WE型液壓試驗(yàn)機(jī)的幾種改造方案

徐慧

（遼寧省交通高等專科學(xué)校，沈陽110122）

0 引言

WE型萬能試驗(yàn)機(jī)主要用于金屬材料的拉、壓、彎、剪試驗(yàn)[1-3]，并可做塑料、混凝土、水泥等非金屬材料的拉伸、彎曲及壓縮試驗(yàn)。增加功能附件可完成膠帶、鏈條、鋼絲繩、電焊條及構(gòu)件的多種力學(xué)性能試驗(yàn)，但是這種大噸位拉伸試驗(yàn)機(jī)都比較陳舊，測量數(shù)據(jù)不夠精確和靈敏；通過機(jī)械式的表盤讀取數(shù)據(jù)存在誤差，可視性不好；而且根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)的要求，很多必需的檢測項(xiàng)目在舊設(shè)備上無法實(shí)現(xiàn)或者精度不夠，無法適應(yīng)現(xiàn)代力學(xué)技術(shù)的發(fā)展速度[4-20]。目前若購置一臺電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，價格比較昂貴，國內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備約需20萬元左右，而進(jìn)口一臺設(shè)備則約需要幾十萬美元，而改造一臺設(shè)備只需2萬元左右，因此對老式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)的改造很有必要。

1 改造要求

WE型萬能試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械部分主要由機(jī)架、試驗(yàn)臺、上下橫梁、油缸、立桿、試樣壓頭等組成，如圖1所示。改造后的萬能試驗(yàn)機(jī)應(yīng)具備如下功能：1）自動和手動控制試驗(yàn)過程的功能。2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集功能。要求控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地采集傳感器的數(shù)據(jù)，包括試驗(yàn)力值和變形值，獲取到的這些能夠反映材料狀態(tài)變化的數(shù)據(jù)是為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。3）數(shù)據(jù)的處理功能。要求控制系統(tǒng)能對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的處理，包括數(shù)據(jù)擬合和誤差處理等方面，因?yàn)閿?shù)據(jù)處理的結(jié)果直接影響試驗(yàn)的結(jié)果。4）數(shù)據(jù)的顯示功能。要求改造后的系統(tǒng)能夠?qū)崟r且直觀地顯示測量數(shù)據(jù)，因此控制系統(tǒng)需要配備顯示裝置。5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動存貯處理及試驗(yàn)報(bào)告自動打印的功能。6）具有標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)網(wǎng)接口以及可以在互聯(lián)通訊網(wǎng)絡(luò)中調(diào)閱等功能。

2 改造方案

根據(jù)控制要求，選擇一種合適的控制器至關(guān)重要，本文就選取目前比較流行的控制器，分別為PLC、單片機(jī)和工控機(jī)，搭建不同的控制平臺，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 原試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.1 液壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)改造方案一

2.1.1 方案：PLC＋比例放大器＋電液比例閥+壓力傳感器

圖2 半閉環(huán)控制方案

如圖2所示，該控制方案構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，總體思想是：采用可編程控制器（PLC）作為試驗(yàn)機(jī)的主控制器，在幾乎不改變現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下，采用電液比例閥驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對材料進(jìn)行等應(yīng)力加載。原WE型機(jī)器測力系統(tǒng)采用了液壓缸帶動測力擺錘擺動測力，擺錘擺角通過齒輪傳遞給測力盤上的指針，通過測力指針的轉(zhuǎn)角來標(biāo)定力。為實(shí)現(xiàn)電記錄，在油路中安裝壓力傳感器，將油壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^模數(shù)轉(zhuǎn)換器將液體壓力信號以數(shù)字信號傳送到主控制器中。通過編制PLC程序，實(shí)時對壓力傳感器反饋回來的壓力值進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，并與給定值進(jìn)行比較，通過PID控制器實(shí)時調(diào)節(jié)電液比例閥，從而實(shí)現(xiàn)按給定值對材料進(jìn)行加壓。這種方法屬于間接測量施加于試件上的壓力值，并且實(shí)現(xiàn)了液壓試驗(yàn)機(jī)的半閉環(huán)自動控制。

采取該控制方式有如下特點(diǎn)：1）因PLC可靠性較高，抗干擾能力強(qiáng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性；2）因PLC編程容易，且功能強(qiáng)大，可以方便地對采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和輸出；3）因PLC可以添加A/D，D/A轉(zhuǎn)換模塊，系統(tǒng)可擴(kuò)展性好；4）具有顯示和打印的功能，PLC可以連接顯示終端或打印設(shè)備，很好地將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示在顯示設(shè)備上或打印出來；5）整個系統(tǒng)構(gòu)成簡單、容易。完整的控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

該方案難點(diǎn)是：由于采用間接測量施加的壓力，因此需采用一定算法，對采集的油液壓力進(jìn)行補(bǔ)償處理才能反映實(shí)際施加壓力。

圖3 PLC控制系統(tǒng)框圖

2.1.2 方案：PLC＋比例放大器＋電液比例閥+力傳感器

如圖4所示，該控制方案構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。與

2.1.1 節(jié)介紹的方案不同的是，采用力傳感器直接測量試件的受力，為了安裝力傳感器，需要調(diào)整夾頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這種方法屬于直接測量施加于材料上的壓力值，且實(shí)現(xiàn)了液壓試驗(yàn)機(jī)的全閉環(huán)自動控制。

