CN111065908A - 用于膜的撕裂分析的系统 - Google Patents

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Abstract

本文描述用于分析膜样品的物理特性的方法和系统。所述系统包括被配置成保持所述膜样品的材料保持器系统；和被配置成撕裂所述膜样品并且测量所述撕裂的特性的撕裂分析装置。可移动系统被配置成将所述材料保持器系统中的所述膜样品移动到所述撕裂分析装置。

Description

用于膜的撕裂分析的系统
技术领域
本发明涉及用于材料膜或片材的撕裂分析的系统。
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材料制造过程。表征物理性质还可帮助消费者为其特定用例确定最佳产品，以及帮助研究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撕裂强度。撕裂测试提供对材料抗撕裂能力的洞察。举例来说，撕裂测试可用于确定薄膜的撕裂性质，因为薄膜经常用于包装应用中。撕裂测试还可用于确定聚合物样品(如粘合剂、薄板、地毯纤维、非织造纤维等)以及非聚合物样品(如纸、布、箔等)的撕裂性质。材料对于预期目的的适用性可能取决于材料承受撕裂或屈服于撕裂的能力。在这种情况下，材料的化学和物理特性可能影响材料的抗撕裂性。撕裂测试通常包括在样品中执行切割，并且沿切割撕裂所述样品。测量和分析扩展撕裂所需的力，以确定材料的抗撕裂性。
美国测试与材料协会(American Society for Testing and Materials)(ASTM)拥有一套在全世界广泛用于表征材料的标准。撕裂测试为在整个塑料行业中经常执行的流行测试。当前，使用以下两种方法执行撕裂测试：Elmendorf撕裂测试和Trouser测试。在两种方法中，样本被预切割，并且撕裂从预切割的狭缝扩展。这些测试测量将撕裂扩展通过样本所需的平均力。根据已知的方法，需要操作人员来准备、分析和处置样本。举例来说，根据已知的方法，需要操作人员手动准备样本，将样本装载和卸载到测试设备中，并且处置撕裂的样本。
因此，仍然需要用于分析膜的撕裂强度的自动化系统。
发明内容
确定通过使用根据本公开的用于膜的撕裂分析的系统，过程可为自动化的并且以高通量操作。
根据本公开的实施例，用于分析膜样品的物理特性的系统可包括被配置成保持膜样品的材料保持器系统，和被配置成撕裂膜样品并且测量撕裂的特性的撕裂分析装置。可移动系统可被配置成将材料保持器系统中的膜样品移动到撕裂分析装置。
根据本公开的实施例，用于分析膜样品的物理特性的方法可包括通过连接到可移动系统的材料保持器系统来保持膜样品，使用可移动系统将膜样品移动到撕裂分析装置，和使用撕裂分析装置测试膜样品的物理特性。
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各部分的组合和制造的经济性将在参考附图考虑以下描述和所附权利要求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撕裂分析系统的示意图。
图2示出根据本公开的实施例的撕裂分析系统的三维透视图。
图3示出根据本公开的实施例的机器人系统的三维透视图。
图4示出根据本公开的实施例的材料保持器系统的三维透视图。
图5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6示出根据本公开的实施例的切割装置的部件的三维透视图。
图7示出根据本公开的实施例的在用切割装置切割之前和之后的一片膜样本的俯视图。
图8A示出根据本公开的实施例的切割装置的部件的三维透视图。
图8B示出根据本公开的实施例的切割装置的部件的三维透视图。
图9示出根据本公开的实施例的切割装置的部件的三维透视图。
图10示出根据本公开的实施例的切割装置的部件的三维透视图。
图11示出根据本公开的实施例的图像分析器系统的三维透视图。
图12示出根据本公开的实施例的固定夹具站和机器人夹具的三维透视图。
图13A至13C示出根据本公开的实施例的撕裂分析装置的固定夹具站的三维透视图。
图14示出根据本公开的实施例的撕裂分析装置的机器人夹具的三维透视图。
图15示出根据本公开的实施例的机器人夹具的三维透视图，所述机器人夹具在远离固定夹紧站的方向上牵引一片膜。
图16示出根据本公开的实施例的标准测试样本与修改的测试样本之间的比较。
图17示出根据本公开的实施例的力对位移的曲线图。
图18示出根据本公开的实施例的力对时间的曲线图。
具体实施方式
