CN111108364A - 用于膜的撕裂分析的设备 - Google Patents

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M·C·海耶斯
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Abstract

本文描述了一种用于进行撕裂测试的系统和方法。该系统可以包括配置为保持膜样本的第一部分的固定夹紧站和联接到致动器的可移动夹具，该可移动夹具可以配置为保持膜样本的第二部分。可移动夹具可以配置为在远离固定夹紧站的方向上移动，以撕裂膜样本。该系统可以包括配置为在固定夹紧站和可移动夹具之间的位置处切割膜样本的纵切机刀片。该系统可以包括联接到固定夹紧站和可移动夹具中的一个的测压元件。测压元件可以配置为测量与膜样本的撕裂相关联的力。致动器可以配置为沿着轨迹操纵可移动夹具。

Description

用于膜的撕裂分析的设备
技术领域
本发明涉及一种用于材料膜或薄片的撕裂分析的设备。
背景技术
表征材料的物理性质有助于分析和改进材料生产中采用的化学配方，也有助于分析和改进材料的制造过程。表征物理特性也可以帮助消费者确定适合他们特定使用情况的最佳产品，以及帮助研究人员为特定应用开发新的解决方案。
材料的一个有用的物理特性是确定材料的撕裂强度。撕裂测试提供了对材料抗撕裂能力的洞察。例如，撕裂测试可以用于确定薄膜的撕裂特性，因为薄膜通常用于包装应用。撕裂测试也可以用于确定聚合物样品(如粘合剂、板材、地毯纤维、非织造纤维等)以及非聚合物样品(如纸、布、箔等)的撕裂性能。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会影响材料的抗撕裂性。撕裂测试通常涉及在一片膜上进行切割，然后沿着切口撕裂膜。测量和分析使撕裂扩展所需的力，以确定材料的抗撕裂性。美国测试和材料学会(ASTM)有一套在世界范围内广泛使用的用于表征材料的标准。撕裂测试是在塑料行业中经常进行的一种流行的测试。目前，撕裂测试使用两种方法进行：Elmendorf测试和Trouser测试。在这两种方法中，预切割样本，并且撕裂从预切割的狭缝扩展。测试测量了使撕裂扩展穿过样本所需的平均力。
在Elmendorf测试中，用户将样本放在撕裂测试仪上，一边用摆锤固定，并且另一边用固定构件固定。将样本预切割成具有一个狭缝，以开始撕裂。使用者松开摆锤，并且在重力的作用下，摆锤摆动通过一个弧形，将样本从预切割的狭缝撕裂。摆锤造成的能量损失由刻度尺上的指针来表示，该刻度尺与撕裂膜所需的平均力相关。Elmendorf测试是一种手动测试，基于摆锤中储存的势能(即测试基于摆锤的重量)；没有机动装备用于产生运动。Elmendorf测试建议，待测量的膜的撕裂强度应该在摆锤的重量的20％至80％内。因此，摆锤的重量必须基于待测试的膜的强度来改变。这通常包括改变摆锤上的重量(如盘重)。
Trouser测试是一种不常用的评估样本抗撕裂性的方法。在Trouser测试中，将样本预切割成具有特定尺寸的狭缝，形成由该狭缝分开的两条腿。该测试器包含夹紧样本的第一腿的固定夹持器和夹紧样本的第二腿的可移动夹持器。为了开始测试，一个机构移动可移动夹持器，以沿预切割的狭缝在水平方向上以均匀的速度撕裂膜。通过计算测试返回的力与位移曲线下的面积来测量平均力。在Trouser测试中，撕裂方向限于水平方向。附加地，在Elmendorf测试和Trouser测试中，要求人类操作员准备样品，并且在装备中装载和卸载膜，以及移除测试过的膜。
因此，仍然需要一种自动化仪器来进行撕裂测试，并且在撕裂薄片或膜的过程中分析力分布。
发明内容
已经确定，通过使用根据本公开的用于膜的撕裂分析的设备，撕裂分析过程是自动化的，并且从测试中收集的数据得到改善。
根据一个实施例，一种用于进行撕裂测试的系统可以包括：固定夹紧站，其配置为保持膜样本的第一部分；可移动夹具，其联接到致动器，该可移动夹具配置为保持膜样本的第二部分，其中该可移动夹具配置为在远离固定夹紧站的方向上移动以撕裂膜样本；纵切机刀片，其配置为在固定夹紧站和可移动夹具之间的位置处切割膜样本；以及测压元件，其联接到固定夹紧站或可移动夹具中的一个的测压元件，该测压元件配置为测量与膜样本的撕裂相关联的力。致动器可以配置为沿着轨迹操纵可移动夹具。
根据一个实施例，一种进行撕裂测试的方法可以包括：将膜样本的第一部分夹紧在固定夹紧站中；将膜样本的第二部分夹紧在连接到致动器的可移动夹具中；用致动器移动膜样本的第二部分，致动器在远离膜样本的第一部分的方向上移动可移动夹具；并且测量沿着膜样本的第一部分和膜样本的第二部分之间扩展的撕裂的力分布。
