拉伸试验机控制系统设计.doc

浙江工业大学毕业设计（论文）题目： 拉伸试验机控制系统设计 作者： 系 （部）： 专业班级： 指导教师： 职称： 2009年 5 月 28 日毕业设计（论文）任务书课题名称拉伸试验机控制系统设计系 别专业/班级学生姓名学 号指导教师单位/职称课题来源科研课题成果形式论文所属岗位电气装配与设计一、毕业设计（论文）课题的主要内容、任务和目标、基本要求等：首先通过对拉伸试验机工作原理的了解，然后对万能试验机的硬件及软件进行设计。根据拉伸试验机的工作要求设计合理的伺服驱动系统、测量系统等；设计出合理的软件流程图，并对部分软件进行编程。最后对程序进行模拟调试。二、实践要求：顶岗实习单位要与电器控制相关，时间12周，要求熟悉电器控制系统的工作原理，对单片机的硬件及软件有综合实践认知，能自己设计出简单的控制系统；并能熟练操作机床等数控加工机床。三、进度安排第一阶段（第5学期16-19周）第16、17周：校内查阅文献资料，完成开题报告；第18、19周：根据控制原理完成拉伸试验机控制部分的总体框图的绘制；第二阶段（第6学期1-16周）第1周： 根据总体框图合理设计硬件及软件模块；第2周： 编写部分软件代码；最后对程序进行模拟调试。第3-14周： 毕业顶岗实习；第15周： 整理毕业设计论文资料，准备毕业答辩；第16周： 毕业答辩；四、推荐的主要参考资料1 GB/T228-2002，金属材料，室温拉伸试验方法2 蔡增伸，赵新建，王海勇等.金属拉伸试验方法的关键及其装备研究，浙江工业大学学报，19993 陈智军，液压万能材料试验机计算机测控系统研究，硕士学位论文，浙江工业大学，20004 张朗先.，微机在力学测试技术中的应用，理化检验物理分册，19985 李世平，韦增亮，戴凡，PC计算机测控技术及应用，西安电子科技大学出版社，20036 李健,黄开亮，中国机械工业技术发展史，机械工业出版社，20017 万振凯,刘其电,刘源等，AG-E试验机GPIB通讯接口设计与应用，计算机自动测量与控制，2001指导教师签名 田 敬 2008 年 12月 10 日专业负责人签名 吴明明 2008年 12月11日 拉伸试验机控制系统设计摘 要 万能实验机是测定材料力学性能的主要设备，当前使用的液压万能材料试验机大部分仍为手工控制和操作，工作量大、机械化程度低，试验的精度和可靠性不高。要使这些老式材料试验机提高测试性能，满足生产、科研和产品质量控制的需要，达到“试验法”和“检定规程”等国际技术条件的要求，最好的捷径是走设备改造这条节省资金、变废为利的道路。改造的主要目的是实现测试 自动化、减少人为因素、自动存储数据、提高测试效率。基于此目的，本论文在掌握大量试验机动态信息的基础上，把计算机技术与测试技术相结合，充分发挥电子计算机的能力，的试验机进行了改造，开发研通用硬件和应用软件三部分为基础的液压万能材料试验机自动测试系统。论文主要工作：1、首先介绍了液压万能试验机的构造和液压工作原理，并结合现状对试验机的测装置进行了改造。2、测试系统采用压力传感器、9针串口鼠标、引伸计三种传感器。分别对这三种传感器构造原理、安装位置和用途进行详细的阐述。3、文中选用9针式串口鼠标来测量试件拉伸全过程的位移。对鼠标的工作原理进行着重的分析，并对其装置进行了改装。着重讨论了串口鼠标通讯的实现和通讯协议格式，并自行研制了鼠标数据包处理的动态联接库(afxm.dll)，对鼠标采集的数据进行读取、解析，完成实验时位移变化的测量。关键词：电子万能材料试验机，交流伺服电机，变形，位移目 录第一章 前言11.1本课题在国内(外)的研究现状综述11.2国内外拉伸试验机技术的发展趋势21.3课题的主要研究内容31.4本课题的解决方案3第二章 电子万能实验机工作原理42.1系统总体结构4第三章 万能试验机的硬件部分73.1微机测控系统73.2硬件部分7第四章 万能试验机的软件部分84.1该系统的软件包主要由以下两个部分组成:84.1.1数据采集与处理模块84.1.2曲线的绘制、存储与重绘模块94.2软件系统按功能分成多个模块. 