液压万能材料试验机微机控制系统研制

理化检验一物理分册PTCA (PARTA： PHYSICAL TESTNG)第36卷第10期2000年10月Vol136 No. 10Oct 2000 戈文英等：液压万能材料试验机微机控制系统研制 计算机应用 液压万能材料试验机微机控制系统研制 戈文英 3李凡东 (莱刚技术中心L山东莱芜271104) 摘要详细介绍了普通型2000kN 液压万能材料试验机微机控制系统的设计原理、系统构成功能特点及应用情况。 主题词 液压万能材料试验机微机控制应用 D EV ELOPMENTOFM ICROCOM PU TER CONTROLLNG SYSTEM FORH YDRAUL IUNVERSIL TESTNGMACHNE Ge W enying LiFandong (The Technical Center of L ai u Steel Group L td ) Abstract This paper introduces in details the mechanism of m icro computer contro lling system for general2000kN hydraulic universal testing m ach ine and the construction， functional charateristics of the contro lling systemand its app lication Keywords Hydraulic universial testing m achinee M icrocomputer control1Application 目前，普通的液压万能材料试验机已满足不了日益发展的材料试验和国际标准试验方法的需要，我们对现有的普通 2000kN 液压能能材料试验机进行了改进，增设了微机控制系统。该系统采用了宽流量的比例阀作执行元件，与传感器、计算机组成全数字闭环控制系统。通过该系统可自动精确地测量和控制试验全过程，进行数据处理。该系统结构设计精简、技术含量高、抗干扰能力强。 2 微机控制系统原理 微机控制系统原理简图见图1，由主机液压油源传感器、计算机等组成 3 控制系统构成及工作原理 控制系统直接用高档工控微机来进行控制，并采用高级编程语言编制控制软件。控制系统构成框图见图2，由信号采集输入单元、控制及数据处理单元(计算机)、信号输出单元和执行器四大部分组成。测量、控制电器全部采用高集成化计算机插卡式设计。 图1 微机控制系统原理简图 数据采集输入单元控制及数据处理单元 图22控制系统构成框图 3.1 数据采集输入单元 3.1.1 位移数据测量采集 位移测量是测量活塞行程，本系统开发了光电编码器及直线角位移转换机构完成活塞行程检测，在电路上采用大规模集成电路完成检测、鉴相细分、计数，并结合计算机数据处理，结构简单、精度高，不需调节任何零点及满度，并自动鉴别上升下降，工作时无需任何操作和调整。各部分器件集成于一块板卡上，插于计算机 ISA 扩展槽。 3.1.2负荷测量采集 负荷测量采用 5CYJ 型溅射式薄膜压力传感器(桥式传感器)，应变片贴于弹性体上，随弹性体变形，电阻值改变，供桥输出随之改变。负荷测量的各部分器件集成于一块板卡上，插于 ISA 扩展槽。 3.1.3 伸长(变形)数据采集 变形测量采用高精度应变片式引伸计3]，放大结构原理同负荷测量放大器，所有器件集中在一块板卡上，插于 ISA 扩展槽。 3.2控制信号输出单元及执行器 控制信号是计算机对实时采集的信号运算处理后向负载发出的控制指令，该单元和位移测量集成在一块插卡上。控制信号输出采用脉宽调制，脉宽信号经光电隔离后，传送至执行器。执行器由脉宽型功能放大器(VMOS功率管)和比例阀组件组成。比例阀是负载控制的关键器件，接受电信号指令，连续地控制压力，与输入电信号成比例地变化。再结合数字式脉冲调宽控制，对比例阀的流量和方向进行调节。该阀抗干扰能力强，对油的干净程度要求低(尘埃粒度≤25um)。 i3.3 软件系统(控制及数据处理单元) 上述输入、输出单元集成在三块板卡上，它们是硬件，仅是计算机输入输出接口，各种数据的传入、传出，试验过程实时控制，都由计算机执行软件对信号进行加工、处理、运算、控制来实施。软件系统主要有管理软件、测量控制软件和数据库三部分组成，W indow s98 界面，测量控制软件用V isualC++6.0编写，管理软件用V isual Basic 60 编写，采用O ffice A ccess97 数据库。程序使用可视化编程方法，并对各功能进行模块化设计，各功能模块在结构上相互独立，在功能上互补并可相互调用。 