CN106680079A - 压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸‑疲劳测试系统 - Google Patents
压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸‑疲劳测试系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸‑疲劳测试系统，属于精密科学仪器领域。主要由精密驱动‑传动单元、CCD成像检测单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元、压电叠堆驱动器单元部分组成。测试过程中，CCD成像检测单元对试件中心点进行原位观测，一旦中心点发生偏移，可通过大刚度、高频响压电叠堆驱动器单元进行实时偏移补偿，保证试件的中心点在测试过程中的位置相对固定。该测试系统应用范围广，可分别实现单轴/双轴拉伸测试，单轴/双轴拉伸疲劳测试，与光学成像系统具有良好的兼容性，可展开对材料微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉伸测试装置，可用于单轴/双轴拉伸、单轴/双轴拉伸-疲劳材料微观力学性能测试平台使用。该系统可以结合其它光学显微镜对测试过程试件的微观结构演化行为和疲劳失效机制进行动态监测；通过力学和位移信号检测单元对测试过程中的试件所受的拉力、变形信号采集，最终可以记录试件在相应载荷下的应力应变历程，进而来分析材料的相关力学性能；通过分析处理力学和变形信号检测单元采集的力和变形信号，结合压电叠堆的输出补偿，达到对测试系统的闭环控制。
背景技术
材料在实际服役条件下，将不可避免的承受多轴拉伸/疲劳载荷的作用。这种复合载荷作用也恰恰是材料在未达使用极限就发生破坏失效的原因。如果能在材料力学性能测试中，提供一种更接近实际使用的应力状态，这样就能更加准确的获得材料在实际服役条件下的力学性能参数，这些参数对保证材料在实际服役条件下的结构安全，具有重要的参考价值。
现有大型的双轴拉伸试验机具有加载力大、行程大、刚度强、稳定性好的优点，但受体积限制，相兼容的成像装置种类有限，配合使用的成像设备也较为昂贵，对于毫米级的小型试件安装夹持较困难，以液压系统作为驱动加载方式，控制精度低，测试功能也主要集中在单一载荷形式，不能进行多轴拉伸/疲劳条件下的力学性能测试。而现有商业化双轴拉伸测试装置的体积较大，不利于同显微成像装置进行集成，导致开展的双轴拉伸原位测试技术研究还较少。因此，开发具有多轴拉伸/疲劳加载功能并能进行原位观测的测试装置，通过原位观测获得材料接近服役条件下的微观破坏机理，将促进材料在双向拉力下微观力学性能的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，解决了现有技术存在的上述问题。本发明是一种方便拆装、方便试件夹持、结构新颖，响应迅速、精度高，具有多试验功能的新型双轴拉伸-疲劳测试装置，可分别实现单轴/双轴拉伸测试，单轴/双轴拉伸疲劳测试，与光学成像系统具有良好的兼容性，可实现在拉伸-疲劳测试作用情况下，对材料微观组织结构与变形损伤机制进行原位观测。测试过程中，CCD成像检测单元对试件中心点进行原位观测，一旦中心点发生偏移，可通过压电叠堆驱动器单元进行实时偏移补偿，保证试件的中心点在测试过程中的位置相对固定。采用无柔性铰链的压电叠堆直驱式结构，可具有驱动刚度高、输出力大、响应迅速、精度高的优点，性能比现有含柔性铰链的设计方案优势明显。
