[发明专利]双悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验方法及其试验机

权利要求书

1.双悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验机，其特征是：由主机(ZJ)、标准器(0)、被测试件(13)和数控器组成测试系统；

主机(ZJ)由基座(1)、支板(18)、力-变形复合传感机构、驱动装置(31)和横截面尺寸测量定位支架组成；

基座(1)为箱形结构，其顶板上表面为平面，在顶板的中央位置装配有轴线沿竖直方向的滑动轴承(4)，滑动轴承(4)周围对称分布有四个螺纹孔(24)；支板(18)为一梯形厚板，竖直固定在基座(1)顶板的上部，其右端靠近基座(1)的右端；支板(18)的中面，即纵向对称面，垂直于基座(1)的右侧面，并通过滑动轴承(4)的轴线；支板(18)顶部有一伸向左侧的水平突台，该突台上加工有轴承孔(17)，轴承孔(17)的轴线与滑动轴承(4)的轴线重合；支板(18)的左侧边沿竖直方向加工有一条U形导向槽(19)；

力-变形复合传感机构包括力传感机构和变形传感机构，力传感机构由传动丝杆(16)和双悬臂梁传感器组成，变形传感机构由编码丝杆和双悬臂梁传感器组成，编码丝杆由传动丝杆(16)和三态编码器(27)组成；传动丝杆(16)为力传感机构和变形传感机构所共用，双悬臂梁传感器也为力传感机构和变形传感机构所共用；传动丝杆(16)的结构由上到下分为z₁、z₂、z₃、z₄四段，z₁段为第一光轴(49)，z₂段为螺纹杆(51)，z₃段为凸起的台阶(5)，z₄段为第二光轴(50)；传动丝杆(16)通过第一光轴(49)与轴承孔(17)的配合、台阶(5)的下端面与轴承(4)的上端面的旋转滑动配合、第二光轴(50)与滑动轴承(4)的配合、挡盘(3)与第二光轴(50)的孔-轴过盈配合和挡盘(3)的上端面与滑动轴承(4)的下端面的旋转滑动配合，安装在基座(1)上；双悬臂梁传感器由固定悬臂梁传感器(6)和可动悬臂梁传感器(15)组成，固定悬臂梁传感器(6)的结构包括变截面弹性梁、安装在变截面弹性梁自由端方向朝上的下部钳口、嵌装在下部钳口右侧向上突出的下夹持刃块(10)、分别粘贴在悬臂梁根部附近上下两侧表面的单轴电阻应变计R₁和R₂以及根部圆孔(11)；可动悬臂梁传感器(15)的结构包括变截面弹性梁、安装在变截面弹性梁自由端方向朝下的上部钳口、嵌装在下部钳口右侧向下突出的上夹持刃块(12)、粘贴在悬臂梁根部附近下侧表面的两枚单轴电阻应变计R₃和R₅、粘贴在悬臂梁根部附近上侧表面的两枚单轴电阻应变计R₄和R₆、以过盈配合方式嵌装在悬臂梁根部的带内螺纹的传动螺母(20)和圆柱形限位销钉(21)；电阻应变计R₁、R₂、R₃、R₄、R₅和R₆的栅轴均与所在悬臂梁的轴线平行；固定悬臂梁传感器(6)的根部与支板(18)的左下部固定连结，同时传动丝杆(16)穿过固定悬臂梁传感器(6)根部的圆孔(11)，传动丝杆(16)与圆孔(11)之间有一定的间隙，二者不能相互接触；可动悬臂梁传感器(15)通过传动螺母(20)与螺纹杆(51)的配合和限位销钉(21)与支板(18)上U形导向槽(19)的滑动配合安装在传动丝杆(16)上；固定悬臂梁传感器(6)和可动悬臂梁传感器(15)处于对称位置，固定悬臂梁传感器(6)的变截面弹性梁和可动悬臂梁传感器(15)的变截面弹性梁，形状、尺寸和材料均相同，梁的横截面为矩形，从自由端a到根部c分为刚性段ab和柔性段bc两段，刚性段ab与柔性段bc的宽度相等，刚性段ab的高度H大于柔性段bc段的高度h；下部钳口与上部钳口构造相同，位置对称，下部钳口由两个下L形夹持块(23)和两枚下锁紧螺钉(7)组成，上部钳口由两个上L形夹持块(22)和两枚上锁紧螺钉(14)组成；下L形夹持块(23)的上端面与固定悬臂梁传感器(6)的变截面弹性梁的上表面共面，上L形夹持块(22)的下端面与可动悬臂梁传感器(15)的变截面弹性梁的下表面共面；固定悬臂梁传感器(6)的上表面与可动悬臂梁传感器的下表面之间的距离l，称为加载臂间距；下夹持刃块(10)和上夹持刃块(12)是形状、尺寸相同的刚性圆柱体，二者的轴线与固定悬臂梁传感器(6)和可动悬臂梁传感器(15)的轴线平行；固定悬臂梁传感器(6)的变截面弹性梁的前后两个侧面沿竖直方向刻有第一指示线(45)和第二指示线(46)，第一指示线(45)位于下部钳口的下L形夹持块(23)的中面内，第二指示线(46)位于下夹持刃块(10)的中面内；可动悬臂梁传感器(15)的变截面弹性梁的前后两个侧面沿竖直方向刻有第三指示线(47)和第四指示线(48)，第三指示线(47)位于上部钳口的上L形夹持块(22)的中面内，并与第一指示线(45)共线，第二指示线(48)位于上夹持刃块(12)的中面内，并与第二指示线(46)共线；电阻应变计R₁、R₂、R₃、R₄组成一个全桥测量电路，称为位移-变形传感电路，该电路产生的应变信号用ε_rd表示；电阻应变计R₃、R₄、R₅、R₆组成一个全桥测量电路，称为力传感电路，该电路产生的应变信号用ε_rf表示；三态编码器(27)由齿盘(29)、传感器支架(2)和左上悬臂梁传感器(30)、右上悬臂梁传感器(34)、左下悬臂梁传感器(42)、右下悬臂梁传感器(39)组成；齿盘(29)带有若干圆弧齿(38)，位于挡盘(3)之下，共轴固定在传动丝杆(16)的第二光轴(50)上，齿盘的齿数取4的整数倍；传感器支架(2)为一矩形框架，框架的四条边均在中间位置加工有一个垂直于框架平面的光孔(26)，在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔(37)和一个与矩形通孔(37)垂直联通的螺纹孔(35)；传感器支架(2)利用紧定螺栓(28)和隔离套筒(25)与光孔(26)和螺纹孔(24)的配合，固定在基座(1)顶板的下方，并且将齿盘(29)围在中间；左上悬臂梁传感器(30)、右上悬臂梁传感器(34)、左下悬臂梁传感器(42)、右下悬臂梁传感器(39)采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁分别通过其根部与矩形通孔(37)的配合和紧定螺钉(36)的压紧作用固定于传感器支架(2)的上侧内壁、右侧内壁、左侧内壁和下侧内壁；四个弹性梁在靠近根部处的上下表面或左右表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]、[R₁₁,R₁₂]和[R₁₃,R₁₄]；四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘(29)一侧分别加工有左三角形突棱(32)、上三角形突棱(33)、下三角形突棱(41)、右三角形突棱(40)；装配好的左上悬臂梁传感器(30)、右上悬臂梁传感器(34)、左下悬臂梁传感器(42)、右下悬臂梁传感器(39)的弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱(32)、上三角形突棱(33)、下三角形突棱(41)、右三角形突棱(40)的棱顶分别与齿盘(29)周边的圆弧齿(38)保持接触，四个接触点的具体位置按以下条件确定：

