一種形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置，其特征在于，包括數據采集控制系統、步進電機驅動模塊、力采集模塊、電源控制模塊和溫度測量模塊，利用編寫的Labview用戶化圖形界面程序實現控制步進電機的轉速和轉動位移，并可以根據拉力傳感器和溫度采集卡實時采集的信號進行反饋，實現對形狀記憶合金絲材的機械性能測試、熱機訓練的自動化運行功能。本發明的裝置具有體積小、質量輕、可拆卸擴展和控制精度高等優點，可以對不同型號、長度的形狀記憶合金絲進行拉伸測試實驗和熱機訓練，采集到的實驗數據準確性較高,并能實時地顯示和存儲,是一種結合形狀記憶合金絲力學性能測試與訓練雙重功能的有效裝置。
【專利說明】一種形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及到一種形狀記憶合金絲材的性能測試裝置，尤其涉及利用上位機軟件進行控制的對形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置。
【背景技術】
[0002]形狀記憶合金是一種新型的智能材料，具有形狀記憶效應和超彈性等特點，廣泛用于航空航天、土木工程以及機器人領域的驅動器設計和振動控制方面。形狀記憶效應指的是形狀記憶合金能夠記憶在低溫馬氏體相的形狀，在產生了明顯的塑性變形后，升高至一定的溫度可以自動恢復到原來記憶的形狀，形狀記憶合金絲需要經過一定熱機訓練才能達到所需的形狀記憶效應；超彈性指的是對其拉伸至塑性變形階段，卸載后能塑性變形能回復，在高溫下的主要表現形式是其彈性模量是低溫下的數倍。由于在制造形狀記憶合金時不同的合金比例和熱處理條件對其機械性能影響很大，如何對其性能參數測試以及采取相應的訓練手段是其進一步在工程中應用的關鍵，采用合適的設備進行定量實驗研究和訓練是關鍵技術。
[0003]形狀記憶合金絲的性能測試主要涉及以下幾個方面的內容:
Cl)形狀記憶合金絲的機械性能測試
形狀記憶合金絲的機械性能測試主要包括不同溫度下的應力應變關系曲線、最大可回復應變、不同預應變下的受限應力、疲勞性能。目前對于形狀記憶合金絲的力學性能的測量一般在帶有溫控箱的材料試驗機上進行，這種設備昂貴，成本高，而且溫控箱的加熱冷卻緩慢，測試周期長，有必要研制一種簡單易用的測試形狀記憶合金絲機械性能的裝置。
[0004](2)形狀記憶合金絲的熱機訓練
形狀記憶合金作為驅動器使用時必須經過預拉伸，要完全發揮其性能要求還必須經過一定的熱機訓練。熱機訓練指的是先把形狀記憶合金絲拉伸到想要的預應變，然后加熱讓其自由回復到原來形狀，然后冷卻再拉伸，重復這一過程50次以上。傳統上往往采用人工手動訓練，往往費時費力，需要采取自動化的拉伸、加熱、冷卻循環控制系統以代替人力成本。
[0005]( 3 )形狀記憶合金絲回復應變和回復應力的精確控制
出廠后的形狀記憶合金絲在實際使用中需要拉伸至給定的應變以滿足實際工程需要，有時也要求經過拉伸后的絲在受限回復時能產生預定的回復應力。以往在拉伸時往往忽略其彈性變形部分，這樣使得實際使用的絲變形小于預期變形，而制備需要一定回復應力的絲時時也只憑經驗，急需設計一種帶反饋的拉伸裝置能精確地拉伸至其給定的回復應變或回復應力來滿足工程需要。
[0006]
【發明內容】
[0007]技術問題 本發明要解決的技術問題是提供一種對形狀記憶合金絲材進行機械性能測試和熱機訓練的裝置，該裝置根據拉力傳感器和溫度采集卡實時采集的信號進行反饋，實現對形狀記憶合金絲材的機械性能測試、熱機訓練的自動化運行功能。
[0008]技術方案
為了解決上述的技術問題，本發明的形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置包括數據采集控制系統、步進電機驅動模塊、力采集模塊、電源控制模塊和溫度測量模塊，其中，
所述的數據采集控制系統包括進行數據接收和命令輸出的上位機；
