機械式萬能試驗機的自動化改造

李月安，吳何畏

（湖北文理學院機械工程學院，湖北 襄陽 441053）

引言

材料試驗機是測定材料性能指標的標準儀器設備[1]，可以在各種不同條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結(jié)構等的機械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗旋轉(zhuǎn)零部件動態(tài)不平衡量的精密測試儀器。按分類方法可以分為金屬材料試驗機、橡塑拉力機，非金屬材料試驗機、動平衡試驗機、振動臺和無損探傷機等。其中材料試驗機加荷方法、結(jié)構特征、測力原理、使用范圍都各不相同。在研究探索新材料、新工藝、新技術和新結(jié)構的過程中，材料試驗機是一種不可缺少的重要檢測儀器。多用于金屬及非金屬（含復合材料）的拉壓、彎曲、剪切、剝離、撕裂、保載、松弛、往復等項的靜力學性能測試分析研究，也可以用于包括疲勞，單向脈動疲勞、沖擊等動態(tài)實驗。根據(jù)GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等國內(nèi)、國際相關標準可進行試驗和提供數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代試驗機位移多采用柵式測量系統(tǒng)，利用增量測量方法來確定位置和材料延伸率，具有定位準、精度高、速度快等特點；傳統(tǒng)試驗機多采用游標卡尺人工測量，機械式有級調(diào)速，開環(huán)式速度控制，無法精準控制定位，精度低、速度慢，無法保證角度及位移測量的精度，轉(zhuǎn)速不能實現(xiàn)閉環(huán)，對材料的屈服強度、彈性模量、硬化指數(shù)和塑性應變比等參數(shù)不能測量。

通過引入PC把原有試驗機改造為電子式試驗機具有直觀、精度高，可自動控制，易于操作、效率高、節(jié)省資金等優(yōu)點。

1 改造的總體方案

微機控制的電控試驗機以伺服電機作為動力源，絲杠、絲母作為執(zhí)行部件，實現(xiàn)試驗機移動橫梁的速度控制；傳動控制采用同步帶和減速機兩種形式；在測力上采用負荷傳感器。若采用液壓式加載方式，配合使用電液伺服閥或比例閥來控制液壓傳遞速度，以微機來控制自動控制系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)，提高試驗機自動控制水平及數(shù)字化顯示能力。

1.1 現(xiàn)有結(jié)構

試驗機由主機和測力系統(tǒng)兩部分組成。主機部分為下置式油缸的剛性框架結(jié)構如圖1所示，由底座、工作臺、立柱、絲杠、活動橫梁和上橫梁組成。上下橫梁和工作臺之間通過立柱連接成框架結(jié)構，油缸安裝在工作平臺的下方，上鉗口安裝在活動橫梁下邊，下鉗口安裝在底座平臺上方。通過油缸工作活塞頂著工作框架上升時，在工作臺與活動橫梁之間，活動橫梁與上橫梁之間就可以完成壓縮、彎曲、拉伸等不同類型的實驗。

圖1 WJ—10型液壓材料試驗機結(jié)構示意圖

測力系統(tǒng)包括油路系統(tǒng)和機械控制系統(tǒng)兩部分組成。油路系統(tǒng)由油箱、油泵、送油閥、回油閥、緩沖閥等組成，這些部件通過油管連接成一套油路系統(tǒng)。液體根據(jù)帕斯卡定律在油路系統(tǒng)來回流動，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，在密閉容器中通過控制閥門控制液體流動量，由液體把力傳遞到液體內(nèi)的各處和容器的器壁上，形成拉伸時的拉力及壓縮時的壓力[2]。

機械控制系統(tǒng)為擺錘測力機構。擺錘測力機構由拉桿、刀墊、擺錘、推桿、齒輪和力度盤組成。液體流到密閉容器中使測力活塞受到一個向下的作用力F，該力帶動擺錘測力機構各個構件運動，最后形成一個力偶M，使主動針和從動針轉(zhuǎn)動一相應的角度，并在度盤上指示出試樣所承受的力值。

1.2 改造方案

WJ-10型材料試驗機升級改造的技術路線如下：硬件部分，在原有試驗機的工作機臺上，利用DI數(shù)據(jù)傳輸和A/D轉(zhuǎn)換器，將力傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置收集來的數(shù)據(jù)通過接口傳給上位機，再由編程軟件對收集數(shù)據(jù)進行自動分析和處理；分析處理后的數(shù)據(jù)通過DO和D/A轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對試驗機進行自動控制；軟件部分，現(xiàn)行比較通用組態(tài)軟件（Kingview）或Visual C++,Visual Basic，每款軟件都有各自的優(yōu)勢，用戶可根據(jù)自身特點選擇其中一款，針對測試模塊、數(shù)據(jù)處理與輸出模塊、測試全部機械性能模塊、測試單向性能模塊和試驗現(xiàn)模塊、數(shù)據(jù)庫模塊等項目高級語言進行程序開發(fā)，如圖2所示。

