双向拉压力学试验机以及双向拉压力学试验方法与流程

本发明属于金属材料力学性能试验技术领域，具体涉及一种双向拉压力学试验机以及双向拉压力学试验方法。

背景技术：

近年来，双向拉伸试验技术已经成为拉伸试验领域的一个热点研究课题，特别是双向拉压力学试验技术的研究，对工业中材料加工成型有着重要的意义。

目前，国内外已经研制出了许多拉伸试验机，然而，其装置多以单向拉伸为主，多数采用万能试验机。由于材料试验主要集中于单向拉伸，在实际工程中，材料广泛地处于复合应力状态下，这使得双向拉伸试验显得格外重要。

此外，世界范围内已有的双向拉压试验机，主要是基于液压控制的双向拉压试验机，具有拉伸试验精确控制难、装置的复杂程度较高、试验机现场卫生条件差等诸多问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种双向拉压力学试验机以及双向拉压力学试验方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种双向拉压力学试验机，包括底座(1)、x正向丝杠模组(2-1)、x负向丝杠模组(2-2)、y正向丝杠模组(2-3)、y负向丝杠模组(2-4)；

所述底座(1)包括中间床身(1-1)、x正向周边床身(1-2)、x负向周边床身(1-3)、y正向周边床身(1-4)、y负向周边床身(1-5)和中间盖板(1-6)；所述中间床身(1-1)具有中心床身区域以及从所述中心床身区域向外延伸出的x正向端面、x负向端面、y正向端面和y负向端面；所述x正向端面通过第1定位槽(1-7)与所述x正向周边床身(1-2)的一端对接固定；所述x负向端面通过第2定位槽与所述x负向周边床身(1-3)的一端对接固定；所述y正向端面通过第3定位槽与所述y正向周边床身(1-4)的一端对接固定；所述y负向端面通过第4定位槽与所述y负向周边床身(1-5)的一端对接固定；从而形成十字形圆周分布；

所述中间盖板(1-6)固定安装于所述中间床身(1-1)的中心床身区域；所述中间盖板(1-6)设置有定位孔，用于安装附加装置；

所述x正向丝杠模组(2-1)、所述x负向丝杠模组(2-2)、所述y正向丝杠模组(2-3)和所述y负向丝杠模组(2-4)呈十字形排列固定在所述底座(1)上。

优选的，所述底座(1)还包括调整垫铁(1-8)；所述调整垫铁(1-8)分别安装在所述中间床身(1-1)、所述x正向周边床身(1-2)、所述x负向周边床身(1-3)、所述y正向周边床身(1-4)、所述y负向周边床身(1-5)的底部，用于调整所述底座(1)的水平度。

优选的，所述x正向丝杠模组(2-1)固定在所述x正向周边床身(1-2)的上面；所述x负向丝杠模组(2-2)固定在所述x负向周边床身(1-3)的上面；所述y正向丝杠模组(2-3)固定在所述y正向周边床身(1-4)的上面；所述y负向丝杠模组(2-4)固定在所述y负向周边床身(1-5)的上面。

优选的，所述x正向丝杠模组(2-1)、所述x负向丝杠模组(2-2)、所述y正向丝杠模组(2-3)和所述y负向丝杠模组(2-4)的结构相同。

优选的，对于所述x正向丝杠模组(2-1)，包括：伺服电机(2-1-1)、行星轮减速器(2-1-2)、联轴器(2-1-3)、轴承座(2-1-4)、滚珠丝杠(2-1-5)、滑台(2-1-6)、拉力传感器(2-1-7)、夹具(2-1-8)和底板(2-1-12)；

所述底板(2-1-12)通过导向键槽机构(1-9)设置于所述底座(1)的x正向周边床身(1-2)的上面，使所述底板(2-1-12)可沿所述底座(1)进行直线滑动运动；

