JP2007516427A

JP2007516427A - ３点伸び計

Info

Publication number: JP2007516427A
Application number: JP2006533259A
Authority: JP
Inventors: クリストファーピー．スミス，
Original assignee: クレーンニュークレア，インコーポレイテッド
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2007-06-21
Also published as: WO2004106846A8; US20040261537A1; WO2004106846A1; US7207230B2; EP1625347A1

Abstract

備品または他の試験物体の反復可能な実地試験のための、器具設置システムであって、フレーム、およびこのフレームによって少なくとも部分的に規定される内部表面を備える。ちょうど３つの物体接触点が、この内側表面に配置され、これらの３つの物体接触点は、面を規定する。このフレームは、弓形部分および２つのアームを備えるフレーム；基部および２つのアームを備えるフレーム；リング形状のフレーム；複数のリング形状のフレームを備えるフレームアセンブリ；ならびにほぼ凹状の表面を規定するフレームアセンブリからなる群より選択され得る。

Description

（関連出願）
本願は、仮出願番号６０／４７２，６３１（２００３年５月２２日出願、この内容は、その全体が本明細書中に参考として援用される）の出願であり、そしてこの仮出願の利益を主張する。

（発明の分野）
本発明は、ひずみ、力、偏向、トルク、および温度を測定する技術に関し、そしてより具体的には、断続的に備え付けられる試験器具に対する改善された構造に関する。

（発明の背景）
特殊な機械の構造体、またはこの機械に組み込まれる、特殊な設計のブラッケットもしくはボスに備え付ける、専用の設計以外の一時的な備え付けは、通常、締め付けること、縛り付けること、または接着によって設置される。断続的に使用されることが意図され、従って、必要に応じて備え付けおよび取り外しされる設計は、代表的に、試験される物品／機械に機械的に締め付けられるか、または固定される。図１〜５は、この型のいくつかのデバイスを図示する。

簡単に言えば、図１は、材料の引っ張り試験のために使用される、軸方向伸び計の１つの型を図示する。刃型の縁部が、試験物体と接触し、そして弾性バンドが、この試験物体をこのデバイスに固定するために使用される。図２は、直径方向、または半径方向の伸び計を図示し、この伸び計は、試験物体に締め付けられる。図３は、別の型の直径方向試験デバイスであり、試験物体に対して締め付け力を生じるために使用される、スピンドルを有する。図４は、先行技術の別のデバイスを図示し、このデバイスは、円筒形シャフトに対する軸方向のひずみを測定するために使用される、２つの平行なデッキを備える。最後に、図５は、市販の伸び計の図示であり、この伸び計は、円筒形シャフトを締め付けるアームを有する；しかし、この器具は、備品の実地試験の間に問題となり得る、重心のずれを有する。

これらのデバイスの各々は、引っ張り試験および／またはねじれ試験のために開発されたが、これらは、繊細であるか、または誤りやすいかのいずれかであり、設置および使用が困難であり、そして比較的不正確であるか、またはこれらの組み合わせである。このことは、これらの器具が一時的に備え付けられるという性質、および一般に、ある範囲の試験物体のサイズで使用するために設計されることによって、もたらされる。例えば、図６に最良に見られるように、図２〜４に示されるデバイスは、「Ｖブロック」型に分布した接触効果を有し、ここで、この器具は、試験物体に接触する４つの線を有し、各々が、かなりの面積を有する。このことは、正確なゲージ長さ、または参照点間の距離を、不確定にする。ひずみ測定デバイスおよび変更測定デバイスは、代表的に、正確に規定されたゲージ長さまたは参照距離に依存することが、注目されるべきである。ゲージ長さの正確さ、安定性、および反復性は、そのデバイスの性能を直接限定する。

