CN103293066A - 精密材料微观力学性能原位扭转测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，属于机械领域。扭矩加载机构将扭矩加载在主动夹具一端，将扭矩加载至测试工件，被动夹具一端安装在精密导轨滑块上，拥有测试工件轴线方向的一个自由度。在被动夹具一端安装有精密扭矩传感器。在测试工件上安装有两个带轮，通过皮带将工件两侧的转角分别传递给两个精密角位移传感器，角位移信号反馈至检测系统，计算出工件标定长度上的绝对转角，显著提高扭转测试中角位移的检测精度，大大减小了对测试精度的不利影响。实现了测试装置与电镜工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，实现了材料的材料原位微纳米扭转力学测试，为测试微纳米尺度下的材料扭转力学特性提供了较好的方法。

Description

精密材料微观力学性能原位扭转测试平台

技术领域

    本发明涉及材料科学、超精密加工、固体力学等领域，精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，是一种体积小、结构精巧的可用于精密材料微纳米扭转力学性能测试的装置。通过本发明，可以在各类成像仪器的观测下对试件进行原位扭转测试，对材料的微观变形和损伤过程进行原位观察。本装置将在材料科学、超精密加工、固体力学等领域具有较好的应用前景。

背景技术

    原位微纳米力学测试技术是近几年发展起来的前沿技术，受到各国政府和研究机构的高度关注。微纳米扭转力学测试技术具有可以在各类成像仪器的观测下对试件进行原位扭转测试和对材料的微观变形和损伤过程进行原位观察的诸多优势。相比于传统扭转力学测试技术，微纳米扭转力学测试技术目前只被少数的研究人员所掌握和使用，主要原因是该项技术需要在满足高的测试精度的同时，保证测试仪器的小型化以及与原位监测设备的兼容性。目前微纳米扭转力学测试主要集中在透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）中开展，两者都具有非常有限的工作腔体，并且需要保证测试装置与工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，正是这些原因限制了微纳米扭转力学测试技术的快速发展。总体来看，研究高精度、大测试范围、低成本的微纳米扭转力学测试装置依然是具有挑战性的工作，同时也是一项紧迫性的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，解决了现有技术存在的问题。为实现体积小、结构精巧的可用于精密材料微纳米扭转力学性能测试的装置提供一种可用方案。借助本发明提供的测试装置，可以实现测试装置与电镜工作腔体的电磁兼容性和真空兼容性，促进原位微纳米扭转力学测试技术的发展。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现： 

精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，主要包括扭矩加载机构、试件夹持机构、扭矩精密测量机构、转角精密测量机构；所述的扭矩加载机构安装在基座Ⅰ、Ⅱ1、40上，基座Ⅰ1和Ⅱ40通过基座支架Ⅰ41和Ⅱ46固定安装在一起，扭矩加载机构通过两级蜗轮蜗杆减速、换向，将扭矩加载在测试工件；试件夹持机构包含试件夹具Ⅰ、Ⅱ21、29，分别为主动端和被动端；扭矩精密测量机构固定在试件夹具Ⅱ29的一端，整体安装在夹具安装座32上；转角精密测量机构固定在测试工件24一侧精密导轨Ⅲ39的导轨滑块Ⅰ、Ⅱ42、43上。

所述的扭矩加载机构包括精密驱动电机2、电机支座3、弹性联轴器4、蜗杆Ⅰ、Ⅱ6、13、蜗轮Ⅰ、Ⅱ11、15，精密驱动电机2通过电机支座3固定安装在基座Ⅰ1上，其输出轴与蜗杆Ⅰ6通过弹性联轴器4联接；蜗杆Ⅰ6通过轴承支座Ⅰ5、轴承支座Ⅱ7、蜗杆轴Ⅰ8和轴承9安装在基座Ⅰ1上，并与蜗轮Ⅰ11形成第一级减速和换向；同理通过蜗杆Ⅱ13和蜗轮Ⅱ15形成第二级减速和换向，蜗杆Ⅱ13和蜗轮Ⅰ11通过蜗轮轴Ⅱ10安装在轴承支座Ⅲ和Ⅳ12、14上，轴承支座Ⅲ和Ⅳ12、14固定安装在基座Ⅰ1上；两级减速和换向，第一级采用较小的减速比，第二级采用较大减速比，以提高扭矩加载的精度，减小扭矩加载机构结构尺寸；扭矩通过蜗轮轴Ⅲ16传输到试件夹具Ⅰ21上。

