液壓材料試驗機的自動化改造方案

      隨著科學(xué)技術(shù)的進步和自動化水平的不斷提高，對材
料機械性能實驗的要求越來越高，特別是在實驗的精度，
實時顯示，以及數(shù)據(jù)處理等方面都有了更高的要求，智能
化要求己成為主注趨勢，出現(xiàn)了“機—電—液”三者相結(jié)
合的新型實驗設(shè)備。但受到新型材料拉伸試驗機的價格
因素的影響，部分企事業(yè)單位和大專院校還不能及時更
新為較為先進的材料拉伸試驗機，特別是一些小型企業(yè)，
仍然在使用老式的液壓材料試驗機。此類試驗機雖
然有些落后，體積也比較龐大，但其操作方便，油壓系統(tǒng)
耐用，使用壽命較長。這就使許多試驗機使用者希望在原
設(shè)備基礎(chǔ)上進行升級改造，可以大大節(jié)約投資成本，在測
試精度方面也能得到滿足，同時也讓參與改造者提高自
身的技術(shù)水平。

目前試驗機存在的主要問題
（1）測量精度低。該系統(tǒng)通過油泵輸出油液進入工作
油缸對試樣施加載荷，同時進入測力油缸，帶動聯(lián)動擺
錘，用推桿推動測力讀盤指針，由讀數(shù)盤指針讀取數(shù)據(jù)。
由于中間均為機械傳遞，因此有相當?shù)恼`差；另外讀數(shù)盤
zui小精度為格，且由人工讀取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測量精度低。
（2）無法定量控制加載速率。試樣加載速率控制是操
作者按經(jīng)驗調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，從而控制進入工作油缸
的進油量來實現(xiàn)，這種控制方式與操作者的經(jīng)驗有關(guān)，無
法實現(xiàn)定量控制。
（3）缺乏實時性，曲線繪制單一。目前試驗機只能粗
略繪制“載荷———變形”曲線，不能定量實時測出各時刻
應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值，也無法直接得到“應(yīng)力———應(yīng)變曲線”。
（4）自動化程度差，效率低。試驗數(shù)據(jù)處理手段大部
分仍需要靠人工，實驗報告也需要手工完成，既費時又費
力。[1]
隨著科技的進步，人們需要現(xiàn)代化的測試手段，對設(shè)
備的功能要求越來越高，希望能減輕勞動力，顯然液壓萬
能材料試驗機與現(xiàn)代機電液一體化設(shè)備的發(fā)展趨勢已不
相適應(yīng)，它的測試手段已遠遠跟不上現(xiàn)代測試技術(shù)要求，
測試結(jié)果的度也得不到保證，必須自動化升級改造。
2 改造方案比較及選用
試驗機的改造方案很多，每種方案有各自的優(yōu)缺點，
常用的改造方案如下。
（1）應(yīng)用單片機系統(tǒng)改造液壓材料試驗機，其主
要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，便于實現(xiàn)嵌入系統(tǒng)。
但電路系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高，數(shù)據(jù)的處理速度
慢，無法實現(xiàn)實時控制。目前試驗機領(lǐng)域的關(guān)鍵問題是加
載時必須保持恒定的應(yīng)力速率或恒定的應(yīng)變速率，采用
這種方法顯然是達不到這種效果。
（2）采用由速度控制器控制電機，從而控制壓力施加
負荷，并具有速度電流反饋，是一種傳統(tǒng)的控制方式。比
如采用位置式控制器計算步進電機驅(qū)動步數(shù)，以獲得良
好的應(yīng)力速率、應(yīng)變速率、位移速率控制以及定荷、定應(yīng)
變、定位移控制試驗結(jié)果。但液壓材料試驗機是一種
典型的非線性時變系統(tǒng)，難以建立的數(shù)學(xué)模型，運用
常規(guī)控制器很難達到理想的控制效果。在實際現(xiàn)場中，由
于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，應(yīng)用常規(guī)控制器往往
整定不良，性能欠佳，對運行工況的適應(yīng)性差。
（3）采用微機和傳感器技術(shù)對舊式的材料試驗機及監(jiān)
測等設(shè)備進行技術(shù)改造，在應(yīng)力應(yīng)變速率控制問題上采用
電液比例閥或電液伺服閥實現(xiàn)高精度控制，測量控制系統(tǒng)
采用計算機卡式設(shè)計，采用光電隔離集成電路。具有抗干
擾能力強，質(zhì)量可靠，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，而且點擊鼠標即可
完成，使用方便。還可以繪制多種試驗曲線，具有曲線數(shù)據(jù)
存儲及曲線放大功能，適合試驗機向著高自動化水平，操
作簡便，可靠性高，穩(wěn)定性好方向發(fā)展的要求。
選擇何種改造方案，要結(jié)合具體的實際情況，選擇zui
佳的改造方案，以滿足用戶的需要。綜合考慮，我們選用
第三種方案，即在液壓試驗機上安裝負荷、變形和位
移傳感器，增加電液閥控制加載速度，使設(shè)備由原來傳統(tǒng)
的機械式負荷測量系統(tǒng)升級為較先進的電子測力、測變
形系統(tǒng)