特定の用途に適合するように製造される、多くの特殊化された伸び計設計が存在し、しばしば、一般的な型より優れた幾つかの性能の利点を与えるが、狭い適用性を犠牲にしてである。また、多数の問題が、依然として存在する。第一に、振動試験条件下または加速試験条件下で、このデバイスは、スリップまたはシフトし得る。これは、このデバイスの出力におけるシフトまたは他の外来信号を引き起こし得、そして試験の間での反復性のなさを生じる。第二に、この器具が、試験ごとの再現性のために、部品に対する特定の設置関係を再度獲得することが、計算および較正された移動関数方程式を支持するため、および測定された値の傾向の決定のために必要とされる。すなわち、試験物体の表面が、複雑または不規則である場合（ねじ山、スプライン、湾曲した円筒（例えば、熱交換器の管）、キー溝に起因して複雑なひずみ場を有する部品、調節ファスナーなど）、連続的な備え付けは、しばしば、器具の接触面積、および従って、有効ゲージ長を、試験ごとに変動させる。第三に、器具の物理的な非線形性およびヒステリシス（ずれ（ｓｑｕｉｒｍ））が生じ得る。これは、器具のフレームの面外の運動またはひずみ、あるいは試験物体の表面の運動の不完全な追従である。

（発明の要旨）
本発明は、備品への試験器具の正確な、反復可能な器具の備え付けのための、システムおよび方法に関する。

米国仮出願番号６０／４７２，６３１（２００３年５月２２日出願）の明細書および図面の全体が、本明細書中に参考として援用される。

一般に、本発明の器具設置システムは、備品または試験物体（これに、このシステムが設置される）に適合可能な形状を規定する、フレームアセンブリを備える。ちょうど３つの接触点が、このフレームアセンブリの内側表面に配置され、これらの接触点は、面を規定する。このフレームアセンブリ上または試験物体上の２つ以上の点の間の相対運動を測定するための、少なくとも１つのデバイスが、提供される。本発明の１つの実施形態は、器具の反復可能な実地試験のための、高安定性の器具設置システムを提供する。このシステムは、内側表面を規定する弓形の部分および２つのアームを備えるフレームを備え、これらのアームは、自由端を有する。このようなデバイスは、円筒形の試験本体の周りに設置するために、最も適切である。３つの物体接触点は、この内側表面に配置され、これらの３つの物体接触点は、重心を有する面を規定する。これらの３つの物体接触点は、試験されるべき備品と接触するためのものである。１つ以上の釣合い重りが、このフレームに設置され得、その結果、このフレームの質量中心は、この面の重心と実質的に一致するように作製される。１つの実施形態において、少なくとも１つの凹部が、このフレームに形成され、そしてフレームまたは試験物体上の点の相対運動を測定するためのひずみ要素またはひずみゲージが、この凹部内に設置されるが、当業者が理解するように、他の適切な設置構成が存在する。さらに、フレームまたは試験物体上に設置され得る、他の機械的デバイス、光学的デバイスが存在する。この様式で、試験されるべき備品上に設置される場合、このフレームまたは試験物体は、この備品に対して、並進安定かつ回転安定になる。

別の実施形態において、高安定性器具設置システムは、内側表面を規定する、延長した基部および２つのアームを有するフレームを備え、これらのアームは、自由端を有する。３つの物体接触点が、このフレームの内側表面に配置され、これらの３つの物体接触点は、重心を有する面を規定する。ここでまた、１つ以上の釣合い錘が、このフレームに設置され得、ここで、このフレームの質量中心は、この面の重心と実質的に一致するように作製される。第一の実施形態においてと同様に、少なくとも１つの凹部が、このフレームに作製され、そしてこのフレームの偏向を測定するためのひずみ要素が、この凹部に設置される。

別の実施形態において、高安定性器具設置システムは、内側表面を規定するリング形状のフレームを備える。３つの物体接触点が、このフレームの内側表面に配置され、これらの３つの物体接触点もまた、重心を有する面を規定する。

なお別の実施形態において、高安定性器具設置システムは、１対のリング形状のフレームを有するフレームアセンブリを備え、これらのフレームの各々が、内側表面を規定する。ここでまた、３つの物体接触点が、各フレームの内側表面に配置され、これらの３つの物体接触点は、各フレーム内に重心を有する面を規定する。２つ以上のウェブが、リング形状のフレームの対を相互接続し、その結果、このフレームの、相互接続された面は、実質的に、互いに平行であり、そしてこれらのフレームの内側表面は、実質的に、互いに位置合わせされる。ここでまた、このフレームの偏向を測定するためのひずみ要素が、これらのウェブの少なくとも１つに設置される。

本発明のこれらおよび他の局面は、図面と組み合わせて考慮する場合に、以下の好ましい実施形態の説明を読んだ後に、当業者に明らかになる。上記一般的説明および以下の詳細な説明の両方が、例示および説明のみであり、そして特許請求される本発明を限定しないことが、理解されるべきである。

