JP7103086B2

JP7103086B2 - 材料試験機

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Publication number: JP7103086B2
Application number: JP2018165719A
Authority: JP
Inventors: 遼介瀧本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-09-05
Also published as: CN110879171A; CN110879171B; JP2020038143A

Description

多数の試験片を連続して試験する材料試験機において、試験片の寸法を測定する測寸装置を備えた材料試験機に関する。

材料試験を実行する材料試験機には、多数の試験片を連続して試験する自動機と呼称されるものがある。このような材料試験機においては、複数の試験片を収納マガジンに収納しておけば、収納マガジンからの試験片の取り出し、試験片の測寸、試験片に対する材料試験、試験片の回収、試験データの処理が連続して自動的に実行される（特許文献１参照）。

試験片に引張または圧縮の試験力を与えたときに発生する応力は、試験片に働く試験力を試験片の断面積で除したものである。試験片の測寸は、試験片の断面積を求めるために、試験片の標点間の両端部および中央部の幅と厚みを、測寸装置により測定する工程である。試験片の厚みは、測寸圧子を各々支持する一対のアームをモータの駆動により近接させて、一対の測寸圧子により試験片を挟持させてゲージにより測定する構成が採用されている（特許文献２参照）。

特開平９－２２９８３６号公報特開２０１１－１３０６１号公報

各試験片の寸法の測定前には、一対の測寸圧子を互いに接触させて、ゲージのゼロ点校正を行っている。そして、ゼロ点校正後のゲージの出力値は、ゼロ点からの変化量となる。測寸圧子間に異物（例えば、試験片加工時の金属くず等）が入った状態でゼロ点校正を行うと、測寸データに異物の厚み分のオフセットをかけることになり、試験片の厚みを正確に測定することができなくなる。自動機と呼称される材料試験機では、測寸装置への試験片の搬入、測寸、搬出の動作が自動的に行われるため、連続して実行される材料試験の途中で、測寸圧子に異物が付着し、一対の測寸圧子間に異物がある状態でゼロ点校正がされても、そのまま試験が続行される。そうすると、正確でない寸法で計算された断面積に基づいた応力データが試験データに含まれることになり、材料試験の正確さが損なわれる。

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、試験片の測寸前のゼロ点校正時において、一対の測寸圧子間の異物の有無を確認することができる測寸装置を備えた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、試験片の寸法を測定する測寸装置を備えた材料試験機において、前記測寸装置は、前記試験片に接触する一対の測寸圧子と、前記一対の測寸圧子をそれぞれ支持する一対のアームと、前記一対のアームを互いに近接・離隔させる駆動機構と、前記一対のアームのいずれか一方に接続され、前記一対の測寸圧子により前記試験片を挟持したときの前記試験片の厚みを検出する検出器と、前記一対の測寸圧子を互いに接触させたときの前記検出器の出力値をゼロ点としてゼロ点校正する制御部と、を備え、前記制御部は、前記試験片を測寸する前に前記一対の測寸圧子を互いに接触させたときの前記検出器の出力値とそのときのゼロ点とのズレの有無を判定する判定部を有し、前記判定部が、前記検出器の出力値とそのときのゼロ点とにズレが有ると判定したときに、前記検出器の出力値をゼロ点校正することなく測寸動作を終了することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記試験片に試験力を与える負荷機構を有する試験機本体と、前記測寸装置から前記試験機本体に前記試験片を搬送する搬送機構とを制御する制御装置を備え、前記測寸装置の前記制御部は、前記判定部が、前記試験片を測寸する前に前記一対の測寸圧子を互いに接触させたときの前記検出器の出力値とそのときのゼロ点とにズレが有ると判定したときは、前記制御装置に停止信号を送信し、前記制御装置は、前記搬送機構による前記試験片の搬送を停止する。