摘要：液壓式材料試驗機雖然價格便宜，經(jīng)久耐用，但存在著精度低、加載速度無法控制、自動
化程度低。因此需要對液壓材料試驗機進行自動化改造，通過加裝相關(guān)傳感器、電液比例閥，通過計算機控
制實現(xiàn)了拉伸試驗的自動化改造。
3 機械部分和硬件組成
該系統(tǒng)的改造除保留了原有的手動加載部分，另增加
了一條支路，用電液比例閥來控制試驗機的加載速率。這
樣既可以手動操作又可以選擇自動化控制。在進油管處
增加高精度壓力傳感器，用來檢測系統(tǒng)的壓力并且用了
位移測量系統(tǒng)及計算機采集處理等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自
動采集、分析和處理。在數(shù)據(jù)采集上，采集速度快、測量精
度高；在數(shù)據(jù)分析上，考慮得更加周全；在數(shù)據(jù)處理上，具
有智能交互、圖文并茂的特點，能以數(shù)值顯示、圖表、曲線
等多種方式表現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，并可根據(jù)教學(xué)要求對實驗數(shù)
據(jù)進行各種分析與處理。讓試驗機在信號檢測、數(shù)據(jù)處理
方面更接近現(xiàn)代試驗機發(fā)展水平，適應(yīng)目前國內(nèi)外的試
驗機發(fā)展面向智能化、準確化，操作簡便，穩(wěn)定可靠發(fā)展
的趨勢[5]。
因此，升級改造后的液壓式試驗機由以下幾大部
分構(gòu)成。
（1）主機部分。主要由油缸、工作活塞、底座、工作臺、
立柱、上下移動橫梁、試樣夾持以及活動橫梁等組成，主
要功能是由試樣夾持機構(gòu)夾緊和固定試樣，對試樣進行
加載。
（2）液壓控制部分。主要由油箱、高壓油泵、送油閥、
回油閥、電液比例閥、截止閥、測力油缸活塞、主機的工作
油缸、工作活塞等組成，主要功能是控制試件的夾緊及試
件的加載。
（3）檢測部分。主要由負荷傳感器（壓力傳感器）、電
子引伸計、光電編碼器（位移傳感器）等組成，主要功能是
檢測試驗對象所受的試驗力、變形及橫梁運動的位移。
（4）數(shù)據(jù)采集處理和控制部分。主要由數(shù)據(jù)采集、處
理、控制電路、計算機軟硬件系統(tǒng)、打印機、手動控制器件
等組成，主要功能是完成整個系統(tǒng)的控制、各種參數(shù)的設(shè)
置、顯示、試驗過程及試驗結(jié)果的記錄、試驗數(shù)據(jù)的處理、
存儲、試驗結(jié)果的輸出等功能。
（5）電氣部分。其基本組成有各類繼電器、交流接觸
器、開關(guān)按鈕等，主要功能是油泵電機的開關(guān)，控制橫梁
升降機構(gòu)的動作以及各種限位、過載保護等。
（6）附件。主要由拉伸、壓縮試驗夾具、彎曲試驗附件
及其他特殊試驗附件（各種嵌口、夾頭）等組成。其基本功
能是通過更換夾具，完成各種特定的試驗。
相關(guān)機械部分及硬件聯(lián)接如圖2 所示。
4 控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軟件性能的好壞直接影響到操作的簡便性和數(shù)據(jù)的
可靠性等，甚至影響到能否成功改造。本改造系統(tǒng)的配套
軟件主要結(jié)構(gòu)功能如圖3 所示，該測試軟件主要由數(shù)據(jù)
采集、圖形輸出、數(shù)據(jù)輸出、報告打印、比例控制（伺服控
制）等五個模塊組成。
數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是設(shè)置初始化參數(shù)，如采集
時間間隔、采集總時間等，還包括傳感器調(diào)零、標定等；圖
形輸出模塊是指在采集過程中，根據(jù)采集數(shù)據(jù)所繪出的
圖形輸出到屏幕上，或者事后把處理的數(shù)據(jù)圖形從打印
機輸出；數(shù)據(jù)輸出模塊主要是把材料性能的關(guān)鍵點數(shù)據(jù)
和所采集的數(shù)據(jù)中的某一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)從打印機上打
印出來，或者手工修改、增減某些數(shù)據(jù)并存盤；報告打印
模塊是指實驗做好以后，把材料的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)、原始圖
形以固定格式的實驗報告形式打印輸出；比例伺服控制
模塊主要是對比例壓力流量復(fù)合閥進行控制，包括對D/A
卡的初始化、設(shè)置等[6]。

5 改造后的功能及結(jié)論
（1）采用先進的數(shù)字比例壓力流量復(fù)合閥作為控制元
件，實現(xiàn)了加載力值和加載速度的微機自動控制。具有加
載力值可控、低速大負荷測試效果好、測試性能穩(wěn)定可靠
的特點。
（2）計算機屏幕顯示數(shù)據(jù)，包括變形、加載速率、變形
速率，材料特性點（上下屈服點、zui大點、斷裂點）、彈性模
量、斷面收縮率等，實驗結(jié)果可以整理成報表，方便直觀，
實時性好。
（3）支持打印機及繪圖儀對實驗結(jié)果的打印和實驗曲
線的繪制，屏幕所見即報表所得；可進行成批實驗報告及
檢驗報告的打印和存儲，*性的保留實驗報告。[7]
（4）改造中保留原有的手動加載部分，這樣既可手動
操作又可以自動控制，方便靈活，有利于教學(xué)。
試驗機改造的成功與否，關(guān)鍵是看zui終的測試數(shù)據(jù)精
度是否達到要求，試驗曲線繪制是否準確。改造后經(jīng)過具
體的數(shù)據(jù)和曲線圖驗證，說明了改造是成功的，無論是從
測試精度還是測試手段來看，都比以往更加準確可靠.
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