CN105223079B - 电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，属于材料组织性能原位检测技术领域，该装置包括外架体、左右旋滚珠丝杠、运动基座A、运动基座B、试样夹头、电机驱动系统和液压驱动系统，该装置结构紧凑，具有良好的实验设备兼容性，伺服电机和液压双驱动，拉/压力范围大，扩大了用于实验的材料的强度范围，试样夹头移动距离长，可实现大变形量，位移和力检测精度高，变形速率可控，可以实现位移闭环控制或力闭环控制。该装置既可以单独使用，也可以与X射线衍射设备配合使用，很好的解决了以往实验只能进行端态检测的问题，可以原位观察试样在拉伸和压缩过程中过渡态的材料组织变化以及特定应变点的材料组织变化。

Description

电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置

技术领域

本发明涉及材料组织性能原位检测技术领域，具体涉及一种电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，该装置既可以做拉伸实验的原位观察，也可以做压缩实验的原位观察；既可以单独使用，也可以与X射线衍射设备配合使用，同时实现拉伸和压缩两种实验下的金属材料组织性能原位观测。

背景技术

X射线衍射分析(X-ray diffraction，简称XRD)，是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。X射线衍射分析的特性使得其非常适合用于金属材料在不同受力状况下的物相分析研究，但是长期以来，X射线衍射实验的试样都是处于静态的，所以，在研究拉伸过程中金属材料的物相及结构变化过程中存在以下几个问题：第一、需要分别做若干次拉伸实验和X射线衍射实验，实验次数多，试样多，实验周期长；第二、在拉伸实验处于不同阶段时通过卸载获得试样这一方法，无法确保从某一加载状态到卸载状态的过程中材料内部组织及应力状态不发生变化。

现有材料原位组织性能测试装置大多为扫描电镜配套，专门服务于X射线衍射仪的原位组织性能测试装置的专利较少。中国专利申请(CN 103528888 A)，根据材料X射线衍射特征的变化来研究材料微观尺度上应力/应变的不均匀分布，包括加载器、驱动器等结构。此专利针对材料原位组织性能实验有三点不足；第一，实验载荷受限制，最大只能达到2KN；第二，拉伸时两个试样夹头只有一侧移动，另一侧保持静止不动，试样标距部分的位置在整个实验过程中是移动的，越靠近试样中心，移动距离越大，为了保持试样中心部位在变形过程中始终保持不变，不得不在底部增加了位移补偿机构；这样不仅无法确保检测点位置的准确性，同时也增加了装置的体积和成本；第三，只能进行单一的拉伸加载，无法进行其他加载条件实验。

由于目前先进结构材料的强度在不断提升，例如超高强度钢以及钛合金、高温合金等，在相同试样厚度和宽度下，需要更大的载荷，现有原位加载装置载荷不够。同时为了保证光斑全部照射于试样表面，试样的宽度越大越好，这样可以避免光斑照射到试样之外的表面而产生干扰数据，但是试样宽度的增加，也会增大加载力。基于以上两点，现在急迫需求大载荷的原位力学性能实验装置，但是如果通过电机驱动方式增加载荷，必然会增大整个装置的结构尺寸，而整个装置的结构尺寸又受到配套实验设备空间的限制，如装置体积过大，则会产生干涉。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，该装置可以单独使用，也能够在X射线衍射实验设备上同时实现拉伸和压缩两种实验下的材料组织性能原位观测，即结合拉伸试验机和X射线衍射仪的功能于一体，实现实时检测。该装置设计电机驱动和液压驱动的复合驱动模式，液压驱动模式可以保证在较小的空间要求下，实现更大的加载力，这样不仅可以保证试样的尺寸，还可以增加试验材料的多样性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，该装置包括外架体、左右旋滚珠丝杠、运动基座A、运动基座B、试样夹头、电机驱动系统和液压驱动系统；其中：

所述外架体包括底板、侧板A和侧板B，侧板A和侧板B分别垂直安装于底板的两侧；所述左右旋滚珠丝杠为两个，每个左右旋滚珠丝杠的两端通过滚动轴承分别安装在侧板A和侧板B上；所述运动基座A和运动基座B套装于所述左右旋滚珠丝杠上；运动基座A和运动基座B上设有试样夹头；

