JP6015440B2

JP6015440B2 - 材料試験機

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Publication number: JP6015440B2
Application number: JP2012287869A
Authority: JP
Inventors: 輝次松原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014130076A

Description

この発明は材料試験機に関し、特に、油圧シリンダを駆動源とする材料試験機に関する。

材料試験機においては、一般に、負荷機構の駆動により試験片等の供試体に対して、各種の負荷を加えている。例えば、試験片に対して疲労試験を行う場合には、試験片に連続して試験力を付与している。そして、試験片に試験力を付与するための負荷機構の駆動源としては、油圧シリンダが使用されている。

このような油圧シリンダを動作させる油圧回路としては、方向流量制御弁を制御する方式（特許文献１参照）や、双方向回転ポンプを制御する方式（特許文献２参照）のものが採用されている。

特許文献１に記載のような油圧回路は、モータの駆動により一方向に作動油を吐出する油圧ポンプと、サーボ弁を備え、サーボ弁の流路の切り換えと弁開度の調整により、油圧シリンダへの作動油の流れ方向と流量とを調整している。このような油圧回路は、油圧源のコストが高額となり、また、油圧源は常時定格出力で連続運転しているため、試験条件によってはエネルギーの使用効率が非常に悪くなり、かつ、リリーフ弁による発熱及びモータ・ポンプの回転時の騒音等の問題が生ずる。

一方、特許文献２に記載のような油圧回路は、ＡＣサーボモータで駆動する双方向回転ポンプを備え、ＡＣサーボモータの回転方向と回転数を調整することにより、油圧シリンダへの作動油の流れ方向と流量とを調整している。この油圧回路は、方向流量制御弁による制御方式の油圧回路に比べて、エネルギー効率が良く、騒音や振動が小さいという特徴がある。

図４は、従来の双方向回転ポンプを制御する方式の油圧回路を示す図である。

図４に示すように、この油圧回路は、正逆双方向にＡＣサーボモータ１３４を回転させることにより、作動油を正逆双方向に吐出する双方向回転ポンプ１３３を備え、油圧シリンダ１２１のピストンで隔てられた２つのシリンダ室の何れか一方に作動油を流入させることにより、油圧シリンダ１２１のシリンダロッドを移動させるものである。２つのシリンダ室のそれぞれに連通する管路１３７、１３８の途中には、オイルタンク１３６と連通することにより、不足する作動油を供給する管路が設けられている。なお、双方向回転ポンプ１３３により作動油を往復流動させる油圧回路では、このようなオイルタンク１３６と連通する管路がないと、油圧回路内が真空状態となり、油圧シリンダ１２１の動作が悪くなる。

また、この管路には、パイロットチェック弁１３１、１３２が介挿され、油圧シリンダ１２１のシリンダ室の圧力と、それに連通する管路１３７、１３８内の圧力と作動油の流れ方向に応じて、油圧回路に作動油が補充される構成となっている。パイロットチェック弁１３１、１３２は、それぞれ、双方向回転ポンプ１３３を挟んで反対側となる管路１３７、１３８から、パイロット管路１７２、１７１を介してパイロット圧が供給されることにより開くものである。