（好ましい実施形態の説明）
ここで図面を参照し、そして特に、図７を参照して、本発明の基本的な共通の原理が示される。先行技術のデバイスおよび設置システムとは異なり、本発明の３点設置システムは、備品の反復可能な実地試験のための、高安定性の器具設置システムを提供する。第一に、本明細書中に記載される設置システムは、ユークリッド面を形成し、この面は、この面上にある３つの接触点によって規定される。３点システム上に支持されるシステムまたはデバイスは、最も単純な固定された構造であり、一方で、１つまたは２つのみの点によって支持されるシステムは、回転可能に固定されないことが見出されている。逆に、３つより多い点によって支持されるシステムは、これらの点に対する負荷の分布が未知であり、統計学的に不確定である。３つの点が、三次元の試験物体の表面上に位置し、そしてこの物体のほぼ反対側の面を押し付ける場合、このシステムは、試験される物体に対して、全ての軸において、並進および回転が固定される。図７に概略的に示されるように、第一のピン７１０（ばね付勢されたピン）および第二のピン７２０（固定されたピン）（両方が一緒に、試験物体の１つの表面を閉じる）が、仮定の試験物体の対向する表面上の第三のピン７３０（スピンドルランナー、またはねじドライブ）と対向する。これによって、面７５０が形成され、この面上に、３つの接触点７１０ａ、７１０ｂ、および７１０が全て位置する。

ここで図８を参照すると、本発明の高安定性器具設置システムの第一の実施形態が示される。８００として一般に示される設置システムは、内側表面８４０を規定する、弓形の部分および２つのアーム８２０、８３０を有するフレーム８１０を備える。アーム８２０および８３０は、自由端８２０ａ、８３０ａを有する。このシステムは、弓形または半円形のフレーム８１０で、試験物体を囲み、このフレームは、３つのピン８５０、８５２、および８５４を保持し、これらのピンは、３つの物体接触点を、フレーム８１０の内側表面８４０に規定する。アーム８２０に設置されるピン８５０は、望ましくは、並進により内向きに調節されて、３つのピン８５０、８５２、８５４（および従って、３つの物体接触点）を、試験物体と接触させ得、そして試験物体に対して半径方向内向きに作用する力を付与し得る、スピンドルランナーである。理解されるように、これらの３つの物体接触点は、試験物体の中心に対応する重心を有する面を規定する。１つ以上の釣合い重り８６０、８６２が、フレーム８１０の内部または表面に設置されて、３つの点によって規定される面の重心の近くに、質量中心を生じ得る。本明細書中で上で言及されるように、ピン８５２またはピン８５４のうちのいずれか一方は、半径方向の設置力を直接伝達するために、フレームに頑丈に設置される。これらの２つのピンのうちの他方は、より小さい半径方向の力を提供するように、ばね付勢され、そして面内でのフレーム８１０の位置を維持することのみを意図される。図８に示される実施形態において、少なくとも１つの小さいせん断のウェブ構造体、または凹部８８０が、フレーム８１０に形成される。ひずみ要素８８５が、凹部８８０に設置されて、フレーム８１０上の点の相対運動を測定する；しかし、当業者が理解するように、他の適切な設置構成が存在する。さらに、フレーム８１０に設置され得る、他の機械的デバイス、光学的デバイスなどが、存在する。試験物体の直径方向の膨張または収縮の変化をモニタリングすることによって、次いで、適切な変換方程式によって、半径方向の力を計算することが可能である。

図９を参照すると、図８の高安定性器具設置システムの、代替の実施形態９００が示されている。この設置システムは、図８の設置システム８００に、構成が類似しており、内側表面９４０を規定する、拡張した基部９１５、および２つのアーム９２０、９３０を有するフレーム９１０を備え、これらのアーム９２０、９３０は、自由端９２０ａ、９３０ａを有する。３つの物体接触点が、内側表面９４０の３つのピン９５０、９５２、９５４によって作製され、これらの３つの物体接触点は、重心を有する面を規定する。１つ以上の釣合い重り９６０が、フレーム９１０に設置され得、ここで、このフレームまたは試験物体の質量中心が、実質的に、この面の重心と一致するように作製される。少なくとも１つの凹部９８０が、フレーム９１０に形成され、そしてひずみ要素９８５が、凹部９８０内に設置される。この実施形態は、フレーム９１０が長さを延長し、そして狭小化し、これによって、アーム９２０および９３０が、より広範な試験物体のサイズおよび形状に適合し得る、先行する実施形態と機能的に類似である。

