疲労試験装置
【課題】ワークに加える力の変動幅を一定に揃えて試験を行う際に設定されるべきサーボモータの回転軸の角度の振幅を自動的且つ速やかに得ることのできる疲労試験装置を提供する。
【解決手段】疲労試験装置が、ワークの変形量を計測する変形量検出手段と、ワークに加えられる力の大きさを計測する力計測手段と、サーボモータの回転軸の角度の振幅を徐々に増加させながら、変形量検出手段及び力計測手段の計測結果に基づいて該ワークのばね定数を演算するばね定数演算手段と、ばね定数演算手段によって演算されたばね定数に基づいて、ワークに加えられる力の大きさの振幅が所定の大きさとなるように、サーボモータを制御する制御手段とを有する。
【解決手段】疲労試験装置が、ワークの変形量を計測する変形量検出手段と、ワークに加えられる力の大きさを計測する力計測手段と、サーボモータの回転軸の角度の振幅を徐々に増加させながら、変形量検出手段及び力計測手段の計測結果に基づいて該ワークのばね定数を演算するばね定数演算手段と、ばね定数演算手段によって演算されたばね定数に基づいて、ワークに加えられる力の大きさの振幅が所定の大きさとなるように、サーボモータを制御する制御手段とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじり、引張、圧縮、曲げ方向の繰り返し荷重をワークに加える疲労試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料に繰り返し荷重を加えてその材料の疲労強度を計測する疲労試験装置として、特許文献１に記載のもののようなサーボモータを用いたものが利用されている。サーボモータは、目標となる角度（目標角度）をサーボアンプに入力することによってサーボモータの回転軸の位相をその角度に移動させるものである。サーボモータには回転軸の位相の変化を検出するためのロータリーエンコーダが設けられており、サーボアンプは、ロータリーエンコーダの検出値から判断される回転軸の位相と目標角度との差分に基づいて、サーボモータに与える駆動電力を設定する。
【特許文献１】特開昭６３−３７２３３号
【０００３】
ねじり試験を行うねじり試験装置は、ワークの一端を把持するチャックとサーボモータの回転軸との間に設けられた減速機（減速ギアなど）によって、サーボモータのトルクを増幅してワークに付与している。また、引張、圧縮、曲げ試験を行う万能試験装置は、サーボモータの回転軸に送りねじ機構等の直動変換器を設けて、サーボモータの回転運動を直進運動に変換している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような疲労試験装置においては、加える力（トルクまたは荷重）、変位、速度或いは加速度の変動幅（上限及び／または下限）を一定に揃えて繰り返し荷重をワークに加える。しかしながら、サーボモータはその回転軸の角度を制御するものであるため、加える力の変動幅を一定に揃えて試験を行う場合は、繰り返し試験を行う前に、オペレータが手動操作にてワークに荷重を加え、所望の力を加えるために必要なサーボモータの回転軸の角度を見積もっていた（試し動作）。
【０００５】
このような試し動作を手動操作にて行うには熟練が必要であり、また、必要なサーボモータの回転軸の角度が得られるまでに長時間を要していた。加えて、ワークに力を加えすぎて、試し動作中にワークを破損してしまう可能性があった。
【０００６】
本発明は上記の問題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、ワークに加える力の変動幅を一定に揃えて試験を行う際に設定されるべきサーボモータの回転軸の角度の振幅を自動的且つ速やかに得ることのできる疲労試験装置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】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明の疲労試験装置は、ワークに加えられる力の大きさを計測する力計測手段と、サーボモータの回転軸の角度の振幅を徐々に増加させて反転駆動させながら、サーボモータの回転角度及び力計測手段の計測結果に基づいてワークに加わる力とサーボモータの回転軸の回転角度との比である比定数を演算する比定数演算手段と、比定数演算手段によって演算された比定数に基づいて、ワークに加えられる力の大きさの振幅が所定の大きさとなるように、サーボモータを制御する制御手段と、を有する。
【０００８】
このような構成とすることによって、自動的且つ速やかに比定数を求め、この比定数に基づいて適切な角度振幅でサーボモータを駆動させることができる。また、サーボモータの回転軸の角度の振幅を徐々に増加させているため、不意にワークに大きな力がかかってワークの破損が発生するようなことはない。
【０００９】
また、比定数演算手段は、サーボモータの回転軸の角度の変動が略止まった時のサーボモータの回転軸の回転角度及び力計測手段の計測結果に基づいて比定数を演算する構成とすることが好ましい。すなわち、サーボモータの回転軸の角速度が速い、即ちワークの変形速度が大きい時は計測誤差が発生しやすいので、ワークの変形速度が低い、すなわちワークがほとんど静止している状態におけるワークに掛かる力の大きさとサーボモータの回転軸の回転角度に基づいて比定数を演算することによって、サーボモータの角度振幅をより正確に求めることができる。
【００１０】
また、力計測手段は、ワークに加えられる力の大きさを少なくとも２回計測し、比定数演算手段は、第１回目の計測における力の大きさと第２回目の計測における力の大きさとの差を第１回目の計測におけるサーボモータの回転軸の回転角度と第２回目の計測におけるサーボモータの回転軸の回転角度との差で割った値をワークのばね定数とする構成が望ましい。例えば引張試験や圧縮試験の場合は、ワークを試験装置に取り付けた時点でワークにひずみが発生している場合があるため、サーボモータの回転軸の回転角度が必ずしも自然状態からの変形量に対応しているとはいえない。本発明によれば、異なる力でワークを変形させた時の変形量の差と力の大きさの差に基づいて、より正確に比定数を算出することができる。
【００１１】
また、疲労試験装置は、第１の方向と、第１の方向と反対の第２の方向の双方に沿ってワークに荷重を加えることが出来るようになっており、比定数演算手段は、ワークが第１の方向に変形している時の第１の比定数と、ワークが第２の方向に変形している時の第２の比定数とを演算し、制御手段は、ワークが第１の方向に変形している時は所定の大きさを第１の比定数で割って得られる変形量がワークの変形量の上限となるようサーボモータを制御し、ワークが第２の方向に変形している時は所定の大きさを第２の比定数で割って得られる変形量がワークの変形量の上限となるよう前記サーボモータを制御する構成とすることが好ましい。すなわち、例えば引張荷重をワークに加えるような疲労試験においては、引張方向（第１の方向）にワークを変形させる時と、この状態から除荷する（第２の方向にワークを変形させる）時とでは比定数が異なる可能性がある。そのため、本発明の構成のように、第１の比定数と第２の比定数を別々に求めることが好ましい。
【００１２】
また、例えば、疲労試験装置はワークにねじり荷重を加えるねじり試験装置であり、ワークに加えられる力は、ワークの回転軸回りのトルクである。
【００１３】
或いは、疲労試験装置が、送りねじ機構を介してワークに引張、圧縮又は曲げ荷重を加える万能試験装置であり、ワークに加えられる力は、ワークに加えられる荷重の送りねじ機構の送り方向成分である。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、ワークに加える力の変動幅を一定に揃えて試験を行う際に設定されるべきサーボモータの回転軸の角度の振幅を自動的且つ速やかに得ることのできる疲労試験装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置のブロック図を示したものである。本実施形態の疲労試験装置は、試験片（ワーク）にねじり荷重を反復的に加えることができる疲労試験装置である。