在工业应用中，测试薄膜样品的抗撕裂性的过程可为自动化的。自动化撕裂分析装置的想法源于各种工业中对高通量(HTP)测试的需求。较高的测试速率允许相对快速地搜集大量数据并且分析趋势，从而允许对关注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，这增加执行的测试量。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员或操作人员来完成的，因为机器人可在不中断的情况下运行更长的时间。可用于在不牺牲准确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。第三特征为系统与基于人类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中的一个或两个以增加可测试的膜样品的数目。
在本公开的实施例中，通过使用两个并行工作的机器人来实现HTP测试。举例来说，在实施例中，六轴机器人准备用于测试的样品，同时选择顺应性装配机器人臂或选择顺应性关节型机器人臂(SCARA)机器人撕裂装载在多个撕裂站中的膜。膜样本可包含聚合物样品(如粘合剂、薄板、地毯纤维、非织造纤维等)或非聚合物样品(如纸、布、箔等)。
本公开的实施例可与吹塑膜生产线集成。另外，实施例可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发明系统清除其积压的测试。
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，撕裂分析系统10包括可移动系统，如机器人系统12、材料保持器系统14、厚度测量系统16、切割装置18、材料图像分析器系统20和撕裂分析装置22。机器人系统12、材料保持器系统14、厚度测量系统16、切割装置18、材料图像分析器系统20和/或撕裂分析装置22可设置在工作表面24或公共框架上。机器人系统12、材料保持器系统14、厚度测量系统16、切割装置18、材料图像分析器系统20和/或撕裂分析装置22可使用计算机系统26来控制。
图2示出根据本公开的撕裂分析系统10的三维透视图。如图2中可看出，撕裂分析装置可包含撕裂机器人92和固定夹具站96，以用于对膜样本执行撕裂测试，如将在下文更详细描述。撕裂分析系统10可包括递送系统。递送系统可包括将样品递送到工作表面24以用撕裂分析系统10进行测试的托盘。递送系统可将膜样品66(图7)递送到撕裂分析系统10前面的位置，在所述位置，机器人系统12和材料保持器系统14可从托盘中取出膜样品并且继续进行本文所述的测试程序的步骤。
图3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为六轴机器人臂系统，如由爱普生公司(Epson Corporation)制造的Epson C4机器人。机器人系统12被配置成在设置在工作表面24上的站之间移动要分析或测试的膜样品或膜样本(例如，膜)。机器人系统12可包含关节臂，所述关节臂包含关节区段28a、28b、28c。关节臂28可以能够在所有平面和方向上并且以任何角度移动材料保持器系统14。机器人系统12可另外具有附接到关节区段中的一个(如关节区段28a)的适配器板30。机器人系统12可通过计算机系统26上的用户输入来操纵，或可替代地，可通过计算机系统26上的预设程序来操纵。
尽管描述六轴机器人臂系统12，但是机器人系统12可为能够连接到材料保持器系统14并且能够在工作表面24周围的多个平面中移动膜的任何系统。机器人系统12可为任何关节臂机器人。
图4示出根据本公开的实施例的材料保持器系统14的三维透视图。材料保持器系统14被配置成保持和移动膜。材料保持器系统14可用适配器板32附接到机器人系统12。适配器板32可例如使用紧固件附接到机器人系统12的适配器板30。当附接时，适配器板30可将旋转、纵向和角运动从关节臂28传递到材料保持器系统14。在实施例中，材料保持器系统包括适于通过真空抽吸来保持膜的真空抽吸系统34。在实施例中，真空抽吸系统34包括真空杯44的四个组36、38、40和42。每组可包括四个真空杯44。这允许材料保持器系统14处理尺寸为6"×6"(152mm×152mm)的单个膜样品，或大小为3"×3"(76mm×76mm)的四个膜样本。本领域的普通技术人员将认识到，当通过材料保持器系统14处理6"×6"(152mm×152mm)的膜样品时，所有十六个真空杯44都可用于保持和移动膜样品。当通过材料保持器系统14处理大小为3"×3"(76mm×76mm)的四个膜样本时，真空杯44的每组36、38、40和42可保持和移动相应的膜样本。也就是说，构成组36的四个真空杯44可保持和移动大小为3"×3"(76mm×76mm)的单个膜样本，并且对于组38、40和42中的每一个同样如此。材料保持器系统14可同时保持和移动四个膜样本。尽管描述和示出十六个真空杯44，但是可使用任何数目的真空杯来保持和移动一个或多个膜样本穿过测试过程。尽管相对于操纵单个6"×6"(152mm×152mm)的膜样品和四个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本描述材料保持器系统14，但是应理解，更多或更少的具有不同大小和形状的膜样本可通过材料保持器系统14来保持。也就是说，膜不必是6"×6"(152mm×152mm)或3"×3"(76mm×76mm)，而是可为需要测试的任何大小、形状或数量。
