CN102077074B - 高频多轴模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种多轴疲劳测试设备包括：多轴测试固定器，具有由多个激励器驱动的多输入多输出机械链接；以及控制器，实时和同步操作多个激励器中的各激励器以产生由用户限定的多个疲劳循环分布。驱动机械链接的激励器中的至少一个激励器针对由硬度表征的仿真负载进行作用。选择硬度以增大测试固定器的共振频率以允许针对更广范围的样本在更高频率的疲劳测试。

Description

高频多轴模拟系统

技术领域

本公开内容涉及用于医疗植入设备的测试设备和方法。

发明内容

一种多轴疲劳测试设备包括：多轴测试固定器，具有由多个激励器驱动的多输入多输出机械链接；以及控制器，实时和同步操作多个激励器中的各激励器以产生由用户限定的多个疲劳循环分布。驱动机械链接的激励器的至少一个针对由硬度表征的仿真负载进行作用。选择硬度以增加测试固定器的共振频率以允许针对更广范围的样本在更高频率的疲劳测试。

本发明的一个实施例涉及一种高频多轴模拟系统，该系统包括：测试固定器，具有MIMO链接，该MIMO链接由第一激励器和第二激励器驱动，该MIMO链接作用于样本以沿着第一模拟轴和第二模拟轴提供模拟；控制器，配置成根据由用户指定的第一模拟分布和第二模拟分布来操作第一和第二激励器；第一仿真负载，由第一激励器驱动；第二仿真负载，由第二激励器驱动；第一和第二仿真负载增加模拟系统的共振频率。在一个方面中，第一模拟轴为轴向应变而第二模拟轴为弯曲角度。在一个方面中，第一扭转组件连接到支撑样本的样本保持器的第一端，而第二扭转组件连接到样本保持器的第二端，该第一和第二扭转组件根据由用户指定的第三模拟分布由第三激励器驱动。在一个方面中，第三激励器独立于第一和第二激励器由控制器同时操作。在一个方面中，流动路径根据由用户指定的第四模拟分布来提供经过样本的流体流。在一个方面中，流动路径包括提供经过样本的脉动流的泵。在一个方面中，第一仿真负载为弹簧。在一个方面中，选择表征弹簧的弹簧常数值以增加表征模拟系统的共振频率。在一个方面中，第一仿真负载还包括阻尼器。在一个方面中，表征模拟系统的共振频率大于约5Hz。在一个方面中，表征模拟系统的共振频率大于约8Hz。在一个方面中，弹簧由值为比表征样本的硬度值大至少十倍的硬度表征。在一个方面中，由用户指定的第一模拟分布由分布频率表征，该分布频率的频率范围为4-10Hz。在一个方面中，由用户指定的第一模拟分布由分布频率表征，该分布频率的频率范围为12-30Hz。在一个方面中，第一仿真负载为激励器。

本发明的另一实施例涉及一种消除用户对控制器的调节的方法，该控制器操作由第一激励器和第二激励器驱动的MIMO链接，MIMO链接作用于由样本硬度表征的样本以沿着第一模拟轴和第二模拟轴提供模拟，该方法包括向第一激励器施加第一仿真负载而向第二激励器施加第二仿真负载，其中选择第一仿真负载以将第一激励器的硬度增加至比样本硬度大至少十倍的值，而选择第二仿真负载以将第二激励器的硬度增加至比样本硬度大至少十倍的值。

本发明的又一实施例涉及一种高频多轴模拟系统，该系统包括：测试固定器，具有MIMO链接，该MIMO链接由第一激励器和第二激励器驱动，该MIMO链接作用于样本以沿着至少第一模拟轴和第二模拟轴提供模拟；控制器，配置成根据由用户指定的第一模拟分布和第二模拟分布来操作第一和第二激励器；第一仿真负载，由第一激励器驱动；第二仿真负载，由第二激励器驱动；第一和第二仿真负载增加模拟系统的共振频率。在一个方面中，第一模拟轴为轴向应变而第二模拟轴为弯曲角度。在一个方面中，第一扭转组件连接到支撑样本的样本保持器的第一端，而第二扭转组件连接到样本保持器的第二端，该第一和第二扭转组件根据由用户指定的第三模拟分布由第三激励器驱动。在一个方面中，第三激励器独立于第一和第二激励器由控制器同时操作。

