雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置的製作方法

2023-12-11 20:32:47 2

專利名稱：雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機電類的材料性能測試儀器，特別涉及一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置。
背景技術：
雙軸向拉伸作為材料力學性能測試的重要手段，主要採用兩個方向同時施加載荷的方法對有較大泊松比和各向異性的非均勻材料進行測試，一般要求測試中有多種測量模式可供選擇，如雙軸定拉力比、定伸長比、定蠕變比和定鬆弛比等模式，並可結合載荷/位移傳感器和相關算法，獲取彈性模量、屈服強度、抗拉強度、泊松比等重要力學參數。其中，彈性模量、屈服強度、抗拉強度等參數均可通過單軸拉伸等實驗方法測定。此外，泊松現象是指材料沿載荷方向產生伸長(或縮短)變形的同時，在垂直於載荷的方向會產生縮短(或伸長)變形，垂直方向上的應變與載荷方向上的應變之比稱為材料的泊松比。·目前，雙軸向拉伸的材料力學性能測試儀器沒有相關的國家標準，國際上也處於草案修訂階段。已有的雙軸向拉伸試驗機主要用於平面織物或者塗層複合材料的雙軸向力學性能測試，亦有針對巖土等建築或地質材料所進行測試的相關報導，缺乏對特徵尺寸毫米或者釐米級以上三維宏觀金屬材料、高分子材料等的相關研究，且此類儀器多通過步進電機帶動滾珠絲槓結合直線軸承或導軌組件實現的雙軸向拉伸，被測試件寬度與夾頭協調對應。與此同時，原位微納米力學測試技術是指在微納米尺度下對試件材料進行力學性能測試過程中，通過電子顯微鏡、原子力顯微鏡和或光學顯微鏡等成像儀器對載荷作用下材料發生的微觀變形、損傷直至失效破壞的過程進行全程動態監測的一種力學測試技術。因此，一些現有雙軸向拉伸儀器通常配備有連續變倍的長焦距光學鏡頭和反射光源、透射光源，可對被測材料的組織紋理結構的形態及其變化進行觀測，且被測材料的應變值亦往往通過光學方法標定測量。此類儀器往往因其較大的結構尺寸限制，無法內置於掃描電子顯微鏡的真空腔體內，因此受限於光學顯微成像系統的成像原理及放大倍率，無法深入揭示材料的微觀變形、損傷機制。此外，由於材料尺寸效應的存在，微構件與宏觀試件的力學性能迥然不同，因此開展特徵尺寸毫米級以上宏觀試件的力學測試，更符合各類材料實際工況下服役性能測試的要求。綜上所述，掃描電鏡下雙軸拉伸/壓縮材料力學性能測試裝置尚屬萌芽狀態，具體表現為從在結構上，此類儀器多通過驅動、傳動的串聯布局，往往造成整機結構尺寸較大，且在一定程度上削弱系統剛度；從觀測手段上看，因受限於掃描電子顯微鏡的真空腔體積限制，此類儀器尚無法實現與掃描電鏡的結構兼容，且與掃描電鏡的真空兼容性及電磁兼容性尚無法確定。同時，光學顯微鏡因其成像原理的問題，存在著明顯的放大倍率不足的缺點，原子力顯微鏡則具有成像速度過慢的缺點，兩種觀測方法均難以深入研究載荷變化對材料力學行為和損傷機制的影響規律。相比這類常用儀器，掃描電鏡擁有成像高度高，放大倍率高，成像效果清晰等優點。因此，設計一種體積小巧、結構緊湊，測試精度高，且能與電子顯微鏡實現兼容使用的雙軸向拉伸/壓縮模式材料力學性能測試裝置可為原位力學測試領域提供新的研究手段，即可對材料在雙軸向載荷作用下的微觀力學行為及變形損傷機制進行深入研究。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，解決了現有技術存在的上述問題。本實用新型是一種可與Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡兼容使用的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，屬材料力學性能測試類儀器。