CN103543073A - 一种形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置，其特征在于，包括数据采集控制系统、步进电机驱动模块、力采集模块、电源控制模块和温度测量模块，利用编写的Labview用户化图形界面程序实现控制步进电机的转速和转动位移，并可以根据拉力传感器和温度采集卡实时采集的信号进行反馈，实现对形状记忆合金丝材的机械性能测试、热机训练的自动化运行功能。本发明的装置具有体积小、质量轻、可拆卸扩展和控制精度高等优点，可以对不同型号、长度的形状记忆合金丝进行拉伸测试实验和热机训练，采集到的实验数据准确性较高,并能实时地显示和存储,是一种结合形状记忆合金丝力学性能测试与训练双重功能的有效装置。

Description

一种形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置

技术领域

本发明涉及到一种形状记忆合金丝材的性能测试装置，尤其涉及利用上位机软件进行控制的对形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置。

背景技术

形状记忆合金是一种新型的智能材料，具有形状记忆效应和超弹性等特点，广泛用于航空航天、土木工程以及机器人领域的驱动器设计和振动控制方面。形状记忆效应指的是形状记忆合金能够记忆在低温马氏体相的形状，在产生了明显的塑性变形后，升高至一定的温度可以自动恢复到原来记忆的形状，形状记忆合金丝需要经过一定热机训练才能达到所需的形状记忆效应；超弹性指的是对其拉伸至塑性变形阶段，卸载后能塑性变形能回复，在高温下的主要表现形式是其弹性模量是低温下的数倍。由于在制造形状记忆合金时不同的合金比例和热处理条件对其机械性能影响很大，如何对其性能参数测试以及采取相应的训练手段是其进一步在工程中应用的关键，采用合适的设备进行定量实验研究和训练是关键技术。

形状记忆合金丝的性能测试主要涉及以下几个方面的内容：

（1）形状记忆合金丝的机械性能测试

形状记忆合金丝的机械性能测试主要包括不同温度下的应力应变关系曲线、最大可回复应变、不同预应变下的受限应力、疲劳性能。目前对于形状记忆合金丝的力学性能的测量一般在带有温控箱的材料试验机上进行，这种设备昂贵，成本高，而且温控箱的加热冷却缓慢，测试周期长，有必要研制一种简单易用的测试形状记忆合金丝机械性能的装置。

（2）    形状记忆合金丝的热机训练

形状记忆合金作为驱动器使用时必须经过预拉伸，要完全发挥其性能要求还必须经过一定的热机训练。热机训练指的是先把形状记忆合金丝拉伸到想要的预应变，然后加热让其自由回复到原来形状，然后冷却再拉伸，重复这一过程50次以上。传统上往往采用人工手动训练，往往费时费力，需要采取自动化的拉伸、加热、冷却循环控制系统以代替人力成本。

（3）    形状记忆合金丝回复应变和回复应力的精确控制

出厂后的形状记忆合金丝在实际使用中需要拉伸至给定的应变以满足实际工程需要，有时也要求经过拉伸后的丝在受限回复时能产生预定的回复应力。以往在拉伸时往往忽略其弹性变形部分，这样使得实际使用的丝变形小于预期变形，而制备需要一定回复应力的丝时时也只凭经验，急需设计一种带反馈的拉伸装置能精确地拉伸至其给定的回复应变或回复应力来满足工程需要。

 

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种对形状记忆合金丝材进行机械性能测试和热机训练的装置，该装置根据拉力传感器和温度采集卡实时采集的信号进行反馈，实现对形状记忆合金丝材的机械性能测试、热机训练的自动化运行功能。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置包括数据采集控制系统、步进电机驱动模块、力采集模块、电源控制模块和温度测量模块，其中，

所述的数据采集控制系统包括进行数据接收和命令输出的上位机；

所述的步进电机驱动模块包括提供动力源的步进电机、提供单轴正反向运动的滚珠丝杆滑台和步进电机控制器，所述的步进电机控制器与所述的上位机相连接，所述的步进电机驱动滚珠丝杆滑台进行单轴双向运动；

