CN108037017A - 一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统，包括支撑座子系统、动力输送子系统和拉伸夹持子系统；所述支撑座子系统包括底板、电机固定座、支撑架、工作台和轴承座；所述动力输送子系统包括伺服电机、伺服控制器、齿形带、主动直齿轮、主动齿轮轴、主动锥齿轮、辅助锥齿轮、从动锥齿轮、齿轮壳和丝杠轴；所述拉伸夹持子系统包括样件夹头、力传感器和滚珠丝杠螺母。本发明通过伺服电机驱动，结合锥齿轮结构及滚珠丝杠结构，达到变比例加载双向拉伸的目的，具有结构简单、使用方便、经济使用等优点，能够实现较大范围变比例加载，同时能够保证准确试验结果的获取，可推广至实际的工程应用。

Description

一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验 系统

技术领域

本发明涉及材料力学与材料性能研究技术领域，尤其涉及一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统。

背景技术

当前，板料成形性能多数采用单向拉伸试验进行定性地评价。但是，由于单向拉伸试验无法同时检测不同方向上线性、非线性加载路径下板材的弹塑性成形特征和断裂规律，而对于汽车零部件的冲压工艺是一个复杂的加载路径，仅依靠单轴拉伸试验是明显不够的，因此，需要对板料进行双向拉伸试验来模拟实际冲压过程中的板料变形过程。

然而，双拉试验设备昂贵，试验成本很高，为此急需一种结构相对简单，使用方便，成本较低的双拉试验装置。现有双拉试验装置的专利多基于万能拉伸试验机及压机等大中型试验设备，设备本身需承担多种试验，对于双拉试验，装置安装、操作麻烦，结构复杂。如发明专利(CN200810017989，双向拉伸试验装置)和发明专利(CN201710187880，一种双向十字拉伸测试装置)，都提出了可安装在万能试验机上的双向拉伸装置，两个专利均可实现不同加载比例的双拉试验，但其加载比例范围也很有限，前者需要通过多次更换不同长度的支撑板，通过更换支撑板改变试件横向和纵向承受的载荷比，从而实现不同加载比例的拉伸位移；而后者也仅能够实现1:1-1:4的有限加载比例范围。发明专利(CN87205653，机械式双向拉伸试验仪)公开了一种利用万向头、铰链及缓冲弹簧等结构而实现板材双拉试验的测试，但该试验仪的缓冲弹簧将造成测力传感器测得的数据偏小。

基于此，本发明提出了一种新的齿轮丝杠式装置，来完成板材的变比例加载双拉试验，以很好地弥补上述缺陷。

发明内容

根据上述提出的传统双拉试验设备所存在的成本高以及现有双拉装置存在安装操作麻烦、结构复杂、实现变比例加载操作繁琐、无法实现较大的变比例加载、试验数据获取不准确等问题，而提供一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统。本发明主要针对板材，由伺服电机驱动进行双拉试验，在双拉试验中，可实现不同加载比例。本发明通过改变锥齿轮之间传动比、丝杠轴与滚珠丝杠螺母之间传动比及伺服电机转动速度，加载较灵活，可实现横向/纵向较大范围加载比例的变化，实现了板材的变比例加载双拉试验。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统，其特征在于，包括：

支撑座子系统，是主要由底板、电机固定座、支撑架、工作台和轴承座构成的所述变比例加载双拉试验系统的主体架构；所述底板十字型板结构，具有矩形中心部Ⅰ及沿矩形中心部Ⅰ四边水平方向向外延伸的延伸部Ⅰ；所述支撑板分别成对设置在所述延伸部Ⅰ上表面宽度方向的两侧位置上，且靠近所述矩形中心部Ⅰ；在其中一侧的所述延伸部Ⅰ上设有所述电机固定座；所述工作台具有与所述底板相匹配的十字型板结构，固定在所述支撑板的上表面上，所述工作台的延伸部Ⅱ上分别设有滑槽，矩形中心部Ⅱ上设有齿轮壳安装部；所述轴承座设置在所述延伸部Ⅱ的外端上；所述底板、所述工作台及所述支撑架可分别加工并通过螺栓连接，也可加工为一体结构。所述试验系统主体部分的材质根据试验条件，可选用不同材料的模具材料，来满足不同的实验要求。