所述电机驱动系统包括伺服电机和蜗杆传动机构；其中：伺服电机的动力通过人字齿轮A和人字齿轮B传到蜗杆传动机构，蜗杆传动机构包括蜗杆和蜗轮，蜗杆轴两端均安装蜗杆，与蜗杆相配合的蜗轮安装于所述左右旋滚珠丝杠的中间位置；所述左右旋滚珠丝杠上，运动基座A和运动基座B分别位于蜗轮的两侧，且与蜗轮等距离；每个左右旋滚珠丝杠上安装两个丝母，两个丝母分别固定在运动基座A和运动基座B的内侧(即靠近蜗轮的一侧)；所述左右旋滚珠丝杠转动时，带动每个左右旋滚珠丝杠上的两个丝母实现相向或者相离直线运动，进而带动运动基座A和运动基座B及其上的试样夹头实现对试样的精确拉伸/压缩作用，并保证试样永远处于中间位置；所述电机驱动系统的结构具体为：伺服电机的动力通过电机轴上的人字齿轮A传递到人字齿轮B，人字齿轮B固定在蜗杆轴上(中间位置)，动力传递到蜗杆轴和蜗轮，蜗轮旋转带动左右旋滚珠丝杠转动。所述伺服电机和蜗杆轴都通过支架安装于底板上；所述人字齿轮A和人字齿轮B通过紧定螺钉分别安装于伺服电机轴和蜗杆轴之上。

所述液压驱动系统包括液压缸和液压缸连接板，所述液压缸为两个，两个液压缸的缸体通过法兰盘分别安装于侧板A和侧板B上，两个液压缸的活塞通过液压缸连接板分别和运动基座A和运动基座B连接；启动液压驱动方式后，控制两个液压缸的活塞带动运动基座A和运动基座B做相离运动或相向运动，带动两个试样夹头运动，从而对试样产生拉伸作用或压缩作用。液压驱动方式启动后，通过控制伺服电机的转速和方向，从而控制左右旋滚珠丝杠、运动基座A和运动基座B的动作与液压驱动方式的设定值相同。

本发明测试装置还包括线性导轨和滑块，线性导轨安装在底板上，滑块能够在线性导轨上自由滑动；每个丝母通过螺钉安装固定于运动基座A或运动基座B上，运动基座A和运动基座B通过各自两端的螺钉安装固定于两个滑块之上，运动基座A和运动基座B带动滑块共同在线性导轨上做微小阻力滑动，从而实现对试样的拉伸/压缩，提高动力使用效率。

本发明所述试样夹头为两个，分别安装于(可采用模块化插接式设计)运动基座A和运动基座B之上，试样通过两个试样夹头进行固定。

本发明所述试样夹头和运动基座A之间安装力传感器，试样所受拉压力通过试样夹头传递到力传感器，力传感器输出的信号被采集并存储。所述力传感器两侧有预留螺纹孔，其两端分别与试样夹头和运动基座A通过螺钉连接，当固定于试样夹头上的试样受拉压时，拉压力通过试样夹头传递到力传感器，力传感器受力后内部产生电学变化，输出电信号，经过变送器，数据采集卡，进入工控机，其数据用于实时显示力时间曲线和应力应变曲线，并存储于硬盘用于后续分析。力传感器的精度为0.1‰，分别可以根据实验要求更换量程为5KN、10KN、20KN、30KN的S型力传感器。

本发明测试装置还包括位移传感器，位移传感器通过位移传感器支座安装于底板之上，通过螺栓固定；运动基座B之上还通过螺钉安装有位移传感器顶板；在实验过程中，运动基座B运动会带动位移传感器顶板运动，位移传感器顶板运动使得位移传感器的顶针跟随其运动，在位移传感器主体和顶针之间安装有弹簧，会始终保证顶针与位移传感器顶板保持接触。顶针运动会使得位移传感器内部产生电学变化，输出电信号，经过变送器，数据采集卡，进入工控机，其数据用于实时显示位移时间曲线和应力应变曲线，并存储于硬盘用于后续分析。位移传感器的精度为0.1‰，可以根据实际需求更换不同量程和精度的位移传感器。

