ES2964548T3 - Control de torque de bucle exterior - Google Patents
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Abstract
La presente divulgación se refiere a un dispositivo de prueba de materiales en el que se utiliza un enfoque algorítmico para implementar un algoritmo de software de control de bucle externo para controlar una pluralidad de motores que imparten diferentes fuerzas sobre una muestra de prueba de materiales. En particular, un motor de torsión está controlado por un software de control de bucle externo para controlar la fuerza de rotación aplicada a la muestra de prueba de materiales. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Control de torque de bucle exterior
Antecedentes de la descripción
Esta solicitud reivindica la prioridad bajo 35 U.S. C. §119(e) de la solicitud de los Estados Unidos 16/160,151, presentada el 15 de octubre de 2018.
Campo de la descripción
La presente descripción se refiere a un bucle de control exterior que controla el torque como un movimiento adicional en un entorno de prueba de materiales.
Descripción de la técnica anterior
Las máquinas de prueba universales (Cuadros) típicamente contienen circuitos electrónicos sofisticados para controlarlos, que incluyen placas de circuito impreso (PCB), conexiones de carcasa, procesadores y otros componentes. Cuando se empaquetan estos componentes electrónicos para su uso en tal máquina, se deben tener en cuenta varios factores; que incluyen enfriamiento, protección contra choques, cumplimiento de la inmunidad electromagnética y las emisiones (EMI) y otros estándares, todo mientras se minimiza la huella que ocupa la máquina y se optimiza la facilidad de mantenimiento.
En la técnica anterior de pruebas de materiales, se conoce el uso de una sola fuerza, tal como fuerza axial, para impartir una tensión. Las pruebas de materiales incluyen medir la deformación en respuesta a la tensión.
En la técnica anterior, la estimulación de la deformación puede usarse como parte del proceso de prueba de materiales. La estimulación de la deformación es un algoritmo de software de bucle externo que monitorea los datos actuales y altera la tasa de posición para lograr una tasa de deformación por tracción definida por el usuario según se determina a partir del sensor de deformación por tracción. La instalación de estimulación dentro del software permite controlar la tasa de deformación del espécimen a un nivel predefinido. Se destina para su uso con materiales que muestran características de deformación suave y continua en la región elástica, tales como metales y plásticos rígidos o semirígidos. Muchos de tales materiales son sensibles a la tasa de deformación aplicada durante la prueba de materiales y por lo tanto es conveniente (y a veces obligatorio) controlar, o al menos limitar, la tasa de deformación. La tasa de deformación máxima real que puede controlarse depende de las características del espécimen a analizar y los requisitos de precisión de la tasa de deformación. Cuanto menor sea la rigidez del espécimen y más gradual sea el rendimiento, mayor será la tasa de deformación que puede usarse.
Las máquinas de prueba electromecánicas normalmente corren a una tasa constante de desplazamiento de la cruceta (es decir, velocidad de cruceta) mediante el uso de un bucle de servomecanismo controlado por posición. Las características del sistema de prueba y el espécimen son de manera que una tasa constante de desplazamiento de cruceta puede no resultar en una deformación constante en el espécimen, particularmente en la región de rendimiento. De ahí la necesidad de controlar la tasa de deformación.
En el modo de estimulación de la deformación, el software altera constantemente la velocidad de cruceta para lograr la tasa demandada. El extensómetro monitorea la tasa real en el espécimen, y el software calcula la velocidad de cruceta requerida para mantener la tasa demandada a medida que avanza la prueba. La velocidad de cruceta se ralentiza a medida que el material cede para mantener una tasa de deformación constante debido al hecho de que la mayor parte del desplazamiento de la cruceta se traduce en una deformación del espécimen permanente.
