一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法制造方法及图纸

一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法，在上箱体和底座之间设置有两根导向柱，两根导向柱上滑动设置有刀具组件和横梁组件，该横梁组件由设置在上箱体内的控制机构通过拉索带动其沿导向柱上下滑动，横梁组件上设置有吸附刀具组件的电磁铁，且电磁铁由PLC控制器控制其工作，以实现横梁组件与刀具组件的连接和断开。本发明专利技术利用自由落体原理，设置固定的初始能量，以固定能量来切割试样，测得切割后的剩余能量，切割前后的能量差，即是切断试样所需的总能量；可用于对玉米、甘蔗、芝麻、棉花、麻类等农作物茎秆、尼龙等材料的切割性能进行测试等。

【技术实现步骤摘要】
一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法
本专利技术涉及到机械切割测量、测试领域，具体的说是一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法。
技术介绍
在农业领域中，植物茎秆含有丰富的有机质、矿物养分和热能，是一种宝贵的可再生资源。我国年产农作物秸秆近7亿吨，可广泛用于肥料、饲料、燃料造纸、建材等多种领域。在上述秸秆利用途径中，饲料、还田和生产沼气等均需要采用各类刀具对秸秆进行小尺寸化，即需要多次切断。而在目前的农业机械中，植物茎秆特别是粗硬茎秆的切断功耗很高。以秸秆还田机为例，切断功耗约占总功耗的54%。按照我国2010年玉米秸秆产量约17724万吨、还田20%计算，则切断功耗将达1850万KWh，能源消耗巨大。同样的问题也存在于工业领域中，塑料、纸张在制成各种尺寸的产品时，必然要进行切割。而纸板、绳索及布类等材料在使用过程中，则需要较高的耐切割能力。金属刀具切割植物茎秆、塑料、纸张及布类等非金属材料是各个领域常见的金属非金属材料相互作用形式。切割过程中的刀具磨损、能量消耗和切割质量是衡量切割系统性能的重要指标。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种软材料试样切割性能测试装置及测试方法，该测试装置具有普适性，可用于对玉米、甘蔗、芝麻、棉花、麻类等农作物茎秆的切割性能进行测试、也可用于对尼龙等材料的切割性能进行测试、还可用于对棕绳、麻绳、登山绳、布类纺织品、纸板及类似包装产品的切割性能进行测试，同样的也可用于对切割刀具的磨损进行测试。本专利技术为实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种软材料试样切割性能测试装置，包括底座和通过支撑柱固定在底座上方的上箱体，在上箱体和底座之间设置有两根导向柱，两根导向柱上滑动设置有用于切割软材料试样的刀具组件，所述刀具组件与上箱体之间设置有沿两根导向柱上下滑动的横梁组件，该横梁组件由设置在上箱体内的控制机构通过拉索带动其沿导向柱上下滑动，所述控制机构包括伺服电机、通过伺服电机驱动器控制该伺服电机正反转的PLC控制器以及与伺服电机输出轴连接的绕线编码器，绕线编码器通过拉索与横梁组件连接，横梁组件上设置有吸附刀具组件的电磁铁，且电磁铁由PLC控制器控制其工作，以实现横梁组件与刀具组件的连接和断开；所述刀具组件上设置有切割刀片和切割力及加速度传感器组，且切割力及加速度传感器组分别将检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理。本专利技术中，所述底座上刀具组件的下方设置有夹持软材料试样的夹持机构，该夹持机构包括对称设置的两组夹具组件，两组夹具组件夹持软材料试样以使其与切割刀片相垂直并位于切割刀片的正下方；每组夹具组件包括一固定在底座上的横板和与该横板垂直的竖板，在横板和竖板之间设置有连接两者的加强筋板，在横板和竖板形成的L形固定板的顶部垂直竖板设置有螺柱，螺柱的一端穿过横板后通过一拉力传感器与一绕线盘固定连接，另一端设置有调节绕线盘与横板间距的调节螺母，绕线盘上设置有蝶形螺母，该蝶形螺母与绕线盘边缘设置的豁口相配合卡住软材料试样的端部，所述拉力传感器与横板间设置有弹簧；所述两组夹具组件的拉力传感器均与同步型数据采集卡的数据输入端口连接。