一種單電機多通插銷試驗的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種單電機多通插銷試驗機，包括驅動電機和多個加載單元，多個加載單元連接在電機的轉動軸上，多個加載單元之間通過聯軸器連接，其中加載單元包括軸、安裝在軸上的自動夾緊機構、大皮帶輪和安裝在軸上的加載機構，其中自動夾緊機構和大皮帶輪通過皮帶傳動，大皮帶輪安裝在加載機構上。本發明利用自動夾緊機構實現了一臺電機驅動多個加載機構，可以根據需要增加、減少加載機構數量，效率高、成本低、操作方便、減小裝置的重量和體積。
【專利說明】一種單電機多通插銷試驗機【技術領域】
[0001] 本發明屬于插銷試驗機領域，特別涉及一種插銷試驗機。
【背景技術】
[0002]插銷試驗主要用于定量地研究焊接冷裂紋的敏感性，也可用于研究再熱裂紋和層狀撕裂等。插銷試驗機就是用來進行插銷實驗的設備，一般的插銷試驗機由一臺控制系統和一臺加載機構成。實驗過程分為加載和保載兩個階段，加載過程通?？稍跀捣昼妰韧瓿?，而保載過程需等到試件斷裂為止，具體時間從半小時左右至二十幾小時不等，存在一定程度的不確定性。實際研究中，為了評價焊接冷裂紋的敏感性，通常需要做多次試驗，一般的插銷試驗機就顯得耗時耗力、效率低。
[0003]為了提高插銷試驗機的效率，哈爾濱焊接研究所研制出了 HCL-2型多頭插銷試驗機。楊文佩、楊書田等人重新設計了插銷試驗機的主機部分和加載裝置，采用一臺控制系統控制五臺加載機構，每臺加載機構對應一臺電機，五頭并聯，可同時進行五個試件的實驗；采用電動加載，自動記錄斷裂時間及當試件斷裂后自動切斷電源。這種方案節省了人力，提高了試驗效率，然而這種方案的五個加載機構并不是真正的“并聯”，實際情況是五臺加載機構公用一個加載(卸載)線路，每一頭控制線路之間都有互鎖，也就是說每次只能加載一臺。由于加載過程通?？稍跀捣昼妰韧瓿?，因而這種設計并不會影響實驗效率，相反，可以保證加載力的準確控制和系統的可靠性。既然并不會出現多臺電機同時工作的情況，使用多臺電機就不是一種最優的設計方案。若能采用一臺電動機根據需要驅動多個加載機構，將能夠降低成本、減小設備的體積和重量。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種單電機多通插銷試驗機，該試驗機不僅可以實現一臺電機對多個加載機構的驅動，還可以根據需要增加、減少加載機構數量，并且自動化程度高，操作性好。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:
[0006]一種單電機多通插銷試驗機，包括驅動電機和多個加載單元，多個加載單元連接在電機的轉動軸上，多個加載單元之間通過聯軸器連接，其中加載單元包括軸、安裝在軸上的自動夾緊機構、大皮帶輪和安裝在軸上的加載機構，其中自動夾緊機構和大皮帶輪通過皮帶傳動，大皮帶輪安裝在加載機構上。
[0007]優選的，所述的軸為階梯軸。
[0008]優選的，自動夾緊機構安裝在所述的階梯軸上；自動夾緊機構包括小皮帶輪、電磁離合、隔磁環、銜鐵和齒圈；小皮帶輪通過軸承安裝在軸上，齒圈通過螺栓固定安裝在小皮帶輪上；電磁離合包括磁軛和線圈，磁軛沿軸向上設有多個帶彈簧的頂針，磁軛和隔磁環通過鍵固定在軸的同一階梯上，隔磁環安裝在磁軛和小皮帶輪之間；銜鐵套裝在隔磁環上，能夠沿隔磁環軸向運動，銜鐵軸向一側設有與齒圈相配合的圓柱凹槽，在彈簧的作用下頂針和銜鐵另一側面接觸，圓柱凹槽設有與齒圈相匹配的內齒狀結構，齒圈處于圓柱凹槽內。
