CN110763580A - 一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于拉伸试验技术领域，并具体公开了一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备及方法，该设备包括导向机构、支撑板、双滑块机构、丝杠螺母机构、驱动电机和机架，导向机构包括大、小导杆座及与大、小导杆座相连的导杆，大、小导杆座分别安装在支撑板中心和边缘；双滑块机构一端与丝杠螺母机构相连，另一端与导杆滑动配合；丝杠螺母机构与驱动电机相连，通过驱动电机的动作带动丝杠螺母机构动作，进而带动双滑块机构与导杆滑动配合的一端运动，从而实现柔性器件的360°多向同步拉伸；所述方法采用所述拉伸设备实现。本发明可实现柔性器件的多方向同步拉伸测试，以有效排除材料各向异性对测试的影响。

Description

一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备及方法
技术领域
本发明属于拉伸试验技术领域，更具体地，涉及一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备及方法。
背景技术
柔性电子可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在可延展性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。由于柔性电子性能与传统微电子相当，且具有便携、透明、轻质、可延展以及易于快速大面积打印等特点，由此产生了许多新的应用，如柔性显示器、薄膜太阳能电池、大面积传感器和驱动器等。
柔性电子器件区别于传统微电子的最大特点是其柔性，这要求其能够在一定的形变范围内保持良好的导电特性。目前通常使用无机材料制备柔性电子器件，无机材料的断裂应变比较小，如何设计制造具有良好弯曲和伸缩性能的器件成为难点。柔性器件在设计制造过程中需要进行拉伸测试，现在还没有专用的柔性器件周向拉伸装置。现有的测试装置只支持单轴拉伸测试，而单轴拉伸测试无法排除材料各向异性的影响，而转换角度后多次测试不仅极大的延长了实验时长，更无法反应周向拉伸时的复合形变效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备及方法，其通过对关键组件如导向机构、双滑块机构、丝杠螺母机构及驱动电机的装配关系的研究与设计，可实现柔性器件的多方向同步拉伸测试，以有效排除材料各向异性对测试的影响，反应周向拉伸时的复合形变效果，缩短实验时长。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备，其包括导向机构、支撑板、双滑块机构、丝杠螺母机构、驱动电机和机架，其中：
所述导向机构包括大导杆座、小导杆座和导杆，所述大导杆座安装在所述支撑板的中心，该支撑板通过支撑杆与所述机架固定连接，所述小导杆座设置有多个，多个小导杆座安装在所述支撑板的边缘，并以支撑板的中心为圆心环向均匀布置，所述导杆的数量与所述小导杆座的数量对应，其一端与所述大导杆座相连，另一端与对应的小导杆座相连；
所述双滑块机构的数量与所述导杆的数量对应，其一端与所述丝杠螺母机构相连，另一端与对应的导杆滑动配合，并且其上还设置有用于夹持待拉伸柔性器件的夹具；
所述丝杠螺母机构与所述驱动电机相连，所述驱动电机安装在所述机架上，通过驱动电机的动作带动丝杠螺母机构动作，进而带动双滑块机构与丝杠螺母机构相连的一端做上下往复运动，带动双滑块机构与导杆滑动配合的一端沿待拉伸柔性器件的径向做水平往复运动，从而带动所述夹具及其夹持的待拉伸柔性器件沿柔性器件的径向做水平往复运动，以此完成柔性器件的360°多向同步拉伸。
作为进一步优选的，所述双滑块机构包括下滑块、连杆和上滑块，所述下滑块固定在所述丝杠螺母机构上，所述连杆的两端分别与所述下滑块和上滑块铰接，所述上滑块通过滑动轴承与所述导杆实现滑动配合，并且其上设置有凸台，该凸台与所述支撑板上的导向槽配合，所述夹具安装在该凸台上。
