CN111051849A - 用于分析抗冲击性和抗穿刺性的系统 - Google Patents

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Abstract

本文描述一种用于分析膜样品的物理特性的方法和系统。所述系统包括材料固持器系统，所述材料固持器系统被配置为固持所述膜样品；落镖测试系统，所述落镖测试系统被配置为测试所述膜样品的物理特性；和移动系统，所述移动系统被配置为在站台之间移动所述固持的待分析或待测试的膜样品。所述移动系统被配置为将所述材料固持器系统中的所述固持的膜样品移动到所述落镖测试系统。

Description

用于分析抗冲击性和抗穿刺性的系统
技术领域
本发明涉及一种用于分析膜或薄片材料的抗冲击性和抗穿刺性的系统和工艺。
背景技术
表征材料的物理性质可用于分析和改进在材料生产中采用的化学配方以及分析和改进制造材料的工艺。表征物理性质还可帮助消费者为其具体用例确定最佳产品，以及帮助研究人员为特定应用开发新颖的解决方案。材料的有用物理性质中的一种为确定材料的穿刺性质。落镖测试向科学家提供对材料的高速穿刺性质的深刻理解。落镖测试通常涉及用以特定速度行进的特定尺寸的倒圆的圆柱形探针刺破薄膜，和测量由探针施予在薄膜上的力。
目前，对膜进行落镖测试以两种方式执行：手动放落式落镖系统和仪表式落镖系统。在两种情况下，系统依赖于重力使落镖探针朝向待测试的膜加速。通过夹持机构将膜绷紧固持在适当的位置。放落式落镖(DD)涉及将已知质量/重量物体放落到膜上。操作者观察膜是否被穿刺。此测试可对多个膜复制品用不同质量/重量物体重复多次。从结果估计所得膜的性质(通常仅总体能量)。然而，此系统使用起来很繁琐，不适合自动化操作，并且不提供对施加到膜的力曲线的性质的详细理解。
仪表式落镖冲击系统(IDI)更好地适合于通过将力传感器并入到用于穿刺膜的落镖探针上来从单一测试获得较丰富的数据。这是自动化落镖系统的当前技术现状。然而，即使利用此系统，膜的装载和卸载也是手动执行的。另外，此系统提供的所收集的数据量有限。
因此，仍然需要一种用于分析膜材料的抗冲击性和/或抗穿刺性的自动化工艺和系统。
发明内容
已经确定通过使用根据本公开的用于分析抗冲击性和/或抗穿刺性的系统和方法，使工艺自动化，通量增加，并且提高了从测试收集的数据的量。
本公开的一个方面是提供一种用于分析膜样品的物理特性的系统。所述系统包括材料固持器系统，所述材料固持器系统被配置为固持膜样品；落镖测试系统，所述落镖测试系统被配置为测试膜样品的物理特性；和移动系统，所述移动系统被配置为在站台之间移动所固持的待分析或待测试的膜样品。移动系统被配置为将材料固持器系统中的固持的膜样品移动到落镖测试系统。
本公开的另一个方面是提供一种用于分析膜样品的物理特性的方法。所述方法包括通过连接到移动系统的材料固持器系统来固持膜样品；通过移动系统将膜样品移动到落镖测试系统；和使用落镖测试系统测试膜材料的物理特性。
附图说明
本公开以及结构的相关元件的操作方法和功能以及制造的各部分和经济性的结合将在参照附图考虑以下描述和所附权利要求书时变得更加显而易见，所有这些均形成本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各个附图中的对应部分。然而，应明确地理解，附图仅用于说明和描述目的，并非旨在作为对本发明的限制的定义。
图1示出根据本公开的实施例的系统的示意图；
图2示出根据本公开的实施例的机器人系统的三维透视图；
图3示出根据本公开的实施例的材料固持器系统的三维透视图；
图4示出根据本公开的实施例的厚度测量系统的部件的三维透视图；
图5示出根据本公开的实施例的材料图像分析器系统的三维透视图，所述材料图像分析器系统用于分析膜样品中的缺陷；
图6A是根据本公开的实施例的夹持系统的三维透视图；
图6B示出根据本公开的实施例的夹持系统的剖视图；
图7A和图7B示出根据本公开的实施例的由夹具组件夹持的膜样品的初始视频帧和最终视频帧；
图8A和图8B示出根据本公开的实施例，当落镖刚撞击膜样品时来自膜样品的帧(图8A)和当使膜样品最大程度地拉伸时(刚好在穿刺之前)来自膜样品的帧(图8B)；
图9示出根据本公开的实施例的落镖探针机构的三维透视图；
图10示出根据本公开的实施例的落镖探针的三维透视图；
图11A和图11B分别示出根据本公开的实施例，刚好在落镖探针与膜样品接触之前和在落镖探针与膜样品接触且刚好在穿刺前将膜拉伸到最大之后的由夹具夹持的膜样品的侧视图；
图12A是根据实施例，从探针的移动开始到探针的完全停止，施予在探针上的力(N)与时间(s)的曲线图；
