專利名稱：臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測試驗機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測系統(tǒng)，特別涉及一種能夠在動靜態(tài)實驗過程中實現(xiàn)在位觀測的試驗機，屬于工程材料、物理性能、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實驗技術(shù)領(lǐng)域。它可用于測試各種金屬材料、高強塑料以及類似材料的動靜力學(xué)性能，包括拉伸、壓縮、疲勞，裂紋擴展、斷裂力學(xué)以及其它各種力學(xué)試驗，尤其能在線觀測試樣裂紋的變化以及試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況。
背景技術(shù)：
隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，迫切需要能夠完成金屬材料，智能材料等的斷裂力學(xué)實驗，疲勞實驗，尤其是能夠在位觀測材料斷裂過程以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，裂紋演化的實驗設(shè)備。目前各種材料試驗機技術(shù)也已經(jīng)成熟，如長春試驗機研究所生產(chǎn)的CSS-WAWDL型電液伺服萬能試驗機和PLG型高頻疲勞試驗機，但它們多采用門式立系框架，采用單端加載方式，這種設(shè)計方式不能夠為相應(yīng)的顯微觀測系統(tǒng)提供安裝空間，也就不能實現(xiàn)在線觀測試樣裂紋的變化以及試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況。現(xiàn)有的試驗機的沒有提供匹配的函數(shù)發(fā)生器，因此不能夠?qū)崿F(xiàn)正弦波、三角波、方波、斜波、組合波的試驗加載波形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測系統(tǒng)，能夠在拉伸、壓縮、疲勞各種力學(xué)實驗的過程中可以在線觀測試樣裂紋的變化或者試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化過程，并配備能夠?qū)崿F(xiàn)正弦波、三角波、方波、斜波、組合波的函數(shù)發(fā)生器，從而產(chǎn)生相應(yīng)的加載實驗波形。另外本系統(tǒng)能夠完成位移、負(fù)荷以及變形三種控制方式的平滑切換。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測試驗機，該裝置包括主機、液壓源和控制系統(tǒng)，所述的主機包括框架和加載傳動系統(tǒng)，所述的加載傳動系統(tǒng)包括伺服油缸子系統(tǒng)，所述的伺服油缸子系統(tǒng)包括伺服油缸，通過聯(lián)接軸和套在該聯(lián)接軸上的防松墊與液壓夾頭連接，該伺服油缸活塞內(nèi)安裝有交流差動變壓器式位移傳感器，其特征在于所述的框架采用U型臥式框架，在臥式框架中部安裝有三維移動滑臺，在該三維移動滑臺上安裝有光學(xué)顯微鏡；所述的加載傳動系統(tǒng)還包括與伺服油缸子系統(tǒng)布置在同一水平軸線上的調(diào)整油缸子系統(tǒng)，所述的調(diào)整油缸子系統(tǒng)包括調(diào)整油缸，鎖緊缸，導(dǎo)向杠，移動梁，滑杠，液壓夾頭，負(fù)荷傳感器和脹緊套，所述的滑杠一端與移動梁連接，該移動梁與調(diào)整油缸相連，并可在導(dǎo)向杠上移動，導(dǎo)向杠通過脹緊套與框架連接，該滑杠另一端穿過框架與負(fù)荷傳感器和液壓夾頭連接。所述的鎖緊缸安裝在調(diào)整梁缺口旁邊。
本發(fā)明所述的所述控制系統(tǒng)中包含控制信號支路和反饋信號支路，所述的控制信號支路由計算機，一個能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、斜波、組合波的函數(shù)發(fā)生器，通過DA卡，與比較器的第一腳連接，比較器的第二腳與控制狀態(tài)選擇器連接，與控制狀態(tài)選擇器一端連接，所述的控制狀態(tài)選擇器另一端與三種傳感器分別相連；比較器的第三腳通過PID調(diào)節(jié)器與伺服驅(qū)動器連接；所述的反饋信號支路由計算機，AD卡，與位移，載荷，變形傳感器連接。