尽管本文将真空杯描述为用于保持膜，但是根据材料的类型，还可使用其它机构或系统来保持膜。举例来说，真空杯可适合于保持无孔并且相对较轻的样品，如各种塑料和聚合物材料。因此，如果例如使用多孔材料，那么真空杯可被其它保持机构(如磁体、夹子或其它类型的夹持器)代替。
图5示出根据本公开的实施例的厚度测量系统16的部件的三维透视图。厚度测量系统16可测量在要从其切割的每个膜样本的中心处的膜样本的厚度，如ASTM标准D5947中所规定的。厚度测量系统16被配置成在例如0.5密耳至10密耳(0.0127mm至0.254mm)之间的宽的厚度范围内测量膜的厚度。厚度测量系统16被配置成使用接触板和探针来测量膜的厚度。接触板和探针通常为平坦的，并且分别在相对的表面48和46上接触膜，并且膜的厚度被测量为接触板和探针之间的距离。接触板的表面48和探针的表面46足以避免在测量期间刺穿膜样品。举例来说，接触表面46和48可被配置成用于柔性和柔韧性的材料。接触表面46和48还可被配置成测量更加刚性样品的厚度。
如图5中可看出，厚度测量系统16可包含四个第一接触表面46和四个第二接触表面48。厚度测量系统16可包含四个传感器50，以测量对应于要从其切割的四个膜样本中的每一个的区域中的厚度。传感器50可间隔3"(76mm)安装，并且6"×6"(152mm×152mm)的膜样品可插入接触表面46和48之间。可在四个不同的点处测量厚度。四个厚度测量值中的每一个都可对应于3"×3"(76mm×76mm)的膜样本中的一个的厚度。可替代地，可提供更多或更少的接触表面46和48以及传感器50。所提供的接触表面46和48以及传感器50的数目可对应于要测试的膜样本的数目或大小。可替代地，可通过厚度测量系统16测试大小不是6"×6"(152mm×152mm)的膜样品和大小不是3"×3"(76mm×76mm)的切割的膜样本。
传感器50可包含高准确度数字接触传感器50(例如，来自基恩士公司(KeyenceCompany)的Keyence GT2系列)。传感器50用于以1微米的准确度测量膜的厚度。依据传感器的准确度而选择传感器50。每个第一接触表面46可通过轴54机械地连结到对应传感器50。机器人系统12和材料保持器系统14可移动膜样品，使得要从其切割的每个膜样本位于相应的第一接触表面46和第二接触表面48之间。一旦将膜样品放置在相应的第一接触表面46和第二接触表面48之间，就可将来自气压系统52的加压空气施加到轴54上。气压系统52可使连结到每个第一接触表面46的轴54延伸，使得膜样品触碰相应的第一接触表面46和第二接触表面48并且保持在其之间。传感器50可测量延伸的第一接触表面46和第二接触表面48之间的距离，以测量膜样品的厚度。
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测距传感器。还考虑共焦透镜、双激光厚度分析器和电容测量方法。
图6示出根据本公开的实施例的切割装置18的部件的三维透视图。为了清楚描述，术语“膜样品”是指在用切割装置18切割膜材料之前在撕裂分析系统10中测试的膜材料，并且术语“膜样本”是指已经被切割装置18切割成较小大小的“膜样品”。参考图7，切割装置18可被设计成将6"×6"(152mm×152mm)的正方形膜样品66切割成各自大小为3"×3"(76mm×76mm)的四个膜样本68。替代的起始和结束大小和形状为可能的。如图6所示，切割装置18可包括两个线性致动器，如彼此垂直定位的线性马达64，但是可提供其它角度关系。每个线性马达64可驱动刀片70(参见图8A、8B)。切割装置18可包括膜支撑板56和压板62。切割装置18还可包括安装到顶板60上的气动缸58。气动缸58的输出可固定到压板62上。因此，气动缸58可驱动压板62相对于膜支撑板56的向上和向下运动。可通过材料保持器系统14将未切割的膜样品插入压板62和膜支撑板56之间。可致动压板62上的真空杯82(图10)，以将膜样品保持到压板62的下侧。可停用材料保持器系统14上的真空杯44，并且可移除材料保持器系统14，然后致动气动缸58。压板62(由气动缸58操作)将6"×6"(152mm×152mm)的膜样品66降低到膜支撑板56上。根据实施例，线性马达64交替地横向移动刀片70通过膜样品，以将6"×6"(152mm×152mm)的膜样品66切割成大小为3"×3"(76mm×76mm)的四个膜样本68。尽管描述压板62保持膜样品66和切割的膜样本68，但是应理解，在通过气动缸58将压板62降低之前，膜支撑板56可以可替代地保持膜样品66。