所述的试件夹持机构包括夹具轴承支座18、试件夹具Ⅰ、Ⅱ21、29、端盖30，试件夹具Ⅰ21与第二级减速输出轴联接，即蜗轮轴Ⅱ16，两者通过精密轴承、夹具轴承支座18以及轴承端盖17和螺钉安装在基座Ⅱ40上；试件夹具Ⅱ29直接与精密扭矩传感器31固定安装，传输扭矩信号。

所述的扭矩精密测量机构包括精密扭矩传感器31、夹具安装座32、精密导轨Ⅰ、Ⅱ33、37以及导轨滑块Ⅲ、Ⅳ44、45，在精密扭矩传感器31的前端，通过端盖30以及螺钉与试件夹具Ⅱ29联接，测试工件24所受扭矩通过试件夹具Ⅱ29传递给精密扭矩传感器31；在精密扭矩传感器31的后端，通过螺钉安装在夹具安装座32上，夹具安装座32固定在导轨滑块Ⅲ、Ⅳ44、45上；精密导轨Ⅰ、Ⅱ33、37平行放置，通过螺钉固定在基座Ⅱ40上。

所述的转角精密测量机构包括角位移传感器Ⅰ、Ⅱ20、36、转角测量带轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ22、26、27、34、传动带Ⅰ、Ⅱ23、28、精密导轨Ⅲ39以及导轨滑块Ⅰ、Ⅱ42、43，在测试工件24的标定测试长度两端分别通过螺钉安装有转角测量带轮Ⅰ22和转角测量带轮Ⅲ27，两带轮通过传动带Ⅰ23和传动带Ⅱ28分别与转角测量带轮Ⅲ27和转角测量带轮Ⅳ34相连；转角测量带轮Ⅲ27和转角测量带轮Ⅳ34各自安装在角位移传感器Ⅰ、Ⅱ20、36上；角位移传感器Ⅰ20通过角位移传感器支座Ⅰ25以及螺钉安装在导轨滑块Ⅱ43上；同理，角位移传感器Ⅱ36通过角位移传感器支座Ⅱ35安装在导轨滑块Ⅰ42上；精密导轨Ⅲ39通过螺钉安装在基座Ⅱ40上；固定支架Ⅰ、Ⅱ19、38固定安装在导轨滑块Ⅰ、Ⅱ42、43上；用于临时把导轨滑块Ⅰ、Ⅱ42、43固定在精密导轨Ⅲ39上。

所述的精密材料微观力学性能原位扭转测试平台可置于扫描电镜腔体中，与电镜具有很好的兼容性。

本发明的有益效果在于：体积小结构紧凑，转角测量误差小，可置于扫描电镜腔体中，与电镜具有很好的兼容性。可以在各类成像仪器的观测下对试件进行原位扭转测试，对材料的微观变形和损伤过程进行原位观察，并可采集载荷/位移信号，从而揭示材料在微纳米尺度下的力学特性和损伤机理，推动新材料新工艺、材料科学、超精密加工、固体力学等技术的发展。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视示意图；

图3为本发明的俯视示意图；

图4为本发明的左视示意图。

图中：1.基座Ⅰ，2.精密驱动电机，3.电机支座，4.弹性联轴器，5.轴承支座Ⅰ，6.蜗杆Ⅰ，7.轴承支座Ⅱ，8.蜗杆轴Ⅰ，9.轴承，10.蜗轮轴Ⅱ，11.蜗轮Ⅰ，12.轴承支座Ⅲ，13.蜗杆Ⅱ，14.轴承支座Ⅳ，15.蜗轮Ⅱ，16.蜗轮轴Ⅲ，17.轴承端盖，18.夹具轴承支座，19.固定支架Ⅰ，20.角位移传感器Ⅰ，21.试件夹具Ⅰ，22.转角测量带轮Ⅰ，23.传动带Ⅰ，24.测试工件，25.角位移传感器支座Ⅰ，26.转角测量带轮Ⅱ，27.转角测量带轮Ⅲ，28.传动带Ⅱ，29.试件夹具Ⅱ，30.端盖，31.精密扭矩传感器，32.夹具安装座，33.精密导轨Ⅰ，34.转角测量带轮Ⅳ，35.角位移传感器支座Ⅱ，36.角位移传感器Ⅱ，37.精密导轨Ⅱ，38.固定支架Ⅱ，39.精密导轨Ⅲ，40.基座Ⅱ，41.基座支架Ⅰ，42.导轨滑块Ⅰ，43.导轨滑块Ⅱ，44. 导轨滑块Ⅲ，45. 导轨滑块Ⅳ，46. 基座支架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4所示，本发明的精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，其结构主要由扭矩加载机构、试件夹持机构、扭矩精密测量机构、转角精密测量机构等组成。