动力输送子系统，包括安装在所述电机固定座上的伺服电机、设置在与所述伺服电机同侧的且用于实现样件不同应变速率的精确控制的伺服控制器、传动齿轮组及与所述传动齿轮组配合的丝杠轴；所述传动齿轮组包括穿过所述工作台且下端安装主动齿轮上端安装主动锥齿轮的主动齿轮轴及安装于所述伺服电机和所述主动齿轮间的用于实现动力传动的齿形带，所述主动锥齿轮与四个从动锥齿轮配合且带动所述从动锥齿轮转动，辅助锥齿轮通过轴承安装于齿轮壳上与所述从动锥齿轮配合，所述从动锥齿轮通过轴承安装于所述齿轮壳上，带动与所述冲动锥齿轮连接的所述丝杠轴转动，所述丝杠轴通过轴承安装在所述轴承座上，所述齿轮壳安装在所述工作台上的齿轮壳安装部上；其中，所述辅助锥齿轮与四个所述从动锥齿轮配合，使所述从动锥齿轮受力均匀，传动更精密，试验数据获得更准确。

拉伸夹持子系统，包括样件夹头、力传感器和滚珠丝杠螺母，所述样件夹头设有多个用于安装固定样件的样件安装孔；所述滚珠丝杠螺母为长方体，内部设有由循环滚珠组成的并与所述丝杠轴上的外螺纹配合的内螺纹，所述丝杠轴和所述滚珠丝杠螺母构成滚珠丝杠机构，结构精密，摩擦损失小，传动效率高，传动精确，节能效果显著；所述滚珠丝杠螺母下方与所述工作台上的滑槽配合，在所述丝杠轴带动下沿所述滑槽运动；所述力传感器通过螺栓紧固连接在所述样件夹头与所述滚珠丝杠螺母之间。

进一步地，在工作状态下，所述伺服电机带动所述主动齿轮转动，驱动所述主动锥齿轮转动，进而驱动所述从动锥齿轮、所述丝杠轴转动，最终驱动所述滚珠丝杠螺母带动所述样件夹头沿所述滑槽向外滑动；试验力通过所述力传感器测得，应变借助外部应变测试系统测得。且本系统为对称式结构设计，可以同步驱动样件夹头沿滑槽方向移动。

进一步地，所述主动齿轮的直径远大于所述伺服电机输出齿轮的直径，实现减速增扭的作用，保证试验动力持续可靠输出，正常运转。

进一步地，上述的各锥齿轮及滚珠丝杠结构，均为可拆连接，通过变换所述主动锥齿轮与所述从动锥齿轮间传动比以及所述滚柱丝杠螺母与所述丝杠轴间的传动比，用以实现十字形双拉样件横纵两个方向上在较大范围内的不同比例的加载拉伸，变加载方式更加灵活。

进一步地，所述主动锥齿轮、所述辅助锥齿轮和所述从动锥齿轮为弧齿锥齿轮，啮合和传动较平稳，冲击、振动和噪声较小，适宜于重载精确传动。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过伺服电机驱动，能够实现板材等比例、非等比例加载路径的双向拉伸试验，结构简单，经济方便。

(2)本发明各部件采用齿轮丝杠结构式，结构简单，精度高，稳定性好，节约加工制造成本。

(3)本发明通过改变锥齿轮之间传动比、丝杠轴与滚珠丝杠螺母之间传动比及伺服电机转动速度，可实现在较大范围内的变加载比例双拉试验。

(4)本发明可根据不同的试验条件，选取合适的材质加工各部件，满足不同比例加载双向拉伸试验的要求。

本发明提出一种新的基于伺服电机的齿轮丝杠结构来完成试件的双拉试验过程，通过单个伺服电机驱动，与传动双拉装置及现有双向拉伸装置专利相比，具有结构简单，变比例加载的范围较大、加载稳定、操作使用方便，性价比高等优点，试验范围广，能够保证准确试验结果的获取。基于上述理由本发明可在材料力学与材料性能研究领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明的具体实施方式中支撑座子系统的结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式中动力输送子系统的结构示意图。