請求項１に記載の発明によれば、測寸装置が、試験片を測寸する前に一対の測寸圧子を互いに接触させたときの検出器の出力値とそのときのゼロ点とのズレの有無を判定することから、試験片の測寸前のゼロ点校正の実行前に、一対の測寸圧子間の異物の有無を確認することができる。そして、判定部による判定結果から、ユーザは測寸圧子間に異物が入り込んだ状態を容易に知ることができる。また、試験片を測寸する前に一対の測寸圧子を互いに接触させたときの検出器の出力値とそのときのゼロ点とにズレがあるときには、ゼロ点校正を実行することなく測寸動作を終了することから、測寸データに大きなオフセットがかかることを防ぐことが可能となる。これにより、測寸データの異常による試験結果の異常を防止することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、測寸装置の判定部が、試験片を測寸する前に一対の測寸圧子を互いに接触させたときの検出器の出力値とそのときのゼロ点とにズレが有ると判定したときは、測寸圧子間に異物が入り込んだことが疑われるため、制御装置に停止信号を送信し、制御装置は、搬送機構による試験片の搬送を停止することから、材料試験機の自動運転を停止して、異常な試験結果が出力されることを未然に防止することができる。また、自動運転を停止することで、試験片の無駄や試験時間の無駄を低減することが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。測寸装置３を備えた材料試験機の主要な電気的構成を示すブロック図である。測寸装置３を右斜め上方向から見た斜視図である。測寸装置３における測寸つかみ４１周辺の断面概要図である。測寸動作を説明するフローチャートである。

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。図２は、測寸装置３を備えた材料試験機の主要な電気的構成を示すブロック図である。

この材料試験機は、複数の試験片ＴＰを積層して収容する収納マガジン２と、試験片ＴＰの厚みを計測する測寸装置３と、引張試験を実行する試験機本体１と、を備える。この材料試験機は、収納マガジン２からロボットアームなどの搬送機構４（図２参照）の作用により一片ずつ試験片ＴＰを取り出し、測寸装置３を経て、試験機本体１の試験位置に試験片ＴＰを配置して試験を実行することで、複数の試験片ＴＰに対して、連続して引張試験を自動的に行うものである。

試験機本体１の基台１８には、一対のフレーム１２が立設されており、フレーム１２内には、駆動機構２５（図２参照）により同期して回転する一対のねじ棹が配設されている。ねじ棹にはクロスヘッド１１に内設されたナットが螺合しており、ねじ棹の回転によりクロスヘッド１１は昇降する。このクロスヘッド１１の昇降動作は、試験機本体１に接続された制御装置１７により制御される。

この試験機本体１においては、クロスヘッド１１に試験力を検出するロードセル１６を介して上つかみ具１４が連結され、基台１８に下つかみ具１５が配設されており、上つかみ具１４と下つかみ具１５とにより両端を把持した試験片ＴＰに対して、クロスヘッド１１を上昇させることにより、引張試験を行う構成となっている。そして、フレーム１２には、試験片ＴＰの伸びを測定するためのビデオカメラ１９が配設されている。

試験片ＴＰの収納マガジン２から試験機本体１の上つかみ具１４および下つかみ具１５による試験片ＴＰの把持位置（試験位置）への搬送は、例えば、試験片ＴＰを吸着パッドにより吸着保持する搬送アームやベルトコンベアなどの搬送機構４により行われる。この搬送機構４の動作は、制御装置１７により制御される。

制御装置１７は、試験機本体１の駆動機構２５、収納マガジン２から測寸装置３を介して試験機本体１へ試験片ＴＰを搬送する搬送機構４、試験片ＴＰの寸法を測定する測寸装置３、試験済の試験片ＴＰを上つかみ具１４および下つかみ具１５から取り外す取り外し装置５に接続され、多数の試験片ＴＰを連続して試験する自動試験を制御する。制御装置１７は、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ７１と、ＭＰＵまたはＣＰＵなどの演算装置７６と、試験結果などのデータを記憶する記憶装置７７と、所定の通信プロトコルに従って測寸装置３などの外部接続された機器との通信を行う通信部７５を備える。メモリ７１、通信部７５、演算装置７６および記憶装置７７は、バス７９を介して相互に接続される。図２においては、メモリ７１に格納されているプログラムを機能ブロックとして示している。メモリ７１は、ビデオカメラ１９から取得された画像を処理する画像処理部７２と、クロスヘッド１１を昇降させる駆動機構２５の制御量を生成することにより材料試験を実行する試験制御部７３と、試験片ＴＰを搬送する搬送機構４を制御する搬送制御部７４を備える。