参考图8A和8B，刀片70可通过附接到滑板76的块72而附接到线性马达64。滑板76可适于由线性马达64致动，使得其在线性方向上移动滑板76、块72，并且由此移动刀片70。刀片70可在彼此垂直的方向上移动。在第一刀片70已经沿膜样品伸出和缩回之后，第二刀片70可类似地以与第一切割成90度的角度切割膜样品。在实施例中，线性马达64由来自宾夕法尼亚州匹兹堡(Pittsburgh,PA)的Aerotech公司(Aerotech Corporation)制造。在另一个实施例中，线性马达64由ETEL公司(ETEL Corporation)制造。在另一个实施例中，代替线性马达，刀片70由旋转致动器或液压或气动致动器驱动。如图8B中可看出，刀片70由块72中的固定螺钉(未标记)固定，以防止刀片上升。为了移除刀片70(如用于维修、清洁或更换)，移除固定螺钉并且刀片70可从块72提升。还提供前面板74，并且使其用于在行进期间维持刀片70的位置。在另一个实施例中，安装在可旋转台上的单个刀片70和线性马达64可用于在膜样品66中进行两次垂直切割。在一种情况下，线性马达64以1米/秒至4米/秒(3.3英尺/秒至13.1英尺/秒)的速度移动刀片。
图9示出根据本公开的实施例的切割装置18的膜支撑板56和压板62的三维透视图。将凹槽78铣削到膜支撑板56中，并且将榫舌80图案化到压板62中。榫舌80和凹槽78的图案沿一个方向延伸。因此，刀片70中的一个可平行于榫舌80和凹槽78的图案切割，而另一个刀片70可垂直于榫舌80和凹槽78的图案切割。榫舌80和凹槽78的图案用于在切割时保持膜样品拉紧并且保持在适当位置。当榫舌80向下移动并且与对应凹槽78配合时，膜样品被向下推入凹槽78中。这样做的效果是，膜样品在跨越配合的榫舌和凹槽的区域中变得拉紧，并且在通过刀片70切割期间保持在适当位置。榫舌80和凹槽78的位置可以可替代地颠倒，使得榫舌80位于膜支撑板56上，并且凹槽78位于压板62上。
图10示出根据本公开的实施例的切割装置18的压板62的三维透视图。压板62可包括位于压板62的下侧上的真空杯82。根据实施例，真空杯82可分成四组84、86、88和90。在切割之后，可为每个杯打开到真空杯82的真空供应，并且可从膜支撑板56上拾取切割的膜样本。然后当气动缸58提升压板62时，膜样本随压板62上升。可使用替代的切割装置18，例如，膜样品可由用户用刀或剪刀切割。膜样品还可用其它电动或自动切割器、或机械切割器，例如呈摆臂式切纸机的那些切割。
图11示出根据本公开的实施例的材料图像分析器系统20的三维透视图。在切割之后，膜样本可由机器人系统12移动到材料图像分析器系统20。尽管在切割之后用材料图像分析描述过程，但是将认识到顺序可更改。根据实施例，顺序可基于例如工作表面24上的部件的接近度以提高系统的效率。根据实施例，材料图像分析可在切割之前进行。因此，膜样品可在切割装置18中切割之前从厚度测量系统16移动到材料图像分析器系统20。根据实施例，材料图像分析可在厚度测量之前进行。
根据实施例，材料图像分析器系统20基于偏振光的原理。材料图像分析器系统20被配置成检测要测试的膜中的不规则性或缺陷。偏振光源用于照射材料图像分析器系统20内的膜，同时消除任何环境光。在光穿过膜后，光由装配有偏振滤光器的相机捕获。完美形成的膜样本不从光源散射偏振光，因此产生完全清晰的图像。然而，膜样本中的任何瑕疵/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样本。因此，材料图像分析器系统20基于检测当穿过膜的偏振光受到某些物理缺陷影响时引起的不规则性。因为材料图像分析器依赖于光的偏振，所以当要测试的材料改变时，偏振也可改变，这将潜在地指示在没有缺陷的地方存在缺陷。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，并且通过查看膜样本的结果范围并且基于标准偏差和与平均值的距离来识别异常值来进行所述分析。因此，确定缺陷的本发明方法与材料无关，并且为解决问题的更普遍的方法。
尽管本文中公开的材料图像分析器系统20基于偏振光的原理，但是材料图像分析器系统20可采用其它形式。举例来说，材料图像分析器系统20可为定量和识别缺陷类型的凝胶测试仪，如光学控制系统(OCS)测试仪。可使用如光学透光率分析器系统或超声缺陷检测系统的替代方案。另外，膜样本可跳过材料图像分析器系统20并且以任何顺序前进到提及的系统中的任一个，如厚度测量系统16、切割装置18或撕裂分析装置22。在这种情况下，或者除了使用材料图像分析器系统20之外，可用撕裂分析装置多次测试膜样本，以获得可用以识别可具有缺陷的膜样本的统计模型。
在材料图像分析器系统20之后，膜样本由机器人系统12移动到撕裂分析装置22。撕裂分析装置22以预定速度和加速度撕裂膜样本。测力计测量在整个膜样本的撕裂期间的力分布。图12示出根据本公开的实施例的撕裂分析装置22的三维透视图。撕裂分析装置22可包括附接到可移动夹具(如，机器人夹具94)的撕裂机器人92。撕裂分析装置22可包括固定夹具站96。撕裂分析装置22可包括与第一固定夹具站96相对定位的第二固定夹具站96。撕裂分析装置22可包括多于或少于图12中所示的两个固定夹具站96。
