一种微型无回隙透射式疲劳试验机的制作方法

本发明属于材料力学性能测试领域，具体的说，是涉及一种疲劳试验机。

背景技术：

目前，在材料力学性能测试过程中，不仅对试样进行宏观观测，越来越多的借助于电子显微镜、原子力显微镜、x射线、中子衍射和扫描电镜等微观结构观测仪器，对材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行全程动态监测。由于上述仪器的腔体尺寸狭小，多处于真空环境，并且对试验机重量又有严格要求，而单轴拉压疲劳试验机多采用液压系统或者齿轮传动实现，具有发热多、体积大、结构冗余、回隙明显等缺点，难以和上述仪器兼容，无法满足微电子材料、高分子材料等各种新型材料的力学性能测试要求。

因此，设计一种体积小巧、测试精度高、重量轻、无回隙，可循环加载的能够利用多种微观结构观测仪器在线监测的力学性能测试平台已十分必要。

技术实现要素：

本发明要解决的是单轴拉压疲劳试验机使用过程中回隙明显和难以实现微观结构观测等技术问题，而提供一种微型无回隙透射式疲劳试验机，体积小巧、结构紧凑、无回隙、检测精度高，可安装于电子显微镜、原子力显微镜、x射线、中子衍射和扫描电镜等多种微观结构观测仪器上，从而实现对材料力学性能研究的深入分析。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种微型无回隙透射式疲劳试验机，包括机体、对称加载单元、夹持单元、信号检测单元以及限位保护装置；

所述机体包括底板、前挡板、后挡板和支撑板；所述前挡板和所述后挡板分别设置于所述底板上方的前端和后端，所述支撑板设置在所述前挡板和所述后挡板之间；

所述对称加载单元包括设置在所述机体内的伺服电机、第一同步轮、第二同步轮、第三同步轮、第一同步带、第二同步带、第一丝杠、第二丝杠、左横梁、右横梁和双螺母锁紧结构；所述伺服电机与所述第一同步轮轴连接，所述第一同步轮与所述第二同步轮之间连接所述第一同步带，所述第二同步轮与所述第三同步轮之间连接第二同步带；所述第一丝杠和所述第二丝杠均为左右旋双向滚珠丝杠，两者相互平行且同旋向螺纹同侧设置，所述第一丝杠和所述第二丝杠均穿过所述支撑板并以其两端分别通过轴承固定于所述前挡板和所述后挡板；所述第一丝杠穿过所述第三同步轮的轴孔并与其固定连接，所述第二丝杠穿过所述第二同步轮的轴孔并与其固定连接；所述左横梁和所述右横梁的两端均设置有通孔，每个通孔两侧分别固定有滚动螺母形成所述双螺母锁紧结构，所述左横梁和所述右横梁均通过两端的所述双螺母锁紧结构垂直的固定于所述第一丝杠和所述第二丝杠，相互平行的所述左横梁和所述右横梁分别安装在所述第一丝杠和所述第二丝杠的不同旋向螺纹处，从而使所述第一丝杠和所述第二丝杠的旋转运动能够转化为所述左横梁和所述右横梁对称同步的相向或背向直线运动；

所述夹持单元包括左夹具和右夹具；所述左夹具和所述右夹具别对称地固定在所述左横梁和所述右横梁的相对面上；

所述信号检测单元包括微型的位移传感器和微型的载荷传感器；微型的位移传感器包括固定在所述右横梁一端的光栅尺面和对应于所述光栅尺面固定在所述底板的读数头；所述微型的载荷传感器通过连接架安装在所述右横梁外侧并通过螺母锁紧，所述载荷传感器的传感接触端连接于所述右夹具；