附图说明
参考附图考虑以下描述和所附权利要求，本公开以及结构的相关元件的操作方法和功能以及部件的组合和制造的经济性将变得更加明显，所有这些都形成本说明书的一部分，其中在各个附图中相同的附图标记表示相应的部件。然而，应该清楚地理解，附图仅仅是为了说明和描述的目的，而不是作为对本发明的限制的定义。
图1示出了根据本公开的实施例的撕裂分析设备的三维透视图。
图2示出了根据本公开的实施例的撕裂分析设备的固定夹紧站的三维透视图。
图3示出了根据本公开的实施例的撕裂分析设备的固定夹紧站的三维透视图。
图4示出了根据本公开的实施例的撕裂分析设备的固定夹紧站的三维透视图。
图5示出了根据本公开的实施例的撕裂分析设备的撕裂测试机器人的三维透视图。
图6示出了根据本公开的实施例的撕裂分析设备的机器人夹具的三维透视图。
图7示出了根据本公开的实施例的撕裂分析系统的示意图。
图8示出了根据本公开的实施例的与机器人系统一起使用的撕裂分析设备的三维透视图。
图9示出了根据本公开的实施例的材料保持器系统的三维透视图。
图10示出了根据本公开的实施例的将一片膜放置在固定夹紧站中的材料保持器系统的三维透视图。
图11示出了根据本公开的实施例的其中定位有一片膜的固定夹紧站的三维透视图。
图12示出了根据本公开的实施例的机器人夹具和其中定位有一片膜的固定夹紧站的三维透视图。
图13示出了根据本公开的实施例的其中定位有一片膜的固定夹紧站的纵切机刀片的三维透视图。
图14示出了根据本公开的实施例的机器人夹具在远离固定夹紧站的方向上拉动一片膜的三维透视图。
图15示出了根据本公开的实施例的标准测试样本和修改的测试样本之间的比较。
具体实施方式
在工业应用中，测试材料薄膜的抗撕裂性的过程可以自动化。自动化撕裂测试系统的想法源于不同行业对高通量(HTP)测试的需求。测试大量数据的更高速度可以相对快速地收集并且进行趋势分析，从而允许对感兴趣的领域进行更详细的研究。HTP测试装置开始时需要的一个特征是连续(或接近连续)操作。通过允许系统不间断运行，增加了进行的测试量。与手动测试系统相比，该系统还允许提高单次测试的速度。这是用机器人代替人类研究员或操作员来完成的，因为机器人可以长时间段不间断地运行。可以用来增加系统通量而不牺牲准确性的第二特征是并行进行多个测试。第三特征是，与基于人的测试系统相比，该系统是可重复的和统一的。通过采用这两个特征，可以开发出一种可以大大增加测试样本的数量的测试装置。在本公开的一个实施例中，可以用自动化系统在10分钟内制造和测试膜样本。在本公开的一个实施例中，通过使用两个并行工作的机器人来实现HTP测试。例如，在一个实施例中，六轴机器人准备用于测试的样本，而选择性顺从装配机器人臂或选择性顺从铰接机器人臂(SCARA)机器人撕裂装载在多个撕裂站中的膜样本。
本公开的实施例可以与吹塑膜生产线集成。附加地，实施例可以集成到现有的吹塑膜实验室中。通过能够自动且相对快速地进行测试，实验室将能够使用本系统清理他们积压的测试。
图1示出了根据本公开的实施例的撕裂分析设备10的三维透视图。撕裂分析设备可以采用以用于HTP测试。撕裂分析设备10可以包括第一固定夹紧站12和第二固定夹紧站14。第一固定夹紧站12和第二固定夹紧站14可以具有相同的构造。也就是说，固定夹紧站12可以与固定夹紧站14相同，使得两个固定夹紧站12和14具有相同的部件。撕裂分析设备10还可以包括能够操纵可移动夹具的撕裂测试机器人16，如机器人夹具18。
图2示出了根据本公开的实施例的固定夹紧站12和14的三维透视图，其中固定夹紧站12和14具有相同的构造。固定夹紧站12、14可以各自包括用于容纳第一撕裂站22和第二撕裂站24的基座20。撕裂站22和24可以是相同的构造。再次参考图1，可以看到四个撕裂站。也就是说，第一夹紧站12可以具有两个撕裂站(撕裂站22和24)，并且第二夹紧站14可以具有两个撕裂站(撕裂站22和24)。为了描述清楚，将描述第一夹紧站12上的单个撕裂站22，然而，应当理解，撕裂分析设备10可以包括与撕裂站22具有相同构造的四个撕裂站(撕裂站22和撕裂站24各两个)。应当进一步理解，第二固定夹紧站14上的撕裂站22和24可以与下面描述的撕裂站22相同。
参考图2，撕裂站22可以包括固定夹紧夹持器26和纵切机刀片28。固定夹紧夹持器26可以包括上夹持指30和下夹持指32。下夹持指32和上夹持指30可以定位成使得在下夹持指32的顶面和上夹持指30的底面之间存在空间。在撕裂分析设备10的操作过程中，膜样本可以放置在下夹持指32和上夹持指30之间的空间中(见图11)。上夹持指30可以由致动器36致动，该致动器向下移动上夹持指30与下夹持指32接合。在这个位置，上夹持指30的底表面和下夹持指32的顶表面接合膜样本，使得膜样本牢固地保持在上夹持指30和下夹持指32之间的位置。在这个位置，膜样本在撕裂测试中保持不动。如下所述，在完成膜样本的测试后，上夹持指30和下夹持指32可以移动到图2的位置，使得膜样本不再保持在夹持指30和32之间的位置。
