CN102353591A - 跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，结构包括由直流伺服电机、直流伺服电机支座组成的驱动单元；由联轴器、高速蜗轮蜗杆机构、低速蜗轮蜗杆机构、滚珠丝杠机构等组成的动力传递及转换单元；由直线轴承、直线导轨组成的导向机构；由力传感器、直流伺服电机、编码器组成的信号检测单元；由静止夹具支撑、移动夹具支撑等组成的测试执行机构。本发明与电镜等显微成像仪器配套使用，可以对宏观的标准及非标准试件进行跨尺度原位拉伸载荷测试，对被测试件断裂过程中的裂纹产生、扩展和断裂进行原位观测，为更进一步的研究材料的力学性能和裂纹产生断裂机理提供了科学、有效的测试装置。

Description

跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置

技术领域

    本发明涉及一种跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，与显微成像仪器（如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM、扫描探针显微镜SPM等）配套使用，对被测试件进行原位微纳米拉伸力学性能测试。

背景技术

随着纳米技术的发展，微纳米材料被广泛的应用于航空航天、汽车工业、半导体、生物医学、MEMS、高分子、太阳能/燃料电池化工、石油、岩石、微电子、微型传感器、半导体材料、自动控制、航空航天、汽车工业及机械工具中。材料的微观力学性能与宏观的经典力学性能存在很大的差异。材料的微纳米力学测试的诸多性能参数中，弹性模量、硬度、断裂极限、切变模量等参数是最主要的测试对象，针对上述的材料性能参数有多种测试方法，如拉伸/压缩法，剪切法、扭转法、弯曲法、纳米压痕法和鼓膜法等，其中原位拉伸/压缩测试方法能更加全面的体现材料的力学性能，可以通过实时的应力一应变曲线比较直观的分析出材料的断裂极限、弹性模量等力学性能。

进入新世纪以来，纳米材料的研究取得了巨大的进步，纳米材料也得到了广泛的应用。但对纳米材料基础力学的研究还处在比较落后的状态。由于测试装置的制约，至今尚未形成比较公认的结论。对纳米材料力学性能进行的测试分为原位测试和非原位测试。原位测试是指通过显微成像仪器（如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM、扫描探针显微镜SPM等）对被测试件在测试的过程中进行在线连续的观测、记录和分析。非原位测试又称移位或异位测试，是指对被测试件在测试前或测试后在显微成像仪器进行观测，分析材料的力学性能。由于测试装置和显微成像仪器腔体体积的制约，目前进行的纳米材料力学性能测试绝大多数为非原位的测试。非原位测试材料力学性能的测量和微观形貌的观测是两个相互独立的过程。研究表明如果将两个过程进行有机的融合，不仅可以对被测试件的结构进行优化，还能够对材料的断裂失效机理进行深入的研究。因此，设计一种能够与显微成像仪器配套使用的力学性能测试系统成为了目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，解决被测试件不能在显微成像仪器的腔体中进行原位测试的问题。进而提供一种跨尺度微纳米级原位拉伸载荷力学性能测试系统。本发明与电镜等显微成像仪器配套使用，可对宏观的标准及非标准试件进行跨尺度原位拉伸载荷测试，对被测试件在断裂过程中的裂纹产生、扩展和断裂进行原位观测，为更进一步的研究测试材料的力学性能和裂纹产生断裂机理提供了科学、有效的测试方法。本发明跨尺度微纳米级原位拉伸载荷力学性能测试系统为测试材料的微观力学性能提供了行之有效的途径，还可以应用于工业产品的失效与可靠性评价、质量控制及检验。具有较高的科研价值和良好的市场应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，包括驱动单元、动力传递及转换单元、导向机构、信号检测单元、测试执行机构、基座，所述驱动单元包括直流伺服电机43及直流伺服电机支座45，该直流伺服电机43通过螺栓固定在直流伺服电机支座45上，直流伺服电机支座45固定在基座20；通过对直流伺服电机43输出的动力转速进行控制，可以实现对加载速率的控制。通过对直流伺服电机43的输出动力转向进行控制，可以实现测试的加载和卸载。其中驱动单元和测试执行机构分别在基座20的两侧, 使得电镜的有限腔体空间得到最大限度的利用。

