自动化材料拉伸实验装置及其控制系统的制作方法

【技术领域】

本发明设计自动化设备技术领域，具体为一种自动化材料拉伸实验装置及其控制系统。

背景技术：

材料的拉伸实验是检测材料机械性能试验的基本方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准和研究材料的性能。以金属材料在建筑领域的应用为例，在钢筋混凝土结构中，混凝土主要起到抗压的作用，而钢筋主要起到抗拉的作用。钢筋混凝土结构的力学反应在很大程度上取决于钢筋混凝土的材料性能。

拉伸试验可测定材料的一系列强度指标和塑性指标，强度通常是指材料在外力作用下抵抗产生弹性变形、塑性变形和断裂的能力。材料在承受拉伸载荷时，当载荷不增加而仍继续发生明显塑性变形的现象叫做屈服，产生屈服时的应力，称为屈服点或物理屈服强度。工程上有许多材料没有明显的屈服点，通常把材料产生的残余塑性变形为0.2％时的应力值作为屈服强度，称为条件屈服极限或条件屈服强度，材料在断裂前所达到的最大应力值，称为抗拉强度或强度极限。塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力，常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。延伸率又叫伸长率，是指材料试样受拉伸载荷折断后总伸长度与原始长度比值的百分数，断面收缩率是指材料试样在受拉伸载荷拉断后，断面缩小的面积与原截面面积比值的百分数。

目前绝大多数质检机构和教学机构在钢筋抗拉试验测定过程中仍采用人员上下料钢筋试件，人员从物料周转小推车上搬取一件待测钢筋试件，摆放到万能机夹头中心位置，按下夹头启动按钮，夹头动作并将待测钢筋试件夹紧，再按下试验启动按钮，万能机进行抗拉强度实验测定。该传统设备和操作方式方式需要人工频繁搬运试件和上下料，因此劳动强度大、效率低、成本高。

由此可见，提供一种提升效率，减少成本的自动化材料实验拉伸装置是本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统通过自动化电气控制系统和机械结构设计实现自动上下料，摆脱了传统设备人工上下料的繁琐操作，极大提高了实验的准确性和效率。

为解决上述问题，本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统包括壳体、安装在壳体内部用于拉伸实验的万能机、为万能机提供试件的托盘和储料仓、用于抓取试件并送入万能机中的机械手、用于运输实验废料的输送线，万能机、托盘和机械手安装在壳体内的上半部，且机械手安装在万能机和托盘之间。储料仓和输送线安装在壳体内的下半部，且储料仓位于托盘的下方，输送线位于万能机的下方。

进一步的，所述壳体包括由若干根铝型材组成的框架和若干块板材组成的围板，其中框架用于其他部件的安装和承重，围板用于对壳体内部的设备进行防护。

进一步的，所述万能机包括安装在壳体上的机座、安装在机座上的滑杆、安装在滑杆顶端的端盖、套设在滑杆上的动梁、位于动梁下方的液压机以及开设在动梁和机座上的钳口。

进一步的，所述托盘包括一块安装在壳体上的托板以及安装在托板上的支撑块。

进一步的，所述储料仓包括保护壳和循环上料组件。

进一步的，所述机械手包括两根x轴滑轨、安装在x滑轨上的x轴滑块、位于x轴滑轨上方的y轴滑轨、安装在y轴滑轨上的y轴滑块、与y轴滑块连接的z轴滑块、与z轴滑块可移动连接的z轴滑轨。

进一步的，所述自动化材料拉伸实验装置及其控制系统的控制系统包括上料控制系统和万能机控制系统，上料控制系统和万能机控制系统基于plc实现互联，所述上料控制系统包括机械手闭环控制和托盘及储料仓闭环控制。

进一步的，所述机械手闭环控制包括驱动器、伺服电机、光电传感器和编码器。

进一步的，所述托盘及储料仓的闭环控制包括电磁阀、接近传感器、气缸、棘轮和链条，通过电磁阀控制气源进入气缸，气缸通过棘轮驱动两组链条从而实现连续循环供料，气缸每次动作后的位置均被接近传感器采集，然后将采集到的信息反馈给控制系统。

进一步的，所述万能机控制系统包括油缸、钳口、分配器阀座、电磁阀控、负荷传感器、电子引伸计和编码器，万能机钳口附近的负荷传感器、电子引伸计、编码器共同将油缸和钳口处的压力、工件变形等参数采集并发送到控制系统