图12B是根据本公开的实施例，从对膜样品的冲击时点到膜样品的穿刺完成，施予在探针上的力(N)与时间(s)的曲线图；
图13A和图13B示出根据本公开的实施例的力(N)与位移(m)的曲线图；
图14示出根据本公开的实施例的使用材料固持器系统拾取膜样品的机器人系统；
图15示出根据本公开的实施例的使用材料厚度测量系统测量样品的厚度；
图16示出根据本公开的实施例的使用材料图像分析器系统执行缺陷分析；
图17A示出根据本公开的实施例，机器人系统从落镖测试系统拾取测试过的膜样品。
图17B示出根据本公开的实施例，机器人系统将新的未测试过的膜样品放置在落镖测试系统中；并且
图18示出机器人系统处置测试过的膜样品。
具体实施方式
根据本公开的实施例，测试薄膜材料的抗冲击性和抗穿刺性的工艺可以是自动化的。自动化落镖测试系统的想法来源于各种行业中对高通量(HTP)测试的需要。测试大量材料和获得可相对快速地收集并分析趋势的数据的较高速率允许对感兴趣的领域进行更详细的研究。开始HTP测试设置所需的一个特征为连续(或接近连续)操作。通过允许系统不停地运行，其增加所执行的测试量。所述系统与手动测试系统相比还允许提高单次测试的速度。这是使用机器人代替人类研究人员或操作者来实现的，因为机器人可在不中断的情况下运行更长的时间。可用于在不牺牲精度的情况下增加系统通量的第二特征为并行执行多个测试。第三特征为所述系统与基于人的测试系统相比为可重复并且统一的。本公开的实施例采用这些特征来提供可极大增加测试的样品数量的测试设置。
除了与吹塑膜生产线集成之外，也可将用于分析薄膜的抗冲击性和抗穿刺性的本系统集成到现有的吹塑膜实验室中。通过能够自动并且相对快速地进行测试，实验室将能够使用本系统清除其积压的测试。
此外，本系统允许测试各种材料膜，包括测试聚合膜(例如，塑料)和非聚合膜。另外，本系统可用于测试各种厚度的膜或基材，包括厚度为至多1mm或更高的基材。基材可以是例如聚合薄板、金属薄片、纸片或其它复合材料。因此，本文中使用术语“膜”、“膜样品”或“膜材料”以涵盖各种类型的材料(例如，塑料、纸、金属或复合材料)和各种厚度的材料。在一种情况下，系统允许测试其它制作的材料，如通过注射模制和其它塑性成形手段形成的那些材料。
从以下段落可理解，根据本公开的实施例的系统以高效的方式完成一组任务。任务包括测量膜样品的厚度；以视觉方式来分析膜在测量区域中将影响分析的缺陷；测量膜在冲击下的强度和能量耗散；将膜样品装载到测试站台中，对膜进行测试；和从测试站台中移除测试过的膜。在实施例中，系统允许在由ASTM F1306描述的位置处测量膜的厚度；使用相机和机器视觉分析技术分析膜在落镖冲击测量区域中的缺陷；使用确保膜分离以用于一致装载的系统将膜装载到测试站台中；执行膜样品的落镖冲击分析；并执行结果的自动计算。
图1示出根据本公开的实施例的系统的示意图。在本公开的实施例中，用于分析抗冲击性和抗穿刺性的系统10包括机器人系统12、材料固持器系统14、材料厚度测量系统16、材料图像分析器系统18和落镖测试系统20中的一者或多者。机器人系统12、材料固持器系统14、材料厚度测量系统16、材料图像分析器系统18和落镖测试系统20可位于工作表面22或共同框架上。可使用计算机系统24控制机器人系统12、材料固持器系统14、厚度测量系统16、材料图像分析器系统18和落镖测试系统20。还可提供递送系统。递送系统可包括一个或多个托盘，所述托盘将样品递送到工作表面，在所述工作表面处，机器人系统12和材料固持器系统14可从一个或多个托盘取回膜样品。
图2示出根据本公开的实施例的机器人系统12的三维透视图。在实施例中，机器人系统12是六轴机器人臂系统，如由爱普生公司(Epson Corporation)制得的Epson C4L机器人。根据实施例，Epson C4L机器人系统具有900mm(～35″)的最大接触距离。机器人系统12被配置为在设置于工作表面22或共同框架上的站台之间移动待分析或待测试的膜样品。举例来说，机器人系统可连接到材料固持器系统，如下文结合图3所描述的。除图2中所示的机器人臂之外的其它类型的机器人系统可用于在设置于工作表面22上的站台之间移动膜样品。
图3示出根据本公开的实施例的材料固持器系统的三维透视图。材料固持器系统14连接到图2中所示的机器人系统12的一个端部。举例来说，在实施例中，使用紧固件将材料固持器系统14附接到机器人系统12的臂。材料固持器系统14被配置为固持和移动膜样品。在实施例中，材料固持器系统包括适于通过真空抽吸固持膜样品的真空抽吸系统30。在实施例中，真空抽吸系统30包括两对吸盘32，所述吸盘32被配置为在膜的每个拐角上基本上平坦地固持膜样品，以便防止膜下垂。在实施例中，真空抽吸系统进一步包括第三对吸盘34，以便提高使膜样品围绕工作表面移动的效率。举例来说，通过提供第三对吸盘34，可在放置新的膜样品38用于测试时，同时拾取先前测试过的膜样品36。
