CN105683737B - 用于过载保护的测压元件探针 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种构建到探针(110)中的机电融合型构造，所述探针在材料试验期间接触样品(200)。公开的设计包括内部预加载压缩弹簧(106)和电接触开关(108)。被预加载到所需的安全负载的螺旋弹簧(106)导致探针组件(100)将负载从探针尖端(112)直接传递到测压元件用于在弹簧(106)附加压缩的点下方的负载。在弹簧(106)的挠度超过安全预负载时，弹簧(106)内部地压缩在探针联接件内，而非探针尖端(112)继续位移到样品(200)中，从而转换电接触开关(108)的状态并且停止材料试验设备(300)的运行。在另外的构造中，测压元件联接件的过多行进被检测，并且作为响应，停止材料试验设备的运行。

Description

用于过载保护的测压元件探针

本申请要求2013年11月6日提交的美国临时申请No.61/900,778的优先权，该临时申请的全部内容通过引用的方式并入本申请中。

背景技术

技术领域

本公开涉及用于测压元件探针的过载保护，使得在材料试验期间当探针施加过大的力时被测样品或器件受到保护。

现有技术

用于测量柔性表面在压缩下的力和位移的材料试验机使用具有探针的测压元件力传感器以接触被测样品。通过精密线性驱动系统将探针驱动到样品中并且通过线性或旋转式位置编码器测量位移。材料试验机具有软件，所述软件被设计成通过由测压元件经由探针接触柔性样品而提供的力反馈来命令和控制探针的位置。有一些应用，通常在自动化环境中，例如在工厂的装配线中，负载试验机连接至外部软件，外部软件发起运动命令以开始和停止试验以及收集和处理材料试验机的试验结果。

可能存在这样的情形，其中驱动轴的控制可能变得异常和不可预知。系统的异常行为的一个示例是将探针放置到样品中的驱动系统无意地以高速率驱动“开环”，从而将很高的负载引入到样品中。这种情况会损坏被测样品或附近设备和/或代表着对试验设备周围的人存在安全风险。在材料试验机的适当位置通常存在几种软件和电子速度及负载限制，期望它们停止这种偶然失去控制的运动。然而，在一些情况下，失去控制的情况要么发生太快，要么在控制软件的非通信状态或“意外停机”情况期间发生，由此软件或电限制无法及时反应并且无法通过正常手段防止碰撞事件。

使驱动系统的运动变得不可预知和失去控制的一些可能的原因可以是：

-驱动系统的硬件组件(马达、编码器、功率放大器、电缆)故障

-软件错误

-试验机的软件、硬件和固件之间的不兼容相互作用

-与命令和控制负载试验机的工厂的软件相互作用

-环境条件-操作员、功率尖峰或浪涌

限制对马达的扭矩的常用方法是在马达与驱动轴之间使用电气或机械摩擦滑动离合器。这种方法对于此设计而言并不令人满意，因为它不在负载/样品的作用点，并且因为系统在其正常运行期间牵引很高的电流，特别是当驱动系统需要加速和减速时。另外，摩擦离合器在这些情况下可能滑动，这将是不期望的。

发明内容

本公开提供了一种构建到探针中的机电融合型构造，该探针在材料试验中接触样品。公开的设计包括与内部预加载压缩弹簧联接的两件式探针和电接触开关。被预加载至所需的安全负载的弹簧导致探针组件将负载从探针尖端直接传递到测压元件用于在弹簧附加压缩的点下方的负载。在弹簧的挠度超过安全预负载时，弹簧内部地压缩在探针联接件内，而非探针尖端继续位移到样品中。在驱动系统施加附加位移时继续进行弹簧压缩，直到电接触断开。电接触连接到材料试验机的紧急停止，并且当其断开时，紧急停止被触发并立即关闭材料试验机，从而防止探针的任何进一步运动并且防止损坏样品。图1已示意性示出了探针在其正常状态下向样品施加轻负载。图2示出了探针联接件和弹簧经受超过安全预负载和位移极限的压缩，从而断开电接触并且触发紧急停止以停止材料试验机。

附图简要说明

本公开的其他目的和优点将从以下说明和附图变得显而易见，其中：

图1是在正常状态下的本公开的探针组件的第一实施例的剖视图。

图2是在安全或压缩状态下的本公开的探针组件的第一实施例的剖视图。

图3是本公开的第一实施例的拆开的探针组件的立体图。

图4是本公开的探针组件的第一实施例的详细视图。

图5是图4的探针组件的一部分的上平面图。

图6是图5和图5的探针组件的一部分的剖视图。

图7是在正常状态下的本公开的探针组件的第二实施例的剖视图。

图8是在安全或压缩状态下的本公开的探针组件的第二实施例的剖视图。

具体实施方式

现在详细参见附图，其中在附图中相同的数字表示相同的元件，可以看到，图1至图6公开了在正常状态(图1)、安全状态(图2)和拆开状态(图3)下的本公开的探针组件100(或探针联接件)的第一实施例。图1至图3示出了，探针组件100包括下壳体102和上壳体104，其中上壳体具有内部预加载压缩弹簧106和电接触开关108。探针110包括接触样品或测试表面200的下探针尖端112。