再者，通过托盘和储料仓的设计既能满足不同结构试件的使用又能保证供料的循环与持续，通过机械手的五轴设计实现全方位全角度自动夹取与投送试件。

【附图说明】

图1是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统的结构示意图。

图2是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统壳体内部的结构示意图。

图3是图1中a处的局部放大图。

图4是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中万能机的结构示意图。

图5是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中托盘的结构示意图。

图6是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中支撑块的结构示意图。

图7是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中储料仓的结构示意图。

图8是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中循环上料组件的结构示意图。

图9是图8中b处的局部放大图。

图10是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中循环上料组件的侧视图。

图11是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中机械手的结构示意图。

图12是图11中c处的局部放大图。

图13是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中气压缸夹钳的俯视图。

图14是本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统的控制系统原理图。

【具体实施方式】

本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是附图中的方向，只是用来解释和说明本发明，而不是用来限定本发明的保护范围。

参见图1至图3，给出了本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统的组成结构，其包括壳体1、安装在壳体内部用于拉伸实验的万能机2、为万能机提供试件的托盘3和储料仓4、用于抓取试件并送入万能机中的机械手5、用于运输实验废料的输送线6。其中壳体1包括由若干根铝型材组成的框架和若干块板材组成的围板，其中框架用于其他部件的安装和承重，围板用于对壳体内部的设备进行防护，且壳体1被分为上下两部分。万能机2、托盘3和机械手5安装在壳体内的上半部，且机械手5安装在万能机2和托盘3之间。储料仓4和输送线6安装在壳体内的下半部，且储料仓4位于托盘3的正下方，输送线6位于万能机2的正下方。输送线6包括水平段601和旋转段602，旋转段可绕着其与水平段连接处转动，其中水平段和旋转段均包括传送带和支腿，通过水平段的传送带将完成实验的试件送出，通过旋转段山下调节将试件废料送入废料桶(未图示)中收集。此外，支腿的底部和壳体1的底部均安装有调节脚垫603，通过调节脚垫使设备与地面之间充分接触，防止设备产生晃动。壳体1的侧面安装有可调显示屏7，所述可调显示屏7包括安装在壳体1上的三角板701、底端插在三角板中的竖杆702、一端套设竖杆顶端的横杆703、可水平旋转连接在横杆一端的接头704、可上下旋转连接在接头704上的安装板705、固定连接在安装板上的显示屏706，通过多处可旋转设计使显示屏可任意角度旋转，方便工作人员观测和操作。

参见图4，给出了本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中万能机2的组成结构，其包括安装在壳体1中铝型材上的机座201，机座上开设有四个圆形的第一通孔202，第一通孔202内穿插有滑杆203，滑杆203的顶端安装有端盖204，机座201的左右两侧分别固定安装有液压机205，位于端盖204和机座201之间的滑杆上套设有动梁206，动梁206的底部中心和机座201的底部中心安装有钳口207，动梁206的两侧与液压机205连接，机械手5将试件放入动梁206和机座201之间，上下两个钳口207分别夹紧试件的两端，机械手5退出后启动液压机205驱对动梁206提供向上的推力，使其沿着滑杆203向上运动，以此拉伸试件并测量和记录拉升过程中各参数。

参见图5和图6，给出了本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中托盘3的组成结构，在拉伸实验中，试件一般包括一体成型、对焊、搭焊、套筒焊等四种结构，在每种试件的拉伸实验中通常取用三个试件分别实验取其平均值，因此所述托盘3包括一块安装在壳体1托板301，托板301为矩形框，其上表面开设有两条互相平行的凹槽，凹槽内安装有若干个支撑块302，两条凹槽内的支撑块共线，所述支撑块302为l形结构，具体为一根水平的横杆和一根竖直的立柱，在立柱上开设有两个通孔，通孔内安装有旋转支架303，所述旋转支架303的底部为水平结构，右端自底部向上为弧形并插入立柱上的通孔内，通过柱销穿过立柱和旋转支架303，使旋转支架可以绕着柱销向上旋转，支撑块302的横杆和旋转支架303上均开设有v型槽304，一组待实验试件的两端分别架设在v型槽中，实验过程中，机械手5从托盘3上取用试件，每次取一根，先由最上层开设取用，当取用第二层的试件时，机械手5夹住第二层的试件并向上运动，运动过程中推动上层的旋转支架303旋转，使试件能够被顺利取出，取用第三层试件时同理。

