CN109196234A - 用于材料测试系统的比例空气压力控制 - Google Patents

Abstract

本公开涉及比如在材料测试领域中采用的的气动夹具的电子控制系统，该电子控制系统使用比例空气压力控制。所公开的实施例允许可变的夹持压力，从而增加了用户/操作人员的安全性。此外，在达到适当的测试压力之前，材料测试不会开始。

Description

用于材料测试系统的比例空气压力控制

背景技术

本申请根据35U.S.C.119(e)要求2016年4月4日提交的美国临时申请序列号62/317,678的优先权，该申请出于所有目的以全文引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于如在材料测试领域所使用的气动夹具的控制系统，该控制系统使用比例空气压力控制。

现有技术

在现有技术中，材料测试系统通常利用气动夹钳或夹具在测试期间固定样本。材料测试系统制造商提供大量气动控制系统来打开和闭合夹具并调节压力。然而，存在着诸多挑战或问题，包括：在装载样本时，夹具可能在完全测试压力下闭合，进而引起安全问题；快速闭合可能会夹到使用者的手指或导致样本损坏；手动设定压力可能会影响结果的可重复性。此外，现有技术中可能存在的类似缺点是：手动设定针对每种样本类型的压力可能很耗时；该过程对于质量控制和结果的可重复性来说可能不够可靠；压力反馈的一些实施方式可能会影响结果的准确性；即使尚未达到适当的压力，现有技术的设备也可能继续进行测试；在设备的软件或固件中没有报告测试压力，使得在测试期间难以严格分析设备是否正常运行。图1是现有技术的一个示例。

一些现有技术包括欧洲专利申请EP 2631496A2，名称为“流体控制，特别是测试机器的气动控制(Fluid Control,in particular Pneumatic Control for TestingMachines)”。其他现有技术包括Zwick/Roell集团的“气动控制单元(Pneumatic ControlUnit)”的产品资料，文献号为PI 480 2.0812和PI 818 2.0912。

发明内容

本公开涉及材料测试系统的液压或气动部件的电子控制。

本公开的实施例通常具有夹持压力可变的优点，其中在安装模式中使用的是用户可调节的低夹持压力。这降低了夹伤的风险，从而提高了安全性。压力是可调节的，通常在一个最高1巴(15psi)的低范围内。低压力使得夹具的闭合速度变慢，从而给使用者留出时间避免伤害。

在夹具闭合并给出单独的命令后，压力迅速上升或迅速升至满载压力。固件在每次测试的基础上控制夹持压力，从而实现结果的可重复性。

这旨在提供一种本质上故障安全的设计。通过固件和/或软件记录并检查压力，并且如果未达到目标压力或设定压力则阻止测试的启动。

附图说明

从以下描述和附图中，本公开的其他目的和优点将变得显而易见，其中：

图1是现有技术的示意图。

图2是本公开实施例的示意图。

图3是本公开实施例的控制器固件的流程图。

图4是本公开实施例的固件的主要监控任务或执行器任务的流程图。

图5是本公开实施例的固件的压力控制任务的流程图。

图6是本公开实施例的固件的CAN总线通信任务的流程图。

图7是本公开实施例的固件的夹具闭合请求功能的流程图。

图8是本公开实施例的固件的夹具打开请求功能的流程图。

具体实施方式

现在详细参考附图，可以看到图2是本公开设备10的实施例的示意图。

提供了一种材料测试装置100。材料测试装置100通常包括垂直相对的上夹具102和下夹具104。上夹具102包括水平相对的上钳口面106、108，其响应于上气动输入110而被激活。同样，下夹具104包括水平相对的下钳口面112、114，其响应于下气动输入116而被激活。上、下气动输入110、116与歧管12流体(空气)连通，歧管12通过加压的空气源14(图示为具有120psi的压力，略高于材料测试装置100的典型期望操作压力)接收加压的空气。所述加压的空气最终操作钳口面106、108、112、114，但是由歧管12气动调节，歧管12又与电子气动控制单元16(通常实现为印刷电路板)电子通信并由电子气动控制单元16控制，来自加压的空气源14的加压的空气由第一输入电磁阀(充气阀)20接收，第一输入电磁阀(充气阀)20经由中间空气管线24与第二输入电磁阀(排放阀)22流体连通。包括蓄压器28的压缩空气管线26从中间空气管线24延伸，并包括将压缩空气提供给上夹具电磁阀32的第一分叉30和将压缩空气提供给下夹具电磁阀36的第二分叉34，分接管线38通向压力传感器40。

