一种拉伸速率大范围可调双向拉伸装置及双向拉伸方法与流程

本发明涉及拉伸试验机领域，尤其涉及一种拉伸速率大范围可调双向拉伸装置及双向拉伸方法。

背景技术：

板材成形过程中，大多数情况下板材处于复杂应力状态，板面内一般为双向应力状态。不同应力状态下，板料的变形行为明显不同。因此，仅仅采用传统的单向拉伸试验方法所获取的材料性能进行板料变形行为的相关研究远远不够，而挖掘板料双向加载力学性能，并进而确立精确的材料模型迫在眉睫。采用十字形试件进行双向拉伸试验是近几年发展起来的研究各向异性板料变形行为的实验方法，该方法通过控制两轴的载荷或位移大小，使中心区处于不同的应力应变状态，从而得到不同加载路径下双拉区的任意屈服点，目前进行双向拉伸试验成为该领域的研究热点。

世界范围内已有的拉压试验机，主要是基于液压控制的拉压试验机，比如，国家专利文献cn104101539a，公开了一种“液压式双向拉伸试验机”，该液压式双向拉伸试验机由油泵、加载油缸ⅰ和ⅱ、定位油缸、反向顶出杆ⅰ和ⅱ、反向顶出梁ⅰ和ⅱ、卡具横梁ⅰ和ⅱ、卡具ⅰ和ⅱ等组成，试样固定安装在卡具上后，由油泵给加载油缸ⅰ和ⅱ的缸体a部注油，推动活塞分别带动反向顶出梁ⅰ和ⅱ，反向顶出梁ⅰ和ⅱ通过反向顶出杆ⅰ和ⅱ带动卡具横梁ⅰ和ⅱ，卡具横梁ⅰ和ⅱ分别带动卡具ⅰ和ⅱ分别向左和向右逆向运动，达到对试样的双向拉伸目的，反之，由油泵给加载油缸ⅰ和ⅱ的缸体b部注油，推动活塞使左和右卡具梁组合回位；给定位油缸缸体a部和c部注油，定位活塞轴回位，活动横梁移位，给定位油缸缸体b部注油，定位活塞轴伸出，进入定位孔，活动横梁定位，达到调整测试空间的目的。

该发明的拉伸速率可调范围较小，不能实现大范围调速，并且具有拉伸试验精确控制难、装置的复杂程度较高以及试验机现场卫生条件差诸多问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种拉伸速率大范围可调双向拉伸装置及双向拉伸方法，从而解决现有技术中的上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种拉伸速率大范围可调双向拉伸装置，包括底座(1)，底座(1)上设有四个拉伸机构，每个拉伸机构包括丝杠模组、拉伸模组和滚柱直线导轨副；丝杠模组与拉伸模组相连，滚柱直线导轨副分别与拉伸模组和丝杠模组相连；每个拉伸机构均设有拉压力传感器(2-1-1)；四个拉伸机构的其中两个拉伸机构沿x方向相对设置，四个拉伸机构的另外两个拉伸机构沿y方向相对设置，四个拉伸机构在底座(1)上呈十字型排列。

进一步的，丝杠模组包括拉伸座(2-1-2)、同步带(2-1-6)、螺母旋转型滚珠丝杠副、下伺服电机(2-1-7)和下行星齿轮减速器(2-1-8)；拉伸座(2-1-2)设有上伺服电机(2-1-4)和上行星齿轮减速器(2-1-5)；螺母旋转型滚珠丝杠副包括固定端轴承座(2-1-9)、滚珠丝杠(2-1-10)和支撑端轴承座(2-1-12)；滚珠丝杠(2-1-10)的两端分别与固定端轴承座(2-1-19)和支撑端轴承座(2-1-12)连接；滚珠丝杠(2-1-10)上设有螺母座(2-1-11)，螺母座(2-1-11)设有丝杠螺母；上行星齿轮减速器(2-1-5)的一端与上伺服电机(2-1-4)相连，上行星齿轮减速器(2-1-5)的另一端通过同步带(2-1-6)与丝杠螺母相连；下行星齿轮减速器(2-1-8)的一端与下伺服电机(2-1-7)相连，下行星轮减速器(2-1-8)的另一端与滚珠丝杠(2-1-10)相连；固定端轴承座(2-1-9)与底座(1)固定连接。

