專利名稱：雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)電類的材料性能測試儀器，特別涉及一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置。
背景技術(shù)：
雙軸向拉伸作為材料力學(xué)性能測試的重要手段，主要采用兩個(gè)方向同時(shí)施加載荷的方法對(duì)有較大泊松比和各向異性的非均勻材料進(jìn)行測試，一般要求測試中有多種測量模式可供選擇，如雙軸定拉力比、定伸長比、定蠕變比和定松弛比等模式，并可結(jié)合載荷/位移傳感器和相關(guān)算法，獲取彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比等重要力學(xué)參數(shù)。其中，彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)均可通過單軸拉伸等實(shí)驗(yàn)方法測定。此外，泊松現(xiàn)象是指材料沿載荷方向產(chǎn)生伸長(或縮短)變形的同時(shí)，在垂直于載荷的方向會(huì)產(chǎn)生縮短(或伸長)變形，垂直方向上的應(yīng)變與載荷方向上的應(yīng)變之比稱為材料的泊松比。目前，雙軸向拉伸的材料力學(xué)性能測試儀器沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，國際上也處于草案修訂階段。已有的雙軸向拉伸試驗(yàn)機(jī)主要用于平面織物或者涂層復(fù)合材料的雙軸向力學(xué)性能測試，亦有針對(duì)巖土等建筑或地質(zhì)材料所進(jìn)行測試的相關(guān)報(bào)道，缺乏對(duì)特征尺寸毫米或者厘米級(jí)以上三維宏觀金屬材料、高分子材料等的相關(guān)研究，且此類儀器多通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠結(jié)合直線軸承或?qū)к壗M件實(shí)現(xiàn)的雙軸向拉伸，被測試件寬度與夾頭協(xié)調(diào)對(duì)應(yīng)。與此同時(shí)，原位微納米力學(xué)測試技術(shù)是指在微納米尺度下對(duì)試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測試過程中，通過電子顯微鏡、原子力顯微鏡和或光學(xué)顯微鏡等成像儀器對(duì)載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形、損傷直至失效破壞的過程進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測的一種力學(xué)測試技術(shù)。因此，一些現(xiàn)有雙軸向拉伸儀器通常配備有連續(xù)變倍的長焦距光學(xué)鏡頭和反射光源、透射光源，可對(duì)被測材料的組織紋理結(jié)構(gòu)的形態(tài)及其變化進(jìn)行觀測，且被測材料的應(yīng)變值亦往往通過光學(xué)方法標(biāo)定測量。此類儀器往往因其較大的結(jié)構(gòu)尺寸限制，無法內(nèi)置于掃描電子顯微鏡的真空腔體內(nèi)，因此受限于光學(xué)顯微成像系統(tǒng)的成像原理及放大倍率，無法深入揭示材料的微觀變形、損傷機(jī)制。此外，由于材料尺寸效應(yīng)的存在，微構(gòu)件與宏觀試件的力學(xué)性能迥然不同，因此開展特征尺寸毫米級(jí)以上宏觀試件的力學(xué)測試，更符合各類材料實(shí)際工況下服役性能測試的要求。綜上所述，掃描電鏡下雙軸拉伸/壓縮材料力學(xué)性能測試裝置尚屬萌芽狀態(tài)，具體表現(xiàn)為從在結(jié)構(gòu)上，此類儀器多通過驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)的串聯(lián)布局，往往造成整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸較大，且在一定程度上削弱系統(tǒng)剛度；從觀測手段上看，因受限于掃描電子顯微鏡的真空腔體積限制，此類儀器尚無法實(shí)現(xiàn)與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)兼容，且與掃描電鏡的真空兼容性及電磁兼容性尚無法確定。同時(shí)，光學(xué)顯微鏡因其成像原理的問題，存在著明顯的放大倍率不足的缺點(diǎn)，原子力顯微鏡則具有成像速度過慢的缺點(diǎn)，兩種觀測方法均難以深入研究載荷變化對(duì)材料力學(xué)行為和損傷機(jī)制的影響規(guī)律。相比這類常用儀器，掃描電鏡擁有成像高度高，放大倍率高，成像效果清晰等優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，測試精度高，且能與電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)兼容使用的雙軸向拉伸/壓縮模式材料力學(xué)性能測試裝置可為原位力學(xué)測試領(lǐng)域提供新的研究手段，即可對(duì)材料在雙軸向載荷作用下的微觀力學(xué)行為及變形損傷機(jī)制進(jìn)行深入研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明是一種可與Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡兼容使用的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，屬材料力學(xué)性能測試類儀器。