详情

原文传递双动臂材料拉伸试验方法及其试验机

专利名称：	双动臂材料拉伸试验方法及其试验机
摘要：	本发明公开了一种双动臂材料拉伸试验方法及其试验机，该设计包括主机、标准器、被测试件和微机数控单元。主机由双动臂加载传感机构和驱动装置组成。双动臂加载传感机构由两只可动悬臂梁传感器与一副编码丝杆组成。编码丝杆由加载测微丝杆和三态编码器组成。双动臂加载传感机构具有加载、力传感及变形传感三项功能。试验机工作时，双动臂加载传感机构在微机数控单元控制下对试件加载，并实时向微机数控单元输出试件的载荷‑变形信号。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江大学
发明人：	李振华;雷华;鲁阳
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-09T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910866027.1
公开号：	CN110441150A
代理机构：	杭州求是专利事务所有限公司
代理人：	万尾甜;韩介梅
分类号：	G01N3/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	310058浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
主权项：	1.双动臂材料拉伸试验机，其特征是，由主机(ZJ)、标准器(0)、被测试件(9)和数控器组成加载测试系统；主机(ZJ)由基座(1)、支板(22)、双动臂加载传感机构和驱动装置(36)四部分组成；基座(1)为箱形结构，其顶板的上表面为平面，在顶板的中央位置装配有轴线沿竖直方向的滑动轴承(4)，滑动轴承(4)周围对称分布有四个螺纹孔(28)；支板(22)为一梯形厚板，竖直固定在基座(1)顶板的上部，其右端靠近基座(1)的右端；支板(22)的中面，即纵向对称面，垂直于基座(1)的右侧面，并通过滑动轴承(4)的轴线；支板(22)顶部有一伸向左侧的水平突耳(47)，其上加工有轴承孔(21)，轴承孔(21)的轴线与滑动轴承(4)的轴线重合；支板(22)的左侧边沿竖直方向加工有一条U形导向槽(24)；双动臂加载传感机构由加载传感臂和编码丝杆组成；加载传感臂包括下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)，二者均为悬臂梁式传感器，且结构尺寸相同；下加载传感臂(7)的结构包括变截面弹性梁、安装在梁自由端处方向朝上的两块下L形夹持块(19)、两枚下锁紧螺钉(8)、分别粘贴在梁根部附近上侧表面和下侧表面的单轴电阻应变计R1和R2、以过盈配合方式嵌装在梁根部的带内螺纹的下传动螺母(10)和下限位销钉(26)；上加载传感臂(18)的结构包括变截面弹性梁、安装在梁自由端处方向朝下的两块上L形夹持块(25)、两枚上锁紧螺钉(16)、分别粘贴在悬臂梁根部附近下侧表面和上侧表面的两枚单轴电阻应变计R3和R4、以过盈配合方式嵌装在梁根部的带内螺纹的上传动螺母(14)和上限位销钉(23)；电阻应变计R1、R2、R3和R4的栅轴均与所在弹性梁的轴线平行；下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)的变截面弹性梁，其横截面为矩形，梁沿长度方向从自由端a到根部c分为刚性段ab和柔性段bc两段，刚性段ab与柔性段bc的宽度相等，刚性段ab的高度H大于柔性段bc段的高度h；下加载传感臂(7)通过下传动螺母(10)与下部螺纹轴(11)的配合和下限位销钉(26)与U形导向槽(24)的滑动配合安装在加载测微丝杆(20)上；上加载传感臂(18)通过上传动螺母(14)与上部螺纹轴(13)的配合和上限位销钉(23)与U形导向槽(24)的滑动配合安装在加载测微丝杆(20)上；下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)处于对称位置，其对称面与加载测微丝杆(20)上限位突台(12)的中面重合；下加载传感臂(7)的上表面与上加载传感臂(18)的下表面之间的距离l称为加载臂间距，当两个加载传感臂抵靠限位突台(12)时，l达到最小，这个最小间距用lmin表示；两块下L形夹持块(19)和两枚下锁紧螺钉(8)构成下部钳口，两块上L形夹持块(25)和两枚上锁紧螺钉(16)构成上部钳口，下L形夹持块(19)的上端面与下加载传感臂(7)的变截面弹性梁的上表面共面，上L形夹持块(25)的下端面与上加载传感臂(18)的变截面弹性梁的下表面共面；下加载传感臂(7)的变截面弹性梁的前后两个侧面在下L形夹持块(19)的中面位置沿竖直方向刻有下指示线(6)，上加载传感臂(18)的变截面弹性梁的前后两个侧面在上L形夹持块(25)的中面位置沿竖直方向刻有上指示线(17)，下指示线(6)与上指示线(17)处于共线位置；电阻应变计R1、R2、R3、R4组成一个全桥测量电路，该电路既是位移-变形传感电路，又是力传感电路；当用于位移-变形传感时，其应变信号用εrd表示；当用于力传感时，其应变信号用εrf表示；编码丝杆由加载测微丝杆(20)和三态编码器(31)组成；加载测微丝杆(20)的结构由上到下分为六段：上部光轴(15