CN107727519B - 一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，包括底座、下承压基板和穿过下承压基板固定在底座上的四个导柱，导柱上端安装上横梁，上横梁中间有主承压螺杆，主承压螺杆内部中空，主承压螺杆内设置滚珠丝杠组件，其包括内部中空的滚珠丝杠，滚珠丝杠顶部通过星型变速器连接伺服电机；滚珠丝杠内设置冲击组件，下承压基板上设置冲压模具，冲压模具上安装冲压传感器，冲压模具位于冲击组件正下方。本发明还公开一种该实验平台的工作方法，主要包括位置调节、冲压以及数据采集、处理等步骤。本发明提供的试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台及方法，能够同时满足高效、精准压制相似材料试件并且完成相似材料试件的力学参数测试。

Description

一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台及方法

技术领域

本发明涉及冲压试验设备技术领域，特别是涉及一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台及方法。

背景技术

目前相似材料试件制备成型方法主要有人工夯实和液压压力机压制两种。

人工制备方法具体实施过程为：首先将配比好的相似材料装入模具中；然后用锤人工夯实；最后脱模，取出相似材料试件。液压压力机压制的具体实施过程为：首先将配比好的相似材料装入模具中；然后在模具上放入模具压头；之后依靠液压压力机设定压力，压实成型；最后脱模取出相似材料试件。

但是，上述传统制备方法均存在一定缺陷，例如液压压力机压制相似材料可以控制压力大小从而解决试件压实度问题。但是成型速度太慢，无法满足短时间内大量相似材料试件的制作要求，试件制作周期长。

试件压实度不统一及各个试件成型脱模时间间隔过大会影响试件的各种力学参数测试结果，降低了相似材料试件力学性能的稳定性，给模型试验的结果带来较大误差。

相似材料的压制和力学参数测试往往是两个紧密衔接的环节，目前还没有一种设备，能够同时满足高效、精准压制相似材料试件并且完成相似材料试件的力学参数测试实验。

发明内容

本发明的目的是提供一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够同时满足高效、精准压制相似材料试件并且完成相似材料试件的力学参数测试。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，包括底座、下承压基板和穿过所述下承压基板固定在所述底座上的四个导柱，所述导柱上端安装有上横梁，所述上横梁中间穿设有主承压螺杆，所述主承压螺杆内部中空，所述主承压螺杆内设置有滚珠丝杠组件，所述滚珠丝杠组件包括内部中空的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠顶部通过星型变速器连接有伺服电机；所述滚珠丝杠内设置有冲击组件，所述下承压基板上设置有冲压模具，所述冲压模具上安装有冲压传感器，所述冲压模具位于所述冲击组件正下方。

可选的，所述滚珠丝杠组件还包括滚珠丝杠螺母副，所述滚珠丝杠螺母副固定于所述主承压螺杆内壁上；所述滚珠丝杠螺母副通过螺纹与所述滚珠丝杠连接。

可选的，所述冲击组件包括位于所述滚珠丝杠内的冲击连杆，所述冲击连杆顶端连接有液压补压缸，所述冲击连杆下端安装有冲压柱头。

可选的，所述冲压柱头直径为50cm。

可选的，所述上横梁上设置有主承压螺杆升降涡轮，所述主承压螺杆升降涡轮与所述主承压螺杆的外壁通过螺纹连接；所述主承压螺杆升降涡轮连接有驱动电机。

可选的，所述下承压基板上设置有位移传感器；所述下承压基板位于所述底座上，所述底座内设置有主油缸，所述主油缸上设置有活塞，所述活塞上安装有多柱式传感器，所述多柱式传感器与所述下承压基板的底部连接。

可选的，还包括上承压板，所述上承压板套设在所述主承压螺杆下端的外壁上；所述上承压板为内部中空的圆柱状，中空的内壁上通过磁钢连接有保护压板所述上承压板下端设置有应力位移传感器。

可选的，所述冲压模具顶部设置有模具压头；所述冲压传感器和多柱式传感器分别连接有PLC控制器。

本发明还公开一种利用上述试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台进行的试件冲压成型工作方法，包括如下步骤，

(1)、将装有试件的冲压模具放置在冲压柱头下方，设定冲压目标压力值和冲压速度参数，卸下保护压板，开启伺服电机；

(2)、开始冲压，伺服电机高速转动，通过星型变速器驱动滚珠丝杠逆时针旋转，带动液压补压缸及冲压连杆下行，冲压柱头接近冲压模具；

(3)、冲压传感器以一固定频率值测量冲压模具压力值，PLC控制器同步读取并存储冲压传感器测量值，当冲压柱头接触模具压头，PLC控制器检测到微小力值时发出冲压指令，伺服电机暂停工作，液压补压缸快速加压迫使冲压连杆急速下行，冲压柱头冲压模具压头；