上夹具电磁阀32通过上夹具气动管线42向上夹具102的上气动输入110提供经气动调节的压力，从而操作上钳口面106、108。可选的第一压力开关44可以接入上夹具气动管线42，并通过第一压力开关信号线46向电子气动控制单元16提供控制信号。同样，下夹具电磁阀36通过下夹具气动管线48向下夹具104的下气动输入116提供经气动调节的压力，从而操作下钳口面112、114。可选的第二压力开关50可以接入下夹具气动管线48，并通过第二压力开关信号线52向电子气动控制单元16提供控制信号。

第二输入电磁阀22、上夹具电磁阀32和下夹具电磁阀36的排气口与排气管线60流体连通，排气管线60经由排气口62并且一般经由消声器64离开歧管12。第一和第二输入电磁阀20、22的各种状态的组合实现了歧管12的基本操作。当第一输入电磁阀20关闭时，压力不会从加压的空气源14传递到歧管12。当第一输入电磁阀20打开而第二输入电磁阀22关闭时，气压被提供给上、下夹具电磁阀32、36。当上、下夹具电磁阀32、36在空气压力下打开时，上钳口面106、108朝向彼此移动，下钳口面110、116朝向彼此移动。当第一和第二输入电磁阀20、22闭合时，空气压力从加压的空气源14传来，但通过排气口62排出，从而使得供给到上、下夹具电磁阀32、36的任何压力卸荷，并使得上钳口面106、108分开，下钳口面110、116也分开。

比例压力控制逻辑单元70(通常实现为印刷电路板)通过模拟压力命令线路或数模转换器76从电子气动控制单元16接收压力命令，通常是0到10伏之间的模拟值，对应于0-100psig的期望压力范围。比例压力控制逻辑单元70还经由线路78从压力传感器40接收电子压力信号。比例压力控制逻辑单元70使用该信息通过电气控制线72、74控制第一和第二输入电磁阀20、22的配置(打开或关闭)，其中电气控制线72、74由此控制加压的空气管线26和相关管线中的压力。

更具体地，电子气动控制单元16经由CAN总线88连接到材料测试控制器90。材料测试控制器90又通过以太网电缆或类似连接系统连接到运行材料测试应用程序的远程处理设备(未示出)。用于闭合上夹具102和下夹具104的所需方法压力和安全压力的值由操作人员或使用该软件应用程序的其他类似人员作为单独的参数输入。

电子气动控制单元16可选地接收来自第一和第二压力开关44、50的输入，并且如上所述，还经由线路71接收来自比例压力控制单元70的压力反馈信号。基于该信息，电子气动控制单元16分别通过线路80、82向上、下夹具电磁阀32、36发送夹具闭合信号，并且如前所述，通过模拟压力命令线路或数模转换器76向电子气动控制单元16发送压力命令。

此外，电子气动控制单元16包括模块86，该模块86可以向歧管12提供电力，并且进一步向总线88发送信息和从总线88接收信息，总线88可以连接到外部设备，例如材料测试控制器90、脚踏开关模块92和各种记录设备(未示出)。

现在参考如图3-8所示的固件的概览，电子气动控制单元16上的嵌入式软件或固件管理着上、下气动夹具102、104的施加压力和操作状态(打开或闭合)。在该电子气动控制单元上的微控制器(例如但不限于德州仪器的微控制器)上运行的固件通过CAN总线88与材料测试控制器90和脚踏开关模块92通信。材料测试控制器90发送专门针对应用程序的操作模式和压力参数，而操作人员发起的脚踏开关模块92发送触发信号以打开和闭合上、下气动夹具102、104。板载固件本地存储操作参数和模式，并响应于来自脚踏开关模块92的信号执行施加压力和打开和闭合夹具所需的步骤。夹具控制操作模式和压力由主系统软件设定，并依赖于具体的应用和测试样本。电子气动控制单元16使用每个操作模式的预定义的状态序列执行所请求的操作，而不需要专门针对应用程序的知识。

