汽車板拉伸試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

羅五四 李飛鵬 黃利明 張耿旭 林建華 周存鋒

(①東風(fēng)汽車有限公司，湖北十堰442001;②廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006;③鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州450000)

汽車用薄鋼板在載重汽車制造中的使用量占鋼材總量的30%左右［1］。WDK-5汽車板拉伸試驗(yàn)機(jī)是完成薄鋼板力學(xué)性能指標(biāo)［2］:抗拉強(qiáng)度(Rm)、屈服強(qiáng)度(Re)、斷后伸長率(A)、應(yīng)變硬化指數(shù)(n-value)及塑性應(yīng)變比(r-value)進(jìn)廠檢驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備。另外，在生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、新產(chǎn)品設(shè)計選材、構(gòu)建汽車板理化性能數(shù)據(jù)庫和優(yōu)化選材降低成本中也需要該設(shè)備提供檢測數(shù)據(jù)。

WDK-5拉伸試驗(yàn)機(jī)是工控機(jī)控制的全電驅(qū)動汽車板專用拉伸試驗(yàn)機(jī)。其機(jī)械部分采用導(dǎo)向雙立柱固定上橫梁及工作臺面構(gòu)成的落地式框架結(jié)構(gòu)機(jī)架，以高精度、無間隙的精密滾珠絲杠帶動中橫梁上下移動來傳遞負(fù)荷。

1 試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 電氣控制系統(tǒng)

圖1為拉伸試驗(yàn)機(jī)的電氣原理圖。其中電力拖動部分采用大功率晶體管脈寬調(diào)速直流伺服控制驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制，其低速和穩(wěn)速性能優(yōu)良，并且中橫梁加載時傳動平穩(wěn)。主電路則通過采用三相電源隔離變壓器來減小電力拖動環(huán)節(jié)對力和位移模擬量信號調(diào)理電路的電磁干擾。

試驗(yàn)機(jī)中橫梁上升和下降控制電路采用手動和自動兩種控制方式，使用琴鍵開關(guān)對控制方式進(jìn)行切換。圖1中+10 V電壓加在繞線電位器Rw上，通過調(diào)節(jié)電位器可實(shí)現(xiàn)手動調(diào)速。自動調(diào)速模塊由計算機(jī)通過D/A模擬信號通道向PWM電傳動控制調(diào)速器輸出給定控制電壓，實(shí)現(xiàn)在線拉伸速度的控制。為簡化電路、方便操作，采用具有自鎖功能的SB1按鈕來實(shí)現(xiàn)中橫梁上升和下降的控制。當(dāng)SB1彈起時，中間繼電器KA1的常閉觸點(diǎn)通電，伺服電動機(jī)正轉(zhuǎn)使中橫梁上升;當(dāng)SB1按下時，KA1的常開觸點(diǎn)通電，伺服電動機(jī)兩端電壓以及測速發(fā)電動機(jī)的反饋電壓同時反向，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)使中橫梁下降。上、下限位開關(guān)SQ1和SQ2對試驗(yàn)機(jī)門式機(jī)架起保護(hù)作用。當(dāng)中橫梁超出移動限定范圍時，5 V微繼電器K通電切斷緩沖器的給定電壓使伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)。

中橫梁快、慢速檔位切換電路通過帶有自鎖功能的按鈕SB2對YV電磁離合器的控制實(shí)現(xiàn)速度檔位的切換。當(dāng)SB2彈起時，+30 V電壓經(jīng)中間繼電器KA2常閉觸點(diǎn)給慢速電磁線圈供電，變速箱處于慢速檔狀態(tài);當(dāng)SB2按下時，+30 V電壓經(jīng)KA2常開觸點(diǎn)給快速電磁線圈供電，變速箱處于快速檔狀態(tài)。

