CN1217176C - 三自由度微机控制万能试验机 - Google Patents

Abstract

一种三自由度微机控制万能试验机，包括主机系统和控制系统。控制系统中的可编程控制器通过伺服电机控制器控制置放在主机系统中X、Y、Z三方向上的伺服电机。主机系统中的力传感器、力矩传感器和位移传感器的输出均连接到控制系统中的专用数据采集控制器上。主机机械系统含有弯扭试验装置和能够上下移动的力加载移动横梁、左右移动的加载头、前后移动的主机架。采用本发明的万能试验机、不仅能够测量被测构件的拉力、压力、剪力，同时还能测量扭矩、弯矩及角位移等一系列的静刚度值。本发明的万能试验机结构简单、操作方便，稳定可靠，寿命长。

Description

三自由度微机控制万能试验机

技术领域

本发明涉及一种万能试验机，特别涉及一种三自由度微机控制万能试验机。适用于对于材料和构件的拉力、压力、剪力、扭矩和弯矩的静刚度测试。

背景技术

对于构件特性和材料质量的鉴别，往往要对它进行拉力、压力、剪力以及扭矩和弯矩的测试。在先技术中，材料试验机的结构多数只有一个Z方向的运动，所以，一台常规万能材料试验机只能测试材料的拉力、压力，或者再加上剪切或弯曲。至于扭矩和弯矩的静刚度值就很难获得了。

发明内容

本发明为了克服上述在先技术所存在的不足，提供一种三自由度微机控制的万能试验机。本发明的万能试验机能够使测试的加载头在X、Y、Z三个方向上移动，可适用于各种形状的被测构件。因此，用本发明的一台试验机就能分别测得构件和材料的拉力、压力、剪力、扭矩、弯矩以及相应的角位移、线位移等一系列的数据。根据测得的数据，计算机自动分析求得各种静刚度值。

本发明的万能试验机，包括：主机系统7和控制系统3。

所说的主机系统7包括：主机机械系统1、伺服电机控制器2、力传感器4、力矩传感器5和位移传感器6。其中，主机机械系统1包含置于主机机械系统1内的主机架101。置于主机架101内的能够上下(Y方向)移动的力加载移动横梁1013。置于力加载移动横梁1013上的能够左右(X方向)移动的加载头105。置于主机架101内的，而且主机架101能够在它上面在水平方向上做前后(Z方向)移动的试验平台1014。置于试验平台1014上的弯曲试验装置102和联接装置104。

所说的控制系统3包括：可编程(PLC)控制器301、专用数据采集控制器302以及工控机和专用测量控制处理器303。

所说的主机系统7中的力传感器4，力矩传感器5和位移传感器6的输出均连接到控制系统3中的专用数据采集控制器302上。伺服电机控制器2的一端与可编程控制器301相连，另一端分别与置放在主机系统中的X、Y、Z三方向上的伺服电机相连。在控制系统3中，可编程控制器301与专用数据采集控制器302相连，专用数据采集控制器302与工控机和专用测量控制处理器303相连。

如上述的结构，由控制系统3中的可编程控制器301控制主机系统7中的伺服电机控制器2，伺服电机控制器2控制着置放在主机系统7中X、Y、Z三个方向上的伺服电机在三个方向上移动；同时，控制系统3中的专用数据采集控制器302从主机系统7中的力传感器4、力矩传感器6和位移传感器5中获得数据信息，再由工控机和专用测量控制处理器303进行处理，以至给出结果。

本发明的万能试验机，虽然结构比较简单，但，它有三个自由度的移动，能够在同一试验机上对被测构件实现拉、压、剪、纯弯曲、扭矩等一系列的静刚度测试。而且，性能稳定，数据可靠，寿命较长。

附图说明

图1是本发明万能试验机的结构方框示意图。

图2是图1中主机机械系统1的具体结构示意图。

图3是图2中弯扭试验装置102的具体结构示意图。

图4是进行拉压测试时，置放被测构件103的示意图。

图5是进行剪力测试时，置放被测构件103的示意图。

图6是进行扭矩测试时，置放被测构件103的示意图。

图7是进行弯矩测试时，置放被测构件103的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施，进一步说明本发明万能试验机的结构。

