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- 桂 春雷,
挑戰(zhàn):
無(wú)論控制還是數(shù)據(jù)處理，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有可參靠的方案供借鑒。只能依賴(lài)自己對(duì)國(guó)外設(shè)備的認(rèn)知和10余年的工作經(jīng)驗(yàn)積累，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)工作。
解決方案:
基于USB 6343 數(shù)據(jù)采集卡，利用NI LabVIEW 開(kāi)發(fā)一套控制“直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)”DDR (Direct-driverotarymotors)按照預(yù)先設(shè)定的方式運(yùn)行，然后采集扭力傳感器輸出的扭矩信號(hào)，運(yùn)用離散傅里葉變換DFT，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的橡膠加工分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
1、引言：
橡膠是粘彈性體,其粘彈特性影響著膠料的加工性能、硫化膠的物理性能以及橡膠制品的使用性能。例如，作為非牛頓流體的橡膠，其粘性隨著剪切力的增加而降低的特性，不僅對(duì)測(cè)試膠料的粘性很重要，而且對(duì)了解粘性如何隨著剪切速率的增加而降低，這些性質(zhì)對(duì)于膠料在制作過(guò)程的不同階段的品質(zhì)控制也很重要。目前行業(yè)依據(jù)ASTM D6601和ASTM D6204等標(biāo)準(zhǔn)，使用進(jìn)口的橡膠加工分析儀等設(shè)備進(jìn)行此類(lèi)性能的檢測(cè)。本文介紹了使用labview編程，使用NI數(shù)據(jù)采集卡，配合其它硬體，完成橡膠加工分析儀的設(shè)計(jì)。
2 、原理說(shuō)明
本系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)：
1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
2) 動(dòng)力控制系統(tǒng)
3) 溫度控制系統(tǒng)
4) 數(shù)據(jù)分析運(yùn)算系統(tǒng)
5) 模具系統(tǒng)
其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：
圖1
下面重點(diǎn)介紹動(dòng)力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析運(yùn)算系統(tǒng)
2.1、 動(dòng)力控制系統(tǒng)
按照ASTM D 6601/ASTM D6204標(biāo)準(zhǔn)，從USB6343的AO端，使用Voltage Continuous Output.VI輸出一個(gè)正弦模擬量型號(hào)，控制DDR驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作，如下圖2
圖2
2.2、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
扭力傳感器安裝在下圖3所示的上模具部分。
圖3
DDR電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的頻率和幅值，帶動(dòng)圖3所示的下模具，進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)。在上下模具之間的被測(cè)試樣品，隨著下模具的剪切運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生變形，將扭力傳遞給上模具的扭力傳感器。扭力傳感器獲得的扭力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)線(xiàn)性放大后，進(jìn)入U(xiǎn)SB6343的AI端口。 進(jìn)行普通的橡膠交聯(lián)測(cè)試，獲得的原始扭力曲線(xiàn)，局部截取的扭力曲線(xiàn)如下圖4所示。
圖4
2.3、 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)
運(yùn)用labview的Flat Sequence 程序結(jié)構(gòu)結(jié)合面板，輕松完成前期的測(cè)試動(dòng)作的設(shè)定。而使用labview內(nèi)置的FFT計(jì)算VI，完成彈性和粘性的分解。因?yàn)�，傅里葉變換運(yùn)算，不僅可以進(jìn)行有效的粘彈分解，還可以濾波。濾波是一種信號(hào)處理過(guò)程，該過(guò)程去掉或抑制信號(hào)中的某些部分，同時(shí)保留或放大另外的部分，可以有效抑制系統(tǒng)噪聲（參考文獻(xiàn)3）。
2.4、部分電路外觀圖
3、實(shí)驗(yàn)認(rèn)證
運(yùn)用上述組合，不僅可以完成普通的橡膠硫化測(cè)試，還可以完成橡膠加工分析中常用的溫度掃描、頻率掃描、應(yīng)變掃描。例如：測(cè)試中溫度的提高可以大大降低剛性較大的高聚物熔體的粘度。但是，柔性較大大的橡膠粘度受溫度的影響較小，降低橡膠的粘度，關(guān)鍵在于降低分子量。如下圖所示，測(cè)試的Tan Delta呈現(xiàn)隨著溫度的升高并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯線(xiàn)性變化的趨勢(shì)。
分子量相同，分子量分布不同的高聚物，它們的粘度隨著剪切速率變化的幅度是不相同的。當(dāng)剪切速率小時(shí)，分子量分布寬的試樣的粘度比分子量分布窄的高；在剪切速率高時(shí)，分子量分布寬的，反而比分子量窄的小。更確切說(shuō)，分子量分布寬的膠料，對(duì)剪切速率變化比較敏感，在剪切速率下粘度降低的多，加工就比較容易。下圖是使用頻率掃描測(cè)試的Tan Delta呈現(xiàn)隨著頻率的升高，呈現(xiàn)明顯線(xiàn)性下降趨勢(shì)的圖像。對(duì)不同的材料獲得不同的Tan Delta曲線(xiàn)，可以獲得不同材料的粘度隨著剪切速率變化的趨勢(shì)圖，分析材料的加工性。
橡膠制品添加炭黑后，拉伸強(qiáng)度可以提高幾倍甚至幾十倍。是橡膠工業(yè)中大量使用的補(bǔ)強(qiáng)材料。但是，炭黑的增加也對(duì)橡膠材料的流動(dòng)性產(chǎn)生顯著的影響。單純從炭黑的角度看，影響體系流動(dòng)性的因素有炭黑的用量，粒徑，結(jié)構(gòu)性及表面性質(zhì)，其中用量和粒徑影響最大。例如，我們利用小應(yīng)變來(lái)測(cè)量炭黑顆粒大小。如下圖中動(dòng)態(tài)模量G’在不同應(yīng)變的數(shù)據(jù)，如果G’數(shù)據(jù)大的材料，其使用的炭黑顆粒一般小；G’數(shù)據(jù)小的材料，其使用的炭黑顆粒一般大。
4、結(jié)論
綜合上述，使用labview可以快速地實(shí)現(xiàn)橡膠加工分析儀的控制、數(shù)據(jù)分析以及后期的數(shù)據(jù)處理工作，從而為橡膠加工性分析設(shè)備提供有效的技術(shù)支持。如果修改現(xiàn)有的模具，還能拓展適用范圍，應(yīng)用到塑料加工中。
參考書(shū)目：
1、ASTM D 6601 – 02 Standard Test Method for Rubber Properties—Measurement of Cure and After-Cure Dynamic Properties Using a Rotorless Shear Rheometer
2、 ASTM D 6204 – 01 Standard Test Method for Rubber—Measurement of Unvulcanized Rheological Properties Using Rotorless Shear Rheometers
3、《數(shù)字濾波與快速傅里葉變換》清華大學(xué)出版社 程佩青
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