尽管图2的实施例描述了上夹持指30向下移动以接合下夹持指32的致动，但是应当理解，夹持指30和32中的一个或两个可以移动以保持膜样本。例如，下夹持指32可以是静止的。上夹持指30可以在向上和向下的方向上线性移动。可替代地，下夹持指32可以是可移动的，并且上夹持指30可以是固定的，或者两个夹持指30和32都可以是可移动的。也可以考虑在撕裂测试期间将膜样本固定到位的替代设备。
图3示出了大致从图2中所示的相对侧看去的固定夹紧站12和14的三维透视图。通过这个视图中，可以看到纵切机刀片28和撕裂站22的中空空间34。中空空间34可以在撕裂测试过程中容纳机器人夹具18。撕裂站22(和撕裂站24)可以包括致动器36，用于致动固定夹紧夹持器26和/或纵切机刀片28。致动器36可以是气动致动器。可替代地，致动器36可以是液压、电、机械、磁、热或其他已知的致动设备。固定夹紧夹持器26可以具有上夹持指30和下夹持指32，如先前所描述，它们可以在打开位置(图2)和闭合位置(未示出)之间被致动。这种固定夹紧夹持器26的一个示例可以是Schunk MPG50夹持器。纵切机刀片28可以具有纵切机刀片致动器38。纵切机刀片致动器38可以致动纵切机刀片28来切割膜样本，以允许开始撕裂扩展。纵切机刀片致动器38可以在缩回(未描绘)和延伸位置之间致动纵切机刀片28(图2和图3)。在缩回位置，纵切机刀片28可以不延伸越过下抓夹持指32的顶面。在延伸位置，纵切机刀片28可以向上延伸，越过下夹持指32的顶面，使得其以先前描述的方式开始切入夹持在下夹持指32和上夹持指30之间的膜样本。纵切机刀片致动器38可以沿着固定夹紧站12或14的垂直轴线在线性方向上气动操作。纵切机刀片致动器38可替代地可以是液压、电、机械、磁、热或其他已知的致动设备。尽管纵切机刀片28被描述和描绘为联接到固定夹紧站12和14，但是应当理解纵切机刀片28可以设置在将纵切机刀片定位在固定夹紧夹持器26之间的其他部件上。
图4示出了固定夹紧站12和14的一部分的三维透视图。固定夹紧站12(和固定夹紧站14)的撕裂站22(和撕裂站24)可以包括测压元件40。测压元件40的底部部分可以安装到固定夹紧站12的基座20上。测压元件40的顶部部分可以安装到下夹持指32的底面。根据一个实施例，测压元件40可以是固定夹紧夹持器26和基座20之间的唯一支撑点(经由下夹持指32的底表面)。这种布置允许测压元件40精确测量撕裂力。也就是说，在撕裂膜样本的过程中，固定夹紧夹持器26可以在测压元件40上施加拉力作用，并且因此测压元件40测量张力。测压元件40可以包含多轴测压元件，如六轴测压元件或单轴测压元件。示例性的六轴测压元件可以是ATI工业自动化FT17900，Nano 25传感器。示例性的单轴测压元件可以是PCB压电ICP力传感器，型号208C02。尽管在固定夹紧站12和14上描述和描绘了测压元件40，但是应当理解，测压元件40可以联接到机器人夹具18的一部分，如夹持指46、48(图6)。
从前面的描述可以理解，每个固定夹持站12和14可以用它们各自的固定夹紧夹持器26保持两个样本。也就是说，固定夹紧站12上的撕裂站22可以保持第一样本，并且固定夹紧站12上的撕裂站24可以保持第二样本。固定夹紧站14上的撕裂站22可以保持第三样本，并且固定夹紧站14上的撕裂站24可以保持第四样本。因此，图1中描绘的实施例能够适应四个膜样本的测试，然而不同的数量在不同的实施例中是可能的。膜样本可以是任何尺寸，例如，每个测试样本可以是3"×3"(76mm×76mm)的样本。样本可以从较大的6"×6"(152mm×152mm)膜样品上切割。膜样本可以是如本文所描述的聚合物膜，其他聚合物材料(如粘合剂、板材、地毯纤维、无纺纤维等)，或者非聚合物样品(如纸、布、箔等)。
图5示出了根据本公开的实施例的撕裂测试机器人16的三维透视图。撕裂测试机器人16可以是4轴机器人，其可以在X-Y平面和垂直Z方向上移动，并且围绕Z轴旋转。根据一个实施例，撕裂测试机器人16可以是Epson SCARA机器人模型G10-854S。撕裂测试机器人16可以是能够至少在X-Y平面内移动以适应膜样本撕裂的任何机器人。机器人可以是能够被编程为在多个方向(例如，角度的、直线的、垂直的、水平的和圆形的)上撕裂材料样本的任何机器人。在一个实施例中，机器人被编程为在垂直方向上撕裂样本，并且机器人的运动参数被设置为1325mm/s(4.4ft/s)的最大线速度和10000mm/s2(32.8ft/s2)的加速度。