本發(fā)明所述的液壓源包括進油路，回油路；所述的進油路經(jīng)過油泵機組，高壓濾油器，蓄能器分為四條支路，第一支路通過伺服閥與伺服油缸連接；第二支路通過調(diào)整電磁閥，疊加式雙單向節(jié)流閥與調(diào)整缸連接；第三支路通過電磁閥和疊加單向閥與鎖緊缸連接；第四支路通過單向減壓閥和電磁閥與液壓夾頭連接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三級溢流閥與主回路連接；所述的主回路經(jīng)過與進油路相對應(yīng)的四條支路與蓄能器，板式換熱器，回油濾油器，溫度計和液位計依次連接。
本發(fā)明所述的三維移動滑臺由X，Y和Z方向移動裝置組成，所述的X方向移動裝置由X軸直線導(dǎo)軌，X軸調(diào)整旋鈕和X軸調(diào)整平臺組成；所述的Y軸方向移動裝置由Y軸直線導(dǎo)軌，Y軸調(diào)整旋鈕和Y軸調(diào)整平臺組成；所述的Z軸方向移動裝置由Z軸微調(diào)手輪，絲杠和安裝在絲杠上的渦輪箱組成；所述的X軸調(diào)整平臺通過Y軸直線導(dǎo)軌安裝在Y軸調(diào)整平臺上，所述的Y軸調(diào)整平臺安裝在絲杠上，絲杠在X軸直線導(dǎo)軌上滑動。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果采用了U型臥式框架，為顯微觀測提供了空間，加載傳動系統(tǒng)增加了調(diào)整油缸子系統(tǒng)，加載傳動系統(tǒng)的一端可以調(diào)整到合適的位置，另一端實現(xiàn)加載；安裝了三維滑動平臺和顯微系統(tǒng)，使得在拉伸、壓縮、疲勞各種力學(xué)實驗的過程中可以在線觀測試樣裂紋的變化或者試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化過程，并配備能夠?qū)崿F(xiàn)正弦波、三角波、方波、斜波、組合波的函數(shù)發(fā)生器，從而產(chǎn)生相應(yīng)的加載實驗波形。另外本系統(tǒng)能夠完成位移、負(fù)荷以及變形三種控制方式的平滑切換；其加載頻率范圍在0.01Hz-30Hz之間；其最大試驗力能夠達到±10kN；該系統(tǒng)采用電液伺服閉環(huán)控制原理，它具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點；該機由計算機控制，其操作簡單、可靠性高。


圖1是本發(fā)明的臥式主機示意圖主視圖。
圖2是圖1的左視圖。
圖3是本發(fā)明的油路原理圖。
圖4是本發(fā)明的三維移動滑臺示意圖主視圖。
圖5是圖4的左視圖。
圖6是本發(fā)明的控制系統(tǒng)流程框圖。
圖中1-脹緊套；2-導(dǎo)向杠；3-移動梁；4-滑杠；5-銅套；6-負(fù)荷傳感器；7-液壓夾頭；8-試件；9-聯(lián)接軸；10-防松墊；11-框架；12-伺服油缸；13-位移傳感器；14-進油口；15-電磁閥；16-油泵機組；17-高壓濾油器；18-蓄能器；19-伺服閥；20-調(diào)整電磁閥；21-疊加式雙單向節(jié)流閥；22-調(diào)整缸；23-疊加減壓閥；24-疊加單向閥；25-鎖緊缸；26-壓力表；27-壓力表開關(guān)；28-三級溢流閥；29-液位計；30-回油濾油器；31-板式換熱器；32-溫度計；33-X軸直線導(dǎo)軌；34-渦輪箱；35-Z軸微調(diào)手輪；36-絲桿；37-X軸調(diào)整平臺；38-X軸微調(diào)手輪；39-Y軸直線導(dǎo)軌；40-Y軸調(diào)整平臺；41-顯微鏡；42-顯微鏡平臺；43-Y軸微調(diào)手輪；44-三維移動滑臺。
具體實施例方式