試験片ＴＰが上つかみ具１４および下つかみ具１５により把持されると、試験機本体１においては、制御装置１７の制御により、クロスヘッド１１が上昇し、試験片ＴＰに引張負荷が加えられる。クロスヘッド１１を移動させる駆動機構２５は、この発明の負荷機構として機能する。そのときの試験力は、クロスヘッド１１に配設されたロードセル１６により検出され、その検出信号は、制御装置１７に送られる。ビデオカメラ１９が取得した画像は、制御装置１７に入力され、画像処理により得られた試験片ＴＰの伸びは、入力表示部２１に表示される。入力表示部２１はタッチパネルを備えた液晶表示装置であり、ユーザが試験条件を入力するときに操作する入力装置としても機能する。

試験片ＴＰが破断すると、制御装置１７の制御によりクロスヘッド１１の上昇が停止し、引張試験は終了する。しかる後、上つかみ具１４および下つかみ具１５に把持されたままとなっている破断した試験後の試験片ＴＰは、取り外し装置５により上つかみ具１４および下つかみ具１５から取り除かれる。

図３は、測寸装置３を右斜め上方向から見た斜視図である。図３においては、特に、試験片ＴＰの厚みを測定するための構成を図示している。図４は、測寸装置３における測寸つかみ４１周辺の断面概要図である。

測寸装置３は、試験片ＴＰの厚さを測定するために試験片ＴＰをつかむ一対の測寸つかみ４１と、一対の測寸圧子３１を各々支持する上アーム３２および下アーム３３を配設した構成を有する。一対の測寸つかみ４１は、エアシリンダ３６、３７に接続されている。上アーム３２には、試験片ＴＰの厚さの測定に使用するゲージ３４が付設されている。また、下アーム３３には、下アーム３３を上昇させることにより、一対の測寸圧子３１により試験片ＴＰを挟持させるためのエアシリンダ３５が接続されている。一対の測寸つかみ４１には、上アーム３２および下アーム３３に支持された一対の測寸圧子３１が貫通する孔が設けられ、上アーム３２側の測寸圧子３１の先端は、上側の測寸つかみ４１の試験片接触面と同じ位置になるように配置される。下アーム側の測寸圧子３１の先端は、エアシリンダ３５の動作により下アーム３３が上下動することで、下側の測寸つかみ４１の孔を上下動する。試験片ＴＰを一対の測寸圧子３１により挟持させるときには、エアシリンダ３６、３７の動作により一対の測寸つかみ４１により試験片ＴＰを軽くつかんだ後に、エアシリンダ３５の動作により下アーム３３を上昇させ、一対の測寸圧子３１を試験片ＴＰに押し付ける。

ゲージ３４は、スピンドルの変位量を検出するセンサとデジタルカウンタから成るリニアゲージであり、スピンドルの先端の測定子を被測定物に接触させて変位量を測定するものである。このゲージ３４は、一対の測寸圧子３１を互いに接触させた状態でゼロ点校正することで、一対の測寸圧子３１が試験片ＴＰに当接したときのゼロ点からの変位量を、試験片ＴＰの厚みとして測定する厚み検出器として機能する。なお、上アーム３２の測寸圧子３１がゲージ３４の測定子を兼ねてもよく、一対の測寸圧子３１とは別の位置で測定子を試験片ＴＰに当接させて厚みを測るようにしてもよい。また、この実施形態では、ゲージ３４は、上アーム３２側に接続されているが、上アーム３２または下アーム３３のいずれか一方に接続されていればよい。

