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微型寬頻拉-扭材料疲勞試驗機

成果與項目的背景及主要用途：目前，多軸拉扭疲勞試驗機多采用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)，液壓疲勞試驗機主要存在以下幾個問題： 1、液壓系統(tǒng)的量程較大，無法滿足小型試件的精密試驗； 2、動態(tài)響應速度慢，無法進行高頻疲勞試驗； 3、功率大，試驗過程中產(chǎn)生較多熱量，試驗機進行高周疲勞試驗時會有散熱問題。因此，液壓試驗機無法滿足微電子材料、高分子材料等各種新型材料的力學性能測試要求。本試驗機可以滿足新型材料的拉扭復合應力下微電子材料、高分子材料等各種新型材料的力學性能的測試。技術(shù)原理與工藝流程簡介：音圈電機是本試驗機的基本作動單元，該電機具有卓越的直線進給運動控制功能。其工作原理是利用通電線圈在恒定磁場中受電磁力作用，力的大小與磁場強度、線圈運動速度及通電電流成正比。當電機型號確定，磁場強度也就確定，因此電機的作動單元可根據(jù)需要形成力矩環(huán)或速度環(huán)的閉環(huán)控制方式。電機的動態(tài)響應性能優(yōu)越，運動加速度可達到 20g。同時，輸出力與通電電流成正比，可方便對輸出載荷的大小進行控制調(diào)節(jié)。將電機控制器與上位機相連，可單獨對電機進行控制或與上位機通訊控制。電機控制器提供AD 輸入接口，可以將外部載荷傳感器信號輸入形成閉環(huán)控制，或采用電機控制器的命令將信號讀出進行顯示和存儲。扭轉(zhuǎn)方向采用微型直流電機與減速器配合使用，可在保證 0.0068 度的角度控制精度下輸出 1N·m 大小以內(nèi)的扭矩。采用與直線動動方向相同的控制器對扭轉(zhuǎn)方向的運動進行控制。扭矩的大小同樣可以通過外部扭矩傳感器測量得到后輸入到控制器進行處理。試驗機的控制裝置為全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，兩種控制模式（載荷、位移）可根據(jù)需要自由選擇。由于位移控制的精度極高（最大分辨率 1um），經(jīng)標定可以將位移信號用作應變信號。軸向運動與扭轉(zhuǎn)運動由獨立的控制器分別控制，兩通道可無干擾的異步工作，也可同步協(xié)調(diào)工作。控制波形由音圈電機控制器的內(nèi)部數(shù)字寄存器產(chǎn)生，可生成三角波、正弦波、方波、斜波、梯形波等各種控制波形。合理的設置拉扭方向的控制方式及波形、頻率，可實現(xiàn)比例路徑和各種非比例路徑的加載，用于研究金屬、非金屬材料在多軸非比例加載條件下的力學響應。通過將電機控制器與上位機相連，可以把試驗過程中的載荷、位移信號在上位機實時顯示、控制或存儲以備后續(xù)處理。音圈電機控制器可以解釋和執(zhí)行 ASCII 碼命令，可利用 VB 或 Delphi 等編程語言制作疲勞試驗程序界面，形成上位機對音圈電機的控制。控制器對單條指令的解釋時間不超過 200μs，可以滿足疲勞試驗動態(tài)響應要求。自主開發(fā)的疲勞試驗程序功能主要包括初始化電機控制器的控制參數(shù)，對試驗數(shù)據(jù)如軸向力、位移、扭矩、轉(zhuǎn)角進行實時顯示和存儲，設定試驗參數(shù)，對電機進行位移和載荷方式保護等。技術(shù)水平及專利與獲獎情況：試驗機具有精度高、響應快、功耗小、易操作等主要特點。拉扭電機及拉扭傳感器均為美國原裝進口。拉伸載荷±100N；扭轉(zhuǎn)載荷±1Nm；位移行程 50mm；頻率 0.01-80Hz。 [1] 專利：微型寬頻拉-扭疲勞試驗機，申請?zhí)枺?004200298116，已授權(quán)。 [2] 專利：高頻響應高溫拉-扭疲勞引伸計，申請?zhí)枺?004100721891 應用前景分析及效益預測：將單軸疲勞模型應用到多軸情況已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的設計要求，因此材料多軸疲勞的試驗研究已成為疲勞領域的重要課題。隨著新材料，如高分子材料，電子材料的涌現(xiàn)，對其力學性能的試驗研究有很大的需求。應用領域：材料的力學性能試驗，包括單軸拉伸，扭轉(zhuǎn)，拉扭復合的疲勞試驗。合作方式及條件：可提供現(xiàn)成產(chǎn)品，或技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

天津大學 2021-04-11

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