專利名稱：超塑性拉伸真實恒應變速率實驗控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于超塑性變形萬能材料試驗機上的控制裝置，屬于機械儀表工程領域。
現(xiàn)有電子萬能材料試驗機所能實施的恒應變速率拉伸實驗都是指工程恒應變速率，這對于常規(guī)材料的塑性變形而言實質上就是近似的處理，對于超塑性材料而言，就完全不能滿足精度要求，目前國際普遍承認的英國Instron、日本島津和美國MTS公司所生產(chǎn)的電子萬能材料試驗機都不能實現(xiàn)真實恒應變速率
的拉伸實驗，國內，長春試驗機研究所、濟南試驗機廠生產(chǎn)的萬能材料試驗機，以及1997年長春試驗機廠與德國多利公司合作開發(fā)的新型萬能材料試驗機也都未能實現(xiàn)真實恒應變速率拉伸的功能，現(xiàn)有的電子萬能材料試驗機因其主要用于測試韌性材料的力學行為，這類材料的延伸率較小，用工程恒應變速率可近似滿足要求，這類材料對于應變速率的敏感性較弱，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)工程恒應變速率的拉伸，就可達到實驗要求和穩(wěn)定地控制的目的，在測試超塑性變形的力學行為時，由于超塑變形具有的延伸率很大，必須用真實恒應變速率
，才能滿足要求，又由于超塑性變形具有很強的應變速率敏感性，試驗機要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)不能達到預期的實驗結果，雖然活動橫梁的位移累計變化量可以滿足精度要求，但是，由于其速度的調整是通過理論速度與實際速度的不斷比較來完成的，因此其實際運行速度可能有時增加、有時減少、甚至有時不變，因此，對于速度很敏感的超塑性材料來說，其載荷值增、減幅度也很大，所以對對應的應力與應變速率關系曲線的影響很大，本發(fā)明人在設備改進的初期，曾經(jīng)進行了閉環(huán)控制的恒應變速率拉伸實驗，實驗測量結果發(fā)現(xiàn)其載荷隨應變速率的變化而發(fā)生的波動幅度甚大，故采用閉環(huán)控制是不合適的。
本實用新型的目的是為了滿足材料科學和現(xiàn)代塑性與超塑性精密加工的要求，提供一種在高溫條件下，無需在試樣端部裝卡引伸儀，利用控制試驗機活動橫梁的速度，就能實現(xiàn)超塑性拉伸真實恒應變速率實驗控制裝置，利用該裝置可以設計制造新型的萬能材料試驗機，也可以將其插入現(xiàn)有電子萬能材料試驗機的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)真實恒應變速率的拉伸實驗。
以下結合
本實用新型實現(xiàn)上述目的基本原理
附圖1中的上固定橫梁1通過萬向節(jié)與試樣的上連接桿2以銷釘相連，試樣的下連接桿6通過萬向節(jié)與試驗機的活動橫梁7相連接，試樣3的兩端以掛接形式與上連接桿2和下連接桿6相連接，由于材料在超塑性狀態(tài)下的流變抗力很小，它只有同等材料在相同溫度下的十幾分之一、乃至幾十分之一，因此，在附圖1所示的萬能試驗機中的上連接桿2和下連接桿6，以及試樣上、下根部4與試樣標距部分3的應變量相比可以略而不計。于是試樣變形dl就近似的等于活動橫梁7的位移dL，試樣的變形速度dl/dt就近似的等于活動橫梁的移動速度dL/dt，試樣的真實應變速率
為當
為常數(shù)時，由(1)式可得由t＝0時l＝l0的初始條件，確定出c＝l0t為時間，l0為試樣標距的初始長度，l為試樣標距的瞬時長度。于是在保證恒應變速率
的條件下，試驗機活動橫梁的速度dL/dt可由下式控制
由(4)式可見，只要給定試樣變形的任一個恒應變速率
，在理論上借助控制活動橫梁的速度υ，就能實現(xiàn)試樣的恒
變形。
以下結合附圖說明實現(xiàn)本實用新型的上述目的技術路線附圖2中虛線框入的部分為現(xiàn)有的電子萬能材料試驗機的主機和控制系統(tǒng)，它是由伺服放大器、電流調節(jié)器、電子萬能試驗機執(zhí)行機構、引伸儀的位移反饋、速度反饋、電流反饋以及函數(shù)發(fā)生器、顯示器組成，附圖2中點畫線框入的部分是本實用新型的控制裝置，它是由伺服放大器、D/A接口板和PC計算機組成，該裝置采用開環(huán)控制，PC計算機通過PC總線與D/A接口板連接，PC計算機根據(jù)活動橫梁7的速度
