CN109211684A - 一种可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，属于材料科学与机械制造技术的仪器仪表领域，针对目前的机械式蠕变试验机采用手动加载砝码的方式时，存在手动加载方式无法实现循环载荷加载，载荷较大时加载缓慢且劳动强度较大，同时载荷不能进行连续的加载，精度也比较低等问题，本发明由机架、杠杆及连接机构、砝码自动加载装置、游码精确微调装置、杠杆自调平机构、夹具及变形测量机构和加热控温机构组成，在控制系统的控制下能够实现砝码自动加载和游码精确微调，杠杆可进行自调平，解决了以往手动加载方式加载缓慢、无法实现循环载荷加载等问题，同时由于本发明中的砝码和游码结合的加载方式可实现连续加载，因此精度也较高。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于测试材料高温蠕变特性的试验机，属于材料科学与机械制造技术的仪器仪表领域。
背景技术
蠕变是指金属、非金属材料在恒温、恒载荷的长期作用下缓慢的产生塑性变形的现象。在高温条件下，蠕变对构件产生的影响尤为显著。高温构件如果在服役期内产生过量的蠕变变形，会将引起部件的早期失效。大多数高温环境承载构件的失效是由高温、高压作用引起的高温蠕变所致。高温蠕变比高温强度能更有效地预示材料在高温下长期使用时的应变趋势和断裂寿命，是材料的重要力学性能之一。为此，常通过各种蠕变试验来研究材料的蠕变特性。蠕变试验是在蠕变试验机上进行。
蠕变试验机主要有机械式和电子式两种。电子式试验机由于测力系统的温度漂移和标定值漂移无法彻底消除，对于长时间试验一般采用机械式试验机。机械式蠕变试验机一般均采用杠杆放大原理，在杠杆长臂一端悬挂砝码，短臂一端便产生放大的加载力。目前，机械式蠕变试验机的加载大多采用手动方式悬挂砝码，这种手动加载方式无法实现循环载荷加载，且加载缓慢、容易产生冲击，需要大载荷时砝码的重量也大，劳动强度也较大。此外，机械式蠕变试验机能够加载到试样上的最小力，是由悬挂的最小砝码重量决定的，对于放大比为 10：1的杠杆，即使采用最小力值为1N的砝码，在试样上所产生最小载荷为10N，载荷不能连续调节，要获得更为精确的加载，就需要更小的砝码，加载起来也就更为不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，可以自动实现一次加载，分级加载或循环加载等多种模式加载，并具有加载精度高，加载迅速、平稳、无冲击等优点。
一种可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，采用的技术方案具体如下：
该试验机由机架、杠杆及连接机构、夹具及变形测量机构、杠杆自调平机构、加热控温机构、砝码自动加载装置和游码精确微调装置组成。
所述机架由上横梁8、立柱9和工作台18组成，所述的工作台18放置在水平的地面上，通过四个立柱9将上横梁8和工作台18支撑起，位于工作台18的上方；
杠杆及连接机构主要由杠杆1、杠杆支座2、试样端连接座3和砝码端连接座53、力传感器6、上球头连接器10组成，杠杆1由安装在上横梁8上的杠杆支座2支撑，水平放置在上横梁8上；杠杆1与杠杆支座2的接触点为杠杆支点，杠杆1两端分别与试样端连接座3 和砝码端连接座53连接，试样端连接座3下方依次与力传感器6和上球头连接器10连接，上球头连接器10下方与夹具及变形测量机构连接，砝码端连接座53与砝码自动加载装置连接；在杠杆1上试样装夹端安装有平衡螺杆4和平衡块5，平衡块5与平衡螺杆5之间螺纹连接，旋转平衡块5可调节其在平衡螺杆4上的位置，用于使杠杆1两端受力平衡。
夹具及变形测量机构由高温夹具11、引伸杆14、双侧光栅传感器15组成，高温夹具11 由上下两个拉杆组成，其中上拉杆连接在上球头连接器10的下方，下拉杆与杠杆自调平机构的下球头连接器16连接，上下两个拉杆之间用于装夹试样12；高温夹具11与试样12位于加热控温机构的加热炉13内；引伸杆14安装在高温夹具11上，测试时引伸杆14的夹头分别夹在试样12两端用于将试样12标距范围内的形变转变为引伸杆14的伸长距离并将该距离变化引出加热炉13，引伸杆14的伸长距离变化由双侧光栅传感器15测量，双侧光栅传感器 15安装在引伸杆14底端。
杠杆自调平机构由下球头连接器16、杠杆调平升降杆17、调平丝杠螺母19、调平丝杠 20、丝杠轴承座21、从动轮22、调平同步带23、主动轮24、调平伺服电机25、限位臂50、下限位光电开关49、中位光电开关51和上限位光电开关52组成；下球头连接器16安装在调平升降杆17顶端，与夹具及变形测量机构的高温夹具11下拉杆连接，调平升降杆17套装在调平丝杠20外，调平丝杠螺母19与调平升降杆17连接为一体，调平丝杠20通过丝杠轴承座21竖直固定安装在工作台18上，调平丝杠20下端与从动轮22连接，调平伺服电机25 通过主动轮24、调平同步带23和从动轮22将转动传至调平丝杠20；限位臂50安装在砝码加载拉杆48上，下限位光电开关49、中位光电开关51和上限位光电开关52通过支撑座从上至下依次安装在限位臂50的侧面，下限位光电开关49、中位光电开关51和上限位光电开关52通过感知限位臂50的位置，用于控制调平伺服电机25开启和关闭；
