專利名稱：立式雙軸四缸電液伺服試驗機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種立式雙軸四缸電液伺服試驗機，屬于工程材料、物理性能、結構形變及力學實驗技術領域。它可用于測試材料，尤其是各向異性的復合材料在雙軸向承受拉伸，壓縮和疲勞載荷的力學特性。
背景技術：
隨著輕質復合材料在各工業領域越來越廣泛的應用，迫切需要完成各向異性材料在雙軸向承受拉伸，壓縮和疲勞載荷的力學實驗。這是因為從實際應用的角度來看，復合材料一般在多方向上承受載荷；而且從材料的各向異性理論出發，在多軸承載狀態下，材料的應力分布也十分復雜，傳統的單軸力學實驗也不能夠充分的提供有效應用各向異性材料需要的材料特性和實驗數據。
目前，國內和國際上存在多種雙軸試驗機，從雙向載荷場的實現來看，主要有兩種方法一種是通過薄壁筒的拉扭聯合加載在材料內部造成雙向應力場(Experimental mechanics，23，384-392，1983)，這種方法比較簡便，但是加載的路徑受到限制，并且是近似的雙向應力場，也不能應用到片狀的材料；另一種方法是直接實現雙向應力場。在這種直接實現雙向應力場的驅動系統來看，大致有三種方法一種是通過重物和一套杠桿系統在實現驅動(J.Strain Analysis，8(2)，119-123，1973)，這種驅動系統由于長時間恒定的載荷，適合完成儒變的實驗，但需要克服較大的摩擦力，而且很難加載很大的載荷和變形；一種是通過一臺電機與離合器匹配驅動(CN 1013809B)，這種一臺電機驅動的方法，容易實現同步和中心對稱加載，但由于受設備幾何結構的限制，而不能實現各種雙軸加載路徑，并且發明專利CN1013809B中的設備僅能完成拉伸實驗；還有一種半個電機的驅動系統通過四套雙作用傳動和反饋系統實現雙軸加載，(Experimental mechanics，34，1-9，1994)每一套傳動系統中有一個直流電機和一個交流電機，分別實現慢速的實驗狀態和快速的移動狀態，能夠完成準靜態的任意加載比例的雙軸拉伸和壓縮實驗，但它不能實現雙軸載荷下的動態疲勞實驗，而且其快速移動狀態沒有進行同步反饋，通過LVDT數值來確定試件的夾持中心，給試件安裝帶來了麻煩，通過懸浮重物來避免水平加載裝置由于自重引起的彎曲。
發明內容
針對現有技術的不足和缺陷，本發明的目的在于提供一種立式雙軸四缸電液伺服試驗機，采用直接實現雙向應力場的液壓驅動。使其不僅能實現同步和中心對稱加載，而且能夠完成雙軸拉伸、壓縮、疲勞力學實驗，同時具有調速方便，調速范圍大，工作比較平穩、反應快、快速啟動、制動和頻繁換向等優點。
本發明的技術方案如下
一種立式雙軸四缸電液伺服試驗機，該試驗機包括立式主機、液壓源和控制系統，所述的主機包括立式框架，水平方向和豎直方向加載傳動系統，其特征在于所述的水平方向和豎直方向加載傳動系統均采用電液伺服加載傳動系統，所述的電液伺服加載傳動系統包括伺服油缸，伺服閥，防松墊，載荷傳感器，液壓夾頭，線性導軌，設置在液壓夾頭上的導向板和位傳裝置；所述伺服油缸的活塞桿通過防松墊與載荷傳感器的一端連接，另一端與液壓夾頭連接；所述的液壓夾頭通過導向板在線性導軌上滑動，在導向板上安裝有位傳裝置；所述的位傳裝置包括電磁鐵，帶有穿孔及夾縫的夾板，穿過夾板穿孔的導桿，設置在所述導桿下部的位移傳感器以及恢復彈簧組；所述的電磁鐵與帶有穿孔及夾縫的夾板成90度安裝在主機框架上；所述位移傳感器活套在導桿上，并固定在導向板上；所述的恢復彈簧組兩個彈簧對稱設置在位移傳感器的上下兩側，每一個彈簧的兩端分別與位移傳感器和導桿相連。
