淺析TZS-10000陶瓷磚抗折試驗機電氣設計*

張 釗

(寧夏機械研究院股份有限公司 銀川 750002)

前言

陶瓷磚抗折試驗機主要是以測得試樣的抗彎強度來反映材料力學性能的檢測設備，主要用于陶瓷磚、石材等非金屬板材的彎曲強度試驗。筆者研制開發具有等載荷加載、壓力曲線顯示、數據自動計算等功能的陶瓷磚抗折試驗機電氣控制系統。經過實際應用，該控制系統提高了陶瓷磚抗折試驗機的控制精度、操作性能，減少試驗數據的計算時間，方便用戶使用。

1 工作原理

圖1 設備結構圖1后支承板 2前支承板 3左側防護板 4支承輥 5工作臺6支腳 7上壓輥 8保護開關 9壓力傳感器 10標尺11上壓輥刀座 12右側防護板 13上蓋 14觸摸屏15力值顯示儀 16加載裝置 17立柱 18后防護板

陶瓷磚抗折試驗機對陶瓷磚、瓦以及其它脆性材料作三點彎曲或四點彎曲試驗時，如試驗力大于或等于試樣的極限值時，試樣就會突然斷裂，根據試樣斷裂時的最大載荷，計算試樣的彎曲強度以及斷裂模數。其結構如圖1所示。

2 硬件結構

圖2 試驗機電氣控制系統結構圖

從圖2中可以看出，該型陶瓷磚抗折試驗機的電氣控制系統由可編程控制器(PLC)、觸摸屏、力值顯示儀表、測力傳感器、伺服系統、減速機、執行機構等組成，下面簡單介紹一下它們的特點以及在系統中的作用。

2.1 測力系統

試驗機測力系統由測力傳感器、力值顯示儀表和觸摸屏組成，結構如圖3所示。

圖3 測力系統結構圖

測力傳感器選用美國傳力的BSS-1T，觸摸屏選用臺達的DOP-B03S211機型，可進行參數設置、壓力曲線顯示、數據計算。力值顯示儀表由蘇州迅鵬儀表有限公司生產，其型號為：WPB5-DM1R2V0，可以實現峰值力顯示，力值校準，RS485通訊，力值上限報警輸出等功能。

力值顯示儀表接收測力傳感器的信號并通過RS485通訊功能與PLC進行通訊，將力值數據傳輸給PLC，觸摸屏與PLC本體上的RS232口進行通訊連接，并經過PLC內部運算，觸摸屏也可以實現實時力值的顯示，達到了雙窗口顯示力值的效果，如圖1中14、15所示。

2.2 可編程控制器(PLC)

綜合考慮該型試驗機的輸出控制要求、工藝特點以及通訊要求，本系統中PLC選用臺達的DVP32ES200TC。其具有以下特點：①支持三種編程語言；②脈沖輸出；③RS-232、RS-485通訊接口；④運行過程中可以實現程序寫入；⑤豐富的應用指令使復雜控制簡化。

PLC是本系統的控制核心，既要接受外部控制信號以及伺服系統報警信號，還要負責與力值顯示儀表、觸摸屏進行通訊，并通過程序運算控制PLC的輸出信號傳送給伺服系統。由于選用的都是臺達品牌的PLC和觸摸屏，電腦通過與觸摸屏進行連接，可以直接對PLC本體上運行的程序進行修改。

2.3 伺服系統

伺服系統包括伺服驅動器和伺服電機，選用的是臺達的ASDF-B2系列，伺服電機可以將電壓正信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象；可控制速度、位置，精度非常準確。伺服系統響應速度快，抗過載能力強，實現了位置、速度和力矩的閉環控制；本系統PLC將控制信號輸送給伺服驅動器，驅動器控制伺服電機旋轉并通過減速機，驅動帶有絲杠傳動的執行機構，從而實現力值加載控制。

3 程序

本系統根據硬件配置要求，程序分4大類：①可編程控制器(PLC)程序；②觸摸屏程序；③伺服系統內部參數設定；④力值顯示儀表內部參數設定。PLC程序編制由WPLSoft編程軟件進行編制，如圖4所示。整個程序采用模塊化結構，這樣方便調用，易于修改，下面分別介紹所用程序的主要功能。