进一步的，滚柱直线导轨副包括导轨，导轨上设有滑块(2-1-18)和工作台用螺柱，滑块与拉伸座(2-1-2)连接；螺母座通过螺母座连接架与导轨上的工作台用螺柱相连。

进一步的，拉伸模组包括拉伸筒(2-1-13)、延伸架(2-1-14)和夹具安装座(2-1-15)；拉伸筒(2-1-13)与夹具安装座(2-1-15)相连；夹具安装座(2-1-15)设有夹具(2-1-16)，夹具(2-1-16)用于夹持试验件。

进一步的，底座(1)包括中心床身和四个周边床身；中心床身的四个侧面分别与四个周边床身相连；中心床身包括中心底座；每个周边床身包括一个上底座(1-1)和一个下底座(1-2)，上底座(1-1)与下底座(1-2)连接；四个拉伸机构分别与四个上底座连接。

进一步的，底座(1)的下部设有若干个水平调节地脚(1-3)；水平调节地脚(1-3)用于调整底座(1)的水平位置。

进一步的，每个拉伸机构还设有行程开关(2-1-19)；行程开关(2-1-19)通过螺钉设置在滚柱直线导轨副的一侧，行程开关(2-1-19)用于控制滑块(2-1-18)的安全位置。

进一步的，行程开关(2-1-19)的数量为两个，其中一个行程开关位于滑块(2-1-18)运动的起点位置，另一个行程开关位于滑块(2-1-18)运动的终点位置。

进一步的，每个拉伸机构还设有光栅尺(2-1-20)；光栅尺(2-1-20)位于滚柱直线导轨副的另一侧，光栅尺(2-1-20)用于测量夹具的位移。

一种拉伸速率大范围可调双向拉伸方法，包括以下步骤：

s1)将四个拉伸机构的四个夹具分别夹紧试验件的四个夹持边；

s2)将上位机的输入端分别与每个拉伸机构的拉压力传感器、行程开关以及光栅尺连接；将上位机的输出端分别与每个拉伸机构的两台伺服电机相连；所述两台伺服电机包括上伺服电机和下伺服电机；

s3)判断对试验件进行双向拉伸还是单向拉伸，若进行单向拉伸，则进入步骤s4)；若进行双向拉伸，则进入步骤s5)；

s4)判断沿x方向进行单向拉伸还是沿y方向进行单向拉伸，若沿x方向进行单向拉伸，则利用上位机对x方向上的两个拉伸机构的初始参数进行设置，进入步骤s6)；若沿y方向进行单向拉伸，则利用上位机对y方向上的两个拉伸机构的初始参数进行设置，进入步骤s6)；

s5)利用上位机对四个拉伸机构的初始参数进行设置，进入步骤s6)；

s6)利用上位机控制拉伸机构对试验件进行拉伸，利用拉压力传感器实时检测到试验件所受的拉力变化信息，利用光栅尺实时测量到滑块的位置变化信息，并将拉力变化信息和位置变化信息实时上传到上位机；