特開平１０−３８７７９号公報特開２００１-２１５１８２号公報

ところで、油圧シリンダ１２１の各シリンダ室および各管路１３７、１３８の圧力は、双方向回転ポンプ１３３の吐出方向の切り換えと同時に変化するものではない。例えば、双方向回転ポンプ１３３の吐出方向が（＋）から（−）方向に切り替わると、（＋）側の管路１３８およびシリンダ室の圧力がゼロになるまで、（−）側の管路１３７およびシリンダ室の圧力は上がらない。このため、双方向回転ポンプ１３３の吐出方向が切り換えられてから（−）側の管路１３７からパイロット管路１７２を介してパイロット圧が供給され、パイロットチェック弁１３１が開くまでに、時間的なズレが生じる。そして、双方向回転ポンプ１３３の吐出方向が切り換えられてからパイロットチェック弁１３１が開くまでの間は、作動油が補充されないため、シリンダロッドの動作が鈍くなる。このような動作の遅れは、動的試験を行うときには、試験波形に対する応答遅れの原因となる。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、電力を多くは消費しない安価な構成でありながら、動的試験にも対応することが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、油圧シリンダに作動油を供給することにより、試験片に負荷する試験力を発生させる材料試験機において、正逆回転する可変速モータと、前記可変速モータにより駆動され、前記可変速モータの回転方向と回転数に応じて、双方向に作動油を吐出する双方向回転ポンプと、前記油圧シリンダのシリンダロッドに連結されたピストンで区切られた２つのシリンダ室のそれぞれと前記双方向回転ポンプとを接続し、前記双方向回転ポンプの吐出方向に応じて作動油を往復流動させる２つの往復管路と、前記２つの往復管路に補充する作動油を貯留するオイルタンクと、を有する油圧供給部と、予め設定された指令値と、試験片に与えられた試験力、または、前記油圧シリンダのシリンダロッドのストロークとに基づいて、前記可変速モータの回転方向および回転速度を調整する制御信号を出力する制御部と、を備え、前記油圧供給部は、前記２つの往復管路の間に配置され、弁体を移動させる駆動部と、前記弁体の位置を検出する検出器とを有し、前記オイルタンクと前記２つの往復管路のいずれか一方とを連通する流路を、前記可変速モータの回転方向に応じて切り換えるとともに、前記可変速モータの回転速度を調整する制御信号に応じて、前記オイルタンクと前記２つの往復管路との間を流れる作動油の流量を変更する電動弁と、前記可変速モータの回転速度を調整する制御信号と、前記検出器の検出値とに基づいて、前記電動弁の動作を調整する弁制御回路と、を備えることを特徴とする材料試験機。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記電動弁は、スプール型の直動サーボバルブである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、前記電動弁には、２つの前記往復管路への接続配管と、１つの前記オイルタンクへの接続配管とが形成される。

請求項１から請求項３に記載の発明によれば、油圧供給部が、双方向回転ポンプの駆動により油圧シリンダへ作動油を供給する往復管路とオイルタンクとを連通させる電動弁と、電動弁の動作を調整する弁制御回路を備えることから、電力を多くは消費しない安価な構成でありながら、動的試験にも対応することが可能となる。

この発明に係る材料試験機の要部を示す正面図である。直動サーボバルブ５０と直動サーボアンプ６０の概要図である。直動サーボアンプ６０への入力信号と直動サーボバルブにおけるポートＣ１、Ｃ２の流量との関係を示すグラフである。従来の双方向回転ポンプを制御する方式の油圧回路図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、テーブル１１により支持された一対のコラム１２と、これらのコラム１２により支持されたクロスヨーク１３とを備える。テーブル１１には、供試体としての試験片１０に試験力を負荷するための油圧シリンダ２１が配設されている。この油圧シリンダ２１には、油圧シリンダ２１を動作させるための作動油を供給する油圧供給部３０と、油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５の変位を検出する変位検出器２６とが接続されている。油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５には、試験片１０を掴むつかみ具２９が取り付けられている。

クロスヨーク１３の下面には、試験力を検出するための試験力検出器としてのロードセル２７と、試験片１０を固定するためのつかみ具２９とが配設されている。

また、この材料試験機は、装置全体を制御するための制御部４０を備える。この制御部４０は、その内部に記憶装置としてのＲＯＭ、ＲＡＭを備えるとともに、ＰＩＤ制御（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｅｒｉｖａｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を実行するための制御信号を演算する演算回路４４より構成される。また、変位検出器２６の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは、材料試験の実行中に、常時制御部４０に取り込まれる。

演算回路４４は、材料試験の実行中に、制御モードとしてストローク制御モードが選択されている場合には、切換部４３の作用により、アンプ４１を介して入力された変位検出器２６の出力信号と、目標値として設定されている試験波形との偏差に基づいて制御値を演算し、その値を制御信号として出力する。また、演算回路４４は、材料試験の実行中に、制御モードとして試験力制御モードが選択されている場合には、切換部４３の作用により、アンプ４２を介して入力されたロードセル２７の出力信号と、目標値として設定されている試験波形との偏差に基づいて制御値を演算し、制御信号を出力する。

油圧シリンダ２１は、油圧供給部３０から供給される作動油によって動作する。油圧シリンダ２１のシリンダ内は、複動するシリンダロッド２５に連結されたピストン２２により第１シリンダ室２３と第２シリンダ室２４に隔てられている。第１シリンダ室２３と第２シリンダ室２４には、それぞれ他端が後述する双方向回転ポンプ３３の吐出口に連結された管路３７と管路３８が接続されている。管路３７と管路３８は、この発明の油圧シリンダ２１と双方向回転ポンプ３３を接続する作動油の往復管路である。

