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【发明授权】ESEM原位力学试验平台_中国科学技术大学_201811062015.5 

申请/专利权人:中国科学技术大学

申请日:2018-09-12

公开(公告)日:2020-05-15

公开(公告)号:CN109238848B

主分类号:G01N3/08(20060101)

分类号:G01N3/08(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.05.15#授权;2019.02.19#实质审查的生效;2019.01.18#公开

摘要:本发明公开了一种ESEM原位力学试验平台,包括拉伸台,拉伸台设有双轴驱动滚珠丝杠,每轴驱动滚珠丝杠分别设有步进电机,双轴驱动滚珠丝杠上设有力传感器、位移传感器和拉伸压板,双轴驱动滚珠丝杠及两台步进电机对称分布、同步转动。与滚珠丝杠啮合的螺母反向旋入,位移传感器为拉杆式位移传感器。采用了双轴驱动滚珠丝杠设计为力传感器安装提供了空间;螺母反向旋入增加了夹具的安装空间,减小宽度方向的尺寸,同时也增加了拉伸压缩的有效行程;采用双步进电机对称分布,为位移传感器安装提供空间,拉杆式位移传感器,同时也保证了被测尺寸线在标准尺寸线及其延长线上。

主权项:1.一种ESEM原位力学试验平台,其特征在于,包括拉伸台,所述拉伸台设有双轴驱动滚珠丝杠,每轴驱动滚珠丝杠分别设有步进电机,双轴驱动滚珠丝杠上啮合有螺母,所述螺母与丝杠连接件连接,所述丝杠连接件与拉伸压板、力传感器和位移传感器连接,双轴驱动滚珠丝杠及两台步进电机对称分布;所述位移传感器、力传感器安装高度和工作方向与试样夹持高度和加载方向完全一致;所述滚珠丝杠为双头螺纹丝杠,两头的螺纹旋向相反,两头的螺纹上分别啮合有螺母,两个螺母分别连接有丝杠连接件,两个丝杠连接件上分别固定有拉伸压板;所述拉伸压板固定在所述丝杠连接件的内侧,所述螺母安装在所述丝杠连接件的外侧;所述螺母在所述滚珠丝杠上反向安装;所述位移传感器为拉杆式位移传感器;两台步进电机同步转动,同步驱动采用以下任一种控制方式:同一信号并联给两台驱动器来控制两台对应的步进电机;一台驱动器带两台步进电机。