【００１６】
図１に示されるように、本実施形態の疲労試験装置１は、ワークＷにねじり荷重を加える装置本体１０と、装置本体１０のサーボモータ１２を駆動するためのサーボアンプ２０と、サーボアンプ２０を制御する制御部３０とを有する。
【００１７】
装置本体１０は、チャック１１ａ、１１ｂと、サーボモータ１２と、減速機１３と、トルクセンサ１４と、角度センサ１５とを有する。チャック１１ａ及び１１ｂは、ワークＷを両端から把持する。減速機１３は、サーボモータ１２の駆動軸と一方のチャック１１ａの間に配置され、サーボモータ１２の駆動軸のトルクを増大してワークＷに与える。また、他方のチャック１１ｂは、トルクセンサ１４を介して図示しない装置本体のフレームに固定されている
【００１８】
以上説明した構成において、サーボモータ１２を駆動すると、チャック１１ａ、１１ｂに把持されたワークＷにねじり荷重が加わり、その大きさはトルクセンサ１４によって計測される。また、角度センサ１５が減速機１３の出力軸に設けられ、チャック１１ａ付近におけるワークＷのねじれ角度を検出する。
【００１９】
サーボモータ１２は、サーボアンプ２０によって制御される。すなわち、サーボアンプ２０は、制御部３０から送信される設定角度（目標とするサーボモータの回転軸の角度）に基づいてサーボモータ１２を駆動するための駆動電力を生成し、これをサーボモータ１２に送ってこれを駆動させる。サーボモータ１２には、サーボモータ１２の回転軸の回転数や角度等を検出するためのロータリーエンコーダ１２ａが設けられている。ロータリーエンコーダ１２ａの信号出力はサーボアンプ２０に接続されており、サーボアンプ２０はロータリーエンコーダ１２ａの計測結果に基づいて駆動電力のフィードバック制御を行う。
【００２０】
次いで、制御部３０の構成につき説明する。図２は、本実施形態の制御部３０のブロック図である。図２に示されているように、本実施形態の制御部３０は、コントローラ３１、信号変換手段３２、Ａ／Ｄ変換手段３３、トルクセンサ用アンプ３４ａ、角度センサ用アンプ３４ｂ、操作手段３５、波形発生回路３６、フレキシブルディスクドライブ（ＦＤＤ）３７、メモリ３８及びアナログポート３９を有する。なお、図１及び図２においては、制御部３０は一つのブロックとして記載されているが、実際は複数のユニットによって形成される。例えば、トルクセンサ用アンプ３４ａ、角度センサ用アンプ３４ｂはそれぞれが独立したユニットとして形成される。また、操作手段３５は、コントローラ３１を含むユニットのケース側面に設けられる制御パネルであるが、ケーブルを介してコントローラ３１に接続される独立したユニット（例えばパーソナルコンピュータ）であってもよい。
【００２１】
本実施形態の制御部３０は、トルクセンサ１４、角度センサ１５（共に図１）によって検出されたワークＷのトルクや角度を参照しながら、トルク又は角度の経時変動が所望の波形を示すように、サーボアンプ２０（図１）に設定角度を送信するものである。
【００２２】
ワークＷに与える作用（荷重や変形量）の波形は、操作手段３５を用いて設定される。操作手段３５は、例えばキーボードなどの入力手段と、この入力手段による入力結果を確認するための表示手段とを備えており、本実施形態のねじり試験装置１のオペレータは、操作手段３５を操作して、繰り返しねじり試験を行う際のトルク、角度、又は角速度の範囲を設定することができる。例えば、正弦波状に往復ねじり運動を行う際の角度変動の振幅を設定することができる。操作手段３５による設定結果は、コントローラ３１に送信され、メモリ３８に保存される。
【００２３】
また、波形発生回路３６は、所望の周期・タイミングで正弦波、三角波、矩形波などの信号波形を生成する回路である。より具体的には、ｆ（ｔ）を時刻ｔを引数とする関数としたときに、式ｓ＝ｆ（ｔ）で示される値ｓを順次コントローラ３１に出力するものである。なお、上式において、例えば波形が正弦波であれば、周期をＴ、位相をａとして、ｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（２π（ｔ−ａ）／Ｔ）である。ここで、周期Ｔ及び位相ａは、操作手段３５を操作することによって任意の値に設定可能である。
【００２４】
コントローラ３１は、波形発生回路３６からコントローラ３１に送信される値に、操作手段３５によって設定された値を乗じて目標波形を演算し、この目標波形からサーボアンプ２０に送るべき設定角度を演算する。そして、操作手段３５にて設定された演算された設定角度は、信号変換手段３２を介してサーボアンプ２０に送信される。
【００２５】
以上のような構成により、ワークＷのねじり角が、正弦波、三角波又は矩形波といった規定の波形に従って変動するように、サーボモータ１２を駆動することが出来るようになっている。
【００２６】
また、本実施形態のねじり試験装置１は、オペレータにて設定されたトルクの振幅（設定トルク振幅）でワークＷに繰り返し荷重を加える疲労試験を行う際、サーボモータ１２の回転軸の角度変動の振幅を自動的に設定できるようになっている。その手順につき、図３を参照して以下説明する。なお、図３は、横軸に時間ｔ、縦軸にサーボモータ１２の回転軸の角度θを取ったグラフである。
【００２７】
上記のごとく設定トルク振幅でワークＷに繰り返し荷重を加えることができるようにするため、本実施形態においては、疲労試験に先立ってワークＷのばね定数を計測している。その具体的な計測方法を次に説明する。まず、ワークＷをチャック１１ａ、１１ｂに取り付け、次いでサーボモータ１２を駆動する。そして、サーボモータ１２の駆動が始まった当初は、十分に小さい角度変動の振幅でサーボモータ１２の回転軸が駆動されるようにする。そして、その後は徐々に回転軸の角度振幅を増加させる。この際、トルクセンサ１４によってワークＷに加えられるトルクが検出されている。また、振幅に関わらず回転軸の角度の変動の周期Ｔは一定である。
【００２８】
次いで、図３のグラフにおける四箇所のポイントＡ、Ｂ、Ｃ及びＤでワークＷに加わるトルクＦＡ、ＦＢ、ＦＣ、ＦＤ及び、その時のサーボモータ１２の回転軸の角度θＡ、θＢ、θＣ、θＤを計測した。ここで、ポイントＡ及びＣは試験開始時の回転軸の角度Ｏから一方向（以下、正の方向と定義する）に角度が変動している時に計測を行ったものであり、ポイントＢ及びＤはこの正の方向とは逆の方向（以下、負の方向と称す）に角度が変動している時に計測を行ったものである。
【００２９】
また、ポイントＡ〜Ｄのいずれも、サーボモータ１２の回転軸の変動が略止まった時点である。本実施形態においては、図３のように、サーボモータ１２の回転軸の変動が正弦波状となるように制御されている。そのため、試験開始から時間Ｔ／４＋ｎＴ（ｎ：自然数）経過後に、正の方向側で回転軸の角速度は０となる。同様に、試験開始から時間３Ｔ／４＋ｎＴ経過後に、正の方向側で回転軸の角速度は０となる。本実施形態においては、試験開始から９Ｔ／４経過後をポイントＡ、１１Ｔ／４経過後をポイントＢ、１３Ｔ／４経過後をポイントＣ、１５Ｔ／４経過後をポイントＤとしている。
【００３０】
次いで、ポイントＡ〜Ｄでの計測値を用いて、数１によってワークＷの正及び負の方向におけるトルクとサーボモータの回転角度との比である比定数をＳＰ、ＳＮを演算する。
【００３１】
【数１】
【００３２】
次いで、計測したＳＰ、ＳＮに基づいて、設定トルク振幅にてワークＷに繰り返し荷重を加えるためのサーボモータ１２の回転軸の角度変動の上限値と下限値とを決定する。すなわち、正の方向側の設定トルク振幅をＦＳＰ、負の方向側の設定トルク振幅をＦＳＮ、サーボモータ１２の回転軸の角度変動の上限値と下限値をそれぞれθＰ、θＮとして、以下の数２によってθＰ、θＮを演算する。