为实现上述目的，本发明提供一种压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统。包括精密驱动-传动单元、CCD成像检测单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元、压电叠堆驱动器单元；其中所述的精密驱动-传动单元通过螺钉固定在底板10上，压电叠堆驱动器单元通过拉环I 8和拉环II7安装在精密加载-传动单元上。压电叠堆驱动器单元通过两个相同的拉环连接块9分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在拉环连接块9和大滑块14上，试件夹持单元通过螺钉连接，嵌入在拉环连接块9和大滑块14凹槽上。
所述的精密驱动-传动单元，由直流伺服减速电机1，经联轴器3带动滚珠丝杠5转动，所述的直流伺服电机1输出轴经过联轴器3与滚珠丝杠5相连；所述的滚珠丝杠5通过丝杠支撑座4及导轨III 26、滑块IV 27、固定在底板10上，滚珠丝杠5上安装了丝杠螺母6和拉环II 7相连；所述的拉环II 7通过螺钉和锁紧端盖20连接，固定住压电叠堆28，降低了安装的难度，同时保证了安装精度；所述的压电叠堆28和拉环I8连接，拉环I8通过螺钉连接固定在拉环连接块9上；所述的拉环连接块9上分别安装了导轨III 26、滑块III 25，四个滑块III 25及两个导轨III 26，通过螺钉固定在底板10上。所述的拉环连接块9上安装了试件夹持块29，试件夹持块29通过螺钉固定在拉环连接块9上，当滑块III 25沿着导轨III 26运动时，会带动拉环连接块9沿着水平方向运动，进而开始拉伸试件24且保持其水平位置不变。
所述的压电叠堆驱动器单元包括拉环I 8、两个相同的压电叠堆28和两个相同的拉环II7及两个相同的锁紧端盖20。其中拉环I 8为对称结构，通过螺钉固定在拉环连接块9上；所述两个相同的压电叠堆28分别安装在拉环I 8内，并通过薄铜片预紧，同时配合在拉环II7上。所述的两个相同的锁紧端盖20上，安装了两段压缩弹簧23，起到对压电叠堆28的驱动器的安装预紧作用。
所述的试件夹持单元由四个试件夹持块29和与之对应的试件缩紧压盖13组成，试件夹持块29通过螺钉固定在拉环连接块9和大滑块14上，试件24水平放试件夹持块29和锁紧压盖13之间，试件夹持块29和试件缩紧压盖13通过螺钉连接，并通过旋紧螺钉对试件24进行夹紧；所述的试件夹持块29和试件缩紧压盖13上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。
所述的力学和变形信号检测单元包括两个相同的位移传感器16和两个相同的拉力传感器12；所述的两个相同的拉力传感器12通过螺纹连接于螺母座11和大滑块14之间；位移传感器16安装在两个相对的拉环连接块9和大滑块14之间，两个位移传感器16垂直布置；十字形试件24在拉伸过程中承受的拉力与其对应的拉力传感器12的轴线在同一直线上，保证了拉力传感器12采集的力为试件24中心层所受到的力。
所述的导轨I 18、导轨II 21、导轨III 26安装在底板10上，通过螺纹和底板10连接；所述的两个相同的压电叠堆28，当试件24的中心点在一个拉伸轴方向上发生偏移时，压电叠堆28通电开始输出位移，补偿其偏移的微小位移，以保证试件24的中心点在拉伸测试过程中位置固定。
发明的另一目的在于提供一种压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试方法，将十字形试件24通过夹持单元安装在一个水平面上，通过对十字形试件24同时施加等值拉伸载荷，使十字形试件24的十字中心在一个平面上存在两个相互垂直的拉应力。当压电叠堆28开始工作时，可以对十字形试件24的四个拉伸端施加疲劳载荷，用于开展材料在不同载荷形式及大小的情况下，其微观力学性能的研究同时使用光学CCD显微镜对材料在拉伸过程中微观结构演化行为和疲劳失效机制进行动态监测。双轴拉伸测试方法的具体步骤如下：
a.控制伺服电机1旋转相应的角度，调整四个试件夹持单元对应的位置，以便试件的安装；
b.将中心带小圆孔的十字形试件24锁紧安装在试件夹持单元，再将各个力传感器12和位移传感器16读数归零；
