基于STM32的軸向加載類試驗(yàn)機(jī)同軸度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

陳一鳴 劉 冬 杜麗影

(寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：430080)

軸向加載類試驗(yàn)機(jī)主要用于檢測(cè)材料力學(xué)性能參數(shù)，適用于金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮和疲勞等力學(xué)性能試驗(yàn)。由于試驗(yàn)機(jī)機(jī)械部件的設(shè)計(jì)、加工、裝配以及使用等多方面的因素，不可避免的存在加載同軸度定位誤差。研究表明，試驗(yàn)機(jī)的軸向加載同軸度對(duì)拉伸、壓縮和疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響。在材料的拉伸或壓縮過程中，會(huì)在試樣承受軸向應(yīng)力的同時(shí)因同軸度誤差而產(chǎn)生附加應(yīng)力，如彎曲應(yīng)力和彎曲剪應(yīng)力等，從而影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。國外有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，由于試驗(yàn)機(jī)加載同軸度的差別可以造成表面彎曲應(yīng)變與平均軸向應(yīng)變之差高達(dá)50%～100%[1]。所以軸向加載類試驗(yàn)機(jī)的加載同軸度參數(shù)已經(jīng)在美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)、國際ISO標(biāo)準(zhǔn)、歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)和我國部分試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為限制性指標(biāo)，需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

1 同軸度誤差的表現(xiàn)形式

軸向加載類試驗(yàn)機(jī)按加載方法分類主要分為靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)，其控制方式、動(dòng)力源各不相同，但都裝配有上下夾具用于夾持試樣。一般上下試樣夾具都設(shè)計(jì)成軸線方向固定重合，并配有對(duì)稱的套環(huán)、楔形塊等專用夾具。理想狀態(tài)下試樣夾具和試樣在加載過程的狀態(tài)應(yīng)如圖1所示，上下夾具中心軸線重合且橫載面平行，這樣產(chǎn)生的軸向加載力完全施加在試樣軸向方向上。但是由于試驗(yàn)機(jī)在使用過程中零部件磨損、老化等因素的影響，使其加載鏈軸線方向不重合，造成加載同軸度出現(xiàn)偏差[2]。如圖2所示，是試驗(yàn)機(jī)同軸度定位出現(xiàn)偏差的典型形式以及加載過程中對(duì)試樣狀態(tài)的影響。

圖1 理想狀態(tài)下試樣在加載過程中的狀態(tài)

在圖2中試驗(yàn)機(jī)上下夾具軸線不再重合，水平方向出現(xiàn)間距△D，垂直方向出現(xiàn)夾角△θ。造成試樣加載過程標(biāo)距段呈現(xiàn)不對(duì)稱的“S”形狀，很明顯這種狀態(tài)對(duì)試樣檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生非常大的影響。

圖2 同軸度出現(xiàn)偏差時(shí)試樣在加載過程中的狀態(tài)

2 試驗(yàn)機(jī)同軸度的檢測(cè)原理

當(dāng)在加載過程中的試樣受軸向力作用時(shí)，由于試驗(yàn)機(jī)及其夾具的同軸度或多或少存在偏差，致使試樣承受軸向力矩的同時(shí)也會(huì)附加的承受彎曲力矩，在其表面產(chǎn)生軸向應(yīng)變的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)變。彎曲應(yīng)變分布及其大小與試樣橫截面形狀有關(guān)，不同橫截面形狀有不同的彎曲應(yīng)變及其分布[3]。如圖3所示，本設(shè)計(jì)中采用圓形橫截面試樣作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，在其表面安裝三組應(yīng)變片，每組沿橫截面水平等間隔分布四片應(yīng)變片，用以測(cè)量試樣表面應(yīng)變。測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變應(yīng)由軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變兩部分疊加，通過算法將兩者分離出來，并且以最大彎曲應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比的百分比來表征試驗(yàn)機(jī)加載同軸度的狀況。圖3中測(cè)量模塊用來測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試樣在加載過程中測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件用來分析測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算出最大彎曲應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比的百分比來表征被測(cè)試驗(yàn)機(jī)的同軸度狀況。

