CN107144486A - 一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法，在上箱体和底座之间设置有两根导向柱，两根导向柱上滑动设置有刀具组件和横梁组件，该横梁组件由设置在上箱体内的控制机构通过拉索带动其沿导向柱上下滑动，横梁组件上设置有吸附刀具组件的电磁铁，且电磁铁由PLC控制器控制其工作，以实现横梁组件与刀具组件的连接和断开。本发明利用自由落体原理，设置固定的初始能量，以固定能量来切割试样，测得切割后的剩余能量，切割前后的能量差，即是切断试样所需的总能量；可用于对玉米、甘蔗、芝麻、棉花、麻类等农作物茎秆、尼龙等材料的切割性能进行测试等。
Description
技术领域
本发明涉及到机械切割测量、测试领域，具体的说是一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法。
背景技术
在农业领域中，植物茎秆含有丰富的有机质、矿物养分和热能，是一种宝贵的可再生资源。我国年产农作物秸秆近7亿吨，可广泛用于肥料、饲料、燃料造纸、建材等多种领域。在上述秸秆利用途径中，饲料、还田和生产沼气等均需要采用各类刀具对秸秆进行小尺寸化，即需要多次切断。
而在目前的农业机械中，植物茎秆特别是粗硬茎秆的切断功耗很高。以秸秆还田机为例，切断功耗约占总功耗的54%。按照我国2010年玉米秸秆产量约17724万吨、还田20%计算，则切断功耗将达1850万KWh，能源消耗巨大。
同样的问题也存在于工业领域中，塑料、纸张在制成各种尺寸的产品时，必然要进行切割。而纸板、绳索及布类等材料在使用过程中，则需要较高的耐切割能力。
金属刀具切割植物茎秆、塑料、纸张及布类等非金属材料是各个领域常见的金属非金属材料相互作用形式。切割过程中的刀具磨损、能量消耗和切割质量是衡量切割系统性能的重要指标。
发明内容
本发明的目的是提供一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法，该测试装置具有普适性，可用于对玉米、甘蔗、芝麻、棉花、麻类等农作物茎秆的切割性能进行测试、也可用于对尼龙等材料的切割性能进行测试、还可用于对棕绳、麻绳、登山绳、布类纺织品、纸板及类似包装产品的切割性能进行测试，同样的也可用于对切割刀具的磨损进行测试。
本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种软材料试样切割性能测试装置，包括底座和通过支撑柱固定在底座上方的上箱体，在上箱体和底座之间设置有两根导向柱，两根导向柱上滑动设置有用于切割软材料试样的刀具组件，所述刀具组件与上箱体之间设置有沿两根导向柱上下滑动的横梁组件，该横梁组件由设置在上箱体内的控制机构通过拉索带动其沿导向柱上下滑动，所述控制机构包括伺服电机、通过伺服电机驱动器控制该伺服电机正反转的PLC控制器以及与伺服电机输出轴连接的绕线编码器，绕线编码器通过拉索与横梁组件连接，横梁组件上设置有吸附刀具组件的电磁铁，且电磁铁由PLC控制器控制其工作，以实现横梁组件与刀具组件的连接和断开；所述刀具组件上设置有切割刀片和切割力及加速度传感器组，且切割力及加速度传感器组分别将检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理。
本发明中，所述底座上刀具组件的下方设置有夹持软材料试样的夹持机构，该夹持机构包括对称设置的两组夹具组件，两组夹具组件夹持软材料试样以使其与切割刀片相垂直并位于切割刀片的正下方；每组夹具组件包括一固定在底座上的横板和与该横板垂直的竖板，在横板和竖板之间设置有连接两者的加强筋板，在横板和竖板形成的L形固定板的顶部垂直竖板设置有螺柱，螺柱的一端穿过横板后通过一拉力传感器与一绕线盘固定连接，另一端设置有调节绕线盘与横板间距的调节螺母，绕线盘上设置有蝶形螺母，该蝶形螺母与绕线盘边缘设置的豁口相配合卡住软材料试样的端部，所述拉力传感器与横板间设置有弹簧；所述两组夹具组件的拉力传感器均与同步型数据采集卡的数据输入端口连接。此时，切割方式为悬空切割；
当然，也可以不用设置夹持机构，而直接在底座上放置一支撑平板，此时，支撑平板上可放置硬材料试样，也可放置软材料试样，此时切割方式为支撑切割。