参见图7至图10，给出了本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中储料仓4的组成结构，相对于托盘3来说，储料仓能提供更多的储存位置，因此当实验过程中，待实验的试件中若没有搭焊结构时，则优先选用储料仓供应，所述储料仓4包括保护壳和循环上料组件，其中保护壳包括包围在循环上料组件四周的围板和覆盖在循环上料组件上方的顶板，所述顶板有两块相对放置凹型板，机械手5通过两块凹型板形成的缺口处夹取试件进行实验。所述循环上料组件包括一根由金属材料制成的底座401，所述循环上料组件通过底座401安装在壳体1上，底座401上垂直安装有左右两根互相平行的侧板402，两块侧板通过加强板404连接，两块侧板402之间安装有两块互相平行的导向板403，所述导向板403通过焊机安装在底座401上，两块导向板均为弧面下凹陷的月牙形结构。所述循环上料组件还包括一根传动轴404，所述传动轴404的两端分别穿过侧板402，且与侧板之间通过轴承可旋转连接。传动轴404的两端套均套设有主动链轮405，且主动链轮与传动轴之间通过柱销锁紧，使二者同步转动。在两块侧板402的顶端安装有两个从动链轮406，从动链轮406与侧板之间通过柱销和轴承可旋转连接，主动链轮405和从动链轮406之间通过链条407同步传动。所述链条407为输送式链条，即链条上带有配件片408，每个配件片408上连接一个配件卡板409，所述配件卡板409具有圆弧形结构，相邻两个配件卡板相对放置，以此通过两个圆弧形结构形成一个收容结构，待实验的试件两端卡在两块配件卡板409形成的收容结构中，其中一对主动链轮405和从动链轮406之间还安装有涨紧机构，其中一个从动链轮与侧板402之间通过腰形孔连接，通过涨紧机构调节主动链轮和从动链轮之间的距离，以此保证链条运行稳定。传动轴404的左端穿过侧板402，并在侧板外侧的传动轴上套设一个棘轮410，棘轮与传动轴之间通过柱销连接，使棘轮与传动轴之间可同步转动，在棘轮410的外侧，传动轴404上还套设有一个棘轮摇臂411，传动轴与棘轮摇臂之间采用间隙配合，使二者可相对旋转。侧板402的侧面固定安装有一个角形支座412，通过角形支座连接有气动装置，所述气动装置包括气缸413和推杆414，气缸的底部可旋转连接在角形支座上412上，推杆414通过y形接头与棘轮摇臂411可旋转连接。棘轮摇臂411上安装有两个横向的柱销，其中一个柱销上可旋转连接有卡爪415，卡爪的一端通过弹簧与另一个柱销连接，棘轮410的下方安装有一个固定支架416，固定支架上同样安装有两个高度不同的横向柱销，上方的横向柱销同样连接有一个卡爪415，此卡爪的末端通过弹簧与下方的横向柱销连接，通过弹簧的拉力使两个卡爪415的顶端均抵紧在棘轮410上，在底座401的末端安装有撑板417，传动轴404的末端穿插在撑板中，且与撑板通过轴承可旋转连接，以此增加传动轴404的稳定性。通过气缸413驱动推杆414做伸缩运动，推杆414伸长时推动棘轮摇臂411绕着传动轴404向下旋转，并带着卡爪415推动棘轮410绕着传动轴404的轴心逆时针旋转一个齿位，当推杆缩回时，推杆414拉动棘轮摇臂411绕着传动轴向上旋转，因为棘轮的特殊齿向，此过程不会带动棘轮反向旋转。棘轮410转动过程中驱动传动轴404旋转，传动轴404带动主动链轮405旋转，主动链轮405通过链条407驱动从动链轮406同步旋转，链条407在运动时，越靠近顶部的卡板409张开的角度越大，最上方的两个卡板角度达到最大，机械手5穿过保护壳上的缺口顺利的夹取待实验的试件。

