CN103364286A - 一种集成式形状记忆合金丝材训练测试装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式形状记忆合金丝材训练测试装置及其使用方法，置包括驱动变形部分、变形回复部分、数据采集部分和数据处理等部分。本发明通过步进电机控制器精确控制步进电机运动，带动滚珠丝杠使形状记忆合金丝发生形变，然后通过加热电源对形状记忆合金丝通电加热，使其达到相变温度发生相变，进而产生回复形变，通过实时测量此过程中的位移、拉力、温度等参数的具体变化，掌握形状记忆合金丝的主要参数性能，并可对形状记忆合金丝进行多次循环拉伸回复训练，使其获得较为稳定的双程记忆效应。该装置功能全面，测量数据可靠，数据统计方便，安装容易，操作简单，对于形状记忆合金丝的研究、发展和应用有着重要的价值。

Description

一种集成式形状记忆合金丝材训练测试装置及其使用方法

技术领域

本发明公开了一种集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，本发明还涉及使用该集成式形状记忆合金丝材训练测试装置的方法。

背景技术

形状记忆合金（SMA）具有优越的形状记忆效应，强度高，塑性大，耐腐蚀性好，具有优异的生物相容性，在航空航天，医疗器具，汽车工程，自动控制，仪器仪表以及机器人等领域得到了广泛的应用。

形状记忆效应是指具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料)，在某一温度下(处于马氏体状态Mf)进行一定限度的塑性变形后，通过加热到某一温度(通常是该材料马氏体完全消失温度Af)上时，材料恢复到变形前的初始形状。在利用SMA的形状记忆效应做驱动器时，首先对SMA施加外载荷发生形变，然后通过加热发生相变产生应变回复力来实现驱动。SMA受外载荷作用，在加热回复时产生回复应变，冷却过程中外载荷诱发马氏体转变，产生预应变，如此周期性循环，通常把这种受外力作用的周期性热循环称为热机械循环。一般的SMA记忆稳定性较差，随着热机械循环次数的增加，记忆性能逐渐稳定，即回复应变达到稳定值，因此在利用SMA做驱动器之前，需要对SMA材料进行数十次甚至数千次的热机械循环训练，以提高SMA材料的记忆稳定性。通常用于提高SMA记忆稳定性的热机械循环方法是：将SMA材料放在材料拉伸试验机上进行拉伸预应变，再加热产生记忆回复，完成一次热机械循环，然后不断重复此过程实现热机械循环来提高SMA的记忆稳定性，这种方法周期长，成本高，效率低；同时由于不同的形状记忆合金丝材性能参数均有所不同，需要对使用的特定材料进行主要性能参数测试。因此，提供一种方便可行的集成化形状记忆合金丝材训练测试装置是必要的，对于形状记忆合金丝材的进一步推广应用具有重要意义。

目前对SMA性能的测试也是一个重要的方面，测试方法复杂，目前暂没有统一的方法以及标准。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种测量精度高，测量数据可靠，数据处理方便，成本低，操作简单快捷的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种使用该集成式形状记忆合金丝材训练测试装置的方法。

为了解决上述第一个技术问题，本提供的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，底板安装在底座上，步进电机通过电机支架安装在所述的底板上，滚珠丝杠和滑块导轨平行安装在丝杠支撑端上，所述的丝杠支撑端安装在所述的底板上，拉力传感器通过支架安装在所述的底板上，所述的步进电机与所述的滚珠丝杠传动连接，所述的滚珠丝杠上传动套装有法兰螺母，滑块滑动套装在所述的导轨且与所述的法兰螺母固定连接，在所述的滑块上采用单向驱动设有第一丝夹具，在所述的底座的一端设有第二丝夹具，所述的底板远离所述的第二丝夹具的一端设有滑轮，绕在所述的滑轮上的钢丝线的一端与所述的第一丝夹具固定连接，另一端连接有砝码，还包括一个测量所述的滑块位移的位移传感器，所述的拉力传感器与形状记忆合金丝采用测量连接，所述的形状记忆合金丝一端连接在所述的第二丝夹具上，另一端连接在所述的第一丝夹具上，所述的形状记忆合金丝连接有电流加热器和温度传感器，数据采集卡的输入端与所述的位移传感器、拉力传感器和温度传感器采用通信连接，所述的数据采集卡的输出端连接有数据处理器。

