（固体力学专业论文）机械式万能试验机的数字化改造研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 试验检测是学术研究、工程质量保证和施工控制的基本手段；是设计依 据参数的基本来源；也可以为工程质量事故调查分析提供分析的重要参考依 据。万能试验机是测定材料机械性能的基本设备之一，材料万能试验机可以 对各种金属材料及某些非金属材料在常温下进行拉伸、压缩、弯曲强度等强 度实验。较早出现的材料万能试验机有机械式、液压式等。随着科学技术的 进步，对科学实验的要求也越来越高，特别是实验的精度，实时显示，以及 数据处理等方面都有了更高的要求，出现了现代的电子试验枫和电液伺服试 验机等高端试验机设备，虽然这类试验机性能优越，但是价格相当高，对于 中小企业、一般院校和试验机构来说有些承受不起；近年来也有对试验机进 行改造的研究，通过文献检索查阅发现，液压式万能试验机的数字化改造研 究已经有了一定数量的研究报道。而机械式万能试验机还没有相关的报道。 基于上述原因，本文主要针对机械式万能试验机进行改造研究。本文基 于虚拟仪器技术对w j - 1 0 b 机械式万能试验做了部分数字化改造研究，通过 在机械式万能试验机上加装能够满足试验精度要求的拉、压力传感器，位移、 变形引伸计来测量试验机在试验时所施加的载荷以及横梁所移动的位移，并 将传感器所测量的数据通过数据采集模块传入计算机中，采用l a b v l e w 软 件编写了虚拟仪器对数据进行显示、分析和处理。通过试验证明该种方案比 较简单适用，能够达到对数据的实时采集且操作简单，需要投入的资金也比 较少( 6 0 0 0 8 0 0 0 元) ，是一种非常好的改造方案，缺点是不能实现自动控制。 另外，本文还对w j - i o b 机械式万能试验机进行了的全面数字化改造研 究( 通过与长春科新公司合作方式) 。研究了系统配置的技术方案中单片机性 能、p w m 控制电路的设计、转速及遥控指令测量电路设计；对计算机控制 系统以及主程序开发的研究，并且进行了数学仿真和半实物仿真，效果良好。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 改造后的试验机也进行了低碳钢的拉伸实验，其效果总体上达到电子万能试 验机的水平，而且在价格上相对低一些，价格3 5 万左右，达到预期构想。 两种改造方案总体效果与电子万能试验机相接近，使用方便，精度较高， 价格较低具有一定的市场前景。 关键词：机械式万能试验机；虚拟仪器；数据采集 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n ta n dt e s t i n gt e c h n o l o g yi st h eb a s i cm e a no fa c a d c m i cr e s e a r c h , e n g i n e e r i n gq u a l i t ya s s u r a n c , oa n dc o n s t r u c t i o nc o n t r 0 1 i ti sm a i nr t ；s o i l r 聍t o d e s i g np a r a m e t e r sa n dc 觚a l s op r o v i d ee n g i n e e r i n gq u a l i t ya c c i d e n ti n v e s t i g a t i o n a n a l y s i sw i t hk e yr e f e r e n c e s u n i v e r s a lm a t e r i a l 把s t i n gm a c h i n ei s o n eo f e q u i p m e n t sw h i c hc a nt e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ，s u c ha st e n s i l e s t r e n g t h , c o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t ho f m e t a lm a t e r i a l sa n dc e r t a i n n o n - m e t a l l i cm a t e l i a l s 砒l l o l z l l a lt e m p e r a t u r e m e c h a n i c a lu n i v e r s a lt e s t i n g m a c h i n ea n dh y d r a u l i cu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n ea r et h ee a r l i e rt y p eo fm a t e r i a l t e s t i n gm a c h i n e w i t h t h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , r e q u i r e m e n t st o h i g hl e v e lt e s t i n g i n s t r u m e n t sf o rs c i e n t