基于由高精度伺服電機(jī)、三級(jí)大減速比減速機(jī)構(gòu)、小導(dǎo)程滾珠絲杠螺母副及導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)組成的精 密驅(qū)動(dòng)單元及精密傳動(dòng)單元，該測試裝置可以極低速的準(zhǔn)靜態(tài)模式實(shí)現(xiàn)載荷的精密施加，同時(shí)通過四路載荷/位移信號(hào)的同步精密采集并結(jié)合以載荷、位移及變形信號(hào)作為反饋量的閉環(huán)控制策略，該測試裝置亦可開展涵蓋單軸拉伸/壓縮模式、雙軸等速/變速同步拉伸/壓縮模式、雙軸等速/變速異步拉伸/壓縮模式等多種類型的材料力學(xué)性能測試模式，且各軸驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)及檢測單元獨(dú)立，互不干涉，即各軸加載次序及應(yīng)變速率可控。此外，該測試裝置結(jié)構(gòu)緊湊、精巧，亦可安裝于光學(xué)顯微成像系統(tǒng)或X射線衍射儀的載物平臺(tái)上，可在上述多類儀器的觀測下開展二維或三維宏觀試件的原位力學(xué)測試，對(duì)雙軸應(yīng)力作用下各類材料的各向異性力學(xué)性能與損傷機(jī)制相關(guān)性進(jìn)行深入研究。因雙軸可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，且雙軸載荷/位移信號(hào)的檢測獨(dú)立，可以進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，即拉伸過程中動(dòng)態(tài)控制各軸的應(yīng)力/應(yīng)變比，故亦屬于復(fù)合試驗(yàn)機(jī)類。該裝置可廣泛用于金屬材料、薄膜材料、高分子材料等的各項(xiàng)異性力學(xué)性能分析。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，包括雙向加載及傳動(dòng)單兀、雙向信號(hào)檢測及控制單元、夾具體單元及基座單元，所述雙向加載及傳動(dòng)單元，包含精密直流伺服電機(jī)、三級(jí)減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠螺母-導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以單向驅(qū)動(dòng)加載為例，直流伺服電機(jī)-I I輸出的精密旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過由三級(jí)減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩，并通過精密滾珠絲杠螺母-導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成精密直線運(yùn)動(dòng)；所述精密滾珠絲杠螺母-導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由滾珠絲杠-I 11、滾珠絲杠法蘭-I 54、滾珠絲杠套筒-I 15、導(dǎo)軌30、滑塊57組成；齒輪減速器-I 49與直流伺服電機(jī)-I I同軸安裝，并通過電機(jī)法蘭-I 2與下層基座20連接，一級(jí)蝸桿-I 3通過其上的螺釘與齒輪減速器-I 49的輸出軸套接，二級(jí)蝸桿-I 7套接于蝸桿軸-I 5上，并通過蝸桿軸止動(dòng)軸承-1、11 50、53定位，滾珠絲杠-I 11通過絲杠內(nèi)、外止動(dòng)軸承46、45及絲杠內(nèi)、外止動(dòng)套環(huán)51、52實(shí)現(xiàn)其軸向定位，并通過滾珠絲杠軸承座-I 10與上層基座19連接，滾珠絲杠套筒-I 15與滾珠絲杠法蘭-I 54剛性連接并整體安裝于滑塊57上，導(dǎo)軌30及滑塊57用于滾珠絲杠套筒-I 15的導(dǎo)向，且基座20的設(shè)計(jì)有兩組平行凹槽，用于導(dǎo)軌30的直線定位；
所述的雙向信號(hào)檢測及控制單元包含精密拉壓力傳感器-I、II 28、21、位移傳感器-I、II 16、43及編碼器-I、II 48,55,同樣以單向信號(hào)檢測為例說明，位移傳感器-I 16的基體部分間隙安裝于位移傳感器基座-I 13內(nèi)，并通過位移傳感器緊固螺釘-I 12對(duì)其進(jìn)行緊固，其前端可伸縮探頭與位移傳感器支承座-I 24在測試過程中始終保持彈性接觸狀態(tài)，且位移傳感器基座-I 13與滾珠絲杠套筒-I 15為同一整體結(jié)構(gòu)，位移傳感器支承座-I 24與力傳感器支承座-I 27剛性連接，且通過位移傳感器支承座-I 24上的凹槽以及力傳感器支承座-I上的凸棱柱接觸配合定位，即位移傳感器-I 16所檢測到的實(shí)際位移為滾珠絲杠套筒-I 15與力傳感器支承座-I 27之間的相對(duì)位移；精密拉壓力傳感器-I 28分別與下層基座20及力傳感器支承座-I 27通過螺紋方式剛性連接，且下層基座20末端設(shè)計(jì)有臺(tái)階面以對(duì)精密拉壓力傳感器-I 28進(jìn)行面定位；編碼器-I 48為高線數(shù)光電編碼器，與直流伺服電機(jī)-I I的轉(zhuǎn)子同軸安裝；另一方向的信號(hào)檢測模式與上述實(shí)現(xiàn)方法相同，因此，可基于載荷/變形雙路模擬信號(hào)及編碼器的標(biāo)定位移數(shù)字信號(hào)的采集實(shí)現(xiàn)單一加載方向的信號(hào)檢測，同時(shí)上述三種信號(hào)亦可作為直流伺服電機(jī)-I I的脈沖/方向閉環(huán)控制模式的反饋信號(hào)源，即測試裝置可實(shí)現(xiàn)恒變形速率、恒載荷速率及恒位移速率三種加載/卸載方式；
