機(jī)械式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)化改造

李月安，吳何畏

（湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053）

引言

材料試驗(yàn)機(jī)是測(cè)定材料性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備[1]，可以在各種不同條件、環(huán)境下測(cè)定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)等的機(jī)械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零部件動(dòng)態(tài)不平衡量的精密測(cè)試儀器。按分類(lèi)方法可以分為金屬材料試驗(yàn)機(jī)、橡塑拉力機(jī)，非金屬材料試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)、振動(dòng)臺(tái)和無(wú)損探傷機(jī)等。其中材料試驗(yàn)機(jī)加荷方法、結(jié)構(gòu)特征、測(cè)力原理、使用范圍都各不相同。在研究探索新材料、新工藝、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，材料試驗(yàn)機(jī)是一種不可缺少的重要檢測(cè)儀器。多用于金屬及非金屬（含復(fù)合材料）的拉壓、彎曲、剪切、剝離、撕裂、保載、松弛、往復(fù)等項(xiàng)的靜力學(xué)性能測(cè)試分析研究，也可以用于包括疲勞，單向脈動(dòng)疲勞、沖擊等動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等國(guó)內(nèi)、國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行試驗(yàn)和提供數(shù)據(jù)。現(xiàn)代試驗(yàn)機(jī)位移多采用柵式測(cè)量系統(tǒng)，利用增量測(cè)量方法來(lái)確定位置和材料延伸率，具有定位準(zhǔn)、精度高、速度快等特點(diǎn)；傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)多采用游標(biāo)卡尺人工測(cè)量，機(jī)械式有級(jí)調(diào)速，開(kāi)環(huán)式速度控制，無(wú)法精準(zhǔn)控制定位，精度低、速度慢，無(wú)法保證角度及位移測(cè)量的精度，轉(zhuǎn)速不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，對(duì)材料的屈服強(qiáng)度、彈性模量、硬化指數(shù)和塑性應(yīng)變比等參數(shù)不能測(cè)量。

通過(guò)引入PC把原有試驗(yàn)機(jī)改造為電子式試驗(yàn)機(jī)具有直觀、精度高，可自動(dòng)控制，易于操作、效率高、節(jié)省資金等優(yōu)點(diǎn)。

1 改造的總體方案

微機(jī)控制的電控試驗(yàn)機(jī)以伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，絲杠、絲母作為執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)移動(dòng)橫梁的速度控制；傳動(dòng)控制采用同步帶和減速機(jī)兩種形式；在測(cè)力上采用負(fù)荷傳感器。若采用液壓式加載方式，配合使用電液伺服閥或比例閥來(lái)控制液壓傳遞速度，以微機(jī)來(lái)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)，提高試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)控制水平及數(shù)字化顯示能力。

1.1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)和測(cè)力系統(tǒng)兩部分組成。主機(jī)部分為下置式油缸的剛性框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，由底座、工作臺(tái)、立柱、絲杠、活動(dòng)橫梁和上橫梁組成。上下橫梁和工作臺(tái)之間通過(guò)立柱連接成框架結(jié)構(gòu)，油缸安裝在工作平臺(tái)的下方，上鉗口安裝在活動(dòng)橫梁下邊，下鉗口安裝在底座平臺(tái)上方。通過(guò)油缸工作活塞頂著工作框架上升時(shí)，在工作臺(tái)與活動(dòng)橫梁之間，活動(dòng)橫梁與上橫梁之間就可以完成壓縮、彎曲、拉伸等不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)。

圖1 WJ—10型液壓材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)力系統(tǒng)包括油路系統(tǒng)和機(jī)械控制系統(tǒng)兩部分組成。油路系統(tǒng)由油箱、油泵、送油閥、回油閥、緩沖閥等組成，這些部件通過(guò)油管連接成一套油路系統(tǒng)。液體根據(jù)帕斯卡定律在油路系統(tǒng)來(lái)回流動(dòng)，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在密閉容器中通過(guò)控制閥門(mén)控制液體流動(dòng)量，由液體把力傳遞到液體內(nèi)的各處和容器的器壁上，形成拉伸時(shí)的拉力及壓縮時(shí)的壓力[2]。

機(jī)械控制系統(tǒng)為擺錘測(cè)力機(jī)構(gòu)。擺錘測(cè)力機(jī)構(gòu)由拉桿、刀墊、擺錘、推桿、齒輪和力度盤(pán)組成。液體流到密閉容器中使測(cè)力活塞受到一個(gè)向下的作用力F，該力帶動(dòng)擺錘測(cè)力機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，最后形成一個(gè)力偶M，使主動(dòng)針和從動(dòng)針轉(zhuǎn)動(dòng)一相應(yīng)的角度，并在度盤(pán)上指示出試樣所承受的力值。

1.2 改造方案

WJ-10型材料試驗(yàn)機(jī)升級(jí)改造的技術(shù)路線(xiàn)如下：硬件部分，在原有試驗(yàn)機(jī)的工作機(jī)臺(tái)上，利用DI數(shù)據(jù)傳輸和A/D轉(zhuǎn)換器，將力傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置收集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)接口傳給上位機(jī)，再由編程軟件對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析和處理；分析處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)DO和D/A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制；軟件部分，現(xiàn)行比較通用組態(tài)軟件（Kingview）或Visual C++,Visual Basic，每款軟件都有各自的優(yōu)勢(shì)，用戶(hù)可根據(jù)自身特點(diǎn)選擇其中一款，針對(duì)測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)處理與輸出模塊、測(cè)試全部機(jī)械性能模塊、測(cè)試單向性能模塊和試驗(yàn)現(xiàn)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等項(xiàng)目高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，如圖2所示。