所述的力采集模块包括拉力传感器，所述的拉力传感器将采集的拉力数据传输至上位机；

所述的电源控制模块包括恒流电源和继电器，所述的继电器受所述上位机控制并控制恒流电源与待测试形状记忆合金丝材之间的通断；

所述的温度测量模块包括采集待测试形状记忆合金丝材温度信号的温度采集卡，所述的温度采集卡与上位机相连接。

更进一步地，所述的滚珠丝杆滑台可采用这样的结构，即，用于固定形状记忆合金丝的夹具固定设置于底座的一端，所述的拉力传感器通过固定底座固定设置于底座的另一端，待测试形状记忆合金丝材设置于夹具与拉力传感器之间。

本发明技术方案的性能测试与训练装置可适用于不同长度的形状合金丝材，其中，固定拉力传感器的底座可以扩展其长度，即固定合金丝材两端的间距可以进行变化，以适应不同长度的待测试件。

通过本发明的装置可以获得不同温度下形状记忆合金丝的拉伸位移曲线、对其热机循环训练以及获取设定回复应变和回复应力拉伸后的形状记忆合金丝，为研究形状记忆合金的力学机理及工程应用提供帮助。具体地，该装置采用的带串口控制的步进电机控制器、拉力传感器、温度采集卡、带串口控制的继电器与电脑相连，利用Labview软件编写电机控制系统、继电器控制系统，温度、力实时采集系统，可以对加热、拉伸、训练进行同步控制和数据采集；通过各个系统间的相互组合、反馈，可以实现获得不同温度下形状记忆合金丝的拉伸位移曲线、对其热机循环训练以及获取设定回复应变和回复应力拉伸后的形状记忆合金丝。

本发明的装置可实现的具体功能如下：

（一）  夹持试件时的预紧功能。当安装夹持试件时，不需要手动对其拉直预紧，避免了安装试件时用力过大带来的误差。本发明装置的原理是在未预紧时，拉力传感器所输出的力值为零，当反馈到力信号为零时，步进电机开始工作预紧试件直到力信号大于零，此时试件完全预紧。

（二）  机械性能测试。实验时调节恒流电源保证达到样件所需测试温度，确定所需拉伸长度、步进电机开始工作时同步进行测试设备的数据采集。当达到拉伸长度后，步进电机和数据采集装置停止工作，此时可以获得拉力位移关系曲线图。通过在不同温度、不同拉伸长度及不同拉伸速率下对形状记忆合金丝的拉伸试验获取数据进行分析，可以获得其拉伸变形的机理。

（三）  制备给定回复应变或回复应力的形状记忆合金丝。此功能通过力反馈和步进电机的精确控制可以制备所要求回复应变或回复应力的试件。此功能的实现方式是保证试件温度小于奥氏体相变开始温度（一般室温），步进电机开始转动达到设定的回复应变，由于有弹性变形的存在，试件需要回复一定的弹性应变，此时的应变实际小于所要求的回复应变。装置通过拉力传感器监测弹性变形的存在，步进电机倒转自动回复弹性应变，当拉力传感器监测的力为零同时应变小于设定的应变，步进电机继续工作拉伸形状记忆合金丝，如此反复循环直到到达设定的应变值。同理保证试件温度大于奥氏体相变结束温度，步进电机运行过程中，当拉力传感器监测到所要求的回复应力，停止工作，此时制作的形状记忆合金丝在高温下就能产生设计者要求的回复应力。

（四）  热机训练。利用此功能制备的试件具有稳定的形状记忆效应，是设计形状记忆合金驱动器必不可少的环节。试件经过拉伸、卸载、加热、冷却这一过程不断循环，完成对其热机训练。此功能主要利用继电器和步进电机控制器来实现，通过继电器控制试件加热、冷却的转化，步进电机控制器控制拉伸、卸载过程。通过编写的程序可以实现完全自动化运行，减少人力的重复成本。