圖4 PLC程序編制界面

3.1 PLC程序

3.1.1 PLC手動調試程序

該程序可以實現手動操作觸摸屏上的動作按鍵使執行機構完成相應的單步動作，在手動狀態下需要調試的工作有：①調整地腳螺栓使整機水平；②將壓輥安裝到位；③通過上升、下降按鍵使工作壓輥上、下動作，并檢查上、下極限位是否工作正常；④急停按鈕、安全開關，以及各信號指示燈工作是否正常；⑤校準力值；⑥調試和維修設備時，需要在手動狀態下進行。

3.1.2 自動運行程序

自動運行程序的工作流程如圖5所示，該程序能實現試驗機在滿足自動運行時的初始化條件時，按下操作面板上的“運行停止”鍵，試驗機自動進行對試樣的加載，直到試樣斷裂。如中途停機，可再次按下“運行停止”鍵，試驗機會停止工作。

圖5 工作流程圖

3.2 觸摸屏程序

觸摸屏程序中建立了7個基本窗口，1個報警窗口。報警窗口為動態窗口，只有當試驗機發生故障時，報警窗口才會彈出至當前，并顯示具體的故障信息。7個基本窗口的功能說明如下：

(1)基本窗口1：觸摸屏在初始化后顯示的窗口；

(2)基本窗口2：此窗口有狀態指示以及需要進入其他窗口相對應的按鍵；

(3)基本窗口3：此窗口為試驗機自動運行時的操作窗口，包括：運行狀態指示、力值顯示、加載速度顯示、峰值清零，這些功能都集中在這個窗口上，方便用戶操作以及觀察試驗運行時的情況。

(4)基本窗口4：此窗口為數據計算窗口，用戶根據試樣尺寸輸入相關數據，可自動計算出試樣的破壞強度和斷裂模數。

(5)基本窗口5：速度設置、加載時間、返回時間、力值設置等參數都經過此窗口輸入至PLC進行運算處理與控制。

(6)基本窗口6：通過此窗口可對試驗機進行手動操作，力值校準操作。

(7)基本窗口7：此窗口為圧力曲線顯示，主要用來觀察施加在試樣上的力在整個加載過程中的變化趨勢。

3.3 伺服系統內部參數設定

伺服系統主要由伺服驅動器和伺服電機組成，伺服驅動器內部參數輸入主要分為手動輸入和ASDA-Soft操作軟件進行設定。將電腦與伺服驅動器進行通訊，并通過該軟件將設置好的參數下載至驅動器內，通過這種方式可以較大程度的節省了參數輸入時間，同時也縮短了整機調試的時間。根據試驗機動作要求，上、下極限位，外部輸入以及報警輸出等要求，對伺服驅動器內相關參數進行設定，如圖6所示。

圖6 伺服系統參數編輯界面

3.4 力值顯示儀表內部參數設定

(1)根據試驗要求，需要對儀表內部參數進行設置：傳感器量程上、下限值、峰值力顯示、單位選擇、小數位選擇、通訊參數、濾波系數等需要設置。

(2)將復位方式設定為外部段子復位方式，方便操作。

(3)儀表報警輸出設定為上限報警輸出。

4 結語

TZS-10000型陶瓷磚抗折試驗機經多次調試，技術要求達到了國標要求，現已進入生產階段。該型試驗機電氣控制系統具有以下優點：①自動化程度高、操作簡便，節省操作時間。②伺服系統驅動傳動機構，使力值加載穩定，可靠。③力值加載方式可選擇等位移、等載荷加載方式。④試驗數據自動計算，并留有數據輸出接口，方便用戶調用。⑤故障信息通過觸摸屏直接顯示出來，方便維修人員解決故障原因。缺點主要是試驗機壓頭連接組件間的間隙較大，控制程序需進一步完善優化。TZS-10000型陶瓷磚抗折試驗機的設計成功為寧夏機械研究院陶瓷磚檢測設備的更新換代打下了堅實的基礎；不僅豐富了陶瓷磚抗折試驗機產品的種類，而且能更好的滿足市場需求，為客戶選型陶瓷磚抗折試驗機提供了便利。