基於由高精度伺服電機、三級大減速比減速機構、小導程滾珠絲槓螺母副及導軌機構組成的精密驅動單元及精密傳動單元，該測試裝置可以極低速的準靜態模式實現載荷的精密施加，同時通過四路載荷/位移信號的同步精密採集並結合以載荷、位移及變形信號作為反饋量的閉環控制策略，該測試裝置亦可開展涵蓋單軸拉伸/壓縮模式、雙軸等速/變速同步拉伸/壓縮模式、雙軸等速/變速異步拉伸/壓縮模式等多種類型的材料力學性能測試模式，且各軸驅動、傳動及檢測單元獨立，互不幹涉，即各軸加載次序及應變速率可控。此夕卜，該測試裝置結構緊湊、精巧，亦可安裝於光學顯微成像系統或X射線衍射儀的載物平臺·上，可在上述多類儀器的觀測下開展二維或三維宏觀試件的原位力學測試，對雙軸應力作用下各類材料的各向異性力學性能與損傷機制相關性進行深入研究。因雙軸可獨立驅動，且雙軸載荷/位移信號的檢測獨立，可以進行協調控制，即拉伸過程中動態控制各軸的應力/應變比，故亦屬於複合試驗機類。該裝置可廣泛用於金屬材料、薄膜材料、高分子材料等的各項異性力學性能分析。本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，包括雙向加載及傳動單元、雙向信號檢測及控制單元、夾具體單元及基座單元，所述雙向加載及傳動單元，包含精密直流伺服電機、三級減速機構、滾珠絲槓螺母-導軌傳動機構，以單向驅動加載為例，直流伺服電機-I I輸出的精密旋轉運動通過由三級減速機構實現降低轉速、提高扭矩，並通過精密滾珠絲槓螺母-導軌傳動機構將旋轉運動轉換成精密直線運動；所述精密滾珠絲槓螺母-導軌傳動機構由滾珠絲槓-I 11、滾珠絲槓法蘭-I 54、滾珠絲槓套筒-I 15、導軌30、滑塊57組成；齒輪減速器-I 49與直流伺服電機-I I同軸安裝，並通過電機法蘭-I 2與下層基座20連接，一級蝸杆-I 3通過其上的螺釘與齒輪減速器-I 49的輸出軸套接，二級蝸杆-I 7套接於蝸杆軸-I 5上，並通過蝸杆軸止動軸承-I、11 50、53定位，滾珠絲槓-I 11通過絲槓內、外止動軸承46、45及絲槓內、外止動套環51、52實現其軸向定位，並通過滾珠絲槓軸承座-I 10與上層基座19連接，滾珠絲槓套筒-I 15與滾珠絲槓法蘭-I 54剛性連接並整體安裝於滑塊57上，導軌30及滑塊57用於滾珠絲槓套筒-I 15的導向，且基座20的設計有兩組平行凹槽，用於導軌30的直線定位；所述的雙向信號檢測及控制單元包含精密拉壓力傳感器-I、II 28、21、位移傳感器-I、II 16、43及編碼器-I、II 48,55,同樣以單向信號檢測為例說明，位移傳感器-I 16的基體部分間隙安裝於位移傳感器基座-I 13內，並通過位移傳感器緊固螺釘-I 12對其進行緊固，其前端可伸縮探頭與位移傳感器支承座-I 24在測試過程中始終保持彈性接觸狀態，且位移傳感器基座-I 13與滾珠絲槓套筒-I 15為同一整體結構，位移傳感器支承座-I 24與力傳感器支承座-I 27剛性連接，且通過位移傳感器支承座-I 24上的凹槽以及力傳感器支承座-I上的凸稜柱接觸配合定位，即位移傳感器-I 16所檢測到的實際位移為滾珠絲槓套筒-I 15與力傳感器支承座-I 27之間的相對位移；精密拉壓力傳感器-I 28分別與下層基座20及力傳感器支承座-I 27通過螺紋方式剛性連接，且下層基座20末端設計有臺階面以對精密拉壓力傳感器-I 28進行面定位；編碼器-I 48為高線數光電編碼器，與直流伺服電機-I I的轉子同軸安裝；另一方向的信號檢測模式與上述實現方法相同，因此，可基於載荷/變形雙路模擬信號及編碼器的標定位移數位訊號的採集實現單一加載方向的信號檢測，同時上述三種信號亦可作為直流伺服電機-I I的脈衝/方向閉環控制模式的反饋信號源，即測試裝置可實現恆變形速率、恆載荷速率及恆位移速率三種加載/卸載方式；所述的夾具體單元包含標準試件25，其通過夾持端的通孔實現其各軸向定位，並與具有單面滾花狀結構的四組壓板26、夾具體-1、11 14、42及力傳感器支承座-I、II 