杠杆自调平机构还包括一个安装在调平丝杠螺母19上的拨头、以及安装在工作台18上的上调平行程开关26和下调平行程开关27；所述的拨头与上调平行程开关26和下调平行程开关27配合用于限定调平升降杆18的升降范围。
所述的加热控温机构由加热炉13和控温系统组成，加热炉13固定在左侧的立柱9上，加热炉13内的加热体分为三段，每段均由各自的控温系统单独控制，控温系统由热电偶、温控仪和调功器组成。
砝码自动加载装置由若干重量不等的砝码41、法码加载拉杆48、砝码加载托盘38、砝码支撑机构和砝码升降驱动机构组成；
所述的若干重量不等的砝码41都在中心位置有一通孔，砝码按重量分为多组，每一组砝码底部分别设有一个砝码加载托盘38，所述的法码加载拉杆48上端与砝码端连接座53，中部从砝码41的中心通孔穿过后分别连接多个砝码加载托盘38，每个砝码41的前后左右四个侧面上均开有两个朝下的开口槽；
所述砝码支撑机构是由安装在砝码组左右两侧的砝码支撑固定立板40、安装在砝码支撑固定立板40上的砝码支撑臂43和支撑臂驱动电磁铁42组成；砝码支撑固定立板40固定在上横梁8和工作台18之间，支撑臂驱动电磁铁42的动铁芯与砝码支撑臂43连接，支撑臂驱动电磁铁42可驱动砝码支撑臂43的销插入砝码41两侧的开口槽或从开口槽中抽出，实现对砝码41的支撑或脱离；砝码支撑臂43上的销中间穿过砝码支撑固定立板40上对应位置开设的通孔；
所述砝码升降驱动机构由加载升降电机28、蜗轮蜗杆减速器29、加载丝杠30、加载丝杠螺母31、加载升降杆32、加载下直线轴承33、加载下行程开关34、加载中行程开关35、加载上行程开关36、砝码升降下横梁37、砝码支撑移动立板39、砝码升降臂44、砝码升降臂驱动电磁铁45、砝码升降上横梁46和加载上直线轴承47组成；砝码升降上横梁46和砝码升降下横梁37分别通过一对加载上直线轴承47和加载下直线轴承33安装在立柱9上，砝码支撑移动立板39固定安装在砝码升降上横梁46和砝码升降下横梁37之间；升降臂驱动电磁铁45的动铁芯与砝码移动臂44连接，升降臂驱动电磁铁45可驱动砝码升降臂44的销插入砝码41前后两侧的开口槽，或从开口槽中抽出，实现对砝码41的支撑或脱离；砝码升降臂44的销中间穿过砝码支撑移动立板39上对应位置开设的通孔；加载升降杆32上部与砝码升降下横梁37固定连接，加载升降杆32下部与加载丝杠螺母31连接，加载丝杠螺母31与加载丝杠30配合，加载丝杠30通过蜗轮蜗杆减速器29与加载升降电机28传动连接。
所述游码精确微调装置由游码驱动电机54、游码右行程开关55、游码驱动丝杠56、游码驱动座导轨57、游码驱动丝杠螺母58、游码驱动座59、游码60、游码导轨61、游码左行程开关62、编码器63组成；游码导轨61安装在杠杆1底部，游码60安装在游码导轨61上，游码导轨61下方设有游码驱动丝杠56，游码驱动丝杠56两端通过轴承座固定安装在上横梁 8上，游码驱动丝杠螺母58与游码驱动丝杠56配合组成丝杠副，游码驱动丝杠螺母58上方固定有游码驱动座59，游码驱动座59设有与游码60配合的安装槽，游码驱动丝杠56下方设有游码驱动座导轨57，游码驱动丝杠螺母58下方设有滑块，游码驱动丝杠螺母58能够带动游码驱动座59沿游码驱动座导轨57滑动，从而带动游码60沿游码导轨移动，游码驱动丝杠56一端与游码驱动电机54连接，游码驱动丝杠56另一端安装有编码器63，游码右行程开关55和游码左行程开关62分别安装在游码驱动丝杠56左右两端的轴承座上。
该试验仪还包括一个测控系统，该测控系统由PC机、单片机和PLC控制器组成，PC机分别与单片机、PLC控制器和加热控温机构中的温控仪通信；
PLC控制器用于加载测控；PLC通过力传感器6测量载荷并将测量值发送至PC机；PLC 控制游码微调装置标定建立游码移动距离与增加载荷之间的关系；PLC控制砝码自动加载装置中的支撑臂驱动电磁铁43、升降臂驱动电磁铁45和加载升降电机28进行加载砝码动作，以及控制游码精确微调装置中游码驱动电机54，同时根据编码器63测定游码移动的距离，进行调节游码动作；
单片机用于控制杠杆自调平机构和形变测量机构；单片机根据下限位光电开关49、中位光电开关51和上限位光电开关52的状态，控制杠杆自调平机构中的调平伺服电机25旋转，实现杠杆调平；单片机通过双侧光栅传感器15测量形变并将测量值发送至PC机；
PC机作为试验参数和指令的输入和发出端，PC机向温控仪发出试验温度参数和加热指令，由温控仪控制加热控温机构的温度并将当前温度值发送至PC机；PC机向PLC控制器发送游码微调装置标定指令、由载荷参数和加载指令，由PLC控制游码微调装置完成标定，控制砝码加载装置和游码微调装置完成加载，并将当前载荷值发送至PC机；PC机向单片机发送试验开始指令，由单片机测量形变并将测量值发送至PC机，同时进行杠杆调平。
加热控温机构工作过程如下：
1)操作人员通过PC机输入加热目标温度并按下试验开始按钮，PC机发送加热温度参数和开始加热指令至温控仪；
2)温控仪接受到加热目标温度参数和开始加热指令后控制加热炉13开始加热，并将当前温度至发送至PC机；
3)温控仪根据热电偶测得的温度值，调节调功器输出至每段加热体上的功率或电压，直至精确调控温度至设定的目标值。
砝码自动加载动作的步骤具体如下：
