專利名稱：三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種萬能試驗(yàn)機(jī)，特別涉及一種三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)。適用于對于材料和構(gòu)件的拉力、壓力、剪力、扭矩和彎矩的靜剛度測試。
本發(fā)明的萬能試驗(yàn)機(jī)，主要包括主機(jī)系統(tǒng)7和控制系統(tǒng)3。
所說的主機(jī)系統(tǒng)7主要包括主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)1、伺服電機(jī)控制器2、力傳感器4、力矩傳感器5和位移傳感器6。
所說的控制系統(tǒng)3主要包括可編程(PLC)控制器301、專用數(shù)據(jù)采集控制器302以及工控機(jī)和專用測量控制處理器303。
所說的主機(jī)系統(tǒng)7中的力傳感器4，力矩傳感器5和位移傳感器6的輸出均連接到控制系統(tǒng)3中的專用數(shù)據(jù)采集控制器302上。伺服電機(jī)控制器2的一端與可編程控制器301相連，另一端分別與置放在主機(jī)系統(tǒng)中的X、Y、Z三方向上的伺服電機(jī)相連。在控制系統(tǒng)3中，可編程控制器301與專用數(shù)據(jù)采集控制器302與工控機(jī)和專用測量控制處理器303相互連接。
如上述的結(jié)構(gòu)，由控制系統(tǒng)3中的可編程控制器301控制主機(jī)系統(tǒng)7中的伺服電機(jī)控制器2，伺服電機(jī)控制器2控制著置放在主機(jī)系統(tǒng)7中X、Y、Z三個(gè)方向上的伺服電機(jī)在三個(gè)方向上移動；同時(shí)，控制系統(tǒng)3中的專用數(shù)據(jù)采集控制器302從主機(jī)系統(tǒng)7中的力傳感器4、力矩傳感器6和位移傳感器5中獲得數(shù)據(jù)信息，再由工控機(jī)和專用測量控制處理器303進(jìn)行處理，以至給出結(jié)果。
本發(fā)明的萬能試驗(yàn)機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)比較簡單，但，它有三個(gè)自由度的移動，能夠在同一試驗(yàn)機(jī)上對被測構(gòu)件實(shí)現(xiàn)拉、壓、剪、純彎曲、扭矩等一系列的靜剛度測試。而且，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，壽命較長。
圖2是

圖1中主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)1的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2中彎扭試驗(yàn)裝置102的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是進(jìn)行拉壓測試時(shí)，置放被測構(gòu)件103的示意圖。
圖5是進(jìn)行剪力測試時(shí)，置放被測構(gòu)件103的示意圖。
圖6是進(jìn)行扭矩測試時(shí)，置放被測構(gòu)件103的示意圖。
圖7是進(jìn)行彎矩測試時(shí)，置放被測構(gòu)件103的示意圖。
圖1是本發(fā)明萬能試驗(yàn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。主要包含主機(jī)系統(tǒng)7和控制系統(tǒng)3兩大系統(tǒng)。主機(jī)系統(tǒng)7包含主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)1、伺服電機(jī)控制器2、力傳感器4、力矩傳感器5和位移傳感器6?？刂葡到y(tǒng)3包含可編程控制器301、專用數(shù)據(jù)采集控制器302和工控機(jī)和專用測量控制處理器303。
主機(jī)系統(tǒng)7中力傳感器4、力矩傳感器5和位移傳感器6的輸出均連接到控制系統(tǒng)3中的專用數(shù)據(jù)采集控制器302上。伺服電機(jī)控制器2一端與可編程控制器301相連，另一端分別連接到置放在主機(jī)系統(tǒng)7的X、Y、Z三方向上的伺服電機(jī)上?？删幊炭刂破?01與專用數(shù)據(jù)采集控制器302相連。專用數(shù)據(jù)采集控制器302與工控機(jī)和專用測量控制處理器303相連。
