成果與項目的背景及主要用途：目前，多軸拉扭疲勞試驗機多采用液壓系統(tǒng)

實現(xiàn)，液壓疲勞試驗機主要存在以下幾個問題：1、液壓系統(tǒng)的量程較大，無法

滿足小型試件的精密試驗；2、動態(tài)響應(yīng)速度慢，無法進行高頻疲勞試驗；3、功

率大，試驗過程中產(chǎn)生較多熱量，試驗機進行高周疲勞試驗時會有散熱問題。因

此，液壓試驗機無法滿足微電子材料、高分子材料等各種新型材料的力學(xué)性能測

試要求。

本試驗機可以滿足新型材料的拉扭復(fù)合應(yīng)力下微電子材料、高分子材料等各

種新型材料的力學(xué)性能的測試。

技術(shù)原理與工藝流程簡介：音圈電機是本試驗機的基本作動單元，該電機具

有卓越的直線進給運動控制功能。其工作原理是利用通電線圈在恒定磁場中受電

磁力作用，力的大小與磁場強度、線圈運動速度及通電電流成正比。當(dāng)電機型號

確定，磁場強度也就確定，因此電機的作動單元可根據(jù)需要形成力矩環(huán)或速度環(huán)

的閉環(huán)控制方式。電機的動態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)越，運動加速度可達到 20g。同時，輸

出力與通電電流成正比，可方便對輸出載荷的大小進行控制調(diào)節(jié)。將電機控制器

與上位機相連，可單獨對電機進行控制或與上位機通訊控制。電機控制器提供

AD 輸入接口，可以將外部載荷傳感器信號輸入形成閉環(huán)控制，或采用電機控制

器的命令將信號讀出進行顯示和存儲。扭轉(zhuǎn)方向采用微型直流電機與減速器配合

使用，可在保證 0.0068 度的角度控制精度下輸出 1N·m 大小以內(nèi)的扭矩。采用

與直線動動方向相同的控制器對扭轉(zhuǎn)方向的運動進行控制。扭矩的大小同樣可以

通過外部扭矩傳感器測量得到后輸入到控制器進行處理。

試驗機的控制裝置為全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，兩種控制模式（載荷、位移）

可根據(jù)需要自由選擇。由于位移控制的精度極高（最大分辨率 1um），經(jīng)標

定可以將位移信號用作應(yīng)變信號。軸向運動與扭轉(zhuǎn)運動由獨立的控制器分別

控制，兩通道可無干擾的異步工作，也可同步協(xié)調(diào)工作。控制波形由音圈電

機控制器的內(nèi)部數(shù)字寄存器產(chǎn)生，可生成三角波、正弦波、方波、斜波、梯

形波等各種控制波形。合理的設(shè)置拉扭方向的控制方式及波形、頻率，可實

現(xiàn)比例路徑和各種非比例路徑的加載，用于研究金屬、非金屬材料在多軸非

比例加載條件下的力學(xué)響應(yīng)。通過將電機控制器與上位機相連，可以把試驗

過程中的載荷、位移信號在上位機實時顯示、控制或存儲以備后續(xù)處理。

音圈電機控制器可以解釋和執(zhí)行 ASCII 碼命令，可利用 VB 或 Delphi 等編程

語言制作疲勞試驗程序界面，形成上位機對音圈電機的控制。控制器對單條指令

的解釋時間不超過 200μs，可以滿足疲勞試驗動態(tài)響應(yīng)要求。自主開發(fā)的疲勞

試驗程序功能主要包括初始化電機控制器的控制參數(shù)，對試驗數(shù)據(jù)如軸向力、位

移、扭矩、轉(zhuǎn)角進行實時顯示和存儲，設(shè)定試驗參數(shù)，對電機進行位移和載荷方

式保護等。

技術(shù)水平及專利與獲獎情況：試驗機具有精度高、響應(yīng)快、功耗小、易操作

等主要特點。拉扭電機及拉扭傳感器均為美國原裝進口。

拉伸載荷±100N；扭轉(zhuǎn)載荷±1Nm；位移行程 50mm；頻率 0.01-80Hz。

[1] 專利：微型寬頻拉-扭疲勞試驗機，申請?zhí)枺?004200298116，已授權(quán)。

[2] 專利：高頻響應(yīng)高溫拉-扭疲勞引伸計，申請?zhí)枺?004100721891

應(yīng)用前景分析及效益預(yù)測：將單軸疲勞模型應(yīng)用到多軸情況已不能滿足現(xiàn)代

工業(yè)的設(shè)計要求，因此材料多軸疲勞的試驗研究已成為疲勞領(lǐng)域的重要課題。隨

著新材料，如高分子材料，電子材料的涌現(xiàn)，對其力學(xué)性能的試驗研究有很大的

需求。

應(yīng)用領(lǐng)域：材料的力學(xué)性能試驗，包括單軸拉伸，扭轉(zhuǎn)，拉扭復(fù)合的疲勞試

128天津大學(xué)科技成果選編

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驗。

合作方式及條件：可提供現(xiàn)成產(chǎn)品，或技術(shù)轉(zhuǎn)讓。