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萬能材料試驗機升級改造微機伺服控制方案

受到新型材料拉伸試驗機的價格因素的影響，部分企事業(yè)單位和大專院校還不能及時更新為較為*材料拉伸試驗機，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機。此類試驗機雖然有些落后，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。這就使許多試驗機使用者希望在原設備基礎上進行升級改造，可以大大節(jié)約投資成本，在測試精度方面也能得到滿足，同時也讓參與改造者提高自身的技術水平。

萬能材料試驗機升級改造微機伺服控制方案

目前試驗機存在的主要問題
（1）測量精度低。該系統(tǒng)通過油泵輸出油液進入工作油缸對試樣施加載荷，同時進入測力油缸，帶動聯(lián)動擺
錘，用推桿推動測力讀盤指針，由讀數盤指針讀取數據。由于中間均為機械傳遞，因此有相當的誤差；另外讀數盤zui小精度為格，且由人工讀取數據，導致測量精度低。
（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驗調節(jié)節(jié)流閥的開度，從而控制進入工作油缸
的進油量來實現，這種控制方式與操作者的經驗有關，無法實現定量控制。
（3）缺乏實時性，曲線繪制單一。目前試驗機只能粗略繪制“載荷———變形”曲線，不能定量實時測出各時刻應力和應變數值，也無法直接得到“應力———應變曲線”。
（4）自動化程度差，效率低。試驗數據處理手段大部分仍需要靠人工，實驗報告也需要手工完成，既費時又費力。

[1]隨著科技的進步，人們需要現代化的測試手段，對設備的功能要求越來越高，希望能減輕勞動力，顯然液壓萬能材料試驗機與現代機電液一體化設備的發(fā)展趨勢已不相適應，它的測試手段已遠遠跟不上現代測試技術要求，測試結果的精確度也得不到保證，必須自動化升級改造。
2 萬能材料拉力試驗機升級改造微機伺服控制方案比較及選用
試驗機的改造方案很多，每種方案有各自的優(yōu)缺點，
常用的改造方案如下。
（1）應用單片機系統(tǒng)改造液壓萬能材料試驗機，其主要優(yōu)點是結構簡單、體積小、成本低，便于實現嵌入系統(tǒng)。但電路系統(tǒng)復雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高，數據的處理速度慢，無法實現實時控制。目前試驗機領域的關鍵問題是加載時必須保持恒定的應力速率或恒定的應變速率，采用這種方法顯然是達不到這種效果。
（2）采用由速度控制器控制電機，從而控制壓力施加負荷，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算步進電機驅動步數，以獲得良好的應力速率、應變速率、位移速率控制以及定荷、定應變、定位移控制試驗結果。但液壓萬能材料試驗機是一種典型的非線性時變系統(tǒng)，難以建立精確的數學模型，運用常規(guī)控制器很難達到理想的控制效果。在實際現場中，由于受到參數整定方法繁雜的困擾，應用常規(guī)控制器往往整定不良，性能欠佳，對運行工況的適應性差。
（3）采用微機和傳感器技術對舊式的材料試驗機及監(jiān)測等設備進行技術改造，在應力應變速率控制問題上采用電液比例閥或電液伺服閥實現高精度控制，測量控制系統(tǒng)采用計算機卡式設計，采用光電隔離集成電路。具有抗干擾能力強，質量可靠，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，而且點擊鼠標即可完成，使用方便。還可以繪制多種試驗曲線，具有曲線數據存儲及曲線放大功能，適合試驗機向著高自動化水平，操作簡便，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，要結合具體的實際情況，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，即在液壓萬能試驗機上安裝負荷、變形和位移傳感器，增加電液閥控制加載速度，使設備由原來傳統(tǒng)的機械式負荷測量系統(tǒng)升級為較*電子測力、測變形系統(tǒng)液壓式萬能材料試驗機雖然價格便宜，經久耐用，但存在著精度低、加載速度無法精確控制、自動化程度低。因此需要對液壓萬能材料試驗機進行自動化改造，通過加裝相關傳感器、電液比例閥，通過計算機控制實現了拉伸試驗的自動化改造。
3 機械部分和硬件組成

