JP2773355B2 - 材料試験機の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は供試体の荷重−変位特性を精度よく測定する
材料試験機の制御装置に関する B.従来の技術 従来から、供試体の荷重−変位特性を求める電気油圧
式材料試験機が知られている。この電気油圧式材料試験
機は、例えば基台上に立設した一対の支柱にクロスヘッ
ドを横架して負荷枠を形成し、その負荷枠内の治具に供
試体を設置してこの供試体を負荷しながらロードセルと
差動トランス等によって荷重と変位とを測定するもので
ある。

この材料試験機の全体構成を示す第５図により動作を
説明する。

試験条件入力部22で供試体SPの試験条件を設定する
と、この試験条件に従って制御回路21から設定信号発生
器23に指令が与えられ、設定信号発生器23は例えば供試
体SPを伸縮させながら負荷するパターン波形の設定信号
を発生する。この設定信号は、加算器25で差動トランス
12が検出している現在の変位信号と加算されて、設定信
号と変位信号との偏差が求められる。さらに、この偏差
信号はサーボアンプ28により増幅されサーボ弁10gに駆
動信号として送出される。この駆動信号に従ってアクチ
ュエータ10eが駆動され、供試体SPが負荷される。

この試験中の供試体SPに負荷される荷重とそれによっ
て生じる変位は、それぞれロードセル11、差動トランス
12によって検出されて電気信号の変換され、それぞれ増
幅器29a、30aにより増幅されてA/D変換器31へ送出され
る。さらに、A/D変換器31によってデジタル信号に変換
された荷重信号と変位信号は、制御回路21を介してレコ
ーダ32へ送出されグラフ化して表示される。

ここで、増幅器29a,30aの入出力端子に付加されたス
イッチ29b,30bと抵抗器29c〜29f,30c〜30fは、検出信号
振幅に応じて増幅器のゲインを切り換えるための素子で
あり、検出信号ゲイン切換回路を構成する。

この回路の動作を増幅器29a,30aのゲイン特性を示す
第６図により説明する。

設定信号発生器23から発生される設定信号の振幅が小
さい時は、検出器11,12からの検出信号の振幅も小さ
い。第６図（ａ）に示すようなゲインが一定な増幅器に
よってこのような小さな振幅の検出信号を増幅するとそ
の出力の振幅も小さくなる。このような小さな振幅の検
出信号に基づいて上述のようなフィードバック制御を行
なうと、制御精度が悪くなり、さらに、測定された供試
体SPの荷重−変位特性のデータも精度が悪くなる。この
ような場合には一度材料試験機を停止して、スイッチ29
b,30bを操作して検出信号の振幅に応じて例えば（ｂ）
に示すゲイン41aからゲイン41bあるいは41cに切り換え
ることにより、高精度な制御が行なえ、また精度のよい
荷重−変位特性が得られる。

C.発明が解決しようとする課題 しかしながら、このような従来の材料試験機の制御装
置では、検出信号ゲイン切換回路を試験中に切り換える
ことができないという問題がある。上述したように試験
中は設定信号と検出信号との偏差が常に０になるような
フィードバック制御が行なわれているために、検出信号
ゲイン切換回路で検出信号の増幅ゲインを試験中に切り
換えると、切換時に大きな偏差信号が発生する。

これについて第７図を参照して説明する。

第７図は加算器25で加算される設定信号と検出信号お
よびその偏差信号の経時変化を示すタイムチャートであ
る。時刻t1に至るまでは設定信号に追従してアクチュエ
ータ10eが駆動され、供試体SPが負荷されて図のような
荷重または変位の検出信号がフィードバックされ、設定
信号と検出信号とが平衡して偏差信号がほぼ０であると
する。時刻t1において検出信号ゲイン切換回路を切り換
えると、検出信号の振幅が図に示すように大きく変動す
る。これによって偏差信号は検出信号の変動分だけ瞬時
に増加し、さらにサーボアンプ28によって増幅されて、
アクチュエータ10eの駆動信号としてサーボ弁10gへ送出
される。すなわち、アクチュエータ10eは瞬間的に大き
な駆動信号によって駆動されるために、供試体SPに大き
な負荷がかかり破断するおそれもある。

本発明の技術的課題は、設定信号と荷重や変位の検出
信号とを試験中に増減させて、設定信号に正確に追従す
る駆動制御を行い、高精度な荷重−変位特性を得ること
にある。

D.課題を解決するための手段 一実施例を示す第１図に対応づけて本発明を説明する
と、本発明は負荷手段10により負荷される供試体SPの変
形に伴う物理量を検出する検出手段11,12と、供試体SP
を負荷するためのパターンを定める設定信号を発生する
設定信号発生手段23と、検出された信号が設定信号に追
従するように負荷手段10を制御する負荷制御手段25,26
とを備えた材料試験機の制御装置に適用される。