所述动力传递及转换单元包括波纹管联轴器46、高速蜗轮、蜗杆30、40、低速蜗轮、蜗杆32、31、滚珠丝杠机构15、静止载荷平衡梁25及移动载荷平衡梁21，该高速蜗杆40通过波纹管联轴器46与直流伺服电机43的输出轴连接，该高速蜗杆40通过高速蜗杆支座39固定在基座20上，高速蜗轮30安装在低速蜗杆31上，低速蜗杆31安装在低速蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ29、35上，低速蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ29、35固定在基座20上；低速蜗轮32安装在滚珠丝杠15上，滚珠丝杠15安装在滚珠丝杠固定端支座38和滚珠丝杠自由端支座14上，滚珠丝杠固定端支座38和滚珠丝杠自由端支座14固定在基座20上；移动载荷平衡梁21两端的安装孔通过过盈配合装有直线轴承Ⅱ、Ⅲ7、23，静止载荷平衡梁25两端的安装孔通过过盈配合装有直线轴承Ⅰ、Ⅳ5、24，静止载荷平衡梁25的一侧与力传感器34通过圆柱销连接；波纹管联轴器46的本身的特性可以允许直流伺服电机43输出轴与高速蜗杆40有一定的不同轴度，波纹管联轴器46将直流伺服电机43输出的动力传递给高速蜗杆40，高速蜗杆40将动力传递给高速蜗轮30并实现一级减速增矩，高速蜗轮30将动力传递给低速蜗杆31，低速蜗杆31将动力传递给低速蜗轮32并实现二级减速增矩，低速蜗轮32将动力传递给滚珠丝杠15，滚珠丝杠15与滚珠丝杠螺母配合将旋转运动转化为直线运动。静止载荷平衡梁25、移动载荷平衡梁21起到载荷传递和载荷修正的作用，能够保证试件6和力传感器34承受的载荷为纯拉力的作用，使得测试的精密度和准确度得到提高。

所述导向机构包括直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24、直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17及直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36，直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24分别与直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17配合，直线导轨12、17Ⅰ、Ⅱ分别安装在直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36上，直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36固定在基座20上；

所述信号检测单元包括力传感器34及直流伺服电机编码器42，力传感器34固定在滚珠丝杠固定端支座38上，力传感器34的另一侧与静止载荷平衡梁25相连接，直流伺服电机编码器42与直流伺服电机43相连接；

所述测试执行机构包括静止夹具支撑1、移动夹具支撑11、夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26、静止夹具2、移动夹具10、夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ4、8，该静止夹具支撑1、移动夹具支撑11分别安装在静止载荷平衡梁25、移动载荷平衡梁21上, 静止夹具2、移动夹具10分别通过夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26安装在静止夹具支撑1、移动夹具支撑11上，夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ4、8分别安装在静止夹具2和移动夹具10。

所述的静止载荷平衡梁25、移动载荷平衡梁21分别装有直线轴承Ⅰ、Ⅳ5、24和直线轴承Ⅱ、Ⅲ7、23，直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24的内圆与直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17相配合，这样静止载荷平衡梁25和移动载荷平衡梁21通过直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24安装在直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17上，使得拉伸过程中的无效摩擦力极小，测试精度提高。

所述的夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26与静止夹具2、移动夹具10、静止夹具支撑1和移动夹具支撑11上的孔的配合均为过盈配合，使得连接更加紧密、可靠。静止夹具2和移动夹具10可以绕夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26的轴线进行周向的转动，可以保证试件6的加载为轴向拉伸，不会产生衍生载荷。

所述的静止夹具2、移动夹具10上分别设有与被测试件6相配合的凹槽。当夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ4、8沿轴线向被测试件6移动时， 静止夹具2、移动夹具10凹槽的上下表面会对被测试件6产生巨大的压力，在加载的过程中由于巨大压力的存在会产生相应的最大静摩擦力，被测试件6通过静摩擦力的作用被牢靠的固定在静止夹具2、移动夹具10上。

所述的力传感器34的形状与测试装置空间相适应，其为柔性铰链结构。当受到载荷的作用时，力传感器34会产生轻微的变形，这时力传感器34上的应变片的电阻会发生变化，应变片电阻的变化会引起电压信号的变化，通过对电压信号的检测可以相应的得到力传感器34所承受的载荷。

所述的直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17分别安装在直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36的安装孔内，通过拧紧内六角螺栓18将直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17夹紧在直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36的安装孔内，可以达到直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17安装、拆卸方便，提高定位精度的目的。