本发明测试装置还包括O形力传感器，安装在丝母和运动基座B之间，用于实时检测丝母和运动基座B之间的受力，O形力传感器将受力情况反馈到电机控制器，通过对伺服电机的转速进行调整，进而精确控制左右旋滚珠丝杠与运动基座A和运动基座B动作一致。

本发明测试装置中，试样的安装平面要高于经过两个左右旋滚珠丝杠轴线的平面15mm以上，因此当试样承受拉压应力时，会对运动基座A和运动基座B产生附加转矩；而液压缸轴线所处的平面要低于经过两个左右旋滚珠丝杠轴线的平面10mm，因此液压缸对运动基座A和运动基座B产生的附加转矩的方向与试样对运动基座A和运动基座B产生附加转矩方向相反，在很大程度上抵消了附加转矩，增加了整个装置的运动平稳性。

本发明测试装置还包括基准板，设于底板上，所述基准板上加工预留安装孔，用于将该测试装置安装到其他设备(X射线衍射设备等)上。

本发明的有益效果是：

1.采用本发明，可以同时实现拉伸和压缩两种材料力学性能实验的原位连续观测，既可以单独使用，也可以在X射线衍射设备上配合使用。

2.本发明控制部分采用人机界面，界面友好，直观，操作简单。

3.本发明简化了以往实验流程，缩短了实验时间，节省了科研成本。降低了制样的要求，提高了设备使用效率。

4.试样夹头采用模块化插接式设计，更换方便，进行拉伸和压缩实验分别采用对应的夹头，也可以按需设计试样和夹头的形状及规格。增加了实验装置的灵活性，可以很好的满足某些特定实验或者材料的要求。

5.实验数据可以实时采集并输入计算机，可形成应力应变曲线，时间位移曲线，时间力曲线，结合X射线衍射实验数据，为后续分析提供强有力的数据支撑。

6.该测试装置针对加载和卸载过程可以实现精确控制从而能够更加准确的观测材料在形变过程中的组织演变情况。传统试样只能观察完全卸载的状态，无法确定试样在卸载过程中是否发生变化。该测试装置可以在卸载过程中选择多个任意关键应变点进行状态保持，通过在线连续检测，可以获得在卸载过程中材料组织性能状态的变化规律。

7.采用位移闭环控制，精确控制拉伸/压缩的速率，在实验过程中，此装置可以将试样保持在某个特定应变值，用以检测在相应应变状态下的试样组织、结构变化。这样便于进行实验设计，有计划的选择一些关键应变点进行详细的检测，忽略次要应变点，使得实验更加有针对性，提高了实验效率和资源合理利用率。

8.采用左右旋滚珠丝杠和液压的双驱动方式，可以无缝切换。采用高精密线性导轨，摩擦力小，响应速度快，精确实现在同一时间下的相向或者相反运动，从而实现平面对称式拉伸/压缩。在X射线衍射实验过程中，光线始终可以覆盖试样的全部变形区，能够获得更加完全的检测数据，为后续分析提供了更多的数据；以往的实验是一端夹头移动，另一端夹头固定，为非对称式的拉伸/压缩，X射线衍射实验中光线只可以覆盖试样的部分变形区，并不能够获得完全的检测数据。由于本发明装置采用了左右旋滚珠丝杠，可以保证2个试样夹头在加载过程中同时移动，确保了试样的中心位置不发生改变，这样衍射光斑检测位置始终处于试样中心部位，确保了检测点位置的准确性和实验数据来源的可靠性。

本发明的技术参数如下：采用电液双驱动方式，可以在X射线衍射设备上同时实现拉伸和压缩两种力学性能实验，采用可更换夹头设计，可按需设计试样和夹头的形状及规格，形变速率可控，0.015mm/s～2mm/s，拉力/压力范围大，最高可达30KN，夹头移动位移长，最大范围60mm，最高可实现材料500％伸长率，位移检测精度高，0.002mm，实验数据可以实时采集并输入计算机，可形成应力应变曲线，供后续分析使用。