そして、設定信号発生手段23により発生された設定信
号のゲインを増減させる設定信号増減手段24と、検出手
段11,12により検出された検出信号のゲインを増減させ
る検出信号増減手段29,30と、負荷制御手段25,26の出力
信号を一時ホールドする信号ホールド手段27と、検出信
号増減手段29,30により検出信号のゲインを増減する時
にホールド手段27を動作させるとともに、検出信号のゲ
インの増減に応じて設定信号のゲインも増減させる切換
制御手段21を設けることにより、上記技術的課題を達成
する。

E.作用 供試体SPの負荷パターンを定める設定信号を設定信号
発生器23から発生させ、負荷手段10により供試体SPを負
荷する。そして、検出手段11または12によって検出され
た供試体SPの変形に伴う物理量に基づいて、設定信号で
定められた負荷パターンになるように負荷制御手段25,2
6により負荷手段10を制御する。

切換制御手段21が検出信号の大きさを増大させようと
指令すると、まず、負荷制御手段25,26の出力は信号ホ
ールド手段27によって一時ホールドされる。さらに、設
定信号発生手段23によって発生された設定信号と検出手
段11または12によって検出された検出信号のゲインを連
動して増減する。設定信号と検出信号のゲイン増減処理
が終了したら負荷制御手段25,26の出力のホールドを解
除させる。負荷制御手段25,26はこのようにして増減さ
れた設定信号と検出信号に基づいて負荷手段10を駆動制
御する。

なお、本発明の構成を説明する上記Ｄ項およびＥ項で
は、本発明を分かり易くするために実施例の図を用いた
が、これにより本発明が実施例に限定されるものではな
い。

F.実施例 第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図である。
同図において、10は供試体SPに圧縮荷重または引張荷重
などを加える試験機本体であり、この試験機本体10は負
荷枠LFを備えている。負荷枠LFは、基台10d上に立設さ
れた一対の支柱10k,10mの上端にヨーク10aを横架すると
共に、支柱10k,10mに上下移動可能にクロスヘッド10bを
取り付けて構成される。なお、クロスヘッド10bの昇降
機構は図示を省略している。

基台10dには負荷用の油圧アクチュエータ10eが設置さ
れ、油圧アクチュエータ10eの可動部に取り付けた下部
治具10fとクロスヘッド10bにロードセル11を介して取り
付けた上部治具10cとの間に供試体SPが設置される。12
は、油圧アクチュエータ10eのストローク、すなわち供
試体SPの変位を検出する差動トランスである。なお、油
圧アクチュエータ10eは、サーボ弁10gによって圧油方向
と圧油量が制御されて不図示のピストンが伸縮するもの
で、このピストンロッドに下部治具10fが装着されてい
る。

試験機本体10を制御する制御系は、全体を制御する制
御回路（マイクロコンピュータ）21と、試験条件入力部
22から制御回路21を介して指示された負荷パターン波形
を発生する設定信号発生器23と、その設定信号を増減す
る倍率を制御回路21からの指令信号に従って切り換える
倍率切換回路24とを有する。また、適当な倍率によって
増減された設定信号と後述のロードセル11が検出した荷
重信号や差動トランス12が検出した変位信号との偏差を
求める加算器25と、その偏差信号を増幅する増幅器26
と、増幅された偏差信号を制御回路21からの指令信号に
従ってホールドする信号ホールド回路27と、信号ホール
ド回路27の出力を増幅してサーボ弁10gに入力するサー
ボアンプ28とを有する。なお、ホールド回路27は、設定
信号の倍率切換時および検出信号の増幅ゲイン切換時に
それまでの偏差信号を切り換えが完了するまでホールド
し、切換完了後ホールドを解除する。

さらに、制御回路21からの指令信号によって増幅ゲイ
ンを切り換えて荷重検出信号を増幅する第１のゲイン切
換回路29と、同様にして変位検出信号を増幅する第２の
ゲイン切換回路30と、これらの荷重信号、変位信号をデ
ジタル信号に変換して制御回路21へ送出するA/D変換器3
1とを有する。なお、32はレコーダで、制御回路21によ
って採取された荷重信号と変位信号に基づいて供試体SP
の荷重−変位特性をグラフ化して表示する。

このように構成される材料試験機の動作を、第２図の
制御回路21で実行されるプログラムを示すフローチャー
トにより説明する。ここでは、供試体SPを伸縮させて負
荷する変位のパターン波形によって試験を行なうものと
する。