通過SB1和SB2按鈕的組合，可實(shí)現(xiàn)中橫梁快速上升和下降，用于調(diào)整上、下夾頭間的位置;慢速上升則用于拉伸試驗(yàn)。

1.2 測量鏈的硬件構(gòu)成

拉伸試驗(yàn)機(jī)測量鏈硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。測量鏈屬于單通道模擬信號輸出和多通道模擬信號輸入系統(tǒng)，其配置為:①PCA-6006LV工業(yè)PC機(jī);②PCL-816 16位16路差分模擬量數(shù)據(jù)采集卡;③PCL-728 2通道隔離模擬量輸出卡;④BLR-1型30 kN電阻應(yīng)變式拉壓力傳感器;⑤試樣寬度小變形測量用YYJ-3/12.5-H、YYJ-3/20-H或YYJ-3/25-H，試樣長度變形測量用YYU-25/50或YYU-40/80電阻應(yīng)變式電子引伸計;⑥YD-28A型動態(tài)電阻應(yīng)變儀。

工控機(jī)根據(jù)在線檢測到的試樣伸長率，通過分時給模擬量輸出通道(PCL-728)的D/A卡寄存器傳送相應(yīng)的數(shù)值來控制PWM電傳動控制調(diào)速器，從而控制試驗(yàn)機(jī)兩夾頭的分離速度。在拉伸試驗(yàn)彈性階段和屈服階段，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)機(jī)兩夾頭分離速度5 mm/min的控制。在強(qiáng)化階段和局部變形階段則實(shí)現(xiàn)分離速度20 mm/min的控制。各階段之間速度變更點(diǎn)設(shè)計在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)過敏感的屈服階段后，應(yīng)變值為1%(0.5 mm)處，這樣可以保證拉伸曲線的平滑。

數(shù)據(jù)采集通道由傳感器、應(yīng)變儀和A/D卡組成。當(dāng)拉力傳感器受力及引伸計有變形時，傳感器中以電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件的電橋因應(yīng)變電阻的變化而失去平衡，產(chǎn)生與被測的拉力、長度和寬度位移信號成正比例的微弱模擬電壓信號，經(jīng)過應(yīng)變儀放大、濾波和變換到-5～+5 V的范圍后，送至A/D卡轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字化信號輸入工控機(jī)。工控機(jī)按程序?qū)?shù)字信號進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、數(shù)據(jù)存儲、拉伸曲線和力學(xué)性能指標(biāo)顯示。測量鏈可實(shí)現(xiàn)單通道單獨(dú)調(diào)零，也可實(shí)現(xiàn)多通道同時歸零。

2 試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 測控軟件總體構(gòu)成

智能化測控軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，運(yùn)用Visual C++6.0開發(fā)工具進(jìn)行拉伸試驗(yàn)人機(jī)界面的開發(fā)。軟件采用單文檔界面(SDI)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 測量鏈標(biāo)定

系統(tǒng)標(biāo)定部分由系統(tǒng)增益調(diào)整、拉伸力、長度和寬度位移標(biāo)定數(shù)據(jù)采集4個模塊組成。標(biāo)定環(huán)節(jié)能夠定期進(jìn)行檢定或在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)，其測量基準(zhǔn)能夠溯源到國家基準(zhǔn)。

系統(tǒng)增益調(diào)整界面中的3個顯示窗口分別對應(yīng)拉伸力、長度和寬度位移測量鏈，用于在標(biāo)定數(shù)據(jù)采集前對各通道增益進(jìn)行調(diào)整。如在拉力傳感器上施加最大負(fù)荷時，調(diào)整應(yīng)變儀的放大倍數(shù)，使對應(yīng)的輸出電壓值接近采集卡所設(shè)定的+5 V上限電壓輸入值。而在正常試驗(yàn)時，則能夠?qū)炝?、長度和寬度位移測量鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前的調(diào)零監(jiān)控。