所說的專用數(shù)據(jù)采集控制器302上，含有2個(gè)力傳感器通道，3個(gè)數(shù)字位移編碼器通道，1個(gè)角位移傳感器通道，8個(gè)線位移傳感器通道等。在本實(shí)施例中，專用數(shù)據(jù)采集控制器302是采用了高精度模擬放大器和高速A/D芯片。以達(dá)到高速高精度采樣的目的。測量過程的操作是在Windows的環(huán)境下進(jìn)行的。這樣有利于方便地掌握控制系統(tǒng)和測試過程的操作。
控制系統(tǒng)3在測量過程中的力加載控制包括等速加載和程控步加載。其中，等速加載是根據(jù)測試要求，設(shè)定好位移速度，停止條件等測試參數(shù)，運(yùn)行中滿足停止條件時(shí)，即停止測試。
程控步加載共有六步，每步可設(shè)加載速度，停止條件(如時(shí)間、拉力值、壓力值、彎矩值、扭矩值等，以及轉(zhuǎn)下一步的條件等)。
在測試過程中，過程量以拉力、壓力、彎矩、扭矩為縱坐標(biāo)，被測構(gòu)件變形(線位移、角位移)為橫坐標(biāo)，實(shí)時(shí)顯示加載曲線。并可將數(shù)據(jù)保存、分析處理和打印(可選報(bào)表打印、曲線打印或報(bào)表曲線打印)。
在測量過程中，每一個(gè)采集的量均可手動或自動清零，實(shí)時(shí)數(shù)值和峰值數(shù)的顯示。上述的每個(gè)通道均能單獨(dú)多點(diǎn)標(biāo)定，同時(shí)，標(biāo)定數(shù)據(jù)可另行備份。當(dāng)測試數(shù)據(jù)輸入后，可分別保存，下一次測試時(shí)，可隨時(shí)提取，修改，以減少重復(fù)性的輸入工作。
圖2給出圖1中的主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)1的具體結(jié)構(gòu)。主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)1包含主機(jī)架101、彎扭試驗(yàn)裝置102、聯(lián)接裝置104、加載頭105和控制盒106。
所說的主機(jī)架101包含左右兩個(gè)立柱1012，在左右兩個(gè)立柱1012之間的頂端有上橫梁1011，在兩個(gè)立柱1012之間的底端有底座1017。在底座1017上置有機(jī)架水平移動裝置1015和驅(qū)動裝置1016，在機(jī)架水平移動裝置1015的表面是試驗(yàn)平臺1014。在兩立柱1012之間和上橫梁1011與試驗(yàn)平臺1014之間置有力加載移動橫梁1013。所說的加載頭105置于力加載移動橫梁1015上。加載頭105含有置于力加載移動橫梁1013內(nèi)的導(dǎo)向塊1051。所說的力傳感器4固定在導(dǎo)向塊1051上。所說的彎扭試驗(yàn)裝置102和聯(lián)接裝置104置于試驗(yàn)平臺1014上。被測構(gòu)件103接于彎扭試驗(yàn)裝置102與聯(lián)接裝置104之間，或者接于聯(lián)接裝置104與加載頭105之間。所說的位移傳感器6置放在被測構(gòu)件103與聯(lián)接裝置104之間。彎扭試驗(yàn)裝置102與加載頭105上的力傳感器4相連接。
所說的左右兩立柱1012內(nèi)有導(dǎo)向立柱和能夠供力加載移動橫梁1013移動的滾珠絲桿。力加載移動橫梁1013在驅(qū)動裝置1016的驅(qū)動下，在滾珠絲桿上上下移動，為測試提供加載力。
所說的機(jī)架水平移動裝置1015內(nèi)有供主機(jī)架101水平方向上前后移動的滾珠絲桿和導(dǎo)軌。在驅(qū)動裝置1016的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)主機(jī)架101的水平方向上的前后移動。
所說的力加載移動橫梁1013內(nèi)有導(dǎo)軌、滾珠絲桿和伺服電機(jī)。加載頭105上的導(dǎo)向塊1051帶著力傳感器4在伺服電機(jī)的驅(qū)動下，在力加載移動橫梁1013上左右移動。配合上述的主機(jī)架前后移動，能夠很方便地將力傳感器4定位在試驗(yàn)平臺1014上的任意一點(diǎn)上。
