CN100507503C - 一种单轴双向对称拉伸实验机 - Google Patents

Abstract

一种单轴双向对称拉伸实验机，属于实验力学装置技术领域。包括步进电机11，步进电机控制器12，力传感器7，蜗轮3，蜗杆2，滚珠丝杠5，左螺母9，右螺母6，直线导轨13，轴承4，机座1，联轴器15，试件夹持装置14；步进电机11通过联轴器15与蜗杆3相连；蜗杆3与蜗轮2配合，直线导轨13和轴承4座落在机座1上面；力传感器7固定在滚珠丝杠5的右螺母6上，并伸出试件夹持装置14的一端，试件夹持装置14的另一端固连在丝杠左螺母9上。本发明采用机械传动，提高了传动精度；并采用步进电机加载；变形测量可采用步进电机步数计算或采用非接触的光学位移测量系统，使用方便，适用范围广，结构紧凑，灵敏度高，测量结果可靠。

Description

一种单轴双向对称拉伸实验机

技术领域

本发明涉及一种单轴双向对称拉伸实验机，是一种对宏观尺度的薄膜、细丝、薄板等材料的静动态力学性能测试的单轴双向对称拉伸实验测量装置，属于实验力学装置技术领域。

背景技术

对材料力学性质的研究，一直是材料力学关注的研究领域。对材料力学性能的检测技术多种多样，目前常用的主要包括单轴拉伸法、三点弯曲法和双轴拉伸法等。其中单轴拉伸是测量弹性模量、泊松比、屈服强度和断裂强度等最直接的方法。而且单轴拉伸的拉伸试验过程简单，可测定的性能指标多，测试结果通用性好。近几十年来，随着实验方法的发展，设计开发适用于新的工作环境下的单轴拉伸加载装置，从而得到材料的宏/细观力学性能，成为材料力学中必不可少的一项工作。

为解决材料的力学性能测试问题，研究人员发明了各种拉伸装置。如施晖发明的泡沫拉伸强度测定仪[公告号CN02258435.8]中采用机械式单轴单向拉伸实验装置，华南工学院茹长渠；李冈陵发明的机械式双向拉伸实验仪[公告号CN87205653]中采用机械式双轴双向拉伸装置；天津纺织工学院施鸿才、麦继平等发明的双轴向电子拉伸实验机[公告号CN87205653]。

上述专利和文献所报道的微拉伸装置存在的问题和缺陷主要有：一是双轴拉伸系统，不能实现单轴拉伸实验的优势；二是单轴单向拉伸系统，实验加载时试件中心点会随加载运动，不利于观察试件的微区变形，三是加载试件尺寸较大，不适合薄膜、细丝类试件的加载要求；四是试件的加载速度较大，不适合变形量较小试样的变形测量；五是试样变形是通过测量夹具位移间接获得的，而且无法得到试件的微区信息；六是采用直流电机驱动，中途无法停止，不能通过编程实现加载方式的多样性。

发明内容

本发明的目的是提供一种单轴双向对称拉伸实验机，可实现对宏观尺度的薄膜、细丝、薄板等材料的静动态力学性能的测量。该装置可根据不同研究对象和目的实现不同的加载方式及测量模式，具有适用范围广，灵敏度高，测量结果可靠等优点。

本发明的技术方案如下：一种单轴双向对称拉伸实验机，包括步进电机11，步进电机控制器12，力传感器7，蜗轮3，蜗杆2，滚珠丝杠5，左螺母9，右螺母6，直线导轨13，轴承4，机座1，联轴器15，试件夹持装置14；

步进电机控制器12控制步进电机11；步进电机11通过联轴器15与蜗杆2相连，蜗杆2与配合的蜗轮3实现运动的传递和转向；套在滚珠丝杠5的左螺母9和右螺母6坐落在直线导轨13上，滚珠丝杠5通过左右两端的轴承4支撑，直线导轨13和轴承4座落在机座1上面；力传感器7固定在滚珠丝杠5的右螺母6上，并伸出试件夹持装置14的一端，试件夹持装置14的另一端固连在丝杠左螺母9上。

