汽車板拉伸試驗機測控系統設計與實現

羅五四 李飛鵬 黃利明 張耿旭 林建華 周存鋒

(①東風汽車有限公司，湖北十堰442001;②廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006;③鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州450000)

汽車用薄鋼板在載重汽車制造中的使用量占鋼材總量的30%左右［1］。WDK-5汽車板拉伸試驗機是完成薄鋼板力學性能指標［2］:抗拉強度(Rm)、屈服強度(Re)、斷后伸長率(A)、應變硬化指數(n-value)及塑性應變比(r-value)進廠檢驗的關鍵設備。另外，在生產過程質量控制、新產品設計選材、構建汽車板理化性能數據庫和優化選材降低成本中也需要該設備提供檢測數據。

WDK-5拉伸試驗機是工控機控制的全電驅動汽車板專用拉伸試驗機。其機械部分采用導向雙立柱固定上橫梁及工作臺面構成的落地式框架結構機架，以高精度、無間隙的精密滾珠絲杠帶動中橫梁上下移動來傳遞負荷。

1 試驗機測控系統的硬件設計

1.1 電氣控制系統

圖1為拉伸試驗機的電氣原理圖。其中電力拖動部分采用大功率晶體管脈寬調速直流伺服控制驅動系統。該系統采用轉速負反饋閉環控制，其低速和穩速性能優良，并且中橫梁加載時傳動平穩。主電路則通過采用三相電源隔離變壓器來減小電力拖動環節對力和位移模擬量信號調理電路的電磁干擾。

試驗機中橫梁上升和下降控制電路采用手動和自動兩種控制方式，使用琴鍵開關對控制方式進行切換。圖1中+10 V電壓加在繞線電位器Rw上，通過調節電位器可實現手動調速。自動調速模塊由計算機通過D/A模擬信號通道向PWM電傳動控制調速器輸出給定控制電壓，實現在線拉伸速度的控制。為簡化電路、方便操作，采用具有自鎖功能的SB1按鈕來實現中橫梁上升和下降的控制。當SB1彈起時，中間繼電器KA1的常閉觸點通電，伺服電動機正轉使中橫梁上升;當SB1按下時，KA1的常開觸點通電，伺服電動機兩端電壓以及測速發電動機的反饋電壓同時反向，伺服電動機反轉使中橫梁下降。上、下限位開關SQ1和SQ2對試驗機門式機架起保護作用。當中橫梁超出移動限定范圍時，5 V微繼電器K通電切斷緩沖器的給定電壓使伺服電動機停轉。

中橫梁快、慢速檔位切換電路通過帶有自鎖功能的按鈕SB2對YV電磁離合器的控制實現速度檔位的切換。當SB2彈起時，+30 V電壓經中間繼電器KA2常閉觸點給慢速電磁線圈供電，變速箱處于慢速檔狀態;當SB2按下時，+30 V電壓經KA2常開觸點給快速電磁線圈供電，變速箱處于快速檔狀態。

通過SB1和SB2按鈕的組合，可實現中橫梁快速上升和下降，用于調整上、下夾頭間的位置;慢速上升則用于拉伸試驗。

1.2 測量鏈的硬件構成

拉伸試驗機測量鏈硬件結構如圖2所示。測量鏈屬于單通道模擬信號輸出和多通道模擬信號輸入系統，其配置為:①PCA-6006LV工業PC機;②PCL-816 16位16路差分模擬量數據采集卡;③PCL-728 2通道隔離模擬量輸出卡;④BLR-1型30 kN電阻應變式拉壓力傳感器;⑤試樣寬度小變形測量用YYJ-3/12.5-H、YYJ-3/20-H或YYJ-3/25-H，試樣長度變形測量用YYU-25/50或YYU-40/80電阻應變式電子引伸計;⑥YD-28A型動態電阻應變儀。

工控機根據在線檢測到的試樣伸長率，通過分時給模擬量輸出通道(PCL-728)的D/A卡寄存器傳送相應的數值來控制PWM電傳動控制調速器，從而控制試驗機兩夾頭的分離速度。在拉伸試驗彈性階段和屈服階段，實現對試驗機兩夾頭分離速度5 mm/min的控制。在強化階段和局部變形階段則實現分離速度20 mm/min的控制。各階段之間速度變更點設計在拉伸應力-應變曲線經過敏感的屈服階段后，應變值為1%(0.5 mm)處，這樣可以保證拉伸曲線的平滑。

數據采集通道由傳感器、應變儀和A/D卡組成。當拉力傳感器受力及引伸計有變形時，傳感器中以電阻應變片為轉換元件的電橋因應變電阻的變化而失去平衡，產生與被測的拉力、長度和寬度位移信號成正比例的微弱模擬電壓信號，經過應變儀放大、濾波和變換到-5～+5 V的范圍后，送至A/D卡轉換成離散的數字化信號輸入工控機。工控機按程序對數字信號進行相應的數字濾波、標度變換、數據存儲、拉伸曲線和力學性能指標顯示。測量鏈可實現單通道單獨調零，也可實現多通道同時歸零。