有益效果

本发明的形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置具有以下有益效果：

（1）结构简单易安装，控制精度高，采用步进电机位移精度可以保证万分之一毫米；结构可进一步扩展，对测试试件的长度在20cm-1m都能满足要求；

（2）操作简便，在安装试件时，不需要手动预紧试件，避免安装带来的误差；

（3）本发明通过程序界面可以实现完成自动化的测试、训练工作，数据实时采集保存并能显示在程序界面中；

（4）本发明能保证拉伸后的形状记忆合金丝精确的预应变，能消除弹性变形的影响。

（5）应用前景广泛，适用于不同温度下形状记忆合金丝材的机械性能测试、形状记忆合金丝材的精确设计，同时兼顾回复应力和回复应变设计，并可用于形状记忆合金丝材的热机训练。克服了传统设备的精度低、人力成本大、设备昂贵等缺点，是研究形状记忆合金丝非常有效的装置。

 

附图说明

图1是本发明的形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置原理示意图；

图2是本发明一个实施例的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的装置测试不同温度下试件的应力与应变关系曲线。

图4是本发明的装置具体测试在不同温度下形状记忆合金丝材应力-应变曲线示意图。

 

具体实施方式

以下结合具体附图对本发明的技术方案进行进一步说明。

如图1、图2所示，本实施例的状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置包括数据采集控制系统、步进电机驱动模块、力采集模块、电源控制模块和温度测量模块，其中，

所述的数据采集控制系统包括进行数据接收和命令输出的上位机12；

所述的步进电机驱动模块包括提供动力源的步进电机1、提供单轴正反向运动的滚珠丝杆滑台2和步进电机控制器10，所述的步进电机控制器10与所述的上位机12相连接，所述的步进电机1驱动滚珠丝杆滑台2进行单轴双向运动；

所述的力采集模块包括拉力传感器5，所述的拉力传感器5将采集的拉力数据传输至上位机12；

所述的电源控制模块包括恒流电源8和继电器9，所述的继电器9受所述上位机12控制并控制恒流电源8与待测试形状记忆合金丝材7之间的通断；

所述的温度测量模块包括采集待测试形状记忆合金丝材7温度信号的温度采集卡11，所述的温度采集卡11与上位机12相连接。

如图2所示，高精度步进电机1作为该装置的动力系统，滚珠丝杆滑台2提供单轴正反向运动，滚珠丝杆滑台2固定在底座3上，夹具4用来固定形状记忆合金丝，拉力传感器5与电脑12连接并采集拉力数据，形状记忆合金丝的另一端与其相连，底座6用于固定拉力传感器，其可以扩展其长度以适应不同长度的试验件，待测试形状记忆合金丝材7、恒流电源8、继电器9和待测试形状记忆合金丝材7相串联，对待测试形状记忆合金丝材7通电流加热，继电器9与电脑12连接，可以通过电脑发信号控制其通断，步进电机控制器10能通过电脑控制其转动方向、转动速度和步进数，温度采集卡11上的热电偶与待测试形状记忆合金丝材7接触，采集温度数据进入电脑12。

本实施例的装置通过Labview程序控制步进电机的转速、方向和步数、继电器的通断和采集力传感器的力值和温度传感器的温度值，可以实时得到试件被拉伸时的应变、产生的应力以及实时的温度数据。在程序中对数据进行采集、处理、反馈，就可以实现预定的功能，如对试件不同温度下拉伸曲线的测量、对试件的热机训练等功能。

以下结合附图具体说明本实施例装置的工作过程：

首先根据图2所示连接好各部分组件，接通电源，打开PC，运行Labview软件。在上位机编写的步进电机控制模块界面中调节滚珠丝杆滑台2的位置，使滚珠丝杆滑台2的夹具4和拉力传感器5之间的长度小于所测形状记忆合金丝材7的长度。形状记忆合金丝材7两端与夹具4、拉力传感器5上的夹具相连，并与恒流电源8相串联，调节恒流电源8的输出电流大小使试样能完全回复变形。此时运行上位机编写的拉紧定位模块，使试件自动夹紧，完成实验前期准备。