本发明还可以有一个由CCD 10和与CCD相连数据处理系统组成的非接触光学测量系统。

本发明采用一对反向的滚珠丝杠带动夹具向两端拉伸，保证试件两端同步拉伸，中心点在实验过程中保持位置不变；采用步进电机驱动，步进电机的步数细化，通过传动系统，可以实现试件小量程的位移加载；而且步进电机可以通过编程控制运动方式，可以实现试件运动的多样性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①采用一对反向的滚珠丝杠带动夹具向两端拉伸，可以保证试件两端同步拉伸，中心点在实验过程中保持位置不变，而且本发明采用蜗轮蜗杆及滚珠丝杠传动，提高了传动精度，减少了传动误差。②采用步进电机驱动，步进电机的步数细化，通过传动系统，可以实现试件小量程的位移加载，试件加载速度为0.5μm/步。③拉伸过程中可采用步进电机运转步数计算得到夹持部分的位移获得试样变形，也可采用非接触光学测量系统记录试样中间一段的变形过程，然后用数字图像相关方法直接测量试样的表面变形。系统使用方便，适用范围广，结构紧凑，灵敏度高，测量结果可靠。

附图说明

图1为本发明的结构主视图。其中，1—机座；2—蜗杆；3—蜗轮；4—轴承；5—滚珠丝杠；6—右螺母；7-力传感器；8-试件；9-左螺母；10—CCD；11-步进电机；12-步进电机控制器；13—直线导轨；14—试件夹持装置。

图2为本发明的结构俯视图。其中，11—步进电机；12-步进电机控制器；15—联轴器。

图3为数据处理系统中数字图像相关方法的流程图。

图4是加载卸载载荷位移曲线图。

图5是应力应变曲线图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体结构和实施方式作进一步的详细说明。

实施例1：

系统中各元件的参数为：试件最大加载载荷150N，最大运动位移10mm，力传感器的载荷量程为200N，分辨率为参数1N。

本发明的结构示意图主视图如图1所示，整个装置包括步进电机11，步进电机控制器12，力传感器7，蜗轮3，蜗杆2，滚珠丝杠5，左螺母9，右螺母6，直线导轨13，轴承4，机座1，联轴器15，试件夹持装置14。

图2为本发明的结构俯视图。其中，11—步进电机；12-步进电机控制器；15—联轴器。

上述各部件的连接关系为：步进电机控制器12控制步进电机11；步进电机11通过联轴器15与蜗杆2相连，蜗杆与配合的蜗轮3实现运动的传递和转向；套在滚珠丝杠5的左螺母9、右螺母6坐落在直线导轨13上，丝杠通过左右两端的轴承4支撑，直线导轨和轴承座落在机座1上面。力传感器7固定在丝杠右螺母6上，并伸出试件夹持装置14的一端，试件夹持装置的另一端固连在丝杠左螺母9上。

本装置的加载与测量过程如下：

载荷加载：步进电机输出的扭矩传递到蜗杆上，通过蜗轮蜗杆系统，实现扭矩的转向和转速降低。最后通过座在直线导轨上的双螺母丝杠，将转动变为直线运动。试件一端与固定在丝杠螺母上的力传感器相连，另一端固定在双螺母丝杠的另一端螺母上，试验加载时，试件两端向相反方向对称运动，试件中心点位置不动。

变形测量：试件加载速度为0.5μm/步，步进电机运转步数乘以加载速度可计算得到试样夹持两端的位移量，即可获得试样的拉伸变形。

力测量：通过力传感器测量，可由力传感器的显示结果读出。

实验结果：采用本发明装置测量铝合金试件FL2M的载荷位移曲线，实验结果如图4所示。图4是加载卸载载荷位移曲线图，图中系列1为加载时试件的载荷位移曲线图，系列2为卸载时试件的载荷位移曲线图。由图可知，除曲线前端和末端因传动方向变化，传动系统间隙调整外，其余阶段曲线吻合较好，说明该装置传动准确，精度较高。