尽管本文中将吸盘描述为用于固持膜样品，但根据材料的类型，其它机构或系统也可用于固持膜样品。举例来说，吸盘可较适合于固持非多孔和相对较轻的样品，如各种塑料和聚合物材料。因此，如果例如使用多孔材料，则吸盘可由其它固持机构(如磁体、固定夹或一些其它类型的抓持机构)替换。
图4示出根据本公开的实施例的厚度测量系统的部件的三维透视图。厚度测量系统16被配置为在例如0.5密耳(12.7微米)至10密耳(250微米)的较宽的厚度范围内测量膜样品的厚度。厚度测量系统16被配置为使用接触板40和探针41测量膜的厚度。接触板40和探针41通常是平坦的并且接触其相对表面上的膜，并且将膜的厚度测量为接触板40与探针41之间的距离。接触板40和探针41两者的表面足以避免在测量期间穿刺膜样品。接触板40和探针41具有分散厚度计的力并且防止膜样品在测量期间发生变形的益处。举例来说，接触板40和探针41可被配置为用于柔性且可弯曲的材料或用于较刚性的样品。
厚度测量系统16还包括高精度数字接触传感器44(例如，来自基恩士公司(Keyence Company)的基恩士GT2系列)。传感器44用于将膜样品的厚度测量到1微米(0.04密耳)的精度。针对传感器44的精度选择传感器44。探针41机械地联接到传感器44。厚度测量系统16还包括倾斜件42，所述倾斜件42被布置成使得膜样品(未示出)不会卡在传感器44的顶部或底部接触件上。一旦膜处于接触板40与探针41之间的适当位置，将来自空气压力系统46的加压空气施加到传感器44来延伸联接到传感器44的轴45，并且施加到探针41来移动探针41以测量膜厚度。
尽管描述并且使用机械类型的厚度测量系统16，但是还可采用其它类型的厚度测量系统。举例来说，在另一个实施例中，厚度测量系统16包括适于使用激光束确定厚度的激光距离测量传感器。举例来说，双激光厚度分析器可用于测量膜样品的厚度。在又一个实施例中，电容测量系统可用于测量膜的厚度。电容(或通常阻抗)测量系统是基于跨越材料测量电容(或阻抗)。
返回参照图1，在厚度测量系统16处的厚度测量之前或之后，通过机器人系统12将膜样品移动到材料图像分析器系统18。图5示出根据本公开的实施例的材料图像分析器系统的三维透视图，所述材料图像分析器系统用于分析膜样品中的缺陷。在实施例中，材料图像分析器系统18是基于偏振光的原理。本文中使用术语“缺陷”包括膜样品中的任何瑕疵或不规则性。材料图像分析器系统18被配置为检测待测试的膜样品中的缺陷。偏振光源18A用于照射分析器系统18内的膜，同时消除任何环境光。在光穿过膜之后，它由装配有偏振滤光器的相机18B捕获。完美形成的膜不散射来自光源的偏振光，因此产生完全清晰的图像。然而，膜中的任何瑕疵/缺陷都散射由相机检测到的光。然后，机器视觉算法识别并且标记具有显著缺陷的膜。因此，材料图像分析器系统18是基于检测当穿过膜样品的偏振光受样品中存在的某些物理缺陷影响时所引起的缺陷。因为材料图像分析器系统依赖于光的偏振，所以当待测试的材料发生改变时，偏振也可改变，这将潜在地指示在不存在缺陷的情况下存在缺陷。然而，作为分析方面的一部分，缺陷或不规则性分析将转移到数据解释上，并且通过查看膜的结果范围并且基于标准偏差和与平均值的距离来识别离群值来进行所述分析。因此，确定缺陷的本方法与材料无关，并且为解决问题的更通用的解决方案。在实施例中，替代地，材料图像分析器系统18可包括被配置为对缺陷的类型进行定量和识别的凝胶测试器。凝胶测试器的实例包括光学控制系统(OCS)测试器。可替代地使用除上文所描述的材料图像分析器系统以外的其它类型的材料图像分析器系统。举例来说，光学透光率分析器系统或超声波缺陷检测系统可用于检测膜样品中的缺陷。
在缺陷分析之后，通过机器人系统12将膜样品移动到落镖测试系统20。落镖测试系统被配置为测试膜样品的物理特性。在实施例中，物理特性包括膜样品的弹性和强度。参照图6A和图6B，落镖测试系统20包括膜夹持系统60。图6A是根据本公开的实施例的夹持系统60的三维透视图。图6B示出根据本公开的实施例的夹持系统60的剖视图。膜夹持系统60在确保测试的精度方面起作用。夹持系统60包括两个钳口62A和62B。在实施例中，钳口62A和62B为圆形，即具有圆形或环形形状。然而，钳口62A和62B还可具有不同形状，如多边形形状。在实施例中，两个钳口62A和62B包含当使钳口62A、62B抵靠彼此闭合时，彼此完全或部分地配合的相对应的表面几何形状。