CN1714286A - 工件上加载拉力的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟装置，该模拟装置包括一个固定的机身；一个与机身关联用于相对于机身运动的滑架；一个连接到固定机身上用于接合工件的第一装置；一个连接到滑架上用于随滑架一起运动并且用于接合工件的第二装置；连接到固定机身和滑架上用于实现滑架和第二装置相对于机身的运动以将拉伸载荷施加到工件上的至少一个马达装置；包括至少一个力传感器，用于在第二装置运动期间检测施加到工件上的载荷的传感器装置；和一个驱动控制器。所述驱动控制器被连接到马达装置上，用于根据对应于离散时间间隔的预先确定的滑架位置和响应来自包括至少一个力传感器的所述传感器装置的反馈来控制马达装置的运行以便增强对作为时间函数的滑架位置的控制。

Description

工件上加载拉力的模拟装置

背景技术

授予Sullivan等人的美国专利6,370,962公开了一种在动态条件下确定样本的拉伸特性的装置。该装置包括一个含有线性马达20的外壳16。该装置也包括一个主动夹具组件30和一个从动夹具组件32，它们被安装到轨道26上用于沿轨道26运动。还提供了光学传感器102、104和力传感器108。在测试运行之前，两个夹具组件被连接在一起，例如使用磁铁，参见第6段第19至20行。样本被安装在主动夹具组件30和从动夹具组件32的夹持夹具中。“样本S在进入测试运行时无拉伸载荷”，参见第7段第14至15行。从动夹具组件32最初随主动夹具组件30运动直至前者到达制动组件90，在此接合点处其终止向前运动。主动夹具组件30继续运动产生一个施加到样本上的拉力。应该注意的是，线性马达20“在测试运行之初和测试运行之前应达到测试速度”见第6段第34至36行。光学传感器102、104以及力传感器108在测试运行时产生实时数据，参见第7段第3至6行。该数据被用于测定样本S的应力-应变特征，参见第7段第11至14行。据信由力传感器108产生的信号没有被该装置中的控制器用来作为时间函数控制任一个夹具组件30、32的位置。

授予Burke等人的美国专利5,188,456也公开了一种在动态条件下确定样本的拉伸特性的装置。所述装置包括一个连接到一个活动压头12上的第一夹持夹具18。从而，压头12和夹持夹具18通过一个线性步进马达10被驱动。第二纤维夹持夹具24被基本固定。它也被连接到一个测力传感器32。在测试运行之前，第一夹持夹具18在远离第二夹具24的方向被运行直至载荷的增量被测力传感器32检测，参见第6段第9至12行。然后第一夹持夹具18被运行到一个由控制器决定的位置，直到样本被拉长到预先确定的百分比，参见第6段第12至16行。然后控制器对测力传感器取样以确定样本上的载荷，参见第6段第16至19行。专利‘456也设想当样本被加热时控制器连续地对测力传感器取样以及控制第一夹持夹具18的运动以使得施加到样本上的载荷保持恒定，参见从第6段第32行开始至第7段第33行。据信由测力传感器产生的信号没有被该装置中的控制器用来作为时间函数控制第一夹持夹具18的位置。

还应注意的是MTS Systems Corporation生产一种以商品名“810Floor-Standing Systems”销售的材料测试系统，参见网址“http：//www.mts.com/menusystem.asp？DataSource＝0&NodeID＝1011”。所述装置包括一个固定的第一工件夹持构件和一个活动的第二工件夹持构件。第二构件被驱使远离第一构件的运动使得对工件施加一个拉力。第二构件的运动是通过一个伺服操纵阀来实现。所述装置包括一个测量第一和第二夹持构件之间的相对位移的常规LVDT传感器。它还包括一个产生由所述工件施加到第一构件上的载荷的指示信号的载荷传感器。据信由载荷传感器产生的信号没有被该装置中的控制器用来作为时间函数控制第二工件夹持构件的位置。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一个模拟装置且该装置包括一个固定的机身；一个与机身关联的用于相对于机身运动的滑架；连接到固定机身、用于接合工件的第一装置；连接到滑架、用于随滑架运动以及接合工件的第二装置；连接到固定机身和滑架、用于实现滑架和第二装置相对于机身的运动以使拉伸载荷被施加到工件上的至少一个马达装置；包括至少一个力传感器以使在第二装置运动期间检测施加到工件上的拉伸载荷的传感器装置；以及连接到至少一个马达装置的一个传动控制器，该控制器用于依照对应于离散时间间隔的预先确定的滑架位置和响应来自包括至少一个力传感器的传感器装置的反馈来控制至少一个马达装置的运行。