[0009]優選的，圓柱凹槽深度大于齒圈的齒厚度，所述的內齒狀結構設在圓柱凹槽內壁外側；銜鐵右側面處于和磁軛接觸狀態時，圓柱凹槽的內齒狀結構和齒圈嚙合；圓柱凹槽底部處于和齒圈右側面接觸狀態時，圓柱凹槽的內齒狀結構和齒圈脫離。
[0010]優選的，所述的隔磁環材料為非磁性材料。
[0011]優選的，所述的軸為氣脹軸，軸上設有氣嘴和多個活動的鍵條。
[0012]優選的，自動夾緊機構安裝在所述的氣脹軸上；小皮帶輪為和氣脹軸套筒一體的結構，氣脹軸主體部分的兩端各安裝一個軸套和軸承，帶套筒的小皮帶輪安裝在軸承上，套筒內壁與氣脹軸主體部分留有間隙；軸承端蓋通過螺釘固定在小皮帶輪的套筒上。
[0013]優選的，氣脹軸處于充氣狀態時，鍵條向外凸出，壓緊小皮帶輪的套筒；氣脹軸處于放氣狀態時，鍵條復位，脫離小皮帶輪的套筒。
[0014]優選的，還包括控制系統，該控制系統包括計算機、數據采集卡、溫度傳感器、拉力傳感器、繼電電路和變頻器；溫度傳感器和拉力傳感器設置在加載機構上；溫度傳感器和拉力傳感器的輸出端連接數據采集卡；數據采集卡的輸出端連接繼電電路，繼電電路通過變頻器連接電動機；繼電電路還連接多個加載機構的電磁離合；數據采集卡連接計算機。
[0015]優選的，控制系統選擇加載機構后，計算機通過采集卡向繼電電路輸出一個數字信號，使與所選擇的加載機構對應的電磁離合接合；隨后，計算機再通過采集卡向繼電電路輸出一個數字信號，該信號傳輸到變頻器，通過變頻器啟動電動機，加載開始。
[0016]優選的，溫度傳感器和拉力傳感器獲取的溫度和拉力信號通過采集卡傳輸給計算機，然后通過計算機比較采集到的拉力值與用戶的設定值，以此調整采集卡輸出，改變變頻器的等效輸出電壓，進而控制電動機的轉速，使加載過程平穩。
[0017]優選的，當拉力達到設定值后，計算機通過采集卡輸出數字信號，控制繼電電路切斷電源，變頻器停止工作，進而使電動機停止工作，進入保載階段。
[0018]優選的，插銷拉斷后，計算機通過采集卡向繼電電路輸出一個數字信號，使與所選擇的加載機構對應的電磁離合接合；隨后計算機再通過采集卡輸出數字信號控制變頻器，使電動機反轉，即加載機構復位，完成卸載。
[0019]優選的，控制系統進行通道選擇時，同時選擇2?5個加載機構，同時輸入相同組數的控制參數；控制系統自動逐次進行加載。
[0020]相對于現有技術，本發明的有益效果是:
[0021]本發明所述的插銷試驗機加載裝置結構簡單，單個加載裝置可以通過聯軸器連接，實現了一臺電機根據需要分別驅動多個加載機構，將能夠降低成本、減小設備的體積和重量。
[0022]進一步，加載裝置設有自動夾緊機構，設計方案更合理，自動化程度高，操作性好。
[0023]進一步，自動夾緊機構可以為電動或氣動鎖緊方式，使該加載裝置應用更廣泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是插銷試驗機加載裝置結構圖。
[0025]圖2是采用電磁離合的自動夾緊機構的結構圖。
[0026]圖3是采用氣脹軸的自動夾緊機構的結構圖。[0027]圖4是插銷試驗機原理示意圖。
[0028]圖5是本發明單電機多通插銷試驗機的控制系統原理框圖。
[0029]圖6是本發明單電機多通插銷試驗機的工作流程圖。
[0030]圖7是繼電電路的電路原理圖。
[0031]其中:1、電動機；2、軸；3、自動夾緊機構；4、大皮帶輪；5、小皮帶輪；6、加載機構；
7、軸承；8、螺栓；9、齒圈；10、銜鐵；11、隔磁環；12、線圈；13、圓柱凹槽；14、頂針；15、磁軛；16、螺釘；17、軸套；18、鍵條；19、軸承端蓋；20、氣嘴；21、計算機；22、數據采集卡；23、溫度傳感器；24、取樣電阻；25、拉力傳感器；26、放大器；27、繼電電路；28、變頻器；29、電磁離