所述的控制系統包括水平控制系統和豎直控制系統，所述的水平和豎直控制系統種中均包含控制環路和反饋環路，所述的每一個控制環路包括伺服控制環路和中心控制環路，伺服控制環路含有計算機、與計算機相連的函數發生器、D/A卡、伺服比較放大器和伺服PID調節器，所述的函數發生器采用能產生正弦波、三角波、方波、斜波或組合波的函數發生器，所述的計算機通過D/A卡和伺服比較放大器分別與伺服PID調節器和控制狀態選擇器連接，所述的伺服PID調節器的另一端分別通過第一伺服驅動器和第二伺服驅動器連接與第一伺服閥和第二伺服閥連接，所述控制狀態選擇器分別與第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器連接；所述的中心控制環路包括計算機、D/A卡、中心比較放大器、中心PID調節器，所述的計算機通過D/A卡和中心比較放大器分別與中心PID調節器連接和中心定位選擇器連接，所述的中心PID調節器的一端分別通過第一伺服驅動器和第二伺服驅動器連接與第一伺服閥和第二伺服閥連接；所述的中心定位選擇器的另一端分別與第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器連接。所述的反饋環路包括計算機，A/D卡，第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器，所述的第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器分別通過A/D卡與計算機相連。
所述的液壓源包括進油路，回油路；所述的進油路經過油泵機組，高壓濾油器，進油蓄能器，分為伺服控制油路和液壓夾頭油路，其中伺服控制油路包括四條支路，它們分別通過水平和豎直控制環路中的伺服閥與伺服油缸連接，液壓夾頭油路通過疊加減壓閥分為四條支路，它們分別通過電磁閥與液壓夾頭油缸連接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三級溢流閥與主回路連接；所述的主回路經過與進油路相對應的所述的八條支路與回油蓄能器，板式換熱器，回油濾油器相連。
本發明具有以下優點及突出性效果本發明提供的立式雙軸四缸電液伺服試驗機，能夠實現任意的加載路徑，有差閉環伺服控制系統保證同步和中心對稱加載；每一套傳動通過一個電液伺服即可實現慢速實驗和快速的移動狀態；配備能夠實現正弦波、三角波、方波、斜波、組合波的函數發生器，產生相應的加載實驗波形；通過位傳裝置可以方便的安裝試件；通過導向板和線性導軌保證同軸性并避免水平方向夾頭由于自重而引起彎曲；本試驗機能夠完成雙軸拉伸、壓縮外，還能完成疲勞力學實驗。相比較先有技術的機械傳動，本發明還具有液壓傳動的優點，可在運行過程中進行無級調速，調速方便且調速范圍大；在相同功率的情況下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、結構緊湊。液壓傳動工作比較平穩、反應快、換向沖擊，能快速啟動、制動和頻繁換向；液壓傳動的控制調節簡單，操作方便、省力，易實現自動化，當其與電氣控制結合，更易實現各種復雜的自動工作循環；液壓傳動易實現過載保護，液壓元件能夠自行潤滑，故使用壽命較長；由于液壓元件已實現了系列化、標準化和通用化，過制造、使用和維護都比較方便。
圖1是本發明的立式主機結構示意圖。
圖2是本發明的位傳裝置的結構示意圖。
圖3是本發明位傳裝置中的夾板結構示意圖。
圖4是本發明液壓源的油路原理圖。
圖5是本發明的水平方向控制系統原理圖。
圖6是已有技術的結構示意圖。
