СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С МАЛЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ НАТЯЖЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ
METHOD AND DEVICE FOR TESTING ELASTIC MATERIALS WITH LOW CROSS-SECTION WHEN EXPOSED TO TENSION AND TEMPERATURE

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться при создании устройств и приборов для контроля качества эластичных материалов с малым поперечным сечением, предпочтительно защитных нитей и лент полимерных с нанесенным термоадгезионным слоем и голографическим рисунком используемых при производстве ценных бумаг.
Известно устройство для испытания прочности при растяжении (или натяжении) в условиях высокой температуры и узел для измерения удлинения, предусмотренного в нем (патентная заявка США US 2011126635 (A1) APPARATUS FOR TESTING TENSILE STRENGTH UNDER HIGH TEMPERATURE CONDITION AND UNIT FOR MEASURING ELONGATION PROVIDED IN THE SAME (опубликовано 2011-06-02)). Устройство для испытания прочности при растяжении в условиях высокой температуры включает в себя базовую часть рамы, загрузчик испытательного образца и часть цилиндра, соединенную с частью рамы основания и применяющую растягивающее усилие к испытательному образцу, и нагреватель для формирования высокой температуры условие к испытуемому образцу. Устройство для измерения удлинения включает в себя подвижную раму, вертикальный стержень и часть измерительной головки, соединенную с вертикальным стержнем для измерения удлинения испытательного образца и блокирования тепла от нагревателя. Поэтому, поскольку прочность на растяжение и удлинение испытуемого образца можно измерить в условиях высокой температуры, можно распознать деформационные характеристики материала из-за пожара и предотвратить деформацию или повреждение единицы измерения удлинения даже под высоким температурного состояния, повышения долговечности и надежности аппарата.
Еще одна аналогичная высокотемпературная испытательная система для испытания материала на растяжение на месте и его способ испытания (китайская патентная заявка CN 104913981 (A) HIGH-TEMPERATURE IN SITU TENSION-FATIGUE TEST SYSTEM AND TEST METHOD THEREOF (опубликовано 2015-09-16)). Испытательная система содержит блок загрузки и обнаружения растяжения, блок загрузки и обнаружения усталости, блок наблюдения на месте и блок загрузки и обнаружения высокой температуры. Блок загрузки и обнаружения растяжения приводится в действие двигателем и реализует квазистатическую нагрузку через червяки, шестерни и шариковый винт; пьезоэлектрическая керамика управляет гибким шарниром для осуществления средне- и низкочастотного возвратно-поступательного движения в осевом направлении растяжения испытуемого образца для реализации усталостной нагрузки; и оптический микроскоп динамически контролирует процесс испытания, чтобы реализовать наблюдение на месте. Испытательная система имеет преимущества надежного принципа, важного научного значения, хороших значений применения и точного тестирования и анализа взаимосвязи между механическими характеристиками материала испытуемого образца, микроструктурой материала и механизмом повреждения деформации в условиях высокой температуры.
Оба данных устройства сходны с предлагаемым техническим решением только тем, что при испытаниях используют комплексное воздействие растяжения (или натяжения) и температуры. Однако устройства используют для исследования устойчивости металлоконструкций к силовым и термическим воздействиям, соответственно измерительный и температурный диапазоны воздействия принципиально другие, соответственно устройства имеют сравнительно низкую точность измерений и по остальным признакам также есть существенные отличия.
Известны способ и устройство для испытания прочности материала на разрыв, особенно электропроводящего материала, при температуре выше температуры окружающей среды (международная патентная РСТ-заявка WO 2013025652 (A1) A METHOD FOR TESTING TENSILE STRENGTH OF AN ELECTRICALLY NONCONDUCTIVE MATERIAL (опубликовано 2013-02-21)). Способ включает установку полосы испытуемого материала между верхним и нижним патронами машины для испытания на растяжение; позиционирование средства для создания потока горячего воздуха, прилегающего к полосе, чтобы поток не попадал в полосу; нагревание потока горячего воздуха до заданной температуры выше температуры окружающей среды; перемещение потока горячего воздуха так, чтобы поток падал на полосу; и начало испытания на растяжение, когда поток горячего воздуха при заданной температуре начинает нагревать полосу. Данный способ сходен с предлагаемым тем, что при испытаниях используется комплексное воздействие натяжения и температуры и находится в близком к предлагаемому техническому решению диапазоне нагрева и измерений, хотя и грубее.
Основной недостаток этого аналога: узость функциональных возможностей, а именно: нет возможности создания с помощью потока горячего воздуха линейно изменяемой температуры вдоль образца и ее контроля, а также прижатия с заданным усилием двух полос материала друг к другу.
Известно высокотемпературное устройство для испытания на прочность проволоки при ее растяжении (китайская патентная заявка CN 104535432 (A) WIRE HIGH-TEMPERATURE DIRECT TENSILE STRENGTH TESTING DEVICE (опубликовано 2015-04-22)). Испытательное устройство для испытания на прочность проволоки при высокой температуре содержит герметичную коробку (8), в которой подставка (3) и высокотемпературная печь (4) расположены в герметичной коробке (8). Опора (5) расположена на основании подставки (3) и поддерживает высокотемпературную печь (4). Штыревой вал (1), используемый для связывания проволоки, расположен на участке, прямо напротив середины высокотемпературной печи (4), балки на верхней части подставки (3). Через отверстия для прохода проволоки образуются посередине верхней поверхности и нижней поверхности высокотемпературной печи (4). Данное устройство сходно с предлагаемым решением только тем, что при испытаниях используется комплексное воздействие натяжения и температуры и находится ближе к диапазону измерений в предлагаемом решении.
Основные недостатки этого аналога: узость функциональных возможностей в плане измерения и автоматизации: изменяя вес груза можно определить разрыв образца, или с помощью линейки измерить его удлинение очень грубо; в высокотемпературной печи нельзя создать линейно изменяемую температуру; нельзя сложить с заданным давлением две полосы испытуемого материала, затем измерить силу адгезивного расслоения в зависимости от температуры предварительного нагрева и т.д.