图6示出了机器人夹具18的三维透视图。机器人夹具18可以经由连接器42连接到撕裂测试机器人16。连接器42可以是圆柱形的，使得撕裂测试机器人16的轴68(图5)可以位于圆柱形连接器42的开口中。一旦插入开口中，可以在连接器42中设置紧固件，以将连接器42固定到撕裂测试机器人16的轴68上。用于将机器人夹具18附接到撕裂测试机器人16的其他配置也是可能的。
继续参考图6，机器人夹具18可以包括夹持器夹具44。夹持器夹具44可以包含上夹持指46和下夹持指48。在撕裂测试期间，上夹持指46和下夹持指48可以保持样品(图12)。夹持指46和48可被致动以在打开位置(图6)和闭合位置(未示出)之间线性移动。致动器可以是气动、液压、机械、电、磁、热或其他已知的致动设备。在操作中，样本以先前描述的方式被夹持在撕裂站22(或撕裂站24)中。处于图6的打开位置的机器人夹具18被移动到中空空间34(图4)中，使得膜样本位于上夹持指46和下夹持指48之间。夹持器夹具44然后被致动，使得上夹持指46和下夹持指48朝向彼此线性移动，以接合膜样本。在这个闭合位置，上夹持指46和下夹持指48各自在与撕裂站22的上夹持指30和下夹持指32接合的部分相邻的部分接合膜样本。在撕裂测试过程中，机器人夹具18在所需方向上移动，并且由于夹持指46和48对膜样本的保持，样本的这一部分被从由固定夹持站12的指30和32夹持的样本的部分拉开。如下所述，在完成膜样本的测试并且样本被移动到弃置容器之后，上夹持指46和下夹持指48可以移动到图6的位置，使得膜样本不再保持在夹持指46和48之间的位置。
尽管图6的实施例描述了上夹持指46和下夹持指48朝向彼此移动的致动，但是应当理解，夹持指46和48中的一个或两个可以移动以保持膜样本。例如，下夹持指48可以是静止的。上夹持指46可以在向上和向下的方向上线性移动。可替代地，下夹持指48可以是可移动的，并且上夹持指46可以是固定的，或者两个夹持指46和48都可以是可移动的。也可以考虑在撕裂测试期间将膜样本固定到位的替代设备。
仍然参考图6，机器人夹具18可以包括真空吸盘50，用于在测试后收集和分配撕裂的样本。尽管示出了两个真空吸盘50，但是可以使用任何数量的真空吸盘来收集和分配样本。
参考图9，示出了根据本公开实施例的材料保持器系统56。材料保持器系统56配置为在被切割成更小的样本之前和之后保持和移动膜样品。在一个实施例中，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70。在一个实施例中，真空抽吸系统70包括四组真空吸盘72。每组可以包括四个真空吸盘72。这允许材料保持器系统56处理尺寸为6"×6"(152mm×152mm)的单个膜样品或尺寸为3"×3"(76mm×76mm)的四个切割膜样本。本领域的普通技术人员将认识到，当6"×6"(152mm×152mm)的膜样品由材料保持器系统56处理时，所有16个真空吸盘72都可以采用以用来保持和移动膜。当尺寸为3"×3"的四个膜样本由材料保持器系统56处理时，每组四个真空吸盘72可以保持和移动各自的膜样本。材料保持器系统56可以同时保持和移动四个样本。尽管描述和示出了16个真空吸盘72，但是在测试过程中，可以使用任何数量的吸盘来保持和移动膜。附加地，尽管本文描述了尺寸为6"×6"(152mm×152mm)的正方形膜样品，但是也可以使用其它形状和尺寸的样品。同样，尽管膜样品在本文中被描述为切割成4个尺寸为3"×3"(76mm×76mm)的正方形样本，但是也可以使用其他形状、尺寸和数量的切割样本。
必须认识到，尽管吸盘在本文被描述为用于保持膜，但是根据材料的类型，也可以使用其他机构或系统来保持膜。例如，吸盘可以很好地适用于保持无孔且相对较轻的样品，如各种塑料和聚合物材料。因此，如果例如使用多孔材料，则吸盘可以被其他保持机构代替，如磁体或其他类型的夹持器。
图7示出了根据本公开的实施例的撕裂测试系统52的示意图，其可以采用撕裂分析设备10。在操作中，撕裂测试系统52可以进行以下步骤：
(a)通过可移动系统(如使用材料保持器系统56的机器人系统54)拾取膜样品，
(b)使用厚度测量系统58测量膜样品的厚度，
(c)使用样本切割器60将6"×6"(152mm×152mm)正方形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)的样本放入撕裂分析设备10中，并且