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【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0033]如圖1至圖3所示，一種單電機多通插銷試驗機，包括驅動電機I和多個加載單元，多個加載單元連接在電機I的轉動軸上，多個加載單元之間通過聯軸器連接，其中加載單元包括軸2、安裝在軸2上的自動夾緊機構3、大皮帶輪4和安裝在軸2上的加載機構6，其中自動夾緊機構3和大皮帶輪4通過皮帶傳動，大皮帶輪4安裝在加載機構6上。軸2并非一根軸，而是由多段圖3中的階梯軸或圖4中的氣脹軸通過聯軸器相連構成。
[0034]如圖2為本發明的一種實施方式，插銷試驗機加載裝置的軸2為階梯軸，自動夾緊機構3安裝在所述的階梯軸2上；自動夾緊機構3包括小皮帶輪5、電磁離合、隔磁環11、銜鐵10和齒圈9 ;小皮帶輪5通過軸承7安裝在軸2上，齒圈9通過螺栓8固定安裝在小皮帶輪5上；電磁離合包括磁軛15和線圈12，磁軛15沿軸向上設有多個帶彈簧的頂針14，磁軛15和隔磁環11通過鍵固定在軸2的同一階梯上，隔磁環11安裝在磁軛15和小皮帶輪5之間；銜鐵10套裝在隔磁環11上，能夠沿隔磁環11軸向運動，銜鐵10軸向一側設有與齒圈9相配合的圓柱凹槽13，在彈簧的作用下頂針14和銜鐵10另一側面接觸，圓柱凹槽13設有與齒圈9相匹配的內齒狀結構，齒圈9處于圓柱凹槽13內。圓柱凹槽13深度大于齒圈9的齒厚度，所述的內齒狀結構設在圓柱凹槽13內壁外側；銜鐵10右側面處于和磁軛15接觸狀態時，圓柱凹槽13的內齒狀結構和齒圈9嚙合；圓柱凹槽13底部處于和齒圈9右側面接觸狀態時，圓柱凹槽13的內齒狀結構和齒圈9脫離。當銜鐵10運動至磁軛15時，銜鐵10和齒圈9內嚙合，當銜鐵10運動至齒圈9時，銜鐵10和齒圈9脫離。隔磁環11是一個由非導磁材料做成的軸套，它確定了小皮帶輪5和磁軛15的相對位置。工作時，對線圈12通電，電流作用下磁軛15會產生磁場,銜鐵10在磁場作用下向右移動,與齒圈9哨合,從而使小皮帶輪5隨階梯軸2 —起運動；對線圈12斷電，磁場消失，銜鐵10在帶有彈簧的頂針14的作用下向左移動，與齒圈9分離，小皮帶輪5不再隨階梯軸2 —起運動。
[0035]如圖3為本發明的另一種實施方式，插銷試驗機加載裝置的軸2為氣脹軸，軸2上設有氣嘴20和多個活動的鍵條18。自動夾緊機構3安裝在所述的氣脹軸2上；小皮帶輪5為和氣脹軸套筒一體的結構，氣脹軸2主體部分的兩端各安裝一個軸套17和軸承7，帶套筒的小皮帶輪5安裝在軸承7上，套筒內壁與氣脹軸2主體部分留有間隙；軸承端蓋19通過螺釘16固定在小皮帶輪5的套筒上。工作時，向氣嘴20內充氣，活動的鍵條18向外凸出，壓緊小皮帶輪5的套筒，從而使小皮帶輪5隨氣脹軸2 —起運動；對氣嘴20放氣，活動的鍵條18復位，退回氣脹軸2內部，不再壓緊小皮帶輪5的套筒，小皮帶輪5不再隨氣脹軸
2 一起運動。
[0036]試驗機工作時，電機I根據需要分別驅動多個加載機構，電動機I將力和扭矩輸出到軸2，通過控制系統選擇需要進行加載的機構6后對相應的自動夾緊機構3進行通電(或充氣)夾緊，從而使小皮帶輪5隨軸2 —起運動，再經皮帶將力和扭矩傳遞給大皮帶輪4，大皮帶輪4將力和扭矩輸入到加載機構6中，完成對多個試驗件的加載。
