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萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)升級(jí)改造微機(jī)伺服控制方案

受到新型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)的價(jià)格因素的影響，部分企事業(yè)單位和大專院校還不能及時(shí)更新為較為*材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，特別是一些小型企業(yè)，仍然在使用老式的液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。此類試驗(yàn)機(jī)雖然有些落后，體積也比較龐大，但其操作方便，油壓系統(tǒng)耐用，使用壽命較長(zhǎng)。這就使許多試驗(yàn)機(jī)使用者希望在原設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，可以大大節(jié)約投資成本，在測(cè)試精度方面也能得到滿足，同時(shí)也讓參與改造者提高自身的技術(shù)水平。

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)升級(jí)改造微機(jī)伺服控制方案

目前試驗(yàn)機(jī)存在的主要問(wèn)題
（1）測(cè)量精度低。該系統(tǒng)通過(guò)油泵輸出油液進(jìn)入工作油缸對(duì)試樣施加載荷，同時(shí)進(jìn)入測(cè)力油缸，帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)擺
錘，用推桿推動(dòng)測(cè)力讀盤指針，由讀數(shù)盤指針讀取數(shù)據(jù)。由于中間均為機(jī)械傳遞，因此有相當(dāng)?shù)恼`差；另外讀數(shù)盤zui小精度為格，且由人工讀取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)量精度低。
（2）無(wú)法定量控制加載速率。試樣加載速率控制是操作者按經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度，從而控制進(jìn)入工作油缸
的進(jìn)油量來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種控制方式與操作者的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量控制。
（3）缺乏實(shí)時(shí)性，曲線繪制單一。目前試驗(yàn)機(jī)只能粗略繪制“載荷———變形”曲線，不能定量實(shí)時(shí)測(cè)出各時(shí)刻應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值，也無(wú)法直接得到“應(yīng)力———應(yīng)變曲線”。
（4）自動(dòng)化程度差，效率低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理手段大部分仍需要靠人工，實(shí)驗(yàn)報(bào)告也需要手工完成，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

[1]隨著科技的進(jìn)步，人們需要現(xiàn)代化的測(cè)試手段，對(duì)設(shè)備的功能要求越來(lái)越高，希望能減輕勞動(dòng)力，顯然液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)與現(xiàn)代機(jī)電液一體化設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)已不相適應(yīng)，它的測(cè)試手段已遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)要求，測(cè)試結(jié)果的精確度也得不到保證，必須自動(dòng)化升級(jí)改造。
2 萬(wàn)能材料拉力試驗(yàn)機(jī)升級(jí)改造微機(jī)伺服控制方案比較及選用
試驗(yàn)機(jī)的改造方案很多，每種方案有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，
常用的改造方案如下。
（1）應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)改造液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，便于實(shí)現(xiàn)嵌入系統(tǒng)。但電路系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高，數(shù)據(jù)的處理速度慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。目前試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題是加載時(shí)必須保持恒定的應(yīng)力速率或恒定的應(yīng)變速率，采用這種方法顯然是達(dá)不到這種效果。
（2）采用由速度控制器控制電機(jī)，從而控制壓力施加負(fù)荷，并具有速度電流反饋，是一種傳統(tǒng)的控制方式。比如采用位置式控制器計(jì)算步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步數(shù)，以獲得良好的應(yīng)力速率、應(yīng)變速率、位移速率控制以及定荷、定應(yīng)變、定位移控制試驗(yàn)結(jié)果。但液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)是一種典型的非線性時(shí)變系統(tǒng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用常規(guī)控制器很難達(dá)到理想的控制效果。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，應(yīng)用常規(guī)控制器往往整定不良，性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性差。
（3）采用微機(jī)和傳感器技術(shù)對(duì)舊式的材料試驗(yàn)機(jī)及監(jiān)測(cè)等設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，在應(yīng)力應(yīng)變速率控制問(wèn)題上采用電液比例閥或電液伺服閥實(shí)現(xiàn)高精度控制，測(cè)量控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)卡式設(shè)計(jì)，采用光電隔離集成電路。具有抗干擾能力強(qiáng)，質(zhì)量可靠，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，而且點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成，使用方便。還可以繪制多種試驗(yàn)曲線，具有曲線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及曲線放大功能，適合試驗(yàn)機(jī)向著高自動(dòng)化水平，操作簡(jiǎn)便，可靠性高，穩(wěn)定性好方向發(fā)展的要求。選擇何種改造方案，要結(jié)合具體的實(shí)際情況，選擇的改造方案，以滿足用戶的需要。綜合考慮，我們選用第三種方案，即在液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上安裝負(fù)荷、變形和位移傳感器，增加電液閥控制加載速度，使設(shè)備由原來(lái)傳統(tǒng)的機(jī)械式負(fù)荷測(cè)量系統(tǒng)升級(jí)為較*電子測(cè)力、測(cè)變形系統(tǒng)液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)雖然價(jià)格便宜，經(jīng)久耐用，但存在著精度低、加載速度無(wú)法精確控制、自動(dòng)化程度低。因此需要對(duì)液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，通過(guò)加裝相關(guān)傳感器、電液比例閥，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了拉伸試驗(yàn)的自動(dòng)化改造。
3 機(jī)械部分和硬件組成