)，上部螺纹轴(13)，限位突台(12)，下部螺纹轴(11)，定位突台(5)，下部光轴(27)；上部螺纹轴(13)的螺纹为左旋，下部螺纹轴(11)的螺纹为右旋；加载测微丝杆(20)通过上部光轴(15)与轴承孔(21)的配合、定位突台(5)的下端面与滑动轴承(4)的上端面的旋转滑动配合、下部光轴(27)与滑动轴承(4)的配合、挡盘(3)与下部光轴(27)的孔-轴过盈配合以及挡盘(3)的上端面与滑动轴承(4)的下端面的旋转滑动配合，安装在基座(1)上；三态编码器(31)由齿盘(34)、传感器支架(2)和左上悬臂梁传感器(35)、右上悬臂梁传感器(38)、左下悬臂梁传感器(45)、右下悬臂梁传感器(33)组成；齿盘(34)为一圆盘，周边带有若干圆弧齿(42)，齿数取4的整数倍；齿盘(34)位于挡盘(3)之下，共轴固定在加载测微丝杆(20)的下部光轴(27)上；传感器支架(2)为一矩形框架，框架的四条边均在中间位置加工有一个垂直于框架平面的光孔(30)，在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔(41)和一个与矩形通孔(41)垂直联通的第二螺纹孔(39)；传感器支架(2)利用紧定螺栓(32)和隔离套筒(29)与光孔(30)和第一螺纹孔(28)的配合，固定在基座(1)顶板的下方，并且将齿盘(34)围在中间；左上悬臂梁传感器(35)、右上悬臂梁传感器(38)、左下悬臂梁传感器(45)、右下悬臂梁传感器(33)采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁分别通过其根部与矩形通孔(41)的配合和紧定螺钉(40)的压紧作用固定于传感器支架(2)的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁；四个弹性梁在靠近根部处的上下表面或左右表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]；四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘(34)一侧分别加工有左三角形突棱(46)、上三角形突棱(37)、下三角形突棱(44)、右三角形突棱(43)；装配好的左上悬臂梁传感器(35)、右上悬臂梁传感器(38)、左下悬臂梁传感器(45)、右下悬臂梁传感器(33)的弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱(46)、上三角形突棱(37)、下三角形突棱(44)、右三角形突棱(43)的棱顶分别与齿盘(34)周边的圆弧齿(42)保持接触，四个接触点的具体位置按以下条件确定： a.设齿盘(34)的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿(42)和正下方圆弧齿(42)的中心，同时齿盘(43)的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿(42)和最右端圆弧齿(42)的中心； b.此时右三角形突棱(43)位于齿盘(34)水平对称线和最右端圆弧齿(42)的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿(42)之间的谷底；左三角形突棱(46)位于齿盘(34)的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿(42)的顶点接触；上三角形突棱(37)和下三角形突棱(44)均位于齿盘(34)纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿(42)的右侧和正下方圆弧齿(42)的右侧接触；右三角形突棱(43)到齿盘(34)纵向对称线的距离用hmin表示，左三角形突棱(46)到齿盘(34)纵向对称线的距离用hmax表示，上三角形突棱(37)与正上方圆弧齿(42)接触点到齿盘(34)水平对称线的距离和与之相等的下三角形突棱(44)与正下方圆弧齿(42)接触点到齿盘(34)水平对称线的距离均用hmid表示；hmid、hmin和hmax三者之间存在式(1)表示的关系： hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度；驱动装置(36)为电动机带动的蜗轮-蜗杆机构或齿轮-齿带机构，与加载测微丝杆(20)上的下部光轴(27)配合，驱动加载测微丝杆(20)正、反向转动；编码丝杆按以下方式工作： 1)三态编码器(31)测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]分别以半桥方式接入数控器，用分别表示数控器测得的四个半桥测量电路的应变读数； 