專利名稱：超塑性拉伸真實(shí)恒應(yīng)變速率實(shí)驗控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超塑性變形萬能材料試驗機(jī)上的控制裝置，屬于機(jī)械儀表工程領(lǐng)域?，F(xiàn)有電子萬能材料試驗機(jī)所能實(shí)施的恒應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗都是指工程恒應(yīng)變速率
，這對于常規(guī)材料的塑性變形而言實(shí)質(zhì)上就是近似地處理，對于超塑性材料而言，就完全不能滿足精度要求，目前國際普遍承認(rèn)的英國Instron、日本島津和美國MTS公司所生產(chǎn)的電子萬能材料試驗機(jī)都不能實(shí)現(xiàn)真實(shí)恒應(yīng)變速率
的拉伸實(shí)驗，國內(nèi)，長春試驗機(jī)研究所、濟(jì)南試驗機(jī)廠生產(chǎn)的萬能材料試驗機(jī)，以及1997年長春試驗機(jī)廠與德國多利公司合作開發(fā)的新型萬能材料試驗機(jī)也都未能實(shí)現(xiàn)真實(shí)恒應(yīng)變速率拉伸的功能，現(xiàn)有的電子萬能材料試驗機(jī)因其主要用于測試韌性材料的力學(xué)行為，這類材料的延伸率較小，對應(yīng)變速率的敏感性較弱，所以均采用閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工程恒應(yīng)變速率
的拉伸，就可達(dá)到實(shí)驗要求和穩(wěn)定控制的目的。在測試超塑性變形的力學(xué)行為時，由于超塑變形具有很大的延伸率和很強(qiáng)的應(yīng)變速率敏感性，不但必須實(shí)現(xiàn)真實(shí)恒應(yīng)變速率
拉伸，而且試驗機(jī)要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)不能達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗結(jié)果，雖然活動橫梁的位移累計變化量可以滿足精度要求，但是，由于其速度的調(diào)整是通過理論速度與實(shí)際速度的不斷比較來完成的，因此其實(shí)際運(yùn)行速度可能有時增加、有時減少、甚至有時不變，因此，對于速度很敏感的超塑性材料來說，其載荷值增、減幅度也很大，對所對應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變速率關(guān)系曲線的影響很大，本發(fā)明人在設(shè)備改進(jìn)的初期，曾經(jīng)進(jìn)行了閉環(huán)控制的恒應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗，實(shí)驗測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)其載荷隨應(yīng)變速率的變化而發(fā)生的波動幅度甚大，故采用閉環(huán)控制是不合適的。
本發(fā)明的目的是為了滿足材料科學(xué)和現(xiàn)代塑性與超塑性精密加工的要求，提供一種能實(shí)現(xiàn)超塑性拉伸真實(shí)恒應(yīng)變速率實(shí)驗控制裝置，利用該裝置可以設(shè)計制造新型的萬能材料試驗機(jī)，也可以將其插入現(xiàn)有電子萬能材料試驗機(jī)的控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)真實(shí)恒應(yīng)變速率的拉伸實(shí)驗。
本發(fā)明的上述目的是根據(jù)以下原理提出的
真實(shí)應(yīng)變ε與試件的初始標(biāo)距長度l0及瞬時標(biāo)距長度l之間的關(guān)系為
(1)式在l0附近可以展成級數(shù)
只有真實(shí)應(yīng)變ε的值很小時，它才可以近似的等于工程應(yīng)變e(e=(l-l0)／l0)