本发明中，所述底座上切割刀片的正下方设置有缓冲器，该缓冲器由软性材料制成。
本发明中，所述横梁组件包括一横杆，横杆的两端分别通过直线轴承和直线轴承座与两根导向柱滑动连接，电磁铁设置在横杆的下部，横杆的上部设置有固定拉索的固定件。
本发明中，所述刀具组件包括一刀架，刀架的两端分别通过直线轴承和直线轴承座与两根导向柱滑动连接，切割刀片设置在刀架的底部，切割力及加速度传感器组设置在刀架上的凹槽内。
本发明中，所述刀具组件上设置有调节其重量的砝码组件。
本发明中，所述底座上设置有对切割动作进行摄像的高速摄像机。
利用上述软材料试样切割性能测试装置进行测试的方法，包括以下步骤：
1）将软材料试样放置在切割刀片的正下方，并保证其长度方向与切割刀片垂直；
2）PLC控制器控制电磁铁通电工作，从而将刀具组件与横梁组件吸附结合；
3）PLC控制器通过伺服电机驱动器控制伺服电机转动，进而由绕线编码器通过拉索带动横梁组件和刀具组件同步上升达到设定高度后停止，此时，刀具组件具有已知的势能；
4）PLC控制器控制电磁铁断电，电磁力消失，刀具组件与横梁组件脱离并在重力作用下沿导向柱以自由落体的形式下落，完成对软材料试样的切割动作；同时，刀具组件上的切割力及加速度传感器组分别将切割过程中检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理
5）同步型数据采集卡依据接收的数据获得时间轴上绝对同步的切割力、切割加速度数据，并对获得的切割加速度二次积分，从而获得位移-时间曲线，将测到的切割力在位移上积分，获得切割过程中能量的消耗曲线及消耗的总能量；
6）重复步骤1）至步骤5）完成多次切割，然后通过扫描电镜设备，获得切割刀片在切割部位的磨损特性；
7）对软材料试样的切断面进行分析，获得断面质量数据，从而评价切割的效果。
本发明的工作原理是：以固定初始能量的刀片，切割农作物茎秆类、各种绳类、纸制品、塑料、纤维及纺织品等材料，通过传感器和高速摄像机，获得切割过程中的切割力、切割加速度、试样两端拉力变化数据及切割现象的图像数据，通过数据处理，可获得：（1）试样的耐切割特性；（2）切割过程中切割力变化特性；（3）切断试样所需的能量；（4）多次切割后刀具的磨损特性；（5）切割过程中刀具与试样相互作用的直观图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）本发明利用自由落体原理，设置固定的初始能量，以固定能量来切割试样，测得切割后的剩余能量，切割前后的能量差，即是切断试样所需的总能量；
2）本发明采用多通道同步型数据采集卡，并在开始试验的瞬间触发高速摄像机开始拍摄，从而获得在时间轴上绝对同步的多种数据，有利于正确分析切割过程，探寻切割原理；
3）本发明提出了一种测试农作物茎秆类、各种绳类、纸制品、塑料、纤维及纺织品等材料切割性能的方法，弥补了现有技术的空白；
4）本发明采用特殊结构的夹具组件夹持软材料试样，能够调节初始预紧力；此外，绕线盘的外缘有豁口，长条软性试样缠绕在豁口中，并用蝶形螺母压紧，好处是：
首先，试样用碟形螺母压紧固定前有至少一圈的缠绕，豁口与试样之间有摩擦力，圆形绕线盘能很好地承受切断过程中的拉力，避免了切断过程中试样从夹紧位置断裂，造成试验失败；
其次，拉力传感器的轴线与豁口圆相切，装夹后，试样的受力方向为拉力传感器的轴线方向，不会产生额外的弯矩，拉力传感器能够正确地测到拉力数据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为横梁组件的结构示意图；
图3为刀具组件的结构示意图；
图4为夹具组件的结构示意图；
图5为实施例中测控数据传递示意图；
附图标记：1、底座，2、支撑柱，3、上箱体，301、PLC控制器，302、伺服电机驱动器，303、绕线编码器，304、伺服电机，305、拉索，4、导向柱，5、横梁组件，501、电磁铁，502、横杆，6、刀具组件，601、刀架，602、切割刀片，603、切割力及加速度传感器组，604、砝码组件，7、夹具组件，701、L形固定板，702、加强筋板，703、螺柱，704、调节螺母，705、弹簧，706、拉力传感器，707、绕线盘，708、蝶形螺母，8、缓冲器，9、软材料试样。
