（机械电子工程专业论文）电子万能材料试验机测控系统的研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 材料试验机是一种标准测试设备，在各类材料的质量检验、材料科学研究和实验教 学环节都需要用它进行材料的力学性能测试。 试验机i 奥4 控系统具有强实时陛、可扩展性、执行机构精确的运动控制和力控制、多 任务处理等性能要求。测控系统既要进行数据采集与处理，还要实现对执行机构的控 制，是集计算机检测和控制技术为一体的自动化测试平台。基于p c 的微机电控试验机 具有良好的测试性能，试验数据、曲线的显示直观，运动控制精确，系统配置简便，数 据在线处理能力强。 本文简要论述了试验机的组成、原理、发展方向和存在的问题，阐述了采用模块化 结构设计和面向对象方法，在v i s u a lc + + 下试验机测控系统软件开发中的关键技术。测 控系统软件提供了材料试验软件平台，软件设计中考虑了人机界面简洁友好，使用方便 的要求。多线程的数据采集和在线数字滤波算法保证了数据采集的准确性，曲线局部放 缩算法实现了大范围的曲线放缩，便于查看试验曲线的细节。采用a d o 访问a c c e s s 试 验信息数据库，使用最小二乘法处理系统标定数据。借助o f f i c e 自动化技术，实现了通 过模板生成报表的报表处理方法。初步提出并分析了一种新的试验过程描述语言和程控 自动运行的实现方法。 介绍了开发完成的测控软件，并给出了部分实验结果，整个设备运行平稳，操作方 便，证明了系统设计是正确的。 关键词：材料试验机、测控系统软件、报表生成、程控自动测试 北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n ei so n ek i n do fs t a n d a r dt e s te q u i p m e n t ，a l lk i n do fm a t e r i a l p e r f o r m a n c et e s t ，t h em a t e r i a ls c i e n c er e s e a r c ha n d t h ee x p e r i m e n t a l t e a c h i n gn e e d t oa p p l yi t t oc a r r yo nt h em a t e r i a lm e c h a n i c s p e r f o r m a n c e t e s t t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n es y s t e mh a st h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n to fh i g hv e l o c i t y 、e x p a n s i b i l i t y 、p r e c i s em o v e m e n tc o n t r o l 、m u l t i t a s k i n ga n d l o a dc o n t r o lo f i m p l e m e n t i n go r g a na n ds oo n t h em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mn o to n l y m u s tc a r r yo nt h ed a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g ，b u ta l s or e a l i z et ot h ei m p l e m e n t i n go r g a n c o n t r o l s i m u l t a n e o u s l y , t h u si n t e g r a t e st h e a u t o m a t i o nt e s t p l a t f o r mw i t ht h ec o l l e c t i o no f c o m p u t e rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g yt o g e t h e r t h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e dt e s t i n g m a c l f i n eb a s e do np ch a sg o o dt e s tp e r f o r m a n c e ，t h ed a t aa n dc u r v e sa r ed e m o n s t r a t e d e a s i l y ，t h es y s t e mc o n f i g m a t i o n i s s a m p l e ，a n da l s o h a sa b i l i t y 谢ms t r o n gd a t ao n l i n e p r o c e s s i n g t h ec o n s t i t u t i