[NI技术]基于labview的橡胶加工分析仪开发方案

[NI技术]基于labview的橡胶加工分析仪开发方案测量天然橡胶和未硫化混炼胶的流动特性，以及橡胶在硫化及后硫化动态特性。-桂春雷,TheChallenge:无论控制还是数据处理，国内目前没有可参靠的方案供借鉴。只能依赖自己对国外设备的认知和10余年的工作经验积累，进行相关设计工作。TheSolution:基于USB6343数据采集卡，利用NILabVIEW开发一套控制“直接驱动旋转电动机”DDR(Direct-driverotarymotors)按照预先设定的方式运行，然后采集扭力传感器输出的扭矩信号，运用离散傅里叶变换DFT，进行数据处理的橡胶加工分析仪系统设计方案。部分电路外观图Author(s):桂春雷-1、引言：橡胶是粘弹性体,其粘弹特性影响着胶料的加工性能、硫化胶的物理性能以及橡胶制品的使用性能。例如，作为非牛顿流体的橡胶，其粘性随着剪切力的增加而降低的特性，不仅对测试胶料的粘性很重要，而且对了解粘性如何随着剪切速率的增加而降低，这些性质对于胶料在制作过程的不同阶段的品质控制也很重要。目前行业依据ASTMD6601和ASTMD6204等标准，使用进口的橡胶加工分析仪等设备进行此类性能的检测。本文介绍了使用labview编程，使用NI数据采集卡，配合其它硬体，完成橡胶加工分析仪的设计。2、原理说明本系统包括以下子系统：1)数据采集系统；2)动力控制系统3)温度控制系统4)数据分析运算系统5)模具系统其结构示意图如图1所示：图1下面重点介绍动力控制系统、数据采集系统、数据分析运算系统2.1、动力控制系统按照ASTMD6601/ASTMD6204标准，从USB6343的AO端，使用VoltageContinuousOutput.VI输出一个正弦模拟量型号，控制DDR驱动器的动作，如下图21/5图22.2、数据采集系统扭力传感器安装在下图3所示的上模具部分。图3DDR电机按照预先设定的频率和幅值，带动图3所示的下模具，进行剪切运动。在上下模具之间的被测试样品，随着下模具的剪切运动产生变形，将扭力传递给上模具的扭力传感器。扭力传感器获得的扭力信号转换为电信号，通过线性放大后，进入USB6343的AI端口。进行普通的橡胶交联测试，获得的原始扭力曲线，局部截取的扭力曲线如下图4所示。图42.3、数据分析系统2/5运用labview的FlatSequence程序结构结合面板，轻松完成前期的测试动作的设定。而使用labview内置的FFT计算VI，完成弹性和粘性的分解。因为，傅里叶变换运算，不仅可以进行有效的粘弹分解，还可以滤波。滤波是一种信号处理过程，该过程去掉或抑制信号中的某些部分，同时保留或放大另外的部分，可以有效抑制系统噪声（参考文献3）。2.4、部分电路外观图3、实验认证运用上述组合，不仅可以完成普通的橡胶硫化测试，还可以完成橡胶加工分析中常用的温度扫描、频率扫描、应变扫描。例如：测试中温度的提高可以大大降低刚性较大的高聚物熔体的粘度。但是，柔性较大大的橡胶粘度受温度的影响较小，降低橡胶的粘度，关键在于降低分子量。如下图所示，测试的TanDelta呈现随着温度的升高并没有呈现明显线性变化的趋势。分子量相同，分子量分布不同的高聚物，它们的粘度随着剪切速率变化的幅度是不相同的。当剪切速率小时，分子量分布宽的试样的粘度比分子量分布窄的高；在剪切速率高时，分子量分布宽的，反而比分子量窄的小。更确切说，分子量分布宽的胶料，对剪切速率变化比较敏感，在剪切速率下粘度降低的多，加工就比较容易。下图是使用频率扫描测试的TanDelta呈现随着频率的升高，呈现明显线性下降趋势的图像。对不同的材料获得不同的TanDelta曲线，可以获得不同材料的粘度随着剪切速率变化的趋势图，分析材料的加工性。3/5橡胶制品添加炭黑后，拉伸强度可以提高几倍甚至几十倍。是橡胶工业中大量使用的补强材料。但是，炭黑的增加也对橡胶材料的流动性产生显着的影响。单纯从炭黑的角度看，影响体系流动性的因素有炭黑的用量，粒径，结构性及表面性质，其中用量和粒径影响最大。例如，我们利用小应变来测量炭黑颗粒大小。如下图中动态模量G’在不同应变的数据，如果G’数据大的材料，其使用的炭黑颗粒一般小；G’数据小的材料，其使用的炭黑颗粒一般大。4、结论综合上述，使用labview可以快速地实现橡胶加工分析仪的控制、数据分析以及后期的数据处理工作，从而为橡胶加工性分析设备提供有效的技术支持。如果修改现有的模具，还能拓展适用范围，应用到塑料加工中。参考书目：1、ASTMD6601–02StandardTestMethodforRubberProperties—MeasurementofCureandAfter-CureDynamicPropertiesUsingaRotorlessShearRheometer2、ASTMD6204–01StandardTestMethodforRubber—MeasurementofUnvulcanizedRheologicalPropertiesUsingRotorlessShearRheometers3、《数字滤波与快速傅里叶变换》清华大学出版社程佩青AuthorInformation:桂春雷4/5部分电路外观图LegalThiscasestudy(thiscasestudy)wasdevelopedbyaNationalInstruments(NI)customer.THISCASESTUDYISPROVIDEDASISWITHOUTWARRANTYOFANYKINDANDSUBJECTTOCERTAINRESTRICTIONSASMORESPECIFICALLYSETFORTHINNI.COM'STERMSOFUSE5/5