供試体SPを治具10cと10fとの間に設置し、試験条件入
力部22で供試体SPの試験条件を設定する。試験条件とし
ては、負荷パターンを定めるサイン波の振幅，平均変位
値および周波数や、サイン波の何番目の周期でどの位の
サンプリングピッチでデータを採取するかなどである。
試験を開始する前に制御回路21からの指令信号によっ
て、設定信号の振幅に基づいて設定信号の倍率と、検出
信号の増幅ゲインのレンジとが、それぞれ倍率切換回路
24と、第１および第２のゲイン切換回路29,30とにおい
て選択される。また、ホールド回路27はその信号ホール
ド機能が解除される。

試験条件入力部の起動スイッチが操作されて試験が開
始されると、制御回路21からの指令信号によって、設定
された変位のパターン波形の設定信号が設定信号発生器
23から発生する。この設定信号は倍率切換回路24へ入力
され、予め選択された倍率で増減されて加算器25へ送出
される。加算器25において、この設定信号と差動トラン
ス12が検出している現在の変位値との偏差が求められ、
増幅器26によって増幅されてホールド回路27へ送出され
る。この時、ホールド機能は解除されているので偏差信
号はそのままサーボアンプ28へ入力され、増幅されてサ
ーボ弁10gへ送出される。サーボ弁10gは、この偏差信号
の瞬時値と現在の変位信号との差が常に０となるように
油圧アクチュエータ10eを制御するので、アクチュエー
タ10eは上下治具10c,10fを介して変位パターン波形に従
って供試体SPを負荷する。

試験中に供試体SPに負荷される荷重とそれによって生
じる変位は、それぞれロードセル11、差動トランス12に
よって検出され、第１および第２のゲイン切換回路29、
30に入力される。この荷重信号と変位信号は、それぞれ
第１および第２のゲイン切換回路29、30において予め選
択された増幅ゲインで増幅され、A/D変換器31によって
デジタル信号に変換されて制御回路21へ送出される。

制御回路21では、試験が開始されてから所定の時間間
隔で第２図に示すプログラムが実行される。このプログ
ラムが実行されると、まずステップS1において、検出信
号がサンプリングされる。次にステップS2へ進み、検出
信号の振幅が所定値K1と比較され、K1以下であればステ
ップS3へ進み、K1より大きければリターンへ進む。

ここで、K1の値は次のようにして決定される。周知の
ごとくフィードバック制御系においては、加算器25にお
いて加算される各信号の電圧値が、加算器25の定格値に
近いほど制御精度は高くなる。加算器25の定格電圧を正
負ともに5Vとすると、入力される制御信号の振幅は10V
に近いことが好ましい。従って、例えばK1を8Vに設定
し、それより低い場合は検出信号および設定信号のゲイ
ンを増加して振幅が8V以上になるようにする。

ステップS3においては、制御回路21は現在の偏差信号
をホールドするように、ホールド回路27に指令する。次
に、ステップS4へ進み、制御回路21は第２のゲイン切換
回路30に対して増幅ゲインを切り換えるように指令す
る。次に、ステップS5へ進み、制御回路21は倍率切換回
路24に対して設定信号の倍率を切り換えるように指令す
る。

この検出信号の増幅ゲインと設定信号の倍率の切り換
えについて第３図により説明する。

第３図は、設定信号の設定条件に対して設定信号の倍
率と検出信号の増幅ゲインがどのように切り換えられる
か、また、切り換えによって加算器25により加算される
設定信号電圧および検出信号電圧がどのように変化する
かを示す。ここでは、設定信号の設定条件として振幅20
mmを有するサイン波パターンの変位信号が選択され、試
験開始前に設定信号の倍率および検出信号の増幅ゲイン
がそれぞれ１倍に設定されているものとする。

今、試験を開始して加算器25に入力される設定信号電
圧の振幅が2V、検出信号電圧の振幅が同様に2Vであると
する。この場合、ステップS2において2V≦K1が肯定され
るから、ステップS3を経てステップS4で、制御回路21か
らの指令によって第２のゲイン切換回路30の増幅ゲイン
が増大される。ここで、ゲイン設定後の検出信号の振幅
を10Vにするのが好ましいから、 により計算上のゲインG1を求め、このゲインG1に最も近
いゲインに切り換えるものとする。従って、この場合、
10/2＝５からゲインは５倍に変更され、これによって検
出信号電圧の振幅は10Vに増加される。さらに、ステッ
プS5で、制御回路21は、増加された検出信号の振幅電圧
に等しくなるような設定信号倍率に変更するように、倍
率切換回路24に指令する。すなわち、検出信号のゲイン
変更前後の比を求め、この比によって設定信号のゲイン
を変更する。従って、図に示すように設定信号の倍率は
５倍に変更され、加算器25へ10Vの設定信号電圧が入力
される。

次に、第２図のフローチャートへ戻り、ステップS6に
進む。そして、増減された設定信号、検出信号およびそ
の偏差信号が安定するまでの間、所定時間だけそのまま
待機する。所定時間経過後ステップS7へ進み、制御回路
21は駆動信号のホールドを解除するように、ホールド回
路27に指令する。以上の処理を実行して、制御回路21は
メインプログラムへ戻る。