27、23通過滾花面的壓應力保持接觸；夾具體-I、11 14、42分別設有凹槽結構分別與下層的滾珠絲槓套筒-I、11 15,29的凸稜柱配合安裝以實現對夾具體的定位；滾珠絲槓套筒-II 29與滾珠絲槓法蘭-II 47剛性連接並整體安裝於滑塊57上；所述的基座單元包含上、下層基座19、20，分別用於固定電機法蘭-I、11 2、32、蝸杆軸軸承座-I、II 6、35、滾珠絲槓軸承座-I、II 10、40、導軌30以及精密拉壓力傳感器-I、11 28、21，所述上、下層基座19、20通過基座連接螺釘22剛性連接。本實用新型所述的三級減速機構是由第一級減速機構-齒輪減速器-I 49、第二級減速機構的蝸輪蝸杆副以及第三級減速機構的蝸輪蝸杆副組成的三級大減速比減速機構，所述第二級減速機構的蝸輪蝸杆副由一級蝸杆-I 3、一級渦輪-I 4組成，第三級減速機構的蝸輪蝸杆副由二級蝸杆-I 7、二級渦輪-I 9組成。可提供超低速準靜態的加載方式，並實現較大程度的降低轉速並提高扭矩。本實用新型所述的標準試件25具有雙軸完全對稱結構，即的應力薄弱區域處於其幾何中心位置，且各向結構尺寸均一致。本實用新型所述的雙向加載及傳動單元各單向載荷施加速率可控，施加方式獨立，施加順序可控。因此就基於此種加載方式，可實現單軸拉伸/壓縮模式(僅對試件單一載荷方向施加夾持)、等速雙軸拉伸/壓縮模式及變速雙軸拉伸/壓縮模式以及雙軸依次加載模式等多種形式的力學測試。本實用新型所述的力傳感器支承座-I、II 27,23以及滾珠絲槓套筒-I、II 15、29上的用於定位的接觸面均設有凸稜柱，位移傳感器支承座-I、II 24,17以及夾具體-1、11 14、42上的用於定位的接觸面設有凹槽結構與凸稜柱間隙安裝以實現定位。本實用新型所述的絲槓內止動套環51分別與滾珠絲槓-Ill的軸肩及絲槓內止動軸承46的內圈保持面接觸，絲槓外止動套環52分別與絲槓鎖緊螺母-I、11 8、38及絲槓外止動軸承45的內圈保持面接觸；同時,蝸杆軸止動軸承-I、II 50,53的內圈分別與蝸杆軸-I、11 5、36的軸肩保持面接觸，上述軸承均為帶有凸緣外圈的深溝球軸承，以實現滾珠絲槓-I、II 11、41以及蝸杆軸-I、II 5、36的軸向定位。本實用新型所述的上、下層基座19、20通過基座連接螺釘22及定位銷進行剛性連接與定位。本實用新型所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置的主體尺寸為182mmX44mmX 145mm,與Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀及光學顯微成像組件具有良好的結構兼容性。本實用新型另一方向的驅動加載模式與上述實現方法相同，其中，所述第二級減速機構的蝸輪蝸杆副由一級蝸杆-II 33、一級渦輪-II 34組成，第三級減速機構的蝸輪蝸杆副由二級蝸杆-II 37、二級渦輪-II 39組成。齒輪減速器-II 56與直流伺服電機-II 31同軸安裝，並通過電機法蘭-II 32與下層基座20連接。本實用新型的有益效果在於與現有的雙軸向拉伸測試裝置大多僅針對於紡織行業的針織物或其他類薄膜、薄板材料進行力學測試，無法實現實現掃面電鏡下的原位觀測相比，本實用新型具有體積小巧，結構緊湊的特點，可與主流商業化掃描電子顯微鏡(以Zeiss EVO 18為例)實現兼容使用，同時亦可安裝於原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、光學顯微鏡等具有開放式載物結構成像設備的載物平臺上，可在上述多類儀器的觀測下開展二維或三維宏觀試件的原位力學測試，進而對雙軸應力作用下各類材料的各向異性力學性能與損傷機制相關性進行深入研究。同時，基於三級減速加載方式，各單軸均可提 供超低速準靜態的驅動模式，且各軸驅動、傳動及檢測單元獨立，互不幹涉，即各軸加載次序及應變速率可控。