i f i c e x p e r i m e n t s a r e i n c r e a s i n g ， p a l t i e u l a r l yi ne x p e r i m e n t a la c c u r a c y , r e a l - t i m ed i s p l a ya n dd a t a - p r o c e s s i n ga n d o t h e ra s p e c t s m a n ym o d e me l e c t r o n i cu n i v e r s a lt e s t h a gm a c h i n e sa n do t h e r s o p h i s t i c a t e dt e s t i n gn m e h i n e ss u c ha se l e c t r i c h y d r a u l i cs e r v et e s t i n gm a c h i n e s h a v eb e e np r o d u c e d a l t h o u g ht h e s et e s t i n gm a c h i n eh a v em a n ys u p e r i o r p e r f o r m a n c e s ，t h e i rp r i c e sa h i g ht h a tm a n ys m a l li n s t i t u t i o n s ，c o m p a n i e sa n d s c h o o l sc a nn o ta f f o r dt h e m f r o ms o m er e p o r t si nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea l em a n y r e s e a r c h e so nt h er e n o v a t i o no ft h ee x i s t i n gt e s t i n gm a c h i n e , w h i c hf o c u so i l d i 西t a lw a n s f o r m a f i o no fh y d r a u l i cu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e b u tt h e r ea l el i t t l e r e p o r t so nm e c h a n i c a lu n i v e r s a lt e s tm a c h i n e f o rt h e s er e 船o n sm e n t i o n e da b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yp r o b e sd i g i t a l t m n s f o r m a t i o no f m e c h a n i c a lt e s t i n gm a c h i n e p a r to f t h ed i 西t a lt r a n s f o r m a 士i o nt o w j 1 0 bm e c h a n i c a lu n i v e r s a l t e s t i n g m a c h i n ei sd o n eb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i no r d e rt om e e tt e s t i n ga c c u r a c y , al o to ft e n s i l ea n d c o m p r e s ss e n s o r sa n dd i s p l a c e m e n tt e s t e r , e x t e n s o m e t e rw h i c hc a l lm o a s u r et h e t e s tl o a d sa n dd i s p l a c e m e n to fb 口n s v e r s eb e a ma r ef i x e do nt h em e c h a n i c a l u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e n 坞d a t ac o l l e c t e df r o mt h es c l l s o r sa l et r a n s f o r r n e d i n t od a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ei nc o m p u t e r , a n dav i l t u a li n s t n t m e n ts o f t w a r eo f 【础i e wi si n t r e d u e e a ti nt h i sd i s s e r t a t i o nt oa n a l y z ea n dp r o c e s sc o l l e c t i n gd a _ b a s e do ne x p e r i m e n t , i th a sb e e np r