固件由三个主要任务组成，其在实时操作系统(RTOS)上同时运行以实现上述功能。所述任务如下：

1.主监控任务，如图4所示，其响应于经由CAN总线88到来的请求来协调序列的整体执行。

2.压力控制任务，如图5所示，其使用去往/来自比例压力控制器(PPC)PCB70的模拟输入和输出来设置和监控空气压力。

3.CAN总线通信任务，如图6所示，其接收来自脚踏开关模块92(见图6中框612、614)和材料测试控制器90(见图6中框616、618)的输入的安全和非安全消息，并按照CANopen和CANopen安全协议发送输出状态消息(见图6中框620、622、624、626、628、630、632、634、636)。

固件的逻辑流程通常如下：

1.当固件启动时，如图3中框300所示，其执行自检以检查其板载硬件的状态，如框302所示。如框304所示，结果保存在板上，随后通过CAN总线88报告给主控制器。

2.然后初始化板载硬件以打开夹具102、104并将压力保持在每平方英寸0磅(psi)，如框306所示。夹具状态通过连接到顶部和底部气动螺线管32、36的数字输出位来控制。如框308所示，通过写入数模转换器(DAC)将压力设置为0.0psi，数模转换器通过线路76向比例压力控制器70发送0.0伏信号。DAC和比例压力控制器70的校准相匹配，使得0至+10VDC数模转换器输出对应于0至100psi的请求压力。

3.图4所示的主监控任务或执行器任务等待消息到达其输入队列。图3中的框308和图4中的框400、402、404、406。

4.图5所示的压力控制任务休眠，等待压力变化请求到达其输入队列。图3中的框310和图5中的框500、502、504。

5.图6所示的CAN总线任务等待消息通过CAN总线88到达。图3中的框312和图6中的框600、602、604形成的循环。当消息到达时，任务会对其进行解码，并将其放在执行器任务的输入队列中。图6中的框606、608和610。

6.执行器任务，见图4，在新消息到达其输入队列时唤醒。图4中的框402、404、406、408。其继续执行请求的动作。消息包括：

a.操作人员从脚踏开关模块92发起的打开/闭合夹具请求。框410、412。

b.来自材料测试控制器90的夹具状态查询。框414、416。

c.来自材料测试控制器90的夹具模式请求/查询。框418、420。

d.来自材料测试控制器90的脚踏开关模块模式请求/查询。框422、424。

e.要求立即改变安全或方法压力。框426、428。

f.来自材料测试控制器90或其他CAN模块的系统状态变化(紧急停止、系统安全等级、材料测试状态等)。框430、432、434、436。

g.来自材料测试控制器90的压力设置参数更新/查询(安全压力(目标)、方法压力(目标)、当前压力)。框438、440。

h.来自材料测试控制器90的当前压力反馈查询。框442、444。

7.当随后从脚踏开关模块92接收到消息6a打开/闭合请求时，材料测试控制器90首先发送消息6c、6d、6g，以定义要使用的操作压力和夹具闭合顺序模式。消息6g中从材料测试控制器90接收的安全压力和方法压力参数由固件本地保存。安全压力通常可设置为0至15psi，而方法压力通常可设置在15至100psi的范围内。当接收到消息6a闭合夹具请求时，基于系统安全等级，固件自动将安全压力和方法压力施加到上夹具102和下夹具104。系统安全等级是一个全局系统参数，定义了整个材料测试系统的安全行为，包括夹具压力先后顺序。材料测试控制器90通过CAN总线88连续广播该消息(消息6f)。更具体地，当操作人员将方法压力和安全压力的期望值输入到软件应用程序中时，这些值通过以太网线缆或类似连接系统发送到材料测试控制器90。材料测试控制器又通过CAN总线88将这些值传送到气动控制单元16。控制单元16本地存储这些值，以便在本文所述的各种夹具和系统状态下，可以快速检索这些值，并将其转换成用于压力命令的等效0-10伏的模拟DC值，再通过线路76到达比例压力控制器70。