c.在对试件施加拉伸载荷之前，调整好CCD成像检测单元的位置，直到试件中心带圆小孔出现在成像视野之内；
d.对试件四个端面开始施加相应测试类型的拉伸载荷；
e.通过CCD成像检测单元，对十字形试件24在拉伸载荷作用下，其初始裂纹萌生及扩展的现象进行有针对的观测，在对十字形试件24中心点相对位置进行图像采集的过程中，一旦发现中心点发生偏移，通过计算机内相应的处理软件对图像进行处理，计算出观测点位置改变量，利用其改变量作为反馈源，结合压电叠堆激励的时序、相位与频率对电机电压信号设定有效补偿，压电叠堆28通电伸长，大刚度、大输出力的压电叠堆直驱式结构快速将响应传递到试件夹持单元，使其向着中心点偏移的反方向进行位移补偿，从而实现压电叠堆驱动器单元进行实时偏移补偿的功能，如此保证了十字形试件24的中心点在拉伸测试过程中的位置相对固定，从而达到闭环控制效果；
f.测试结束后，通过对力学和变形信号检测单元采集的数据进行处理，记录出拉伸过程中应力-应变历程曲线，进而对材料微观力学性能进行分析。
本发明的有益效果在于：测试系统方便拆装、方便试件夹持、结构新颖，响应迅速、精度高，具有多试验功能的新型双轴拉伸-疲劳测试装置，可分别实现单轴拉伸测试，双轴拉伸测试，单轴、双轴拉伸疲劳测试，与光学成像系统具有良好的兼容性，可实现在拉伸-疲劳测试作用情况下，对材料微观组织结构与变形损伤机制进行原位观测。对进一步研究材料在双向应力下的微观力学性能，为材料在单向和复杂平面应力状况下的服役安全性设计，提供有利的参考。对制定相应的国内行业标准，原位测试技术及装置的发展，国内材料领域微观力学性能的研究有至关重要的意义。
附图说明
此处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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的精密驱动-传动单元结构示意图；
图3为本发明的压电叠堆驱动器单元结构示意图；
图4为本发明的试件夹持单元结构示意图；
图5为本发明电气控制原理示意图；
图6为本发明测试过程中的原位观测原理示意图；
图中：1、直流伺服电机；2、电机支承座；3、联轴器；4、丝杠支撑座；5、滚珠丝杠；6、丝杠螺母；7、拉环II；8、拉环I；9、拉环连接块；10、底板；11、螺母座；12、拉力传感器；13、试件缩紧压盖；14、大滑块；15、位移传感器支架I；16、位移传感器；17、位移传感器支架II；18、导轨I；19、滑块I；20、锁紧端盖；21、导轨II；22、滑块II；23、压缩弹簧；24、十字形试件；25、滑块III；26、导轨III；27、滑块IV；28、压电叠堆；29、试件夹持块。
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，本发明提供一种压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统。包括精密驱动-传动单元、CCD成像检测单元、力学和变形信号检测单元、试件夹持单元、压电叠堆驱动器单元等；其中所述的精密加载-传动单元通过螺钉固定在底板10上，压电叠堆驱动器单元通过拉环I 8和拉环II 7安装在精密加载-传动单元上。压电叠堆驱动器单元通过两个相同的拉环连接块9分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在拉环连接块9和大滑块14上，试件夹持单元通过螺钉连接，嵌入在拉环连接块9和大滑块14凹槽上。可分别实现单轴/双轴拉伸测试，单轴/双轴拉伸疲劳测试，与光学成像系统具有良好的兼容性，可实现在动态原位拉伸-疲劳测试作用情况下，对材料微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律研究。