已经发现当传动控制器控制驱动滑架的马达装置时考虑到来自力传感器的反馈时，实现了对作为时间函数的滑架位置的改进控制。

附图说明

图1是本发明的装置的一个侧视图，其用作对工件进行拉伸测试。

图2A为图示说明装有一个第二夹持装置的一个往复运动的滑架的透视图，其中滑架位于由装置机身的上下部分所限定的腔体内；

图2B为装置主体上部的透视图；

图2C为安装到机身下部的滑架的透视侧视图，并且其中已经去除了机身上部和伺服线性马达；

图2D为滑架主体的透视图；

图2E为滑架主体的后视图；

图2F为滑架主体的前视图；

图2G为滑架主体的侧视图；

图2H为滑架和马达第二构件的透视图；

图2I为滑架和马达第二构件一部分的透视图；

图3A为滑架和安装到滑架上的第二夹持装置的一部分的透视图；

图3B为滑架的一部分和机身下部的一部分的侧透视图；

图4为在图1装置中的伺服线性马达之一的U型第一构件的透视图；

图5为装置机身的外侧支承构件、L型位置限制构件、弹簧加载板、弹簧受载板、加热板、冷却板和图1所示装置的静止的第一夹持装置的透视图；

图5A为带有夹紧在其中的工件的第一和第二夹持装置的顶视图。

图6和7为装置机身的外侧支承构件、L型位置限制构件、弹簧加载板、弹簧受载板、加热板和冷却板的透视图，并且其中未画出静止的第一夹持装置；

图6A为L型位置限制构件、弹簧受载板、加热板和冷却板各部分的透视图，并且其中未画出静止的第一夹持装置；

图8A至8D为第一和第二夹持装置的多个视图；

图9为图示说明图1装置的控制器在恒定速度段期间当控制滑架位置作为时间函数时在处理来自测力传感器的力反馈时所采用步骤的方框图；

图10为图示说明用于驱动图1装置的马达的一个驱动器控制器和放大器的方框图；

图10A为图示说明本发明的加热器控制器的方框图；

图11A为实施例的位置与时间的曲线图；

图11B为实施例的速度与时间的曲线图；

图11C为实施例的加速度与时间的曲线图；和

图12为被图1装置的第一和第二夹持装置接合的一个校准板的示意的侧视图。

具体实施方式

图1图示说明根据本发明建造的用于将拉伸载荷施加到工件W上的一个装置10。实施例工件W包括聚烯烃薄膜和纤维结构；弹性体薄膜和纤维结构；纸片；以及其它类似薄膜和纤维结构。装置10包括一个固定机身20，其包括一个下部22和一个固定连接到下部22上的上部24，参见图1、2A和2B。装置10还包括一个往复直线运动的滑架30，其包括一个位于由机身20的下部和上部22和24所限定的一个腔体26内部的主体部分34，参见图2A、图2C(在图2C中，上部24已经从下部22上去除以图示说明滑架30)和图2D至2G(在图2D至2G中，仅图示说明了主体部分34)。

滑架30借助于安装到形成滑架主体部分34一部分的一对翼34c上的常规直线轴承32沿着第一和第二滑轨28a和28b运动，参见图2A、2C、2D和3A和3B。滑架30的往复运动通过八个单独的伺服线性马达40来实现，所有的马达联合运行，其中马达40以产品名称“LEC-S-4P”购自Rockwell International Corporation。每个伺服马达40包括一个大致U型的第一构件42，其包括一个具有安装在其U型腔体内部并基本上在其整个长度上延伸的多个磁铁42b的金属U型元件42a，参见图2A和4，以及一个活动的第二构件43，其包括一个金属支撑板，其具有绕着支承板缠绕的并沿着其长度延伸的多个线圈，参见图2H和2I。将四个第一构件42固定连接到机身20上部24的内表面24a上，参见图2A，同时在滑架30的正下方将剩下的四个第一构件(未示出)固定连接到机身20下部22的上表面(未示出)。将四个第二构件43固定连接到滑架主体部分34的主板34d的上部34a，同时将剩下的四个第二构件(未示出)固定连接到滑架主体部分34的主板34d的下部34b。将四个聚合物支承板44固定到主板34d的上部34a上，参见图2A，并将四个聚合物支承板(未示出)安装到主板34d的下部34b。将固定连接到滑架主体部分34的主板34d的上部和下部34a和34b的马达第二构件43与聚合物板44串联安装。在启动马达40时，每个第二构件43相对于其对应的第一构件42运动，使得滑架30相对于固定机身20直线运动。在图示说明的实施方案中，马达40能够以达到+/-3米/秒的速度和以达到+/-196m/s²的加速度移动滑架30；并且使滑架30产生一个等于约+/-20,000牛顿的作用于工件W上的拉伸载荷，即由第一和第二夹持装置100和200施加到工件W上的力。

提供了其中一种以产品代号“Turbo PMAC 2-PC”购自Delta TauCorporation的一个驱动控制器300用于控制马达40的运行，参见图10。驱动控制器300产生一个被第一和第二放大器360a和360b接收的驱动信号。放大器360a和360b以产品代号“Quad Amp.”购自Delta TauCorporation。将每个放大器360a、360b连接到四个伺服马达40上。响应从控制器300接收的驱动信号，每个放大器360a、360b产生基本相同的驱动控制信号给其对应的四个马达40。

滑架30相对于固定机身20的位置通过一个连接到固定机身20的上部24上的线性编码器读出头410被检测，参见图2A，其从安装到滑架30上与滑架30一起运动的一个相应的传感器带412读取位置值。

滑架30还包括一个冷却板36和一个加热板38，参见图2A和3A。第二夹持装置200通过螺栓202直接安装到加热板38上，参见图3A、8B和8D。加热板38通过一对电阻加热器38a被加热，参见图2A和3A。板38的温度通过一个热电偶38b进行检测，其产生温度信号给一个加热器控制器320，参见图2A和10A。加热器控制器320控制电阻加热器38a的启动以将板38保持在所需的温度。冷却板36通过流经板36的空气进行冷却。空气通过一对空气管道被提供给板36，空气管道通过配件36a连接到板36上，参见图3A。冷却板36防止呈热量形式的能量从加热板38被转移到滑架主体部分34。

