專利名稱：一種單軸雙向?qū)ΨQ拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單軸雙向?qū)ΨQ拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，是一種對(duì)宏觀尺度的薄膜、細(xì)絲、薄板等材料的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試的單軸雙向?qū)ΨQ拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，屬于實(shí)驗(yàn)力學(xué)裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)的研究，一直是材料力學(xué)關(guān)注的研究領(lǐng)域。對(duì)材料力學(xué)性能的檢測(cè)技術(shù)多種多樣，目前常用的主要包括單軸拉伸法、三點(diǎn)彎曲法和雙軸拉伸法等。其中單軸拉伸是測(cè)量彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等最直接的方法。而且單軸拉伸的拉伸試驗(yàn)過程簡(jiǎn)單，可測(cè)定的性能指標(biāo)多，測(cè)試結(jié)果通用性好。近幾十年來，隨著實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展，設(shè)計(jì)開發(fā)適用于新的工作環(huán)境下的單軸拉伸加載裝置，從而得到材料的宏/細(xì)觀力學(xué)性能，成為材料力學(xué)中必不可少的一項(xiàng)工作。
為解決材料的力學(xué)性能測(cè)試問題，研究人員發(fā)明了各種拉伸裝置。如施暉發(fā)明的泡沫拉伸強(qiáng)度測(cè)定儀[公告號(hào)CN02258435.8]中采用機(jī)械式單軸單向拉伸實(shí)驗(yàn)裝置，華南工學(xué)院茹長(zhǎng)渠；李岡陵發(fā)明的機(jī)械式雙向拉伸實(shí)驗(yàn)儀[公告號(hào)CN87205653]中采用機(jī)械式雙軸雙向拉伸裝置；天津紡織工學(xué)院施鴻才、麥繼平等發(fā)明的雙軸向電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)[公告號(hào)CN87205653]。
上述專利和文獻(xiàn)所報(bào)道的微拉伸裝置存在的問題和缺陷主要有一是雙軸拉伸系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)；二是單軸單向拉伸系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)加載時(shí)試件中心點(diǎn)會(huì)隨加載運(yùn)動(dòng)，不利于觀察試件的微區(qū)變形，三是加載試件尺寸較大，不適合薄膜、細(xì)絲類試件的加載要求；四是試件的加載速度較大，不適合變形量較小試樣的變形測(cè)量；五是試樣變形是通過測(cè)量夾具位移間接獲得的，而且無法得到試件的微區(qū)信息；六是采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，中途無法停止，不能通過編程實(shí)現(xiàn)加載方式的多樣性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單軸雙向?qū)ΨQ拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀尺度的薄膜、細(xì)絲、薄板等材料的靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)量。該裝置可根據(jù)不同研究對(duì)象和目的實(shí)現(xiàn)不同的加載方式及測(cè)量模式，具有適用范圍廣，靈敏度高，測(cè)量結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種單軸雙向?qū)ΨQ拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，包括步進(jìn)電機(jī)11，步進(jìn)電機(jī)控制器12，力傳感器7，蝸輪3，蝸桿2，滾珠絲杠5，左螺母9，右螺母6，直線導(dǎo)軌13，軸承4，機(jī)座1，聯(lián)軸器15，試件夾持裝置14；
步進(jìn)電機(jī)控制器12控制步進(jìn)電機(jī)11；步進(jìn)電機(jī)11通過聯(lián)軸器15與蝸桿3相連，蝸桿3與配合的蝸輪2實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)向；套在滾珠絲杠5的左螺母9和右螺母6坐落在直線導(dǎo)軌13上，滾珠絲杠5通過左右兩端的軸承4支撐，直線導(dǎo)軌13和軸承4座落在機(jī)座1上面；力傳感器7固定在滾珠絲杠5的右螺母6上，并伸出試件夾持裝置14的一端，試件夾持裝置14的另一端固連在絲杠左螺母9上。
本發(fā)明還可以有一個(gè)由CCD 10和與CCD相連數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的非接觸光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。
本發(fā)明采用一對(duì)反向的滾珠絲杠帶動(dòng)夾具向兩端拉伸，保證試件兩端同步拉伸，中心點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)過程中保持位置不變；采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)細(xì)化，通過傳動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)試件小量程的位移加載；而且步進(jìn)電機(jī)可以通過編程控制運(yùn)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)試件運(yùn)動(dòng)的多樣性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果①采用一對(duì)反向的滾珠絲杠帶動(dòng)夾具向兩端拉伸，可以保證試件兩端同步拉伸，中心點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)過程中保持位置不變，而且本發(fā)明采用蝸輪蝸桿及滾珠絲杠傳動(dòng)，提高了傳動(dòng)精度，減少了傳動(dòng)誤差。