图13A-13C示出根据本公开的实施例的固定夹具站96的三维透视图。固定夹具站96能够保持两个膜样本，如由切割装置18切割的3"×3"(76mm×76mm)的膜样本中的两个。第二固定夹具站96可与固定夹具站96相对设置，以容纳两个附加的膜样本，如由切割装置18切割的剩余两个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本。每个固定夹具站96可包括固定夹具夹持器98、分切刀片100、分切刀片致动器102和测力计104。尽管相对于四个3"×3"(76mm×76mm)的样本描述固定夹具站96，但是应理解，可测试更多或更少的具有不同形状和大小的样本。也就是说，样本不必是3"×3"(76mm×76mm)，而是可为任何大小、形状或数量。
参考图13A，示出两个固定夹具夹持器98。固定夹具夹持器98可各自包括气动操作的两个夹持器指形件106。固定夹具夹持器98可为Schunk MPG50夹持器。每个固定夹具夹持器98可将单个膜样本68(参见例如图7)夹紧在夹持器指形件106之间。下部夹持器指形件106可安装在测力计104的顶部上。根据实施例，测力计104可为固定夹具夹持器98和固定夹具站96的其余部分之间的唯一支撑点。这类布置允许测力计104经由固定夹具夹持器98准确地测量撕裂力。
参考图13B，示出两个分切刀片100和分切刀片致动器102。分切刀片致动器102驱动分切刀片100切割膜样本以允许撕裂扩展的开始。分切刀片致动器102可在缩回位置(未描绘)和伸出位置(图13B)之间致动分切刀片100。在缩回位置，分切刀片100可不伸出越过下部夹持器指形件106的顶表面。在伸出位置，分切刀片100可向上伸出，越过下部夹持器指形件106的顶表面，使得它开始切入夹持在下部夹持器指形件106和上部夹持器指形件106之间的膜样本中。分切刀片致动器102可沿固定夹具站96的竖直轴在线性方向上气动操作。分切刀片致动器102可以可替代地为液压、电动、机械、磁性、热或其它已知的致动装置。如所描绘，固定夹具站96具有两个分切刀片100和分切刀片致动器102，以在两个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本中执行初始切割，然而，其它尺寸为可能的。尽管分切刀片100被描述和描绘为联接到固定夹具站96，但是应理解，分切刀片100可设置在将分切刀片定位在固定夹具夹持器98的夹持器指形件之间的其它部件上。
参考图13C，示出两个测力计104。每个测力计104可被安装成使得测力计104的底面被安装到固定夹具站96。夹持器指形件106可安装在测力计104的顶面上。这允许固定夹具夹持器98在膜样本的撕裂期间对测力计104具有牵引作用，并且因此测力计104测量张力。测力计104可为六轴测力计或单轴测力计。示例性六轴测力计可为FT17900，Nano 25。示例性单轴测力计可为ICP力传感器，208C02。尽管测力计104被描述和描绘为在固定夹具站96上，但应理解，测力计104可联接到机器人夹具94的一部分，如夹持器指形件108。
图14示出根据本公开的实施例的机器人夹具94的三维透视图。机器人夹具94可安装在可在X-Y平面内和竖直Z方向上移动并且绕Z轴旋转的4轴撕裂机器人92(图12)上。撕裂机器人92可为型号为G10-854S的Epson SCARA机器人。撕裂机器人92可为能够在至少X-Y平面内移动以适应材料样品的撕裂的任何机器人。机器人可为可被编程为在多个方向(例如，成角度、直线、竖直、水平和圆形)上，或沿定义的轨迹撕裂膜样本的任何机器人。在实施例中，机器人被编程为在竖直方向上撕裂膜样本，并且机器人的运动参数被设置为1325毫米/秒(4.4英尺/秒)的最大线速度和10000毫米/秒2(32.8英尺/秒2)的加速度。
机器人夹具94可包括两个夹持器指形件108，以用于在撕裂测试期间保持膜样本。夹持器指形件108可被气动致动。机器人夹具94可包括真空杯110，以用于在测试之后收集和分配撕裂的膜样本。尽管示出两个真空杯110，但是可使用任何数目的真空杯来收集和分配膜样本。
参看图15，一旦已经形成狭缝，机器人夹具94就可通过撕裂机器人92以向上的竖直运动移动。此运动可沿狭缝扩展撕裂，使得膜样本撕裂成第一部分和第二部分。第一部分可由机器人夹具94的夹持器指形件108夹持，并且第二部分可由固定夹具站96的固定夹持器指形件106夹持。力分布在撕裂期间用测力计104测量，并且由计算机系统26处理/存储。
返回参考图1，用于撕裂分析系统10的实施例的测试程序可包括以下步骤：
(a)由机器人系统12使用材料保持器系统14拾取膜样品，
(b)使用厚度测量系统16测量膜样品的厚度，
(c)使用切割装置18将6"×6"(152mm×152mm)的膜样品切割成四个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本，
(d)将四个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本放置到撕裂分析装置22中，和
(e)撕裂四个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本并且分别测量力分布，并且处置测试的膜样本。