2 試驗機測控系統的軟件設計

2.1 測控軟件總體構成

智能化測控軟件采用面向對象技術，運用Visual C++6.0開發工具進行拉伸試驗人機界面的開發。軟件采用單文檔界面(SDI)結構，其結構圖如圖3所示。

2.2 測量鏈標定

系統標定部分由系統增益調整、拉伸力、長度和寬度位移標定數據采集4個模塊組成。標定環節能夠定期進行檢定或在使用前進行校準，其測量基準能夠溯源到國家基準。

系統增益調整界面中的3個顯示窗口分別對應拉伸力、長度和寬度位移測量鏈，用于在標定數據采集前對各通道增益進行調整。如在拉力傳感器上施加最大負荷時，調整應變儀的放大倍數，使對應的輸出電壓值接近采集卡所設定的+5 V上限電壓輸入值。而在正常試驗時，則能夠對拉伸力、長度和寬度位移測量鏈進行數據采集前的調零監控。

借助靜態標定用機械式反向力標定器，在EHB-60A 0.3級標準測力儀的配合下，通過力值標定數據采集界面中與檢定證書表格一致的標定計劃表，采集程序在表格中采入滿量程范圍內，任意7個加載力值標定點的力值測量鏈輸出電壓值，如表1所示。標定程序對表1中的數據進行一元線性回歸分析，得出被標定拉力傳感器的標準加載力值與測量鏈輸出的模擬電壓值之間的線性擬合關系式，即標定曲線方程。標定模塊保證了試驗機示值的長期準確度。

表1 加載力值與采集電壓對照表

表1中一組加載負荷和采集電壓數據經回歸分析方法中的最小二乘法結論公式:

處理后即可得出反映拉力傳感器測量通道的回歸直線方程為:

變換為由采集的電壓值反求力值的形式:

拉伸試驗測力時，知道了電壓值，便能從公式中計算出拉伸力的數值。長度和寬度拉伸位移標定模塊的功能與拉伸力類同。

2.3 標定結果驗證

完成測量鏈標定后，可通過標定結果驗證界面檢查相應的標定曲線和回歸方程;通過標定結果校準界面，在全量程范圍內任選一系列標定點施加標準力值進行n次等精度復測比對;通過系統靜態特性測試界面來驗證當前系統的標定結果是否符合要求。系統靜態特性檢查部分由線性誤差、回程誤差、精密度和穩定度界面組成，能夠對測量系統的重復性、再現性、穩定性和線性方面進行統計特性分析，消除試驗中的盲目性。

2．4 電壓波形采集

電壓波形采集和回放界面用于對輸入標準波形，如不同頻率的方波、三角波和正弦波的測量鏈進行系統響應分析。通過方波考核測量鏈對階躍信號前沿和后沿的動態響應能力;通過三角波檢驗測量鏈對信號線性上升和下降跟蹤的平滑程度;通過正弦波獲取測量鏈的系統帶寬情況，預防測量結果失真。

2．5 拉伸試驗數據采集

采集程序基于VC編程環境，用C語言直接訪問底層硬件采集數據。程序通過數據采集界面的人機對話接口獲取開始采集的控制信號，并在完成組合框中所選定的采集點數后自動結束。采樣頻率通過函數GetTickCount()，按照給定的發生頻率來進行調節，最小采樣頻率為1 kHz。這樣系統既能夠實現對每一周期作密集采樣，也能夠給拉伸過程提供必要的采集時間長度。數據采集程序的N-S流程圖如圖4所示。

數據采集與回放是通過圖5的測控軟件主界面來實現的。界面上方的4個窗口分別實時顯示:①拉伸應力(MPa);②拉伸應變(%);③寬度變形(mm);④拉伸時間，使操作者能隨時監控3個通道的實時數據。

界面第二排20個按鈕對應可連續采集的每個牌號鋼板的試樣個數，在當前試樣做完試驗后，對應按鈕由平面變為凸起。通過單擊某一按鈕可以查看相應試樣的拉伸曲線和力學性能指標。

界面中部的窗口能夠根據所采集到的數據實現實時拉伸應力-應變曲線的動態顯示。通過對所采集的數據進行算術平均濾波處理，得到連續平滑的采集曲線。為防止汽車沖壓件表面產生皺褶現象，汽車用冷軋薄鋼板出廠前加了平整工藝處理，所以圖5中的拉伸曲線沒有屈服平臺。顯示拉伸曲線窗口的右邊區域還顯示當前試樣的力學性能指標。

界面中的兩個拉伸速度滾動條是控制試驗過程中屈服前和屈服后的拉伸速度。滾動條下面的兩個滑塊對縱坐標軸和橫坐標軸起放大倍數的調節作用。

顯示曲線窗口右邊的3個組合框:輸入試樣寬度(mm)、厚度(mm)和標距(mm)，供拉伸試驗結束后算法程序計算力學性能指標用。

主界面的下方有13個功能按鈕，常用按鈕有:“設置參數”、“開始測試”、“存儲數據”、“比較曲線”、“打印報告”。打印程序采用CList類和CScrollView類功能，開發了現場直接生成和打印完整的圖文拉伸試驗報告模塊。