o n 、t h ew o r k p r i n c i p l e 、t h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o na n dt h e e x i s t i n gp r o b l e m o ft h et e s t i n gm a c h i n eh a sb e e ni n t r o d u c e db r i e f l y ，a n dt h ep r o c e s sh o wt ou s et h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o db a s e do nm o d u l a t i o ns t r u c t u r a ld e s i g na n dv i s u a lc + + t od e v e l o pt h es o f t w a r e o f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na n a l y z e d t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r e t h a tp r o v i d e sas o f t w a r ee x p e r i m e n tp l a t f o r ma n dt h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei ss u c c i n c t 、 f r i e n d l ya n de a s yt oo p e r a t e ，t h e s ec h a r a c t e r i s t i c h a sb e e nc o n s i d e r e di nt h ep r o c e s so fs o f t d e s i g n t h em u l t i - t h r e a d d a t aa c q u i s i t i o na n dt h eo n - l i n ed i g i t a lf i l t e rh a sg u a r a n t e e dt h e a c c u r a c yo ft e s t i n g d a t aa c q u i s i t i o n ，a n dt h ec u r v e e x p a n s i o na n dc o n t r a c t i o na l g o r i t h m p a r t i a l l yr e a l i z et h ec u r v ee x p a n s i o na n d c o n t r a c t i o ni nw i d er a n g e ，w h i c hi sp r e c i a t ef o rt h e c n r v ed e t a i l t h es o f t w a r eu s e sa d o t ov i s i tt h ea c c e s se x p e r i m e n ti n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，a n d u s e st h el e a s t s q u a r em e t h o dt op r o c e s ss y s t e mr a t i n g d a t a w i t ht h ea i do ft h eo f f i c e a u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，i tc a r lc r e a t er e p o r tf o r mb yt h e t e m p l a t e t h ea r t i c l ep u t sf o r w a r d a n d a n a l y z e s o n ek i n do ft e s t i n gd e s c r i p t i o nl a n g u a g ei n i t i a l l ya n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o do f p r o g r a m c o n t r o la u t o m a t i o n t h es o f t w a r eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e db r i e f l y ，a n ds o m e e x p e r i m e n t r e s u l th a sb e e np r o v i d e d ，t h e s ei n d i c a t et h ea p p l i c a t i o ns o f l w o - r et ob er e a s o n a b l e k e y w o r d s ：m a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e ，s o f t w a r eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ， r e p o r tm a k i n g ，a u t o m a t i c t e s t 一2 。 