附图说明

图1是图示了多轴模拟系统的一个实施例的示意图。

图2是用于图1中所示系统的控制器的一部分的框图。

图3是图1中所示测试固定器的透视图。

图4是多轴模拟系统的另一实施例中的测试框的透视图。

图5是图4中所示测试框的一部分的侧视图。

图6图示了图4中所示系统的共振特性曲线。

具体实施方式

图1是图示了多轴模拟系统100的一个例子的示意图。在图1中，样本保持于附着到多轴测试固定器110的样本保持器101中。样本优选为可植入支架，但是可以用图1中所示模拟系统100测试其他可植入设备或者生物假体设备。

测试固定器110包括围绕共同转动点可旋转的一对杠杆臂115。各杠杆臂115机械地链接到共同驱动链路112，该驱动链路连接到这里称为剪式激励器的第一激励器120的驱动轴。随着共同驱动链路112在图1中向上移位，杠杆臂115围绕共同转动点向下旋转，由此增大样本保持器101的弯曲角度。随着共同驱动链路112在图1中向下移位，杠杆臂115朝着彼此向上旋转并且减小样本保持器101的弯曲角度。样本保持器的弯曲角度是由样本保持器末端和弯曲工具119与样本保持器101接触的接触点形成的角度。

弯曲工具119在沿着样本保持器101长度的大约中间接触样本保持器101。随着弯曲工具119在图1中向下移位，弯曲工具119轴向地拉紧样本保持器101中保持的样本而又弯曲样本。弯曲工具119由这里称为伸肌激励器的第二激励器130驱动。弯曲工具可以具有与样本保持器接触的弯曲表面。在通过整体引用结合于此、于2007年6月4日提交的第11/757,772号美国申请中描述可以使用的弯曲工具的其他例子。

各杠杆臂115支撑扭转组件117。各扭转组件117支撑样本保持器101的一端并且被配置成向样本保持器101提供流动路径150并且施加样本保持器101围绕纵轴的旋转。样本保持器101的旋转由这里称为扭转激励器的第三激励器140驱动。在一个优选实施例中，机械链接可以耦合到扭转激励器140和各扭转组件117，从而样本保持器101的各端在由扭转激励器140驱动时在相反方向上旋转。

流动路径150引导流体经过样本和样本保持器101。这里称为泵的第四激励器155围绕流动路径移动流体并且由泵传感器157监控。在一个优选实施例中，泵155提供经过流动路径150的脉动流。在授权于1997年9月23日并且通过整体引用结合于此的第5,670,708号美国专利中公开脉动流系统的例子。据信经过样本的脉动流在样本中引起如下周向应变，该周向应变更接近地模拟样本在例如动脉中的使用条件。流动路径传感器159监控流体在流动路径中的一个或者多个条件。流动路径传感器的例子非限制性地包括压强传感器、质量或者体积流量传感器、pH传感器、粒子传感器、温度传感器和化学传感器。流体可以是对在使用期间与样本接触的流体的预期特性进行模拟的盐水混合物。流体可以包括如果样本包含活细胞则可以支持活细胞的营养媒介。

图1中所示视图示出了仅一个样本，但是多轴测试固定器110优选地被配置成支持多个样本并且更优选地同时支持至少10个样本。各样本可以连接到单独流动路径或者成组样本可以共享流动路径。

控制器160管理模拟系统100的操作并且包括计算机165和接口模块167。计算机165包括I/O设备，比如用于查看信息的显示器，以及输入设备，比如键盘、鼠标、触板或者用于向计算机中输入信息的其他类似设备。计算机165包括执行控制程序的处理器以及存储控制程序和从用户或者传感器125、135、145、157、159接收的数据的计算机可读介质。接口模块167从计算机接收命令并且响应于接收的命令和来自传感器125、135、145、157、159的数据来操作各激励器120、130、140、155。为求简洁，图1并未示出接口模块167与各传感器和激励器之间的所有控制线。

控制程序使得用户能够选择或者设置对多轴模拟器的操作进行限定的各种参数。这样的控制程序的例子是可从Eden Prairie，Minnesota的ElectroForce Systems Group of Bose Corporation获得的WinTest

