基于全閉環(huán)四軸同步的變比例荷載/位移雙向拉伸試驗機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)

鄭雨婷，錢 波，管延智，王海波

ZHENG Yu-ting1,QIAN Bo1,GUAN Yan-zhi2,WANG Hai-bo1

(1. 北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144；2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，呼和浩特 100051)

0 引言

近年來，大量的學(xué)者研究開發(fā)了針對材料在復(fù)雜加載路徑下的力學(xué)特性下的控制系統(tǒng)，如Ferron[1]，Makinde[2]，萬敏[3～5]等人開展了十字形雙向拉伸控制系統(tǒng)的研究，但是上述研究大部分均是基于液壓控制系統(tǒng)，由于液壓控制系統(tǒng)影響因素較多，對于描述材料的力學(xué)特性而言可能測量精度無法得到保證。為了提高材料在雙向拉伸狀態(tài)下的測量精度，本文開發(fā)了基于全閉環(huán)四軸同步的變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機(jī)的控制系統(tǒng)，通過控制不同方向的伺服電機(jī)的運(yùn)動，從而實現(xiàn)了變比例載荷/位移下的位移控制和載荷控制，大大提高其控制精度，進(jìn)一步完善了變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機(jī)的試驗性能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 控制平臺

如圖1所示為變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機(jī)，該試驗機(jī)為北方工業(yè)大學(xué)自主研制，可沿四個方向拉伸，通過控制四個方向上四個伺服電機(jī)的運(yùn)動，實現(xiàn)四軸同步的變比例載荷/位移雙向拉伸控制。

圖1 變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機(jī)

1.2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

如圖2所示為雙向拉伸試驗機(jī)控制系統(tǒng)總體方案，其中：下位機(jī)采用SIMOTION D425運(yùn)動控制器，實現(xiàn)X方向兩個伺服電機(jī)以及Y方向兩個伺服電機(jī)的運(yùn)動控制；上位機(jī)采用工控機(jī)，基于VC++（MFC）編程，實現(xiàn)人機(jī)交互。

在變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機(jī)上設(shè)有壓力傳感器、位移傳感器以及引伸計。試驗機(jī)運(yùn)行后，壓力傳感器實時檢測試件受力情況，并將檢測到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號反饋到SIMOTON控制器中；位移傳感器實時檢測試件的拉伸位移，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)反饋到SIMOTION控制器中；引伸計實時檢測試件應(yīng)變情況，通過信號調(diào)理模塊將信號放大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號反饋到SIMOTION控制器中。

2 全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖3所示為全閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)方案。其中，內(nèi)環(huán)反饋通過伺服電機(jī)上的編碼器反饋信號反饋到驅(qū)動器，而外環(huán)反饋（包括位置反饋，力反饋以及應(yīng)變反饋）通過外部傳感器采集信號并反饋到控制器。具體而言，位置反饋是由光柵尺采集拉伸臺位移信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊反饋到控制器；力反饋是由壓力傳感器采集拉力信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換反饋到控制器；應(yīng)變反饋是由引伸計采集應(yīng)變信息，經(jīng)過信號放大以及A/D轉(zhuǎn)換反饋到控制器。

控制器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)控制系統(tǒng)通過分析數(shù)據(jù)然后決策進(jìn)行速度控制。

圖3 基于全閉環(huán)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩大部分：上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計和下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。

3.1 上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1.1 上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖4為上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖，圖5為上位機(jī)用戶界面，上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計是基于MFC開發(fā)，可以實現(xiàn)以下功能：四個伺服電機(jī)的運(yùn)動控制（包括點動控制、四軸同步變比例位移控制、變比例載荷控制），整線啟?？刂?，實時繪制實驗曲線，信息反饋顯示，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及保存實驗數(shù)據(jù)等。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

圖5 上位機(jī)用戶界面

3.1.2 上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件控制算法

如圖6所示四軸示意圖，分別為X1軸向、X2軸向、Y1軸向以及Y2軸向。

圖6 四軸示意圖

3.1.2.1 位移控制

X1向、X2向、Y1向、Y2向的位移控制實際上可轉(zhuǎn)換為X1向、X2向、Y1向、Y2向的速度控制，具體實施方法即X1向、X2向速度恒定，Y1向、Y2向速度和X1向、X2向速度成比例。其原理如下：

已知式(1)、(2)：

上式(1)-(4)中：

Sx1為X1方向上的位移，Sx2為X2方向上的位移；

Sy1為Y1方向上的位移，Sy2為Y2方向上的位移；

vx1為X1方向上的位移，vx2為X2方向上的位移；

vy1為X1方向上的位移，vy2為X2方向上的位移；

r表示比例，其大小在0-1之間。

從式(1)、(2)可知sx1、sx2、sy1、sy2可由vx1、vx2、vy1、vy2來表示，由式(3)、(4)可知，對sx1、sx2、sy1、sy2的控制可轉(zhuǎn)化為對vx1、vx2、vy1、vy2的控制，若使sx1、sx2分別和sy1、sy2成一定比例，即控制vx1、vx2分別和vy1、vy2成一定比例。

3.1.2.2 變比例載荷控制

變比例載荷控制原理如下：X1向、X2向以恒定的速度拉伸，拉伸過程中實時反饋X1向、X2向拉力，Y1向、Y2向以實時變化的速度進(jìn)行拉伸，并實時反饋Y1向、Y2向拉力，在此過程中，程序?qū)崟r判斷Y1向、Y2向拉力分別與X1向、X2向拉力差，根據(jù)拉力差實時增大或減小Y1向、Y2向速度，從而實現(xiàn)增大或減小Y1向、Y2向拉力，使其按給定比例控制。其控制算法如下：

