CN103245568A - 一种高分子材料拉伸试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分子材料拉伸试验装置，它包括底板、底座、驱动器、立柱、横梁、轴承座、滚珠丝杠、力传固定件、压力传感器、夹具、试件、夹具套和拖线板，其特征在于还包括光轴杆、光滑法兰盘、光轴支架、螺纹法兰盘、张紧槽凸台、联轴器、稳压器和带编码器的步进电机；所述的立柱为单体箱型立柱，垂直设置在底座上；驱动器为细分驱动器；带编码器的步进电机轴通过联轴器与滚珠丝杠底端连接；横梁尾端通过孔中套入光滑法兰盘与光轴杆连接，光轴杆与光轴支架套接，光轴支架固定在立柱侧面。本发明具有高精度和高可靠性的显著优点，且大大地缩小了本发明设备的体积和降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明属于材料试验机技术领域，特别是涉及一种高分子材料拉伸试验装置。
背景技术
在现代材料领域中，以高分子化合物为基础的高分子材料，广泛应用于医学研究、材料选用、基础建设、航空航天等领域。高分子材料主要由相对分子质量较高的化合物构成，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶黏剂和高分子基复合材料等，它具有独特的分子结构和性能，易改性，易加工，具有其它材料无可比拟的优异功能，成为现代工业以及社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。在当今材料工业越来越热门的形势下，研究针对高分子材料性能测试的材料试验机具有重要的意义。
瑞典SP测量技术研究所J.P. Hessling研究员在《机械系统与信号处理（Mechanical Systems and Signal Processing）》杂志2008（22）：451-466发表的“单轴材料试验机的动态校准（Dynamic calibration of uni-axial material testing machines）”一文中提出了采用双立柱设计结构的试验机，即由两个立柱同时向试验机提供驱动力，以保证有足够的驱动动能，但它存在以下主要不足：一是采用了较复杂的双立柱设计结构，其工艺复杂，加工费用高；二是两个立柱需要同时提供驱动力，很难保证试验过程的同步性，导致试件的测量精度较低；三是占地面积大，需要较大的设备安装空间；四是双立柱设计结构导致装夹试件仅能从两个侧面进入试验区域，增加了装夹试件的难度。
中国专利申请97100487.0公开了一种“材料试验机”，该材料试验机主要由一对垂直设立的箱形立柱组成，其中：一对位于立柱中的螺杆,另一对位于立柱之间并与螺杆配合的横架以及两夹头组成，当螺杆转动时,横架运动,对由夹头卡持的测试件可施以拉伸载荷等，它虽然具有足够的驱动力，但还存在以下不足：一是双立柱结构精度不高，直接影响到试件的测量精度；二是双立柱结构占地面积大，结构复杂，设备制造成本高；三是双立柱结构的可操作空间小，增加了装夹试件的难度。
如何克服现有技术的不足已成为当今材料试验机技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种高分子材料拉伸试验装置，本发明具有高精度和高可靠性的显著优点，且大大地缩小了本发明设备的体积和降低了制造成本。
根据本发明提出的一种高分子材料拉伸试验装置,它包括底板、底座、驱动器、立柱、横梁、轴承座、滚珠丝杠、力传固定件、压力传感器、夹具、试件、夹具套和拖线板，所述的滚珠丝杠的顶端通过轴承座固定在立柱的顶盖上，压力传感器一端用力传固定件固定在横梁上，另一端与夹具螺纹连接；其特征在于还包括光轴杆、光滑法兰盘、光轴支架、螺纹法兰盘、张紧槽凸台、联轴器、稳压器和带编码器的步进电机，所述的立柱为单个箱型立柱，垂直设置在底座上；驱动器为细分驱动器；光轴杆、可旋转的滚珠丝杠以及可随滚珠丝杠转动而上下移动的横梁设置于立柱内，横梁设有两个贯穿上下表面的圆孔，该圆孔周围均匀分布螺孔，横梁可通过上下移动对夹具的装夹试件施加拉压载荷，光轴杆法兰盘和螺纹法兰盘套入横梁的圆孔中并用螺丝紧固；螺纹法兰盘与滚珠丝杠螺纹连接，并用螺丝固定在横梁上；稳压器电源线与带编码器的步进电机连接，带编码器的步进电机轴通过联轴器与滚珠丝杠底端连接；横梁尾端通过孔中套入光滑法兰盘与光轴杆连接，光轴杆与光轴支架套接，光轴支架固定在立柱侧面；张紧槽凸台垂直固定在底座上，滚珠丝杠的下端套入张紧槽凸台的光滑圆孔中。本发明进一步的优选方案在于：横梁与压力传感器固定段垂直于立柱，并伸出立柱之外；细分驱动器封装并固定在底座的内部。