力传感器34安装在滚珠丝杠固定端支座38上，力传感器34将载荷传递给滚珠丝杠固定端支座38，滚珠丝杠固定端支座37还会受到滚珠丝杠15载荷的作用，两个载荷的大小相等方向相反，二者可以相互抵消。滚珠丝杠固定端支座38相当于受到一个纯力矩的作用，大小与上述两个载荷形成的力矩相等。测试所产生的载荷不对基座20产生力的作用，机械结构的整体变形减小，有利于测试精度的提高。

试件6加载平面与提供加载动力的滚珠丝杠机构15所在的平面不是同一平面。因此，加载过程中就会产生衍生力矩，而衍生力矩的产生对试件6的拉伸测试是非常不利的。通过直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24内圆与直线导轨Ⅰ、Ⅱ12，17作用可以产生与衍生力矩大小相等方向相反的平衡力矩，与拉伸过程中产生的衍生力矩相互抵消。使得试件6在加载过程中只受到纯拉力的作用。

本发明的有益效果在于：提供了一种全新的材料原位力学性能测试装置，具有性能可靠，测试精度高、安装、拆卸方便，结构简单的特点，拓展了电镜等显微成像仪器的功能。本发明可以很方便的与电镜等显微成像仪器配套使用，可以对宏观的标准及非标准试件进行跨尺度原位拉伸载荷测试，对被测试件在断裂过程中的裂纹产生、扩展和断裂进行原位观测，为更进一步的研究测试材料的力学性能和裂纹产生断裂机理提供了科学、有效的测试方法。本发明还可以应用于工业产品的失效与可靠性评价、质量控制及检验，根据检测结果可以对产品的结构和加工工艺进行优化。本发明可以被广泛的应用于航空航天、汽车工业、半导体、生物医学、MEMS、高分子、石油、岩石、微电子、微型传感器、半导体材料、自动控制、航空航天、汽车工业及机械工具中，具有较高的科研价值和良好的商业化前景。

附图说明

图1为本发明的整体外观示意图；

图2为本发明的左视示意图；

图3为本发明的主视示意图；

图4为本发明的仰视示意图；

图5为本发明的俯视示意图。

图中：1、静止夹具支撑；  2、静止夹具；      3、内六角螺栓；    4、夹具紧固螺母Ⅰ；

5、直线轴承Ⅰ；       6、试件；           7、直线轴承Ⅱ；      8、夹具紧固螺母Ⅱ；

9、内六角螺栓；      10、移动夹具；         11、移动夹具支撑；    12、直线导轨Ⅰ； 

13、直线导轨支座Ⅰ； 14、滚珠丝杠支撑端支座；15、滚珠丝杠；   16、直线导轨支座Ⅱ；

17、直线导轨Ⅱ；     18、直线导轨夹紧螺栓；19、直线导轨支座固定螺栓；20、基座；

21、移动载荷平衡梁； 22、圆柱销Ⅰ；      23、直线轴承Ⅲ；      24、直线轴承Ⅳ； 

25、静止载荷平衡梁； 26、圆柱销Ⅱ；     27、直线导轨支座Ⅲ；  28、低速蜗杆轴承Ⅰ；

29、低速蜗杆轴承座Ⅰ；30、高速蜗轮；      31、低速蜗杆；       32、低速蜗轮； 

33、低速蜗轮紧固螺母；34、力传感器；    35、低速蜗杆轴承座Ⅱ；36、直线导轨支座Ⅳ；

37、低速蜗杆轴承座紧固螺栓； 38、滚珠丝杠固定端支座； 39、高速蜗杆支座； 

40、高速蜗杆；              41、高速蜗轮紧固螺母；   42、直流伺服电机编码器；

43、直流伺服电机；           44、电机支座紧固螺栓；   45、直流伺服电机支座；

46、波纹管联轴器；           47、低速蜗杆轴承Ⅱ。

具体实施方式：

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5，本发明的跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，包括驱动单元、动力传递及转换单元、导向机构、信号检测单元、测试执行机构及基座。所说的驱动单元由直流伺服电机43、直流伺服电机支座45组成，直流伺服电机43通过螺纹连接固定在直流伺服电机支座45上，直流伺服电机支座45通过内六角螺栓44固定在基座20上，直流伺服电机支座45可以进行小范围的位置调整，以来保证直流伺服电机43输出轴的轴线与高速蜗杆40轴线重合。通过对直流伺服电机43输出轴的旋转方向进行控制可以实现测试的加载和卸载，通过对直流伺服电机43转速的控制，可以实现对加载或卸载的速率的控制。