举例来说，如图6B的剖视图中所示出的，上钳口62A设置有凹槽64A和脊部65A的图案。下钳口62B设置有相匹配的凹槽64B和脊部65B。上钳口62A中的脊部65A被配置为与下钳口62B中的凹槽64B配合。下钳口62B中的脊部65B被配置为与上钳口62A中的凹槽64A配合。凹槽64A、64B和脊部65A、65B被配置为在两个钳口62A、62B相对于彼此闭合时将膜牵拉绷紧。凹槽64A、64B和脊部65A、65B进一步被配置为使得在所述过程中无不当应力施加在膜上。在实施例中，凹槽和脊部为圆形。在实施例中，脊部宽度稍微小于凹槽宽度，以便提供足够的空间，用于使膜样品卡在相对的脊部和凹槽之间但不被相对的脊部和凹槽切割。钳口62A和62B限定位于中心的孔口，如孔66。在实施例中，中心孔66的直径为3″(7.6cm)(通过ASTM测试标准指定)。两个钳口62A和62B由平行钳口气动抓持器68(获自雄克(Schunk))致动，可致动平行钳口气动抓持器68以打开和闭合钳口62A、62B。在实施例中，底部钳口62B包括四个吸盘63(图6A中所示)，所述吸盘63在膜夹持系统60打开时将膜固持在适当位置。除在图6A和图6B中示出的夹具之外的其它夹具可用于在落镖测试期间固持膜样品。在实施例中，由平行钳口气动抓持器68施加10psi(0.68巴)至50psi(3.45巴)之间的压力(例如，15psi(1.03巴))，以闭合两个钳口62A和62B来将膜样品固持在其间。然而，其它压力是可能的，前提是所施加的压力不剪切膜样品。
测试夹具组件60的功能以确认(a)当夹具闭合时将膜样品牵拉绷紧，并且不存在由于夹具引起的膜的不当应力/拉伸，和(b)膜样品在整个测试过程中在夹具中不滑动。高速相机系统用于帮助收集这些研究的定性数据。
为了测试夹具组件60将膜牵拉绷紧的功效，将具有不同等级的褶皱和折痕的多个膜样品放置在夹具中以进行不同的测试。当夹具组件60在膜上闭合时，从夹具组件60上方捕获高速视频。
图7A和图7B示出根据本公开的实施例的由夹具组件60夹持的膜样品的初始视频帧和最终视频帧。图7A中的初始帧示出了膜中的一些褶皱。然而，在闭合夹具系统60时，图7B中的最终帧清楚地示出膜已被牵拉绷紧。在将膜样品放置于夹具组件60中之前，在膜样品上绘制同心圆。帧还示出当夹具组件60闭合时，圆的形状未显著更改。因此，夹具组件60在将膜样品牵拉绷紧时不会对膜样品产生负面影响。
在由夹具组件60固定膜样品后，使落镖移动通过膜样品，并且再次捕获测试的高速视频。图8A和图8B示出根据本公开的实施例，当落镖刚撞击膜时来自膜样品的帧(图8A)和当使膜最大程度地拉伸时(刚好在穿刺之前)来自膜样品的帧(图8B)。图8A和图8B中的两个帧图像示出最接近夹具钳口的膜样品的边缘保持在适当位置，指示膜样品不会在夹具组件60中滑动。针对相对较薄的膜(0.5密耳或12.7微米)和相对较厚的膜(10密耳或254微米)执行以上测试，并且在两种情况下，结论都是相同的。
参照图9，落镖测试系统或装置20还包括落镖探针机构90。图9示出根据本公开的实施例的落镖探针机构90的三维透视图。落镖探针机构90包括落镖探针92和移动落镖探针92的推进系统94。在实施例中，推进系统94包括线性马达96(例如，来自LinMot USA公司(LinMot USA，Inc.)的LinMot线性马达)和用于控制线性马达96的控制器(未示出)。线性马达96被配置为用于相对较高的加速和减速，同时精确地遵循规定的运动分布。在实施例中，线性马达提供了以下灵活性：从相对较低的速度(0.04m/s)到相对较高的速度(4m/s)改变或选择落镖探针的目标速度，以及在抗穿刺性和落镖冲击测试期间调节速度，同时达到可允许的运动范围内的目标速度。此外，线性马达提供当落镖探针与线性马达联接时快速且容易地取回落镖探针的益处。控制器可使用具有基于所估计的马达参数的前馈补偿的常规比例-积分-微分(PID)控制器。通过计算机系统24将指令发送到控制器(参见图1)。计算机系统24与控制器通信，并且计算机系统24被配置为将命令信号发送到控制器以控制线性马达96。计算机系统24被配置为将命令信号发送到控制器以加载轨迹并且根据所加载的轨迹移动落镖探针92。类似地，通过计算机系统24从PID控制器接收反馈数据。将落镖探针92附接到线性马达96的可移动滑动件95，而例如通过柱97将定子固定到工作表面22或框架。因为落镖探针92由线性马达96控制，所以落镖探针92的取回过程比现有技术系统更快且更安全，从而使自动化、高通量的膜测试成为可能。然而，除线性马达96外的推进系统可用于移动落镖探针92。举例来说，液压系统或气动系统(例如，使用压缩空气)还可用于移动落镖探针92。还可使用马达代替线性马达96来移动落镖探针92。
