根据试验机的运动特点和实验要求,主要运动形式表现为拉伸、压缩也即是直线运动。依据电机类型的选择和执行装置的不同,实现直线运动归纳起来主要有以下几种方式:
1、从动力源角度出发,直接采用直线式电机来实现直线运动。它可以通过电磁场作用直接提供直线运动所需的机械能,而不需要任何中间转换机构装置,去掉了降低性能和缩短机械寿命的零件。这样将电机轴与夹具连接,可以驱使夹具完成直线运动,从而实现试件的拉伸与压缩。目前,随着直线电机的技术日益成熟,成本也不断降低,在工程实际中得到了广泛的应用。
2、采用曲柄滑块机构:利用电机带动曲柄转动,借助连杆机构驱动滑块作直线运动。机械压力机如下图所示,电动机旋转通过皮带轮传动和齿轮传动,带动曲柄轴作旋转运动,再经过连杆滑块机构传动促使凸模作上下直线运动,从而达到挤压板材的目的。
3、采用丝杠螺母机构,通过旋转电机带动滚珠丝杠作旋转运动,并经过丝杜螺母副传动,实现螺母的直线运动,进而驱动从动件运动。目前,大多数万能材料试验机中均采用该机械结构。
4、采用旋转电机和凸轮的结构,利用旋转电机带动凸轮转动,从而推动从动件作直线运动。凸轮机构应用十分广泛,如内燃机、自动车床、缝纽机等产品中都有用到凸轮机构实现直线运动。图2.1a是内燃机中凸轮机构示意图。图2.1b中,圆柱凸轮在绕其轴线转动之时,由于其沟槽与摆杆一端滚子间是接触的,这样它能推动摆杆绕固定轴按特定的规律作往复摆动,同时经由摆杆另一端的扇形齿轮驱动刀架实现自动车床的进刀或退刀运动。
5、采用齿轮齿条结构,通过电机旋转运动带动齿轮转动,再经过哨合的齿轮齿条实现直线运动,其在全液压钻机中得到了应用。
对比上述结构方案,虽然直线电机定位精度高、速度可调范围大,加速度高,但其成本较高。同时,由于该万能材料试验机并不需要特别高的拉伸速率,为了满足研究设计的要求并降低研究成本,不需要选用价格昂贵的直线电机;在旋转电机驱动的几种结构方案中,丝杠螺母传动精度较高、并且滚珠丝杠更可以减小摩擦,提高传动效率,结构更加紧凑,更适合应用于该小型电子万能材料试验机中,因而选择丝杠螺母传动方案;对于几种常见的旋转电机,本研究中选用成本较低的步进电机,其将电脉冲信号直接转换为角位移,同时细分驱动器的引入更可以大幅提高系统的定位精度,达到设计所需的要求。