El modo de estimulación de la deformación está destinado solamente a pruebas monotónicas (unidireccionales) y no es adecuado para controlar la tasa de deformación durante los efectos transitorios tales como rendimiento superior e inferior, fenómenos de rendimiento discontinuo o el uso de múltiples motores para impartir fuerzas en una pluralidad de ejes o grados de libertad, que pueden ser ortogonales. El documento US7895899B2 se refiere a un sistema de prueba de columna programable de múltiples ejes. El documento CN203643255U se refiere a una plataforma de prueba micromecánica de material de carga combinada de tracción/presión-torsión interior que comprende una primera mordaza y una segunda mordaza para contener una muestra de prueba de materiales entre ellos; primer y segundo accionadores para impartir fuerzas axiales y rotacionales sobre la muestra en donde la fuerza axial es ortogonal con respecto a la fuerza de rotación; sensores de fuerza y torque separados para medir la carga de la muestra; un riel a lo largo del cual se acciona la segunda mordaza y una capacidad de retroalimentación de bucle cerrado para controlar los accionadores.
Objetivos y resumen de la descripción
Por lo tanto, es un objetivo de la presente descripción proporcionar mejoras en las pruebas de materiales, que incluyen la capacidad de impartir una pluralidad de fuerzas a través de múltiples ejes o grados de libertad en una muestra de prueba, y proporcionar la retroalimentación adecuada para permitir esta funciónalidad.
Este objeto y otros se logran al proporcionar un dispositivo de prueba de materiales con una pluralidad de motores o accionadores, de esta manera puede impartir una pluralidad de fuerzas en una pluralidad de ejes o grados de libertad, que pueden ser ortogonales (tales como, pero sin limitarse a, los ejes axial y de rotación en un sistema de coordenadas cilíndrico). Se usa un bucle exterior para controlar el torque para impartir una fuerza de torsión o rotación a la muestra de prueba de materiales.
El control del motor de rotación o de accionamiento a través de un bucle exterior típicamente no requiere hardware adicional. El control del eje se logra a través de solo software, mediante el uso de la celda de torque como un dispositivo de retroalimentación, y proporciona capacidades de expansión del sistema para añadir ejes controlados al hardware diseñado inicialmente para máquinas de un solo eje.
Breve descripción de los dibujos
Otros objetos y ventajas de la descripción se harán evidentes a partir de la siguiente descripción y de los dibujos adjuntos, en donde:
La Figura 1 es una vista en perspectiva de una modalidad del dispositivo de prueba de materiales de la presente descripción.
La Figura 2 es un esquema del bucle exterior usado para controlar las fuerzas de torsión u otras fuerzas aplicadas al espécimen de prueba de materiales por el aparato de la Figura 1.
Descripción detallada de las modalidades preferidas
Con referencia ahora a los dibujos en detalle, se ve que la Figura 1 es una vista en perspectiva del dispositivo de prueba de materiales o el marco para pruebas mecánico 100. El marco para pruebas 100 incluye una base 102 a la que se une la celda de carga biaxial 104. El agarre inferior 106 se une a la celda de carga biaxial 104. La celda de carga biaxial 104 mide la carga (típicamente carga axial y torque de rotación) aplicada a una muestra de prueba de materiales (no se muestra) que se acopla entre las mordazas inferior y superior 106, 108, y comunica la información o datos sin procesar con respecto a la carga axial y el torque de rotación a través de los cables 109 a la unidad de control 122 que incluye la unidad de entrada manual 124 y la pantalla 126.