【００３３】
【数２】
【００３４】
そして、求めたθＰ、θＮに基づいて、サーボモータ１２の回転軸の角度の変動が数３の式を満たすように、サーボアンプ２０に与える設定角度θを変更することによって、所望の設定トルク振幅に基づいてワークに繰り返し荷重を与えることが可能となる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
以上説明した本発明の第１の実施の形態は、ねじり試験装置に関するものである。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではない。すなわち、本発明はサーボモータを使用する他のタイプの疲労試験装置においても適用可能である。以下に説明する本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置は、サーボモータによって駆動される送りねじ機構によって、ワークに引張、圧縮、又は曲げ荷重を加える事が可能な、所謂万能試験装置である。
【００３７】
図４は、本実施形態の疲労試験装置１０１のブロック図を示したものである。本実施形態の疲労試験装置は、試験片（ワーク）に引張、圧縮、又は曲げ荷重を反復的に加えることができるようになっている。
【００３８】
図４に示されるように、本実施形態の試験装置１０１は、ワークＷに荷重を加える装置本体１１０と、装置本体１１０のサーボモータ１１２を駆動するためのサーボアンプ１２０と、サーボアンプ１２０を制御する制御部１３０とを有する。装置本体１１０は、フレーム１１１と、サーボモータ１１２と、直動変換器１１３と、ロードセル１１４と、変位センサ１１５と、アダプタ１１８ａ及び１１８ｂとを有する。
【００３９】
直動変換器１１３は、サーボモータ１１２の回転軸の回転運動を直進方向の運動に変換するためのものであり、送りねじ１１３ａと、ナット１１３ｂと、一対のガイドレール１１３ｃと、ガイドレール１１３ｃの夫々に対応したランナーブロック１１３ｄとを有する。ナット１１３ｂは、送りねじ１１３ａと係合している。また、ランナーブロック１１３ｄは、ナット１１３ｂに固定されている。ランナーブロック１１３ｄは、対応するガイドレール１１３ｃに沿って移動可能であると共に、この方向以外には移動できないようになっている。このため、ランナーブロック１１３ｄ及びナット１１３ｂの運動は、ガイドレール１１３ｃが伸びる方向に沿った一自由度に限定される。さらに、送りねじ１１３ａの軸方向は、ガイドレール１１３ｃが伸びる方向と平行（すなわち上下方向）であるため、サーボモータ１１２によって送りねじ１１３ａを回動させると、ナット１１３ｂはガイドレール１１３ｃに沿って移動する。図４に示されるように、サーボモータ１１２は、フレーム１１１のテーブル部１１１ａの下に固定されており、また、ガイドレール１１３ｃはテーブル部１１１ａの上に固定されている。このため、ナット１１３ｂはテーブル部１１１ａに対して上下動することになる。なお、ナットの上には、ワークＷを下から保持するための下部アダプタ１１８ａが取り付けられる。
【００４０】
フレーム１１１の天井１１１ｂの下面から、上部ステージ１１６が吊り下げられている。また、テーブル部１１１ａの上面には、図中上方向に伸びるガイドバー１１７ｃが設けられている。上部ステージ１１６の左右方向端部には、上下方向に穿孔された貫通孔１１６ａが形成されており、この貫通孔１１６ａにガイドバー１１７ｃが通されている。このため、上部ステージ１１６はガイドバー１１７ｃに沿って上下方向に移動可能となっている。また、上部ステージ１１６に設けられた図示しないボルトを締めることによって、貫通孔１１６ａの内径を絞る事が出来るようになっており、これによって、ガイドバー１１７ｃに対して上部ステージ１１６を固定できるようになっている。
【００４１】
上部ステージ１１６の下面には、ワークＷを上から保持するための上部アダプタ１１８ｂが取り付けられる。本実施形態においては、上部アダプタ１１８ｂと下部アダプタ１１８ａとの間でワークＷを保持した状態でナット１１３ｂを上下動させる事によって、ワークＷに荷重を加える事が出来るようになっている。なお、上部及び下部アダプタ１１８ａ、１１８ｂはそれぞれ上部ステージ１１６、ナット１１３ｂに対して着脱可能に構成されており、ワークＷに加えるべき荷重の種類に応じて適切なアダプタを選択可能となっている。図４は、ワークＷに圧縮荷重を加える構成であるため、上部アダプタ１１８ｂの下面及び下部アダプタの上面は平面状に形成されている。ワークＷに引張荷重を加える際は、ワークＷを把持するチャックが設けられたアダプタ１１８ａ、１１８ｂが使用される。三点曲げ試験をおこなう際は、圧縮試験用のアダプタと三点曲げ用の治具とを組み合わせて使用する。
【００４２】
また、上部ステージ１１６は、フレーム１１１の天井１１１ｂから送りねじ１１７ａによって吊り下げられている。天井１１１ｂには、送りねじ１１７ａと係合する回転可能なナット（図示せず）が埋めこまれている。ナットは天井１１１ｂに配置されたモータ１１７ｂによって回転駆動されるようになっている。また、送りねじ１１７ａと上部ステージ１１６とを連結するリンクによって、上部ステージ１１６に対して送りねじ１１７ａはその軸回りに回転しないようになっている。従って、上部ステージ１１６のボルトを緩めて上部ステージ１１６を移動可能とした状態で、モータ１１７ｂによってこのナットを回動させることで、送りねじ１１７ａ及びこの送りねじ１１７ａと連結している上部ステージ１１６を上下方向に駆動することができる。この機能は、ワークＷの寸法に合わせてアダプタ１１８ａ、１１８ｂの間隔を調整する際に使用される。すなわち、試験を行う際はボルトを締めて上部ステージ１１６をガイドバー１１７ｃに固定する。
【００４３】
以上説明した構成において、アダプタ１１８ａ、１１８ｂでワークＷを保持してサーボモータ１１２を駆動すると、ワークＷに引張、圧縮又は曲げ荷重が加わり、その大きさはロードセル１１４によって計測される。また、変位センサ１１５は、下部のアダプタの変位、すなわちワークＷの変形量を検出するセンサ（例えば、ロータリーエンコーダが組み込まれたダイヤルゲージ）である。
【００４４】
第１の実施形態と同様、サーボモータ１１２は、サーボアンプ１２０によって制御される。すなわち、サーボアンプ１２０は、制御部１３０から送信される目標値（目標とするサーボモータの回転軸の角度）に基づいてサーボモータ１１２を駆動するための駆動電力を生成し、これをサーボモータ１１２に送ってこれを駆動させる。サーボモータ１１２には、サーボモータ１１２の回転軸の回転数や角度等を検出するためのロータリーエンコーダ１１２ａが設けられている。ロータリーエンコーダ１１２ａの信号出力はサーボアンプ１２０に接続されており、サーボアンプ２１０はロータリーエンコーダ１１２ａの計測結果に基づいてフィードバック制御を行う。
【００４５】
次いで、制御部１３０の構成につき説明する。図５は、本実施形態の制御部１３０のブロック図である。図示されているように、本実施形態の制御部１３０は、トルクセンサの代わりにロードセルが、角度センサの代わりに変位センサがそれぞれ接続できるようになっているほかは、図２に示される本発明の第１の実施の形態と同一である。従って、制御部１３０において本発明の第１の実施の形態と同一又は類似の構成要素には同一の符号を配し、また制御部１３０に関する詳細な説明は省略する。
【００４６】
本実施形態の制御部１３０は、ロードセル１１４、変位センサ１１５（共に図４に記載）によって検出されたワークＷの荷重や変形量を参照しながら、荷重又は変形量の経時変動が所望の波形を示すように、サーボアンプ１２０（図１）に設定角度を送信するものである。
【００４７】
