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Dokumentenidentifikation DE4434024A1 30.03.1995
Titel Strukturprüfmaschine
Anmelder Instron Ltd., High Wycombe, Buckinghamshire, GB
Erfinder Hinton, Christopher Eric, Dr., Oxfordshire, GB
Vertreter Rüger, R., Dr.-Ing.; Barthelt, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 73728 Esslingen
DE-Anmeldedatum 23.09.1994
DE-Aktenzeichen 4434024
Offenlegungstag 30.03.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.03.1995
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G05D 3/12   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Strukturprüfmaschine, um an einer Prüfstruktur (25) unter Überwachung eines nachgesteuerten Regelsystems (21, 22, 27, 28) Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Struktur auf in Richtung einer vorbestimmten Achse der Struktur auf die Struktur ausgeübten Prüfbelastungen auszuführen, wobei das Regelsystem Teil der Prüfmaschine ist und eine Vorschubeinrichtung sowie einen Regler (22) aufweist, wobei die Vorschubeinrichtung einen Aktuator (24) umfaßt, der in einem Maschinenrahmen befestigt ist und der bei Betätigung auf die Struktur (25) eine Prüfbelastung in Richtung einer vorbestimmten Achse ausübt und wobei der Regler (22) in Abhängigkeit von einem Reglereingangssignal und Reglerparametern arbeitet, um an den Aktuator (24) eine Stellgröße abzugeben, damit der Aktuator (24) die Struktur (25) einer Prüfbelastung aussetzt, die bei der Struktur in Richtung der vorbestimmten Achse Längenänderungen hervorruft. Die Maschine ist mit einem adaptiven Regelkreis (21, 22, 27, 28) versehen, der eine Einrichtung (27) zur Berechnung der Steifigkeit umfaßt, die, ausgehend von den Änderungen der Abmessungen der Prüfstruktur (25), adaptive Regelsignale (Es) erzeugt, die zum einen die Steifigkeit (Ec) des Aktuators (24), des Aktuatorhalterahmens und der Prüfstruktur repräsentieren, und wobei Mittel (30) vorgesehen sind, um die Reglerparameter des Reglers zu aktualisieren und um den Vorschubverstärkungsfaktor des Reglers abhängig von den adaptiven ...

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Prüfmaschinen, insbesondere Strukturprüfmaschinen, mit denen Prüfungen an einer zu prüfenden Prüfstruktur ausgeführt werden, um die Reaktion der Struktur auf Prüfbelastungen zu bestimmen, die auf die Struktur ausgeübt werden.

Die zu prüfende Struktur kann ein Prüfling sein und die Maschine eine Materialprüfmaschine, um an der Probe Materialprüfungen vorzunehmen, um eine oder mehrere physikalische bzw. mechanische Eigenschaften des Probenmaterials zu bestimmen.

Alternativ hierzu kann die Struktur eine Prüfkomponente sein und die Maschine kann dazu eingerichtet sein, um Prüfungen an der Prüfkomponente auszuführen, um die Reaktion der Komponente auf Prüfbelastungen zu bestimmen, die auf die Komponente ausgeübt werden.

Bei Materialprüfmaschinen werden unter Überwachung eines nachgesteuerten Regelsystems Prüfbelastungen auf einen Prüfling in Richtung einer vorbestimmten Achse des Prüflings ausgeübt, wobei das nachgesteuerte Regelsystem Teil der Maschine ist und eine Vorwärtsstrecke (Regelstrecke) sowie einen Regler aufweist, wobei die Vorwärtsstrecke (Regelstrecke) einen Aktuator umfaßt, der in einem Maschinenrahmen befestigt ist und bei Betätigung auf den Prüfling eine Prüfbelastung in Richtung einer vorbestimmten Achse des Prüflings ausübt und wobei der Regler in Abhängigkeit von einer Regelabweichung (Reglereingabesignal) und Reglerparametern arbeitet, um an den Aktuator eine Stellgröße abzugeben, damit der Aktuator den Prüfling einer Prüfbelastung aussetzt, die bei dem Prüfling in Richtung der vorbestimmten Achse Längenänderungen hervorruft.

Das bei Materialprüfmaschinen normalerweise verwendete nachgesteuerte Regelsystem ist ein System mit geschlossener Regelschleife, das einen Rückkopplungspfad und einen Komparator aufweist, wobei der Rückkopplungspfad dazu dient, Istwerte rückzukoppeln, die einen vorbestimmten Zustand des Prüflings beschreiben, der ein Ergebnis der Abgabe einer Regelabweichung (Reglereingabesignal) an den Regler ist, und wobei der Komparator die Aufgabe hat, auf eine Führungsgröße und den Istwert anzusprechen und eine Regelabweichung zu erzeugen, die den Unterschied zwischen der Führungsgroße und dem Istwert repräsentiert.