提供了一对弹簧加载的后挡50来限制滑架30在远离第一夹持装置100的方向上行进，参见图1。

再次参见图1，机身20的下部22包括一个外支承构件22a。在图示的实施方案中，穿过支承构件22a延伸的是四个螺孔(未示出)，其每个具有一个对应的螺杆60，参见图6和7。固定连接到外支承构件22a上的是一对L型位置限制构件22b和22c。一个弹簧加载板70被安放在构件22b和22c之间并紧靠螺杆60。一个弹簧受载基板72也被安放在构件22b和22c之间并借助于多个压缩弹簧74偏压限制构件22b和22c的悬臂部分22d，参见图5至7和6A。一对定位杆72a从平板72伸出来并穿过在弹簧加载板70中装设的直线轴承70a以及在支承构件22a中装设的直线轴承(未示出)，参见图7。弹簧74被安装在从弹簧受载板72中伸出的相应杆上。在弹簧加载板70中设有孔，用于安放绕着其安装弹簧74的杆。弹簧加载板70的位置可通过调节螺杆60的位置而改变，以调节弹簧74顶靠板72所施加的偏置力。在图示的实施方案中，设置了约十二(12)个弹簧74来施加约7000磅(31,000N)的力顶靠弹簧受载板72。

将一个冷却板80借助于螺栓(未示出)固定连接到弹簧受载板72上，参见图5至7和6A。将一个加热板82借助于预压螺钉固定安装到冷却板80上。位于冷却板80和加热板82之间的是多个压电测力传感器84，在图示的实施方案中是四个，参见图6A和7，其连同用于将加热板82连接到冷却板80上的预压螺钉一起以产品代号“Load Washer和PreloadScrew，型号9031”购自Kistler Instrument Corporation。测力传感器84产生的信号被提供给一个求和装置84a，参见图10，其以产品代号“4-GangConnector，型号107B”购自Kistler Corporation。求和装置84a用来将四个测力传感器84产生的信号累加并产生一个集中力信号给一个放大器84b。放大器84b以产品代号“Dual Charge Amplifier，型号5010B”购自Kistler Corporation。一个由放大器84b产生的放大的力信号传送至控制器300并且它是由冷却板80和加热板82直接施加到测力传感器84上的综合压缩力的代表。将加热板82连接到板80上的预压螺钉延伸穿过在测力传感器84中的中心孔。四个测力传感器84中的每个传感器被预加3000磅(13，345牛)的载荷，用于产生作用在四个测力传感器84上的12,000磅(53，375牛)的综合预加载荷。由于测力传感器84被预加载荷，当拉伸载荷通过第一和第二夹持装置100和200施加到工件W上时，由冷却板80和加热板82施加到测力传感器84上的压缩力被缩减。施加到测力传感器84上的压缩力的缩减量等于第一和第二夹持装置100和200施加到工件W上的拉伸载荷。施加到工件W上的拉伸载荷的值也等于工件W施加到第一和第二夹持装置100和200的每一个上以及滑架30上的拉伸载荷的值。

在图5、5A、8B和8D中图示说明，但在图6、7和6A中没有显示的第一夹持装置100通过螺栓102被直接安装到加热板82上。加热板82借助于一对电阻加热器82a进行加热，参见图5、6和6A。板82的温度通过热电偶82b进行检测，其产生温度信号给控制器320，参见图6、6A和10A。加热器控制器320控制电阻加热器82a的启动以将板82保持在所需的温度。冷却板80通过流经板80的空气进行冷却。空气借助于一对空气管道被提供给板80，空气管道通过配件80a被连接到板80上。冷却板80防止呈热量形式的能量从加热板82被转移到弹簧受载板72。

为防止第一和第二夹持装置100和200由于滑架30朝向第一夹持装置100的超程而损坏，将一个传感器90安装到机身20的下部22以及将一个标志92安装到滑架30的主体部分34，参见图2A、3A和5。传感器90连接到控制器300，参见图10。如果滑架30在朝向第一夹持100的方向上移动得太远，则滑架30上的标志92将启动传感器90，其产生一个相应的信号给控制器300。在响应过程中，控制器300断开驱动滑架30的马达40的动力。也提供了一个用于防止损坏第一和第二夹持装置100和200的第二传感器排列。它包括一个安装到限制构件22c上的微动开关94和一个固定安装到弹簧受载板72上的致动器96，参见图6和7。将微动开关94连接到控制器300上，参见图10。接合悬臂99(图2A、2D-、2G和5A中未显示)被安装到滑架30的主体部分34上，参见图5和6，并适合于正好在第二平板夹持装置200接合第一夹持装置100之前接合弹簧受载板72。当由顶靠弹簧受载板72的接合悬臂99所施加的外力超过顶靠板72的压缩弹簧74所施加的偏置力时，板72将在朝向弹簧加载板70的方向上运动，使致动器96启动开关94，其又产生一个相应的信号给控制器300。在响应过程中，控制器300断开驱动滑架30的马达40的动力。

根据本发明，拉伸载荷由第一和第二夹持装置100和200施加到工件W上使得工件W经历一个预先确定的基本上恒定的应变速度。拉伸载荷被施加到工件W上直至工件破坏或滑架30到达它的行程或运行终点，例如，距离后挡50约75mm处。

第一工件夹持装置100包括一个通过螺栓102直接连接到加热板82上的支撑板106，参见图5、5A和8A至8D。外部构件108通过螺栓108a固定到支撑板106上，参见图8A。活动的外部构件110通过螺栓110a和112连接到支撑板106上。位于外部构件108和110之间的是可拆卸的工件接合构件114。一旦工件W被放置在接合构件114之间，结合构件114被嵌入外部构件108和110之间。当它们被嵌入外部构件108和110之间时提供制动器114a以限制接合构件114的移动。然后螺栓112被操作者调整导致外部构件110向着固定构件108运动使得工件W被锁定在接合构件114和116之间。