Известны СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ РЕЖУЩЕЙ ПРОВОЛОКИ (патент РФ RU 2506558 (Опубликовано: 10.02.2014. Бюл. №4)). Способ динамических испытаний режущей проволоки включает ее растяжение в испытательной установке, при этом растяжение проводят путем протягивания проволоки через зону температурного нагрева с заданными значениями температуры и усилия натяжения. При этом диапазон задаваемых температур составляет 50÷300°С, а диапазон усилия натяжения составляет 1000÷4500 МПа. Натяжение проволоки осуществляется при ее перемотке, а заданное значение температуры обеспечивается нагревателем. Установка для реализации заявленного способа включает в себя подающий и принимающий регулируемые приводы с катушками, валы с пазами под проволоку, регуляторы натяжения, направляющие валки, нагревательный элемент, регулятор температуры и инфракрасный температурный датчик. При этом усилие натяжения проволоки контролируется балериной и регулируется разностью скоростей вращения, подающего и принимающего приводов, а скорость подачи проволоки, проходящей через установку, может регулироваться тормозной системой подающего привода.
Данный способ сходен с предлагаемым решением тем, что при испытаниях используется комплексное воздействие натяжения и температуры, а в остальном этот аналог имеет узкие функциональные возможности, как перемоточный станок с тензодатчиком и термопечью, что не позволит решить ни одной задачи из перечня в предлагаемом решении.
Известна ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НА РАЗРЫВНЫХ МАШИНАХ (патент РФ RU 163919 (Опубликовано: 20.08.2016 Бюл. №23)). В вакуумной электропечи для исследования прочностных свойств материалов на разрывных машинах, содержащей водоохлаждаемый цилиндрический корпус с вваренным смотровым окном, две откидные торцевые водоохлаждаемые крышки, установленные на поворотных осях, приваренных к водоохлаждаемому цилиндрическому корпусу, цилиндрическую разъемную экранную изоляцию, состоящую из двух полуцилиндрических половинок, каждая из которых закреплена болтовым соединением к одной из откидных торцевых водоохлаждаемых крышек, электронагреватели, согласно полезной модели, разъемная экранная изоляция выполнена с возможностью образования в месте закрытия двух ее половинок лабиринтного соединения.
Данное устройство сходно с предлагаемым устройством только тем, что при испытаниях используется комплексное воздействие натяжения и температуры, а во всем остальном узость и отличия функциональных возможностей.
Известна ПОРТАТИВНАЯ РАЗРЫВНАЯ МАШИНА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НИТИ ПРИ ОДНООСНОМ РАСТЯЖЕНИИ (патент РФ RU2612949 (Опубликовано: 14.03.2017 Бюл. №8)). Изобретение относится к технике испытаний и измерений, а именно к устройствам для исследования механических свойств материалов с малым поперечным сечением, предпочтительно высокоэластичных нитей. Портативная разрывная машина содержит установленные на жесткой раме одноточечный концевой тензометрический датчик, шаговый двигатель, блок питания и драйвер к шаговому двигателю, плату микроконтроллера. Технический результат: реализация переносного устройства, обеспечивающего достаточную разрывную способность при минимальных габаритах и весе, пригодном для испытания высокоэластичных нитей, отвечающего современным требованиям по безопасности, энергосбережению, долговечности, удобству транспортировки, монтажа и эксплуатации, а также снижение затрат на его приобретение и эксплуатацию.
Данное устройство ближе к предлагаемому устройству в части диапазона измерений силы натяжения, но в аналоге отсутствует термокамера и соответственно не предусмотрено комплексное воздействие натяжения и температуры (то есть узость функциональных возможностей).
Задача изобретения способа - значительное расширение функциональных возможностей и повышение качества измерений параметров исследуемых материалов, используемых при производстве ценных бумаг, а именно: испытание защитных нитей и лент полимерных при воздействии них натяжения и температуры, в том числе при комплексном одновременном воздействии.
У способа главные расширенные функциональные возможности - это:
- возможность при заданном усилии прижатия нити к нити или ленты к ленте исследования зависимости силы расслоения защитных нитей или лент полимерных после активации адгезива в заданном диапазоне температур;
- возможность при заданном усилии прижатия нити или ленты к бумаге исследования зависимости силы отслоения защитных нитей или лент полимерных от бумаги после активации адгезива в заданном диапазоне температур;
- возможность определения вытяжки/усадки образца при комплексном воздействии натяжения и температуры на защитную нить или ленту полимерную;
- возможность исследования склонности к изменению визуальных голографических защитных признаков при комплексном воздействии натяжения и температуры на защитную нить или ленту полимерную.
Таким образом, способ испытаний эластичных материалов с малым поперечным сечением, предпочтительно защитных нитей и лент полимерных, при воздействии на них натяжения и температуры, характеризуется определением по отдельности, но единым устройством параметров адгезии, вытяжки/усадки, термостойкости голографических образов эластичного материала в процессе или после воздействия линейным распределением градиента температуры вдоль длины рабочей испытательной поверхности в заданном диапазоне температуры с предварительным заданным натяжением и осуществлением прижима эластичного материала с заданным усилием к рабочей испытательной поверхности на заданный период времени после выхода температуры рабочей испытательной поверхности в режим стабилизации, с последующим снятием усилия прижима и охлаждением рабочей испытательной поверхности с дальнейшим осуществлением натяжения материала с регистрацией зависимости силы натяжения от длины растяжения образца и температуры предварительного нагрева материала.
Распределение температуры Т(х) вдоль координаты х поверхности термостола устройства реализации способа в режиме стабилизации соответствует следующей формуле:
1
2
1
2
, где t и t - температура термопар, установленных с левой и правой стороны рабочей поверхности термостола соответственно; Хи Х - координаты термопар, установленных с левой и правой стороны рабочей поверхности термостола соответственно.