作为进一步优选的，所述丝杠螺母机构包括滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母和螺母座，所述滚珠丝杠的下端通过联轴器与所述驱动电机相连，上端与所述大导杆座的下端面配合，所述滚珠丝杠螺母与所述滚珠丝杠螺纹配合，所述螺母座套装在所述滚珠丝杠螺母的外部并与滚珠丝杠螺母固定连接。
作为进一步优选的，所述驱动电机优选为步进电机。
作为进一步优选的，所述小导杆座优选设置4个以上。
按照本发明的另一方面，提供了一种柔性器件的360°多向同步拉伸方法，其采用所述的柔性器件的360°多向同步拉伸设备实现，其包括如下步骤：
S1驱动电机以给定的转角正转以带动丝杠螺母机构向上运动，进而带动双滑块机构与丝杠螺母机构相连的一端向上运动，双滑块机构与导杆滑动配合的一端在水平面上沿背离柔性器件中心的方向运动，设置在双滑块机构上的夹具也沿背离柔性器件中心的方向运动，以此从多个方向将柔性器件拉伸至指定伸长率；
S2驱动电机以给定的转角反转以带动丝杠螺母机构向下运动，进而带动双滑块机构与丝杠螺母机构相连的一端向下运动，双滑块机构与导杆滑动配合的一端在水平面上沿靠近柔性器件中心的方向运动，设置在双滑块机构上的夹具也沿靠近柔性器件中心的方向运动，以此将柔性器件回复至初始状态。
作为进一步优选的，还包括如下步骤：
S3重复步骤S1～S2，以完成指定的拉伸次数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过利用丝杠螺母机构将驱动电机的旋转运动转换为上下直线运动，利用多组双滑块机构将上下直线运动转换为多个水平直线运动，配合导向机构对水平直线运动的精确导向，实现夹具及柔性器件的水平直线运动，以此实现柔性器件的多向同步拉伸，其可对柔性器件进行多个方向的拉伸测试，排除了材料各向异性的干扰，可有效反应周向拉伸时的复合形变效果，大幅缩短了实验时长。
2.本发明还对双滑块机构和丝杠螺母机构的具体结构进行了研究与设计，以此通过调节驱动电机转动给滚珠丝杠加载转速，带动滚珠丝杠螺母作上下往复运动，从而带动多个并联在螺母座上的下滑块运动，进而带动多个上滑块运动，使固定于上滑块的夹具沿柔性器件径向作往复运动，实现了同时对柔性器件进行多个方向的拉伸测试。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备加上控制箱后的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的丝杠螺母机构和双滑块机构的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-控制器开关，2-机架，3-电源开关，4-驱动器，5-驱动电机，6-联轴器，7-支撑板，8-丝杠螺母机构，9-滚珠丝杠螺母，10-螺母座，11-滚珠丝杠，12-下滑块，13-连杆，14-双滑块机构，15-滑动轴承，16-小导杆座，17-上滑块，18-导杆，19-夹具，20-大导杆座，21-柔性器件，22-控制箱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-2所示，本发明实施例提供了一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备，其包括导向机构、支撑板7、双滑块机构14、丝杠螺母机构8、驱动电机5、机架2，其中，支撑板7与机架2之间通过支撑杆固连，位于驱动电机的正上方，驱动电机5安装在机架2上，优选安装于机架底部中心，利用丝杠螺母机构8将驱动电机5的旋转运动转换为上下直线运动，双滑块机构14上设置有用于夹持柔性器件的夹具，利用双滑块机构14将上下直线运动转换为水平直线运动，进而带动夹具及柔性器件做水平直线运动，实现多向同步拉伸，利用支撑板7实现导向机构的安装固定，利用导向机构实现水平直线运动的精确导向。通过上述各机构的相互配合，可实现柔性器件的360°多向同步拉伸变形，具有结构简单、操作方便等优点。
如图3所示，导向机构包括大导杆座20、小导杆座16和导杆18，其中，大导杆座20安装在支撑板7的中心，小导杆座16设置有多个，譬如8个，多个小导杆座16安装在支撑板7的边缘，并以支撑板7的中心为圆心环向均匀布置，导杆18的数量与小导杆座16的数量对应，譬如8个，其一端与大导杆座20相连，另一端与对应的小导杆座16相连。
