一种高低温可调的双向拉伸装置

本实用新型属于金属材料力学性能实验技术领域，具体涉及一种高低温可调的双向拉伸装置。

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，且由于冷轧板有明显的各向异性，导致这种差别更加明显。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，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，目前成为该领域的研究热点。从我国工业化的进程看，双向加载试验机的需求将会越来越强烈。

然而，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。另外，温度是材料加工成型过程的重要影响因素，如何灵活实现对被拉伸试件温度的调节，也是目前需要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种高低温可调的双向拉伸装置，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种高低温可调的双向拉伸装置，包括：环境箱(1)、底座(2)、x正向拉伸机构(3-1)、x负向拉伸机构(3-2)、y正向拉伸机构(3-3)和y负向拉伸机构(3-4)；

所述底座(2)包括中心床身、x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身和y负向周边床身；其中，所述中心床身包括中心底座(2-1)和中间围板(2-2)；所述中间围板(2-2)包围设置在所述中心底座(2-1)的外部；所述x正向周边床身穿过所述中间围板(2-2)后与所述中心底座(2-1)的前边固定；所述x负向周边床身穿过所述中间围板(2-2)后与所述中心底座(2-1)的后边固定；所述y正向周边床身穿过所述中间围板(2-2)后与所述中心底座(2-1)的右边固定；所述y负向周边床身穿过所述中间围板(2-2)后与所述中心底座(2-1)的左边固定；所述x正向周边床身、所述x负向周边床身、所述y正向周边床身和所述y负向周边床身呈十字形排列；所述x正向周边床身、所述x负向周边床身、所述y正向周边床身和所述y负向周边床身的结构均相同，包括：上底座(2-3)和下底座(2-4)，所述上底座(2-3)与所述下底座(2-4)通过螺钉连接；

所述x正向拉伸机构(3-1)固定在所述x正向周边床身的上面；所述x负向拉伸机构(3-2)固定在所述x负向周边床身的上面；所述y正向拉伸机构(3-3)固定在所述y正向周边床身的上面；所述y负向拉伸机构(3-4)固定在所述y负向周边床身的上面；

所述环境箱(1)固定在所述中心底座(2-1)的上面；所述环境箱(1)四面开有圆孔，所述x正向拉伸机构(3-1)的拉伸筒的端部、所述x负向拉伸机构(3-2)的拉伸筒的端部、所述y正向拉伸机构(3-3)的拉伸筒的端部和所述y负向拉伸机构(3-4)的拉伸筒的端部各密封穿过所述环境箱(1)一面的圆孔而延伸到所述环境箱(1)的内部；被测试件位于所述环境箱(1)的内部；所述环境箱(1)为高低温可调的环境箱。

优选的，所述环境箱(1)内置冷风管和热风管。

优选的，所述底座(2)还包括水平调节地脚(2-5)；

所述x正向周边床身、所述x负向周边床身、所述y正向周边床身和所述y负向周边床身的底部各安装一个所述水平调节地脚(2-5)。

优选的，所述x正向拉伸机构(3-1)、所述x负向拉伸机构(3-2)、所述y正向拉伸机构(3-3)和所述y负向拉伸机构(3-4)的结构相同。

优选的，所述x正向拉伸机构(3-1)包括x正向丝杠模组、x正向拉伸模组和x正向滚柱直线导轨副；

其中，所述x正向丝杠模组包括：螺母座连接架(3-1-4)、伺服电机(3-1-5)、行星轮减速器(3-1-6)、支撑端轴承座(3-1-7)、固定端轴承座(3-1-8)、滚珠丝杠(3-1-9)和螺母座(3-1-10)；

在所述x正向周边床身上面固定安装底板(3-1-16)；所述固定端轴承座(3-1-8)和所述支撑端轴承座(3-1-7)相对设置，并均固定在所述底板(3-1-16)上面；所述滚珠丝杠(3-1-9)的一端装配到所述固定端轴承座(3-1-8)，所述滚珠丝杠(3-1-9)的另一端装配到所述支撑端轴承座(3-1-7)，通过所述固定端轴承座(3-1-8)和所述支撑端轴承座(3-1-7)，支撑所述滚珠丝杠(3-1-9)；