1)未加载前全部砝码均由砝码支撑臂42支撑，即所有砝码的支撑臂驱动电磁铁42的动铁芯为伸出状态，砝码支撑臂42的销均插入对应砝码的开口槽中，升降臂驱动电磁铁45的动铁芯为回退状态，砝码升降臂44销未插入开口槽，砝码升降机构处于加载中行程开关35 位置处；
2)当试验开始且加热温度达到要求后，PC机发送的载荷参数和加载指令，PLC接受到 PC机发送的载荷参数和加载指令后，确定需要加载到加载托盘上的待加载砝码；
3)PLC控制全部砝码的升降臂驱动电磁铁45通电，使砝码升降臂44的销插入对应砝码侧面的开口槽中；
4)PLC控制加载升降电机26正向旋转，带动全部砝码上升至加载上行程开关36位置处，此时砝码支撑臂44不再支撑砝码；
5)PLC控制待加载砝码的支撑臂驱动电磁铁42通电，使待加载砝码的支撑臂42销从砝码侧面的开口槽中抽出；
6)PLC控制加载升降电机26反向旋转，带动所有砝码下降至加载中行程开关35位置处，此时，除待加载砝码外，其余砝码均又由其砝码支撑臂42支撑；
7)除待加载砝码外，PLC控制将其余砝码的升降臂驱动电磁铁45反向通电，使砝码升降臂44的销从砝码开口槽中抽出；
8)PLC控制加载升降电机26继续反向旋转，带动待加载砝码下降直至待加载砝码完全由加载托盘支撑，加载升降电机26在下行程开关34处停止旋转，完成加载，PLC通过力传感器6测量当前载荷，监控砝码加载是否成功；
9)卸载时，PLC接受到PC机发送的卸载指令后，控制加载升降电机26正向旋转，带动已加载砝码上升脱离加载托盘，完成卸载；
10)PLC控制加载升降电机26在加载中行程开关35处停止，将待加载砝码的支撑臂驱动电磁铁42反向通电，使待加载砝码支撑臂42销插入砝码侧面的开口槽中，然后PLC控制加载升降电机26下降，待加载砝码由加载砝码支撑臂42支撑。
调节游码动作的步骤具体如下：
1)试验前操作人员通过PC机发送游码微调装置标定指令，PLC接受到标定指令后，控制游码60从试样端缓慢移动至砝码端，移动过程中PLC通过编码器63测量游码的移动距离ΔL，通过力传感器6测得试验力增量ΔF，以此建立游码60移动距离与试验力增加量之间的关系式ΔF＝f(ΔL)；
2)加载前游码60置于最左端，PLC接受到PC机发送的载荷参数和加载指令并控制砝码加载装置完成砝码加载后，根据目标试验力与砝码加载后试验力之间的差值，按照游码60 移动距离与试验力增量之间的关系ΔF＝f(ΔL)，计算游码60微调的距离ΔL；
3)PLC控制游码驱动电机54带动游码60沿游码导轨61移动至所计算的距离ΔL处，完成精确加载，力传感器6监控加载是否达到目标值；
4)卸载时，PLC接受到PC机发送的卸载指令后，驱动电机4带动游码60沿游码导轨61返回初始位置，完成卸载。
杠杆自调平动作的具体步骤：
1)试验前装卡试样时，手动控制调平伺服电机25旋转使杠杆调平升降杆17接近上调平行程开关26处，根据试样尺寸，选择合适的卡具11上下拉杆，试样安装完成后通过微调上、下球头连接器10、16位置，使限位臂50处于中位光电开关51处，杠杆1处于平衡状态；
2)当操作人员通过PC机按下试验开始按钮后，PC机发送试验开始指令至单片机，单片机系统接收到试验开始指令后启动形变测量和杠杆自调平，并将通过双侧光栅传感器15测量形变并将测量值发送至PC机；
3)试验过程中随着试样的变形，杠杆的平衡状态将被打破，当单片机系统检测到限位臂 50接近下限位光电开关49时，控制调平伺服电机25旋转使杠杆调平升降杆17下降，从而拖动杠杆1试样端降低、砝码悬挂端升高，直至限位臂50处于中位光电开关51处，完成杠杆自调平。
优选地，杠杆1与杠杆支座2之间、以及杠杆1的两端分别与试样端连接座3和砝码端连接座52之间均采用刃口支撑，以保证加载的高灵敏度。
优选地，砝码自动加载装置中还包括缓冲装置64，缓冲装置64位于最底端砝码加载托盘38的正下方，安装在工作台18上，在试样断裂时对砝码加载托盘38掉落冲击进行缓冲，避免损坏仪器。
工作原理：
该试验机加载采用杠杆原理，在杠杆长臂端悬挂砝码，短臂端产生作用于试样的放大载荷。自动精确加载单元按照设定的加载方式(一次加载、分级加载或循环加载)，由砝码自动加载装置和游码精确微调装置自动完成最大试验力范围内任意载荷的精确加载或卸载；杠杆自调平单元自动检测并保持杠杆始终处于水平状态；变形测量单元准确测量试验过程中试样的变形；加热及控温单元将试样加热至设定的温度值，并保持在试验要求的温度误差范围内；测控系统按照设定方案，检测相关参数并控制整个试验过程。
本发明的有益效果：
1.用于各种金属及合金材料在高温环境下的蠕变性能和持久强度试验，测试材料的蠕变极限、持久强度极限等性能参数；
2.可以自动实现一次加载，分级加载或循环加载等多种加载模式，试验结束后可自动卸载，具有加载精度高，加载迅速、平稳、无冲击等优点；
3.可自动调平杠杆，且调平平稳，可有效避免调平时电机启动时对试件的冲击；
4.操作简单，自动化程度高。
附图说明
图1为机械式高温蠕变试验机主视图；
图2为机械式高温蠕变试验机右视图；
图3为机械式高温蠕变试验机左视图；
图4为砝码支撑剖视图；
图5为控制系统结构框图；
图6为PC机控制流程框图；
图7为单片机控制流程框图；
图8为PLC控制流程框图。
具体实施方式
一种可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，采用的技术方案具体如下：