所述的夾具體單元包含標(biāo)準(zhǔn)試件25，其通過夾持端的通孔實(shí)現(xiàn)其各軸向定位，并與具有單面滾花狀結(jié)構(gòu)的四組壓板26、夾具體-I、11 14、42及力傳感器支承座-I、11 27,23通過滾花面的壓應(yīng)力保持接觸；夾具體-I、11 14、42分別設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)分別與下層的滾珠絲杠套筒-I、11 15,29的凸棱柱配合安裝以實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具體的定位；滾珠絲杠套筒-II 29與滾珠絲杠法蘭-II 47剛性連接并整體安裝于滑塊57上；
所述的基座單元包含上、下層基座19、20，分別用于固定電機(jī)法蘭-I、11 2、32、蝸桿軸軸承座-I、11 6、35、滾珠絲杠軸承座-I、11 10、40、導(dǎo)軌30以及精密拉壓力傳感器-I、II 28、21，所述上、下層基座19、20通過基座連接螺釘22剛性連接。本發(fā)明所述的三級(jí)減速機(jī)構(gòu)是由第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)-齒輪減速器-I 49、第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副以及第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副組成的三級(jí)大減速比減速機(jī)構(gòu)，所述第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由一級(jí)蝸桿-I 3、一級(jí)渦輪-I 4組成，第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由二級(jí)蝸桿-I 7、二級(jí)渦輪-I 9組成?？商峁┏退贉?zhǔn)靜態(tài)的加載方式，并實(shí)現(xiàn)較大程度的降低轉(zhuǎn)速并提高扭矩。本發(fā)明所述的標(biāo)準(zhǔn)試件25具有雙軸完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即的應(yīng)力薄弱區(qū)域處于其幾何中心位置，且各向結(jié)構(gòu)尺寸均一致。本發(fā)明所述的雙向加載及傳動(dòng)單元各單向載荷施加速率可控，施加方式獨(dú)立，施加順序可控。因此就基于此種加載方式，可實(shí)現(xiàn)單軸拉伸/壓縮模式(僅對(duì)試件單一載荷方向施加夾持)、等速雙軸拉伸/壓縮模式及變速雙軸拉伸/壓縮模式以及雙軸依次加載模式等多種形式的力學(xué)測試。本發(fā)明所述的力傳感器支承座-I、II 27,23以及滾珠絲杠套筒-I、II 15,29上的用于定位的接觸面均設(shè)有凸棱柱，位移傳感器支承座-I、II 24,17以及夾具體-I、II 14,42上的用于定位的接觸面設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)與凸棱柱間隙安裝以實(shí)現(xiàn)定位。本發(fā)明所述的絲杠內(nèi)止動(dòng)套環(huán)51分別與滾珠絲杠-I 11的軸肩及絲杠內(nèi)止動(dòng)軸承46的內(nèi)圈保持面接觸，絲杠外止動(dòng)套環(huán)52分別與絲杠鎖緊螺母-I、11 8、38及絲杠外止動(dòng)軸承45的內(nèi)圈保持面接觸；同時(shí),蝸桿軸止動(dòng)軸承-I、II 50,53的內(nèi)圈分別與蝸桿軸-I、11 5、36的軸肩保持面接觸，上述軸承均為帶有凸緣外圈的深溝球軸承，以實(shí)現(xiàn)滾珠 絲杠-I、II 11、41以及蝸桿軸-I、II 5、36的軸向定位。本發(fā)明所述的上、下層基座19、20通過基座連接螺釘22及定位銷進(jìn)行剛性連接與定位。本發(fā)明所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置的主體尺寸為182mmX 44mmX 145mm,與Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀及光學(xué)顯微成像組件具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性。本發(fā)明另一方向的驅(qū)動(dòng)加載模式與上述實(shí)現(xiàn)方法相同，其中，所述第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由一級(jí)蝸桿-II 33、一級(jí)渦輪-II 34組成，第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由二級(jí)蝸桿-II 37、二級(jí)渦輪-II 39組成。齒輪減速器-II 56與直流伺服電機(jī)-II 31同軸安裝，并通過電機(jī)法蘭-II 32與下層基座20連接。本發(fā)明的有益效果在于與現(xiàn)有的雙軸向拉伸測試裝置大多僅針對(duì)于紡織行業(yè)的針織物或其他類薄膜、薄板材料進(jìn)行力學(xué)測試，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)掃面電鏡下的原位觀測相比，本發(fā)明具有體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，可與主流商業(yè)化掃描電子顯 微鏡(以Zeiss EVO 18為例)實(shí)現(xiàn)兼容使用，同時(shí)亦可安裝于原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡等具有開放式載物結(jié)構(gòu)成像設(shè)備的載物平臺(tái)上，可在上述多類儀器的觀測下開展二維或三維宏觀試件的原位力學(xué)測試，進(jìn)而對(duì)雙軸應(yīng)力作用下各類材料的各向異性力學(xué)性能與損傷機(jī)制相關(guān)性進(jìn)行深入研究。