扭矩的加载通过精密驱动电机2和蜗轮蜗杆传动链来实现，具体的实施方式为，由安装在基座Ⅰ1上的精密驱动电机2通过弹性联轴器4联接蜗杆轴Ⅰ8，驱动蜗杆Ⅰ6和蜗轮Ⅰ11，通过安装在轴承支座Ⅲ12和轴承支座Ⅳ14上的蜗轮轴Ⅱ10，以及蜗杆Ⅱ13和蜗轮Ⅱ15，经过蜗轮蜗杆的换向，减速以及增加扭矩，蜗轮Ⅱ15将扭矩传递给试件夹具Ⅰ21。扭矩加载机构和仪器的上部分通过基座支架Ⅱ46和基座支架Ⅰ41布置在两层，结构经凑。在实施过程中，通过精密驱动电机2的驱动对工件进行精密稳定的加载。

试件夹持机构和扭矩精密测量机构的运动分为两种：一种是试件夹具Ⅰ21的主动扭矩加载运动，一种是试件夹具Ⅱ29和精密扭矩传感器31的转动和沿试件轴线方向的直线运动。具体实施方式为，蜗轮Ⅱ15将扭矩传递给试件夹具Ⅰ21并加载于试件一端，实现试件夹具Ⅰ21的主动扭矩加载运动。扭矩通过工件传递给试件夹具Ⅱ29，使试件夹具Ⅱ29产生微小的变形转动。试件在扭转载荷作用下轴向性能会发生变化，并导致轴向尺寸的变化，从而带动安装在导轨滑块Ⅲ44、导轨滑块Ⅳ45上的试件夹具Ⅱ29在精密导轨Ⅰ33和精密导轨Ⅱ37上产生直线运动。精密扭矩传感器31安装在夹具安装座32和试件夹具Ⅱ29之间，加载在工件上的扭矩通过试件夹具Ⅱ29传递给精密扭矩传感器31，并且由于精密扭矩传感器31安装在精密导轨Ⅰ33和精密导轨Ⅱ37上，因此消除了因工件轴向的变化对扭矩测量的影响，提高扭矩的测量精度。

转角精密测量机构的运动主要是带轮的传动。具体实施方式为，在测试工件24的标定测试长度两端分别通过螺钉安装有转角测量带轮Ⅰ22和转角测量带轮Ⅲ27，两带轮通过传动带Ⅰ23和传动带Ⅱ28分别与转角测量带轮Ⅲ27和转角测量带轮Ⅳ34相连。转角测量带轮Ⅲ27和转角测量带轮Ⅳ34分别联接在固定在角位移传感器支座Ⅰ25的角位移传感器Ⅰ20上和固定在角位移传感器支座Ⅱ35的角位移传感器Ⅱ36上。工件标定长度两端的角位移便通过角位移传感器Ⅰ20和角位移传感器Ⅱ36测的，从而获得标定长度的绝对角位移，极大的提高了角位移的测量精度。并且角位移传感器Ⅰ20和角位移传感器Ⅱ36分别安装在导轨滑块Ⅰ42和导轨滑块Ⅱ43上，减小了因角位移传感器位置偏差对测量精度的影响。固定支架Ⅰ19和固定支架Ⅱ38主要用于临时固定导轨滑块Ⅰ42和导轨滑块Ⅱ43，使其不移动。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，其特征在于：包括扭矩加载机构、试件夹持机构、扭矩精密测量机构、转角精密测量机构；所述的扭矩加载机构安装在基座Ⅰ、Ⅱ（1、40）上，基座Ⅰ（1）和Ⅱ（40）通过基座支架Ⅰ（41）和Ⅱ（46）固定安装在一起，扭矩加载机构通过两级蜗轮蜗杆减速、换向，将扭矩加载在测试工件；试件夹持机构包含试件夹具Ⅰ、Ⅱ（21、29），分别为主动端和被动端；扭矩精密测量机构固定在试件夹具Ⅱ（29）的一端，整体安装在夹具安装座（32）上；转角精密测量机构固定在测试工件（24）一侧精密导轨Ⅲ（39）的导轨滑块Ⅰ、Ⅱ（42、43）上。

