專利名稱：用于模擬在輥式加工中工件上點位的壓縮載荷的壓力機的制作方法
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域已經(jīng)熟知使用一個壓力機來模擬低應(yīng)變活化操作，例如在公布的國際申請WO99/56685中所討論的操作。此壓力機包括一個具有第一齒的靜止平板、一個具有第二齒的第二平板、一個安裝有第二平板的活動壓頭、一個連接壓頭的旋轉(zhuǎn)伺服馬達和一個用于控制旋轉(zhuǎn)伺服馬達的運行使得第二平板朝向第一平板運動以便一個工件被第一和第二平板的齒嚙合的控制器。壓力機不包括用于給控制器提供反饋信息(例如與壓頭、平板或馬達有關(guān)的位置或力的信息)的任何種類的傳感器。也沒用壓力機來模擬熔接操作。
其公開內(nèi)容引入本文以供參考的美國專利4,854,984和4,919,738公開了一種用于將多個工件層的各部分接合到一起的接合裝置，其中工件層中的至少一個包括一個熱塑性層。裝置包括一個花紋筒22、一個砧筒24、一個用于將滾筒22和24調(diào)整偏壓到一起的部件26?；y筒22具有“繞滾筒的每個末端周向延伸的鋸齒形圖案的隆凸51”，參見‘984專利的第4欄第65-67行。
使工程師/技術(shù)人員能夠快速和相對廉價地測試工件/纖網(wǎng)材料以確定在輥式加工中壓縮載荷對這樣一種工件/纖網(wǎng)的點位的影響的模擬裝置目前還未投入使用，例如使用其中一個輥具有多個隆凸的第一和第二輥實現(xiàn)的熔接操作。取而代之的是，必須制造一種例如包括第一和第二熔接輥用于實現(xiàn)輥式加工的裝置，以使工件能夠通過那些輥實現(xiàn)試驗操作。
因此，存在著對于模擬在輥式加工例如熔接操作過程中工件上點位的壓縮載荷的裝置的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足了這種需求，其中提供了一種壓力機，用來模擬在輥式加工(例如熔接操作過程中)工件上點位的壓縮載荷。該裝置使工程師/技術(shù)人員能夠快速和相對廉價地測試工件/纖網(wǎng)材料以確定在輥式加工中壓縮載荷對這樣一種工件/纖網(wǎng)材料點位的影響。也提供了一種用于模擬在輥式加工中工件上點位的壓縮載荷的方法，其包括以下步驟提供包括至少一層的工件；提供具有一個基本平坦表面的第一平板；提供具有至少一個隆凸的第二平板；以及將第一和第二平板中的一個相對于第一和第二平板中的另一個移動，使得平坦表面和隆凸壓縮工件上的點位以模擬在輥式加工中工件上點位的壓縮載荷。包括隆凸的第一和第二平板可被加熱到待測試工件的熔點溫度以下。此外，可采用在工件點位壓縮載荷試驗期間采集的數(shù)據(jù)來生成一個“每單位工件點位面積上的載荷對工件樣本的壓縮百分比”曲線。


圖1為本發(fā)明用來復(fù)制在一個工件上由一對熔接輥所執(zhí)行的工作的裝置的側(cè)視圖；圖1A為實現(xiàn)熔接操作的第一和第二輥的示意圖；圖2A為圖示說明一個裝有一個第二平板的往復(fù)運動的滑架的透視圖，其中滑架位于由裝置機身的上下部分所限定的腔體內(nèi)；圖2B為裝置機身上部的透視圖；圖2C為安裝到機身下部上的滑架的透視側(cè)視圖，并且其中已經(jīng)去除了機身上部和直線伺服馬達；圖2D為滑架主體的透視圖；圖2E為滑架主體的后視圖；圖2F為滑架主體的前視圖；圖2G為滑架主體的側(cè)視圖；圖2H為滑架和馬達第二構(gòu)件的透視圖；圖2I為滑架和馬達第二構(gòu)件一部分的透視圖；圖3A為滑架和安裝到滑架上的第二平板的一部分的透視圖；圖3B為滑架的一部分和機身下部的一部分的側(cè)透視圖；圖4為在圖1裝置中的伺服線性馬達之一的U型第一構(gòu)件的透視圖；圖5為裝置機身的外側(cè)支承構(gòu)件、L型位置限制構(gòu)件、彈簧加載板、彈簧受載板、加熱板、冷卻板和圖1所示裝置的第一平板的透視圖；
圖6和7為裝置機身的外側(cè)支承構(gòu)件、L型位置限制構(gòu)件、彈簧加載板、彈簧受載板、加熱板和冷卻板的透視圖，并且其中未畫出靜止的第一平板；圖6A為L型位置限制構(gòu)件、彈簧受載板、加熱板和冷卻板各部分的透視圖，并且其中未畫出靜止的第一平板；圖8為第一和第二平板的頂視圖，其中工件樣本S被固定到第一平板上；圖9為圖示說明用于驅(qū)動圖1裝置的馬達的一個驅(qū)動器控制器和放大器的方框圖；圖9A為圖示說明本發(fā)明的加熱器控制器的方框圖；圖9B為一個方框圖，圖示說明在控制作為時間函數(shù)的滑架位置時在處理來自測力傳感器的力反饋過程中圖1裝置的控制器所采用的步驟；圖10A為實施例的位置與時間曲線圖；圖10B為實施例的速度與時間曲線圖；圖10C為實施例的加速度與時間曲線圖；和圖11為“每單位工件面積上的載荷對工件樣本的壓縮百分比”曲線圖。
具體實施例方式
用于在輥式加工中工件/纖網(wǎng)材料上的多個點位或不連續(xù)位置上實現(xiàn)壓縮載荷的方法已為人們所熟知，例如公開于美國專利4,854,984和4,919,738中的熔接方法，其公開內(nèi)容均引入本文以供參考。這樣一種方法涉及將諸如一個熱塑性雙層纖網(wǎng)材料之類的工件W通過由輥22、24確定的輥縫N，其中第一輥22具有多個隆凸25，參見圖1A。借助于隆凸25通過在點位WPS處壓縮工件/纖網(wǎng)材料，在那些點位處實現(xiàn)了摩擦接合。就是說，在每個點位WPS處的材料在足夠的壓力和足夠的速度下被隆凸25所壓縮，使每個點位WPS處的材料流動或熔融。如果工件/纖網(wǎng)材料包括兩層或多層，則使那些層在每個點位彼此粘合。實施例工件材料包括熱塑性纖網(wǎng)、薄膜等，例如聚乙烯纖網(wǎng)、薄膜等，其材料可包括厚度為約0.05mm至約5mm的單層材料、厚度為約0.1mm至約10mm的雙層材料或具有三層或更多層的材料。無論如何，工件W的至少一部分包括一種熱塑性材料是優(yōu)選的。
圖1中圖示說明了依照本發(fā)明所制造的并用來復(fù)制例如由一對熔接輥22、24在工件W上所執(zhí)行工作的裝置10。裝置10包括一個基本靜止的第一平板100和一個可直線運動的第二平板200，第一平板具有一個基本平坦的外表面102，參見圖1、5和8，第二平板200具有一個從非常平坦的外表面204伸出的隆凸202(圖1中未示出)，參見圖2A、3A和8。參見圖8，隆凸202的長度在X方向上為約0.5mm至約10mm，以及其遠端202a在Y方向上的直徑為約1mm至約5mm。
本發(fā)明的裝置10使工程師/技術(shù)人員能夠快速地和相對廉價地測試工件/纖網(wǎng)材料，以確定在輥式加工例如采用其中一個輥具有多個隆凸的第一和第二輥實現(xiàn)的熔接操作過程中，壓縮載荷對這樣一種工件/纖網(wǎng)材料的點位的影響。
裝置10還包括一個固定機身20，其包括一個下部22和一個固定連接到下部22上的上部24，參見圖1、2A和2B。裝置10還包括一個往復(fù)直線運動的滑架30，其包括一個位于由機身20的下部和上部22和24所限定的一個腔體26內(nèi)部的主體部分34，參見圖2A、圖2C(在圖2C中，上部24已經(jīng)從下部22上去除以圖示說明滑架30)和圖2D-2G(在圖2D-2G，僅圖示說明了主體部分34)。