所說的試驗(yàn)平臺1014為一鑄鐵平臺，在試驗(yàn)平臺1014上開有縱向相互平行的T形槽。可以方便地通過聯(lián)接裝置104將被測構(gòu)件103固定在試驗(yàn)平臺1014上。
所說的控制力加載移動橫梁1013的移動可以自動控制和手動操作。因?yàn)樵谥鳈C(jī)系統(tǒng)的X、Y、Z的方向上都置有伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過伺服電機(jī)控制器2與控制系統(tǒng)中的可編程(PLC)控制器301相連。因此，力加載移動橫梁1013的定位，在可編程控制器301上輸入需要移動的X、Y值，力加載移動橫梁1013就會自動移動到所指定的位置上。
手動操作系統(tǒng)主要是用置于立柱1012上的控制盒106。通常用于測試前機(jī)器的定位，被測構(gòu)件103的裝夾等。或者用手動控制力加載移動橫梁1013帶動力傳感器4前后、左右移動到所需要的測試位置。
本發(fā)明的萬能試驗(yàn)機(jī)含有安全保護(hù)措施。分為主機(jī)系統(tǒng)7上的機(jī)械電氣保護(hù)和控制系統(tǒng)3上的控制力過載保護(hù)。對于機(jī)械電氣保護(hù)，在所有的移動部分，包括主機(jī)架101在試驗(yàn)平臺1014上水平方向上前后的移動，力加載位移橫梁1013的上下移動，加載頭105在力加載位移橫梁1013上的左右移動等X、Y、Z方向上均裝有電氣限位保護(hù)裝置。當(dāng)其移動到極限位置時(shí)，限位裝置就起作用，切斷電源。
所有的電器、電機(jī)均有過壓、過流、短路和過載保護(hù)措施。當(dāng)測試過程中，遇到突然停電時(shí)，因所有的傳動機(jī)構(gòu)是由滾珠絲桿和渦輪渦桿減速器構(gòu)成，本身具有一定的自鎖性能。故機(jī)器被鎖定在當(dāng)前的位置上，待供電恢復(fù)后，才能正常移動。保證了測試的安全。
力過載保護(hù)是根據(jù)設(shè)定的過載量(一般為最大測試力或扭矩的3％～5％)。當(dāng)力加載到力加載移動橫梁1013上，使其移動時(shí)(不論是自動加載狀態(tài)，還是在手動移動狀態(tài))，一旦力傳感器輸出的力值達(dá)到設(shè)定的過載量，伺服驅(qū)動系統(tǒng)將停止加載，保護(hù)了被測構(gòu)件和試驗(yàn)機(jī)。
圖3是彎扭試驗(yàn)裝置102的結(jié)構(gòu)示意圖。彎扭試驗(yàn)裝置102主要含有齒條1021、齒輪1022、支承座1023、彈性聯(lián)軸器1024和連接法蘭1025。所說的力矩傳感器5置于彈性聯(lián)軸器1024與連接法蘭1025之間。當(dāng)被測構(gòu)件103接于彎扭試驗(yàn)裝置102與聯(lián)接裝置104之間時(shí)，即被測構(gòu)件103通過連接法蘭1025與彎扭試驗(yàn)裝置102連接。將力加載移動橫梁1013做上下的直線移動，經(jīng)過齒條1021和齒輪1022轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，從而，在齒輪軸上輸出力矩。由于齒輪軸的兩端支承在支承座1023的軸承上，施加在齒輪軸上的徑向力通過軸承傳遞至支承座上，因此，在齒輪軸輸出端只有扭矩。
圖4是做拉壓測試時(shí)，被測構(gòu)件103置入的位置狀態(tài)。在進(jìn)行拉壓測試時(shí)，在主機(jī)系統(tǒng)上，首先要根據(jù)被測構(gòu)件103的形狀、尺寸、大小，選用合適的夾具，將其固定在試驗(yàn)平臺上，并確定加載中心的位置和加載方式；然后根據(jù)加載中心的位置，移動主機(jī)架和加載頭到加載中心；再根據(jù)加載的方式，如拉壓測試，選用合適的夾具，使被測構(gòu)件的加載面與加載頭上的力傳感器接口相連；再根據(jù)試驗(yàn)要求和線位移檢測的位置，將位移傳感器6安裝在被測構(gòu)件103與聯(lián)接裝置104之間。
在控制系統(tǒng)上，在可編程控制器內(nèi)設(shè)定好試驗(yàn)速度，再將各力值、位移值清零，點(diǎn)擊啟動按鈕后，系統(tǒng)以設(shè)定速度運(yùn)行并實(shí)時(shí)顯示出力和位移的數(shù)值。