所述限位保护装置包括磁性开关和磁铁；所述磁铁固定在所述左横梁外侧，所述磁性开关按照设计距离正对于所述磁铁固定在所述左横梁左边的底板上。

所述底板开设有透射窗口，该透射窗口正对于所述左夹具、所述右夹具及其夹持试样所在位置。

所述伺服电机由有刷直流微电机配置高精密零回差行星轮减速箱构成。

所述左夹具和所述右夹具所夹持的试样表面与所述第一丝杠和所述第二丝杠的轴线处于同一水平面内。

所述载荷传感器的输出轴与所述第一丝杠和所述第二丝杠的轴线平行且处于同一水平面内。

所述限位保护装置的电路板、所述位移传感器的细分盒置于机体外并通过信号线连接。

疲劳试验机的疲劳试验机的尺寸在130mm*90mm*35mm以内，重量在2kg以内。

所述左横梁两端的所述双螺母锁紧结构分别安装在所述第一丝杠和所述第二丝杠的右旋螺纹上，所述右横梁两端的所述双螺母锁紧结构分别安装在所述第一丝杠和所述第二丝杠的左旋螺纹上。

本发明的有益效果是：

(一)本发明的疲劳试验机具有无回隙的特点，可以进行循环加载，而其它同类设备由于回隙较大，通常只可以进行拉伸、压缩等单方向加载。

(二)本发明的疲劳试验机采用左右旋双向滚珠双丝杠结构进行传动与导向，实现同时对称加载，可保证试件中心在试验过程中位置不变；与单端作动的试验机相比，易于实现原位加载，进而保证全程动态监测。

(三)本发明的疲劳试验机实现了透射结构，可配合各种电子显微镜、原子力显微镜、x射线、中子衍射和扫描电镜等微观结构观测仪器，能够有效监测材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程。

(四)本发明的疲劳试验机实现了体积小巧、重量轻便的特点，可放置在尺寸狭小的腔体空间内，可配合各种微观结构观测仪器，满足微电子材料、高分子材料等各种新型材料的力学性能测试要求。

附图说明

图1是本发明所提供的微型无回隙透射式疲劳试验机的结构示意图；

图2是载荷传感器的安装示意图。

上述图中：1.左横梁，2.左夹具，3.右夹具，4.右横梁，5.第一丝杠，6.后挡板，7.第二丝杠，8.载荷传感器，9.读数头，10.光栅尺面；11.伺服电机；12.支撑板；13.第一同步轮；14.第一同步带；15.前挡板；16.第二同步轮；17.第二同步带；18.第三同步轮，19.磁性开关，20.磁铁，21.底板，22.双螺母锁紧结构，23.连接架。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种微型无回隙透射式疲劳试验机，包括机体、对称加载单元、夹持单元、信号检测单元以及限位保护装置。

机体由底板21、前挡板15、后挡板6和支撑板12构成。底板21开设有透射窗口，该透射窗口对应于左夹具2、右夹具3及其夹持试样所在位置的下方，方便中子衍射、x射线、同步辐射光源、原子力显微镜等仪器通过透射窗口进行透射观测，从而实现对材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的微观演化过程进行全程动态监测。前挡板15和后挡板6分别设置于底板21上方的前端和后端，并通过螺钉固定于底板21。支撑板12设置在前挡板15和后挡板6之间，也通过螺钉固定于底板21。

对称加载单元由设置在机体内的伺服电机11、第一同步轮13、第二同步轮16、第三同步轮18、第一同步带14、第二同步带17、第一丝杠5、第二丝杠7、左横梁1、右横梁4和双螺母锁紧结构22组成。其中，伺服电机11由有刷直流微电机配置高精密零回差行星轮减速箱构成，以实现无回隙的正反转旋转运动。

伺服电机11与第一同步轮13轴连接，第一同步轮13与第二同步轮16之间连接第一同步带14，第二同步轮16与第三同步轮18之间连接第二同步带17。由此，在伺服电机11的驱动下，第一同步轮13进行转动并通过第一同步带14带动第二同步轮16同步转动，第二同步轮16通过第二同步带17带动第三同步轮18同步转动。

第一丝杠5和第二丝杠7均选用微型精密小导程的左右旋双向滚珠丝杠，包括光轴区段和螺纹区段，螺纹区段包括对称设置的左旋螺纹和右旋螺纹。第一丝杠5和第二丝杠7相互平行并以同样的方式放置，即同旋向螺纹同侧设置。第一丝杠5和第二丝杠7均穿过支撑板12，并且以其两端通过轴承固定于前挡板15和后挡板6。第一丝杠5以其光轴区段穿过第三同步轮18的轴孔并与第三同步轮18固定连接，第二丝杠7以其光轴区段穿过第二同步轮16的轴孔并与第二同步轮16固定连接。由此，第一丝杠5和第二丝杠7在伺服电机11的驱动和同步轮同步带的传动作用下，实现完全一致的旋转运动。