滑架30借助于安裝到形成滑架主體部分34一部分的一對翼34c上的常規(guī)直線軸承32沿著第一和第二滑軌28a和28b運動，參見圖2A、2C、2D和3A和3B。滑架30的往復(fù)運動通過八個單獨的伺服線性馬達40來實現(xiàn)，所有的馬達聯(lián)合運行，其中馬達40以產(chǎn)品名稱“LEC-S-4P”購自Rockwell International Corporation。每個伺服馬達40包括一個大致U型的第一構(gòu)件42，其包括一個具有安裝在其U型腔體內(nèi)部并基本上在其整個長度上延伸的多個磁鐵42b的金屬U型元件42a，參見圖2A和4，以及一個活動的第二構(gòu)件43，其包括一個金屬支撐板，其具有繞著支承板纏繞的并沿著其長度延伸的多個線圈，參見圖2H和2I。將四個第一構(gòu)件42固定連接到機身20上部24的內(nèi)表面24a上，參見圖2A，同時在滑架30的正下方將剩下的四個第一構(gòu)件(未示出)固定連接到機身20下部22的上表面(未示出)上。將四個第二構(gòu)件43固定連接到滑架主體部分34的主板34d的上部34a上，同時將剩下的四個第二構(gòu)件(未示出)固定連接到滑架主體部分34的主板34d的下部34b上。將四個聚合物支承板44固定到主板34d的上部34a上，參見圖2A，并將四個聚合物支承板(未示出)安裝到主板34d的下部34b上。將固定連接到滑架主體部分34的主板34d的上部和下部34a和34b上的馬達第二構(gòu)件43與聚合物板44串聯(lián)安裝，參見圖2H。在啟動馬達40時，每個第二構(gòu)件43相對于其對應(yīng)的第一構(gòu)件42運動，使得滑架30相對于固定機身20直線運動。在圖示說明的實施方案中，馬達40能夠以達到+/-3米/秒的速度和以達到+/-196m/s2的加速度移動滑架30；并且使滑架30產(chǎn)生一個等于約+/-20,000牛頓的加載力，即由隆凸202頂靠工件W和第一平板100所加的力。
提供了其中一種以產(chǎn)品代號“Turbo PMAC 2-PC”商購自Delta TauCorporation的驅(qū)動控制器300用于控制馬達40的運行，參見圖9。驅(qū)動控制器300產(chǎn)生一個被第一和第二放大器360a和360b接收的驅(qū)動信號。放大器360a和360b以產(chǎn)品代號“Quad Amp.”購自Delta TauCorporation。每個放大器360a、360b均被連接到四個伺服馬達40上。響應(yīng)接收來自控制器300的驅(qū)動信號，每個放大器360a、360b產(chǎn)生基本相同的驅(qū)動控制信號給其對應(yīng)的四個馬達40。
滑架30相對于固定機身20的位置通過一個連接到固定機身20的上部24上的線性編碼器讀出頭410進行檢測，參見圖2A，讀出頭從安裝到滑架30上與滑架30一起運動的一個相應(yīng)的傳感器帶412讀取位置值。
滑架30還包括一個冷卻板36和一個加熱板38，參見圖2A、3A和8。將第二平板200用例如螺栓直接安裝到加熱板38上。板38通過一對電阻加熱器38a進行加熱，參見圖2A和3A。板38的溫度通過一個熱電偶38b進行檢測，其產(chǎn)生溫度信號給一個加熱器控制器320，參見圖2A和9A。加熱器控制器320控制電阻加熱器38a的啟動以將板38保持在所需的溫度，例如從約室溫到約160℃。冷卻板36通過將空氣流經(jīng)板36進行冷卻?？諝馔ㄟ^一對空氣管道被提供給板36，空氣管道通過配件36a連接到板36上，參見圖3A。冷卻板36減少呈熱量形式的能量從加熱板38被轉(zhuǎn)移到滑架主體部分34。
提供了一對彈簧加載的后擋50來限制滑架30在遠離第一平板100的方向上行進，參見圖1。
再次參見圖1，機身20的下部22包括一個外支承構(gòu)件22a。在圖示的實施方案中，穿過支承構(gòu)件22a延伸的是四個螺孔(未示出)，其每個具有一個對應(yīng)的螺桿60，參見圖6和7。固定連接到外支承構(gòu)件22a上的是一對L型位置限制構(gòu)件22b和22c。一個彈簧加載板70被安放在構(gòu)件22b和22c之間并緊靠螺桿60。一個彈簧受載基板72也被安放在構(gòu)件22b和22c之間并借助于多個壓縮彈簧74偏壓限制構(gòu)件22b和22c的懸臂部分22d，參見圖5至7和6A。一對定位桿72a從平板72伸出來并穿過在彈簧加載板70中裝設(shè)的直線軸承70a以及在支承構(gòu)件22a中裝設(shè)的直線軸承(未示出)，參見圖7。彈簧74被安裝在從彈簧受載板72中伸出的相應(yīng)桿上。在彈簧加載板70中設(shè)有孔，用于安放繞著其安裝彈簧74的桿。彈簧加載板70的位置可通過調(diào)節(jié)螺桿60的位置而改變，以調(diào)節(jié)彈簧74頂靠板72所加的偏置力。在圖示的實施方案中，設(shè)置了約十二(12)個彈簧74來施加約7000磅(31,000N)的力頂靠彈簧受載板72。
將一個冷卻板80借助于螺栓(未示出)固定連接到彈簧受載板72上，參見圖5至7和6A。將一個加熱板82借助于預(yù)壓螺釘固定安裝到冷卻板80上。位于冷卻板80和加熱板82之間的是多個壓電測力傳感器84，在圖示的實施方案中是四個，參見圖6A和7，其連同用于將加熱板82連接到冷卻板80上的預(yù)壓螺釘一起以產(chǎn)品代號“Load Washer和PreloadScrew，型號9031”購自Kistler Instrument Corporation。測力傳感器84產(chǎn)生的信號被提供給一個求和裝置84a，參見圖9，其以產(chǎn)品代號“4-GangConnector，型號107B”購自Kistler Corporation。求和器84a用來將四個測力傳感器84產(chǎn)生的信號累加并產(chǎn)生一個集中力信號給一個放大器84b。放大器84b以產(chǎn)品代號“Dual Charge Amplifier，型號5010B”購自KistlerCorporation。放大器84b產(chǎn)生一個放大的力信號給控制器300并代表由于第一和第二平板100和200嚙合一個纖網(wǎng)材料樣本S由冷卻板80直接施加到測力傳感器84上的組合力。將加熱板82連接到平板80上的預(yù)壓螺釘貫穿測力傳感器84上的中心孔。
例如用螺栓(未示出)將圖5所示的然而圖6、7和6A中未顯示的第一平板100直接安裝到加熱板82上。板82借助于一對電阻加熱器82a進行加熱，參見圖5、6和6A。板82的溫度通過熱電偶82b進行檢測，其產(chǎn)生溫度信號給控制器320，參見圖6、6A和9A。加熱器控制器320控制電阻加熱器82a的啟動以將板80保持在所需的溫度，例如從約室溫到約160℃。冷卻板80通過流經(jīng)板80的空氣進行冷卻?？諝饨柚谝粚諝夤艿辣惶峁┙o板80，空氣管道通過配件80a被連接到板80上。冷卻板80減少呈熱量形式的能量從加熱板82被轉(zhuǎn)移到彈簧受載板72。
為防止第一和第二平板100和200由于滑架30朝向第一平板100的超程而損壞，提供了一個傳感器排列。它包括一個安裝到限制構(gòu)件22c上的微動開關(guān)94和一個固定安裝到彈簧受載板72上的致動器96，參見圖6和7。微動開關(guān)94被連接到控制器300上，參見圖9。如果滑架30的超程發(fā)生，則第二平板200上的隆凸202將與第一平板100嚙合。當(dāng)由隆凸202頂靠第一平板100并因此頂靠彈簧受載板72所施加的力超過由壓縮彈簧74頂靠板72所施加的偏置力時，板72將在朝向彈簧加載板70的方向上移動，使致動器96驅(qū)動開關(guān)94，其又產(chǎn)生一個相應(yīng)的信號給控制器300。在響應(yīng)過程中，控制器300斷開給馬達40驅(qū)動滑架30的動力。
在熔接操作期間，參見圖1A，達到工件材料熔點下面的足夠溫度以及在足夠的速度下，每個隆凸25和嚙合或第二輥24的對應(yīng)部分24a壓縮工件W上的點位WPS一個足夠的量，以使點位WPS處的材料流動或熔融。如果工件W包括兩層或多層材料，則那些層被粘合到一起。要說明的是，在熔接操作期間，隆凸25和對應(yīng)部分24a可處在基本等于室溫的溫度下或被加熱到室溫之上，例如達到約160℃。
工件W例如纖網(wǎng)材料上的點位WPS以速度Vw經(jīng)過由輥22、24所確定的輥縫N移動并且當(dāng)其穿過輥縫N時被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a嚙合一段時間2T。工件W上的給定點位WPS被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a嚙合的總嚙合時間的一半可用下列公式來確定T=T1=T2=acos[1-EMDi]·[Di2·Vw]]]>其中
