微型宽频拉-扭材料疲劳试验机

成果与项目的背景及主要用途：目前，多轴拉扭疲劳试验机多采用液压系统

实现，液压疲劳试验机主要存在以下几个问题：1、液压系统的量程较大，无法

满足小型试件的精密试验；2、动态响应速度慢，无法进行高频疲劳试验；3、功

率大，试验过程中产生较多热量，试验机进行高周疲劳试验时会有散热问题。因

此，液压试验机无法满足微电子材料、高分子材料等各种新型材料的力学性能测

试要求。

本试验机可以满足新型材料的拉扭复合应力下微电子材料、高分子材料等各

种新型材料的力学性能的测试。

技术原理与工艺流程简介：音圈电机是本试验机的基本作动单元，该电机具

有卓越的直线进给运动控制功能。其工作原理是利用通电线圈在恒定磁场中受电

磁力作用，力的大小与磁场强度、线圈运动速度及通电电流成正比。当电机型号

确定，磁场强度也就确定，因此电机的作动单元可根据需要形成力矩环或速度环

的闭环控制方式。电机的动态响应性能优越，运动加速度可达到 20g。同时，输

出力与通电电流成正比，可方便对输出载荷的大小进行控制调节。将电机控制器

与上位机相连，可单独对电机进行控制或与上位机通讯控制。电机控制器提供

AD 输入接口，可以将外部载荷传感器信号输入形成闭环控制，或采用电机控制

器的命令将信号读出进行显示和存储。扭转方向采用微型直流电机与减速器配合

使用，可在保证 0.0068 度的角度控制精度下输出 1N·m 大小以内的扭矩。采用

与直线动动方向相同的控制器对扭转方向的运动进行控制。扭矩的大小同样可以

通过外部扭矩传感器测量得到后输入到控制器进行处理。

试验机的控制装置为全数字闭环控制系统，两种控制模式（载荷、位移）

可根据需要自由选择。由于位移控制的精度极高（最大分辨率 1um），经标

定可以将位移信号用作应变信号。轴向运动与扭转运动由独立的控制器分别

控制，两通道可无干扰的异步工作，也可同步协调工作。控制波形由音圈电

机控制器的内部数字寄存器产生，可生成三角波、正弦波、方波、斜波、梯

形波等各种控制波形。合理的设置拉扭方向的控制方式及波形、频率，可实

现比例路径和各种非比例路径的加载，用于研究金属、非金属材料在多轴非

比例加载条件下的力学响应。通过将电机控制器与上位机相连，可以把试验

过程中的载荷、位移信号在上位机实时显示、控制或存储以备后续处理。

音圈电机控制器可以解释和执行 ASCII 码命令，可利用 VB 或 Delphi 等编程

语言制作疲劳试验程序界面，形成上位机对音圈电机的控制。控制器对单条指令

的解释时间不超过 200μs，可以满足疲劳试验动态响应要求。自主开发的疲劳

试验程序功能主要包括初始化电机控制器的控制参数，对试验数据如轴向力、位

移、扭矩、转角进行实时显示和存储，设定试验参数，对电机进行位移和载荷方

式保护等。

技术水平及专利与获奖情况：试验机具有精度高、响应快、功耗小、易操作

等主要特点。拉扭电机及拉扭传感器均为美国原装进口。

拉伸载荷±100N；扭转载荷±1Nm；位移行程 50mm；频率 0.01-80Hz。

[1] 专利：微型宽频拉-扭疲劳试验机，申请号：2004200298116，已授权。

[2] 专利：高频响应高温拉-扭疲劳引伸计，申请号：2004100721891

应用前景分析及效益预测：将单轴疲劳模型应用到多轴情况已不能满足现代

工业的设计要求，因此材料多轴疲劳的试验研究已成为疲劳领域的重要课题。随

着新材料，如高分子材料，电子材料的涌现，对其力学性能的试验研究有很大的

需求。

应用领域：材料的力学性能试验，包括单轴拉伸，扭转，拉扭复合的疲劳试

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验。

合作方式及条件：可提供现成产品，或技术转让。