全文数据:ESEM原位力学试验平台技术领域本发明涉及一种试验平台,尤其涉及一种ESEMEnvironmentScanningElectronMicroscope,环境扫描电子显微镜原位力学试验平台。背景技术ESEM结合原位力学试验平台,可以在加载情况下,对试样表面特定区域进行实时观测,将材料的宏观、细观甚至微观结构与材料的宏观力学性能进行动态观测与分析,为材料力学性能研究提供不可替代的研究工具。原位力学试验平台主要由拉伸台、拉伸台控制箱、控制软件三部分组成,软硬件结合可以实现:拉伸台的加载和拉伸、移动速度控制、力与位移信号处理以及图像显示等功能。为了更好适应材料原位观测的需求,现有技术中有多款原位力学试验平台,公开文献主要涉及机械部分、配套的驱动模块与控制系统,相关的论文、专利主要集中在机械结构方面,包括动力源、传感器等方面。机械部分的动力源主要分为三大类:电机传动、热膨胀和记忆合金相变引起的形状变化。其中直流电机作为动力源,应用最为广泛。传动过程基本为电机的转动,通过减速齿轮减速,传递给双头左右旋丝杠,螺母带动丝杠连接件相对运动,丝杠连接件上的夹具带动试样相对运动并加载。现有技术中的方案,传感器的选择与机械结构的设计、驱动模块的高效合理运行、控制系统的人性化设计依旧有很多工作需要去完成与完善。发明内容本发明的目的是提供一种ESEM原位力学试验平台。本发明的目的是通过以下技术方案实现的:本发明的ESEM原位力学试验平台,包括拉伸台,所述拉伸台设有双轴驱动滚珠丝杠,每轴驱动滚珠丝杠分别设有步进电机,双轴驱动滚珠丝杠上啮合有螺母,所述螺母与丝杠连接件连接,所述丝杠连接件与拉伸压板、力传感器和位移传感器连接,双轴驱动滚珠丝杠及两台步进电机对称分布。由上述本发明提供的技术方案可以看出,本发明实施例提供的ESEM原位力学试验平台,采用了双轴驱动滚珠丝杠设计,防止过定位取消了导轨,同时也为力传感器安装提供了空间;采用双步进电机对称分布,为位移传感器安装提供空间,同时也保证了被测尺寸线在标准尺寸线及其延长线上。可对试样进行原位加载,并对变形长度和加载载荷进行实时测量,结合环境扫描电子显微镜,可动态观测材料表面形貌和裂纹的萌生、扩散等。附图说明图1为本发明实施例中拉伸台俯视示意图;图2为本发明实施例中拉伸台立体示意图;图3为本发明实施例ESEM原位力学试验平台信息流图。图中:1.底座2.步进电机3.减速器4.联轴器5.位移传感器6.微型平面推力球轴承F7-15M7.丝杠连接件一8.丝杠9.拉伸压板10.底盘11.丝杠连接件二12.螺母13.力传感器14.微型平面推力球轴承F6-14M15.底板16.端盖具体实施方式下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明的ESEM原位力学试验平台,其较佳的具体实施方式是:包括拉伸台,所述拉伸台设有双轴驱动滚珠丝杠,每轴驱动滚珠丝杠分别设有步进电机,双轴驱动滚珠丝杠上啮合有螺母,所述螺母与丝杠连接件连接,所述丝杠连接件与拉伸压板、力传感器和位移传感器连接,双轴驱动滚珠丝杠及两台步进电机对称分布。所述滚珠丝杠为双头螺纹丝杠,两头的螺纹旋向相反,两头的螺纹上分别啮合有螺母,两个螺母分别连接有丝杠连接件,两个丝杠连接件上分别固定有拉伸压板。所述拉伸压板固定在所述丝杠连接件的内侧,所述螺母安装在所述丝杠连接件的外侧。所述螺母在所述滚珠丝杠上反向安装。所述位移传感器为拉杆式位移传感器。两台步进电机同步转动,同步驱动采用以下任一种控制方式:同一信号并联给两台驱动器来控制两台对应的步进电机;一台驱动器带两台步进电机。所述步进电机控制采用上位机控制单片机,当单片机第一次上电,配置TMC260电机驱动芯片基础参数,使其保持为DIRSTEP控制模式,上位机控制软件配置NI公司USB类型数据采集卡信号输出通道,提供脉冲信号与高低电平信号,驱动电路板中两个电气特征保持一致的驱动芯片控制双电机同步运行。本发明的ESEM原位力学试验平台,可以实现如下功能和指标:1对试件进行拉伸、压缩、剪切、弯曲等操作;2实时控制电机的转速和转向,切换过程平稳,没有冲击和无用行程;3加载过程稳定,可以实时调节加载应力;4同时记录和监控加载应力和位移,使材料应力—应变曲线上任意一点都能与该点对应的表面形貌一一对应;5位置精度达到0.1μm,载荷精度达到0.1N。一、具体设计路线:1拉伸台机械结构设计一般来说,机械结构的合理与高效,是系统控制的基础,也是高精度运行的保障。传统的原位拉伸台机械结构多采用单根丝杠传动,通过左右两端对称导轨保持平衡,中间由于丝杠的阻挡,需要将夹具升高到丝杠连接件上方,增加了垂直方向高度,在试样加载过程中,垂直方向会产生一定的弯曲变形,产生了测量的误差。本发明采用了双轴驱动滚珠丝杠设计,防止过定位取消了导轨,同时也为力传感器安装提供了空间;本发明采用螺母反向旋入,增加了夹具的安装空间,减小宽度方向的尺寸,同时也增加了拉伸压缩的有效行程。