再度、図２を参照して、測寸装置３は、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ８１と、ＭＰＵまたはＣＰＵなどの演算装置８６と、制御装置１７とのデータ通信を行う通信部８５を有する制御部８０を備える。メモリ８１、演算装置８６、通信部８５は、バス８９により相互に接続されている。測寸装置３は、制御装置１７に接続され、測定された各試験片ＴＰの寸法は、通信部８５を介して制御装置１７に送信される。制御部８０は、ゲージ３４とエアシリンダ３５に接続されている。図２においては、メモリ８１に格納され演算装置８６により実行されるプログラムを機能ブロックとして示している。メモリ８１は、機能ブロックとして、試験片ＴＰを測寸する前に一対の測寸圧子３１を互いに接触させたときのゲージ３４の出力値とそのときのゼロ点とのズレの有無を判定する判定部８２と、エアシリンダ３５の動作を制御するモータ制御部８３を備える。

次に、以上のように構成された測寸装置３により試験片ＴＰを測寸する動作について説明する。図５は、測寸動作を説明するフローチャートである。なお、図５に示すフローチャートは、１本の試験片ＴＰを測寸するときの動作を示している。

複数の試験片ＴＰを連続して試験する自動試験が開始されると、測寸装置３では、個々の試験片ＴＰの厚みを測るために試験片ＴＰに接触させる一対の測寸圧子３１の間の異物の有無を確認する工程が実行される。まず、エアシリンダ３５の駆動により上アーム３２に下アーム３３を近接させることで、一対の測寸圧子３１を接触させる（ステップＳ１）。一対の測寸圧子３１を互いに当接させたときのゲージ３４の出力値は、制御部８０に入力され、判定部８２の機能により前回ゼロ点校正されたときのゼロ点、すなわち、いまのゼロ点とのズレの有無（一対の測寸圧子３１間の異物の有無）が判断される（ステップＳ２）。なお、自動試験の開始前には、ユーザが軟らかい布などを使って測寸圧子３１を予め拭っておくことにより、異物等を取り除いているものとし、最初の１本目の試験片ＴＰに対する測寸動作を開始する前に、ゼロ点校正が少なくとも一度は行われているものとする。

このズレの有無による異物の有無の判定は、ゼロ点に対して閾値を設けて、ゲージ３４の出力値が閾値を超えているか否かにより行われる。ここで閾値としては、経験的に測寸圧子３１の間に異物が挟まった状態の測定データが数μｍ～数十μｍであることから、試験片ＴＰの材質や加工の状況に応じて、測定誤差として許容できる値、例えば、マイナス側１μｍ、プラス側５μｍなどの値が設定される。ゲージ３４の出力値とそのときのゼロ点とのズレ（差分）が閾値を超えていれば、測寸圧子３１の間に異物が挟まっていることが疑われることから、異物ありと判定される（ステップＳ２）。そして、制御部８０は、エアシリンダ３５の駆動により下アーム３３を上アーム３２から離隔させ、一対の測寸圧子３１を離間させるとともに、試験の停止信号を制御装置１７に送信し（ステップＳ７）、測寸動作を終了する。

試験の停止信号を受信した制御装置１７は、搬送機構４による試験片ＴＰの搬送を停止させ、自動試験を停止させる。しかる後、制御装置１７は、必要に応じて、試験の停止をユーザに知らせる警告を行う。警告は、入力表示部２１への警告文やエラー内容の表示でもよく、音による警告であってもよい。試験を再開させる前に、ユーザは、軟らかい布などを使って測寸圧子３１を拭い、異物を除去する。しかる後、試験を再開させる。

試験片ＴＰを測寸装置３に搬入させる前に、一対の測寸圧子３１を接触させ（ステップＳ１）、ゲージ３４の出力値とそのときのゼロ点とにズレがなく異物がないと判断されれば（ステップＳ２）、制御部８０は、その接触させた位置でゼロ点校正を実行する（ステップＳ３）。ゼロ点校正では、ステップＳ２で検出した値をゼロとして、ゼロ点を更新する。すなわち、そのときのゲージ３４のデジタルカウンタの値をゼロとする。しかる後、収納マガジン２から搬送機構４により測寸装置３に試験片ＴＰを搬入し（ステップＳ４）、測寸を実行する（ステップＳ５）。測寸では、測寸つかみ４１で試験片ＴＰをつかむ位置を水平方向に移動させることにより、複数点の厚みを測定する。しかる後、測寸装置３から試験機本体１へと搬出し（ステップＳ６）、試験片ＴＰの測寸は終了する。各試験片ＴＰの測寸データは、通信部８５を介して制御装置１７に送信され、試験データの一部として記憶装置７７に記憶されるとともに、試験機本体１での引張試験中において、応力の計算に使用される。