实施例2：

系统中各元件的参数为：试件最大加载载荷150N，最大运动位移10mm，力传感器的载荷量程为200N，分辨率为参数1N。非接触光学测量系统的成像部分由成像镜头和CCD组成，可根据试样的大小选择合适的放大倍数，对试样的中间部分准确成像并存入与CCD相接的数据处理系统中用数字图像相关程序来计算试样的变形信息。

本发明的结构如图1所示，整个装置包括步进电机11，步进电机控制器12，力传感器7，蜗轮3，蜗杆2，滚珠丝杠5，左螺母9，右螺母6，直线导轨13，轴承4，机座1，联轴器15，试件夹持装置14。非接触光学测量部分由CCD10和与CCD相连数据处理系统组成。

上述各部件的连接关系为：步进电机控制器12控制步进电机11；步进电机11通过联轴器15与蜗杆2相连，蜗杆与配合的蜗轮3实现运动的传递和转向；套在滚珠丝杠5的左螺母9、右螺母6坐落在直线导轨13上，丝杠通过左右两端的轴承4支撑，直线导轨和轴承座落在机座1上面。力传感器7固定在丝杠右螺母6上，并伸出试件夹持装置14的一端，试件夹持装置的另一端固连在丝杠左螺母9上。

本装置的加载与测量过程如下：

载荷加载：步进电机输出的扭矩传递到蜗杆上，通过蜗轮蜗杆系统，实现扭矩的转向和转速降低。最后通过座在直线导轨上的双螺母丝杠，将转动变为直线运动。试件一端与固定在丝杠螺母上的力传感器相连，另一端固定在双螺母丝杠的另一端螺母上，试验加载时，试件两端向相反方向对称运动，试件中心点位置不动。

力测量：通过力传感器测量，可由力传感器的显示结果读出。

变形测量：采用非接触光学测量系统用数字图像相关方法直接测量试样中间一段表面的变形，非接触光学测量系统的放大倍数可为4X至1000X。图3为数据处理系统中数字图像相关方法的流程图。

计算所用的相关公式如下所示：

$C(u,v)=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[f(x,y)g(x+u,y+v)\right]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}f{(x,y)}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}g{(x+u,y+v)}^2}}$

这里：f(x，y)、g(x+u，y+v)分别为变形前后数字图像中各像素点灰度，f_m，g_m为其相关窗口的平均灰度值，u、v为相关窗口的整像素位移，相关窗口的大小为(2M+1)×(2M+1)。

实验结果：采用本发明装置测量铝合金试件的应力应变曲线，实验结果如图5所示。图5是应力应变曲线图。计算得到该材料的弹性模量约为10GPa。

Claims (2)

1、一种单轴双向对称拉伸实验机，其特征在于，该实验机包括步进电机(11)，步进电机控制器(12)，力传感器(7)，蜗轮(3)，蜗杆(2)，滚珠丝杠(5)，左螺母(9)，右螺母(6)，直线导轨(13)，轴承(4)，机座(1)，联轴器(15)，试件夹持装置(14)；

步进电机控制器(12)控制步进电机(11)；步进电机(11)通过联轴器(15)与蜗杆(2)相连；蜗杆(2)与蜗轮(3)配合，实现运动的传递和转向；套在滚珠丝杠(5)的左螺母(9)和右螺母(6)坐落在直线导轨(13)上，滚珠丝杠(5)通过左右两端的轴承(4)支撑，直线导轨(13)和轴承(4)座落在机座(1)上面；力传感器(7)固定在滚珠丝杠(5)的右螺母(6)上，并伸出试件夹持装置(14)的一端，试件夹持装置(14)的另一端固连在丝杠左螺母(9)上。

2、根据权利要求1所述的一种单轴双向对称拉伸实验机，其特征在于，所述的实验机还包括一个由CCD(10)和与CCD(10)相连的数据处理系统组成的非接触光学测量系统。

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