圖中1-伺服油缸；2a-水平方向第一伺服閥；2b-水平方向第二伺服閥；2c-豎直方向第一伺服閥；2d-豎直方向第二伺服閥；3-進油蓄能器；4-溫度計；5-高壓濾油器；6-壓力表；7-壓力表開關；8-三級溢流閥；9-油泵機組；10-回油濾油器；11-板式換熱器；12-液位計；13-出油蓄能器；14-疊加式減壓閥；15-電磁閥；16-液壓夾頭油缸；17-帶有穿孔及夾縫的夾板；18-面板；19-操作盒；20-導向板；21-液壓夾頭；22-位傳裝置；23-防松墊；24-調整墊；25-試件；26-主機框架；27-線性導軌；28-載荷傳感器；29-電磁鐵；30-定位導套；31-導桿；32-位移傳感器；33-恢復彈簧組；具體實施方式
圖1是本發明提供的立式主機的示意圖，所述的主機包括主機框架26以及水平方向和豎直方向加載傳動系統，所述的水平方向和豎直方向加載傳動系統均采用電液伺服加載傳動系統，所述的電液伺服加載傳動系統包括伺服油缸1，伺服閥，防松墊23，載荷傳感器28，液壓夾頭21，液壓夾頭油缸16，線性導軌27，設置在液壓夾頭上的導向板20和位傳裝置22；所述伺服油缸的活塞桿通過防松墊23與載荷傳感器28的一端連接，活塞桿的另一端與液壓夾頭21連接；所述的液壓夾頭通過導向板20在線性導軌27上滑動，在導向板上安裝有位傳裝置22；其中主機框架26采用立式封閉整體鑄鋼框架，它具有整機剛性好，系統頻率高等特點。加載和傳動系統是產生力和位移的裝置，從設計上保證了低阻尼、高頻響的最佳動態特性。液壓夾頭可以方便而可靠的使試樣與主機剛性連接，該液壓夾頭的優點是夾持時夾塊無軸向移動，夾持力均勻，同軸好。缺點是對試件夾持部分的加工精度要求高。傳感器包括水平方向兩個位移傳感器和豎直方向兩個位移傳感器，水平方向兩個載荷傳感器和豎直方向兩個載荷傳感器、水平方向和豎直方向各一個變形傳感器。傳感器是測量及參與反饋控制的關鍵部分，其精度直接影響控制精度。載荷傳感器采用輪輻式應變負荷傳感器，具有精度高，穩定性好的優點。載荷傳感器與液壓夾頭連接成一體。位移傳感器采用交流差動變壓器式位移傳感器。變形傳感器采用電阻應變橋結構。使用時可以夾持在試件變形區，將試件一定標距內的變化轉換成相應的電信號。滑動導軌主要是用來保護活塞桿免受側向力作用而損壞，還能保證對中性。
圖2，3是本發明提供的位傳裝置示意圖，所述的位傳裝置22包括電磁鐵29，帶有穿孔及夾縫的夾板17，穿過夾板穿孔的導桿31，設置在所述導桿下部的位移傳感器32以及恢復彈簧組33；所述的電磁鐵29與帶有穿孔及夾縫的夾板17成90度安裝在主機框架26上；所述位移傳感器32活套在導桿31上，并固定在導向板20上；所述的恢復彈簧組33的兩個彈簧對稱設置在位移傳感器32的上下兩側，每一個彈簧的兩端分別與位移傳感器和導桿相連。在安裝試件的時候，電磁鐵29產生吸力，使帶有穿孔及夾縫的夾板17松開，位移傳感器32和導桿31可整體隨液壓夾頭移動，當試件夾持完成后，可以通過電磁鐵29控制，使帶有穿孔及夾縫的夾板17夾緊，恢復彈簧組33能夠使位移傳感器32恢復到初始的位置，這種位傳裝置設計可以保證位移傳感器32始終工作在最優區域，同時方便試件的安裝過程。
圖4是本發明提供的水平方向控制系統原理圖，所述的控制系統包括水平控制系統和豎直控制系統，所述的水平和豎直控制系統種中均包含控制環路和反饋環路，所述的每一個控制環路包括伺服控制環路和中心控制環路，伺服控制環路含有計算機、與計算機相連的函數發生器、D/A卡、伺服比較放大器和伺服PID調節器，所述的函數發生器采用能產生正弦波、三角波、方波、斜波或組合波的函數發生器，所述的計算機通過D/A卡和伺服比較放大器分別與伺服PID調節器和控制狀態選擇器連接，所述的伺服PID調節器的另一端分別通過第一伺服驅動器和第二伺服驅動器連接與第一伺服閥和第二伺服閥連接，所述控制狀態選擇器分別與第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器連接；所述的中心控制環路包括計算機、D/A卡、中心比較放大器、中心PID調節器，所述的計算機通過D/A卡和中心比較放大器分別與中心PID調節器連接和中心定位選擇器連接，所述的中心PID調節器的一端分別通過通過第一伺服驅動器和第二伺服驅動器連接與第一伺服閥2a和第二伺服閥2b連接；所述的中心定位選擇器的另一端分別與第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器連接。