专利名称：超塑性拉伸真实恒应变速率实验控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于超塑性变形万能材料试验机上的控制装置，属于机械仪表工程领域。
现有电子万能材料试验机所能实施的恒应变速率拉伸实验都是指工程恒应变速率，这对于常规材料的塑性变形而言实质上就是近似的处理，对于超塑性材料而言，就完全不能满足精度要求，目前国际普遍承认的英国Instron、日本岛津和美国MTS公司所生产的电子万能材料试验机都不能实现真实恒应变速率
的拉伸实验，国内，长春试验机研究所、济南试验机厂生产的万能材料试验机，以及1997年长春试验机厂与德国多利公司合作开发的新型万能材料试验机也都未能实现真实恒应变速率拉伸的功能，现有的电子万能材料试验机因其主要用于测试韧性材料的力学行为，这类材料的延伸率较小，用工程恒应变速率可近似满足要求，这类材料对于应变速率的敏感性较弱，采用闭环控制系统实现工程恒应变速率的拉伸，就可达到实验要求和稳定地控制的目的，在测试超塑性变形的力学行为时，由于超塑变形具有的延伸率很大，必须用真实恒应变速率
，才能满足要求，又由于超塑性变形具有很强的应变速率敏感性，试验机要采用闭环控制系统不能达到预期的实验结果，虽然活动横梁的位移累计变化量可以满足精度要求，但是，由于其速度的调整是通过理论速度与实际速度的不断比较来完成的，因此其实际运行速度可能有时增加、有时减少、甚至有时不变，因此，对于速度很敏感的超塑性材料来说，其载荷值增、减幅度也很大，所以对对应的应力与应变速率关系曲线的影响很大，本发明人在设备改进的初期，曾经进行了闭环控制的恒应变速率拉伸实验，实验测量结果发现其载荷随应变速率的变化而发生的波动幅度甚大，故采用闭环控制是不合适的。
本实用新型的目的是为了满足材料科学和现代塑性与超塑性精密加工的要求，提供一种在高温条件下，无需在试样端部装卡引伸仪，利用控制试验机活动横梁的速度，就能实现超塑性拉伸真实恒应变速率实验控制装置，利用该装置可以设计制造新型的万能材料试验机，也可以将其插入现有电子万能材料试验机的控制系统中，实现真实恒应变速率的拉伸实验。
以下结合
本实用新型实现上述目的基本原理
附图1中的上固定横梁1通过万向节与试样的上连接杆2以销钉相连，试样的下连接杆6通过万向节与试验机的活动横梁7相连接，试样3的两端以挂接形式与上连接杆2和下连接杆6相连接，由于材料在超塑性状态下的流变抗力很小，它只有同等材料在相同温度下的十几分之一、乃至几十分之一，因此，在附图1所示的万能试验机中的上连接杆2和下连接杆6，以及试样上、下根部4与试样标距部分3的应变量相比可以略而不计。于是试样变形dl就近似的等于活动横梁7的位移dL，试样的变形速度dl/dt就近似的等于活动横梁的移动速度dL/dt，试样的真实应变速率
为当
为常数时，由(1)式可得由t＝0时l＝l0的初始条件，确定出c＝l0t为时间，l0为试样标距的初始长度，l为试样标距的瞬时长度。于是在保证恒应变速率
的条件下，试验机活动横梁的速度dL/dt可由下式控制
由(4)式可见，只要给定试样变形的任一个恒应变速率
，在理论上借助控制活动横梁的速度υ，就能实现试样的恒
变形。
以下结合附图说明实现本实用新型的上述目的技术路线附图2中虚线框入的部分为现有的电子万能材料试验机的主机和控制系统，它是由伺服放大器、电流调节器、电子万能试验机执行机构、引伸仪的位移反馈、速度反馈、电流反馈以及函数发生器、显示器组成，附图2中点画线框入的部分是本实用新型的控制装置，它是由伺服放大器、D/A接口板和PC计算机组成，该装置采用开环控制，PC计算机通过PC总线与D/A接口板连接，PC计算机根据活动横梁7的速度