(e)撕裂四个3"×3"(76mm×76mm)样本并且处理测试的样本。
(f)可选地，该系统可以使用材料图像分析器系统62对样本进行材料图像分析。
关于步骤(a)，6"×6"(152mm×152mm)的膜样品经由传输系统传输到工作表面64。样品可以具有样品标识，以将结果测试数据与样品相关联，例如，库ID和/或文件命名约定。撕裂测试系统52可以包括传送系统。传送系统可以包括托盘，该托盘将样品传送到工作表面64，以便用撕裂测试系统52进行测试。传送系统可以将膜样品传送到撕裂测试系统52前面的位置，在该位置，机器人系统54和材料保持器系统56可以从托盘取回膜样品，并且继续进行本文描述的测试过程的步骤。
关于步骤(b)，机器人系统54可以将保持膜样品的材料保持器系统56移动到厚度测量系统58。厚度测量系统58可以包括具有接触表面的传感器，以测量膜样品的厚度。由于样品可以从6"×6"(152mm×152mm)的样品切割成四个3"×3"(76mm×76mm)的样本，所以厚度测量系统58可以具有四个传感器和各自的接触表面，以在四个独立的区域中测量6"×6"(152mm×152mm)的膜样品的厚度。以这种方式，在切割样品之前，可以测量四个3"×3"(76mm×76mm)样本中的每个的厚度。厚度测量系统58可以包括高精度数字接触传感器。传感器可以是Keyence公司的Keyence GT2系列。根据替代实施例，厚度测量系统58可以配置为在切割之后测量每个单独的膜样本的厚度。
继续到步骤(c)，机器人系统54将保持膜样品的材料保持器系统56从厚度测量系统58移动到样本切割器60。样本切割器60将膜切割成更小的尺寸。例如，样本切割器可以将一个6"×6"(152mm×152mm)的膜样品切割成4个尺寸为3"×3"(76mm×76mm)的样本。样本切割器60可以包括彼此垂直定位的第一和第二线性致动器，如线性马达，尽管可以提供其他角度关系。每个马达可以驱动一个刀片。在一个实例中，线性马达以1m/s至4m/s(3.3ft/s至13.1ft/s)的速度移动刀片。第一线性马达可以驱动第一刀片进行穿过膜样品的第一切割。在第一刀片完成其切割并且移开后，第二线性马达可以驱动第二刀片进行穿过膜样品的第二切割，例如，垂直于第一切割。这导致膜样品被切割成四个更小的样本。四个样本被材料保持器系统56的真空吸盘72夹持，并且机器人系统54将样本移动到材料图像分析器系统62。
参考图8，在步骤(d)中，机器人系统54将材料保持器系统56和由其保持的四个样本移动到撕裂分析设备10的第一和第二固定夹持站12、14。机器人系统54在第一固定夹具站12(图10)的两个撕裂站22和24上的固定夹紧夹持器26的夹持指30和32之间定位两个3"×3"(76mm×76mm)的样本。致动器36被致动以将两个样本保持在夹持指30和32之间，如参考图2至图4所描述。真空吸盘72从前两个样本中释放。图11描绘了传送到第一夹紧站12的前两个膜样本。尽管为了清楚起见，图11描绘了处于打开位置的夹持指30和32，但是应当理解，在该过程的这一点上，夹持指30和32将闭合，从而固定所述膜样本。
然后，机器人系统54和材料保持器系统56将剩余的两个3"×3"(76mm×76mm)的样本定位在第二固定夹紧站14的两个撕裂站22和24上的夹持指30和32之间，第二固定夹紧站位于第一固定夹紧站12的对面(类似于图10和图11)。致动器36被致动以将剩余的两个样本保持在第二固定夹紧站14的夹持指30和32之间，如参考图2至图4所描述。真空吸盘72从剩余的两个样本中释放。机器人系统54移动材料保持器系统56远离第二固定夹紧站14。
此时，机器人系统54已经将所有四个样本传送到撕裂分析设备10。机器人系统54现在可以从输送系统取回另一未切割的膜样品，并且在撕裂测试机器人16进行步骤(f)的同时，再次开始步骤(a)至(e)，步骤(f)是对前四个样本的测试。机器人系统54和撕裂测试机器人16的这种同时或基本同时的操作允许膜测试的高通量。
关于步骤(e)，如图12中所示，机器人夹具18被移动到第一夹紧站12，以对由第一夹紧站12的撕裂站22和24保持的两个样本进行撕裂测试。第一个样本由撕裂站22的夹持指30和32保持。机器人夹具18的夹持器夹具44被移动到撕裂站22中的中空空间34。夹持指46和48被致动以夹持第一样本的另一部分。从图3和图12可以理解，样本有两个被夹持的部分，一部分由固定夹紧夹持器26夹持，另一部分由机器人夹具18的夹持器夹具44夹持。还可以理解的是，在两个被夹持的部分之间可以有一个空间，用于容纳纵切机刀片28。
