外环扭矩控制的制作方法

发明背景

本申请要求于2018年10月15日提交的美国申请16/160,151在35u.s.c.§119(e)下的优先权，其全部内容出于所有目的通过援引以其全部并入本文。

本公开内容涉及一种外部控制环路，该外部控制环路在材料测试环境中控制扭矩作为附加运动。

背景技术：

通用测试机(框架)通常包含用于对其进行控制的复杂电子器件，包括印刷电路板(pcb)、壳体连接件、处理器和其他部件。在将这些电子器件封装以便在这种机器中使用时，必须考虑若干个因素；包括冷却、冲击防护、符合电磁抗扰性和发射(emi)以及其他标准，与此同时使机器占用的空间最小化并且优化维修方便性。

在材料测试的现有技术中，已知使用比如轴向力等单个力来施加应力。材料测试包括测量与应力相对应的应变。

在现有技术中，应变定速(strainpacing)可以用作材料测试过程的一部分。应变定速是一种外环软件算法，该外环软件算法监测当前数据并更改位置速率，以实现由拉伸应变传感器确定的用户定义的拉伸应变速率。软件中的定速功能允许将样本的应变速率控制到预定水平。该定速功能旨在用于在弹性区域中显示出平滑连续变形特性的材料，例如金属和刚性或半刚性塑料。许多这样的材料对在材料测试过程中施加的应变速率敏感，因此希望(有时是强制性的)控制或至少限制应变速率。可以控制的实际最大应变速率取决于待测试样本的特性和应变速率准确度要求。样品刚度越低并且屈服越渐变，可以使用的应变速率就越高。

机电测试机通常通过使用位置控制伺服环路以恒定的十字头移位速率(即十字头速度)运行。测试系统和样本的特性应使得恒定的十字头移位速率不会在样本处、特别是在屈服区域中产生恒定的应变。因此，需要控制应变速率。

在应变定速模式下，软件不断地更改十字头速度以实现所需的速率。引伸计监测样本上的实际速率，并且软件在测试进行时计算维持所需速率所需的十字头速度。十字头速度随着材料屈服而减慢，以便维持恒定的应变速率，这是由于大部分十字头移位都转化为永久性的样本变形。

应变定速模式仅旨在用于单调(单向)测试，而不适合于在瞬态效应(例如上屈服和下屈服、不连续屈服现象或使用多个马达以在可以是正交的多个轴线或自由度上施加力)期间控制应变速率。

技术实现要素：

因此，本公开内容的目的是提供材料测试的改进，包括在测试样品上施加通过多个轴线或自由度的多个力的能力，并且提供适当的反馈以实现这个功能。

通过提供一种具有多个马达或驱动器的材料测试装置来实现该目的和其他目的，由此能够在多个轴线或自由度上施加多个力，该多个轴线或自由度可以是正交的(例如但不限于圆柱坐标系中的轴向轴线和旋转轴线)。外环用于控制扭矩，以便向材料测试样品施加扭转力或旋转力。

通过外环控制旋转马达或驱动器典型地不需要额外的硬件。轴线控制仅通过软件来完成，使用扭矩传感器作为反馈装置，并且提供系统扩展能力以将受控轴线添加到最初为单轴机器设计的硬件中。

附图说明

根据以下描述并根据附图，本公开内容的进一步的目的和优点将变得明显，在附图中：

图1是本公开内容的材料测试装置的实施例的立体图。

图2是外环的示意图，该外环用于控制由图1的设备施加到材料测试样本的扭转力或其他力。

具体实施方式

现在详细参考附图，看到图1是材料测试装置或机械测试框架100的立体图。测试框架100包括基座102，双轴载荷传感器104附接至该基座。下部抓握件106附接至双轴载荷传感器104。双轴载荷传感器104测量施加到材料测试样品(未示出)的载荷(典型地是轴向载荷和旋转扭矩)，该材料测试样品接合在下部抓握件106与上部抓握件108之间、并且经由线缆109将有关轴向载荷和旋转扭矩的信息或原始数据传达至控制单元122，该控制单元包括手动输入单元124和屏幕126。

轨道110从基座102向上延伸并且支撑上部组件112，该上部组件包括十字头113并且与上部抓握件108接合。上部组件112包括驱动组件114，该驱动组件用于驱动十字头113，由此相对于材料测试样品(接合在下部抓握件106与上部抓握件108之间)施加竖直力(即，线性或轴向的力或应力)。另外，在将轴向力施加到材料测试样品上时，十字头113沿着轨道110的轴向平移的变化可以认为是应变计算中距离或长度(δy)的变化。有关十字头113的竖直位置或轴向位置(以及因此上部抓握件108的竖直位置)的信息或原始数据由安装在马达上并且与控制单元112(其包括手动输入单元124和屏幕126)通信的编码器提供，该马达安装在基座102中。上部抓握件108的旋转位置的信息由安装在扭力马达上的编码器提供、并且经由线缆120传输到控制单元122，该扭力马达容纳在上部组件112中。

同样，驱动组件114包括用于经由上部抓握件108在材料测试样品上施加扭力的扭力马达或驱动器。扭力马达由安装在测试框架100的轨道110上的扭力马达控制器130控制。

包括扭力马达控制器118的扭力添加系统是机电组件，该机电组件当被添加到材料测试装置或测试框架100中时为轴向移动的十字头113提供了扭转能力。可以将扭力添加(tao)系统添加到单列或双列框架中。材料测试设备的用户可以在施加轴向载荷之前、期间或之后执行测试样本的旋转。使用安装至上部组件112内的扭力马达的增量编码器来监测和控制旋转。使用双轴载荷传感器104记录和控制扭矩和轴向载荷值，该双轴载荷传感器监测施加到测试样本的力。

扭力添加系统和机械测试框架100由软件控制。用户通过比如手动输入单元124等软件接口工作，输入测试参数以定义材料测试装置100将如何进行测试。材料测试装置100的所有运动典型地在闭环控制下完成，这意味着材料测试装置100中的硬件和固件专用于控制十字头113的轴向运动。

该系统能够旋转测试中的材料测试样品(接合在下部抓握件106与上部抓握件108之间)，直到达到所需的扭矩值。此时，系统可以进入外环扭矩保持模式，在该外环扭矩保持模式下，由外部控制器控制的扭力马达的旋转速度以规则的间隔更新，以在测试中的材料测试样品上维持零扭矩速率(或正扭矩速率或负扭矩速率，典型地是预先选择的)。该算法中内置了增益系数乘法器，该增益系数乘法器允许具有不同刚度的材料保持在恒定且所需的扭矩下。

图2的流程图300更详细地展示了算法方法。在步骤302中计算当前扭矩速率，而在步骤304中计算当前旋转速率。在算法中，步骤306使用来自步骤302、304的输出来维持零扭矩速率(或正扭矩速率或负扭矩速率，典型地是预先选择的)。在步骤308中，使用来自步骤306的输出来计算新的旋转速率。在步骤310中，使用来自步骤308的输出将新的旋转速率应用于旋转马达。步骤302、304接收来自步骤310的输出，由此完成闭环控制系统。

此方法可以应用于使用两个或更多个马达以将力施加到材料测试样品。

因此，最有效地达成了多个前述目的和优点。虽然本文详细地公开并描述了本发明的优选实施例，但是应理解的是，本发明绝不限于这些实施例。