EM等于其中點位WPS被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a從初始厚度MT到終了厚度G所壓縮的量，參見圖1A；Di等于第一和第二輥22和24的直徑(假定輥22和24的直徑相等；還假定一對隆凸25的長度被包括在輥22的直徑中)；和Vw等于工件速度。
當(dāng)隆凸25開始與工件W接觸時，輥22上的隆凸25相對于第二輥24上的對應(yīng)部分24a的初始位置Pi1(其等于當(dāng)隆凸202開始與工件W接觸時裝置10第二平板200上的隆凸202相對于第一平板100上外表面102的初始位置)可用下列公式來確定Pi1=G+Di·[1-cos[acos(1-EMDi)·(-1)]]]]>其中EM等于點位WPS被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a所壓縮的量，并且也等于點位WPS被第二平板200的隆凸202和第一平板100的外表面102所壓縮的量；Di等于第一和第二輥22和24的直徑；和G等于工件點位WPS的終了壓縮厚度，參見圖1A。
當(dāng)隆凸25開始與工件W接觸時，輥22上的隆凸25相對于第二輥24的對應(yīng)部分24a的初始隆凸速度Vi1(其等于當(dāng)隆凸202開始與工件W接觸時裝置10第二平板200上的隆凸202相對于第一平板100上的外表面102的初始速度)可用下列公式來確定Vi1=+Di·sin[acos(1-EMDi)·(-1)]·[acos(1-EMDi)T]]]>其中EM等于點位WPS被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a所壓縮的量，并且也等于點位WPS被第二平板200的隆凸202和第一平板100的外表面102所壓縮的量；
Di等于第一和第二輥22和24的直徑；和T等于工件W上的點位WPS被第一輥隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a嚙合的總嚙合時間的一半，其等于工件W上的點位WPS被第二平板200上的隆凸202和第一平板100的外表面102嚙合的總嚙合時間的一半。
當(dāng)隆凸25開始與工件W接觸時輥22上的隆凸25相對于第二輥24的對應(yīng)部分24a的初始隆凸加速度Ai1(其等于當(dāng)隆凸202開始與工件W接觸時裝置10第二平板200上的隆凸202相對于第一平板100上的外表面102的初始加速度)可用下列公式來確定Ai1=+Di·cos[acos(1-EMDi)·(-1)]·[acos(1-EMDi)T]2]]>其中EM等于點位WPS被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a所壓縮的量或點位WPS被第二平板200的隆凸202和第一平板100的外表面102所壓縮的量；Di等于第一和第二輥22和24的直徑；和T等于工件W上的點位WPS被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a嚙合的總嚙合時間的一半或工件W上的點位WPS被第二平板200上的隆凸202和第一平板100的外表面102嚙合的總嚙合時間的一半。
本發(fā)明的裝置10按下列方式模擬熔接加工。
在進行模擬之前，工程師/技術(shù)人員確定與要模擬的熔接操作有關(guān)的下列參數(shù)所需的工件速度Vw，即如果工件W穿過一對第一和第二輥22和24之間其運行的速度、第一和第二輥22、24的直徑Di和點位WPS被第一輥隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a所壓縮的量EM，即工件初始厚度MT-工件終了厚度G。
如上所述，第一平板100具有一個非常平坦的外表面102以及第二平板200具有從非常平坦的外表面204伸出的隆凸202，參見圖2A、3A、5和8。
用例如帶子(未示出)將待測試工件W的大致矩形的樣本S固定到第一平板100的外表面102上，參見圖8。工件W可包括一層或多層，總厚度即組合的所有層的厚度可為約0.05mm至10mm，并可包括一種熱塑性材料。在工件樣本S與隆凸202嚙合之前，在將滑架30移動到使得第二平板200上的隆凸202剛好緊貼工件樣本S的位置處的過程中將樣本S加熱到一預(yù)定溫度，例如從約室溫加熱到約160℃。如上所述，加熱器控制器320將加熱板38和82保持在預(yù)定溫度。可用控制到預(yù)定溫度的加熱板38和82通過將樣本S在第一和第二平板100和200之間保持一段預(yù)定時間將樣本S加熱到所需溫度。
驅(qū)動控制器300根據(jù)由測力傳感器84和線性編碼器讀出頭410產(chǎn)生的反饋控制伺服線性馬達40的運行，參見圖9?？刂破?00使馬達40從原位朝向第一平板100驅(qū)動滑架30，使得第二平板隆凸202與第一平板外表面102一起將樣本S上的點位WPS壓縮到所需的厚度G。在第二平板200已經(jīng)相對于第一平板100被移動到一個預(yù)定位置以使隆凸202和第一平板100能夠?qū)Ⅻc位WPS壓縮到所需的厚度G之后，控制器300接著使馬達40在遠離第一平板100的方向上驅(qū)動滑架30，使得第二平板200上的隆凸202脫離工件樣本S，并進一步使得滑架30返回到其原位。在圖示的實施方案中，滑架30從其原位到其中第二平板200上的隆凸202位于與第一平板外表面102隔開一段距離的預(yù)定最內(nèi)位置的位置的運動被分成不連續(xù)的四段前進加速段、前進線性段、前進過渡段和嚙合段。此外，滑架30從其中第二平板200上的隆凸202位于與第一平板外表面102隔開一段距離的所需位置的位置處返回到其原位的運動被分成不連續(xù)的四段脫離段、回退過渡段、回退線性段和回退加速段。
八個段中的每一個均包括多個相等的離散時間間隔，例如300微秒。例如，確定執(zhí)行八個段所需的總周期并且然后用該總周期除以驅(qū)動控制器300在熔接模擬操作期間能夠處理的預(yù)定的控制點數(shù)目例如7990，以確定離散時間間隔的周期(本文也稱作第一周期TP1)。如果計算出的離散時間間隔的周期小于預(yù)定值，例如300微秒，則采用預(yù)定值。
采用下面要討論的與八個段對應(yīng)的公式，處理器/存儲器單元340確定在每個段內(nèi)的每個離散時間間隔的滑架30的對應(yīng)位置。時間間隔和對應(yīng)的滑架位置被提供給驅(qū)動控制器300。在前進加速段、前進線性段、前進過渡段、回退過渡段、回退線性段和回退加速段期間，驅(qū)動控制器300產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號給放大器360a、360b以根據(jù)對應(yīng)的預(yù)定滑架位置和響應(yīng)來自線性編碼器讀出頭410的滑架位置信號控制滑架30的運動。在嚙合和脫離段期間，驅(qū)動控制器300產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號給放大器360a、360b以根據(jù)對應(yīng)的預(yù)定滑架位置和響應(yīng)來自線性編碼器讀出頭410的滑架位置信號和來自放大器84b的力信號控制滑架30的運動。
當(dāng)?shù)诙桨迓⊥?02的遠端202a開始與第一平板外表面102接觸時，滑架30位于其“0位”。嚙合段的定義是，發(fā)生在滑架30位于距其“0位”的距離等于裝置10能夠測試的最大工件樣本厚度時，直到隆凸遠端202a被定位在距第一平板外表面102所需的最內(nèi)距離使得工件樣本S上的點位WPS被壓縮到所需厚度G為止。脫離段的定義是，發(fā)生在滑架30倒轉(zhuǎn)其方向以移動第二平板200遠離第一平板100時，直到滑架30達到距其“0位”的距離等于最大工件樣本厚度為止。處理器/存儲器單元340計算發(fā)生在嚙合和脫離段期間多個相等的離散時間間隔中的每一個的滑架位置、隆凸速度Ve和隆凸加速度如下。通過分別取每個滑架位置對時間的一階和二階導(dǎo)數(shù)，用處理器/存儲器單元340計算嚙合和脫離段的隆凸速度和加速度值。