所述的底板采用相对位置可调整安装在所述的底座上，以适应不同长度的形状记忆合金丝的测试和训练。

所述的形状记忆合金丝的直径范围在0.03-1mm。

所述的形状记忆合金丝的适用长度为200-600mm。

所述的形状记忆合金丝与所述的第一丝夹具压紧绝缘连接。

所述的位移传感器为光栅尺。

所述拉力传感器为三滑轮拉力传感器。

所述温度传感器为热电偶传感器。

所述数据采集卡为ADVANTECH公司的PCI-1710数据采集卡。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的使用集成式形状记忆合金丝材训练测试装置的方法，步骤如下：

第一步：根据实验用形状记忆合金丝长度，调整底板在底座上的安装位置，装载固定形状记忆合金丝和钢丝线部分；

第二步：设定步进电机的驱动细分值，设定步进电机驱动控制器动作程序，包括转速，正向行程，停滞时间，负向行程；

第三步：开启电源，步进电机（4）工作，正向驱动形状记忆合金丝（11）拉伸，停滞设定时间施加预应变量后，负向运动，形状记忆合金丝（11）自由收缩，产生少许回复量，测量并记录此过程中的形变量及形状记忆合金丝（11）上的拉力；

第四步：电流加热器（24）通电加热形状记忆合金丝（11），温度至As温度时发生相变，产生回复变形，并测得最后终回复量；完成后断电冷却至常温；

第五步：后续的双程记忆训练试验，重复以上步骤多次，直至双程记忆效应明显。

采用上述技术方案的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置及其使用方法，由挂在钢丝线一端的砝码绕过滑轮将形状记忆合金丝拉直，由恒流电源对形状记忆合金丝加热，使其达到相变温度发生组织相变，形变回复；通过拉力传感器、位移传感器、温度传感器实时测量形状记忆合金丝的拉力、形变和温度参数，并由数据采集卡采集数据进行统一分析处理；通过计算机用相关的集成软件对采集到的数据整理分析，得到需要的结果；本发明的优点在于：

1、采用步进电机滚珠丝杠驱动，控制方便，精度较高；

2、装置结构简单，成本较低，操作方便快捷，容易掌握；

3、整个热机械循环过程可以不间断完成，效率高；

4、适用于小直径系列不同型号不同长度的形状记忆合金丝材的性能测试和热机械循环训练，应用范围广泛；

5、采用了不同的传感器对形状记忆合金丝的各项性能参数进行测试，数据可靠，精度高；

6、采用软件对测试数据采集分析，自动化、集成化程度高。

综上所述，本发明是一种测量精度高，测量数据可靠，数据处理方便，成本低，操作简单快捷的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置及其使用方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的俯视图。

图3导轨滑块部分示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

参见图1、图2和图3，底板19采用相对位置可调整安装在底座13上，步进电机4通过电机支架21安装在底板19上，步进电机4电连接有步进电机驱动控制器28，滚珠丝杠7和滑块导轨8平行安装在第一丝杠支撑端15和第二丝杠支撑端20上，第一丝杠支撑端15和第二丝杠支撑端20安装在底板19上，拉力传感器10通过支架14安装在底板19上，拉力传感器10为三滑轮拉力传感器，步进电机4与滚珠丝杠7通过联轴器5传动连接，保障步进电机4的轴与滚珠丝杠7同轴，滚珠丝杠7上传动套装有法兰螺母18，滑块17滑动套装在导轨8且与法兰螺母18通过螺栓固定连接，由于导轨8的约束，法兰螺母18带动滑块7发生直线运动；在滑块17上采用单向驱动设有第一丝夹具9，在底座13的一端设有第二丝夹具12，底板19远离第二丝夹具12的一端采用滑轮安装座2和滑轮支架22设有滑轮1，绕在滑轮1上的钢丝线3的一端与第一丝夹具9固定连接，另一端连接有砝码23，一个测量滑块17位移的位移传感器16安装在底板19上处于滚珠丝杠7的下方，位移传感器16为光栅尺，拉力传感器10与形状记忆合金丝11采用测量连接，形状记忆合金丝11一端连接在第二丝夹具12上，另一端压紧绝缘连接在第一丝夹具9上，形状记忆合金丝11的直径范围在0.03-1mm，形状记忆合金丝11的适用长度为200-600mm，形状记忆合金丝11连接有电流加热器24和温度传感器25，数据采集卡26的输入端与位移传感器16、拉力传感器10和温度传感器25采用通信连接，数据采集卡26的输出端连接有数据处理器27，数据采集卡26为ADVANTECH公司的PCI-1710数据采集卡。