11第五章 系统控制软件的设计135.1系统软件设计包含内容135.2软件的设计说明及程序清单：13第六章 设计总结16参考文献16谢辞19I机电控制工程系毕业设计（论文）第一章 前言1.1本课题在国内(外)的研究现状综述我国的各类机械式试验机是20世纪50年代发展起来的，如机械式拉力试验机、机械万能试验机、机械振动台等。这类机械一般具有足够的精度和稳定性，可实现无级调速。但负荷能不大，难于控制，且不够灵活。20世纪60年代开始，制出了液压试验机，如液压式拉力试验机、液压万能试验机。采用液压系统加荷，加荷能力较高，加荷平稳，加荷速度可自由调节，负荷测量范围宽，可从几吨到几千吨。这类试验机一直被广泛采用，有的还增加了一些新装置，如定速加荷装置、应力应变自动记录装置、差动变压器应变测量装置等。20世纪70年代以来，由于橡胶、塑料等高分子材料的发展，非金属材料试验机逐步发展起来。随着电子技术的采用，发展了电子式试验机，如电子式拉力试验机、电子万能试验机、电磁振动台等。这类试验机是将电子技术应用于负荷系统和变形系统，对负荷和变形进行精确的测量、控制和记录，对试验结果还可进行处理和显示。对负荷速度和变形速度，既可用电子线路控制，也可用计算机控制。因此这类试验机精度高，负荷范围宽，操作方便，但一般价格昂贵。1980年，济南试验机厂生产的WE-60型液压万能试验机获得国家经委颁发的银质奖，并在1983年定为国家优质产品。1985年长春试验机研究所试制成功200t电液伺服试验机，是中国第一台机电一体化的低应变率、大吨位电液伺服试验机。采用电子计算机控制电液伺服系统，可实现负荷、变形、位移控制，可进行数据采集、处理、绘图、打印和显示。在20世纪90年代，长春试验机研究所和长春试验机集团公司共同研制的“电子万能试验机”，在测量精度、拉压负荷传感器、弹性体处理技术等方面有了突破，特别是在微机控制方面，采用GPIB国际标准接口总线，使产品技术指标达到国际20世纪90年代先进水平。20世纪60年代中期，美国、日本、德国等发达国家生产了电液伺服万能试验机，随后又将计算机应用到试验机中。英国Kinston公司生产的1190系列、1100系列电拉机和日本岛津制作生产的Doss系列和AG-A系列电拉机，由于引入了各种功能附件及计算机，其功能、可靠性、测试精度大大提高，数字式电液比例系统也得到很好发展。最近，Kinston公司研制的5500系列电子试验机采用Windows操作系统和Merlin标准软件以及数字信号处理(DSP)技术，其性能得到进一步增强。但由于其量程小，价格昂贵，在国内应用很少。设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法。1.2国内外拉伸试验机技术的发展趋势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，比较有代性的是德国申克(Scheck)公司，MFL公司，沃尔伯特(Wolpert)公司和美国的MTS公司，奥尔森(Olsen)公司，英斯特朗(Instron)公司，茨维克(Zwick)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。我国有代表性的公司的产品是长春试验机研究所开发的CSS2200系列电子万能试验机，该产品技术指标已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WD系列，长春市第二试验机厂三思公司CMT5000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以下七个方面：1.日趋高精度的控制横梁速度、加荷率（等速应力）、应变率（等速应变），而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。2.目前，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。