[0037]在圖4中，將被測定的金屬材料加工成一定形狀的插銷試棒，試驗時把插銷插入底板中，使插銷頂端與底板上表面平齊，然后在底板上通過插銷端部位置堆焊一道試驗焊縫，選擇焊接規范并控制熔深，使缺口位于靠近熔合線的粗晶區內。缺口離表面的距離和焊接規范有關，對于新材料則應根據給定的焊接規范進行金相檢查，確定合適的缺口距離。當焊縫冷卻到100?150°C時，對插銷施加規定的拉伸載荷，并保持這一載荷直至插銷斷裂。拉伸應力越小，插銷承載的時間越長。一般所加載荷越小，延續時間越長，當載荷小到某一臨界值時，插銷不會發生斷裂，這一載荷即為該材料在該試驗條件下的臨界斷裂應力值，從而可以評判該材料的冷裂紋敏感性。
[0038]請參閱圖5所示，本發明一種單電機多通插銷試驗機，還包括控制系統，該控制系統包括計算機21、數據采集卡22、溫度傳感器23、取樣電阻24、拉力傳感器25、放大器26、繼電電路27、變頻器28。
[0039]溫度傳感器23和拉力傳感器25設置在對應加載機構上,用于檢測試驗時對應插銷的受力與溫度；溫度傳感器23和拉力傳感器25的輸出端連接數據采集卡22 ;數據采集卡22的輸出端連接繼電電路27，繼電電路27通過變頻器28連接電動機I ;繼電電路27還連接多個加載機構6的電磁離合29 ;數據采集卡22連接計算機21。
[0040]控制系統選擇加載機構6后，計算機21通過數據采集卡22向繼電電路27輸出一個數字信號，使與所選擇的加載機構6對應的電磁離合29接合；隨后，計算機21再通過采集卡22向繼電電路27輸出一個數字信號，該信號傳輸到變頻器28，通過變頻器28啟動電動機I，加載開始。
[0041]溫度傳感器23和拉力傳感器25獲取的溫度和拉力信號分別經取樣電阻24、放大器26處理后通過采集卡22傳輸給計算機21，然后通過計算機21比較采集到的拉力值與用戶的設定值，以此調整采集卡22輸出，改變變頻器28的等效輸出電壓，進而控制電動機I的轉速，使加載過程平穩。
[0042]當拉力達到設定值后，計算機21通過采集卡22輸出數字信號，控制繼電器切斷電源，變頻器28停止工作，進而使電動機I停止工作，進入保載階段。
[0043]插銷拉斷后，計算機21通過采集卡22向繼電電路27輸出一個數字信號，使與所選擇的加載機構6對應的電磁離合29接合；隨后計算機21再通過采集卡22輸出數字信號控制變頻器28，使電動機I反轉，即加載機構6復位，完成卸載。
[0044]控制系統通過軟件實現了各通道之間的“互鎖”，即同一時刻只能有一臺正處于加載或卸載過程中。選擇加載機構的同時需要輸入此次試驗的控制參數。進行通道選擇時，可同時選擇2?5個加載機構，同時輸入相同組數的控制參數；控制系統自動逐次進行加載。
[0045]數據采集卡22選用研華公司生產的PCL-818L型采集卡，其分辨率為12位，采樣頻率40KHz，數字量輸入、輸出信號各16路，16位單端模擬輸入信號或8位差分輸入信號，I路模擬量輸出信號，基本時鐘基準頻率為10MHz。
[0046]變頻器28選用日本富士公司生產的通用變頻器，型號為FVR0.4E11S-4JE，該變頻器體積小，性能高，低速范圍內轉矩脈動小，且具有PID控制、維護和保護功能等。
[0047]溫度傳感器23 (溫度變送器)型號HB-SWBZ，輸入信號K型，測量范圍O?1300°C，輸出信號4?20mA，供電電源為24VDC。
[0048]取樣電阻24的阻值取250 Ω，與溫度傳感器23所輸出的電流信號并接，從而將4?20mA的電流信號轉換為I?5V的電壓信號。
[0049]拉力傳感器25型號BLR-ZSA，量程O?5t，傳感器精度0.5% FS0