参见图2所示，所述的精密驱动-传动单元，由直流伺服减速电机1，经联轴器3带动滚珠丝杠5转动，所述的直流伺服电机1输出轴经过联轴器3与滚珠丝杠5相连；所述的滚珠丝杠5通过丝杠支撑座4及导轨III 26、滑块IV 27、固定在底板10上，滚珠丝杠5上安装了丝杠螺母6和拉环II 7相连；所述的拉环II 7通过螺钉和锁紧端盖20连接，固定住压电叠堆28，降低了安装的难度，同时保证了安装精度；所述的压电叠堆28和拉环I 8连接，拉环I 8通过螺钉连接固定在拉环连接块9上；所述的拉环连接块9上分别安装了导轨III 26、滑块III 25，四个滑块III 25及两个导轨III 26，通过螺钉固定在底板10上。所述的拉环连接块9上安装了试件夹持块29，试件夹持块29通过螺钉固定在拉环连接块9上，当滑块III 25沿着导轨III 26运动时，会带动拉环连接块9沿着水平方向运动，进而开始拉伸试件24且保持其水平位置不变。
参见图3所示，所述的压电叠堆驱动器单元包括拉环I 8、两个相同的压电叠堆28和两个相同的拉环II7及两个相同的锁紧端盖20。其中拉环I 8为对称结构，通过螺钉固定在拉环连接块9上；所述两个相同的压电叠堆28分别安装在拉环I 8内，并通过薄铜片预紧，同时配合在拉环II 7上。所述的两个相同的锁紧端盖20上，安装了两段压缩弹簧23，起到对压电叠堆28的驱动器的安装预紧作用。
参见图4所示，所述的试件夹持单元由四个试件夹持29和与之对应的试件缩紧压盖13组成，试件夹持块29通过螺钉固定在拉环连接块9和大滑块14上，试件24水平放试件夹持块29和锁紧压盖13之间，试件夹持块29和试件缩紧压盖13通过螺钉连接，并通过旋紧螺钉对试件24进行夹紧；所述的试件夹持块29和试件缩紧压盖13上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。
参见图5所示，所述的力学和变形信号检测单元包括两个相同的位移传感器16和两个相同的拉力传感器12；所述的两个相同的拉力传感器12通过螺纹连接于螺母座11和大滑块14之间；位移传感器16安装在两个相对的拉环连接块9和大滑块14之间，两个位移传感器16垂直布置；十字形试件24在拉伸过程中承受的拉力与其对应的拉力传感器12的轴线在同一直线上，保证了拉力传感器12采集的力为试件24中心层所受到的力
所述的导轨I 18、导轨II 21、导轨III 26安装在底板10上，通过螺纹和底板10连接；所述的两个相同的压电叠堆28，当试件24的中心点在一个拉伸轴方向上发生偏移时，压电叠堆28通电开始输出位移，补偿其偏移的微小位移，以保证试件24的中心点在拉伸测试过程中位置固定。
本发明的压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，具体测试步骤如下：
a.控制伺服电机1旋转相应的角度，调整四个试件夹持单元对应的位置，以便试件的安装
b.将中心带小圆孔的十字形试件24锁紧安装在试件夹持单元，再将各个力传感器12和位移传感器16读数归零；
c.在对试件施加拉伸载荷之前，调整好CCD成像检测单元的位置，直到试件中心带圆小孔出现在成像视野之内；
d.对试件四个端面开始施加相应测试类型的拉伸载荷、疲劳载荷；
e.通过CCD成像检测单元，对十字形试件24在拉伸载荷作用下，其初始裂纹萌生及扩展的现象进行有针对的观测，在对十字形试件24中心点相对位置进行图像采集的过程中，一旦发现中心点发生偏移，通过计算机内相应的处理软件对图像进行处理，计算出观测点位置改变量，利用其改变量作为反馈源，结合压电叠堆激励的时序、相位与频率对电机电压信号设定有效补偿，压电叠堆28通电伸长，大刚度、大输出力的压电叠堆直驱式结构快速将响应传递到试件夹持单元，使其向着中心点偏移的反方向进行位移补偿，从而实现压电叠堆驱动器单元进行实时偏移补偿的功能，如此保证了十字形试件24的中心点在拉伸测试过程中的位置相对固定，从而达到闭环控制效果；