(4)、PLC控制器同步读取并存储各个传感器测量压力值，当压力值达到目标压力值时，立即向液压补压缸发出撤离指令，液压补压缸卸压带动冲压连杆急速上行，冲压柱头离开模具压头，伺服电机高速转动，通过星型变速器驱动滚珠丝杠顺时针旋转，带动液压补压缸及冲压连杆上行复位；

(5)、PLC控制器整理并绘制力与时间、力与位移关系曲线，并将数据存储至外置存储器；

(6)、取下冲压模具并脱模试件。

本发明还公开一种利用上述试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台进行的力学参数测试工作方法，包括如下步骤，

(1)、将待测试试件放置在下承压基板上，下降上承压板到合适位置，固定不动；将冲压柱头上升到上限位，上承压板的中空处通过磁钢连接保护压板，确保上承压板底面平整；

(2)、设置加载控制方式、加载目标和结束条件参数，之后开始实验；

(3)、控制主油缸推动活塞带动下承压基板和试件向上运动；

(4)、当试件上部接触到上承压板时开始受力，活塞带动下承压基板不断向上给试件加载力，直到满足试验设定的结束条件为止，在此过程中，下承压基板下方的多柱式传感器不断记录下承压基板的受力情况，位移传感器记录下承压基板的位移；下承压基板最大能够对试件施加300吨的力。

本发明提供的一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台及方法与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提供的试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台操作简单，使用方便，实用性强，适用于模型试验时相似材料试件的精准快速成型，可以精准调节和监测记录冲压速度和压力大小，最短在300ms内急速冲压模具压头使材料成型，保存并绘制冲压全过程力与时间、力与位移的关系曲线，便于分析冲压过程中材料受力情况与成型过程。最终实现在短时间内完成大量相似材料试件的冲压成型，减少人为因素和时间因素对相似材料力学特性的影响，提高了模型试验结果的稳定性和准确性。此外，可以进行相似材料试件的力学参数测试实验，节省出购置万能材料试验机设备的经费，经济实用，性价比高，适合推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台结构示意图；

图2为本发明试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台进行力学参数测试时上承压板部分的结构示意图；

图3为本发明试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台冲压原理框图；

图4为本发明试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台力学参数测试试验原理框图；

附图标记说明：1为下承压基板、2为导柱、3为上横梁、4为主承压螺杆、5为主承压螺杆升降涡轮、6为驱动电机、7为滚珠丝杠螺母副、8为滚珠丝杠、9为伺服电机、10为冲击连杆、11为液压补压缸、12为冲压柱头、13为冲压模具、14为冲压传感器、15为底座、16为主油缸、17为活塞、18为多柱式传感器、19为模具压头、20为磁钢、21为保护压板、22为上承压板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，以解决上述现有技术存在的问题，能够同时满足高效、精准压制相似材料试件并且完成相似材料试件的力学参数测试。

本发明提供的试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，包括底座、下承压基板和穿过所述下承压基板固定在所述底座上的四个导柱，所述导柱上端安装有上横梁，所述上横梁中间穿设有主承压螺杆，所述主承压螺杆内部中空，所述主承压螺杆内设置有滚珠丝杠组件，所述滚珠丝杠组件包括内部中空的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠顶部通过星型变速器连接有伺服电机；所述滚珠丝杠内设置有冲击组件，所述下承压基板上设置有冲压模具，所述冲压模具上安装有冲压传感器，所述冲压模具位于所述冲击组件正下方。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本发明提供一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，如图1所示，主要结构包括下承压基板1，下承压基板1上固定有对称设置的四个导柱2，导柱2顶端通过螺纹安装有一个中间开口的上横梁3，上横梁3的开口处穿设有一个主承压螺杆4，主承压螺杆4外壁为螺旋结构，通过螺纹连接有主承压螺杆升降涡轮5，主承压螺杆升降涡轮5通过位于上横梁3上的驱动电机6控制。

主承压螺杆4内部中空，主承压螺杆4内壁的上部固定有一个滚珠丝杠螺母副7，滚珠丝杠螺母副7通过螺纹连接有一个滚珠丝杠8，滚珠丝杠8上部通过一个星型变速器连接有伺服电机9；滚珠丝杠8内中空，中空的滚珠丝杠8内设置有冲击连杆10，冲击连杆10顶端连接有液压补压缸11，冲击连杆10底部安装有冲压柱头12，冲压柱头12正下方的下承压基板1上，放置有冲压模具13，冲压模具13内设置有冲压传感器14。所述下承压基板1位于底座15上，所述底座15内设置有主油缸16，所述主油缸16上设置有活塞17，所述活塞17上安装有多柱式传感器18，所述多柱式传感器18与所述下承压基板1的底部连接。所述冲压传感器14和多柱式传感器18分别连接有PLC控制器。冲压模具13上安装有模具压头19。