Дополнительно для определения параметров адгезива эластичного материала к бумажной основе, температуру срабатывания адгезива эластичного материала при заданном начальном натяжении определяют зависимостью силы расслоения участка двух нитей или лент полимерных, сложенных адгезивным слоем друг к другу в зоне рабочей испытательной поверхности, подвергнувшейся предварительному нагреву в течение заданного времени линейно распределенной температурой, а силу адгезии эластичного материала к бумаге определяют зависимостью силы отслоения материала от бумаги в зоне рабочей испытательной поверхности, подвергнувшейся предварительному нагреву в течение заданного времени, линейно распределенной температурой, при заданном усилии прижатия и при заданном начальном натяжении материала.
Также вытяжку/усадку защитных нитей или лент полимерных при комплексном воздействии натяжения и температуры определяют разностью значений продольной координаты положения каретки натяжного механизма устройства в режиме стабилизации заданного натяжения нити или ленты полимерной до и после нагрева участка нити или ленты заданной равномерно распределенной температурой вдоль термостола в течение заданного промежутка времени при заданном усилии прижатия нити или ленты прижимным механизмом с крышкой к рабочей поверхности термостола.
Также максимальную температуру термостойкости голографических образов защитных нитей и лент полимерных при комплексном воздействии силы натяжения и температуры нагрева определяют визуальным осмотром участка защитной нити или ленты полимерной в зоне рабочей поверхности.
Способ также позволяет существенно повысить точность, скорость, автоматизацию измерений проводящихся при контроле качества защитных нитей и лент полимерных в производстве, так как позволяет задавать линейную скорость нарастания температуры в диапазоне от 0,01 до 1°С/мм в диапазоне температур от 50 до 150°С относительно левой и правой кромок рабочей поверхности термостола устройства и задавать усилие прижима в диапазоне от 0 до 50 Н и измерять силу натяжения в диапазоне от 0,001 до 30,000 Н.
Задача предлагаемого устройства - высококачественная промышленная реализация разработанного способа испытаний в компактном однокорпусном программно-аппаратном комплексе настольного исполнения.
Многофункциональное устройство с условным мнемоническим названием ТермоТензоТест предназначено для контроля качества защитных нитей и лент полимерных при комплексном термомеханическом воздействии. Устройство позволяет реализовать все вышеуказанные функциональные возможности способа, а также исследовать физические свойства защитных нитей и лент полимерных, а именно: зависимость силы натяжения от относительного растяжения в процентах; отображать результаты исследований на ЖК-дисплее; подключать к внешнему персональному компьютеру для передачи текущих данных исследований с их визуализацией в аналитическом и графическом виде и дальнейшего анализа и хранения в базе данных с возможностью вывода на печать.
Устройство, созданное на базе данного изобретения, позволяет осуществлять оперативный контроль качества защитных нитей и лент полимерных при комплексном воздействии на них натяжения и температуры, как при их производстве, так и в производстве ценных бумаг с использованием данных материалов в качестве визуальных защитных признаков.
Для этого устройство реализации способа содержит термокамеру и механизм для измерения силы натяжения защитных нитей и лент полимерных, при этом термокамера представляет собой термостол с линейным распределением температуры вдоль рабочей поверхности термостола с заданной скоростью нарастания °С/мм в заданном диапазоне температур относительно левой и правой кромок рабочей поверхности термостола и прижимной механизм с крышкой для осуществления прижима защитных нитей и лент полимерных с заданным усилием к рабочей поверхности термостола на заданный период времени после выхода температуры рабочей поверхности термостола на режим стабилизации, термостол расположен относительно механизма измерения силы натяжения защитных нитей и лент полимерных с возможностью образования малого миллиметрового зазора (порядка 5 мм) между рабочей поверхностью стола и защитной нитью или лентой полимерной для исключения их касания при нагреве термостола до заданной температуры стабилизации, а прижимной механизм расположен таким образом, чтобы во время нагрева и охлаждения термостола иметь возможность подвода крышки к рабочей поверхности термостола с зазором (порядка 5 мм), во время нагрева защитной нити или ленты полимерной осуществить их прижим с заданным усилием к рабочей поверхности термостола, а в моменты работы механизма для измерения силы натяжения защитных нитей и лент полимерных увести крышку из рабочей зоны.
При этом рабочая поверхность термостола состоит из металлической прямоугольной пластины, с высокой теплопроводностью, по краям длинной стороны которой установлены нагревательные элементы с регулируемой мощностью нагрева и вентиляторы охлаждения с регулируемой частотой вращения для создания заданного линейного распределения температуры вдоль рабочей поверхности термостола, ускоренного нагрева, стабилизации и охлаждения.
Прижимной механизм с крышкой оснащен приводом вращения, у которого выходной вал редуктора шагового двигателя соединен с крышкой через демпфирующее устройство с двумя степенями свободы, мостом, в качестве которого использован тензодатчик, а крышка состоит из металлического основания, внутренняя полость которого заполнена теплоизолятором, а также рабочая поверхность покрыта тонким слоем силиконовой термостойкой теплопроводной резины для плотного прилегания к рабочей поверхности термостола.
Механизм для измерения силы натяжения защитных нитей и лент полимерных состоит из каретки с зажимными губками, установленной на шариковой прецизионной платформе с возможностью ее перемещения по рельсу вдоль рабочей поверхности термостола, в движение которую приводит шаговый двигатель через шестереночный механизм с зубчатым ремнем, двух заправочных механизмов с зажимными губками, находящихся по левому и правому краям рабочей зоны устройства и закрепленных к вертикальной станине через тензодатчики, пары направляющих роликов, установленных перед одним из заправочных механизмов (на фиг. 1 - левом механизме). При этом рабочие поверхности зажимных губок заправочных механизмов для фиксации одного края нити или ленты полимерной и направляющих роликов для укладки нити или ленты полимерной адгезивным слоем друг к другу лежат в одной плоскости, параллельно рабочей поверхности термостола с малым зазором (порядка 5 мм) и параллельно перемещения рабочей поверхности зажимных губок каретки с малым зазором (порядка 1 мм) для фиксации второго края нити или ленты полимерной.