如图1所示，探针组件100包括圆柱形下壳体102，该圆柱形下壳体是中空的并且通常由不锈钢或类似金属制成。下壳体102包括与上内支撑壁105一体的外圆柱形壁103，该上内支撑壁包括外螺纹表面，被构造成与上壳体104中的内螺纹表面螺纹接合，由此上壳体104放置成以螺纹接合的方式与上内支撑壁105同心向外地邻接。下壳体102和上壳体104共用共同的纵轴。圆柱形上壳体104螺纹地接合在下壳体102的上内支撑壁105之上。下壳体102的外圆柱形壁103进一步包括侧孔107，塞子116延伸通过该侧孔，其中圆柱形塞子116的纵轴或旋转轴垂直于圆柱形下壳体102的纵轴或旋转轴。塞子116构造和布置成电连接至相关材料试验机300的紧急停止，使得材料试验机在电流流过塞子116时将运行(即，图1)，并且在接触开关108打开且电流不供应到塞子116时将触发紧急停止以停止材料试验机300和终止探针110的运动(即，图2)。

螺旋弹簧106位于上壳体104内并且以压缩模式装载。螺旋弹簧106的下端接合到下探针110的探针主体138。下探针110终止于下探针尖端112。测压元件联接件114从上壳体104的上盖115垂直且一体地延伸到材料试验机300。测压元件联接件300可以进一步包括放置在上盖115正上方的盘状停止元件119。下探针110延伸通过形成在下壳体102的下盖121中的孔123。

在图1中，电接触开关108形成在开关元件109与第一和第二半圆柱形电触头111、113之间，从而完成到塞子116的电路并且允许电流流过塞子116。然而，在图2中，当开关元件109升起时，与图2中所示的螺旋弹簧106的压缩一致，电接触开关108打开，此电路断开并且不允许电流在第一和第二半圆柱形电触头111、113之间流动并且没有电流流过塞子116。

如图1所示，螺旋弹簧106被预加载到所需的安全负载，从而在探针组件100中将负载经由测压元件联接件114从下探针尖端112直接传递到材料试验机300的测压元件以用于在螺旋弹簧106附加压缩的点下方的负载。换句话说，施加在下探针尖端112处的力通过预加载压缩弹簧106直接传递到上盖115和测压元件联接件114并最终到测压元件。如图2所示，在螺旋弹簧106的挠度超过安全预负载时，螺旋弹簧106内部地压缩在探针组件100的上壳体104内，而非下探针尖端112继续位移到样品或测试表面200中。螺旋弹簧106的压缩基于材料试验机300的驱动系统施加的附加位移继续进行，直到电接触开关108内的电接触断开。换句话说，在过载行进时，螺旋弹簧106压缩，从而导致探针组件100内的相对运动，直到电接触断开。弹簧106的刚度或胡克常数被选择使得这发生在所期望的力断点或阈值处。电接触开关108经由塞子116连接到材料试验机300的紧急停止，并且当其断开时，紧急停止被触发并立即关闭材料试验机300，从而防止探针110任何进一步动作并且防止损坏样品200。再者，图1示出了探针110在其正常状态下向样品200施加轻负载。图2示出了探针联接件和螺旋弹簧106经受超过安全预负载和位移极限的压缩，从而断开电接触开关108的电接触并且经由塞子116触发紧急停止以停止材料试验机300并且终止探针110的运动。

图4和图6示出了下壳体102的下盖121中的孔123的细节以及下探针110的细节。孔123包括具有直径减小的下开口134的下圆锥形部分132以及上圆柱形孔136。下探针110包括如上所述的接触样品200的下尖端112。下探针110进一步包括下尖端112上方的直径增大的下探针主体138以及下探针主体138上方的接触垫组件140。在此实施例中，弹簧106的下端可以通过卷绕下探针主体138而接合下探针110。如图5所示，接触垫组件140是具有第一、第二和第三径向延伸接触垫142、144、146的三叶状突起。下探针主体138的倒圆底缘137以基本上圆环接触的方式接触孔123的下圆锥形部分132。此环接触与螺旋弹簧106的嵌套力一起决定了下探针主体138的三个线性自由度(左右、前后和上下)。类似地，具有接触孔123的上圆柱形部分136的第一、第二和第三径向延伸接触垫142、144、146的接触垫组件140的构造通过圆盘以孔连接的方式决定了两种环形倾斜运动(前后和左右)。接触垫组件140的三叶状突起以线对线配合的方式适配到孔123的上圆柱形孔136中。第一、第二和第三径向延伸的接触垫142、144、146被使用，从而在部件过盈配合时允许接触垫轻微磨损。接触垫142、144、146可以由塑料制成以允许这种磨损。因为下探针110旋转对称，旋转自由度不受限制，所以旋转预期不影响探针组件100的机制。