圖1、2為本發(fā)明提供的U形臥式主機示意圖，所述的主機包括框架11和加載傳動系統(tǒng)，所述的加載傳動系統(tǒng)包括伺服油缸子系統(tǒng)，所述的伺服油缸子系統(tǒng)包括伺服油缸12，通過聯(lián)接軸9和套在該聯(lián)接軸9上的防松墊10與液壓夾頭連接，該伺服油缸活塞內(nèi)安裝有交流差動變壓器式位移傳感器13。所述的框架采用臥式框架，在U形臥式框架中部安裝有三維移動滑臺44，在該三維移動滑臺上安裝有光學(xué)顯微鏡41；所述的加載傳動系統(tǒng)還包括與伺服油缸子系統(tǒng)布置在同一水平軸線上的調(diào)整油缸子系統(tǒng)，所述的調(diào)整油缸子系統(tǒng)包括調(diào)整油缸22，鎖緊缸25，導(dǎo)向杠2，移動梁3，滑杠4，液壓夾頭7，負(fù)荷傳感器6，脹緊套1，所述的滑杠4一端與移動梁3連接，該移動梁3與調(diào)整油缸22相連，可在導(dǎo)向杠2上移動，導(dǎo)向杠2通過脹緊套1與框架11連接，該滑杠4另一端穿過框架11與負(fù)荷傳感器6和液壓夾頭7連接，所述的鎖緊缸25安置在移動梁缺口旁邊。
其中框架11采用板式焊接結(jié)構(gòu)，它具有重量輕，整機剛性好，系統(tǒng)頻率高等特點；伺服油缸子系統(tǒng)是電液伺服系統(tǒng)中產(chǎn)生力和位移的裝置，該系統(tǒng)從設(shè)計上保證了低阻尼、高頻響的最佳動態(tài)特性；液壓夾頭7可以方便而可靠的使試樣與主機剛性連接；傳感器包括位移、負(fù)荷、變形傳感器，它是測量及參與反饋控制的關(guān)鍵部分，其精度直接影響控制精度。負(fù)荷傳感器6采用輪輻式應(yīng)變負(fù)荷傳感器，具有精度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點。該負(fù)荷傳感器與調(diào)整油缸子系統(tǒng)上的液壓夾頭連接在一起。位移傳感器13采用交流差動變壓器式位移傳感器，安裝于伺服油缸內(nèi)。變形傳感器采用電阻應(yīng)變橋結(jié)構(gòu)，貼在試件上，可將試件一定標(biāo)距內(nèi)的位移變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；調(diào)整油缸子系統(tǒng)主要是用來調(diào)節(jié)試驗空間，可根據(jù)試樣的長短將作動器調(diào)到最佳的控制位置。
簡單的實驗過程通過調(diào)整油缸22推動移動梁3在滑杠4上移動，從而推動液壓夾頭7移動到合適的位置，然后通過鎖緊缸25固定移動梁3，從而固定液壓夾頭7，然后可以通過另一端的伺服油缸12和液壓夾頭對試件進行加載，同時可以通過安裝在三維移動滑臺44上的光學(xué)顯微鏡41對試件進行顯微觀察。
圖3為本發(fā)明提供的油路原理圖，液壓源包括進油路，回油路；所述的進油路經(jīng)過油泵機組16，高壓濾油器17，蓄能器18分為四條支路，第一支路通過伺服閥19與伺服油缸12連接；第二支路通過調(diào)整電磁閥20，疊加式雙單向節(jié)流閥21與調(diào)整缸22連接；第三支路通過電磁閥15和疊加單向閥24與鎖緊缸25連接；第四支路通過單向減壓閥23和電磁閥15與液壓夾頭7連接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三級溢流閥28與主回路連接；所述的主回路經(jīng)過與進油路相對應(yīng)的四條支路與蓄能器18，板式換熱器31，回油濾油器30，溫度計32和液位計29依次連接。
其中油泵機組16采用手動斜盤式軸向柱塞泵組，輸出流量最大25l/min，驅(qū)動電機功率11KW；伺服閥19是電液伺服系統(tǒng)中，電液轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，本系統(tǒng)采用帶液壓力矩反饋的二級伺服閥，其輸出液壓流量與輸入信號電流成正比；蓄能器18使高壓泵組輸出脈動油流變得平穩(wěn)。
圖4、5為本發(fā)明提供的三維移動滑臺示意圖，該三維移動滑臺由X軸，Y軸和Z軸方向移動裝置組成。所述的X軸方向移動裝置由X軸直線導(dǎo)軌33，X軸微調(diào)手輪38和X軸調(diào)整平臺37組成；所述的Y軸方向移動裝置由Y軸直線導(dǎo)軌39，Y軸微調(diào)手輪43和Y軸調(diào)整平臺40組成；所述的Z軸方向移動裝置由絲杠36，Z軸微調(diào)手輪35和安裝在絲杠36上的渦輪箱34組成。所述的X軸調(diào)整平臺37通過Y軸直線導(dǎo)軌39安裝在Y軸調(diào)整平臺40上，所述的Y軸調(diào)整平臺40安裝在絲杠36上，絲杠36在X軸直線導(dǎo)軌33上滑動。
