CN104048884A - 一种非接触的铝片塑性变形位移测量装置 - Google Patents

一种非接触的铝片塑性变形位移测量装置 Download PDF

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郑建军
田玉明
郑帅
柴跃生
李青
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Abstract

本发明涉及一种非接触的铝片塑性变形位移测量装置，包括基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器、应力传感器、电器控制部分、蜗轮蜗杆减速机构、丝杠传动部分、机械传动部分、铝片楔形夹具部分、过程控制与联动部分。通过非接触光电测量传感器模块和应力传感器，实时采集金属塑性变形应力与应变真实数据，实现精确采集、监控与存储功能。试验机精度高，运行平稳，便于操作；铝片样品两端同时拉伸，装卸快速便捷，装卡力度可控；塑性变形后的铝片样品经过退火与酸蚀后，显示出再结晶后的晶粒大小，可以反映“金属的塑性变形与再结晶”实验中出现的金属塑性变形、加工硬化现象、回复与再结晶的全过程。

Description

一种非接触的铝片塑性变形位移测量装置
技术领域
本发明涉及材料科学基础实验专用设备领域，特别是涉及一种基于光电芯片非接触测量位移技术的金属塑性变形应力与应变的装置。
背景技术
在高等院校理工科专业中，依据国家专业教学指导委员会教学大纲要求，尤其在材料科学与工程、材料成型及控制工程等专业的本科实验教学中，要求开设一项“金属的塑性变形与再结晶”实验项目，主要是针对厚度为0.3～1毫米的纯铝片进行“金属的塑性变形与再结晶”实验，现在大多数高校采用的是一种简易专用拉伸试验装置。在实验中，要求学生拉出一系列不同变形量的铝片，并且变形度要求准确，拉伸过程速度均匀。但是现有设备采用手动单边拉伸的原理，变形很难保证均匀一致，变形初期、中间、终了的不同阶段所需拉力差距很大，变形速率不能保持稳定；尤其是金属塑性变形后产生的加工硬化现象只有手感效果，而无量化值的概念，对加工硬化现象的认知存在一定的缺陷。变形量使用游标卡尺、直尺等工具测量，存在较多的人为误差，即使是采用光电编码器、光栅尺、容栅、直线测量尺等传感器的拉伸试验机，其传感器也是安装在移动梁或夹具等部位，测出的是移动梁或夹具的位移，实验结果的重复性差，长期以来很难获得理想的实验教学效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光电芯片非接触测量位移技术的金属塑性变形应力与应变实验的专用拉伸试验机，经过退火与酸蚀后，显示铝片再结晶后的晶粒大小，可以反映“金属的塑性变形与再结晶”实验中出现的金属塑性变形、加工硬化现象、回复与再结晶的全过程，准确获得实验中金属真实的变形量与所需应力的关系，加深对加工硬化现象的认识与理解，客观地满足实验教学的要求，真正实现理论与实践的完美结合。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种金属塑性变形应力与应变实验专用试验机，包括基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器、应力传感器、电器控制部分、蜗轮蜗杆减速机构、丝杠传动部分、机械传动部分、铝片楔形夹具部分、过程控制与联动部分；所述的蜗轮蜗杆减速机构部分包括伺服电机、弹性联轴器、支承轴承座、蜗轮、蜗杆、电磁离合器、手动转轮；其中，所述的伺服电机自带制动功能，伺服电机主轴通过所述的弹性联轴器与所述蜗杆一端连接，所述的蜗杆带动所述的蜗轮，所述的蜗杆两端各有一个支承轴承座，所述的支承轴承座内有支承轴承，所述的蜗杆另一端与所述的电磁离合器连接，所述的电磁离合器与所述的手动转轮连接；所述的伺服电机与所述的电器控制部分连接；所述的丝杠传动部分由所述的蜗轮驱动，包括左右旋滚珠丝杠、支承轴承座、左、右旋顶推螺母，其中，所述的左右旋滚珠丝杠两端各有一个所述的支承轴承座，所述的左右旋滚珠丝杠装有所述的左旋顶推螺母和右旋顶推螺母；机械传动部分包括直线精密导轨、导轨滑块、连接板、左应力传感器定位模块、右应力传感器定位模块，其中，所述的直线精密导轨通过紧固件与机体相连，所述的左旋顶推螺母、右旋顶推螺母与所述的导轨滑块、连接板通过紧固件相连，所述的左应力传感器定位模块、右应力传感器定位模块与连接板、导轨滑块、铝片楔形夹具部分通过紧固件相连，所述的应力传感器安装在定位模块的中间部位，应力传感器与所述的电器控制部分的微电脑处理器相连，所述的左、右应力传感器定位模块通过一对连接杆分别与左、右旋顶推螺母连接，两部分之间有一定间隙；铝片楔形夹具部分