参见图11至图13，给出了本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统中机械手5的组成结构，所述机械手5包括两根互相平行安装在托盘3两侧的x轴滑轨501，所述x轴滑轨501通过三角板安装在壳体上，x轴滑轨为空心管状结构，其顶部具有盖板502，其两端分别安装有齿轮，同一根x轴滑轨501两端的齿轮通过齿形带同步传动，左侧的x轴滑轨501的一端安装有伺服电机503，伺服电机驱动左侧x轴滑轨501上的齿轮旋转，左侧x轴滑轨上的齿轮与右侧x轴滑轨上的齿轮通过转轴连接，以此通过伺服电机503驱动两根同步齿形带运转。盖板502上套设有x轴滑块504，且x轴滑块504的底部与x轴滑轨内部的齿形带连接，通过齿形带的驱动x轴滑块504沿着盖板502运动。两个x轴滑块504上均安装有竖直向上的撑杆505，两根撑杆的顶端连接有架杆506，所述架杆506上安装有y轴滑轨507，y轴滑轨与x轴滑轨结构类似，均为空心管状结构且顶部具有盖板502，其左端也安装有伺服电机503，但其内部安装有丝杆，盖板上套设有y轴滑块508，其通过螺纹孔套设在丝杆上，伺服电机503带动丝杆旋转，丝杆驱动y轴滑块508沿着盖板运动。y轴滑块508与z轴滑块509通过连接板垂直连接，z轴滑块上连接有z轴滑轨510，z轴滑轨的结构与与y轴滑轨的结构相同，其顶部安装有伺服电机503，内部安装有丝杆，侧面具有盖板502，z轴滑块套设在盖板上，且与内部的丝杆连接，伺服电机带动丝杆旋转，以此驱动z轴滑轨510上下运动。z轴滑轨510的底端安装有伺服电机503,伺服电机连接有减速器511，减速器上连接有联轴器512、联轴器上连接有转轴513，转轴513穿插在旋转轴支座514中，转轴的端部连接有气缸座板515，气缸座板515上安装有气缸516，气缸前端安装有气缸夹钳517，通过气缸作用驱动气缸夹钳的开合，以此夹取水平放置在托盘3或储料仓4中的试件。气缸夹钳夹取试件后在伺服电机和减速器的作用下旋转，使试件处于竖直状态，通过x、y、z轴滑块与滑轨的传动将试件送入万能机2中进行实验。

参见图14，给出了本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统的控制原理图，控制系统包括上料控制系统和万能机控制系统，上料控制系统和万能机控制系统基于plc实现互联，所述上料控制系统包括机械手的闭环控制和托盘及储料仓的闭环控制，机械手闭环控制包括驱动器、伺服电机、光电传感器和编码器，驱动器根据控制要求驱动伺服电机运转，机械手附近的光电传感器和伺服电机上的编码器采集电机运转后的位置，然后反馈给驱动器，驱动器根据反馈信息对伺服电机实际位置进行比较，比较结果用于再次调整电机位置，通过闭环控制方式精准控制机械手的位置，从而实现机械手准确夹取试件的功能。托盘和储料仓的闭环控制系统通过电磁阀控制气源进入气缸，气缸通过棘轮机构驱动两组链条从而实现连续循环供料，气缸每次动作后的位置均被接近传感器采集，然后将采集到的信息反馈给控制系统，由此保证设备准确上料。万能机控制系统将控制要求以通信的方式传输到驱动器，驱动器根据要求驱动伺服油泵将液压油输送到万能机下方的分配器阀座，与此同时，万能机控制系统通过分配器阀座上的电磁阀控制液压油的走向，从而控制油缸和钳口的动作。万能机钳口附近的负荷传感器、电子引伸计、编码器共同将油缸和钳口处的压力、工件变形等参数采集并发送到控制系统，万能机控制系统根据反馈的信息不断调整对驱动器和电磁阀的输出满足不同实验的控制要求，最后万能机控制系统根据反馈的信息自动计算试件的机械性能。实验结束后万能机控制系统将控制命令发送给变频器，变频器根据要求驱动输送线的电机，电机带动传送带排出废料。

本发明自动化材料拉伸实验装置及其控制系统通过自动化电气控制和机械结构设计实现自动上下料，通过托盘和储料仓的设计既能满足不同结构试件的使用又能保证供料的循环与持续，通过机械手的五轴设计实现全方位全角度自动夹取与投送试件，摆脱了传统设备人工上下料的繁琐操作，极大提高了实验的准确性和效率。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。