的程序將數(shù)字量經(jīng)伺服放大器中的電阻R2、R3和電容C1組成的T型濾波器，電阻R5、電位器W2和電容C2組成的積分電路以及運算放大器IC轉化為電壓模擬量，IC輸出的電壓輸入到原機伺服控制系統(tǒng)，借助
，執(zhí)行試驗機的活動橫梁真實恒應變速率
的位移控制，從而實現(xiàn)真實恒應變速率
的拉伸變形
開環(huán)控制是在原伺服控制系統(tǒng)中的A處切開，裝入一個換向開關，當A與B連接時，本裝置執(zhí)行開環(huán)控制，當A與A’連接時，執(zhí)行原機閉環(huán)控制。
與現(xiàn)有電子萬能材料試驗機相比，本實用新型有以下的創(chuàng)新和特色
1.對日產(chǎn)島津，英產(chǎn)Instron和美產(chǎn)MTS電子萬能材料試驗機而言，由于不用在試件端部裝卡引伸儀，這對研究材料在高溫狀態(tài)下的力學行為是非常有利的，也無需更改原機結構，只要把本實用新型控制線路接入原機的控制系統(tǒng)，便能實現(xiàn)活動橫梁按真實恒應變速率的規(guī)律運行。
2.對于超塑性材料的拉伸試驗，由于活動橫梁的運行速度近似等于試件的變形速度，故直接用按(4)式設計的線路(圖3)，便能實現(xiàn)恒應變速率拉伸試驗。
3.對變形抗力大、延伸率小的材料，根據(jù)實驗確定上下連接桿2、6和試件根部4的變形量，對(4)式進行修正，亦可實現(xiàn)真實恒應變速率拉伸試驗。
4.本實用新型采用開環(huán)控制，所以能消除超塑性變形具有很強的應變速率敏感性而造成的載荷測量的不穩(wěn)定性。
5.本實用新型的裝置具有造價低，結構簡單，非常易于實施的優(yōu)點。
以下結合附圖進一步說明本實用新型的具體內容及工作過程。
圖1材料試驗機簡圖。
圖2控制總框圖。
圖3控制線路圖。
圖1中1.上固定橫梁2.上連接桿3.試件4試件上、下根部5.加熱爐6.下連接桿7活動橫梁。
其結構關系是上述各部件由上固定橫梁1、機架和底部的機座構成的剛性框架支撐(機架和機座圖中未標出)，活動橫梁7可沿機架上下移動。加熱爐5可采用對開式，可用鉸鏈連接在機架上。載荷傳感器固定在上固定橫梁1的上方，傳感器的下端與上連接桿2的上端連接。為了安裝試件3，上連接桿2的下端和下連接桿6的上端設有卡頭，試件上、下根部4分別卡在上連接桿2和下連接桿6的卡頭內。當活動橫梁7按預定的規(guī)律向下移動時，裝在加熱爐內的試件3便被拉伸變形。載荷傳感器側出其變形量。
本實用新型的特征在于該裝置是根據(jù)(4)式所設計的電子控制線路如圖3所示，采用開環(huán)控制活動橫梁速度dL/dt，根據(jù)超塑性變形對dL/dt近似等于試樣變形速度dl/dt，便達到實現(xiàn)恒應變速率
拉伸變形的目的。
下面結合圖3進一步說明本實用新型的控制過程參閱附圖3中用虛線框入的部分(1)，包括PC計算機、PC總線和光電隔離D/A接口板；部分(2)由R2、R3和C1組成T型濾波器，R5、W2、和C2組成積分電路，IC為運算放大器；于是便把按公式(4)給出的信號經(jīng)A-B傳給部分(3)，部分(3)又把經(jīng)B輸入的電壓模擬量進一步運算放大后，依此執(zhí)行電子萬能材料試驗機的主機的活動橫梁部分的控制，從而實現(xiàn)恒應變速率拉伸變形。
本發(fā)明的實施例
附圖2為島津AG-A電子萬能材料試驗機的原控制系統(tǒng)(虛線部分)及本實用新型(點畫線部分)的總框圖，參閱附圖2，在原控制系統(tǒng)的A處切開，安裝一個換向開關，當A與A連接時，保持原閉環(huán)控制系統(tǒng)；當A與B連接時，即實現(xiàn)本裝置的開環(huán)控制，在實施恒應變速率控制中，選用386計算機通過PC總線與和PCL-728型12位光電隔離D/A接口板連接，依據(jù)公式(4)將數(shù)字量經(jīng)附圖2轉化為電壓模擬量，由附圖3(2)IC輸出的電壓輸入到島津AG-A電子萬能試驗機的控制系統(tǒng)，再經(jīng)放大后，直接驅動主機部分的直流伺服電機，直流伺服電機驅動主齒輪箱帶動絲杠旋轉，從而驅動活動橫梁，最終實現(xiàn)公式(4)式所要求的恒應變速率拉伸變形。
