電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測量塑料材料動態(tài)拉伸力學(xué)性能領(lǐng)域，特別是涉及一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機是測量塑料材料動態(tài)拉伸力學(xué)性能的重要測試測量設(shè)備。目前，國際上對于應(yīng)變率在0.0ls 1以下和100s 1以上的材料的試驗技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是測量應(yīng)變率在0.1-1OOs 1范圍內(nèi)的材料的動態(tài)拉伸力學(xué)特性仍然相當(dāng)困難。導(dǎo)致該難題的原因主要有二:其一是由于超出了霍普金森桿適用的范圍(1000s 1Wl);其二是因為當(dāng)前的靜態(tài)拉伸機存在能量激發(fā)和橫梁保持等一系列困難，無法滿足此范圍的測量要求。但是對于塑料材料而言，應(yīng)變率在0.1-100S 1范圍內(nèi)的動態(tài)力學(xué)性能尤其受到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注，常常被作為塑料材料產(chǎn)品開發(fā)的重要參考依據(jù)，例如在車輛內(nèi)飾件、安全氣囊等方面的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)和方法，能夠真實反映塑料材料在0.1-1OOs-1范圍內(nèi)的動態(tài)力學(xué)性能。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)，包括機械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，夾持子系統(tǒng)，拉伸子系統(tǒng)，動力控制子系統(tǒng)，動力子系統(tǒng)，保護子系統(tǒng)以及測量子系統(tǒng)，以所述機械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)框架，其他子系統(tǒng)固設(shè)于機械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)之上，通過夾持子系統(tǒng)夾持固定試樣后，由動力控制子系統(tǒng)控制動力子系統(tǒng)驅(qū)動拉伸子系統(tǒng)工作，實現(xiàn)試樣的拉伸，再由測量子系統(tǒng)實現(xiàn)拉伸過程中試樣的應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)采集，保護子系統(tǒng)主要用來加快直線電機減速過程和吸收動子動能，避免試樣拉斷后動子做自由落體運動與下面機構(gòu)發(fā)生碰撞，損壞動子。
[0005]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，機械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)包括底座，固設(shè)于底座部件之上的型材框架和正面開口的鋁制外框架，對稱豎直固設(shè)于直線電機定子外框架部件內(nèi)腔中的磁軸，豎直固設(shè)于直線電機定子外框架部件內(nèi)腔中并與內(nèi)腔背面貼合的滑軌，以及橫向?qū)ΨQ固設(shè)于型材外框架頂端的橫梁，橫跨固設(shè)于橫梁中心的頂梁。
[0006]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，動力子系統(tǒng)包括貫穿于磁軸與其形成移動副并且背部與滑軌相配合形成移動副的直線電機動子框架部件，以及嵌入其型體空腔內(nèi)的磁軸式直線電機。
[0007]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，拉伸子系統(tǒng)包括固設(shè)于直線電機動子框架部件上端面中心的拉桿，與拉桿同軸固連于拉桿上部的碰撞塊。
[0008]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，夾持子系統(tǒng)包括與拉桿同軸相連于碰撞塊的下夾頭部件，以及固設(shè)于頂梁下部中心的上夾頭部件。
[0009]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，動力控制子系統(tǒng)包括與動力子系統(tǒng)通過電線連接的外設(shè)的電源，伺服驅(qū)動器，測控平臺機箱，顯示器以及開關(guān)。
[0010]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，測量子系統(tǒng)包括固設(shè)于鋁制外框架上的高速相機和固設(shè)于夾持子系統(tǒng)上的力傳感器和力放大器。
[0011]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，保護子系統(tǒng)包括固設(shè)于直線電機定子外框架部件底部中心的緩沖裝置。
[0012]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，下夾頭部件下端與碰撞桿通過螺紋連接。