现在参考图13，纵切机刀片28由致动器38(图13中未示出)致动，以在第一样本中切割出一个狭缝。为了描述清楚，图13中的视图省略了机器人夹具18，并且描绘了处于打开位置的夹持指30和32。然而，应理解，在该过程的这一点上，夹持指30和32处于闭合位置，并且机器人夹具18的夹持指46和48也处于围绕样本的闭合位置，使得在纵切机刀片28的任一侧都有被夹持的部分。狭缝可以由纵切机刀片28在先前提到的两个被夹持的部分之间的空间中产生。
参考图14，一旦狭缝已经形成，机器人夹具18可以通过撕裂测试机器人16向上、垂直移动。该运动可以使撕裂沿着狭缝扩展，使得样本被撕裂成第一部分和第二部分。第一部分可由机器人夹具18的夹持器夹具44夹持，并且第二部分可由固定夹紧站12和14的固定夹持器夹具26夹持。力分布是在撕裂期间用测压元件40测量的。
机器人夹具18可能仍在夹持测试的样本的第一部分。由于在撕裂测试期间机器人夹具18向上行进，机器人夹具18也可以位于从固定夹紧站12向上的位置处。继续夹持测试样本的第一部分，机器人夹具18然后可以被降低到接近在撕裂站22中夹持的测试样本的第二部分的位置。机器人夹具18的真空吸盘50可以被致动以附着到膜样本的第二部分。固定夹紧夹持器26可以被释放，使得测试的样本的第二部分现在由机器人夹具18保持。因此，机器人夹具18可以将测试的样本的第一部分(由夹持指46和48保持的部分)和测试的样本的第二部分(由真空吸盘50保持的部分)移动到弃置部位。
弃置部位可以包括弃置容器和弃置机构，如刷子或一股空气，以将膜从夹持指或真空吸盘上松开。然后，可以释放夹持指46和48，使得测试的样本的第一部分可以落入弃置容器中，或者允许弃置机构松开膜。机器人夹具18可以靠着弃置机构移动，以从真空吸盘50中松开测试的样本的第二部分。一旦松开，测试的样本的第二部分可以落入弃置容器。
在弃置第一样本之后，机器人夹具18返回到第一固定夹紧站12，并且对保持在第一固定夹紧站12的第二撕裂站24中的第二膜样本重复步骤(e)。在弃置第二样本之后，机器人夹具18被移动到第二固定夹具站14，并且对保持在第二固定夹紧站14的撕裂站22和24中的第三和第四样本重复撕裂测试和步骤(e)的弃置。
根据实施例，在步骤(b)、(c)和(d)中的任何一个之前，可以使用材料图像分析器系统62来分析样本的缺陷和不规则性。待测试的样本的宽度也可以用材料图像分析器系统62测量。材料图像分析器系统62可以基于偏振光的原理。偏振光源用于照亮材料图像分析器系统62内的材料样本，同时消除任何环境光。光线穿过膜样本后，由装有偏振滤光器的摄像头捕获。完美成形的膜样本不会散射从光源发出的偏振光，从而产生完全清晰的图像。然而，膜样本中的任何瑕疵/缺陷都会散射摄像头检测到的光。机器视觉算法然后识别和标记具有显著缺陷的膜样本。
尽管以上述顺序描述了该过程，但是将认识到该顺序可以被改变。根据实施例，可以选择步骤的操作顺序，例如，基于工作表面64上的部件的接近度，以提高系统的效率。
尽管机器人夹具18被描述和描绘用于使撕裂在3"×3"(76mm×76mm)的样本中扩展，但是也可以采用其他替代方案，如线性马达、其他类型的机器人系统以及自动拾取和放置重力下落撕裂的自重。
尽管机器人夹具18被描述为通过向上的垂直运动使撕裂扩展，但是可以采用其他替代轨迹。机器人夹具18(或其他撕裂扩展机构)可以被编程为以线性轨迹(垂直和水平)或以角度、圆形或样条线轨迹进行撕裂运动。附加地，机器人夹具18的加速度、速度和行进距离可以被编程。可变加速度运动，如正弦曲线(即摆锤的加速度曲线)可以被编程。本公开的实施例允许用于撕裂的宽范围的速度和加速度参数。在实施例中，机器人夹具18的最大加速度可以设置为1g(9.81m/s)。然而，可以选择其他加速度或速度和加速度的组合。
此外，不同类型的测压元件40可用于测量沿撕裂的力分布。所选择的测压元件的类型取决于几个因素，包括测压元件的范围(取决于待测量的最大撕裂强度力)、测压元件的分辨率(基于所需的测量精度和准确度)以及测压元件的力测量程度(取决于材料样本详细撕裂分析的要求)。六轴测压元件可用于测量和分析六个方向(Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz)中的每一个方向的撕裂力，或者单轴测压元件可以用于测量撕裂方向的力。
撕裂分析设备10中的装备可以用于不同的样本尺寸。撕裂装备可用于ASTM D1922标准中规定的尺寸，或其它尺寸，如3"×2.5"(76.2×68.6mm)的矩形或3"×3"(76mm×76mm)的正方形。撕裂分析设备10中的装备也可以与不同的材料一起使用。该材料可以是如本文所描述的聚合物膜，或者可替代地为聚合物样品(包括粘合剂、板材、地毯纤维、无纺纤维等)，或者非聚合物样品(如纸、布、箔等)。
