DE4434024A1 - Strukturprüfmaschine - Google Patents

Description

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 physi­ kalische bzw. mechanische Eigenschaften des Probenmateri­ als zu bestimmen.

Alternativ hierzu kann die Struktur eine Prüfkom­ ponente 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 (Regel­ strecke) sowie einen Regler aufweist, wobei die Vorwärts­ strecke (Regelstrecke) einen Aktuator umfaßt, der in einem Maschinenrahmen befestigt ist und bei Betätigung auf den Prüfling eine Prüfbelastung in Richtung einer vorbestimm­ ten Achse des Prüflings ausübt und wobei der Regler in Abhängigkeit von einer Regelabweichung (Reglereingabesig­ nal) 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 hervor­ ruft.

Das bei Materialprüfmaschinen normalerweise verwende­ te nachgesteuerte Regelsystem ist ein System mit geschlos­ sener 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 Be­ triebsart-Auswahleinheit, um Istwerte rückzukoppeln, die die Lage, die Belastung oder die Verformung des Prüflings repräsentieren.

Während der langjährigen Verwendung solcher Material­ prüfmaschinen wurde erkannt, daß ihre Leistungsdaten in mancherlei Hinsicht verbesserungsfähig sind. Inbesondere wird das dynamische Verhalten von solchen Materialprüfma­ schinen 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 Neuein­ stellung 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, verhin­ dern 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 beispiels­ weise das Fortschreiten von Ermüdungsbrüchen oder Über­ gänge vom elastischen zum plastischen Verhalten, dazu, daß sich die Steifigkeit ändert. Andere Proben - wie gummi­ artige Komponenten von Kraftfahrzeugen - haben eine inne­ wohnende nicht-lineare Steifigkeitscharakteristik.

Wie eine Steifigkeitsänderung die Prüfmaschine beein­ flußt, hängt von der für die Prüfung verwendeten Betriebs­ art 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 Empfind­ lichkeit 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-Parame­ tern aufzufinden. Grundsätzlich ist das Verfahren für die anfängliche Selbstabstimmung gedacht. Es wurde vorgeschla­ gen, 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 Überwa­ chungssystem für eine servo-hydraulische Ermüdungsprüfma­ schine 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 veränder­ lichen 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 näch­ sten werden nicht überwacht. Lediglich die Führungsgröße wird verändert. Die Genauigkeit der ersten Rückkoppel­ schleife 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 Materialprüfma­ schinen zu schaffen, der nicht von Hand nach der Art "Trial and Error" abgestimmt werden muß, wie dies bei vor­ handenen PID-Reglern der Fall ist. Nach mehreren Unter­ suchungen 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 Nicht­ linearitäten 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 Ver­ wendung von unerwünschten Prüf- oder Testsignalen erfor­ dert, 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 Materialprüfun­ gen nicht hinnehmbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Strukturprüfmaschine ein nachgesteuertes Regelsystem zu schaffen, das die Maschine an Änderungen in der Steifig­ keit 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 vor­ bestimmten Achse ausübt und wobei der Regler in Abhän­ gigkeit von einem Reglereingangssignal und Reglerparame­ tern arbeitet, um an den Aktuator eine Stellgröße abzuge­ ben, damit der Aktuator die Struktur einer Prüfbelastung aussetzt, die bei der Struktur in Richtung der vorbestimm­ ten Achse Längenänderungen hervorruft, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 kombi­ nierte Steifigkeit des Aktuators, des Aktuatorhalterahmens und der Prüfstruktur repräsentieren, und daß Mittel vor­ gesehen sind, um die Reglerparameter des Reglers zu aktua­ lisieren und um den Verstärkungsfaktor der Vorwärtsstrecke des Reglers abhängig von den adaptiven Regelsignalen derart zu verändern, daß die Strukturprüfmaschine an Ver­ änderungen der Steifigkeit der Prüfstruktur gegenüber der kombinierten Steifigkeit der Strukturprüfmaschine ein­ schließlich der Prüfstruktur angepaßt wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung das nach­ folgend beschrieben wird, ist das überwachte bzw. in seiner Charakteristik nachgesteuerte Regelsystem ein ge­ schlossener Regelkreis, der einen Rückkopplungspfad zur Rückkopplung von Istwerten, die einen infolge das Anlegens einer Regelabweichung (Reglereingabesignal) an den Regler hervorgerufenen vorbestimmten Zustand der Prüfstruktur re­ präsentieren, und der Mittel zum Vergleichen der Führungs­ größe 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 vor­ bestimmte Lage, Belastung oder Verformung der Prüfstruktur vorgibt, und der Rückkopplungspfad umfaßt eine Betriebs­ art-Auswahleinheit, um Zustandssignale rückzukoppeln, die die Lage, die Belastung oder die Verformung der Prüfstruk­ tur repräsentieren.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nachfolgend beschrieben wird, umfaßt der adaptive Regel­ kreis ein Maschinenmodell, das eine mathematische Darstel­ lung 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 vorbe­ stimmte alternative Prüfverfahren repräsentieren.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung das nachfolgend beschrieben wird, ist die zu prüfende Struktur ein Prüfling und die Maschine ist eine Materialprüfmaschi­ ne, um Materialprüfungen an dem Prüfling auszuführen, um eine oder mehrere physikalische bzw. mechanische Eigen­ schaften 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 Maschi­ ne 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 Elektro­ antrieb.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zu prüfende Prüfstruktur eine Prüfkomponente und die Maschine ist eine Komponentenprüfmaschine, um Prüfun­ gen an der Prüfkomponente zur Bestimmung der Antwort der Komponente auf Prüfbelastungen auszuführen, die in Rich­ tung 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 vor­ ausschauende Korrektur der adaptiven Regelsignale vor­ zunehmen, die von der Einrichtung zur Berechnung der Steifigkeit erzeugt werden, um Verzögerungen in der Ant­ wort dieser Einrichtung und der Antwort der Maschine auf Änderungen der Steifigkeit der Prüfstruktur während auf­ einanderfolgender Prüfbelastungszyklen auszugleichen.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die erfindungsgemäße Maschine dazu verwendet, Prüfungen an einer Prüfkomponente zur Bestimmung der Antwort der Kom­ ponente auf Prüfbelastungen auszuführen, die auf die Komponente in Richtung der vorbestimmten Achse der Kom­ ponente 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 bei­ spielhaft mit Bezug auf die begleitende Zeichnung be­ schrieben. Es zeigen:

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

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Instabili­ tät einer Materialprüfmaschine veranschaulicht, die einen herkömmlichen PID-Regler in der Be­ triebsart Materialspannungsregelung verwendet,

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer servo­ hydraulischen 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 Material­ prüfmaschine 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 durch­ gezogene Linie 10 dargestellt ist, während eine gestri­ chelte Linie 11 sowie eine punktierte Linie 12 die Antwor­ ten 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 Material­ spannungsregelung 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 Materi­ als 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 we­ sentlich abgeschwächt werden können.

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

Eine adaptive Regelung wird erreicht, indem die PID- Reglerparameter oder -terme gemäß Schätzwerten E_S auf Echtzeitbasis der Probensteifigkeit und Schätzwerten E_C auf Echtzeitbasis der kombinierten Steifigkeit von Probe und Rahmen verändert werden. Diese Schätzwerte E_S und E_C 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 Stei­ figkeit ist nicht für alle Maschinen dieselbe. Die Bezie­ hung für eine bestimmte Maschine ist durch ein Maschinen­ modell 28 festgelegt. Es stellt die gültige Dynamik der Kombination von Aktuator, Prüfgestell und Probe mathema­ tisch dar. Seine Parameter bestehen aus den zwei zeitva­ rianten Steifigkeitsschätzwerten E_S und E_C sowie aus zeit­ invarinten Termen, die Maschineninbetriebnahme-Anfangs­ parameter P_C genannt werden, die sich, obwohl sie festlie­ gen, von Maschine zu Maschine unterscheiden.

Die Anfangsparameter P_C werden, wenn die Maschine zum ersten Mal zusammengebaut ist, in einem Einmal-Experiment durch eine Einrichtung 29 zum Ermitteln der Inbetriebnah­ meparameter bestimmt. Um den Aktuator 24 zu stören, werden periodische Rechtecksignale mit kleiner Amplitude ver­ wendet, so daß diese festliegenden Terme bestimmt werden können. Während des anschließenden Betriebes muß das Maschinenmodell 28 nur durch die Steifigkeitsschätzwerte E_S und E_C 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 Prüfspezi­ fikation S, die Informationen aus dem Maschinenmodell 28 benutzt. Bei den meisten Prüfungen soll die Schleifenver­ stärkung so groß wie möglich sein, jedoch ohne deutliche Überschwinger in der Antwort auf die Rechteckschwingungen zu erzeugen.