圖6為本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)流程圖?？刂葡到y(tǒng)中包含控制信號支路和反饋信號支路，所述的控制信號支路由計算機，一個能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、斜波、組合波的函數(shù)發(fā)生器，通過DA卡，與比較器的第一腳連接，比較器的第二腳與控制狀態(tài)選擇器連接，比較器的第三腳通過PID調(diào)節(jié)器與伺服驅(qū)動器連接；所述的反饋信號支路由計算機，AD卡，與位移，載荷，變形傳感器連接，所述的三種傳感器分別與控制狀態(tài)選擇器并連。
AD、DA卡是購買的標(biāo)準(zhǔn)ISA總線卡AC1830?？刂茽顟B(tài)選擇器是由電子模擬多路開關(guān)AD7501組成的，它受控于計算機，由計算機從三種控制對象即負(fù)荷、位移和變形中選擇其一種。比較器是由高精度運算放大器組成的典型電路。它主要完成兩路模擬輸入信號的比較運算，輸出一個差值信號給下一級電路。PID調(diào)節(jié)器，P是代表控制系統(tǒng)中的比例參數(shù)，I代表控制系統(tǒng)中的積分參數(shù)，D代表控制系統(tǒng)中的微分參數(shù)，都是由模擬運算放大器來實現(xiàn)的典型電路。該機控制采用的是有差負(fù)反饋閉環(huán)PID控制系統(tǒng)，因此PID控制調(diào)節(jié)器對整機的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定非常重要。伺服驅(qū)動器是由運算放大器和功率驅(qū)動器組成的典型模擬電路。作用是對輸入的電壓誤差信號放大后，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電流源信號，經(jīng)過功率驅(qū)動元件放大后，輸出給電液伺服閥。
該控制系統(tǒng)采用的是有差閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。信號源輸出的控制指令信號與“控制狀態(tài)選擇器”選擇的被控反饋信號在比較器產(chǎn)生一個誤差信號。這個誤差信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后送到閥驅(qū)動器上，控制閥推動油缸向著指令要求的方向運動，來減小誤差以趨向控制指令目標(biāo)。整個控制過程就是調(diào)節(jié)器不斷地調(diào)整驅(qū)動器的輸出，使其相應(yīng)的反饋信號與設(shè)定信號之間的誤差最小。并且該系統(tǒng)的控制狀態(tài)方式包括負(fù)荷、位移和應(yīng)變?nèi)N方式。
權(quán)利要求
1.一種臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測試驗機，該裝置包括主機、液壓源和控制系統(tǒng)，所述的主機包括框架和加載傳動系統(tǒng)，所述的加載傳動系統(tǒng)包括伺服油缸子系統(tǒng)，該伺服油缸子系統(tǒng)包括伺服油缸(12)，該油缸通過聯(lián)接軸(9)和套在該聯(lián)接軸上的防松墊(10)與液壓夾頭連接，在伺服油缸內(nèi)安裝有交流差動變壓器式位移傳感器(13)，其特征在于所述的框架采用U型臥式框架，在臥式框架中部安裝有三維移動滑臺(44)，在該三維移動滑臺上安裝有光學(xué)顯微鏡(41)；所述的加載傳動系統(tǒng)還包括與伺服油缸子系統(tǒng)布置在同一水平軸線上的調(diào)整油缸子系統(tǒng)，所述的調(diào)整油缸子系統(tǒng)含有調(diào)整油缸(22)，鎖緊缸(25)，導(dǎo)向杠(2)，移動梁(3)，滑杠(4)，液壓夾頭(7)，負(fù)荷傳感器(6)和脹緊套(1)；所述的滑杠(4)一端與移動梁(3)連接，滑杠的另一端穿過框架(11)與負(fù)荷傳感器和液壓夾頭連接；所述的移動梁與調(diào)整油缸(22)相連，并沿導(dǎo)向杠(2)上移動，導(dǎo)向杠通過脹緊套(1)與框架(11)連接，所述的鎖緊缸(25)安置在移動梁缺口旁邊。