②采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)細(xì)化，通過傳動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)試件小量程的位移加載，試件加載速度為0.5μm/步。③拉伸過程中可采用步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)計(jì)算得到夾持部分的位移獲得試樣變形，也可采用非接觸光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)記錄試樣中間一段的變形過程，然后用數(shù)字圖像相關(guān)方法直接測(cè)量試樣的表面變形。系統(tǒng)使用方便，適用范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，測(cè)量結(jié)果可靠。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖。其中，1-機(jī)座；2-蝸桿；3-蝸輪；4-軸承；5-滾珠絲杠；6-右螺母；7-力傳感器；8-試件；9-左螺母；10-CCD；11-步進(jìn)電機(jī)；12-步進(jìn)電機(jī)控制器；13-直線導(dǎo)軌；14-試件夾持裝置。
圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖。其中，11-步進(jìn)電機(jī)；12-步進(jìn)電機(jī)控制器；15-聯(lián)軸器。
圖3為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中數(shù)字圖像相關(guān)方法的流程圖。
圖4是加載卸載載荷位移曲線圖。
圖5是應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實(shí)施例1系統(tǒng)中各元件的參數(shù)為試件最大加載載荷150N，最大運(yùn)動(dòng)位移10mm，力傳感器的載荷量程為200N，分辨率為參數(shù)1N。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖主視圖如圖1所示，整個(gè)裝置包括步進(jìn)電機(jī)11，步進(jìn)電機(jī)控制器12，力傳感器7，蝸輪3，蝸桿2，滾珠絲杠5，左螺母9，右螺母6，直線導(dǎo)軌13，軸承4，機(jī)座1，聯(lián)軸器15，試件夾持裝置14。
圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖。其中，11-步進(jìn)電機(jī)；12-步進(jìn)電機(jī)控制器；15-聯(lián)軸器。
上述各部件的連接關(guān)系為步進(jìn)電機(jī)控制器12控制步進(jìn)電機(jī)11；步進(jìn)電機(jī)11通過聯(lián)軸器15與蝸桿3相連，蝸桿與配合的蝸輪2實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)向；套在滾珠絲杠5的左螺母9、右螺母6坐落在直線導(dǎo)軌13上，絲杠通過左右兩端的軸承4支撐，直線導(dǎo)軌和軸承座落在機(jī)座1上面。力傳感器7固定在絲杠右螺母6上，并伸出試件夾持裝置14的一端，試件夾持裝置的另一端固連在絲杠左螺母9上。
本裝置的加載與測(cè)量過程如下載荷加載步進(jìn)電機(jī)輸出的扭矩傳遞到蝸桿上，通過蝸輪蝸桿系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)扭矩的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速降低。最后通過座在直線導(dǎo)軌上的雙螺母絲杠，將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。試件一端與固定在絲杠螺母上的力傳感器相連，另一端固定在雙螺母絲杠的另一端螺母上，試驗(yàn)加載時(shí)，試件兩端向相反方向?qū)ΨQ運(yùn)動(dòng)，試件中心點(diǎn)位置不動(dòng)。
變形測(cè)量試件加載速度為0.5μm/步，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)乘以加載速度可計(jì)算得到試樣夾持兩端的位移量，即可獲得試樣的拉伸變形。
力測(cè)量通過力傳感器測(cè)量，可由力傳感器的顯示結(jié)果讀出。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用本發(fā)明裝置測(cè)量鋁合金試件FL2M的載荷位移曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4是加載卸載載荷位移曲線圖，圖中系列1為加載時(shí)試件的載荷位移曲線圖，系列2為卸載時(shí)試件的載荷位移曲線圖。由圖可知，除曲線前端和末端因傳動(dòng)方向變化，傳動(dòng)系統(tǒng)間隙調(diào)整外，其余階段曲線吻合較好，說明該裝置傳動(dòng)準(zhǔn)確，精度較高。
實(shí)施例2系統(tǒng)中各元件的參數(shù)為試件最大加載載荷150N，最大運(yùn)動(dòng)位移10mm，力傳感器的載荷量程為200N，分辨率為參數(shù)1N。非接觸光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的成像部分由成像鏡頭和CCD組成，可根據(jù)試樣的大小選擇合適的放大倍數(shù)，對(duì)試樣的中間部分準(zhǔn)確成像并存入與CCD相接的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中用數(shù)字圖像相關(guān)程序來計(jì)算試樣的變形信息。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)裝置包括步進(jìn)電機(jī)11，步進(jìn)電機(jī)控制器12，力傳感器7，蝸輪3，蝸桿2，滾珠絲杠5，左螺母9，右螺母6，直線導(dǎo)軌13，軸承4，機(jī)座1，聯(lián)軸器15，試件夾持裝置14。非接觸光學(xué)測(cè)量部分由CCD 10和與CCD相連數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。