Der Regler ist normalerweise ein PID-Regler, bei dem die Führungsgröße ein Signal ist, das eine vorbestimmte Lage, eine Belastung oder eine Ausdehnung des Prüflings vorgibt, und der Rückkopplungspfad enthält eine Betriebsart-Auswahleinheit, um Istwerte rückzukoppeln, die die Lage, die Belastung oder die Verformung des Prüflings repräsentieren.

Während der langjährigen Verwendung solcher Materialprüfmaschinen wurde erkannt, daß ihre Leistungsdaten in mancherlei Hinsicht verbesserungsfähig sind. Inbesondere wird das dynamische Verhalten von solchen Materialprüfmaschinen von der Steifigkeit des Prüflings beeinflußt. Die Empfindlichkeit gegenüber der Steifigkeit der Probe wirft zwei Probleme auf. Erstens muß der Regler der Maschine jedesmal, wenn eine andere Probenart geladen wird neu eingestellt werden. Gegenwärtig wird eine solche Neueinstellung von Hand ausgeführt und, weil dies einige Geschicklichkeit erfordert, wird diese manchmal schlecht ausgeführt. Zweitens, selbst wenn der Regler der Maschine zu Beginn einer Prüfung richtig eingestellt ist, verhindern Änderungen der Steifigkeit während der Prüfung, daß die optimalen Kennwerte aufrecht erhalten bleiben. Solche Steifigkeitsänderungen sind üblich. Zum Beispiel bei der Metallprüfung führen Schadensmechanismen, wie beispielsweise das Fortschreiten von Ermüdungsbrüchen oder Übergänge vom elastischen zum plastischen Verhalten, dazu, daß sich die Steifigkeit ändert. Andere Proben - wie gummiartige Komponenten von Kraftfahrzeugen - haben eine innewohnende nicht-lineare Steifigkeitscharakteristik.

Wie eine Steifigkeitsänderung die Prüfmaschine beeinflußt, hängt von der für die Prüfung verwendeten Betriebsart bei der Regelung ab. Bei Belastungsregelung wird die Antwort träger, wenn die Steifigkeit der Probe abnimmt. Bei Materialspannungsregelung geschieht das Gegenteil; die Antwort wird steiler, aber dies kann zu Instabilitäten des Regelkreises führen.

Die Empfindlichkeit gegenüber Steifigkeitsänderungen hängt von der invarianten Steifigkeit des hydraulischen Aktuators und des Prüfgestells ab. Das Prüfgestell ist so gestaltet, daß es steif ist, um die in ihm gespeicherte Spannungsenergie zu minimieren, wenn die Probe eingesetzt ist. Auf der anderen Seite kommen Aktuatoren in allen Formen und Größen vor, um verschiedene Anforderungen an Geschwindigkeit, Kraft und Hub zu erfüllen. Die Empfindlichkeit ist bei Belastungsregelung am schlechtesten, wenn der Aktuator steif ist. Bei Materialspannungsregelung sind Maschinen, die mit einem weichen Aktuator versehen sind, am stärksten betroffen.

Ein sich selbst optimierender PID-Regler wurde zur Verwendung bei Maschinen vorgeschlagen, deren Parameter sich langsam oder unstetig verändern. Der Regler verwendet ein impulsförmiges Signal, um die Dynamik des Systems zu bestimmen. Ein mehrdimensionales Optimierungsverfahren wird sodann verwendet, um den besten Satz von PID-Parametern aufzufinden. Grundsätzlich ist das Verfahren für die anfängliche Selbstabstimmung gedacht. Es wurde vorgeschlagen, es konnte während der Prüfung verwendet werden, um den Regler neu abzugleichen, aber dies würde es mit sich bringen, daß mehrere impulsförmige Signale verwendet werden.

Es wurde auch vorgeschlagen ein Regel- und Überwachungssystem für eine servo-hydraulische Ermüdungsprüfmaschine zu schaffen, die ein Computernetzwerk zur adaptiven Regelung von Amplitude und Frequenz verwendet. Dies ist eine Regelsystem mit einer äußeren Regelschleife, um während Ermüdungsprüfungen die Genauigkeit der veränderlichen Belastungsamplitude am Umkehrpunkt zu verbessern. Es handelt sich um einen lernenden Regler, der Anpassungen der Führungsgröße aufgrund von Abweichungen vornimmt, die aufgezeichnet wurden, als die Prüfabfolge das letzte mal angewendet wurde. Er berücksichtigt nur die Genauigkeit am Umkehrpunkt. Übergänge von einem Umkehrpunkt zu dem nächsten werden nicht überwacht. Lediglich die Führungsgröße wird verändert. Die Genauigkeit der ersten Rückkoppelschleife bleibt unberichtigt.