並通過四路載荷/位移信號的同步檢測，結合相關算法，亦可自動擬合生成載荷作用下的應力應變曲線，結合上述原位觀測功能，可對各向異性材料在雙軸向載荷作用下的力學服役行為及損傷機制進行研究。綜上所述，本實用新型對豐富原位力學測試內容和促進材料力學性能測試技術及裝備的應用具有一定的理論意義和應用開發前途。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。圖I為本實用新型的整體外觀結構示意圖；圖2為本實用新型的俯視示意圖；圖3為本實用新型的主視示意圖；圖4為本實用新型的後視示意圖；圖5為本實用新型的試件示意圖，其中/^、/^為某一方向的拉伸、壓縮載荷，/、、Fc21為另一方向的拉伸、壓縮載荷。圖中1、直流伺服電機-I ;2、電機法蘭-I ; 3、一級蝸杆-I ; 4、一級渦輪-I ; 5、蝸杆軸-I ; 6、蝸杆軸軸承座-I ; 7、二級蝸杆-I ; 8、絲槓鎖緊螺母-I ;9、二級蝸輪-I ; 10、滾珠絲槓軸承座-I ;11、滾珠絲槓-I ; 12、位移傳感器緊固螺釘-I ; 13、位移傳感器基座-I ; 14、夾具體-I ; 15、滾珠絲槓套筒-I ; 16、位移傳感器-I ; 17、位移傳感器支承座-II ; 18、力傳感器連接螺釘；19、上層基座；20、下層基座；21、精密拉壓力傳感器-II ; 22、基座連接螺釘；23、力傳感器支承座-II ; 24、位移傳感器支承座-I ; 25、試件；26、壓板；27、力傳感器支承座-I ;、28、精密拉壓力傳感器-I ; 29、滾珠絲槓套筒-II; 30、導軌；31、直流伺服電機-II; 32、電機法蘭-II ； 33、一級蝸杆-II ； 34、一級渦輪-II ； 35、蝸杆軸軸承座-II ； 36、蝸杆軸-II ；37、二級蝸杆-II; 38、絲槓鎖緊螺母-II; 39、二級蝸輪-II; 40、滾珠絲槓軸承座-II ;41、滾珠絲槓-II ； 42、夾具體-II ； 43、位移傳感器-II ； 44、位移傳感器基座-II ； 45、絲槓外止動軸承；46、絲槓內止動軸承；47、滾珠絲槓法蘭-II; 48、編碼器-I ; 49、齒輪減速器-I ; 50、蝸杆軸止動軸承-I ; 51、絲槓內止動套環；52、絲槓外止動套環；53、蝸杆軸止動軸承-II ； 54、滾珠絲槓法蘭-I ; 55、編碼器-II ； 56、齒輪減速器-II ；57、滑塊。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其具體實施方式
。參見圖I至圖5，本實用新型的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，包括雙向加載及傳動單元、雙向信號檢測及控制單元、夾具體單元及基座單元，所述雙向加載及傳動單元，包含精密直流伺服電機、三級減速機構、滾珠絲槓螺母-導軌傳動機構，以單向驅動加載為例，直流伺服電機-I I輸出的精密旋轉運動通過由三級減速機構實現降低轉速、提高扭矩，並通過精密滾珠絲槓螺母-導軌傳動機構將旋轉運動轉換成精密直線運動；所述精密滾珠絲槓螺母-導軌傳動機構由滾珠絲槓-I 11、滾珠絲槓法蘭-I 54、滾珠絲槓套筒-I 15、導軌30、滑塊57組成；齒輪減速器-I 49與直流伺服電機-I I同軸安裝，並通過電機法蘭-I 2與下層基座20連接，一級蝸杆-I 3通過其上的螺釘與齒輪減速器-I 49的輸出軸套接，二級蝸杆-I 7套接於蝸杆軸-I 5上，並通過蝸杆軸止動軸承-1、11 50、53定位，滾珠絲槓-I 11通過絲槓內、外止動軸承46、45及絲槓內、外止動套環51、52實現其軸向定位，並通過滾珠絲槓軸承座-I 10與上層基座19連接，滾珠絲槓套筒-I 15與滾珠絲槓法蘭-I 54剛性連接並整體安裝於滑塊57上，導軌30及滑塊57用於滾珠絲槓套筒-I 