o v e dt h a tt h i sm e t h o di sr e l a ：吐r e l yc o n v e n i e n t t oa c h i e v er e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dt h a tt h i sm e t h o di sa l s oe a s yt oo p e r a t e t h e r ea l ea l s of e w e ri n v e s t m e n t sr e q u i r e d ( j f 6 0 0 0 堪o o o ) i ti sav e r yg o o d i n n o v a t i o np r o g r a me x c e p ti t sa u t o m a t i cc o n t r o lf u n c t i o n s i na d d i t i o n , t h i sd i s s e r t a t i o na l s oe x p l o r e saf u i i s c a l ed i g i t a lt r a n s f o r m a t i o n o fm e c h a n i c a lu n i v e r s a lm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n eb a s e do nw j 1 0 b ( c o o p e r a t i o n w i t ht h ec h a n g c h u nx i n k ec o m p a n y ) 孔ep e r f o r m a n c eo f m o n o - p l a t ep r o c e s s o r , 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p w mc i r c u i td i a g r a md e s i g n , a n dr o t a t i o ns p e e 0 , t e l e c o m m a n dm e a s u r i n gc i r c u i t d i a g r a md e s i g na n dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n dd e v e l o p m e n to fm a i np r o g r a m 撒d i s c u s s e d 1 1 摭m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o na n ds e m ir e a lo b j e c ts i m u l a t i o na d o n ea n dt h er e s u l t sa r er e l i a b l e am i l ds t e e lt e n s i l et e s ti sd o n ew i t ht h e i n n o v a t e dm a c h i n ew h o s er e s u l t sh a v eg e n e r a l l yr e a c h e dt h el w e lo fu n i v e r s a l t e e i n gm a c h i n e m o r e o v e r , t h ep r i c e s a r es o m e ￥3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 w h i c hi s r e l a t i v e l yl o wt ot h ee x i s t i n gp r i c ea n da c h i e v er e s p e c t e dg o a l s t h e t w ot r a n s f o r m e dm a c h i n e sw h o s ep e r f o r m a n c e sa l ec l o s et oe l e c t r o n i c u n i v e r s a lm a t e r i a lt e s t i n gm 戡妇i ng e n e r a l ，a r ee a s yt oo p e r a t e ，h i g ha c c u r a t e ， l o w p r i c 岔a l lh a v eae x c e l l e n tm a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s ：m e c h a n i c a lu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e ：v i r t u a li n s t l t m 3 e n t $ ； d a t ac o l l e c t i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相 对应。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者( 签字) ：乏! 