专利名称：卧式动静态电液伺服显微观测试验机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种卧式动静态电液伺服显微观测系统，特别涉及一种能够在动静态实验过程中实现在位观测的试验机，属于工程材料、物理性能、结构形变及力学实验技术领域。它可用于测试各种金属材料、高强塑料以及类似材料的动静力学性能，包括拉伸、压缩、疲劳，裂纹扩展、断裂力学以及其它各种力学试验，尤其能在线观测试样裂纹的变化以及试样内部结构变化情况。
背景技术：
随着断裂力学的发展，迫切需要能够完成金属材料，智能材料等的断裂力学实验，疲劳实验，尤其是能够在位观测材料断裂过程以及材料内部结构变化，裂纹演化的实验设备。目前各种材料试验机技术也已经成熟，如长春试验机研究所生产的CSS-WAWDL型电液伺服万能试验机和PLG型高频疲劳试验机，但它们多采用门式立系框架，采用单端加载方式，这种设计方式不能够为相应的显微观测系统提供安装空间，也就不能实现在线观测试样裂纹的变化以及试样内部结构变化情况。现有的试验机的没有提供匹配的函数发生器，因此不能够实现正弦波、三角波、方波、斜波、组合波的试验加载波形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卧式动静态电液伺服显微观测系统，能够在拉伸、压缩、疲劳各种力学实验的过程中可以在线观测试样裂纹的变化或者试样内部结构的演化过程，并配备能够实现正弦波、三角波、方波、斜波、组合波的函数发生器，从而产生相应的加载实验波形。另外本系统能够完成位移、负荷以及变形三种控制方式的平滑切换。
本发明的技术方案如下一种卧式动静态电液伺服显微观测试验机，该装置包括主机、液压源和控制系统，所述的主机包括框架和加载传动系统，所述的加载传动系统包括伺服油缸子系统，所述的伺服油缸子系统包括伺服油缸，通过联接轴和套在该联接轴上的防松垫与液压夹头连接，该伺服油缸活塞内安装有交流差动变压器式位移传感器，其特征在于所述的框架采用U型卧式框架，在卧式框架中部安装有三维移动滑台，在该三维移动滑台上安装有光学显微镜；所述的加载传动系统还包括与伺服油缸子系统布置在同一水平轴线上的调整油缸子系统，所述的调整油缸子系统包括调整油缸，锁紧缸，导向杠，移动梁，滑杠，液压夹头，负荷传感器和胀紧套，所述的滑杠一端与移动梁连接，该移动梁与调整油缸相连，并可在导向杠上移动，导向杠通过胀紧套与框架连接，该滑杠另一端穿过框架与负荷传感器和液压夹头连接。所述的锁紧缸安装在调整梁缺口旁边。
本发明所述的所述控制系统中包含控制信号支路和反馈信号支路，所述的控制信号支路由计算机，一个能够产生正弦波、三角波、方波、斜波、组合波的函数发生器，通过DA卡，与比较器的第一脚连接，比较器的第二脚与控制状态选择器连接，与控制状态选择器一端连接，所述的控制状态选择器另一端与三种传感器分别相连；比较器的第三脚通过PID调节器与伺服驱动器连接；所述的反馈信号支路由计算机，AD卡，与位移，载荷，变形传感器连接。
本发明所述的液压源包括进油路，回油路；所述的进油路经过油泵机组，高压滤油器，蓄能器分为四条支路，第一支路通过伺服阀与伺服油缸连接；第二支路通过调整电磁阀，叠加式双单向节流阀与调整缸连接；第三支路通过电磁阀和叠加单向阀与锁紧缸连接；第四支路通过单向减压阀和电磁阀与液压夹头连接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三级溢流阀与主回路连接；所述的主回路经过与进油路相对应的四条支路与蓄能器，板式换热器，回油滤油器，温度计和液位计依次连接。
本发明所述的三维移动滑台由X，Y和Z方向移动装置组成，所述的X方向移动装置由X轴直线导轨，X轴调整旋钮和X轴调整平台组成；所述的Y轴方向移动装置由Y轴直线导轨，Y轴调整旋钮和Y轴调整平台组成；所述的Z轴方向移动装置由Z轴微调手轮，丝杠和安装在丝杠上的涡轮箱组成；所述的X轴调整平台通过Y轴直线导轨安装在Y轴调整平台上，所述的Y轴调整平台安装在丝杠上，丝杠在X轴直线导轨上滑动。
