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液壓萬能材料試驗機的測控系統操作原理

發布時間:2019-12-9 8:44:22  瀏覽:

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材料試驗機是一種常用的力學試驗設備,用于測試各種材料的力學性能。隨著各行業對新材料的需求越來越廣泛,材料的力學性能測試已成為關鍵。傳統試驗機只能靠試驗人員觀察,根據經驗加以手工調整,通過指針表盤的讀數計算得到材料性能數據,操作復雜。按照現行的材料測試標準,傳統拉力試驗機無法達到要求,也將逐漸被淘汰。因此,本研究將基于Delphi語言的軟件技術與基于單片機的自動控制技術相結合,應用于萬能材料試驗機的控制系統中,通過對通用材料拉伸、壓縮等試驗標準進行分析的基礎上,建立萬能試驗機測控系統軟硬件與試驗標準規程之間的關系,提出??榛納?、下位機軟件及硬件的設計方法?;綣こ痰?9卷本研究在建立測控系統上位機軟件及下位機軟、硬件平臺的基礎上對所提出的??榛笛檣杓品椒ń釁蘭?,同時進行多目標持荷試驗、水泥膠砂抗壓試驗以及金屬拉伸試驗,以期解決萬能材料試驗機功能單一、試驗擴展復雜的缺點。

1測控系統硬件設計

本研究以AVR單片機為核心,基于硬件??榛杓頻乃枷?,實現了測控系統的硬件結構,其主要包含6個子???,系統結構如圖1所示。

 液壓萬能材料試驗機的測控系統結構

1.1單片機最小系統該系統采用AVR系列單片機Atmega16L,其最小系統由單片機、電源、晶振以及復位電路組成。復位電路是在進行系統硬件設計中常見的一種電路,而一個系統復位電路設計的好壞,直接影響到整個系統工作的可靠性。故該系統復位電路根據AVR單片機的低電平復位特點,直接由10kΩ上拉電阻實現,簡單可靠。晶振電路采用陶瓷晶體與雙30pF電容組成,頻率8MHz。

1.2高精度A/D轉換???/p>

該??椴杉沽?、變形等模擬信號,經濾波放大后輸入A/D轉換器,轉換成數據信號,傳遞給單片機。放大器采用OP07,A/D采用AD7710,均為模擬器件公司的高精度器件。

1.3拉線編碼器解碼???/p>

拉線編碼器用于測試工作臺位移,包括方向解碼和位解碼,方向解碼采用74LS74,編碼器的A、B相信號,經過光電耦合器隔離進入方向解碼和單片機,方向信號也輸入單片機,通過單片機進行計數和位移計算。

1.4精密電源???/p>

電源??楦蠭C供電,其中最關鍵的是給AD7710提供精密電壓源,精密電壓源由LM336提供。

1.5串口通訊???/p>

串口通訊實現下位機與上位機的數據通訊,下位機將采集到的信號傳遞給上位機,上位機則下發命令告訴下位機該執行的動作。在本研究中,通訊芯片采用MAX232。

1.6開關量輸出???/p>

開關量的作用包括兩部分:①實現對步進電機方向和脈沖輸出控制;②輸出實現系統的過載?;?。

2軟件設計

2.1上位機設計

目前萬能試驗機測控軟件操作復雜,對實驗員水平要求高。本研究通過軟件架構的調整來解決這個問題。軟件分成3大塊:主程序、設備配置??楹褪匝檳??,后兩者均以DLL形式封裝,前者用于支持不同機型,后者便于擴展新的試驗方法。動態鏈接庫(Dy-namicLinkLibrary,DLL),它是一種函數或資源庫,可以編寫成與語言無關的方式,被應用程序或其他DLL文件調用。所以主程序支持在不同試驗??榧淶那謝?,當實驗員切換到某個預置的試驗???,與該試驗相關的控制過程、數據記錄和結果分析方法都被完全定制,把實驗員從專業、繁瑣的參數設置中解脫出來。主程序將管理并呈現另外兩個??櫚男畔?,主程序結構如圖2所示。

 液壓萬能材料試驗機的測控系統

2.2下位機軟件設計

下位機軟件由數據采集程序、壓力控制程序、通訊程序組成。數據采集程序實現單片機與AD7710的通訊,壓力控制程序實現試驗機加載控制,通訊程序實現上、下位機的數據交互及命令解析。在壓力控制程序方面,采用單一經典的PID控制策略,往往不能達到理想的控制效果;采用單一模糊控制策略,雖然改善了動態特性和魯棒性,但由于大量模糊控制規則的存在,影響了控制的準確性。其中壓力控制程序實現基于模糊PID的三閉環控制如圖3所示。

 壓力控制程序實現基于模糊PID的三閉環控制

3實驗研究

本研究采用自行開發的萬能材料試驗機控制器對某公司生產的手動萬能試驗機進行改造,改造完成后的試驗臺如圖4所示,可進行標準的材料性能測試相關試驗。

 液壓萬能材料試驗機

3.1多目標持荷試驗

多目標持荷試驗的目的是測試該算法在勻速加載和目標持荷時的效果,以驗證測試控制系統的基本性能。采用FuzzyPID算法控制器的實驗效果如圖5所示。從圖5中的實驗曲線看,該算法達到了一級精度要求。

 液壓萬能材料試驗機測試

3.2水泥膠沙抗壓試驗

本研究在加載持荷實驗基礎上,進行水泥膠沙抗壓試驗,試驗記錄的力-時間曲線如圖6所示。試驗加載速度能夠精確地控制在試驗標準所要求的2.4kN/s,證明了該算法及其控制器在精確力控制中的效果。

3.3具有明顯屈服的金屬材料拉伸試驗

在前述試驗的基礎上,本研究對具有明顯屈服材料進行拉伸試驗。試驗過程中采用力、變形、位移三閉環控制,所得力-變形曲線如圖7所示。從試驗數據計算得到的材料力學性能與該材料的理論力學性能基本吻合,反映了自適應PID算法在三閉環金屬拉伸試驗中的適用性。

 拉力變形曲線圖

4結束語

本研究自主開發的材料試驗機控制系統采用??榛杓撲枷?,在軟件和硬件兩個層面實現了設計、操作及擴展的方便性,降低了試驗員的工作強度,使集成新的材料試驗標準也變得簡單。

通過對多種材料及不同實驗標準的集成及其實驗表明,該系統在實現國家標準及操作簡便性的同時,能便于試驗擴展,且達到了較高的數據精度及系統控制精度。


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