該系統(tǒng)的改造除保留了原有的手動(dòng)加載部分，另增加了一條支路，用電液比例閥來(lái)控制試驗(yàn)機(jī)的加載速率。這
樣既可以手動(dòng)操作又可以選擇自動(dòng)化控制。在進(jìn)油管處增加高精度壓力傳感器，用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的壓力并且用了
位移測(cè)量系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)采集處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理。在數(shù)據(jù)采集上，采集速度快、測(cè)量精度高；在數(shù)據(jù)分析上，考慮得更加周全；在數(shù)據(jù)處理上，具有智能交互、圖文并茂的特點(diǎn)，能以數(shù)值顯示、圖表、曲線等多種方式表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)教學(xué)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。讓試驗(yàn)機(jī)在信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理方面更接近現(xiàn)代試驗(yàn)機(jī)發(fā)展水平，適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)機(jī)發(fā)展面向智能化、準(zhǔn)確化，操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定可靠發(fā)展的趨勢(shì)[5]。因此，升級(jí)改造后的液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)由以下幾大部分構(gòu)成。（1）主機(jī)分。主要由油缸、工作活塞、底座、工作臺(tái)、立柱、上下移動(dòng)橫梁、試樣夾持以及活動(dòng)橫梁等組成，主要功能是由試樣夾持機(jī)構(gòu)夾緊和固定試樣，對(duì)試樣進(jìn)行加載。

（2）液壓控制部分。主要由油箱、高壓油泵、送油閥、回油閥、電液比例閥、截止閥、測(cè)力油缸活塞、主機(jī)的工作油缸、工作活塞等組成，主要功能是控制試件的夾緊及試
件的加載。
（3）檢測(cè)部分。主要由負(fù)荷傳感器（壓力傳感器）、電子引伸計(jì)、光電編碼器（位移傳感器）等組成，主要功能是檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)象所受的試驗(yàn)力、變形及橫梁運(yùn)動(dòng)的位移。
（4）數(shù)據(jù)采集處理和控制部分。主要由數(shù)據(jù)采集、處理、控制電路、計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、打印機(jī)、手動(dòng)控制器件等組成，主要功能是完成整個(gè)系統(tǒng)的控制、各種參數(shù)的設(shè)置、顯示、試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果的記錄、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、試驗(yàn)結(jié)果的輸出等功能。
（5）電氣部分。其基本組成有各類繼電器、交流接觸器、開(kāi)關(guān)按鈕等，主要功能是油泵電機(jī)的開(kāi)關(guān)，控制橫梁升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)作以及各種限位、過(guò)載保護(hù)等。
（6）附件。主要由拉伸、壓縮試驗(yàn)夾具、彎曲試驗(yàn)附件及其他特殊試驗(yàn)附件（各種嵌口、夾頭）等組成。其基本功能是通過(guò)更換夾具，完成各種特定的試驗(yàn)。相關(guān)機(jī)械部分及硬件聯(lián)接。
4 控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件性能的好壞直接影響到操作的簡(jiǎn)便性和數(shù)據(jù)的可靠性等，甚至影響到能否成功改造。該測(cè)試軟件主要由數(shù)據(jù)采集、圖形輸出、數(shù)據(jù)輸出、報(bào)告打印、比例控制（伺服控制）等五個(gè)模塊組成。
數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是設(shè)置初始化參數(shù)，如采集時(shí)間間隔、采集總時(shí)間等，還包括傳感器調(diào)零、標(biāo)定等；圖形輸出模塊是指在采集過(guò)程中，根據(jù)采集數(shù)據(jù)所繪出的圖形輸出到屏幕上，或者事后把處理的數(shù)據(jù)圖形從打印機(jī)輸出；數(shù)據(jù)輸出模塊主要是把材料性能的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)和所采集的數(shù)據(jù)中的某一時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)從打印機(jī)上打印出來(lái)，或者手工修改、增減某些數(shù)據(jù)并存盤；報(bào)告打印模塊是指實(shí)驗(yàn)做好以后，把材料的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)、原始圖形以固定格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式打印輸出；比例伺服控制模塊主要是對(duì)比例壓力流量復(fù)合閥進(jìn)行控制。5 改造后的功能及結(jié)論
（1）采用*數(shù)字比例壓力流量復(fù)合閥作為控制元件，實(shí)現(xiàn)了加載力值和加載速度的微機(jī)自動(dòng)控制。具有加載力值可控、低速大負(fù)荷測(cè)試效果好、測(cè)試性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。
（2）計(jì)算機(jī)屏幕顯示數(shù)據(jù)，包括變形、加載速率、變形速率，材料特性點(diǎn)（上屈服點(diǎn)、 下屈服點(diǎn)、zui大力點(diǎn)、斷裂點(diǎn)）、彈性模量、斷面收縮率等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以整理成報(bào)表，方便直觀，實(shí)時(shí)性好。
（3）支持打印機(jī)及繪圖儀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的打印和實(shí)驗(yàn)曲線的繪制，屏幕所見(jiàn)即報(bào)表所得；可進(jìn)行成批實(shí)驗(yàn)報(bào)告及檢驗(yàn)報(bào)告的打印和存儲(chǔ)，長(zhǎng)久性的保留實(shí)驗(yàn)報(bào)告。[7]
（4）改造中保留原有的手動(dòng)加載部分，這樣既可手動(dòng)操作又可以自動(dòng)控制，方便靈活，有利于教學(xué)。試驗(yàn)機(jī)改造的成功與否，關(guān)鍵是看zui終的測(cè)試數(shù)據(jù)精度是否達(dá)到要求，試驗(yàn)曲線繪制是否準(zhǔn)確。改造后經(jīng)過(guò)具
體的數(shù)據(jù)和曲線圖驗(yàn)證，說(shuō)明了改造是成功的，無(wú)論是從測(cè)試精度還是測(cè)試手段來(lái)看，都比以往更加準(zhǔn)確可靠

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