第二工件夹持装置200包括一个通过螺栓202直接连接到加热板38上的支撑板206，参见图2A和8A至8D。外部构件208被固定到支撑板206上。活动的外部构件210通过螺栓210a和212被可调节地连接到支撑板206上。位于外部构件208和210之间的是可拆卸的工件接合构件214。一旦工件W被放置在接合构件214之间，结合构件214被嵌入外部构件208和210之间。当它们被嵌入外部构件208和210之间时提供制动器214a以限制接合构件214的移动。然后螺栓212被操作者调整导致外部构件210向着固定构件208运动使得工件W被锁定在接合构件214之间。

在进行拉伸测试操作之前，确定滑架30的“出发”位置。在第一和第二夹持装置100和200之间没有工件W时，控制器300致使第二夹持装置200向着第一夹持装置100缓慢运动直到其接合校准板400，其具有一个邻近第一夹持装置100的已知厚度T，参见图12。控制器300控制第二夹持装置200的运动使得它向着第一夹持装置100缓慢运动直到其接合校准板400。在接合点处，由于滑架30的运动被校准板400锁定伺服直线电机40的位置误差增大，其增大了由控制器300检测的位置误差。换句话讲，控制器300通过由线性编码器读出头410产生的位置信号决定滑架30的位置不改变，即使控制器300正产生驱动信号以给马达40提供动力。响应检测的滑架30的0运动，控制器300知道滑架30位于与远离滑架30的“0位置”的距离相等于校准板400的厚度的位置处，即，如果假设允许第二夹持装置200接合第一夹持装置100，其位于滑架30的位置。从传感器带412读取对应的位置值之后基于线性编码器读出头410产生的位置信号，控制器300限定滑架30的当前位置作为一个离开“0位置”的距离等于校准板400的厚度的距离。如下文进一步所述，当第二夹持装置200位于远离第一夹持装置100为“Pli”距离的位置时控制器300定义滑架30的“出发”位置作为滑架30的位置。

同样在进行拉伸测试之前，工程师/技术人员定义如下参数：工件W的标距长度Lo，即，从第一夹持装置100的外表面104延伸至第二夹持装置200的外表面204的工件W的拉紧但非拉伸长度，参见图8C；一个期望的基本上恒定的应变速度(1/秒)，在测试运行期间工件W将承受该应变速度；距离“Pli”，如上面所提到的；滑架30与缓冲器50隔开的最终距离，例如，75mm。

然后，滑架30被移动到某一位置以使得第一夹持装置100的外表面104和第二夹持装置200的外表面204之间的距离小于工件W的标距长度Lo。工件W以及接合构件114和214然后被装入且夹紧在夹持构件108、110和208、210之间。

其后，滑架30被移动至一个开始位置，也是它的出发位置，在此处第二夹持装置200的外表面204离开第一夹持装置100的外表面104之间隔开的距离为Pli。距离Pli的选择使得在夹持装置100和200之间提供足够的空间以便工件W不被夹持装置100和200过度压缩和损坏。距离“Pli”可以等于预先确定的工件W初始标距长度的倍数值，例如，Pli＝0.10×L₀。

设想在通过移动第二夹持装置200以使其离开第一夹持装置100的距离为Pli来实施测试之前工件W可被加热到一个预先确定的温度。如上面所提到的，加热器控制器320将加热板38和82维持在预定的温度。可用控制到预定温度的加热板38和82通过将工件W在第一和第二夹持装置100和200之间保持一段预定的时间将工件W加热到所需温度。

为了实现测试运行，控制器300致使马达40驱动滑架30从起始位置(也是它的“出发”位置)，在此处第二夹持装置200的外表面204离开第一夹持装置100的外表面104之间隔开的距离为Pli，在远离第一夹持装置100的方向上运动以使拉伸载荷被施加到工件W上。控制器300致使马达40连续驱动滑架30运动直至其到达最终位置，在该最终位置处滑架远离缓冲器50一个预先确定的距离，例如75mm。当滑架30在其最终位置处时，第二夹持装置200也在其终止或最终位置并且其远离第一夹持装置100隔开一个距离P3f。在滑架30运动期间，工件W伸长直至拉伸载荷导致其破坏，即，破裂，或直至滑架30到达它的最终位置。在图示说明的实施方案中，滑架30从它的初始或出发位置至它的最终位置的运动被分成三个离散的段。

三段的每一段均包括多个相等的离散时间间隔，例如300微秒。例如，确定执行三段所需的总时间周期T，如下面所述，并且然后用该总时间周期除以驱动控制器300在拉伸测试运行期间能够处理的预定的控制点数目例如7990，以确定离散时间间隔的周期。如果计算出的离散时间间隔的周期小于预定值，例如300微秒，则采用预定值。

利用对应于这三段的公式，将在下面论述，处理器/存储器单元340为每一段中的每一离散时间间隔确定滑架30的对应位置。提供时间间隔和对应的滑架位置给驱动控制器300。在前进加速段、恒定速度段和回退加速段期间，驱动控制器300基于对应于那些段的离散时间间隔的预先确定的滑架位置产生适当的驱动信号至放大器360a、360b以控制滑架30的运动，并且响应来自线性编码器读出头410的滑架位置信号和放大器84b反馈的力信号。因为在前进加速段不存在工件W施加到滑架30上的载荷，并且经过回退加速段的开始工件W典型地已经破坏，这使得在那段期间没有载荷经由工件W施加到滑架30上，所以在那两段期间来自放大器84b的反馈力信号典型地为0载荷指示。