具体实施方式
如图所示，一种软材料试样切割性能测试装置，包括底座1和通过支撑柱2固定在底座1上方的上箱体3，在上箱体3和底座1之间设置有两根导向柱4，两根导向柱4上滑动设置有用于切割软材料试样9的刀具组件6，所述刀具组件6与上箱体3之间设置有沿两根导向柱4上下滑动的横梁组件5，该横梁组件5由设置在上箱体3内的控制机构通过拉索305带动其沿导向柱4上下滑动，所述控制机构包括伺服电机304、通过伺服电机驱动器302控制该伺服电机304正反转的PLC控制器301以及与伺服电机304输出轴连接的绕线编码器303，绕线编码器303通过拉索305与横梁组件5连接，横梁组件5上设置有吸附刀具组件6的电磁铁501，且电磁铁501由PLC控制器301控制其工作，以实现横梁组件5与刀具组件6的连接和断开；所述刀具组件6上设置有切割刀片602和切割力及加速度传感器组603，且切割力及加速度传感器组603分别将检测到的切割力和加速度数据传递给与一同步型数据采集卡，该同步型数据采集卡设置在一计算机的PCI插槽中。
利用上述软材料试样切割性能测试装置进行测试的方法，包括以下步骤：
1）将软材料试样9放置在切割刀片602的正下方，并保证其长度方向与切割刀片602垂直；
2）PLC控制器301控制电磁铁501通电工作，从而将刀具组件6与横梁组件5吸附结合；
3）PLC控制器301通过伺服电机驱动器302控制伺服电机304转动，进而由绕线编码器303通过拉索305带动横梁组件5和刀具组件6同步上升达到设定高度后停止，此时，刀具组件6具有已知的势能；
4）PLC控制器301控制电磁铁501断电，电磁力消失，刀具组件6与横梁组件5脱离并在重力作用下沿导向柱4以自由落体的形式下落，完成对软材料试样9的切割动作；同时，刀具组件6上的切割力及加速度传感器组603分别将切割过程中检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理；
5）同步型数据采集卡依据接收的数据获得时间轴上绝对同步的切割力、切割加速度数据，通过数据处理对获得的切割加速度二次积分，从而获得位移-时间曲线，将测到的切割力在位移上积分，获得切割过程中能量的消耗曲线及消耗的总能量；
6）重复步骤1）至步骤5）完成多次切割，然后通过扫描电镜设备，获得切割刀片602在切割部位的磨损特性；
7）对软材料试样9的切断面进行分析，获得断面质量数据，从而评价切割的效果。
以上为本发明的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定：
如，所述底座1上刀具组件6的下方设置有夹持软材料试样9的夹持机构，该夹持机构包括对称设置的两组夹具组件7，两组夹具组件7夹持软材料试样9以使其与切割刀片602相垂直并位于切割刀片602的正下方；每组夹具组件7包括一固定在底座1上的横板和与该横板垂直的竖板，在横板和竖板之间设置有连接两者的加强筋板702，在横板和竖板形成的L形固定板701的顶部垂直竖板设置有螺柱703，螺柱703的一端穿过横板后通过一拉力传感器706与一绕线盘707固定连接，另一端设置有调节绕线盘707与横板间距的调节螺母704，绕线盘707上设置有蝶形螺母708，该蝶形螺母708与绕线盘707边缘设置的豁口相配合卡住软材料试样9的端部，所述拉力传感器706与横板间设置有弹簧705；所述两组夹具组件7的拉力传感器706均与同步型数据采集卡的数据输入端口连接；
当然，也可以不设置夹持机构，而直接在底座1上放置一支撑平板，此时，支撑平板上可放置硬材料试样，也可放置软材料试样9，此时切割方式为支撑切割；
又如，所述底座1上切割刀片602的正下方设置有缓冲器8，该缓冲器8由软性材料制成；
再如，所述横梁组件5包括一横杆502，横杆502的两端分别通过直线轴承和直线轴承座与两根导向柱4滑动连接，电磁铁501设置在横杆502的下部，横杆502的上部设置有固定拉索305的固定件；
又再如，所述刀具组件6包括一刀架601，刀架601的两端分别通过直线轴承和直线轴承座与两根导向柱4滑动连接，切割刀片602设置在刀架601的底部，切割力及加速度传感器组603设置在刀架601上的凹槽内；