竺主空 日期：厶7 年) 月日日期：厶年月j 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 工业生产过程中质量控制、材料( 结构) 科学研究、工程事故分析等各 种工作中会对各种材料、构件等进行定性或定量试验，才能确定他们的各种 性能指标，从而在科学研究、结构设计、生产等方面就可以做出合理的设计 理论、合理的设计和提高使用可靠性等。试验机是完成试验机的基本手段之 一，在国民经济中占有相当重要的地位，它的发展水平在某种程度上反映了 一个国家的工业水平 试验机作为一种单独的产品，诞生于二百多年前的西欧。万能试验机是 测定材料机械性能的基本设备之一，材料万能试验机可以对各种金属材料及 某些非金属材料在常温下进行拉伸、压缩、弯曲等强度实验，如果在一些小 型构件的强度试验基础上，t 配上高温装置，也可做高温拉伸实验，根据试验 可测出实验在常温或高温下的机械性能，例如屈服点、强度极限等材料强度 的基本参数。 较早出现的材料万能试验机有机械式、液压式、电子式等。随着科学技 术的迸步，对科学实验的要求也越来越高，特别是实验的精度，实时显示， 以及数据处理等方面都有了更高的要求，所以老式的机械式、液压式试验机 对这些新的测试要求就显出诸多不足，这种设备已经不能适应实验测试的发 展需要。计算机硬件近年来的发展非常快，人们想到了利用计算机的大内存， 数据处理与计算速度快等特点，将计算机与试验机相结合，从而产生了目前 较为流行的电子万能试验机。他们就是利用计算机来控制实验机的测试过程， 并用计算机来采集试验时的各种传感器的数据，然后在计算机上实时显示， 在试验结束后试验机可以将数据进行各种处理，从而得到例如弹性模量，强 度极限，屈服极限等材料参数，同时还可以通过各种计算机来进行各种精确 的闭环控制方式，例如位移控制、应变控制、应力控制等，这些功能无论是 测试还是控制对于机械式或液压式万能试验机都是很难实现“1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 国外电子万能试验机经过四十年的发展，先后推出了四代产品：第一代 为电子管与晶体管时代，第二代为集成电路模拟时代，第三代为数字时代， 第四代为计算机时代。比较有代表性的是德国申克( s c h e n c k ) 公司，m f l 公 司，沃尔伯特( w o l p e r t ) 公司和美国的m t s 公司，奥尔森( 0 1 s e n ) 公司，英斯 特朗( i i i s 咖) 公司，茨维克( z w i c k ) 公司和日本的岛津公司、东京横机公司、 东洋精机公司以及松泽公司等等矧。我国有代表性的公司的产品是长春试验 机研究所开发的c s s - - 2 2 0 0 系列电子万能试验机，该产品技术指标己达到 八十年代末国际先进水平，居国内领先地位。此外，还有广州试验仪器厂 w d 系列，长春市第二试验机厂三思公司c m r 5 0 0 0 系列等等。但是由于 我国在工艺设备手段、元器件品质、开发技术的设计水平等多方面的条件制 约，致使我国的电子万能试验机同发达国家的水平有比较大的差距。现代电 子万能试验机的发展趋势体现在：日趋高精度的控制横梁速度、加荷率( 等 速应力) 、应交率( 等速应交) ，丽且都力求能严格按给定的条件在试验过程 中精确的控制状态转换，以及精确的测量、记录、显示和打印出试验结果； 万能试验机上带有各种自动控制和自动测量装置，大都采用微型组件形式， 可以随意增加和扩大试验机的使用范围和功用；主机结构逐步向单空间式发 展，控制测量系统趋于与主机分离设置；为使试验准确可靠并便于操作，广 泛使用气动和液压夹紧装置；国内、外在不断改进万能试验机的结构和加荷 系统的同时，都致力于研制性能稳定、反应灵敏和精度高的应力应变测量装 置；国外万能试验机大都带有各种环境装置高温炉温度达到2 0 0 0 ，低温箱 温度达到一2 7 0 ；微型计算机或微处理机已开始应用到万能试验机中，这种 试验机本身带有多种试验程序，不仅可以做复杂的实时控制和数据处理，而 且能自诊断；液伺服试验机有良好的操作特性，但是由于这种试验机比较复 杂、造价昂贵、功耗较大，所以还暂时不能取代电子万能试验机，电子万能 试验机仍是试验机中的主流产品砌。 尽管电子万能试验机的优点很多，但其价格不菲，例如i n s t r o n 4 5 0 5 电 子万能试验机，z w i c k 电子万能试验机盼价格均在1 0 0 万元左右，这对于一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 般的科研院所以及工矿企业都是难于接受的。在我国近些年电子万能试验机 的发展也比较迅速，比较有代表性的是长春科新公司生产的w d w 型电子万 能试验机以及深圳新三思公司生产的电子万能试验机，虽然他们生产的电子 万能试验机的价格相对要低很多，但是一台试验机也要1 3 1 5 万左右，这也 是一笔不小的投入通过文献检索目前对液压万能试验机改造的已有相当的 数量报道，机械式万能试验机数字化改造还没有相关的报道；机械式万能试 验机在我国使用的单位( 大专院校、工厂、科研单位、以及各种实验机构) 众多，尚且目前大多都可以使用，如果能够在已有的机械式万能试验上做一 些改造，提高其使用性能，使其适应现代化测试的需求，不但可以充分利用 现有资源，而且可以节约购买试验机的资金，这是正是生产单位满足生产需 要、大专院校满足教学需要所希望的们。 