处理器/存储器单元340利用下式计算执行三个段所需的总时间周期T：

T＝T₁+T₂+T₃

其中

T₁＝在前进加速段期间的总时间；

T₂＝在恒定速度段期间的总时间；和

T₃＝在回退加速段期间的总时间。

确定T₁、T₂和T₃的公式列于下面。

然后单元340用总时间T除以整个三段的综合的控制点数目例如7990，以确定离散时间间隔的时间周期。

前进加速段被定义成出现于从第二夹持装置200，其位于离开第一夹持装置100距离Pli处，远离第一夹持装置100开始移动直至滑架30达到一个预先确定的速度值V₂，该速度值为在恒定速度段期间所维持的速度。在前进加速段的末端工件W位于第一和第二夹持装置100和200之间的长度等于它的初始标距长度Lo以使直至恒定速度段开始没有拉伸载荷施加到工件W上。

工件W被夹紧在两个夹持装置100和200之间，控制器300致使滑架30根据预先确定的对应于前进加速段期间出现的每一个时间间隔的滑架位置P₁进行移动。那些滑架位置P₁被处理器/存储器单元340预先确定且随后提供给控制器300。处理器/存储器单元340也确定提供给控制器300的对应滑架速度值和滑架加速度值。处理器/存储器单元340为前进加速段期间出现的大量相等的离散时间间隔中的每一个计算滑架位置、滑架速度和滑架加速度，其利用下式计算：

前进加速段中的加速度A₁：

A₁＝V₂/T₁

其中：

V₂＝Lo×dε/dt(在恒定速度段的速度)；

Lo＝工件W的初始标距长度；

ε＝工程应变；

dε/dt＝在测试运行中工件W将承受的期望的恒定应变速度；

$T_1=\frac{2\×(\mathrm{Lo}-\mathrm{Pli})}{V_2}$ (在前进加速段期间的总时间)；

Pli＝在测试运行开始处第二夹持装置200离开第一夹持装置100的距离。

前进加速段中的速度A₁：

V₁＝A₁×t₁

其中：

t₁＝0至T₁

前进加速段的位置：

$P_1=\mathrm{Pli}+\frac{(A_1\×{t_1}^2)}{2}$

其中：

t₁＝0至T₁；

P₁＝相对于第一夹持装置100和对应的时间t₁的滑架位置(或第二夹持装置200的位置)；

Pli＝在测试运行开始处第二夹持装置200离开第一夹持装置100的距离；和

A₁＝参见上述前进加速段中滑架加速度的公式。

恒定速度段被定义成出现于从前进加速段直至在回退加速段期间滑架速度开始减小为止。在恒定速度段期间，滑架30被维持在一个基本恒定的速度V₂。在该段期间，拉伸载荷被施加到工件W上使得工件W经历一个基本上恒定的应变速度，该应变速度由工程师/技术人员预先确定。控制器300致使滑架30根据预先确定的对应于恒定速度段期间出现的每一个时间间隔的滑架位置P₂进行移动。那些滑架位置P₂由处理器/存储器单元340预先确定且随后提供给控制器300。处理器/存储器单元340也确定提供给控制器300的对应滑架速度值。处理器/存储器单元340为恒定速度段期间出现的大量相等的离散时间间隔中的每一个计算滑架位置和滑架速度，其利用下式计算：

在恒定速度段的加速度A₂始终等于0。

在恒定速度段期间的速度V₂：

V₂＝Lo×dε/dt

Lo＝工件W的初始标距长度；和

dε/dt＝在测试运行中工件W将承受的期望的恒定应变速度。

在恒定速度段的位置：

P₂＝V₂×t₂

其中：

P₂＝相对于恒定速度段开始处滑架30的位置和对应的时间t₂的滑架位置(或第二夹持装置200的位置)；

t₂＝0(“0”时间在恒定速度段开始处)至T₂；和

T₂＝在恒定速度段中的总时间；

$T_2=\frac{P3f-\mathrm{Pli}-\left(\frac{A_1\×{T_1}^2}{2}\right)+\left(\frac{A_3\×{T_3}^2}{2}\right)}{V_2}$

P3f＝第二夹持装置200在回退加速段的末端处相对于第一夹持装置100的最终位置；

Pli＝在测试运行开始处第二夹持装置200离开第一夹持装置100的距离；

A₁等于前进加速段中的加速度。

T₁等于前进加速段中的总时间。

V₂等于恒定速度段的速度；

A₃等于在回退加速段期间的加速度，参见下述公式；和

T₃等于回退加速段中的总时间，参见下述公式。

回退加速段被定义成出现于从恒定速度段的末端直至滑架30到达其最终或终止位置为止。控制器300致使滑架30根据预先确定的对应于回退加速段期间出现的每一个时间间隔的滑架位置P₃进行移动。那些滑架位置P₃被处理器/存储器单元340预先确定且随后提供给控制器300。处理器/存储器单元340也确定提供给控制器300的对应滑架速度值和滑架加速度值。处理器/存储器单元340为回退加速段期间出现的大量相等的离散时间间隔中的每一个计算滑架位置、滑架速度和滑架加速度，其利用下式计算：

回退加速段中的加速度A₃：

A₃＝-V₂/T₁

其中：

V₂＝Lo×dε/dt(在恒定速度段的速度)；

Lo＝工件W的初始标距长度；

dε/dt＝在测试运行中工件W将承受的期望的恒定的应变速度；

$T_1=\frac{2\×(\mathrm{Lo}-\mathrm{Pli})}{V_2}$ (在前进加速段期间的总时间，其等于回退加速段期间的总时间)；

Pli＝在测试运行开始处第二夹持装置200离开第一夹持装置100的距离。

回退加速段中的速度A₃：

V₃＝V₂+(A₃×t₃)