如图3所示，双滑块机构14的数量与导杆18的数量对应，譬如8个，其一端与丝杠螺母机构8相连，具体与丝杠螺母机构8中的螺母座10相连，另一端与对应的导杆18滑动配合，并且其上还设置有用于夹持待拉伸柔性器件边缘的夹具19。具体的，双滑块机构14包括下滑块12、连杆13和上滑块17，下滑块12固定在丝杠螺母机构8上，具体的通过螺钉固定于丝杠螺母机构8的螺母座10的外侧圆周，连杆13的两端分别与下滑块12和上滑块17铰接，上滑块17通过滑动轴承15与导杆18实现滑动配合，上滑块17上设置有凸台，该凸台与支撑板7上的导向槽配合，夹具19通过螺钉固定在该凸台上，可跟随上滑块滑动，从而对其夹持的柔性器件进行拉伸。具体的，支撑板7上的导向槽为细长槽，数量与凸台数量对应，譬如8个，8个导向槽围绕支撑板中心均匀开设，凸台可在对应的导向槽中滑动。
如图2-3所示，丝杠螺母机构8通过联轴器6与驱动电机5相连，通过驱动电机5的动作带动丝杠螺母机构8动作，进而带动双滑块机构14与丝杠螺母机构8相连的一端上下直线运动，与导杆18滑动配合的一端水平直线移动，从而带动夹具19水平直线移动，以此完成柔性器件的360°多向同步拉伸。具体的，丝杠螺母机构8包括滚珠丝杠11、滚珠丝杠螺母9和螺母座10。滚珠丝杠11下端通过联轴器6与驱动电机5相连，上端与大导杆座20下端面盲孔相配合，滚珠丝杠螺母9与滚珠丝杠11螺纹配合，螺母座10套装在滚珠丝杠螺母9的外部并通过螺钉与滚珠丝杠螺母9固定连接，驱动电机驱动滚珠丝杠旋转，由于丝杠螺母副化转动为直动的特性，滚珠丝杠螺母及其上的螺母座将在滚珠丝杠上作直线运动。
优选的，驱动电机为步进电机，通过调节驱动电机转角和转向，使滚珠丝杠螺母做上下往复运动，带动多个并联在螺母座上的下滑块运动，从而带动多个上滑块运动，进而带动固定于上滑块的夹具沿柔性器件径向做往复运动。本发明的拉伸设备通过丝杠螺母机构及驱动电机精确控制夹具19的位移量，进而控制柔性器件21的伸长量，同时对柔性器件21进行多个(譬如8个)方向的拉伸测试。
下面以8向同步拉伸为例，对本发明的拉伸设备的具体测试过程进行说明。
首先，开启电源开关3和控制器开关1，在上位机参数窗口输入拉伸率、拉伸次数等数据，上位机将拉伸率换算为电机转角，并控制驱动器4驱动驱动电机5转动；
然后，驱动电机5先以给定的转角正转，带动滚珠丝杠11以相同转角正转，滚珠丝杠螺母9将向上运动，进给量与转角大小成正比；螺母座10通过螺钉固定在滚珠丝杠螺母9上，8个下滑块12又通过螺钉并联固定在螺母座10上，三者连成一体，故下滑块12运动状态与滚珠丝杠螺母9相同，以与滚珠丝杠螺母9相同的进给量向上运动；8个上滑块17都通过连杆13分别与8个下滑块12相连，连杆13两端分别与下滑块12、上滑块17铰接，下滑块12、连杆13、上滑块17共同组成了双滑块机构14，8个夹具19均匀夹住柔性器件21边缘并通过螺钉分别固定于8个上滑块17，当下滑块12以一定进给量向上运动时，在连杆13的带动下，上滑块17将在水平面上以一定进给量沿背离柔性器件21中心的方向运动；在上滑块17的牵动下，8个夹具19将也将以一定进给量沿背离柔性器件21中心的方向运动，从而从8个方向将柔性器件21拉伸至指定伸长率；
接着，驱动电机5先以给定的转角反转，带动滚珠丝杠11以相同转角反转，滚珠丝杠螺母9将向下运动；8个下滑块12以与滚珠丝杠螺母9相同的进给量向下运动；8个上滑块17将在水平面上以一定进给量向柔性器件21中心方向运动；在上滑块17的牵动下，8个夹具19将以一定进给量向柔性器件21中心方向运动，从而将柔性器件21回复至初始状态；
重复以上两个步骤，直至给定的拉伸次数，上位机将自动输出实验结果数据，即可完成一次拉伸测试。