所述伺服电机(2-1-1)通过螺栓与所述行星轮减速器(2-1-2)的一端相连，实现减速功能；所述行星轮减速器(2-1-2)的另一端通过联轴器(2-1-3)与所述滚珠丝杠(2-1-5)相连接，实现动力的传输；所述轴承座(2-1-4)固定在所述底板(2-1-12)上，所述滚珠丝杠(2-1-5)的端面装配到所述轴承座(2-1-4)上，通过所述轴承座(2-1-4)，支撑所述滚珠丝杠(2-1-5)；所述滑台(2-1-6)套设在所述滚珠丝杠(2-1-5)上，随着丝杠的旋转运动，滑台进行直线运动；所述滑台(2-1-6)通过连接装置与所述拉力传感器(2-1-7)相链接，所述拉力传感器(2-1-7)又通过连接装置与所述夹具(2-1-8)相连接。

优选的，所述x正向丝杠模组(2-1)还包括限位开关(2-1-10)；所述限位开关(2-1-10)安装在所述滚珠丝杠(2-1-5)的侧边，用于控制所述滑台(2-1-6)运动的安全位置。

优选的，所述限位开关(2-1-10)的设置数量为两个，分别安装于所述滑台(2-1-6)运动的起点位置和终点位置。

优选的，所述x正向丝杠模组(2-1)还包括光栅尺(2-1-11)；所述光栅尺(2-1-11)设置在所述滚珠丝杠(2-1-5)的侧边，用于测量记录所述夹具(2-1-8)的位移。

优选的，所述x正向丝杠模组(2-1)还包括导轨(2-1-9)；所述导轨(2-1-9)设置在所述滑台(2-1-6)和所述拉力传感器(2-1-7)的下面，且安装于所述底板(2-1-12)的表面，用于为所述滑台(2-1-6)和所述拉力传感器(2-1-7)的直线运动提供支撑和导向。

本发明还提供一种应用上述的双向拉压力学试验机的双向拉压力学试验方法，包括以下步骤：

步骤S1，x正向丝杠模组(2-1)的夹具、x负向丝杠模组(2-2)的夹具、y正向丝杠模组(2-3)的夹具和y负向丝杠模组(2-4)的夹具分别夹紧被试验试件的四个夹持边；

步骤S2，上位机的输入端分别与各个丝杠模组的拉力传感器、限位开关以及光栅尺连接；上位机的输出端分别与各个丝杠模组的伺服电机连接；

步骤S3，在上位机界面设置初始参数，包括：载荷、各个丝杠模组的伺服电机转速；

步骤S4，上位机按初始参数，驱动各个丝杠模组的伺服电机动作，在伺服电机的驱动下，对试件进行双向拉伸，即：同时向x正向、x负向、y正向和y负向拉伸试件；并且，在对试件进行双向拉伸的过程中，各个丝杠模组的拉力传感器实时检测到试件所受拉力的变化信息，并实时将试件所受拉力的变化信息上传到上位机，由上位机进行保存；另外，在对试件进行双向拉伸的过程中，各个丝杠模组的光栅尺实时测量到滑台的位置变化信息，并实时将滑台的位置变化信息上传到上位机，由上位机进行保存；另外，在对试件进行双向拉伸的过程中，两个限位开关实时检测滑台是否达到最短行程和最长行程，进而控制各个丝杠模组的运动范围，保证测试安全性；

上位机通过关联分析试件所受拉力的变化信息以及滑台的位置变化信息，得到被测试件的双向拉伸性能。

本发明提供的双向拉压力学试验机以及双向拉压力学试验方法具有以下优点：

(1)4组丝杠模组的十字排布，为十字试件的双向拉伸试验奠定了基础，伺服电机的同步控制，实现了同轴向的两组夹头的位移同步控制，能够完成不同比例加载路径下的双向拉伸试验。

(2)此双向拉伸试验机，采用伺服电机提供动力，可以精确的实现双向拉伸十字试件和单向拉伸单拉试件，并且实现变比例、变载荷的拉伸实验。

(3)伺服电机控制方便，使得试验达到很高的精度。

附图说明

图1为本发明提供的双向拉压力学试验机的立体结构示意图；

图2为双向拉压力学试验机底座立体结构示意图；

图3为底座周边床身局部俯视图；

图4为双向拉压力学试验机左视图；

图5为丝杠模组主视图；

图6为丝杠模组俯视图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种双向拉压力学试验机，能够完成不同比例加载路径下的双向拉伸试验。