北方工业大学 y 7 5 2 7 2 3 扭电工捏学科 学科带头人( 签字) d r 年 学位论文任务书 研究生： 扭电王墨 学院 扭越电壬王程专业 扭墨厶拉本研究方向 论文题目：皇王夏鳇挝抖达鳌担型撞丞缝的受塞 ( 年月日经院学术委员会批准) 选题的来源、意义和价值：查退匿遂自垒些委托拄本珏蕉堕旦! 厘越睦鳇厘! 查釜差 挝拱的芒昌厘量捡测! 生主蕉墨厦量控剑! 挝料科堂硒冠塑煎堂达验生都堂缍廑旦挝魁 这墼也迸堑挝挝的尘堂丝篚测达! 圃货缠的达鳖担担选! 皇王夏篮挝魁这坠扭查量直型 黛擅廑友亟县直猩太的潜左! 瞳羞新挝抖的丕堑涵毽：皇王夏鳇挝整这墅扭澍王堡进亟 国挝挝型堂班塞数筮屋直重太童墓：回鲢鱼县直重薹笪社金壶竖塑巨太煎丝渣俭值! 学位论文工作自2 q q 年! 呈月! 日起 至 2 0 0 5年5 月 2 0日止 呈交学位论文日期! q q 年鱼月5日 答辩日期2 q q 年 月! q 日导师( 签字) ： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 直至些太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名扔辛驿字日期：。年6 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 左王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j b 友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：朽本穿 签字日期：瞬6 月f - 日 导师签名弼专年 签字日期：盱年月f d 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：中国兵器工业集团计算机应用技术研究所 电话： 通讯地址：邮编； 北方工业大学硕士学位论文 引言 本课题是北京北成新控自动化技术有限公司委托的技术开发项目，其目的是开发一 套用于材料性能测试的电子式万能材料试验机测控系统。 试验机是材料生产行业和各级质枪部门对材料性能检测最常用且最重要的设备之 一。在各类材料的产品质量检测、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中都必 须应用试验机来进行材料的力学性能测试。它可以用来检测各种材料及其制品在各种环 境和模拟状态下的机械性能、工艺性能、结构抗振强度、各种旋转件的动平衡性以及材 料与构件内外表面缺陷，广泛应用于机械电子、交通运输、冶金建筑、化工、轻纺、汽 车、宇航与造船、能源开发、新型材料、医疗卫生以及国防科技、大专院校等国民经济 的各个领域和部门，具有不容忽视的影响。 材料的性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能，其中最重要的是力学 性能，力学性能指标主要通过试验获得1 2 。通过材料力学试验，可以确定材料在各种 载荷条件下的行为，为工程设计提供依据：可以进行材质的比较与检验；可以结合力学 行为与金属内部状态的研究，掌握力学性质变化的基本原理和各种影响因素的本质，为 改善和提高材料性能提供指导；可以通过力学试验研究金属内部的变化过程。材料力学 试验可以解决材料力学理论与其它力学理论无法解决的一些工程难题，因此力学试验至 今仍是研究新材料的重要手段。 材料试验机作为一种标准的精密测试设备，对于材料科学的快速发展、工业产品和 工程结构的合理设计、有效使用材料、改进工艺、降低产品的重量和体积、提高产品质 量和降低成本、延长使用寿命，以及保证使用安全可靠等，都具有极其重要的作用和意 义。试验技术和试验机是现代科学技术不可缺少的重要组成部分，所以对材料试验机的 研究是有重大意义的。 试验机是一种技术密集型的精密标准测试设备，具有很强的综合性和学科交叉性， 它涉及到机械、电气、液压、振动、高温、低温、真空、光学、电子、材料、工艺、测 量、控制等诸多高新技术领域，并且还跨接了近代闭环伺服、遥控、数显、数控、激 光、智能化等高技术，具有仪器仪表行业中众多学科和众多技术交叉综合的特点。一般 说来，材料试验机必须满足强实时性、可扩展性、执行机构精确的运动控制和力控制、 可靠的程控自动测试、多任务处理等性能要求。试验机测控系统既要进行数据采集和处 理，还要实现对执行机构的运动控制。近年来，随着电子技术和计算机技术的飞速发 展，各种电子式材料试验机相继问世并投入使用，为材料性能测试提供了高度自动化的 北方工业大学硕士学位论文 平台。虽然新设备功能全，但其价格昂贵，而原有的老设备仍在广泛使用，其数据处理 方法满足不了现代科学研究的需要。针对这种情况，国内己有一些科研单位、企业公 司、高等学校利用微机和传感器技术对老设备的测量系统进行了技术改造，实现实验数 据的自动采集、分析和处理，但其中仍然有许多问题有待解决。 