a.设齿盘(29)的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿(38)和正下方圆弧齿(38)的中心，同时齿盘(29)的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿(38)和最右端圆弧齿(38)的中心；

b.此时右三角形突棱(40)位于齿盘(29)水平对称线和最右端圆弧齿(38)的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿(38)之间的谷底；左三角形突棱(32)位于齿盘(29)的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿(38)的顶点接触；上三角形突棱(33)和下三角形突棱(41)均位于齿盘(29)纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿(38)的右侧和正下方圆弧齿(38)的右侧接触；右三角形突棱(40)到齿盘(29)纵向对称线的距离用h_min表示，左三角形突棱(32)到齿盘(29)纵向对称线的距离用h_max表示，上三角形突棱(33)与正上方圆弧齿(38)接触点到齿盘(29)水平对称线的距离和与之相等的下三角形突棱(41)与正下方圆弧齿(38)接触点到齿盘(29)水平对称线的距离均用h_mid表示；h_mid、h_min和h_max三者之间存在式(1)表示的关系：

h_min、h_mid和h_max统称特征高度，其中h_min称为最小特征高度，h_mid称为平均特征高度，h_max称为最大特征高度；驱动装置(31)为电动机带动的蜗轮-蜗杆机构或齿轮-齿带机构，与传动丝杆(16)上的第二光轴(50)配合，驱动传动丝杆(16)正、反向转动；编码丝杆按以下方式工作：