本发明的工作原理是：本发明主要由带编码器的步进电机、联轴器、丝杠螺母以及横梁夹具等组成运动模块，当带编码器的步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，由丝杠螺母传动驱动横梁作直线运动，并利用夹具实现对装夹试件的拉伸或压缩，其中带编码器的步进电机采用直联的方式，省略了减速箱部分，这样在保证输出力矩和步距精度的前提下，减小了齿隙、空回所带来的影响。丝杠螺母传动选用滚珠丝杠螺母副，这样可提高传动效率，减小因摩擦造成的位置精度的误差。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明采用步进电机的编码器对横梁的位移值进行检测，同时将测量到的滚珠丝杠的转角转换成脉冲信号传送给上位机，通过换算滚珠丝杠导程与横梁位移的关系而得到横梁的位移值，从而提高本发明的试验精度；二是采用了外部伺服控制系统与本发明的压力传感器构成闭环控制系统，通过负反馈的自控来实现稳定的加载速率；三是本发明采用压力传感器来测量装夹试件的应变量，通过带编码器的步进电机控制系统来实现恒应变率加载，其性能稳定可靠；四是本发明的结构简单可靠，既大大地缩小了本发明设备的体积、减小了占地面积，又降低了本发明设备的制造成本。
附图说明
图1是本发明提出的一种高分子材料拉伸试验装置的主视局部剖视图。
图2是本发明图1的c-c左视全剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
结合图1和图2，本发明提出的一种高分子材料拉伸试验装置，它主要由底板(1)、底座(2) 、驱动器(3)、立柱(4)、光轴杆(5)、横梁(6)、光滑法兰盘(7)、光轴支架(8)、轴承座(9)、滚珠丝杠(10)、力传固定件(11)、螺纹法兰盘(12)、压力传感器(13)、夹具(14)、装夹试件(15)、凸台(16)、联轴器(17)、夹具套(18)、稳压器(19)、带编码器的步进电机(20)和拖线板(21)组成。其中：所述的底板(1)用四个相同的螺丝固定在底座(2)的底部，并将底座(2)进行封装；立柱(4)为单体箱型立柱，垂直设置在底座(2)上；驱动器(3)为细分驱动器，细分驱动器最高可细分30000步，细分驱动器、稳压器(19)以及拖线板(21)用螺丝封装并固定在底座(2)的内部；光轴杆(5)、可旋转的滚珠丝杠(10)以及可随滚珠丝杠(10)转动而上下移动的横梁(6)设置于立柱(4)内，横梁(6)设有两个贯穿上下表面的圆孔，该圆孔周围均匀分布螺孔，横梁(6)可通过上下移动对夹具(14)的装夹试件(15)施加拉压载荷，光轴杆法兰盘(7)和螺纹法兰盘(12)套入横梁(6)的圆孔中并用螺丝紧固，横梁(6)与压力传感器(13)固定段伸出立柱(4)之外；滚珠丝杠(10)的顶端通过轴承座(9)固定在立柱(4)的顶盖上，压力传感器(13)一端用力传固定件(11)固定在横梁(6)上，另一端与夹具(14)螺纹连接，以直接获得试验中拉压力；螺纹法兰盘(12)与滚珠丝杠(10)螺纹连接，并用螺丝固定在横梁(6)上；夹具套(18)通过螺丝固定在底座(2)上；稳压器(19)电源线与带编码器的步进电机(20) 连接，带编码器的步进电机(20)轴通过联轴器(17)与滚珠丝杠(10)底端连接，当外部给定带编码器的步进电机(20)运动信号时，带编码器的步进电机(20)旋转并通过联轴器(17)带动滚珠丝杠(10)做旋转运动；横梁(6)尾端通过孔中套入光滑法兰盘(7)与光轴杆(5)连接，光轴杆(5)与光轴支架(8)套接，光轴支架(8)固定在立柱(4)侧面；张紧槽凸台(16)垂直固定在底座(2)上，滚珠丝杠(10)的下端套入张紧槽凸台(16)的光滑圆孔中。
现以制造设计标准为850mm/min加载速度的高分子材料拉伸试验装置为例，进一步说明本发明的具体实施方式：