此时，切割方式为悬空切割；当然，也可以不用设置夹持机构，而直接在底座上放置一支撑平板，此时，支撑平板上可放置硬材料试样，也可放置软材料试样，此时切割方式为支撑切割。本专利技术中，所述底座上切割刀片的正下方设置有缓冲器，该缓冲器由软性材料制成。本专利技术中，所述横梁组件包括一横杆，横杆的两端分别通过直线轴承和直线轴承座与两根导向柱滑动连接，电磁铁设置在横杆的下部，横杆的上部设置有固定拉索的固定件。本专利技术中，所述刀具组件包括一刀架，刀架的两端分别通过直线轴承和直线轴承座与两根导向柱滑动连接，切割刀片设置在刀架的底部，切割力及加速度传感器组设置在刀架上的凹槽内。本专利技术中，所述刀具组件上设置有调节其重量的砝码组件。本专利技术中，所述底座上设置有对切割动作进行摄像的高速摄像机。利用上述软材料试样切割性能测试装置进行测试的方法，包括以下步骤：1）将软材料试样放置在切割刀片的正下方，并保证其长度方向与切割刀片垂直；2）PLC控制器控制电磁铁通电工作，从而将刀具组件与横梁组件吸附结合；3）PLC控制器通过伺服电机驱动器控制伺服电机转动，进而由绕线编码器通过拉索带动横梁组件和刀具组件同步上升达到设定高度后停止，此时，刀具组件具有已知的势能；4）PLC控制器控制电磁铁断电，电磁力消失，刀具组件与横梁组件脱离并在重力作用下沿导向柱以自由落体的形式下落，完成对软材料试样的切割动作；同时，刀具组件上的切割力及加速度传感器组分别将切割过程中检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理5）同步型数据采集卡依据接收的数据获得时间轴上绝对同步的切割力、切割加速度数据，并对获得的切割加速度二次积分，从而获得位移-时间曲线，将测到的切割力在位移上积分，获得切割过程中能量的消耗曲线及消耗的总能量；6）重复步骤1）至步骤5）完成多次切割，然后通过扫描电镜设备，获得切割刀片在切割部位的磨损特性；7）对软材料试样的切断面进行分析，获得断面质量数据，从而评价切割的效果。本专利技术的工作原理是：以固定初始能量的刀片，切割农作物茎秆类、各种绳类、纸制品、塑料、纤维及纺织品等材料，通过传感器和高速摄像机，获得切割过程中的切割力、切割加速度、试样两端拉力变化数据及切割现象的图像数据，通过数据处理，可获得：（1）试样的耐切割特性；（2）切割过程中切割力变化特性；（3）切断试样所需的能量；（4）多次切割后刀具的磨损特性；（5）切割过程中刀具与试样相互作用的直观图像。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1）本专利技术利用自由落体原理，设置固定的初始能量，以固定能量来切割试样，测得切割后的剩余能量，切割前后的能量差，即是切断试样所需的总能量；2）本专利技术采用多通道同步型数据采集卡，并在开始试验的瞬间触发高速摄像机开始拍摄，从而获得在时间轴上绝对同步的多种数据，有利于正确分析切割过程，探寻切割原理；3）本专利技术提出了一种测试农作物茎秆类、各种绳类、纸制品、塑料、纤维及纺织品等材料切割性能的方法，弥补了现有技术的空白；4）本专利技术采用特殊结构的夹具组件夹持软材料试样，能够调节初始预紧力；此外，绕线盘的外缘有豁口，长条软性试样缠绕在豁口中，并用蝶形螺母压紧，好处是：首先，试样用碟形螺母压紧固定前有至少一圈的缠绕，豁口与试样之间有摩擦力，圆形绕线盘能很好地承受切断过程中的拉力，避免了切断过程中试样从夹紧位置断裂，造成试验失败；其次，拉力传感器的轴线与豁口圆相切，装夹后，试样的受力方向为拉力传感器的轴线方向，不会产生额外的弯矩，拉力传感器能够正确地测到拉力数据。