本发明具有以下优点及突出性效果采用了U型卧式框架，为显微观测提供了空间，加载传动系统增加了调整油缸子系统，加载传动系统的一端可以调整到合适的位置，另一端实现加载；安装了三维滑动平台和显微系统，使得在拉伸、压缩、疲劳各种力学实验的过程中可以在线观测试样裂纹的变化或者试样内部结构的演化过程，并配备能够实现正弦波、三角波、方波、斜波、组合波的函数发生器，从而产生相应的加载实验波形。另外本系统能够完成位移、负荷以及变形三种控制方式的平滑切换；其加载频率范围在0.01Hz-30Hz之间；其最大试验力能够达到±10kN；该系统采用电液伺服闭环控制原理，它具有响应速度快、控制精度高等特点；该机由计算机控制，其操作简单、可靠性高。
图1是本发明的卧式主机示意图主视图。
图2是图1的左视图。
图3是本发明的油路原理图。
图4是本发明的三维移动滑台示意图主视图。
图5是图4的左视图。
图6是本发明的控制系统流程框图。
图中1-胀紧套；2-导向杠；3-移动梁；4-滑杠；5-铜套；6-负荷传感器；7-液压夹头；8-试件；9-联接轴；10-防松垫；11-框架；12-伺服油缸；13-位移传感器；14-进油口；15-电磁阀；16-油泵机组；17-高压滤油器；18-蓄能器；19-伺服阀；20-调整电磁阀；21-叠加式双单向节流阀；22-调整缸；23-叠加减压阀；24-叠加单向阀；25-锁紧缸；26-压力表；27-压力表开关；28-三级溢流阀；29-液位计；30-回油滤油器；31-板式换热器；32-温度计；33-X轴直线导轨；34-涡轮箱；35-Z轴微调手轮；36-丝杆；37-X轴调整平台；38-X轴微调手轮；39-Y轴直线导轨；40-Y轴调整平台；41-显微镜；42-显微镜平台；43-Y轴微调手轮；44-三维移动滑台。
具体实施例方式
图1、2为本发明提供的U形卧式主机示意图，所述的主机包括框架11和加载传动系统，所述的加载传动系统包括伺服油缸子系统，所述的伺服油缸子系统包括伺服油缸12，通过联接轴9和套在该联接轴9上的防松垫10与液压夹头连接，该伺服油缸活塞内安装有交流差动变压器式位移传感器13。所述的框架采用卧式框架，在U形卧式框架中部安装有三维移动滑台44，在该三维移动滑台上安装有光学显微镜41；所述的加载传动系统还包括与伺服油缸子系统布置在同一水平轴线上的调整油缸子系统，所述的调整油缸子系统包括调整油缸22，锁紧缸25，导向杠2，移动梁3，滑杠4，液压夹头7，负荷传感器6，胀紧套1，所述的滑杠4一端与移动梁3连接，该移动梁3与调整油缸22相连，可在导向杠2上移动，导向杠2通过胀紧套1与框架11连接，该滑杠4另一端穿过框架11与负荷传感器6和液压夹头7连接，所述的锁紧缸25安置在移动梁缺口旁边。
其中框架11采用板式焊接结构，它具有重量轻，整机刚性好，系统频率高等特点；伺服油缸子系统是电液伺服系统中产生力和位移的装置，该系统从设计上保证了低阻尼、高频响的最佳动态特性；液压夹头7可以方便而可靠的使试样与主机刚性连接；传感器包括位移、负荷、变形传感器，它是测量及参与反馈控制的关键部分，其精度直接影响控制精度。负荷传感器6采用轮辐式应变负荷传感器，具有精度高，稳定性好的优点。该负荷传感器与调整油缸子系统上的液压夹头连接在一起。位移传感器13采用交流差动变压器式位移传感器，安装于伺服油缸内。变形传感器采用电阻应变桥结构，贴在试件上，可将试件一定标距内的位移变化转换成相应的电信号；调整油缸子系统主要是用来调节试验空间，可根据试样的长短将作动器调到最佳的控制位置。