8.在处理消息6a时，图4的执行器任务随着与上夹具102和下夹具104的打开和闭合状态而协调对上夹具102和下夹具104的压力施加或移除。通过将系统安全等级、系统状态、夹具状态、脚踏开关模式、夹具控制模式、存储的安全压力、存储的方法压力、压力反馈和顶部/底部夹具螺线管输出控制位组合在一起来确定具体的操作顺序。使用增强安全等级(双压力模式)的系统的顺序的典型示例如下，如图7所示：

a.假设夹具状态＝两个夹具都打开；脚踏开关模式＝仅脚踏开关(默认)；夹具控制模式＝3步模式(默认)；安全压力＝6psi；方法压力＝90psi；系统状态＝测试机器已启用并准备运行。

b.操作人员踩下“闭合”脚踏开关踏板，导致“闭合夹具请求”CAN总线消息被广播。图7中框700，

c.CAN总线任务(见图6)接收到这个消息，并将其放在执行器任务的输入队列中(见图4)，以便进一步处理。

d.执行器任务在其输入队列中读取新的“闭合夹具请求”消息。其查看“夹具控制模式”，了解到必须首先闭合顶部夹具。然后其导通顶部夹具螺线管32(见图7中框702、704)，将调节空气源输出26连接到顶部夹具102。

e.执行器任务然后向压力控制任务发送消息，请求6psi的空气压力(安全压力)。

f.压力控制任务在其输入队列上接收消息，并将模拟压力命令线路或数模转换器76设置为输出0.6VDC，对应于6psi。结果，顶部夹具102使用6psi的压力缓慢闭合。图7中框702、704、706、708、710、712。

g.执行器任务向CAN总线通信任务的队列发送“夹具状态改变”消息，其指示“顶部夹具在安全压力下闭合”，然后CAN总线通信任务将消息从CAN总线88发送到材料测试控制器90。图7中框708。

h.一段时间之后，操作人员再次踩下“闭合”脚踏开关踏板，导致“闭合夹具请求”CAN总线消息再次被广播。图7中框700。

i.CAN总线任务接收此消息，并将其放在执行器任务的输入队列中以供进一步处理。图6中框610。

j.执行器任务在其输入队列中读取新的“闭合夹具请求”消息。其查看“夹具控制模式”和当前夹具状态，了解到顶部夹具已经在安全压力下闭合。图7中框714、716。这意味着下一步将闭合底部夹具104。然后其导通底部夹具螺线管36，将调节空气源输出26连接到底部夹具104。图7中框718。

k.执行器任务向CAN总线通信任务的队列发送“夹具状态改变”消息，其指示“两个夹具都在安全压力下闭合”，然后CAN总线通信任务将消息从CAN总线88发送到材料测试控制器90。图7中框720。

l.夹具保持在“两者都在安全压力下闭合”状态(图7中框722、724)，直到操作人员手动按下“模式”按钮以将整个系统置于“准备运行”状态。当这种情况发生时，材料测试控制器90通过CAN总线88发送系统状态改变消息6f。

m.CAN总线任务接收此消息(6f)并对其进行解码，并将新消息(6e)放在执行器任务的输入队列上，告诉它立即将压力更改为保存的“方法压力”。图6中框616、618。

n.执行器任务然后向压力控制任务发送消息，以请求90psi的空气压力(方法压力)。图4中框438、440。

o.压力控制任务在其输入队列中接收消息(图5中框500、502、504、506、508、510)，并将模拟压力命令DAC(线路76)设置为输出9.0VDC，对应于90psi。结果，随着压力开始上升到90psi，上夹具102和下夹具104的夹持力都有所增加。

p.压力控制任务使用微控制器的模数转换器通道监控来自比例压力控制逻辑单元70的压力反馈模拟输出(0-10VDC)(图5中框512、514)。当压力反馈已经达到请求压力的95％(在本例中为85.5psi)时，参见图5中框516，其将夹具状态改为“两个夹具在满载压力下闭合”，导致执行器任务将其发送到CAN总线任务，CAN总线任务又通过CAN总线88将其发送到系统的其余部分。图5中框518。应用软件将等待这条消息来通知它何时开始材料测试。