该试验机由机架、杠杆及连接机构、夹具及变形测量机构、杠杆自调平机构、加热控温机构、砝码自动加载装置和游码精确微调装置组成。
所述机架由上横梁8、立柱9和工作台18组成，所述的工作台18放置在水平的地面上，通过四个立柱9将上横梁8和工作台18支撑起，位于工作台18的上方；
杠杆及连接机构主要由杠杆1、杠杆支座2、试样端连接座3和砝码端连接座53、力传感器6、上球头连接器10组成，杠杆1由安装在上横梁8上的杠杆支座2支撑，水平放置在上横梁8上；杠杆1与杠杆支座2的接触点为杠杆支点，杠杆1两端分别与试样端连接座3 和砝码端连接座53连接，试样端连接座3下方依次与力传感器6和上球头连接器10连接，上球头连接器10下方与夹具及变形测量机构连接，砝码端连接座53与砝码自动加载装置连接；在杠杆1上试样装夹端安装有平衡螺杆4和平衡块5，平衡块5与平衡螺杆5之间螺纹连接，旋转平衡块5可调节其在平衡螺杆4上的位置，用于使杠杆1两端受力平衡。
夹具及变形测量机构由高温夹具11、引伸杆14、双侧光栅传感器15组成，高温夹具11 由上下两个拉杆组成，其中上拉杆连接在上球头连接器10的下方，下拉杆与杠杆自调平机构的下球头连接器16连接，上下两个拉杆之间用于装夹试样12；高温夹具11与试样12位于加热控温机构的加热炉13内；引伸杆14安装在高温夹具11上，用于将试样12标距范围内的形变引出加热炉13，试样12的形变由双侧光栅传感器15测量，双侧光栅传感器15安装在引伸杆14底端。
杠杆自调平机构由下球头连接器16、杠杆调平升降杆17、调平丝杠螺母19、调平丝杠 20、丝杠轴承座21、从动轮22、调平同步带23、主动轮24、调平伺服电机25、限位臂50、下限位光电开关49、中位光电开关51和上限位光电开关52组成；下球头连接器16安装在调平升降杆17顶端，与夹具及变形测量机构的高温夹具11下拉杆连接，调平升降杆17套装在调平丝杠20外，调平丝杠螺母19与调平升降杆17连接为一体，调平丝杠20通过丝杠轴承座21竖直固定安装在工作台18上，调平丝杠20下端与从动轮22连接，调平伺服电机25 通过主动轮24、调平同步带23和从动轮22将转动传至调平丝杠20；限位臂50安装在砝码加载拉杆48上，下限位光电开关49、中位光电开关51和上限位光电开关52通过支撑座从上至下依次安装在限位臂50的侧面，下限位光电开关49、中位光电开关51和上限位光电开关52通过感知限位臂50的位置，用于控制调平伺服电机25开启和关闭；
杠杆自调平机构还包括一个安装在调平丝杠螺母19上的拨头、以及安装在工作台18上的上调平行程开关26和下调平行程开关27；所述的拨头与上调平行程开关26和下调平行程开关27配合用于限定调平升降杆18的升降范围。
所述的加热控温机构由加热炉13和控温系统组成，加热炉13固定在左侧的立柱9上，加热炉13内的加热体分为三段，每段均由各自的控温系统单独控制，控温系统由热电偶、温控仪和调功器组成。
砝码自动加载装置由若干重量不等的砝码41、法码加载拉杆48、砝码加载托盘38、砝码支撑机构和砝码升降驱动机构组成；
所述的若干重量不等的砝码41都在中心位置有一通孔，砝码按重量分为多组，每一组砝码底部分别设有一个砝码加载托盘38，所述的法码加载拉杆48上端与砝码端连接座53，中部从砝码41的中心通孔穿过后分别连接多个砝码加载托盘38，每个砝码41的前后左右四个侧面上均开有两个朝下的开口槽；
所述砝码支撑机构是由安装在砝码组左右两侧的砝码支撑固定立板40、安装在砝码支撑固定立板40上的砝码支撑臂43和支撑臂驱动电磁铁42组成；砝码支撑固定立板40固定在上横梁8和工作台18之间，支撑臂驱动电磁铁42的动铁芯与砝码支撑臂43连接，支撑臂驱动电磁铁42可驱动砝码支撑臂43的销插入砝码41两侧的开口槽或从开口槽中抽出，实现对砝码41的支撑或脱离；砝码支撑臂43上的销中间穿过砝码支撑固定立板40上对应位置开设的通孔；
所述砝码升降驱动机构由加载升降电机28、蜗轮蜗杆减速器29、加载丝杠30、加载丝杠螺母31、加载升降杆32、加载下直线轴承33、加载下行程开关34、加载中行程开关35、加载上行程开关36、砝码升降下横梁37、砝码支撑移动立板39、砝码升降臂44、砝码升降臂驱动电磁铁45、砝码升降上横梁46和加载上直线轴承47组成；砝码升降上横梁46和砝码升降下横梁37分别通过一对加载上直线轴承47和加载下直线轴承33安装在立柱9上，砝码支撑移动立板39固定安装在砝码升降上横梁46和砝码升降下横梁37之间；升降臂驱动电磁铁45的动铁芯与砝码移动臂44连接，升降臂驱动电磁铁45可驱动砝码升降臂44的销插入砝码41前后两侧的开口槽，或从开口槽中抽出，实现对砝码41的支撑或脱离；砝码升降臂44的销中间穿过砝码支撑移动立板39上对应位置开设的通孔；加载升降杆32上部与砝码升降下横梁37固定连接，加载升降杆32下部与加载丝杠螺母31连接，加载丝杠螺母31与加载丝杠30配合，加载丝杠30通过蜗轮蜗杆减速器29与加载升降电机28传动连接。