装置20的落镖测试系统进一步包括力传感器99。力传感器99被配置为测量在落镖探针92的移动期间落镖探针92经受的力。在实施例中，力传感器99是安装在落镖探针92的底部处(例如在落镖探针92与马达94的滑动件95之间)的压电力传感器，用于在落镖测试期间测量力信号。压电传感器能够精确地测量快速变化的力。压电传感器较适合于测量来自落镖探针92的经历快速变化的力分布的力。尽管本文中使用压电传感器来在落镖测试期间测量力，但也可使用其它类型的传感器来测量力。
落镖冲击测试与ASTM D1709标准相关，而抗穿刺性测试与ASTM F1306标准相关。落镖测试系统20被配置为用于更好的速度调节和更快的探针取回。通过互换落镖探针92，落镖测试系统20可在低速度下执行抗穿刺性测试并且在较高速度下执行落镖冲击测试。
图10示出根据本公开的实施例的落镖探针的三维透视图。在实施例中，落镖探针92如通过ASTM测试标准所指定而构建。在实施例中，落镖探针92是直径为0.5″(1.27cm)的圆柱形棒102。在实施例中，圆柱形棒102的直径在0.2″(0.51cm)至1″(2.54cm)之间。落镖探针92还具有半球面端部104，如通过ASTM标准所指定。半球面形状使应力集中最小化。根据实施例，半球面端部104可具有0.25英寸(0.63cm)的半径，如通过ASTM测试标准所指定。尽管ASTM标准指定探针由钢制成，但这将使探针沉重。因此，在实施例中，为了使落镖探针92的重量最小化，将落镖探针92构造为中空的。另外或替代地，落镖探针92由铝制成。为了确保落镖探针92遵守ASTM标准，尖端104可由钢制成。在实施例中，使用例如胶或螺钉将尖端104紧固到圆柱形棒102。探针的总长度为约10″(25.4cm)。在实施例中，探针的总长度在6″(15.2cm)至约16″(40.6cm)之间。落镖探针92的重量为大约90g。在实施例中，落镖探针92的重量在50g至200g之间。
为了执行高速落镖冲击测试，ASTM标准要求落镖探针在对待测试的膜样品冲击的时刻以3.3m/s(优选地，基本上恒定)行进，并且继续以不小于所述速度的80％行进直到膜样品被穿刺为止。在实施例中，落镖探针92的速度在对膜样品冲击时为3.3m/s，并且速度保持大于3.3m/s的80％直到膜样品被落镖探针92穿刺为止。为了在合理的行进距离上实现此速度分布，可能需要谨慎规划轨迹。轨迹存在三个阶段：在与膜样品接触之前从静止到3.3m/s的加速、3.3m/s的恒定速度，和在膜样品被穿刺之后从3.3m/s到静止的减速。归因于加速和减速，力传感器99在加速和减速阶段中记录G-力。如将在以下段落中进一步解释，舍弃来自加速和减速阶段的数据。理想地，这些力将不存在于轨迹的恒定速度部分中，并且将不会由于探针对薄膜样品的冲击而损害力测量结果。然而，如果加速分布太具激进性，则PID位置控制系统最初无法跟上目标位置，并且最终使恒定速度区中的目标速度过冲。这在落镖的运动中产生振荡，所述振荡在力传感器99中反映。为了避免此不期望的情形，可建立平滑轨迹以最小化加速度的突然变化。可调节PID控制器上的增益以确保系统为过阻尼或不振荡的。尽管落镖探针92的速度在上文描述为在冲击时等于3.3m/s，但可将落镖探针92的速度从用于执行抗穿刺性测试的相对较低的0.04m/s调节到用于执行高速落镖冲击测试的4m/s。
图11A和图11B分别示出根据本公开的实施例，刚好在落镖与膜样品接触之前和在落镖与膜样品接触且刚好在穿刺前将膜样品拉伸到最大之后的由夹具夹持的膜样品的侧视图。
为保持测试条件对于待测试的所有膜样品基本上相同，针对测试样品选择共同膜格式。举例来说，在一个实施例中，选择6″×6″(15.2cm×15.2cm)膜块作为共同格式。举例来说，此大小足够大以安全地固持在直径为3″(7.6cm)的夹具60中以用于落镖测试。此外，常规的裸片可用于以这种格式切割膜。然而，如可理解的，也可使用其它大小和格式。
落镖系统的实例性测试程序包括以下步骤：
(a)如图14所示，由机器人系统12使用材料固持器系统14拾取膜样品，
(b)如图15所示，使用材料厚度测量系统16测量膜样品的厚度，
(c)如图17A和图17B所示，将膜样品放置在落镖测试系统20中的夹具60中。图17A示出机器人系统12从落镖测试系统20拾取测试过的膜样品。图17B示出机器人系统12将新的未测试过的膜样品放置在落镖测试系统20中。
(d)移动落镖测试系统20中的落镖探针92，
(e)由计算机系统24收集落镖测试的数据和结果，以及
(f)如图18所示，处置测试过的膜样品。
任选地，测试程序还可包括使用材料图像分析器系统18对膜样品执行缺陷分析，如图16所示。