所述伺服电机(3-1-5)与所述行星轮减速器(3-1-6)的一端相连，所述行星轮减速器(3-1-6)的另一端通过键与所述滚珠丝杠(3-1-9)相连接，所述伺服电机(3-1-5)输出动力经所述行星轮减速器(3-1-6)减速后，驱动所述滚珠丝杠(3-1-9)进行旋转运动；所述滚珠丝杠(3-1-9)上面装配所述螺母座(3-1-10)；所述螺母座(3-1-10)的上面固定装配所述螺母座连接架(3-1-4)；

所述x正向拉伸模组包括前拉伸座(3-1-1)、拉压力传感器(3-1-2)、后拉伸座(3-1-3)、拉伸筒(3-1-11)、夹具安装座(3-1-12)和夹具(3-1-13)；所述后拉伸座(3-1-3)和所述前拉伸座(3-1-1)之间安装所述拉压力传感器(3-1-2)；所述后拉伸座(3-1-3)与所述螺母座连接架(3-1-4)固定；所述拉伸筒(3-1-11)的一端与所述前拉伸座(3-1-1)固定；所述拉伸筒(3-1-11)的另一端通过所述夹具安装座(3-1-12)装配所述夹具(3-1-13)；

所述x正向滚柱直线导轨副包括：上银导轨(3-1-14)、第一上银滑块(3-1-15)和第二上银滑块(3-1-20)；所述上银导轨(3-1-14)固定安装于所述螺母座连接架(3-1-4)上面；所述第一上银滑块(3-1-15)和所述第二上银滑块(3-1-20)均与所述上银导轨(3-1-14)滑动连接；所述前拉伸座(3-1-1)的底面与所述第一上银滑块(3-1-15)固定；所述后拉伸座(3-1-3)的底面与所述第二上银滑块(3-1-20)固定。

优选的，所述支撑端轴承座(3-1-7)与减速器座(3-1-17)相连。

优选的，还包括行程开关(3-1-18)；

所述行程开关(3-1-18)通过螺钉安装在所述x正向滚柱直线导轨副的侧边，用于控制所述第一上银滑块(3-1-15)和所述第二上银滑块(3-1-20)的安全位置。

优选的，所述行程开关(3-1-18)的设置数量为两个，分别安装于滑块运动的起点位置和终点位置。

优选的，还包括光栅尺(3-1-19)；

所述光栅尺(3-1-19)位于所述x正向滚柱直线导轨副的侧边，用于测量夹具的位移。

本实用新型提供的一种高低温可调的双向拉伸装置具有以下优点：

本实用新型提供的一种高低温可调的双向拉伸装置，能够完成在配备加热装置的条件下，基于交流伺服电机的高精度控制进行正交双轴的变比例/变应变率双向拉伸试验，也可进行单向拉伸、压缩试验，尤其实现了双向拉伸时的温度调节，实现对被拉伸试件性能的全面控制，进而得到精确的被试验试件的双向拉伸性能。

附图说明

图1为本实用新型提供的高低温可调的双向拉伸装置的立体结构示意图；

图2为本实用新型提供的高低温可调的双向拉伸装置的透视结构示意图；

图3为本实用新型提供的高低温可调的双向拉伸装置俯视图；

图4为本实用新型提供的高低温可调的双向拉伸装置底座主视图；

图5为本实用新型提供的拉伸机构主视图；

图6为本实用新型提供的丝杠模组俯视图；

图7为本实用新型提供的丝杠模组左视图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、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，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种高低温可调的双向拉伸装置，能够完成在配备加热装置的条件下，基于交流伺服电机的高精度控制进行正交双轴的变比例/变应变率双向拉伸试验，也可进行单向拉伸、压缩试验，尤其实现了双向拉伸时的温度调节，实现对被拉伸试件性能的全面控制，进而得到精确的被试验试件的双向拉伸性能。

本实用新型提供一种高低温可调的双向拉伸装置，结合图1和图2，包括环境箱1、底座2、x正向拉伸机构3-1、x负向拉伸机构3-2、y正向拉伸机构3-3和y负向拉伸机构3-4；