1)三态编码器(27)测量电路连接：将电阻应变计[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]、[R₁₁,R₁₂]、[R₁₃,R₁₄]分别以半桥方式接入数控器，用分别表示数控器测得的四个半桥测量电路的应变读数；

2)三态编码器(27)测量电路初始化调整：用数控器控制传动丝杆(16)和齿盘(29)转动，应变读数随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘(29)上相邻两个圆弧齿(38)的齿顶间距；齿盘(29)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数分别完成一次循环；观察的变化，当刚好达到最小值ε_rmin时，停止齿盘(29)的转动，调节数控器上电阻应变计[R₇,R₈]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在取得最小值ε_rmin时，调节电阻应变计[R₉,R₁₀]、[R₁₁,R₁₂]、[R₁₃,R₁₄]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路的调整后，再驱动齿盘(29)，则均在最小值0和一个最大值ε_rmax之间循环变化，最小值0对应于三角形突棱(32)或(33)或(40)或(41)处在正对相邻两圆弧齿(38)之间的谷底位置，即对应于最小特征高度h_min，最大值ε_rmax对应于三角形突棱(32)或(33)或(40)或(41)处在与圆弧齿(38)顶点接触的位置，即对应于最大特征高度h_max；以上调整三态编码器(27)测量电路状态的方法，称为初始化四步调整法；

3)确定应变读数与齿盘(29)旋转状态的关系：完成三态编码器(27)测量电路初始化调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数的最大值ε_rmax、最小值0和平均值ε_rmid＝0.5ε_rmax；数字1与最大特征高度h_max对应，定义为满值；数字0与最小特征高度h_min对应，定义为零值；数字1/2与平均特征高度h_mid对应，定义为中值；满值1、零值0和中值1/2统称三态编码器的三态编码值，简称三态值；齿盘(29)旋转时，三态值0、1/2和1按周期T循环变化；三态值0、1/2和1的循环变化，用于确定齿盘(29)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；

4)测定可动悬臂梁传感器(15)的位移量：将可动悬臂梁传感器(15)调整到传动丝杆(16)上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器(15)的位移原点，同时将齿盘(29)的当前位置记作齿盘零位；从齿盘零位起(29)转动齿盘，则可动悬臂梁传感器(15)随之从位移原点起沿传动丝杆(16)向上或向下移动；可动悬臂梁传感器(15)相对于位移原点的位移量S用公式(2)计算：

式(2)中，t表示传动丝杆(16)的导程，N_c表示齿盘(29)的齿数，n_z,s表示齿盘(29)自零位起顺时针累计转过的齿数，n_z,n表示齿盘(29)自零位起逆时针累计转过的齿数，n_z,s和n_z,n恒取正值，n_z表示n_z,s与n_z,n之差，定义为齿盘(29)的有效转动齿数；n_z,s、n_z,n和n_z也称为齿盘转动参数；n_z和S是代数量，齿盘(29)顺时针转动时，可动悬臂梁传感器(15)向下移动，n_z和S的符号均取为“-”；齿盘(29)逆时针转动时，可动悬臂梁传感器(15)向上移动，n_z和S的符号均取为“+”；

横截面尺寸测量定位支架包括两个带有V形槽的支座(9)、两块压板(8)和四枚锁紧螺栓(43)；两个支座(9)竖直安装在基座(1)的顶板上部，分别位于固定悬臂梁传感器(6)的两侧，且关于固定悬臂梁传感器(6)的中面对称；支座(9)的两个V形槽的槽口向上，二者处于共轴位置，V形槽的纵向对称面与下夹持刃块(10)和上夹持刃块(12)的中央截面重合；每块压板(8)上加工有两个通孔，四枚锁紧螺栓(43)分别穿过这四个通孔与支座(9)顶部V形槽两边的螺纹孔(44)配合；