材料试验机是测试金属材料力学性能的一个测试加载平台。按照加载方式与控制方 式区分【引，有三代产品：机械式加载试验机、液压式加载试验机和微机控制的电控试验 机。 1 机械式加载试验机，主要是普通电动机、齿轮、丝杠式传动加载及重锤杠杆式 加载。其缺点是调整、控制加载速率十分困难，而且要求试验机承力结构抵抗变形的刚 度很大。 2 液压式加载试验机使人工控制、调整加载速率变得较为容易，加载能力也得到 极大加强，而且对试验机结构刚度要求下降，特别是易于实现双向、三向加载，这是机 械加载方式难以实现的。 3 微机控制的电控试验机是在普通电动机、齿轮、丝杠式传动加载的基础上改以 采用便于自动控制的伺服电机，或者在液压加载方式的基础上采用电液伺服阀或比例 阀，配上微机控制的自动控制系统及显示系统，使得试验机的性能发生了革命性的变 化，主要表现如下： 1 可以实现稳定的恒加载速率。加载速率的变化对金属材料力学性能有重大影 响，测试静载条件下的力学性能就必须要求加载速率满足特定要求。传统试验机只能依 靠试验人员观察，根据经验加以手工调整，而微机控制的电控试验机则利用力传感器对 载荷变化速度加以数据检测、采集，利用负反馈的闭环控制系统实现加载速率稳定在预 设值上。 2 可以实现稳定的恒变形速率。传统试验机无法实现恒变形速率，而微机控制的 电控试验机则利用电子引伸计对变形速率加以检测、采集，利用负反馈的闭环控制系统 使得变形速率稳定在预设值上。 3 传统试验机度量力的大小基本上根据杠杆平衡原理，其示力精度依赖砝码的精 度及杠杆系统的精度。故传统试验机力测量的绝对误差都是按照量程的百分之几来计算 的，在某一量程内，力的数值越小，相对误差就越大。而微机控制的电控试验机则利用 力传感器作为力的测量装置，通过力传感器及相应电子放大线路则可以做到力的示值相 对误差保持不变，通过提高力传感器及相应电子放大线路的质量，可以极大提高力的测 量精度。 2 北方工业大学硕士学位论文 4 微机的使用，使得数据和试验曲线的显示变得更加容易，通过软件还可以对 数据进行处理，这是传统的) ( _ _ y 记录仪所做不到的。另外，利用与微机配套的打印机 可以极为容易地输出测试报告。 可以实现各种速率控制的自控试验机在微机没有发展起来时就有，但那时因大规模 集成电路发展尚不成熟，故需非常复杂、庞大的电控箱，采样速度慢，响应速度低，性 价比低，操作复杂不便。随着大规模集成电路的发展，微机的普及，才出现了现在的微 机控制的电控试验机。比较有代表性的厂家有英国的英斯特朗公司和日本的岛津制作 所。英斯特朗公司的第一代产品是1 11 0 系列，第二代产品为11 9 0 系列，第三代产品为 11 0 0 、6 0 0 0 系列，第四代产品是4 5 0 0 系列( 精密型) 和4 0 0 0 ( 4 2 0 0 、4 3 0 0 ) 系列( 标准型) 。 岛津制作所的第一代产品是i s 系列，第二代产品是d s s 系列，第三代产品是a g a 、 b 、c 系列，第四代是a g e 系列。在这些系列的试验机的技术指标中，负荷精度能达 到指示值的4 - 0 5 ( 或每级量程的4 - 0 2 5 ) ，横梁速度控制精度达o 1 【4 h ”。 我国电子式万能试验机的发展也很迅速，最早的一款电子式万能试验机是由长春试 验机研究所开发的定型产品w d 系列。近几年以来，国内在试验机方面研究的厂家也很 多，如深圳新三思公司和济南试金集团生产多种类型的成套试验设备。 考虑到加载速率、变形速率对金属材料力学性能的影响，国际上通行的与我国现行 的金属材料拉伸试验规范中都对这两者做出较为严格的规定。基于我国的试验机保有量 和设备更新的经济承受能力，经过了十几年的更新过程，传统试验机正在逐步消失。目 前计算机控制的电控试验机应用越来越广泛，尤其是科研单位和高校，已基本淘汰传统 的试验机。 现代电子式万能试验机的发展趋势体现在以下七个方面： 1 高精度的横梁速度控制、载荷速率控制( 等速应力控制) 、应变速率控制( 等 速应变控制) 、精确的控制状态转换，以及实时的数据测量与记录，便捷的试验结果显 示和打印输出； 2 万能试验机上带有各种自动控制和自动测量装置，大都采用组件形式，可以随 意增加以扩大试验机的使用范围和功用； 3 控制测量系统趋于与主机分离，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； 4 鉴于应力、应变测量对万能试验机的性能指标有很大的影响，因此国外在不断 改进试验机机械本体结构和载荷加载系统的同时，都致力于研制性能稳定、反应灵敏和 一3 一 北方工业大学硕士学位论文 精度高的应力应变测量装置。目前正在大力发展的是应变片式负荷传感器和差动变压式 引伸计。虽然有些产品带有电感式和电容式传感器，但使用不广泛； 5 在特殊的环境或介质中，材料力学性能测定。为在各种条件下测定材料的机械 性能，国外力能试验机大都带有各种环境装置如实验环境温度调节装置，专用试验机的 水平更高一些： 6 p c 机和微处理器己开始应用到万能试验机中，用来实现复杂的实时控制和数 据处理。试验机系统也由基于p c 机或者工控机系统向独立式测试系统发展，采用的总 线方式由以前的i s a 总线、p c i 总线向u s b 总线发展。