4个拉伸机构固定在下底座上部，且成十字形圆周排列。本实用新型可以进行正交双轴的变比例/变应变率双向拉伸试验，也可进行单向拉伸、压缩试验；环境箱内配备温度调节装置，可实现高低温可调的双拉实验；具有载荷控制、位移控制以及应变控制等功能。

下面分别对底座和拉伸机构进行详细介绍：

(一)底座与环境箱

结合图1和图2，为本实用新型提供的高低温可调的双向拉伸装置的立体结构示意图，底座2包括中心床身、x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身和y负向周边床身；环境箱1固定在中心床身上。

结合图2，中心床身包括中心底座2-1与中间围板2-2；中间围板2-2包围设置在中心底座2-1的外部；x正向周边床身穿过中间围板2-2后与中心底座2-1的前边固定；x负向周边床身穿过中间围板2-2后与中心底座2-1的后边固定；y正向周边床身穿过中间围板2-2后与中心底座2-1的右边固定；y负向周边床身穿过中间围板2-2后与中心底座2-1的左边固定；x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身和y负向周边床身呈十字形排列；x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身和y负向周边床身的结构均相同，包括：上底座2-3和下底座2-4，上底座2-3与下底座2-4通过螺钉连接；

底座2还包括水平调节地脚2-5；水平调节地脚2-5分别安装在x正向周边床身、x负向周边床身、y正向周边床身、y负向周边床身的底部，用于调整底座2的水平度。

环境箱1固定在中心底座2-1的上面；环境箱1四面开有圆孔，x正向拉伸机构3-1的拉伸筒的端部、x负向拉伸机构3-2的拉伸筒的端部、y正向拉伸机构3-3的拉伸筒的端部和y负向拉伸机构3-4的拉伸筒的端部各密封穿过环境箱1一面的圆孔而延伸到环境箱1的内部，因此，允许拉伸筒在环境箱内沿所在轴水平运动，保证环境箱相对密闭。被测试件位于环境箱1的内部；环境箱1为高低温可调的环境箱。

环境箱1内置冷风管和热风管，环境箱1内闭相对密闭。可灵活调节环境箱内的温度。

(二)拉伸机构

x正向拉伸机构3-1、x负向拉伸机构3-2、y正向拉伸机构3-3和y负向拉伸机构3-4呈十字形排列固定在底座上。

其中，x正向拉伸机构3-1固定在x正向周边床身的上面；x负向拉伸机构3-2固定在x负向周边床身的上面；y正向拉伸机构3-3固定在y正向周边床身的上面；y负向拉伸机构3-4固定在y负向周边床身的上面；

具体的，x正向拉伸机构3-1固定在x正向上底座的上面；x负向拉伸机构3-2固定在x负向上底座的上面；y正向拉伸机构3-3固定在y正向上底座的上面；y负向拉伸机构3-4固定在y负向上底座的上面。

x正向拉伸机构3-1、x负向拉伸机构3-2、y正向拉伸机构3-3和y负向拉伸机构3-4的结构相同。下面仅以x正向拉伸机构为例进行介绍：

结合图5，为本实用新型拉伸机构主视图，包括x正向丝杠模组、x正向拉伸模组和x正向滚柱直线导轨副；

(2.1)x正向丝杠模组：

结合图6，为本实用新型x正向拉伸机构3-1中的x正向丝杠模组俯视图，x正向丝杠模组包括：螺母座连接架3-1-4、伺服电机3-1-5、行星轮减速器3-1-6、支撑端轴承座3-1-7、固定端轴承座3-1-8、滚珠丝杠3-1-9和螺母座3-1-10；

在x正向周边床身上面固定安装底板3-1-16；固定端轴承座3-1-8和支撑端轴承座3-1-7相对设置，并均固定在底板3-1-16上面；滚珠丝杠3-1-9的一端装配到固定端轴承座3-1-8，滚珠丝杠3-1-9的另一端装配到支撑端轴承座3-1-7，通过固定端轴承座3-1-8和支撑端轴承座3-1-7，支撑滚珠丝杠3-1-9；