2.根据权利要求1所述的精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，其特征在于：所述的扭矩加载机构包括精密驱动电机（2）、电机支座（3）、弹性联轴器（4）、蜗杆Ⅰ、Ⅱ（6、13）、蜗轮Ⅰ、Ⅱ（11、15），精密驱动电机（2）通过电机支座（3）固定安装在基座Ⅰ（1）上，其输出轴与蜗杆Ⅰ（6）通过弹性联轴器（4）联接；蜗杆Ⅰ（6）通过轴承支座Ⅰ（5）、轴承支座Ⅱ（7）、蜗杆轴Ⅰ（8）和轴承（9）安装在基座Ⅰ（1）上，并与蜗轮Ⅰ（11）形成第一级减速和换向；同理通过蜗杆Ⅱ（13）和蜗轮Ⅱ（15）形成第二级减速和换向，蜗杆Ⅱ（13）和蜗轮Ⅰ（11）通过蜗轮轴Ⅱ（10）安装在轴承支座Ⅲ和Ⅳ（12、14）上，轴承支座Ⅲ和Ⅳ（12、14）固定安装在基座Ⅰ（1）上；两级减速和换向，第一级采用较小的减速比，第二级采用较大减速比，以提高扭矩加载的精度，减小扭矩加载机构结构尺寸；扭矩通过蜗轮轴Ⅲ（16）传输到试件夹具Ⅰ（21）上。

3.根据权利要求1所述的精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，其特征在于：所述的试件夹持机构包括夹具轴承支座（18）、试件夹具Ⅰ、Ⅱ（21、29）、端盖（30），试件夹具Ⅰ（21）与第二级减速输出轴联接，即蜗轮轴Ⅱ（16），两者通过精密轴承、夹具轴承支座（18）以及轴承端盖（17）和螺钉安装在基座Ⅱ（40）上；试件夹具Ⅱ（29）直接与精密扭矩传感器（31）固定安装，传输扭矩信号。

4.根据权利要求1所述的精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，其特征在于：所述的扭矩精密测量机构包括精密扭矩传感器（31）、夹具安装座（32）、精密导轨Ⅰ、Ⅱ（33、37）以及导轨滑块Ⅲ、Ⅳ（44、45），在精密扭矩传感器（31）的前端，通过端盖（30）以及螺钉与试件夹具Ⅱ（29）联接，测试工件（24）所受扭矩通过试件夹具Ⅱ（29）传递给精密扭矩传感器（31）；在精密扭矩传感器（31）的后端，通过螺钉安装在夹具安装座（32）上，夹具安装座（32）固定在导轨滑块Ⅲ、Ⅳ（44、45）上；精密导轨Ⅰ、Ⅱ（33、37）平行放置，通过螺钉固定在基座Ⅱ(40)上。

5.根据权利要求1所述的精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，其特征在于：所述的转角精密测量机构包括角位移传感器Ⅰ、Ⅱ（20、36）、转角测量带轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（22、26、27、34）、传动带Ⅰ、Ⅱ（23、28）、精密导轨Ⅲ（39）以及导轨滑块Ⅰ、Ⅱ（42、43），在测试工件（24）的标定测试长度两端分别通过螺钉安装有转角测量带轮Ⅰ（22）和转角测量带轮Ⅲ（27），两带轮通过传动带Ⅰ（23）和传动带Ⅱ（28）分别与转角测量带轮Ⅲ（27）和转角测量带轮Ⅳ（34）相连；转角测量带轮Ⅲ（27）和转角测量带轮Ⅳ（34）各自安装在角位移传感器Ⅰ、Ⅱ（20、36）上；角位移传感器Ⅰ（20）通过角位移传感器支座Ⅰ（25）以及螺钉安装在导轨滑块Ⅱ（43）上；同理，角位移传感器Ⅱ（36）通过角位移传感器支座Ⅱ（35）安装在导轨滑块Ⅰ（42）上；精密导轨Ⅲ（39）通过螺钉安装在基座Ⅱ（40）上；固定支架Ⅰ、Ⅱ（19、38）固定安装在导轨滑块Ⅰ、Ⅱ（42、43）上；用于临时固定导轨滑块Ⅰ、Ⅱ（42、43）在精密导轨Ⅲ（39）上。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的精密材料微观力学性能原位扭转测试平台，其特征在于：所述的精密材料微观力学性能原位扭转测试平台可置于扫描电镜腔体中。

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