Также для оперативного управления устройством и отображения текущей информации с результатами испытаний предназначен пульт ввода и отображения информации, а для настройки устройства, сохранения в цифровой базе данных результатов испытаний с выводом на печать устройство имеет интерфейс для подключения внешнего персонального компьютера с предустановленным программным приложением.
Перечень фигур
Фиг. 1 - вид устройства в ракурсе сверху
Фиг. 2 - вид устройства в ракурсе сзади;
Фиг. 3 - вид устройства в ракурсе сбоку.
Осуществление изобретения
Устройство ТермоТензоТест, представленное в трех проекциях на фиг. 1,2,3, состоит из следующих основных элементов: термостола (1), блока нагрева и охлаждения термостола (2), прижимного механизма с приводом вращения и тензодатчиком (3), каретки с приводом линейного перемещения и заправочным механизмом (4), левого заправочного механизма с тензодатчиком (5), правого заправочного механизма с тензодатчиком (6), пары направляющих роликов (7), пульта с ЖК-дисплеем и клавиатурой (8), вертикальной станины (9), основания устройства (10), корпуса устройства (11), разъема электрического интерфейса RS-232 (12), разъема электрического интерфейса PDI (13), выключателя сети внешнего питания (14), разъема для подключения шнура подачи внешнего питания (15).
Параметры термостола:
- размер рабочей поверхности - 100×25 мм;
- линейное распределение температуры вдоль рабочей поверхности с максимальным отклонением в режиме стабилизации ±1°С;
- задаваемый диапазон рабочих температур на левой и правой кромках стола от 50°С до 150°С с шагом дискретизации 1°С и ошибкой установки, не превышающей ±1°С;
- максимальное время нагрева рабочей поверхности до заданной температуры не превышает 5-ти минут;
- максимальное время охлаждения рабочей поверхности до температуры, не превышающей 50°С, не более 5-х минут.
Параметры прижимной крышки термостола:
- сила прижима крышки к рабочей поверхности термостола, задаваемая в диапазоне от 0 до 50 Н с шагом дискретизации 0,01 Н;
- ошибка стабилизации заданного прижима крышки к рабочей поверхности термостола не превышает ±0,05 Н;
- неравномерность распределения давления крышки по рабочей поверхности термостола не более ±5%;
- диапазон скоростей перемещения прижимной крышки от 0,02 до 5 рад/сек.
Параметры разрывного механизма:
- шкала измерения силы натяжения 0,001 Н;
- ошибка измерения силы натяжения не более ±5%;
- максимальная сила натяжения не более 30 Н;
- ошибка стабилизации заданной силы натяжения не более +0,005 Н.
- диапазон скоростей перемещения каретки разрывного механизма от 0,01 до 100 мм/сек;
- длина рабочей зоны перемещения каретки разрывного механизма 300±0,5 мм.
Термостол с блоком нагрева и охлаждения. Термостол (1) состоит из металла с высокой теплопроводностью, по сторонам которого установлены нагревательные элементы и вентиляторы охлаждения с регулируемой частотой вращения, помещенные в блок нагрева и охлаждения термостола (2). Блок нагрева и охлаждения термостола (2) через теплоизоляционные прокладки закреплен к основанию устройства (10).
Для стабилизации и контроля линейности распределения текущей температуры вдоль рабочей поверхности термостола (1) установлены три термопары, по центру, по левому и правому краю с подключением к слаботочному электронному блоку обработки сигналов с термопар. Слаботочный электронный блок обработки сигналов с термопар в непрерывном режиме по SPI-каналам выдает информацию на центральное процессорное устройство (ЦПУ) о текущей температуре поверхности термостола.
ЦПУ сравнивает информацию о текущей температуре поверхности термостола с заданной температурой и по результатам сравнения подает по ШИМ-каналам сигналы на силовой электронный блок управления нагревом и охлаждением термостола, который фильтрует ШИМ-сигналы, усиливает и подает на нагревательные элементы и вентиляторы блока нагрева и охлаждения термостола. При соответствии текущей температуры поверхности термостола заданной ЦПУ выдает сообщение и переходит в режим стабилизации температуры поверхности термостола с погрешностью не более ±1°С.
1
2
Распределение температуры Т(х) вдоль координаты х поверхности термостола в режиме стабилизации соответствует следующей формуле: , где t и t
1
2
- температура термопар, установленных с левой и правой стороны рабочей поверхности термостола соответственно; X и Х - координаты термопар, установленных с левой и правой стороны рабочей поверхности термостола соответственно.
Прижимной механизм - крышка с приводом вращения и тензодатчиком
Прижимной механизм с приводом вращения и тензодатчиком (3) для прижима прижимной крышкой исследуемого образца к рабочей поверхности термостола (1), которая состоит из металлического основания, внутренняя полость которого заполнена теплоизолятором, а рабочая поверхность покрыта тонким слоем силиконовой термостойкой теплопроводной резины для плотного прилегания к рабочей поверхности термостола (1). Привод вращения (выходной вал редуктора шагового двигателя) соединен с прижимной крышкой через демпфирующее устройство с двумя степенями свободы, мостом, в качестве которого использован тензодатчик. Редуктор привода вращения в сборе с шаговым двигателем через кронштейн закреплен к основанию устройства (10).
Максимальный угол поднятия прижимной крышки относительно рабочей поверхности термостола (1) фиксируется срабатыванием индуктивного датчика (установленного на кронштейне) и принимается за нулевую координату угла.
Шаговый двигатель привода используется по биполярной схеме включения в синхронном режиме управления с частотным регулированием скорости. ЦПУ при старте позиционирует шаговый двигатель на нулевую координату угла далее сравнивает заданную координату угла с текущей и по результатам сравнения выдает по двум ШИМ-каналам высокочастотные сигналы, модулированные низкочастотными синусоидальными сигналами управления, сдвинутые по фазе на π/4 и взятые по модулю, на силовой электронный блок управления кинематикой, который преобразует их в биполярные синусоидальные токовые сигналы управления (используя индуктивность двигателя) с подачей на обмотки шагового двигателя привода вращения.