3.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。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。目前正在大力发展的是应变片式负荷传感器，差动变压式引伸计。5.为在各种条件下测定材料的机械性能，国外万能试验机大都带有各种环境装置高温炉温度达到2000，低温箱温度达到270。6.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。7.虽然电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。1.3课题的主要研究内容试验机是一种非常复杂的测试设备，本文的侧重点不在试验机的制造上而是在试验机的控制部分设计上，这种侧重是来源于课题的需要。本课题的主要研究内容是电子万能试验机的动力部分改造。这其中既涉及到硬件的控制部分设计也有软件程序的编制，应该说工作量还是比较大的。1.4本课题的解决方案1.对系统的总体结构列出了系统结构框图，使我们对万能试验机的各个模块有了部分的认识，随后对试验机所能完成的常用几个试验进行了分析，介绍了这些试验的试样选取，试验曲线，各种要获得的参数的计算公式等，对该试验机所能完成的功能有比较系统的介绍。2.由于该试验机完成的功能中包括了负荷、变形、位移三个参量，所以对试验机的改造都围绕着这三个参量来设计，以达到这些参量的正确获取，并且应当达到国家有关规定所要求的标准，在精度上更是要确保这些参量的精确性。为此，介绍了这些参量获取的相应的硬件及其工作原理，然后又对获取这些参量的信号调理电路有较为深入的介绍。第二章 电子万能实验机工作原理2.1系统总体结构电子万能实验机系统总体结构如下图2.1所示图2-1系统结构图本系统主要由伺服驱动系统、测量系统、机械部分、人机交互式测控、管理软件等五个方面组成：1伺服驱动系统：该系统是万能试验机的核心部件。传统的试验机是采用稀土直流电机来做动力，它的很大的缺陷是由于有电刷和整流子，非常容易损坏，需要经常维护，而且在大转矩下的工作稳定性比较差，所以现在的万能试验机都采用交流伺服驱动。交流伺服电机的伺服驱动模块完善，不用电刷，几乎不需要维修，而且小转矩的时候定位精度高，测量数据准确，很好的交流伺服电机在不丢失脉冲的情况下可以达到0.01mm的精度，这是直流电机所不能达到的。一个完整的电机控制系统应含有伺服电机、伺服驱动器、供电电源以及控制器（脉冲源）。它们的功能是将计算机命令翻译成的数据进行执行以命令驱动器以设定的速度、方向运动，并适时停转，从而控制动横梁的上升、下降、停止。由于伺服电机有反馈模块，它内部的光码盘将电机的位置信号反馈回计算机，以便于计算机为电机的下一步运动发出适合的指令。在此我们采用松下公司生产的MINASA系列的交流伺服电机，在它的驱动器上有与计算机通讯的RS232串行接口，这为方便的控制电机创造了良好的条件，因为计算机是成熟而且稳定的一个与用户交互的窗口，在上面可以很轻松的编写软件并做测试。2测量系统：对于本次拉伸试验机的设计，必须配置电测传感器，通常有3种：用于测定力值的压力传感器或测力传感器；用于测定式样变形的变形传感器；用于测定机器横梁移动量的位移传感器。本文采集的主要是拉力数据的采集；因此，只使用了拉力传感器。测试过程中，操作人员可以一边观察侧一边用拉力传感器反映的力值进行数据采集和处理测试结果。通过此次系统改造后的试验机，相对来说，测量精度明显提高，并能自动记录被测试材料的最大拉力、钢材的屈服点参数等。 要求如下： 数字显示试验里及峰值等，示值精度为并能方便验定； 实时记录曲线； 具有抗拉强度的峰值自动保存功能； 具有屈服强度等参数自动判断功能； 系统适合于长期连续运行； 测试数据及相关数据机内掉电保存，以备查用；可单独使用，也可与上位联机使用。