PCI Controls程序。例如并且非限制性，如果用户想要对样本进行疲劳测试，则用户可以输入疲劳循环数目以针对各预期模拟轴进行循环分布。各循环分布可以独立于其他循环分布来设计。例如，用户可以从预定循环分布的列表中为脉动泵选择方波分布，并且输入预期循环频率以及用于预期泵压强的最大值和最小值。用户可以为施加于样本的扭转选择正弦波分布，并且输入预期扭转循环频率以及用于预期扭转分布的最大值和最小值。用户可以输入作为X-Y数据对的由用户限定的弯曲分布并且输入不同的由用户限定的轴向应变分布。控制程序存储输入的数据并且向接口模块定期地发送命令以控制测试的操作。控制程序从接口模块接收传感器信息并且存储传感器信息供以后分析。

在图1中所示配置中，样本经历沿着四个轴的同时模拟：周向应变、扭转、轴向应变和弯曲角度。据信多轴模拟提供对预期使用条件的更逼真模拟并且提供相对于来自简单弯曲疲劳测试的信息而言更可靠的信息。样本周向应变受脉动流分布支配并且可以独立于其他模拟轴来运行而无明显误差。类似地，样本扭转受扭转激励器140按照由用户输入的扭转分布来控制的轴向旋转支配并且也可以独立于其他模拟轴来运行而无明显误差。然而，样本轴向应变和弯曲角度归因于来自剪式激励器120和伸肌激励器130的由于测试固定器110的机械链接所致的移位的组合。在轴向应变与弯曲角度模拟轴之间的链接充分地强，从而向剪式激励器和伸肌激励器施加的正弦分布可以造成非正弦样本轴向应变和弯曲角度。另外，当未考虑在轴向应变与弯曲角度模拟轴之间的链接时，最大样本轴向应变或者弯曲角度可以大于预期最大值。图1中所示测试固定器110是多输入多输出(MIMO)链接的例子。在图1的例子中，多个输入是剪式激励器和伸肌激励器的也称为位置的移位，并且多个输出是样本轴向应变和样本弯曲角度。虽然用户可以独立于弯曲角度来指定轴向应变，但是不应独立于伸肌激励器来操作剪式激励器，因为剪式激励器或者伸肌激励器的移动可能影响样本的轴向应变和弯曲角度。于2007年6月26日提交的第11/768,675号美国申请描述用于控制MIMO链接的方法并且通过整体引用结合于此。

图2是用于图1中所示系统的控制器的一部分的框图，其中相同参考标号指代相同结构。在图2中，向波形序列生成器210发送用于样本轴向应变201和样本弯曲角度205的由用户限定的循环分布。波形序列生成器210基于计算机中存储的测试固定器的几何模型将由用户限定的应变和弯曲角度值转换成激励器移位。各激励器120、130分别由反馈控制器230、235控制。传感器125和135分别监控激励器120和130的驱动轴的位置。激励器120和130优选地是动磁直线马达，尽管其他实施例可以使用其他类型的激励器来操作测试固定器。传感器125和135优选为LVDT位置传感器，尽管其他实施例可以使用传感器领域中可用的其他类型的传感器。求和模块220、225生成如下误差信号221、226，该误差信号代表来自波形序列生成器210的激励器移位与来自传感器125、135的感测的移位之差。向误差信号221和226的相应反馈控制器230和235输入这些误差信号。

图3是图1中所示测试固定器的透视图并且图示了如下例子，其中可以同时测试多个支架，由此减少总测试时间而又增加结果的统计置信度。为求简洁，在图3中未示出弯曲工具组件和样本保持器，并且相同参考标号指代与图1中相同的结构。在图3中所示例子中，倒钩型夹具352用来保持样本保持器，但是根据测试的样本可以使用其他类型的夹具。

在图3中，扭转组件117由附接到杠杆臂115的杆350支撑。扭转杠杆臂337的一端可转动地附接到扭转组件117，而扭转杠杆臂337的另一端可转动地附接到扭转链接335。扭转链接335机械地链接到未示出的激励器。随着扭转链接335移位，扭转杠杆臂337向支撑杆340上的各扭转组件施加旋转。各扭转链接335可以由单独激励器独立操作。在一个优选实施例中，单个激励器驱动两个扭转链接335，从而在一个支撑杆上的扭转组件在与另一支撑杆上的扭转组件的旋转相反的方向上旋转。