借助靜態(tài)標(biāo)定用機(jī)械式反向力標(biāo)定器，在EHB-60A 0.3級標(biāo)準(zhǔn)測力儀的配合下，通過力值標(biāo)定數(shù)據(jù)采集界面中與檢定證書表格一致的標(biāo)定計劃表，采集程序在表格中采入滿量程范圍內(nèi)，任意7個加載力值標(biāo)定點(diǎn)的力值測量鏈輸出電壓值，如表1所示。標(biāo)定程序?qū)Ρ?中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，得出被標(biāo)定拉力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)加載力值與測量鏈輸出的模擬電壓值之間的線性擬合關(guān)系式，即標(biāo)定曲線方程。標(biāo)定模塊保證了試驗(yàn)機(jī)示值的長期準(zhǔn)確度。

表1 加載力值與采集電壓對照表

表1中一組加載負(fù)荷和采集電壓數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析方法中的最小二乘法結(jié)論公式:

處理后即可得出反映拉力傳感器測量通道的回歸直線方程為:

變換為由采集的電壓值反求力值的形式:

拉伸試驗(yàn)測力時，知道了電壓值，便能從公式中計算出拉伸力的數(shù)值。長度和寬度拉伸位移標(biāo)定模塊的功能與拉伸力類同。

2.3 標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證

完成測量鏈標(biāo)定后，可通過標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證界面檢查相應(yīng)的標(biāo)定曲線和回歸方程;通過標(biāo)定結(jié)果校準(zhǔn)界面，在全量程范圍內(nèi)任選一系列標(biāo)定點(diǎn)施加標(biāo)準(zhǔn)力值進(jìn)行n次等精度復(fù)測比對;通過系統(tǒng)靜態(tài)特性測試界面來驗(yàn)證當(dāng)前系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果是否符合要求。系統(tǒng)靜態(tài)特性檢查部分由線性誤差、回程誤差、精密度和穩(wěn)定度界面組成，能夠?qū)y量系統(tǒng)的重復(fù)性、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性和線性方面進(jìn)行統(tǒng)計特性分析，消除試驗(yàn)中的盲目性。

2．4 電壓波形采集

電壓波形采集和回放界面用于對輸入標(biāo)準(zhǔn)波形，如不同頻率的方波、三角波和正弦波的測量鏈進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)分析。通過方波考核測量鏈對階躍信號前沿和后沿的動態(tài)響應(yīng)能力;通過三角波檢驗(yàn)測量鏈對信號線性上升和下降跟蹤的平滑程度;通過正弦波獲取測量鏈的系統(tǒng)帶寬情況，預(yù)防測量結(jié)果失真。

2．5 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

采集程序基于VC編程環(huán)境，用C語言直接訪問底層硬件采集數(shù)據(jù)。程序通過數(shù)據(jù)采集界面的人機(jī)對話接口獲取開始采集的控制信號，并在完成組合框中所選定的采集點(diǎn)數(shù)后自動結(jié)束。采樣頻率通過函數(shù)GetTickCount()，按照給定的發(fā)生頻率來進(jìn)行調(diào)節(jié)，最小采樣頻率為1 kHz。這樣系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)對每一周期作密集采樣，也能夠給拉伸過程提供必要的采集時間長度。數(shù)據(jù)采集程序的N-S流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集與回放是通過圖5的測控軟件主界面來實(shí)現(xiàn)的。界面上方的4個窗口分別實(shí)時顯示:①拉伸應(yīng)力(MPa);②拉伸應(yīng)變(%);③寬度變形(mm);④拉伸時間，使操作者能隨時監(jiān)控3個通道的實(shí)時數(shù)據(jù)。

界面第二排20個按鈕對應(yīng)可連續(xù)采集的每個牌號鋼板的試樣個數(shù)，在當(dāng)前試樣做完試驗(yàn)后，對應(yīng)按鈕由平面變?yōu)橥蛊?。通過單擊某一按鈕可以查看相應(yīng)試樣的拉伸曲線和力學(xué)性能指標(biāo)。