所以，电子万能试验机和液压 式万能试验机仍是当前万能试验机生产中的两个主流： 7 从工程应用与发展理论来看，测试含有微裂纹试样的力学性能非常重要，尤其 是通过测试过程揭示微裂纹发展、扩大，直至试样断裂的力学规律。最理想的方法是能 够在加载条件下，三维显示微裂纹附近的应力、应变场及其随时间的演化过程。随着工 业c t 技术的进展，问题将会得到解决。 本课题的主要研究内容是电子式万能材料试验机测控系统的计算机控制和测量系统 的实现，主要针对金属材料的力学性能试验。 1 分析了系统结构和功能； 2 编写了测控系统软件，实现了软硬件的通讯； 3 分析了系统涉及到的若干算法和关键技术，并加以应用； 4 进行了相关的试验。 其中主要包括测控系统的组成和工作原理、测控系统软件结构分析与设计、实时测 试数据的在线处理、数据库、测控系统程控自动运行的实现。 4 北方工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 试验机及其分类 在材料的使用过程中，材料的性能尤其是力学性能被人们广泛关注，它是利用材料 进行构件选材、设计、失效分析、安全维护等方面的主要判断依据。材料的力学性质是 指在一定的条件下，如一定的温度条件下，材料在载荷的作用下所表现出来的性质。这 些性质包括弹性变形、塑性变形、拉伸破坏、剪切破坏、疲劳断裂、蠕变等，相对应的 载荷的加载方式也不同，如大载荷瞬时作用下的冲击、小载荷作用下的周期性加载、高 温环境下的加载等。 材料试验机是测定材料性能指标的标准仪器设备，根据材料种类及所需测定的性能 指标的不同，材料试验机可以分为很多种。按我国产品分类规定1 5 j ，试验机按用途可分 为：金属材料试验机、非金属材料试验机、平衡机、无损检钡4 仪器、振动台、冲击台与 碰撞台、力与变形检测仪器、摩擦、磨损、润滑与工艺试验机、大型结构试验机、汽车 专用试验设备等。 金属材料试验机包括：万能材料试验机( 机械式和液压式) 、拉力试验机、压力试 验机、弯曲试验机、扭转试验机、复合应力试验机、大型构件试验机、蠕变与持久强度 试验机、松弛试验机、硬度计、冲击试验机、疲劳试验机等。非金属材料试验机是按被 测试材料来分类的，每类中又按其能完成的检测项目再进行划分。 1 2 试验机的发展历史 6 1 f f li s l 古代劳动人民在长期生产实践中，积累了丰富的识别材料性能的经验，如通过弹敲 器皿或工具的方法鉴别质地好坏；用划痕和击断的方法了解材料的质量和内部结构情况 等。这些方法是以经验为主的，只能初步定性地分析材料的性能，而无法获得准确的材 料性能数据。 生产力的进一步发展要求能够定量地测定材料的性能，以进行合理的设计。十七世 纪的欧洲，冶金工业己经萌芽，生产实践中材料种类也在不断增多，在材料应用的实践 中出现了一系列技术难题，需要人们准确获取材料的性能。1 6 3 8 年伽利略首次用施加 净重的方法测量钢棒的强度。不久之后，虎克通过试验研究建立了虎克定律，从此，对 材料力学性能的研究由现象观察步入理论研究阶段。 5 北方工业大学硕士学位论文 在工业生产的发展过程中，随着新材料的不断出现，迫切需要研制和生产相应的材 料试验设备，以及研究材料的试验方法。于是材料试验机应运而生，第一台材料试验机 于1 7 2 9 年问世，它是根据杠杆原理制成的。到十八世纪中叶，材料试验机逐渐地有了 较大的改进，例如在加载机构中采用了刀口结构等，这时的材料试验机加载能力己达到 1 0 0 吨。 十九世纪初，液压技术的进步促进了液压材料试验机的研究与应用。第一台液压材 料试验机于1 8 2 7 年制成，采用杠杆原理测量载荷。从这时起，才开始系统地发表了一 系列关于材料强度和性能的试验数据。十九世纪三十年代，材料试验把环境温度也考虑 进去了，制造了在1 3 1 0 i 下测定金属材料拉伸性能指标的机械式材料试验机。 本世纪初，制成了布氏硬度计，随后制成洛氏硬度计、维氏硬度计和蠕变试验机 等。二战后，适应军事科学的发展，新型合金的研究工作也髓之发展起来。与之配套的 系列新型材料试验机，如高温材料试验机、低温材料试验机、高速材料试验机和高频 材料试验机等也相继出现，负荷测量系统和变形测量系统也有了新的发展。在本世纪五 十年代，出现了电子式材料试验机。由于在材料试验机的的控制、测量和记录系统中， 广泛采用了电子技术，使材料试验机的整体性能得到很大提高。机械设计的进步和微电 子伺服控制技术的应用，现代静态试验机己经把拉、压、弯、剪等集合于一身，称之为 电子万能试验机。通过变换夹具、附件和改变试验机运行参数就能自动完成材料试验， 并将试验结果以数据打印和曲线描绘的方式输出。此类试验机由于具有闭环伺服控制系 统，除上述静态试验机功能外，它还能进行低频率往复拉压循环试验，因而添加了部分 动态试验功能，扩展了它的应用范围，成为世界上目前应用最广、最普遍的机种之一， 基本取代了传统的老式机械拉力试验机、压力试验机和专用的弯曲试验机。目前国际上 公认的电子万能材料试验机有英国的i n s t r o n 、美国的m t s 和日本的岛津。此外，利 用液压驱动大负荷加载的液压万能试验机不仅可以对高强度金属、岩石等材料进行拉、 压、弯、剪的试验，而且特大负荷的机型也可以对大型建筑构件、地层高压岩体进行重 载下的力学强度试验，其负荷力值己达到三千吨力以上。 