ワークＷに与える作用の波形は、操作手段３５を用いて設定される。本実施形態の試験装置１０１のオペレータは、操作手段３５を操作して、繰り返し試験を行う際の荷重、変形量等の変動幅を設定することができる。例えば、ワークＷに正弦波状の復繰り返し圧縮変位を加える際の変位の振幅を設定することができる。
【００４８】
コントローラ３１は、波形発生回路３６からコントローラ３１に送信される値に、操作手段３５によって設定された値を乗じて目標値を演算し、この目標値とロードセル１１４が検出した荷重、又は変位センサ１１５が検出した変形量（又はそれらの時間微分値である変形速度）とを比較して、サーボアンプ１２０に送るべき設定角度を演算する。演算された設定角度は、信号変換手段３２を介してサーボアンプ１２０に送信される。
【００４９】
以上のような構成により、ワークＷに加わる荷重やワークＷの変形量が、正弦波、三角波又は矩形波といった規定の波形に従って変動するように、サーボモータ１１２を駆動することが出来るようになっている。
【００５０】
また、第１の実施形態と同様、本実施形態の万能試験装置１０１は、オペレータにて設定された荷重の振幅（設定荷重振幅）でワークＷに繰り返し荷重を加える疲労試験を行う際、サーボモータ１２の回転軸の角度変動の振幅を自動的に設定できるようになっている。この構成は、図３を参照して説明した本発明の実施形態とほとんど同様である。従って本実施形態においても、図３を参照して説明する。
【００５１】
上記のごとく設定トルク振幅でワークＷに繰り返し荷重を加えることができるようにするため、本実施形態においては、疲労試験に先立ってワークＷのばね定数を計測している。具体的な計測方法を次に説明する。まず、ワークＷを試験装置１０１に取り付け、次いでサーボモータ１２を駆動する。そして、サーボモータ１２の駆動が始まった当初は、十分に小さい角度変動の振幅でサーボモータ１２の回転軸が駆動される。その後は徐々に回転軸の角度振幅を増加させる。この際、トルクセンサ１４によってワークＷに加えられるトルクが検出されている。また、振幅に関わらず回転軸の角度の変動の周期Ｔは一定である。
【００５２】
次いで、図３における四箇所のポイントＡ、Ｂ、Ｃ及びＤでワークＷに加わる荷重ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ及び、その時のサーボモータ１２の回転軸の角度θＡ、θＢ、θＣ、θＤを計測した。ここで、ポイントＡ及びＣは試験開始時の回転軸の角度Ｏから一方向（以下、正の方向と定義する）に角度が変動している時に計測を行ったものであり、ポイントＢ及びＤはこの正の方向とは逆の方向（以下、負の方向と称す）に角度が変動している時に計測を行ったものである。
【００５３】
また、ポイントＡ〜Ｄのいずれも、サーボモータ１２の回転軸の変動が略止まった時点である。本実施形態においては、図３に示されているように、サーボモータ１２の回転軸の変動が正弦波状となるように制御されている。そのため、試験開始から時間Ｔ／４＋ｎＴ（ｎ：自然数）経過後に、正の方向側で回転軸の角速度は０となる。同様に、試験開始から時間３Ｔ／４＋ｎＴ経過後に、正の方向側で回転軸の角速度は０となる。本実施形態においては、試験開始から９Ｔ／４経過後をポイントＡ、１１Ｔ／４経過後をポイントＢ、１３Ｔ／４経過後をポイントＣ、１５Ｔ／４経過後をポイントＤとしている。
【００５４】
次いで、ポイントＡ〜Ｄでの計測値を用いて、数４によってワークＷの正及び負の方向におけるばね定数をＳＰ、ＳＮを演算する。
【００５５】
【数４】
【００５６】
次いで、計測したＳＰ、ＳＮに基づいて、設定荷重振幅にてワークＷに繰り返し荷重を加えるためのサーボモータ１２の回転軸の角度変動の上限値と下限値とを決定する。すなわち、正の方向側の設定荷重振幅をＰＳＰ、負の方向側の設定荷重振幅をＰＳＮ、サーボモータ１２の回転軸の角度変動の上限値と下限値をそれぞれθＰ、θＮとして、以下の数５によってθＰ、θＮを演算する。
【００５７】
【数５】
【００５８】
そして、求めたθＰ、θＮに基づいて、サーボモータ１２の回転軸の角度の変動が前述の数３の式を満たすように、サーボアンプ２０に与える設定角度θを変更することによって、所望の設定荷重振幅に基づいてワークに繰り返し荷重を与えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置の概要を示したものである。
【図２】本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置の制御部のブロック図である。
【図３】本発明の第１及び第２の実施形態における、サーボモータの回転軸の角度の変動を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置の概要を示したものである。
【図５】本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置の制御部のブロック図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 疲労試験装置
１０ 装置本体
１２ サーボモータ
２０ サーボアンプ
３０ 制御部
３１ コントローラ
３３ 変換手段
３５ 操作手段
３７ フレキシブルディスクドライブ
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじり、引張、圧縮、曲げ方向の繰り返し荷重をワークに加える疲労試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料に繰り返し荷重を加えてその材料の疲労強度を計測する疲労試験装置として、特許文献１に記載のもののようなサーボモータを用いたものが利用されている。サーボモータは、目標となる角度（目標角度）をサーボアンプに入力することによってサーボモータの回転軸の位相をその角度に移動させるものである。サーボモータには回転軸の位相の変化を検出するためのロータリーエンコーダが設けられており、サーボアンプは、ロータリーエンコーダの検出値から判断される回転軸の位相と目標角度との差分に基づいて、サーボモータに与える駆動電力を設定する。
【特許文献１】特開昭６３−３７２３３号
【０００３】
ねじり試験を行うねじり試験装置は、ワークの一端を把持するチャックとサーボモータの回転軸との間に設けられた減速機（減速ギアなど）によって、サーボモータのトルクを増幅してワークに付与している。また、引張、圧縮、曲げ試験を行う万能試験装置は、サーボモータの回転軸に送りねじ機構等の直動変換器を設けて、サーボモータの回転運動を直進運動に変換している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような疲労試験装置においては、加える力（トルクまたは荷重）、変位、速度或いは加速度の変動幅（上限及び／または下限）を一定に揃えて繰り返し荷重をワークに加える。しかしながら、サーボモータはその回転軸の角度を制御するものであるため、加える力の変動幅を一定に揃えて試験を行う場合は、繰り返し試験を行う前に、オペレータが手動操作にてワークに荷重を加え、所望の力を加えるために必要なサーボモータの回転軸の角度を見積もっていた（試し動作）。
【０００５】
このような試し動作を手動操作にて行うには熟練が必要であり、また、必要なサーボモータの回転軸の角度が得られるまでに長時間を要していた。加えて、ワークに力を加えすぎて、試し動作中にワークを破損してしまう可能性があった。
【０００６】