所述游码精确微调装置由游码驱动电机54、游码右行程开关55、游码驱动丝杠56、游码驱动座导轨57、游码驱动丝杠螺母58、游码驱动座59、游码60、游码导轨61、游码左行程开关62、编码器63组成；游码导轨61安装在杠杆1底部，游码60安装在游码导轨61上，游码导轨61下方设有游码驱动丝杠56，游码驱动丝杠56两端通过轴承座固定安装在上横梁 8上，游码驱动丝杠螺母58与游码驱动丝杠56配合组成丝杠副，游码驱动丝杠螺母58上方固定有游码驱动座59，游码驱动座59设有与游码60配合的安装槽，游码驱动丝杠56下方设有游码驱动座导轨57，游码驱动丝杠螺母58下方设有滑块，游码驱动丝杠螺母58能够带动游码驱动座59沿游码驱动座导轨57滑动，从而带动游码60沿游码导轨移动，游码驱动丝杠56一端与游码驱动电机54连接，游码驱动丝杠56另一端安装有编码器63，游码右行程开关55和游码左行程开关62分别安装在游码驱动丝杠56左右两端的轴承座上。
该试验仪还包括一个测控系统，该测控系统由PC机、单片机和PLC控制器组成，PC机分别与单片机、PLC控制器和加热控温机构中的温控仪通信；
PLC控制器用于加载测控；PLC通过力传感器6测量载荷并将测量值发送至PC机；PLC 控制游码微调装置标定建立游码移动距离与增加载荷之间的关系；PLC控制砝码自动加载装置中的支撑臂驱动电磁铁43、升降臂驱动电磁铁45和加载升降电机28进行加载砝码动作，以及控制游码精确微调装置中游码驱动电机54，同时根据编码器63测定游码移动的距离，进行调节游码动作；
单片机用于控制杠杆自调平机构和形变测量机构；单片机根据下限位光电开关49、中位光电开关51和上限位光电开关52的状态，控制杠杆自调平机构中的调平伺服电机25旋转，实现杠杆调平；单片机通过双侧光栅传感器15测量形变并将测量值发送至PC机；
PC机作为试验参数和指令的输入和发出端，PC机向温控仪发出试验温度参数和加热指令，由温控仪控制加热控温机构的温度并将当前温度值发送至PC机；PC机向PLC控制器发送游码微调装置标定指令、由载荷参数和加载指令，由PLC控制游码微调装置完成标定，控制砝码加载装置和游码微调装置完成加载，并将当前载荷值发送至PC机；PC机向单片机发送试验开始指令，由单片机测量形变并将测量值发送至PC机，同时进行杠杆调平。
加热控温机构工作过程如下：
1)操作人员通过PC机输入加热目标温度并按下试验开始按钮，PC机发送加热温度参数和开始加热指令至温控仪；
2)温控仪接受到加热目标温度参数和开始加热指令后控制加热炉13开始加热，并将当前温度至发送至PC机；
3)温控仪根据热电偶测得的温度值，调节调功器输出至每段加热体上的功率或电压，直至精确调控温度至设定的目标值。
砝码自动加载动作的步骤具体如下：
1)未加载前全部砝码均由砝码支撑臂42支撑，即所有砝码的支撑臂驱动电磁铁42的动铁芯为伸出状态，砝码支撑臂42的销均插入对应砝码的开口槽中，升降臂驱动电磁铁45的动铁芯为回退状态，砝码升降臂44销未插入开口槽，砝码升降机构处于加载中行程开关35 位置处；
2)当试验开始且加热温度达到要求后，PC机发送的载荷参数和加载指令，PLC接受到 PC机发送的载荷参数和加载指令后，确定需要加载到加载托盘上的待加载砝码；
3)PLC控制全部砝码的升降臂驱动电磁铁45通电，使砝码升降臂44的销插入对应砝码侧面的开口槽中；
4)PLC控制加载升降电机26正向旋转，带动全部砝码上升至加载上行程开关36位置处，此时砝码支撑臂44不再支撑砝码；
5)PLC控制待加载砝码的支撑臂驱动电磁铁42通电，使待加载砝码的支撑臂42销从砝码侧面的开口槽中抽出；
6)PLC控制加载升降电机26反向旋转，带动所有砝码下降至加载中行程开关35位置处，此时，除待加载砝码外，其余砝码均又由其砝码支撑臂42支撑；
7)除待加载砝码外，PLC控制将其余砝码的升降臂驱动电磁铁45反向通电，使砝码升降臂44的销从砝码开口槽中抽出；
8)PLC控制加载升降电机26继续反向旋转，带动待加载砝码下降直至待加载砝码完全由加载托盘支撑，加载升降电机26在下行程开关34处停止旋转，完成加载，PLC通过力传感器6测量当前载荷，监控砝码加载是否成功；
9)卸载时，PLC接受到PC机发送的卸载指令后，控制加载升降电机26正向旋转，带动已加载砝码上升脱离加载托盘，完成卸载；
10)PLC控制加载升降电机26在加载中行程开关35处停止，将待加载砝码的支撑臂驱动电磁铁42反向通电，使待加载砝码支撑臂42销插入砝码侧面的开口槽中，然后PLC控制加载升降电机26下降，待加载砝码由加载砝码支撑臂42支撑。
调节游码动作的步骤具体如下：
1)试验前操作人员通过PC机发送游码微调装置标定指令，PLC接受到标定指令后，控制游码60从试样端缓慢移动至砝码端，移动过程中PLC通过编码器63测量游码的移动距离ΔL，通过力传感器测得试验力增量ΔF，以此建立游码60移动距离与试验力增加量之间的关系ΔF＝f(ΔL)；
2)加载前游码60置于最左端，PLC接受到PC机发送的载荷参数和加载指令并控制砝码加载装置完成砝码加载后，根据目标试验力与砝码加载后试验力之间的差值，按照游码60 移动距离与试验力增量之间的关系ΔF＝f(ΔL)，计算游码60微调的距离ΔL；
3)PLC控制游码驱动电机54带动游码60沿游码导轨61移动至所计算的距离ΔL处，完成精确加载，力传感器6监控加载是否达到目标值；
4)卸载时，PLC接受到PC机发送的卸载指令后，驱动电机54带动游码60沿游码导轨61返回初始位置，完成卸载。
杠杆自调平动作的具体步骤：