在一个实施例中，与撕裂测试系统52通信的计算机系统66配置为从撕裂分析设备10收集或获取力数据。计算机系统66包括用户界面，以允许用户输入测试参数，如膜样品或膜样本的标识，从而结果(例如，来自厚度测量系统、图像分析器系统和撕裂分析设备)可以被存储到数据库中，该数据库将其链接到正确的标识。用户界面还允许改变测试参数，如撕裂距离、速度和加速度。计算机系统66可以控制机器人系统54和撕裂分析设备10。机器人系统54可以在主控制器上运行，而撕裂分析设备10可以作为从设备连接到主控制器。
在测试样本期间，测压元件40测量由于样本被从固定夹紧夹持器26中拉出而产生的张力。也就是说，由于测压元件40是下夹持指32的唯一支撑点，所以当样本由机器人夹具18拉动时，测压元件40测量由固定夹紧夹持器26(包括下夹持指32)施加的张力。测压元件40测量的张力与膜样本的抗撕裂性相关。测压元件40在由机器人夹具18进行的整个撕裂过程期间测量张力，并且因此返回力分布。测压元件40可以在非常高的频率下测量力数据，例如大约7000Hz和更高的频率，并且因此可以在膜的整个撕裂上提供详细的力分布。力分布可以用于确定峰值力、撕裂期间所做的功以及进行撕裂所需的平均力。在一个实施例中，样本具有与原始的ASTM D1922样本(图15)相同的撕裂长度(1.7″)，并且因此由测压元件40测量的力可以与ASTM D1922标准相关。在测压元件40是六轴测压元件的实施例中，测压元件40可以测量所有方向上的力，以给出撕裂特性的更详细的分析，如撕裂平面角度。相比之下，Elmendorf测试产生了一个代表撕膜所需平均力的单一数字。返回的平均力仅代表在垂直方向测量的力。
在一个实施例中，由测压元件40测量的力分布可以由计算机系统66以膜的撕裂持续时间的力对时间的曲线图的形式获得。根据这个数据，通过在力曲线中找到最大力值，计算出撕裂膜样本所需的峰值力：
F峰值＝最大(F)
力对时间的曲线图可以看作是整个撕裂的力曲线。计算机系统66还可以获取撕裂持续时间的位移曲线。然后可以获得和解释力对位移的曲线，以获得撕裂分析信息。撕裂膜所做的功是通过对行进的距离(位移(x2-x1))上的力曲线进行积分来计算的：
Figure BDA0002412375560000161
其中，W是功，F(s)是力(作为距离的函数)，x1是撕裂的开始，并且x2是撕裂的结束。平均力的计算方法是将撕裂膜所需的计算的功除以撕裂膜行进的距离：
Figure BDA0002412375560000162
其中s是撕裂的标称长度，例如对于撕裂长度为1.7英寸(43.2mm)的膜样本，撕裂的标称长度为1.7×2＝3.4英寸(86.4mm)。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均值和标准差。每种力的标准化值计算为每密耳厚度的力。
受益于本公开的人将会理解，本文描述的实施例可以允许使用机动化和/或自动化装备进行撕裂。本公开的实施例可以允许撕裂强度测量完全自动化，包括样品的装载和弃置。采用自动化、机动化的过程可以允许相同或相似的装置和/或装备用于广泛的聚合物膜和其他非聚合物样品。如在Elmendorf测试中，不同撕裂强度的不同样品的重量没有变化。附加地，撕裂轨迹可以由相同的装置来定义。也就是说，本公开允许使用相同的装备来进行不同的撕裂轨迹，如样条线、圆形或水平撕裂。这意味着可以使用相同的装备，例如，进行Elmendorf和Trouser测试。
本文使用的术语“计算机系统”涵盖任何数据处理系统或处理单元。计算机系统可以包括一个或多个处理器或处理单元。计算机系统也可以是分布式计算系统。计算机系统可以包括例如台式计算机、膝上型计算机、手持计算设备(如PDA、平板电脑、智能手机等)。一个或多个计算机程序产品可以在计算机系统上运行，以实现以上段落中描述的功能或操作。该计算机程序产品包括计算机可读介质或存储介质或其上存储有用于对计算机系统进行编程以执行以上描述的功能或操作的指令的介质。合适的存储介质或介质的示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、智能卡或其他介质。可替代地，一部分或整个计算机程序产品可以经由如因特网、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。