q.一段时间之后，在测试完成后，操作人员踩下“打开”脚踏开关踏板，导致“打开夹具请求”CAN总线消息(6a)被广播。图8中框800、802、804。

r.CAN总线任务接收此消息，并将其放在执行器任务的输入队列中以供进一步处理。

s.执行器任务在其输入队列中读取“打开夹具请求”消息。然后，其断开顶部和底部夹具螺线管32、36(图8中框806)，以断开到两个夹具102、104的调节空气源输出26，并允许它们通过排气口62排出其加压的空气。由于所有压力已经被移除，夹具102、104内的弹簧使夹具102、104打开。

t.执行器任务然后向压力控制任务发送消息，以请求0psi的空气压力(打开)。图8中框808。

u.压力控制任务在其输入队列上接收消息，并将模拟压力命令DAC(76)设置为输出0.0VDC，对应于0psi。由于在上述步骤s中，夹具102、104已经打开，该操作没有直接效果。然而，它增加了冗余度，以确保夹具打开，即使螺线管卡在“开”的状态。

v.执行器任务向CAN总线通信任务的队列发送指示“夹具打开”的“夹具状态改变”消息，然后CAN总线通信任务将消息从CAN总线发送到材料测试控制器90。图8中框810、812、814。

上述八个步骤描述了电子气动控制单元16上的固件的基本设计和操作。

因此，最有效地实现了上述几个目的和优点。尽管本文已经详细公开和描述了本发明的优选实施例，但是应该理解，本发明并不因此受到限制。

Claims (18)

1.一种用于控制材料测试装置中的压力的设备，包括：

用于接收与第一目标压力相关的电子命令的装置；

用于接收与第二目标压力相关的电子命令的装置，其中所述第二目标压力高于所述第一目标压力；

用于接收指示所述设备中的测量压力的信号的装置；

用于产生选择性地将所述第一目标压力或所述第二目标压力施加到输出的命令的装置，所述输出由材料测试装置的相对的夹具接收；

用于接收所述选择性地将所述第一目标压力或所述第二目标压力施加到输出的命令的装置，其中响应于第一命令施加所述第一目标压力，响应于后续命令施加所述第二目标压力；以及

处理装置，用于将所述测量压力与所述选择的第一或第二压力进行比较，并产生用于改变压力的压力控制信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一目标压力在对操作人员来说安全的范围内操作材料测试装置的所述相对的夹具。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一目标压力在0-15psi的范围内操作材料测试装置的所述相对的夹具。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二目标压力是材料测试装置所需的满载压力。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二目标压力在15-100psi的范围内。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述用于产生选择性地施加所述第一目标压力或所述第二目标压力的命令的装置是手动操作的。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述用于产生选择性地施加所述第一目标压力或所述第二目标压力的命令的装置是脚踏开关。

8.根据权利要求1所述的设备，其中用于第一和第二目标压力的所述电子命令响应于来自控制面板的手动输入而生成。

9.根据权利要求1所述的设备，其中用于第一和第二目标压力的电子命令从材料测试装置接收。

10.一种用于控制材料测试装置中的压力的方法，包括以下步骤：

接收与第一目标压力相关的电子命令；

接收与第二目标压力相关的电子命令，其中所述第二目标压力高于所述第一目标压力；

接收指示所述设备中的测量压力的信号；

产生选择性地将所述第一目标压力或所述第二目标压力施加到输出的命令，所述输出由材料测试装置的相对的夹具接收；

接收所述选择性地将所述第一目标压力或所述第二目标压力施加到输出的命令，其中响应于第一命令施加所述第一目标压力，响应于后续命令施加所述第二目标压力；以及

处理，包括将所述测量压力与所述选择的第一或第二压力进行比较，并产生用于改变压力的压力控制信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一目标压力在对操作人员来说安全的范围内操作材料测试装置的所述相对的夹具。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一目标压力在0-15psi的范围内操作材料测试装置的所述相对的夹具。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二目标压力是材料测试装置所需的满载压力。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二目标压力在15-100psi的范围内。

15.根据权利要求14所述的方法，其中用于产生选择性地施加所述第一目标压力或所述第二目标压力的命令的所述步骤是手动操作的。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述用于产生选择性地施加所述第一目标压力或所述第二目标压力的命令的步骤是通过脚踏开关发起的。

17.根据权利要求10所述的方法，其中用于第一和第二目标压力的所述电子命令是响应手动输入而产生的。

18.根据权利要求10所述的方法，其中所述用于第一和第二目标压力的电子命令从材料测试装置接收。