同時(shí)，基于三級(jí)減速加載方式，各單軸均可提供超低速準(zhǔn)靜態(tài)的驅(qū)動(dòng)模式，且各軸驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)及檢測單元獨(dú)立，互不干涉，即各軸加載次序及應(yīng)變速率可控。并通過四路載荷/位移信號(hào)的同步檢測，結(jié)合相關(guān)算法，亦可自動(dòng)擬合生成載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)合上述原位觀測功能，可對(duì)各向異性材料在雙軸向載荷作用下的力學(xué)服役行為及損傷機(jī)制進(jìn)行研究。綜上所述，本發(fā)明對(duì)豐富原位力學(xué)測試內(nèi)容和促進(jìn)材料力學(xué)性能測試技術(shù)及裝備的應(yīng)用具有一定的理論意義和應(yīng)用開發(fā)前途。


此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。圖I為本發(fā)明的整體外觀結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的俯視示意 圖3為本發(fā)明的主視示意 圖4為本發(fā)明的后視示意 圖5為本發(fā)明的試件示意圖，其中/^、/^為某一方向的拉伸、壓縮載荷，/^、為另一方向的拉伸、壓縮載荷。圖中1、直流伺服電機(jī)-I ;2、電機(jī)法蘭-I ; 3、一級(jí)蝸桿-I ; 4、一級(jí)渦輪-I ; 5、蝸桿軸-I ; 6、蝸桿軸軸承座-I ; 7、二級(jí)蝸桿-I ; 8、絲杠鎖緊螺母-I ;
9、二級(jí)蝸輪-I ; 10、滾珠絲杠軸承座-I ;11、滾珠絲杠-I ; 12、位移傳感器緊固螺釘-I ; 13、位移傳感器基座-I ; 14、夾具體-I ; 15、滾珠絲杠套筒-I ; 16、位移傳感器-I ; 17、位移傳感器支承座-II ; 18、力傳感器連接螺釘；19、上層基座；20、下層基座；21、精密拉壓力傳感器-II ; 22、基座連接螺釘；23、力傳感器支承座-II ; 24、位移傳感器支承座-I ; 25、試件；26、壓板；27、力傳感器支承座-I ;、28、精密拉壓力傳感器-I ; 29、滾珠絲杠套筒-II; 30、導(dǎo)軌；31、直流伺服電機(jī)-II; 32、電機(jī)法蘭-II ； 33、一級(jí)蝸桿-II ； 34、一級(jí)渦輪-II ； 35、蝸桿軸軸承座-II ； 36、蝸桿軸-II ；37、二級(jí)蝸桿-II; 38、絲杠鎖緊螺母-II; 39、二級(jí)蝸輪-II; 40、滾珠絲杠軸承座-II ;41、滾珠絲杠-II ； 42、夾具體-II ； 43、位移傳感器-II ； 44、位移傳感器基座-II ； 45、絲杠外止動(dòng)軸承；46、絲杠內(nèi)止動(dòng)軸承；47、滾珠絲杠法蘭-II; 48、編碼器-I ; 49、齒輪減速器-I ; 50、蝸桿軸止動(dòng)軸承-I ; 51、絲杠內(nèi)止動(dòng)套環(huán)；52、絲杠外止動(dòng)套環(huán)；
53、蝸桿軸止動(dòng)軸承-II ； 54、滾珠絲杠法蘭-I ; 55、編碼器-II ； 56、齒輪減速器-II ；57、滑塊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。 參見圖I至圖5，本發(fā)明的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，包括雙向加載及傳動(dòng)單元、雙向信號(hào)檢測及控制單元、夾具體單元及基座單元，所述雙向加載及傳動(dòng)單元，包含精密直流伺服電機(jī)、三級(jí)減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠螺母-導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以單向驅(qū)動(dòng)加載為例，直流伺服電機(jī)-I I輸出的精密旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過由三級(jí)減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩，并通過精密滾珠絲杠螺母-導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成精密直線運(yùn)動(dòng)；所述精密滾珠絲杠螺母-導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由滾珠絲杠-I 11、滾珠絲杠法蘭-I 54、滾珠絲杠套筒-I 15、導(dǎo)軌30、滑塊57組成；齒輪減速器-I 49與直流伺服電機(jī)-I I同軸安裝，并通過電機(jī)法蘭-I 2與下層基座20連接，一級(jí)蝸桿-I 3通過其上的螺釘與齒輪減速器-I 49的輸出軸套接，二級(jí)蝸桿-I 7套接于蝸桿軸-I 5上，并通過蝸桿軸止動(dòng)軸承-1、11 50、53定位，滾珠絲杠-I 11通過絲杠內(nèi)、外止動(dòng)軸承46、45及絲杠內(nèi)、外止動(dòng)套環(huán)51、52實(shí)現(xiàn)其軸向定位，并通過滾珠絲杠軸承座-I 10與上層基座19連接，滾珠絲杠套筒-I 15與滾珠絲杠法蘭-I 54剛性連接并整體安裝于滑塊57上，導(dǎo)軌30及滑塊57用于滾珠絲杠套筒-I 15的導(dǎo)向，且基座20的設(shè)計(jì)有兩組平行凹槽，用于導(dǎo)軌30的直線定位；