Для исключения резких динамических ударов и возможной потери шага при старте вал шагового двигателя плавно набирает заданную скорость вращения, а при останове плавно сбрасывает.
В режиме стабилизации усилия прижима прижимной крышки к рабочей поверхности термостола ЦПУ сравнивает заданное усилие прижима крышки с информацией, непрерывно поступающей по SPI- каналу слаботочного блока обработки сигналов с тензодатчиков от мостового тензодатчика привода вращения и по результатам сравнения формирует управляющие сигналы на силовой электронный блок управления кинематикой.
Цифровая синхронизация модуляции высокочастотных сигналов управляющими синусоидальными сигналами шаговых двигателей позволяет получить высокую дискретизацию шага на валу редуктора, а именно, менее 0,1 угловой секунды и, соответственно, стабилизацию усилия прижима крышки с ошибкой, не превышающей ±0,05Н в диапазоне допустимых усилий прижима от 0 до 50Н.
Каретка с приводом линейного перемещения и заправочным механизмом (4) состоит из прецизионной подшипниковой платформы линейного перемещения с установленным губковым зажимным механизмом для захвата испытуемого образца. Подшипниковая платформа установлена на направляющую привода линейного перемещения, в движение которую приводит шаговый двигатель через шестереночный механизм с зубчатым ремнем. Все статические элементы привода линейного перемещения закреплены на вертикальной станине (9), прикрепленной к основанию устройства (10). Стартовая позиция положения каретки фиксируется срабатыванием индуктивного датчика (установленного на вертикальной станине (9) рядом с правьм заправочным механизмом с тензодатчиком (6) и принимается за нулевую координату линейного перемещения.
Заправочная система устройства состоит из левого заправочного механизма с тензодатчиком (5) через тензодатчик закрепленного на вертикальной станине (9), правого заправочного механизма с тензодатчиком (6) через тензодатчик закрепленного на вертикальной станине (9) и пары направляющих роликов (7), закрепленных на вертикальной станине (9). Рабочие поверхности заправочных механизмов (5), (6) и направляющих роликов (7) расположены в одной плоскости параллельно плоскости рабочей поверхности заправочного механизма каретки с приводом линейного перемещения и заправочным механизмом (4), с зазором в 1 мм между параллельными плоскостями.
ЦПУ при старте позиционирует шаговый двигатель с приводом линейного перемещения и заправочным механизмом 4 на нулевую координату линейного перемещения каретки, далее сравнивает заданную координату линейного перемещения с текущей и по результатам сравнения выдает по двум ШИМ-каналам высокочастотные сигналы, модулированные низкочастотными синусоидальными сигналами управления, сдвинутыми по фазе на л/4 и взятые по модулю, на силовой электронный блок управления кинематикой, который преобразует их в биполярные синусоидальные токовые сигналы управления (используя индуктивность двигателя) с подачей на обмотки шагового двигателя привода линейного перемещения. Для исключения резких динамических ударов и возможной потери шага при старте вал шагового двигателя плавно набирает заданную скорость вращения, а при останове плавно сбрасывает.
В режиме стабилизации усилия натяжения исследуемого образца, закрепленного в заправочном механизме каретки с приводом линейного перемещения и заправочным механизмом (4) и любом из двух заправочных механизмов с тензодатчиками (5) или (6) ЦПУ сравнивает заданное усилие натяжения исследуемого образца с информацией, непрерывно поступающей по SPI- каналу от слаботочного электронного блока обработки сигналов с тензодатчиков и по результатам сравнения формирует управляющие сигналы на силовой блок управления кинематикой.
Цифровая синхронизация модуляции высокочастотных сигналов управляющими синусоидальными сигналами шаговых двигателей позволяет получить высокую дискретизацию шага линейного перемещения каретки - 0,125 мкм и, соответственно, стабилизацию усилия натяжения исследуемого образца с ошибкой, не превышающей ±0,005 Н в диапазоне усилий натяжения от 0 до 30 Н.
Пульт ввода и отображение информации
Работать с устройством ТермоТензоТест можно как совместно с персональным компьютером (ПК) через СОМ-порт по электрическому интерфейсу RS-232, так и в автономном режиме, используя предварительные настройки с ПК и пульт с ЖК-дисплеем и клавиатурой (8), установленным на корпусе устройства (11).
Для отображения текущей информации используется встроенный ЖК-дисплей с подсветкой, позволяющий отображать как графическую информацию, так и текстовую с информационной емкостью 8×32 символа.
Средства ввода информации и управления:
- кнопка с механическим контактом «Старт»;
- кнопка с механическим контактом «Стоп»;
- кнопка с механическим контактом «Материал»;
- кнопка с механическим контактом «Режим»;
- кнопка с механическим контактом «стрелка вправо»;
- кнопка с механическим контактом «стрелка влево»;
- с персонального компьютера через СОМ-порт по электрическому интерфейсу RS-232.
Для управления устройством используется 6 клавиш с надписями «Стоп», «Материал», «Режим», «Старт», «стрелка влево», «стрелка вправо».
Клавиша «Стоп» служит для экстренной остановки работы устройства во время выполнения различных функций при различных режимах работы.
Клавиша «Старт» служит для запуска устройства на выполнение различных функций при различных режимах работы, включая запуск на продолжение работы при остановке после окончания выполнения заданной функции, а также после экстренной остановки нажатием клавиши «Стоп».
Клавиша «Материал» служит для выбора образца в заданном режиме работы из предварительно настроенных с помощью ПК.
Клавиша «Режим» позволяет выбрать один из установленных режимов работы устройства.
Клавиши «стрелка влево», «стрелка вправо» являются служебными и используются в одних режимах для линейного перемещения каретки, в других - для просмотра графика на ЖК-дисплее устройства.
Программное приложение
Программное приложение устанавливается на ПК и используется для:
- настройки режимов работы устройства;
- настройки параметров исследования материалов для каждого режима работы;
- построения графиков, вывод на печать и сохранение в базе данных результатов исследований, получаемых с устройства.
