JP4218201B2

JP4218201B2 - Material testing equipment

Info

Publication number: JP4218201B2
Application number: JP2000298828A
Authority: JP
Inventors: 健史川▲崎▼
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP2002107278A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料に対して圧縮や引張りの繰り返し荷重をかけて疲労試験を行ったり、機械的構造体に対して抜き差しなどの繰り返し動作に対する耐久性を試験するための材料試験装置に関し、特に微小な試験力を必要としたり、繰り返し速度の速い試験に適した材料試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料に繰り返し荷重をかけて材料の変形や破壊などの特性を評価する試験装置は疲労試験機として知られている。またこの疲労試験機は、コネクタなどの様に２つの機械的構造体を抜き差しした場合の挿抜耐久性や、伸び縮み可能なアンテナなどの可動部分の伸縮耐久性を試験する場合に利用することができる。
【０００３】
従来の材料試験装置は、試験体に対して伸び縮みの繰り返し荷重を与えるために、ネジザオの回転や油圧シリンダーをアクチュエータとして利用している。例えばネジザオを利用する場合は、試験機本体の構造を形成するフレームに対して移動可能なクロスヘッドに固定されたメネジにネジザオを螺合させ、ネジザオをモータにより回転させることによりこのクロスヘッドをフレームに対して移動させる構造とする。試験体の一端をフレームに固定されたチャックに挟み、試験体の他端をクロスヘッドに装着されたチャックに挟んだ状態でクロスヘッドをネジザオの回転により移動させれば、クロスヘッドの移動方向に応じて試験体には圧縮または引張りの荷重がかかり、そのときの試験体の伸びと試験体にかかる荷重を測定して材料試験が行われる。
【０００４】
材料試験装置を利用して疲労試験や耐久試験を行う場合には、試験体に対して振動的に変化する荷重を与える必要があるが、このときアクチュエータであるネジザオは正逆の回転を繰り返して行うように駆動される。また、アクチュエータとして油圧シリンダを利用する場合には、油圧シリンダにかかる油圧を制御するサーボバルブが繰り返し荷重を与えるように制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ネジザオによるクロスヘッドの駆動は比較的遅い動きを実行することができるが、速い繰り返し負荷を試験片に与えることは困難である。また、油圧シリンダをアクチュエータとする場合には、油圧シリンダの制御には油圧源やサーボバルブも必要であり、構成が複雑でコンパクトな装置を実現することが困難である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小さな負荷荷重を試験体に対して精密にかけることができ、高い繰返し速度を実現できるようにアクチュエータ部分の応答速度が早く、小型で低コストな材料試験装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した課題を解決するために、試験体に対して負荷軸方向に繰り返し荷重をかけて該試験体の特性または耐久性を試験する材料試験装置において、試験装置の全体を支持するフレームと、試験体を固定する試料台と、この試料台を負荷軸に沿って直線的に駆動するリニアモータ駆動部を有する直線駆動部材と、この直線駆動部材を前記フレームに対して負荷軸方向に直線的に駆動するネジザオを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の材料試験装置においては、試験体はリニアモータ駆動部によって負荷軸方向に直線的に駆動されるとともに、ネジザオによってもリニアモータ駆動部を含む直線駆動部材全体が負荷軸に沿って駆動される。すなわち、試験体はリニアモータによって負荷が加えられるとともに、ネジザオによっても負荷が加えられる。したがって速い繰り返し負荷がリニアモータによって実現され、しかもネジザオによって大きな負荷と大きなストロークも与えられるので、複合的な負荷を試験体に与えることができる。また、ネジザオの大きなストロークは試験体の大きさにかかわらず直線駆動部材を最適な位置に配置することが可能となる。
【０００９】
さらに、ネジザオは駆動モータとネジザオとの連結部分やメネジとの嵌合部分において機械的遊びが比較的大きいが、リニアモータによる駆動はこれに比べて機械的な遊びが少ないので、ネジザオを所定の位置で固定した使用方法では試験精度が向上する。また、リニアモータは駆動または制御に他の機械的構成要素を必要としないので装置全体を小型に構成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の材料試験装置を示す図である。
【００１１】
試験装置全体の構造を支えるフレーム１に対して、両端が軸受によって支持されたネジザオ５が回転可能に固定されて配置されている。ネジザオ５の一端にはモータ４が連結され、また、ネジザオ５にはフレーム１の上で直線的に移動できる移動部材２に固定されたメネジに螺合されており、モータ４によりネジザオ５が回転されることによって、移動部材２が矢印Ａのように図１の左右方向に駆動される。移動部材２は図示していないリニアガイドなどによって支持されているのでフレーム１に対して低摩擦力で摺動でき、ネジザオ５と移動部材２の間の機構は周知のボールネジ機構などを採用することができる。
【００１２】
移動部材２の上には試料台３が組みつけられており、この試料台３はリニアガイド１１（図２参照）などにより移動部材２に対して直線的に移動可能となっている。試料台３は、移動部材２および試料台３に内蔵された永久磁石やコイルによって構成されるリニアモータ６によって矢印Ｂのように直線的に駆動される。この試料台３の移動方向（矢印Ｂ方向）は上述の移動部材２の移動方向（矢印Ａ方向）と同一であって、図１の左右方向である。この矢印Ｂ方向は試験体に加えられる負荷方向ともなる。なお、試料台３およびリニアモータ６などが課題を解決するための手段に記載された直線駆動部材を構成している。また、上述のネジザオ５による駆動距離（ストローク）はリニアモータ６による駆動距離よりも大きく設定されている。
【００１３】
試験されるべき試験体Ｓはフレーム１に固定されたチャック７と試料台３に固定されたチャック８との間に装着される。またチャック７の基部にはロードセル９が配設され、試験体Ｓにかかる負荷荷重を出力することができる。モータ４の駆動やリニアモータ６の駆動は制御装置１０によって制御され、またロードセル９の出力も制御装置１０に取り込まれる。制御装置１０はコンピュータと各種のドライバおよびインターフェース回路などから構成され、本試験装置の試験条件の設定・駆動対象の制御・データ取り込み・各種データ処理などを行う。