[0050]有源放大器26型號為SY-2C-V3-D，放大器精度0.1 % FS,放大器輸出I?5VDC，供電電源為24VDC。
[0051]請參閱圖7所示，是一臺電動機四個加載機構時控制系統的繼電電路圖。4個通道需要8路單端模擬輸入量信號(Al)，用以接收從各加載機構的溫度傳感器和壓力傳感器傳輸而來的溫度和壓力信號；I路模擬輸出量信號(A0)，用來向變頻器輸出模擬信號從而實現變頻控制電機轉速；6路數字輸出量信號，其中2路用來通過變頻器控制電機的正反轉，另外4路用來控制相對應的4個電磁離合的接合與否。所以，所選采集卡PCL-818L能夠滿足應用要求。即僅使用一塊采集卡可以滿足4個加載機構的全部模擬輸入端口號的要求以及控制電機轉向的開關數字量的端口號要求。Jl?J6為6個5V的繼電器，YCl?YC4為4個電磁離合，JOl?J04為對應的電磁離合的24V的電磁繼電器。
[0052]上述實施方式僅為本發明的優選實施方式，不能以此來限定本發明保護的范圍，本領域技術人員在本發明的基礎上所做的任何非實質性的變化及替換均屬于本發明所要求保護的范圍。
【權利要求】
1.一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于:包括驅動電機(I)和多個加載單元，多個加載單元連接在電機(I)的轉動軸上，多個加載單元之間通過聯軸器連接，其中加載單元包括軸(2)、安裝在軸(2)上的自動夾緊機構(3)、大皮帶輪(4)和安裝在軸(2)上的加載機構出)，其中自動夾緊機構(3)上的小皮帶輪(5)和大皮帶輪(4)通過皮帶連接，大皮帶輪(4)安裝在加載機構(6)上。
2.根據權利要求1所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于:所述的軸(2)為階梯軸；自動夾緊機構(3)安裝在所述的階梯軸(2)上；自動夾緊機構(3)包括小皮帶輪(5)、電磁離合、隔磁環(11)、銜鐵(10)和齒圈(9);小皮帶輪(5)通過軸承(7)安裝在軸(2)上，齒圈(9)通過螺栓(8)固定安裝在小皮帶輪(5)上；電磁離合包括磁軛(15)和線圈(12)，磁軛(15)沿軸向上設有多個帶彈簧的頂針(14)，磁軛(15)和隔磁環(11)通過鍵固定在軸⑵的同一階梯上，隔磁環(11)安裝在磁軛(15)和小皮帶輪(5)之間；銜鐵(10)套裝在隔磁環(11)上，能夠沿隔磁環(11)軸向運動，銜鐵(10)軸向一側設有與齒圈(9)相配合的圓柱凹槽(13)，在彈簧的作用下頂針(14)和銜鐵(10)另一側面接觸，圓柱凹槽(13)設有與齒圈(9)相匹配的內齒狀結構，齒圈(9)處于圓柱凹槽(13)內。
3.根據權利要求2所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于:所述的圓柱凹槽(13)深度大于齒圈(9)的齒厚度，所述的內齒狀結構設在圓柱凹槽(13)內壁外側；銜鐵(10)右側面處于和磁軛(15)接觸狀態時，圓柱凹槽(13)的內齒狀結構和齒圈(9)嚙合；圓柱凹槽(13)底部處于和齒圈(9)右側面接觸狀態時，圓柱凹槽(13)的內齒狀結構和齒圈(9)脫離。
4.根據權利要求1所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于:所述的軸(2)為氣脹軸，軸(2)上設有氣嘴(20)和多個活動的鍵條(18);自動夾緊機構(3)安裝在所述的氣脹軸(2)上；小皮帶輪(5)為和氣脹軸套筒一體的結構，氣脹軸(2)主體部分的兩端各安裝一個軸套(17)和軸承(7)，帶套筒的小皮帶輪(5)安裝在軸承(7)上，套筒內壁與氣脹軸(2)主體部分留有間隙；軸承端蓋(19)通過螺釘(16)固定在小皮帶輪(5)的套筒上；氣脹軸(2)處于充氣狀態時，鍵條(18)向外凸出，壓緊小皮帶輪(5)的套筒；氣脹軸(2)處于放氣狀態時，鍵條(18)復位，脫離小皮帶輪(5)的套筒。