图1是本发明万能试验机的总体结构。包含：主机系统7和控制系统3两大系统。主机系统7包含主机机械系统1、伺服电机控制器2、力传感器4、力矩传感器5和位移传感器6。控制系统3包含可编程控制器301、专用数据采集控制器302和工控机和专用测量控制处理器303。

主机系统7中力传感器4、力矩传感器5和位移传感器6的输出均连接到控制系统3中的专用数据采集控制器302上。伺服电机控制器2一端与可编程控制器301相连，另一端分别连接到置放在主机系统7的X、Y、Z三方向上的伺服电机上。可编程控制器301与专用数据采集控制器302相连。专用数据采集控制器302与工控机和专用测量控制处理器303相连。

所说的专用数据采集控制器302上，含有2个力传感器通道，3个数字位移编码器通道，1个角位移传感器通道，8个线位移传感器通道等。在本实施例中，专用数据采集控制器302是采用了高精度模拟放大器和高速A/D芯片。以达到高速高精度采样的目的。测量过程的操作是在Windows的环境下进行的。这样有利于方便地掌握控制系统和测试过程的操作。

控制系统3在测量过程中的力加载控制包括等速加载和程控步加载。其中，等速加载是：根据测试要求，设定好位移速度，停止条件等测试参数，运行中满足停止条件时，即停止测试。

程控步加载：共有六步，每步可设加载速度，停止条件(如时间、拉力值、压力值、弯矩值、扭矩值等，以及转下一步的条件等)。

在测试过程中，过程量以拉力、压力、弯矩、扭矩为纵坐标，被测构件变形(线位移、角位移)为横坐标，实时显示加载曲线。并可将数据保存、分析处理和打印(可选报表打印、曲线打印或报表曲线打印)。

在测量过程中，每一个采集的量均可手动或自动清零，实时数值和峰值数的显示。上述的每个通道均能单独多点标定，同时，标定数据可另行备份。当测试数据输入后，可分别保存，下一次测试时，可随时提取，修改，以减少重复性的输入工作。

图2给出图1中的主机机械系统1的具体结构。主机机械系统1包含主机架101、弯扭试验装置102、联接装置104、加载头105和控制盒106。

所说的主机架101包含左右两个立柱1012，在左右两个立柱1012之间的顶端有上横梁1011，在两个立柱1012之间的底端有底座1017。在底座1017上置有机架水平移动装置1015和驱动装置1016，在机架水平移动装置1015的表面是试验平台1014。在两立柱1012之间和上横梁1011与试验平台1014之间置有力加载移动横梁1013。所说的加载头105置于力加载移动横梁1013上。加载头105含有置于力加载移动横梁1013内的导向块1051。所说的力传感器4固定在导向块1051上。所说的弯扭试验装置102和联接装置104置于试验平台1014上。被测构件103接于弯扭试验装置102与联接装置104之间，或者接于联接装置104与加载头105之间。所说的位移传感器6置放在被测构件103与联接装置104之间。弯扭试验装置102与加载头105上的力传感器4相连接。

所说的左右两立柱1012内有导向立柱和能够供力加载移动横梁1013移动的滚珠丝杆。力加载移动横梁1013在驱动装置1016的驱动下，在滚珠丝杆上上下移动，为测试提供加载力。

所说的机架水平移动装置1015内有供主机架101水平方向上前后移动的滚珠丝杆和导轨。在驱动装置1016的驱动下，实现主机架101的水平方向上的前后移动。

所说的力加载移动横梁1013内有导轨、滚珠丝杆和伺服电机。加载头105上的导向块1051带着力传感器4在伺服电机的驱动下，在力加载移动横梁1013上左右移动。配合上述的主机架前后移动，能够很方便地将力传感器4定位在试验平台1014上的任意一点上。

所说的试验平台1014为一铸铁平台，在试验平台1014上开有纵向相互平行的T形槽。可以方便地通过联接装置104将被测构件103固定在试验平台1014上。

所说的控制力加载移动横梁1013的移动可以自动控制和手动操作。因为在主机系统的X、Y、Z的方向上都置有伺服电机，伺服电机通过伺服电机控制器2与控制系统中的可编程(PLC)控制器301相连。因此，力加载移动横梁1013的定位，在可编程控制器301上输入需要移动的X、Y值，力加载移动横梁1013就会自动移动到所指定的位置上。

