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- 桂 春雷,
挑戰(zhàn):
無論控制還是數(shù)據(jù)處理，國內(nèi)目前沒有可參靠的方案供借鑒。只能依賴自己對國外設(shè)備的認知和10余年的工作經(jīng)驗積累，進行相關(guān)設(shè)計工作。
解決方案:
基于USB 6343 數(shù)據(jù)采集卡，利用NI LabVIEW 開發(fā)一套控制“直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電動機”DDR (Direct-driverotarymotors)按照預(yù)先設(shè)定的方式運行，然后采集扭力傳感器輸出的扭矩信號，運用離散傅里葉變換DFT，進行數(shù)據(jù)處理的橡膠加工分析儀系統(tǒng)設(shè)計方案。
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，不僅對測試膠料的粘性很重要，而且對了解粘性如何隨著剪切速率的增加而降低，這些性質(zhì)對于膠料在制作過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等標準，使用進口的橡膠加工分析儀等設(shè)備進行此類性能的檢測。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。
2 、原理說明
本系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)：
1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
2) 動力控制系統(tǒng)
3) 溫度控制系統(tǒng)
4) 數(shù)據(jù)分析運算系統(tǒng)
5) 模具系統(tǒng)
其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：
圖1
下面重點介紹動力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析運算系統(tǒng)
2.1、 動力控制系統(tǒng)
按照ASTM D 6601/ASTM D6204標準，從USB6343的AO端，使用Voltage Continuous Output.VI輸出一個正弦模擬量型號，控制DDR驅(qū)動器的動作，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電機按照預(yù)先設(shè)定的頻率和幅值，帶動圖3所示的下模具，進行剪切運動。在上下模具之間的被測試樣品，隨著下模具的剪切運動產(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轉(zhuǎn)換為電信號，通過線性放大后，進入USB6343的AI端口。 進行普通的橡膠交聯(lián)測試，獲得的原始扭力曲線，局部截取的扭力曲線如下圖4所示。
圖4
2.3、 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)
運用labview的Flat Sequence 程序結(jié)構(gòu)結(jié)合面板，輕松完成前期的測試動作的設(shè)定。而使用labview內(nèi)置的FFT計算VI，完成彈性和粘性的分解。因為，傅里葉變換運算，不僅可以進行有效的粘彈分解，還可以濾波。濾波是一種信號處理過程，該過程去掉或抑制信號中的某些部分，同時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3）。
2.4、部分電路外觀圖
3、實驗認證
運用上述組合，不僅可以完成普通的橡膠硫化測試，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，測試的Tan Delta呈現(xiàn)隨著溫度的升高并沒有呈現(xiàn)明顯線性變化的趨勢。
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，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，分子量分布寬的，反而比分子量窄的小。更確切說，分子量分布寬的膠料，對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試的Tan Delta呈現(xiàn)隨著頻率的升高，呈現(xiàn)明顯線性下降趨勢的圖像。對不同的材料獲得不同的Tan Delta曲線，可以獲得不同材料的粘度隨著剪切速率變化的趨勢圖，分析材料的加工性。
橡膠制品添加炭黑后，拉伸強度可以提高幾倍甚至幾十倍。是橡膠工業(yè)中大量使用的補強材料。但是，炭黑的增加也對橡膠材料的流動性產(chǎn)生顯著的影響。單純從炭黑的角度看，影響體系流動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)變來測量炭黑顆粒大小。如下圖中動態(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�。籊’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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