Es sind auch verschiedene sich selbst korrigierende Regelsysteme für servo-hydraulische Materialprüfmaschinen mit geschlossenem Regelkreis vorgeschlagen worden. Bei einem Vorschlag war das erklärte Ziel einen sich selbst abstimmenden Regler für servo-hydraulische Materialprüfmaschinen zu schaffen, der nicht von Hand nach der Art "Trial and Error" abgestimmt werden muß, wie dies bei vorhandenen PID-Reglern der Fall ist. Nach mehreren Untersuchungen wurde dann ein Polstellenregler eingesetzt. Versuche haben gezeigt, daß das System gut funktioniert, solange die Führungsgroße eine große Dynamik aufweist.

Wiederholende Regelsysteme, die ein regeneriertes Spektrum verwenden und die für Systeme mit periodischen Eingaben entwickelt wurden, sind für die Materialprüfung verwendet worden. Es handelt sich um eine andere Art von lernenden Reglern, die Zyklus für Zyklus die von Nichtlinearitäten verursachten Abweichungen vermindern. Sie sind jedoch nur für periodische Signalformen geeignet.

Die obigen wie vorgeschlagen angewendeten Systeme können als sich selbst abstimmende oder lernende Regler eingeordnet werden. Ein Nachteil des lernenden Reglers besteht darin, daß er für bestimmte Prüfungsarten und Signal formen der Führungsgröße spezifisch ist und daß die Erweiterung des sich selbst abstimmenden Reglers im Sinne einer Bewältigung von Steifigkeitsänderungen, die Verwendung von unerwünschten Prüf- oder Testsignalen erfordert, um die Dynamik zu berechnen. Die Berechnung ist besonders schwierig bei Materialprüfungen, bei denen die Signale im normalen Betrieb häufig keine große Dynamik aufweisen und Testmessungen während vieler Materialprüfungen nicht hinnehmbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Strukturprüfmaschine ein nachgesteuertes Regelsystem zu schaffen, das die Maschine an Änderungen in der Steifigkeit der Prüfstruktur anpaßt, aber das nicht unter den oben erwähnten Nachteilen der bislang vorgeschlagenen sich selbst abstimmenden und lernenden Reglern leidet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Prüfmaschine, insbesondere Strukturprüfmaschine, geschaffen, um an einer Prüfstruktur unter Überwachung eines nachgesteuerten Regelsystems Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Struktur auf in Richtung einer vorbestimmten Achse der Struktur auf die Struktur ausgeübten Prüfbelastungen auszuführen, wobei das Regelsystem Teil der Prüfmaschine ist und eine Vorwärtsstrecke sowie einen Regler aufweist, wobei die Vorwärtsstrecke einen Aktuator umfaßt, der in einem Maschinenrahmen befestigt ist und der bei Betätigung auf die Struktur eine Prüfbelastung in Richtung einer vorbestimmten Achse ausübt und wobei der Regler in Abhängigkeit von einem Reglereingangssignal und Reglerparametern arbeitet, um an den Aktuator eine Stellgröße abzugeben, damit der Aktuator die Struktur einer Prüfbelastung aussetzt, die bei der Struktur in Richtung der vorbestimmten Achse Längenänderungen hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß ein adaptiver Regelkreis vorgesehen ist, der eine Einrichtung zur Berechnung der Steifigkeit umfaßt, die, ausgehend von den Änderungen der Abmessungen der Prüfstruktur, adaptive Regelsignale erzeugt, die zum einen die Steifigkeit der Struktur und zum anderen die kombinierte Steifigkeit des Aktuators, des Aktuatorhalterahmens und der Prüfstruktur repräsentieren, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Reglerparameter des Reglers zu aktualisieren und um den Verstärkungsfaktor der Vorwärtsstrecke des Reglers abhängig von den adaptiven Regelsignalen derart zu verändern, daß die Strukturprüfmaschine an Veränderungen der Steifigkeit der Prüfstruktur gegenüber der kombinierten Steifigkeit der Strukturprüfmaschine einschließlich der Prüfstruktur angepaßt wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung das nachfolgend beschrieben wird, ist das überwachte bzw. in seiner Charakteristik nachgesteuerte Regelsystem ein geschlossener Regelkreis, der einen Rückkopplungspfad zur Rückkopplung von Istwerten, die einen infolge das Anlegens einer Regelabweichung (Reglereingabesignal) an den Regler hervorgerufenen vorbestimmten Zustand der Prüfstruktur repräsentieren, und der Mittel zum Vergleichen der Führungsgröße mit dem Istwert aufweist, um eine Regelabweichung (Reglereingabesignal) zu erzeugen, die dem Unterschied zwischen der Führungsgroße und dem Istwert entspricht.