所述的步進電機驅動模塊包括提供動力源的步進電機、提供單軸正反向運動的滾珠絲桿滑臺和步進電機控制器，所述的步進電機控制器與所述的上位機相連接，所述的步進電機驅動滾珠絲桿滑臺進行單軸雙向運動；
所述的力采集模塊包括拉力傳感器，所述的拉力傳感器將采集的拉力數據傳輸至上位
機；
所述的電源控制模塊包括恒流電源和繼電器，所述的繼電器受所述上位機控制并控制恒流電源與待測試形狀記憶合金絲材之間的通斷；
所述的溫度測量模塊包括采集待測試形狀記憶合金絲材溫度信號的溫度采集卡，所述的溫度采集卡與上位機相連接。
[0009]更進一步地，所述的滾珠絲桿滑臺可采用這樣的結構，S卩，用于固定形狀記憶合金絲的夾具固定設置于底座的一端，所述的拉力傳感器通過固定底座固定設置于底座的另一端，待測試形狀記憶合金絲材設置于夾具與拉力傳感器之間。
[0010]本發明技術方案的性能測試與訓練裝置可適用于不同長度的形狀合金絲材，其中，固定拉力傳感器的底座可以擴展其長度，即固定合金絲材兩端的間距可以進行變化，以適應不同長度的待測試件。
[0011]通過本發明的裝置可以獲得不同溫度下形狀記憶合金絲的拉伸位移曲線、對其熱機循環訓練以及獲取設定回復應變和回復應力拉伸后的形狀記憶合金絲，為研究形狀記憶合金的力學機理及工程應用提供幫助。具體地，該裝置采用的帶串口控制的步進電機控制器、拉力傳感器、溫度采集卡、帶串口控制的繼電器與電腦相連，利用Labview軟件編寫電機控制系統、繼電器控制系統，溫度、力實時采集系統，可以對加熱、拉伸、訓練進行同步控制和數據采集；通過各個系統間的相互組合、反饋，可以實現獲得不同溫度下形狀記憶合金絲的拉伸位移曲線、對其熱機循環訓練以及獲取設定回復應變和回復應力拉伸后的形狀記憶合金絲。
[0012]本發明的裝置可實現的具體功能如下:
(一)夾持試件時的預緊功能。當安裝夾持試件時，不需要手動對其拉直預緊，避免了安裝試件時用力過大帶來的誤差。本發明裝置的原理是在未預緊時，拉力傳感器所輸出的力值為零，當反饋到力信號為零時，步進電機開始工作預緊試件直到力信號大于零，此時試件完全預緊。
[0013](二)機械性能測試。實驗時調節恒流電源保證達到樣件所需測試溫度，確定所需拉伸長度、步進電機開始工作時同步進行測試設備的數據采集。當達到拉伸長度后，步進電機和數據采集裝置停止工作，此時可以獲得拉力位移關系曲線圖。通過在不同溫度、不同拉伸長度及不同拉伸速率下對形狀記憶合金絲的拉伸試驗獲取數據進行分析，可以獲得其拉伸變形的機理。
[0014](三)制備給定回復應變或回復應力的形狀記憶合金絲。此功能通過力反饋和步進電機的精確控制可以制備所要求回復應變或回復應力的試件。此功能的實現方式是保證試件溫度小于奧氏體相變開始溫度(一般室溫)，步進電機開始轉動達到設定的回復應變，由于有彈性變形的存在，試件需要回復一定的彈性應變，此時的應變實際小于所要求的回復應變。裝置通過拉力傳感器監測彈性變形的存在，步進電機倒轉自動回復彈性應變，當拉力傳感器監測的力為零同時應變小于設定的應變，步進電機繼續工作拉伸形狀記憶合金絲，如此反復循環直到到達設定的應變值。同理保證試件溫度大于奧氏體相變結束溫度，步進電機運行過程中，當拉力傳感器監測到所要求的回復應力，停止工作，此時制作的形狀記憶合金絲在高溫下就能產生設計者要求的回復應力。
[0015](四)熱機訓練。利用此功能制備的試件具有穩定的形狀記憶效應，是設計形狀記憶合金驅動器必不可少的環節。試件經過拉伸、卸載、加熱、冷卻這一過程不斷循環，完成對其熱機訓練。此功能主要利用繼電器和步進電機控制器來實現，通過繼電器控制試件加熱、冷卻的轉化，步進電機控制器控制拉伸、卸載過程。通過編寫的程序可以實現完全自動化運行，減少人力的重復成本。
[0016]有益效果
本發明的形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置具有以下有益效果:
(O結構簡單易安裝，控制精度高，采用步進電機位移精度可以保證萬分之一毫米；結構可進一步擴展，對測試試件的長度在20cm-lm都能滿足要求；
(2)操作簡便，在安裝試件時，不需要手動預緊試件，避免安裝帶來的誤差；
(3)本發明通過程序界面可以實現完成自動化的測試、訓練工作，數據實時采集保存并能顯示在程序界面中；
(4)本發明能保證拉伸后的形狀記憶合金絲精確的預應變，能消除彈性變形的影響。
[0017](5)應用前景廣泛，適用于不同溫度下形狀記憶合金絲材的機械性能測試、形狀記憶合金絲材的精確設計，同時兼顧回復應力和回復應變設計，并可用于形狀記憶合金絲材的熱機訓練。克服了傳統設備的精度低、人力成本大、設備昂貴等缺點，是研究形狀記憶合金絲非常有效的裝置。
[0018]【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置原理示意圖； 圖2是本發明一個實施例的結構示意圖；
圖3是本發明一個實施例的裝置測試不同溫度下試件的應力與應變關系曲線。
[0020]圖4是本發明的裝置具體測試在不同溫度下形狀記憶合金絲材應力-應變曲線示意圖。
[0021]
【具體實施方式】[0022]以下結合具體附圖對本發明的技術方案進行進一步說明。
[0023]如圖1、圖2所示，本實施例的狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置包括數據采集控制系統、步進電機驅動模塊、力采集模塊、電源控制模塊和溫度測量模塊，其中，
所述的數據采集控制系統包括進行數據接收和命令輸出的上位機12 ；
所述的步進電機驅動模塊包括提供動力源的步進電機1、提供單軸正反向運動的滾珠絲桿滑臺2和步進電機控制器10，所述的步進電機控制器10與所述的上位機12相連接，所述的步進電機I驅動滾珠絲桿滑臺2進行單軸雙向運動；
所述的力采集模塊包括拉力傳感器5，所述的拉力傳感器5將采集的拉力數據傳輸至上位機12 ；
所述的電源控制模塊包括恒流電源8和繼電器9，所述的繼電器9受所述上位機12控制并控制恒流電源8與待測試形狀記憶合金絲材7之間的通斷；
所述的溫度測量模塊包括采集待測試形狀記憶合金絲材7溫度信號的溫度采集卡11，所述的溫度采集卡11與上位機12相連接。
[0024]如圖2所示，高精度步進電機I作為該裝置的動力系統，滾珠絲桿滑臺2提供單軸正反向運動，滾珠絲桿滑臺2固定在底座3上，夾具4用來固定形狀記憶合金絲，拉力傳感器5與電腦12連接并采集拉力數據，形狀記憶合金絲的另一端與其相連，底座6用于固定拉力傳感器，其可以擴展其長度以適應不同長度的試驗件，待測試形狀記憶合金絲材7、恒流電源8、繼電器9和待測試形狀記憶合金絲材7相串聯，對待測試形狀記憶合金絲材7通電流加熱，繼電器9與電腦12連接，可以通過電腦發信號控制其通斷，步進電機控制器10能通過電腦控制其轉動方向、轉動速度和步進數，溫度采集卡11上的熱電偶與待測試形狀記憶合金絲材7接觸，采集溫度數據進入電腦12。
[0025]本實施例的裝置通過Labview程序控制步進電機的轉速、方向和步數、繼電器的通斷和采集力傳感器的力值和溫度傳感器的溫度值，可以實時得到試件被拉伸時的應變、產生的應力以及實時的溫度數據。在程序中對數據進行采集、處理、反饋，就可以實現預定的功能，如對試件不同溫度下拉伸曲線的測量、對試件的熱機訓練等功能。
[0026]以下結合附圖具體說明本實施例裝置的工作過程:
首先根據圖2所示連接好各部分組件，接通電源，打開PC，運行Labview軟件。在上位機編寫的步進電機控制模塊界面中調節滾珠絲桿滑臺2的位置，使滾珠絲桿滑臺2的夾具4和拉力傳感器5之間的長度小于所測形狀記憶合金絲材7的長度。形狀記憶合金絲材7兩端與夾具4、拉力傳感器5上的夾具相連，并與恒流電源8相串聯，調節恒流電源8的輸出電流大小使試樣能完全回復變形。此時運行上位機編寫的拉緊定位模塊，使試件自動夾緊，完成實驗前期準備。