本発明は上記の問題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、ワークに加える力の変動幅を一定に揃えて試験を行う際に設定されるべきサーボモータの回転軸の角度の振幅を自動的且つ速やかに得ることのできる疲労試験装置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】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明の疲労試験装置は、ワークに加えられる力の大きさを計測する力計測手段と、サーボモータの回転軸の角度の振幅を徐々に増加させて反転駆動させながら、サーボモータの回転角度及び力計測手段の計測結果に基づいてワークに加わる力とサーボモータの回転軸の回転角度との比である比定数を演算する比定数演算手段と、比定数演算手段によって演算された比定数に基づいて、ワークに加えられる力の大きさの振幅が所定の大きさとなるように、サーボモータを制御する制御手段と、を有する。
【０００８】
このような構成とすることによって、自動的且つ速やかに比定数を求め、この比定数に基づいて適切な角度振幅でサーボモータを駆動させることができる。また、サーボモータの回転軸の角度の振幅を徐々に増加させているため、不意にワークに大きな力がかかってワークの破損が発生するようなことはない。
【０００９】
また、比定数演算手段は、サーボモータの回転軸の角度の変動が略止まった時のサーボモータの回転軸の回転角度及び力計測手段の計測結果に基づいて比定数を演算する構成とすることが好ましい。すなわち、サーボモータの回転軸の角速度が速い、即ちワークの変形速度が大きい時は計測誤差が発生しやすいので、ワークの変形速度が低い、すなわちワークがほとんど静止している状態におけるワークに掛かる力の大きさとサーボモータの回転軸の回転角度に基づいて比定数を演算することによって、サーボモータの角度振幅をより正確に求めることができる。
【００１０】
また、力計測手段は、ワークに加えられる力の大きさを少なくとも２回計測し、比定数演算手段は、第１回目の計測における力の大きさと第２回目の計測における力の大きさとの差を第１回目の計測におけるサーボモータの回転軸の回転角度と第２回目の計測におけるサーボモータの回転軸の回転角度との差で割った値をワークのばね定数とする構成が望ましい。例えば引張試験や圧縮試験の場合は、ワークを試験装置に取り付けた時点でワークにひずみが発生している場合があるため、サーボモータの回転軸の回転角度が必ずしも自然状態からの変形量に対応しているとはいえない。本発明によれば、異なる力でワークを変形させた時の変形量の差と力の大きさの差に基づいて、より正確に比定数を算出することができる。
【００１１】
また、疲労試験装置は、第１の方向と、第１の方向と反対の第２の方向の双方に沿ってワークに荷重を加えることが出来るようになっており、比定数演算手段は、ワークが第１の方向に変形している時の第１の比定数と、ワークが第２の方向に変形している時の第２の比定数とを演算し、制御手段は、ワークが第１の方向に変形している時は所定の大きさを第１の比定数で割って得られる変形量がワークの変形量の上限となるようサーボモータを制御し、ワークが第２の方向に変形している時は所定の大きさを第２の比定数で割って得られる変形量がワークの変形量の上限となるよう前記サーボモータを制御する構成とすることが好ましい。すなわち、例えば引張荷重をワークに加えるような疲労試験においては、引張方向（第１の方向）にワークを変形させる時と、この状態から除荷する（第２の方向にワークを変形させる）時とでは比定数が異なる可能性がある。そのため、本発明の構成のように、第１の比定数と第２の比定数を別々に求めることが好ましい。
【００１２】
また、例えば、疲労試験装置はワークにねじり荷重を加えるねじり試験装置であり、ワークに加えられる力は、ワークの回転軸回りのトルクである。
【００１３】
或いは、疲労試験装置が、送りねじ機構を介してワークに引張、圧縮又は曲げ荷重を加える万能試験装置であり、ワークに加えられる力は、ワークに加えられる荷重の送りねじ機構の送り方向成分である。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、ワークに加える力の変動幅を一定に揃えて試験を行う際に設定されるべきサーボモータの回転軸の角度の振幅を自動的且つ速やかに得ることのできる疲労試験装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置のブロック図を示したものである。本実施形態の疲労試験装置は、試験片（ワーク）にねじり荷重を反復的に加えることができる疲労試験装置である。
【００１６】
図１に示されるように、本実施形態の疲労試験装置１は、ワークＷにねじり荷重を加える装置本体１０と、装置本体１０のサーボモータ１２を駆動するためのサーボアンプ２０と、サーボアンプ２０を制御する制御部３０とを有する。
【００１７】
装置本体１０は、チャック１１ａ、１１ｂと、サーボモータ１２と、減速機１３と、トルクセンサ１４と、角度センサ１５とを有する。チャック１１ａ及び１１ｂは、ワークＷを両端から把持する。減速機１３は、サーボモータ１２の駆動軸と一方のチャック１１ａの間に配置され、サーボモータ１２の駆動軸のトルクを増大してワークＷに与える。また、他方のチャック１１ｂは、トルクセンサ１４を介して図示しない装置本体のフレームに固定されている
【００１８】
以上説明した構成において、サーボモータ１２を駆動すると、チャック１１ａ、１１ｂに把持されたワークＷにねじり荷重が加わり、その大きさはトルクセンサ１４によって計測される。また、角度センサ１５が減速機１３の出力軸に設けられ、チャック１１ａ付近におけるワークＷのねじれ角度を検出する。
【００１９】
サーボモータ１２は、サーボアンプ２０によって制御される。すなわち、サーボアンプ２０は、制御部３０から送信される設定角度（目標とするサーボモータの回転軸の角度）に基づいてサーボモータ１２を駆動するための駆動電力を生成し、これをサーボモータ１２に送ってこれを駆動させる。サーボモータ１２には、サーボモータ１２の回転軸の回転数や角度等を検出するためのロータリーエンコーダ１２ａが設けられている。ロータリーエンコーダ１２ａの信号出力はサーボアンプ２０に接続されており、サーボアンプ２０はロータリーエンコーダ１２ａの計測結果に基づいて駆動電力のフィードバック制御を行う。
【００２０】
次いで、制御部３０の構成につき説明する。図２は、本実施形態の制御部３０のブロック図である。図２に示されているように、本実施形態の制御部３０は、コントローラ３１、信号変換手段３２、Ａ／Ｄ変換手段３３、トルクセンサ用アンプ３４ａ、角度センサ用アンプ３４ｂ、操作手段３５、波形発生回路３６、フレキシブルディスクドライブ（ＦＤＤ）３７、メモリ３８及びアナログポート３９を有する。なお、図１及び図２においては、制御部３０は一つのブロックとして記載されているが、実際は複数のユニットによって形成される。例えば、トルクセンサ用アンプ３４ａ、角度センサ用アンプ３４ｂはそれぞれが独立したユニットとして形成される。また、操作手段３５は、コントローラ３１を含むユニットのケース側面に設けられる制御パネルであるが、ケーブルを介してコントローラ３１に接続される独立したユニット（例えばパーソナルコンピュータ）であってもよい。
【００２１】
本実施形態の制御部３０は、トルクセンサ１４、角度センサ１５（共に図１）によって検出されたワークＷのトルクや角度を参照しながら、トルク又は角度の経時変動が所望の波形を示すように、サーボアンプ２０（図１）に設定角度を送信するものである。
【００２２】
ワークＷに与える作用（荷重や変形量）の波形は、操作手段３５を用いて設定される。操作手段３５は、例えばキーボードなどの入力手段と、この入力手段による入力結果を確認するための表示手段とを備えており、本実施形態のねじり試験装置１のオペレータは、操作手段３５を操作して、繰り返しねじり試験を行う際のトルク、角度、又は角速度の範囲を設定することができる。例えば、正弦波状に往復ねじり運動を行う際の角度変動の振幅を設定することができる。操作手段３５による設定結果は、コントローラ３１に送信され、メモリ３８に保存される。