本发明提供的双向拉压力学试验机，结合图1，包括底座1、x正向丝杠模组2-1、x负向丝杠模组2-2、y正向丝杠模组2-3、y负向丝杠模组2-4。4个丝杠模组通过螺栓固定在底板上，底板置于底座上部，且成十字形圆周排列。本发明可以进行十字试件的拉压力学实验，且实时控制测量试件的受力和变形。本发明可以实现单向拉伸和双向拉伸，此外还具有载荷控制、位移控制以及应变控制等功能。

下面分别对底座和丝杠模组进行详细介绍：

(一)底座

结合图2-4，为本发明的底座示意图，底座1包括中间床身1-1、x正向周边床身1-2、x负向周边床身1-3、y正向周边床身1-4、y负向周边床身1-5和中间盖板1-6；

中间床身1-1具有中心床身区域以及从中心床身区域向外延伸出的x正向端面、x负向端面、y正向端面和y负向端面；x正向端面通过第1定位槽1-7与x正向周边床身1-2的一端对接固定；x负向端面通过第2定位槽与x负向周边床身1-3的一端对接固定；y正向端面通过第3定位槽与y正向周边床身1-4的一端对接固定；y负向端面通过第4定位槽与y负向周边床身1-5的一端对接固定；从而形成十字形圆周分布；其中，对接固定方式可以通过螺栓固定。中间床身1-1与各个周边床身对接时，通过定位槽进行定位，设置定位槽，其作用是使中间床身和周边床身准确的安装。

中间盖板1-6可以通过螺钉固定安装于中间床身1-1的中心床身区域；中间盖板1-6设置有定位孔，用于安装附加装置；

底座1还包括多组调整垫铁1-8；调整垫铁1-8分别安装在中间床身1-1、x正向周边床身1-2、x负向周边床身1-3、y正向周边床身1-4、y负向周边床身1-5的底部，通过调整调整垫铁，用便可以方便的调整底座的水平度。

另外，中间床身和周边床身均设置有导向键槽，且键槽对接，丝杆模组的底板通过导向键槽机构，可以在底座上进行直线运动。

(二)丝杠模组

x正向丝杠模组2-1、x负向丝杠模组2-2、y正向丝杠模组2-3和y负向丝杠模组2-4呈十字形排列固定在底座1上。

x正向丝杠模组2-1固定在x正向周边床身1-2的上面；x负向丝杠模组2-2固定在x负向周边床身1-3的上面；y正向丝杠模组2-3固定在y正向周边床身1-4的上面；y负向丝杠模组2-4固定在y负向周边床身1-5的上面。

x正向丝杠模组2-1、x负向丝杠模组2-2、y正向丝杠模组2-3和y负向丝杠模组2-4的结构相同。下面仅以x正向丝杠模组为例进行介绍：

结合图5和图6，为本发明的丝杠模组示意图，对于x正向丝杠模组2-1，包括：伺服电机2-1-1、行星轮减速器2-1-2、联轴器2-1-3、轴承座2-1-4、滚珠丝杠2-1-5、滑台2-1-6、拉力传感器2-1-7、夹具2-1-8和底板2-1-12；

底板2-1-12通过导向键槽机构1-9设置于底座1的x正向周边床身1-2的上面，使底板2-1-12可沿底座1进行直线滑动运动；

伺服电机2-1-1通过螺栓与行星轮减速器2-1-2的一端相连，实现减速功能；行星轮减速器2-1-2的另一端通过联轴器2-1-3与滚珠丝杠2-1-5相连接，实现动力的传输；轴承座2-1-4固定在底板2-1-12上，滚珠丝杠2-1-5的端面装配到轴承座2-1-4上，通过轴承座2-1-4，支撑滚珠丝杠2-1-5；因此，丝杠模组由伺服电机输出动力，通过行星轮减速器减速到合适的速度，进而通过联轴器与滚珠丝杠相连，从而驱动滚珠丝杠转动。滑台2-1-6套设在滚珠丝杠2-1-5上，随着丝杠的旋转运动，滑台进行直线运动；滑台2-1-6通过连接装置与拉力传感器2-1-7相链接，拉力传感器2-1-7又通过连接装置与夹具2-1-8相连接。