样品可包含6″(15.2cm)正方形膜。
关于步骤(a)，可将6″(15.2cm)正方形膜放置在样品接纳器上，并开始测试序列。机器人系统12使用材料固持器系统14拾取膜样品。在实施例中，以适当的速度执行拾取运动以避免膜样品的掉落。
关于步骤(b)，机器人系统12将膜移动到厚度测量系统16。在实施例中，由厚度测量系统16进行两次单独的测量。在不存在膜样品的情况下执行第一次测量以获得零读数，并且在膜样品在适当位置的情况下执行第二次测量。第二次测量和第一次测量之间的差异提供膜样品的厚度。通过为每个读数测量零值，厚度测量系统16可考虑到传感器中的任何长期漂移/累积。然而，如果零值可信(即零值不随测量改变)，那么也可执行一次零值测量。替代地，可在多次测量之后或以定期的时间段测量零值，以考虑到可随时间发生的任何潜在漂移。
关于步骤(c)，当膜样品准备好用于测试时，将落镖测试系统20的夹具60打开，并且附接到机器人系统12的材料固持器系统14首先移除夹具60中的任何旧的膜(如果膜存在于夹具中)，并且将新的膜样品放置在夹具60中。如图3以及图17A和图17B所描绘的，这是通过以下来实现的：控制材料固持器系统14上的真空吸盘34以从夹具60抓住并移除任何使用过的/测试过的膜36(参见图17A)，并且控制一对真空吸盘32以固持新的膜样品38并将新的膜样品38放置在夹具60的两个钳口62A和62B之间(参见图17B)，同时仍然利用真空吸盘34固持测试过的/使用过的膜36。通过使用一对真空吸盘34，可同时抓住并拾取先前测试过的膜样品36，同时抓住并放置新的膜样品38进行测试。这提高了整个系统的效率。代替移动机器人系统12以移除测试过的膜并且然后放置新的膜样品以进行测试，机器人系统12的单次移动拾取测试过的膜样品，同时放置新的膜样品以进行测试。然后控制夹具60上的一组吸盘63(参见图6A)，以将膜样品36固持在两个钳口62A和62B之间的适当位置。如图18所示，通过用机器人系统12移动材料固持器系统14并将已经测试过的膜样品放置在用于处置的区域中来移除已经测试过的膜样品。一旦具有材料固持器系统14的机器人系统12从夹具60的空间撤回，就使夹具60闭合，并且将放置的新膜样品固持绷紧在夹具60的钳口62A与62B之间。因此，新的膜样品准备好进行测试。
关于步骤(d)，当启动系统时使线性马达96(参见图9)初始化，包括将线性马达96(参见图9)复位到一致开始位置。在实施例中，一旦初始化线性马达96，就可在不重新初始化线性马达96的情况下运行多个测试。在实施例中，可周期性地(例如，每天)重新初始化落镖测试系统20的线性马达96，以确保线性马达96返回到相同开始位置。然后，落镖测试系统20的落镖探针92由计算机系统24移动，指示落镖测试系统20的PID控制器加载指定轨迹，并且将命令发送到线性马达96以移动落镖探针92。
关于步骤(e)，还通过计算机系统24将命令发送到数据采集系统，所述数据采集系统与计算机系统24通信并且与力传感器通信，所述力传感器在落镖测试期间测量力信号以开始数据收集。此命令可与落镖命令的移动基本上同时发送，或还可与落镖命令的移动依序发送。在测试完成之后，马达返回到其初始位置。
关于步骤(f)，使用过的膜样品接着可使用机器人系统12由材料固持器系统14提升，并且放置于垃圾箱中，所述垃圾箱可由操作者周期性地清空。这完成循环并且系统返回到其初始状态，即准备好拾取下一个膜样品，例如从接纳器拾取或当其到达接纳器时。
根据实施例，机器人系统12将膜样品移动到材料图像分析器系统18。如以上段落中所述，在用偏振光照射的同时，通过偏振滤光器捕获膜的图像。可存储图像以进行进一步分析(稍后的自动化图像分析或手动分析)，用于确定膜样品是否具有任何缺陷或将显著影响测试结果的任何缺陷。
除控制落镖测试和收集落镖测试的数据和结果之外，在实施例中，计算机系统24可进一步被配置为在膜样品进行各种测试时追踪膜样品，使得厚度测量、缺陷分析和落镖测试信息对于每个样品相关并且存储以供稍后参考和分析。因此，例如，可标记来自有缺陷的样品的测试数据，并且评估应该依赖所述测试数据还是舍弃所述测试数据。
通常，从膜样品的冲击到穿刺的时间为约几毫秒。另外，对所采集的冲击信号的快速傅里叶分析示出约20kHz的频率信息内容。因此，可在高于20kHz下执行取样频率(数据收集速率)。所捕获的数据的频谱示出较低频率下的相关数据和较高频率下的任何噪声。可使用低通滤波器消除噪声。