15的導向，且基座20的設計有兩組平行凹槽，用於導軌30的直線定位；所述的雙向信號檢測及控制單元包含精密拉壓力傳感器-I、II 28、21、位移傳感器-I、II 16、43及編碼器-I、II 48,55,同樣以單向信號檢測為例說明，位移傳感器-I 16的基體部分間隙安裝於位移傳感器基座-I 13內，並通過位移傳感器緊固螺釘-I 12對其進行緊固，其前端可伸縮探頭與位移傳感器支承座-I 24在測試過程中始終保持彈性接觸狀態，且位移傳感器基座-I 13與滾珠絲槓套筒-I 15為同一整體結構，位移傳感器支承座-I 24與力傳感器支承座-I 27剛性連接，且通過位移傳感器支承座-I 24上的凹槽以及力傳感器支承座-I上的凸稜柱接觸配合定位，即位移傳感器-I 16所檢測到的實際位移為滾珠絲槓套筒-I 15與力傳感器支承座-I 27之間的相對位移；精密拉壓力傳感器-I 28分別與下層基座20及力傳感器支承座-I 27通過螺紋方式剛性連接，且下層基座20末端設計有臺階面以對精密拉壓力傳感器-I 28進行面定位；編碼器-I 48為高線數光電編碼器，與直流伺服電機-I I的轉子同軸安裝；另一方向的信號檢測模式與上述實現方法相同，因此，可基於載荷/變形雙路模擬信號及編碼器的標定位移數位訊號的採集實現單一加載方向的信號檢測，同時上述三種信號亦可作為直流伺服電機-I I的脈衝/方向閉環控制模式的反饋信號源，即測試裝置可實現恆變形速率、恆載荷速率及恆位移速率三種加載/卸載方式；所述的夾具體單元包含標準試件25，其通過夾持端的通孔實現其各軸向定位，並與具有單面滾花狀結構的四組壓板26、夾具體-1、11 14、42及力傳感器支承座-I、II 27、23通過滾花面的壓應力保持接觸；夾具體-I、11 14、42分別設有凹槽結構分別與下層的滾珠絲槓套筒-I、11 15,29的凸稜柱配合安裝以實現對夾具體的定位；滾珠絲槓套筒-II 29與滾珠絲槓法蘭-II 47剛性連接並整體安裝於滑塊57上；所述的基座單元包含上、下層基座19、20，分別用於固定電機法蘭-I、11 2、32、蝸杆軸軸承座-I、II 6、35、滾珠絲槓軸承座-I、II 10、40、導軌30以及精密拉壓力傳感器-I、11 28、21，所述上、下層基座19、20通過基座連接螺釘22剛性連接。本實用新型所述的三級減速機構是由第一級減速機構-齒輪減速器-I 49、第二級減速機構的蝸輪蝸杆副以及第三級減速機構的蝸輪蝸杆副組成的三級大減速比減速機構，所述第二級減速機構的蝸輪蝸杆副由一級蝸杆-I 3、一級渦輪-I 4組成，第三級減速機構的蝸輪蝸杆副由二級蝸杆-I 7、二級渦輪-I 9組成。可提供超低速準靜態的加載方式，並實現較大程度的降低轉速並提高扭矩。 本實用新型所述的標準試件25具有雙軸完全對稱結構，即的應力薄弱區域處於其幾何中心位置，且各向結構尺寸均一致。本實用新型所述的雙向加載及傳動單元各單向載荷施加速率可控，施加方式獨立，施加順序可控。因此就基於此種加載方式，可實現單軸拉伸/壓縮模式(僅對試件單一載荷方向施加夾持)、等速雙軸拉伸/壓縮模式及變速雙軸拉伸/壓縮模式以及雙軸依次加載模式等多種形式的力學測試。本實用新型所述的力傳感器支承座-I、II 27,23以及滾珠絲槓套筒-I、II 15、29上的用於定位的接觸面均設有凸稜柱，位移傳感器支承座-I、II 24,17以及夾具體-1、11 14、42上的用於定位的接觸面設有凹槽結構與凸稜柱間隙安裝以實現定位。本實用新型所述的絲槓內止動套環51分別與滾珠絲槓-I 11的軸肩及絲槓內止動軸承46的內圈保持面接觸，絲槓外止動套環52分別與絲槓鎖緊螺母-I、11 8、38及絲槓外止動軸承45的內圈保持面接觸；同時,蝸杆軸止動軸承-I、II 50,53的內圈分別與蝸杆軸-I、II 5、36的軸肩保持面接觸，上述軸承均為帶有凸緣外圈的深溝球軸承，以實現滾珠絲槓-I、II 11、41以及蝸杆軸-I、II 5、36的軸向定位。本實用新型所述的上、下層基座19、20通過基座連接螺釘22及定位銷進行剛性連接與定位。