2.如權(quán)利要求1所述的臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測試驗機，其特征在于所述控制系統(tǒng)包含控制信號支路和反饋信號支路，所述的控制信號支路由計算機，一個與該計算機連接并能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、斜波、組合波的函數(shù)發(fā)生器，D/A卡，比較器，控制狀態(tài)選擇器，PID調(diào)節(jié)器和伺服驅(qū)動器組成，所述的D/A卡與比較器的第一腳連接，比較器的第二腳與控制狀態(tài)選擇器一端連接，比較器的第三腳通過PID調(diào)節(jié)器與伺服驅(qū)動器連接；所述的反饋信號支路由計算機，A/D卡，以及分別與A/D卡相連的位移傳感器、載荷傳感器和變形傳感器組成，所述的三種傳感器分別與所述的控制狀態(tài)選擇器相連。
3.如權(quán)利要求1或2所述的臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測試驗機，其特征在于所述的液壓源包括進油路和回油路兩部分；所述的進油路經(jīng)過油泵機組(16)，高壓濾油器(17)，蓄能器(18)分為四條支路，第一支路通過伺服閥(19)與伺服油缸(12)連接，第二支路通過調(diào)整電磁閥(20)，疊加式雙單向節(jié)流閥(21)與調(diào)整缸(22)連接，第三支路通過電磁閥(15)和疊加單向閥(24)與鎖緊缸(25)連接，第四支路通過單向減壓閥(23)和電磁閥(15)與液壓夾頭(7)連接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三級溢流閥(28)與主回路連接，所述的主回路經(jīng)過與進油路相對應(yīng)的四條支路與蓄能器(18)、板式換熱器(31)和回油濾油器(30)相連。
4.如權(quán)利要求3所述的臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測試驗機，其特征在于所述的三維移動滑臺(44)由X、Y和Z軸方向移動裝置組成，所述的X軸方向移動裝置由X軸直線導(dǎo)軌(33)，X軸微調(diào)手輪(38)和X軸調(diào)整平臺(37)組成；所述的Y軸方向移動裝置由Y軸直線導(dǎo)軌(39)，Y軸微調(diào)手輪(43)和Y軸調(diào)整平臺(40)組成；所述的Z軸方向移動裝置由Z軸微調(diào)手輪(35)，絲杠(36)和安裝在絲杠上的渦輪箱(34)組成；所述的X軸調(diào)整平臺(37)通過Y軸直線導(dǎo)軌(39)安裝在Y軸調(diào)整平臺(40)上，所述的Y軸調(diào)整平臺(40)安裝在絲杠(36)上，絲杠(36)在X軸直線導(dǎo)軌(33)上滑動。
全文摘要
一種臥式動靜態(tài)電液伺服顯微觀測系統(tǒng)，涉及一種能夠在動靜態(tài)實驗過程中實現(xiàn)在位觀測的試驗機，本系統(tǒng)主要由三個部分組成主機、液壓源、控制系統(tǒng)。其中主機安裝有調(diào)整油缸子系統(tǒng)，伺服油缸子系統(tǒng)，光學(xué)顯微鏡和三維移動滑臺，為試樣提供了實驗的平臺；液壓源是為電液伺服試驗機提供液壓動力裝置；控制系統(tǒng)采用電液伺服閉環(huán)控制原理，并配備相應(yīng)的函數(shù)發(fā)生器，能夠在位移、載荷和變形三種控制方式下完成高載荷，變頻率的加載以及顯微觀察試件裂紋演化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的實驗過程；另外該系統(tǒng)由計算機控制，其操作簡單、可靠性高，具有實驗載荷大，響應(yīng)速度快、控制精度高、頻帶寬、試驗波形種類多等特點。
文檔編號G01N21/84GK1865909SQ20061001187
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者方岱寧, 丁國龍, 李躍光, 鮑沛, 裴永茂 申請人:清華大學(xué), 長春試驗機研究所