Die adaptive Regelung macht die Prüfmaschine unemp­ findlich 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 Stabi­ lität, die in einer mit der in Fig. 3 gezeigten Material­ prüfmaschine an einem Prüfling 25 ausgeführten Ermüdungs­ prüfung mit niedriger Wiederholungsrate erreicht wird. In der Prüfung ist der Prüfling zyklisch angelegten Prüf­ belastungen 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 Prü­ fungen, die bei einer Frequenz von 1 Hz in der Betriebsart Lastregelung ausgeführt sind. Die Kurve 31 zeigt die Aus­ dehnung der Probe bei elastischer und plastischer Ver­ formung als Funktion der angelegten Belastung. Die beiden Zyklen der Kurve 31 wurden bei der Wiedergabe in Zugrich­ tung künstlich verschoben oder gedehnt, so daß sie ge­ trennt werden können. Die beiden Schleifen würden sonst übereinanderliegen. Zunehmende Zeit ist mit den Pfeilen T angedeutet.

Zu Beginn der Aufzeichnung der Prüfung ist die adap­ tive Regelung abgeschaltet. Als Ergebnis kann man in der Kurve 31 Schwingungen klar erkennen, wenn der anfängliche Zyklus in den plastischen Bereich gelangt. Diese Schwin­ gungen entstehen aus demselben Grund wie die in Fig. 2 gezeigten Schwingungen, namlich deswegen, weil bei Materi­ alspannungsregelung 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 Kenn­ werte, 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 servo­ hydraulischen 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 Stei­ figkeit, 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 Regel­ systemen hat das oben in Verbindung mit Fig. 3 beschriebe­ ne Regelsystem mit seinem adaptiven Regler die folgenden Vorteile:

• 1. Es ist nicht jedesmal, wenn eine andere Art von Prüf­ ling in die Prüfmaschine gebracht wird, notwendig, ein Experiment zum Abstimmen durchzuführen. Der Be­ diener befestigt einfach den Prüfling in der Maschine und, ohne daß irgendwelche besonderen Signale gegeben werden, nimmt der adaptive Algorithmus die notwendi­ gen Änderungen an dem Regler vor.
• 2. Änderungen der Steifigkeit, die während einer Prüfung auftreten, werden ohne die Verwendung von zusätzli­ chen Meßsignalen kompensiert. Dies ist auch dann mög­ lich, wenn die Prüfsignale keine große Dynamik auf­ weisen.
• 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 Algo­ rithmus zu formulieren. Das bedeutet, daß nur der sich ändernde Parameter, d. h. die Steifigkeit, on-line berech­ net werden muß. Die bekannten Konstruktionen folgen dem klassischen Black-Box-Ansatz, bei dem eine vernünftige dynamische Größenordnung die einzige strukturelle Informa­ tion 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 Testmes­ sungen 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 Prüfbela­ stungen in einer einzigen Richtung längs einer vorbestimm­ ten 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 Prüfbelastun­ gen 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 Regel­ kreis gemäß der Erfindung auch bei elektromechanischen Materialprüfmaschinen angewendet werden kann.

Während bei der Beschreibung der in Fig. 3 veran­ schaulichten Materialprüfmaschine auf Ermüdungsprüfungen mit niedriger Wiederholrate Bezug genommen wurde, können Vorkehrungen getroffen werden, um die Materialprüfmaschine für Hochfrequenzprüfungen geeignet zu machen. Bei Hoch­ frequenzprüfungen stellen Verzögerungen in der Antwort der Einrichtung zur Berechnung oder Abschätzung der Steifig­ keit 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 Steifigkeits­ werte zusammen mit den zugehörigen Zeit- oder Lage- oder Belastungs- oder Materialspannungswerten zu speichern und um eine vorausschauende Korrektur an den adaptiven Regel­ signalen E_S und E_C 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 Probenstei­ figkeit während nachfolgender Prüfbelastungszyklen auszu­ gleichen.