s7)利用行程开关实时检测滑块是否达到最短行程或最长行程，并利用行程开关控制各个拉伸机构的运动范围；

s8)利用上位机对试验件的拉力变化信息以及滑块的位置变化信息进行分析，获得试验件的单向拉伸性能或双向拉伸性能。

初始参数包括载荷以及拉伸机构的伺服电机转速；本发明不仅能够进行单向拉伸(x方向或y方向)，而且还能进行双向拉伸(x方向和y方向)，根据不同方向上的拉伸对相应的拉伸机构的伺服电机转速进行设置。本发明采用两组不同的电机减速器(上行星齿轮减速器和下行星齿轮减速器)分别驱动的方式，滚珠丝杠位于导轨下侧，螺母座通过连接架与导轨上的工作台用螺柱相连接。步骤s6)中利用上位机控制拉伸机构对试验件进行拉伸，本发明通过利用差速原理能够实现三种转速范围的拉伸，三种转速范围的拉伸包括高速率范围拉伸、中速率范围拉伸和低速率范围拉伸，当需要进行高速率范围拉伸时，每个拉伸机构的两台伺服电机以相同转向共同控制单轴进给速度，同时配合螺母旋转型滚珠丝杠副，从而实现高速率拉伸；当需要进行中速率范围拉伸时，用于驱动丝杆螺母快速进给的上伺服电机与上行星齿轮减速器单独转动，上行星齿轮减速器的输出轴(即上行星齿轮减速器的另一端)带动同步带转动，通过同步带再带动丝杠螺母从而进行中速率拉伸；当需要进行低速率范围拉伸时，每个拉伸机构的两台伺服电机以相反转向共同控制单轴进给速度，同时配合螺母旋转型滚珠丝杠副，从而实现低速率拉伸。

本发明的有益效果是：(1)四个拉伸机构围绕中心座呈“十”字形排列，结构紧凑；(2)利用差速原理，采用两台伺服电机控制单轴进给速度，配合螺母旋转型滚珠丝杠副，可实现不同范围的拉伸速率，与传统双向拉伸试验机相比，实现了拉伸速率的大范围可调；(3)低速率拉伸时，伺服电机能够在较高转速下工作，从而保证试验机低速率拉伸更加平稳，控制精度更高。

附图说明

图1为实施例一的拉伸速率大范围可调双向拉伸装置的结构示意图。

图2为实施例一的拉伸速率大范围可调双向拉伸装置的俯视图。

图3为实施例一的拉伸速率大范围可调双向拉伸装置底座主视图。

图4为实施例一的拉伸机构主视图。

图5为实施例一的拉伸机构原理图。

图6为实施例一的拉伸机构俯视图。

图7为实施例一的拉伸机构左视图。

1、底座，1-1、上底座，1-2、下底座，1-3、水平调节地脚，2-1、x正向拉伸机构，2-1-1、拉压力传感器，2-1-2、拉伸座，2-1-4、上伺服电机，2-1-5、上行星轮减速器，2-1-6、同步带，2-1-7、下伺服电机，2-1-8、下行星轮减速器，2-1-9、固定端轴承座，2-1-10、滚珠丝杠，2-1-11、螺母座，2-1-12、支撑端轴承座，2-1-13、拉伸筒，2-1-14、延伸架，2-1-15、夹具安装座，2-1-16、夹具，2-1-17、导轨，2-1-18、滑块，2-1-19、行程开关，2-1-20、光栅尺，2-1-21、限位器，2-2、y正向拉伸机构，2-3、x负向拉伸机构，2-4、y负向拉伸机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一，一种拉伸速率大范围可调双向拉伸装置，如图1及图2所示，包括底座1，底座1包括中心床身和四个周边床身；中心床身的四个侧面分别与四个周边床身相连；中心床身包括中心底座；每个周边床身包括一个上底座1-1和一个下底座1-2，上底座1-1与下底座1-2通过螺钉进行连接；四个拉伸机构分别与四个上底座连接。底座1的下部设有若干个水平调节地脚1-3；水平调节地脚1-3用于调整底座1的水平位置(见图3)。

底座1上固定设有四个拉伸机构，四个拉伸机构分别为x正向拉伸机构2-1、y正向拉伸机构2-2、x负向拉伸机构2-3和y负向拉伸机构2-4。x正向拉伸机构2-1、y正负向拉伸机构2-2、x负向拉伸机构2-3和y负向拉伸机构2-4的结构相同。每个拉伸机构包括丝杠模组、拉伸模组和滚柱直线导轨副；丝杠模组与拉伸模组相连，滚柱直线导轨副分别与拉伸模组和丝杠模组相连。