3机械部分：试验机的机械部分沿用原来试验机的机械部分，其主机负荷机架采用等强度的设计方法，其工作台与横梁采用焊接梁结构，受力框架与系统重量轻、刚度高，动横梁上通过动滑轮安装配重块，可以很方便的将动横梁上下移动，在动横梁的滑道上有上限位块，能够防止横梁的突然上升将试块或称重传感器毁损。横梁是由丝杠的旋转来带动的，电机主轴的转动通过同步齿形胶带转移到减速器的丝杠上并带动器转动。它的优点是传动平稳、噪声低、间隙小、响应快。4测控软件：该软件能够直接同测控部分直接通讯，主要是创造人机友好的交互式界面，在现在越来越简洁化的时代是非常重要的。5管理软件：这个软件是方便用户将所做的试验保存并被以后随时调用来做管理的，其实它就是一个数据库，可以查询并打印，在现代日益烦杂的试验中这一点尤为重要。第三章 万能试验机的硬件部分3.1微机测控系统电液式万能试验机微机测控系统主要实现以下功能：对检测元件的信号进行采集放大及转换；将转换后的数字信号输入计算机，测控软件对其进行显示、分析及保存，并根据控制算法发出控制信号；对控制信号进行转换，输出给控制放大器，完成闭环控制。3.2硬件部分 鉴于篇幅，在此将硬件部分作为一个模块进行说明。此硬件部分主要由计算机、打印机、转换器、转换器、检测元件及外围电路组成（如图$所示）。由于试验机本身具备完整的电测能力并配置数据自动处理装置，因此对硬件无需做较大改进，只在传感器上做了改进，改用光栅式的引伸计和位移传感器，输出的数字信号通过串行通信接口直接输入计算机，既提高了精度也提高了准确度。图3-1万能试验机测控系统的硬件配置压力(位移)传感器所产生的模拟信号经过放大器放大后送入A/D转换电路进行转换,转后输出的数字信息经过数字量接口板的进一步处理后进入PC机。然后便可利用PC机的强大功能完成对数据的分析、输出和曲线绘制等任务。其逻辑结构如图3-1所示第四章 万能试验机的软件部分4.1该系统的软件包主要由以下两个部分组成:4.1.1数据采集与处理模块该模块是整个软件系统设计的关键,主要完成实时采集压力和位移数据以及数据实时处理与显示功能。由于VB本身不具备对I/O端口访问的低级功能,而Windows也未提供访问I/O端口的函数,因此VB无法直接访问外部设备。虽然VB仅提供有限的系统函数,但它可以调用其它程序设计语言开发的DLL函数。利用DLL函数,VB应用程序不但能实现超过自身所能实现的各种功能,而且由于DLL函数是在应用程序运行过程中动态装入的,这样可减少内存占用和简化程序代码,既在本质上解决了数据采集及处理的实时性问题,又利用了VB的长处,使整个软件集实用性与精确性为一体。万能试验机测控系统采用VC+6.0和汇编语言混合编程,把数据采集与处理程序编译为动态链接库DLL)函数的方法。具体实现方法如下:(1) 在VC+6.0的应用程序项目中选择Win32 Dynamic-Link Library,输入新建DLL项目的名称(如control),创建一个新的动态链接库工程模板。(2) 建立DLL的C+源文件(.CPP)。在DLL模板的Source文件夹里,添加.CPP文件,把已经写好的C语言函数添加进来,并在函数名前加关键字WINAPI。(3) 建立模块定义文件(.DEF),*.DEF文件是项目中比较特殊的文件,它用来定义该DLL将输出那些函数,只有该文件列出的函数才能被应用程序调用,因此它是不能缺少的,格式如下:LIBRARY CONTROLCODE PRELOADMOVEABLE DISCARDABLEDATA PRELOADMOVEABLEEXPORTS输出函数名列表(4) 编译该项目,产生*.DLL (control.dll)和*.lib(control.lib)文件。其中*.lib供应用程序链接时使用,*.dll供执行时调用。(5)使用时,将创建的dll文件放入dll文件默认目录“c: Windows system”或某个指定目录下,在VB的模块中对输出的测控函数进行声明即可,如:Declare Function test1 Lib“e: control.dll”()As Double其中test1为输出函数名。这样,在VB程序中就可以通过调用DLL函数直接采集和处理数据了。