附图说明

图1为本发明实验装置整体结构外观示意图。

图2为本发明实验装置驱动结构主要部分示意图。

图3为本发明实验装置控制原理示意图。

图4为本发明实验装置整体结构俯视图。

图1-4中：1-基准板，2-底板，3-伺服电机，4-人字齿轮A，5-人字齿轮B，6-蜗杆轴，7-蜗杆，8-蜗轮，9-左右旋滚珠丝杠，10-丝母，11-运动基座A，12-运动基座B，13-线性导轨，14-滑块，15-力传感器，16-试样夹头，17-试样，18-液压缸，19-液压缸连接板，20-位移传感器支座，21-位移传感器，22-位移传感器顶板，23-侧板A，24-侧板B，25-O型力传感器，26-滚动轴承。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明。

本发明为能够在X射线衍射实验设备上同时实现拉伸和压缩两种力学性能实验下材料组织的原位观测装置。该装置既可以做拉伸实验的原位观察，也可以做压缩实验的原位观察。既可以单独使用，也可以结合X射线衍射设备使用。

如图1‐4所示，本发明装置采用了伺服电机和液压双驱方式，2种驱动方式可以无缝切换。该装置也可随时暂停。本发明测试装置包括以下部分：

一、执行部分(位于机内)

执行部分结合伺服电机驱动和液压驱动于一体，即实现“电液双驱”。由于X射线衍射设备允许的设计空间小，因此采用的伺服电机的尺寸受限，从而伺服电机输出的额定扭矩和最大扭矩也受到限制，电机驱动最高能提供4KN拉压力。为了弥补电机驱动转矩小，拉压力不够高这一问题，增加了液压驱动方式，最高可以提供30KN拉压力，完全满足实验需求。

1.伺服电机驱动

伺服电机3的动力通过人字齿轮A4和人字齿轮B5传递到蜗杆轴6。齿轮传动的瞬时传动比比其他传动形式稳定，运动控制精确。但是直齿轮在啮合过程中，轮齿的突然啮入与突然啮出，将导致机构将形成瞬间冲击；斜齿轮在啮入啮出的循环中，每一对轮齿的啮入啮出是逐渐完成的，没有直齿轮的啮合冲击现象，运行比较平稳，容易保证传动比恒定。但是斜齿轮会产生轴向力，为了获得平稳的传动效果，又不产生轴向力，采用人字齿轮，两个方向的斜齿所产生的轴向力互相抵消。伺服电机3和蜗杆轴6都通过支架安装于底板2上。人字齿轮A4和人字齿轮B5通过紧定螺钉分别安装于伺服电机轴和蜗杆轴6之上。

蜗杆7和蜗轮8传动结构紧凑，可以实现很大的传动比，本发明为30，加上伺服电机3自带的减速器，传动比最高达到2076：1，通过换算，在电机驱动方式下，拉伸速率范围0.015mm/s～2mm/s，蜗杆7安装于蜗杆轴6两端，蜗轮8安装于左右旋滚珠丝杠9中间位置。

电机驱动方式下拉伸/压缩的核心原理是通过左右选滚珠丝杠9实现的。每个左右旋滚珠丝杠9同时具有左旋螺纹和右旋螺纹，长度各一半，在整个左右旋滚珠丝杠9转动时，左右旋滚珠丝杠9两段的实际旋转效果分别与主轴旋转方向相同和相反，因此带动每个左右旋滚珠丝杠9上的两个丝母10实现相向或者相离直线运动，从而带动运动基座A11和运动基座B12及其上的试样夹头16实现对试样的精确拉伸/压缩作用，保证试样永远处于中间位置，为X射线衍射实验提供了试样位置的高度可靠性。每个左右选滚珠丝杠9通过两个滚动轴承26安装于侧板A23和侧板B24。

每个丝母10通过4个螺钉安装于运动基座A11和运动基座B12，每个运动基座通过每端4个螺钉安装于2个滑块14之上，滑块14和运动基座A11和运动基座B12共同在线性导轨13上做微小阻力滑动。从而实现对试样17的拉伸/压缩，提高动力使用效率。

该装置2个试样夹头16分别安装于运动基座A11和运动基座B12之上，可采用模块化插接式设计，可方便的更换试样夹头，可以按需设计和更改试样尺寸。图1-2所示为板材拉伸压缩试样夹头，图中试样位置为放置于试样夹头16下部，也可以放置于试样夹头16上部；还可以更换为棒材压缩试样夹头，试样夹头的夹持部分可以按需设计。试样17本身的尺寸也可以按需设计，增加了实验的灵活性和对仪器设备的适应性。试样最大宽度可以增加到X射线光斑宽度，大约为17mm。这样可以保证X射线不会照射到其他金属材料上，也不会产生干扰峰，对后续数据分析提供了纯净的更加完整的数据来源。