自2 0 世纪二十年代以来，动态试验机的发展迅速，由纯机械机构迅速发展到机 械、液压和电子系统三者结合的现代伺服机构。五十年代末美国发明电液伺服阀以来， 诞生了电液伺服疲劳试验机，使动态试验机发生了革命性的变化，打破了动力试验机和 静力试验机的传统界限，使柱j n - 试验机的性能又有了很大的提高。它不仅变开环控制为 闭环控制，而且还大大地提高了试验精度和增加了动态试验负荷的种类。与此同时，电 6 北方下业大学硕士学位论文 磁谐振型疲劳试验机发展迅速，主要用于材料和简单零件的动态试验测定。为适应现代 生产的发展，动态试验机中又出现了振动台和冲击试验台两种类型。 现代工业、航天工程的发展又促使了动平衡机的诞生，用于测试物件的旋转平衡。 此外，工业发展要求对材料和制成品进行安全检验，无损探伤仪器便应运而生。它利用 超声、射线、磁粉、涡流等方法对客体进行扫描，以检查其内部是否存在着隐患与缺 陷。随着技术进步，近代又产生了激光全息、红外成象、荧光渗透以及中子照相的方法 及其相应的仪器p j ，推动无损检测技术发展到一个更新的阶段。 试验机发展的同时，试验机的附件和辅助装置也在不断更新发展，如高温加热装 置、低温致冷装置、高低温夹具、高低温引伸计、温度控制系统、大变形跟踪测量装置 以及气动与液压动力系统等。 到目前为止，试验技术的发展和试验机研制的范围，己从单一的实验室型的材料性 能试验发展到现场应用的结构强度模拟试验和实物整体的运行试验，而且试验的内容也 从室温下的拉、压、弯、剪等纯机械的力学性能试验迈入到能模拟高温、低温、化学腐 蚀与振动等条件的综合性试验的领域。 1 3 试验机的技术进步和存在的问题 试验机的技术进步与材料理论、机械科学、电子技术、计算机技术、信息技术等领 域的发展联系密切，但也存在着诸多问题尚未解决。 试验机的机械本体是对试样加载的平台，它的结构、精度、剐性、上下夹头的同轴 度等指标对于试验的结果有很大影响。譬如：假设同轴度不好，在进行标准试样拉伸试 验的时候，试样所承受的载荷力的作用表现为沿着试样轴线的拉力和和力矩，这将显著 影响力学性能指标的分析结果。同时，合理分析试验机的机械本体结构，可以在不降低 机身强度和刚度的前提下，迸一步缩小本体的尺寸和重量。目前通过应用有限元分析方 法，建立机械本体的受力分布，选择合理的载荷和约束条件，可以得到机身横梁的上下 表面、立柱、工作平台的应力分布情况【l ，从而合理设计机身的结构和尺寸。 在对非金属材料如石料的应力应变关系测试的时，需要试验机本体刚性良好。试 验机在加载的时候，本身的弹性变形会吸收远大于试样吸收的能量，这种能量在试样破 坏过程中导致难以准确检测试样的破坏过程，同时也会造成试验机的冲击振动。针对这 种情况，罗生军等人设计辅助装置一由一个承力架和若干个碟簧叠合而成的吸能装置， 它可以降低机身储存的能量对试样破坏过程的影响u l l 。 一7 北方工业大学硕十学位论文 试验机的夹具【1 2 l 【1 3 j 1 1 4 】一直就是试验机本体设计中的关键一环，以往的试样安装方 法繁琐，难以保证试样中心线和夹具的中心线处于同一直线上，而且手工装夹生产率低 下，自动化水平低。目前比较好的装夹方式是液压和气动方法，将来可以向机械手自动 装夹的方向发展。 试验机的测量系统是试验机的一个关键部分，它需要采集载荷、变形等多种参量。 老式试验机采用一些机械式的仪表盘、滚筒，通过试验人员目测的方法记录材料力学试 样特征点的力数值等方法记录原始数据，这种方式不方便而且容易出错，试验结果和人 为因素关系密切。目前试验机的的测量系统主要由传感器和电子线路搭建，将单片机、 d s p 、计算机等引入到测量系统中，大幅度提高了测量的自动化、准确性和试验效率。 在载荷测量方面，目前常见的是使用应变式力传感器搭建电桥电路进行，而且随着集成 电路技术的进步，产生了很多专用信号调理模块如m a x l 4 5 7 等的，它们提高了测量的 精度和电路设计的复杂程度。在变形测量方面，引伸计应用广泛，传统的模拟量输出的 引伸计向数字量输出的引伸计过渡，比如将引伸计两脚之间的直线位移转换为转角的变 化，然后由编码器输出对应与变形量的脉冲数。光栅尺( 15 】是一种量程很大而分辨率很高 的传感器，应用光的干涉原理，计量标尺光栅和指示光栅之间的相对位移来测量试样的 变形。这种传感器的输出可以直接是数字量，方便计算机的处理。 数据采集过程中，必然会包含一些干扰成分，如何消除干扰是试验机测控系统必须 面对的一个核心问题。已有的解决方法分为两个方面：在硬件方面，使用分辨率很高的 模数转换器件，因为在数据采集系统中，影响精度的最关键的方面就是a d 的转换能 力。s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 在试验机测控系统的改造和设计中越来越受到重视i j ，它 能把一个系统要完成的功能用一个芯片来实现，如p h i l i p s 公司生产的c 8 0 5 l f x x x 系 列芯片，使用非常方便，数据处理能力强。数字信号处理器( d s p ) 在试验机的开发应 用越来越广泛，利用d s p 强大的数值运算能力，可以将复杂的数据处理、伺服控制算 法等计算任务直接交给硬件执行，降低测控系统软件的负担，提高试验机整体性能。