所说的动力传递及转换单元由波纹管联轴器46、高速蜗轮、蜗杆30、40、低速涡轮、蜗杆31、32、滚珠丝杠机构15、静止载荷平衡梁25、移动载荷平衡梁组成21，波纹管联轴器46将直流伺服电机43输出的动力传递给高速蜗杆40，由于波纹管联轴器46有一定的柔性，即使直流伺服电机43输出轴的轴线与高速蜗杆40轴线不能精确地重合，也能够实现动力的精确高效传递。高速蜗杆40将动力传递给高速蜗轮30并实现一级减速增矩，高速蜗轮30将动力传递给低速蜗杆31，低速蜗杆31将动力传递给低速蜗轮32并实现二级减速增矩，通过两级蜗轮蜗杆机构的减速增矩，可使原位拉伸力学性能测试系统提供的测试载荷变大、测试位移精度提高。蜗轮蜗杆机构具有自锁的特性，因此，在拉伸测试的过程中测试系统的动力传递能够实现反向的自锁，测试系统能够实现间歇加载、连续加载等多种加载模式。低速蜗轮32将动力传递给滚珠丝杠15，滚珠丝杠15与滚珠丝杠螺母配合将旋转运动转化为直线运动。静止载荷平衡梁25通过内六角螺栓3与静止夹具支撑1连接，通过圆柱销与力传感器34连接，移动载荷平衡梁21通过内六角螺栓9与移动夹具支撑11连接，滚珠丝杠螺母镶嵌移动载荷平衡梁21的安装孔内，并通过内六角螺母进行固定，静止载荷平衡梁25和移动载荷平衡梁21起到载荷传递的作用。同时，静止载荷平衡梁25和移动载荷平衡梁21受到的外力不在同一平面上，会在测试过程中产生衍生力矩，使静止载荷平衡梁25和移动载荷平衡梁21产生偏斜的趋势，这时静止载荷平衡梁25和移动载荷平衡梁21通过直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24作用于直线圆柱导轨Ⅰ、Ⅱ12、17，产生反向的力矩与衍生力矩相互抵消，因此，静止载荷平衡梁25和移动载荷平衡梁21能够起到纠偏、导向的作用。同时还可以使得滚珠丝杠15机构不受到衍生载荷的干扰，滚珠丝杠15机构的运动更加的流畅，整体机构的机械效率提高。

所说的导向机构由直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24、直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17、直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36组成。直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24的与直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17配合，能够以极小的阻力在直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17上滑动，能够防止在拉伸过程中产生爬行的现象，测试的载荷、位移精度都能够得到提高。

所说的信号检测单元由力传感器34、直流伺服电机编码器41组成，其中，力传感器34用来检测由使静止载荷平衡梁25传递来的载荷,测试的载荷为纯拉力,大小与被测试件6受到的载荷相等。直流伺服电机编码器42通过检测直流伺服电机43的角位移，根据蜗轮蜗杆30、40、31、32的减速比、滚珠丝杠15的导程可以检测出拉伸测试的直线位移。

所说的测试执行机构由静止夹具支撑1、移动夹具支撑11、夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26、静止夹具2、移动夹具10、夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ4、8组成，静止夹具2、移动夹具10通过夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26连接在静止夹具支撑1和移动夹具支撑11上，夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26与静止夹具2、移动夹具10、静止夹具支撑1和移动夹具支撑11上的孔的配合均为过盈配合，这样可以使无效的位移减至最小，测试的位移精度提高；静止夹具2和移动夹具10可以绕夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26的轴线进行周向的转动，可以保证试件6的加载不会产生衍生载荷，进行的测试为轴向的拉伸。静止夹具支撑1、移动夹具支撑11分别通过内六角螺栓9安装在静止载荷平衡梁25、移动载荷平衡梁21上。