本発明の設置システムの別の実施形態は、図１０において、１０００として示されている。この実施形態１０００は、内側表面１０４０を規定する、リング形状のフレーム１０１０を備える。３つの物体接触点が、フレーム１０１０の内側表面１０４０上に作製され、重心を有する面を規定する。この設置システムは、別の器具（図示せず）を設置するため、または軽量のもろいデバイス（図示せず）（例えば、小さい伸び計要素または光学構成要素）を、円筒形の試験物体の半径方向の測定のために、この試験物体に対して保持するために使用され得る型のシステムである。

本発明の設置システムの別の実施形態が、図１１に示される。一般に１１００として示されるこのシステムは、一体的な参照アーム１１２０を有する３つのピンのフレーム１１１０を備えて構築され、このアームは、ピン１１５２および１１５４を介して、１つのピン１１５０を、試験物体の正反対に対向する表面に対して参照する。この設置構成は、参照アーム１１２０に、偏向計または近接要素（図示せず）を設置することによって、直径方向の伸び計として使用される。

本発明のなお別の実施形態が、図１２に示される。一般的に１２００として示される、この高安定性器具設置システムは、備品の反復可能な実地試験を意図される。このシステムは、複数（ここでは、１対として示される）のリング形状のフレーム１２１０、１２２０を有するフレームアセンブリを備え、フレーム１２１０、１２２０の各々は、内側表面１２１２、１２２２を規定する。ピン１２５０ａ、１２５０ｂ、１２５２ａ、１２５２ｂ、１２５４ａ、および１２５４ｂは、３つの物体接触点を、各フレームの内側表面１２１２、１２２２に形成する。これらの３つの物体接触点は、各フレーム１２１０、１２２０内に重心を有する面を、さらに規定する。２つのウェブ１２６０ａ、１２６０ｂは、隣接するリング形状のフレームを相互接続して、試験物体を通る２つの平行な横断面、および試験物体に対する各面の固定された回転関係を規定する。少なくとも１つの要素またはプローブ１２８５が、ウェブ１２６０ａ、１２６０ｂのうちの少なくとも１つに設置される。この設置システムは、１つのセットのひずみ要素を使用して、２つの面のセクションの相対的な角位置または軸方向位置の変化を変換する、代表的に、軸方向伸び計および／またはひずみ伸び計として使用される。

本発明の別の局面は、設置ピンの幾何学的形状および試験物体の構成に関し、これらは、本発明の種々の実施形態とともに使用され得る。６つの例示的なピンおよび試験表面の構成は、図１３および１４に示される。図１３に示されるように、１つの適切な設置構成は、円錐形のピン１３１０を使用する。このピンは、比較的鋭利な尖端を有し、この先端は、平坦な試験物体の表面１３１５と実質的に接触する。あるいは、円錐形の先端を有するピン１３２０は、ピン１３２０の円錐形の先端を受容するような寸法にされた、円錐形の凹部１３２５を有する試験物体の表面に設置され得る。別の代替の構成において、より丸みを帯びた先端を有するピン１３３０が、試験物体の表面に設置され得、丸みを帯びた凹部１３３５は、この丸みを帯びた先端を受容するために、適合可能である。図１４を参照すると、代替の設置構成が、１４１０、１４２０および１４３０として示され、各設置構成は、ピンの幾何学的形状および表面の幾何学的形状の構成を図示する。

ピンおよび表面の設置構成に加えて、いくつかの適切なスピンドルランナーおよび「柔らかい」ピンの構成が、適切であることが見出されている。図１５を参照すると、従来のスピンドルランナー１５００の構成が示されている。スピンドルランナー１５００は、ねじ切りされた部分１５１０、尖端、または接触部分１５２０を有するピン、および延長部１５３０を備える。図１６に示されるように、１つの適切な柔らかいピンの構成が示されている。ばね付勢されたピン１６１０が、設置システムのフレーム１６９０の内側表面の壁に形成された、円筒形の凹部１６８０内に設置される。弛緩される場合、ばね１６２０は、ピン１６１０を外向きに押し、その結果、尖端１６１０ａが、試験物体（図示せず）と柔らかく接する。ばね１６２０が圧縮される場合、ピン１６１０は、凹部１６８０内に押し込まれる。当業者が理解するように、ばねによって付与される、必要とされる力または負荷の量は、器具の質量に依存する。