本发明还公开一种上述试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台进行试件冲压成型的工作方法，具体使用时，首先操纵驱动电机6控制主承压螺杆升降涡轮5运转，从而带动主承压螺杆4上下运动，直到合适位置；之后在远程控制端的触控屏上设定冲压目标压力值、冲压速度参数，开启伺服电机9，伺服电机9高速运转，通过星型变速器驱动滚珠丝杠8逆时针旋转，带动液压补压缸11及冲击连杆10下行，冲压柱头12接近冲压模具13，冲压传感器14以一定频率测量模具压力值，所采用频率可以为200HZ左右，PLC控制器同步读取并存储传感器测量的压力值。当冲压柱头12靠上冲压模具13上的模具压头19，且PLC控制器检测到微小力值时发出冲压指令，伺服电机9暂停工作，液压补压缸11快速加压迫使冲击连杆10急速下行，使冲压柱头12对模具压头19进行冲压。PLC控制器实时同步读取并存储传感器测量压力值，当压力值达到目标压力值时，立即向液压补压缸11发出撤离指令，液压补压缸11卸压带动冲击连杆10急速上行，使冲压柱头12离开模具压头19。伺服电机9高速转动，通过星型变速器驱动滚珠丝杠8顺时针旋转，带动液压补压缸11及冲击连杆10上行复位。PLC控制器整理并绘制力与时间、力与位移关系曲线，并将数据存储至外置存储器，供分析研究。取下模具并脱模试件。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上所作出的进一步改进，具有实施例一的全部结构，在实施例一的基础上，本发明做出了些许结构上的变形和补充，下承压基板1上设置了对称的四个导柱2，每两个相邻导柱2之间通过螺纹分别连接有一个上横梁3，主承压螺杆4设置在两个上横梁3之间的空间内。

本发明中的冲压模具13上安装有模具压头19，所述主承压螺杆4下端连接的上承压板22中的中空出通过磁钢20吸附有保护压板21，保护压板21底面与上承压板22的底面齐平，且保护压板21与上承压板22中空的内壁紧密贴合；冲压柱头的直径为50cm。保护压板21外侧设置有与下承压基板1相对的上承压板22，上承压板22套设在主承压螺杆4的外壁上，主承压螺杆4上下两端的外壁为平滑的结构，便于与其他部件连接。

本发明的PLC控制器与远程控制端连接，远程控制端设置有触控屏，其冲压原理如图3所示，PLC控制器调节伺服驱动器，伺服驱动器控制位置调节电机对设备的位置调节装置进行位移的调节；之后，伺服驱动器调节冲压控制电机对冲压实施装置发出指令，对模具/试验目标进行冲压操作，上述过程中，位移传感器和压力传感器实时监测设备上的压力值，并反馈到PLC控制器中，进行后续处理。

本发明利用上述试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台进行力学参数测试时，如图2所示，将待测试试件放置在下承压基板上，下降上承压板到合适位置，固定不动；将冲压柱头上升到上限位，上承压板的中空处通过磁钢连接保护压板，确保上承压板底面平整；

设置加载控制方式、加载目标和结束条件参数，之后开始实验；控制主油缸推动活塞带动下承压基板和试件向上运动；当试件上部接触到上承压板时开始受力，活塞带动下承压基板不断向上给试件加载力，直到满足试验设定的结束条件为止，在此过程中，下承压基板下方的多柱式传感器不断记录下承压基板的受力情况，位移传感器记录下承压基板的位移；下承压基板最大能够对试件施加300吨的力。

本发明中力学参数测试原理如图4所示，下位计算机控制伺服驱动器，进而通过位置调节电机控制位置调节装置对设备进行位置调节；进一步的，液压驱动器操控液压实施装置对试验目标进行冲压试验，试验过程中，位移传感器和压力传感器实时采集试验信息传输给下位计算机，下位计算机将数据传输到上位计算机，进行后续的分析和计算，完成整个试验过程。进一步优化的，本发明4个导柱穿过下承压基板固定在设备底座上，设备底座背部设置有下位机和液压油缸，上承压基板固定在液压油缸上方，中间设置有应力位移传感器。下位机和外部上位机PC相连。当进行力学参数测试时，通过上位机PC设置加载控制方式，加载目标，结束条件等参数，之后开始实验。上位机设置的参数通过下位机控制底部的主油缸加载油压推动活塞带动下承压基板和试件向上运动。冲压模具放置在冲压传感器下方，冲压传感器通过数据线和PLC控制器相连。两者都是接触式放置在承压基板上，可拆卸。