處理器/存儲器單元340用上述的計算嚙合時間T的公式和待模擬的熔接加工的預(yù)定值確定嚙合時間T，其等于在嚙合和脫離段期間工件樣本S上的給定點位WPS被嚙合的總周期2T的一半。嚙合時間T等于嚙合段的周期T1以及脫離段的周期T2，即嚙合段的周期等于脫離段的周期。嚙合段的周期T1和脫離段的周期T2然后被分成多個相等的離散時間間隔，其每一個均具有如上所述的周期。對于嚙合和脫離段的每個時間間隔，處理器/存儲器單元340采用以下公式計算隆凸位置PP(i)=G+Di·[1-cos[acos(1-EMDi)·(tT-1)]]]]>其中P(i)＝在嚙合段期間的位置；EM等于點位WPS被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a所壓縮的量或點位WPS被隆凸202和第一平板的外表面102所壓縮的量；Di等于第一和第二輥22和24的直徑；
t等于0至T1，其中T1等于嚙合段期間的總時間；T等于工件樣本S上的點位WPS被第二平板200上的隆凸202和第一平板100上的外表面102嚙合的總嚙合時間的一半；和G等于工件樣本點位WPS的終了壓縮厚度。
P(o)=G+Di·[1-cos[acos(1-EMDi)·(tT-1)]]]]>其中P(o)＝在脫離段期間的位置；EM等于點位WPS被隆凸25和第二輥24的對應(yīng)部分24a所壓縮的量，并且也等于點位WPS被隆凸202和第一平板的外表面102所壓縮的量；Di等于第一和第二輥22和24的直徑；t等于T1至(T1+T2)，其中T2等于脫離段期間的總時間；T等于工件樣本S上的點位WPS被第二平板200上的隆凸202和第一平板100上的外表面102嚙合的總嚙合時間的一半；和G等于工件樣本點位WPS的終了壓縮厚度。
從每個所計算的隆凸位置P，處理器/存儲器單元340確定對應(yīng)的滑架位置。處理器/存儲器單元340也確定嚙合段每個離散時間間隔的隆凸速度和隆凸加速度，如上所述。它還確定脫離段每個離散時間間隔的隆凸速度和隆凸加速度，如上所述。處理器/存儲器單元340然后提供離散時間間隔和對應(yīng)的滑架位置、隆凸速度和隆凸加速度給馬達控制器300，其將信息存儲在存儲器中。
在滑架30達到其中隆凸202距第一平板外表面102的距離等于工件能夠進行測試的最大工件樣本厚度后，控制器300使伺服線性馬達40繼續(xù)朝向第一平板100驅(qū)動滑架30，使得第二平板隆凸202和第一平板外表面102嚙合并將工件樣本S上的點位WPS壓縮到所需的終了厚度G。在產(chǎn)生合適的驅(qū)動信號給放大器360a、360b的過程中，控制器300考慮到來自線性編碼器讀出頭410的位置反饋信息，使得它將由讀出頭410提供的位置信息所確定的滑架30的實際位置與預(yù)定的所需位置相比較。在產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號給放大器360a、360b的過程中，控制器300也考慮到了由測力傳感器84產(chǎn)生的力信息。
當(dāng)在平板100和200之間未提供一個工件樣本S并且移動第二平板200使得其隆凸202相對于第一平板外表面102位于所需的最內(nèi)位置時，滑架位置的公差無需來自測力傳感器84的力反饋信息就可被控制到約+/-10微米。這是因為在嚙合和脫離段期間第二平板200沒有力施加到第一平板100上，因為即使隆凸202相對于第一平板外表面102運動到所需的最內(nèi)位置，隆凸202也從未接觸第一平板外表面102或工件樣本S。當(dāng)提供了一個工件樣本S時，隆凸202和第一平板外表面102在嚙合工件樣本S期間產(chǎn)生一個載荷。該載荷應(yīng)該被馬達40所抵消以實現(xiàn)將滑架位置精確控制到較小的公差，例如約+/-10微米至約+/-35微米。因此，控制器300增大提供給放大器360a、360b的驅(qū)動信號，以便使馬達40對滑架30產(chǎn)生的力增大大致等于測力傳感器84檢測到的力的大小的量。
圖9B圖示說明了一個工作特性方框圖，其顯示了當(dāng)控制作為時間函數(shù)的滑架30的位置時，控制器300依照一個包括處理來自測力傳感器84的力反饋的伺服控制器算法所采取的步驟。
在步驟500，對于發(fā)生在每個段的離散時間間隔，控制器300連續(xù)檢索由處理器/存儲器單元340預(yù)確定并事先提供給控制器300的所需的滑架位置P2。發(fā)生在每個段期間的每個離散時間間隔包括同樣的第一周期TP1。在被稱為“軌跡發(fā)生器”步驟的步驟500a期間，控制器300在滑架位置P2即在離散時間間隔處生成的粗略的滑架位置之間內(nèi)插，每個時間間隔包括第一周期TP1，使得在第二時間間隔處生成了準(zhǔn)確的滑架位置P2F，每個均包括一個第二周期TP2，其小于第一周期TP1。
在步驟502，通過將準(zhǔn)確的滑架位置P2F與測定的滑架位置相比較，控制器300生成一個位置誤差值。采用通過查詢線性編碼器讀出頭410所獲得的數(shù)據(jù)確定每個所測定的滑架位置，參見步驟504。在步驟503，通過累加，當(dāng)前的位置誤差與在步驟503b期間確定的其積分值組合起來。在步驟503b期間的產(chǎn)生的位置誤差積分提供一種方法，通過這種方法，控制器300可強制位置誤差為零，即控制器300連續(xù)地累積位置誤差并將累積誤差加回到當(dāng)前的位置誤差中。
在步驟500a期間確定的準(zhǔn)確滑架位置P2F被用于步驟502a中以產(chǎn)生一個速度前饋信號。在步驟502a期間，控制器300確定準(zhǔn)確滑架位置P2F關(guān)于伺服控制器算法時基的一階導(dǎo)數(shù)，其時基包括離散時間間隔，每個周期均等于上述的第二周期TP2。速度前饋信號典型地被用來補償存在于裝置10中的機械阻尼即摩擦。在步驟500a期間確定的準(zhǔn)確滑架位置P2F也被用于步驟502b中以產(chǎn)生一個加速度前饋信號，其中控制器300取準(zhǔn)確的滑架位置P2F關(guān)于伺服控制器算法時基的二階導(dǎo)數(shù)，其時基包括離散時間間隔，每個周期均等于上述的第二周期TP2。加速度前饋信號典型地被用來補償系統(tǒng)慣性。在步驟503a，速度和加速度前饋信號疊加在一起。
在步驟513期間通過取接收自編碼器讀出頭410的實際位置值的一階導(dǎo)數(shù)確定滑架30的速度。在步驟508期間，一階導(dǎo)數(shù)或滑架速度值被乘以導(dǎo)數(shù)增益值以在控制器300中提供用于穩(wěn)定性的阻尼。在步驟507，從步驟503期間所確定的和以及步驟503a期間所確定的和減去步驟508的輸出。在步驟509期間，步驟507的輸出被乘以一個增益因子以提供馬達40所需的響應(yīng)，使得可對于所需的響應(yīng)調(diào)節(jié)控制器300的時間、過沖和總帶寬。在這種情況下，與滑架30運動到所需位置P2有關(guān)的優(yōu)選響應(yīng)包括使位置誤差降至最低、使滑架30的定位中的過沖降至最低和在最短的時間內(nèi)達到所需的位置P2。
步驟509的輸出典型地被稱作電流參比值，并通常被直接提供給控制器300中的一個馬達電流發(fā)生器算法，其算法包括一個電流控制回路。然而，依照本發(fā)明，在步驟510，控制器300查詢測力傳感器放大器84b并產(chǎn)生一個與測力傳感器84檢測到的載荷即由滑架30施加到工件W上的壓力成正比的壓縮載荷值。控制器300然后將壓縮載荷值乘以一個比例因子以將來自測力傳感器放大器84b的原始信號轉(zhuǎn)換成一個成比例的值，其代表與馬達40施加到滑架30上產(chǎn)生工件W上的壓縮載荷的力成正比的馬達電流。在步驟512，這個成比例的壓縮載荷值被加到電流參比值上以產(chǎn)生一個值，其代表馬達40將滑架30移動到如步驟509的輸出所確定的下一個所需的位置P2所必需的實際力以及產(chǎn)生如步驟510的輸出所代表的工件W上的壓縮載荷所必需的馬達力。在步驟516，采用一個電流回路，控制器300基于步驟512的輸出確定一個合適的驅(qū)動信號給第一和第二放大器360a和360b。電流回路典型地根據(jù)馬達的電特性曲線進行配置并進行改良以提供所需的電流響應(yīng)。在這個實施方案中，所需的電流響應(yīng)為在對步驟512的輸出最快的可達率下電流過沖最小。