【００１４】
次に本試験装置を用いて材料の疲労試験を行う場合の動作を説明する。疲労試験をされるべき試験体Ｓは一端がチャック７で把持され他端がチャック８で把持される。そしてネジザオ５の回転により移動部材２を試験体Ｓが引張られる方向に駆動し、試験体Ｓに対して所定の引張り初荷重をかける。その状態でリニアモータ６を用いて試料台３が矢印Ｂの方向に振動するように駆動する。リニアモータは動きの応答が速いので速い繰り返し荷重を試験体Ｓに与えることができる。上述の初荷重はゼロと設定する場合あるいはマイナス（圧縮方向）と設定する場合もあることはもちろんである。
【００１５】
また、たとえばコネクタの挿抜試験などを行う場合には、試験されるコネクタのレセプタクル部分はフレーム１に固定されたチャック（または固定具）７に取り付けられ、コネクタのプラグ部分は、試料台３に固定されたチャック（または固定具）８に取り付けられる。ネジザオ５の回転により移動部材２を適当な位置まで移動し、１対のコネクタが向き合って対向するよう配置する。この状態でリニアモータ６により試料台３を矢印Ｂの方向に繰り返して移動させると、試験体であるコネクタははめ込まれたり離れたりするので、コネクタの抜き差しの耐久性を試験することができる。このときロードセル９の出力を継続的にモニタしておけば何回の繰り返しでコネクタに変化が現れるかなどのデータにより精密な試験を行うことができる。リニアモータは小さな力を発生させることができるので小さな力を用いた試験には最適である。
【００１６】
伸び縮み可能なアンテナの伸縮耐久性を試験する場合には、アンテナの根元をチャック９で把持し、先端をチャック８で把持する。その後は上述したのと同様に、ロードセル９の出力をモニタしながらリニアモータ６によりアンテナの伸び縮みを繰り返して、耐久性を試験する。伸び縮みのストロークが大きければリニアモータ６による駆動はせずにネジザオ５による駆動を用いることができる。
【００１７】
図２は上述のリニアモータ部分を説明する図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）はＣ方向から見た断面図である。リニアモータ６は、試料台３に配置された電磁コイル６ａとその基台（移動部材２）に配置された永久磁石６ｂにより構成される。永久磁石６ｂはＳ極とＮ極が交互に並ぶように多数が直線状に固定的に配置され、その端部であるＳ極またはＮ極は電磁コイル６ａの磁極に対向している。電磁コイル６ａに位相を制御された電流が流されると、永久磁石６ｂのＳ極とＮ極との間で吸引と反発を繰り返しながら矢印Ｂ方向に直線的な移動推進力を発生させる。なお、試料台３は矢印Ｂ方向に伸びたリニアガイド１１を介して移動部材２によって支持されているので、矢印Ｂ方向になめらかな動きが可能である。
【００１８】
上述のリニアモータの構成は一例であり、永久磁石を試料台３側に配置し電磁コイルを移動部材２側に配置してもよい。また、永久磁石の代わりに電磁コイルを用いてステータ側の磁極とすることも可能である。また、試料台３を移動部材２に対して支持するリニアガイド１１としては、レールとボールベアリングを用いたものに限られず、非接触的に支持するようエアベアリングなどを用いてもよいのはもちろんである。
【００１９】
上述の試験装置の駆動の説明において、ネジザオ５による負荷とリニアモータ６による負荷を試験体Ｓに対して同時にかける例を示したが、試験体Ｓにかける負荷の大きさがリニアモータ６の発生できる力を超える場合にはネジザオ５だけによって負荷をかけることも可能である。このとき試料台３は移動部材２にリニアモータ以外の機械的固定機構により固定しておく。また、試料台３の移動範囲を制限する強固な当たりを設けておき、この当たりに当てた状態でネジザオ５による負荷を試験体Ｓにかければ、試料台やリニアモータに無理な力をかけることなく大きな力による試験が可能である。
【００２０】
図１に示した材料試験装置は負荷軸方向を水平方向にした例を示しているが、負荷軸方向が鉛直方向であるようにレイアウトすることも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の材料試験装置においては、試験体はリニアモータによって負荷が加えられるとともに、ネジザオによっても負荷が加えられるので、速い繰り返し負荷がリニアモータによって実現され、しかもネジザオによって大きな負荷と大きなストロークも与えられるので、複合的な負荷を試験体に与えることができる。したがって、従来は分けて行っていた別々の試験を同時に行うことができる。また、大きな負荷を発生できるネジザオと小さな負荷を発生できるリニアモータを使い分けることにより、１台の試験装置での試験範囲を広げることができる。また、ネジザオの大きなストロークは試験体の大きさあわせてリニアモータを内蔵した直線駆動部材を配置することが可能なので、種々の大きさの試験体を試験することが容易である。さらに、小さな負荷試験では、機械的な遊びの大きいネジザオを固定して遊びの影響をなくすことができるので試験精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の材料試験装置の構成を示す図である。
【図２】リニアモータ駆動部分を示す図である。
【符号の説明】
１…フレーム２…移動部材
３…試料台４…モータ
５…ネジザオ６…リニアモータ
７…チャック８…チャック
９…ロードセル１０…制御部
１１…リニアガイド
Ｓ…試験体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a material testing apparatus for performing a fatigue test by applying a repeated load of compression or tension to a material or testing durability against repeated operations such as insertion / removal of a mechanical structure. The present invention relates to a material testing apparatus suitable for a test requiring a high test force or a high repetition rate.
[0002]
[Prior art]