力传感器15安装于试样夹头16和运动基座A11之间，力传感器15两侧有预留螺纹孔，其两端分别与试样夹头16和运动基座A11通过螺钉连接，试样17固定于两个试样夹头16上，当试样17受拉压时，拉压力通过试样夹头16传递到力传感器15，力传感器15受力后内部产生电学变化，输出电信号，经过变送器，数据采集卡，进入工控机，其数据用于实时显示力时间曲线和应力应变曲线，并存储于硬盘用于后续分析。力传感器15的精度为0.1‰，分别可以根据实验要求更换量程为5KN、10KN、20KN、30KN的S型力传感器。

位移传感器21通过位移传感器支座20安装于底板2之上，通过螺栓固定。位移传感器21包括主体和顶针，位移传感器顶板22通过螺钉安装于运动基座B12之上。在实验过程中，运动基座B12运动会带动位移传感器顶板22运动，位移传感器顶板22运动使得位移传感器21的顶针跟随其运动，在位移传感器主体和顶针之间安装有弹簧，会始终保证顶针与位移传感器顶板22保持接触。顶针运动会使得位移传感器21内部产生电学变化，输出电信号，经过变送器，数据采集卡，进入工控机，其数据用于实时显示位移时间曲线和应力应变曲线，并存储于硬盘用于后续分析。位移传感器21的精度为0.1‰，可以根据实际需求更换不同量程和精度的位移传感器。

2.液压驱动

启动液压驱动方式以后，工控机和PLC会向数字油泵发出指令，根据设定的拉伸速率，换算并控制给油速率。数字油泵安装在机外。数字油泵根据指令按照给定速率向两个液压缸18供油。两个液压缸18的缸体通过法兰盘安装于侧板A23和侧板B24，两个液压缸18的活塞通过液压缸连接板19分别和运动基座A11和运动基座B12连接。每个液压缸18都分为A腔和B腔，2个A腔进油，2个活塞杆作回退运动，带动运动基座A11和运动基座B12做相离运动，进而带动2个试样夹头16相离，对试样产生拉伸作用。同理，2个B腔进油，活塞杆顶出，带动运动基座A11和运动基座B12相向运动，进而带动2个试样夹头16相向运动，对试样产生压缩作用。

在“液压驱动”方式下左右旋滚珠丝杠9停止运动时，或者其运动和运动基座A11和运动基座B12不协调，都将对运动基座A11和运动基座B12的滑动产生阻力，甚至由于液压驱动的超高拉压力，可能会对精密左右旋滚珠丝杠9造成破坏形的影响，因此为了让左右旋滚珠丝杠9的运动能够和运动基座A11和运动基座B12的滑动相协调，伺服电机3会自动进入“跟随”模式，工控机和PLC会通过设定的应变速率调整电机的转速和方向，从而控制左右旋丝杠的“跟随”转速，保证“液压驱动”方式下运动基座A11和运动基座B12的运动顺畅性。虽然伺服电机3经过计算所设定的转速值和运动基座A11和运动基座B12相协调，但是在经过人字齿轮，蜗轮蜗杆传动以后，左右旋滚珠丝杠9的运动难免会和计算值产生一定的误差，为了确保左右旋滚珠丝杠9和运动基座A11和运动基座B12的运动精确协调，在丝母10和运动基座B12之间安装一个O形力传感器25，用于实时检测丝母10和运动基座B12之间的受力，跟随过慢会对O形力传感器25产生拉力，跟随过快，会对O形力传感器25产生压力，O形力传感器25的数据通过经过A/D转换，数据采集卡，最后输入PLC和工控机，然后将数据反馈到电机控制器，对伺服电机3的转速进行相反方向的微调，进而精确控制左右旋滚珠丝杠9对运动基座A11和运动基座B12的“跟随”运动。