本说明书应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，其特征在于：包括底座、下承压基板和穿过所述下承压基板固定在所述底座上的四个导柱，所述导柱上端安装有上横梁，所述上横梁中间穿设有主承压螺杆，所述主承压螺杆内部中空，所述主承压螺杆内设置有滚珠丝杠组件，所述滚珠丝杠组件包括内部中空的滚珠丝杠，所述滚珠丝杠顶部通过星型变速器连接有伺服电机；所述滚珠丝杠内设置有冲击组件，所述下承压基板上设置有冲压模具，所述冲压模具上安装有冲压传感器，所述冲压模具位于所述冲击组件正下方；所述滚珠丝杠组件还包括滚珠丝杠螺母副，所述滚珠丝杠螺母副固定于所述主承压螺杆内壁上；所述滚珠丝杠螺母副通过螺纹与所述滚珠丝杠连接；所述冲击组件包括位于所述滚珠丝杠内的冲击连杆，所述冲击连杆顶端连接有液压补压缸，所述冲击连杆下端安装有冲压柱头；所述冲压柱头直径为50cm；所述上横梁上设置有主承压螺杆升降涡轮，所述主承压螺杆升降涡轮与所述主承压螺杆的外壁通过螺纹连接；所述主承压螺杆升降涡轮连接有驱动电机。

2.根据权利要求1所述的试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，其特征在于：所述下承压基板上设置有位移传感器；所述下承压基板位于所述底座上，所述底座内设置有主油缸，所述主油缸上设置有活塞，所述活塞上安装有多柱式传感器，所述多柱式传感器与所述下承压基板的底部连接。

3.根据权利要求2所述的试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，其特征在于：还包括上承压板，所述上承压板套设在所述主承压螺杆下端的外壁上；所述上承压板为内部中空的圆柱状，中空的内壁上通过磁钢连接有保护压板，所述上承压板下端设置有应力位移传感器。

4.根据权利要求3所述的试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台，其特征在于：所述冲压模具顶部设置有模具压头；所述冲压传感器和多柱式传感器分别连接有PLC控制器。

5.一种根据权利要求4所述的试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台的试件冲压成型工作方法，其特征在于：包括如下步骤，

(1)、将装有试件的冲压模具放置在冲压柱头下方，设定冲压目标压力值和冲压速度参数，卸下保护压板，开启伺服电机；

(2)、开始冲压，伺服电机高速转动，通过星型变速器驱动滚珠丝杠逆时针旋转，带动液压补压缸及冲压连杆下行，冲压柱头接近冲压模具；

(3)、冲压传感器以一固定频率值测量冲压模具压力值，PLC控制器同步读取并存储冲压传感器测量值，当冲压柱头接触模具压头，PLC控制器检测到微小力值时发出冲压指令，伺服电机暂停工作，液压补压缸快速加压迫使冲压连杆急速下行，冲压柱头冲压模具压头；

(4)、PLC控制器同步读取并存储各个传感器测量压力值，当压力值达到目标压力值时，立即向液压补压缸发出撤离指令，液压补压缸卸压带动冲压连杆急速上行，冲压柱头离开模具压头，伺服电机高速转动，通过星型变速器驱动滚珠丝杠顺时针旋转，带动液压补压缸及冲压连杆上行复位；

(5)、PLC控制器整理并绘制力与时间、力与位移关系曲线，并将数据存储至外置存储器；

(6)、取下冲压模具并脱模试件。

6.一种根据权利要求4所述的试件冲压成型与力学参数测试一体化试验平台的力学参数测试工作方法，其特征在于：进行力学参数测试时的试验平台结构还包括4个导柱穿过下承压基板固定在设备底座上，设备底座背部设置有下位机和液压油缸，上承压基板固定在液压油缸上方，中间设置有应力位移传感器；冲压模具放置在冲压传感器下方，冲压传感器通过数据线和PLC控制器相连；两者都是接触式放置在承压基板上；该参数测试工作方法包括如下步骤，

(1)、将待测试试件放置在下承压基板上，下降上承压板到合适位置，固定不动；将冲压柱头上升到上限位，上承压板的中空处通过磁钢连接保护压板，确保上承压板底面平整；

(2)、设置加载控制方式、加载目标和结束条件参数，之后开始实验；

(3)、控制主油缸推动活塞带动下承压基板和试件向上运动；

(4)、当试件上部接触到上承压板时开始受力，活塞带动下承压基板不断向上给试件加载力，直到满足试验设定的结束条件为止，在此过程中，下承压基板下方的多柱式传感器不断记录下承压基板的受力情况，位移传感器记录下承压基板的位移；下承压基板最大能够对试件施加300吨的力。

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