【００２３】
また、波形発生回路３６は、所望の周期・タイミングで正弦波、三角波、矩形波などの信号波形を生成する回路である。より具体的には、ｆ（ｔ）を時刻ｔを引数とする関数としたときに、式ｓ＝ｆ（ｔ）で示される値ｓを順次コントローラ３１に出力するものである。なお、上式において、例えば波形が正弦波であれば、周期をＴ、位相をａとして、ｆ（ｔ）＝ｓｉｎ（２π（ｔ−ａ）／Ｔ）である。ここで、周期Ｔ及び位相ａは、操作手段３５を操作することによって任意の値に設定可能である。
【００２４】
コントローラ３１は、波形発生回路３６からコントローラ３１に送信される値に、操作手段３５によって設定された値を乗じて目標波形を演算し、この目標波形からサーボアンプ２０に送るべき設定角度を演算する。そして、操作手段３５にて設定された演算された設定角度は、信号変換手段３２を介してサーボアンプ２０に送信される。
【００２５】
以上のような構成により、ワークＷのねじり角が、正弦波、三角波又は矩形波といった規定の波形に従って変動するように、サーボモータ１２を駆動することが出来るようになっている。
【００２６】
また、本実施形態のねじり試験装置１は、オペレータにて設定されたトルクの振幅（設定トルク振幅）でワークＷに繰り返し荷重を加える疲労試験を行う際、サーボモータ１２の回転軸の角度変動の振幅を自動的に設定できるようになっている。その手順につき、図３を参照して以下説明する。なお、図３は、横軸に時間ｔ、縦軸にサーボモータ１２の回転軸の角度θを取ったグラフである。
【００２７】
上記のごとく設定トルク振幅でワークＷに繰り返し荷重を加えることができるようにするため、本実施形態においては、疲労試験に先立ってワークＷのばね定数を計測している。その具体的な計測方法を次に説明する。まず、ワークＷをチャック１１ａ、１１ｂに取り付け、次いでサーボモータ１２を駆動する。そして、サーボモータ１２の駆動が始まった当初は、十分に小さい角度変動の振幅でサーボモータ１２の回転軸が駆動されるようにする。そして、その後は徐々に回転軸の角度振幅を増加させる。この際、トルクセンサ１４によってワークＷに加えられるトルクが検出されている。また、振幅に関わらず回転軸の角度の変動の周期Ｔは一定である。
【００２８】
次いで、図３のグラフにおける四箇所のポイントＡ、Ｂ、Ｃ及びＤでワークＷに加わるトルクＦＡ、ＦＢ、ＦＣ、ＦＤ及び、その時のサーボモータ１２の回転軸の角度θＡ、θＢ、θＣ、θＤを計測した。ここで、ポイントＡ及びＣは試験開始時の回転軸の角度Ｏから一方向（以下、正の方向と定義する）に角度が変動している時に計測を行ったものであり、ポイントＢ及びＤはこの正の方向とは逆の方向（以下、負の方向と称す）に角度が変動している時に計測を行ったものである。
【００２９】
また、ポイントＡ〜Ｄのいずれも、サーボモータ１２の回転軸の変動が略止まった時点である。本実施形態においては、図３のように、サーボモータ１２の回転軸の変動が正弦波状となるように制御されている。そのため、試験開始から時間Ｔ／４＋ｎＴ（ｎ：自然数）経過後に、正の方向側で回転軸の角速度は０となる。同様に、試験開始から時間３Ｔ／４＋ｎＴ経過後に、正の方向側で回転軸の角速度は０となる。本実施形態においては、試験開始から９Ｔ／４経過後をポイントＡ、１１Ｔ／４経過後をポイントＢ、１３Ｔ／４経過後をポイントＣ、１５Ｔ／４経過後をポイントＤとしている。
【００３０】
次いで、ポイントＡ〜Ｄでの計測値を用いて、数１によってワークＷの正及び負の方向におけるトルクとサーボモータの回転角度との比である比定数をＳＰ、ＳＮを演算する。
【００３１】
【数１】
【００３２】
次いで、計測したＳＰ、ＳＮに基づいて、設定トルク振幅にてワークＷに繰り返し荷重を加えるためのサーボモータ１２の回転軸の角度変動の上限値と下限値とを決定する。すなわち、正の方向側の設定トルク振幅をＦＳＰ、負の方向側の設定トルク振幅をＦＳＮ、サーボモータ１２の回転軸の角度変動の上限値と下限値をそれぞれθＰ、θＮとして、以下の数２によってθＰ、θＮを演算する。
【００３３】
【数２】
【００３４】
そして、求めたθＰ、θＮに基づいて、サーボモータ１２の回転軸の角度の変動が数３の式を満たすように、サーボアンプ２０に与える設定角度θを変更することによって、所望の設定トルク振幅に基づいてワークに繰り返し荷重を与えることが可能となる。
【００３５】
【数３】
【００３６】
以上説明した本発明の第１の実施の形態は、ねじり試験装置に関するものである。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではない。すなわち、本発明はサーボモータを使用する他のタイプの疲労試験装置においても適用可能である。以下に説明する本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置は、サーボモータによって駆動される送りねじ機構によって、ワークに引張、圧縮、又は曲げ荷重を加える事が可能な、所謂万能試験装置である。
【００３７】
図４は、本実施形態の疲労試験装置１０１のブロック図を示したものである。本実施形態の疲労試験装置は、試験片（ワーク）に引張、圧縮、又は曲げ荷重を反復的に加えることができるようになっている。
【００３８】
図４に示されるように、本実施形態の試験装置１０１は、ワークＷに荷重を加える装置本体１１０と、装置本体１１０のサーボモータ１１２を駆動するためのサーボアンプ１２０と、サーボアンプ１２０を制御する制御部１３０とを有する。装置本体１１０は、フレーム１１１と、サーボモータ１１２と、直動変換器１１３と、ロードセル１１４と、変位センサ１１５と、アダプタ１１８ａ及び１１８ｂとを有する。
【００３９】
直動変換器１１３は、サーボモータ１１２の回転軸の回転運動を直進方向の運動に変換するためのものであり、送りねじ１１３ａと、ナット１１３ｂと、一対のガイドレール１１３ｃと、ガイドレール１１３ｃの夫々に対応したランナーブロック１１３ｄとを有する。ナット１１３ｂは、送りねじ１１３ａと係合している。また、ランナーブロック１１３ｄは、ナット１１３ｂに固定されている。ランナーブロック１１３ｄは、対応するガイドレール１１３ｃに沿って移動可能であると共に、この方向以外には移動できないようになっている。このため、ランナーブロック１１３ｄ及びナット１１３ｂの運動は、ガイドレール１１３ｃが伸びる方向に沿った一自由度に限定される。さらに、送りねじ１１３ａの軸方向は、ガイドレール１１３ｃが伸びる方向と平行（すなわち上下方向）であるため、サーボモータ１１２によって送りねじ１１３ａを回動させると、ナット１１３ｂはガイドレール１１３ｃに沿って移動する。図４に示されるように、サーボモータ１１２は、フレーム１１１のテーブル部１１１ａの下に固定されており、また、ガイドレール１１３ｃはテーブル部１１１ａの上に固定されている。このため、ナット１１３ｂはテーブル部１１１ａに対して上下動することになる。なお、ナットの上には、ワークＷを下から保持するための下部アダプタ１１８ａが取り付けられる。
【００４０】
フレーム１１１の天井１１１ｂの下面から、上部ステージ１１６が吊り下げられている。また、テーブル部１１１ａの上面には、図中上方向に伸びるガイドバー１１７ｃが設けられている。上部ステージ１１６の左右方向端部には、上下方向に穿孔された貫通孔１１６ａが形成されており、この貫通孔１１６ａにガイドバー１１７ｃが通されている。このため、上部ステージ１１６はガイドバー１１７ｃに沿って上下方向に移動可能となっている。また、上部ステージ１１６に設けられた図示しないボルトを締めることによって、貫通孔１１６ａの内径を絞る事が出来るようになっており、これによって、ガイドバー１１７ｃに対して上部ステージ１１６を固定できるようになっている。
【００４１】