图3是本发明的具体实施方式中拉伸夹持子系统的结构示意图。

图4是本发明的具体实施方式中一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统的装配示意图。

图5是本发明的具体实施方式中一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统的样件位置及使用状态示意图。

图中：1、底板；2、电机固定座；3、支撑架；4、工作台；5、轴承座；6、底板支撑架安装孔；7、伺服控制器安装孔；8、电机固定座安装孔；9、工作台支撑架安装孔；10、滑槽；11、轴承座安装孔；12、齿轮壳安装孔；13、伺服电机；14、伺服控制器；15、齿形带；16、主动齿轮；17、主动齿轮轴；18、主动锥齿轮；19、辅助锥齿轮；20、从动锥齿轮；21、齿轮壳；22、丝杠轴；23、样件夹头；24、力传感器；25、滚珠丝杠螺母；26、样件安装孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

如图1-图5所示，一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统，包括：

如图1所示，支撑座子系统，是主要由底板1、电机固定座2、支撑架3、工作台4和轴承座5构成的所述变比例加载双拉试验系统的主体架构；所述底板1十字型板结构，具有矩形中心部Ⅰ及沿矩形中心部Ⅰ四边水平方向向外延伸的延伸部Ⅰ；所述支撑板3分别成对设置在所述延伸部Ⅰ上表面宽度方向的两侧位置上，且靠近所述矩形中心部Ⅰ；在其中一侧的所述延伸部Ⅰ上设有所述电机固定座2，在图中所示，所述电机固定座2设置在此侧的所述支撑板3相对形成的容纳空间内，但不局限于此空间，主要用于固定伺服电机13即可；所述工作台4具有与所述底板1相匹配的十字型板结构，固定在所述支撑板3的上表面上，所述工作台4的延伸部Ⅱ上分别设有滑槽10，矩形中心部Ⅱ上设有齿轮壳安装部；所述轴承座5设置在所述延伸部Ⅱ的外端上；所述底板1、所述工作台4及所述支撑架3可分别加工并通过螺栓连接，也可加工为一体结构。

其中各部件之间的连接通过其上设置的安装孔与螺栓孔配合实现，具体如下：所述底板1上设有多个底板支撑架安装孔6(用于安装固定所述支撑架3)、伺服控制器安装孔7(用于安装伺服控制器14)和电机固定座安装孔8(用于安装固定伺服电机13)，所述电机固定座2上设有多个与底板1上电机固定座安装孔8相配合的螺栓孔，所述支撑架3下部设有多个与底板支撑架安装孔6相配合的螺栓孔，上部设有多个与工作台支撑架安装孔9相配合的螺栓孔，所述工作台4上设有工作台支撑架安装孔9、滑槽10、轴承座安装孔11和齿轮壳安装孔12，所述轴承座5上设有与工作台4上轴承座安装孔11相配合的螺栓孔。

如图2所示，动力输送子系统，包括安装在所述电机固定座2上的伺服电机13、设置在与所述伺服电机13同侧的且用于实现样件不同应变速率的精确控制的伺服控制器14(所述伺服控制器14上设有与底板伺服控制器安装孔7相配合的螺栓孔，实现固定)、传动齿轮组及与所述传动齿轮组配合的丝杠轴22；所述传动齿轮组包括穿过所述工作台4且下端安装主动齿轮16上端安装主动锥齿轮18的主动齿轮轴17及安装于所述伺服电机13和所述主动齿轮16间的用于实现动力传动的齿形带15，所述主动锥齿轮18与四个从动锥齿轮20配合且带动所述从动锥齿轮20转动，辅助锥齿轮19通过轴承安装于齿轮壳21上与所述从动锥齿轮20配合，所述从动锥齿轮20通过轴承安装于所述齿轮壳21上，带动与所述冲动锥齿轮20连接的所述丝杠轴22转动，所述丝杠轴22通过轴承安装在所述轴承座5上，所述齿轮壳21上设有多个与工作台4上齿轮壳安装孔12相配合的螺栓孔，用于安装固定在所述工作台4的齿轮壳安装部上。其中，所述辅助锥齿轮19与四个所述从动锥齿轮20配合，使所述从动锥齿轮20受力均匀，传动更精密，试验数据获得更准确。