本发明装置通过驱动电机带动滚珠丝杠转动，从而带动滚珠丝杠螺母上下往复运动，进而带动并联在螺母座上的多个双滑块机构运动，多个夹具分别固定于多个上滑块并夹住圆形柔性器件边缘，故多个夹具将沿柔性器件径向往复运动，通过多个夹具均匀夹紧圆形柔性器件边缘，利用多个并联双滑块机构带动夹具沿圆形试样径向运动，实现了同时对柔性器件进行多个方向的拉伸测试，排除了材料各向异性的干扰，并大幅缩短了实验时长。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性器件的360°多向同步拉伸设备，其特征在于，包括导向机构、支撑板(7)、双滑块机构(14)、丝杠螺母机构(8)、驱动电机(5)和机架(2)，其中：
所述导向机构包括大导杆座(20)、小导杆座(16)和导杆(18)，所述大导杆座(20)安装在所述支撑板(7)的中心，该支撑板(7)通过支撑杆与所述机架(2)固定连接，所述小导杆座(16)设置有多个，多个小导杆座(16)安装在所述支撑板(7)的边缘，并以支撑板(7)的中心为圆心环向均匀布置，所述导杆(18)的数量与所述小导杆座(16)的数量对应，其一端与所述大导杆座(20)相连，另一端与对应的小导杆座(16)相连；
所述双滑块机构(14)的数量与所述导杆(18)的数量对应，其一端与所述丝杠螺母机构(8)相连，另一端与对应的导杆(18)滑动配合，并且其上还设置有用于夹持待拉伸柔性器件的夹具(19)；
所述丝杠螺母机构(8)与所述驱动电机(5)相连，所述驱动电机(5)安装在所述机架(2)上，通过驱动电机(5)的动作带动丝杠螺母机构(8)动作，进而带动双滑块机构(14)与丝杠螺母机构(8)相连的一端做上下往复运动，带动双滑块机构(14)与导杆(18)滑动配合的一端沿待拉伸柔性器件的径向做水平往复运动，从而带动所述夹具(19)及其夹持的待拉伸柔性器件沿柔性器件的径向做水平往复运动，以此完成柔性器件的360°多向同步拉伸。
2.如权利要求1所述的柔性器件的360°多向同步拉伸设备，其特征在于，所述双滑块机构(14)包括下滑块(12)、连杆(13)和上滑块(17)，所述下滑块(12)固定在所述丝杠螺母机构(8)上，所述连杆(13)的两端分别与所述下滑块(12)和上滑块(17)铰接，所述上滑块(17)通过滑动轴承(15)与所述导杆(18)实现滑动配合，并且其上设置有凸台，该凸台与所述支撑板(7)上的导向槽配合，所述夹具(19)安装在该凸台上。
3.如权利要求1所述的柔性器件的360°多向同步拉伸设备，其特征在于，所述丝杠螺母机构(8)包括滚珠丝杠(11)、滚珠丝杠螺母(9)和螺母座(10)，所述滚珠丝杠(11)的下端通过联轴器(6)与所述驱动电机(5)相连，上端与所述大导杆座(20)的下端面配合，所述滚珠丝杠螺母(9)与所述滚珠丝杠(11)螺纹配合，所述螺母座(10)套装在所述滚珠丝杠螺母(9)的外部并与滚珠丝杠螺母(9)固定连接。
4.如权利要求1所述的柔性器件的360°多向同步拉伸设备，其特征在于，所述驱动电机优选为步进电机。
5.如权利要求1-4任一项所述的柔性器件的360°多向同步拉伸设备，其特征在于，所述小导杆座(16)优选设置4个以上。
6.一种柔性器件的360°多向同步拉伸方法，其采用如权利要求1-5任一项所述的柔性器件的360°多向同步拉伸设备实现，其特征在于，包括如下步骤：
S1驱动电机(5)以给定的转角正转以带动丝杠螺母机构(8)向上运动，进而带动双滑块机构(14)与丝杠螺母机构(8)相连的一端向上运动，双滑块机构(14)与导杆(18)滑动配合的一端在水平面上沿背离柔性器件(21)中心的方向运动，设置在双滑块机构(14)上的夹具(19)也沿背离柔性器件(21)中心的方向运动，以此从多个方向将柔性器件(21)拉伸至指定伸长率；
S2驱动电机(5)以给定的转角反转以带动丝杠螺母机构(8)向下运动，进而带动双滑块机构(14)与丝杠螺母机构(8)相连的一端向下运动，双滑块机构(14)与导杆(18)滑动配合的一端在水平面上沿靠近柔性器件(21)中心的方向运动，设置在双滑块机构(14)上的夹具(19)也沿靠近柔性器件(21)中心的方向运动，以此将柔性器件(21)回复至初始状态。
7.如权利要求6所述的柔性器件的360°多向同步拉伸方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S3重复步骤S1～S2，以完成指定的拉伸次数。
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