f.测试结束后，通过对力学和变形信号检测单元采集的数据进行处理，记录拉伸过程中应力-应变历程曲线，进而对材料微观力学性能进行分析。
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 (8)
1.一种压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：包括精密驱动-传动单元、压电叠堆驱动器单元、试件夹持单元、力学和变形信号检测单元、CCD成像检测单元；其中，精密驱动-传动单元通过螺钉固定在底板(10)上，压电叠堆驱动器单元通过拉环I(8)和拉环II(7)安装在精密驱动-传动单元上,压电叠堆驱动器单元通过两个相同的拉环连接块(9)分别与试件夹持单元相连，力学和变形信号检测单元安装在拉环连接块(9)和大滑块(14)上，试件夹持单元通过螺钉连接，嵌入在拉环连接块(9)和大滑块(14)凹槽上。
2.根据权利要求1所述的压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的精密驱动-传动单元，由直流伺服减速电机(1)经联轴器(3)带动滚珠丝杠(5)转动，所述的直流伺服电机(1)输出轴经过联轴器(3)与滚珠丝杠(5)相连；所述的滚珠丝杠(5)通过丝杠支撑座(4)及导轨III(26)、滑块IV(27)、固定在底板(10)上，滚珠丝杠(5)上安装了丝杠螺母(6)和拉环II(7)相连；所述的拉环II(7)通过螺钉和锁紧端盖(20)连接，固定住压电叠堆(28)，降低了安装的难度，同时保证了安装精度；所述的压电叠堆(28)和拉环I(8)连接，拉环I(8)通过螺钉连接固定在拉环连接块(9)上；所述的拉环连接块(9)上分别安装了导轨III(26)、滑块III(25)，四个滑块III(25)及两个导轨III(26)，通过螺钉固定在底板(10)上,所述的拉环连接块(9)上安装了试件夹持块(29)，试件夹持块(29)通过螺钉固定在拉环连接块(9)上，当滑块III(25)沿着导轨III(26)运动时，会带动拉环连接块(9)沿着水平方向运动,进而开始拉伸十字形试件(24)且保持其水平位置不变。
3.压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的压电叠堆驱动器单元包括拉环I(8)、两个相同的压电叠堆(28)和两个相同的拉环II(7)及两个相同的锁紧端盖(20),其中拉环I(8)为对称结构，通过螺钉固定在拉环连接块(9)上；所述两个相同的压电叠堆(28)分别安装在拉环I(8)内，并通过薄铜片预紧，同时配合在拉环II(7)上；所述的两个相同的锁紧端盖(20)上，安装了两段压缩弹簧(23)，起到对压电叠堆(28)的驱动器的安装预紧作用。
4.根据权利要求1所述的压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的试件夹持单元由由四个试件夹持块(29)和与之对应的试件缩紧压盖(13)组成，试件夹持块(29)通过螺钉固定在拉环连接块(9)和大滑块(14)上，试件(24)水平放试件夹持块(29)和试件缩紧压盖(13)之间，试件夹持块(29)和试件缩紧压盖(13)通过螺钉连接，并通过旋紧螺钉对试件(24)进行夹紧；所述的试件夹持块(29)和试件缩紧压盖(13)上加工有滚花，以保证夹持的可靠性。
5.根据权利要求1所述的压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的力学和变形信号检测单元包括两个相同的位移传感器(16)和两个相同的拉力传感器(12)；所述的两个相同的拉力传感器(12)通过螺纹连接于螺母座(11)和大滑块(14)之间；位移传感器(16)安装在两个相对的拉环连接块(9)和大滑块(14)之间，两个位移传感器(16)垂直布置；试件(24)在拉伸过程中承受的拉力与其对应的拉力传感器(12)的轴线在同一直线上，保证了拉力传感器(12)采集的力为试件(24)中心层所受到的力。