(f)任选地，测试程序可包括使用材料图像分析器系统20执行膜样本的材料图像缺陷分析。
关于步骤(a)，将6"×6"(152mm×152mm)的膜样品经由传输系统传输到工作表面24。膜样品可具有样品标识，以将所得测试数据(例如来自厚度测量系统16、材料图像分析器系统20和撕裂分析装置22的数据)与样品(例如库ID和/或文件命名规则)相关联。机器人系统12将材料保持器系统14移动到传输系统上的膜样品附近。在真空杯44(或其它已知的夹持装置)面向下的情况下，将6"×6"(152mm×152mm)的膜样品用真空杯44夹持，使得材料保持器系统14和真空杯44位于膜样品上方。
关于步骤(b)，机器人系统12可将保持膜样品的材料保持器系统14移动到厚度测量系统16。机器人系统12可将膜样品定位在厚度测量系统16的接触表面46和48之间。连结到接触表面46的轴54延伸以测量膜的厚度。
关于步骤(c)，将具有夹持的膜样品的机器人系统12从厚度测量系统16移动到切割装置18。切割装置18将膜样品切割成较小的膜样本。举例来说，可将6"×"6"(152mm×152mm)的膜样品切割成大小为3"×3"(76mm×76mm)的四个膜样本，然而，其它大小和数量为可能的。
旋转夹持的膜样品，使得真空杯44和材料保持器系统14现在位于膜样品的下方，并且将膜样品插入切割装置18的膜支撑板56和压板62之间。用真空杯82将膜样品夹持在压板62上，并且释放材料保持器系统14的真空杯44。用气动缸58降低压板62，使得膜样品被夹持在凹槽78和榫舌80之间。致动第一线性马达64以移动刀片70以在第一方向上切割膜样品。然后第一线性马达64和刀片70缩回。致动第二线性马达64以移动第二刀片70以在垂直于第一方向的第二方向上切割膜样品。然后第二线性马达64和刀片70缩回。现在，6"×6"(152mm×152mm)的膜样品为大小为3"×3"(76mm×76mm)的四个膜样本。用气动缸58将压板62升高，并且机器人系统12使材料保持器系统14在四个膜样本下方移动。用材料保持器系统14的真空杯44夹持四个膜样本，并且释放压板62的真空杯82。可采用从膜样品上切割膜样本的替代方法。
关于步骤(d)，机器人系统12将材料保持器系统14以及由此保持的四个膜样本移动到撕裂分析装置22。机器人系统12将3"×3"(76mm×76mm)的膜样本中的两个定位在第一固定夹具站96的夹持器指形件106之间。致动气动操作器以将两个膜样本保持在夹持器指形件106之间。真空杯44从前两个样本释放。然后，机器人系统12将3"×3"(76mm×76mm)的膜样本中的剩余两个定位在与第一固定夹具站96相对定位的第二固定夹具站96的夹持器指形件106之间。致动气动操作器以将剩余两个膜样本保持在夹持器指形件106之间。真空杯44从剩余两个膜样本释放。机器人系统12将材料保持器系统14远离第二固定夹具站96移动。
此时，机器人系统12已经将所有四个膜样本递送到撕裂测试系统。机器人系统12现在可从传输系统中取出另一个6"×6"(152mm×152mm)的膜样品，并且在机器人夹具94执行步骤(f)时再次开始步骤(a)至(e)，对前四个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本进行测试。机器人系统12和机器人夹具94的这类同时或基本上同时的操作允许高通量的样本测试。
关于步骤(e)，移动机器人夹具94以夹持四个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本中的第一个，使得膜样本由机器人夹具94的夹持器指形件108和固定夹具站96的夹持器指形件106夹持。致动分切刀片100以在夹持器指形件106和夹持器指形件108之间在第一膜样本中切割狭缝。然后，机器人夹具94以向上的竖直运动移动，以沿狭缝扩展撕裂，使得将膜样本撕裂成第一部分和第二部分(图15)。用测力计104测量沿撕裂的力分布。继续用机器人夹具94的夹持器指形件108夹持第一膜样本部分，降低机器人夹具94并且致动真空杯110以夹持第二膜样本部分。释放夹持器指形件108，使得允许机器人夹具94和真空杯110将第一和第二膜样本部分移动到处置部位。使由真空杯110保持的第二膜样本部分抵靠处置机构(如刷或吹气)移动，以将第二膜样本部分从夹持器指形件或真空杯110去除并且落入处置容器中。释放由机器人夹具94的夹持器指形件108保持的第一膜样本部分，使得第一膜样本部分也可落入处置容器中，或者允许处置机构去除膜。
在处置第一个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本之后，机器人夹具94返回到第一固定夹具站96，并且对保持在第一固定夹具站96中的第二个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本重复步骤(f)。在处置第二个3"×3"(76mm×76mm)的膜样本之后，将机器人夹具94移动到第二固定夹具站96，并且对保持在第二固定夹具站96上的第三个和第四个膜样本重复撕裂测试和步骤(f)的处置。