通過在步驟512利用與電流參比值成比例的壓縮載荷值，控制器300根據(jù)由滑架30施加到工件W上的載荷的變化有效地繞過步驟502、502a和502b中的位置、速度和加速度回路，使得確定第一和第二放大器360a和360b的驅(qū)動信號時更直接地考慮到壓縮載荷差異，從而直接提高作為時間函數(shù)的滑架30的位置控制精度。同樣要指出的是，當(dāng)考慮到了載荷值時，改善了用于控制馬達40運行以及作為時間函數(shù)的滑架30的位置的控制器響應(yīng)時間。就是說，在步驟512期間沒有考慮測力傳感器檢測的載荷值，由工件W施加到滑架30上(反之亦然)的壓縮載荷的變化將不得不通過位置、速度和加速度控制回路間接考慮。這樣做將減少控制器300在控制馬達40運行過程中的響應(yīng)時間，使得控制器300所控制的滑架位置的控制精度受到負(fù)面影響，尤其是在由工件W施加到滑架30上(反之亦然)的載荷快速變化時的高速情況下。
第二平板200相對于第一平板100依照離散時間間隔和對應(yīng)的隆凸位置的直線運動導(dǎo)致對樣本S所做的工作模擬樣本S假如已經(jīng)穿過一對熔接輥22、24并被第一輥22上的隆凸25已經(jīng)嚙合將會做的工作?？刂破?00所控制的滑架30的運動典型地導(dǎo)致隆凸202的遠端202a遵從例如圖10A所示的位置對時間曲線。
處理器/存儲器單元340用來確定每個離散的時間間隔(其間隔具有和與嚙合和脫離段對應(yīng)的時間間隔一樣的同一周期)的滑架位置(本文也稱作“隆凸位置”)和其它參數(shù)的公式將被提供給剩下的段，即前進加速段、前進線性段、前進過渡段、回退過渡段、回退線性段和回退加速段。對于這些段，單元340提供時間間隔和對應(yīng)的滑架位置給驅(qū)動控制器300。
對于嚙合段而言，工程師/技術(shù)人員確定裝置10能夠測試的工件樣本最大厚度，并將該值提供給處理器/存儲器單元340。單元340通過以上所述計算T1的公式確定滑架30從其中第二平板隆凸202的遠端202a位于距第一平板外表面102距離等于工件材料最大厚度的位置移動到其中隆凸202位于距第一平板外表面102所需的終了距離的位置即其中樣本S上的點位WPS被壓縮到所需的厚度G所必需的時間。要說明的是，可試驗厚度小于工件樣本最大厚度的工件樣本S，參見圖11，其中所試驗的工件樣本的厚度為3.5mm，同時材料最大厚度為6.912mm。其后，單元340將時間T1除以預(yù)定的時間間隔周期即如上述所確定的第一周期TP1以確定嚙合段的多個離散時間間隔。對于每個離散時間間隔，單元340然后按上述方式確定隆凸位置P(對應(yīng)于相對于滑架“0位”的滑架位置，其中0位時隆凸遠端202a與第一平板外表面102相接觸)、隆凸速度(其等于滑架速度)和隆凸加速度(其等于滑架加速度)，并且參見下面所述的實施例，其中嚙合段的總時間T1等于9.19毫秒。
將前進過渡段的總時間設(shè)定為一個預(yù)定值，例如3.1毫秒，并且典型地在所有的熔接過程模擬期間，對于該段采用同樣的時間。該段的終了隆凸位置(對應(yīng)于相對于滑架“0位”的終了滑架位置)、終了隆凸速度和終了隆凸加速度全部等于嚙合段的初始隆凸位置、初始隆凸速度和初始隆凸加速度，參見下面所述的實施例。此外，該段的初始隆凸加速度必須為0。從這些給定數(shù)值中，單元340確定該段的初始和中間隆凸位置、初始和中間隆凸速度值和初始和中間隆凸加速度值。
在前進線性段期間，隆凸加速度(對應(yīng)于滑架加速度)降低到零，使得隆凸速度被保持在一個常數(shù)值。當(dāng)它從正加速度變到負(fù)加速度時，該段用來緩沖滑架30的任何振動。將該段的時間設(shè)定為一個預(yù)定值例如2.0毫秒，并且典型地在所有的熔接過程模擬期間，對于該段采用同樣的時間。終了隆凸加速度必須等于零并且終了隆凸速度必須等于前進過渡段的初始隆凸速度，參見下面所述的實施例。
在前進加速段期間，滑架300以固定比率從開始在原位處的0速度加速到等于前進線性段的初始速度的終了速度。滑架原位由工程師/技術(shù)人員進行確定并與滑架“0位”有關(guān)。典型地其等于或近似等于滑架30可距其“0位”定位的最大距離。在下面所述的實施例中，其被定位在75mm處。該段的距離等于原位距滑架“0位”的距離減去滑架30在前進線性和前進過渡段期間移動的距離之和和工件樣本的最大厚度。該段的時間不預(yù)先確定。單元340確定在該段的預(yù)定距離內(nèi)滑架30從0速度被加速到等于前進線性段的初始隆凸速度的正恒定加速度(即，隆凸加速度)。
對于脫離段而言，處理器/存儲器單元340最初通過上述的計算T2的公式確定滑架30從其中第二平板200上的隆凸202與工件樣本S上的點位WPS處于其最大嚙合深度的位置移動到其中隆凸202距第一平板外表面102的距離等于裝置10能夠測試的工件樣本最大厚度的位置所必需的時間。其后，單元340將時間T2除以預(yù)定的時間間隔周期即如上所述確定的第一周期TP1來確定脫離段的多個離散時間間隔。單元340然后按上面討論的方式確定對于每個離散的時間間隔的隆凸位置E(等于距“0位”的滑架位置)、隆凸速度(其等于滑架速度)和隆凸加速度(其等于滑架加速度)，參見下面所述的實施例，其中該段的總時間T2等于9.19毫秒。
將回退過渡段的總時間設(shè)定為一個預(yù)定值例如3.1毫秒，并且典型地，在所有的熔接過程模擬期間，對于該段采用同樣的時間。該段的初始隆凸位置、初始隆凸速度和初始隆凸加速度(在實施例中以及對于回退過渡段、回退加速段和脫離段，正加速度具有一個負(fù)值以及負(fù)加速度具有一個正值)均等于脫離段的終了隆凸位置、終了隆凸速度和終了隆凸加速度，參見下面所述的實施例。此外，終了隆凸加速度在回退過渡段結(jié)束時必須為0。從這些給定的數(shù)值中，單元340確定該段的初始和中間隆凸位置、初始和中間隆凸速度值和初始和中間隆凸加速度值。
在回退線性段期間，隆凸加速度為零。當(dāng)它從正加速度變到負(fù)加速度時，該段用來緩沖滑架30的任何振動。將該段的時間設(shè)定為一個預(yù)定值例如2.0毫秒，并且典型地在所有的熔接過程模擬期間，對于該段采用同樣的時間。該段的初始齒頂速度必須等于回退過渡段的終了齒頂速度，參見下面所述的實施例。
在幾乎整個回退加速段期間，滑架300以固定比率從等于回退線性段終了速度的初始速度降到0速度，在該點滑架處于其原位處。該段的距離等于原位距“0位”的距離減去滑架30在回退線性和回退過渡段期間移動的距離之和和工件樣本最大厚度。該段的時間不預(yù)先確定。單元340確定在該段的預(yù)定距離內(nèi)要加速的滑架30從等于回退線性段的終了隆凸速度的速度到0速度的恒定減速度(即隆凸減速度)。
處理器/存儲器單元340采用下列公式確定前進加速段、前進線性段、前進過渡段、回退過渡段、回退線性段和回退加速段的每個相等的離散時間間隔的隆凸位置即滑架位置以及其它參數(shù)Tfl＝前進線性段的時間；預(yù)定值為例如0.0020秒；Tft＝前進過渡段的時間；預(yù)定值為例如0.0031秒；Tbl＝回退(后退)線性段的時間；預(yù)定值為例如0.0020秒；Tbt＝回退(后退)過渡段的時間；預(yù)定值為例如0.0031秒；EM等于工件樣本S的初始厚度MT減去樣本上的點位WPS的終了厚度；Di等于第一和第二輥22、24的直徑(假定輥22、24的直徑相同)；以及Vw等于工件速度；Plim＝等于滑架原位和滑架0位之間的距離；T＝T1＝T2；和Npts＝在所有的段期間所有相同周期的控制點的總數(shù)，例如7990。