所述的静止载荷平衡梁25、移动载荷平衡梁21分别安装有直线轴承Ⅰ、Ⅳ5、24和直线轴承Ⅱ、Ⅲ7、23，直线轴承Ⅰ、Ⅳ5、24和直线轴承Ⅱ、Ⅲ7、23分别安装在直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17上，静止载荷平衡梁25和移动载荷平衡梁21通过直线轴承Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ5、24、7、23安装在直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17上，直线轴承Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ5、24、7、23的内孔中嵌有成排的钢珠，直线轴承Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ5、24、7、23与直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17之间为滚动摩擦，静止载荷平衡梁25和移动载荷平衡梁21沿直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17运动时的阻力极小，这样就可以使得检测到的载荷精度提高。

所述的力传感器34是根据有限的空间尺寸进行设计的，力传感器34能够与现有的空间尺寸相适应，其为柔性铰链结构。当受到载荷的作用时，力传感器34会产生轻微的变形，力传感器34上应变片的电阻会发生变化，应变片电阻的变化会引起电压信号的变化，通过对电压信号的检测可以相应的得到力传感器34所测试的载荷，由模拟量的电压信号得到测试的载荷值。

所述的力传感器34安装在滚珠丝杠固定端支座37上，力传感器34将载荷传递给滚珠丝杠固定端支座38，滚珠丝杠固定端支座38还会受到滚珠丝杠15传递来的载荷的作用，两个载荷的大小相等方向相反，二者可以相互抵消。滚珠丝杠固定端支座38相当于受到一个纯力矩的作用，大小与上述两个载荷形成的力矩相等。测试所产生的载荷不对基座20产生直接的作用，机械结构的整体变形减小，有利于测试精度的提高。

一种跨尺度微纳米级精度的原位拉伸力学性能测试装置，该装置由驱动单元、动力传递及转换单元、信号检测单元、测试执行机构、基座组成。所说的驱动单元由直流伺服电机43、直流伺服电机支座45组成，直流伺服电机43通过螺栓固定在直流伺服电机支座45上，直流伺服电机支座45通过内六角螺栓44固定在基座20上。其中直流伺服电机43为外购件，由美国的Maxon公司生产，型号为EC-max22 283840。

所说的动力传递及转换单元由波纹管联轴器46、高速蜗轮、蜗杆30、40、低速蜗轮、蜗杆31、32、滚珠丝杠机构15、静止载荷平衡梁25、移动载荷平衡梁组成21。波纹管联轴器46将直流伺服电机43的输出轴与高速蜗杆40连接起来，实现动力传递。高速蜗杆40通过高速蜗杆支座39固定在基座20上，高速蜗杆40将动力传递给高速蜗轮30，同时起到动力传递和一级减速增矩的作用。高速蜗轮30通过平键和高速蜗轮紧固螺母41安装在低速蜗杆31上。低速蜗杆31通过低速蜗杆轴承Ⅰ、Ⅱ28、47安装在低速蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ29、35上，低速蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ29、35通过内六角螺栓37固定在基座20上。低速蜗杆31将动力传递给低速蜗轮32，实现动力的传递和二级减速增矩。低速蜗轮32通过平键和低速蜗轮紧固螺母33安装在滚珠丝杠15上，滚珠丝杠15安装在滚珠丝杠固定端支座38和滚珠丝杠自由端支座14上，滚珠丝杠固定端支座38和滚珠丝杠自由端支座14通过内六角螺栓固定在基座20上。滚珠丝杠螺母内圆与滚珠丝杠15相配合，滚珠丝杠螺母的外圆与移动载荷平衡梁21的安装孔配合，滚珠丝杠螺母法兰通过内六角螺栓固定在移动载荷平衡梁21上。移动载荷平衡梁21两端的安装孔通过过盈配合安装有直线轴承Ⅱ、Ⅲ7、23，静止载荷平衡梁25两端的安装孔通过过盈配合装有直线轴承Ⅰ、Ⅳ5、24，静止载荷平衡梁25的一侧与力传感器34通过圆柱销连接。高速蜗轮、蜗杆机构30、40、低速蜗轮、蜗杆机构31、32不仅实现动力的传递，还起到减速增矩的作用，使动力以低速、大载荷输出。其中高速蜗杆支座38、高速蜗轮、蜗杆30、40、低速蜗轮、蜗杆31、32、滚珠丝杠机构15、滚珠丝杠固定端支座38、滚珠丝杠自由端支座14、低速蜗杆轴承Ⅰ、Ⅱ28、47为外购件。高速蜗杆支座38由日本的SYK株式会社提供，型号为EK5。高速蜗轮、蜗杆30、40、低速蜗轮、蜗杆31、32由日本的KHK公司生产，高速蜗轮30和低速蜗轮32的型号为AG0.5-40R1，高速蜗杆40、低速蜗杆31的型号为KWG0.5-R1。滚珠丝杠机构15、滚珠丝杠固定端支座38和滚珠丝杠自由端支座14由台湾的TBI公司生产，滚珠丝杠15机构型号为SKF1002。滚珠丝杠固定端支座38型号为EK6，滚珠丝杠自由端支座14型号为EF6。低速蜗杆轴承Ⅰ、Ⅱ28、47由日本EO公司生产，型号分别为623ZZ和MR105ZZ。