“反向旋入”是本领域通俗说法,意思是:滚珠丝杠螺母由前端D型的螺帽端外径大的一端和后端的螺母端组成,通常旋入是从螺帽端开始旋入正向旋入,本申请从后端螺母旋入,所以称为“反向旋入”,最终的效果是将滚珠丝杠的螺母安装在丝杠连接件的外侧非工作的两个侧面;现有技术中类似本申请的方案采用正向旋入的缺陷如下:1、与拉伸台压板产生干涉拉伸压板在工作过程中,拉伸压板会产生变形小位移,与滚珠丝杠的螺母相互抵触;为避免干涉,可采取以下三种措施:1、增大宽度具体增大的宽度尺寸为一个滚珠丝杠螺母的直径2.牺牲有效行程使滚珠螺母与拉伸压板之间间隙增大3.减小拉伸压板的尺寸,这样会降低拉伸压板的强度,同时限制了拉伸压缩试样的尺寸,减小了工作台的使用范围;2、有效行程减小增加了滚珠丝杠螺母的宽度;3、强度下降受力部分掏空比较严重。本发明采用螺母反向旋入克服了上述缺陷。本发明采用双步进电机对称分布,为位移传感器安装提供空间,拉杆式位移传感器,同时也保证了被测尺寸线在标准尺寸线及其延长线上。2双轴同步驱动拉伸台左右丝杠的同步转动,是通过电气部分的一致性来保证的,因此电机不能出现丢步、堵转、脱机、运行不连续等现象,不然会对机械部分产生不可逆的破坏。电机驱动的好坏直接影响到整个系统的精度与可靠性。两台步进电机同步驱动有两种控制方式,一种是同一信号并联给两台驱动器来控制两台对应的步进电机,还有一种就是一台驱动器带两台步进电机。关于一台驱动器带动两台步进电机,对驱动器的要求就比较高,也要求步进电机的一致性好,因此更偏向于第一种方式。本发明采用上位机控制单片机,配置TMC260电机驱动芯片基础参数,使其保持为DIRSTEP控制模式,上位机控制软件配置NI公司USB类型数据采集卡信号输出通道,提供脉冲信号与高低电平信号,驱动电路板中两个电气特征保持一致的驱动芯片控制双电机同步运行。3设计原位力学试验机控制软件,包括哪些模块在控制软件设计阶段,采用自顶向下的模式进行设计。必须得划分相应的功能区域,功能与模块逐一对应,保障每个模块的独立性,同时也需要保障模块之间信息的共享与模块间层次关系。4控制面板设计软件需要和用户进行交互,操作人员直接面对的就是控制面板,因此面板设计必须保证如下原则:1.简洁有序说明性文字简单,以词说明,辅以线框、不同颜色的背景;按钮、指示灯、仪表等布局顺序与操作顺序有关,整齐排列;2.功能分区相似功能放置一块,操作人员一眼可以找到所需功能键的位置;3.状态可视对应力、应变实时监控,极值进行显示;4.符合人因工程学。二、本发明的优点和积极效果:1.结构创新性拉伸台延样品轴向线保持对称,左右两端受力平衡,螺母反向旋入丝杠,为夹具提供更宽的安装空间,降低试样夹持高度,机械结构合理。位移传感器、力传感器安装高度和工作方向与试样夹持高度和加载方向完全一致,保证了测量结果理论上的合理性与科学性。2.双步进电机同步驱动双步进电机为整体结构的延样品轴向线保持对称提供了可能,零件的布局更加合理;步进电机与减速箱成套配置,精度高,缩短了加工周期与加工成本;双步进电机一定程度上弥补了同等尺寸下直流电机提供力矩较大的不足,在控制整体尺寸的情况下,提供更大力矩;不需要换向装置,提高了运行效率,减小了反向间隙,重复性精度高,扩大了仪器的功能使用范围;通过电气同步确保机械输出中的同步性,并进行反馈控制,提高了控制的精度;采用TMC260驱动芯片,输出电流随负载变化同步调节,防止丢步,减少电机发热。3.可视化控制界面设计基于美国国家仪器公司的LabVIEW平台进行编写,采用三层递进结构进行分析,分别为顶层、逻辑层、驱动层,并对用户需求和硬件系统进行需求分析,设定登陆界面、操作主界面,并根据人因工程学知识,科学设计按键、图标、文本框,最大限制满足界面简单明了、交互友好的要求。ESEM原位力学试验平台是一套完整的系统,由拉伸台、驱动控制箱、控制软件三部分组成,可独立完成原位拉伸、压缩、弯曲等材料力学性能试验,也可与ESEM结合,在加载实验的同时,观测材料表面形貌的改变,例如:裂纹的萌生与扩展、断裂界面的形貌。同时也可以与加热装置配合,进行热力耦合实验,在材料、生物等领域具有广泛的应用前景。三、具体实施例:如图1至图3所示,ESEM原位力学试验平台的拉伸台放置在环境扫描电子显微镜的样品室升降台上,将样品固定于拉伸台,通过相对运动,使试样发生形变,扫描电镜的视角不变,观察为一确定区域,因此又称为原位加载。以拉伸操作进行举例:打开电源总开关,预热系统;将样品放置在力支撑板上,调整位置,将力传感器一端压板旋紧,另一端自由状态,点击控制软件“相对载荷”右侧“置零”按键,将相对载荷置零;将另一端压板旋紧,通过手动控制对样品施加微小拉力。点击“相对位移”右侧的“置零”按键,将相对位移置零;在软件控制主界面,选择需要的控制模式!例如:设置“移动速度”点击“手动控制”栏的“拉伸”按键,数据采集卡根据“移动速度”与“拉伸”信号发射对应的脉冲频率和高低电频信号,传输给驱动电路板,驱动电机运转,机械传动,产生相对运动,使试样拉伸;力传感器与位移传感器输出相应的电压信号,力传感器信号经过495倍的放大和滤波电路,将信号输入数据采集卡,位移传感器信号经过滤波电路,输入数据采集卡,最终在软件界面显示响应的位移与载荷数值。具体实施中,将样品放置在力支撑板上,压缩、弯曲、剪切试验需要更换夹具,夹具通过拉伸压板进行夹持,可使用通用夹具也可自行设计。以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