液压缸18的另外一个作用就是在伺服电机驱动模式下，平衡附加转矩。理想的试样17平面所处位置应该是和经过两个左右旋滚珠丝杠9轴线的平面重合，但是如果试样17放置于此平面，由于入射角度太大，光线无法照射到试样17表面上，实验是无法进行的。试样17的实际安装平面要高于经过2个左右旋滚珠丝杠9轴线的平面15mm以上，因此当试样承受拉压应力时，会对运动基座A11和运动基座B12产生附加转矩，而液压缸18轴线所处的平面要低于经过两个左右旋滚珠丝杠9轴线的平面10mm，因此液压缸18对运动基座A11和运动基座B12产生的附加转矩的方向与试样17对运动基座A11和运动基座B12产生附加转矩方向相反，在很大程度上抵消了附加转矩，增加了整个装置的运动平稳性。

基准板(1)上额外加工了一些预留安装孔，大小不一，为了便于安装到其他设备上，增加了本发明的可移植性。

二、控制部分(位于机外)

控制部分包括：工控机、PLC、数据采集卡、驱动器、控制器、数字油泵、人机界面等。人机界面完成操作人员和装置之间的会话，操作人员向装置发出指令，装置通过人机界面显示实验过程中的数据。工控机、PLC、数据采集卡实现对位移、力数据的采集、分析、运算、反馈等工作。根据装置的机械参数，编制了相应的上位机程序。驱动器、控制器完成对伺服电机的闭环控制。数字油泵及相关回路实现了对双油缸的精确同步进给。

本发明上述测试装置作业过程如下：

1.将该测试装置通过基准板1安装到X射线衍射实验装置上。

2.通过人机界面，将伺服电机调至最高转速，并控制方向，调整两个试样夹头16之间的间距，使得试样能够放置于运动基座A11和运动基座B12之间。

3.通过试样夹头16，将试样安装于运动基座A11和运动基座B12之上并固定。

一、电机驱动方式：

1.通过人机界面，设定拉伸速率，选择“电机驱动”方式，点击“开始”。

2.伺服电机3转动带动安装于轴端的人字齿轮A4转动，人字齿轮A4转动带动人字齿轮B5转动，人字齿轮B5安装在蜗杆轴6之上，并位于蜗杆轴6正中间位置，蜗杆轴6两端安装有2个蜗杆7，人字齿轮B5转动带动2个蜗杆7转动，2个蜗杆7转动带动2个蜗轮8转动，2个蜗轮8分别安装于2个左右旋滚珠丝杠9中间，2个蜗轮8转动带动2个左右旋滚珠丝杠9转动，2个左右旋滚珠丝杠9转动会带动运动基座A11和运动基座B12通过4个滑块14在2个线性导轨13上做精密滑动，每个左右旋滚珠丝杠9同时具有左旋螺纹和右旋螺纹，长度各一半，在整个左右旋滚珠丝杠9转动时，左右旋滚珠丝杠9两段的实际旋转效果分别与主轴旋转方向相同和相反，因此带动每个左右旋滚珠丝杠9上的2个丝母10相向或者相离运动，进而带动运动基座A11和运动基座B12相向或者相离会运动，运动基座A11和运动基座B12相向或者相离会运动带动2个试样夹头相向或者相离运动，2个试样夹头16相向或者相离运动会对试样17产生压缩/拉伸作用。

3.在试样17拉伸/压缩过程中，试样17受拉伸/压缩的力通过试样夹头16下方安装于运动基座A11和试样夹头16之间的力传感器15测量并实时输出，经过A/D转换，数据采集卡，最后输入PLC和工控机，用于显示时间-力曲线和应力应变曲线，并可以存储到硬盘，供后续处理。

4.在试样17拉伸/压缩过程中，运动基座B12的运动会导致微型位移传感器21的顶针移动，从而通过产生的电学变化输出位移变化数据，经过A/D转换，数据采集卡，最后输入PLC和人机界面，用于显示时间-位移曲线和应力应变曲线，并存储到硬盘，供后续处理。

5.在拉伸过程中，可以将试样一直拉至断裂状态，也可以将试样拉伸至实验所需的特定应变值，然后在此应变点保载，观察试样保载时的状态，获得X射线衍射数据；也可以在此应变点逐步卸载，观察卸载过程中试样在X射线衍射过程中的变化。在卸载过程中，可以根据实验设计，取任意多个点，只需根据在人机界面上观察到的应力应变值，点击“保持”即可。压缩过程同理。