設(shè)十字試件X1向、X2向的拉力分別為Fx1、Fx2，Y1向、Y2向的拉力分別為Fy1，F(xiàn)y2；

設(shè)X1向、X2向的線速度分別為vx1、vx2，Y1向、Y2向的線速度分別為vy1，vy2。

1）設(shè)定初始速度值滿足下式：

其中，r表示比例系數(shù)，大小為0-1之間。

2）定義F為下式：

3）判斷標(biāo)準(zhǔn)：

若F<0,即需要增加Y1向以及Y2向的拉力，控制該軸的速度應(yīng)加快，即采用下式：

若F<0,則需要減小Y1向以及Y2向的拉力，控制該軸的速度應(yīng)減慢，即采用下式：

4）采集力傳感器數(shù)據(jù)Fx1,Fx2,Fy1,Fy2；光柵尺數(shù)據(jù) sx1,sx2,sy1,sy2；引伸計數(shù)據(jù) lx1,lx2,ly1,ly2，實時繪制實驗曲線。判斷若sx1＞5,sx2＞5且vx1＜100,vx2＜100，說明材料已被拉斷，則結(jié)束實驗，轉(zhuǎn)到5），否則轉(zhuǎn)到2）循環(huán)執(zhí)行。

5）保存實驗數(shù)據(jù)。

3.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖7所示為下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)，下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計是基于西門子STEP 7，應(yīng)用SIMOTION SCOUT軟件，采用ST語言開發(fā)，完成指令解析與執(zhí)行，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，反饋傳感器數(shù)據(jù)等。上位機(jī)控制系統(tǒng)與下位機(jī)控制系統(tǒng)按照自定義通訊協(xié)議，通過TCP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

4 實驗驗證

本文試驗所用試件為十字件，材料為Q235，尺寸為40cm×40cm×6cm。

4.1 位移控制實驗驗證

本文試驗所用試件為十字件，材料為Q235，尺寸為40cm×40cm× 6cm。

控制標(biāo)準(zhǔn)為：sy1/sx1= sy2/sx2= 0.5。

表2給出了三個時間點，200s，310s，419s下的位移比例，其相對誤差在5%之內(nèi)，與控制標(biāo)準(zhǔn)基本一致。圖9給出了四條曲線分別為X1向、X2向、Y1向以及Y2向的時間-位移曲線，結(jié)果表明X1向與X2向曲線基本重合，Y1向與Y2向基本重合，且Y向與X向的位移比接近0.5。試驗結(jié)果表明本控制系統(tǒng)在變比例位移控制下基本滿足要求。

表1 變比例位移測量結(jié)果比較

圖7 下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

圖8 試件示意圖

圖9 時間-位移曲線

4.2 載荷控制實驗驗證

控制標(biāo)準(zhǔn)為：Fy1/Fx1= Fy2/Fx2= 0.75。

表2給出了三個時間點，179s，268s，353s下的荷載控制比例，其相對誤差在5%之內(nèi)，與控制標(biāo)準(zhǔn)基本一致。圖10給出了四條曲線分別為X1向、X2向、Y1向以及Y2向的時間-載荷曲線，結(jié)果表明X1向與X2向曲線基本重合，Y1向與Y2向基本重合，且Y向與X向的載荷比接近0.75。試驗結(jié)果表明本控制系統(tǒng)在變比例荷載控制下基本滿足要求。

時間點 Fy1/Fx1相對誤差 Fy2/Fx2相對誤差t1 0.745 -0.37% 0.754 0.5%t2 0.744 -0.75% 0.755 0.67%t3 0.747 -0.37% 0.756 0.74%

圖10 時間-荷載曲線

5 結(jié)論

1）本文開發(fā)了基于全閉環(huán)四軸同步的變比例載荷/位移雙向拉伸試驗機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了四軸同步變比例載荷/位移條件下雙向拉伸的位置控制、載荷控制。

2）本文論述控制系統(tǒng)開發(fā)時，主要從系統(tǒng)總體設(shè)計，全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟件設(shè)計三大部分進(jìn)行了闡述。

3）在軟件設(shè)計中重點論述了本文采用的試驗的控制算法，包括變比例位移控制及變比例荷載控制的算法。

4）試驗表明，本文給出的控制系統(tǒng)對于雙向拉伸試驗機(jī)可以較好的實現(xiàn)變比例位移控制及變比例荷載控制，對于完善相關(guān)的力學(xué)試驗具有重要意義。

[1] Ferron G,Makinde A.Design and Development of a Biaxial Strength Testing Device[J].J.Testing Eval.,1998,16: 253-256.

[2] Makinde A ,Thibodeau L,Neale K W. Development of an Apparatus for Biaxial Testing Using Cruciform Specimens.[J]. Experimental Mechanics,1992,32:138-144.

[3] 萬敏,洪強(qiáng),吳向東,等.十字形試件雙向拉伸試驗系統(tǒng)的建立及加載精度分析[J].機(jī)械工程學(xué)報,2001,37(1):57-62.

[4] 吳向東,萬敏,周賢賓.BH220 鋼板屈服軌跡的雙向拉伸實驗研究[J].塑性工程學(xué)報,2004,11(1):39-42.

[5] 呂曉東,吳向東,萬敏,周賢賓.十字形試件雙向拉伸試驗系統(tǒng)的PID控制[J].中國機(jī)械工程,2003,14(8):631-635.

[6] 孫鑫.VC++深入詳解[M].電子工業(yè)出版社.2006.

[7] 董景新,趙長德,郭美鳳,陳志勇,李冬梅.控制工程基礎(chǔ)(第3版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.