如图3所示，拉伸夹持子系统，包括样件夹头23、力传感器24和滚珠丝杠螺母25，所述样件夹头设有多个用于安装固定样件的样件安装孔26；所述滚珠丝杠螺母25为长方体，内部设有由循环滚珠组成的并与所述丝杠轴22上的外螺纹配合的内螺纹，所述丝杠轴22和所述滚珠丝杠螺母25构成滚珠丝杠机构，结构精密，摩擦损失小，传动效率高，节能效果显著；所述滚珠丝杠螺母25下方与所述工作台4上的滑槽10配合，在所述丝杠轴22带动下沿所述滑槽10运动；所述力传感器24通过螺栓紧固连接在所述样件夹头23与所述滚珠丝杠螺母25之间。

在工作状态下，所述伺服电机13带动所述主动齿轮16转动，驱动所述主动锥齿轮17转动，进而驱动所述从动锥齿轮20、所述丝杠轴22转动，最终驱动所述滚珠丝杠螺母25带动所述样件夹头23沿所述滑槽10向外滑动；试验力通过所述力传感器24测得，应变借助外部应变测试系统测得。且本系统为对称式结构设计，可以同步驱动样件夹头23沿滑槽10方向移动。

所述主动齿轮16的直径远大于所述伺服电机13输出齿轮的直径，实现减速增距的作用，保证试验装置正常运转。

上述各锥齿轮及滚珠丝杠结构，均为可拆连接，通过变换所述主动锥齿轮17与所述从动锥齿轮20间传动比以及所述滚柱丝杠螺母25与所述丝杠轴22间的传动比，加载更加灵活，用以实现十字形双拉样件横纵两个方向上在较大范围内的不同比例的加载拉伸。

所述主动锥齿轮17、所述辅助锥齿轮19和所述从动锥齿轮20为弧齿锥齿轮，传动较平稳，冲击、振动和噪声较小，适宜于高速、重载传动。

所述试验系统主体部分的材质根据试验条件，可选用不同材料的模具材料，来满足不同的实验要求，如可选用Cr12模具钢，并进行热处理，成本可观，同时可满足较大强度范围内板材的试验，具有较高的性价比，用碳化钨加工所述样件夹头23及所述滚珠丝杠螺母25，所述主动齿轮16、所述主动齿轮轴17、所述主动锥齿轮18、所述辅助锥齿轮19、所述从动锥齿轮20和所述丝杠轴22使用中碳钢加工而成。

如图5所示，在进行双向拉伸试验时，所有样件夹头23和试件进行脂润滑或镀涂层润滑，然后试件安装在四个所述样件夹头23中，夹具盖板通过螺栓与夹具槽固定，保证了试件在样件夹头23内牢固定位安装。通过所述伺服控制器14控制所述伺服电机13伺服转动，带动所述主动齿轮16转动，进而驱动所述主动齿轮轴17转动，经由所述主动锥齿轮18与所述从动锥齿轮20及所述丝杠轴22与所述滚柱丝杠螺母25之间的传动，使四个方向上的所述样件夹头23分别沿所述滑槽10向四个方向运动，进而实现对试件的双向拉伸。这里，通过改变所述伺服电机13转动速度及所述主动锥齿轮18与所述从动锥齿轮20间传动比及所述滚柱丝杠螺母25与所述丝杠轴22间的传动比，可实现较大范围的加载比例条件下的双拉试验。

在试验中，试验力可通过所述力传感器24得到，位移通过DIC非接触式应变测试系统得到。在不同条件下进行实验时，根据实验要求，需要更换所述试验装置的材质，以达到理想实验效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统，其特征在于，包括：

