液壓萬能材料試驗機的自動化改造

引言：液壓式萬能材料試驗機具有價格便宜和經久耐用的優點，但是在使用時的精度較低，不能完全實現加載速度的精確控制。對液壓萬能材料試驗機進行合理改造，提高其自動化水平，在相應部位添加必要的傳感器和電壓比例閥，采用計算控制方式使得拉升試驗實現自動化，本文即是對此展開的研究。

0引言

作為一種獨立的產品，自動化材料試驗機最早出現于西歐。在對材料的機械性能進行測定時，液壓萬能材料試驗機是必備設備之一，其使用歷史已有上百年。實踐證明，這種設備能夠實現對金屬和非金屬進行各類試驗，如：拉伸試驗、壓縮試驗以及彎曲試驗等[1]；能夠實現對材料強度和塑性指標的測定。科學技術的進步提高了機械設備的自動化水平，相應材料的機械性能試驗也朝著越來越精確的方向發展，其要求也越來越高，尤其是在試驗精度以及數據處理上的要求更加嚴格。一些新型的實驗設備應運而生，但是受價格等外界因素的影響，很多相關單位還不能及時的將其設備更換成這些新出現的實驗設備，一些規模較小的企業依然采用傳統的液壓萬能材料試驗機。盡管該試驗機技術較為落后，具有較為龐大的體積，但其優點也不容忽視。如：具有較為方便的操作，油壓系統的使用壽命較長。因此，很多這種試驗機的使用者希望能夠不更換設備，通過升級改造的方法進行設備的升級，使其適用于新環境中，滿足精度要求，從而節省成本。

1液壓萬能材料試驗機中的不足

對液壓萬能試驗機的不足進行總結，主要包括以下四點：首先，其測量時的精度較低[2]。在液壓萬能試驗機系統中，油液從油泵中輸出后進入到工作油缸中，對試樣施加必要的載荷，與此同時，油液進入到測力油缸中，使得聯動擺錘動作，測力讀盤指針被推動，從中可以讀取有用數據[3]。在這一過程中，所有的傳遞環節均為機械傳動，會存在較大誤差。另外，讀數盤的精度有限，讀數是人工進行的，這也大大降低了測量的精度。其次，液壓萬能材料試驗機的加載速率很難實現定量控制。通常情況下，操作人員是按照工作經驗對節流閥的開度進行調節，從而控制試樣的加載速率，這種方法具有較大的不確定性，受操作者經驗的影響較大。再次，該試驗機的實時性較差。在繪制曲線時，只能實現單一的曲線繪制；當前，該試驗機只能進行“載荷-變形”曲線的粗略繪制，在需要進行實時應力以及應變數值的測量時無能為力，當然也無法實現“應力-應變”曲線的直接繪制。最后，液壓萬能材料試驗機的自動化水平較差，工作時效率不高。在該系統的實驗數據處理以及實驗報告中，依然需要通過人工的方式進行，這不僅浪費了大量的時間，同時也需要消耗大量的人力。

科學技術的不斷進步，各種先進的新型測試手段不斷涌現，人們希望能夠提高設備的自動化水平，減少人工勞動量。相比之下，液壓萬能材料試驗機已經無法滿足當下的需求，其測試手段有待升級和改造。

2液壓萬能材料試驗機改造方法

對液壓萬能材料試驗機進行合理改造，存在的方法多種多樣，它們各有利弊，對可行的幾種改造方案進行總結，包括：1）通過單片機系統進行改造。這種方案的長處在于具有較為簡單的結構和較小的體積，其成本也較低，在嵌入式系統的實現上也較為方便；其最大不足在于：具有較為復雜的電路系統，穩定性低，在處理數據時速度不盡人意，實時操作難以實現。當前，在試驗機領域，備受人們關注的焦點是在加載過程中，如何有效保證穩定的應力速度以及應變速度，通過單片機系統進行改造的方案無法實現這一目標。2）通過速度控制器來實現對電機的控制，隨之對壓力施加負荷進行控制，這種方案能夠實現速度電流的反饋，屬于一種較為古老的控制方式。例如：在需要對步進電機驅動步數進行計算的場合，采用位置式控制器，最終實現對應力速度、位移速率以及定應變等實驗結果的獲取。但值得注意的是，作為一種非線性時變系統，液壓萬能材料試驗機的數學模型較難建立，如果采用常規的控制器將難以實現較好的控制效果[4]。在實際使用時，參數整定的方法較為繁雜，受此困擾，常規的控制器常常無法正確整定，具有較差的適應性。3）通過微機以及傳感器技術等進行改造。如：在應力應變速率的控制上，通過采用電液比例閥或者是電液伺服閥達到高精度控制的目的[5]；在測量控制系統中，通過采用計算機卡式設計。這種方案的優點在于：具有較強的抗干擾能力，質量好，性能穩定。另外，這種方案在實現時只需要通過鼠標的點擊即可，操作方便。在各類試驗曲線的繪制上也具有較大的靈活性，能夠及時將曲線數據存儲下來，具有曲線放大功能。在選擇哪種方案進行試驗機的改造時，應該與實際情況相結合，最大程度的滿足用戶要求。本文權衡利弊，最終選擇方案三進行液壓萬能材料試驗機的改造，提升設備的自動化水平，圖1給出了試驗機改造的原理圖。