前進過渡段的初始速度(米/秒)Vft1=Vi1-Ai1·Tft2]]>前進過渡段的振動(米/秒3)Kf=(Ai1-0)Tft]]>前進過渡段的初始位置(米)Pft1=Pi1-Vft1·Tft-Kf·Tft36]]>前進線性段的初始位置(米)Pfl1＝Pft1-Vft1·Tfl前進加速段的時間(秒)Tfa=(Pfl1-Plim)Vft12]]>前進加速段的加速度(米/秒2)Afa=(Vft1-0)Tfa]]>前進段的總時間(秒)
Tf＝T1+Tft+Tfl+Tfa前進加速和前進線性段的總時間Tfal＝Tfa+Tfl前進加速、前進線性和前進過渡段的總時間(秒)Tfalt＝Tfa+Tfl+Tft終了脫離位置(米)Po2=G+Di·[1-cos[acos(1-EMDi)·(1)]]]]>終了脫離速度(米/秒)Vo2=+Di·sin[acos(1-EMDi)·(1)]·[acos(1-EMDi)T]]]>終了脫離加速度(米/秒2)Ao2=+Di·cos[acos(1-EMDi)·(1)]·[acos(1-EMDi)T]2·]]>回退過渡段的振動(米/秒3)Kb=(0-Ao2)Tbt]]>
回退過渡段的終了位置(米)Pbt2=Po2+Vo2·Tbt+(Ao2·Tbt2)2+(Kb·Tbt3)6]]>回退過渡段的終了速度(米)Vbt2=Vo2+Ao22·Tbt]]>回退線性位置的終了位置(米)Pbl2＝Pbt2+Vbt2·Tbl回退加速段的時間(秒)Tba=(Plim-Pbl2)(Vbt22)]]>回退加速段的加速度(米/秒2)Aba=(0-Vbt2)Tba]]>前進段和脫離段的總時間(秒)Tbo＝Tf+T2前進段加上脫離和回退過渡段的總時間(秒)
Tbot＝Tf+T2+Tbt前進段加上脫離、回退過渡段和回退線性段的總時間(秒)Tbotl＝Tf+T2+Tbt+Tbl前進和回退段的總時間(秒)Tfb＝Tf+T2+Tbt+Tbl+Tba每個工序控制點的周期(秒)Tspl=TfbNpts]]>前進加速段的位置(米)；其中t＝0至Tfa(秒)Pfa=Plim+Afa·t22]]>前進線性段的位置(米)；其中t＝0至Tfl(秒)Pfl＝Pfl1+Vft1·t前進過渡段的位置(米)；其中t＝0至Tft(秒)Pft=Pft1+Vft1·t+Kf·t36]]>嚙合段的位置(米)；其中t＝0至T1(秒)
Pi=G+Di·[1-cos[acos(1-EMDi)·(tT-1)]]]]>脫離段的位置(米)；其中t＝T1至(T1+T2)(秒)Po=G+Di·[1-cos[acos(1-EMDi)·(tT-1)]]]]>回退過渡段的位置(米)；其中t＝0至Tbt(秒)Pbt=Po2+Vo2·t+Ao2·t22+Kb·t36]]>回退線性段的位置(米)；其中t＝0至Tbl(秒)Pbl＝Pbt2+Vbt2·t回退加速段的位置(米)；其中t＝0至Tba(秒)Pba=Pbl2+Vbt2·t+Aba·t22]]>在進行試驗操作之前，控制器300控制第二平板200的運動以便其朝向第一平板100緩慢移動直到其隆凸202嚙合第一平板外表面102為止。在就要嚙合的時候，伺服線性馬達40的位置誤差增大，因為滑架30的移動受到隆凸202和第一平板外表面102間嚙合的阻礙，其位置誤差的增大用控制器300進行檢測。也就是說，控制器300從線性編碼器讀出頭410產(chǎn)生的位置信號確定滑架30的位置未改變，即使控制器300正在產(chǎn)生一個驅(qū)動信號來給馬達40提供動力也是如此。隨著檢測到滑架30的0運動，控制器300分辨出滑架30位于滑架30的“0位”、即其中隆凸202與第一平板外表面102嚙合的滑架30位置。在從傳感器帶412讀出對應(yīng)的位置值之后，根據(jù)線性編碼器讀出頭410產(chǎn)生的位置信號，控制器300把滑架30的當(dāng)前位置規(guī)定為處在滑架“0位”。
下面陳述了由一個實施例熔接模擬操作得來的數(shù)據(jù)。圖10A圖示說明了實施例的位置對時間曲線；圖10B圖示說明了實施例的速度對時間曲線；和圖10C圖示說明了實施例的加速度對時間曲線(1g＝9.8m/s2)。
如圖5和8所示，裝置10還包括連接到第一平板100上的四個電測微計傳感器104以在熔接模擬操作即工件點位壓縮操作期間檢測第一平板外表面102和第二平板外表面204間的距離。傳感器104可以產(chǎn)品代碼8000系列購自康奈提格州Middletown的Kaman AerospaceCorporation，并能夠以+/-0.5微米的精度檢測外表面102和204之間的距離。傳感器104產(chǎn)生的信號被提供給驅(qū)動控制器300，其又連同測力傳感器數(shù)據(jù)、滑架位置數(shù)據(jù)和離散時間間隔數(shù)據(jù)一起轉(zhuǎn)送相應(yīng)的信號給處理器/存儲器單元340。
在圖示說明的實施方案中，驅(qū)動控制器300未采用傳感器104的信號輸出來控制馬達40的運行。然而，在對于一個完整的工件點位壓縮操作生成一個“每單位工件點位面積上的載荷對工件樣本的壓縮百分比”曲線過程中，處理器/存儲器單元340采用傳感器104所產(chǎn)生的信息。具體地講，對于與第二平板隆凸202的遠端202a處在距第一平板100的外表面102約1.0mm至距外表面102的距離等于工件樣本S的終了壓縮厚度G的范圍內(nèi)的時候?qū)?yīng)的點位壓縮試驗段，單元340采用由傳感器104產(chǎn)生的信息。當(dāng)?shù)诙桨迓⊥?02的遠端202a的距離距第一平板外表面102大于1.0mm時，處理器/存儲器單元340采用按下面討論的方式所計算的滑架位置確定曲線。
當(dāng)隆凸202的遠端202a處在等于工件樣本的初始厚度MT至1.0mm、或者距第一平板外表面102某些其它預(yù)定距離的范圍內(nèi)時，用下列公式確定工件壓縮百分比壓縮百分比＝([MT-P(t)]/MT)×100％其中MT＝工件樣本的初始厚度；和
P(t)＝相對于滑架“0位”的滑架位置，其中0位時隆凸遠端202a與第一平板外表面102接觸，并用下列公式來確定P(t)=G+Di·[1-cos[acos(1-EMDi)·(tT-1)]]]]>公式A其中EM等于其中點位被第二平板200上的隆凸202和第一平板100的外表面102所壓縮的最終數(shù)量；G等于所需的工件樣本的終了壓縮厚度；Di等于第一和第二輥的直徑；t等于加工時間并且值的范圍為0至(T1+T2)；和T＝T1＝T2等于工件點位被第二平板200上的隆凸202和所述第一平板100的外表面102嚙合的總時間的一半。
當(dāng)隆凸202的遠端202a在距第一平板外表面102為1.0mm或某些其它預(yù)定距離至距第一平板外表面102的距離等于工件樣本S的終了壓縮厚度G的范圍內(nèi)時，用下列公式確定工件壓縮百分比壓縮百分比＝([MT-S(t)]/MT)×100％其中MT＝工件樣本的初始厚度；S(t)＝隆凸遠端202a和第一平板外表面102之間的距離，用四個電子測微傳感器104產(chǎn)生的信號來確定。
對于嚙合和脫離段的每個時間間隔，“每單位工件點位面積上的載荷”采用測力傳感器數(shù)據(jù)除以隆凸遠端202a的外表面積來確定。處理器/存儲器單元340假定，當(dāng)隆凸遠端202a即滑架位置被定位在距第一平板外表面102的距離等于工件樣本的初始厚度時，隆凸202已經(jīng)嚙合了工件樣本S，其距離由線性編碼器讀出頭數(shù)據(jù)進行確定。與下面所述的實施例和厚度為3.5mm的聚乙烯工件對應(yīng)的“每單位工件點位面積上的載荷對工件樣本的壓縮百分比”曲線見于圖11中。