又再如，所述刀具组件6上设置有调节其重量的砝码组件604；
最后，所述底座1上设置有对切割动作进行摄像的高速摄像机。
本发明的最优选方案为，底座1上具有夹持机构的同时，安装高速摄像机，此时，本装置共安装了四个测试传感器，即安装在两组夹具组件7上的左拉力传感器和右拉力传感器，安装在刀具组件6上的切割力传感器和加速度传感器组，且切割力及加速度传感器组603在竖直方向上正对切割位置，左拉力传感器和右拉力传感器的轴线与软材料试样9的方向一致；
另外，选用4通道同步型数据采集卡与四个传感器相配套，4通道同步型数据采集卡的特点是在硬件上包含了由同一时钟控制的、4套独立的AD芯片，能够实现4个通道数据在时间轴上的绝对同步；
在开始试验的瞬间，上述4个传感器的数据被数据采集卡同步采集，同时触发高速摄像开始拍摄，这样，高速摄像的数据在时间轴上也与数据采集卡采到的4通道传感器数据绝对同步；此时的测控数据传递如附图5所示；
此时试验的方法如下：
1）在两组夹具组件7上安装需要被切割的软材料试样9，通过调整调节螺母704，使软材料试样9获得一定的预紧力；
2）PLC控制器301控制电磁铁501通电工作，从而将刀具组件6与横梁组件5吸附结合，PLC控制器301通过伺服电机驱动器302控制伺服电机304转动，进而由绕线编码器303通过拉索305带动横梁组件5和刀具组件6同步上升达到设定高度后停止，此时，刀具组件6具有已知的势能；
3）PLC控制器301控制电磁铁501断电，电磁力消失，刀具组件6与横梁组件5脱离并在重力作用下沿导向柱4以自由落体的形式下落，完成对软材料试样9的切割动作；电磁铁501断电的同时，触发高速摄像机开始拍摄；刀具组件6上的切割力及加速度传感器组603分别将切割过程中检测到的切割力和加速度数据传递给同步型数据采集卡；试样两端的拉力传感器706也将测到的拉力传递给同步型数据采集卡；
具体试验分为两类：
a）试样两端固定，且有一定的预紧力T，切割刀片602落下，切割试样的中点；如此时采用两组夹具组件7夹持软材料试样9；
b）试样两端不固定，平放在工作台上，切割刀片602落下，切割试样的中点；此时不采用夹具组件7，仅仅在切割刀片602下方设置平整的工作台，然后将软材料试样9平放在工作台上即可；
4）试验开始的瞬间，PLC控制器301给高速摄像发送一个触发信号，启动高速摄像，拍摄试样切断过程；
5）试验后获得在时间轴上绝对同步的切割力、切割加速度、试样左端拉力、试样右端拉力和高速摄像数据；
6） 对获得的切割加速度二次积分，可获得位移-时间曲线，将测到的切割力在位移上积分，可获得切割过程中能量的消耗曲线及消耗的总能量；结合同步的高速摄像数据，获得试样在切割过程中的动态变化；
7）多次切割后，可以通过扫描电镜等设备，获得切割刀片602在切割部位的磨损特性；
8）对试样的切断面进行分析，可以获得断面质量数据，从而评价切割的效果。
Claims (8)
1.一种软材料试样切割性能测试装置，包括底座（1）和通过支撑柱（2）固定在底座（1）上方的上箱体（3），在上箱体（3）和底座（1）之间设置有两根导向柱（4），两根导向柱（4）上滑动设置有用于切割软材料试样（9）的刀具组件（6），其特征在于：所述刀具组件（6）与上箱体（3）之间设置有沿两根导向柱（4）上下滑动的横梁组件（5），该横梁组件（5）由设置在上箱体（3）内的控制机构通过拉索（305）带动其沿导向柱（4）上下滑动，所述控制机构包括伺服电机（304）、通过伺服电机驱动器（302）控制该伺服电机（304）正反转的PLC控制器（301）以及与伺服电机（304）输出轴连接的绕线编码器（303），绕线编码器（303）通过拉索（305）与横梁组件（5）连接，横梁组件（5）上设置有吸附刀具组件（6）的电磁铁（501），且电磁铁（501）由PLC控制器（301）控制其工作，以实现横梁组件（5）与刀具组件（6）的连接和断开；所述刀具组件（6）上设置有切割刀片（602）和切割力及加速度传感器组（603），且切割力及加速度传感器组（603）分别将检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