一種基于尺蠖型壓電驅(qū)動器的原位拉伸實驗儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于尺蠖型壓電驅(qū)動器的原位拉伸實驗儀，屬于原位力學(xué)性能測試領(lǐng)域。主要由驅(qū)動單元、夾持單元、支撐單元、和信號檢測及控制單元等部分組成，其中驅(qū)動單元為一個基于斜塊箝位的尺蠖型壓電驅(qū)動器；夾持單元有一個可調(diào)尾座，可以根據(jù)試件的具體情況調(diào)節(jié)兩夾具之間的初始距離；支撐單元有一對相互平行的光軸導(dǎo)軌，以減輕驅(qū)動器動子的受力偏差；信號檢測及控制單元由一個精密拉桿位移傳感器和一個精密S型拉力傳感器組成。本發(fā)明采用一種新型的壓電驅(qū)動器作為驅(qū)動單元，具有精度高、控制方便，成本低等優(yōu)勢，可以對宏觀的標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行跨尺度原位拉伸載荷測試，對被測試件斷裂過程中的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂進(jìn)行原位觀測。
【專利說明】一種基于尺蠖型壓電驅(qū)動器的原位拉伸實驗儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于尺蠖型壓電驅(qū)動器的原位拉伸實驗儀，屬于原位力學(xué)性能測試領(lǐng)域。本發(fā)明與高速攝像機(jī)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、光學(xué)顯微鏡及拉曼光譜儀等具有良好的兼容性，可被廣泛應(yīng)用于材料力學(xué)性能的原位拉伸測試。
【背景技術(shù)】
[0002]材料的微觀力學(xué)性能與宏觀的經(jīng)典力學(xué)性能存在很大的差異。材料的微納米力學(xué)測試的諸多性能參數(shù)中，彈性模量、硬度、斷裂極限、切變模量等參數(shù)是最主要的測試對象，針對上述的材料性能參數(shù)有多種測試方法，如拉伸法、壓縮法、剪切法、扭轉(zhuǎn)法、彎曲法、納米壓痕法和鼓膜法等，其中原位拉伸測試方法能更加全面的體現(xiàn)材料的力學(xué)性能，可以通過實時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較直觀的分析出材料的斷裂極限、彈性模量等力學(xué)性能。
[0003]目前，吉林大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出了一些原位拉伸力學(xué)性能測試裝置，并且取得了不錯的應(yīng)用效果。這些裝置主要采用傳統(tǒng)的精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如利用精密絲杠螺母副、滾動/滑動導(dǎo)軌、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等作為動力與運(yùn)動的轉(zhuǎn)換方式，由于存在間隙、摩擦、多環(huán)節(jié)運(yùn)動等問題，其運(yùn)動精度、定位精度等各方面已難以滿足要求。
[0004]由于壓電陶瓷元件具有響應(yīng)迅速、出力大、位移分辨率高、機(jī)電轉(zhuǎn)換率高以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，國內(nèi)外研究人員已利用其開發(fā)了相當(dāng)多的微小型精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)，并在各領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。