図１７を参照すると、「非侵襲性」の設置構成１７００が示されている。金属またはプラスチックのバンド１７１０（試験物体の周りに締め付けられるか、または試験物体の周りに成型されるかのいずれか）が、試験本体の表面における凹部またはへこみ（図１３および１４において上に示される）に対する必要性を置き換える。半径方向の穴１７２０（３点接触のために位置決めされる）が、バンド１７１０の壁を通して形成される。堅固に適所に位置決めされるピン１７３０が、本明細書中に記載される設置システムから、穴１７２０を通して挿入され、この設置システムを正確に位置決めし得る。

最後に、図１８に示されるように、円筒形のねじ切りされた試験物体に対する設置構成１８００が示される。この構成１８００は、ねじ切りされた試験物体のために適切であり、ここで、このねじ山は、奇数のねじ筋を有し、ねじの頭部１８１０を、円筒形の中心軸１８３０に対して横断する任意の面上で、ねじの根元１８２０に正反対で対向させる。この直径方向の面が、頭と根元とを通る位置で、設置構成は、頭における１つの設置点と、根元における１つの設置点とを含む。このような構成において、この面の形状および面積は、幾何学的に計算され、そして必要に応じて、変形の測定値を、その原因となる力に対して解釈するために必要とされる変換方程式を生成するための実験的試験によって、調節される。

本発明は、記載されるピンおよび表面の幾何学および構成に限定されず、またはこれらの幾何学および構成によって限定されない。

特定の改変および改善が、上記説明を読む際に、当業者に想到する。このような全ての改変および改善は、一貫性および読みやすさの目的で、本明細書において削除されているが、適切に、添付の特許請求の範囲の範囲内であることが、理解されるべきである。

図１は、材料試験のため、特に、金属の引っ張り試験のために使用される型の、一般化された軸方向伸び計を図示し、この器具は、試験物体と線接触するための刃縁部、および各端部において試験物体にこのデバイスを固定する弾性バンドと供に示される。図２は、直径方向の寸法変化を測定するための、円筒形の試験物体に対して使用されるような、直径方向または半径方向の伸び計を図示し、このデバイスは、試験物体に締め付けられるが、従動子およびそのアームは、これらのアンビル片との一体的接続を除いて、自由である。図３は、先行技術の直径方向デバイスの第二の型を図示し、このデバイスは、部品に対してかなりの締め付け力を生じるために巻かれたスピンドルを有し、これが次に、フレームにおける張力および屈曲を生じる。図４は、シャフトの軸に対して垂直な、このシャフト上の２つの平行なデッキとして形成された、円筒形シャフトに対して使用される、デッキ間の距離の変化を測定して軸方向ひずみを推論するための、先行技術のデバイスを図示する。図５は、代表的な先行技術の材料試験伸び計を図示する。図６は、図２、３、および４の先行技術のデバイスにおいて見られるような、「Ｖブロック」型の設置フレームに共通の、分配された接触効果を図示する。図７は、本発明に従う、３つのピンの器具設置フレームの一般的概念を図示し、２つのさらなるピンのセット（１つが、フレームに固定され、そして他方は、ばね付勢される）と正反対に対向した、ねじを回すことによって軸方向に調節可能な第一のピンを示す。図８は、直径方向伸び計として示される、本発明の１つの実施形態を図示する。図９は、試験物品の大きさの範囲にフィットするように適合された、図８のデバイスの代替の実施形態を図示する。図１０は、単一デッキの、３つのピンのフレームとして示される、本発明の第二の実施形態を図示する。図１１は、図１０のデバイスの代替の実施形態を図示する。図１２は、３つのピンのフレームの対として示される、本発明の第三の実施形態を図示する。図１３は、本発明の実施形態についての、可能なピン先端および部品表面の構成の例示である。図１４は、本発明の実施形態についての、可能なピン先端および部品表面の構成の例示である。図１５は、スピンドルランナーの例示的な実施形態を図示する。図１６は、柔らかいピンの例示的な実施形態を図示する。図１７は、試験物体上のピン設置点に対する、非侵襲性構成を図示する。図１８は、円筒形のねじ切りされた試験物体のための、ピン設置スキームを図示する。