自動機と呼称される材料試験機では、試験の精度維持の観点から、すべての試験片ＴＰの測寸の前に、個々にゼロ点校正を実行するのが一般的であることから、この実施形態では判定部８２による異物の有無の判定を、ゼロ点校正の前に行うようにしている。しかし、材料によっては、判定部８２による異物の有無の判定を、数本に１本の頻度で行うようにしてもよい。

従来の自動機と呼称される材料試験機では、ゼロ点校正のときに一対の測寸圧子３１の間に異物が入り込んでいることにユーザが気付くことができず、複数の試験片ＴＰの引張試験データが途中から、異常な値となることがあった。この発明では、測寸装置３の機能として、ゼロ点校正の前に、ゲージ３４の出力値がそのときのゼロ点と大きくズレていないかをチェックしているので、一対の測寸圧子３１の間に異物が入り込んでいることにユーザが容易に気づくことができ、応力計算に利用する測寸データの正確さを維持するための対応を速やかに行うことができる。そして、この実施形態では、異常が検出されたまま自動試験が続行されることがないため、試験片ＴＰの無駄や試験時間の無駄を低減することが可能となる。

また、上述した実施形態では、試験機本体１の構成が引張試験に対応したものとなっているが、これに限定されない。複数の試験片ＴＰに対して、曲げ試験を連続して実行する材料試験機など、他の試験を実行する自動機にこの発明を適用することができる。

１試験機本体
２収納マガジン
３測寸装置
４搬送機構
５取り外し装置
１１クロスヘッド
１２フレーム
１４上つかみ具
１５下つかみ具
１６ロードセル
１７制御装置
１８基台
１９ビデオカメラ
２１入力表示部
２５駆動機構
３１測寸圧子
３２上アーム
３３下アーム
３４ゲージ
３５エアシリンダ
３６エアシリンダ
３７エアシリンダ
４１測寸つかみ
７１メモリ
７２画像処理部
７３試験制御部
７４搬送制御部
７５通信部
７６演算装置
７７記憶装置
８０制御部
８１メモリ
８２判定部
８３モータ制御部
８５通信部
８６演算装置
ＴＰ試験片

Claims

試験片の寸法を測定する測寸装置を備えた材料試験機において、
前記測寸装置は、
前記試験片に接触する一対の測寸圧子と、
前記一対の測寸圧子をそれぞれ支持する一対のアームと、
前記一対のアームを互いに近接・離隔させる駆動機構と、
前記一対のアームのいずれか一方に接続され、前記一対の測寸圧子により前記試験片を挟持したときの前記試験片の寸法を検出する検出器と、
前記試験片の寸法を測定する測寸動作、及び、前記検出器のゼロ点を更新するゼロ点校正動作を制御する制御部と、
前記ゼロ点校正動作において更新されたゼロ点を記憶する記憶部と、
を備え、
前記制御部は、
前記測寸動作前に前記一対の測寸圧子を互いに接触させたときの前記検出器の出力値と、前記記憶部に記憶されたゼロ点との間に、所定の閾値を超えるズレが有るか否かを判定し、
前記ズレが無いと判定したときに、前記検出器の前記出力値をゼロとして、前記検出器のゼロ点を更新する動作を前記ゼロ点校正動作として行ったうえで前記測寸動作を行い、
前記ズレが有ると判定したときに、前記ゼロ点校正動作を行うことなく前記測寸動作を終了することを特徴とする材料試験機。
前記試験片に試験力を与える負荷機構を有する試験機本体と、
前記測寸装置から前記試験機本体への前記試験片の搬送を行う搬送機構と、
前記試験機本体と前記搬送機構とを制御する制御装置とをさらに備え、
前記制御部は、前記ズレが有ると判定したときに、前記制御装置に停止信号を送信し、前記制御装置が前記停止信号を受信して前記搬送を停止することを特徴とする請求項１に記載の材料試験機。