5.根據權利要求2所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于:還包括控制系統，該控制系統包括計算機(21)、數據采集卡(22)、溫度傳感器(23)、取樣電阻(24)、拉力傳感器(25)、放大器(26)、繼電電路(27)和變頻器(28);溫度傳感器(23)和拉力傳感器(25)設置在加載機構上；溫度傳感器(23)的輸出端與取樣電阻24并接后連接數據采集卡(22);拉力傳感器(25)的輸出端經放大器(26)連接數據采集卡(22);數據采集卡(22)的輸出端連接繼電電路(27)，繼電電路(27)通過變頻器(28)連接電動機(I);繼電電路(27)還連接多個加載機構(6)的電磁離合(29);數據采集卡(22)連接計算機(21)。
6.根據權利要求5所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于，控制系統選擇加載機構(6)后，計算機(21)通過采集卡(22)向繼電電路(27)輸出一個數字信號，使與所選擇的加載機構(6)對應的電磁離合(29)接合；隨后，計算機(21)再通過采集卡(22)向繼電電路(27)輸出一個數字信號，該信號傳輸到變頻器(28)，通過變頻器(28)啟動電動機(I)，加載開始。
7.根據權利要求6所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于，溫度傳感器(23)采集到的電流信號與取樣電阻(24)并接后轉換為電壓信號和拉力傳感器(25)獲取的拉力信號經放大器(26)放大后通過采集卡(22)傳輸給計算機(21)，然后通過計算機(21)比較采集到的拉力值與用戶的設定值，以此調整采集卡(22)輸出，改變變頻器(28)的等效輸出電壓，進而控制電動機(I)的轉速，使加載過程平穩。
8.根據權利要求6所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于，當拉力達到設定值后，計算機(21)通過采集卡(22)輸出數字信號，控制繼電電路(27)切斷電源，變頻器(28)停止工作，進而使電動機(I)停止工作，進入保載階段。
9.根據權利要求6所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于:插銷拉斷后，計算機(21)通過采集卡(22)向繼電電路(27)輸出一個數字信號，使與所選擇的加載機構(6)對應的電磁離合(29)接合；隨后計算機(21)再通過采集卡(22)輸出數字信號控制變頻器(28)，使電動機(I)反轉，即加載機構(6)復位，完成卸載。
10.根據權利要求6所述的一種單電機多通插銷試驗機，其特征在于，控制系統進行通道選擇時，同時選擇2~5個加載機構，同時輸入相同組數的控制參數；控制系統自動逐次進行加載。
【文檔編號】G01N3/10GK103983520SQ201410242028
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】張建勛, 宋健赟, 武博, 朱彤, 李振崗 申請人:西安交通大學
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