由于材料在超塑性狀態(tài)下的塑性甚好，與常規(guī)材料相比，其延伸率可達(dá)百分之幾百乃至百分之幾千，因此工程應(yīng)變e和真實(shí)應(yīng)變ε可以相差幾十倍、幾百倍、乃至更高，因此，用工程應(yīng)變e近似表達(dá)真實(shí)應(yīng)變ε就完全不可能了，又由于實(shí)現(xiàn)超塑性的溫度(一般是在材料熔點(diǎn)絕對溫度的一半以上)很高，也不可能把通用的引伸儀直接夾在高溫爐內(nèi)試件標(biāo)距的兩端，但是，試件是按附圖1的形式連接于試驗機(jī)中，附圖1中的上固定橫梁1通過萬向節(jié)與試件的上連接桿2以銷釘相連，試件的下連接桿6通過萬向節(jié)與試驗機(jī)活動橫梁7相連接，試件3的兩端以掛接形式與上連接桿2和下連接桿6相連接，由于材料在超塑性狀態(tài)下的流變抗力很小，它只有同等材料在相同溫度下的十幾分之一、乃至幾十分之一，因此，在附圖1所示的萬能試驗機(jī)中的上連接桿2和下連接桿6，以及試件上、下根部4與試件標(biāo)距部分3的應(yīng)變量相比可以略而不計。于是試件變形dl就近似的等于活動橫梁7的位移dL，試件的變形速度dl／dt就近似的等于活動橫梁的移動速度dL／dt，試件的真實(shí)恒應(yīng)變速率
為
(3)當(dāng)
為常數(shù)時，由(3)式可得
(4)由t=0時l=l0的初始條件，確定出c=l0
(5)在保證恒應(yīng)變速率
的條件下，試驗機(jī)活動橫梁的速度dL／dt可由下式控制
(6)
由(6)式可見，只要給定試件變形的任一個應(yīng)變速率
，在理論上借助控制活動橫梁的速度v，就能實(shí)現(xiàn)試件的真實(shí)恒應(yīng)變速率
變形。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，結(jié)合


如下附圖2中虛線框入的部分為現(xiàn)有的電子萬能材料試驗機(jī)的主機(jī)和控制系統(tǒng)，它是由伺服放大器、電流調(diào)節(jié)器、電子萬能試驗機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、引伸儀的位移反饋、速度反饋、電流反饋以及函數(shù)發(fā)生器、顯示器組成的，附圖2中點(diǎn)畫線框入的部分是本發(fā)明的控制裝置，它是由伺服放大器、D／A接口板和PC計算機(jī)組成，該裝置采用開環(huán)控制，PC計算機(jī)通過PC總線與D／A接口板連接，PC計算機(jī)根據(jù)活動橫梁7的速度
的程序?qū)?shù)字量經(jīng)伺服放大器中的電阻R2、R3和電容C1組成的T型濾波器，電阻R5、電位器W2和電容C2組成的積分電路以及運(yùn)算放大器IC轉(zhuǎn)化為電壓模擬量，IC輸出的電壓輸入到原機(jī)伺服控制系統(tǒng)，借助
，執(zhí)行試驗機(jī)的活動橫梁真實(shí)恒應(yīng)變速率
的位移控制，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)恒應(yīng)變速率
的拉伸變形。
開環(huán)控制是在原伺服控制系統(tǒng)中的A處切開，裝入一個換向開關(guān)，當(dāng)A與B連接時，本裝置執(zhí)行開環(huán)控制，當(dāng)A與A’連接時，執(zhí)行原機(jī)閉環(huán)控制。
與現(xiàn)有電子萬能材料試驗機(jī)相比，本發(fā)明有以下的創(chuàng)新和特色
1．對日產(chǎn)島津，英產(chǎn)Instron和美產(chǎn)MTS電子萬能材料試驗機(jī)而言，由于不用在試件端部裝卡引伸儀，這對研究材料在高溫狀態(tài)下的力學(xué)行為是非常有利的，也無需更改原機(jī)結(jié)構(gòu)，只要把本發(fā)明控制線路接入原機(jī)的控制系統(tǒng)，便能實(shí)現(xiàn)活動橫梁按真實(shí)恒應(yīng)變速率的規(guī)律運(yùn)行。
2．對于超塑性材料的拉伸試驗，由于活動橫梁的運(yùn)行速度近似等于試件的變形速度，故直接用按(6)式設(shè)計的線路(圖3)，便能實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變速率拉伸試驗。
3．對變形抗力大、延伸率小的材料，根據(jù)實(shí)驗確定上下連接桿2、6和試件根部4的變形量，對(6)式進(jìn)行修正，亦可實(shí)現(xiàn)真實(shí)恒應(yīng)變速率拉伸試驗。
4．本發(fā)明采用開環(huán)控制，所以能消除超塑性變形具有很強(qiáng)的應(yīng)變速率敏感性而造成的載荷測量的不穩(wěn)定性。
5．本發(fā)明的裝置具有造價低，結(jié)構(gòu)簡單，非常易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容及工作過程。