标准器(0)为一组标准规，数量用n表示，2≤n≤10；标准规的结构为三段台阶轴，台阶轴的中间段为标准圆柱，左段和右段为定位轴；标准圆柱的直径值称为标准直径，依次用d₁，d₂…，d_n表示，按d₁＜d₂,...,＜d_n的顺序排列；各标准规左、右两段定位轴的直径d相等；在标准圆柱中，任选一个，做为基准圆柱，将其直径值定义为基准直径，用d₀表示；d₁，d₂，…，d_n的算术平均值用d表示；d₁，d₂，…，d_n也表示对应的标准规；将任意一个标准规放入支座(9)上的V形槽，旋紧四枚锁紧螺栓(43)，两块压板(8)产生的压力使该标准规定位在V形槽上；安装好的标准规，其轴线到基座(1)顶板上表面的距离定义为标准规高度，用符号h₀表示；h₀与标准规、支座(9)以及固定悬臂梁传感器(6)三者的结构尺寸相互协调，满足特定关系：1.任一标准规在支座(9)上的V形槽内定位时，位移-变形传感电路测得的应变值ε_rd在100με≤ε_rd≤150με范围内；2.标准规d_n在支座(9)上的V形槽内定位时，固定悬臂梁传感器(6)弹性体的最大弯曲正应力不超过弹性体材料的比例极限；

被测试件(13)为金属细丝、高分子材料、织物纤维、动物纤维以及其它纤维材料的拉伸试样，或者是压缩试样；

数控器为带有应变信号采集-调理电路的微计算机控制系统，内置测量软件，测量软件中含有力标定-测量程序、变形标定-测量程序、直径标定-测量程序；

双悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验方法及其试验机的试验过程，包括试验机系统标定、试样尺寸测量和拉伸试验，操作步骤如下：

1)试验机位移基准点调整：将电阻应变计R₁、R₂、R₃、R₄组成的位移-变形传感电路和电阻应变计[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]、[R₁₁,R₁₂]、[R₁₃,R₁₄]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器；将位移-变形传感电路调整到平衡状态，即设定其输出信号ε_rd＝0；按前述初始化四步调整法对三态编码器(27)进行调整；用数控器控制可动悬臂梁传感器(15)向固定悬臂梁传感器(6)靠近，当上夹持刃块(12)与下夹持刃块(10)发生接触并且由位移-变形传感电路测得的应变值ε_rd为规定值时，可动悬臂梁传感器(15)停止移动；规定值在0～10με范围内取值，例如取将齿盘(29)的当前位置记作齿盘零位，此时可动悬臂梁传感器(15)的位置定义为位移零点，用P₀表示，P₀是试验机位移测量的基准点；可动悬臂梁传感器(15)处在P₀位置时，加载臂间距l达到最小，记作l_min，l_min的值用式(3)表示：

l_min＝2u (3)

式(3)中，u表示上夹持刃块(12)突出于可动悬臂梁传感器(15)下表面的高度，也表示下夹持刃块(10)突出于固定悬臂梁传感器(6)上表面的高度；

2)测力系统标定：将电阻应变计R₃、R₄、R₅、R₆组成的力传感电路接入数控器；调整可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，利用可动悬臂梁传感器(15)上的上部钳口悬挂标准砝码，对可动悬臂梁传感器(15)施加一组标准力F₁，F₂，…，F_N，或者采用标准负荷传感器，利用可动悬臂梁传感器(15)上的上部钳口和固定给可动悬臂梁传感器(6)上的下部钳口夹持标准负荷传感器，给可动悬臂梁传感器(15)施加一组标准力F₁，F₂，…，F_N，各标准力的大小关系为F₁<F₂<，…，<F_N，标准力的作用线同时与第一指示线(45)和第三指示线(47)对齐；由数控器记下与标准力F₁，F₂，…，F_N对应的应变读数以为标定数，用线性拟合方法得出力F与数控器应变读数ε_rf的函数关系，即载荷计算公式：

式(4)中，A₁和B₁是常数，分别用公式(5)和(6)计算：

式(5)和(6)中，N表示标准力的序数，F_i表示不同序数标准力的力值，表示与力F_i对应的应变读数，即标定数

3)直径测量系统标定：调整可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，将标准规d₁定位在支座(9)上，此时位移-变形传感电路测得的应变信号记为使可动悬臂梁传感器(15)向下移动，当上夹持刃块(12)与标准器(d₁)接触并且位移-变形传感电路测得的应变信号时，停止移动可动悬臂梁传感器(15)，将其当前位置定义为直径测量指示位，用符号P_d表示，同时记下齿盘(29)的当前位置，该位置定义为齿盘(29)的直径测量指示点；抬升可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，用标准规d₂替换标准规d₁，再次将可动悬臂梁传感器(15)调整到直径测量指示位P_d，记下位移-变形传感电路当前的应变信号依次用标准规d₃，…，d_n重复完成前述动作，得到应变信号以为标定数，用线性拟合方法给出直径值d与应变读数ε_rd的函数关系，即直径计算公式：