2)三态编码器(31)测量电路初始化调整：用数控器控制加载测微丝杆(20)和齿盘(34)转动，应变读数随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘(34)上相邻两个圆弧齿(42)的齿顶间距；齿盘(34)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数分别完成一次循环；观察的变化，当刚好达到最小值εrmin时，停止齿盘(34)的转动，调节数控器上电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路的调整后，再驱动齿盘(34)，则均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于四个三角形突棱之一处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应于最小特征高度hmin，最大值εrmax对应于四个三角形突棱之一处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax；以上调整三态编码器(31)测量电路的方法，称为初始化四步调整法； 3)确定应变读数与齿盘(34)旋转状态的关系：完成测量电路初始化调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数的最大值εrmax、最小值0和平均值εrmid＝0.5εrmax；数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值；数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值；数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值；满值1、零值0和中值1/2统称三态编码器的三态编码值，简称三态值；齿盘(34)旋转时，三态值0、1/2和1按周期T循环变化；三态值0、1/2和1的循环变化，用于确定齿盘(34)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度； 4)确定下加载传感臂(7)与上加载传感臂(18)的相对位移量：转动加载测微丝杆(20)，使下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)相向移动，直至二者同时抵靠限位挡盘(12)，以下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘(34)的当前位置记作齿盘零位；或者将下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以下加载传感臂(7)的当前位置和上加载传感臂(18)的当前位置分别作为二者的位移原点，同时将齿盘(34)的当前位置记作齿盘零位；从齿盘零位开始，转动加载测微丝杆(20)，使下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)从位移原点起作反向移动或相向移动；用S表示下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)的相对位移量，用公式(2)计算S：式(2)中，t表示加载测微丝杆(20)的导程，Nc表示齿盘(34)的齿数，nz,s表示齿盘(34)自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘(34)自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数；nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数；nz和S是代数量，齿盘(34)顺时针转动时，下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)作反向移动，nz和S的符号均为“+”；齿盘(34)逆时针转动时，下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)作相向移动，nz和S的符号均为“-”；标准器(0)为一组标准圆柱，数量用n表示，2≤n≤10；标准圆柱的直径值称为标准直径，依次用d1，d2…，dn表示，按d1＜d2,...,＜dn的顺序排列；最小标准直径d1大于加载臂最小间距lmin；在标准圆柱中，任选一个做为基准圆柱，将其直径值定义为基准直径，用d0表示；d1，d2，…，dn的算术平均值用表示；d1，d2，…，dn也表示相应的标准圆柱；数控器为带有应变信号采集-调理电路的微计算机控制系统；双动臂材料拉伸试验方法及其试验机的试验过程，包括试验机测力系统标定、测变形系统标定和拉伸试验，操作步骤如下： 1)试验机初始状态准备将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数控器，将该电路调整到平衡状态，即设定其输出信号εrd＝0；将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器，对三态编码器(31)测量电路进行初始化调整； 2)测力系统标定采用标准测力环或标准负荷传感器标定方法，由数控器控制加载测微丝杆(20)转动，调整加载臂间距l，利用下加载传感臂(7)的下部钳口和上加载传感臂(18)的上部钳口夹持测力环或安装标准负荷传感器；对两加载传感臂施加一组标准力F1，F2，…，FN，各标准力的大小关系为F1
所属类别：	发明专利