附圖(2)中元件和電壓的數(shù)值列于表1。表1R(Ω)、C(μF)
為了提高恒應變速率的控制精度，根據(jù)公式(4)，對應于給定的試件初始標距長度l0和恒應變速率
，使橫梁的速度υb設定在最佳范圍，把橫梁的速變劃分為100mm/min、80mm/min、60mm/min、40mm/min、20mm/min、10mm/min、5mm/min7個不同檔次，然后根據(jù)不同的速度檔次的υb值調整伺服放大器電壓與速度的比例關系，再確定不同υb值的準確模擬電壓值，其具體標定方法是分別利用橫梁記錄系統(tǒng)記錄位移Lb，和計算機時鐘記錄時間tb，由其比值Lb/tb確定υb，并且使υb與D/A滿碼發(fā)送相對應，這就完成了不同檔次υb的標定，由公式
可知，橫梁速度是時間的指數(shù)連續(xù)函數(shù)，如果我們選用12位高精度D/A卡，其速度變化基本單位是υb/4896，當程序中的速度變化量達到一個基本單位(υb/4896)時，系統(tǒng)才能控制橫梁發(fā)生速度改變，因此便產(chǎn)生了實際不連續(xù)速度變化與理論速度連續(xù)函數(shù)的偏差，為了解決這一問題，先將速度發(fā)生信號分別放大10倍和100倍，這便減小了速度控制的不連續(xù)性，其具體方法為試樣伸長隨時間按公式
的變化量由計算機屏幕顯示，橫梁運行的實際位移由試驗機記錄系統(tǒng)記錄，二記錄結果比較后對公式(4)適當修正，使橫梁位移的誤差限定在允許的范圍內，于是試樣的變形和所承受的載荷仍由原記錄系統(tǒng)完成變形-載荷-時間三者關系的一一對應。
當材料的變形抗力很小、延伸率很高、活動橫梁位移的應變速率就等于試件標距內的應變速率。
由于(4)式是在假定上下連接件2、6和試件根部4與試件變形部分的變形相比甚小，可略而不計的前提下求得的，因此，對變形抗力大、塑性變形較小的試件而言，上述部分便不能忽略，這就要通過實驗確定這部分的變形量，對(4)式進行修正，即
對加入修正系數(shù)，使
，也可以在無引伸儀的條件下實現(xiàn)試件標距內的真實恒應變速率的拉伸變形，L-上固定橫梁到活動橫梁總長度減去l0所余的長度，e-自然對數(shù)的底。
權利要求1.超塑性拉伸真實恒應變速率實驗控制裝置是由PC計算機、D/A接口板和伺服放大器組成的，其特征是該裝置采用開環(huán)控制，PC計算機通過PC總線與D/A接口板連接，PC計算機根據(jù)橫梁速度
的程序將數(shù)值經(jīng)伺服放大器中的電阻R2、R3和電容C1組成的T型濾波器，電阻R5、電位器W2和電容C2組成的積分電路，以及運算放大器IC轉化為電壓模擬量，IC輸出的電壓模擬量輸入到原機伺服控制系統(tǒng)，執(zhí)行試驗機的活動橫梁恒應變速率
的位移控制，
---活動橫粱的位移速度，
---試件變形速度，l0---試件初始標距長度，
---真實恒應變速率。
2.按權利要求1所述的超塑性拉伸真實恒應變速率實驗控制裝置，其特征在于所說的開環(huán)控制是在原伺服控制系統(tǒng)中的A處切開，裝一個換向開關，當A與B連接時，本裝置執(zhí)行開環(huán)控制，當A與A連接時，執(zhí)行原機閉環(huán)控制。
專利摘要本實用新型涉及一種用于超塑性萬能試驗機上的超塑性拉伸真實恒應變速率實驗控制裝置。它是由計算機、D/A接口板和伺服放大器組成,該裝置采用開環(huán)控制,計算機通過PC總線與D/A接口板連接,計算機根據(jù)的程序將數(shù)值經(jīng)T型濾波器、積分電路,以及運算放大器IC轉化為電壓模擬量,IC輸出的電壓輸入到原機伺服控制系統(tǒng),完成試驗機活動橫梁真實恒應變速率的位移控制。利用該裝置還可以設計制造新型萬能材料試驗機。
文檔編號G01N3/18GK2478095SQ0023506
公開日2002年2月20日 申請日期2000年5月20日 優(yōu)先權日1999年6月21日
發(fā)明者宋玉泉, 程永春 申請人:吉林工業(yè)大學