圖1 材料試驗機(jī)簡圖。
圖2 控制總框圖。
圖3 控制線路圖。
圖1中1．上固定橫梁 2．上連接桿 3．試件 4．試件上、下根部 5．加熱爐 6．下連接桿 7 ．活動橫梁
本發(fā)明的特征在于該裝置是根據(jù)(6)式所設(shè)計的電子控制線路如圖3所示，采用開環(huán)控制活動橫梁速度dL／dt，根據(jù)超塑性變形對dL／dt近似等于試件變形速度dl／dt，便達(dá)到實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變速率
拉伸變形的目的。
下面結(jié)合圖3進(jìn)一步說明本發(fā)明的控制過程參閱附圖3中用虛線框入部分(1)，包括PC計算機(jī)、PC總線和光電隔離板，把按
的程序經(jīng)PC總線輸至D／A接口板，由D／A接口板輸出的數(shù)字量再輸入到部分(2)，部分(2)由T型濾波器、IC運(yùn)算放大器和積分電路組成，由D／A接口板把數(shù)字量輸入到由電阻R2、R3和電容C1組成的T型濾波器和由電阻R5、電位器W2和電容C2組成的積分電路，經(jīng)濾波和把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓模擬量后，再經(jīng)運(yùn)算放大器IC放大后，于是便把按(6)式給出的信號經(jīng)A-B傳給部分(3)，部分(3)又把經(jīng)B輸入的電壓模擬量進(jìn)一步放大后，依此執(zhí)行控制電子萬能試驗機(jī)的主機(jī)的活動橫梁部分，從而實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變速率拉伸變形。
具體實(shí)施例方式
附圖2為島津AG-A電子萬能材料試驗機(jī)的原控制系統(tǒng)(虛線部分)及本發(fā)明(點(diǎn)畫線部分)的總框圖，在原控制系統(tǒng)的A處切開，安裝一個換向開關(guān)，當(dāng)A與A’連接時，保持原閉環(huán)控制系統(tǒng)；當(dāng)A與B連接時，即實(shí)現(xiàn)本裝置的開環(huán)控制，在實(shí)施恒應(yīng)變速率控制中，選用386計算機(jī)通過PC總線與PCL-728型12位光電隔離D／A接口板連接，依據(jù)公式(6)將數(shù)字量經(jīng)附圖2轉(zhuǎn)化為電壓模擬量，由附圖IC輸出的電壓輸入到島津AG-A電子萬能試驗機(jī)再經(jīng)放大后，直接驅(qū)動主機(jī)部分的直流伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)驅(qū)動主齒輪箱帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動活動橫梁，最終實(shí)現(xiàn)理論公式(6)式所要求的恒應(yīng)變速率拉伸變形。
附圖2中元件和電壓的數(shù)值列于表1。表1R(Ω)、C(μF)
為了提高恒應(yīng)變速率的控制精度，根據(jù)公式(6)，對應(yīng)于給定的試件初始標(biāo)距長度l0和恒應(yīng)變速率
，使橫梁的速度vb設(shè)定在最佳范圍，把橫梁的速度劃分為100mm／min、80mm／min、60mm／min、40mm／min、20mm／min、10mm／min、5mm／min 7個不同檔次，然后根據(jù)不同的速度檔次的vb值調(diào)整伺服放大器電壓與速度的比例關(guān)系，再確定不同vb值的準(zhǔn)確模擬電壓值，其具體標(biāo)定方法是分別利用橫梁記錄系統(tǒng)記錄位移Lb，和計算機(jī)時鐘記錄時間tb，由其比值Lb／tb確定vb，并且使vb與D／A滿碼發(fā)送相對應(yīng)，這就完成了不同檔次vb的標(biāo)定，由公式
可知，橫梁速度是時間的指數(shù)連續(xù)函數(shù)，如果我們選用12位高精度D／A卡，其速度變化基本單位是vb／4896，當(dāng)程序中的速度變化量達(dá)到一個基本單位(vb／4896)時，系統(tǒng)才能控制橫梁發(fā)生速度改變，因此便產(chǎn)生了實(shí)際不連續(xù)速度變化與理論速度連續(xù)函數(shù)的偏差，為了解決這一問題，先將速度發(fā)生信號分別放大10倍和100倍，這便減小了速度控制的不連續(xù)性，其具體方法為試件伸長隨時間按公式