上述各部件的連接關(guān)系為步進(jìn)電機(jī)控制器12控制步進(jìn)電機(jī)11；步進(jìn)電機(jī)11通過聯(lián)軸器15與蝸桿3相連，蝸桿與配合的蝸輪2實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)向；套在滾珠絲杠5的左螺母9、右螺母6坐落在直線導(dǎo)軌13上，絲杠通過左右兩端的軸承4支撐，直線導(dǎo)軌和軸承座落在機(jī)座1上面。力傳感器7固定在絲杠右螺母6上，并伸出試件夾持裝置14的一端，試件夾持裝置的另一端固連在絲杠左螺母9上。
本裝置的加載與測(cè)量過程如下載荷加載步進(jìn)電機(jī)輸出的扭矩傳遞到蝸桿上，通過蝸輪蝸桿系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)扭矩的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速降低。最后通過座在直線導(dǎo)軌上的雙螺母絲杠，將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。試件一端與固定在絲杠螺母上的力傳感器相連，另一端固定在雙螺母絲杠的另一端螺母上，試驗(yàn)加載時(shí)，試件兩端向相反方向?qū)ΨQ運(yùn)動(dòng)，試件中心點(diǎn)位置不動(dòng)。
力測(cè)量通過力傳感器測(cè)量，可由力傳感器的顯示結(jié)果讀出。
變形測(cè)量采用非接觸光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)用數(shù)字圖像相關(guān)方法直接測(cè)量試樣中間一段表面的變形，非接觸光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的放大倍數(shù)可為4X至1000X。圖3為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中數(shù)字圖像相關(guān)方法的流程圖。
計(jì)算所用的相關(guān)公式如下所示C(u,v)=Σx=-MMΣy=-MM[f(x,y)g(x+u,y+v)]Σx=-MMΣy=-MMf(x,y)2Σx=-MMΣy=-MMg(x+u,y+v)2]]>這里f(x，y)g(x+u，y+v)分別為變形前后數(shù)字圖像中各像素點(diǎn)灰度，fm、gm為其相關(guān)窗口的平均灰度值，u、v為相關(guān)窗口的整像素位移，相關(guān)窗口的大小為(2M+1)×(2M+1)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用本發(fā)明裝置測(cè)量鋁合金試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5是應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。計(jì)算得到該材料的彈性模量約為10GPa。
權(quán)利要求
1.一種單軸雙向?qū)ΨQ拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，其特征在于，該實(shí)驗(yàn)機(jī)包括步進(jìn)電機(jī)11，步進(jìn)電機(jī)控制器12，力傳感器7，蝸輪3，蝸桿2，滾珠絲杠5，左螺母9，右螺母6，直線導(dǎo)軌13，軸承4，機(jī)座1，聯(lián)軸器15，試件夾持裝置14；步進(jìn)電機(jī)控制器12控制步進(jìn)電機(jī)11；步進(jìn)電機(jī)11通過聯(lián)軸器15與蝸桿3相連；蝸桿3與蝸輪2配合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)向；套在滾珠絲杠5的左螺母9和右螺母6坐落在直線導(dǎo)軌13上，滾珠絲杠5通過左右兩端的軸承4支撐，直線導(dǎo)軌13和軸承4座落在機(jī)座1上面；力傳感器7固定在滾珠絲杠5的右螺母6上，并伸出試件夾持裝置14的一端，試件夾持裝置14的另一端固連在絲杠左螺母9上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單軸雙向?qū)ΨQ拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述的實(shí)驗(yàn)機(jī)還包括一個(gè)由CCD10和與CCD10相連的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的非接觸光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。
全文摘要
一種單軸雙向?qū)ΨQ拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)，屬于實(shí)驗(yàn)力學(xué)裝置技術(shù)領(lǐng)域。包括步進(jìn)電機(jī)11，步進(jìn)電機(jī)控制器12，力傳感器7，蝸輪3，蝸桿2，滾珠絲杠5，左螺母9，右螺母6，直線導(dǎo)軌13，軸承4，機(jī)座1，聯(lián)軸器15，試件夾持裝置14；步進(jìn)電機(jī)11通過聯(lián)軸器15與蝸桿3相連；蝸桿3與蝸輪2配合，直線導(dǎo)軌13和軸承4座落在機(jī)座1上面；力傳感器7固定在滾珠絲杠5的右螺母6上，并伸出試件夾持裝置14的一端，試件夾持裝置14的另一端固連在絲杠左螺母9上。本發(fā)明采用機(jī)械傳動(dòng)，提高了傳動(dòng)精度；并采用步進(jìn)電機(jī)加載；變形測(cè)量可采用步進(jìn)電機(jī)步數(shù)計(jì)算或采用非接觸的光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)，使用方便，適用范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，測(cè)量結(jié)果可靠。
文檔編號(hào)G01N3/08GK1888855SQ200610089738
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者謝惠民, 張鳴, 方岱寧, 花韜, 戴福隆 申請(qǐng)人:清華大學(xué)