4.1.2曲线的绘制、存储与重绘模块(1)实时曲线绘制:万能实验机的测试曲线主要有两种:应力-应变曲线和应力-时间曲线。应力-应变曲线反映的是随着负荷的增加,材料变形量的变化;应力-时间曲线主要反映的是随着时间的延长,材料应力的变化。实时曲线反映了现场数据的实时性,以监测该点在现场工况变化情况下的控制稳定性,因此实时需显示曲线的动态变化。通常当前点在曲线的最右端显示,随着时间的推进整个曲线动态地向左移动。曲线在只有达到屏幕的右边界时,才需移动,移动可通过曲线的“消隐”来完成,即用背景色重绘该点曲线将其覆盖,然后使数据指针移位,重复上述过程即可。由于该系统测试的参数为材料的拉伸和压缩变化,拉伸曲线和压缩曲线从测试开始到测试完成所需时间较短,因此曲线并未到达屏幕的右边界即完成,无需平移曲线,所以曲线绘制采用直接写点或画线程序实现,方法简单实用,曲线绘制效果较好。以低碳钢为例,绘制的拉伸曲线(应力-应变fs、应力-时间ft)如图4-1,4-2所示：图4-1应力-应变fs曲线主要的源代码示例如下:(1000个点的曲线绘制)For i = 0 To 1000转换坐标,x.、y为实时采集到的数据,d(i) = x(i) * 200 + 600d和e为根据新坐标转换后的数据e(i) = 5175 + 960 - y(i) * 50j = i - 1通过两点之间连线绘制曲线If j 0 Then j=0Line (d(i), e(i)-(d(j), e(j), vbRedNext图4-2应力-时间ft曲线(2)曲线的存储:材料性能指标测试完成后,技术人员常常需要日后对其进行分析,所以性能指标和性能曲线都需要存储。对于单纯数据性资料,可采用输出实验报告的方法进行输出或作为数据文件保存;对于曲线存储,最简单的方法是将曲线存储转化为数据存储,即将绘制曲线所需数据写成数据文件保存,日后查看时重新绘制。(3)历史曲线的重绘:历史曲线反映了过去一段时间内某种材料在不同工况下使用的性能变化,并供工艺人员分析工艺流程或操作的正确性和故障原因分析,不需要实时显示但通常会进行一定的数据分析。这可以通过两种方法来实现,一种为使用VB的Activex控件Ms Chart来完成。编程时,首先将测试得到的数据保存在Access数据库中,然后将ADO数据控件与Ms Chart进行绑定,以获得重绘曲线所需的数据。Ms Chart控件绘图功能强大,不仅能够实现曲线的自动重绘,而且能够对曲线进行分析,以得到均值、方差等。另一种方法为将测试数据保存为二进制文件,需要显示历史曲线时,将数据从文件读出,复给动态数组,然后使用绘制曲线的写点或画线方法直接获得曲线,该方法简单、直观,但不能直接完成数据的分析。本测控系统采用第一种方法,经试验,重绘效果较好。4.2软件系统按功能分成多个模块模块主要包括：联机测试模块：包括曲线显示、数据采集模块与数据处理功能模块。试验数据输入模块、主要实现了数据输入、修改、添加和数据库的存储等功能。数据查询模块：查询试件的详细数据以及过程曲线时。试验报表模块：生成并打印试验报表。图4-3万能试验机计算机自动测试系统软件示意图第五章 系统控制软件的设计5.1系统软件设计包含内容本设计试验机系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能的，按照功能可将系统控制软件分为以下几个部分：（1） 系统管理程序 管理程序是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。从操作角度来看，管理程序的功能是：接收操作者的命令、执行命令、从命令处理程序返回到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。（2） 控制子程序 根据操作者的命令，控制伺服电机的速度及方向以达到控制拉伸试验机拉伸试验。（3） 测试子程序 通过软件对测试试件的拉伸程度及各种性能进行测试，其中包括移动部件的移动急停处理，系统故障诊断，查错的功能。