如上文所陈述，传感器用于测量探针所经受的力。在实施例中，单轴力传感器用于在落镖系统中测量力。如上文所解释，在实施例中，由于压电传感器的高带宽(36000Hz)并且因此其测量力的快速变化的能力而选择压电传感器。在实施例中，选择来自PCBPiezotronics的单轴力传感器，型号ICP力传感器，208C02。此压电传感器在Z方向上具有100lb.(等效于444N的力)的负载容量。此传感器被配置为用于动态力应用。传感器上的任何静态负载将最终返回到零。
在实施例中，为确认落镖在冲击时和通过穿刺膜的过程的速度，通过求取位置信号的数字导数来计算落镖速度。为了消除通过此过程引入的任何数字噪声，使用类似于用于对力信号进行滤波的滤波策略的低通滤波策略。
在实施例中，与落镖测试系统20通信的计算机系统24被配置为从落镖测试系统20收集或采集力数据。在实施例中，落镖测试系统20中的数据收集在落镖移动时开始，并且在落镖在其行程的顶部处停止时结束。这确保延迟和计时考虑不影响在落镖与膜样品接触时收集的数据。因此，为了隔离所收集的数据内的数据的相关部分，优选地截断所收集的数据。这使用指示落镖与膜接触的时间的来自冲击传感器的数据来执行。当测量的力降到零时指示穿刺完成。然而，由于力信号的滤波，力可能不会下降到零。因此，在实施例中，使用未经滤波的力信号识别穿刺完成时点。
图12A是根据实施例，从探针的移动开始到探针的完全停止，施予在探针上的力(N)与时间(s)的曲线图。此曲线图示出对应于探针的加速的第一宽峰、对应于探针与膜样品的接触的尖峰，和对应于探针的减速的第二宽峰。
图12B是根据本公开的实施例，从对膜样品的冲击时点到膜样品的穿刺完成，施予在探针上的力(N)与时间(s)的曲线图。
表2
Figure BDA0002398348120000161
科学家寻求根据由落镖系统收集的力数据计算出的一些关键度量。这些度量帮助基于其应用来表征膜。表2中概述了这些度量以及它们的单位、描述和如何计算它们的简要描述。
图13A示出根据本公开的实施例的力(N)与位移(m)的曲线图。在图13A上指示了力的峰值或最大力，以及对应于直到最大力的力曲线下的面积的峰值能量。能量对应于力与距离或位移的积分。在实施例中，梯形方法用于计算能量或力的积分。然而，如可理解的，可使用其它计算方法。
图13B示出根据本公开的实施例的力(N)与位移(m)的曲线图。在图13B上指示了力的峰值或最大力，以及对应于直到总位移的力曲线下的面积的总能量。
在已经测试了单一类型的膜的所有复制品或膜样品之后，使用统计算法检测和消除数据中的任何离群值。消除任何统计离群值的目的是消除可由不当测试产生的任何不正确测试结果(例如，在测试期间不存在膜、撕破膜等)。因此，用于消除离群值的阈值是保守的。
在实施例中，一旦识别到离群值，就可计算数据组中剩余的复制品或样品的平均值和标准偏差，并且将其上传到数据库。离群值数据可如此标记并且可存储在数据库中以在需要时进一步回顾。
本文使用术语“计算机系统”来涵盖任何数据处理系统或一个或多个处理单元。计算机系统可包括一个或多个处理器或处理单元。计算机系统还可为分布式计算系统。计算机系统可包括例如桌上型计算机、膝上型计算机、手持型计算装置，如PDA、平板电脑、智能电话等。一个或多个计算机程序产品可在计算机系统上运行，以完成以上段落中描述的功能或操作。计算机程序产品包括计算机可读介质或一个或多个存储介质，其上存储有用于对计算机系统进行编程以执行上述功能或操作的指令。合适的一种或多种存储介质的实例包括任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD ROM、磁光盘、RAM、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、硬盘、闪存卡(例如USB闪存卡)、PCMCIA存储卡、智能卡或其它介质。替代地，可经由如因特网、ATM网络、广域网(WAN)或局域网的网络从远程计算机或服务器下载一部分或整个计算机程序产品。
存储在计算机可读介质中的一个或多个上的程序可包括用于控制通用或专用计算机系统或处理器的软件。软件还使得计算机系统或处理器能够经由如图形用户界面、头戴式显示器(HMD)等的输出装置与用户交互。软件还可包括但不限于装置驱动程序、操作系统和用户应用程序。替代地，代替或除了将上述方法实施为体现在计算机中的计算机程序产品(一个或多个)(例如，实施为软件产品)之外，可将上述方法实施为硬件，其中例如专用集成电路(ASIC)或一个或多个图形处理单元(GPU)可被设计成实施本公开的一种或多种方法、功能或操作。

Claims (19)

1.一种用于分析膜样品的物理特性的系统，所述系统包含：
材料固持器系统，所述材料固持器系统被配置为固持所述膜样品；
落镖测试系统，所述落镖测试系统被配置为测试所述膜样品的物理特性；和