采取該控制方案有如下特點(diǎn)（相對于2.1.1節(jié)介紹的方案）：1）由于采用閉環(huán)直接控制，使測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠；2）由于力傳感器需要安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，才能直接反饋出對材料施加的壓力，因此需要在原試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)上作一些較復(fù)雜的調(diào)整，以便安裝力傳感器。

圖4 全閉環(huán)控制方案

2.1.3 方案：PLC＋比例放大器＋電液比例閥+壓力傳感器+力傳感器

如圖5所示，該控制方案構(gòu)成雙反饋控制系統(tǒng)。與上述兩種不同的是，系統(tǒng)同時對壓力傳感器和力傳感器反饋回來的壓力值進(jìn)行實(shí)時采集、比較和轉(zhuǎn)換，并與給定值進(jìn)行比較，再通過PID控制器實(shí)時調(diào)節(jié)電液比例閥，從而實(shí)現(xiàn)按給定值對材料進(jìn)行加壓，這種方法含有全閉環(huán)和半閉環(huán)控制。

采取該控制方式有如下特點(diǎn)（相對于2.1.1節(jié)和2.1.2節(jié)介紹的方案）：1）優(yōu)點(diǎn)。由于是雙反饋控制，系統(tǒng)十分可靠；并且具有了故障自診斷的功能，可以根據(jù)兩通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷測量值是否真實(shí)、準(zhǔn)確。2）缺點(diǎn)。不僅機(jī)械結(jié)構(gòu)上需要調(diào)整，而且控制元件的成本增加，在不太重要的場合，此種控制方案是否顯得有點(diǎn)累贅。

圖5 雙反饋控制方案

2.2 液壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)改造方案二

方案：單片機(jī)＋比例放大器＋電液比例閥+壓力傳感器；構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制方案構(gòu)成與圖2類似，將PLC改為單片機(jī)即可。

該控制方案的總體思想是：與2.1.1節(jié)介紹的方案類似，只是采用自行開發(fā)的單片機(jī)控制器作為試驗(yàn)機(jī)的主控制器，編制單片機(jī)控制程序，實(shí)現(xiàn)控制。采取該控制方式有如下特點(diǎn)（相對于其他方案）：1）優(yōu)點(diǎn)。自行開發(fā)的單片機(jī)控制器成本比購買PLC和工控機(jī)低得多，且可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的PLC控制、顯示和打印功能，適合于成品的批量生產(chǎn)。2）缺點(diǎn)。開發(fā)單片機(jī)控制器周期長，應(yīng)用比較復(fù)雜，而且單片機(jī)控制器一般可靠性、抗干擾性均比PLC差。

同理，將單片機(jī)作為主控制器后，可以搭建類似于2.1.2節(jié)和2.1.3節(jié)介紹的控制平臺，成本相應(yīng)增加。

2.3 液壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)改造方案三

方案：工控機(jī)＋比例放大器＋電液比例閥+壓力傳感器；構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制方案構(gòu)成同圖2所示，將PLC改為工控機(jī)即可。

該控制方案的總體思想是：采用工控機(jī)作為液壓試驗(yàn)機(jī)的主控制器，編制高級語言程序，實(shí)現(xiàn)控制。近年來，隨著PC技術(shù)的發(fā)展，選擇工控機(jī)作為開放式控制系統(tǒng)成為一種新趨勢、新主流。這種控制方式有如下特點(diǎn)：1）工控機(jī)是專為應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)制造的，元件可靠性高，相互之間連接十分穩(wěn)定，整機(jī)故障率低；2）可以充分利用WINDOWS環(huán)境界面友好、軟件資源豐富的優(yōu)勢，容易調(diào)試，容易應(yīng)用高級語言開發(fā)出良好的人機(jī)界面；3）開放性、可重構(gòu)性好，易于擴(kuò)展。使用工控機(jī)可以隨時增添功能，修改用戶程序；4）缺點(diǎn)是成本相對要高，對于簡單的控制，顯得大材小用。

同理，將工控機(jī)作為主控制器后，可以搭建類似于2.1.2和2.1.3的控制平臺，成本相應(yīng)增加。

3 結(jié)語

通過各種方案的論證分析，采用上述方案均可達(dá)到改造的目的。當(dāng)控制方式選定后，選用單片機(jī)作為主控制器的成本最為低廉；選用工控機(jī)作為主控制器，系統(tǒng)的開放性、通用性最好；選用PLC作為主控制器，性能介于兩者之間。無論選用何種控制方案，對WE型老式萬能液壓試驗(yàn)機(jī)的改造，都可以使老式試驗(yàn)機(jī)的功能得以擴(kuò)展，不但不影響原試驗(yàn)機(jī)的操作及功能，而且與先進(jìn)的電子式萬能試驗(yàn)機(jī)功能相當(dāng)；改造成本很低廉，卻能實(shí)現(xiàn)動態(tài)電子記錄、方便快捷的測試、強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理等功能。