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachfolgend beschrieben wird, ist der Regler ein PID- Regler und die Führungsgroße ist ein Signal, das eine vorbestimmte Lage, Belastung oder Verformung der Prüfstruktur vorgibt, und der Rückkopplungspfad umfaßt eine Betriebsart-Auswahleinheit, um Zustandssignale rückzukoppeln, die die Lage, die Belastung oder die Verformung der Prüfstruktur repräsentieren.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachfolgend beschrieben wird, umfaßt der adaptive Regelkreis ein Maschinenmodell, das eine mathematische Darstellung der Maschine liefert und das Maschinenmodellparameter erzeugt, und eine Einstellstufe für den Regler, die auf in sie eingegebene Eingaben zur Prüfspezifizierung anspricht, um die Modellparameter zu verändern und um aktualisierende Reglerparameter zu erzeugen, wobei die Eingaben vorbestimmte alternative Prüfverfahren repräsentieren.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung das nachfolgend beschrieben wird, ist die zu prüfende Struktur ein Prüfling und die Maschine ist eine Materialprüfmaschine, um Materialprüfungen an dem Prüfling auszuführen, um eine oder mehrere physikalische bzw. mechanische Eigenschaften des Probenmaterials unter Prüfbelastungen zu bestimmen, die auf die Probe in Richtung der vorbestimmten Achse ausgeübt werden. Bei den nachfolgend beschriebenen speziellen Ausführungsformen der Erfindung ist die Maschine eine servo-hydraulische Prüfmaschine und der Aktuator ist ein hydraulischer Aktuator.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Maschine eine elektromechanische Prüfmaschine und der Aktuator ist ein sich drehender oder linearer Elektroantrieb.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zu prüfende Prüfstruktur eine Prüfkomponente und die Maschine ist eine Komponentenprüfmaschine, um Prüfungen an der Prüfkomponente zur Bestimmung der Antwort der Komponente auf Prüfbelastungen auszuführen, die in Richtung der vorbestimmten Achse auf die Komponente ausgeübt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Maschine zusätzlich oder alternativ dafür vorgesehen, um Prüfungen an einer Prüfstruktur zur Bestimmung der Antwort der Struktur auf periodische Prüfbelastungen auszuführen, deren Amplitude sich mit hoher Frequenz verändert. In diesem Fall umfaßt die Maschine darüber hinaus Mittel, um gemessene Steifigkeitsmeßwerte zusammen mit ihren zugehörigen Zeit-, Lage-, Belastungs- oder Materialspannungsmeßwerten zu speichern und um eine vorausschauende Korrektur der adaptiven Regelsignale vorzunehmen, die von der Einrichtung zur Berechnung der Steifigkeit erzeugt werden, um Verzögerungen in der Antwort dieser Einrichtung und der Antwort der Maschine auf Änderungen der Steifigkeit der Prüfstruktur während aufeinanderfolgender Prüfbelastungszyklen auszugleichen.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die erfindungsgemäße Maschine dazu verwendet, Prüfungen an einer Prüfkomponente zur Bestimmung der Antwort der Komponente auf Prüfbelastungen auszuführen, die auf die Komponente in Richtung der vorbestimmten Achse der Komponente oder in Richtung einer weiteren vorbestimmten Achse oder in Richtung von jeder von mehreren weiteren vorbestimmten Achsen auszuführen, wobei die Maschine ein nachgesteuertes Regelsystem umfaßt, um Prüfbelastungen in der Richtung von jeder der vorbestimmten Achsen auszuüben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, die das Verhalten einer Materialprüfmaschine als Funktion der Probensteifigkeit veranschaulicht, wenn die Maschine unter Verwendung eines konventionellen PID- Reglers in der Betriebsart Belastungsregelung betrieben wird,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Instabilität einer Materialprüfmaschine veranschaulicht, die einen herkömmlichen PID-Regler in der Betriebsart Materialspannungsregelung verwendet,

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer servohydraulischen Materialprüfmaschine gemäß der Erfindung und

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Stabilität veranschaulicht, die bei einer Ermüdungsprüfung mit niedriger Wiederholrate erreicht wird, die an einem Prüfling mit der in Fig. 3 gezeigten Materialprüfmaschine ausgeführt wird.