該系統(tǒng)的改造除保留了原有的手動加載部分，另增加了一條支路，用電液比例閥來控制試驗機的加載速率。這
樣既可以手動操作又可以選擇自動化控制。在進油管處增加高精度壓力傳感器，用來檢測系統(tǒng)的壓力并且用了
位移測量系統(tǒng)及計算機采集處理等技術，實現數據的自動采集、分析和處理。在數據采集上，采集速度快、測量精度高；在數據分析上，考慮得更加周全；在數據處理上，具有智能交互、圖文并茂的特點，能以數值顯示、圖表、曲線等多種方式表現實驗數據，并可根據教學要求對實驗數據進行各種分析與處理。讓試驗機在信號檢測、數據處理方面更接近現代試驗機發(fā)展水平，適應目前國內外的試驗機發(fā)展面向智能化、準確化，操作簡便，穩(wěn)定可靠發(fā)展的趨勢[5]。因此，升級改造后的液壓式萬能試驗機由以下幾大部分構成。（1）主機分。主要由油缸、工作活塞、底座、工作臺、立柱、上下移動橫梁、試樣夾持以及活動橫梁等組成，主要功能是由試樣夾持機構夾緊和固定試樣，對試樣進行加載。

（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、測力油缸活塞、主機的工作油缸、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）檢測部分。主要由負荷傳感器（壓力傳感器）、電子引伸計、光電編碼器（位移傳感器）等組成，主要功能是檢測試驗對象所受的試驗力、變形及橫梁運動的位移。
（4）數據采集處理和控制部分。主要由數據采集、處理、控制電路、計算機軟硬件系統(tǒng)、打印機、手動控制器件等組成，主要功能是完成整個系統(tǒng)的控制、各種參數的設置、顯示、試驗過程及試驗結果的記錄、試驗數據的處理、存儲、試驗結果的輸出等功能。
（5）電氣部分。其基本組成有各類繼電器、交流接觸器、開關按鈕等，主要功能是油泵電機的開關，控制橫梁升降機構的動作以及各種限位、過載保護等。
（6）附件。主要由拉伸、壓縮試驗夾具、彎曲試驗附件及其他特殊試驗附件（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。相關機械部分及硬件聯(lián)接。
4 控制軟件的結構設計軟件性能的好壞直接影響到操作的簡便性和數據的可靠性等，甚至影響到能否成功改造。該測試軟件主要由數據采集、圖形輸出、數據輸出、報告打印、比例控制（伺服控制）等五個模塊組成。
數據采集模塊的主要功能是設置初始化參數，如采集時間間隔、采集總時間等，還包括傳感器調零、標定等；圖形輸出模塊是指在采集過程中，根據采集數據所繪出的圖形輸出到屏幕上，或者事后把處理的數據圖形從打印機輸出；數據輸出模塊主要是把材料性能的關鍵點數據和所采集的數據中的某一時間段內的數據從打印機上打印出來，或者手工修改、增減某些數據并存盤；報告打印模塊是指實驗做好以后，把材料的關鍵性能數據、原始圖形以固定格式的實驗報告形式打印輸出；比例伺服控制模塊主要是對比例壓力流量復合閥進行控制。5 改造后的功能及結論
（1）采用*數字比例壓力流量復合閥作為控制元件，實現了加載力值和加載速度的微機自動控制。具有加載力值可控、低速大負荷測試效果好、測試性能穩(wěn)定可靠的特點。
（2）計算機屏幕顯示數據，包括變形、加載速率、變形速率，材料特性點（上屈服點、 下屈服點、zui大力點、斷裂點）、彈性模量、斷面收縮率等，實驗結果可以整理成報表，方便直觀，實時性好。
（3）支持打印機及繪圖儀對實驗結果的打印和實驗曲線的繪制，屏幕所見即報表所得；可進行成批實驗報告及檢驗報告的打印和存儲，長久性的保留實驗報告。[7]
（4）改造中保留原有的手動加載部分，這樣既可手動操作又可以自動控制，方便靈活，有利于教學。試驗機改造的成功與否，關鍵是看zui終的測試數據精度是否達到要求，試驗曲線繪制是否準確。改造后經過具
體的數據和曲線圖驗證，說明了改造是成功的，無論是從測試精度還是測試手段來看，都比以往更加準確可靠

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