3.3.1三主控程序 主控程序主要完成画面切换、管理软件与测量控制软件的调用。程序运行后，直接进入由各控制按钮组成的主操作界面(主界面设计成控制面板格式，由VB生成的标准按钮均匀排列在屏屏上)，在此界 面下，操作者即可操作各按钮完成各外围电器设备的控制，又可以打开菜单进行试验参数修改及完成试验曲线分析、数据存储、读取及打印等功能. 3.3.2测量控制软件 测量控制软件主要有两方面的功能。 (1)对测量系统标定和校正。系统进入后，控制软件首先自动进行初始化过程，对测量系统进行标定。另外，采用测力环和标定器，控制软件可对系统进行校正。 (2)试验过程的实时测量与控制。计算机测量输入的信号有力、位移和变形三种，控制输出的只有比例阀动作的执行信号。计算机的控制方式有三种，分别按力速率变形速率和位移速率来控制，三种速率在试验过程中均可调节。 控制软件的核心是数字比较器，是力控制、位移控制、变形控制三种方式PD过程调节的三组数学模型。数字比较器的作用就是把所测量的位移速率(变形速率力速率)与设定位移速率(变形速率力速率)相比较，其差量经计算机运算处理后输出一定宽度的脉冲给功率放大器，比例阀动作，高精度地推动活塞按设定条件工作。 3.3.33管理软件 管理软件主要有三方面的内容，即有完成用户设置、文件管理、数据处理功能。 4 控制系统技术特点 本系统设计了高度集成化的测量与输出单元(ISA 扩展槽插卡)，采用了数字脉冲调宽比例阀控制，设计起点高，具有较高的技术含量，主要技术特点有： (1)试验机可通过微机实现宽范围的数字控制，自动精确地测量和控制试验全过程，各种试验参数和曲线由计算机进行测量、显示处理并打印。 (2)试验机具有等速率负荷控制、等速率变形控制和位移控制三种控制方式，并可在试验过程中自动切换，且能保证试验曲线和数据的完整性。 (3)试验机可在80~ 2000kN 范围内进行试验。试验力可连续测定，无需换档。 (4)系统设计精简，硬件、软件完美结合，功能丰富. (5)系统具有良好的实时性、稳定性和可靠性。 5 应用与结果 51示值精度测试结果 计量部门在0~2000kN 范围内对力示值精度进行了检定，结果列于下表。 附表力示值精度检定结果 检定载荷 示值相对误差 检定载荷 示值相对误差 kN % kN % 200 -07 1000 -01 400 -03 1200 -03 600 -01 1600 -04 800 2000 -06 由表中数据可见，该微机控制液压万能材料试验机力示值相对误差≤±1%，符合标准要求。 52试验曲线及测定结果 根据材料性能，不同材料需测定相应的指标，这完全可以在"用户设置"菜单实现。设置试验过程中的一些参数，选定数据处理参数。下面是0和o的实测情况. (1)定屈服点 试验采用中32mm 20M nSi热轧螺纹钢筋，测得力-位移曲线见图3. 图3 力-位移曲线 根据曲线，选定屈服点，可求得 (2)测定规定非比例伸长应力 试验采用中25mm 20MnSi热轧螺纹钢筋，夹持5mm 量程引伸计，测得力-伸长曲线见图4. 图4 力-伸长曲线 根据曲线，可求得规定非比例伸长率等于0.2%时的应力值002=590 8MPa， 0=751.3M Pa，8s=22%。 该液压万能材料试验机微机控制系统运行半年来，系统稳定可靠，试验效率和测定精度大大提高，由于采用ISA 插卡，系统维护也比较方便。 ( 参 考 文献 ) ( 戴雅康主编金属力学性能试验北京：机械工业出 版社，1991.68-73 ) ( 收稿日期：2000-05-24 ) 欢迎订阅《制造技术与机床》(原机床杂志) 《制造技术与机床》是北京机床研究所和中国机械工程学会主办的全国性技术刊物，创办于1951年。本刊是自然科学类中文核心期刊、中国科技论文统计与分析用刊、EI(美国工程索引)和中国学术期刊文摘摘录用期刊。 本刊以交流国内外制造技术与机床方面的科技成果和经验，提高我国机械制造业技术水平为宗旨，介绍制造领域的新装备、新机床各种制造系统、机床功能部件及数控系统的结构、设计、研究、改装维修；新工艺、新制造技术工件冷热加工与特种加工的原理、方法及工艺装备；新测试方法及测量仪器的原理里使用；新材料的研究与应用；国内外技术发展动向；经营管理经验与营销策略；技术讲座；机电产品广告等。 本刊为月刊，大16开本，正文72页，每册定价：600元，全年72元。邮发代号2-636，国外代号M397。地址：北京朝阳区东直门外望京路4号，邮编：100102电话：010-64322683，传真：(010)64343722 ·Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.， Ltd. All rights reserved.