简单的实验过程通过调整油缸22推动移动梁3在滑杠4上移动，从而推动液压夹头7移动到合适的位置，然后通过锁紧缸25固定移动梁3，从而固定液压夹头7，然后可以通过另一端的伺服油缸12和液压夹头对试件进行加载，同时可以通过安装在三维移动滑台44上的光学显微镜41对试件进行显微观察。
图3为本发明提供的油路原理图，液压源包括进油路，回油路；所述的进油路经过油泵机组16，高压滤油器17，蓄能器18分为四条支路，第一支路通过伺服阀19与伺服油缸12连接；第二支路通过调整电磁阀20，叠加式双单向节流阀21与调整缸22连接；第三支路通过电磁阀15和叠加单向阀24与锁紧缸25连接；第四支路通过单向减压阀23和电磁阀15与液压夹头7连接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三级溢流阀28与主回路连接；所述的主回路经过与进油路相对应的四条支路与蓄能器18，板式换热器31，回油滤油器30，温度计32和液位计29依次连接。
其中油泵机组16采用手动斜盘式轴向柱塞泵组，输出流量最大25l/min，驱动电机功率11KW；伺服阀19是电液伺服系统中，电液转换的关键元件，本系统采用带液压力矩反馈的二级伺服阀，其输出液压流量与输入信号电流成正比；蓄能器18使高压泵组输出脉动油流变得平稳。
图4、5为本发明提供的三维移动滑台示意图，该三维移动滑台由X轴，Y轴和Z轴方向移动装置组成。所述的X轴方向移动装置由X轴直线导轨33，X轴微调手轮38和X轴调整平台37组成；所述的Y轴方向移动装置由Y轴直线导轨39，Y轴微调手轮43和Y轴调整平台40组成；所述的Z轴方向移动装置由丝杠36，Z轴微调手轮35和安装在丝杠36上的涡轮箱34组成。所述的X轴调整平台37通过Y轴直线导轨39安装在Y轴调整平台40上，所述的Y轴调整平台40安装在丝杠36上，丝杠36在X轴直线导轨33上滑动。
图6为本发明提供的控制系统流程图。控制系统中包含控制信号支路和反馈信号支路，所述的控制信号支路由计算机，一个能够产生正弦波、三角波、方波、斜波、组合波的函数发生器，通过DA卡，与比较器的第一脚连接，比较器的第二脚与控制状态选择器连接，比较器的第三脚通过PID调节器与伺服驱动器连接；所述的反馈信号支路由计算机，AD卡，与位移，载荷，变形传感器连接，所述的三种传感器分别与控制状态选择器并连。
AD、DA卡是购买的标准ISA总线卡AC1830。控制状态选择器是由电子模拟多路开关AD7501组成的，它受控于计算机，由计算机从三种控制对象即负荷、位移和变形中选择其一种。比较器是由高精度运算放大器组成的典型电路。它主要完成两路模拟输入信号的比较运算，输出一个差值信号给下一级电路。PID调节器，P是代表控制系统中的比例参数，I代表控制系统中的积分参数，D代表控制系统中的微分参数，都是由模拟运算放大器来实现的典型电路。该机控制采用的是有差负反馈闭环PID控制系统，因此PID控制调节器对整机的控制精度和系统稳定非常重要。伺服驱动器是由运算放大器和功率驱动器组成的典型模拟电路。作用是对输入的电压误差信号放大后，转换成对应的电流源信号，经过功率驱动元件放大后，输出给电液伺服阀。
该控制系统采用的是有差闭环伺服控制系统。信号源输出的控制指令信号与“控制状态选择器”选择的被控反馈信号在比较器产生一个误差信号。这个误差信号经过PID调节后送到阀驱动器上，控制阀推动油缸向着指令要求的方向运动，来减小误差以趋向控制指令目标。整个控制过程就是调节器不断地调整驱动器的输出，使其相应的反馈信号与设定信号之间的误差最小。并且该系统的控制状态方式包括负荷、位移和应变三种方式。
权利要求