1 2 机械式万能试验机现状分析 机械式万能试验是耐久的固定资产。但是随着试验要求的不断变化和日 趋复杂，它自身存在的问题也显现出来，主要有以下四方面的缺点： 1 主机传动系统：噪音大，传动误差大，效率低。 2 控制电路技术落后，容易出现问题。 3 原控制电路修复成本高，且修复后控制精度低，稳定性不高。 4 缺少简单易用功能强大的p c 机试验软件支持，不能进行数据的自动采 集与处理，绘图方式落后，完全依靠人来读数，由于人为因素的介入就更容 易产生误差。 机械式万能试验机在我国的正在使用单位有工厂、大专院校、科研单位、 以及各种实验机构等等，尚且目前大多都可以使用，而且数量相当大。目前 机械式和液压式的试验机大多不能进行自动控制，因此并不能满足目前国际 上和我国等效采用国际标准的材料静态力学试验标准( g b 2 2 8 - 2 0 0 2 ) 规定 的恒速率、恒应变、恒应力条件下的闭环控制，以及以上三种控制模式的无 扰平滑切换。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 尽管机械式万能试验机有以上的缺点，但是它经久耐用，如果现有系统 的机械主机部分的驱动机构和传感器等仍然处在正常的工作状态下，那么完 全可以考虑添加各种传感器( 力、位移、变形等) 、数据采集装置、实验数据 记录分析软件等的部分升级方案”。此外，也可应考虑保留现有试验机主框 架结构基础上使用功放( 电机) ，添加试验机遥控单元和试验应用软件来显示 试验值，试验曲线及其分析处理以及数据采集，自动化功能，进行全面升级 改造方案”。 1 3 本论文研究内容 基于以上机械式万能试验机的改造要求，本文基于虚拟仪器的基础上结 合试验机的实际情况设计了两种数字化的改造方案。 第一种方案是机械式万能试验机的部分数字化升级，主要是将试验机的 测量部分进行数字化改造，通过在机械式万能试验机上装加控压力传感器， 位移引伸计来测量试验机在试验时所施加的载荷以及横梁所移动的位移，并 将传感器所测量的数据通过数据采集模块传入计算机中，然后利用计算机强 大的数据存储功能和计算功能对数据进行处理和分析，本文的软件采用虚拟 仪器技术来对数据进行显示、分析和处理，用户也可以根据自身的需求对所 编写的虚拟仪器进行二次开发。可以看到该种方案比较简单适用，需要投入 的资金也比较少，如果可以满足一般测试的需要，对于一般的用户( 不需要 对试验机进行数控的) 是一种非常好的改造方案。 第二种方案则是通过与长春科新公司合作对机械式万能试验机进行比较 全面的数字化升级，通过改装传动机构，安装伺服电机和减速机，并采用数 控技术来对试验机的实验测试进行控制，同时配备计算机以及相应的软件， 从而可以达到与电子万能试验机基本相同的测试效果，所以这种改造方式是 在保持试验机现有价值的基础上，通过升级整个系统，使之符合当前试验技 术的发展水准以及满足日益增长的试验要求。经管这种全面升级方案费用比 较大，但是改造好的效果总体上达到电子万能试验机的水平，而且在价格上 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相对买一台新的试验机而言要低一些。 最后，本文利用改造完毕后的机械式万能试验机进行了低碳钢的拉伸实 验。比较改造后的试验机的实验结果。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章机械式万能试验机的部分数字化升级 w j - - 1 0 b 型机械式万能试验机目前在工厂、学校、试验机构中仍有较大 的数量，并且使用性能基本良好，有较好的代表性，加之该种机械的其它优 点：如试验速度( o 5 3 0 r a m r a i n ) ，高温范围( 3 0 0 9 0 0 ( 2 ) 等，选择w j l o b 型机械式试验机做为改造对象，对其进行适当的改造，使其达到数据 采集的自动化，实现实时显示等功能，这种改造方案造价较低。 2 1w j - - 1 0 b 型机械式万能试验机的组成 下面对青山试验机厂生产的w j 1 0 b 型机械式万能试验机现状分析，其 用途特点：可作拉、压、弯、剪试验，还可作小型构件试验，加载系统采用 可控硅无级调速，测力系统采用电子平衡测力机构，并能带高温装置做高温 试验。该机带有x - y 记录装置。其构造原理图如图2 1 所示，控制台如图2 2 所示。 主要技术参数： 负荷级数：4 级，l - l o k n ，2 - 2 0 k n ，5 - 5 0 k n ，1 0 _ l o o k n 负荷精度：l 记录精度：1 记录放大倍数：5 ，5 0 试验速度：0 5 3 0 m m m i n 调位速度：3 0 0 r a m r a i n 拉伸空间：4 6 0 x 6 3 8 m m 弯曲空间：1 0 0 x 6 0 0 m m 试样尺寸：圆试样：0 8 q , 3 0 m m 台肩试样颈部直径：4 ) 7 、0 1 1 、0 1 3 、中1 8 、2 4 m m 扁试样：1 5 x 4 2 r a m ( 厚x 宽) 高温范围：3 0 0 一9 0 0 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 机械式试验机工作原理图 回圈 嘤。