6.根据权利要求2所述的压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的导轨I(18)、导轨II(21)、导轨III(26)安装在底板(10)上，通过螺纹和底板(10)连接；所述的两个相同的压电叠堆(28)，当CCD检测单元检测到试件(24)的中心点在一个拉伸轴方向上发生偏移时，压电叠堆(28)通电开始输出位移，补偿其偏移的微小位移，以保证试件(24)的中心点在拉伸测试过程中位置固定。
7.一种压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：将十字形试件(24)通过夹持单元安装在一个水平面上，通过对十字形试件(24)同时施加等值拉伸载荷，使十字形试件(24)的十字中心在一个平面上存在两个相互垂直的拉应力，展开拉伸测试时，CCD成像检测单元对十字形试件(24)中心点进行原位观测，一旦中心点发生偏移，压电叠堆(28)通电伸长，大刚度、大输出力的压电叠堆直驱式结构快速将响应传递到试件夹持单元，使其向着中心点偏移的反方向进行位移补偿，从而实现压电叠堆驱动器单元进行实时偏移补偿的功能，如此保证了十字形试件(24)的中心点在拉伸测试过程中的位置相对固定，此外，当进行疲劳测试时，对压电叠堆(28)施加对应满足工作要求的电压，压电叠堆(28)周期性伸长，带动拉环I(8)变形，将响应传递到试件夹持单元，从而对十字形试件(24)四个拉伸端施加上疲劳载荷，用于开展材料在疲劳载荷形式下，其微观力学性能的研究，同时使用光学CCD显微镜对材料在测试过程中微观结构演化行为和疲劳失效机制进行动态监测。
8.如权利要求1～7中任意一项所述压电叠堆直驱型宏微结合双轴拉伸-疲劳测试系统，其特征在于：所述的拉伸加载模式包括力加载控制模式和速度加载控制模式，所述的力加载控制模式是通过拉力传感器实时测得的数据来反馈并控制加载的力的大小；所述的速度加载控制模式是通过位移传感器测得的位移信号，再除以时间，得到的速度反馈来控制加载的速度的大小，基于所述的两种加载模式，对试件两端进行等力、等速加载，结合压电叠堆(28)的输出补偿来保证十字形试件(24)中心点静止，双轴拉伸测试方法的具体步骤如下：
a.控制伺服电机(1)旋转相应的角度，调整四个试件夹持单元对应的位置，以便十字形试件(24)的安装；
b.将中心带小圆孔的十字形试件(24)锁紧安装在试件夹持单元，再将各个力传感器(12)和位移传感器(16)读数归零；
c.在对十字形试件(24)施加拉伸载荷之前，调整好CCD成像检测单元的位置，直到十字形试件(24)中心小圆孔出现在成像视野之内；
d.对十字形试件(24)四个端面开始施加相应测试类型的拉伸载荷；
e.通过CCD成像检测单元，对十字形试件(24)在拉伸载荷作用下，其初始裂纹萌生及扩展的现象进行有针对的观测，在对十字形试件(24)中心点相对位置进行图像采集/处理的过程中，一旦发现中心点发生偏移，通过计算机内图像的数字散斑技术计算出观测点位置改变量，利用其位置误差进行反馈控制，结合压电叠堆激励的时序、相位与频率对电机电压信号设定有效补偿，压电叠堆(28)通电伸长，大刚度、大输出力的压电叠堆直驱式结构快速将响应传递到试件夹持单元，使其向着中心点偏移的反方向进行位移补偿，从而实现压电叠堆驱动器单元进行实时偏移补偿的功能，如此保证了十字形试件(24)的中心点在拉伸测试过程中的位置相对固定，从而达到闭环控制效果；
f.测试结束后，通过对力学和变形信号检测单元采集的数据进行处理，绘制出十字形试件(24)拉伸过程中应力-应变历程曲线，进而对材料微观力学性能进行分析。
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