1)试验前装卡试样时，手动控制调平伺服电机25旋转使杠杆调平升降杆17接近上调平行程开关26处，根据试样尺寸，选择合适的卡具11上下拉杆，试样安装完成后通过微调上、下球头连接器10、16位置，使限位臂50处于中位光电开关51处，杠杆1处于平衡状态；
2)当操作人员通过PC机按下试验开始按钮后，PC机发送试验开始指令至单片机，单片机系统接收到试验开始指令后启动形变测量和杠杆自调平，并将通过双侧光栅传感器15测量形变并将测量值发送至PC机；
3)试验过程中随着试样的变形，杠杆的平衡状态将被打破，当单片机系统检测到限位臂 50接近下限位光电开关49时，控制调平伺服电机25旋转使杠杆调平升降杆17下降，从而拖动杠杆1试样端降低、砝码悬挂端升高，直至限位臂50处于中位光电开关51处，完成杠杆自调平。
本实施例中杠杆1与杠杆支座2之间、以及杠杆1的两端分别与试样端连接座3和砝码端连接座52之间均采用刃口支撑，以保证加载的高灵敏度。
本实施例中砝码自动加载装置中还包括缓冲装置64，缓冲装置64位于最底端砝码加载托盘38的正下方，安装在工作台18上，在试样断裂时对砝码加载托盘38掉落冲击进行缓冲，避免损坏仪器。
Claims (10)
1.一种可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，该试验机由机架、杠杆及连接机构、夹具及变形测量机构、杠杆自调平机构、加热控温机构、砝码自动加载装置和游码精确微调装置组成；
所述机架由上横梁(8)、立柱(9)和工作台(18)组成，所述的工作台(18)放置在水平的地面上，通过四个立柱(9)将上横梁(8)和工作台(18)支撑起，位于工作台(18)的上方；
杠杆及连接机构主要由杠杆(1)、杠杆支座(2)、试样端连接座(3)和砝码端连接座(53)、力传感器(6)、上球头连接器(10)组成，杠杆(1)由安装在上横梁(8)上的杠杆支座(2)支撑，水平放置在上横梁(8)上；杠杆(1)与杠杆支座(2)的接触点为杠杆支点，杠杆(1)两端分别与试样端连接座(3)和砝码端连接座(53)连接，试样端连接座(3)下方依次与力传感器(6)和上球头连接器(10)连接，上球头连接器(10)下方与夹具及变形测量机构连接，砝码端连接座(53)与砝码自动加载装置连接；在杠杆(1)上试样装夹端安装有平衡螺杆(4)和平衡块(5)，平衡块(5)与平衡螺杆(5)之间螺纹连接，旋转平衡块(5)可调节其在平衡螺杆(4)上的位置，用于使杠杆(1)两端受力平衡；
夹具及变形测量机构由高温夹具(11)、引伸杆(14)、双侧光栅传感器(15)组成，高温夹具(11)由上下两个拉杆组成，其中上拉杆连接在上球头连接器(10)的下方，下拉杆与杠杆自调平机构的下球头连接器(16)连接，上下两个拉杆之间用于装夹试样(12)；高温夹具(11)与试样(12)位于加热控温机构的加热炉(13)内；引伸杆(14)安装在高温夹具(11)上，测试时引伸杆(14)的夹头分别夹在试样(12)两端用于将试样(12)标距范围内的形变转变为引伸杆(14)的伸长距离并将该距离变化引出加热炉(13)，引伸杆(14)的伸长距离变化由双侧光栅传感器(15)测量，双侧光栅传感器(15)安装在引伸杆(14)底端；
杠杆自调平机构由下球头连接器(16)、杠杆调平升降杆(17)、调平丝杠螺母(19)、调平丝杠(20)、丝杠轴承座(21)、从动轮(22)、调平同步带(23)、主动轮(24)、调平伺服电机(25)、限位臂(50)、下限位光电开关(49)、中位光电开关(51)和上限位光电开关(52)组成；下球头连接器(16)安装在调平升降杆(17)顶端，与夹具及变形测量机构的高温夹具(11)下拉杆连接，调平升降杆(17)套装在调平丝杠(20)外，调平丝杠螺母(19)与调平升降杆(17)连接为一体，调平丝杠(20)通过丝杠轴承座(21)竖直固定安装在工作台(18)上，调平丝杠(20)下端与从动轮(22)连接，调平伺服电机(25)通过主动轮(24)、调平同步带(23)和从动轮(22)将转动传至调平丝杠(20)；限位臂(50)安装在砝码加载拉杆(48)上，下限位光电开关(49)、中位光电开关(51)和上限位光电开关(52)通过支撑座从上至下依次安装在限位臂(50)的侧面，下限位光电开关(49)、中位光电开关(51)和上限位光电开关(52)通过感知限位臂(50)的位置，用于控制调平伺服电机(25)开启和关闭；
砝码自动加载装置由若干重量不等的砝码(41)、法码加载拉杆(48)、砝码加载托盘(38)、砝码支撑机构和砝码升降驱动机构组成；
所述的若干重量不等的砝码(41)都在中心位置有一通孔，砝码按重量分为多组，每一组砝码底部分别设有一个砝码加载托盘(38)，所述的法码加载拉杆(48)上端与砝码端连接座(53)，中部从砝码(41)的中心通孔穿过后分别连接多个砝码加载托盘(38)，每个砝码(41)的前后左右四个侧面上均开有两个朝下的开口槽；
所述砝码支撑机构是由安装在砝码组左右两侧的砝码支撑固定立板(40)、安装在砝码支撑固定立板(40)上的砝码支撑臂(43)和支撑臂驱动电磁铁(42)组成；砝码支撑固定立板(40)固定在上横梁(8)和工作台(18)之间，支撑臂驱动电磁铁(42)的动铁芯与砝码支撑臂(43)连接，支撑臂驱动电磁铁(42)可驱动砝码支撑臂(43)的销插入砝码(41)两侧的开口槽或从开口槽中抽出，实现对砝码(41)的支撑或脱离；砝码支撑臂(43)上的销中间穿过砝码支撑固定立板(40)上对应位置开设的通孔；