[0005]因此，采用新型壓電驅(qū)動器，設(shè)計研發(fā)一種精度更高，測試效果更好的原位拉伸試驗儀器十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于尺蠖型壓電驅(qū)動器的原位拉伸實驗儀器，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置如普通電機(jī)、絲杠螺母、蝸輪蝸桿等宏觀大尺寸部件難以滿足精度要求和具有累積誤差的缺陷，采用一種新型的壓電驅(qū)動器作為驅(qū)動單元，具有精度高、控制方便，成本低、測試效果好等優(yōu)勢，可以對宏觀的標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行跨尺度原位拉伸載荷測試，對被測試件斷裂過程中的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂進(jìn)行原位觀測，為更進(jìn)一步的研究材料的力學(xué)性能和裂紋產(chǎn)生斷裂機(jī)理提供了更加精密的、科學(xué)有效的測試裝置。
[0007]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]本發(fā)明是由底座、第一導(dǎo)軌座、第一復(fù)位彈簧、定子、第二復(fù)位彈簧、雙直線軸承座、第二導(dǎo)軌座、第二箝位斜塊、第二直線軸承、第二導(dǎo)軌、第二箝位彈簧、位移傳感器、第一單直線軸承座、第三直線軸承、被測試件、第一右夾具、第三箝位彈簧、第三導(dǎo)軌座、第三箝位斜塊、尾座、拉力傳感器、拉力傳感器座、定位螺栓、緊固螺栓、第二右夾具、第四導(dǎo)軌座、第四箝位斜塊、第一導(dǎo)軌、第四箝位彈簧、第四復(fù)位螺栓、驅(qū)動壓電疊堆、第一左夾具、第四直線軸承、第二左夾具、第二單直線軸承座、第一箝位斜塊、第一復(fù)位螺栓、第一箝位彈簧、動子、第一直線軸承、第二復(fù)位螺栓和第三復(fù)位螺栓組成。[0009]所述的定子通過螺栓固定于底座上；第一導(dǎo)軌座、第二導(dǎo)軌座、第三導(dǎo)軌座、第四導(dǎo)軌座分別通過螺栓固定于定子上；第一導(dǎo)軌安裝于第一導(dǎo)軌座和第四導(dǎo)軌座的定位孔內(nèi)，通過螺栓夾緊；第二導(dǎo)軌安裝于第二導(dǎo)軌座和第三導(dǎo)軌座的定位孔內(nèi)，通過螺栓夾緊；第一直線軸承和第二直線軸承通過螺栓安裝于雙直線軸承座上，第三直線軸承通過螺栓安裝于第一單直線軸承座上，第三直線軸承通過螺栓安裝于第二單直線軸承座上；第三直線軸承和第一直線軸承分別裝配于第一導(dǎo)軌上，第二直線軸承和第三直線軸承分別裝配于第二導(dǎo)軌上；雙直線軸承座、第一單直線軸承座和第二單直線軸承座分別通過螺栓安裝于動子上；動子安裝于定子的橫向?qū)к壊蹆?nèi)，第一箝位斜塊、第二箝位斜塊、第三箝位斜塊和第四箝位斜塊分別安裝于定子的縱向?qū)к壊蹆?nèi)；第一箝位彈簧、第二箝位彈簧、第三箝位彈簧和第四箝位彈簧分別安裝于定子和各個箝位斜塊的定位卡槽內(nèi)；第一復(fù)位彈簧和第二復(fù)位彈簧分別安裝于定子和動子的定位卡槽內(nèi)；尾座安裝于底座的尾部，通過定位螺栓定位，通過緊固螺栓夾緊；拉力傳感器座通過螺栓安裝于尾座上；拉力傳感器通過螺栓安裝于拉力傳感器座上；第二右夾具通過螺栓安裝于拉力傳感器上，第一右夾具通過螺栓安裝于第二右夾具上；第二左夾具通過螺栓安裝于動子上，第一左夾具通過螺栓安裝于第二左夾具上；位移傳感器通過傳感器座用螺栓安裝于第二左夾具上，拉桿通過拉桿座用螺栓安裝于第二右夾具上；第一復(fù)位螺栓、第二復(fù)位螺栓、第三復(fù)位螺栓和第四復(fù)位螺栓分別通過螺紋與第一箝位斜塊、第二箝位斜塊、第三箝位斜塊和第四箝位斜塊旋緊連接，并分別通過定子上的通孔伸出定子兩側(cè)。