圖2 微機監(jiān)控的材料試驗系統(tǒng)

2 硬件改造

經(jīng)上所述，對液壓型的材料試驗機應首選液壓閥作為驅(qū)動元件，滿足此要求的元件有電液比例閥和電液伺服閥。兩種新型的元件由于具有很多優(yōu)點在工業(yè)上得到了越來越廣泛的應用，尤其是伺服閥應用范圍更廣。

2.1 伺服和液壓系統(tǒng)改造

目前國內(nèi)應用較高的伺服和液壓系統(tǒng)有電液伺服閥和比例閥。電液伺服閥優(yōu)點是控制精度高、響應速度快。缺點是工作環(huán)境壓力大，需要添加過濾器和水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作時對液壓油的品質(zhì)要求很高，由于液壓油在系統(tǒng)內(nèi)運行過程中極易遭受空氣環(huán)境污染，這對液壓油的過濾提出更高的要求；系統(tǒng)在高壓狀態(tài)下工作時，容易產(chǎn)生噪音，油溫快速升高，并且容易滲漏。

電液比例閥由于低壓起動，工作環(huán)境壓力較小，系統(tǒng)壓力隨試驗力增加而比例增加，噪音低、油溫不易上升，具有較強抗污染能力，可實現(xiàn)無故障運行。但是反應速度較低，不適合動態(tài)實驗要求，只適合于靜態(tài)液壓試驗機。綜上所述，經(jīng)過分析與比較，決定選用了電液伺服閥來實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)加載的控制改造。

電液伺服閥它通常由力矩馬達（或力馬達）、液壓放大器、反饋機構（或平衡機構）三部分組成，是一種接受模擬電信號后，相應輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制器件。它是電液伺服控制中的關鍵元件，其液壓系統(tǒng)簡圖如圖3所示[3]。

圖3 PLC控制系統(tǒng)原理圖

伺服驅(qū)動系統(tǒng)的工作流程及控制原理：傳統(tǒng)的試驗機液壓控制元件主要是通過送油閥上閥門實行人工控制加載。改造后WJ-10型液壓萬能試驗機以油缸下置式主機為平臺，通過增加配置進口油泵和電液伺服閥、PC機伺服控制器，由伺服油路系統(tǒng)中的伺服閥來完成控制動作，從而實現(xiàn)多通道閉環(huán)控制。工作狀態(tài)如下：在電機帶動下高壓齒輪泵將油箱內(nèi)的液壓油送進伺服油路系統(tǒng)，流經(jīng)各種液壓元件，最后將處理好的高壓油帶入油缸。采集系統(tǒng)將安裝在油缸內(nèi)力傳感器采集到的力值信號及引伸儀收集應變信號輸入PC機，經(jīng)過PC機內(nèi)的高級編程軟件對采集信號進行運算、分析、判斷形成控制指令，對伺服閥伺服閥的開口和方向進行控制，從而控制進入油缸內(nèi)液壓油的流量，完成對試驗機油缸內(nèi)液壓活塞運動的自動控制。

2.2 電氣系統(tǒng)改造

當采用電液伺服閥控制后，原電器元件上升（下降）電磁閥改為電液伺服閥。為了保證工作人員的安全，特別設置了試件裝夾時的鎖止按扭（帶螺帽的急停按扭），此按扭按下后，整個液壓系統(tǒng)均無法動作，直到按下解除鎖止的按扭。這樣可避免其他人員誤操作及電氣干擾，進一步保護設備和操作員在裝夾時的安全。同時為保護電路中其他電器元器件，特添加了熱繼電器。電氣原理圖如圖4所示。

圖4 電氣原理圖

元器件清單如表1所示[4]。

表1 元器件清單表

3 程序設計

基于Kingview V6.03開發(fā)的試驗機的監(jiān)控軟件，可以實現(xiàn)人機交互界面。建立計算機實時監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實驗過程的全程監(jiān)控；建立ACXESS形式數(shù)據(jù)庫，對實驗數(shù)據(jù)進行儲存和保護，提供了多種有效方法方便操作人員對數(shù)據(jù)分析、處理和數(shù)據(jù)查詢，最后完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、匯總、報表和打印。對不正常的數(shù)據(jù)還可以進行實時報警，完成控制功能。界面總體規(guī)劃如圖5所示[5]。

圖5 程序界面

WJ-10材料試驗機采用一套較為復雜的液壓系統(tǒng)，為了增加試驗機使用時的可靠性及測試結(jié)果的準確性，采用如圖6所示監(jiān)控界面。

圖6 監(jiān)控程序

4 結(jié)論

在總結(jié)國內(nèi)外試驗機現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎上，利用成熟的自動控制技術對試驗機的電氣控制系統(tǒng)進行自動化改造。通過企業(yè)實際應用，設備運轉(zhuǎn)可靠，提高了測試精度和效率。