圖3 試驗(yàn)機(jī)同軸度檢測(cè)原理

3 同軸度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量模塊的硬件主要由電橋電路、高精度橋壓電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、STM32微控制器、網(wǎng)絡(luò)通信接口組成。電橋電路產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)濾波后，由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，送往STM32微控制器數(shù)據(jù)處理，并通過網(wǎng)絡(luò)通信接口與上位機(jī)軟件通信。其原理框圖如圖4所示。

圖4 測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)原理框圖

3.1.1 高精度橋壓電路

在本設(shè)計(jì)中，高精度橋壓提供12路電橋橋壓，并給A/D轉(zhuǎn)換電路提供參考電壓。采用的高精度橋壓電路如圖5所示，MC1403D輸出一個(gè)精密的2.5V基準(zhǔn)電壓，后接可變電阻PR1到參考0電壓。PR1提供0～2.5V電壓輸出并接入精密運(yùn)放AD0P07CR正端。由于本設(shè)計(jì)中有12路電橋，需要提高橋壓的驅(qū)動(dòng)功率，所以在AD0P07CR輸出端接三個(gè)三極管組成功率放大電路，并將反饋電壓接入AD0P07CR負(fù)端。調(diào)整PR1輸出電壓，使REF2V電壓穩(wěn)定在2V，REF2V電壓即做為整個(gè)系統(tǒng)的電橋驅(qū)動(dòng)電壓和A/D轉(zhuǎn)換參考電壓。

圖5 高精度橋壓電路

3.1.2 電橋及A/D轉(zhuǎn)換電路

如圖6所示，本設(shè)計(jì)中電橋采用1/4橋，R1為應(yīng)變片，12路電橋共用溫度補(bǔ)償電阻RT和公共電阻RC。

A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇一款由TI公司生產(chǎn)的芯片ADS1230。ADS1230具有20位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了板載低噪聲可編程增益放大器和板載振蕩器，可提供完整的前端實(shí)現(xiàn)方案，以滿足多種橋接傳感器應(yīng)用要求。ADS1230的所有特性均由專用引腳控制，并且可通過易于隔離的串行接口輸出數(shù)據(jù)，該接口可直接與STM32系列微控制器相連接。

圖6 電橋及A/D轉(zhuǎn)換電路

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)通信接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)測(cè)量模塊和上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)通信采用TCP/IP協(xié)議,TCP模式，測(cè)量模塊作為服務(wù)器端，上位機(jī)軟件作為客戶端。硬件方案通過W5500芯片實(shí)現(xiàn)，W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，為嵌入式系統(tǒng)提供了更加簡易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案。W5500集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)及物理層(PHY)。如圖7所示，W5500提供了SPI接口從而能夠更加容易與外設(shè)MCU整合。而且，W5500使用了新的高效SPI協(xié)議支持80MHz速率。主機(jī)對(duì)W5500的控制可以通過查詢狀態(tài)字或者中斷的方式來進(jìn)行，本設(shè)計(jì)中采用中斷方式，將W5500_INT引腳與STM32 MCU通用口引腳相連，并將引腳配置成外部中斷模式。

圖7

3.2 測(cè)量模塊嵌入式軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目嵌入式軟件設(shè)計(jì)涉及多任務(wù)調(diào)度，為了簡化程序設(shè)計(jì)和預(yù)留功能擴(kuò)展接口，移植了Micrium公司出品的μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來構(gòu)建軟件平臺(tái)。該操作系統(tǒng)是一個(gè)可裁剪、可剝奪型的多任務(wù)內(nèi)核，提供多任務(wù)、資源管理、同步、任務(wù)通信等功能[4]。