以上の過程を第４図のタイムチャートに示す。第４図
は加算器25で加算される設定信号と検出信号およびその
偏差信号の経時変化を示し、設定信号に対して検出信号
は機械的、電気的な遅れのない理想的な制御系であるも
のとする。時刻t2で、検出信号の増幅ゲインと設定信号
の倍率が切り換えられると、加算器25において加算され
る設定信号と検出信号は図のように振幅が2Vから8Vへと
増加する。しかし、設定信号と検出信号とは極性が反対
であり且つ両者の絶対値が等しいので、偏差信号は設定
信号と検出信号とが互いに打ち消しあって変動しない。
従って、駆動信号のホールドが解除されてもアクチュエ
ータ10eには過大な駆動信号が入力せず、円滑にフィー
ドバック制御状態に戻ることができる。

このように試験中に倍率切換回路24によって設定信号
を、第２のゲイン切換回路30によって検出信号を最適な
電圧レベルに再設定して制御を行うことができる。

なお、以上の実施例では変位の設定信号に対して変位
の検出信号をフィードバックして制御する例を示した
が、荷重の設定信号に対する荷重検出信号のフィードバ
ック制御にも本発明を適用できる。

また、以上では、検出信号の振幅が所定値以下の時に
自動的に各ゲインの切り換えと、変更後のゲインの演算
とを行なうようにしたが、検出信号のゲインを手動で設
定すると設定信号のゲインをそれに連動させて自動的に
切り換え、その後、切換指令を手動で発するとサーボ弁
入力を一時的にホールドした後に各レンジを切り換え、
さらにその後でホールドを解除させるようにしてもよ
い。

以上の実施例の構成において、試験機本体10が負荷手
段を、ロードセル11と差動トランス12が検出手段を、設
定信号発生器23が設定信号発生手段を、加算器25と増幅
器26が負荷制御手段を、倍率切換回路24が設定信号増減
手段を、第１および第２のゲイン切換回路29,20が検出
信号増減手段を、ホールド回路27が信号ホールド手段
を、制御回路21が切換制御手段をそれぞれ構成する。

G.発明の効果 以上説明したように本発明によれば、荷重や変位の検
出信号のゲインを変更するときに負荷手段の入力を一時
的にホールドしその後に検出信号と設定信号のゲインを
増減してからホールドを解除するようにしたので、荷重
や変位の設定信号および検出信号を試験中に増減させて
も負荷手段が不所望に動作することなく、設定信号に正
確に追従する制御が可能となり、高精度な荷重−変位特
性が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図、第２図は
マイクロコンピュータのプログラムの一例を示すフロー
チャート、第３図は設定信号の倍率と検出信号の増幅ゲ
インとの関係を示す図、第４図は実施例の材料試験機に
おいて試験中に設定信号の倍率と検出信号の増幅ゲイン
を切り換えた場合の、それらの信号と偏差信号の変化を
示すタイムチャート、第５図は従来の材料試験機の全体
構成を示す図、第６図（ａ）は増幅ゲインが一定な増幅
器の入出力特性を示す図、第６図（ｂ）は増幅ゲインを
切り換える場合の増幅器の入出力特性を示す図、第７図
は従来の材料試験機で試験中に検出信号の増幅ゲインを
切り換えた場合の設定信号、検出信号、偏差信号の変化
を示すタイムチャートである。 10:試験機本体、11:ロードセル 12:差動トランス 21:制御回路（マイクロコンピュータ） 22:試験条件入力部、23:設定信号発生器 24:倍率切換回路、25:加算器 26:増幅器、27:ホールド回路 28:サーボアンプ、29:ゲイン切換回路 30:ゲイン切換回路、31:A/D変換器 32:レコーダ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】負荷手段により負荷される供試体の変形に
   伴う物理量を検出する検出手段と、供試体を負荷するた
   めのパターンを定める設定信号を発生する設定信号発生
   手段と、検出された信号が前記設定信号に追従するよう
   に前記負荷手段を制御する負荷制御手段とを備えた材料
   試験機の制御装置において、前記設定信号発生手段によ
   り発生された設定信号のゲインを増減させる設定信号増
   減手段と、前記検出手段により検出された検出信号のゲ
   インを増減させる検出信号増減手段と、前記負荷制御手
   段の出力信号を一時ホールドする信号ホールド手段と、
   前記検出信号増減手段により検出信号のゲインを増減す
   る時に前記ホールド手段を動作させるとともに、前記検
   出信号のゲインの増減に応じて前記設定信号のゲインも
   増減させる切換制御手段とを備えることを特徴とする材
   料試験機の制御装置。