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萬能材料試驗(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)存在的主要問題
（1）測(cè)量精度低。該系統(tǒng)通過油泵輸出油液進(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)流閥的開度，從而控制進(jìn)入工作油缸
的進(jìn)油量來實(shí)現(xiàn)，這種控制方式與操作者的經(jīng)驗(yàn)有關(guān),，無法實(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)備的功能要求越來越高，希望能減輕勞動(dòng)力,，顯然液壓萬能材料試驗(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,、加載速度無法精確控制,、自動(dòng)化程度低。因此需要對(duì)液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造,，通過加裝相關(guān)傳感器,、電液比例閥，通過計(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,、開關(guān)按鈕等,，主要功能是油泵電機(jī)的開關(guān)，控制橫梁升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)作以及各種限位,、過載保護(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,，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)過具
體的數(shù)據(jù)和曲線圖驗(yàn)證,，說明了改造是成功的,，無論是從測(cè)試精度還是測(cè)試手段來看，都比以往更加準(zhǔn)確可靠
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