A test apparatus that evaluates properties such as deformation and fracture of a material by repeatedly applying a load to the material is known as a fatigue tester. This fatigue testing machine can be used to test the insertion / extraction durability when two mechanical structures such as connectors are inserted and removed, and the extension / contraction durability of movable parts such as an antenna that can be expanded and contracted. it can.
[0003]
The conventional material testing apparatus uses the rotation of a screw screw or a hydraulic cylinder as an actuator in order to apply a repeated load of expansion and contraction to the test body. For example, when using a screw Zao, the screw Zao is screwed into a female screw fixed to a crosshead movable with respect to the frame forming the structure of the testing machine main body, and the screw Zao is rotated by a motor so that the crosshead is framed. It is set as the structure moved with respect to. If the crosshead is moved by rotating the screw with the one end of the test body sandwiched between chucks fixed to the frame and the other end of the test body is sandwiched between chucks attached to the crosshead, the crosshead moves in the direction of movement. Accordingly, a compressive or tensile load is applied to the test body, and the material test is performed by measuring the elongation of the test body and the load applied to the test body at that time.
[0004]
When conducting a fatigue test or durability test using a material testing device, it is necessary to apply a load that varies in vibration to the specimen. At this time, the screw Zao, which is an actuator, repeats forward and reverse rotation. Driven to do. When a hydraulic cylinder is used as an actuator, the servo valve that controls the hydraulic pressure applied to the hydraulic cylinder is controlled so as to repeatedly apply a load.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Driving the crosshead with a screw Zao can perform a relatively slow movement, but it is difficult to apply a fast repetitive load to the specimen. In the case where the hydraulic cylinder is an actuator, a hydraulic source and a servo valve are also required for controlling the hydraulic cylinder, and it is difficult to realize a compact apparatus with a complicated configuration.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and the response speed of the actuator portion is fast, small in size so that a small load can be accurately applied to the specimen and a high repetition rate can be realized. An object is to provide a low-cost material testing apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention supports the entire testing apparatus in a material testing apparatus that tests the characteristics or durability of the specimen by repeatedly applying a load to the specimen in the load axis direction. A frame, a sample table for fixing the test body, a linear drive member having a linear motor drive unit that linearly drives the sample table along the load axis, and the linear drive member with respect to the frame in the load axis direction It is characterized by having a screw zao that is linearly driven.