包括两块固定块部分、两块可移动楔形体调节块部分，所述的固定块部分通过紧固件与连接板相连，所述的可移动楔形体调节块部分在侧面或底面装有复位弹簧，并通过一只内六角螺栓与所述的连接板相连；过程控制与联动部分包括拉伸限位开关、复位限位开关、联动控制，所述的拉伸限位开关、复位限位开关均安装在机体上，其中，拉伸限位开关在远端，复位限位开关在近端，所述的联动控制与所述的电器控制部分相连；基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器由支承定位板、光电测量传感器模块组成，所述的支承定位板由紧固件固定在机体上，所述的光电测量传感器模块为一对，分别固定在所述的支承定位板上；所述的光电测量传感器模块与所述的电器控制部分的微电脑处理器相连；所述的光电测量传感器模块由成像系统(IAS)、信号处理系统(DSP)、接口系统(SPI)三大系统组成。
所述的金属塑性变形应力与应变实验专用试验机的铝片楔形夹具由固定块部分和可移动楔形体调节块部分组成，只需一只内六角扳手就可以将铝片在楔形夹具中夹紧，而且夹持力度大小可控。
所述的金属塑性变形应力与应变实验专用试验机具有手动功能，通过所述的电磁离合器实现手动与自动的切换，自动拉伸或复位时电器控制部分优先断开手动功能。
所述的金属塑性变形应力与应变实验专用试验机的应力传感器在铝片楔形夹具下方的应力传感器定位模块上，通过螺栓将所述的连接板、应力传感器定位模块相连，拉伸时左、右顶推螺母分别向左、右两边推动铝片楔形夹具、应力传感器定位模块组合体，复位时顶推螺母将组合体带回，复位后它们之间留有一定间隙，可以实时反映出铝片拉伸过程中应力的变化，并在显示屏实时显示并存储。
所述的金属塑性变形应力与应变实验专用试验机的基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器，通过所述的支承定位板由紧固件固定在机体上，不与所述的丝杠传动部分、机械传动部分、铝片楔形夹具部分直接接触，所述的光电测量传感器模块直接对准待测铝片样品的两条有效标距线，测出的是铝片样品有效标距线的位移量或变形度，可以获得真实的位移量或变形度数据。
有益效果
本发明的有益效果是，采用本发明上述技术方案与现有技术相比具有以下的优点：
1、本发明的金属塑性变形应力与应变实验专用试验机在金属的塑性变形与再结晶实验中，拉伸过程速度平稳，左右两边同时拉伸，铝片样品变形均匀；
2、由于采用了基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器，光电测量传感器模块直接对准待测铝片样品的两条有效标距线，测出的是铝片样品有效标距线的位移量或变形度，采集到真实的数据；
3、采用应力传感器，实时采集到拉伸过程中的铝片样品的应力变化特征，对金属塑性变形出现的加工硬化现象学生可以有深刻直观的认识；
4、对拉伸变形位移量或变形度可以预先设定，自动或手动拉伸时，实时采集铝片样品左、右两边有效标距线位移量或变形度的总和，并计算其与预先设定变形位移量或变形度的差值，该差值≤0.1％时，发出报警声(嘟、嘟)二声，采集到的数据值与预先设定值相等时，系统自动停止拉伸，数据自动显示并存储；
5、铝片样品的楔形夹具装卸样品快速便捷，装卡样品力度可控；
6、使用本发明的金属塑性变形应力与应变实验专用试验机在进行金属塑性变形与再结晶实验的同时，学生也可以学习一些单片机、PLC编程、传感器及智能控制方面的知识。
7、实验结果的数据重复性好。
综上所述，本发明充分利用基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器与应力传感器的特点，实现了拉伸过程中的真实数据实时精确采集、监控与存储，伺服电机控制精度高，运行平稳，便于操作；铝片样品装卸快速便捷，装卡力度可控；塑性变形后的铝片样品经过退火与酸蚀后，显示出铝片再结晶后的晶粒大小，可以反映“金属的塑性变形与再结晶”实验中出现的金属塑性变形、加工硬化现象、回复与再结晶的全过程。本发明的金属塑性变形应力与应变实验专用试验机可以说是一款机电一体化的理想实验设备。
附图说明
图1是本发明的外形图；
图2是本发明的爆炸图；
图3是本发明的电器控制原理图；
图4是本发明的夹具部分图；
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的各种改动、修改、等同替换等，均应包含在本发明创造的权利要求书所保护的范围之内。
本发明的非接触的铝片塑性变形位移测量装置，包括基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器、应力传感器、电器控制部分、蜗轮蜗杆减速机构、丝杠传动部分、机械传动部分、铝片楔形夹具部分、过程控制与联动部分。