移动系统，所述移动系统被配置为在站台之间移动所述固持的待分析或待测试的膜样品，
其中所述移动系统被配置为将所述材料固持器系统中的所述固持的膜样品移动到所述落镖测试系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述移动系统包含铰接臂机器人系统。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的系统，其中所述材料固持器系统包括被配置为通过真空抽吸来固持所述膜的真空抽吸系统，其中所述膜样品具有带四个拐角的四边形形状，并且所述真空抽吸系统包含被配置为在所述膜样品的每个拐角上基本上固持所述膜样品的第一对吸盘和第二对吸盘。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述真空抽吸系统包含被配置为固持和放置待测试的所述膜样品的第一对吸盘和第二对吸盘，以及被配置为拾取先前测试过的膜样品的第三对吸盘。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，所述系统进一步包含被配置为测量所述膜样品的厚度的材料厚度测量系统。
6.根据权利要求5中任一项所述的系统，其中所述材料厚度测量系统包含探针，所述探针被配置为在扩展区域上测量所述膜样品的厚度，以避免在所述测量期间穿刺所述膜样品。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述落镖测试系统包含具有上钳口和下钳口的夹持系统，其中所述上钳口和所述下钳口各自包含凹槽和脊部，并且所述上钳口和下钳口中的一个中的脊部被配置为装配到所述上钳口和下钳口中的另一个的凹槽中。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述上钳口和所述下钳口中的一个包含固持机构，所述固持机构被配置为在所述夹持系统打开时将所述膜样品固持在适当位置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述落镖测试系统包含被配置为测试所述膜样品的物理特性的落镖探针机构。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述落镖探针机构包含落镖探针和被配置为移动所述落镖探针的推进系统。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述推进系统包含线性马达。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的系统，其中所述落镖探针机构包含连接到所述落镖探针的压电力传感器，所述压电力传感器被配置为在所述膜样品的落镖测试期间测量力信号。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，所述系统进一步包含与所述落镖测试系统通信的计算机系统，所述计算机系统被配置为采集来自所述落镖测试系统的力数据。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，所述系统进一步包含被配置为检测所述膜样品中的缺陷的材料图像分析器系统。
15.一种用于分析膜样品的物理特性的方法，所述方法包含：
通过连接到移动系统的材料固持器系统来固持所述膜样品；
通过所述移动系统将所述膜样品移动到落镖测试系统；和
使用所述落镖测试系统测试膜材料的物理特性。
16.根据权利要求15所述的方法，其中测试所述膜样品的所述物理特性包含在所述测试期间使用所述落镖测试系统的夹持系统将所述膜样品固持绷紧且无应力。
17.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中测试所述膜样品的所述物理特性包含用所述落镖测试系统的落镖探针穿刺所述膜样品，和在所述膜样品的测试期间测量力。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，所述方法进一步包含：
通过所述移动系统将所述膜样品移动到材料厚度测量系统；和
使用所述材料厚度测量系统测量所述膜样品的厚度。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，所述方法进一步包含：
通过所述移动系统将所述膜样品移动到材料图像分析器系统；和
使用所述材料图像分析器系统检测所述膜样品中的缺陷。
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