[0008]
In the material testing apparatus of the present invention, the test body is linearly driven in the load axis direction by the linear motor driving unit, and the entire linear driving member including the linear motor driving unit is also driven along the load axis by the screw Zao. The That is, the load is applied to the test body by the linear motor and also by the screw Zao. Accordingly, a fast repetitive load is realized by the linear motor, and a large load and a large stroke are also given by the screw Zao, so that a complex load can be given to the specimen. Further, the large stroke of the screw Zao makes it possible to arrange the linear drive member at an optimum position regardless of the size of the test body.
[0009]
In addition, the screw Zao has relatively large mechanical play at the connecting part of the drive motor and the screw Zao and the fitting part of the female screw, but the drive by the linear motor has less mechanical play than this, so the screw Zao is set to a predetermined value. Test accuracy is improved with the use method fixed in position. In addition, since the linear motor does not require other mechanical components for driving or controlling, the entire apparatus can be made compact.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing a material testing apparatus of the present invention.
[0011]
A screw zao 5 having both ends supported by bearings is rotatably fixed to the frame 1 that supports the structure of the entire test apparatus. A motor 4 is connected to one end of the screw zao 5, and the screw zao 5 is screwed to a female screw fixed to a moving member 2 that can move linearly on the frame 1, and the screw zao 5 is rotated by the motor 4. As a result, the moving member 2 is driven in the left-right direction in FIG. Since the moving member 2 is supported by a linear guide (not shown) or the like, the moving member 2 can slide with a low frictional force against the frame 1, and a mechanism between the screw Zao 5 and the moving member 2 employs a known ball screw mechanism or the like. Can do.
[0012]
A sample table 3 is assembled on the moving member 2, and the sample table 3 can move linearly with respect to the moving member 2 by a linear guide 11 (see FIG. 2) or the like. The sample table 3 is linearly driven as indicated by an arrow B by a linear motor 6 constituted by a moving magnet 2 and a permanent magnet or coil built in the sample table 3. The moving direction (arrow B direction) of the sample stage 3 is the same as the moving direction (arrow A direction) of the moving member 2 described above, and is the left-right direction in FIG. This arrow B direction also serves as a load direction applied to the specimen. The sample stage 3 and the linear motor 6 constitute a linear drive member described in the means for solving the problem. The driving distance (stroke) by the screw zao 5 is set to be larger than the driving distance by the linear motor 6.
[0013]
The specimen S to be tested is mounted between the chuck 7 fixed to the frame 1 and the chuck 8 fixed to the sample table 3. A load cell 9 is disposed at the base of the chuck 7 and can output a load applied to the specimen S. The driving of the motor 4 and the driving of the linear motor 6 are controlled by the control device 10, and the output of the load cell 9 is also taken into the control device 10. The control device 10 includes a computer, various drivers, an interface circuit, and the like, and performs setting of test conditions, control of a driving target, data acquisition, various data processing, and the like.
[0014]
Next, the operation when a fatigue test of a material is performed using this test apparatus will be described. One end of the specimen S to be subjected to the fatigue test is gripped by the chuck 7 and the other end is gripped by the chuck 8. Then, the moving member 2 is driven in the direction in which the test body S is pulled by the rotation of the screw Zao 5, and a predetermined initial tensile load is applied to the test body S. In this state, the linear motor 6 is used to drive the sample stage 3 so as to vibrate in the direction of arrow B. Since the linear motor has a quick response to movement, a fast repetitive load can be applied to the specimen S. Of course, the initial load described above may be set to zero or may be set to minus (compression direction).
[0015]
For example, when a connector insertion / removal test is performed, the receptacle portion of the connector to be tested is attached to a chuck (or fixture) 7 fixed to the frame 1, and the plug portion of the connector is fixed to the sample stage 3. The chuck (or fixture) 8 is attached. The moving member 2 is moved to an appropriate position by the rotation of the screw zao 5 and arranged so that a pair of connectors face each other. When the sample table 3 is repeatedly moved in the direction of arrow B by the linear motor 6 in this state, the connector as the test body is inserted or removed, so that the durability of the connector insertion / removal can be tested. If the output of the load cell 9 is continuously monitored at this time, a precise test can be performed based on data such as how many times the change appears in the connector. Linear motors can generate small forces and are ideal for testing with small forces.