根据实施例，并且在步骤(b)、(c)和(d)中的任一个之前，可旋转夹持的3"×3"(76mm×76mm)的膜样本，使得真空杯44和材料保持器系统14现在位于膜样本上方。可将膜样本插入材料图像分析器系统20中。使用材料图像分析器系统20分析膜样本的缺陷和不规则性。根据实施例，材料图像分析器系统20可分析膜样本的以下品质中的一个或多个：膜区域不含有将影响撕裂分析的结果的严重缺陷；膜样本的边缘没有锯齿；并且膜样本在材料保持器系统14中为正方形的(即，正确取向和/或正确切割)。可省略用材料图像分析器系统20进行分析的步骤。
尽管以上述顺序描述过程，但是将认识到顺序可更改。根据实施例，顺序可基于例如工作表面24上的部件的接近度以提高系统的效率。
尽管机器人夹具94被描述和描绘用于在3"×3"(76mm×76mm)的膜样本中扩展撕裂，但是可采用其它替代方案，如线性马达、其它类型的机器人系统，和/或自动拾取和放置重力下降撕裂的静重。
尽管机器人夹具94被描述为通过向上的竖直运动扩展撕裂，但是可采用其它替代轨迹。机器人夹具94(或其它撕裂扩展机构)可被编程为以定义的轨迹执行撕裂运动，所述轨迹可为线性轨迹(竖直和/或水平)或成角度、圆形或样条轨迹。另外，可编程机器人夹具94的加速度、速度和行进距离。可编程可变的加速度运动，如正弦曲线(例如，钟摆的加速度曲线)。可替代地，撕裂机器人92和机器人夹具94可用能够撕裂膜样本的高速线性马达来代替。
此外，可使用不同类型的测力计104来测量沿撕裂的力分布。所选择的测力计104的类型可取决于几个因素，包括：测力计的范围(其取决于要测量的最大撕裂强度)、测力计的分辨率(其基于测量的期望精度和准确度)和测力计的力测量程度(其取决于对膜样本进行详细撕裂分析的要求)。六轴测力计可用于测量和分析在六个方向(Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz)中的每一个上的撕裂力，或者单轴测力计可用于测量在撕裂方向上的力。
撕裂分析系统10中的设备可用于不同的膜样本尺寸。参考图16，撕裂设备可用于ASTM D1922标准中指定的尺寸，或其它尺寸，如3"×2.5"(76.2mm×63.5mm)的矩形或3"×3"(76mm×76mm)的正方形。撕裂分析系统10中的设备还可用于不同材料。材料可为聚合物膜，如本文所述，或包括粘合剂、薄板、地毯纤维、非织造纤维等的替代聚合物样品，或者如纸、布、箔等的非聚合物样品。撕裂分析系统10可测试强度高达4800克并且厚度在高达4密耳(0.102mm)的范围内的材料。然而，可测试更强的膜。对部件的修改，如对夹持器的修改还可允许测试具有不同尺寸、性质、特性或强度的不同材料。
在实施例中，与撕裂分析装置22通信的计算机系统26被配置成从厚度测量系统16、材料图像分析器系统20和撕裂分析装置22收集或获取数据。计算机系统26包括用户界面，以允许用户输入测试参数，如塑料膜的标识，使得结果可存储到与正确标识相关联的数据库中。用户界面还允许改变测试参数，如撕裂轨迹(距离、速度和加速度)。计算机系统26可控制机器人系统12和机器人夹具94两者。机器人系统12可在主控制器上运行，而机器人夹具94可作为从控制器连接到主控制器。获取的关于膜样本的数据可存储在计算机系统26上的主数据库中，或者与计算机系统26通信。数据可包括厚度测量、图像分析、力分布、撕裂测试数据等。
在实施例中，如图16中所见，3"×3"(76mm×76mm)的膜样本具有与原始ASTMD1922样本相同的撕裂长度(1.7")。在实施例中，针对膜的撕裂持续时间绘制力对时间的图。根据此数据，计算撕裂膜样本所需的峰值力：
F峰值＝max(F)
通过在位移(x2-x1)上对力曲线进行积分来计算撕裂膜所做的功。在图17和18中描绘示例性撕裂测试。图17描绘测试的力对位移的曲线。图18描绘测试的力对时间的曲线。在此示例性测试中，位移点(x2，x1)以50克的力阈值选择，以确保当样本撕裂时力积分在位移距离上进行，然而，其它阈值为可能的。计算所做的功：
Figure BDA0002398278010000171
平均力通过将撕裂膜所需的所做的计算功除以撕裂膜中行进的距离来计算：
Figure BDA0002398278010000172
计算样品大小中每个样本的峰值力和平均力，并且根据样品大小计算统计参数的平均值和标准偏差。将每个力的归一化值计算为每密耳厚度的力。
本文使用术语“计算机系统”来涵盖任何数据处理系统或者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电脑、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种或多种存储介质，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。可替代地，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。可替代地，代替或除了将上述方法实施为体现在计算机中的一个或多个计算机程序产品(例如，实施为软件产品)之外，上述方法可被实施为硬件，其中例如专用集成电路(ASIC)或者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：