當(dāng)加載到設(shè)定的保持載荷時(shí)，驅(qū)動停止。系統(tǒng)以機(jī)械剛性保持載荷不變。在1小時(shí)內(nèi)，載荷的變動量應(yīng)≤±0.2％。到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，可編程控制器301通過伺服電機(jī)控制器2驅(qū)動伺服電機(jī)重新運(yùn)行按程序加載。
圖5是做剪力測試時(shí)，被測構(gòu)件103置放的狀態(tài)。測試的過程同上述的拉壓測試。
圖6是做扭矩測試時(shí)，被測構(gòu)件103置放的狀態(tài)。
被測構(gòu)件103的裝夾和力的加載與上述拉壓測試相似。但在加載頭105的力傳感器4與被測構(gòu)件103之間連接有彎扭試驗(yàn)裝置102。被測構(gòu)件103是被連接在彎扭試驗(yàn)裝置102上的力矩傳感器5前的連接法蘭1025上。當(dāng)力加載移動橫梁1013上下移動拉壓時(shí)，加載力經(jīng)彎扭試驗(yàn)裝置102上的齒條102和齒輪1022轉(zhuǎn)換為扭矩。
當(dāng)被測構(gòu)件103與連接法蘭1025的連接位置不同時(shí)，被測構(gòu)件103受的力矩為彎矩或者扭矩。圖6中是被測構(gòu)件103的一端部與連接法蘭1025連接，連接法蘭1025的另一端固定在力矩傳感器5上。
扭矩值由力矩傳感器測量。
角位移的測量，一般情況下可以采用位移(角位移)傳感器直接測量角位移。
當(dāng)有特殊要求不能采用角位移傳感器測量時(shí)，可以采用兩個(gè)線位移傳感器在一個(gè)恒定的間距上測量轉(zhuǎn)動平面上的變形，經(jīng)工控機(jī)和專用測量控制處理器303的換算，可以獲得角位移。
圖7是做彎矩測試時(shí)，被測構(gòu)件103置放的狀態(tài)。與上述做扭矩測試相同，只是彎扭試驗(yàn)裝置102與做扭矩測試的位置旋轉(zhuǎn)90。后與被測構(gòu)件103裝夾。而且被測構(gòu)件103為桿狀，連接法蘭1025與被測構(gòu)件103長度方向的某點(diǎn)連接，被測構(gòu)件103的另一端固定。則被測構(gòu)件103受彎矩。
權(quán)利要求
1.一種三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，主要包括主機(jī)系統(tǒng)(7)和控制系統(tǒng)(3)，主機(jī)系統(tǒng)(7)中包括主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)(1)和力傳感器(4)，其特征在于主機(jī)系統(tǒng)(7)中還包括伺服電機(jī)控制器(2)，力矩傳感器(5)和位移傳感器(6)；控制系統(tǒng)(3)主要包括可編程控制器(301)，專用數(shù)據(jù)采集控制器(302)以及工控機(jī)和專用測量控制處理器(303)；所說的主機(jī)系統(tǒng)(7)中力傳感器(4)、力矩傳感器(5)和位移傳感器(6)的輸出均連接到控制系統(tǒng)(3)中的專用數(shù)據(jù)采集控制器(302)上，伺服電機(jī)控制器(2)的一端與可編程控制器(301)相連，另一端分別與置放在主機(jī)系統(tǒng)(7)中X、Y、Z三方向上的伺服電機(jī)相連，在控制系統(tǒng)(3)中，可編程控制器(301)與專用數(shù)據(jù)采集控制器(302)與工控機(jī)和專用測量控制處理器(303)相互相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的控制系統(tǒng)(3)中的專用數(shù)據(jù)采集控制器(302)上含有2個(gè)力傳感器通道，3個(gè)數(shù)字位移編碼器通道，1個(gè)角位移傳感器通道和8個(gè)線位移傳感器通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的主機(jī)系統(tǒng)(7)中的主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)(1)包括主機