油圧供給部３０は、制御部４０から供給される制御信号によって油圧シリンダ２１へ流入させる作動油の流れ方向と流量とが制御される。この油圧供給部３０は、双方向回転ポンプ３３と、この双方向回転ポンプ３３を駆動するためのＡＣサーボモータ３４とを備える。また、この油圧供給部３０は、作動油を貯留するオイルタンク３６と、ＡＣサーボモータ３４の回転方向および回転速度を変更するためのＡＣサーボアンプ３５と、この発明の電動切換弁である直動サーボバルブ５０と、この発明の弁制御回路としての機能を備えた直動サーボアンプ６０とを備える。なお、双方向回転ポンプ３３を駆動するモータは、正逆双方向の回転速度が変更可能なモータであればよい。

ＡＣサーボアンプ３５は、制御部４０から供給される制御信号を、ＡＣサーボモータ３４の回転指令信号に変換して、ＡＣサーボモータ３４に供給する。ＡＣサーボモータ３４の回転方向の（＋）と（−）は、双方向回転ポンプ３３の作動油吐出方向の（＋）と（−）に対応し、ＡＣサーボモータ３４の回転速度は、双方向回転ポンプ３３から吐出される作動油の流量に比例する。

油圧シリンダ２１は、油圧供給部３０から供給される作動油によって動作する。ＡＣサーボモータ３４が（−）方向に回転し、双方向回転ポンプ３３が（−）方向に作動油を吐出しているときには、管路３７から油圧シリンダ２１のピストン２２により隔てられた第１シリンダ室２３に、作動油が供給される。このとき、油圧シリンダ２１の第２シリンダ室２４から排出された作動油は、双方向回転ポンプ３３の作用により管路３８から管路３７へと流れる。

一方、ＡＣサーボモータ３４が（＋）方向に回転し、双方向回転ポンプ３３が（＋）方向に作動油を吐出しているときには、管路３８から油圧シリンダ２１のピストン２２により隔てられた第２シリンダ室２４に、作動油が供給される。このとき、油圧シリンダ２１の第１シリンダ室２３から排出された作動油は、双方向回転ポンプ３３の作用により管路３７から管路３８へと流れる。このように、作動油は、双方向回転ポンプ３３の作動油吐出方向に応じて、油圧シリンダ２１における第１シリンダ室２３と第２シリンダ室２４との間を管路３７および管路３８を介して往復流動する。

直動サーボバルブ５０は、直動サーボアンプ６０を介した制御部４０からの指令を受けて、オイルタンク３６と連通する流路を切り換えることにより、不足する作動油を管路３７または管路３８に供給、または、余剰の作動油を管路３７または管路３８からオイルタンク３６に戻すためのものである。すなわち、この直動サーボバルブ５０においては、ＡＣサーボモータ３４の回転方向の切り換えと、ＡＣサーボモータ３４の回転数の変更に応じて、オイルタンク３６と連通する流路と、そのときの作動油の流量とを調整することが可能となっている。

図２は、直動サーボバルブ５０と直動サーボアンプ６０の概要図である。

直動サーボバルブ５０は、弁体として機能するスプール５２がスリープ５７内を軸方向に変位することで、各ポートの連通・遮断を切り換えるスプール型の弁構造を有する。また、直動サーボバルブ５０は、スプール５２に接続された駆動部であるフォースモータ５１により、直接的に円柱形のランド５３、５４、５５が配置されたスプール５２を移動させる、いわゆる直動弁である。そして、スプール５２のフォースモータ５１との連結端とは反対側には、スプール５２の軸方向の位置変位を検出する検出器としての変位計５６が配設されている。

スリープ５７には、オイルタンク３６、管路３７、３８にそれぞれ接続するための接続配管が設けられている。すなわち、管路３７と連通するポートＣ１と、管路３８と連通するポートＣ２と、オイルタンク３６と連通するポートＴが、スリープ５７に形成されている。スリープ５７の内周面には、ポートＣ１、Ｃ２へ作動油を導く開口６８、６９が形成されている。また、スリープ５７の内周面には、ポートＴへ作動油を導く２つの開口５８、５９が形成されている。なお、開口６８と開口５８はポートＣ１とポートＴを連通状態とするための開口であり、開口６９と開口５９は、ポートＣ２とポートＴを連通状態とするための開口である。