伺服电机11、第一同步轮13、第二同步轮16、第三同步轮18、第一同步带14、第二同步带17、第一丝杠5和第二丝杠7的光轴区段均布置在支撑板12左边。第一丝杠5和第二丝杠7的螺纹区段、左横梁1、右横梁4均布置在支撑板12右边。

左横梁1和右横梁4垂直于第一丝杠5和第二丝杠7的螺纹区段设置，分别通过两组双螺母锁紧结构22横跨安装在第一丝杠5和第二丝杠7之间。左横梁1两端的双螺母锁紧结构22分别安装在第一丝杠5和第二丝杠7的右旋螺纹上；右横梁4两端的双螺母锁紧结构22分别安装在第一丝杠5和第二丝杠7的左旋螺纹上。具体地，左横梁1和右横梁4分别设置有两个通孔，每一组双螺母锁紧结构22包括对称地固定在每个通孔两侧的两个滚动螺母，两个滚动螺母通过环向均布的螺钉固定安装于左横梁1和右横梁4。每一组双螺母锁紧结构22套装在第一丝杠5或第二丝杠7上形成两个滚珠丝杠螺母副，第一丝杠5和第二丝杠7旋转时带动双螺母锁紧结构22沿丝杠发生轴向位移，从而实现将第一丝杠5和第二丝杠7的旋转运动转化为左横梁1和右横梁4沿丝杠轴向的直线运动，且降低第一丝杠5和第二丝杠7正反转运动时的回隙。同时由于左横梁1和右横梁4安装在第一丝杠5和第二丝杠7上的螺纹旋向不同，因此左横梁1和右横梁4在第一丝杠5和第二丝杠7旋转运动状态下，将会对称且同步地进行相向运动或背向运动，为疲劳试验机原位对称的拉伸、压缩双方向加载提供条件。

夹持单元包括左夹具2和右夹具3，左夹具2和右夹具3分别对称地设置在左横梁1和右横梁4的相对面上，左夹具2固定在左横梁1上，右夹具3固定在右横梁4上。由于左横梁1和右横梁4通过双螺母锁紧结构22穿接于第一丝杠5和第二丝杠7上，进一步根据左夹具2和右夹具3的设置，可保证所夹持的试样表面与第一丝杠5和第二丝杠7的轴线处于同一水平面内，以消除试样所受弯矩，提高试验的精度。

信号检测单元主要包括微型的位移传感器和微型的载荷传感器8。微型的位移传感器由固定在右横梁4一端的光栅尺面10和对应于光栅尺面10固定在底板21上的读数头9组成，测量精度可达0.1微米。当左横梁1和右横梁4直线运动时，光栅尺面10随之做直线运动，光栅尺面10相对于读数头9相对运动，从而检测出左夹具2和右夹具3之间所夹持试样的相对变形。微型的位移传感器，其读数头9尺寸为20*12*6mm，且位移传感器的细分盒电路板放置在机体外部，与位移传感器通过信号线连接。微型的载荷传感器8通过连接架23安装在右横梁4外侧，尺寸为30*21*20mm的连接架23与右横梁4设计为一体结构，载荷传感器8嵌装在连接架23上并通过穿过连接架23的螺母锁死，既能调节载荷传感器8角度，又能使得结构紧凑，减小主机尺寸。同时，载荷传感器8的传感接触端连接于右夹具3，因此可有效检测出施加在试样上的载荷。载荷传感器8的输出轴与第一丝杠5、第二丝杠7的轴线平行，且与第一丝杠5、第二丝杠7的轴线处于同一水平面内，同样是为了消除试样所受弯矩，提高试验的精度。移传感器和载荷传感器8的信号分别反馈到上位机，作为反馈信号精确控制试验机的位移与载荷。