式(7)中，A₂和B₂是常数，分别用公式(8)和(9)计算：

式(8)和(9)中，n表示标准器所含标准规的个数，d_i表示不同直径标准圆柱体的直径值，表示与直径值d_i对应的应变读数，即标定数在标定数中，与基准圆柱d₀对应的标定数定义为基准应变示数，用符号表示；

4)测变形系统标定：调整可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，将标准规d₁水平放入可动悬臂梁传感器(15)上的上部钳口和固定悬臂梁传感器(6)上的下部钳口之间，并使标准规d₁的轴线与第一指示线(45)和第三标线(47)对齐；控制可动悬臂梁传感器(15)向固定悬臂梁传感器(6)移动，使二者夹持标准规d₁，当位移-变形传感电路测得的应变信号或时，停止移动可动悬臂梁传感器(15)，将当前的应变信号ε_rd记为此时可动悬臂梁传感器(15)的位置定义为变形测量指示位，用符号P_b表示，记下齿盘(29)的当前位置，该位置定义为齿盘(29)的变形测量指示点；抬升可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，用标准规d₂替换标准规d₁，再次将可动悬臂梁传感器(15)调整到变形测量指示位P_b，记下位移-变形传感电路当前的应变信号依次用标准规d₃，…，d_n重复完成前述动作，由位移-变形传感电路得到对应的应变信号可动悬臂梁传感器(15)和固定悬臂梁传感器(6)夹持标准规d_n时，可动悬臂梁传感器(15)的上部钳口和固定悬臂梁传感器(6)的下部钳口的间距相对于二者的自然间距发生变化，将上部钳口和下部钳口在第一指示线(45)和第三标线(47)位置的间距定义为钳口形变间距，用符号v_x表示；以为标定数，用线性拟合方法给出v_x与ε_rd的函数关系，即公式(10)：

式(10)中，A₃和B₃是常数，分别用公式(11)和(12)计算：

式(11)和(12)中，d_i表示不同直径标准圆柱体的直径，表示与d_i对应的应变读数，即标定数

5)被测试件直径测量：将可动悬臂梁传感器(15)调整至适当高度，将被测试件(13)水平放入固定悬臂梁传感器(6)和可动悬臂梁传感器(15)之间，并使其轴线与第二指示线(46)和第四指示线(48)对齐；控制可动悬臂梁传感器(15)向固定悬臂梁传感器(6)移动，让上夹持刃块(12)与下夹持刃块(10)夹持被测试件(13)，当位移-变形传感电路测得的应变信号或时，记下可动悬臂梁传感器(15)相对于直径测量指示位P_d的位移量s；用公式(13)计算被测试件(13)的直径：

式(13)中，s是代数量；可动悬臂梁传感器(15)向直径测量指示位的上方移动时，s的符号取为“+”；可动悬臂梁传感器(15)向直径测量指示位的下方移动时，s的符号取为“-”；

6)拉伸试验：

a.安装试件：根据被测试件(13)的长度调整加载臂间距l，将被测试件(13)放入可动悬臂梁传感器(15)的上部钳口和固定悬臂梁传感器(6)上的下部钳口，并使其轴线与第一指示线(45)和第三指示线(47)对齐，旋紧紧定螺钉(14)和(7)，上部钳口和下部钳口同时将被测试件(13)夹紧；安装好的被测试件(13)，其位于上部钳口和下部钳口之间的区段称为试验段，试验段的长度等于加载臂间距，也用符号l表示；

b.确定被测试件原始长度：用数控器调整可动悬臂梁传感器(15)作微幅升降，使被测试件(13)所受载荷为零，即试验力F＝0；F＝0时，被测试件(13)试验段的长度定义为原始长度，用l₀表示；l₀按公式(14)计算：

l₀＝l_min+S₀＝2u+S₀ (14)

式(14)中，S₀表示F＝0时，可动悬臂梁传感器(15)相对于位移零点P₀的位移量，S₀按公式(2)计算；被测试件(13)受到拉伸载荷作用时，试验段长度l连续变化，变化的l值用公式(15)计算：

式(15)中，S是可动悬臂梁传感器(15)相对于位移零点P₀的位移量，按公式(b)计算；

c.加载试验：由数控器设定加载速度，即可动悬臂梁传感器(15)的移动速度，对被测试件(13)施加拉伸载荷；数控器同步跟踪记录被测试件(13)所受载荷F的变化和试验段长度l的变化，由公式(4)实时给出被测试件(13)受到的力F，公式(15)实时给出被测试件(13)的试验段长度l；用F和l的实时数据绘制F-l关系曲线，即被测试件(13)的拉伸试验曲线。