所述的雙向信號(hào)檢測及控制單元包含精密拉壓力傳感器-I、II 28、21、位移傳感器-I、II 16、43及編碼器-I、II 48,55,同樣以單向信號(hào)檢測為例說明，位移傳感器-I 16的基體部分間隙安裝于位移傳感器基座-I 13內(nèi)，并通過位移傳感器緊固螺釘-I 12對(duì)其進(jìn)行緊固，其前端可伸縮探頭與位移傳感器支承座-I 24在測試過程中始終保持彈性接觸狀態(tài)，且位移傳感器基座-I 13與滾珠絲杠套筒-I 15為同一整體結(jié)構(gòu)，位移傳感器支承座-I 24與力傳感器支承座-I 27剛性連接，且通過位移傳感器支承座-I 24上的凹槽以及力傳感器支承座-I上的凸棱柱接觸配合定位，即位移傳感器-I 16所檢測到的實(shí)際位移為滾珠絲杠套筒-I 15與力傳感器支承座-I 27之間的相對(duì)位移；精密拉壓力傳感器-I 28分別與下層基座20及力傳感器支承座-I 27通過螺紋方式剛性連接，且下層基座20末端設(shè)計(jì)有臺(tái)階面以對(duì)精密拉壓力傳感器-I 28進(jìn)行面定位；編碼器-I 48為高線數(shù)光電編碼器，與直流伺服電機(jī)-I I的轉(zhuǎn)子同軸安裝；另一方向的信號(hào)檢測模式與上述實(shí)現(xiàn)方法相同，因此，可基于載荷/變形雙路模擬信號(hào)及編碼器的標(biāo)定位移數(shù)字信號(hào)的采集實(shí)現(xiàn)單一加載方向的信號(hào)檢測，同時(shí)上述三種信號(hào)亦可作為直流伺服電機(jī)-I I的脈沖/方向閉環(huán)控制模式的反饋信號(hào)源，即測試裝置可實(shí)現(xiàn)恒變形速率、恒載荷速率及恒位移速率三種加載/卸載方式；
所述的夾具體單元包含標(biāo)準(zhǔn)試件25，其通過夾持端的通孔實(shí)現(xiàn)其各軸向定位，并與具有單面滾花狀結(jié)構(gòu)的四組壓板26、夾具體-I、11 14、42及力傳感器支承座-I、11 27,23通過滾花面的壓應(yīng)力保持接觸；夾具體-I、11 14、42分別設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)分別與下層的滾珠絲杠套筒-I、11 15,29的凸棱柱配合安裝以實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具體的定位；滾珠絲杠套筒-II 29與滾珠絲杠法蘭-II 47剛性連接并整體安裝于滑塊57上；
所述的基座單元包含上、下層基座19、20，分別用于固定電機(jī)法蘭-I、11 2、32、蝸桿軸軸承座-I、11 6、35、滾珠絲杠軸承座-I、11 10、40、導(dǎo)軌30以及精密拉壓力傳感器-I、II 28、21，所述上、下層基座19、20通過基座連接螺釘22剛性連接。本發(fā)明所述的三級(jí)減速機(jī)構(gòu)是由第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)-齒輪減速器-I 49、第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副以及第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副組成的三級(jí)大減速比減速機(jī)構(gòu)，所述第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由一級(jí)蝸桿-I 3、一級(jí)渦輪-I 4組成，第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由二級(jí)蝸桿-I 7、二級(jí)渦輪-I 9組成?？商峁┏退贉?zhǔn)靜態(tài)的加載方式，并實(shí)現(xiàn)較大程度的降低轉(zhuǎn)速并提高扭矩。
本發(fā)明所述的標(biāo)準(zhǔn)試件25具有雙軸完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即的應(yīng)力薄弱區(qū)域處于其幾何中心位置，且各向結(jié)構(gòu)尺寸均一致。本發(fā)明所述的雙向加載及傳動(dòng)單元各單向載荷施加速率可控，施加方式獨(dú)立，施加順序可控。因此就基于此種加載方式，可實(shí)現(xiàn)單軸拉伸/壓縮模式(僅對(duì)試件單一載荷方向施加夾持)、等速雙軸拉伸/壓縮模式及變速雙軸拉伸/壓縮模式以及雙軸依次加載模式等多種形式的力學(xué)測試。本發(fā)明所述的力傳感器支承座-I、II 27,23以及滾珠絲杠套筒-I、II 15,29上的用于定位的接觸面均設(shè)有凸棱柱，位移傳感器支承座-I、II 24,17以及夾具體-I、