图7和图8公开了本公开的探针组件100的第二实施例。此实施例类似于图1至图3的第一实施例。然而，从探针组件的内部移除了开关功能，使得省去了侧孔107、电接触开关108、开关元件109、第一和第二半圆柱形电触头111、113和塞子116。不过，相关试验机300(特别是行进检测器模块302)检测驱动系统的行进超过螺旋弹簧106的挠度所允许的预定阈值(由测压元件联接件114的位置证明)，如图8所示，并且关闭相关试验机300的驱动系统。

因此，最有效地获得了若干个上述目的和优点。虽然本文中已经公开并详细描述了本发明的优选实施例，但是应当理解的是，该发明决不局限于此并且其范围由所附权利要求的范围确定。

Claims (14)

1.一种用于材料试验的探针组件，包括：

探针，所述探针被布置和构造成与材料试验样品接触，所述探针进一步包括开关机构的组件，其中，在所述探针的第一位置中，所述开关机构闭合，并且在所述探针的第二位置中，所述开关机构打开；

测压元件联接件，所述测压元件联接件被布置和构造成由材料试验机驱动；

弹簧，所述弹簧放置在所述探针与所述测压元件联接件之间；

第一圆柱形壁部分，所述第一圆柱形壁部分包围所述探针的至少一部分，所述第一圆柱形壁部分包括第一盖，所述第一盖包括所述探针延伸通过的孔；

第二圆柱形壁部分，所述第二圆柱形壁部分包围所述弹簧的至少一部分，所述第二圆柱形壁部分包括第二盖，所述测压元件联接件从所述第二盖延伸；

所述弹簧，响应于低于预选阈值的力，在所述探针与所述测压元件联接件之间传递力并且将所述探针维持在所述第一位置中，使得所述开关机构处于闭合构造，并且，响应于高于预选阈值的力，压缩并移动所述探针到所述第二位置，使得所述开关机构打开。

2.根据权利要求1所述的探针组件，其中所述弹簧是在压缩状态下加载的螺旋弹簧。

3.根据权利要求1所述的探针组件，其中所述弹簧的第一端接合所述探针，并且所述弹簧的第二端嵌套在所述第二盖内。

4.根据权利要求3所述的探针组件，其中所述探针组件包括开关组件，并且所述开关组件包括延伸通过所述第一圆柱形壁部分的塞子。

5.根据权利要求3所述的探针组件，其中所述探针组件包括开关组件，并且所述开关组件被布置和构造成可操作地连接至所述材料试验机。

6.根据权利要求3所述的探针组件，其中所述探针组件包括开关组件，并且所述开关组件被布置和构造成电连接至驱动所述测压元件联接件的所述材料试验机的停止机构。

7.根据权利要求3所述的探针组件，其中所述第一圆柱形壁部分与所述第二圆柱形壁部分可分开。

8.根据权利要求7所述的探针组件，其中所述第一圆柱形壁部分包括内圆柱形壁部分，并且其中所述第二圆柱形壁部分同心地适配在所述内圆柱形壁部分之上。

9.根据权利要求1所述的探针组件，其中所述测压元件联接件包括机械停止元件以限制所述测压元件联接件行进到所述第二圆柱形壁部分中。

10.根据权利要求3所述的探针组件，其中所述探针包括用于接触所述材料试验样品的尖端。

11.根据权利要求3所述的探针组件，其中所述第一圆柱形壁部分和所述第二圆柱形壁部分具有共同的纵轴。

12.一种用于材料试验的探针组件，包括：

探针，所述探针被布置和构造成与材料试验样品接触，所述探针的一部分被第一壁部分包围，所述第一壁部分包括具有所述探针延伸通过的孔的第一盖；

测压元件联接件，所述测压元件联接件被布置和构造成由材料试验机驱动，所述测压元件联接件从第二壁部分的第二盖延伸；

弹簧，所述弹簧放置在所述探针与所述测压元件联接件之间；

所述弹簧，响应于低于预选阈值的力，在所述探针与所述测压元件联接件之间传递力并且将所述探针维持在第一位置中，并且，响应于高于预选阈值的力，压缩并移动所述探针到第二位置；

所述第二位置使所述探针行进超过预定阈值，其通过所述材料试验机来检测，并且所述材料试验机的运行通过检测到所述探针的行进超过所述预定阈值而终止。

13.根据权利要求12所述的探针组件，其中所述弹簧是在压缩状态下加载的螺旋弹簧。

14.根据权利要求12所述的探针组件，其中所述弹簧的第一端接合所述探针，并且所述弹簧的第二端嵌套在所述第二盖内。