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:采用了一種基于斜塊箝位的尺蠖型壓電驅(qū)動器，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的，分別率更高的載荷加載，克服了傳統(tǒng)的宏觀大尺寸裝置難以滿足精度要求和具有累積誤差的缺陷，能夠更加有效的對被測試件斷裂過程中的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂進(jìn)行原位觀測，為更進(jìn)一步的研究材料的力學(xué)性能和裂紋產(chǎn)生斷裂機(jī)理提供了更加精密的測試裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的立體示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明的裝夾部分立體示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明的驅(qū)動部分立體示意圖。
[0014]圖4為本發(fā)明的驅(qū)動器驅(qū)動原理圖一。
[0015]圖5為本發(fā)明的驅(qū)動器驅(qū)動原理圖二。
[0016]圖中:1、底座；2、第一導(dǎo)軌座；3、第一復(fù)位彈簧；4、定子；5、第二復(fù)位彈簧；6、雙直線軸承座；7、第二導(dǎo)軌座；8、第二箝位斜塊；9、第二直線軸承；10、第二導(dǎo)軌；11、第二箝位彈簧；12、位移傳感器；13、第一單直線軸承座；14、第三直線軸承；15、被測試件；16、第一右夾具；17、第三箝位彈簧；18、第三導(dǎo)軌座；19、第三箝位斜塊；20、尾座；21、拉力傳感器；22、拉力傳感器座；23、定位螺栓；24、緊固螺栓；25、第二右夾具；26、第四導(dǎo)軌座；27、第四箝位斜塊；28、第一導(dǎo)軌；29、第四箝位彈簧；30、第四復(fù)位螺栓；31、驅(qū)動壓電疊堆；32、第一左夾具；33、第四直線軸承；34、第二左夾具；35、第二單直線軸承座；36、第一箝位斜塊；37、第一復(fù)位螺栓；38、第一箝位彈簧；39、動子；40、第一直線軸承；41、第二復(fù)位螺栓；42、第三復(fù)位螺栓?！揪唧w實施方式】
[0017]請參閱圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明是由底座1、第一導(dǎo)軌座2、第一復(fù)位彈簧3、定子4、第二復(fù)位彈簧5、雙直線軸承座6、第二導(dǎo)軌座7、第二箝位斜塊8、第二直線軸承9、第二導(dǎo)軌10、第二箝位彈簧11、位移傳感器12、第一單直線軸承座13、第三直線軸承14、被測試件15、第一右夾具16、第三箝位彈簧17、第三導(dǎo)軌座18、第三箝位斜塊19、尾座20、拉力傳感器21、拉力傳感器座22、定位螺栓23、緊固螺栓24、第二右夾具25、第四導(dǎo)軌座26、第四箝位斜塊27、第一導(dǎo)軌28、第四箝位彈簧29、第四復(fù)位螺栓30、驅(qū)動壓電疊堆31、第一左夾具32、第四直線軸承33、第二左夾具34、第二單直線軸承座35、第一箝位斜塊36、第一復(fù)位螺栓37、第一箝位彈簧38、動子39、第一直線軸承40、第二復(fù)位螺栓41和第三復(fù)位螺栓42組成。