所述的反饋環路包括計算機，A/D卡，第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器，所述的第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器分別通過A/D卡與計算機相連。這里所述的第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器在水平控制系統中分別代表左右兩個位移傳感器和左右兩個載荷傳感器，在豎直控制系統中分別代表上下兩個位移傳感器和上下兩個載荷傳感器。下面水平方向為例說明控制系統工作的原理控制信號源輸出的控制指令信號與控制狀態選擇器選擇的反饋信號在伺服比較器放大器輸出一個誤差信號。這個誤差信號經過伺服PID(比例、積分、微分)調節器后同時送到水平方向的第一第二伺服驅動器上，控制兩個伺服閥推動各自的油缸向著指令要求的方向對稱運動，來減小誤差趨向控制指令目標。當兩個油缸對稱作用時，由于各種綜合因素的影響，會使其載荷中心偏離“中心信號指令”要求的值時，其中心比較放大器輸出一個誤差信號，經過PI(比例、積分)調節后分別送到第一第二伺服驅動器上，改變兩個驅動器平衡來修正中心對稱。整個控制過程就是兩個調節器不斷地調整兩個驅動器的輸出，使其相應的反饋信號與設定信號之間的誤差最小。
圖5是本發明提供的油路原理圖，所述的液壓源包括進油路，回油路；所述的進油路經過油泵機組9，高壓濾油器5，進油蓄能器3，分為伺服控制油路和液壓夾頭油路，其中伺服控制油路包括四條支路，它們分別通過水平和豎直控制環路中的伺服閥與伺服油缸1連接，液壓夾頭油路通過疊加減壓閥14分為四條支路，它們分別通過電磁閥15與液壓夾頭油缸16連接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三級溢流閥8與主回路連接；所述的主回路經過與進油路相對應的所述的八條支路與回油蓄能器13，板式換熱器11，回油濾油器10相連。
其中高壓泵組用手動斜盤式軸向柱塞泵組，輸出流量最大100l/min，驅動電機功率37KW。蓄能器使高壓泵組輸出脈動油流變得平穩，伺服閥是電液伺服系統中，電液轉換關鍵元件。本系統用帶液壓力矩反饋的二級伺服閥。其輸出液壓流量與輸信號電流成正比。
權利要求
1.一種立式雙軸四缸電液伺服試驗機，該試驗機包括立式主機、液壓源和控制系統，所述的主機包括主機框架(26)，水平方向和豎直方向加載傳動系統，其特征在于所述的水平方向和豎直方向加載傳動系統均采用電液伺服加載傳動系統，所述的電液伺服加載傳動系統包括伺服油缸(1)，伺服閥，防松墊(23)，載荷傳感器(28)，液壓夾頭(21)，線性導軌(27)，設置在液壓夾頭上的導向板(20)和位傳裝置(22)；所述伺服油缸的活塞桿通過防松墊(23)與載荷傳感器(28)的一端連接，另一端與液壓夾頭(21)連接；所述的液壓夾頭通過導向板在線性導軌上滑動，在導向板上安裝有位傳裝置(22)；所述的位傳裝置(22)包括電磁鐵(29)，帶有穿孔及夾縫的夾板(17)，穿過夾板穿孔的導桿(31)，設置在所述導桿下部的位移傳感器(32)以及恢復彈簧組(33)；所述的電磁鐵(29)與帶有穿孔及夾縫的夾板(17)成90度安裝在主機框架(26)上；所述位移傳感器(32)活套在導桿(31)上，并固定在導向板(20)上；所述的恢復彈簧組(33)的兩個彈簧對稱設置在位移傳感器(32)的上下兩側，每一個彈簧的兩端分別與位移傳感器和導桿相連。