（4） 键盘操作和显示处理程序本程序的功能包括监视键盘操作，显示加工程序，机床工作状态操作命令等信息。5.2软件的设计说明及程序清单：系统控制软件是根据设计要求，进行的总体方案设计，具体程序如下：1、8155初始化程序段0100 90 81 00 MOV DPTR，#2100； 命令寄存器地址0103 74 03 MOV A， #03H； 控制字=03H并写入命令寄存器0105 F0 MOVX DPTR,A; 2、显示子程序 ORG：0400H0400 78 58 DSPY：MOV ，#58H； 为显示缓冲区指针；0402 79 01 MOV ，#01H； 为显示数位指针；0404 E9 LOOP： MOV A1，； 扫描模式送A；0405 90 8101 MOV DPTR，#2102H；DPTR指向8155的PB口；0408 MOVX DPTR,A; 扫描一位LED；0409 DEC DPTE； DPTR指向8155的PA口；040A E6 MOV A， ; 取要显示的数；040B 24 12 ADD A，#RH; 加上到字形表的偏移量；040D 83 MOVX A,A+PC; 取字形码，查表；040E MOVX DPTR,A; 字形输出至PA口；040F 7 MOV ，#02H； 迟1ms以充分显示；0411 7EFF 0： MOV ，#0FFH；0413 DEFE 0： DJNE，D； 0415 DFFA DJNE，D；0417 03 INC ；0418 E9 MOV A， ；0419 23 RL A；041A F9 MOV ，A ；041B 30 JNB LOOP； 所有位都扫描过？041E 22 RET ； 是，返回。 显示字形编码表0420 3F 06 5B 4F 66 6D 7D SEGTABLE “0 ， 1， 2， 3， 4， 5， 6，”0427 07 7F 6F 77 7C 39 5E “7， 8， 9， A， B， C， D，”042E 79 71 80 40 00 73 31 “E， F， ， ， ， 空格，P， Y，”键盘扫描子程序0440 91，00 RDRB：ACALL DSPY ; 调用显示子程序；0442 74，00 MOV A，#00H；0444 91，78 ACALL SCAN； 扫描全键盘；0446 60，F8 JE RDRB；0448 91，00 ACALL DSPY； 是，显示字程序延时12ms;044A 91，00 ACALL DSPY； 并去抖动；044C 7B，00 MOV ，#00H； 为列位寄存器；044E 7C，00 MOV ，#00H； 为行值寄存器；0450 7A，FE MOV ，#0FEH； 为列扫描寄存器；0452 EA，RR1 ：MOV A，； 先扫描最右一列；0453 91，78 ACALL SCAN0455 70，09 INC，R； 送i列键值；0457 0B INC ；0458 EA MOV A， ；0459 30，E7EA JNB Acc RDRB； 所有列都扫描过？045C 23 RLA ； 045D EA MOV ，A；045E 80， SJMP ； 否，继续扫描下一列；0460 13 ， RRC A； 0461 40，0A JC KEYD0463 40，E0 PUSH Acc； 计算键值；0465 Ec MOV A，；0466 24，08 ADD A，#08H；0468 Fc MOV ，A；0469 ， POP Acc ；046B 80， SJMP ；046D 91，00 KEYD：ACALL DSPY； 找到按下的键；046F 74，00 MOV A，#00H； 等键释放及去抖动；0471 91，78 ACALL SCAN；0473 70，F8 JNE KEYD0475 Ec MOV A， ； 计算键值；0476 2B ADD A， ；0477 22 RET0478 9D，81，01 SCAN：MOV DPTR，#2100H；DPTR指向8155PB口；047B MOVX