In Fig. 1 ist die Empfindlichkeit einer Materialprüfmaschine in Abhängigkeit von der Probensteifigkeit dargestellt, wenn die Maschine unter Verwendung eines herkömmlichen PID-Reglers betrieben wird, der in der Betriebsart Belastungsregelung arbeitet. Die Führungsgröße ist eine 5-Hz-Rechteckschwingung, die durch die durchgezogene Linie 10 dargestellt ist, während eine gestrichelte Linie 11 sowie eine punktierte Linie 12 die Antworten auf diese Führungsgröße zeigen, wenn eine steife bzw. eine weiche Probe untersucht wird. Wie gezeigt, wird die Antwort träger, wenn die Steifigkeit der Probe abnimmt.

Die Instabilität einer Materialprüfmaschine mit einem herkömmlichen PID-Regler, der in der Betriebsart Materialspannungsregelung arbeitet, ist in Fig. 2 veranschaulicht. Die durchgezogene Linie 13 stellt die Längenänderung eines Prüflings in Abhängigkeit von einer zunehmenden Belastung dar und zeigt die Effekte eines instabilen geschlossenen Regelkreises, die aus einer Erhöhung der Kreisverstärkung folgen, wenn die Probe im plastischen Bereich des Materials nachgibt.

Im Gegensatz dazu ist die Materialprüfmaschine gemäß der Erfindung, die nun mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben wird, unempfindlich oder im wesentlichen unempfindlich gegenüber Änderungen der Probensteifigkeit, wobei die nachteiligen Effekte, die mit Bezug auf die Fig. 1 uns 2 beschrieben sind, vermieden oder wenigstens wesentlich abgeschwächt werden können.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Materialprüfmaschine. Im unteren Bereich des Blockschaltbilds befindet sich ein gewöhnlicher Regelkreis 21, der aus einem Regler 22, einem Servoventil 23, einem hydraulischen Aktuator 24 und einem Prüfling 25 besteht. Die Steuerungsart (Lage, Belastung oder Materialspannung) wird mit einem Betriebsartwählschalter 26 ausgewählt, mit dem ein geeignetes Meßwertwandlersignal als Rückkopplungssignal gewählt wird.

Eine adaptive Regelung wird erreicht, indem die PID- Reglerparameter oder -terme gemäß Schätzwerten ES auf Echtzeitbasis der Probensteifigkeit und Schätzwerten EC auf Echtzeitbasis der kombinierten Steifigkeit von Probe und Rahmen verändert werden. Diese Schätzwerte ES und EC werden mit Hilfe einer in dem Blockschaltbild von Fig. 3 oben gezeigten Einrichtung 27 zum Abschätzen der Steifigkeit aus der Lage, der Belastung und der Ausdehnung abgeleitet.

Die Beziehung zwischen den PID-Termen und der Steifigkeit ist nicht für alle Maschinen dieselbe. Die Beziehung für eine bestimmte Maschine ist durch ein Maschinenmodell 28 festgelegt. Es stellt die gültige Dynamik der Kombination von Aktuator, Prüfgestell und Probe mathematisch dar. Seine Parameter bestehen aus den zwei zeitvarianten Steifigkeitsschätzwerten ES und EC sowie aus zeitinvarinten Termen, die Maschineninbetriebnahme-Anfangsparameter PC genannt werden, die sich, obwohl sie festliegen, von Maschine zu Maschine unterscheiden.

Die Anfangsparameter PC werden, wenn die Maschine zum ersten Mal zusammengebaut ist, in einem Einmal-Experiment durch eine Einrichtung 29 zum Ermitteln der Inbetriebnahmeparameter bestimmt. Um den Aktuator 24 zu stören, werden periodische Rechtecksignale mit kleiner Amplitude verwendet, so daß diese festliegenden Terme bestimmt werden können. Während des anschließenden Betriebes muß das Maschinenmodell 28 nur durch die Steifigkeitsschätzwerte ES und EC auf den neuesten Stand gebracht werden, um alle Änderungen der Maschinendynamik widerzuspiegeln.

Eine Stufe 30 zum Einstellen der Reglerparameter ist Teil des adaptiven Regelkreises und verändert die PID- Glieder tatsächlich. Sie macht dies gemäß einer Prüfspezifikation S, die Informationen aus dem Maschinenmodell 28benutzt. Bei den meisten Prüfungen soll die Schleifenverstärkung so groß wie möglich sein, jedoch ohne deutliche Überschwinger in der Antwort auf die Rechteckschwingungen zu erzeugen.

Die adaptive Regelung macht die Prüfmaschine unempfindlich oder im wesentlichen unempfindlich gegenüber Steifigkeitsänderungen des Prüflings 25. Auf diese Weise werden die Kennwerte so aufrechterhalten, wie sie bei der ersten Inbetriebnahme waren. Dies ist durch das Ergebnis einer Ermüdungsprüfung mit niedriger Wiederholungsrate (low cycle fatigue, LCF) veranschaulicht, das in Fig. 4 gezeigt ist.