步进电机4、步进电机驱动控制器28、电源、滚珠丝杠7、导轨8、滑块17、形状记忆合金丝11、第一丝夹具9和第二丝夹具12构成驱动变形部分；电流加热器24及其时间继电器构成变形回复部分；拉力传感器10、位移传感器16、温度传感器25和数据采集卡26构成数据采集部分；数据处理器27及其显示器和软件构成数据处理部分。

参见图1、图2和图3，由于导轨8的约束，法兰螺母18带动滑块7发生直线运动；形状记忆合金丝11一端由第二丝夹具12固定在底座13上，另一端穿过拉力传感器10即三滑轮拉力传感器与钢丝线3通过第一丝夹具9连接，钢丝线3绕过滑轮1，通过加载砝码23将形状记忆合金丝11拉紧，钢丝线3与形状记忆合金丝11在同一直线上；滑块7的上端通过一个卡槽与第一丝夹具9相互约束，当滑块7向步进电机4运动时，由于滑块7的卡槽的作用，带动第一丝夹具9进而对形状记忆合金丝11进行拉伸，发生形变，当滑块7后退时，滑块7顺着卡槽退回，对形状记忆合金丝11的形变不产生影响。发生形变后，通过外部的电流加热器24的恒流电源对形状记忆合金丝11通电加热，达到相变温度后，形状记忆合金丝11发生相变，由于记忆效应，产生形变回复；这就完成了一次热机械循环训练，之后不断重复此过程对形状记忆合金丝11进行训练，提高记忆稳定性。在变形和形变回复过程中，形状记忆合金丝11上的应力应变以及温度参数由拉力传感器10，位移传感器16（光栅尺）和温度传感器25测量，然后通过数据采集卡26传送到数据处理器27中，利用软件进行数据处理，得出形状记忆合金丝11的主要性能参数。

底板19与固定在其上的步进电机4、滚珠丝杠7、拉力传感器10等部件作为一个整体，固定在底座13上，底座13采用铝合金型材，两者通过特殊型号的螺栓连接，方便调整相互位置，以适应不同长度的形状记忆合金丝11的测试需要。

集成式形状记忆合金丝材训练测试装置的使用方法，步骤如下：

第一步：根据实验用形状记忆合金丝11长度，调整底板19在底座13上的安装位置，装载固定形状记忆合金丝11和钢丝线3部分；

第二步：设定步进电机4的步进电机驱动控制器28细分值，设定步进电机驱动控制器28动作程序，包括转速，正向行程，停滞时间，负向行程；

第三步：开启电源，步进电机4工作，正向驱动形状记忆合金丝11拉伸，停滞设定时间施加预应变量后，负向运动，形状记忆合金丝11自由收缩，产生少许回复量，测量并记录此过程中的形变量及形状记忆合金丝11上的拉力；