本實用新型所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置的主體尺寸為182mmX44mmX145mm，與Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀及光學顯微成像組件具有良好的結構兼容性。本實用新型另一方向的驅動加載模式與上述實現方法相同，其中，所述第二級減速機構的蝸輪蝸杆副由一級蝸杆-II 33、一級渦輪-II 34組成，第三級減速機構的蝸輪蝸杆副由二級蝸杆-II 37、二級渦輪-II 39組成。齒輪減速器-II 56與直流伺服電機-II 31同軸安裝，並通過電機法蘭-II 32與下層基座20連接。參見圖I至圖5，本實用新型所涉及的一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，該裝置的整體尺寸約為182_X44_X145mm，是根據Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡的真空腔體尺寸和成像條件所設計的，其整體結構可安裝在此型號掃描電鏡的五軸載物工作檯，其中，直流伺服電機的繞組引線，編碼器的引線，以及四路載荷/位移傳感器的引線均通過掃描電鏡封閉艙門上的通孔外接出真空腔體外部，通過相應的工藝進行接口出的密封，並同數據採集卡、伺服控制器及計算機等構成雙軸向拉伸/壓縮原位力學測試系統。其中涉及到的元器件和具體型號可採用位移傳感器-1、11 16、43的型號為MA-5型、精密拉壓力傳感器-I、11 28,21的型號為H32C型、直流伺服電機-I、11 1、31的型號為EC-13型、編碼器-I、II 48,55的型號為MR M-512型、齒輪減速器-I、II 49,56的型號為GP13-A型。位移傳感器和拉壓力傳感器用以同步檢測雙軸向拉伸/壓縮過程中的位移/載荷信號，為軸向拉伸/壓縮原位力學測試系統的閉環控制提供包括變形速率控制、載荷速率控制兩種數字/模擬反饋信號源，或通過編碼器提供的標定位移信號，為力學測試系統提供半閉環反饋信號，對直流伺服電機的控制方式為脈衝/方向控制模式。結合Accelnet型伺位置控制單元對直流伺服電機進行精確的角位移控制，從而保證測試過程中試件25的應變速率可調並輸出給定扭矩值。以金屬材料的雙軸拉伸/壓縮測試為例，在測試前的材料準備階段，需採用線切 割加工方法試製出標準尺寸的試件25，並利用研磨、拋光設備通過單面拋光處理得到可用於高解析度顯微成像監測的較好表面光潔度，或通過化學腐蝕等工藝得到金相等顯微形貌，以便於在微觀尺度下的新現象的發現及材料缺陷的定性、定量評估，如有必要，亦可在試件的中央部分預製出特定形狀的缺口，以便對材料初始裂紋萌生及裂紋擴展的原位觀測。然後將被測試件25裝夾在兩組夾具體-I、11 14、42及力傳感器支承座-I、11 27,23上，標準試件25具有雙軸對稱結構，兩組夾具體及力傳感器支承座均具有用於定位試件的通孔，即通過與試件25夾持端的通孔配合實現試件25的各軸向定位，之後通過四組壓板26利用高強度螺栓緊固連接。兩組夾具體-I、11 14、42、力傳感器支承座-I、11 27、23及四組壓板26均具有單面滾花狀結構並與試件25以正壓力方式保持面接觸。進一步，通過調整夾具的位置及利用水平儀和千分表的檢測來保證試件測試過程中的共面性和準確位置。在此基礎上，可對試件25的擬定觀測點做適當標記。之後，關閉Zeiss EVO 18型掃描電子顯微鏡真空腔密閉擋板並通過掃描電鏡自身的五軸載物平臺在XOY平面內找到擬定測試點的標記位置。