二、液压驱动方式：

1.通过人机界面，设定拉伸速率，选择“液压驱动”方式，点击“开始”。

2.工控机，PLC通过拉伸速率计算油泵给油速度，然后向数字油泵发出控制指令，数字油泵根据指令按照给定速率向2个液压缸18供油，每个液压缸18都分为A腔和B腔，2个A腔进油，2个活塞杆作回退运动，带动运动基座A11和运动基座B12做相离运动，进而带动2个试样夹头16相离，对试样产生拉伸作用。同理，2个B腔进油，活塞杆顶出，带动运动基座A11和运动基座B12相向运动，进而带动2个试样夹头16相向运动，对试样产生压缩作用。

3.拉伸/压缩过程中试样的力和位移的检测同电机驱动方式。同时也可以将试样保持在某一特定实验点进行详细观测。获得的力，位移数据同样被采集到工控机。

4.为了避免在“液压驱动”方式下左右旋滚珠丝杠9对运动基座A11和运动基座B12的滑动产生阻力，伺服电机3会自动进入“跟随”模式，工控机和PLC会通过设定的应变速率调整电机的转速和方向，从而控制左右旋丝杠的“跟随”转速，保证“液压驱动”方式下2个运动基座A11和运动基座B12的运动顺畅性。

5.为了避免在“液压驱动”方式下左右旋滚珠丝杠9对运动基座A11和运动基座B12的滑动产生阻力，在丝母10和运动基座B12之间安装一个O形力传感器25，用于实时检测丝母10和运动基座B12之间的受力，O形力传感器25的数据通过经过A/D转换，数据采集卡，最后输入PLC和工控机，然后将数据反馈到电机控制器，对伺服电机3的转速进行微调，进而精确控制左右旋滚珠丝杠9对运动基座A11和运动基座B12的“跟随”运动。

三、进一步说明：

1.如果实验一开始就选择液压驱动，方法如上所述。

2.如果开始是通过“电机驱动”方式进行实验，出现没有拉断，或者拉到某一应力值无法继续使材料发生变形，而且实验要求必须拉伸至断裂状态，因此实验需要更大拉力，需要切换到“液压驱动”模式，这时应该先“暂停”，再选择“液压驱动”，点击“开始”。

3.在“电机驱动”方式下，O形力传感器25的变送器停止工作，此时不需要采集该处受力信息。

实验结果证明，本发明实验装置能够很好的和X射线衍射实验设备配合使用进行拉伸/压缩实验的原位观测。其能够精确的控制拉伸速率，拉力/压力范围大，位移检测精度高，试样拉伸距离大，可以用于具有很高抗拉强度的材料的原位拉伸/压缩X射线衍射实验。

Claims (8)

1.一种电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，其特征在于：该装置包括外架体、左右旋滚珠丝杠(9)、运动基座A(11)、运动基座B(12)、试样夹头(16)、电机驱动系统和液压驱动系统；其中：

所述外架体包括底板(2)、侧板A(23)和侧板B(24)，侧板A(23)和侧板B(24)分别垂直安装于底板(2)的两侧；所述左右旋滚珠丝杠(9)为两个，每个左右旋滚珠丝杠(9)的两端通过滚动轴承(26)分别安装在侧板A(23)和侧板B(24)上；所述运动基座A(11)和运动基座B(12)套装于所述左右旋滚珠丝杠(9)上；运动基座A(11)和运动基座B(12)上设有试样夹头(16)；

所述电机驱动系统包括伺服电机(3)和蜗杆传动机构；其中：伺服电机(3)的动力通过人字齿轮A(4)和人字齿轮B(5)传到蜗杆传动机构，蜗杆传动机构包括蜗杆(7)和蜗轮(8)，蜗杆轴(6)两端均安装蜗杆(7)，与蜗杆(7)相配合的蜗轮(8)安装于所述左右旋滚珠丝杠(9)的中间位置；所述左右旋滚珠丝杠(9)上，运动基座A(11)和运动基座B(12)分别位于蜗轮(8)的两侧，且与蜗轮(8)等距离；每个左右旋滚珠丝杠(9)上安装两个丝母(10)，两个丝母(10)分别固定在运动基座A(11)和运动基座B(12)的内侧；所述左右旋滚珠丝杠(9)转动时，带动每个左右旋滚珠丝杠(9)上的两个丝母(10)实现相向或者相离直线运动，进而带动运动基座A(11)和运动基座B(12)及其上的试样夹头(16)实现对试样(17)的精确拉伸/压缩作用，并保证试样(17)永远处于中间位置；