[0013]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，碰撞桿包括圓柱形的上桿和從所述上桿的底部軸向延伸且直徑逐漸增大的圓臺形的下桿。
[0014]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗系統(tǒng)中，拉桿和碰撞塊具有容置所述碰撞桿的半封閉的空腔，空腔包括位于碰撞塊中的同軸設(shè)置的圓柱形的上部空腔和圓臺形的中部空腔以及位于拉桿中的圓柱形的下部空腔，其中，上部空腔的直徑略大于碰撞桿的上桿的直徑，所述中部空腔的形狀與所述碰撞桿的下桿配合，而下部空腔的直徑略大于碰撞桿的下桿的直徑。
[0015]一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法，包括如下步驟:
1)準(zhǔn)備樣板，銑制樣條；
2)噴涂樣條的標(biāo)距標(biāo)示點；
3)采用高速相機拍攝裝在夾具位置的標(biāo)定板；
4)取下標(biāo)定板，裝夾樣條；
5)執(zhí)行拉伸機控制程序的操作，完成樣條拉伸的操作，獲得力值對時間的曲線數(shù)據(jù)，同時執(zhí)行高速相機外部觸發(fā)拍攝的操作，完成樣條拉伸的高速攝像，獲得拉伸過程的高速攝像；
6)獲得拉伸過程力值對應(yīng)變的曲線；
7)取下樣條，試驗結(jié)束。
[0016]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法中，步驟I)中試驗樣條采用塑料材料，如型號為PP-EPDM-T15的polo，形狀為啞鈴狀，試件尺寸厚度X寬度為2.98X4.02mm。
[0017]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法中，步驟2)中噴涂樣條的標(biāo)距標(biāo)示點，具體為在樣條中部噴涂兩個軸向標(biāo)距為1mm的圓形小點。
[0018]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法中，步驟3)中高速相機拍攝裝在夾具位置的標(biāo)定板，通過拍攝標(biāo)定點之間的距離，將位移轉(zhuǎn)換為像素值，計算后得到應(yīng)變值。
[0019]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法中，步驟4)中利用動力控制子系統(tǒng)控制動力子系統(tǒng)以驅(qū)動拉伸子系統(tǒng)，從而帶動下夾頭從鋁制外框架的底部開始向上運動至指定位置后，夾持子系統(tǒng)通過兩個夾頭夾持試件兩頭實現(xiàn)夾持。
[0020]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法中，步驟5)中樣條拉伸的步驟為:利用動力控制子系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動控制器；設(shè)定設(shè)計速度與設(shè)計高度；啟動拉伸，動力子系統(tǒng)中的直線電機開始工作，進(jìn)入拉伸狀態(tài)；根據(jù)拉伸子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，開始為加速階段，拉伸速度V〈300mm/s為低速加速模式，而拉伸速度V ^ 300mm/s為高速加速模式，此段動力子系統(tǒng)帶動拉桿做空行程運動；當(dāng)拉伸速度達(dá)到設(shè)計速度后進(jìn)入勻速階段，動力子系統(tǒng)與拉桿帶動下夾頭部件一起運動，拉斷試件；當(dāng)直線電機距離試驗機底座高度H〈設(shè)計高度時，進(jìn)入一級減速階段；當(dāng)H〈30mm或V〈300mm/s時，進(jìn)入二級減速階段；當(dāng)H〈15mm時，拉伸結(jié)束。
[0021]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法中，步驟5)中測試子系統(tǒng)通過試件拉伸時傳感器石英晶體之間的距離變化來引起電荷偏移，經(jīng)過濾波放大后，根據(jù)電荷偏移量與電壓之間關(guān)系，得到輸出電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到應(yīng)力實現(xiàn)步驟5)過程中的力值實時采集。
[0022]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法中，步驟5)中樣條拉伸高速攝像的步驟為:當(dāng)人工啟動拉伸機時觸發(fā)高速相機快門；相機對樣條進(jìn)行高速攝像，其采樣頻率為5000幀/秒；當(dāng)直線電機距離試驗機底座高度H〈15mm時觸發(fā)拉伸結(jié)束開關(guān)，高速相機停止攝像。
[0023]進(jìn)一步地，在本發(fā)明提供的一種電磁式塑料材料高速動態(tài)拉伸機的試驗方法中，步驟5)中應(yīng)變采集通過圖像處理技術(shù)完成標(biāo)距點位移提取和擬合功能，首先對采集到的圖像進(jìn)行灰度化和噪音處理，確定圖像處理區(qū)域；然后經(jīng)過邊緣檢測、二值化處理、形態(tài)