图4、图6和图7分别为本实施例一的拉伸机构的主视图、俯视图和左视图。每个拉伸机构均设有拉压力传感器2-1-1；四个拉伸机构的其中两个拉伸机构沿x方向相对设置，四个拉伸机构的另外两个拉伸机构沿y方向相对设置，四个拉伸机构在底座(1)上呈十字型排列。x正向拉伸机构2-1固定设置在位于x正向的上底座的上面，y正向拉伸机构2-2固定设置在位于y正向的上底座的上面，x负向拉伸机构2-3固定设置在位于x负向的上底座的上面，y负向拉伸机构2-4固定设置在位于y负向的上底座的上面。

滚柱直线导轨副包括导轨，导轨上设有滑块2-1-18和工作台用螺柱，螺母座通过螺母座连接架与导轨上的工作台用螺柱相连。

丝杠模组包括拉伸座2-1-2、同步带2-1-6、螺母旋转型滚珠丝杠副、下伺服电机2-1-7和下行星齿轮减速器2-1-8；滑块2-1-18与拉伸座2-1-2连接，拉伸座2-1-2固定在滑块2-1-18上。拉伸座2-1-2设有上伺服电机2-1-4和上行星齿轮减速器2-1-5；螺母旋转型滚珠丝杠副包括固定端轴承座2-1-9、滚珠丝杠2-1-10和支撑端轴承座2-1-12；滚珠丝杠2-1-10的两端分别与固定端轴承座2-1-19和支撑端轴承座2-1-12连接；滚珠丝杠2-1-10上设有螺母座2-1-11，螺母座2-1-11设有丝杠螺母；上行星齿轮减速器2-1-5的一端与上伺服电机2-1-4螺栓连接，上行星齿轮减速器2-1-5的另一端通过同步带2-1-6与丝杠螺母相连，从而实现高速率拉伸。下行星齿轮减速器2-1-8的一端与下伺服电机2-1-7相连，实现动力的传输。下行星轮减速器2-1-8的另一端与滚珠丝杠2-1-10相连，下行星轮减速器2-1-8带动滚珠丝杠2-1-10旋转，从而进行慢速率拉伸(见图5)。固定端轴承座2-1-9与底座1固定连接。

拉伸模组包括拉伸筒2-1-13、延伸架2-1-14和夹具安装座2-1-15；拉伸筒2-1-13与夹具安装座2-1-15相连；夹具安装座2-1-15设有夹具2-1-16，夹具用于夹持试验件。

每个拉伸机构还设有行程开关2-1-19；行程开关2-1-19通过螺钉设置在滚柱直线导轨副的一侧，行程开关2-1-19用于控制滑块2-1-18的安全位置。行程开关2-1-19的数量为两个，其中一个行程开关位于滑块2-1-18运动的起点位置，用于限制最短行程，以免发生撞车。另一个行程开关位于滑块2-1-18运动的终点位置，用于限制滑块的最大行程，以免滑块超出行程，损坏设备。

每个拉伸机构还设有光栅尺2-1-20；光栅尺2-1-20位于滚柱直线导轨副的另一侧，光栅尺2-1-20用于测量夹具的位移。本实施例一还设置有限位器2-1-21，限位器2-1-21用来限制拉伸机构在安全范围内运行。