的程序将数字量经伺服放大器中的电阻R2、R3和电容C1组成的T型滤波器，电阻R5、电位器W2和电容C2组成的积分电路以及运算放大器IC转化为电压模拟量，IC输出的电压输入到原机伺服控制系统，借助
，执行试验机的活动横梁真实恒应变速率
的位移控制，从而实现真实恒应变速率
的拉伸变形
开环控制是在原伺服控制系统中的A处切开，装入一个换向开关，当A与B连接时，本装置执行开环控制，当A与A’连接时，执行原机闭环控制。
与现有电子万能材料试验机相比，本实用新型有以下的创新和特色
1.对日产岛津，英产Instron和美产MTS电子万能材料试验机而言，由于不用在试件端部装卡引伸仪，这对研究材料在高温状态下的力学行为是非常有利的，也无需更改原机结构，只要把本实用新型控制线路接入原机的控制系统，便能实现活动横梁按真实恒应变速率的规律运行。
2.对于超塑性材料的拉伸试验，由于活动横梁的运行速度近似等于试件的变形速度，故直接用按(4)式设计的线路(图3)，便能实现恒应变速率拉伸试验。
3.对变形抗力大、延伸率小的材料，根据实验确定上下连接杆2、6和试件根部4的变形量，对(4)式进行修正，亦可实现真实恒应变速率拉伸试验。
4.本实用新型采用开环控制，所以能消除超塑性变形具有很强的应变速率敏感性而造成的载荷测量的不稳定性。
5.本实用新型的装置具有造价低，结构简单，非常易于实施的优点。
以下结合附图进一步说明本实用新型的具体内容及工作过程。
图1材料试验机简图。
图2控制总框图。
图3控制线路图。
图1中1.上固定横梁2.上连接杆3.试件4试件上、下根部5.加热炉6.下连接杆7活动横梁。
其结构关系是上述各部件由上固定横梁1、机架和底部的机座构成的刚性框架支撑(机架和机座图中未标出)，活动横梁7可沿机架上下移动。加热炉5可采用对开式，可用铰链连接在机架上。载荷传感器固定在上固定横梁1的上方，传感器的下端与上连接杆2的上端连接。为了安装试件3，上连接杆2的下端和下连接杆6的上端设有卡头，试件上、下根部4分别卡在上连接杆2和下连接杆6的卡头内。当活动横梁7按预定的规律向下移动时，装在加热炉内的试件3便被拉伸变形。载荷传感器侧出其变形量。
本实用新型的特征在于该装置是根据(4)式所设计的电子控制线路如图3所示，采用开环控制活动横梁速度dL/dt，根据超塑性变形对dL/dt近似等于试样变形速度dl/dt，便达到实现恒应变速率
拉伸变形的目的。
下面结合图3进一步说明本实用新型的控制过程参阅附图3中用虚线框入的部分(1)，包括PC计算机、PC总线和光电隔离D/A接口板；部分(2)由R2、R3和C1组成T型滤波器，R5、W2、和C2组成积分电路，IC为运算放大器；于是便把按公式(4)给出的信号经A-B传给部分(3)，部分(3)又把经B输入的电压模拟量进一步运算放大后，依此执行电子万能材料试验机的主机的活动横梁部分的控制，从而实现恒应变速率拉伸变形。
本发明的实施例
附图2为岛津AG-A电子万能材料试验机的原控制系统(虚线部分)及本实用新型(点画线部分)的总框图，参阅附图2，在原控制系统的A处切开，安装一个换向开关，当A与A连接时，保持原闭环控制系统；当A与B连接时，即实现本装置的开环控制，在实施恒应变速率控制中，选用386计算机通过PC总线与和PCL-728型12位光电隔离D/A接口板连接，依据公式(4)将数字量经附图2转化为电压模拟量，由附图3(2)IC输出的电压输入到岛津AG-A电子万能试验机的控制系统，再经放大后，直接驱动主机部分的直流伺服电机，直流伺服电机驱动主齿轮箱带动丝杠旋转，从而驱动活动横梁，最终实现公式(4)式所要求的恒应变速率拉伸变形。
