハンチング検出信号によりサーボ弁３を停止するようにしたが、図示しない油圧ポンプを停止し、あるいは、ＰＩＤ制御部１１４のゲインを低減させてハンチングを抑制してもよい。

（２）所定周波数帯域の成分を含む変位信号や試験力信号をハイパスフィルタで抽出し、その振幅を基準値と比較することによりハンチングを検出するようにした。しかし、所定値以下の周波数成分を含む変位信号や試験力信号をローパスフィルタで抽出してハンチング検出を行ってもよい。あるいは、所定帯域の周波数成分を含む変位信号や試験力信号をバンドパスフィルタで抽出してハンチング検出を行ってもよい。すなわち、試験機や供試体の全体の系による共振特性に応じて、フィルタ特性を変更すればよい。

（３）本発明は、実施の形態で説明した試験機に限定されず、疲労試験などの周波数試験を行う種々の試験機に適用することができる。

特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係では、油圧アクチュエータ２が負荷手段に、変位計４やロードセル５が検出手段に、目標波形発生回路１１２，偏差器１１３およびＰＩＤ制御部１１４が制御手段に、フィルタ１３１がハンチング信号抽出手段に、比較器１５１がハンチング発生検出手段に、スイッチ１７１がハンチング抑制手段にそれぞれ対応する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明の実施の形態に係る試験機の構成例を示す図 図1の実施の形態に係る試験機の制御回路を示すブロック図

符号の説明

２：油圧アクチュエータ ３：サーボ弁
４：変位計 ５：ロードセル
１００：制御回路 １１０：フィードバック制御部
１１１：スイッチ １１２：目標波形発生回路
１１３：偏差器 １１４：ＰＩＤ制御部
１３０：フィルタ部 １３１：フィルタ
１５０：ハンチング検出部 １５１：比較器
１７０：ハンチング抑制部 １７１：スイッチ

Claims (6)

1. 供試体に負荷を与える負荷手段と、
   前記供試体の変位や試験力を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された検出信号と予め設定した目標信号とに基づいて前記負荷手段を制御する制御手段と、
   前記検出信号に含まれるハンチング信号を抽出するハンチング抽出手段と、
   前記ハンチング抽出手段により抽出されたハンチング信号に基づいてハンチング発生を検出するハンチング発生検出手段と、
   前記ハンチング発生検出手段でハンチング発生が検出されたときにハンチングを抑制するハンチング抑制手段とを備えることを特徴とする試験機。
2. 請求項１の試験機において、
   前記ハンチング抽出手段は、前記検出信号に含まれる所定周波数帯域の信号成分を抽出するフィルタであり、
   前記ハンチング発生検出手段は、前記フィルタで抽出された信号の振幅を基準値と比較し、抽出信号が前記基準値以上のときにハンチングを検出する比較器であることを特徴とする試験機。
3. 請求項１または２に記載の試験機において、
   前記ハンチング抑制手段は、前記負荷手段を停止することを特徴とする試験機。
4. 請求項１または２の試験機において、
   ハンチング抑制手段は、前記制御手段による前記負荷手段の制御を変更してハンチングを抑制することを特徴とする試験機。
5. 請求項４に記載の試験機において、
   前記ハンチング抑制手段は、前記制御手段のゲインを低減することを特徴とする試験機。
6. 請求項４に記載の試験機において、
   前記制御手段は、変位フィードバック制御および試験力フィードバック制御のいずれかにより前記負荷手段を制御し、
   前記ハンチング抑制手段は、前記制御手段で実行中のフィードバック制御を他のフィードバック制御に切り換えることを特徴とする試験機。

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