界面中部的窗口能夠根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的動態(tài)顯示。通過對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均濾波處理，得到連續(xù)平滑的采集曲線。為防止汽車沖壓件表面產(chǎn)生皺褶現(xiàn)象，汽車用冷軋薄鋼板出廠前加了平整工藝處理，所以圖5中的拉伸曲線沒有屈服平臺。顯示拉伸曲線窗口的右邊區(qū)域還顯示當(dāng)前試樣的力學(xué)性能指標(biāo)。

界面中的兩個拉伸速度滾動條是控制試驗(yàn)過程中屈服前和屈服后的拉伸速度。滾動條下面的兩個滑塊對縱坐標(biāo)軸和橫坐標(biāo)軸起放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)作用。

顯示曲線窗口右邊的3個組合框:輸入試樣寬度(mm)、厚度(mm)和標(biāo)距(mm)，供拉伸試驗(yàn)結(jié)束后算法程序計算力學(xué)性能指標(biāo)用。

主界面的下方有13個功能按鈕，常用按鈕有:“設(shè)置參數(shù)”、“開始測試”、“存儲數(shù)據(jù)”、“比較曲線”、“打印報告”。打印程序采用CList類和CScrollView類功能，開發(fā)了現(xiàn)場直接生成和打印完整的圖文拉伸試驗(yàn)報告模塊。

2.5.2 伸長率數(shù)字顯示方式采集

該模塊是針對國標(biāo)GB/T 228-2002［2］中所涉及到的伸長率另外兩個指標(biāo):最大力非比例伸長率(Ag)和最大力總伸長率(Agt)的測量而設(shè)計的，能夠解決拉伸試驗(yàn)機(jī)自動測量斷后伸長率面臨的準(zhǔn)確性難題［3］。伸長率數(shù)據(jù)的采集為論證工程應(yīng)用中應(yīng)采用Agt還是Ag和爭取在冷軋薄鋼板技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂時將Agt列入力學(xué)性能表提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。通過理論分析和編程調(diào)試確認(rèn):Agt垂直對應(yīng)Rm，用計算機(jī)對Agt進(jìn)行采集和計算直接和準(zhǔn)確;而求Ag還需計算出由彈性段劇烈變化引起的不易得到準(zhǔn)確的Agt-Ag。由于采用鏈表結(jié)構(gòu)，重復(fù)采集數(shù)據(jù)的次數(shù)不受限制。啟動試驗(yàn)機(jī)工作，并在中橫梁慢速上升中開始采集數(shù)據(jù)，將縱向變形引伸計的位移模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以表格形式顯示，提高了做多家鋼廠多種汽車板性能比對試驗(yàn)的靈活性。

基于此，本文將借鑒法國在鄉(xiāng)村旅游發(fā)展中“鄉(xiāng)愁—鄉(xiāng)居—鄉(xiāng)思“的實(shí)踐體現(xiàn)，探討我國鄉(xiāng)村旅游可持續(xù)發(fā)展的動力機(jī)制。

2．6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理算法采用結(jié)構(gòu)體和類的思想，將計算9個材料力學(xué)性能指標(biāo)公式的諸函數(shù)集中到一個類(CFunction9)中統(tǒng)籌編程，可對采集的一批試樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析計算，其結(jié)果顯示如圖5大窗口右邊區(qū)域所示。該類的一些函數(shù)還在數(shù)據(jù)采集程序的自動控制停機(jī)條件中被反復(fù)調(diào)用。計算拉伸指標(biāo)條件有兩種設(shè)定方法:

表2 拉伸試驗(yàn)比對數(shù)據(jù)表

表3 比對試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析表

(1)在對話框中設(shè)置計算拉伸指標(biāo)參數(shù):①在組合框中輸入計算塑性應(yīng)變比(r-value)需要的應(yīng)變點(diǎn)(如15%)，計算應(yīng)變硬化指數(shù)(n-value)需要的應(yīng)變區(qū)間(如10% ～20%)，以及等間距點(diǎn)數(shù)(如N=26);②選擇尋找屈服點(diǎn)的方法(取應(yīng)變點(diǎn)為0.2%，或者取拉伸曲線斜率第一次下降為50%時的應(yīng)力值);③選擇計算比例極限點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

(2)在拉伸曲線上通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)定位選擇計算條件:用在拉伸曲線上出現(xiàn)屈服平臺時，需要采用人工讀取屈服強(qiáng)度等有特殊要求的場合。由用戶根據(jù)需要依次在拉伸曲線上用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊6個點(diǎn):比例極限點(diǎn)、屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度點(diǎn)、總延伸率點(diǎn)、計算n-value第一點(diǎn)和第二點(diǎn)，程序?qū)⒏鶕?jù)所選點(diǎn)的縱坐標(biāo)軸應(yīng)力值和橫坐標(biāo)軸應(yīng)變值到數(shù)據(jù)鏈表中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)取出數(shù)據(jù)傳入力學(xué)性能指標(biāo)計算公式，計算出9個拉伸試驗(yàn)指標(biāo)。

3 比對試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證WDK-5拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，與德國Zwick和日本SHIMADZU拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)例的比對試驗(yàn)。比對試驗(yàn)采用某牌號冷軋鍍鋅高強(qiáng)度鋼板的JIS 5號試樣，標(biāo)距50 mm，板厚1.4 mm。同時還與該試樣的鋼廠樣品出貨清單數(shù)據(jù)(Test Equipment:Zwick Z250)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼板的力學(xué)性能值作了比對。拉伸試驗(yàn)比對數(shù)據(jù)如表2所示。

表3給出了表2比對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析結(jié)果。5個檢測指標(biāo)以相對偏差來評價比對結(jié)果的一致性，相對偏差=D/x×100%，其中絕對偏差D=|x-ˉx|，x為參加比對試驗(yàn)室的測量值，ˉx為參加比對試驗(yàn)室的測量平均值。

從表3的誤差分析結(jié)果中可以得出，5個性能指標(biāo)的最大相對偏差均小于工程應(yīng)用中可以接受的3%約定判定標(biāo)準(zhǔn)值，且WDK-5所測90°軋向數(shù)據(jù)均處在企業(yè)鋼板標(biāo)準(zhǔn)中力學(xué)性能區(qū)間值規(guī)定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，據(jù)此判定WDK-5實(shí)測數(shù)據(jù)與同類設(shè)備測試數(shù)據(jù)在誤差允許的范圍內(nèi)是一致的。

4 結(jié)語

(1)按國標(biāo)《GB/T 16491-2008電子式萬能試驗(yàn)機(jī)》規(guī)定的測量精度誤差指標(biāo)，經(jīng)過2 000根試樣的拉伸試驗(yàn)及比對試驗(yàn)驗(yàn)證，WDK-5拉伸試驗(yàn)機(jī)的控制精度符合0級標(biāo)準(zhǔn)。

(2)測量鏈標(biāo)定和標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證模塊實(shí)現(xiàn)了全量程多點(diǎn)綜合標(biāo)定功能，保證了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

(3)在采集的拉伸曲線上，手工點(diǎn)擊選擇計算條件的功能拓展了軟件的應(yīng)用范圍。

［1］鄒恒琪，周建軍，李飛鵬.汽車用薄鋼板的質(zhì)量現(xiàn)狀與發(fā)展要求［J］.中國冶金，2001(4):20-22.

［2］原國家冶金工業(yè)局.GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002，7.

［3］李和平，周星.拉伸試驗(yàn)機(jī)自動測量斷后伸長率面臨的難題及解決辦法［J］.理化檢驗(yàn):物理分冊，2008(1):7-13.