Примеры осуществления способа
Пример 1: Предлагаемым способом температура и сила адгезии защитной нити или ленты полимерной определяется автоматически, в один цикл, за время не более 10 минут, используя термостол с градиентным распределением температуры вдоль рабочей поверхности в заданном диапазоне от 70 до 120°С с прижимом к ней с заданным усилием двух защитных нитей или лент полимерных уложенных адгезивным слоем друг к другу на заданный промежуток времени с последующим снятием прижима и охлаждением рабочей поверхности с дальнейшим осуществлением расслоения нитей с построением графика зависимости силы натяжения от температуры предварительного нагрева и определением по перегибу графика температуры и силы адгезии защитной нити (для сравнения: определение температуры и силы срабатывания адгезива защитной нити или ленты полимерной в российской промышленности изготовления и контроля ценных бумаг осуществляют, как правило, следующим образом: в термокамеру, нагретую до 70°С, помещают две нити или ленты полимерные, прижатые адгезивным слоем друг к другу с заданным усилием с помощью двух калиброванных металлических пластин, на заданный промежуток времени с последующим извлечением из термокамеры, охлаждением и расслоением данных нитей или лент полимерных на разрывной машине для определения силы адгезии, описанный цикл повторяют с аналогичными образцами при температурах по крайней мере 80, 90, 100, 110, 120°С, по полученным точкам строят график зависимости силы расслоения исследуемой нити или ленты полимерной от температуры предварительного нагрева и по перегибу графика определяют температуру и силу адгезии испытуемой защитной нити или ленты полимерной. Учитывая, что каждый цикл данного способа занимает не менее 15 минут, требуется не менее полутора часов времени на определение температуры и силы срабатывания адгезива испытуемой защитной нити или ленты полимерной).
Пример 2: Предлагаемым способом температура и сила адгезии защитной нити или ленты полимерной с бумагой определяется автоматически, в один цикл, за время не более 10 минут, используя термостол с градиентным распределением температуры вдоль рабочей поверхности в заданном диапазоне от 70 до 120°С с прижимом к ней с заданным усилием нити или ленты полимерной уложенной адгезивным слоем на бумагу на заданный промежуток времени с последующим снятием прижима и охлаждением рабочей поверхности с дальнейшим осуществлением отслоения нити или ленты полимерной от бумаги с построением графика зависимости силы отслоения от температуры предварительного нагрева и определением по перегибу графика температуры и силы адгезии защитной нити или ленты полимерной к бумаге (для сравнения: определение температуры срабатывания и силы адгезии защитной нити или ленты полимерной с бумагой в российской промышленности изготовления и контроля ценных бумаг осуществляют, как правило, следующим образом: в термокамеру, нагретую до температуры 70°С, помещают нить или ленту полимерная, прижатые адгезивным слоем к бумаге с заданным усилием с помощью двух калиброванных металлических пластин, на заданный промежуток времени с последующим извлечением из термокамеры, охлаждением и отслоением защитной нити или ленты полимерной от бумаги на разрывной машине, для определения силы адгезии, описанный цикл повторяют с образцами при температурах по крайней мере 80, 90, 100, 110, 120°С, по полученным точкам строят график зависимости от температуры предварительного нагрева силы отслоения нити или ленты полимерной от бумаги и по перегибу графика определяют температуру и силу адгезии защитной нити с бумагой. Учитывая, что каждый цикл данного способа занимает не менее 15 минут, требуется не менее полутора часов времени на определение температуры и силы адгезии защитной нити или ленты полимерной с бумагой).
Пример 3: Предлагаемый способ позволяет определять термическую вытяжку/усадку защитной нити или ленты полимерной с предварительно заданным натяжением в автоматическом режиме за время не более 10 минут, используя термостол с равномерным распределением заданной температуры вдоль рабочей поверхности с прижимом к ней с заданным усилием предварительно натянутой нити или ленты полимерной натяжным устройством на заданный промежуток времени с последующим снятием прижима, охлаждением рабочей поверхности и фиксацией результата разницы длины защитной нити или ленты полимерной до и после температурного воздействия определяется термическая вытяжка при положительном результате или усадка при отрицательном результате исследуемого образца в процентном отношении (для сравнения: термическую усадку защитной нити или ленты полимерной в российской промышленности изготовления и контроля ценных бумаг осуществляют, как правило, следующим образом: берут образец, как правило длиной 100 мм и помещают в термокамеру, предварительно нагретую до 125°С на заданный промежуток времени, затем извлекают из термокамеры, охлаждают и измеряют разницу в длине образца до и после погружения в термокамеру, определяющую в процентном отношении термическую осадку образца. Недостатком традиционного способа является его низкая точность и отсутствие возможности задавать предварительное натяжение образца с усилием, задаваемым при производстве ценных бумаг.
Пример 4: Предлагаемым способом термостойкость голлограммы защитной нити или ленты полимерной с предварительным натяжением определяют в один цикл, за время не более 10 минут, используя термостол с градиентным распределением температуры вдоль рабочей поверхности в заданном диапазоне от 80 до 140°С с прижимом к ней с заданным усилием предварительно натянутой нити или ленты полимерной на заданный промежуток времени с последующим снятием прижима и охлаждением рабочей поверхности с дальнейшим визуальным осмотром участка защитной нити или ленты полимерной подвергнувшемуся предварительному градиентному температурному воздействию с фиксацией температуры в зоне начала изменения голографического образа (для сравнения: термостойкость голограммы, нанесенной на защитную нить или ленту полимерную, в российской промышленности изготовления и контроля ценных бумаг определяют, как правило, следующим образом: образец помещают в термокамеру, предварительно нагретую до температуры 80°С на заданный интервал времени, с последующим извлечением и охлаждением, описанный цикл повторяют с образцами при температурах по крайней мере 90, 100, 110, 120, 130, 140°С, далее укладывают исследуемые образцы друг возле друга по возрастанию температуры нагрева и визуально оценивают изменение голографического образа с фиксацией температуры предварительного нагрева образца. Недостатком традиционного способа является длительное время исследования, не менее полутора часа и отсутствие предварительного натяжения исследуемых образцов, с усилием, задаваемым при производстве ценных бумаг.