所说的导向机构由直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24、直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17、直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36组成。直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24的与直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17配合，能够以极小的阻力在直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17上滑动，能够防止在拉伸过程中产生爬行的现象，测试的载荷、位移精度都能够得到提高。直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17安装在直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36上，通过内六角螺栓18来实现直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17的定位。直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ13、16、27、36上通过内六角螺栓19固定在基座20上。导向机构不仅能够起到导向的作用，还能够产生反作用力矩，与拉伸过程中产生的衍生力矩相抵消，使得被测试件6只受到纯拉力的作用，测试的精度得到提高。直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24、直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17由韩国三益（SAMICK）公司生产, 直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ5、7、23、24型号为LMH8UU, 直线导轨Ⅰ、Ⅱ12、17为外径为8mm的光轴。

所说的信号检测单元由力传感器34、直流伺服电机编码器42组成。力传感器34通过内六角螺栓固定在滚珠丝杠固定端支座38上，力传感器34的另一侧通过圆柱销与静止载荷平衡梁25相连接，对试件6所施加的载荷通过静止载荷平衡梁25传递给力传感器34，力传感器34产生模拟量电压信号，通过转换后对应相应的载荷值。直流伺服电机编码器42安装在直流伺服电机43上。直流伺服电机编码器42可以检测到直流伺服电机43的角位移，根据直流伺服电机43的角位移、高速蜗轮、蜗杆30、40、低速蜗轮、蜗杆31、32的减速比、滚珠丝杠15导程可以得到测试过程中试件6的变形量。

所说的测试执行机构由静止夹具支撑1、移动夹具支撑11、夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ22、26、静止夹具2、移动夹具10、夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ4、8组成。静止夹具支撑1通过内六角螺栓3安装在静止载荷平衡梁25上，移动夹具支撑11通过内六角螺栓9安装在移动载荷平衡梁21上，静止夹具2通过夹具圆柱销Ⅱ26连接在静止夹具支撑1上，移动夹具10通过夹具圆柱销Ⅰ22连接在移动夹具支撑11上，夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ4、8分别安装在静止夹具2和移动夹具10上，试件6的两端装夹在静止夹具2和移动夹具10上。静止夹具2、移动夹具10可以分别绕夹具圆柱销Ⅱ、Ⅰ26、22的轴线进行一定范围的周向转动，这样可以保证试件6在测试的过程中进行的是轴向的拉伸，测试的精度、准确度得到提高。夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ4、8与静止夹具2和移动夹具10上的螺纹配合，当夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ4、8拧紧时，静止夹具2和移动夹具10与试件6接触的平面会形成楔形效应，对试件6产生巨大的压力。由于压力的存在，进行测试时试件6与静止夹具2和移动夹具10产生静摩擦力，最大静摩擦力与压力和静摩擦因数成正比关系。

参见图1至图5说明本发明的工作原理：试件6被装夹在静止夹具2和移动夹具10上，启动直流伺服电机43，直流伺服电机43通过波纹管联轴器46驱动高速蜗杆40，高速蜗杆40带动高速蜗轮30转动，实现一级减速增矩，高速蜗轮30通过平键连接带动低速蜗杆31，低速蜗杆31驱动低速蜗轮32，并实现二级减速增矩，低速蜗轮32通过平键连接驱动滚珠丝杠15，通过滚珠丝杠螺母将滚珠丝杠15的旋转运动转化为移动载荷平衡梁21的直线运动，经过夹具支撑和夹具实现对被测试件6的拉伸，通过力传感器34可以得到载荷的大小，利用直流伺服电机编码器42可以得到直线位移。根据载荷和位移可以计算出材料的应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、破坏强度等力学性能参数。