Fig. 4 enthält eine graphische Darstellung der Stabilität, die in einer mit der in Fig. 3 gezeigten Materialprüfmaschine an einem Prüfling 25 ausgeführten Ermüdungsprüfung mit niedriger Wiederholungsrate erreicht wird. In der Prüfung ist der Prüfling zyklisch angelegten Prüfbelastungen ausgesetzt, deren Amplituden bei jedem Zyklus die Elastizitätsgrenzen des Materials überschreiten. Die Prüfung erzeugt daher in jedem Zyklus sowohl elastische als auch plastische Verformungen. Die Steifigkeit des Prüflings verändert sich daher kontinuierlich, jedoch mit plötzlichen Änderungen bei jeder Lastumkehr.

Die in Fig. 4 gezeigten Ergebnisse stammen aus Prüfungen, die bei einer Frequenz von 1 Hz in der Betriebsart Lastregelung ausgeführt sind. Die Kurve 31 zeigt die Ausdehnung der Probe bei elastischer und plastischer Verformung als Funktion der angelegten Belastung. Die beiden Zyklen der Kurve 31 wurden bei der Wiedergabe in Zugrichtung künstlich verschoben oder gedehnt, so daß sie getrennt werden können. Die beiden Schleifen würden sonst übereinanderliegen. Zunehmende Zeit ist mit den Pfeilen T angedeutet.

Zu Beginn der Aufzeichnung der Prüfung ist die adaptive Regelung abgeschaltet. Als Ergebnis kann man in der Kurve 31 Schwingungen klar erkennen, wenn der anfängliche Zyklus in den plastischen Bereich gelangt. Diese Schwingungen entstehen aus demselben Grund wie die in Fig. 2 gezeigten Schwingungen, namlich deswegen, weil bei Materialspannungsregelung die Schleifenverstärkung zunimmt, wenn die Probe nachgibt. Der adaptive Regelkreis wird dann an dem in der Kurve 31 mit einem Stern markierten Punkt eingeschaltet, mit dem Ergebnis, daß die Schwingungen in dem nächsten Prüfbelastungszyklus verschwunden sind. Dies veranschaulicht die Wirksamkeit des adaptiven Regelkreises in der erfindungsgemäßen Maschine. Solche Schwingungen in dem plastischen Bereich haben bislang häufig LCF-Prüfungen vereitelt. Ohne die adaptive Regelung gemäß der Erfindung können sie oft nur dadurch verhindert werden, daß die Verstärkung des Reglers herabgesetzt wird. Dieses Vorgehen hat jedoch den nachteiligen Nebeneffekt, daß die Kennwerte, bei Spannungsumkehr und wenn der Prüfling elastisch ist, verschlechtert werden.

Der adaptive Regelkreis der mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen Maschine kann zweckmäßigerweise mit Hilfe des vom Anmelder gelieferten Direct Digital Controller 8500 PLUS implementiert werden, der gegenwärtig in servohydraulischen Materialprüfmaschinen verwendet wird, die von dem Anmelder hergestellt werden. Es handelt sich um eine Multi-Prozessorplattform. Der Code liegt als Firmware vor. Echtzeitaufgaben, wie z. B. die Berechnung der Steifigkeit, der PID-Regler und das Aktualisieren der PID- Terme werden durch eine Gleitkommarechen- und Logikeinheit vom Typ TMS320C31 ausgeführt. Nichtechtzeitaufgaben, z. B. das Bestimmen der Anfangsparameter, werden durch eine 32- Bit-CPU vom Typ MC68340 zusammen mit Peripheriegeräten ausgeführt.

Im Gegensatz zu den bislang vorgeschlagenen Regelsystemen hat das oben in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Regelsystem mit seinem adaptiven Regler die folgenden Vorteile:

  • 1. Es ist nicht jedesmal, wenn eine andere Art von Prüfling in die Prüfmaschine gebracht wird, notwendig, ein Experiment zum Abstimmen durchzuführen. Der Bediener befestigt einfach den Prüfling in der Maschine und, ohne daß irgendwelche besonderen Signale gegeben werden, nimmt der adaptive Algorithmus die notwendigen Änderungen an dem Regler vor.
  • 2. Änderungen der Steifigkeit, die während einer Prüfung auftreten, werden ohne die Verwendung von zusätzlichen Meßsignalen kompensiert. Dies ist auch dann möglich, wenn die Prüfsignale keine große Dynamik aufweisen.
  • 3. Schnellen Steifigkeitsänderungen kann genauer gefolgt werden.