哭记录复位 0 0o 芍芍 降 调沮升 ooo 拉 停 压 ooo 图2 2 控制面板图 外形尺寸( m m ) ：长宽高1 4 3 6 x 6 6 3 x 2 1 6 9 重量( k 曲：1 5 0 0 电机功率( k w ) ：1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电源电压( v ) ：3 8 0 2 1 1 加载部分 在这种试验机上，拉伸试验和压缩实验都在同一位置进行，工作台向上 移动使试件压缩，工作台向下移动使试件拉伸。工作台的移动是由主电机或 是手摇加载机构的手柄实现的。主电机是可控硅控制的无极变速电机。当用 其加载时，要现按试验机的开始“合”按钮，此时控制台面上的“停”按钮 亮，表示离合器贴到了加载的位置。然后按拉伸按钮或压缩按钮。需要卸载 时，原来是拉伸载荷按压缩按钮，原是压缩载荷按拉伸按钮。加载和卸载的 速度由控制台面上的调速钮来实现，它可以控制主电机来实现无极变速。加 载和卸载速度的大小可以直接由调速钮边上的速度表读出。这里要注意的是， 在加载前，调速钮的初始位置应置于零点，以免在初加载时产生冲击载荷， 导致实验失败“”。 手摇加载和卸载时，也需要先按试验机右侧的“合”按钮，然后在摇动 手柄实现加载或卸载。 用快速升降工作台可以调节两夹头之间的距离。方法是按快速升降按钮 “升”或“降”，工作台就随之上下快速移动。 2 1 2 测力部分 加载时，试件因强迫变形发生的抗力，作用于上夹头，通过二级杠杆组， 带动摆杆绕支点转动。杠杆组的第一级杠杆有两个可供选择的支点，当试件 受拉伸时，杠杆以b 为支点传递力，a 点脱开；当受压力时，便改变为以a 点为支点传递力，而b 点脱开。这样无论拉伸实验还是压缩实验，上夹头所 受的力总是使摆杆向同一方向抬起。摆杆有推动水平杆使表盘上的指针转动， 指针的转动的角度与试件所受的力成正比，这样，在测力度盘上便可以读出 试件的受力大小。 加载前，指针应对准测力度盘上的零点，如果不在零点，应轻轻旋转水 啥尔滨工程大学硕士学位论文 平杆端点处的调零小手轮，便可使指针对准零点。指针有从动针和主动针， 在加载前，应按下并转动测力度盘表面中心的旋钮使两针重合。 试验机有四个测力范围，即1 0 k n ，2 0 k n 、5 0 k n 和1 0 0k n 。转动主机右 侧的手柄，可以改变试验机的测试范围。 2 1 3 自动绘图器 在原理图2 1 中的滚筒、纪录笔、记录纸等组成了机械式万能试验机的 自动绘图器，记录滚筒通过齿轮组和丝杠联动，因此它的转动量按一定比例 代表了夹头的移动重，它可以相当准确地表示试件标距间的变形量。载荷的 记录是电传式的，通过一系列的电气装置，使记录小车带着笔尖随载荷的大 小在滚筒纸上移动，其移动量表示力的大小，当滚筒和笔尖都同时移动时， 在记录纸上便自动描绘出力和变形的关系曲线。 2 。2 部分数字化升级方案 部分数字化升级方案的控制系统是采用机械式万能试验机自身的控制系 统，它需要实验员来进行加载、卸载，并控制实验的速度，在这部分主要是 改造实验机的测量部分。其传感器硬件方案见连接示意图2 3 、2 4 所示。 在图中可以看出，拉压力传感器可以测量试件在拉伸过程中的受力情况， 当然对于压缩试验，拉压力传感器同样也可以测量试验所受的压力情况；引 伸计是用来测量试件的某一部分的精确变形；位移传感器是测量在试验过程 中横梁向下的运动情况。传感器将采集到的信号，经过研华的a d a m - 4 0 1 7 信号采集，经研华的a d a m - 4 5 2 0 a d 转换器转换成计算机能够识别的数字 信号传入计算机，在计算机中，采用l a b v i e w 软件所编写的虚拟仪器对传 感器所采集到的数据进行分析和处理。当然，硬件与计算机中的软件连接要 有驱动程序做桥梁。 2 3 测量装置分析 机械式万能试验桃的部分数字化升级，用到了一些比较重要的传感器与 哈尔滨工程大学硕士学位论文 软件，比如拉压力传感器、引伸计、l a b v i e w 软件等等，下面将分别对这些 在测试装置进行分析“o 鹫 ：头 力f ：夹 f 计 ：头 扣位廿器 图2 3 仪器硬件示意图 器 2 3 1 传感器 计算机 图2 4 传感器硬件连接示意图 传感器是一个测量装置，它能把被测物理量转换为有确定对应关系的电 量输出，满足信息的记录、显示、传输、处理和控制等要求。传感器是实现 自动测量和控制的首要环节，在工业生产自动化、航空航天、能源交通、土 建结构、环境保护及医疗卫生等领域，各种传感器在检测各种参数方面起到 哈尔滨工程大学硕士学位论文 十分重要的作用。此外，用于工厂自动化制造系统中的机械手或机器人可实 现高精度在线测量，保证产品的质量，因此国内外已普遍重视各种传感器的 研制、生产和应用“” 传感器一般由敏感元件、传感元件和铡量电路三部分组成，有时还加上 辅助电源，通常可用方框图表示，如图2 5 所示。 图2 5 传感器组成的方框图 传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分( 表2 1 所示) ，另一种是以传感器的原理来分( 表2 2 所示) 。 