[0018]所述的定子4通過螺栓固定于底座I上；第一導(dǎo)軌座2、第二導(dǎo)軌座7、第三導(dǎo)軌座18、第四導(dǎo)軌座26分別通過螺栓固定于定子4上；第一導(dǎo)軌28安裝于第一導(dǎo)軌座2和第四導(dǎo)軌座26的定位孔內(nèi)，通過螺栓夾緊；第二導(dǎo)軌10安裝于第二導(dǎo)軌座7和第三導(dǎo)軌座18的定位孔內(nèi)，通過螺栓夾緊；第一直線軸承40和第二直線軸承9通過螺栓安裝于雙直線軸承座6上，第三直線軸承14通過螺栓安裝于第一單直線軸承座13上，第三直線軸承33通過螺栓安裝于第二單直線軸承座35上；第三直線軸承33和第一直線軸承40分別裝配于第一導(dǎo)軌28上，第二直線軸承9和第三直線軸承14分別裝配于第二導(dǎo)軌10上；雙直線軸承座6、第一單直線軸承座13和第二單直線軸承座35分別通過螺栓安裝于動子39上；動子39安裝于定子4的橫向?qū)к壊蹆?nèi)，第一箝位斜塊36、第二箝位斜塊8、第三箝位斜塊19和第四箝位斜塊27分別安裝于定子4的縱向?qū)к壊蹆?nèi)；第一箝位彈簧38、第二箝位彈簧11、第三箝位彈簧17和第四箝位彈簧29分別安裝于定子4和各個箝位斜塊的定位卡槽內(nèi);第一復(fù)位彈簧3和第二復(fù)位彈簧5分別安裝于定子4和動子39的定位卡槽內(nèi)；尾座20安裝于底座I的尾部，通過定位螺栓23定位，通過緊固螺栓24夾緊；拉力傳感器座22通過螺栓安裝于尾座20上；拉力傳感器21通過螺栓安裝于拉力傳感器座22上；第二右夾具25通過螺栓安裝于拉力傳感器21上，第一右夾具16通過螺栓安裝于第二右夾具25上；第二左夾具34通過螺栓安裝于動子39上，第一左夾具32通過螺栓安裝于第二左夾具34上；位移傳感器12通過傳感器座用螺栓安裝于第二左夾具34上，拉桿通過拉桿座用螺栓安裝于第二右夾具25上；第一復(fù)位螺栓37、第二復(fù)位螺栓41、第三復(fù)位螺栓42和第四復(fù)位螺栓30分別通過螺紋與第一箝位斜塊36、第二箝位斜塊8、第三箝位斜塊19和第四箝位斜塊27旋緊連接，并分別通過定子4上的通孔伸出定子兩側(cè)。
[0019]如圖4和圖5所示，本發(fā)明在具體測試過程中，首先，被測試件15在進(jìn)行拉伸測試前，需采用線切割加工方法試制處帶有應(yīng)力薄弱區(qū)域或預(yù)知缺口的試件，并通過單面拋光處理得到可用于高分辨率顯微成像監(jiān)測的較好表面光潔度，或通過化學(xué)腐蝕等工藝得到金相等顯微形貌，然后將試件15裝夾在左右兩夾具之間，通過調(diào)整尾座20的位置使兩夾具之間的距離適于被測試件15的長度。進(jìn)一步，通過調(diào)整夾具的位置及利用水平儀和千分表的檢測來保證試件15測試過程中的共面性和準(zhǔn)確位置。準(zhǔn)備完畢后，通過專用的壓電陶瓷驅(qū)動電源為驅(qū)動壓電疊堆31提供驅(qū)動信號，被測試件15的伸長位移由位移傳感器12拾取，在此過程中的拉力由拉力傳感器21拾取，兩路信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行必要的信號調(diào)理后送入計算機(jī)。在測試的整個過程中，被測試件15在載荷作用下材料的變形損傷情況由高放大倍率成像系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并可同時記錄圖像，結(jié)合上位機(jī)調(diào)試軟件亦可實時獲取表征材料力學(xué)性能的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度等重要力學(xué)參數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于尺蠖型壓電驅(qū)動器的原位拉伸實驗儀，其特征在于:是由底座(1)、第一導(dǎo)軌座(2)、第一復(fù)位彈簧(3)