x正向丝杠模组2-1还包括限位开关2-1-10；限位开关2-1-10安装在滚珠丝杠2-1-5的侧边，用于控制滑台2-1-6运动的安全位置。

限位开关2-1-10的设置数量为两个，分别安装于滑台2-1-6运动的起点位置和终点位置。一个限位开关，用于限制滑台的行程，以免超过行程，损坏设备，另一个限位开关用于限制最短行程，以免发生撞车。

x正向丝杠模组2-1还包括光栅尺2-1-11；光栅尺2-1-11设置在滚珠丝杠2-1-5的侧边，用于测量记录夹具2-1-8的位移。

x正向丝杠模组2-1还包括导轨2-1-9；导轨2-1-9设置在滑台2-1-6和拉力传感器2-1-7的下面，且安装于底板2-1-12的表面，用于为滑台2-1-6和拉力传感器2-1-7的直线运动提供支撑和导向。

丝杠模组的特点如下：

(1)丝杠模组用伺服电机提供动力，伺服电机的性能好，有较大的输出力矩和转动惯量，能产生大的加速和制动力矩。

(2)减速装置选择行星轮减速器，相对于斜齿轮减速器、涡轮蜗杆减速器等其他减速器，行星轮减速器具有高刚性、高精度、高传动效率、高的扭矩/体积比等特点。

(3)机械传动部件选择滚珠丝杠副，其精度最高，且具有刚度高、能实现微凉进给、发热小、可实现高速进给等优点。

(4)丝杠模组设置有拉力传感器，目的在于测试十字形试件所受拉力的实时变化，其结构紧凑，测量精度高，抗偏载能力强。

(5)在丝杠模组的侧边安装有两个限位开关。限位开关用来控制两个方向，既保证滑台不会超过光栅尺的行程，又能保证不会发生撞车事故。

(6)在丝杠模组的侧边安装光栅尺，光栅尺固定于底座上，其作用是实时测量滑块的位置变化。选择光栅尺，主要因其分辨率高。

本发明还提供一种应用上述的双向拉压力学试验机的双向拉压力学试验方法，包括以下步骤：

步骤S1，x正向丝杠模组2-1的夹具、x负向丝杠模组2-2的夹具、y正向丝杠模组2-3的夹具和y负向丝杠模组2-4的夹具分别夹紧被试验试件的四个夹持边；

步骤S2，上位机的输入端分别与各个丝杠模组的拉力传感器、限位开关以及光栅尺连接；上位机的输出端分别与各个丝杠模组的伺服电机连接；

步骤S3，在上位机界面设置初始参数，包括：载荷、各个丝杠模组的伺服电机转速；

步骤S4，上位机按初始参数，驱动各个丝杠模组的伺服电机动作，在伺服电机的驱动下，对试件进行双向拉伸，即：同时向x正向、x负向、y正向和y负向拉伸试件；并且，在对试件进行双向拉伸的过程中，各个丝杠模组的拉力传感器实时检测到试件所受拉力的变化信息，并实时将试件所受拉力的变化信息上传到上位机，由上位机进行保存；另外，在对试件进行双向拉伸的过程中，各个丝杠模组的光栅尺实时测量到滑台的位置变化信息，并实时将滑台的位置变化信息上传到上位机，由上位机进行保存；另外，在对试件进行双向拉伸的过程中，两个限位开关实时检测滑台是否达到最短行程和最长行程，进而控制各个丝杠模组的运动范围，保证测试安全性；

上位机通过关联分析试件所受拉力的变化信息以及滑台的位置变化信息，得到被测试件的双向拉伸性能。

综上所述，本发明提供的双向拉压力学试验机以及双向拉压力学试验方法，具有以下优点：

(1)4组丝杠模组的十字排布，为十字试件的双向拉伸试验奠定了基础，伺服电机的同步控制，实现了同轴向的两组夹头的位移同步控制，能够完成不同比例加载路径下的双向拉伸试验。

(2)此双向拉伸试验机，采用伺服电机提供动力，可以精确的实现双向拉伸十字试件和单向拉伸单拉试件，并且实现变比例、变载荷的拉伸实验。

(3)伺服电机控制方便，使得试验达到很高的精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。