材料保持器系统，所述材料保持器系统被配置成保持所述膜样品；和
撕裂分析装置，所述撕裂分析装置被配置成撕裂所述膜样品并且测量所述撕裂的特性；
其中可移动系统被配置成将所述材料保持器系统中的所述膜样品移动到所述撕裂分析装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述可移动系统包含关节臂机器人臂系统。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的系统，其另外包含：
切割器，所述切割器被配置成将所述膜样品切割成多个膜样本；
其中所述可移动系统被配置成将所述膜样品移动到所述切割器，并且将所述多个膜样本从所述切割器移动到材料厚度测量系统、材料图像分析器系统和所述撕裂分析装置中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述材料保持器系统包括被配置成通过真空抽吸来保持所述膜样品和膜样本的真空抽吸系统。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其另外包含被配置成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1至4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，所述探针被配置成测量展开的区域上的所述膜样品的厚度，以避免在所述测量期间刺穿所述膜样品。
7.根据权利要求3或4中任一项所述的系统，其中所述切割器包含与用于在第一方向上切割所述膜样品的第一刀片连接的第一线性致动器，和与用于在横向于所述第一方向的第二方向上切割所述膜样品的第二刀片连接的第二线性致动器。
8.根据权利要求3、4和7中任一项所述的系统，其中所述切割器包含被配置成在切割期间保持所述膜样品的膜支撑板，和被配置成将所述膜样品压靠在所述膜支撑板上的压板，其中所述膜支撑板和所述压板中的一个限定一个或多个榫舌，并且所述膜支撑板和所述压板中的另一个限定与所述一个或多个榫舌配合的一个或多个凹槽，并且其中所述膜样品在切割期间被保持在膜支撑板和所述压板之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述撕裂分析装置包含：
固定夹具站，所述固定夹具站保持所述膜样品或所述多个膜样本中的一个的第一部分；和
可移动夹具，所述可移动夹具保持所述膜样品或所述多个膜样本中的所述一个的第二部分。
10.根据权利要求9所述的系统，其另外包含使所述可移动夹具相对于所述固定夹具站移动的机器人臂。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的系统，其另外包含与所述固定夹具站和所述可移动夹具中的一个相关联的力传感器。
12.根据权利要求9至10中任一项所述的系统，其另外包含被配置成在所述膜样品或膜样本中切割狭缝的至少一个刀片，所述至少一个刀片位于所述固定夹具站的夹持器和所述可移动夹具之间。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其另外包含被配置成检测所述膜样品中的缺陷的材料图像分析器系统。
14.一种用于分析膜样品的物理特性的方法，所述方法包含：
通过连接到可移动系统的材料保持器系统来保持所述膜样品；
使用所述可移动系统将所述膜样品移动到撕裂分析装置；和
使用所述撕裂分析装置测试所述膜样品的物理特性。
15.根据权利要求14所述的方法，其另外包含：
通过所述可移动系统将所述膜样品移动到切割器；和
使用所述切割器将所述膜样品切割成至少两个较小的膜样本。
16.根据权利要求14或15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：
使用固定夹具保持所述膜样品或膜样本的第一部分；
使用可移动臂保持所述膜样品膜样本的第二部分；和
移动所述可移动臂以撕裂所述膜样品或膜样本。
17.根据权利要求16所述的方法，其另外包含使用分切刀片在所述第一部分和所述第二部分之间在所述膜样品或所述膜样本中切割狭缝。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其另外包含：
通过所述可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14至18中任一项所述的方法，其另外包含：
通过所述可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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