Порядок работы с устройством реализации способа испытаний
Включение устройства
После поступления питания на устройство на ЖК-дисплее пульта отобразится информация «***ТермоТензоТест***» «VER_X_X» и устройство перейдет в режим тестирования и позиционирования приводов каретки и прижимной крышки термостола.
После успешного прохождения тестирования устройство выдаст звуковой сигнал и отобразит на ЖК-дисплее текущий режим «Адгезия нить/нить» и образец для исследования «Образец 1», настройки которого будут использоваться при выполнении текущего режима. Работа устройства в режиме «Адгезия нить/нить»
Шаг 1. Повторно нажимая клавишу «Режим» дождаться появления в верхней строке ЖК-дисплея информации «Адгезия нить/нить».
Шаг 2. Повторно нажимая клавишу «Материал» дождаться появления в нижней строке ЖК-дисплея названия образца, настройки которого будут использованы при выполнении данного режима.
Шаг 3. После нажатия клавиши «Старт» устройство выполнит позиционирование приводов каретки и прижимной крышки термостола и переместит каретку на стартовую позицию с выдачей на ЖК-дисплее «Заправьте нить и нажмите клавишу СТАРТ для продолжения».
Шаг 4. Приготовьте образец защитной нити длиной -550 мм и заправьте в заправочный механизм устройства адгезионным слоем внутрь (нить к нити).
Шаг 5. После заправки нити и нажатия клавиши «Старт» устройство в автоматическом режиме выполнит следующий ряд действий:
1) стабилизацию минимального натяжения нити;.
2) прикрытие крышки термостола до уровня натяжения нити;
3) нагрев термостола до уровня линейного распределения температуры по рабочей поверхности с заданным наклоном;
4) стабилизацию температуры на рабочей поверхности термостола;
5) прижатие крышки к рабочей поверхности термостола с заданным усилием;
6) прогрев сдвоенной нити, зажатой между крышкой и рабочей поверхностью термостола в течение времени, заданного в настройках;
7) приоткрытие крышки термостола и форсированное охлаждение поверхности термостода до температуры, не превышающей 50°С;
8) открытие крышки термостола и выход каретки на стартовую позицию разъединения нитей;
9) разъединение нитей (склеенных нить к нити в зоне температуры срабатывания адгезионного слоя) на заданной скорости перемещения каретки и регистрация текущей зависимости усилия разъединения нитей от температуры предварительного нагрева;
10) фильтрацию данных зависимости усилия разъединения нитей от температуры предварительного нагрева и нахождение точки адгезии на графике по  перегиба от минимального и максимального значений с выдачей информации на ЖК-дисплее;
11) построение на ЖК-дисплее графика зависимости усилия разъединения нитей от температуры предварительного нагрева с обозначением вертикальным маркером на графике найденной точки адгезии.
Шаг 6. При необходимости вертикальным маркером вдоль графика с помощью клавиш «стрелка влево», «стрелка вправо» осуществляется просмотр текущих значений зависимости усилия разъединения нитей от температуры предварительного нагрева.
Шаг 7. После нажатия клавиши «Старт» на ЖК-дисплее отобразится следующая информация «Удалите нить и нажмите клавишу СТАРТ для продолжения».
Шаг 8. После удаления нити из заправочного механизма и нажатия клавиши «Старт» каретка линейного привода возвратится в исходное состояние и устройство будет готово к продолжению работы.
Работа устройства в режиме «Адгезия нить/бумага»
Шаг 1. Повторно нажимая клавиши «Режим» дождаться появления в верхней строке ЖК-дисплея информации «Адгезия нить/бумага».
Шаг 2. Повторно нажимая клавиши «Материал» дождаться появления в нижней строке ЖК-дисплея названия образца, настройки которого будут использованы устройством при выполнении данного режима.
Шаг 3. После нажатия клавиши «Старт» устройство выполнит позиционирование приводов каретки и прижимной крышки термостола и переместит каретку на стартовую позицию с выдачей на ЖК-дисплее «Заправьте нить с бумагой и нажмите клавишу СТАРТ для продолжения».
Шаг 4. Приготовьте образец защитной нити длиной -250 мм и полоску бумаги длиной ~250 мм и шириной от 10 до 20 мм и заправьте в заправочный механизм устройства, чтобы нить прилегала адгезионным слоем к бумаге.
Шаг 5. После заправки образцов нити и бумаги с нажатием клавиши «Старт» устройство в автоматическом режиме выполнит следующий ряд действий:
1) стабилизацию минимального натяжения нити;
2) прикрытие крышки термостола до уровня натяжения нити;
3) нагрев термостола до уровня линейного распределения температуры по рабочей поверхности с заданным наклоном;
4) стабилизация температуры на рабочей поверхности термостола;
5) прижатие крышки к рабочей поверхности термостола с заданным усилием;
6) прогрев нити с бумагой зажатых между крышкой и рабочей поверхностью термостола, в течение времени, заданного в настройках;
7) приоткрытое крышки термостола и форсированное охлаждение поверхности термостода до температуры, не превышающей 50°С;
8) открытие крышки термостола и выход каретки на стартовую позицию отслоения нити от бумаги;
9) отслоение нити от бумаги (склеенных в зоне температуры срабатывания адгезионного слоя нити) на заданной скорости перемещения каретки и регистрацию текущей зависимости усилия отслоения нити от бумаги при заданной температуре предварительного нагрева;
10) фильтрацию данных зависимости усилия отслоения нити от бумаги при температуре предварительного нагрева, и нахождение точки адгезии по  перегиба от минимального и максимального значений с выдачей информации на ЖК-дисплее;
11) построение на ЖК-дисплее графика зависимости усилия отслоения нити от бумаги при температуре предварительного нагрева с обозначением вертикальным маркером на графике найденной точки адгезии.