上部ステージ１１６の下面には、ワークＷを上から保持するための上部アダプタ１１８ｂが取り付けられる。本実施形態においては、上部アダプタ１１８ｂと下部アダプタ１１８ａとの間でワークＷを保持した状態でナット１１３ｂを上下動させる事によって、ワークＷに荷重を加える事が出来るようになっている。なお、上部及び下部アダプタ１１８ａ、１１８ｂはそれぞれ上部ステージ１１６、ナット１１３ｂに対して着脱可能に構成されており、ワークＷに加えるべき荷重の種類に応じて適切なアダプタを選択可能となっている。図４は、ワークＷに圧縮荷重を加える構成であるため、上部アダプタ１１８ｂの下面及び下部アダプタの上面は平面状に形成されている。ワークＷに引張荷重を加える際は、ワークＷを把持するチャックが設けられたアダプタ１１８ａ、１１８ｂが使用される。三点曲げ試験をおこなう際は、圧縮試験用のアダプタと三点曲げ用の治具とを組み合わせて使用する。
【００４２】
また、上部ステージ１１６は、フレーム１１１の天井１１１ｂから送りねじ１１７ａによって吊り下げられている。天井１１１ｂには、送りねじ１１７ａと係合する回転可能なナット（図示せず）が埋めこまれている。ナットは天井１１１ｂに配置されたモータ１１７ｂによって回転駆動されるようになっている。また、送りねじ１１７ａと上部ステージ１１６とを連結するリンクによって、上部ステージ１１６に対して送りねじ１１７ａはその軸回りに回転しないようになっている。従って、上部ステージ１１６のボルトを緩めて上部ステージ１１６を移動可能とした状態で、モータ１１７ｂによってこのナットを回動させることで、送りねじ１１７ａ及びこの送りねじ１１７ａと連結している上部ステージ１１６を上下方向に駆動することができる。この機能は、ワークＷの寸法に合わせてアダプタ１１８ａ、１１８ｂの間隔を調整する際に使用される。すなわち、試験を行う際はボルトを締めて上部ステージ１１６をガイドバー１１７ｃに固定する。
【００４３】
以上説明した構成において、アダプタ１１８ａ、１１８ｂでワークＷを保持してサーボモータ１１２を駆動すると、ワークＷに引張、圧縮又は曲げ荷重が加わり、その大きさはロードセル１１４によって計測される。また、変位センサ１１５は、下部のアダプタの変位、すなわちワークＷの変形量を検出するセンサ（例えば、ロータリーエンコーダが組み込まれたダイヤルゲージ）である。
【００４４】
第１の実施形態と同様、サーボモータ１１２は、サーボアンプ１２０によって制御される。すなわち、サーボアンプ１２０は、制御部１３０から送信される目標値（目標とするサーボモータの回転軸の角度）に基づいてサーボモータ１１２を駆動するための駆動電力を生成し、これをサーボモータ１１２に送ってこれを駆動させる。サーボモータ１１２には、サーボモータ１１２の回転軸の回転数や角度等を検出するためのロータリーエンコーダ１１２ａが設けられている。ロータリーエンコーダ１１２ａの信号出力はサーボアンプ１２０に接続されており、サーボアンプ２１０はロータリーエンコーダ１１２ａの計測結果に基づいてフィードバック制御を行う。
【００４５】
次いで、制御部１３０の構成につき説明する。図５は、本実施形態の制御部１３０のブロック図である。図示されているように、本実施形態の制御部１３０は、トルクセンサの代わりにロードセルが、角度センサの代わりに変位センサがそれぞれ接続できるようになっているほかは、図２に示される本発明の第１の実施の形態と同一である。従って、制御部１３０において本発明の第１の実施の形態と同一又は類似の構成要素には同一の符号を配し、また制御部１３０に関する詳細な説明は省略する。
【００４６】
本実施形態の制御部１３０は、ロードセル１１４、変位センサ１１５（共に図４に記載）によって検出されたワークＷの荷重や変形量を参照しながら、荷重又は変形量の経時変動が所望の波形を示すように、サーボアンプ１２０（図１）に設定角度を送信するものである。
【００４７】
ワークＷに与える作用の波形は、操作手段３５を用いて設定される。本実施形態の試験装置１０１のオペレータは、操作手段３５を操作して、繰り返し試験を行う際の荷重、変形量等の変動幅を設定することができる。例えば、ワークＷに正弦波状の復繰り返し圧縮変位を加える際の変位の振幅を設定することができる。
【００４８】
コントローラ３１は、波形発生回路３６からコントローラ３１に送信される値に、操作手段３５によって設定された値を乗じて目標値を演算し、この目標値とロードセル１１４が検出した荷重、又は変位センサ１１５が検出した変形量（又はそれらの時間微分値である変形速度）とを比較して、サーボアンプ１２０に送るべき設定角度を演算する。演算された設定角度は、信号変換手段３２を介してサーボアンプ１２０に送信される。
【００４９】
以上のような構成により、ワークＷに加わる荷重やワークＷの変形量が、正弦波、三角波又は矩形波といった規定の波形に従って変動するように、サーボモータ１１２を駆動することが出来るようになっている。
【００５０】
また、第１の実施形態と同様、本実施形態の万能試験装置１０１は、オペレータにて設定された荷重の振幅（設定荷重振幅）でワークＷに繰り返し荷重を加える疲労試験を行う際、サーボモータ１２の回転軸の角度変動の振幅を自動的に設定できるようになっている。この構成は、図３を参照して説明した本発明の実施形態とほとんど同様である。従って本実施形態においても、図３を参照して説明する。
【００５１】
上記のごとく設定トルク振幅でワークＷに繰り返し荷重を加えることができるようにするため、本実施形態においては、疲労試験に先立ってワークＷのばね定数を計測している。具体的な計測方法を次に説明する。まず、ワークＷを試験装置１０１に取り付け、次いでサーボモータ１２を駆動する。そして、サーボモータ１２の駆動が始まった当初は、十分に小さい角度変動の振幅でサーボモータ１２の回転軸が駆動される。その後は徐々に回転軸の角度振幅を増加させる。この際、トルクセンサ１４によってワークＷに加えられるトルクが検出されている。また、振幅に関わらず回転軸の角度の変動の周期Ｔは一定である。
【００５２】
次いで、図３における四箇所のポイントＡ、Ｂ、Ｃ及びＤでワークＷに加わる荷重ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ及び、その時のサーボモータ１２の回転軸の角度θＡ、θＢ、θＣ、θＤを計測した。ここで、ポイントＡ及びＣは試験開始時の回転軸の角度Ｏから一方向（以下、正の方向と定義する）に角度が変動している時に計測を行ったものであり、ポイントＢ及びＤはこの正の方向とは逆の方向（以下、負の方向と称す）に角度が変動している時に計測を行ったものである。
【００５３】
また、ポイントＡ〜Ｄのいずれも、サーボモータ１２の回転軸の変動が略止まった時点である。本実施形態においては、図３に示されているように、サーボモータ１２の回転軸の変動が正弦波状となるように制御されている。そのため、試験開始から時間Ｔ／４＋ｎＴ（ｎ：自然数）経過後に、正の方向側で回転軸の角速度は０となる。同様に、試験開始から時間３Ｔ／４＋ｎＴ経過後に、正の方向側で回転軸の角速度は０となる。本実施形態においては、試験開始から９Ｔ／４経過後をポイントＡ、１１Ｔ／４経過後をポイントＢ、１３Ｔ／４経過後をポイントＣ、１５Ｔ／４経過後をポイントＤとしている。
【００５４】
次いで、ポイントＡ〜Ｄでの計測値を用いて、数４によってワークＷの正及び負の方向におけるばね定数をＳＰ、ＳＮを演算する。
【００５５】
【数４】
【００５６】
次いで、計測したＳＰ、ＳＮに基づいて、設定荷重振幅にてワークＷに繰り返し荷重を加えるためのサーボモータ１２の回転軸の角度変動の上限値と下限値とを決定する。すなわち、正の方向側の設定荷重振幅をＰＳＰ、負の方向側の設定荷重振幅をＰＳＮ、サーボモータ１２の回転軸の角度変動の上限値と下限値をそれぞれθＰ、θＮとして、以下の数５によってθＰ、θＮを演算する。
【００５７】
【数５】
【００５８】