如图1-2所示，所述的蜗轮蜗杆减速机构部分包括伺服电机16、弹性联轴器29、支承轴承座28、蜗轮20、蜗杆27、电磁离合器4、手动转轮3；其中，所述的伺服电机16自带制动功能，伺服电机16主轴通过所述的弹性联轴器29与所述蜗杆27一端连接，所述的蜗杆27带动所述的蜗轮20，所述的蜗杆27两端各有一个支承轴承座23、28，所述的蜗杆27另一端与所述的电磁离合器4连接，所述的电磁离合器4与所述的手动转轮3连接；所述的伺服电机16与所述的电器控制部分1连接；
所述的丝杠传动部分由所述的蜗轮20驱动，包括左右旋滚珠丝杠13、支承轴承座12、34、左旋顶推螺母22、右旋顶推螺母26，其中，所述的左右旋滚珠丝杠13两端各有一个所述的支承轴承座12、34，所述的左右旋滚珠丝杠13装有所述的左旋顶推螺母22和右旋顶推螺母26；
机械传动部分包括直线精密导轨14、导轨滑块30、连接板24、25、31、32，左应力传感器定位模块33、右应力传感器定位模块15，其中，所述的直线精密导轨14通过紧固件与机体11相连，所述的左旋顶推螺母22、右旋顶推螺母26与导轨滑块30、连接板24、32通过紧固件相连，所述的左应力传感器定位模块33、右应力传感器定位模块15与连接板31、25，导轨滑块30、铝片楔形夹具部分17通过紧固件相连；
所述的应力传感器36为二只，分别固定在左应力传感器定位模块组合体33的右边和右应力传感器定位模块组合体15的左边，应力传感器36与所述的电器控制部分1的微电脑处理器相连，所述的左、右应力传感器定位模块33、15通过二对连接杆35分别与左、右旋顶推螺母22、26连接，拉伸工作时，可实时显示左、右二只应力传感器的数据并存储。
图4所示为本发明铝片楔形夹具部分17，包括两块固定块部分(图中的L型块和长方体块)，固定块通过螺栓与连接板25或31及导轨滑块30固定在一起；另二个楔形体块是可以调节的，其中一块楔形体块在垂直方向通过内六角螺栓固定在连接板25或31上，其下方装有复位弹簧，通过紧固内六角螺栓可使另一块楔形体块受侧向挤压力向侧向移动，从而起到夹紧铝片样品21作用，同样，该楔形体块在侧面也装有复位弹簧，松开内六角螺栓楔形体块都复位，铝片样品21为垂直放置，方便装卡、更换样品，且夹紧力度可控。
过程控制与联动部分包括拉伸限位开关9、复位限位开关2、联动控制5、6，所述的拉伸限位开关9、复位限位开关2均安装在机体11上，所述的联动控制5、6与所述的电器控制部分1相连；基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器由支承定位板19、光电测量传感器模块18组成，所述的支承定位板19由紧固件固定在机体11上，所述的光电测量传感器模块18为一对，分别固定在所述的支承定位板19上；所述的光电测量传感器模块18与所述的电器控制部分1的微电脑处理器相连；所述的光电测量传感器模块18由成像系统IAS、信号处理系统DSP、接口系统SPI组成。
本发明采用单片机对伺服电机16进行精确的控制，图1中的拉伸/复位开关5就是伺服电机16的正、反转指令开关，通过单片机控制伺服电机16；通过拉伸限位开关9、复位限位开关2实现运动过程的极限停止指令，电机转速控制可在电器控制部分1的显示与控制面板调节，电源插座10为外接电源的输入端，电源开关7为本试验机的电源总开关；在微动调节时，手动与自动转换开关6控制电磁离合器4转为手动，在自动控制时由单片机与联动控制部分的程序控制，进行拉伸与复位过程时，电磁离合器4始终处于断开状态；并且代表这三类开关的指示灯8始终显示开关所处的状态，操作者容易了解掌握。具体的电器控制原理图如图3所示。
本发明设计结构紧凑，体积小巧，外型美观大方，操作简便，操作与显示一目了然。基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器模块18通过所述的支承定位板19由紧固件固定在机体11上，不与所述的丝杠传动部分、机械传动部分、铝片楔形夹具部分直接接触，所述的光电测量传感器模块18直接对准待测铝片样品21的两条有效标距线。而由于光电测量传感器模块18直接对准待测铝片样品21的两条有效标距线，测出的是铝片样品21有效标距线的位移量或变形度，采集到真实的数据，而不是通常拉伸试验机所获得横梁的移动位移。
电器控制部分1的显示屏面板既可以实时显示拉伸过程中位移量(或变形度)和应力大小，还可以在拉伸前预设一个变形度或位移量，自动或手动拉伸时，光电测量传感器模块18实时采集铝片样品21左、右两边有效标距线的位移量或变形度总和，并计算其与预先设定变形量或变形度的差值，该差值≤0.1％时，发出报警声(嘟、嘟)二声，采集到的数据值与预先设定值相等时，系统自动停止拉伸，数据自动显示并存储。