(jī)架(101)、彎扭試驗(yàn)裝置(102)、聯(lián)接裝置(104)、加載頭(105)和控制盒(106)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的主機(jī)架(101)包含左右兩個(gè)立柱(1012)，在左右兩個(gè)立柱(1012)之間的頂端有上橫梁(1011)，在兩個(gè)立柱(1012)之間的底端有底座(1017)，在底座(1017)上置有機(jī)架水平移動裝置(1015)和驅(qū)動裝置(1016)，在機(jī)架水平移動裝置(1015)的表面是試驗(yàn)平臺(1014)，在兩立柱(1012)之間和上橫梁(1011)與試驗(yàn)平臺(1014)之間置有力加載移動橫梁(1013)，所說的力載頭(105)置于力加載移動橫梁(1013)上；所說的彎扭試驗(yàn)裝置(102)和聯(lián)接裝置(104)置于試驗(yàn)平臺(1014)上；被測構(gòu)件(103)接于彎扭試驗(yàn)裝置(102)與聯(lián)接裝置(104)之間，或者被測構(gòu)件(103)接于聯(lián)接裝置(104)與加載頭(105)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的彎扭試驗(yàn)裝置(102)主要含有齒條(1021)、齒輪(1022)、支承座(1023)、彈性聯(lián)軸器(1024)和連接法蘭(1025)；所說的力矩傳感器(5)置于彈性聯(lián)軸器(1024)與連接法蘭(1025)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的加載頭(105)含有導(dǎo)向塊(1051)，所說的力傳感器(4)固定在導(dǎo)向塊(1051)上，導(dǎo)向塊(1051)置于力加載移動橫梁(1013)內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的兩個(gè)立柱(1012)內(nèi)有導(dǎo)向立柱和滾珠絲桿。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的機(jī)架水平移動裝置(1015)內(nèi)有滾珠絲桿和導(dǎo)軌。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的力加載移動橫梁(1013)內(nèi)有導(dǎo)軌、滾珠絲桿和伺服電機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所說的主機(jī)架(101)在試驗(yàn)平臺(1014)上的前后移動，力加載位移橫梁(1013)的上下移動以及加載頭(105)在力加載位移橫梁(1013)上的左右移動的X、Y、Z方向上均裝有電氣限位裝置。
全文摘要
一種三自由度微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，主要包括主機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中的可編程控制器通過伺服電機(jī)控制器控制置放在主機(jī)系統(tǒng)中X、Y、Z三方向上的伺服電機(jī)。主機(jī)系統(tǒng)中的力傳感器、力矩傳感器和位移傳感器的輸出均連接到控制系統(tǒng)中的專用數(shù)據(jù)采集控制器上。主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)含有彎扭試驗(yàn)裝置和能夠在上下、左右、前后移動的加載頭。采用本發(fā)明的萬能試驗(yàn)機(jī)、不僅能夠測量被測構(gòu)件的拉力、壓力、剪力，同時(shí)還能測量扭矩、彎矩及角位移等一系列的靜剛度值。本發(fā)明的萬能試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，穩(wěn)定可靠，壽命長。
文檔編號G01N3/00GK1462871SQ0312951
公開日2003年12月24日 申請日期2003年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者陳干, 葉峰 申請人:上海申聯(lián)試驗(yàn)機(jī)廠