、定子(4)、第二復(fù)位彈簧(5)、雙直線軸承座(6)、第二導(dǎo)軌座(7)、第二箝位斜塊(8)、第二直線軸承(9)、第二導(dǎo)軌(10)、第二箝位彈簧(11)、位移傳感器(12)、第一單直線軸承座(13)、第三直線軸承(14)、被測試件(15)、第一右夾具(16)、第三箝位彈簧(17)、第三導(dǎo)軌座(18)、第三箝位斜塊(19)、尾座(20)、拉力傳感器(21)、拉力傳感器座(22)、定位螺栓(23)、緊固螺栓(24)、第二右夾具(25)、第四導(dǎo)軌座(26)、第四箝位斜塊(27)、第一導(dǎo)軌(28)、第四箝位彈簧(29)、第四復(fù)位螺栓(30)、驅(qū)動壓電疊堆(31)、第一左夾具(32)、第四直線軸承(33)、第二左夾具(34)、第二單直線軸承座(35)、第一箝位斜塊(36)、第一復(fù)位螺栓(37)、第一箝位彈簧(38)、動子(39)、第一直線軸承(40)、第二復(fù)位螺栓(41)和第三復(fù)位螺栓(42)組成； 所述的定子(4)通過螺栓固定于底座(1)上；第一導(dǎo)軌座(2)、第二導(dǎo)軌座(7)、第三導(dǎo)軌座(18)、第四導(dǎo)軌座(26)分別通過螺栓固定于定子(4)上；第一導(dǎo)軌(28)安裝于第一導(dǎo)軌座(2)和第四導(dǎo)軌座(26)的定位孔內(nèi)，通過螺栓夾緊；第二導(dǎo)軌(10)安裝于第二導(dǎo)軌座(7)和第三導(dǎo)軌座(18)的定位孔內(nèi)，通過螺栓夾緊；第一直線軸承(40)和第二直線軸承(9)通過螺栓安裝于雙直線軸承座(6)上，第三直線軸承(14)通過螺栓安裝于第一單直線軸承座(13)上，第三直線軸承(33)通過螺栓安裝于第二單直線軸承座(35)上；第三直線軸承(33)和第一直線軸承(40)分別裝配于第一導(dǎo)軌(28)上，第二直線軸承(9)和第三直線軸承(14)分別裝配于第二導(dǎo)軌(10)上；雙直線軸承座(6)、第一單直線軸承座(13)和第二單直線軸承座(35)分別通過螺栓安裝于動子(39)上；動子(39)安裝于定子(4)的橫向?qū)к壊蹆?nèi)，第一箝位斜塊(36)、第二箝位斜塊(8)、第三箝位斜塊(19)和第四箝位斜塊(27)分別安裝于定子(4)的縱向?qū)к壊蹆?nèi)；第一箝位彈簧(38)、第二箝位彈簧(11)、第三箝位彈簧(17)和第四箝位彈簧(29)分別安裝于定子(4)和各個箝位斜塊的定位卡槽內(nèi)；第一復(fù)位彈簧(3)和第二復(fù)位彈簧(5)分別安裝于定子(4)和動子(39)的定位卡槽內(nèi)；尾座(20)安裝于底座(1)的尾部，通過定位螺栓(23)定位，通過緊固螺栓(24)夾緊；拉力傳感器座(22)通過螺栓安裝于尾座(20)上；拉力傳感器(21)通過螺栓安裝于拉力傳感器座(22)上?’第二右夾具(25)通過螺栓安裝于拉力傳感器(21)上，第一右夾具(16)通過螺栓安裝于第二右夾具(25)上；第二左夾具(34)通過螺栓安裝于動子(39)上，第一左夾具(32)通過螺栓安裝于第二左夾具(34)上；位移傳感器(12)通過傳感器座用螺栓安裝于第二左夾具(34)上，拉桿通過拉桿座用螺栓安裝于第二右夾具(25)上；第一復(fù)位螺栓(37)、第二復(fù)位螺栓(41)、第三復(fù)位螺栓(42)和第四復(fù)位螺栓(30)分別通過螺紋與第一箝位斜塊(36)、第二箝位斜塊(8)、第三箝位斜塊(19)和第四箝位斜塊(27)旋緊連接，并分別通過定子(4)上的通孔伸出定子兩側(cè)。
【文檔編號】G01N3/08GK103528889SQ201310524138
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】張志輝, 王書鵬, 趙宏偉, 任露泉, 李凌, 馬志超 申請人:吉林大學(xué)