Claims (4)

1.一种非接触的铝片塑性变形位移测量装置，包括基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器、应力传感器、电器控制部分、蜗轮蜗杆减速机构、丝杠传动部分、机械传动部分、铝片楔形夹具部分、过程控制与联动部分，其特征在于：
所述的蜗轮蜗杆减速机构部分包括伺服电机(16)、弹性联轴器(29)、支承轴承座(28)、蜗轮(20)、蜗杆(27)、电磁离合器(4)、手动转轮(3)；其中，所述的伺服电机(16)自带制动功能，伺服电机(16)主轴通过所述的弹性联轴器(29)与所述蜗杆(27)一端连接，所述的蜗杆(27)带动所述的蜗轮(20)，所述的蜗杆(27)两端各有一个支承轴承座(23、28)，所述的蜗杆(27)另一端与所述的电磁离合器(4)连接，所述的电磁离合器(4)与所述的手动转轮(3)连接；所述的伺服电机(16)与所述的电器控制部分(1)连接；
所述的丝杠传动部分由所述的蜗轮(20)驱动，包括左右旋滚珠丝杠(13)、支承轴承座(12、34)、左旋顶推螺母(22)、右旋顶推螺母(26)，其中，所述的左右旋滚珠丝杠(13)两端各有一个所述的支承轴承座(12、34)，所述的左右旋滚珠丝杠(13)装有所述的左旋顶推螺母(22)和右旋顶推螺母(26)；
机械传动部分包括直线精密导轨(14)、导轨滑块(30)、连接板(24、25、31、32)、左应力传感器定位模块(33)、右应力传感器定位模块(15)，其中，所述的直线精密导轨(14)通过紧固件与机体(11)相连，所述的左旋顶推螺母(22)、右旋顶推螺母(26)与导轨滑块(30)、连接板(24、32)通过紧固件相连，所述的左应力传感器定位模块(33)、右应力传感器定位模块(15)与连接板(31、25)、导轨滑块(30)、铝片楔形夹具部分(17)通过紧固件相连；
所述的应力传感器(36)为二只，分别固定在左应力传感器定位模块组合体(33)的右边和右应力传感器定位模块组合体(15)的左边，应力传感器(36)与所述的电器控制部分(1)的微电脑处理器相连，所述的左、右应力传感器定位模块(33、15)通过二对连接杆(35)分别与左、右旋顶推螺母(22、26)连接；
铝片楔形夹具部分(17)包括两块固定块部分、两块楔形体可移动调节块部分，所述的固定块部分通过紧固件与连接板(25、31)相连；
过程控制与联动部分包括拉伸限位开关(9)、复位限位开关(2)、联动控制(5、6)，所述的拉伸限位开关(9)、复位限位开关(2)均安装在机体(11)上，所述的联动控制(5、6)与所述的电器控制部分(1)相连；
基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器由支承定位板(19)、光电测量传感器模块(18)组成，所述的支承定位板(19)由紧固件固定在机体(11)上，所述的光电测量传感器模块(18)为一对，分别固定在所述的支承定位板(19)上；所述的光电测量传感器模块(18)与所述的电器控制部分(1)的微电脑处理器相连；所述的光电测量传感器模块(18)由成像系统IAS、信号处理系统DSP、接口系统SPI组成。
2.根据权利要求1所述的非接触的铝片塑性变形位移测量装置，其特征在于：所述楔形体可移动调节块部分在侧面或底面装有复位弹簧，并通过一只内六角螺栓与所述的连接板(25、31)相连；只需一只内六角扳手就可以将铝片样品(21)在楔形夹具(17)中夹紧，而且夹持力度大小可控。
3.根据权利要求1所述的非接触的铝片塑性变形位移测量装置，其特征在于：通过所述的电磁离合器(4)和所述的联动控制(5、6)实现手动与自动的切换，自动拉伸或复位时电器控制部分(1)优先断开手动功能。
4.根据权利要求1所述的非接触的铝片塑性变形位移测量装置，其特征在于：基于光电芯片非接触测量位移技术的传感器模块(18)通过所述的支承定位板(19)由紧固件固定在机体(11)上，不与所述的丝杠传动部分、机械传动部分、铝片楔形夹具部分直接接触，所述的光电测量传感器模块(18)直接对准待测铝片样品(21)的两条有效标距线。
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