机械性能测试功能。先量出试件的长度，在上位机编写的拉力测试模块界面中，输入试件长度、拉伸位移，调节恒流电源8到试件所需的测试温度，运行程序。此时步进电机1开始工作，拉力传感器5测得待测试形状记忆合金丝材7拉伸过程中所受到的拉力。当达到所需的位移，步进电机1开始反转，直到完全卸载。本模块界面中能实时显示拉力-位移曲线图，由此得到形状记忆合金丝材的温度、应力及应变关系曲线图，完成其机械性能测试，如图3所示。

热机训练功能。先量出试件的长度，调节恒流电源8到试件的训练温度，把继电器9与恒流电源8、待测试形状记忆合金丝材7相串联。在上位机编写的热机训练模块界面中输入试件长度，所需训练应变、训练次数，运行软件。此时步进电机1开始工作直到拉伸至输入的试件应变，然后电机倒转回复到原来位置，软件控制继电器9打开，试件开始加热，10秒后继电器闭合，试件开始冷却，20秒后步进电机开始工作，此为一个训练过程，反复对试件拉伸、回复、加热、冷却直到达到预定的训练次数。通过对试件的热机训练可以得到记忆效果更稳定的试件，还可以对形状记忆合金弹簧进行双程训练。

给定回复应变的形状记忆合金丝功能。先量出试件的长度，关闭恒流电源8，在上位机编写的位移控制模块界面中输入所需的回复应变和试件长度，运行软件。此时步进电机1开始工作直到拉伸至输入的试件应变，此时制作的形状记忆合金丝试件具有所要求的应变。

给定回复应力的形状记忆合金丝功能。调节恒流电源8使试件温度奥氏体结束温度，在上位机编写的回复变形模块中输入所需的回复应力，运行软件。此时步进电机1开始工作直到拉力传感器所测的应力达到所需的回复应力，此时制作的形状记忆合金丝试件具有要求的回复应力。

进行回复应力测试的功能。把温度采集卡11上的热电偶固定在待测试形状记忆合金丝材7上，运行上位机编写的回复变形模块，调节恒流电源8使试件温度奥氏体结束温度。此时待测试形状记忆合金丝材7开始升温，温度采集卡11测得试件的温度，同时拉力传感器5获取拉力值，上位机12直接接受数据获得回复应力与温度的关系曲线图，如图4所示。

Claims (2)

1.一种形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置，其特征在于，包括数据采集控制系统、步进电机驱动模块、力采集模块、电源控制模块和温度测量模块，其中，

所述的数据采集控制系统包括进行数据接收和命令输出的上位机（12）；

所述的步进电机驱动模块包括提供动力源的步进电机（1）、提供单轴正反向运动的滚珠丝杆滑台（2）和步进电机控制器（10），所述的步进电机控制器（10）与所述的上位机（12）相连接，所述的步进电机（1）驱动滚珠丝杆滑台（2）进行单轴双向运动；

所述的力采集模块包括拉力传感器（5），所述的拉力传感器（5）将采集的拉力数据传输至上位机（12）；

所述的电源控制模块包括恒流电源（8）和继电器（9），所述的继电器（9）受所述上位机（12）控制并控制恒流电源（8）与待测试形状记忆合金丝材（7）之间的通断；

所述的温度测量模块包括采集待测试形状记忆合金丝材（7）温度信号的温度采集卡（11），所述的温度采集卡（11）与上位机（12）相连接。

2.如权利要求1所述的形状记忆合金丝材的机械性能测试与热机训练装置，其特征在于，所述的滚珠丝杆滑台（2）中，用于固定待测试形状记忆合金丝的夹具（4）固定设置于底座（3）的一端，所述的拉力传感器（5）通过固定底座（6）固定设置于底座（3）的另一端，待测试形状记忆合金丝材（7）设置于夹具（4）与拉力传感器（5）之间。

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