所述砝码升降驱动机构由加载升降电机(28)、蜗轮蜗杆减速器(29)、加载丝杠(30)、加载丝杠螺母(31)、加载升降杆(32)、加载下直线轴承(33)、加载下行程开关(34)、加载中行程开关(35)、加载上行程开关(36)、砝码升降下横梁(37)、砝码支撑移动立板(39)、砝码升降臂(44)、砝码升降臂驱动电磁铁(45)、砝码升降上横梁(46)和加载上直线轴承(47)组成；砝码升降上横梁(46)和砝码升降下横梁(37)分别通过一对加载上直线轴承(47)和加载下直线轴承(33)安装在立柱(9)上，砝码支撑移动立板(39)固定安装在砝码升降上横梁(46)和砝码升降下横梁(37)之间；升降臂驱动电磁铁(45)的动铁芯与砝码移动臂(44)连接，升降臂驱动电磁铁(45)可驱动砝码升降臂(44)的销插入砝码(41)前后两侧的开口槽，或从开口槽中抽出，实现对砝码(41)的支撑或脱离；砝码升降臂(44)的销中间穿过砝码支撑移动立板(39)上对应位置开设的通孔；加载升降杆(32)上部与砝码升降下横梁(37)固定连接，加载升降杆(32)下部与加载丝杠螺母(31)连接，加载丝杠螺母(31)与加载丝杠(30)配合，加载丝杠(30)通过蜗轮蜗杆减速器(29)与加载升降电机(28)传动连接；
所述游码精确微调装置由游码驱动电机(54)、游码右行程开关(55)、游码驱动丝杠(56)、游码驱动座导轨(57)、游码驱动丝杠螺母(58)、游码驱动座(59)、游码(60)、游码导轨(61)、游码左行程开关(62)、编码器(63)组成；游码导轨(61)安装在杠杆(1)底部，游码(60)安装在游码导轨(61)上，游码导轨(61)下方设有游码驱动丝杠(56)，游码驱动丝杠(56)两端通过轴承座固定安装在上横梁(8)上，游码驱动丝杠螺母(58)与游码驱动丝杠(56)配合组成丝杠副，游码驱动丝杠螺母(58)上方固定有游码驱动座(59)，游码驱动座(59)设有与游码(60)配合的安装槽，游码驱动丝杠(56)下方设有游码驱动座导轨(57)，游码驱动丝杠螺母(58)下方设有滑块，游码驱动丝杠螺母(58)能够带动游码驱动座(59)沿游码驱动座导轨(57)滑动，从而带动游码(60)沿游码导轨移动，游码驱动丝杠(56)一端与游码驱动电机(54)连接，游码驱动丝杠(56)另一端安装有编码器(63)，游码右行程开关(55)和游码左行程开关(62)分别安装在游码驱动丝杠(56)左右两端的轴承座上。
2.根据权利要求1所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，所述的杠杆自调平机构还包括一个安装在调平丝杠螺母(19)上的拨头、以及安装在工作台(18)上的上调平行程开关(26)和下调平行程开关(27)；所述的拨头与上调平行程开关(26)和下调平行程开关(27)配合用于限定调平升降杆(18)的升降范围。
3.根据权利要求1所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，所述的加热控温机构由加热炉(13)和控温系统组成，加热炉(13)固定在左侧的立柱(9)上，加热炉(13)内的加热体分为三段，每段均由各自的控温系统单独控制，控温系统由热电偶、温控仪和调功器组成。
4.根据权利要求(1)所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，该试验仪还包括一个测控系统，该测控系统由PC机、单片机和PLC控制器组成，PC机分别与单片机、PLC控制器和加热控温机构中的温控仪通信；
PLC控制器用于加载测控；PLC通过力传感器(6)测量载荷并将测量值发送至PC机；PLC控制游码微调装置标定建立游码移动距离与增加载荷之间的关系；PLC控制砝码自动加载装置中的支撑臂驱动电磁铁(43)、升降臂驱动电磁铁(45)和加载升降电机(28)进行加载砝码动作，以及控制游码精确微调装置中游码驱动电机(54)，同时根据编码器(63)测定游码移动的距离，进行调节游码动作；
单片机用于控制杠杆自调平机构和形变测量机构；单片机根据下限位光电开关(49)、中位光电开关(51)和上限位光电开关(52)的状态，控制杠杆自调平机构中的调平伺服电机(25)旋转，实现杠杆调平；单片机通过双侧光栅传感器(15)测量形变并将测量值发送至PC机；
PC机作为试验参数和指令的输入和发出端，PC机向温控仪发出试验温度参数和加热指令，由温控仪控制加热控温机构的温度并将当前温度值发送至PC机；PC机向PLC控制器发送游码微调装置标定指令、由载荷参数和加载指令，由PLC控制游码微调装置完成标定，控制砝码加载装置和游码微调装置完成加载，并将当前载荷值发送至PC机；PC机向单片机发送试验开始指令，由单片机测量形变并将测量值发送至PC机，同时进行杠杆调平。
5.根据权利要求4所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，加热控温机构工作过程如下：
1)操作人员通过PC机输入加热目标温度并按下试验开始按钮，PC机发送加热温度参数和开始加热指令至温控仪；
2)温控仪接受到加热目标温度参数和开始加热指令后控制加热炉(13)开始加热，并将当前温度至发送至PC机；