然後，給定各軸拉伸/壓縮測試的變形速率或載荷速率控制方式，以編碼器標定位移控制為例，需計算出三級減速機構的減速比後，確定單個脈衝觸發所對應的夾具體的位移量，即通過測試算法程序設定測試條件和參數，在時序脈衝控制信號作用以脈衝/方向模式驅動直流伺服電機-1、11 1、31輸出精確角位移，通過三級減速機構的的減速、增距及滾珠絲槓-I II 11、41運動轉換最終實現對試件25的超低速準靜態加載，如前所述，各軸的加載速率、方向相互獨立，測試過程中精密拉壓力傳感器-I、11 28、21對雙軸拉伸/壓縮軸向的載荷/^'進行檢測；；同時試件的變形量7由位移傳感器-I、11 16,43同步拾取，四路信號通過模數轉換並進行必要的信號調理後送入計算機。在測試的整個過程中，被測試件25在雙軸載荷作用下材料的變形、損傷情況由高放大倍率的掃描電子顯微鏡成像系統進行動態監測，且因為所使用的第二級減速機構-蝸輪蝸杆副由一級蝸杆-I 3、一級渦輪-I 4組成、第三級減速機構-蝸輪蝸杆副由二級蝸杆-I 7、二級渦輪-I 9組成以及滾珠絲槓-I II 11、41均具有自鎖功能，即在掃描電鏡圖像採集階段，被測試件25不會因為直流伺服電機-I、11 1、31在暫時停轉而產生彈性回復現象在此基礎上，結合上位機調試軟體亦可實時獲取表徵材料力學性能的應力-應變曲線、彈性模量、屈服強度及抗拉強度等重要力學參數。 以上所述僅為本實用新型的優選實例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領 域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，其特徵在於包括雙向加載及傳動單元、雙向信號檢測及控制單元、夾具體單元及基座單元，所述雙向加載及傳動單元，包含精密直流伺服電機、三級減速機構、滾珠絲槓螺母-導軌傳動機構，直流伺服電機-I (I)輸出的精密旋轉運動通過由三級減速機構實現降低轉速、提高扭矩，並通過精密滾珠絲槓螺母-導軌傳動機構將旋轉運動轉換成精密直線運動；齒輪減速器-I (49)與直流伺服電機-I (I)同軸安裝，並通過電機法蘭-I (2)與下層基座(20)連接，一級蝸杆-I(3)通過其上的螺釘與齒輪減速器-I (49)的輸出軸套接，二級蝸杆-I (7)套接於蝸杆軸-I (5)上，並通過蝸杆軸止動軸承-I、11(50、53)定位，滾珠絲槓-I (11)通過絲槓內、外止動軸承(46、45)及絲槓內、外止動套環(51、52)實現其軸向定位，並通過滾珠絲槓軸承座-I (10)與上層基座(19)連接，滾珠絲槓套筒-I (15)與滾珠絲槓法蘭-I (54)剛性連接並整體安裝於滑塊(57)上，導軌(30)及滑塊(57)用於滾珠絲槓套筒-I (15)的導向，且基座(20)的設計有兩組平行凹槽，用於導軌(30)的直線定位； 所述的雙向信號檢測及控制單元包含精密拉壓力傳感器-I、11(28、21)、位移傳感器-I、11(16、43)及編碼器-I、11(48、55)，位移傳感器-I (16)的基體部分間隙安裝於位移傳感器基座-I (13)內，並通過位移傳感器緊固螺釘-I (12)對其進行緊固，其前端可伸縮探頭與位移傳感器支承座-I (24)在測試過程中始終保持彈性接觸狀態，且位移傳感器基座-I (13)與滾珠絲槓套筒-I (15)為同一整體結構，位移傳感器支承座-I(24)與力傳感器支承座-I (27)剛性連接，且通過位移傳感器支承座-I (24)上的凹槽以及力傳感器支承座-I上的凸稜柱接觸配合定位，即位移傳感器-I (16)所檢測到的實際位移為滾珠絲槓套筒-I (15)與力傳感器支承座-I (27)之間的相對位移；精密拉壓力傳感器-I (28)分別與下層基座(20)及力傳感器支承座-I (27)通過螺紋方式剛性連接，且下層基座(20)末端設計有臺階面以對精密拉壓力傳感器-I (28)進行面定位；編碼器-I (48)為高線數光電編碼器，與直流伺服電機-I (I)的轉子同軸安裝； 所述的夾具體單元包含標準試件(25)，其通過夾持端的通孔實現其各軸向定位，並與具有單面滾花狀結構的四組壓板(26)、夾具體-I、11(14、42)及力傳感器支承座-Ι、Π(27、23)通過滾花面的壓應力保持接觸；夾具體-I、11 (14、42)分別設有凹槽結構分別與下層的滾珠絲槓套筒-I、II (15、29)的凸稜柱配合安裝； 所述的基座單元包含上、下層基座(19、20)，分別用於固定電機法蘭-I、11(2、32)、蝸杆軸軸承座-I、11 (6、35)、滾珠絲槓軸承座-I、11(10、40)、導軌(30)以及精密拉壓力傳感器-I、11(28、21)，所述上、下層基座(19、20)通過基座連接螺釘(22)剛性連接。