其中：

t₃＝0(“0”时间在回退加速段开始处)至T3；

T₃＝在回退加速段中的总时间，其等于T1。

回退加速段的位置：

$P_3=-\left[\frac{(A_3\×t_3)}{2}\right]$

其中：

P₃＝相对于回退加速段开始处滑架30的位置和对应的时间t₃的滑架位置(或第二夹持装置200的位置)；

t₃＝0(“0”时间在回退加速段开始处)至T₃；

T₃等于回退加速段中的总时间，其等于T₁；和

A₃＝参见上述针对A₃的公式。

以滑架30在其开始或出发位置，控制器300致使伺服直线电机40驱动滑架30远离第一夹持装置100以使得滑架30被加速至速度V₂。在该段期间在产生适当的驱动信号至放大器360a、360b时，控制器300考虑到来自线性编码器读出头410的位置反馈信息使得控制器将由读出头410提供的位置信息所确定的滑架30的实际位置与预先确定的、期望的位置相比较。在前进加速段期间控制器300在产生适当的驱动信号至360a、360b时，放大器也考虑到由测力传感器84产生的力或载荷信息。然而，因为在前进加速段期间没有载荷经由工件W施加到滑架30上，或反之亦然，由测力传感器84b反馈的力信号在该段典型地为0载荷指示。

控制器300还致使滑架30以速度V₂行进贯穿恒定速度段。在恒定速度段期间在产生适当的驱动信号至放大器360a、360b时，控制器300考虑到来自线性编码器读出头410的位置反馈信息使得控制器将由读出头410提供的位置信息所确定的滑架30的当前位置与预先确定的、期望的位置相比较。在恒定速度段期间控制器300在产生适当的驱动信号至360a、360b时，放大器也考虑到由测力传感器84产生的力或载荷信息。

开始于回退加速段的开始处，控制器300致使滑架30从速度V₂减速至零速度，在该零速度点滑架30处于它的最终或终止位置。在回退加速段期间在产生适当的驱动信号至放大器360a、360b时，控制器300考虑到来自线性编码器读出头410的位置反馈信息使得控制器将由读出头410提供的位置信息所确定的滑架30的实际位置与预先确定的、期望的位置相比较。在回退加速段期间控制器300在产生适当的驱动信号至360a、360b时，放大器也考虑到由测力传感器84产生的力或载荷信息。然而，因为在之前的恒定速度段期间工件W典型地发生破坏，所以典型地没有载荷经由工件W施加到滑架30上，并且因此由测力传感器84b反馈的力信号在该段期间典型地为0载荷指示。

已经发现通过利用来自测力传感器84的力反馈，控制器300实施的作为时间函数的滑架位置控制精度能够被提高。图9图示说明的特征方框图显示当控制滑架30的位置作为时间函数时控制器300依照包括处理来自测力传感器84的力反馈的伺服控制算法所采取的步骤。

在步骤500中，针对每一段期间出现的离散时间间隔，控制器300连续地检索由处理器/存储器单元340预先确定的且先前提供给控制器300的、期望的滑架位置P₂。在前进和回退加速段以及恒定速度段期间的每一离散时间间隔均包括相同的第一时间周期TP₁。在步骤500a期间，其被称作一个“轨迹发生器”步骤，控制器300在滑架位置P₂，即，近似的滑架位置，之间插入产生于每一离散时间间隔处的新命令，每一时间间隔包括第一周期TP₁，这样使得精确的滑架位置P_2F产生于第二时间间隔，且每一时间间隔包括第二周期TP₂，其小于第一周期TP₁。

在步骤502中，控制器300产生通过比较精确的滑架位置P_2F与实测的滑架位置产生一个位置误差值。每一个实测的滑架位置通过利用线性轮询编码器读出头410获得的数据来确定，参见步骤504。在步骤503中，当前位置误差与步骤503b期间确定的综合值，通过加法，被结合。步骤503b期间产生的位置误差的整合提供了一种方法，通过该方法控制器300能强制位置误差达到零，即，控制器300连续地累积位置误差并且将累积的误差回加到当前位置误差之中。

在步骤500a期间确定的精确滑架位置P_2F被用于步骤502a中以产生一个速度前馈信号。在步骤502a期间，控制器300确定精确滑架位置P_2F关于伺服控制算法的时间基数的第一变型，该时间基数包括多个离散时间间隔，每一时间间隔具有一个等于上述第二周期TP₂的周期。速度前馈信号典型地被用来补偿机械阻尼，即，装置10中存在的摩擦。在步骤500a期间确定的精确滑架位置P_2F也用于步骤502b中以产生一个加速度前馈信号，其中控制器300接受精确滑架位置P_2F关于伺服控制算法的时间基数的第二变型，该时间基数包括多个离散时间间隔，每一时间间隔具有一个等于上述第二周期TP₂的周期。加速度前馈信号典型地被用来补偿系统惯性。在步骤503a处速度前馈信号和加速度前馈信号被加在一起。

在步骤513中滑架30的速度通过接受来自编码器读出头410的实际位置值的第一变型被确定。在步骤508期间第一变型或滑架速度被乘以一个变型增益值使得在控制器300中为稳定性提供阻尼。在步骤507中，来自步骤508的输出从步骤503期间所确定的总数以及步骤503a期间所确定的总数中被减去。在步骤509期间来自步骤507的输出被乘以一个增益因数以便为马达40提供一个期望的响应，这样使得为了期望的响应，控制器300的时间、超调量和总的带宽能够被调节。在这种情况下，对于期望的位置P₂关于滑架30的运动优选响应在于最小化位置误差、最小化在滑架30的位置中的超调量、以及在最短的时间内实现期望的位置P₂。