一 些可编程的器件如c p l d 、f p g a 等，在把它们和其它器件的配合使用，可以极大地增 强系统的可靠性和自动化水平，便于系统扩展。在软件方面，广泛应用的数字滤波算法 将信号的调理由硬件实现转换为软件实现，随着计算机和高性能的数字信号处理芯片的 广泛应用，这种方法可以实现很复杂的数据处理处理过程。 经过滤波平滑后的试验曲线的处理是非常讲究技巧的。对于金属材料而言，测试曲 线的形状和走向都有普遍的规律，所以需要对试验曲线进行拟合，这对于后续的数据处 理、指标计算和曲线保存等都有很大的意义。目前曲线的拟合主要有最d , - 乘法和多项 8 北方工业大学硕士学位论文 式法1 17 i ，拟合的方式也有很多，如：用单一的数学模型去描述整个曲线，或者将曲线分 段，对每一段进行拟合等等。分段拟合目前使用的比较多，因为它适合材料试验曲线特 征：通常是由弹性变形、屈服变形、断裂变形和断裂阶段四个部分构成。弹性变形和断 裂阶段表现为直线的性状，可以用直线去拟合；另外两个部分需要用高次的多项式去拟 合。在拟合曲线的数学模型建立以后，所要做的就是选取某些试验数据去求取相关的系 数。在这个问题上存在较大的困难：其一，测试过程采集的数据很大，但是不可能将所 有的数据都拿过来去分析求取数学模型中的系数，那么如选择合适的点；其二，点选择 完毕以后，在计算系数的时候采用的计算方法也是需要注意的问题，同时还要考虑算法 的计算量。 试验机的伺服控制是试验机测控系统设计中的关键一环，伺服控制的目的是为了在 试验过程中获得良好的应力速率、应变速率、位移速率以及定载荷、定应变、定位移等 等。传统的载荷加载控制是应用杠杆原理，通过手动的方式实现试样的，这种控制方法 与和试样人员的主观因素关系密切，而且控制的精度依赖与杠杆系统的精度，现在基本 上已经被摒弃。在技术上已成熟的试验机测控系统上。广泛应用了如p w m 电液控制系 统、分级比例控制、p w m 直流伺服控制、锁相一自适应控制、p i d 控制、动态响应自 适应控制等等。采用何种控制是和试验机的种类、试样的类型、试验的目标、驱动部件 类型、加载方式、控制精度要求等相关的，但是最终都要满足相应的材料试验国家标准 的要求，特别是应力速率和应变速率要求【1 8 1 。 p i d 控制【1 9 】 2 0 口1 】 2 2 p 3 】是应用非常广泛的一种控制方法，在液压和电控的试验机系 统中都有很好的控制表现。目前普遍使用的是增量式p d 控制，其控制的效果主要取决 于三个控制参数k p 、蝎和k o 的调整。在实际应用中，为了获取更加优良的控制性能， 一般会傲适当的调整，如改造成比例积分适时调攘的p 控制等。 电液伺服控制用于试验机是开始于5 0 年代中期，用于简单的动态试验，以代替仅 能测量材料静态指标的机械式和电磁式常规试验机。这种试验机以经典闭环控制为理论 基础，在机械液压结构的主机上采用了传感技术和电子装置来进行测量和控制。世界 上第一台电液伺服疲劳试验机由美国m t s 公司研制，接着，英i 亘( i n s t r o n l 2 5 0 - 1 2 5 6 ) 、 西德( s c h e n c k p s 系列) 、日本( 岛津一e h f 系列) 和瑞5 r ( a m s l e r - p e d 系列) 等国也发展了 他们自己的产品。1 9 7 1 年，长春试验机研究所研制成功国内第一台d p i 型电液伺服低 频疲劳试验机。8 0 年代末至9 0 年代初，谐振非谐振电液伺服试验机的问世则标志着我 国这种类型的试验机研制工作已达到国际先进水平驯。同时，由于传感器和电子器件的 小型化，还出现了电液一体化的比例元件，电液比例技术逐步形成了集成化趋势。英国 9 北方工业大学硕士学位论文 i n s t r o n 的8 0 3 2 型智能化试验机、美国m t s 公司的实时控制材料试验机均具有代表性 2 5 1 。液压数字控制方式越来越收到重视，采用传统的比例阀或伺服阀等模拟信号控制元 件构成的系统一般通过d a 接v i 实现数字控制，是国内外液压数字控制流行办法口“。 吴捷、肖湘华等人分析了锁相一自适应控制以实现了试验机良好的动静态性能，将 系统分为三环：内环为直流伺服控制，中环为模数混和锁相控制，外环针对试样的差异 和在拉压时候的非线性，引入实时递推辨识和自校正控制。分级比例控制是针对电液式 试验机而言的，它将伺服阀和比例阀的控制区间分为几段，在每一段内执行独立的比倒 控制，这样可以降低多种非线性因素的影响1 2 ”。 随着航空、航天工程、近海钻探、核反应堆及动力设备、造船、火车和汽车等工业 中新型材料、先进结构和工艺的出现，人们对高响应、高精度和高功率比的电液伺服试 验机的需要也日益迫切。这就意味着采用现代控制理论来指导电液伺服试验机系统的设 计已成为重要的研究课题。它主要以状态方程为基础，研究多输入、多输出、变参量、 非线性、高精度和高效能控制系统的分析和设计问题。最优跟踪、最佳滤波、系统辩识 及自适应控制等则是这一领域里的几个主要分支f 2 ”。利用各种先进的传感器、中间变换 装置、各种类型的频率响应分析仪及其信号处理机来测试材料试验中的振动、噪声、动 态力、动态位移、动态温度等动态参数已受到普遍重视，尤其是采用相关积分实现跟踪 滤波、快速傅罩叶变换( f f t ) 和时间序列分0 i ( d d s ) 的原理和手段来准确地测辩材料 试验系统的动态模型，已成为对试验机实施最优跟踪、随机控制和自适应控制的必要技 术。 