El riel 110 se extiende hacia arriba desde la base 102 y soporta el conjunto superior 112 que incluye la cruceta 113 y se acopla a la mordaza superior 108. El conjunto superior 112 incluye el conjunto de accionamiento 114 para accionar la cruceta 113 impartiendo de esta manera fuerzas verticales (es decir, fuerzas lineales o axiales, o tensión, con respecto a la muestra de prueba de materiales (acoplada entre las mordazas inferior y superior 106, 108). Adicionalmente, un cambio en la traslación axial de la cruceta 113 a lo largo del riel 110 mientras se imparte fuerza axial en la muestra de prueba de materiales puede interpretarse como el cambio en la distancia o longitud (A y) en el cálculo de la deformación. La información o los datos sin procesar con respecto a la posición vertical o axial de la cruceta 113 (y por lo tanto la posición vertical de la mordaza superior 108) se proporcionan por un codificador que se monta en un motor instalado en la base 102 y se comunica con la unidad de control 112 (que incluye la unidad de entrada manual 124 y la pantalla 126). La información sobre la posición de rotación de la mordaza superior 108 se proporciona por un codificador montado en el motor de torsión, alojado en el conjunto superior 112 y transmitido a través de los cables 120 a la unidad de control 122.
Del mismo modo, el conjunto de accionamiento 114 incluye un motor de torsión o accionador para impartir torsión sobre la muestra de prueba de materiales a través de la mordaza superior 108. El motor de torsión se controla mediante el controlador del motor de torsión 130 que se monta sobre el riel 110 del marco para pruebas 100.
El sistema de adición de torsión, que incluye el controlador del motor de torsión 118, es un conjunto electromecánico, que cuando se agrega al dispositivo de prueba de materiales o al marco para pruebas 100, proporciona capacidades de torsión a la cruceta que se mueve axialmente 113. Se puede añadir un sistema de adición de torsión (TAO) a los marcos de columna simple o doble. El usuario de los equipos de prueba de materiales puede realizar rotaciones del espécimen de prueba antes, durante o después de aplicar carga axial. Las rotaciones se monitorean y controlan mediante el uso de un codificador incremental que se monta en el motor de torsión dentro del conjunto superior 112. Los valores de torque y carga axial se registran y controlan mediante el uso de la celda de carga biaxial 104 que monitorea las fuerzas aplicadas a los especímenes de prueba.
El sistema de adición de torsión y el marco para pruebas mecánico 100 se controlan mediante software. El usuario, a través de la interfaz de software, tal como la unidad de entrada manual 124, entra en los parámetros de prueba para definir cómo el dispositivo de prueba de materiales 100 ejecutará una prueba. Todo el movimiento del dispositivo de prueba de materiales 100 se logra típicamente en un control de bucle cerrado, lo que significa que el hardware y el microprograma en el dispositivo de prueba de materiales 100 se dedican a controlar el movimiento axial de la cruceta 113.
El sistema es capaz de rotar una muestra de prueba de materiales (acoplada entre las mordazas inferior y superior 106, 108) bajo prueba hasta que se alcance un valor de torque deseado. En este punto, el sistema puede entrar en un modo de retención del torque del bucle exterior donde la velocidad de rotación del motor de torsión que se controla mediante un controlador externo se actualiza a intervalos regulares para mantener una tasa de torque cero (o una tasa de torque positiva o negativa, típicamente preseleccionada) en la muestra de prueba de materiales bajo prueba. Hay un multiplicador del factor de ganancia integrado en el algoritmo que permite que los materiales con diferentes rigideces se mantengan a un torque constante y deseado.
El enfoque algorítmico se ilustra con más detalle mediante el diagrama de flujo 300 de la Figura 2. La tasa de torque actual se calcula en la etapa 302 mientras que la velocidad de rotación actual se calcula en la etapa 304. La salida de las etapas 302, 304 se usa por la etapa 306 en un algoritmo para mantener una tasa de torque cero (o una tasa de torque positiva o negativa, típicamente preseleccionada). La salida de la etapa 306 se usa para calcular una nueva velocidad de rotación en la etapa 308. La salida de la etapa 308 se usa para aplicar una nueva velocidad de rotación al motor de rotación en la etapa 310. La salida de la etapa 310 se recibe por las etapas 302, 304, completando de esta manera el sistema de control de bucle cerrado.
Este enfoque puede aplicarse para usar dos o más motores para aplicar fuerzas a una muestra de prueba de materiales.