所述液压驱动系统包括液压缸(18)和液压缸连接板(19)，所述液压缸(18)为两个，两个液压缸(18)的缸体通过法兰盘分别安装于侧板A(23)和侧板B(24)上，两个液压缸(18)的活塞通过液压缸连接板(19)分别和运动基座A(11)和运动基座B(12)连接；启动液压驱动方式后，控制两个液压缸(18)的活塞带动运动基座A(11)和运动基座B(12)做相离运动或相向运动，带动两个试样夹头(16)运动，从而对试样(17)产生拉伸作用或压缩作用；

所述测试装置中，液压驱动方式启动后，通过控制伺服电机(3)的转速和方向，从而控制左右旋滚珠丝杠(9)、运动基座A(11)和运动基座B(12)的动作与液压驱动方式的设定值相同；

所述测试装置还包括O形力传感器(25)，安装在丝母(10)和运动基座B(12) 之间，用于实时检测丝母(10)和运动基座B(12)之间的受力，O形力传感器(25)将受力情况反馈到电机控制器，通过对伺服电机(3)的转速进行调整，进而精确控制左右旋滚珠丝杠(9)与运动基座A(11)和运动基座B(12)动作一致。

2.根据权利要求1所述的电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括线性导轨(13)和滑块(14)，线性导轨(13)安装在底板(2)上，滑块(14)能够在线性导轨(13)上自由滑动；每个丝母(10)通过螺钉安装固定于运动基座A(11)或运动基座B(12)上，运动基座A(11)和运动基座B(12)通过各自两端的螺钉安装固定于两个滑块(14)之上，运动基座A(11)和运动基座B(12)带动滑块(14)共同在线性导轨(13)上滑动，从而实现对试样(17)的拉伸/压缩。

3.根据权利要求1所述的电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，其特征在于：所述试样夹头(16)为两个，分别安装于运动基座A(11)和运动基座B(12)之上，试样(17)通过两个试样夹头(16)进行固定。

4.根据权利要求1或3所述的电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，其特征在于：所述试样夹头(16)和运动基座A(11)之间安装力传感器(15)，试样(17)所受拉压力通过试样夹头(16)传递到力传感器(15)，力传感器(15)输出的信号被采集并存储。

5.根据权利要求1所述的电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括位移传感器(21)，位移传感器(21)通过位移传感器支座(20)安装于底板(2)之上，通过螺栓固定；运动基座B(12)之上还通过螺钉安装有位移传感器顶板(22)；在实验过程中，运动基座B(12)运动会带动位移传感器顶板(22)运动，位移传感器顶板(22)运动使得位移传感器(21)的顶针跟随其运动，在位移传感器主体和顶针之间安装有弹簧，会始终保证顶针与位移传感器顶板(22)保持接触；位移传感器顶针运动会使得位移传感器(21)输出信号并被采集及存储。

6.根据权利要求1所述的电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，其特征在于：所述电机驱动系统的结构具体为：伺服电机(3)的动力通过电机轴上的人字齿轮A(4)传递到人字齿轮B(5)，人字齿轮B(5)固定在蜗杆轴(6)上，动力传递到蜗杆轴(6)和蜗轮(8)，蜗轮(8)旋转带动左右旋滚珠丝杠(9)转动；所述伺服电机(3)和蜗杆轴(6)都通过支架安装于底板(2)上；所述人字齿轮A(4)和人字齿轮B(5)通过紧定螺钉分别安装于伺服电机轴和蜗杆轴(6)之上。

7.根据权利要求1所述的电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，其特征在于：所述测试装置中，试样(17)的安装平面要高于经过两个左右旋滚珠丝杠(9)轴线的平面15mm以上；液压缸(18)轴线所处的平面要低于经过两个左右旋滚珠丝杠(9)轴线的平面10mm。

8.根据权利要求1所述的电机和液压复合驱动方式下材料组织性能原位测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括基准板(1)，设于底板(2)上，所述基准板(1)上加工预留安装孔，用于将该测试装置安装到X射线衍射设备上。