来自步骤509的输出典型地被参考作为一个当前参考值，且通常被直接提供给控制器300中的一个马达电流发生器算法，该算法包括一个电流控制回路。然而，根据本发明，在步骤510处，控制器300轮询测力传感器放大器84b且产生一个直接与测力传感器84检测到载荷成比例的拉伸载荷值，即，由滑架30施加到工件W上的拉伸载荷。然后控制器300将拉伸载荷值乘以一个比例因数以使将来自测力传感器放大器84b的原信号转换成一个代表直接与马达40施加到滑架30上产生加在工件W上的拉伸载荷的载荷成比例的马达电流的比例信号。该比例拉伸载荷值在步骤512处被加到当前参考值上以产生一个代表马达40所必需的、用于移动滑架30至下一个想要位置P₂的载荷的值，如由来自步骤509的输出所定义的，以及所需用于产生加于工件W上的拉伸载荷的马达载荷，如来自步骤510的输出所代表的。在步骤516中，利用一个电流回路，控制器300基于来自步骤512的输出为第一和第二放大器360a和360b确定一个适当的驱动信号。所述电流回路被典型地从马达的电特征进行购型和改进使得提供一个期望的电流响应。在该实施方案中期望的电流响应为最小的电流超调量，以最快的可实现速度至步骤512的输出。

通过在步骤512处利用带有当前参考值的比例拉伸载荷值，控制器300针对由滑架30施加到工件W上的载荷的变化在步骤502、502a和502b处有效地分流位置、速度和加速度回路，这样使得当其确定第一和第二放大器360a和360b的驱动信号时，更直接地考虑拉伸载荷的变化，由此直接提高最为时间函数的滑架30位置的控制精度。还应注意的是，当载荷值被考虑在内时，用来控制马达40的运行以及因此作为时间函数的滑架30的位置的控制响应时间被改善。换句话讲，如果在步骤512期间不考虑由测力传感器检测的载荷值、由工件W施加到滑架30上的拉伸载荷的变化，反之亦然，这将不得不由位置、速度和加速度控制回路来直接考虑。这样做将减少控制器300在控制马达40的运行方面的响应时间，使得由控制器300控制的滑架位置的控制精度将受到消极影响，尤其是在速度很高当工件W施加到滑架30上的载荷，且反之亦然，迅速变化时。

进一步设想第一和第二恒定速度段可被定义用于任何给定的测试运行。在这样的情况下，预先确定的用于第一恒定速度段的滑架位置被定义成使得滑架30在那段期间以基本恒定的第一速度运行，以及预先确定的用于第二恒定速度段的滑架位置被定义成使得滑架30在第二恒定速度段期间以基本恒定的第二速度运行。第一和第二速度互不相等。在第一和第二恒定速度段之间提供一个额外加速段，用于增大或减小滑架30的速度。在该实施方案中，工件W在第二夹持装置200以第一速度运动期间经历一个预先确定的基本恒定的第一应变速度并且工件W在第二夹持装置200以第二速度运动期间经历一个预先确定的基本恒定的第二应变速度。第一应变速度不同于第二应变速度。

也设想对于任何给定的测试运行，为了随后的回顾和处理控制器300可以存储由读出头410提供的位置信息以及由测力传感器84提供的载荷信息。从那些信息中，控制器300可产生如下的附加数据：随时间的滑架位置；以及随时间施加到工件W上的载荷；以及随滑架位置施加到工件W上的载荷。

在每一个测试运行期间，滑架30由于滑架加速度的改变均经历“猛拉”或机械振动。该振动噪音可以通过进行“干”测试运行来确定，即，不带工件W的测试运行。在干测试运行期间，来自测力传感器放大器84b的测力传感器数据被收集作为时间和滑架位置的函数。在每一次实际测试运行之后，即，包括被放置承受拉伸载荷的工件W的测试运行，将来自实际测试运行的数据与干测试运行收集的数据进行比较，即，从实际测试运行的数据中减去来自干测试运行的数据，这样使得振动噪音被去除。

此外设想滑架30可以在工件W成为拉紧状态之前被加速到速度V2。然而，恒定的应变速度仅在拉伸载荷被施加到工件W上之后出现，即，工件在第一和第二夹持装置100和200之间处于拉紧状态之后。

来自实施例拉伸测试运行的的数据被列于下面。图11A图示说明了实施例的位置对时间曲线；图11B图示说明了实施例的速度对时间曲线；和图11C图示说明了实施例的加速度对时间曲线。

                        实施例的数据

               用于拉伸测试程序的运动控制模型

应变速度(秒^-1)                             150.0

初始标距长度(米)                            0.010

前进加速段的初始位置(米)                    0.002

回退加速段的最终位置(米)                    0.075

上述数字由使用者定义

前进加速段

段中的时间     段中的位置      总时间     总位置     速度      加速度

  (秒)            (米)          (秒)       (米)     (米/秒)   (米/秒^2)

 0               0.0020        0.00000    0.0020     0.000     0.00

 0.00107         0.0021        0.00107    0.0021     0.150     140.63

 0.00213         0.0023        0.00213    0.0023     0.300     140.63

 0.00320         0.0027        0.00320    0.0027     0.450     140.63

0.00427      0.0033      0.00427      0.0033      0.600      140.63

0.00533      0.0040      0.00533      0.0040      0.750      140.63

0.00640      0.0049      0.00640      0.0049      0.900      140.63

0.00747      0.0059      0.00747      0.0059      1.050      140.63

0.00853      0.0071      0.00853      0.0071      1.200      140.63

0.00960      0.0085      0.00960      0.0085      1.350      140.63

0.01067      0.0100      0.01067      0.0100      1.500      140.63

恒定速度段

段中的时间  段中的位置   总时间       总位置       速度      加速度

  (秒)        (米)        (秒)         (米)      (米/秒)   (米/秒^2)