II14,42上的用于定位的接觸面設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)與凸棱柱間隙安裝以實(shí)現(xiàn)定位。本發(fā)明所述的絲杠內(nèi)止動(dòng)套環(huán)51分別與滾珠絲杠-I 11的軸肩及絲杠內(nèi)止動(dòng)軸承46的內(nèi)圈保持面接觸，絲杠外止動(dòng)套環(huán)52分別與絲杠鎖緊螺母-I、11 8、38及絲杠外止動(dòng)軸承45的內(nèi)圈保持面接觸；同時(shí),蝸桿軸止動(dòng)軸承-I、II 50,53的內(nèi)圈分別與蝸桿軸-I、11 5、36的軸肩保持面接觸，上述軸承均為帶有凸緣外圈的深溝球軸承，以實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠-I、II 11、41以及蝸桿軸-I、II 5、36的軸向定位。本發(fā)明所述的上、下層基座19、20通過基座連接螺釘22及定位銷進(jìn)行剛性連接與定位。本發(fā)明所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置的主體尺寸為182mmX 44mmX 145mm,與Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀及光學(xué)顯微成像組件具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性。本發(fā)明另一方向的驅(qū)動(dòng)加載模式與上述實(shí)現(xiàn)方法相同，其中，所述第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由一級(jí)蝸桿-II 33、一級(jí)渦輪-II 34組成，第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由二級(jí)蝸桿-II 37、二級(jí)渦輪-II 39組成。齒輪減速器-II 56與直流伺服電機(jī)-II 31同軸安裝，并通過電機(jī)法蘭-II 32與下層基座20連接。參見圖I至圖5，本發(fā)明所涉及的一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，該裝置的整體尺寸約為182_X44_X145mm，是根據(jù)Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡的真空腔體尺寸和成像條件所設(shè)計(jì)的，其整體結(jié)構(gòu)可安裝在此型號(hào)掃描電鏡的五軸載物工作臺(tái)，其中，直流伺服電機(jī)的繞組引線，編碼器的引線，以及四路載荷/位移傳感器的引線均通過掃描電鏡封閉艙門上的通孔外接出真空腔體外部，通過相應(yīng)的工藝進(jìn)行接口出的密封，并同數(shù)據(jù)采集卡、伺服控制器及計(jì)算機(jī)等構(gòu)成雙軸向拉伸/壓縮原位力學(xué)測試系統(tǒng)。其中涉及到的元器件和具體型號(hào)可采用位移傳感器-1、11 16、43的型號(hào)為MA-5型、精密拉壓力傳感器-I、11 28,21的型號(hào)為H32C型、直流伺服電機(jī)-I、11 1、31的型號(hào)為EC-13型、編碼器-I、II 48,55的型號(hào)為MR M-512型、齒輪減速器-I、II 49,56的型號(hào)為GP13-A型。位移傳感器和拉壓力傳感器用以同步檢測雙軸向拉伸/壓縮過程中的位移/載荷信號(hào)，為軸向拉伸/壓縮原位力學(xué)測試系統(tǒng)的閉環(huán)控制提供包括變形速率控制、載荷速率控制兩種數(shù)字/模擬反饋信號(hào)源，或通過編碼器提供的標(biāo)定位移信號(hào)，為力學(xué)測試系統(tǒng)提供半閉環(huán)反饋信號(hào)，對(duì)直流伺服電機(jī)的控制方式為脈沖/方向控制模式。結(jié)合Accelnet型伺位置控制單元對(duì)直流伺服電機(jī)進(jìn)行精確的角位移控制，從而保證測試過程中試件25的應(yīng)變速率可調(diào)并輸出給定扭矩值。以金屬材料的雙軸拉伸/壓縮測試為例，在測試前的材料準(zhǔn)備階段，需采用線切割加工方法試制出標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試件25，并利用研磨、拋光設(shè)備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，以便于在微觀尺度下的新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及材料缺陷的定性、定量評(píng)估，如有必要，亦可在試件的中央部分預(yù)制出特定形狀的缺口，以便對(duì)材料初始裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展的原位觀測。然后將被測試件25裝夾在兩組夾具體-I、11 14、42及力傳感器支承座-I、11 27,23上，標(biāo)準(zhǔn)試件25具有雙軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩組夾具體及力傳感器支承座均具有用于定位試件的通孔，即通過與試件25夾持端的通孔配合實(shí)現(xiàn)試件25的各軸向定位，之后通過四組壓板26利用高強(qiáng)度螺栓緊固連接。兩組夾具體-I、11 14、42、力傳感器支承座-I、11 27、23及四組壓板26均具有單面滾花狀結(jié)構(gòu)并與試件25以正壓力方式保持面接觸。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測試過程中的共面性和準(zhǔn)確位置。在此基礎(chǔ)上，可對(duì)試件25的擬定觀測點(diǎn)做適當(dāng)標(biāo)記。之后，關(guān)閉Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡真空腔密閉擋板并通過掃描電鏡自身的五軸載物平臺(tái)在XOY平面內(nèi)找到擬定測試點(diǎn)的標(biāo)記位置。