1.一种卧式动静态电液伺服显微观测试验机，该装置包括主机、液压源和控制系统，所述的主机包括框架和加载传动系统，所述的加载传动系统包括伺服油缸子系统，该伺服油缸子系统包括伺服油缸(12)，该油缸通过联接轴(9)和套在该联接轴上的防松垫(10)与液压夹头连接，在伺服油缸内安装有交流差动变压器式位移传感器(13)，其特征在于所述的框架采用U型卧式框架，在卧式框架中部安装有三维移动滑台(44)，在该三维移动滑台上安装有光学显微镜(41)；所述的加载传动系统还包括与伺服油缸子系统布置在同一水平轴线上的调整油缸子系统，所述的调整油缸子系统含有调整油缸(22)，锁紧缸(25)，导向杠(2)，移动梁(3)，滑杠(4)，液压夹头(7)，负荷传感器(6)和胀紧套(1)；所述的滑杠(4)一端与移动梁(3)连接，滑杠的另一端穿过框架(11)与负荷传感器和液压夹头连接；所述的移动梁与调整油缸(22)相连，并沿导向杠(2)上移动，导向杠通过胀紧套(1)与框架(11)连接，所述的锁紧缸(25)安置在移动梁缺口旁边。
2.如权利要求1所述的卧式动静态电液伺服显微观测试验机，其特征在于所述控制系统包含控制信号支路和反馈信号支路，所述的控制信号支路由计算机，一个与该计算机连接并能够产生正弦波、三角波、方波、斜波、组合波的函数发生器，D/A卡，比较器，控制状态选择器，PID调节器和伺服驱动器组成，所述的D/A卡与比较器的第一脚连接，比较器的第二脚与控制状态选择器一端连接，比较器的第三脚通过PID调节器与伺服驱动器连接；所述的反馈信号支路由计算机，A/D卡，以及分别与A/D卡相连的位移传感器、载荷传感器和变形传感器组成，所述的三种传感器分别与所述的控制状态选择器相连。
3.如权利要求1或2所述的卧式动静态电液伺服显微观测试验机，其特征在于所述的液压源包括进油路和回油路两部分；所述的进油路经过油泵机组(16)，高压滤油器(17)，蓄能器(18)分为四条支路，第一支路通过伺服阀(19)与伺服油缸(12)连接，第二支路通过调整电磁阀(20)，叠加式双单向节流阀(21)与调整缸(22)连接，第三支路通过电磁阀(15)和叠加单向阀(24)与锁紧缸(25)连接，第四支路通过单向减压阀(23)和电磁阀(15)与液压夹头(7)连接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三级溢流阀(28)与主回路连接，所述的主回路经过与进油路相对应的四条支路与蓄能器(18)、板式换热器(31)和回油滤油器(30)相连。
4.如权利要求3所述的卧式动静态电液伺服显微观测试验机，其特征在于所述的三维移动滑台(44)由X、Y和Z轴方向移动装置组成，所述的X轴方向移动装置由X轴直线导轨(33)，X轴微调手轮(38)和X轴调整平台(37)组成；所述的Y轴方向移动装置由Y轴直线导轨(39)，Y轴微调手轮(43)和Y轴调整平台(40)组成；所述的Z轴方向移动装置由Z轴微调手轮(35)，丝杠(36)和安装在丝杠上的涡轮箱(34)组成；所述的X轴调整平台(37)通过Y轴直线导轨(39)安装在Y轴调整平台(40)上，所述的Y轴调整平台(40)安装在丝杠(36)上，丝杠(36)在X轴直线导轨(33)上滑动。
全文摘要
一种卧式动静态电液伺服显微观测系统，涉及一种能够在动静态实验过程中实现在位观测的试验机，本系统主要由三个部分组成主机、液压源、控制系统。其中主机安装有调整油缸子系统，伺服油缸子系统，光学显微镜和三维移动滑台，为试样提供了实验的平台；液压源是为电液伺服试验机提供液压动力装置；控制系统采用电液伺服闭环控制原理，并配备相应的函数发生器，能够在位移、载荷和变形三种控制方式下完成高载荷，变频率的加载以及显微观察试件裂纹演化和内部结构变化的实验过程；另外该系统由计算机控制，其操作简单、可靠性高，具有实验载荷大，响应速度快、控制精度高、频带宽、试验波形种类多等特点。
文档编号G01N21/84GK1865909SQ20061001187
公开日2006年11月22日 申请日期2006年5月12日 优先权日2006年5月12日
发明者方岱宁, 丁国龙, 李跃光, 鲍沛, 裴永茂 申请人:清华大学, 长春试验机研究所