依照本發(fā)明的另一個實施方案，工件樣本的壓縮百分比不采用來自四個電子測微傳感器104的數(shù)據(jù)進行確定。取而代之的是，確定包括彈簧74組合的偏移機械元件的單一彈簧常數(shù)，例如通過使隆凸202嚙合第一平板外表面102并取測力傳感器84檢測到的力與在與外表面102嚙合之后通過線性編碼器讀出頭410檢測到的隆凸202移動的距離之比。在隨著工件點位壓縮試驗操作已經(jīng)存儲由測力傳感器84產(chǎn)生的載荷數(shù)據(jù)之后，那個測力傳感器數(shù)據(jù)被除以彈簧常數(shù)以確定第一平板偏移數(shù)據(jù)DL。其后，用下列公式確定工件樣本的壓縮百分比{[MT-(P(t)-DL)]/MT}×100％其中MT＝工件樣本的初始厚度；P(t)等于采用上面的公式(A)所確定的滑架位置；和DL等于第一平板偏移數(shù)據(jù)。
采用測力傳感器數(shù)據(jù)除以如上所述的隆凸遠端202a的外表面積確定“每單位工件點位面積上的載荷”。
實施例的數(shù)據(jù)材料最大厚度，MT(毫米) 6.912輥間輥縫，G(毫米)0.1嚙合距離，EM(毫米) 6.812輥徑，Di(毫米) 152.40纖網(wǎng)速度，VW(米/秒) 2.4890原位，Plim(毫米) 75.0前進線性段的時間，Tfl(毫秒) 2.0回退線性段的時間，Tbl(毫秒) 2.0前進過渡段的時間，Tft(毫秒) 3.1回退過渡段的時間，Tbt(毫秒) 3.1前進過渡段的振動，Kf(毫米/秒^3) 5.01E+07前進回退段的振動，Kb(毫米/秒^3) -5.01E+07重力加速度，g(毫米/秒2) 9814.56前進加速段加速時間 加速距離 總時間壓頭位置壓頭速度 壓頭加速度 壓頭加速度(毫秒) (毫米) (毫秒) (毫米) (毫米/秒) (毫米/秒^2) (g)0.00 0.00 0.00 75.000 0.00 0 0.000.10 0.000 0.10 75.000 -2-24599 -2.516.96 -0.5966.96 74.404 -171 -24599 -2.5113.92 -2.38413.92 72.616 -342 -24599 -2.5120.88 -5.36420.88 69.636 -514 -24599 -2.5127.85 -9.53727.85 65.463 -685 -24599 -2.5134.81 -14.901 34.81 60.099 -856 -24599 -2.5141.77 -21.457 41.77 53.543 -1027 -24599 -2.5148.73 -29.206 48.73 45.794 -1199 -24599 -2.51
55.69 -38.146 55.69 36.854-1370 -24599 -2.5162.65 -48.279 62.65 26.721-1541 -24599 -2.5169.61 -59.603 69.61 15.397-1712 -24599 -2.51前進線性段線性時間 加速距離總時間 壓頭位置 壓頭速度壓頭加速度 壓頭加速度(毫秒)(毫米) (毫秒) (毫米)(毫米/秒) (毫米/秒^2) (g)0.00 0.000 69.61 15.397-1712 -24599 -2.510.01 -0.017 69.62 15.379-1712 00.000.20 -0.342 69.81 15.054-1712 00.000.40 -0.685 70.01 14.712-1712 00.000.60 -1.027 70.21 14.369-1712 00.000.80 -1.370 70.41 14.027-1712 00.001.00 -1.712 70.61 13.684-1712 00.001.20 -2.055 70.81 13.342-1712 00.001.40 -2.397 71.01 12.999-1712 00.001.60 -2.740 71.21 12.657-1712 00.001.80 -3.082 71.41 12.314-1712 00.002.00 -3.425 71.61 11.972-1712 00.00前進過渡段過渡時間 過渡距離總時間 壓頭位置 壓頭速度壓頭加速度 壓頭加速度(毫秒)(毫米) (毫秒) (毫米)(毫米/秒) (毫米/秒^2) (g)0.00 0.000 71.61 11.972-1712 00.000.31 -0.531 71.92 11.441-1688 155331.580.62 -1.060 72.23 10.912-1664 310673.170.93 -1.586 72.54 10.386-1640 466004.751.24 -2.107 72.85 9.864 -1616 621336.331.55 -2.623 73.16 9.349 -1592 776677.911.86 -3.131 73.47 8.840 -1568 932009.502.17 -3.631 73.78 8.341 -1544 108734 11.082.48 -4.119 74.09 7.852 -1520 124267 12.66
2.79 -4.59674.407.375 -1496 139800 14.243.10 -5.06074.716.912 -1472 155334 15.83嚙合段嚙合時間 嚙合距離 總時間 壓頭位置 壓頭速度 壓頭加速度 壓頭加速度(毫秒)(毫米)(毫秒) (毫米)(毫米/秒) (毫米/秒^2) (g)0 0.000 74.716.912 -1472 155334 15.830.92 -1.28675.635.626 -1328 156706 15.971.84 -2.44176.554.471 -1184 157937 16.092.76 -3.46177.473.451 -1038 159027 16.203.68 -4.34878.392.564 -892 159973 16.304.59 -5.09979.311.813 -744 160774 16.385.51 -5.71580.231.197 -596 161431 16.456.43 -6.19581.140.717 -448 161943 16.507.35 -6.53882.060.374 -299 162309 16.548.27 -6.74382.980.169 -149 162528 16.569.19 -6.81283.900.100 0 162602 16.57脫離段嚙合時間 嚙合距離 總時間 壓頭位置 壓頭速度 壓頭加速度 壓頭加速度(毫秒)(毫米)(毫秒) (毫米)(毫米/秒) (毫米/秒^2) (g)0.00 0.000 83.900.100 0 162602 16.570.92 0.069 84.820.169 149162528 16.561.84 0.274 85.740.374 299162309 16.542.76 0.617 86.660.717 448161943 16.503.68 1.097 87.581.197 596161431 16.454.59 1.713 88.491.813 744160774 16.385.51 2.464 89.412.564 892159973 16.306.43 3.351 90.333.451 1038 159027 16.207.35 4.371 91.254.471 1184 157937 16.098.27 5.526 92.175.626 1328 156706 15.979.19 6.812 93.096.912 1472 155334 15.83