如圖8所示，軟件設(shè)計(jì)分成三個(gè)子任務(wù)，LED任務(wù)、A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù),以及一個(gè)中斷。LED任務(wù)用來指示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，例如是否與上位機(jī)建立連接。A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)用于控制ADS1230、讀取測(cè)量數(shù)據(jù)和啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)是在W5500中斷的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)W5500狀態(tài)字的不同狀態(tài)，響應(yīng)中斷訴求。

圖8 測(cè)量模塊嵌入式軟件流程圖

3.3 同軸度檢測(cè)儀上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用C#語言實(shí)現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境采用Microsoft Visual Studio 2013，C#語言是.NET技術(shù)的核心開發(fā)語言，是一種簡單、現(xiàn)代、完全面向?qū)ο蠛皖愋桶踩木幊陶Z言，它實(shí)現(xiàn)了快速應(yīng)用程序開發(fā)，跨平臺(tái)部署，支持COM和.NET技術(shù)[5]。軟件功能模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印，上位機(jī)軟件工作流程圖如圖9所示：

圖9 上位機(jī)軟件流程圖

4 同軸度檢測(cè)儀應(yīng)用實(shí)例

同軸度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)完成后，在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試過程如下：

(1)將標(biāo)準(zhǔn)試樣安裝在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上，標(biāo)記此時(shí)試樣取向?yàn)?度方向。

(2)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)通電預(yù)熱約30分鐘；

(3)預(yù)熱完成后，打開同軸度檢測(cè)儀上位機(jī)軟件設(shè)置測(cè)試參數(shù)；

(4)試驗(yàn)機(jī)啟動(dòng)，加載力清零，上位機(jī)軟件測(cè)量數(shù)據(jù)清零；

(5)開始測(cè)試，試驗(yàn)機(jī)按照加載力樣本數(shù)依次對(duì)試樣施加等間隔的加載力，上位機(jī)軟件自動(dòng)記錄每個(gè)加載力樣本對(duì)應(yīng)的各測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)；

(6)0度方向測(cè)量完畢，卸下標(biāo)準(zhǔn)試樣，繞其軸線旋轉(zhuǎn)180°，重新安裝試樣。標(biāo)記此時(shí)試樣相對(duì)于試驗(yàn)機(jī)的取向?yàn)?80度方向；

(7)重復(fù)前述步驟(4)、(5)；

(8)上述步驟完成后，軟件自動(dòng)計(jì)算出結(jié)果，根據(jù)結(jié)果可以判斷出試驗(yàn)機(jī)同軸度的狀況。

上位機(jī)軟件顯示界面如圖10、圖11所示，從圖11中可以看出被測(cè)試驗(yàn)機(jī)三個(gè)平面的彎曲應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比的百分比曲線均在標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍以內(nèi)，同軸度測(cè)量結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 測(cè)試數(shù)據(jù)界面

圖11 測(cè)試結(jié)果界面

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種同軸度檢測(cè)儀系統(tǒng)，其中測(cè)量模塊硬件設(shè)計(jì)基于STM32平臺(tái)，嵌入式軟件設(shè)計(jì)移植了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來構(gòu)建軟件平臺(tái)。系統(tǒng)上位機(jī)軟件通過C#語言實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)軟件與測(cè)量模塊間數(shù)據(jù)通信采用TCP/IP協(xié)議。

整個(gè)系統(tǒng)具有操作智能、界面友好、應(yīng)用簡單等優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)際應(yīng)用達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為軸向加載類試驗(yàn)機(jī)同軸度檢測(cè)提供了一種可行的解決方案。

[1] ASTM E1012-05.Standard Practice for Verification of Test Frame and Specimen Alignment under Tensile and Compressive Axial Force Application[S].

[2] 費(fèi)明輝.萬能試驗(yàn)機(jī)同軸度檢測(cè)方法分析[J].現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理,2013,(2)：7-9.

[3] 梁新幫,高怡斐.加載同軸度測(cè)量基礎(chǔ)理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

[4] 王永偉，劉巖.嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33(9)：50-53.

[5] 李佳,付強(qiáng),丁寧.C#開發(fā)技術(shù)大全[M].北京：清華大學(xué)出版社,2009.