2.根據權利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，其特徵在於所述的三級減速機構是由第一級減速機構-齒輪減速器-I (49)、第二級減速機構的蝸輪蝸杆副以及第三級減速機構的蝸輪蝸杆副組成的三級大減速比減速機構，所述第二級減速機構的蝸輪蝸杆副由一級蝸杆-I (3)、一級渦輪-I (4)組成，第三級減速機構的蝸輪蝸杆副由二級蝸杆-I (7)、二級渦輪-I (9)組成。
3.根據權利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，其特徵在於所述的標準試件(25)具有雙軸完全對稱結構。
4.根據權利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，其特徵在於所述的力傳感器支承座-I、11(27、23)以及滾珠絲槓套筒-I、11(15、29)上的用於定位的接觸面均設有凸稜柱，位移傳感器支承座-I、11(24、17)以及夾具體-1、11(14、42)上的用於定位的接觸面設有凹槽結構與凸稜柱間隙安裝以實現定位。
5.根據權利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，其特徵在於所述的絲槓內止動套環(51)分別與滾珠絲槓-I (11)的軸肩及絲槓內止動軸承(46)的內圈保持面接觸，絲槓外止動套環(52)分別與絲槓鎖緊螺母-I、11(8、38)及絲槓外止動軸承(45)的內圈保持面接觸；同時,蝸杆軸止動軸承-I、II (50,53)的內圈分別與蝸杆軸-I、II (5、36)的軸肩保持面接觸，上述軸承均為帶有凸緣外圈的深溝球軸承，以實現滾珠絲槓-I、II (11、41)以及蝸杆軸-I、II (5,36)的軸向定位。
6.根據權利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，其特徵在於所述的上、下層基座(19、20)通過基座連接螺釘(22)及定位銷進行剛性連接與定位。
7.根據權利要求I所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，其特徵在於所述的雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置的主體尺寸為182mmX44mmX 145mm0
專利摘要本實用新型涉及一種雙軸向拉伸/壓縮模式掃描電鏡下力學測試裝置，屬於機電類的材料性能測試儀器。包括由高精度直流伺服電機、三級大減速比減速機構、小導程滾珠絲槓螺母副及導軌機構組成的雙向加載及傳動單元，該測試裝置可以極低速的準靜態模式實現載荷的精密施加，同時通過四路載荷/位移信號的同步精密採集並結合以載荷、位移或變形信號作為反饋源的閉環控制策略，該測試裝置亦可開展涵蓋單軸拉伸/壓縮模式、雙軸等速/變速同步拉伸/壓縮模式或雙軸等速/變速異步拉伸/壓縮模式等多種類型的材料力學性能測試模式，且各軸的驅動、傳動及檢測單元獨立，互不幹涉。優點在於該測試裝置結構緊湊、精巧，與掃描電鏡等成像儀器的兼容性好。
文檔編號G01N3/08GK202693415SQ20122015204
公開日2013年1月23日 申請日期2012年4月12日 優先權日2012年4月12日
發明者趙宏偉, 馬志超, 李秦超, 王開廳, 胡曉利, 黃虎, 張霖 申請人:吉林大學