伺服电机3-1-5与行星轮减速器3-1-6的一端相连，行星轮减速器3-1-6的另一端通过键与滚珠丝杠3-1-9相连接，伺服电机3-1-5输出动力经行星轮减速器3-1-6减速后，驱动滚珠丝杠3-1-9进行旋转运动；滚珠丝杠3-1-9上面装配螺母座3-1-10；螺母座3-1-10的上面固定装配螺母座连接架3-1-4；

实际应用中，伺服电机3-1-5通过螺栓与行星轮减速器3-1-6的一端相连，实现减速功能；行星轮减速器3-1-6的另一端通过键与滚珠丝杠3-1-9相连接，实现动力的传输；支撑端轴承座3-1-7固定在底板3-1-16上，并通过螺钉与减速器座3-1-17相连；固定端轴承座3-1-8固定在底板3-1-16上，滚珠丝杠3-1-9的端面装配到支撑端轴承座3-1-7，通过支撑端轴承座3-1-7支撑滚珠丝杠3-1-9；螺母座3-1-10装配到滚珠丝杠3-1-9上，并通过螺母连接架3-1-4与滚柱直线导轨副相连。

(2.2)x正向拉伸模组：

结合图5，x正向拉伸模组包括前拉伸座3-1-1、拉压力传感器3-1-2、后拉伸座3-1-3、拉伸筒3-1-11、夹具安装座3-1-12和夹具3-1-13；后拉伸座3-1-3和前拉伸座3-1-1之间安装拉压力传感器3-1-2；后拉伸座3-1-3通过螺钉等方式与螺母座连接架3-1-4固定，因此，可通过滚珠丝杠3-1-9带动后拉伸座3-1-3在x正向滚柱直线导轨副上沿x方向运动；拉伸筒3-1-11的一端与前拉伸座3-1-1固定；拉伸筒3-1-11的另一端通过夹具安装座3-1-12装配夹具3-1-13；其中，拉伸筒3-1-11通过螺钉与夹具安装座3-1-12相连。拉伸筒3-1-11通过螺钉螺钉与前拉伸座3-1-1相连，通过前拉伸座3-1-1带动拉伸筒3-1-11在x方向运动。

(2.3)x正向滚柱直线导轨副：

结合图5和图6，x正向滚柱直线导轨副包括：上银导轨3-1-14、第一上银滑块3-1-15和第二上银滑块3-1-20；上银导轨3-1-14固定安装于螺母座连接架3-1-4上面；第一上银滑块3-1-15和第二上银滑块3-1-20均与上银导轨3-1-14滑动连接；前拉伸座3-1-1的底面与第一上银滑块3-1-15固定；后拉伸座3-1-3的底面与第二上银滑块3-1-20固定。

另外，本实用新型中，还包括行程开关3-1-18；

行程开关3-1-18通过螺钉安装在x正向滚柱直线导轨副的侧边，用于控制第一上银滑块3-1-15和第二上银滑块3-1-20的安全位置。

具体实现上，行程开关3-1-18的设置数量为两个，分别安装于滑块运动的起点位置和终点位置。一个行程开关，用于限制滑块的行程，以免超出行程，损坏设备，另一个行程开关用于限制最短行程，以免发生撞车。

本实用新型还包括光栅尺3-1-19；

光栅尺3-1-19位于x正向滚柱直线导轨副的侧边，用于测量夹具的位移。

本实用新型提供的拉伸机构的特点如下：

(1)基于伺服运动控制系统完成两个方向上的四轴协同运动。载荷、位移、应变闭环控制，响应速度快，控制精度高。

(2)行星轮减速器作为减速装置，相对于斜齿轮减速器、蜗轮蜗杆传感器等其他减速器，行星轮减速器具有高刚度、高精度、高传动效率、高的扭矩/体积比等特点。

(3)采用重载型滚珠丝杠(或行星滚珠丝杠)与滚动直线导轨副结构，重复定位精度高、刚度好，实验人员工作环境安静、清洁。

(4)四轴相对独立，不仅可以进行双向拉伸试验、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。

(5)设有拉压力传感器，可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。

(6)在拉伸机构的侧边安装有两个行程开关，用来控制两个方向，既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。