3)温控仪根据热电偶测得的温度值，调节调功器输出至每段加热体上的功率或电压，直至精确调控温度至设定的目标值。
6.根据权利要求4所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，测控系统砝码自动加载动作的步骤具体如下：
1)未加载前全部砝码均由砝码支撑臂(42)支撑，即所有砝码的支撑臂驱动电磁铁(42)的动铁芯为伸出状态，砝码支撑臂(42)的销均插入对应砝码的开口槽中，升降臂驱动电磁铁(45)的动铁芯为回退状态，砝码升降臂(44)销未插入开口槽，砝码升降机构处于加载中行程开关(35)位置处；
2)当试验开始且加热温度达到要求后，PC机发送的载荷参数和加载指令，PLC接受到PC机发送的载荷参数和加载指令后，确定需要加载到加载托盘上的待加载砝码；
3)PLC控制全部砝码的升降臂驱动电磁铁(45)通电，使砝码升降臂(44)的销插入对应砝码侧面的开口槽中；
4)PLC控制加载升降电机(26)正向旋转，带动全部砝码上升至加载上行程开关(36)位置处，此时砝码支撑臂(44)不再支撑砝码；
5)PLC控制待加载砝码的支撑臂驱动电磁铁(42)通电，使待加载砝码的支撑臂(42)销从砝码侧面的开口槽中抽出；
6)PLC控制加载升降电机(26)反向旋转，带动所有砝码下降至加载中行程开关(35)位置处，此时，除待加载砝码外，其余砝码均又由其砝码支撑臂(42)支撑；
7)除待加载砝码外，PLC控制将其余砝码的升降臂驱动电磁铁(45)反向通电，使砝码升降臂(44)的销从砝码开口槽中抽出；
8)PLC控制加载升降电机(26)继续反向旋转，带动待加载砝码下降直至待加载砝码完全由加载托盘支撑，加载升降电机(26)在下行程开关(34)处停止旋转，完成加载，PLC 通过力传感器(6)测量当前载荷，监控砝码加载是否成功；
9)卸载时，PLC接受到PC机发送的卸载指令后，控制加载升降电机(26)正向旋转，带动已加载砝码上升脱离加载托盘，完成卸载；
10)PLC控制加载升降电机(26)在加载中行程开关(35)处停止，将待加载砝码的支撑臂驱动电磁铁(42)反向通电，使待加载砝码支撑臂(42)销插入砝码侧面的开口槽中，然后PLC控制加载升降电机(26)下降，待加载砝码由加载砝码支撑臂(42)支撑。
7.根据权利要求4所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，测控系统调节游码动作的步骤具体如下：
1)试验前操作人员通过PC机发送游码微调装置标定指令，PLC接受到标定指令后，控制游码(60)从试样端缓慢移动至砝码端，移动过程中PLC通过编码器(63)测量游码的移动距离ΔL，通过力传感器(6)测得试验力增量ΔF，以此建立游码(60)移动距离与试验力增加量之间的关系式ΔF＝f(ΔL)；
2)加载前游码(60)置于最左端，PLC接受到PC机发送的载荷参数和加载指令并控制砝码加载装置完成砝码加载后，根据目标试验力与砝码加载后试验力之间的差值，按照游码(60)移动距离与试验力增量之间的关系ΔF＝f(ΔL)，计算游码(60)微调的距离ΔL；
3)PLC控制游码驱动电机(54)带动游码(60)沿游码导轨(61)移动至所计算的距离ΔL处，完成精确加载，力传感器(6)监控加载是否达到目标值；
4)卸载时，PLC接受到PC机发送的卸载指令后，驱动电机(4)带动游码(60)沿游码导轨(61)返回初始位置，完成卸载。
8.根据权利要求4所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，测控系统杠杆自调平动作的具体步骤：
1)试验前装卡试样时，手动控制调平伺服电机(25)旋转使杠杆调平升降杆(17)接近上调平行程开关(26)处，根据试样尺寸，选择合适的卡具(11)上下拉杆，试样安装完成后通过微调上球头连接器(10)和下球头连接器(16)位置，使限位臂(50)处于中位光电开关(51)处，杠杆(1)处于平衡状态；
2)当操作人员通过PC机按下试验开始按钮后，PC机发送试验开始指令至单片机，单片机系统接收到试验开始指令后启动形变测量和杠杆自调平，并将通过双侧光栅传感器(15)测量形变并将测量值发送至PC机；
3)试验过程中随着试样的变形，杠杆的平衡状态将被打破，当单片机系统检测到限位臂(50)接近下限位光电开关(49)时，控制调平伺服电机(25)旋转使杠杆调平升降杆(17)下降，从而拖动杠杆(1)试样端降低、砝码悬挂端升高，直至限位臂(50)处于中位光电开关(51)处，完成杠杆自调平。
9.根据权利要求1所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，杠杆(1)与杠杆支座(2)之间、以及杠杆(1)的两端分别与试样端连接座(3)和砝码端连接座(52)之间均采用刃口支撑。
10.根据权利要求1所述的可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机，其特征在于，砝码自动加载装置中还包括缓冲装置(64)，缓冲装置(64)位于最底端砝码加载托盘(38)的正下方，安装在工作台(18)上。
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