Die oben genannten Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, daß ein physikalisches bzw. mechanisches Modell der Prüfmaschine verwendet wird, um den adaptiven Algorithmus zu formulieren. Das bedeutet, daß nur der sich ändernde Parameter, d. h. die Steifigkeit, on-line berechnet werden muß. Die bekannten Konstruktionen folgen dem klassischen Black-Box-Ansatz, bei dem eine vernünftige dynamische Größenordnung die einzige strukturelle Information ist, die vorher angegeben werden muß. Die Physik, die das Verhalten der Maschine beherrscht, wird vollständig vernachläßigt. Aus diesem Grunde neigt die Antwort bei einer solchen Regelung dazu, langsam zu sein, und Testmessungen sind erforderlich, wenn die Signale im gewöhnlichen Betrieb keine große Dynamik aufweisen.

Bei der servo-hydraulischen Materialprüfmaschine, die mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben ist, werden die Prüfbelastungen in einer einzigen Richtung längs einer vorbestimmten Achse der Probe ausgeübt. Es ist jedoch ohne weiteres ersichtlich, daß der adaptive Regelkreis, der Teil des zusammen mit Fig. 3 beschrieben Regelsystems ist, ebenso gut bei anderen Strukturprüfmaschinen angewendet werden kann, wie solchen, die zum Prüfen von Prüfkomponenten in einem mehrachsiges Gestell vorgesehen sind, wenn eine Bestimmung der Reaktion der Komponenten auf Prüfbelastungen erfolgen soll, die auf die Komponenten in zwei oder mehr bestimmten Achsen der Komponenten ausgeübt werden. Unter diesen Umständen würde die Strukturprüfmaschine so aufgebaut sein, daß sie für jede der mehreren festgelegten Achsen ein nachgesteuertes Regelsystem und einen adaptiven Regelkreis gemäß der Erfindung aufweist.

Der Fachmann erkennt leicht, daß der adaptive Regelkreis gemäß der Erfindung auch bei elektromechanischen Materialprüfmaschinen angewendet werden kann.

Während bei der Beschreibung der in Fig. 3 veranschaulichten Materialprüfmaschine auf Ermüdungsprüfungen mit niedriger Wiederholrate Bezug genommen wurde, können Vorkehrungen getroffen werden, um die Materialprüfmaschine für Hochfrequenzprüfungen geeignet zu machen. Bei Hochfrequenzprüfungen stellen Verzögerungen in der Antwort der Einrichtung zur Berechnung oder Abschätzung der Steifigkeit und in der Antwort der Maschine ein Problem dar und gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird die mit Bezug auf Fig. 3 beschriebene Maschine modifiziert, indem Mittel vorgesehen werden, um die gemessenen Steifigkeitswerte zusammen mit den zugehörigen Zeit- oder Lage- oder Belastungs- oder Materialspannungswerten zu speichern und um eine vorausschauende Korrektur an den adaptiven Regelsignalen ES und EC vorzunehmen, die von der Einrichtung 27 zur Berechnung oder Abschätzung der Steifigkeit erzeugt werden, um die Verzögerung in der Antwort der Einrichtung 27 und der Maschine auf Veränderungen in der Probensteifigkeit während nachfolgender Prüfbelastungszyklen auszugleichen.


Anspruch[de]
  1. 1. Prüfmaschine, insbesondere Strukturprüfmaschine, um an einer Prüfstruktur (25) Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Struktur auf in Richtung einer vorbestimmten Achse der Struktur auf die Struktur ausgeübten Prüfbelastungen unter der Kontrolle eines nachgesteuerten Regelsystems auszuführen, wobei:
  2. das Regelsystem Teil der Prüfmaschine ist und eine Vorwärtsstrecke (23, 24) sowie einen Regler (22) aufweist,

    die Vorwärtsstrecke (23, 24) einen Aktuator (24) umfaßt, der in einem Maschinenrahmen befestigt ist und der bei seiner Betätigung auf die Struktur eine Prüfbelastung in Richtung einer vorbestimmten Achse ausübt, und

    der Regler in Abhängigkeit von einem Reglereingangssignal und Reglerparametern arbeitet, um an den Aktuator eine Stellgroße abzugeben, damit der Aktuator die Struktur einer Prüfbelastung aussetzt, die bei der Struktur in Richtung der vorbestimmten Achse Längenänderungen hervorruft,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    ein adaptiver Regelkreis (21, 22, 27, 28) vorgesehen ist, der eine Einrichtung (27) zur Berechnung der Steifigkeit umfaßt, die, ausgehend von den Änderungen der Abmessungen der Prüfstruktur (25), adaptive Regelsignale erzeugt, die zum einen die Steifigkeit (ES) der Struktur und zum anderen die kombinierte Steifigkeit des Aktuators (24), des Aktuatorhalterahmens und der Prüfstruktur (EC) repräsentieren, und daß