圖 1試驗機改造原理圖

3 系統組成分析

在采用微機以及傳感器技術進行試驗機系統的改造時，保留了手動加載的部分，同時增加了一條支路，試驗機的加載速率是通過電液比例閥來控制的。這樣一來，不僅能夠通過手動進行操作，還可以實現自動控制。將具有較高精度的壓力傳感器添加在進油管處，實現對系統壓力的檢測，另外，采用位移測量系統以及相應的處理技術，對數據進行自動化采集和分析處理。此時的數據采集速度快，測量的精度也較高；在數據分析和處理上，不僅更加周全，還實現了交互式處理，數據可以通過圖表、曲線等不同的方式表現出來。這樣一來，液壓萬能材料試驗機在進行信號檢測以及數據處理時，其水平更加接近現代試驗機的水平，能夠適應新形勢。

圖2 機械部分和硬件組成示意圖

對升級和改造后的試驗機進行分析，圖2給出了機械部分和硬件組成示意圖。主要由以下幾個部分組成：主機部分。主機部分的部件包括：工作活塞、油缸、工作臺、底座、立柱、上下移動橫梁、試樣夾持以及活動橫梁等[6]。主機部分實現的作用是將試樣夾緊和固定，實現試樣的加載。液壓部分。液壓部分的組成包括：高壓油泵、油箱、送油閥、電液比例閥、回油閥、截止閥、主機的工作油缸、測力油缸活塞、工作活塞等[6]。該部分的主要作用是對試件的夾緊和加載進行控制。檢測部分。檢測部分的組成包括：電子引伸計、負荷傳感器、光電編碼器等[6]。該部分的主要作用是對實驗對象所受的試驗力等進行檢測。數據采集處理以及控制部分。該部分包括：數據采集、控制電路、處理、打印機、計算機軟硬件系統、手動控制器件等[6]。其主要用途是實現對整個系統的控制，設置和顯示各類參數，對實驗過程以及結果進行記錄等。電氣部分。該部分包括：交流接觸器、各類繼電器、開關按鈕等[6]。其作用是開關油泵電機，對衡量升降結構的動作、限位等進行控制。

4控制系統的軟件設計

對于液壓萬能材料試驗機系統來說，軟件的好壞至關重要，它將對操作的簡易程度以及數據的可靠性產生直接影響，在某種意義上來說，軟件甚至關系到整個改造是否成功。在本次改造中，所采用的測試軟件包括五個模塊。其中，數據采集模塊實現的功能是對初始化參數進行設置，實現傳感器的調零和定標。圖形輸出模塊主要是將數據曲線反映在屏幕上，也可以將數據圖形打印出來。數據輸出模塊的功能是將所需的數據打印出來，也可以實現對數據的手工修改，依據實際情況添加或刪減一些數據，最終將數據存盤，通常情況下，處理的數據為材料性能的關鍵點數據，有些情況下也包括采集的數據中的某一部分。報告打印模塊主要是指在完成試驗之后，將一些有用的數據以及原始圖形等打印出來。

5結論

在采用微機以及傳感器技術改造后的液壓萬能材料試驗機中，控制元件為數字比例壓力流量復合閥，它能夠通過微機軟件自動控制加載力值和速度。實現了可控的加載力值，在進行速度大負荷的測試時具有較好的效果，測試的性能十分穩定。在計算機屏幕上實現了數據的顯示，數據類型包括：變形和加載速率，變形的速度以及材料的各項特性等。所獲得的實驗結果可以整理成報表，具有直觀性的特點，實時性能較好。在新系統中，實驗結果可以通過打印機打印出來，也可以采用繪圖儀繪制出相應的試驗曲線，只要能夠顯示于屏幕上，即可打印成報表。實驗報告等可以實現批量打印以及存儲，有利于完整的保存。由于在改造過程中依然保留了手動加載的環節，整個系統不僅能夠實現自動化操作，也可以實現手動操作，其控制的靈活性大大加強。對試驗機改造成功與否進行判斷，主要依據是檢查最后的測試數據精度以及試驗曲線，如果精度達到了規定的要求，試驗曲線準確，則說明改造是成功的。

參考文獻

[1]何芝仙，桂長林.萬能材料試驗機技術改造問題探討[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2004，27（1）：80～82.

[2]陳玉坤.用計算機對液壓式萬能試驗機的改造[J].制造業自動化，2001，23（6）：46～48.

[3]李建永，王彤，趙輝等.液壓萬能材料試驗機的CAT改造[J].液壓氣動與密封，2009，2：57～59.

[4]楊莉華.W E-60液壓萬能材料試驗機的數字化改造[D].中國知網，2007，10：13.

[5]楊莉華.WE-60液壓萬能材料試驗機的數字化改造[D].中國知網，2007，10：20.

[6]楊澤勇，何廣平.材料試驗機測控系統關鍵技術的研究與實現[J].計算機測量與控制，2005，13（11）：1210～1213.

作者簡介

楊志剛，出生年月：1978.7，性別：男，籍貫：四川，職稱：工程師，研究方向：計量管理 計量檢定 萬能材料試驗機改裝