回退過渡段過渡時間 過渡距離 總時間 壓頭位置 壓頭速度 壓頭加速度 壓頭加速度(毫秒)(毫米) (毫秒) (毫米)(毫米/秒) (毫米/秒^2) (g)0.00 0.000 93.09 6.912 1472 155334 15.830.31 0.463 93.40 7.375 1496 139800 14.240.62 0.940 93.71 7.852 1520 124267 12.660.93 1.429 94.02 8.341 1544 108734 11.081.24 1.928 94.33 8.840 1568 932009.501.55 2.437 94.64 9.349 1592 776677.911.86 2.952 94.95 9.864 1616 621336.332.17 3.474 95.26 10.3861640 466004.752.48 4.000 95.57 10.9121664 310673.172.79 4.529 95.88 11.4411688 155331.583.10 5.060 96.19 11.9721712 00.00回退線性段線性時間 加速距離 總時間 壓頭位置 壓頭速度 壓頭加速度 壓頭加速度(毫秒)(毫米) (毫秒) (毫米)(毫米/秒) (毫米/秒^2) (g)0.00 0.000 96.19 11.9721712 00.000.20 0.342 96.39 12.3141712 00.000.40 0.685 96.59 12.6571712 00.000.60 1.027 96.79 12.9991712 00.000.80 1.370 96.99 13.3421712 00.001.00 1.712 97.19 13.6841712 00.001.20 2.055 97.39 14.0271712 00.001.40 2.397 97.59 14.3691712 00.001.60 2.740 97.79 14.7121712 00.001.80 3.082 97.99 15.0541712 00.002.00 3.425 98.19 15.3971712 00.00回退加速段加速時間 加速距離 總時間壓頭位置 壓頭速度 壓頭加速度 壓頭加速度(毫秒)(毫米)(毫秒)(毫米)(毫米/秒) (毫米/秒^2) (g)0.00 0.000 98.19 15.397 1712 00.000.10 0.171 98.29 15.568 1710 -24599 -2.516.961 1.325 105.1526.721 1541 -24599 -2.5113.92 21.457112.1136.854 1370 -24599 -2.5120.88 30.398119.0745.794 1199 -24599 -2.5127.85 38.146126.0353.543 1027 -24599 -2.5134.81 44.703133.0060.099 856 -24599 -2.5141.77 50.067139.9665.463 685 -24599 -2.5148.73 54.239146.9269.636 514 -24599 -2.5155.69 57.219153.8872.616 342 -24599 -2.5162.65 59.007160.8474.404 171 -24599 -2.5169.61 59.603167.8075.000 0-24599 -2.51在發(fā)明詳述中引用的所有文獻的相關(guān)部分均引入本文以供參考；任何文獻的引用并不可理解為是對其作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)的認(rèn)可。
盡管說明和描述了本發(fā)明的具體實施方案，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的精神和保護范圍的情況下可作出許多其它的變化和修改。因此有意識地在附加的權(quán)利要求書中包括本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種模擬壓力機，所述壓力機包括固定機身；與所述機身相連，相對于所述機身運動的滑架；連接到所述固定機身上并適于嚙合包括至少一層的工件的第一平板；連接到所述滑架上與所述滑架一起運動的第二平板，所述第二平板也適于嚙合所述工件；連接到所述固定機身和所述滑架上的至少一個馬達裝置，其用于實現(xiàn)所述滑架相對于所述機身的運動；連接到所述至少一個馬達裝置上的驅(qū)動控制器，其用于響應(yīng)來自至少一個反饋傳感器的反饋來控制所述至少一個馬達裝置的運行，以使所述第二平板相對于所述第一平板運動，使得所述第一和第二平板嚙合所述工件上的至少一個點位以模擬在輥式加工中工件上點位的壓縮載荷。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬壓力機，其中所述至少一個馬達裝置包括至少一個伺服線性馬達。
3.如權(quán)利要求2所述的模擬壓力機，其中所述至少一個馬達裝置還包括連接到所述驅(qū)動控制器和所述至少一個伺服線性馬達上的至少一個放大器。
4.如權(quán)利要求1所述的模擬壓力機，其中所述滑架相對于所述固定機身往復(fù)直線運動。
5.如權(quán)利要求1所述的模擬壓力機，其中所述第一平板通過聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)連接到所述固定機身上，所述聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)包括用于檢測在由所述第一和第二平板嚙合所述工件期間產(chǎn)生的力的至少一個力傳感器，所述控制器響應(yīng)被所述至少一個力傳感器檢測到的力來增大由所述至少一個馬達裝置產(chǎn)生的力，所述至少一個力傳感器包括所述至少一個反饋傳感器。
6.如權(quán)利要求5所述的模擬壓力機，其中所述至少一個力傳感器包括至少一個測力傳感器。
7.如權(quán)利要求6所述的模擬壓力機，其中所述至少一個反饋傳感器還包括連接到所述固定機身上的線性編碼器讀出頭和連接到所述滑架上的傳感器帶，所述讀出頭從所述傳感器帶讀出位置值并產(chǎn)生相應(yīng)的信號給所述控制器。
8.如權(quán)利要求7所述的模擬壓力機，其中預(yù)定的離散時間間隔和對應(yīng)的滑架位置被提供給所述控制器，并且所述控制器控制所述至少一個馬達裝置的運行，以根據(jù)提供給所述控制器的所述滑架位置以及響應(yīng)由所述讀出頭和所述至少一個測力傳感器產(chǎn)生的所述信號來控制所述滑架的運動。
9.如權(quán)利要求8所述的模擬壓力機，其中所述滑架位置的至少一部分用以下公式來確定P(t)=G+Di·[1-cos[acos(1-EMDi)·(tT-1)]]]]>其中EM等于點位被所述第二平板上的隆凸和所述第一平板的外表面所壓縮的量；G等于所述壓縮材料的厚度；Di等于第一和第二輥的直徑；t等于加工時間并且值的范圍為0至(T1+T2)；和T＝T1＝T2等于所述工件點位被所述第二平板上的隆凸和所述第一平板的外表面嚙合的總時間的一半。
10.如權(quán)利要求6所述的模擬壓力機，其中所述固定機身包括外支承構(gòu)件；一對L型限制構(gòu)件，所述L型限制構(gòu)件與所述外支承構(gòu)件相連；彈簧加載板；和與所述外支承構(gòu)件和所述彈簧構(gòu)件相連的至少一個調(diào)節(jié)構(gòu)件，其用于調(diào)節(jié)所述彈簧加載板的位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種壓力機，其包括一個固定機身、一個與機身相連相對于機身運動的滑架、一個連接到固定機身上并適于嚙合一個工件的第一平板和一個連接到滑架上與滑架一起運動的第二平板。第二平板也適合于嚙合該工件。一個或多個馬達裝置連接到固定機身和滑架上，用于實現(xiàn)滑架相對于機身的運動。一個驅(qū)動控制器被連接到馬達裝置上，用于響應(yīng)來自一個或多個反饋傳感器的反饋控制馬達裝置的運行，以使第二平板相對于第一平板移動，使得第一和第二平板嚙合工件上至少一個點位來模擬在輥式加工中工件上點位的壓縮載荷。
文檔編號B30B15/06GK1714319SQ200380103990
公開日2005年12月28日 申請日期2003年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月27日
發(fā)明者巴里·J·安德森, 邁克爾·J·蘭平, 尤金·P·道特 申請人:寶潔公司