限位保护装置包括磁性开关19和磁铁20，磁铁20通过粘结剂固定安装在左横梁1外侧，磁性开关19按照设计距离正对于磁铁20固定在左横梁1左边的底板21上。当左横梁1带动磁铁20距离磁性开关19的距离达到预设值时，磁性开关19开启并将信号传递给上位机，上位机发出信号使左横梁1和右横梁4停止运动，从而保护整个系统。

本发明的疲劳试验机实现了体积小、重量轻，疲劳试验机的尺寸在130mm*90mm*35mm以内，重量在2kg以内。为了保证疲劳试验机结构的结构小巧紧凑，本发明利用并采取了一系列有效措施，包括：通过布置伺服电机11的方向使其不占用多余空间；采用同步带同步轮的传动方式、双丝杆的导向模式、双横梁的穿接设置相结合，使得保证加载效果的前提下结构更加紧凑；选用0802型左右旋双向滚珠丝杠，并对配套的双螺母锁紧结构22外形尺寸进行加工，尺寸为21*15*4mm，以便使得整机尺寸缩小；同时第一丝杠5和第二丝杠7的中心矩为42mm，更进一步减小了左横梁1和右横梁4的长度，缩小了主机横向尺寸，减轻了主机重量；选用微型的微型的位移传感器和载荷传感器8，限位保护装置的电路板、位移传感器的细分盒等附件置于主机外并通过信号线连接；试验机选用航空铝材、钛合金等材料，在保证强度的同时，最大化的减轻重量。

使用时，将试件与左夹具2和右夹具3连接，通过控制器控制伺服电机11进行加载，高精度的载荷传感器8和位移传感器将相应信号传输到上位机，并将相关数据存储，同时绘制出应力应变曲线，相应信号又作为反馈源，上位机根据反馈信号进一步控制伺服电机11工作，形成一个闭环控制系统。

综上所示，本发明的微型无回隙透射式疲劳试验机具有以下技术特点和优势：

(一)本发明采用有刷直流微电机与高精密零回差行星轮减速箱，可实现无回隙的正反转运动；再配合同步带同步轮降低伺服电机11与第一丝杠5、第二丝杠7降低传动过程中的回隙，双螺母锁紧结构22则降低传动过程中第一丝杠5、第二丝杠7正反转运动时产生的回隙问题，最终达到在传动过程中最大限度的降低回隙，提升循环加载的试验精度。

(二)本发明通过第二同步带17连接的第二同步轮16和第三同步轮18同时传动，使采用左右旋双向滚珠丝杠的第一丝杠5和第二丝杠7同步旋转，从而保证通过双螺母锁紧结构22安装于第一丝杠5和第二丝杠7的左横梁1和右横梁4对称运动，实现左夹具2和右夹具3对试样进行双端作动的原位对称加载，即试件中心在加载过程中保持不动，一直处于观测仪器的视野范围内，以便于配合各种观测仪器测使用，全程动态跟踪。

(三)本发明的第一丝杠5和第二丝杠7之间可以留有足够的平行空间布置夹具，避免了单丝杠形式只能位于夹具下部形成悬臂梁结构而产生的弯矩，才能实现所夹持的试样、载荷传感器8与第一丝杠5和第二丝杠7的轴线处于同一水平面内，从而使加载位于同一平面内，有效减小面外弯矩对试样、载荷传感器8、第一丝杠5和第二丝杠7的影响，不仅提高了试验的精度，也提高了整机结构的刚性。

(四)本发明采用相互平行间隔设置的第一丝杠5和第二丝杠7，避免了单丝杠形式与夹具位于同一垂直平面而造成的遮挡，同时在底板21上开设有透射窗口，实现中空透射结构，使设备适用于中子衍射、x射线衍射/透射等微观表征手段。

(五)本发明从部件选材、整机结构、布置形式几方面入手，同时完善各部分细节控制，使得结构紧凑、重量减轻，最终实现主机小尺寸和轻量化的特点，可放置在尺寸狭小的腔体空间内，配合各种微观结构观测仪器进行试验，满足微型材料的测试要求。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。