置，其特征在于：所述底座（1）上刀具组件（6）的下方设置有夹持软材料试样（9）的夹持机构，该夹持机构包括对称设置的两组夹具组件（7），两组夹具组件（7）夹持软材料试样（9）以使其与切割刀片（602）相垂直并位于切割刀片（602）的正下方；每组夹具组件（7）包括一固定在底座（1）上的横板和与该横板垂直的竖板，在横板和竖板之间设置有连接两者的加强筋板（702），在横板和竖板形成的L形固定板（701）的顶部垂直竖板设置有螺柱（703），螺柱（703）的一端穿过横板后通过一拉力传感器（706）与一绕线盘（707）固定连接，另一端设置有调节绕线盘（707）与横板间距的调节螺母（704），绕线盘（707）上设置有蝶形螺母（708），该蝶形螺母（708）与绕线盘（707）边缘设置的豁口相配合卡住软材料试样（9）的端部，所述拉力传感器（706）与横板间设置有弹簧（705）；所述两组夹具组件（7）的拉力传感器（706）均与PLC控制器（301）的数据输入端口连接。
3.根据权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置，其特征在于：所述底座（1）上切割刀片（602）的正下方设置有缓冲器（8），该缓冲器（8）由软性材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置，其特征在于：所述横梁组件（5）包括一横杆（502），横杆（502）的两端分别通过直线轴承和直线轴承座与两根导向柱（4）滑动连接，电磁铁（501）设置在横杆（502）的下部，横杆（502）的上部设置有固定拉索（305）的固定件。
5.根据权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置，其特征在于：所述刀具组件（6）包括一刀架（601），刀架（601）的两端分别通过直线轴承和直线轴承座与两根导向柱（4）滑动连接，切割刀片（602）设置在刀架（601）的底部，切割力及加速度传感器组（603）设置在刀架（601）上的凹槽内。
6.根据权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置，其特征在于：所述刀具组件（6）上设置有调节其重量的砝码组件（604）。
7.根据权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置，其特征在于：所述底座（1）上设置有对切割动作进行摄像的高速摄像机。
8.利用权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将软材料试样（9）放置在切割刀片（602）的正下方，并保证其长度方向与切割刀片（602）垂直；
2）PLC控制器（301）控制电磁铁（501）通电工作，从而将刀具组件（6）与横梁组件（5）吸附结合；
3）PLC控制器（301）通过伺服电机驱动器（302）控制伺服电机（304）转动，进而由绕线编码器（303）通过拉索（305）带动横梁组件（5）和刀具组件（6）同步上升达到设定高度后停止，此时，刀具组件（6）具有已知的势能；
4）PLC控制器（301）控制电磁铁（501）断电，电磁力消失，刀具组件（6）与横梁组件（5）脱离并在重力作用下沿导向柱（4）以自由落体的形式下落，完成对软材料试样（9）的切割动作；同时，刀具组件（6）上的切割力及加速度传感器组（603）分别将切割过程中检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理；
5）同步型数据采集卡依据接收的数据获得时间轴上绝对同步的切割力、切割加速度数据，并对获得的切割加速度二次积分，从而获得位移-时间曲线，将测到的切割力在位移上积分，获得切割过程中能量的消耗曲线及消耗的总能量；
6）重复步骤1）至步骤5）完成多次切割，然后通过扫描电镜设备，获得切割刀片（602）在切割部位的磨损特性；
7）对软材料试样（9）的切断面进行分析，获得断面质量数据，从而评价切割的效果。
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