的變化量由計算機(jī)屏幕顯示，橫梁運(yùn)行的實(shí)際位移由試驗機(jī)記錄系統(tǒng)記錄，二記錄結(jié)果比較后對公式(6)適當(dāng)修正，使橫梁位移的誤差限定在允許的范圍內(nèi)，于是試件的變形和所承受的載荷仍由原記錄系統(tǒng)完成變形-載荷-時間三者關(guān)系的一一對應(yīng)。
當(dāng)材料的變形抗力很小、延伸率很高、活動橫梁位移的應(yīng)變速率就等于試件標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變速率。
由于(6)式是在假定上下連接件2、6和試件根部4與試件標(biāo)距部分的變形相比甚小，可略而不計的前提下求得的，因此，對變形抗力大、塑性變形較小的試件而言，上述部分便不能忽略，這就要通過實(shí)驗確定這部分的變形量，對(6)式進(jìn)行修正后，亦能在無引伸儀的條件下實(shí)現(xiàn)真實(shí)恒應(yīng)變速率的拉伸變形，即對
加入修正系數(shù)，使
也可以實(shí)現(xiàn)試件標(biāo)距內(nèi)的真實(shí)恒應(yīng)變速率拉伸變形，L-上固定橫梁到活動橫梁總長度減去l0所余的長度，e-自然對數(shù)的底。
權(quán)利要求
1．超塑性拉伸真實(shí)恒應(yīng)變速率實(shí)驗控制裝置是由PC計算機(jī)、D／A接口板和伺服放大器組成的，其特征是該裝置采用開環(huán)控制，PC計算機(jī)通過PC總線與D／A接口板連接，PC計算機(jī)根據(jù)橫梁速度
的程序?qū)?shù)值經(jīng)伺服放大器中的電阻R2、R3和電容C1組成的T型濾波器，電阻R5、電位器W2和電容C2組成的積分電路，以及運(yùn)算放大器IC轉(zhuǎn)化為電壓模擬量，IC輸出的電壓模擬量輸入到原機(jī)伺服控制系統(tǒng)，執(zhí)行試驗機(jī)的活動橫梁恒應(yīng)變速率
的位移控制，-活動橫梁的位移速度，-試件變形速度，l0-試件初始標(biāo)距長度，
-真實(shí)恒應(yīng)變速率。
2．按權(quán)利要求1所述的超塑性拉伸真實(shí)恒應(yīng)變速率實(shí)驗控制裝置，其特征在于所說的開環(huán)控制是在原伺服控制系統(tǒng)中的A處切開，裝一個換向開關(guān)，當(dāng)A與B連接時，本裝置執(zhí)行開環(huán)控制，當(dāng)A與A’連接時，執(zhí)行原機(jī)閉環(huán)控制。
3．按權(quán)利要求1所述的超塑性拉伸真實(shí)恒應(yīng)變速率實(shí)驗控制裝置，其特征在于，當(dāng)材料的變形抗力很小、延伸率很高、活動橫梁位移的應(yīng)變速率就等于試件標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變速率。
4．按權(quán)利要求1所述的超塑性拉伸真實(shí)恒應(yīng)變速率實(shí)驗控制裝置，其特征在于，當(dāng)材料的變形抗力很大、延伸率較小時，由實(shí)驗確定上下連接件和根部的變形量，對加入修正系數(shù)，使
也可以實(shí)現(xiàn)試件標(biāo)距內(nèi)的真實(shí)恒應(yīng)變速率拉伸變形，L-上固定橫梁到活動橫梁總長度減去l0所余的長度，e-自然對數(shù)的底。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于超塑性萬能試驗機(jī)上的超塑性拉伸真實(shí)恒應(yīng)變速率實(shí)驗控制裝置。它是由計算機(jī)、D/A接口板和伺服放大器組成，該裝置采用開環(huán)控制，計算機(jī)通過PC總線與D/A接口板連接，計算機(jī)根據(jù)υ=dL/dt=dl/dt=loet的程序?qū)?shù)值經(jīng)T型濾波器、積分電路,以及運(yùn)算放大器IC轉(zhuǎn)化為電壓模擬量,IC輸出的電壓輸入到原機(jī)伺服控制系統(tǒng),完成試驗機(jī)活動橫梁真實(shí)恒應(yīng)變速率的位移控制。利用該裝置還可以設(shè)計制造新型萬能材料試驗機(jī)。
文檔編號G05B15/00GK1278597SQ0011780
公開日2001年1月3日 申請日期2000年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月21日
發(fā)明者宋玉泉, 程永春 申請人:吉林工業(yè)大學(xué)