一种拉伸速率大范围可调双向拉伸方法，包括以下步骤：

s1)将四个拉伸机构的四个夹具分别夹紧试验件的四个夹持边；

s2)将上位机的输入端分别与每个拉伸机构的拉压力传感器、行程开关以及光栅尺连接；将上位机的输出端分别与每个拉伸机构的两台伺服电机相连；所述两台伺服电机包括上伺服电机和下伺服电机；

s3)判断对试验件进行双向拉伸还是单向拉伸，若进行单向拉伸，则进入步骤s4)；若进行双向拉伸，则进入步骤s5)；

s4)判断沿x方向进行单向拉伸还是沿y方向进行单向拉伸，若沿x方向进行单向拉伸，则利用上位机对x方向上的两个拉伸机构的初始参数进行设置，进入步骤s6)；若沿y方向进行单向拉伸，则利用上位机对y方向上的两个拉伸机构的初始参数进行设置，进入步骤s6)；

s5)利用上位机对四个拉伸机构的初始参数进行设置，进入步骤s6)；

s6)利用上位机控制拉伸机构对试验件进行拉伸，利用拉压力传感器实时检测到试验件所受的拉力变化信息，利用光栅尺实时测量到滑块的位置变化信息，并将拉力变化信息和位置变化信息实时上传到上位机；

s7)利用行程开关实时检测滑块是否达到最短行程或最长行程，并利用行程开关控制各个拉伸机构的运动范围；

s8)利用上位机对试验件的拉力变化信息以及滑块的位置变化信息进行分析，获得试验件的单向拉伸性能或双向拉伸性能。

初始参数包括载荷以及拉伸机构的伺服电机转速。本发明采用基于西门子伺服运动控制系统，通过西门子伺服运动控制系统完成两个方向上的四轴协同运动。本发明不仅能够进行单向拉伸(x方向或y方向)，而且还能进行双向拉伸(x方向和y方向)，根据不同方向上的拉伸对相应的拉伸机构的伺服电机转速进行设置。本发明采用两组不同的电机减速器(上行星齿轮减速器和下行星齿轮减速器)分别驱动的方式，滚珠丝杠位于导轨下侧，螺母座通过螺母座连接架与导轨上的工作台用螺柱相连接。步骤s6)中利用上位机控制拉伸机构对试验件进行拉伸，本发明通过利用差速原理能够实现三种转速范围的拉伸，三种转速范围的拉伸包括3000～63000mm/min高速率范围拉伸、120～3000mm/min中速率范围拉伸和0～120mm/min低速率范围拉伸，当需要进行高速率范围拉伸时，每个拉伸机构的两台伺服电机以相同转向共同控制单轴进给速度，同时配合螺母旋转型滚珠丝杠副，从而实现高速率拉伸；当需要进行中速率范围拉伸时，用于驱动丝杆螺母快速进给的上伺服电机与上行星齿轮减速器单独转动，上行星齿轮减速器的输出轴(即上行星齿轮减速器的另一端)带动同步带转动，通过同步带再带动丝杠螺母从而进行中速率拉伸；当需要进行低速率范围拉伸时，每个拉伸机构的两台伺服电机以相反转向共同控制单轴进给速度，同时配合螺母旋转型滚珠丝杠副，从而实现低速率拉伸。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明采用基于西门子伺服运动控制系统，通过西门子伺服运动控制系统完成两个方向上的四轴协同运动。采用载荷、位移以及应变闭环控制，响应速度快，控制精度高。本发明采用的螺母旋转型滚珠丝杠副以丝杆螺母作为主动驱动，相对于传统滚珠丝杠，极大的降低了机械运动系统的转动惯量，提高了系统的极限转速，易于实现高速传动。另外，通过双伺服电机减速器带动滚珠丝杠，本发明能够实现双向拉伸速率大范围可调。本发明四轴相对独立(即四个拉伸机构相对独立)，不仅可以进行双向拉伸试验或单向拉伸试验，还可以进行单向压缩试验，即加卸载试验，为研究材料回弹提供基础，一机多用。本发明通过设置拉力传感器，从而测试十字形试件所受拉力的实时变化，结构紧凑，测量精度高，抗偏载能力强。本发明在拉伸机构的侧边安装有两个行程开关，用来控制两个行程方向，即保证滑块不会超过光栅尺的行程，又能保证不会发生撞车事故。本发明在拉伸机构的侧边安装光栅尺，光栅尺固定于上底座上，通过光栅尺实时测量前拉伸座的位置变化，分辨率高。

以上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。