图4是多轴模拟系统的另一实施例的测试框400的透视图。在图4中，这里称为伸肌激励器的激励器431机械地链接到下横杆430、旁路棒432、上横杆434、上棒436和中层横杆438。未示出的弯曲工具组件机械地链接到中层横杆438并且相对于图4中所示定向从未示出的样本保持器上方接触样本保持器。可以根据测试的样本类型来使用不同弯曲工具组件。在图4中所示定向中，随着伸肌激励器431在向下方向上移动下横杆430，弯曲工具组件接触样本保持器并且向样本给予轴向应变而且也减少样本的弯曲角度。随着伸肌激励器431在向上方向上移动下横杆430，弯曲工具增加样本的弯曲角度并且减少向样本给予的轴向应变。

这里称为剪式激励器的激励器421机械地链接到支撑棒420和剪式横杆422。支撑棒420自由穿过上横杆434中的开口，从而支撑棒420不接触上横杆434。剪式横杆422机械地链接到剪式测试固定器402并且操作支撑扭转组件杆440的杠杆臂。在图4中所示定向中，随着剪式激励器421在向下方向上移动支撑棒420，剪式测试固定器的杠杆臂在向下方向上旋转从而使样本弯曲角度增加。随着剪式激励器421在向上方向上移动支撑棒420，剪式测试固定器的杠杆臂在向上方向上旋转从而使样本弯曲角度减少。

这里称为扭转激励器的激励器441机械地链接到扭转杠杆臂445。扭转杠杆臂445机械地链接到由扭转组件支撑件440支撑的各扭转组件417。在图4中所示定向中，随着扭转激励器441向左移动扭转杠杆臂445，扭转杠杆臂445在沿着扭转组件417俯视时施加顺时针旋转。第二扭转杠杆臂在图4中被隐藏，但是被配置成在沿着第二扭转组件俯视时向样本施加顺时针旋转。

图5示出了图4中所示测试框的一部分的侧视图，其中相同参考标号指代相同结构。在图5中，在截面图中示出了扭转组件417。为求简洁，在图5中未示出样本保持器和弯曲工具组件。图5也图示了可以在模拟系统中使用的剪型测试固定器的另一例子。在图5中，轴承540实现扭转组件417的旋转而扭转组件受扭转组件支撑件440支撑。扭转组件417包括端口557，该端口被配置成接受用户根据测试的样本类型可以运用的多种样本保持器夹具。端口557与扭转组件流充气器555流体连通，该充气器在测试期间提供向样本的流体流动。可以打开加载端口550以向样本保持器中加载样本并且清除流回路中的空气。

为求简洁，图4未示出流体路径子系统，比如图1中所示流体路径子系统，但是应当理解，图4中所示实施例优选地包括流体路径子系统。同样为求简洁，图4未示出如下控制器子系统，该子系统操作伸肌激励器431、剪式激励器421、扭转激励器441和流体路径子系统的脉动流泵，并且收集关于模拟系统状态的传感器信息。应当理解，图4中所示实施例包括与上文在图1中描述的控制器子系统颇为类似的控制器子系统。图4中所示测试固定器402具有与图1中所示固定器不同的机械链接，但是测试固定器402为MIMO链接，从而伸肌激励器431和剪式激励器421二者的位置用来计算样本轴向应变和样本弯曲角度。控制器部分地基于测试固定器402的几何模型以协调方式操作伸肌激励器431和剪式激励器421以产生用户所需的样本轴向应变和样本弯曲角度。在图4中，伸肌激励器、剪式激励器和扭转激励器最优选为动磁直线马达，但是应当理解，实施例并不限于动磁直线马达。例如并且非限制性，气动激励器、液压激励器、旋转电动马达可以用来生成对测试框进行操作的机械移位。另外，根据模拟系统的具体应用可以使用不同类型的激励器的组合。