Claims

備品または他の試験物体の反復可能な実地試験のための器具設置システムであって、以下：
（ａ）フレーム、および該フレームによって少なくとも部分的に規定される内側表面；
（ｂ）該内側表面に配置された、ちょうど３つの物体接触点であって、該３つの物体接触点が、面を規定する、３つの物体接触点、
を備える、設置システム。
前記フレームが、弓形部分および２つのアームを備えるフレーム；基部および２つのアームを備えるフレーム；リング形状のフレーム；複数のリング形状のフレームを備えるフレームアセンブリ；ならびにほぼ凹状の表面を規定するフレームアセンブリからなる群より選択されるフレームアセンブリを備える、請求項１に記載の設置システム。
前記フレームが、複数のリング形状のフレームを備えるフレームアセンブリを備え、該フレームの各々が、３つの物体接触点で内側表面を規定し、そして前記システムが、隣接するリング形状のフレームを相互接続する２つ以上のウェブをさらに備え、ここで、該フレームの各々の該３つの物体接触点によって規定される該面は、相互接続される場合、互いに実質的に平行であり、そして該リング形状のフレームの該内側表面は、実質的に位置合わせされている、請求項１に記載の設置システム。
前記フレームまたは試験物体上の２つ以上の点の間の相対運動を測定するための測定デバイスをさらに備える、請求項１、２または３に記載の設置システム。
前記３つの物体接触点は、前記フレームの前記内側表面から内向きに突出している、請求項４に記載の設置システム。
３つのピンを備え、前記３つの物体接触点の各々が、該ピンのうちの１つの自由端において規定されている、請求項５に記載の設置システム。
前記ピンのうちの少なくとも１つが、固定されたピンである、請求項６に記載の設置システム。
前記ピンのうちの少なくとも１つが、ばね付勢されたピンである、請求項６に記載の設置システム。
前記ピンのうちの少なくとも１つが、調節可能なスピンドルである、請求項６に記載の設置システム。
前記ピンが、固定されたピン、ばね付勢されたピン、および調節可能なスピンドルを備える、請求項６に記載の設置システム。
前記調節可能なスピンドルが、前記固定されたピンおよび前記ばね付勢されたピンに対して、実質的に正反対に対向している、請求項１０に記載の設置システム。
前記フレームに設置された、少なくとも１つの釣合い重りをさらに備える、請求項４に記載の設置システム。
前記３つの物体接触点が、前記フレームの前記内側表面から内向きに突出している、請求項１に記載の設置システム。
３つのピンを備え、前記３つの物体接触点の各々が、該ピンのうちの１つの自由端に規定されている、請求項１３に記載の設置システム。
前記ピンのうちの少なくとも１つが、固定されたピンである、請求項１４に記載の設置システム。
前記ピンのうちの少なくとも１つが、ばね付勢されたピンである、請求項１４に記載の設置システム。
前記ピンのうちの少なくとも１つが、調節可能なスピンドルである、請求項１４に記載の設置システム。
前記ピンが、固定されたピン、ばね付勢されたピン、および調節可能なスピンドルを備える、請求項１４に記載の設置システム。
前記調節可能なスピンドルが、前記固定されたピンおよび前記ばね付勢されたピンに対して、実質的に正反対に対向している、請求項１８に記載の設置システム。
前記フレームに設置された、少なくとも１つの釣合い重りをさらに備える、請求項１に記載の設置システム。
前記測定デバイスが、ひずみ要素、プローブ、および光学構成要素からなる群より選択される、請求項３に記載の設置システム。
前記フレームに設置された測定デバイスをさらに備える、請求項２１に記載の設置システム。
備品または他の試験物体の反復可能な実地試験のための方法であって、該方法は、以下の工程：
ちょうど３つの点に物体を接触させる工程であって、物体の３つの点が、面を規定する工程；
該物体を負荷下に置く工程；および
該点のうちの２つ以上の間の相対運動を測定する工程、
を包含する、方法。