附图(2)中元件和电压的数值列于表1。表1R(Ω)、C(μF)
为了提高恒应变速率的控制精度，根据公式(4)，对应于给定的试件初始标距长度l0和恒应变速率
，使横梁的速度υb设定在最佳范围，把横梁的速变划分为100mm/min、80mm/min、60mm/min、40mm/min、20mm/min、10mm/min、5mm/min7个不同档次，然后根据不同的速度档次的υb值调整伺服放大器电压与速度的比例关系，再确定不同υb值的准确模拟电压值，其具体标定方法是分别利用横梁记录系统记录位移Lb，和计算机时钟记录时间tb，由其比值Lb/tb确定υb，并且使υb与D/A满码发送相对应，这就完成了不同档次υb的标定，由公式
可知，横梁速度是时间的指数连续函数，如果我们选用12位高精度D/A卡，其速度变化基本单位是υb/4896，当程序中的速度变化量达到一个基本单位(υb/4896)时，系统才能控制横梁发生速度改变，因此便产生了实际不连续速度变化与理论速度连续函数的偏差，为了解决这一问题，先将速度发生信号分别放大10倍和100倍，这便减小了速度控制的不连续性，其具体方法为试样伸长随时间按公式
的变化量由计算机屏幕显示，横梁运行的实际位移由试验机记录系统记录，二记录结果比较后对公式(4)适当修正，使横梁位移的误差限定在允许的范围内，于是试样的变形和所承受的载荷仍由原记录系统完成变形-载荷-时间三者关系的一一对应。
当材料的变形抗力很小、延伸率很高、活动横梁位移的应变速率就等于试件标距内的应变速率。
由于(4)式是在假定上下连接件2、6和试件根部4与试件变形部分的变形相比甚小，可略而不计的前提下求得的，因此，对变形抗力大、塑性变形较小的试件而言，上述部分便不能忽略，这就要通过实验确定这部分的变形量，对(4)式进行修正，即
对加入修正系数，使
，也可以在无引伸仪的条件下实现试件标距内的真实恒应变速率的拉伸变形，L-上固定横梁到活动横梁总长度减去l0所余的长度，e-自然对数的底。
权利要求1.超塑性拉伸真实恒应变速率实验控制装置是由PC计算机、D/A接口板和伺服放大器组成的，其特征是该装置采用开环控制，PC计算机通过PC总线与D/A接口板连接，PC计算机根据横梁速度
的程序将数值经伺服放大器中的电阻R2、R3和电容C1组成的T型滤波器，电阻R5、电位器W2和电容C2组成的积分电路，以及运算放大器IC转化为电压模拟量，IC输出的电压模拟量输入到原机伺服控制系统，执行试验机的活动横梁恒应变速率
的位移控制，
---活动横粱的位移速度，
---试件变形速度，l0---试件初始标距长度，
---真实恒应变速率。
2.按权利要求1所述的超塑性拉伸真实恒应变速率实验控制装置，其特征在于所说的开环控制是在原伺服控制系统中的A处切开，装一个换向开关，当A与B连接时，本装置执行开环控制，当A与A连接时，执行原机闭环控制。
专利摘要本实用新型涉及一种用于超塑性万能试验机上的超塑性拉伸真实恒应变速率实验控制装置。它是由计算机、D/A接口板和伺服放大器组成,该装置采用开环控制,计算机通过PC总线与D/A接口板连接,计算机根据的程序将数值经T型滤波器、积分电路,以及运算放大器IC转化为电压模拟量,IC输出的电压输入到原机伺服控制系统,完成试验机活动横梁真实恒应变速率的位移控制。利用该装置还可以设计制造新型万能材料试验机。
文档编号G01N3/18GK2478095SQ0023506
公开日2002年2月20日 申请日期2000年5月20日 优先权日1999年6月21日
发明者宋玉泉, 程永春 申请人:吉林工业大学