用户可以选择对于测试的样本而言适合的多种扭转组件夹具和样本保持器。然而，样本保持器和样本耦合对样本保持器的各端进行保持的扭转组件。扭转组件的耦合可以改变测试框的共振性质并且可能需要调节超出用户能力的控制器参数。另外，在用户所需的测试频率附近的共振可能需要如下更复杂的控制器，该控制器可以顾及系统在共振附近的迅速变化的动态性质。例如，在典型疲劳测试中，用户可能希望在高频操作模拟系统以减少为了在疲劳测试中完成目标数目的循环而需要的时间。在期望测试频率附近的共振可能迫使用户在更低频率进行疲劳测试以避免共振的影响，由此延长疲劳测试的持续时间。

在一个优选实施例中，伸肌激励器和剪式激励器被配置成与操作测试固定器并行推拉附加负载。附加负载用于使系统变硬并且将模拟系统的自然共振特征曲线移向更高频率，由此在更高频率实现疲劳测试。附加负载频繁地消除对用户调节控制器的需要，因为附加负载的硬度通常比用户运用的各种样本保持器-样本组合的硬度大得多(通常大至少十倍)。

参照图4，剪式横杆422支撑在支撑棒420周围对称布置的两个剪式弹簧组件以减少来自不平衡配置的对支撑棒420的弯曲应力。剪式弹簧组件包括弹簧支撑棒470。各弹簧支撑棒470支撑上弹簧473和下弹簧477。上弹簧的一端和下弹簧的一端附接到弹簧支撑棒470。上弹簧的另一端和下弹簧的另一端附接到弹簧锚475。弹簧锚475固定到框壳474并且提供共同机械参照物。随着剪式横杆422在图4的定向中向下移位，各上弹簧473被压缩而各下弹簧477被拉伸。反言之，随着剪式横杆422向上移位，各上弹簧473被拉伸而各下弹簧477被压缩。弹簧的拉伸和压缩可能需要如下更强大的激励器，该激励器可以生成为了操作测试固定器并且针对附加负载进行工作而需要的更大力。取而代之，用户可能必须减少同时测试的样本数目以便容纳附加负载。弹簧的选择可以基于如下因素，这些因素包括但不限于弹簧的所需拉伸/压缩、期望的轴向硬度和弹簧的疲劳额定值。

在图4中，伸肌激励器431针对位于旁路棒432上的附加负载进行工作。旁路棒432对称地配置于伸肌激励器的杆轴周围以减少因不平衡配置而产生的弯曲应力。在图4中，上负载弹簧483的一端和下负载弹簧487的一端附接到旁路棒432。上负载弹簧483的另一端和下负载弹簧438的另一端附接到弹簧锚485。弹簧锚485固定到框壳484并且将上负载弹簧483和下负载弹簧487锚定到共同参照物。

图6示出了图4中所示测试框的共振特征曲线。在图6中，在无反馈控制时按照频率示出剪式激励器的以毫米移位/伏特输入为单位的输出。参考标号610图示了剪式激励器在无仿真负载时的性能，而参考标号650图示了剪式激励器在有仿真负载时的性能。参考标号610在输出增益约为100时在约2.8Hz表现将使得控制系统变得困难的共振峰值，因为输入电压的少量改变引起大量移位。系统在无仿真负载时的操作可能由于2.8Hz共振而限于少于约2Hz。仿真负载的添加用于使系统变硬并且将共振移向如参考标号650所示更高频率，其中共振频率约为8.3Hz。支撑仿真负载的附加支撑轴承和结构用于将共振阻尼成允许控制器在共振频率周围操作的增益。仿真负载充分地修改激励器的共振特征曲线，从而模拟系统能够在激励器的完全行进范围内在约4-10Hz的高频操作，并且可以在受限的激励器运动范围内在约12-30Hz的更高频率操作。

虽然图4示出了弹簧作为仿真负载，但是其他实施例可以包括其他结构类型或者组合作为仿真负载。例如，阻尼器可以与弹簧组合以控制共振峰值的幅度。在另一例子中，仿真负载可以是由控制器操作以针对系统提供期望的共振性能修改的激励器。

