基于可視化編程的拉伸試驗機系統設計

萬 軼 蘇 銘 趙彩虹 陸 煒

（南京航空航天大學金城學院，南京 211156）

基于可視化編程的拉伸試驗機系統設計

萬 軼 蘇 銘 趙彩虹 陸 煒

（南京航空航天大學金城學院，南京 211156）

本文設計了由單片機與PC組成的拉伸試驗機的控制系統，介紹了機械本體結構的設計方案，通過機構仿真及有限元靜力分析，得到試驗機的受力集中位置，闡述了硬件電路的組成、軟件設計方法和程序及數據采集和轉換的方法。

可視化編程 單片機 數據采集 拉伸試驗機

引言

拉伸試驗機是用于測量各種（金屬、非金屬材料）零部件的強度和剛度的檢測設備，廣泛應用于機械制造、車輛制造、電力工程、金屬材料等行業。本文利用傳感器采集數據作為反饋進行控制，設計了基于單片機和可視化編程的拉伸試驗機的控制系統。

1 總體方案設計

本文所研究的拉伸試驗機主要由三部分組成：機械本體結構、數據采集系統和數據處理界面。通過步進電機提供拉力，將試樣拉伸至一定伸長率，保持一定時間后消除殘余應力，在下位機設計位移參數，其變形量可以轉化成對位移的控制。通過PLC對力傳感器和位移傳感器信號進行控制處理，傳給上位機進行分析擬合，可以實現對位移、速度、工作拉力的參數檢測，最終求出零件的剛度。

2 機械本體結構設計及運動仿真

2.1 機械本體結構設計

機械本體主要起到配合運動形式和支撐運動空間的作用，其結構樣式很大程度上反映和關聯試驗機的測試功能形式，其綜合性能決定了試驗機整機測試性能中關鍵指標的范圍。本試驗機的主體結構包括步進電機、減速器、絲杠螺母、基座、導軌、機身、位移傳感器支撐架、夾具和尾座。具體結構見圖1。

圖1 機械本體總體結構

為了消除試樣自重的影響，拉伸試驗機整體采用臥式結構。動力原件為步進電機，由減速器減速后轉換成絲杠的轉動，通過絲杠與螺母的配合將轉動轉換成移動，利用螺紋聯接帶動前夾具的前后移動，后夾具可以根據零件長度進行調節，并用螺栓固定，以達到控制零件拉伸或壓縮的動作。在力的傳遞過程中，作用在零件一端的力依靠絲杠螺母基座傳遞至機身，并通過尾座傳遞至導軌，使測量力的平衡力最終向機身傳導。

試驗中采用寧波柯力S型DEL力傳感器，利用螺紋聯接安裝于夾具與連接軸之間（見圖2）；采用日本基恩士GT2-H12數字接觸式位移傳感器，利用套筒和螺母固定在支架上（見圖3）。

圖2 力傳感器安裝示意圖

圖3 位移傳感器安裝示意圖

2.2 機械本體結構的運動仿真

機械本體結構裝配完成后，在Pro/E機構仿真的模塊下，利用ANSYS軟件對關鍵零部件在機構中某一時刻的具體位置和受力狀況進行分析。對機械結構中關鍵的受力連接件的應力集中區、位移變化量進行研究，驗證其設計結構能否完成其預定的要求。總位移圖如圖4所示。

圖4 總位移分析云圖

試驗機在拉伸試件過程中，絲杠螺母座－2由于受到翻轉力矩的作用，會使絲杠支撐軸－1向上產生微小形變，且連接軸－3和絲杠螺母座－2之間也會發生微小變形。由于各部分變形量的累積，在夾具－5處的位移變化量達到最大值。而最大位移量為4.474m，大于位移傳感器的最小測量值2m，故此次設計的拉伸試驗機能滿足對實驗機拉伸精度方面的要求。

3 數據采集

拉伸試驗機基于可編程控制器（PLC）進行數據采集和分析、硬件控制和通訊這三部分功能。采用Advantech型號為USB-4711A的USB數據采集卡，具有16個采集通道，采集速率達150kS/s，單次測量在1～2分鐘內完成。

通過控制步進電機實現軸向拉伸，利用力傳感器和位移傳感器分別獲得被測對象在外力作用下所受的拉力和由此產生的位移，PLC通過模擬量輸入AIW0和AIW2來分別采集力和位移模擬量經A/D轉換后的數字量。轉換后的數字量與其對應的物理量間具有線性關系，利用PLC自帶的Scale_I_to_R功能塊實現模擬量到實際物理量間的轉換，然后將轉換后的力和位移值分別存儲到變量存儲區VD0和VD4中，最后同過通訊協議將采集到的數據傳送給上位機，完成數據的采集工作。圖5為傳感器數據轉換程序。

圖5 數據轉換程序

為確保系統運行中安全可靠，程序中必須編寫限位保護程序。當設備上的運動件觸碰到安裝在導軌兩端的限位開關時，PLC將會停止脈沖輸出，使步進電機停止轉動，由電機的旋轉運動轉換成的軸向拉/壓動作也會隨之停止，從而保證設備安全。

4 數據分析界面

PC機裝載Windows XP操作系統，上位機軟件的開發語言為C#，軟件主要分為兩層：測控應用軟件層和通訊層。根據系統的功能，人機界面提供聯機、波形設置、參數管理、數據分析、閥口控制、試驗數據曲線顯示等接口。用戶通過這些接口將指令通過windows的消息機制傳遞給相應模塊，同時，系統的運行情況也會經由各模塊將相關消息反饋顯示，例如：變形量、力值、夾頭位置等狀態。本設計系統的界面數據采用同步緩沖輸入的方式，如圖6所示，在一次時常為2分鐘的測試中，所采集到的數據點能滿足剛度測試的要求。這種方式易于編程實現，同時讓采集速率的控制成為可能。

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Design of Tensile Testing Machine System Based on Visual Programming

WAN Yi, SU Ming, ZHAO Caihong, LU Wei
(Department of Mechanical & El ectrical E ngineering, Ji ncheng College,Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, NanJing,211156)

In this paper, the control system of tensile testing machine was composed of single chip microcomputer and PC. The design scheme of mechanical s tructure was introduced, and the stress concentration position of the tes ting machine was obtained by means of mechanism simulation and finite elem ent analys is. The hardware circuit, software design method and program, and the method of data acquisition and conversion were described.

visual programming, single chip microcomputer, data collection, tensile testing machine