スプール５２のランド５３とランド５４との間隔、および、ランド５３とランド５５との間隔は、スリープ５７の内周面に形成された各開口５８、５９、６８、６９がそれぞれ連通するのに十分な長さとなっている。また、ポートＴの開口５８、５９は、ランド５３が中央位置にあるときは、スリープ５７内周面において開口５８、５９のいずれもが全開状態となる間隔で形成されている。一方、ポートＣ１とポートＣ２の開口６８、６９は、ランド５３が中央位置にあるときには、スリープ５７の内周面においてランド５３により全閉状態となる間隔で形成されている。したがって、ランド５３が中央位置にあるときは、ポートＣ１とポートＣ２の両者とも遮断された状態となる。なお、この実施形態では、他の管路との接続用のポートが３個の直動サーボバルブ５０を使用しているが、接続用ポートが４個以上のものであっても、使用しないポートを塞いだり外部で連結することにより、この実施形態と同様の動作を実現することができる。

以上のような構成を有する直動サーボバルブ５０は、直動サーボアンプ６０により、その動作が調整される。この直動サーボアンプ６０は、ＰＩＤ制御を実行するための制御値を演算する演算回路６２と、出力回路６３を有する。試験実行中の変位計５６の検出値は、直動サーボアンプ６０に入力される。演算回路６２は、制御部４０から入力された入力信号とアンプ６１を介して入力されたスプール５２の変位信号との偏差に基づいて、制御値を演算する。演算回路６２において演算された制御値は、出力回路６３において、フォースモータ５１の駆動信号に変換され、フォースモータ５１に出力される。

図３は、直動サーボアンプ６０への入力信号と直動サーボバルブ５０におけるポートＣ１、Ｃ２の流量との関係を示すグラフである。横軸は、入力信号を百分率で示し、縦軸は、流量を百分率で示している。

直動サーボアンプ６０に入力される入力信号は、ＡＣサーボモータ３４の駆動信号を出力するＡＣサーボアンプ３５に入力される制御信号と同じである。したがって、図３のグラフの横軸の入力信号の＋と−は、ＡＣサーボモータ３４の回転方向の（＋）と（−）に対応する。横軸の入力信号の１００％は、ＡＣサーボモータ３４の最大回転速度に相当するものであり、縦軸の流量の１００％は、ポートＣ１、Ｃ２の各ポートを全開にしたときの流量に相当する。すなわち、オイルタンク３６と管路３７または管路３８を連通する流路における作動油の流量は、ポートＣ１、Ｃ２の各ポートの開度に対応した変化をする。

ＡＣサーボモータ３４が（＋）側に回転し、双方向回転ポンプ３３が（＋）側に作動油を吐出する場合には、フォースモータ５１を駆動して、スプール５２を図２におけるフォースモータ５１側に移動させることにより、ポートＣ１がＡＣサーボモータ３４の回転速度に応じた開度で開き、管路３７がポートＣ１、ポートＴを介してオイルタンク３６と連通する。すなわち、ポートＣ１の開口６８の開度がランド５３により調整される。この時、ポートＴの開口５８は常に開いており、ポートＣ２はランド５３により常に閉じた状態となる。

一方、ＡＣサーボモータ３４が（−）側に回転し、双方向回転ポンプ３３が（−）側に作動油を吐出する場合には、フォースモータ５１を駆動して、スプール５２を図２における変位計５６側に移動させることにより、ポートＣ２がＡＣサーボモータ３４の回転速度に応じた開度で開き、管路３８がポートＣ２、ポートＴを介してオイルタンク３６と連通する。すなわち、ポートＣ２の開口６９の開度がランド５３により調節される。この時、ポートＴの開口５９は常に開いており、ポートＣ１はランド５３により常に閉じた状態となる。

このように、直動サーボバルブ５０は、ＡＣサーボモータ３４の回転方向に応じてオイルタンク３６から油圧シリンダ２１に至る管路への作動油の供給流路を切り換えるとともに、ＡＣサーボモータ３４への指令回転速度に応じて、オイルタンク３６と、管路３７または管路３８との間を流れる作動油の流量を調節する。