[0027]機械性能測試功能。先量出試件的長度，在上位機編寫的拉力測試模塊界面中，輸入試件長度、拉伸位移，調節恒流電源8到試件所需的測試溫度，運行程序。此時步進電機I開始工作，拉力傳感器5測得待測試形狀記憶合金絲材7拉伸過程中所受到的拉力。當達到所需的位移，步進電機I開始反轉，直到完全卸載。本模塊界面中能實時顯示拉力-位移曲線圖，由此得到形狀記憶合金絲材的溫度、應力及應變關系曲線圖，完成其機械性能測試，如圖3所示。[0028]熱機訓練功能。先量出試件的長度，調節恒流電源8到試件的訓練溫度，把繼電器9與恒流電源8、待測試形狀記憶合金絲材7相串聯。在上位機編寫的熱機訓練模塊界面中輸入試件長度，所需訓練應變、訓練次數，運行軟件。此時步進電機I開始工作直到拉伸至輸入的試件應變，然后電機倒轉回復到原來位置，軟件控制繼電器9打開，試件開始加熱，10秒后繼電器閉合，試件開始冷卻，20秒后步進電機開始工作，此為一個訓練過程，反復對試件拉伸、回復、加熱、冷卻直到達到預定的訓練次數。通過對試件的熱機訓練可以得到記憶效果更穩定的試件，還可以對形狀記憶合金彈簧進行雙程訓練。
[0029]給定回復應變的形狀記憶合金絲功能。先量出試件的長度，關閉恒流電源8，在上位機編寫的位移控制模塊界面中輸入所需的回復應變和試件長度，運行軟件。此時步進電機I開始工作直到拉伸至輸入的試件應變，此時制作的形狀記憶合金絲試件具有所要求的應變。
[0030]給定回復應力的形狀記憶合金絲功能。調節恒流電源8使試件溫度奧氏體結束溫度，在上位機編寫的回復變形模塊中輸入所需的回復應力，運行軟件。此時步進電機I開始工作直到拉力傳感器所測的應力達到所需的回復應力，此時制作的形狀記憶合金絲試件具有要求的回復應力。
[0031]進行回復應力測試的功能。把溫度采集卡11上的熱電偶固定在待測試形狀記憶合金絲材7上，運行上位機編寫的回復變形模塊，調節恒流電源8使試件溫度奧氏體結束溫度。此時待測試形狀記憶合金絲材7開始升溫，溫度采集卡11測得試件的溫度，同時拉力傳感器5獲取拉力值，上位機12直接接受數據獲得回復應力與溫度的關系曲線圖，如圖4所示。
【權利要求】
1.一種形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置，其特征在于，包括數據采集控制系統、步進電機驅動模塊、力采集模塊、電源控制模塊和溫度測量模塊，其中， 所述的數據采集控制系統包括進行數據接收和命令輸出的上位機(12); 所述的步進電機驅動模塊包括提供動力源的步進電機(I)、提供單軸正反向運動的滾珠絲桿滑臺(2)和步進電機控制器(10)，所述的步進電機控制器(10)與所述的上位機(12)相連接，所述的步進電機(I)驅動滾珠絲桿滑臺(2 )進行單軸雙向運動； 所述的力采集模塊包括拉力傳感器(5)，所述的拉力傳感器(5)將采集的拉力數據傳輸至上位機(12); 所述的電源控制模塊包括恒流電源(8 )和繼電器(9 )，所述的繼電器(9 )受所述上位機(12)控制并控制恒流電源(8)與待測試形狀記憶合金絲材(7)之間的通斷； 所述的溫度測量模塊包括采集待測試形狀記憶合金絲材(7)溫度信號的溫度采集卡(11)，所述的溫度采集卡(11)與上位機(12 )相連接。
2.如權利要求1所述的形狀記憶合金絲材的機械性能測試與熱機訓練裝置，其特征在于，所述的滾珠絲桿滑臺(2)中，用于固定待測試形狀記憶合金絲的夾具(4)固定設置于底座(3)的一端,所述的拉力傳感器(5)通過固定底座(6)固定設置于底座(3)的另一端,待測試形狀記憶合金絲材(7)設置于夾具(4)與拉力傳感器(5)之間。
【文檔編號】G01N3/18GK103543073SQ201310447098
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月26日 優先權日:2013年9月26日
【發明者】裘進浩, 王明義, 吳郁程, 張超, 聶瑞, 季宏麗, 王麗霞 申請人:南京航空航天大學