Claims (6)

1.一种跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，其特征在于：包括驱动单元、动力传递及转换单元、导向机构、信号检测单元、测试执行机构、基座，所述驱动单元包括直流伺服电机（43）及直流伺服电机支座（45），该直流伺服电机（43）通过螺栓固定在直流伺服电机支座（45）上，直流伺服电机支座（45）固定在基座（20）上；

所述动力传递及转换单元包括波纹管联轴器（46）、高速蜗轮、蜗杆（30、40）、低速蜗轮、蜗杆（32、31）、滚珠丝杠机构（15）、静止载荷平衡梁（25）及移动载荷平衡梁（21），

该高速蜗杆（40）通过波纹管联轴器（46）与直流伺服电机（43）的输出轴连接，该高速蜗杆（40）通过高速蜗杆支座（39）固定在基座（20）上，高速蜗轮（30）安装在低速蜗杆（31）上，低速蜗杆（31）安装在低速蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ（29、35）上，低速蜗杆轴承座Ⅰ、Ⅱ（29、35）固定在基座（20）上；低速蜗轮（32）安装在滚珠丝杠（15）上，滚珠丝杠（15）安装在滚珠丝杠固定端支座（38）和滚珠丝杠自由端支座（14）上，滚珠丝杠固定端支座（38）和滚珠丝杠自由端支座（14）固定在基座（20）上；移动载荷平衡梁（21）两端的安装孔通过过盈配合装有直线轴承Ⅱ、Ⅲ（7、23），静止载荷平衡梁（25）两端的安装孔通过过盈配合装有直线轴承Ⅰ、Ⅳ（5、24），静止载荷平衡梁（25）的一侧与力传感器（34）通过圆柱销连接； 

所述导向机构包括直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（5、7、23、24）、直线导轨Ⅰ、Ⅱ（12、17）及直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（13、16、27、36），直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（5、7、23、24）分别与直线导轨Ⅰ、Ⅱ（12、17）配合，直线导轨Ⅰ、Ⅱ（12、17）分别安装在直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（13、16、27、36）上，直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（13、16、27、36）固定在基座（20）上；

所述信号检测单元包括力传感器（34）及直流伺服电机编码器（42），力传感器（34）固定在滚珠丝杠固定端支座（38）上，力传感器（34）的另一侧与静止载荷平衡梁（25）相连接，直流伺服电机编码器（42）与直流伺服电机（43）相连接；

所述测试执行机构包括静止夹具支撑（1）、移动夹具支撑（11）、夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ（22、26）、静止夹具（2）、移动夹具（10）、夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ（4、8），该静止夹具支撑（1）、移动夹具支撑（11）分别安装在静止载荷平衡梁（25）、移动载荷平衡梁（21）上, 静止夹具（2）、移动夹具（10）分别通过夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ（22、26）安装在静止夹具支撑（1）、移动夹具支撑（11）上，夹具压紧螺母Ⅰ、Ⅱ（4、8）分别安装在静止夹具（2）和移动夹具（10）上。

2.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的静止载荷平衡梁（25）、移动载荷平衡梁（21）分别装有直线轴承Ⅰ、Ⅳ（5、24）和直线轴承Ⅱ、Ⅲ（7、23），直线轴承Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（5、7、23、24）的内圆与直线导轨Ⅰ、Ⅱ（12、17）相配合。

3.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ（22、26）与静止夹具（2）、移动夹具（10）、静止夹具支撑（1）和移动夹具支撑（11）上的孔的配合均为过盈配合，静止夹具（2）和移动夹具（10）分别可以绕夹具圆柱销Ⅰ、Ⅱ（22、26）的轴线周向转动。

4.根据权利要求1或3所述的跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的静止夹具（2）、移动夹具（10）上分别设有与被测试件（6）相配合的凹槽。

5.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的力传感器（34）的形状与测试装置空间相适应，其为柔性铰链结构。

6.根据权利要求1所述的跨尺度微纳米级原位拉伸力学性能测试装置，其特征在于：所述的直线导轨Ⅰ、Ⅱ(12、17)分别安装在直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（13、16、27、36）的安装孔内，通过拧紧内六角螺栓（18）将直线导轨Ⅰ、Ⅱ（12、17）夹紧在直线导轨支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（13、16、27、36）的安装孔内。

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