上述系统和方法的实施例包括本领域技术人员将清楚的计算机部件和由计算机实施的步骤。例如本领域技术人员应当理解可以存储由计算机实施的步骤作为计算机可读介质(如例如软盘、硬盘、光盘、快速ROM、非易失性ROM和RAM)上的计算机可执行指令。另外，本领域技术人员应当理解计算机可执行指令可以执行于多种处理器(如例如微处理器、数字信号处理器、门阵列等)上。为了易于说明，这里并未将上述系统和方法的每个步骤或者单元描述为计算机系统的部分，但是本领域技术人员将认识到各步骤或者单元可以具有对应计算机系统或者软件部件。因此，这样的计算机系统和/或软件部件通过描述它们的对应步骤或者单元(即，它们的功能)来得以实现并且在本发明的范围内。

已经这样至少描述本发明的示例实施例，各种修改和改进将容易为本领域技术人员所想到并且旨在于落入本发明的范围内。因而，前文描述仅为举例说明而不作为限制。仅如所附权利要求书及其等效含义中限定的那样限制本发明。

Claims (14)

1.一种高频多轴模拟系统，包括：

测试固定器，具有：

由第一激励器驱动的、围绕共同转动点可旋转的第一和第二杠杆臂，所述第一和第二杠杆臂作用于样本保持器以当由所述第一激励器驱动时改变所述样本保持器的弯曲角度，以及

由第二激励器驱动的弯曲工具，所述弯曲工具作用于所述样本保持器以通过当由所述第二激励器驱动时施压于所述样本上而使所述样本保持器轴向应变以及使所述样本保持器弯曲；

控制器，配置成根据由用户指定的第一分布和第二分布来操作所述第一和第二激励器；

第一仿真负载，由所述第一激励器驱动；以及

第二仿真负载，由所述第二激励器驱动；所述第一和第二仿真负载增加所述模拟系统的共振频率；

其中所述第一和第二仿真负载具有比所述样本保持器的硬度更大的硬度。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述测试固定器还包括：

第一扭转组件，由所述第一杠杆臂支撑；以及

第二扭转组件，由所述第二杠杆臂支撑，

所述第一和第二扭转组件由第三激励器驱动以向所述样本保持器的相应第一和第二端施加扭转；以及

所述控制器进一步配置成根据由用户指定的第三模拟分布操作所述第三激励器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中

通过所述第一和第二扭转组件给予所述样本的扭转基本上独立于通过所述第一和第二杠杆臂和弯曲工具给予所述样本的弯曲和轴向应变，以及

所述第三激励器独立于所述第一和第二激励器由所述控制器同时操作。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括：流动路径，提供经过所述样本保持器的流体流。

5.根据权利要求4所述的系统，其中

所述流动路径包括提供经过所述样本保持器的脉动流的泵，所述脉动流向所述样本施加周向应变，以及

所述控制器进一步配置成根据由用户指定的第四模拟分布操作所述泵以控制所述周向应变。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一仿真负载为弹簧。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一仿真负载还包括阻尼器。

8.根据权利要求1所述的系统，其中表征所述模拟系统的所述共振频率大于约5Hz。

9.根据权利要求1所述的系统，其中表征所述模拟系统的所述共振频率大于约8Hz。

10.根据权利要求6所述的系统，其中所述弹簧由值比表征所述样本的硬度值大至少十倍的硬度表征。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述由用户指定的第一模拟分布由分布频率表征，所述分布频率的频率范围为4-10Hz。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述由用户指定的第一模拟分布由分布频率表征，所述分布频率的频率范围为12-30Hz。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一仿真负载为激励器。

14.一种操作高频多轴模拟系统的方法，所述系统包括测试固定器，所述测试固定器具有围绕共同转动点可旋转的第一和第二杠杆臂、弯曲工具以及样本保持器，所述方法包括：

通过第一激励器驱动第一仿真负载和所述第一和第二杠杆臂以改变所述样本保持器的弯曲角度，

通过第二激励器驱动第二仿真负载和所述弯曲工具以通过施压于所述样本保持器上而使所述样本保持器轴向应变以及使所述样本保持器弯曲，以及

根据由用户指定的第一模拟分布和第二模拟分布来操作所述第一和第二激励器；

其中

所述第一和第二仿真负载增加所述模拟系统的共振频率，以及

所述第一和第二仿真负载具有比所述样本保持器的硬度更大的硬度。

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