存储在一个或多个计算机可读介质上的程序可以包括用于控制通用或专用计算机系统或处理器的软件。该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)等输出设备与用户交互。该软件还可以包括但不限于设备驱动程序、操作系统和用户应用。可替代地，替代或除了将以上描述的方法实现为计算机中包含的计算机程序产品(例如，软件产品)，上述方法可以实现为硬件，其中例如专用集成电路(ASIC)或图形处理单元(GPU)可以被设计成实现本公开的一个或多个方法、功能或操作。

Claims (15)

1.一种用于进行撕裂测试的系统，所述系统包含：
第一固定夹紧站，其配置为保持膜样本的第一部分；
可移动夹具，其联接到致动器，所述可移动夹具配置为保持所述膜样本的第二部分，其中所述可移动夹具配置为在远离所述第一固定夹紧站的方向上移动以撕裂所述膜样本；
纵切机刀片，其配置为在所述第一固定夹紧站和所述可移动夹具之间的位置处切割所述膜样本；以及
测压元件，其联接到所述第一固定夹紧站或所述可移动夹具中的一个，所述测压元件配置为测量与所述膜样本的撕裂相关联的力，并且
其中所述致动器配置为沿着轨迹操纵所述可移动夹具。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含联接到所述纵切机刀片的纵切机刀片致动器，其中所述纵切机刀片由所述纵切机刀片致动器驱动以切割所述膜样本。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的系统，其中所述测压元件测量在撕裂所述膜样本期间施加在所述第一固定夹紧站或所述可移动夹具中的一个上的张力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述测压元件包含多轴测压元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述第一固定夹紧站包含配置为保持所述膜样本的第一部分的夹持器，其中所述测压元件测量在撕裂所述膜样本期间施加在所述夹持器上的张力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述可移动夹具包含配置为保持所述膜样本的所述第二部分的夹持器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述致动器包含四轴机器人，所述四轴机器人配置为在X-Y平面和Z方向上移动，并且当在所述Z方向上测试所述膜样本时围绕任意轴旋转。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述致动器配置为移动所述可移动夹具，以在垂直方向、水平方向、角度方向、圆形方向或样条线中的至少一个上撕裂所述膜样本。
9.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其进一步包含第二固定夹紧站，其配置为保持第二膜样本的第二部分，其中所述可移动夹具配置为在所述第一固定夹紧站和所述第二固定夹紧站之间移动。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述可移动夹具配置为保持所述第二膜样本的第一部分。
11.一种进行撕裂测试的方法，所述方法包含：
将膜样本的第一部分夹紧在固定夹紧站中；
将所述膜样本的第二部分夹紧在连接到致动器的可移动夹具中；
用所述致动器移动所述膜样本的所述第二部分，所述致动器在远离所述膜样本的所述第一部分的方向上移动所述可移动夹具；以及
测量沿着在所述膜样本的所述第一部分和所述膜样本的所述第二部分之间扩展的撕裂的力分布。
12.根据权利要求11所述的方法，其中测量沿着所述撕裂的所述力分布包含测量在所述膜样本的所述第一部分和所述膜样本的所述第二部分之间扩展的整个所述撕裂期间的所述力分布。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其进一步包含在撕裂所述膜样本之前，启动纵切机刀片以在所述膜样本的所述第一部分和所述膜样本的所述第二部分之间开始切割。
14.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其进一步包含确定在所述膜样本的所述第一部分和所述膜样本的所述第二部分之间扩展的所述撕裂的峰值力、平均力、所做的功或撕裂平面角度中的一个。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其进一步包含在使用所述可移动夹具扩展所述撕裂之后，处理所述膜样本的所述第一部分和所述膜样本的所述第二部分。
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