    Mittel (28, 30) vorgesehen sind, um die Reglerparameter des Reglers (22) zu aktualisieren und um die Vorwärtsverstärkung des Reglers (22) abhängig von den adaptiven Regelsignalen derart zu verändern, daß die Strukturprüfmaschine an Veränderungen der Steifigkeit der Prüfstruktur (25) bezogen auf die kombinierte Steifigkeit der Strukturprüfmaschine einschließlich der Prüfstruktur angepaßt wird.
  3. 2. Prüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das überwachte bzw. in seiner Charakteristik nachgesteuerten Regelsystem ein geschlossener Regelkreis ist, der einen Rückkopplungspfad (21) zur Rückkopplung von Istwertsignalen, die einen durch das Anlegen einer Regelabweichung an den Regler (22) hervorgerufenen Zustand der Prüfstruktur (25) repräsentieren, und der ein Mittel zum Vergleichen der Führungsgröße mit dem Istwert aufweist, und daß das Mittel eine Regelabweichung erzeugt, die dem Unterschied zwischen der Führungsgröße und dem Istwert entspricht.
  4. 3. Prüfmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (22) ein PID-Regler und die Führungsgröße ein Signal ist, das eine vorbestimmte Lage, Belastung oder Verformung der Prüfstruktur (25) vorgibt, und daß der Rückkopplungspfad (21) eine Betriebsart-Auswahleinheit (26) umfaßt, um Istwerte rückzukoppeln, die die Lage, die Belastung oder die Verformung der Prüfstruktur (25) repräsentieren.
  5. 4. Prüfmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der adaptive Regelkreis (21, 22, 27, 28) ein Maschinenmodell (28), das eine mathematische Darstellung der Prüfmaschine liefert und das Parameter des Maschinenmodells erzeugt, und eine Einstellstufe (30) für den Regler (22) umfaßt, die in Abhängigkeit von in sie eingegebene Eingaben zur Prüfspezifizierung arbeitet, um die Parameter des Maschinenmodells (28) zu verändern und um aktualisierende Reglerparameter zu erzeugen, und daß die Eingaben vorbestimmte alternative Prüfverfahren repräsentieren.
  6. 5. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu prüfende Struktur ein Prüfling (25) und die Prüfmaschine eine Materialprüfmaschine ist, um Materialprüfungen an dem Prüfling (25) auszuführen, um eine oder mehrere physikalische Eigenschaften des Probenmaterials unter Prüfbelastungen zu bestimmen, die auf die Probe in Richtung der vorbestimmten Achse ausgeübt werden.
  7. 6. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu prüfende Prüfstruktur eine Prüfkomponente (25) und die Prüfmaschine eine Komponentenprüfmaschine ist, um an der Prüfkomponente Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Komponente auf Prüfbelastungen auszuführen, die in Richtung der vorbestimmten Achse auf die Komponente ausgeübt werden.
  8. 7. Verwendung einer Prüfmaschine nach Anspruch 6, um an einer Prüfkomponente (25) Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Komponente auf Prüfbelastungen aus zuführen, die auf die Komponente in Richtung der vorbestimmten Achse der Komponente oder in Richtung einer weiteren vorbestimmten Achse oder in Richtung von mehreren weiteren vorbestimmten Achsen auszuführen, wobei die Prüfmaschine ein überwachtes bzw. in seiner Charakteristik nachgesteuertes Regelsystem umfaßt, um Prüfbelastungen in der Richtung von jeder der vorbestimmten Achsen auszuüben.
  9. 8. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, um an einer Prüfstruktur Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Struktur (25) auf periodische Prüfbelastungen auszuführen, deren Größe sich mit hoher Frequenz verändert, wobei die Prüfmaschine darüber hinaus Mittel umfaßt, um gemessene Steifigkeitsmeßwerte zusammen mit ihren zugehörigen Zeit-, Lage-, Belastungs- oder Materialspannungsmeßwerten zu speichern und um eine vorausschauende Korrektur der adaptiven Regelsignale vorzunehmen, die von der Einrichtung (27) zur Berechnung der Steifigkeit erzeugt werden, um Verzögerungen in der Antwort dieser Einrichtung (27) und der Antwort der Prüfmaschine auf Änderungen der Steifigkeit der Prüfstruktur (25) während aufeinander folgender Prüfbelastungszyklen auszugleichen.
  10. 9. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmaschine eine elektromechanische Prüfmaschine ist und daß der Aktuator (24) ein sich drehender oder linearer Elektroantrieb ist.
  11. 10. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmaschine eine servo-hydraulische Prüfmaschine ist und daß der Aktuator (24) ein hydraulischer Aktuator (24) ist.






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