2.5.2 伸長率數字顯示方式采集

該模塊是針對國標GB/T 228-2002［2］中所涉及到的伸長率另外兩個指標:最大力非比例伸長率(Ag)和最大力總伸長率(Agt)的測量而設計的，能夠解決拉伸試驗機自動測量斷后伸長率面臨的準確性難題［3］。伸長率數據的采集為論證工程應用中應采用Agt還是Ag和爭取在冷軋薄鋼板技術標準修訂時將Agt列入力學性能表提供基礎數據支撐。通過理論分析和編程調試確認:Agt垂直對應Rm，用計算機對Agt進行采集和計算直接和準確;而求Ag還需計算出由彈性段劇烈變化引起的不易得到準確的Agt-Ag。由于采用鏈表結構，重復采集數據的次數不受限制。啟動試驗機工作，并在中橫梁慢速上升中開始采集數據，將縱向變形引伸計的位移模擬量信號轉換成數字量，以表格形式顯示，提高了做多家鋼廠多種汽車板性能比對試驗的靈活性。

基于此，本文將借鑒法國在鄉村旅游發展中“鄉愁—鄉居—鄉思“的實踐體現，探討我國鄉村旅游可持續發展的動力機制。

2．6 試驗數據處理

拉伸試驗數據處理算法采用結構體和類的思想，將計算9個材料力學性能指標公式的諸函數集中到一個類(CFunction9)中統籌編程，可對采集的一批試樣數據進行統一分析計算，其結果顯示如圖5大窗口右邊區域所示。該類的一些函數還在數據采集程序的自動控制停機條件中被反復調用。計算拉伸指標條件有兩種設定方法:

表2 拉伸試驗比對數據表

表3 比對試驗數據誤差分析表

(1)在對話框中設置計算拉伸指標參數:①在組合框中輸入計算塑性應變比(r-value)需要的應變點(如15%)，計算應變硬化指數(n-value)需要的應變區間(如10% ～20%)，以及等間距點數(如N=26);②選擇尋找屈服點的方法(取應變點為0.2%，或者取拉伸曲線斜率第一次下降為50%時的應力值);③選擇計算比例極限點的判斷標準。

(2)在拉伸曲線上通過點擊鼠標定位選擇計算條件:用在拉伸曲線上出現屈服平臺時，需要采用人工讀取屈服強度等有特殊要求的場合。由用戶根據需要依次在拉伸曲線上用鼠標左鍵點擊6個點:比例極限點、屈服點、抗拉強度點、總延伸率點、計算n-value第一點和第二點，程序將根據所選點的縱坐標軸應力值和橫坐標軸應變值到數據鏈表中相應節點取出數據傳入力學性能指標計算公式，計算出9個拉伸試驗指標。

3 比對試驗驗證

為了進一步驗證WDK-5拉伸試驗機檢測數據的準確度，與德國Zwick和日本SHIMADZU拉伸試驗機進行了應用實例的比對試驗。比對試驗采用某牌號冷軋鍍鋅高強度鋼板的JIS 5號試樣，標距50 mm，板厚1.4 mm。同時還與該試樣的鋼廠樣品出貨清單數據(Test Equipment:Zwick Z250)和企業標準中鋼板的力學性能值作了比對。拉伸試驗比對數據如表2所示。

表3給出了表2比對試驗數據的誤差分析結果。5個檢測指標以相對偏差來評價比對結果的一致性，相對偏差=D/x×100%，其中絕對偏差D=|x-ˉx|，x為參加比對試驗室的測量值，ˉx為參加比對試驗室的測量平均值。

從表3的誤差分析結果中可以得出，5個性能指標的最大相對偏差均小于工程應用中可以接受的3%約定判定標準值，且WDK-5所測90°軋向數據均處在企業鋼板標準中力學性能區間值規定的數據范圍內，據此判定WDK-5實測數據與同類設備測試數據在誤差允許的范圍內是一致的。

4 結語

(1)按國標《GB/T 16491-2008電子式萬能試驗機》規定的測量精度誤差指標，經過2 000根試樣的拉伸試驗及比對試驗驗證，WDK-5拉伸試驗機的控制精度符合0級標準。

(2)測量鏈標定和標定結果驗證模塊實現了全量程多點綜合標定功能，保證了檢測數據的準確可靠。

(3)在采集的拉伸曲線上，手工點擊選擇計算條件的功能拓展了軟件的應用范圍。

［1］鄒恒琪，周建軍，李飛鵬.汽車用薄鋼板的質量現狀與發展要求［J］.中國冶金，2001(4):20-22.

［2］原國家冶金工業局.GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2002，7.

［3］李和平，周星.拉伸試驗機自動測量斷后伸長率面臨的難題及解決辦法［J］.理化檢驗:物理分冊，2008(1):7-13.