Por lo tanto, los diversos objetos y ventajas mencionados anteriormente se alcanzan de manera más efectiva. Aunque se han descrito y divulgado en detalle modalidades preferidas de la invención en la presente descripción, debe entenderse que esta invención no está limitada en ningún sentido de esta manera, y se define por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (10)
1. Un dispositivo de prueba de materiales (100) que incluye:
una primera mordaza (106) y una segunda mordaza (108), para contener entre las mismas una muestra de prueba de materiales;
un primer accionador para impartir una fuerza axial sobre la muestra de prueba de materiales a través de al menos una de dicha primera y segunda mordazas (106, 108);
un segundo accionador para impartir una fuerza de rotación sobre la muestra de prueba de materiales a través de al menos una de la primera y segunda mordazas, en donde la fuerza axial es ortogonal a la fuerza de rotación en un sistema de coordenadas cilíndrico; y
una celda de carga (104) unida a la primera mordaza para medir la tensión axial y de rotación en la muestra de prueba de materiales;
un riel (110) a lo largo del cual la segunda mordaza se acciona por el primer accionador, el desplazamiento de la segunda mordaza se mide para calcular la deformación axial en la muestra de prueba de materiales; un sistema de retroalimentación para controlar el segundo accionador.
2. El dispositivo de prueba de materiales (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la primera mordaza es una mordaza inferior (106) y la segunda mordaza es una mordaza superior (108) colocada sobre la primera mordaza.
3. El dispositivo de prueba de materiales (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el segundo accionador incluye un codificador incremental para medir la deformación por rotación en la muestra de prueba de materiales.
4. El dispositivo de prueba de materiales (100) de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el sistema de retroalimentación usa una tasa de torque actual y una velocidad de rotación actual para calcular las fuerzas de rotación requeridas para mantener una tasa de torque cero en la muestra de prueba de materiales.
5. El dispositivo de prueba de materiales (100) de acuerdo con la reivindicación 4, en donde las fuerzas de rotación calculadas requeridas para mantener una tasa de torque cero en la muestra de prueba de materiales se usan para calcular una nueva velocidad de rotación, la nueva velocidad de rotación calculada se comunica al segundo accionador.
6. Un método para la prueba de material (100), que incluye las etapas de:
proporcionar una primera mordaza (106) y una segunda mordaza (108), para sujetar una muestra de prueba de materiales entre las mismas;
proporcionar un primer accionador para impartir una fuerza axial sobre la muestra de prueba de materiales a través de al menos una de dicha primera y segunda mordazas;
proporcionar un segundo accionador para impartir una fuerza de rotación sobre la muestra de prueba de materiales a través de al menos una de la primera y segunda mordazas, en donde la fuerza axial es ortogonal a la fuerza de rotación en un sistema de coordenadas cilíndrico; y
proporcionar una celda de carga (104) unida a la primera mordaza para medir la tensión axial y de rotación en la muestra de prueba de materiales;
proporcionar un riel (110) a lo largo del cual el primer accionador acciona la segunda mordaza, el desplazamiento de la segunda mordaza se mide para calcular la deformación axial en la muestra de prueba de materiales, proporcionar un sistema de retroalimentación para controlar el segundo accionador.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la priemra mordaza es una mordaza inferior y la segunda mordaza es una mordaza superior colocada sobre la priemra mordaza.
8. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el segundo accionador incluye un codificador incremental para medir la deformación por rotación en la muestra de prueba de materiales.
9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el sistema de retroalimentación realiza la etapa de usar una tasa de torque actual y una velocidad de rotación actual para calcular las fuerzas de rotación requeridas para mantener una tasa de torque cero en la muestra de prueba de materiales.
10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el sistema de retroalimentación realiza las etapas del uso de las fuerzas de rotación calculadas requeridas para mantener una tasa de torque cero en la muestra de prueba de materiales para calcular una nueva velocidad de rotación, y comunicar la nueva velocidad de rotación calculada al segundo accionador.
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