[0016]
When testing the expansion / contraction durability of the extendable / shrinkable antenna, the base of the antenna is gripped by the chuck 9 and the tip is gripped by the chuck 8. Thereafter, as described above, the antenna is repeatedly expanded and contracted by the linear motor 6 while monitoring the output of the load cell 9, and the durability is tested. If the expansion / contraction stroke is large, the driving by the screw Zao 5 can be used without driving by the linear motor 6.
[0017]
2A and 2B are diagrams for explaining the above-described linear motor portion. FIG. 2A is a front view, and FIG. 2B is a cross-sectional view as viewed from the C direction. The linear motor 6 includes an electromagnetic coil 6a disposed on the sample table 3 and a permanent magnet 6b disposed on the base (moving member 2). A large number of permanent magnets 6b are fixedly arranged in a straight line so that S poles and N poles are alternately arranged, and the S poles or N poles that are the ends thereof are opposed to the magnetic poles of the electromagnetic coil 6a. When a current whose phase is controlled flows through the electromagnetic coil 6a, a linear moving propulsion force is generated in the direction of arrow B while repeating attraction and repulsion between the south pole and the north pole of the permanent magnet 6b. Since the sample stage 3 is supported by the moving member 2 via the linear guide 11 extending in the arrow B direction, it can move smoothly in the arrow B direction.
[0018]
The configuration of the linear motor described above is an example, and the permanent magnet may be arranged on the sample stage 3 side and the electromagnetic coil may be arranged on the moving member 2 side. Moreover, it is also possible to use a magnetic coil instead of the permanent magnet as a stator side magnetic pole. Further, the linear guide 11 for supporting the sample stage 3 with respect to the moving member 2 is not limited to the one using the rail and the ball bearing, and it is needless to say that an air bearing or the like may be used so as to support it in a non-contact manner. It is.
[0019]
In the description of the driving of the test apparatus described above, the example in which the load by the screw Zao 5 and the load by the linear motor 6 are simultaneously applied to the test body S has been shown, but the load applied to the test body S is generated by the linear motor 6. When the force that can be exceeded is exceeded, it is possible to apply a load only by the screw Zao 5. At this time, the sample stage 3 is fixed to the moving member 2 by a mechanical fixing mechanism other than the linear motor. In addition, if a strong contact that restricts the range of movement of the sample stage 3 is provided and the load applied by the screw Zao 5 is applied to the test body S in the state of being applied to this position, an excessive force is applied to the sample stage and the linear motor. It is possible to test with great force.
[0020]
The material testing apparatus shown in FIG. 1 shows an example in which the load axis direction is a horizontal direction, but it is also possible to lay out so that the load axis direction is a vertical direction.
[0021]
【The invention's effect】
In the material testing apparatus of the present invention, a load is applied to the test body by a linear motor and also by a screw Zao, so that a fast repetitive load is realized by the linear motor, and a large load and a large stroke are also given by the screw Zao. Therefore, a complex load can be applied to the specimen. Therefore, separate tests that have been separately performed can be performed simultaneously. In addition, by using a screw motor that can generate a large load and a linear motor that can generate a small load, the test range of one test apparatus can be expanded. In addition, since a linear drive member with a built-in linear motor can be arranged in accordance with the size of the test body, the large stroke of the screw Zao makes it easy to test test bodies of various sizes. Furthermore, in a small load test, a screw zao with a large mechanical play can be fixed to eliminate the influence of the play, so that the test accuracy is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a material testing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a linear motor driving portion.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Frame 2 ... Moving member 3 ... Sample stand 4 ... Motor 5 ... Screw zao 6 ... Linear motor 7 ... Chuck 8 ... Chuck 9 ... Load cell 10 ... Control part 11 ... Linear guide S ... Test body

Claims

試験体に対して負荷軸方向に繰り返し荷重をかけて該試験体の特性または耐久性を試験する材料試験装置において、試験装置の全体を支持するフレームと、試験体を固定する試料台と、この試料台を負荷軸に沿って直線的に駆動するリニアモータ駆動部を有する直線駆動部材と、この直線駆動部材を前記フレームに対して負荷軸方向に直線的に駆動するネジザオを備えたことを特徴とする材料試験装置。In a material testing apparatus for testing the characteristics or durability of a test body by repeatedly applying a load to the test body in the direction of the load axis, a frame for supporting the entire test apparatus, a sample table for fixing the test body, A linear drive member having a linear motor drive unit that linearly drives a sample stage along a load axis, and a screw zao that linearly drives the linear drive member in the load axis direction with respect to the frame. Material testing equipment.