手动操作系统主要是用置于立柱1012上的控制盒106。通常用于测试前机器的定位，被测构件103的装夹等。或者用手动控制力加载移动横梁1013带动力传感器4前后、左右移动到所需要的测试位置。

本发明的万能试验机含有安全保护措施。分为主机系统7上的机械电气保护和控制系统3上的控制力过载保护。对于机械电气保护，在所有的移动部分，包括主机架101在试验平台1014上水平方向上前后的移动，力加载移动横梁1013的上下移动，加载头105在力加载移动横梁1013上的左右移动等X、Y、Z方向上均装有电气限位保护装置。当其移动到极限位置时，限位装置就起作用，切断电源。

所有的电器、电机均有过压、过流、短路和过载保护措施。当测试过程中，遇到突然停电时，因所有的传动机构是由滚珠丝杆和涡轮涡杆减速器构成，本身具有一定的自锁性能。故机器被锁定在当前的位置上，待供电恢复后，才能正常移动。保证了测试的安全。

力过载保护是根据设定的过载量(一般为最大测试力或扭矩的3％～5％)。当力加载到力加载移动横梁1013上，使其移动时(不论是自动加载状态，还是在手动移动状态)，一旦力传感器输出的力值达到设定的过载量，伺服驱动系统将停止加载，保护了被测构件和试验机。

图3是弯扭试验装置102的结构示意图。弯扭试验装置102含有：齿条1021、齿轮1022、支承座1023、弹性联轴器1024和连接法兰1025。所说的力矩传感器5置于弹性联轴器1024与连接法兰1025之间。当被测构件103接于弯扭试验装置102与联接装置104之间时，即被测构件103通过连接法兰1025与弯扭试验装置102连接。将力加载移动横梁1013做上下的直线移动，经过齿条1021和齿轮1022转变为旋转运动，从而，在齿轮轴上输出力矩。由于齿轮轴的两端支承在支承座1023的轴承上，施加在齿轮轴上的径向力通过轴承传递至支承座上，因此，在齿轮轴输出端只有扭矩。

图4是做拉压测试时，被测构件103置入的位置状态。在进行拉压测试时，在主机系统上，首先要根据被测构件103的形状、尺寸、大小，选用合适的夹具，将其固定在试验平台上，并确定加载中心的位置和加载方式；然后根据加载中心的位置，移动主机架和加载头到加载中心；再根据加载的方式，如拉压测试，选用合适的夹具，使被测构件的加载面与加载头上的力传感器接口相连；再根据试验要求和线位移检测的位置，将位移传感器6安装在被测构件103与联接装置104之间。

在控制系统上，在可编程控制器内设定好试验速度，再将各力值、位移值清零，点击启动按钮后，系统以设定速度运行并实时显示出力和位移的数值。

当加载到设定的保持载荷时，驱动停止。系统以机械刚性保持载荷不变。在1小时内，载荷的变动量应≤±0.2％。到达设定时间后，可编程控制器301通过伺服电机控制器2驱动伺服电机重新运行按程序加载。

图5是做剪力测试时，被测构件103置放的状态。测试的过程同上述的拉压测试。

图6是做扭矩测试时，被测构件103置放的状态。

被测构件103的装夹和力的加载与上述拉压测试相似。但在加载头105的力传感器4与被测构件103之间连接有弯扭试验装置102。被测构件103是被连接在弯扭试验装置102上的力矩传感器5前的连接法兰1025上。当力加载移动横梁1013上下移动拉压时，加载力经弯扭试验装置102上的齿条102和齿轮1022转换为扭矩。

当被测构件103与连接法兰1025的连接位置不同时，被测构件103受的力矩为弯矩或者扭矩。图6中是被测构件103的一端部与连接法兰1025连接，连接法兰1025的另一端固定在力矩传感器5上。