权利要求:1.一种ESEM原位力学试验平台,其特征在于,包括拉伸台,所述拉伸台设有双轴驱动滚珠丝杠,每轴驱动滚珠丝杠分别设有步进电机,双轴驱动滚珠丝杠上啮合有螺母,所述螺母与丝杠连接件连接,所述丝杠连接件与拉伸压板、力传感器和位移传感器连接,双轴驱动滚珠丝杠及两台步进电机对称分布。2.根据权利要求1所述的ESEM原位力学试验平台,其特征在于,所述滚珠丝杠为双头螺纹丝杠,两头的螺纹旋向相反,两头的螺纹上分别啮合有螺母,两个螺母分别连接有丝杠连接件,两个丝杠连接件上分别固定有拉伸压板。3.根据权利要求2所述的ESEM原位力学试验平台,其特征在于,所述拉伸压板固定在所述丝杠连接件的内侧,所述螺母安装在所述丝杠连接件的外侧。4.根据权利要求3所述的ESEM原位力学试验平台,其特征在于,所述螺母在所述滚珠丝杠上反向安装。5.根据权利要求1所述的ESEM原位力学试验平台,其特征在于,所述位移传感器为拉杆式位移传感器。6.根据权利要求1所述的ESEM原位力学试验平台,其特征在于,两台步进电机同步转动,同步驱动采用以下任一种控制方式:同一信号并联给两台驱动器来控制两台对应的步进电机;一台驱动器带两台步进电机。7.根据权利要求1至6任一项所述的ESEM原位力学试验平台,其特征在于,所述步进电机控制采用上位机控制单片机,当单片机第一次上电,配置TMC260电机驱动芯片基础参数,使其保持为DIRSTEP控制模式,上位机控制软件配置NI公司USB类型数据采集卡信号输出通道,提供脉冲信号与高低电平信号,驱动电路板中两个电气特征保持一致的驱动芯片控制双电机同步运行。

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