2.如權利要求1所述的立式雙軸四缸電液伺服試驗機，其特征在于所述的控制系統包括水平控制系統和豎直控制系統，所述的水平和豎直控制系統中均包含控制環路和反饋環路，所述的每一個控制環路包括伺服控制環路和中心控制環路，伺服控制環路含有計算機、與計算機相連的函數發生器、D/A卡、伺服比較放大器和伺服PID調節器，所述的函數發生器采用能產生正弦波、三角波、方波、斜波或組合波的函數發生器，所述的計算機通過D/A卡和伺服比較放大器分別與伺服PID調節器和控制狀態選擇器的一端連接，所述的伺服PID調節器的另一端分別通過第一伺服驅動器和第二伺服驅動器連接與第一伺服閥和第二伺服閥連接，所述控制狀態選擇器分別與第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器連接；所述的中心控制環路包括計算機、D/A卡、中心比較放大器、中心PID調節器，所述的計算機通過D/A卡和中心比較放大器分別與中心PID調節器連接和中心定位選擇器的一端連接，所述的中心PID調節器的一端分別通過第一伺服驅動器和第二伺服驅動器連接與第一伺服閥(2a)和第二伺服閥(2b)連接；所述的中心定位選擇器的另一端分別與第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器連接；所述的反饋環路包括計算機，A/D卡，第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器，所述的第一第二位移傳感器，第一第二載荷傳感器以及變形傳感器分別通過A/D卡與計算機相連。
3.如權利要求1或2所述的立式雙軸四缸電液伺服試驗機，其特征在于所述的液壓源包括進油路，回油路；所述的進油路經過油泵機組(9)，高壓濾油器(5)，進油蓄能器(3)，分為伺服控制油路和液壓夾頭油路，其中伺服控制油路包括四條支路，它們分別通過水平和豎直控制環路中的伺服閥(2)與伺服油缸(1)連接，液壓夾頭油路通過疊加減壓閥(14)分為四條支路，它們分別通過電磁閥(15)與液壓夾頭油缸(16)連接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三級溢流閥(8)與主回路連接；所述的主回路經過與進油路相對應的所述的八條支路與回油蓄能器(13)，板式換熱器(11)，回油濾油器(10)相連。
4.按照權利要求1所述的立式雙軸四缸電液伺服試驗機，其特征在于所述的位移傳感器采用交流差動變壓器式位移傳感器。
全文摘要
立式雙軸四缸電液伺服試驗機，屬于工程材料、物理性能、結構形變及力學實驗技術領域。本發明采用直接實現雙向應力場的液壓驅動。四缸驅動能夠實現任意的加載路徑，有差閉環伺服控制系統保證同步和中心對稱加載；每一套傳動通過一個電液伺服即可實現慢速實驗和快速的移動狀態；配備能夠實現正弦波、三角波、方波、斜波、組合波的函數發生器，產生相應的加載實驗波形；通過位傳裝置方便試件的安裝；通過導向板和線性導軌保證同軸性并避免水平方向夾頭由于自重而引起彎曲；本試驗機能夠完成雙軸拉伸、壓縮外，還能完成雙軸動態疲勞力學實驗。整個實驗過程采用計算機控制，簡單方便。
文檔編號G01N3/00GK1865910SQ200610012089
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月2日 優先權日2006年6月2日
發明者方岱寧, 李躍光, 鮑沛, 董起順, 丁國龍, 韓巍, 裴永茂 申請人:清華大學, 長春試驗機研究所
專業數控銑床產品供應商
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