表2 1 按被测量来分类 被测量类别被测量 温度、热量、比熟；压力、压差、真空度； 热工量 流量、流速、风速 位移，尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、 机械量 线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声 物性和气体化学成分、液体化学成分；酸碱度( p h 值) 、 成分量盐度、浓度，粘度；密度、比重 颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、 状态量 气体泄漏、表面质量 利用电阻应交计测量应变的原理制成的应变计式传感器，在本实验中 所用到的传感器都是这类传感器，是一大类应用十分广泛的传感器，它有 很多优点： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 应用和测量范围广用应变计可制成各种机械量传感器，如测力传感 器可测1 0 。2 1 0 7 n ，压力传感器可测l ( f 1 0 s p a ，加速度传感器可测到1 0 3 级m s 2 。 2 分辨力( 1u ) 和灵敏度高，尤其是用半导体应变计，灵敏度可达几十 m v v ；精度较高( 一般达1 3 f s ，高精度达o 1 o 0 1 f s ) 。 3 结构轻小，对试件影响小；对复杂环境的适应性强，易于实施对环境 干扰的隔离或补偿，从而可以在高低温、高压、高速、强磁场、核幅射等 特殊环境中使用；频率响应好 4 商品化，选用和使用都方便，也便于实现远距离、自动化测量。 应变计式传感器由弹性元件和应变计桥路构成。弹性元件在被测物理 量( 如力、压强、扭矩、位移等) 作用下产生与它成正比的应交，然后用电阻 应变计将应变转换为电阻变化。各应变计组成桥路便于进行测量。 表2 2 按传感器的原理来分类 序号工作原理序号工作原理 l电阻式8光电式( 红外式、光导纤维式) 2电感式 9谐振式 3电容式1 0霍尔式( 磁式) 4阻抗式( 电涡流式)“超声式 5磁电式1 2同位素式 6热电式1 3电化学式 7压电式1 4微波式 2 3 2 拉、压力传感器 b l r l 型传感器采用空心圆柱体应变筒作为敏感元件，有良好的动、 静态性能，其参数见表2 3 。配用数字测量仪可作各种静、动态拉、压力的测 量、分析及控制。 本文在应用传感器之前，为了保证传感器的测量精度，都对传感器进行 - 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了校核标定，为提高标定精度采用多步等分量程方法。应用o r i g i i l 5 0 软件对 所测量的数据进行计算拟合系数，其中校核方法采用的是最小二乘法，拉压 力传感器的校核曲线如下图2 6 所示。 3 0 d d 口 2 6 d 0 0 2 0 0 0 0 z 靶f 口 餐 1 0 d 0 0 圈2 6b l r 一1 型拉压传感器标定图 表2 3b l r 一1 型传感器参数 主要技术指标单位b l r l 型拉压力传感器 灵敏度? 斟n1 5 2 5， 非线性、滞后、 f s o 3 重复性误差 蠕变f s ，3 0 m i no 3 温度对零点影确 e s ，o 0 3 输出电阻q3 5 0 j ：3 绝缘电阻m 02 3 0 0 0 l o ( d c ，a c ) 供桥电压 v m a x ：1 5 巾c a c ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 允许温度范围- 2 0 + 6 0 允许过载 f s 1 2 0 输入：红( + ) 、黄( ) 连接方式 输出：蓝( + ) 、白( ) l i n e a rr e g r e s s i o nf o rd a t a l _ b ： y = a + b x p a r a m e t e rv a l u ee r r o r a2 1 0 3 1 6 82 6 4 6 6 9 2 b6 6 2 1 5 9 6 11 0 0 0 2 l 2 3 3 位移传感器 位移的测量采用河北省邢台金力传感元件厂生产的s d t - - 5 0 型电阻应 交式位移传感器，s d t 型电阻应变式位移传感器是将机械的位移变化量转化 成电量变化输出的一次仪表。与二次仪表配套使用，可以直接把位移量的变 化反映出来，可以广泛用于建筑、水电、机械及桥梁等工程“脚。 一、主要技术指标 1 量程：0 - 5 0 r a m 2 线性度： o 5 s ) 3 ，输出灵敏度：1 - 1 1 5m v v 正s ) 4 零点温度漂移： o 0 5 5 零点时间漂移： 进行了标定；编写了基于l a b v i e w 对w j 1 0 b 型万 能试验机部分升级改造的虚拟仪器。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 6 程序设计图 图2 1 7 虚拟仪器的前面板一测量面板 - 2 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 8 虚拟仪器前面板一载荷位移曲线面板 图2 1 9 虚拟仪器前面板一应力应变曲线面板 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 0 虚拟仪器前面板一参数设置面板 图2 2 l 虚拟仪器后面板1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 2 虚拟仪器后面板2 ，o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章万能试验机设备全面改造研究 机械式万能试验随着试验要求的不断变化和日趋复杂，它自身存在的问 题也显现出来，最主要的缺点缺少简单易用功能强大的p c 机试验软件支持， 不能进行数据的自动采集与处理，绘图方式落后，试验中由于人为因素的介 入而导致试验结果不准确，产生误差比较大，已经不能满足现代材料测试的 需要了。 