支撑座子系统，是主要由底板(1)、电机固定座(2)、支撑架(3)、工作台(4)和轴承座(5)构成的所述变比例加载双拉试验系统的主体架构；所述底板(1)十字型板结构，具有矩形中心部Ⅰ及沿矩形中心部Ⅰ四边水平方向向外延伸的延伸部Ⅰ；所述支撑板(3)分别成对设置在所述延伸部Ⅰ上表面宽度方向的两侧位置上，且靠近所述矩形中心部Ⅰ；在其中一侧的所述延伸部Ⅰ上设有所述电机固定座(2)；所述工作台(4)具有与所述底板(1)相匹配的十字型板结构，固定在所述支撑板(3)的上表面上，所述工作台(4)的延伸部Ⅱ上分别设有滑槽(10)，矩形中心部Ⅱ上设有齿轮壳安装部；所述轴承座(5)设置在所述延伸部Ⅱ的外端上；

动力输送子系统，包括安装在所述电机固定座(2)上的伺服电机(13)、设置在与所述伺服电机(13)同侧的且用于实现样件不同应变速率的精确控制的伺服控制器(14)、传动齿轮组及与所述传动齿轮组配合的丝杠轴(22)；所述传动齿轮组包括穿过所述工作台(4)且下端安装主动齿轮(16)上端安装主动锥齿轮(18)的主动齿轮轴(17)及安装于所述伺服电机(13)和所述主动齿轮(16)间的用于实现动力传动的齿形带(15)，所述主动锥齿轮(18)与四个从动锥齿轮(20)配合且带动所述从动锥齿轮(20)转动，辅助锥齿轮(19)通过轴承安装于齿轮壳(21)上与所述从动锥齿轮(20)配合，所述从动锥齿轮(20)通过轴承安装于所述齿轮壳(21)上，带动与所述冲动锥齿轮(20)连接的所述丝杠轴(22)转动，所述丝杠轴(22)通过轴承安装在所述轴承座(5)上，所述齿轮壳(21)安装在所述工作台(4)上的齿轮壳安装部上；

拉伸夹持子系统，包括样件夹头(23)、力传感器(24)和滚珠丝杠螺母(25)，所述样件夹头设有多个用于安装固定样件的样件安装孔(26)；所述滚珠丝杠螺母(25)为长方体，内部设有由循环滚珠组成的并与所述丝杠轴(22)上的外螺纹配合的内螺纹，所述丝杠轴(22)和所述滚珠丝杠螺母(25)构成滚珠丝杠机构；所述滚珠丝杠螺母(25)下方与所述工作台(4)上的滑槽(10)配合，在所述丝杠轴(22)带动下沿所述滑槽(10)运动；所述力传感器(24)通过螺栓紧固连接在所述样件夹头(23)与所述滚珠丝杠螺母(25)之间。

2.根据权利要求1所述的基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统，其特征在于，在工作状态下，所述伺服电机(13)带动所述主动齿轮(16)转动，驱动所述主动锥齿轮(17)转动，进而驱动所述从动锥齿轮(20)、所述丝杠轴(22)转动，最终驱动所述滚珠丝杠螺母(25)带动所述样件夹头(23)沿所述滑槽(10)向外滑动；试验力通过所述力传感器(24)测得，应变借助外部应变测试系统测得。

3.根据权利要求1所述的基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统，其特征在于，所述主动齿轮(16)的直径远大于所述伺服电机(13)输出齿轮的直径。

4.根据权利要求1所述的基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统，其特征在于，通过变换所述主动锥齿轮(17)与所述从动锥齿轮(20)间传动比以及所述滚柱丝杠螺母(25)与所述丝杠轴(22)间的传动比，用以实现十字形双拉样件横纵两个方向上在较大范围内的不同比例的加载拉伸。

5.根据权利要求1所述的基于伺服电机的齿轮丝杠式板材变比例加载双拉试验系统，其特征在于，所述主动锥齿轮(17)、所述辅助锥齿轮(19)和所述从动锥齿轮(20)为弧齿锥齿轮。