本发明的设计标准为850mm/min加载速度，该加载速度可根据实际需求在400至850mm/min范围内进行选择。由于高分子材料拉伸变形应力较小，系统拉伸速率也较慢，这样在保证输出力矩的前提下，可以省略减速箱，减小结构尺寸并节约成本。同时，由于滚珠丝杠转动并不具有自锁功能，而带编码器的步进电机(20)自身的自锁功能可以弥补这一方面的不足，避免因电机停止运转而导致回转的出现，保证了本发明的位置精度。
本发明采用的压力传感器(13)为S型称重传感器，该称重压力传感器选用SM6型，其量程为50kg，输出最大电压值为21mV，利用放大器进行信号变送放大后，输出电压最大为5V，能够被数据采集卡获得。
本发明采用的滚珠丝杠(10)的公称直径为17mm，轴端直径为13mm，而确定的支撑方式为一端固定一端游动，固定端选用一对反装的角接触球轴承，游动端选用深沟球轴承，其中角接触球轴承型号可选用7001C/DB，深沟球轴承型号可选用6211型。
本发明采用的滚珠丝杠(10)的导程Ph为5mm，试验机最大加载速度不超过850mm/min，则带编码器的步进电机(20)的转速最高为170r/min，带编码器的步进电机(20) 可选用型号为60BYG350的三相混合式带编码器的步进电机。
本发明的带编码器的步进电机(20)的驱动器(3)可选用SH-30806N三相细分驱动器，驱动器(3)由直流电源供电，具有最大30000步/转的十六种细分模式可选，并且该驱动器具有断电记忆的功能。细分驱动器(3)主要功能是接收电机控制卡发送的脉冲信号，将其转换成相应的控制指令来驱动带编码器的步进电机(20)以设定的速度正转、反转以及停止，从而控制横梁(6)上升、下降和停止。带编码器的步进电机(20)做旋转运动时，内部自带的光电编码器捕捉电机的旋转角度，并以脉冲的形式发送给外部的上位机，外部的上位机通过计算脉冲数间接获得电机转动角度，也即为滚珠丝杠(10)转动角度，根据滚准丝杠(10)的导程以及位移相关的计算公式从而计算出横梁(6)移动的位移量。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
Claims (3)
1.一种高分子材料拉伸试验装置,它包括底板(1)、底座(2) 、驱动器(3)、立柱(4)、横梁(6)、轴承座(9)、滚珠丝杠(10)、力传固定件(11)、压力传感器(13)、夹具(14)、试件(15)、夹具套(18)和拖线板(21)，所述的滚珠丝杠(10)的顶端通过轴承座(9)固定在立柱(4)的顶盖上，压力传感器(13)一端用力传固定件(11)固定在横梁(6)上，另一端与夹具(14)螺纹连接；其特征在于还包括光轴杆(5) 、光滑法兰盘(7)、光轴支架(8)、螺纹法兰盘(12)、张紧槽凸台(16)、联轴器(17)、稳压器(19)和带编码器的步进电机(20)，所述的立柱(4)为单个箱型立柱，垂直设置在底座(2)上；驱动器(3)为细分驱动器；光轴杆(5)、可旋转的滚珠丝杠(10)以及可随滚珠丝杠(10)转动而上下移动的横梁(6)设置于立柱(4)内，横梁(6)设有两个贯穿上下表面的圆孔，该圆孔周围均匀分布螺孔，横梁(6)可通过上下移动对夹具(14)的装夹试件(15)施加拉压载荷，光轴杆法兰盘(7)和螺纹法兰盘(12)套入横梁(6)的圆孔中并用螺丝紧固；螺纹法兰盘(12)与滚珠丝杠(10)螺纹连接，并用螺丝固定在横梁(6)上；稳压器(19)电源线与带编码器的步进电机(20) 连接，带编码器的步进电机(20)轴通过联轴器(17)与滚珠丝杠(10)底端连接；横梁(6)尾端通过孔中套入光滑法兰盘(7)与光轴杆(5)连接，光轴杆(5)与光轴支架(8)套接，光轴支架(8)固定在立柱(4)侧面；张紧槽凸台(16)垂直固定在底座(2)上，滚珠丝杠(10)的下端套入张紧槽凸台(16)的光滑圆孔中。
2.根据权利要求1所述的一种高分子材料拉伸试验装置，其特征在于横梁(6)与压力传感器(13)固定段垂直于立柱(4)，并伸出立柱(4)之外。
3.根据权利要求1或2所述的一种高分子材料拉伸试验装置，其特征在于细分驱动器封装并固定在底座(2)的内部。
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