(7)在拉伸机构的侧边安装光栅尺，光栅尺固定于上底座上，其作用是实时测量前拉伸座的位置变化，分辨率高。

本实用新型还提供一种应用上述的高低温可调的双向拉伸装置的高低温可调的双向拉伸方法，包括以下步骤：

步骤s1，将被试验试件放置于环境箱1的内腔；使x正向拉伸机构3-1的夹具、x负向拉伸机构3-2的夹具、y正向拉伸机构3-3的夹具、y负向拉伸机构3-4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拉伸机构的拉压力传感器3-1-2、行程开关3-1-18、光栅尺以及环境箱控制系统连接；上位机的输出端分别与各个拉伸机构的伺服电机3-1-5连接；

步骤s3，在上位机界面设置初始参数，包括：载荷、各个拉伸机构的伺服电机转速和环境箱温度；

步骤s4，上位机按初始参数，通过环境箱控制系统控制环境箱1内的温度变化，使环境箱1内温度满足本次试验温度，同时，上位机驱动各个拉伸机构的伺服电机3-1-5动作，在伺服电机3-1-5的驱动下，对被试验试件进行双向拉伸，即：同时向x正向、x负向、y正向、y负向拉伸被试验试件；具体的，伺服电机动作时，伺服电机与行星轮减速器相连，滚珠丝杠与行星轮减速器通过键连接完成动力传输带动滚珠丝杠运动，x正向滚柱直线导轨副通过螺母连接架与滚珠丝杠相连，前拉伸座与后拉伸座均与x正向滚柱直线导轨副相连，实现拉伸筒的运动；通过以上操作可对试件进行双向同步等比列拉伸，即：同时向x正向、x负向、y正向、y负向拉伸试件，除此之外还可实现试件的双轴变比例拉伸以及单拉试件的原位同步拉伸；

并且，在对被试验试件进行双向拉伸的过程中，各个拉伸机构的拉压力传感器3-1-2实时检测到被试验试件所受拉力的变化信息，并实时将被试验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，在对被试验试件进行双向拉伸的过程中，各个拉伸机构的光栅尺3-1-19实时测量到夹具的位置变化信息，并实时将夹具的位置变化信息上传到上位机，由上位机进行保存；

另外，在对被试验试件进行双向拉伸的过程中，两个行程开关3-1-18实时检测夹具是否达到最短行程和最长行程，进而控制各个拉伸机构的运动范围，保证试验安全性；

步骤s5，上位机通过关联分析被试验试件所受拉力的变化信息、环境温内温度信息以及夹具的位置变化信息，得到被试验试件的双向拉伸性能。

综上所述，本实用新型提供的高低温可调的双向拉伸装置及方法，具有以下优点：

(1)4组拉伸机构围绕中心座呈“十”字形排列，上下底座通过螺栓与中心底座连接，拆卸、安装方便。底座均为焊接形式，强度高、刚度大。

(2)整机为独立四轴结构，各轴均由独立的伺服电机驱动。不仅可实现十字试件的双轴同步等比例拉伸，也可实现十字试件的双轴变比例拉伸以及单拉试件的原位同步拉伸。

(3)各轴均采用双导轨对称布置，每根导轨上有2个滚珠滑块，共4个滑块承受倾覆力矩，以保证试验过程整机的高刚度高精度。

(4)拉伸筒为圆柱形，刚度高并利于密封。

(5)夹头拆卸方便灵活，可根据试件材质、形状的不同而进行更换。

(6)配有高低温环境箱，可根据试验要求灵活调节环境箱内温度，温度的升降速度灵活可调。环境箱配有除霜系统，可保证低温环境下，箱体壁面不结霜。

(7)各轴均有零点、正限位及负限位行程开关，试验结束时夹头自动回复原位。

(8)采用高精度拉压力传感器(数据采集精度可达0.03％)，保证拉力的测量精度。

(9)使用高精度绝对值光栅尺实现闭环控制，保证夹头力、位移的精确控制。

(10)可实现力、位移数据的采集处理及显示与存储功能。

(11)可实现力、位移两种控制方式。

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