第四步：电流加热器24通电加热形状记忆合金丝11，温度至As温度时发生相变，产生回复变形，并测得最后终回复量；完成后断电冷却至常温；

第五步：后续的双程记忆训练试验，重复以上步骤多次，直至双程记忆效应明显。

本发明通过步进电机驱动控制器28精确控制步进电机4运动，带动滚珠丝杠7使形状记忆合金丝11发生形变，然后通过电流加热器24对形状记忆合金丝11通电加热，使其达到相变温度发生相变，进而产生回复形变，通过实时测量此过程中的位移、拉力、温度等参数的具体变化，掌握形状记忆合金丝11的主要参数性能，并可对形状记忆合金丝11进行多次循环拉伸回复训练，使其获得较为稳定的双程记忆效应。该装置功能全面，测量数据可靠，数据统计方便，安装容易，操作简单，对于形状记忆合金丝的研究、发展和应用有着重要的价值。

Claims (10)

1.一种集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：底板（19）安装在底座（13）上，步进电机（4）通过电机支架（21）安装在所述的底板（19）上，滚珠丝杠（7）和滑块导轨（8）平行安装在丝杠支撑端上，所述的丝杠支撑端安装在所述的底板（19）上，拉力传感器（10）通过支架（14）安装在所述的底板（19）上，所述的步进电机（4）与所述的滚珠丝杠（7）传动连接，所述的滚珠丝杠（7）上传动套装有法兰螺母（18），滑块（17）滑动套装在所述的导轨（8）且与所述的法兰螺母（18）固定连接，在所述的滑块（17）上采用单向驱动设有第一丝夹具（9），在所述的底座（13）的一端设有第二丝夹具（12），所述的底板（19）远离所述的第二丝夹具（12）的一端设有滑轮（1），绕在所述的滑轮（1）上的钢丝线（3）的一端与所述的第一丝夹具（9）固定连接，另一端连接有砝码（23），还包括一个测量所述的滑块（17）位移的位移传感器（16），所述的拉力传感器（10）与形状记忆合金丝（11）采用测量连接，所述的形状记忆合金丝（11）一端连接在所述的第二丝夹具（12）上，另一端连接在所述的第一丝夹具（9）上，所述的形状记忆合金丝（11）连接有电流加热器（24）和温度传感器（25），数据采集卡（26）的输入端与所述的位移传感器（16）、拉力传感器（10）和温度传感器（25）采用通信连接，所述的数据采集卡（26）的输出端连接有数据处理器（27）。 

2.根据权利要求1所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：所述的底板（19）采用相对位置可调整安装在所述的底座（13）上。 

3.根据权利要求1或2所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：所述的形状记忆合金丝（11）的直径范围在0.03-1mm。 

4.根据权利要求1或2所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：所述的形状记忆合金丝（11）的适用长度为200-600mm。 

5.根据权利要求1或2所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：所述的形状记忆合金丝（11）与所述的第一丝夹具（9）压紧绝缘连接。 

6.根据权利要求1或2所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：所述的位移传感器（16）为光栅尺。 

7.根据权利要求1或2所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：所述拉力传感器（10）为三滑轮拉力传感器。 

8.根据权利要求1或2所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：所述温度传感器为热电偶传感器。 

9.根据权利要求1或2所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置，其特征在于：所述数据采集卡(26)为ADVANTECH公司的PCI-1710数据采集卡。 

10.使用权利要求1所述的集成式形状记忆合金丝材训练测试装置的方法，其特征在于：步骤如下： 

第一步：根据实验用形状记忆合金丝（11）长度，调整底板（19）在底座（13）上的安装位置，装载固定形状记忆合金丝（11）和钢丝线（3）部分； 

第二步：设定步进电机（4）的步进电机驱动控制器细分值，设定步进电机驱动控制器动作程序，包括转速，正向行程，停滞时间，负向行程； 

第三步：开启电源，步进电机（4）工作，正向驱动形状记忆合金丝（11）拉伸，停滞设定时间施加预应变量后，负向运动，形状记忆合金丝（11）自由收缩，产生少许回复量，测量并记录此过程中的形变量及形状记忆合金丝（11）上的拉力； 

第四步：电流加热器（24）通电加热形状记忆合金丝（11），温度至As温度时发生相变，产生回复变形，并测得最后终回复量；完成后断电冷却至常温； 

第五步：后续的双程记忆训练试验，重复以上步骤多次，直至双程记忆效应明显。 

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