圖2 微機(jī)監(jiān)控的材料試驗(yàn)系統(tǒng)

2 硬件改造

經(jīng)上所述，對(duì)液壓型的材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)首選液壓閥作為驅(qū)動(dòng)元件，滿(mǎn)足此要求的元件有電液比例閥和電液伺服閥。兩種新型的元件由于具有很多優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其是伺服閥應(yīng)用范圍更廣。

2.1 伺服和液壓系統(tǒng)改造

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較高的伺服和液壓系統(tǒng)有電液伺服閥和比例閥。電液伺服閥優(yōu)點(diǎn)是控制精度高、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是工作環(huán)境壓力大，需要添加過(guò)濾器和水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作時(shí)對(duì)液壓油的品質(zhì)要求很高，由于液壓油在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中極易遭受空氣環(huán)境污染，這對(duì)液壓油的過(guò)濾提出更高的要求；系統(tǒng)在高壓狀態(tài)下工作時(shí)，容易產(chǎn)生噪音，油溫快速升高，并且容易滲漏。

電液比例閥由于低壓起動(dòng)，工作環(huán)境壓力較小，系統(tǒng)壓力隨試驗(yàn)力增加而比例增加，噪音低、油溫不易上升，具有較強(qiáng)抗污染能力，可實(shí)現(xiàn)無(wú)故障運(yùn)行。但是反應(yīng)速度較低，不適合動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)要求，只適合于靜態(tài)液壓試驗(yàn)機(jī)。綜上所述，經(jīng)過(guò)分析與比較，決定選用了電液伺服閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)加載的控制改造。

電液伺服閥它通常由力矩馬達(dá)（或力馬達(dá)）、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu)（或平衡機(jī)構(gòu)）三部分組成，是一種接受模擬電信號(hào)后，相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制器件。它是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，其液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示[3]。

圖3 PLC控制系統(tǒng)原理圖

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作流程及控制原理：傳統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)液壓控制元件主要是通過(guò)送油閥上閥門(mén)實(shí)行人工控制加載。改造后WJ-10型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以油缸下置式主機(jī)為平臺(tái)，通過(guò)增加配置進(jìn)口油泵和電液伺服閥、PC機(jī)伺服控制器，由伺服油路系統(tǒng)中的伺服閥來(lái)完成控制動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)多通道閉環(huán)控制。工作狀態(tài)如下：在電機(jī)帶動(dòng)下高壓齒輪泵將油箱內(nèi)的液壓油送進(jìn)伺服油路系統(tǒng)，流經(jīng)各種液壓元件，最后將處理好的高壓油帶入油缸。采集系統(tǒng)將安裝在油缸內(nèi)力傳感器采集到的力值信號(hào)及引伸儀收集應(yīng)變信號(hào)輸入PC機(jī)，經(jīng)過(guò)PC機(jī)內(nèi)的高級(jí)編程軟件對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、分析、判斷形成控制指令，對(duì)伺服閥伺服閥的開(kāi)口和方向進(jìn)行控制，從而控制進(jìn)入油缸內(nèi)液壓油的流量，完成對(duì)試驗(yàn)機(jī)油缸內(nèi)液壓活塞運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制。

2.2 電氣系統(tǒng)改造

當(dāng)采用電液伺服閥控制后，原電器元件上升（下降）電磁閥改為電液伺服閥。為了保證工作人員的安全，特別設(shè)置了試件裝夾時(shí)的鎖止按扭（帶螺帽的急停按扭），此按扭按下后，整個(gè)液壓系統(tǒng)均無(wú)法動(dòng)作，直到按下解除鎖止的按扭。這樣可避免其他人員誤操作及電氣干擾，進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備和操作員在裝夾時(shí)的安全。同時(shí)為保護(hù)電路中其他電器元器件，特添加了熱繼電器。電氣原理圖如圖4所示。

圖4 電氣原理圖

元器件清單如表1所示[4]。

表1 元器件清單表

3 程序設(shè)計(jì)

基于Kingview V6.03開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)機(jī)的監(jiān)控軟件，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。建立計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的全程監(jiān)控；建立ACXESS形式數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和保護(hù)，提供了多種有效方法方便操作人員對(duì)數(shù)據(jù)分析、處理和數(shù)據(jù)查詢(xún)，最后完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、匯總、報(bào)表和打印。對(duì)不正常的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，完成控制功能。界面總體規(guī)劃如圖5所示[5]。

圖5 程序界面

WJ-10材料試驗(yàn)機(jī)采用一套較為復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，為了增加試驗(yàn)機(jī)使用時(shí)的可靠性及測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用如圖6所示監(jiān)控界面。

圖6 監(jiān)控程序

4 結(jié)論

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，利用成熟的自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造。通過(guò)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，提高了測(cè)試精度和效率。