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为横梁组件的结构示意图；图3为刀具组件的结构示意图；图4为夹具组件的结构示意图；图5为实施例中测控数据传递示意图；附图标记：1、底座，2、支撑柱，3、上箱体，301、PLC控制器，302、伺服电机驱动器，303、绕线编码器，304、伺服电机，305、拉索，4、导向柱，5、横梁组件，501、电磁铁，502、横杆，6、刀具组件，601、刀架，602、切割刀片，603、切割力及加速度传感器组，604、砝码组件，7、夹具组件，701、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软材料试样切割性能测试装置，包括底座（1）和通过支撑柱（2）固定在底座（1）上方的上箱体（3），在上箱体（3）和底座（1）之间设置有两根导向柱（4），两根导向柱（4）上滑动设置有用于切割软材料试样（9）的刀具组件（6），其特征在于：所述刀具组件（6）与上箱体（3）之间设置有沿两根导向柱（4）上下滑动的横梁组件（5），该横梁组件（5）由设置在上箱体（3）内的控制机构通过拉索（305）带动其沿导向柱（4）上下滑动，所述控制机构包括伺服电机（304）、通过伺服电机驱动器（302）控制该伺服电机（304）正反转的PLC控制器（301）以及与伺服电机（304）输出轴连接的绕线编码器（303），绕线编码器（303）通过拉索（305）与横梁组件（5）连接，横梁组件（5）上设置有吸附刀具组件（6）的电磁铁（501），且电磁铁（501）由PLC控制器（301）控制其工作，以实现横梁组件（5）与刀具组件（6）的连接和断开；所述刀具组件（6）上设置有切割刀片（602）和切割力及加速度传感器组（603），且切割力及加速度传感器组（603）分别将检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种软材料试样切割性能测试装置，包括底座（1）和通过支撑柱（2）固定在底座（1）上方的上箱体（3），在上箱体（3）和底座（1）之间设置有两根导向柱（4），两根导向柱（4）上滑动设置有用于切割软材料试样（9）的刀具组件（6），其特征在于：所述刀具组件（6）与上箱体（3）之间设置有沿两根导向柱（4）上下滑动的横梁组件（5），该横梁组件（5）由设置在上箱体（3）内的控制机构通过拉索（305）带动其沿导向柱（4）上下滑动，所述控制机构包括伺服电机（304）、通过伺服电机驱动器（302）控制该伺服电机（304）正反转的PLC控制器（301）以及与伺服电机（304）输出轴连接的绕线编码器（303），绕线编码器（303）通过拉索（305）与横梁组件（5）连接，横梁组件（5）上设置有吸附刀具组件（6）的电磁铁（501），且电磁铁（501）由PLC控制器（301）控制其工作，以实现横梁组件（5）与刀具组件（6）的连接和断开；所述刀具组件（6）上设置有切割刀片（602）和切割力及加速度传感器组（603），且切割力及加速度传感器组（603）分别将检测到的切割力和加速度数据传递给一同步型数据采集卡进行处理。2.根据权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置，其特征在于：所述底座（1）上刀具组件（6）的下方设置有夹持软材料试样（9）的夹持机构，该夹持机构包括对称设置的两组夹具组件（7），两组夹具组件（7）夹持软材料试样（9）以使其与切割刀片（602）相垂直并位于切割刀片（602）的正下方；每组夹具组件（7）包括一固定在底座（1）上的横板和与该横板垂直的竖板，在横板和竖板之间设置有连接两者的加强筋板（702），在横板和竖板形成的L形固定板（701）的顶部垂直竖板设置有螺柱（703），螺柱（703）的一端穿过横板后通过一拉力传感器（706）与一绕线盘（707）固定连接，另一端设置有调节绕线盘（707）与横板间距的调节螺母（704），绕线盘（707）上设置有蝶形螺母（708），该蝶形螺母（708）与绕线盘（707）边缘设置的豁口相配合卡住软材料试样（9）的端部，所述拉力传感器（706）与横板间设置有弹簧（705）；所述两组夹具组件（7）的拉力传感器（706）均与PLC控制器（301）的数据输入端口连接。3.根据权利要求1所述的一种软材料试样切割性能测试装置，其特征在于：所述底座（1）上切割刀片（602）的正下方设置有缓冲器（8），该缓冲器（8）由软...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永振，贺智涛，丁慧玲，杨正海，李珍，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41