0            0           0.01067      0.0100      1.500      0.00

0.00380      0.0057      0.01447      0.0157      1.500      0.00

0.00760      0.0114      0.01827      0.0214      1.500      0.00

0.00320      0.0048      0.01387      0.0148      1.500      0.00

0.00427      0.0064      0.01493      0.0164      1.500      0.00

0.00533      0.0080      0.01600      0.0180      1.500      0.00

0.00640      0.0096      0.01707      0.0196      1.500      0.00

0.00747      0.0112      0.01813      0.0212      1.500      0.00

0.00853      0.0128      0.01920      0.0228      1.500      0.00

0.00960      0.0144      0.02027      0.0244      1.500      0.00

0.03800      0.0570      0.04867      0.0670      1.500      0.00

回退加速段

段中的时间  段中的位置   总时间       总位置      速度       加速度

(秒)          (米)        (秒)         (米)      (米/秒)    (米/秒^2)

0            0           0.04867      0.0670      1.500      0.00

0.00107      0.0001      0.04973      0.0671      1.350      -140.63

0.00213      0.0003      0.05080      0.0673      1.200      -140.63

0.00320      0.0007      0.05187      0.0677      1.050      -140.63

0.00427     0.0013     0.05293     0.0683     0.900     -140.63

0.00533     0.0020     0.05400     0.0690     0.750     -140.63

0.00640     0.0029     0.05507     0.0699     0.600     -140.63

0.00747     0.0039     0.05613     0.0709     0.450     -140.63

0.00853     0.0051     0.05720     0.0721     0.300     -140.63

0.00960     0.0065     0.05827     0.0735     0.150     -140.63

0.01067     0.0080     0.05933     0.0750     0.000     -140.63

在发明详述中引用的所有文献的相关部分均引入本文以供参考；任何文献的引用并不可理解为是对其作为本发明的现有技术的认可。

尽管说明和描述了本发明的具体实施方案，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可作出许多其它的变化和修改。因此有意识地在附加的权利要求书中包括本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (12)

1.一种模拟装置，所述模拟装置包括：

固定机身；

与所述机身相连用于相对于所述机身运动的滑架；

连接到所述固定机身上用于接合工件的第一装置；

连接到所述滑架上用于与所述滑架一起运动的第二装置，所述第二装置也接合所述工件；

连接到所述固定机身上和所述滑架上的至少一个马达装置，其用于实现所述滑架和所述第二装置相对于所述机身的运动，使得拉伸载荷被施加到所述工件上；

包括至少一个力传感器的传感器装置，其用于在所述第二装置运动期间检测施加到所述工件上的拉伸载荷；和

连接到所述至少一个马达装置上的驱动控制器，其用于根据对应于离散时间间隔的预先确定的滑架位置以及响应来自包括所述至少一个力传感器的所述传感器装置的反馈来控制所述至少一个马达装置的运行。

2.如权利要求1所述的模拟装置，其中所述预先确定的滑架位置的至少一部分被选择成使得所述滑架在开始位置和终止位置之间其运动的至少一部分期间以基本恒定的速度运动。

3.如权利要求1所述的模拟装置，其中所述预先确定的滑架位置的第一部分被选择成使得所述滑架在开始位置和终止位置之间其运动的第一部分期间以基本恒定的第一速度运行，并且所述预先确定的滑架位置的第二部分被选择成使得所述滑架在开始位置和终止位置之间其运动的第二部分期间以基本恒定的第二速度运行，所述第二速度不同于所述第一速度。

4.如权利要求1所述的模拟装置，其中所述预先确定的滑架位置被定义成使得当所述拉伸载荷施加到所述工件上时，所述工件经历预先确定的基本恒定的应变速度。

5.如权利要求1所述的模拟装置，其中所述至少一个马达装置包括至少一个伺服线性马达。

6.如权利要求5所述的模拟装置，其中所述至少一个马达装置还包括连接到所述驱动控制器和所述至少一个伺服线性马达上的至少一个放大器。

7.如权利要求1所述的模拟装置，其中所述滑架相对于所述固定机身往复直线运动。

8.如权利要求1所述的模拟装置，其中所述第一装置通过联结结构被连接到所述固定机身上，所述联结结构包括所述至少一个力传感器，所述控制器增加驱动信号至所述至少一个马达装置以响应由所述至少一个力传感器检测的载荷。

9.如权利要求8所述的模拟装置，其中所述至少一个力传感器包括至少一个测力传感器。

10.如权利要求9所述的模拟装置，其中所述传感器装置还包括连接到所述固定机身上的线性编码器读出头和连接到所述滑架上的传感器带，所述读出头从所述传感器带读出位置值并产生相应的信号给所述控制器。

11如权利要求10所述的模拟装置，其中所述控制器基于所述滑架位置并且响应所述读出头和所述至少一个测力传感器产生的信号来控制所述至少一个马达装置的运行。

12.如权利要求11所述的模拟装置，其中在恒定速度段期间出现的所述滑架位置用以下公式来确定：

P2＝(Lo×dε/dt)(t)

其中：

Lo＝所述工件的初始标距长度；

t＝0至T(在恒定速度段末端处的时间)

dε/dt＝应变速度。

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