扭矩值由力矩传感器测量。

角位移的测量，一般情况下可以采用位移(角位移)传感器直接测量角位移。

当有特殊要求不能采用角位移传感器测量时，可以采用两个线位移传感器在一个恒定的间距上测量转动平面上的变形，经工控机和专用测量控制处理器303的换算，可以获得角位移。

图7是做弯矩测试时，被测构件103置放的状态。与上述做扭矩测试相同，只是弯扭试验装置102与做扭矩测试的位置旋转90°后与被测构件103装夹。而且被测构件103为杆状，连接法兰1025与被测构件103长度方向的某点连接，被测构件103的另一端固定。则被测构件103受弯矩。

Claims (10)

1、一种三自由度微机控制万能试验机，包括主机系统(7)和控制系统(3)，主机系统(7)中包括主机机械系统(1)和力传感器(4)，其特征在于主机系统(7)中还包括伺服电机控制器(2)，力矩传感器(5)和位移传感器(6)，置于主机机械系统(1)内的主机架(101)，置于主机架(101)内的能够上下即Y方向移动的力加载移动横梁(1013)，置于力加载移动横梁(1013)上的能够左右即X方向移动的加载头(105)，置于主机架(101)内的，而且主机架(101)能够在它上面在水平方向上做前后即Z方向移动的试验平台(1014)，置于试验平台(1014)上的弯曲试验装置(102)和联接装置(104)；控制系统(3)包括可编程控制器(301)，专用数据采集控制器(302)以及工控机和专用测量控制处理器(303)；所说的主机系统(7)中力传感器(4)、力矩传感器(5)和位移传感器(6)的输出均连接到控制系统(3)中的专用数据采集控制器(302)上，伺服电机控制器(2)的一端与可编程控制器(301)相连，另一端分别与置放在主机系统(7)中X、Y、Z三方向上的伺服电机相连，在控制系统(3)中，可编程控制器(301)与专用数据采集控制器(302)相连，专用数据采集控制器(302)与工控机和专用测量控制处理器(303)相连。

2、根据权利要求1所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的控制系统(3)中的专用数据采集控制器(302)上含有2个力传感器通道，3个数字位移编码器通道，1个角位移传感器通道和8个线位移传感器通道。

3、根据权利要求1所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的主机系统(7)中的主机机械系统(1)包括主机架(101)、弯扭试验装置(102)、联接装置(104)、加载头(105)和控制盒(106)。

4、根据权利要求3所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的主机架(101)包含左右两个立柱(1012)，在左右两个立柱(1012)之间的顶端有上横梁(1011)，在两个立柱(1012)之间的底端有底座(1017)，在底座(1017)上置有机架水平移动装置(1015)和驱动装置(1016)，在机架水平移动装置(1015)的表面是试验平台(1014)，在两立柱(1012)之间和上横梁(1011)与试验平台(1014)之间置有力加载移动横梁(1013)，所说的加载头(105)置于力加载移动横梁(1013)上；所说的弯扭试验装置(102)和联接装置(104)置于试验平台(1014)上；被测构件(103)接于弯扭试验装置(102)与联接装置(104)之间，或者被测构件(103)接于联接装置(104)与加载头(105)之间。

5、根据权利要求3所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的弯扭试验装置(102)含有齿条(1021)、齿轮(1022)、支承座(1023)、弹性联轴器(1024)和连接法兰(1025)；所说的力矩传感器(5)置于弹性联轴器(1024)与连接法兰(1025)之间。

6、根据权利要求4所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的加载头(105)含有导向块(1051)，所说的力传感器(4)固定在导向块(1051)上，导向块(1051)置于力加载移动横梁(1013)内。

7、根据权利要求4所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的两个立柱(1012)内有导向立柱和滚珠丝杆。

8、根据权利要求4所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的机架水平移动装置(1015)内有滚珠丝杆和导轨。

9、根据权利要求4所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的力加载移动横梁(1013)内有导轨、滚珠丝杆和伺服电机。

10、根据权利要求4所述的三自由度微机控制万能试验机，其特征在于所说的主机架(101)在试验平台(1014)上的前后移动，力加载移动横梁(1013)的上下移动以及加载头(105)在力加载移动横梁(1013)上的左右移动的X、Y、Z方向上均装有电气限位装置。

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