Шаг 6. При необходимости осуществления детального анализа графика путем перемещения вертикальной черты вдоль графика с помощью клавиш «стрелка влево», «стрелка вправо» осуществляется просмотр текущих значений зависимости усилия от расслоения нити от бумаги при заданной температуре предварительного нагрева.
Шаг 7. После нажатия клавиши «Старт» на ЖК-дисплее отобразится следующая информация «Удалите нить и бумагу и нажмите клавишу СТАРТ для продолжения».
Шаг 8. После удаления нити с бумагой из заправочных механизмов и нажатия клавиши «Старт» каретка линейного привода возвратится в исходное состояние и устройство будет готово к продолжению работы.
Работа устройства в режиме «Термическая вытяжка/усадка образца»
Шаг 1. Повторно нажимая клавишу «Режим» дождаться появления в верхней строке ЖК-дисплея информации «Термо вытяжка/усадка образца».
Шаг 2. Повторно нажимая клавишу «Материал» дождаться появления в нижней строке ЖК-дисплея названия образца, настройки которого будут использованы при выполнении данного режима.
Шаг 3. После нажатия клавиши «Старт» устройство выполнит позиционирование приводов каретки и прижимной крышки термостола и переместит каретку на стартовую позицию с выдачей на ЖК-дисплее «Заправьте образец и нажмите клавишу СТАРТ для продолжения».
Шаг 4. Приготовьте исследуемый образец длиной ~300 мм и заправьте в заправочный механизм устройства.
Шаг 5. После заправки образца и нажатия клавиши «Старт» устройство в автоматическом режиме выполнит следующий ряд действий:
1) стабилизацию минимального натяжения образца и измерение его длины;
2) стабилизация заданного натяжения образца (по умолчанию 25 мН);
3) прикрытие крышки термостола до уровня натяжения образца;
4) нагрев термостола до уровня равномерного распределения температуры по рабочей поверхности (по умолчанию 140°С);
5) стабилизацию температуры на рабочей поверхности термостола на заданном уровне;
6) прижатие крышки к рабочей поверхности термостола с заданным усилием (по умолчанию 250 мН);
7) прогрев образца, зажатого между крышкой и рабочей поверхностью термостола в течение времени, заданного в настройках (по умолчанию 180 сек.);
8) приоткрытие крышки термостола и форсированное охлаждение поверхности термостода до температуры, не превышающей 50°С;
9) открытие крышки термостола и выход каретки на стабилизацию минимального натяжения образца;
10) измерение длины образца после термовоздействия при заданном натяжении.
11) определение разности длины исследуемого образца до и после термовоздействия и отображение на ЖК-дисплее в виде вытяжки/усадки в процентах.
Шаг 6. После нажатия клавиши «Старт» на ЖК-дисплее отобразится следующая информация «Удалите нить и нажмите клавишу СТАРТ для продолжения».
Шаг 7. После удаления нити из заправочного механизма и нажатия клавиши «Старт» каретка линейного привода возвратится в исходное состояние и устройство будет готово к продолжению работы.
Работа устройства в режиме «Термомеханическое воздействие на голограмму» Шаг 1. Повторно нажимая клавишу «Режим» дождаться появления в верхней строке
ЖК-дисплея информации «Термовоздействие на голограмму».
Шаг 2. Повторно нажимая клавишу «Материал» дождаться появления в нижней строке ЖК-дисплея названия образца, настройки которого будут использованы устройством при выполнении данного режима.
Шаг 3. После нажатия клавиши «Старт» устройство выполнит позиционирование приводов каретки и прижимной крышки термостола и переместит каретку на стартовую позицию с выдачей на ЖК-дисплее «Заправьте нить и нажмите клавишу СТАРТ для продолжения»
Шаг 4. Заправьте образец нити длиной ~350 мм в заправочный механизм устройства с заданным начальным натяжением (текущее натяжение отображается на ЖК-дисплее устройства) и голограммой вверху.
Шаг 5. После заправки нити и нажатия клавиши «Старт» устройство в автоматическом режиме выполнит следующий ряд действий:
1) прикрытие крышки термостола до уровня натяжения нити;
2) нагрев термостола до уровня линейного распределения температуры по рабочей поверхности с заданным наклоном;
3) стабилизация температуры на рабочей поверхности термостола;
4) прижатие крышки к рабочей поверхности термостола с заданным усилием;
5) прогрев нити зажатой между крышкой и рабочей поверхностью термостола, в течение времени, заданного в настройках;
6) приоткрытие крышки термостола и форсированное охлаждение поверхности термостода до температуры, не превышающей 50°С;
Шаг 6. Просмотреть качество голограммы на нити в зоне рабочей поверхности термостола, если обнаружены дефекты в виде искажения или частичного исчезновения голограммы, то перемещением каретки вдоль рабочей поверхности термостола с помощью клавиш «стрелка влево», «стрелка вправо» остановить каретку над интересуемым участком нити и снять показания текущей температуры на ЖК-дисплее устройства.
Шаг 7. После нажатия клавиши «Старт» на ЖК-дисплее отобразится следующая информация «Удалите образец и нажмите клавишу СТАРТ для продолжения».
Шаг 8. После удаления нити из заправочных механизмов и нажатия клавиши «Старт» каретка линейного привода возвратится в исходное состояние и устройство будет готово к продолжению работы.
Таким образом полностью реализована задача значительного расширения функциональных возможностей и повышения качества измерений параметров исследуемых материалов, используемых при производстве ценных бумаг, а именно: испытание защитных нитей и лент полимерных при воздействии них натяжения и температуры, в том числе при комплексном одновременном воздействии. Способ также позволяет существенно повысить точность, скорость, автоматизацию измерений, проводящихся при контроле качества защитных нитей и лент полимерных в производстве.
При этом также выполнена высококачественная промышленная реализация разработанного способа испытаний в компактном однокорпусном программно-аппаратном комплексе настольного исполнения - многофункциональном устройстве с условным мнемоническим названием ТермоТензоТест, предназначенном для контроля качества защитных нитей и лент полимерных при комплексном термомеханическом воздействии.