また、この実施形態では、直動サーボアンプ６０において、スプール５２の変位をフィードバックすることによる閉ループ制御が実行されていることから、ＡＣサーボモータ３４の指令値に応じた作動油の流量調整をより正確に行うことが可能となっている。

上述した材料試験機により動的試験を行うときには、試験片１０をつかみ具２９により支持した状態で、下つかみ具２９を油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５により往復移動させ、この試験片１０に対して試験周波数の振動を付与する。このときの油圧シリンダ２１におけるシリンダロッド２５のストロークは、変位検出器２６により検出される。また、このときに試験片１０に付与される試験力は、ロードセル２７により検出される。そして、上述したように、油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５の移動方向の変更は、油圧供給部３０におるＡＣサーボモータ３４の回転方向を切り換ええることにより実行される。

この材料試験機では、制御部４０から出力されるＡＣサーボモータ３４を駆動するための制御信号が、直動サーボバルブ５０の弁制御回路として機能する直動サーボアンプ６０にも入力される。このため、図４に示す従来の油圧回路とは異なり、油圧シリンダ２１の第１シリンダ室２３、第２シリンダ室２４、管路３７、３８の圧力の変化に依らず、ＡＣサーボモータ３４の回転方向の切り換えと同期して、直動サーボバルブ５０の流路を切り換え、オイルタンク３６から管路３７または管路３８へ、不足する作動油を供給することができる。したがって、この材料試験機では、従来の双方向回転ポンプを制御する方式の油圧回路を採用した材料試験機で生じていた、動的試験を行う場合の、試験周波数に対する応答遅れの問題を解消している。

なお、動的試験における試験周波数への応答性の観点から、動的試験を行う材料試験機には、特許文献１に記載された油圧回路が採用されていたが、この発明の油圧供給部３０を適用することにより、消費電力や試験時の騒音を低減しつつ、動的試験と静的試験のどちらも精度よく行うことが可能な材料試験機を提供することができる。

１０試験片
１１テーブル
１２コラム
１３クロスヨーク
２１油圧シリンダ
２２ピストン
２３シリンダ室
２４シリンダ室
２５シリンダロッド
２６変位検出器
２７ロードセル
２９つかみ具
３０油圧供給部
３３双方向回転ポンプ
３４ＡＣサーボモータ
３５ＡＣサーボアンプ
３６オイルタンク
３７管路
３８管路
４０制御部
４１アンプ
４２アンプ
４３切換部
４４演算回路
５０直動サーボバルブ
５１フォースモータ
５２スプール
５３ランド
５４ランド
５５ランド
５６変位計
５７スリープ
５８開口
５９開口
６０直動サーボアンプ
６１アンプ
６２演算回路
６３出力回路
６８開口
６９開口

Claims

油圧シリンダに作動油を供給することにより、試験片に負荷する試験力を発生させる材料試験機において、
正逆回転する可変速モータと、前記可変速モータにより駆動され、前記可変速モータの回転方向と回転数に応じて、双方向に作動油を吐出する双方向回転ポンプと、前記油圧シリンダのシリンダロッドに連結されたピストンで区切られた２つのシリンダ室のそれぞれと前記双方向回転ポンプとを接続し、前記双方向回転ポンプの吐出方向に応じて作動油を往復流動させる２つの往復管路と、前記２つの往復管路に補充する作動油を貯留するオイルタンクと、を有する油圧供給部と、
予め設定された指令値と、試験片に与えられた試験力、または、前記油圧シリンダのシリンダロッドのストロークとに基づいて、前記可変速モータの回転方向および回転速度を調整する制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記油圧供給部は、
前記２つの往復管路の間に配置され、弁体を移動させる駆動部と、前記弁体の位置を検出する検出器とを有し、前記オイルタンクと前記２つの往復管路のいずれか一方とを連通する流路を、前記可変速モータの回転方向に応じて切り換えるとともに、前記可変速モータの回転速度を調整する制御信号に応じて、前記オイルタンクと前記２つの往復管路との間を流れる作動油の流量を変更する電動弁と、
前記可変速モータの回転速度を調整する制御信号と、前記検出器の検出値とに基づいて、前記電動弁の動作を調整する弁制御回路と、
を備えることを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記電動弁は、スプール型の直動サーボバルブである材料試験機。
請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
前記電動弁には、２つの前記往復管路への接続配管と、１つの前記オイルタンクへの接続配管とが形成される材料試験機。