Claims (11)

1. Prüfmaschine, insbesondere Strukturprüfmaschine, um an einer Prüfstruktur (25) Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Struktur auf in Richtung einer vorbe­ stimmten Achse der Struktur auf die Struktur ausge­ übten Prüfbelastungen unter der Kontrolle eines nach­ gesteuerten Regelsystems auszuführen, wobei:

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 Reglerein­ gangssignal und Reglerparametern arbeitet, um an den Aktuator eine Stellgroße abzugeben, damit der Aktua­ tor 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 Re­ gelsignale erzeugt, die zum einen die Steifigkeit (E_S) der Struktur und zum anderen die kombinierte Steifigkeit des Aktuators (24), des Aktuatorhalte­ rahmens und der Prüfstruktur (E_C) repräsentieren, und daß
Mittel (28, 30) vorgesehen sind, um die Reglerpara­ meter 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.

2. Prüfmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das überwachte bzw. in seiner Charakteristik nachgesteuerten Regelsystem ein geschlossener Regel­ kreis ist, der einen Rückkopplungspfad (21) zur Rück­ kopplung von Istwertsignalen, die einen durch das Anlegen einer Regelabweichung an den Regler (22) hervorgerufenen Zustand der Prüfstruktur (25) reprä­ sentieren, und der ein Mittel zum Vergleichen der Führungsgröße mit dem Istwert aufweist, und daß das Mittel eine Regelabweichung erzeugt, die dem Unter­ schied zwischen der Führungsgröße und dem Istwert entspricht.

3. Prüfmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (22) ein PID-Regler und die Führungs­ größe ein Signal ist, das eine vorbestimmte Lage, Belastung oder Verformung der Prüfstruktur (25) vor­ gibt, und daß der Rückkopplungspfad (21) eine Be­ triebsart-Auswahleinheit (26) umfaßt, um Istwerte rückzukoppeln, die die Lage, die Belastung oder die Verformung der Prüfstruktur (25) repräsentieren.

4. Prüfmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der adaptive Regelkreis (21, 22, 27, 28) ein Maschinenmodell (28), das eine mathematische Darstellung der Prüfmaschine liefert und das Parame­ ter des Maschinenmodells erzeugt, und eine Einstell­ stufe (30) für den Regler (22) umfaßt, die in Abhän­ gigkeit von in sie eingegebene Eingaben zur Prüfspe­ zifizierung arbeitet, um die Parameter des Maschinen­ modells (28) zu verändern und um aktualisierende Reglerparameter zu erzeugen, und daß die Eingaben vorbestimmte alternative Prüfverfahren repräsentie­ ren.

5. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die zu prüfende Struktur ein Prüfling (25) und die Prüfmaschine eine Material­ prüfmaschine ist, um Materialprüfungen an dem Prüf­ ling (25) auszuführen, um eine oder mehrere physika­ lische Eigenschaften des Probenmaterials unter Prüf­ belastungen zu bestimmen, die auf die Probe in Rich­ tung der vorbestimmten Achse ausgeübt werden.

6. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die zu prüfende Prüfstruk­ tur eine Prüfkomponente (25) und die Prüfmaschine eine Komponentenprüfmaschine ist, um an der Prüfkom­ ponente Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Kom­ ponente auf Prüfbelastungen auszuführen, die in Rich­ tung der vorbestimmten Achse auf die Komponente aus­ geübt werden.

7. Verwendung einer Prüfmaschine nach Anspruch 6, um an einer Prüfkomponente (25) Prüfungen zur Bestimmung der Antwort der Komponente auf Prüfbelastungen aus zu­ führen, die auf die Komponente in Richtung der vorbe­ stimmten 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 vor­ bestimmten Achsen auszuüben.

8. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, um an einer Prüfstruktur Prüfungen zur Bestimmung der Ant­ wort der Struktur (25) auf periodische Prüfbelastun­ gen auszuführen, deren Größe sich mit hoher Frequenz verändert, wobei die Prüfmaschine darüber hinaus Mittel umfaßt, um gemessene Steifigkeitsmeßwerte zusammen mit ihren zugehörigen Zeit-, Lage-, Bela­ stungs- 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 auf­ einander folgender Prüfbelastungszyklen auszugleichen.

9. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Prüfmaschine eine elek­ tromechanische Prüfmaschine ist und daß der Aktuator (24) ein sich drehender oder linearer Elektroantrieb ist.

10. Prüfmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Prüfmaschine eine ser­ vo-hydraulische Prüfmaschine ist und daß der Aktuator (24) ein hydraulischer Aktuator (24) ist.