数字计算机控制技术应用于试验机系统中，不仅进一步促进了试验机的更新换代， 而且开辟了有效进行复杂试验( 如断裂力学、低循环疲劳试验等) 与提供新试验方法的 崭新途径。随着计算机软硬件技术的日益发展和工程中对材料试验要求的日益复杂，微 机测控型的材料试验机也在不断地完善其功能。尤其是过去难以实现的控制方式，如带 离散降维状态观测器的变极点最优控制、非线性控制模糊控制等，都可以充分运用计算 机强大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力来实现l z 副【2 9 j 。 如上所述，试验机的发展需要解决的问题还很多，整体而言表现在以下几个方面， 也在一定程度上代表了试验技术发展的方向【l j ： 1 试样的加工、处理、搬运、安装等过程的自动化； 2 在整个试验过程中控制试验参数保持恒定或按一定规律发生变化的试验过程控 制自动化，如温度、载荷、应力、应变、加载速率和应变速率等； 3 试验结果记录过程自动化，如试样连续不断的变形、应力和应变随时间的变 1 0 北方工业人学硕士学位论文 化、裂纹长度的变化、应力作用的循环次数、试样断裂或出现裂纹的时间等； 4 ，试验数据处理过程的自动化，以便从测出的基本试验数据中值迅速得到有用的 推导值，从而迅速进行控制反馈； 5 试验结束时保护应变计等装置免受冲击和试验机自动停机等试验安全保护。 1 4 论文所开发的试验机测控系统简介 1 4 1 系统分析 材料试验机测控系统设计需要达到的目标是：开发一套自动检测和控制系统，按照 国家标准对材料试验的各项规定，在对标准试样加载直至其破坏的整个过程中，记录载 荷力和试样变形量的实时数据，并分析计算材料的力学性能指标。测控系统主要针对金 属材料的拉伸、压缩试验，兼顾非金属材料的力学试验。 试验机测控系统包含软件部分和硬件部分，主要有：载荷加载子系统、运动控制子 系统、物理量测量子系统、人机交互子系统和数据分析及报表处理子系统构成。 目前广泛应用的测试系统主要是数字控制系统，而且微机是系统的核心。根据应用 领域的不同，可以选择不同的系统配置。主要有：单片机为控制核心的系统、专用总线 模块控制系统和以p c 机或工业控制计算机为核心的系统。 基于p c 机或工控机的测试系统有很多优点：运算速度快、开发平台多种多样、可 移植性好、性能稳定、扩展方便、硬件资源丰富和开发难度较小等等，这些优点对于材 料试验机开发而言是非常需要的。材料试验过程中，需要同时执行数据采集、运动控制 和状态监控任务，数据交换负担很重，实时性要求高，数据处理能力要求很强。综合这 些特征选定系统整体方案：以p c 机或工控机为核心实现检测和控制。实践证明这种选 择是正确的，如图1 1 所示基于p c i 总线的电子万能材料试验机实物图。从图1 1 可以 看出：材料试验机由机械本体部分、测控卡( 包含测控系统软件) 、计算机和伺服驱动 系统四个部分组成。 1 4 2 系统的特色 已开发成功的基于p c i 总线的电子万能材料试验机测控系统的特色： 1 电机调速平稳，调速范围宽，横梁位置位置控制精确； 2 可以同时采集4 路模拟量信号，预留f o 口以方便将来的系统升级； 3 输入输出通道与主机用光电耦合进行隔离，硬件系统有较强的抗干扰能力： 4 系统具有很强的实时数据采集和在线处理能力； 北方t 业大学硕士学位论文 5 试验过程中能随时根据试验进展情况调节试验参数和电机控制参数，而且切换 过程中试验机运行平稳，同时具有手动切换和根据运行状态自动切换的功能； 6 ， 系统具有安全保护措施，如夹头行程超过范围后能够报警或者自动停机； 7 测控系统软件的开发严格遵循材料试验机国家标准规定进行，界面友好，易于 使用： 8 系统标定和调零非常方便，操作简单。 图1 1 材料试验机实物图 1 4 3 系统组成和工作原理 系统的硬件组成有万能材料试验机机械本体、伺服控制器及电机、p c 机，其它附 件有负荷传感器、变形传感器、负荷变形放大器、编码器、模数转换器、打印机、绘图 仪等等。机械本体主要用来给试样施加载荷，应变式负荷变形传感器固定在机械本体的 上夹头上，以测量加在试样上的负荷。变形传感器为应变式单向引伸计，试验时，引伸 计直接卡在试样上，用以测量试样的变形。当给试样加载时，力传感器和引伸计分别把 力和变形转化为电压信号，输入到力、变形电压信号放大器中，放大器输出经过信号调 理、模数转换后，通过测控卡送入计算机，再经过比例换算等处理得到力和变形量值， 同时绘出力变形等特征曲线。测控卡输出控制信号给驱动器，控制电机运行，从而驱 动执行机构运动。试样拉断之后，系统软件按照预先设定的计算项目，进行数据处理。 试验结果可以用表格或曲线的形式，经打印机或绘图仪输出，如图1 3 所示。 1 2 北方工业大学硕士学位论文 1 4 4 测控卡原理分析 材料试验机是一种集数据采集和运动控制为一体的自动检测和控制系统，属于机电 一体化设备。测控卡从功能上面可以理解为在p c 机和材料实验现场架起了一个自治的 缓冲和命令传递中介，对于p c 机和系统软件而言，它汇报测试现场的情况和状态，为 系统软件获取实验相关数据、状态监控和系统调整