そして、求めたθＰ、θＮに基づいて、サーボモータ１２の回転軸の角度の変動が前述の数３の式を満たすように、サーボアンプ２０に与える設定角度θを変更することによって、所望の設定荷重振幅に基づいてワークに繰り返し荷重を与えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置の概要を示したものである。
【図２】本発明の第１の実施の形態の疲労試験装置の制御部のブロック図である。
【図３】本発明の第１及び第２の実施形態における、サーボモータの回転軸の角度の変動を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置の概要を示したものである。
【図５】本発明の第２の実施の形態の疲労試験装置の制御部のブロック図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 疲労試験装置
１０ 装置本体
１２ サーボモータ
２０ サーボアンプ
３０ 制御部
３１ コントローラ
３３ 変換手段
３５ 操作手段
３７ フレキシブルディスクドライブ
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボモータによってワークに繰り返し荷重を加える疲労試験装置であって、
該ワークに加えられる力の大きさを計測する力計測手段と、
前記サーボモータの回転軸の回転角度の振幅を徐々に増加させて反転駆動させながら、前記サーボモータの回転角度及び前記力計測手段の計測結果に基づいて該ワークに加わる力と前記サーボモータの回転軸の回転角度との比である比定数を演算する比定数演算手段と、
前記比定数演算手段によって演算された比定数に基づいて、該ワークに加えられる力の大きさの振幅が所定の大きさとなるように、前記サーボモータを制御する制御手段と、
を有する、疲労試験装置。
【請求項２】
前記比定数演算手段は、前記サーボモータの回転軸の角度の変動が略止まった時の前記サーボモータの回転軸の回転角度及び前記力計測手段の計測結果に基づいて該比定数を演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
【請求項３】
前記力計測手段は、該ワークに加えられる力の大きさを少なくとも２回計測し、
前記比定数演算手段は、第１回目の計測における力の大きさと第２回目の計測における力の大きさとの差を第１回目の計測における前記サーボモータの回転軸の回転角度と第２回目の計測における前記サーボモータの回転軸の回転角度との差で割った値を該比定数とする、ことを特徴とする請求項１または２に記載の疲労試験装置。
【請求項４】
前記疲労試験装置は、第１の方向と、該第１の方向と反対の第２の方向の双方に沿って該ワークに荷重を加えることが出来るようになっており、
前記比定数演算手段は、該ワークが該第１の方向に変形している時の第１の比定数と、該ワークが該第２の方向に変形している時の第２の比定数とを演算し、
前記制御手段は、該ワークが第１の方向に変形している時は該所定の大きさを該第１の比定数で割って得られる変形量が該ワークの変形量の上限となるよう前記サーボモータを制御し、該ワークが第２の方向に変形している時は該所定の大きさを該第２の比定数で割って得られる変形量が該ワークの変形量の上限となるよう前記サーボモータを制御する、
事を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の疲労試験装置。
【請求項５】
前記疲労試験装置が該ワークにねじり荷重を加えるねじり試験装置であり、
該ワークに加えられる力は、該ワークの回転軸回りのトルクである、特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の疲労試験装置。
【請求項６】
前記疲労試験装置が、送りねじ機構を介して該ワークに引張、圧縮又は曲げ荷重を加える万能試験装置であり、
該ワークに加えられる力は、該ワークに加えられる荷重の該送りねじ機構の送り方向成分である、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の疲労試験装置。
【請求項１】
サーボモータによってワークに繰り返し荷重を加える疲労試験装置であって、
該ワークに加えられる力の大きさを計測する力計測手段と、
前記サーボモータの回転軸の回転角度の振幅を徐々に増加させて反転駆動させながら、前記サーボモータの回転角度及び前記力計測手段の計測結果に基づいて該ワークに加わる力と前記サーボモータの回転軸の回転角度との比である比定数を演算する比定数演算手段と、
前記比定数演算手段によって演算された比定数に基づいて、該ワークに加えられる力の大きさの振幅が所定の大きさとなるように、前記サーボモータを制御する制御手段と、
を有する、疲労試験装置。
【請求項２】
前記比定数演算手段は、前記サーボモータの回転軸の角度の変動が略止まった時の前記サーボモータの回転軸の回転角度及び前記力計測手段の計測結果に基づいて該比定数を演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
【請求項３】
前記力計測手段は、該ワークに加えられる力の大きさを少なくとも２回計測し、
前記比定数演算手段は、第１回目の計測における力の大きさと第２回目の計測における力の大きさとの差を第１回目の計測における前記サーボモータの回転軸の回転角度と第２回目の計測における前記サーボモータの回転軸の回転角度との差で割った値を該比定数とする、ことを特徴とする請求項１または２に記載の疲労試験装置。
【請求項４】
前記疲労試験装置は、第１の方向と、該第１の方向と反対の第２の方向の双方に沿って該ワークに荷重を加えることが出来るようになっており、
前記比定数演算手段は、該ワークが該第１の方向に変形している時の第１の比定数と、該ワークが該第２の方向に変形している時の第２の比定数とを演算し、
前記制御手段は、該ワークが第１の方向に変形している時は該所定の大きさを該第１の比定数で割って得られる変形量が該ワークの変形量の上限となるよう前記サーボモータを制御し、該ワークが第２の方向に変形している時は該所定の大きさを該第２の比定数で割って得られる変形量が該ワークの変形量の上限となるよう前記サーボモータを制御する、
事を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の疲労試験装置。
【請求項５】
前記疲労試験装置が該ワークにねじり荷重を加えるねじり試験装置であり、
該ワークに加えられる力は、該ワークの回転軸回りのトルクである、特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の疲労試験装置。
【請求項６】
前記疲労試験装置が、送りねじ機構を介して該ワークに引張、圧縮又は曲げ荷重を加える万能試験装置であり、
該ワークに加えられる力は、該ワークに加えられる荷重の該送りねじ機構の送り方向成分である、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の疲労試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−８５８４７（Ｐ２００９−８５８４７Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５８００４（Ｐ２００７−２５８００４）
【出願日】平成１９年１０月１日（２００７．１０．１）
【出願人】（３９１０４６４１４）国際計測器株式会社 (32)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１日（２００７．１０．１）
【出願人】（３９１０４６４１４）国際計測器株式会社 (32)
【Ｆターム（参考）】
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