但是机械式万能试验机它经久耐用，所以如果现有系统的机械主机部分 如驱动机构和传感器等仍然处在正常的工作状态下，那么完全可以考虑全面 升级方案。改变主机传动( 考虑使用功放( 电机) ) 、试验机遥控单元、环境箱、 试验应用软件等方面，对设备全面改造，实现数控。 在本文中通过与长春科新公司合作对w j - 1 0 b 型机械式万能试验机进行 比较全面的数字化升级。通过改装传动机构，安装伺服电机和减速机，并采 用数控技术来对试验机的实验测试进行控制，同时配备计算机以及相应的软 件，从而可以达到与电子万能试验机基本相同的测试效果，所以这种改造方 式是在保持试验机现有价值的基础上，通过升级整个系统，使之符合当前试 验技术的发展水准以及满足日益增长的试验要求。 3 1 系统配置技术方案 控制系统主要由单片机、p w m 控制电路、信号滤波及放大电路、i 2 c 总 线、状态指示电路、参数设置与l c d 显示电路、参数记录电路等构成，各部 分连接关系如图3 ，l 所示。 3 1 1 单片机的设置 再决定采用何种单片机上，进行了采用了对四种单片机的运算速度的比 较，具体见图3 2 。通过比较决定采用c y g n a l 公司的5 1 单片机c 8 0 5 1 f 作 为主控制器，该单片机具有除丰富的外设接口资源和足够高的运算速度等优 点外，还有以下特点： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控 启动电机 m i p s 2 5 1 5 1 0 5 图3 1系统配置框图 转速 指令 广 li广 一 一 c y g n a l c i p 一5 1 2 5 - 毗z 晶撮 m i c r o c h i p p i c l 7 c 7 5 x 3 驯z 晶振 p h i l i p s 8 0 c 5 1 3 3 1 - h z 晶振 d u c 8 1 2 8 0 5 1 1 6 1 珊z 晶振 图3 2四种单片机最高执行速度比较 1 1 0 位8 通道逐次比较式a d c ，数据转换速率可达1 0 0 k s p s 。 2 j t a o 调试和边晃扫描接口，可实现在线实时动态调试。 3 流水线指令结构，最高处理速度高达2 5 1 v i i p s 。 4 4 k 字节的片上r a m 和“k 字节的f l a s h 程序存储器。 5 p w m 信号由p c a 产生，p c a 由一个专门的1 6 位c t 和5 个 c a p t u r e c o m p a r e 模块构成。每个模块可独立设置为6 种操作模式之一；边缘 触发捕获、软件定时器、高速输出、频率输出( 方波输出) 、8 - b i tp w m 和1 6 - b i t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p w m 等。 由于c 8 0 5 1 f 单片机具有丰富的片上硬件资源及高运算速度，实现了复 杂的控制算法，极大提高了系统可靠性 3 1 2p w m 控制电路设计 控制系统中启动电机等器件需要p w l v l 信号来控制其工作。这些大功率 器件都不能直接由单片机输出信号直接控制嘲。因此需要设计驱动电路以实 现对这些器件的控制根据各被驱动器件的工作特点，合理选择相应参数的 m o s 管，使m o s 管可靠地控制各器件，电路如图3 3 所示。 图3 3p w m 控制电路 3 1 3 转速及遥控指令测量电路设计 转速通过光电器件测量，见图3 4 所示。每转一周，测量电路发出2 5 0 0 个脉冲。由于发动机推力控制本质是对发动机转速的控制，所以转速的测量 精度直接关系到控制性能的优劣。转速由单片机的1 6 _ b i t 定时器t 4 的捕获功 能( 快速输入) 测得每个脉冲的周期而推算出来。发动机正常工作状态时的 转速范围为3 3 0 0 0 r p m 1 2 0 0 0 0 r p m , 由此可推算出正常工作状态时，周期范 围为9 0 9 u s 2 5 0 u s ，定时器每个计数单位对应的时间值为1 1 8 4 3 2 m = 0 0 5 4 u s ( 晶振采用1 8 4 3 2 m ) ，且周期时间不会超过1 6 - b i t 定时器的溢出周期。所以 既可达到足够高的测量精度，又为软件处理提供方便。 发动机速度指令是通过遥控接收杌的一个通道发送给单片机的。速度指 哈尔滨工程大学硕士学位论文 令脉冲的脉宽对应不同的期望转速，并通过1 6 一b i t 定时器亿实现测量。 v c c l 发光= 概 3 1 4 总线设计 图3 4 转速测量电路示意图 系统中的状态指示电路、l c d 显示电路、参数记录电路和键盘扫描电路 等功能模块采用i 2 c 总线结构，以实现各个模块的数据和指令交换。1 2 c 总线 有以下特点嗍： 1 只需要两条线，s d a 数据线和s c l 时钟线。 2 挂在总线上的各个器件都通过软件寻址，且总存在主，从关系，当两个 或多个主方同时发起数据传输时，可进行冲突检测及仲裁。 3 数据传输率最高可达到4 0 0 k b i t s s 。 除了以上特点外，1 2 c 总线作为一种流行的通用总线，有丰富的功能器 件支持，扩展的功能器件可方便的接到