然后，給定各軸拉伸/壓縮測試的變形速率或載荷速率控制方式，以編碼器標(biāo)定 位移控制為例，需計(jì)算出三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的減速比后，確定單個(gè)脈沖觸發(fā)所對(duì)應(yīng)的夾具體的位移量，即通過測試算法程序設(shè)定測試條件和參數(shù)，在時(shí)序脈沖控制信號(hào)作用以脈沖/方向模式驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)-1、11 1、31輸出精確角位移，通過三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的的減速、增距及滾珠絲杠-I II 11、41運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換最終實(shí)現(xiàn)對(duì)試件25的超低速準(zhǔn)靜態(tài)加載，如前所述，各軸的加載速率、方向相互獨(dú)立，測試過程中精密拉壓力傳感器-I、11 28、21對(duì)雙軸拉伸/壓縮軸向的載荷/^'進(jìn)行檢測；；同時(shí)試件的變形量7由位移傳感器-I、11 16,43同步拾取，四路信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行必要的信號(hào)調(diào)理后送入計(jì)算機(jī)。在測試的整個(gè)過程中，被測試件25在雙軸載荷作用下材料的變形、損傷情況由高放大倍率的掃描電子顯微鏡成像系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，且因?yàn)樗褂玫牡诙?jí)減速機(jī)構(gòu)-蝸輪蝸桿副由一級(jí)蝸桿-I 3、一級(jí)渦輪-I 4組成、第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)-蝸輪蝸桿副由二級(jí)蝸桿-I 7、二級(jí)渦輪-I 9組成以及滾珠絲杠-I II 11、41均具有自鎖功能，即在掃描電鏡圖像采集階段，被測試件25不會(huì)因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)-I、11 1、31在暫時(shí)停轉(zhuǎn)而產(chǎn)生彈性回復(fù)現(xiàn)象在此基礎(chǔ)上，結(jié)合上位機(jī)調(diào)試軟件亦可實(shí)時(shí)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)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改 進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，其特征在于包括雙向加載及傳動(dòng)單元、雙向信號(hào)檢測及控制單元、夾具體單元及基座單元，所述雙向加載及傳動(dòng)單元，包含精密直流伺服電機(jī)、三級(jí)減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠螺母-導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直流伺服電機(jī)-1 (I)輸出的精密旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過由三級(jí)減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩，并通過精密滾珠絲杠螺母-導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成精密直線運(yùn)動(dòng)；齒輪減速器-I (49)與直流伺服電機(jī)-I (I)同軸安裝，并通過電機(jī)法蘭-I (2)與下層基座(20)連接，一級(jí)蝸桿-I(3)通過其上的螺釘與齒輪減速器-I (49)的輸出軸套接，二級(jí)蝸桿-I (7)套接于蝸桿軸-I (5)上，并通過蝸桿軸止動(dòng)軸承-I、11(50、53)定位，滾珠絲杠-I (11)通過絲杠內(nèi)、外止動(dòng)軸承(46、45)及絲杠內(nèi)、外止動(dòng)套環(huán)(51、52)實(shí)現(xiàn)其軸向定位，并通過滾珠絲杠軸承座-I (10)與上層基座(19)連接，滾珠絲杠套筒-I (15)與滾珠絲杠法蘭-I (54)剛性連接并整體安裝于滑塊(57)上，導(dǎo)軌(30)及滑塊(57)用于滾珠絲杠套筒-I (15)的導(dǎo)向，且基座(20)的設(shè)計(jì)有兩組平行凹槽，用于導(dǎo)軌(30)的直線定位； 所述的雙向信號(hào)檢測及控制單元包含精密拉壓力傳感器-I、11(28、21)、位移傳感 器-I、11(16、43)及編碼器-I、11(48、55)，位移傳感器-I (16)的基體部分間隙安裝于位移傳感器基座-I (13)內(nèi)，并通過位移傳感器緊固螺釘-I (12)對(duì)其進(jìn)行緊固，其前端可伸縮探頭與位移傳感器支承座-I (24)在測試過程中始終保持彈性接觸狀態(tài)，且位移傳感器基座-I (13)與滾珠絲杠套筒-I (15)為同一整體結(jié)構(gòu)，位移傳感器支承座-I(24)與力傳感器支承座-I (27)剛性連接，且通過位移傳感器支承座-I (24)上的凹槽以及力傳感器支承座-I上的凸棱柱接觸配合定位，即位移傳感器-I (16)所檢測到的實(shí)際位移為滾珠絲杠套筒-I (15)與力傳感器支承座-I (27)之間的相對(duì)位移；精密拉壓力傳感器-I (28)分別與下層基座(20)及力傳感器支承座-I (27)通過螺紋方式剛性連接，且下層基座(20)末端設(shè)計(jì)有臺(tái)階面以對(duì)精密拉壓力傳感器-I (28)進(jìn)行面定位；編碼器-I (48)為高線數(shù)光電編碼器，與直流伺服電機(jī)-I (I)的轉(zhuǎn)子同軸安裝； 所述的夾具體單元包含標(biāo)準(zhǔn)試件(25)，其通過夾持端的通孔實(shí)現(xiàn)其各軸向定位，并與具有單面滾花狀結(jié)構(gòu)的四組壓板(26)、夾具體-I、11(14、42)及力傳感器支承座-1、11(27、23)通過滾花面的壓應(yīng)力保持接觸；夾具體-I、11 (14、42)分別設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)分別與下層的滾珠絲杠套筒-I、II (15、29)的凸棱柱配合安裝； 所述的基座單元包含上、下層基座(19、20)，分別用于固定電機(jī)法蘭-I、11(2、32)、蝸桿軸軸承座-I、11 (6、35)、滾珠絲杠軸承座-I、11(10、40)、導(dǎo)軌(30)以及精密拉壓力傳感器-I、11(28、21)，所述上、下層基座(19、20)通過基座連接螺釘(22)剛性連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，其特征在于所述的三級(jí)減速機(jī)構(gòu)是由第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)-齒輪減速器-I (49)、第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副以及第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副組成的三級(jí)大減速比減速機(jī)構(gòu)，所述第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由一級(jí)蝸桿-I (3)、一級(jí)渦輪-I (4)組成，第三級(jí)減速機(jī)構(gòu)的蝸輪蝸桿副由二級(jí)蝸桿-I (7)、二級(jí)渦輪-I (9)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)試件(25)具有雙軸完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，其特征在于所述的力傳感器支承座-I、11(27、23)以及滾珠絲杠套筒-I、11(15、29)上的用于定位的接觸面均設(shè)有凸棱柱，位移傳感器支承座-I、11(24、17)以及夾具體-1、11(14、42)上的用于定位的接觸面設(shè)有凹槽結(jié)構(gòu)與凸棱柱間隙安裝以實(shí)現(xiàn)定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，其特征在于所述的絲杠內(nèi)止動(dòng)套環(huán)(51)分別與滾珠絲杠-I (11)的軸肩及絲杠內(nèi)止動(dòng)軸承(46)的內(nèi)圈保持面接觸，絲杠外止 動(dòng)套環(huán)(52)分別與絲杠鎖緊螺母-I、11(8、38)及絲杠外止動(dòng)軸承(45)的內(nèi)圈保持面接觸；同時(shí),蝸桿軸止動(dòng)軸承-I、II (50,53)的內(nèi)圈分別與蝸桿軸-I、II (5、36)的軸肩保持面接觸，上述軸承均為帶有凸緣外圈的深溝球軸承，以實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠-I、II (11、41)以及蝸桿軸-I、II (5,36)的軸向定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，其特征在于所述的上、下層基座(19、20)通過基座連接螺釘(22)及定位銷進(jìn)行剛性連接與定位。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，其特征在于所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置的主體尺寸為182mmX44mmX 145mm0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學(xué)測試裝置，屬于機(jī)電類的材料性能測試儀器。包括由高精度直流伺服電機(jī)、三級(jí)大減速比減速機(jī)構(gòu)、小導(dǎo)程滾珠絲杠螺母副及導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)組成的雙向加載及傳動(dòng)單元，該測試裝置可以極低速的準(zhǔn)靜態(tài)模式實(shí)現(xiàn)載荷的精密施加，同時(shí)通過四路載荷/位移信號(hào)的同步精密采集并結(jié)合以載荷、位移或變形信號(hào)作為反饋源的閉環(huán)控制策略，該測試裝置亦可開展涵蓋單軸拉伸/壓縮模式、雙軸等速/變速同步拉伸/壓縮模式或雙軸等速/變速異步拉伸/壓縮模式等多種類型的材料力學(xué)性能測試模式，且各軸的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)及檢測單元獨(dú)立，互不干涉。優(yōu)點(diǎn)在于該測試裝置結(jié)構(gòu)緊湊、精巧，與掃描電鏡等成像儀器的兼容性好。
文檔編號(hào)G01N3/08GK102645370SQ20121010565
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者張霖, 李秦超, 王開廳, 胡曉利, 趙宏偉, 馬志超, 黃虎 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)