支持多维度力学性能测试的三轴加载机开发

1、支持多维度力学性能测试的三轴加载机开发DOI：10.16640/jki.37-1222/t.2017.11.2600 引言在现代科研和生产中， 力模拟加载试验是产品开发中非常重 要的环节。 产品力学性能如刚度、 强度等的好坏直接决定产品研 制成功与否， 甚至影响到产品的使用期限和稳定安全性能。 加载 试验机是一种常用的模拟加载试验台， 其应用领域十分广泛， 有 力学性能综合测试平台、负载模拟器、振动台、机构疲劳试验系 统等1。但是现有的加载试验机存在以下一些问题：设备体 积小、重量轻、承载能力不高，通常只适用于小型构件；只有 一个或两个方向上的加载力， 力学性能测试不全面， 测试结果不 可靠。

2、 对于一些工作载荷复杂的大型疲劳结构件， 普通试验台因 为自身承载力的限制难以对其进行多维度、 全方位的力学性能试 验2 。先后有学者采用不同的技术方法对此进行了研究。文献 3 采用驱动器结构设计了一种多功能力学性能测试试验机， 由于需 要在测试物料上安装传感检测片， 测试数据受环境因素的影响较 大；文献 4 给出了多维力加载试验台液压系统的设计，实现对 结构件的疲劳试验和力矩分析的功能。文献 5 探讨了基于 PLC 的比例控制液压加载系统的开发， 将PLC与电液比例控制系统结 合，实现对压力、流量等参数的控制。本文根据模拟加载试验台的功能特点和测试需求， 设计了一 种支持多维度力学性能测试的

3、三轴加载机。建立机械结构平台，分析液压驱动系统的设计，给出 PLC程序的编写方法，通过 OPC 通道实现LabVIEW与PLC的数据交互。开发的三轴加载机为结构 件力学性能测试提供了一种解决方案。1 机械结构平台设计为实现空间三方向可控力加载，建立如 ？D1所示的三轴加载 机平台系统。图中 1t 加载轴为多维度加载装置，安装在移动框 架横梁下方，其本体安装在圆立柱上，相对移动框架横梁可作 Y 方向的移动，亦可随移动框架横梁作 X方向的移动，相对圆立柱 可作上下移动， 加载轴的方向可以 360 度旋转， 实现任意方向的 加载。 10t 轴为垂直加载装置，安装在移动框架横梁下方，同样 可做X或Y方

4、向的移动，灵活改变工作平台的测试范围。30t轴为水平加载装置，固定在反力墙上，反力墙上有预设的螺纹孔， 通过调整水平加载装置在反力墙上的位置， 可以适应不同形状位 置各异的试件。平台中移动框架横梁与固定横梁通过移动连接座固连在一 起，使用特殊设计的碟形弹簧滚动机构， 可以方便快捷地调整移 动框架横梁相对固定横梁的位置，同时带动 1t 和 10t 加载轴移 动。而且基础承台、框架立柱、反力墙、移动框架横梁、固定横 梁等构成了一个力封闭体， 具有对大型结构件的承载能力， 同时 确保加载油缸施加较大压力时试验台自身保持足够的刚度和强 度，提高对结构件进行测试时的准确可靠性。在每个加载油缸前端， 串联

5、了一个拉压力传感器， 测试加载 力的值。 在每个加载油缸的另一端活塞杆上， 连接一个位移传感 器，加载测试时与力传感器一起运用， 可以得到在不同加载力下 测试件发生的形变位移量。 通过操作台控制三轴的运动， 依次完 成使能、预紧、加载、后退等动作。2 液压系统设计2.1 液压系统加载分析 三轴加载机的负载力通过液压缸有杆腔与无杆腔间的压力 差来提供。 由于加载试验要求给测试件提供轴向压力， 因此需无 杆腔压力高于有杆腔的压力。 当加载力较高时， 会导致系统压力 偏大，为降低工作压力，将液压缸有杆腔的油直接回油箱，因而 当压力差一定时， 可以将无杆腔的压力降到最小。 在加载过程中， 液压缸会持续

6、受到轴向位移扰动的影响， 设计时选用电磁比例减 压阀来提高控制加载力的精度。2.2 液压系统设计方案根据液压系统设计要求， 设计了如图 2 所示的三轴加载机液 压系统原理图。 系统中 3个方向的加载轴分别通过 3个三位四通 E 型电磁阀实现前进和后退动作。 1t 轴最大加载力 10KN，10t 轴 最大加载力100KN 30t轴最大加载力300KN并能长时间持续 加载，液压系统的具体操作如下：（1）供电前需调整好安全阀和溢流阀等的阀口开度大小，加载时安全阀调定系统最大压力。油箱中设有过滤器和冷却装 置，能够保证液压油在正常工作温度范围内以及液压油的纯净 度。（2）变量叶片泵从油箱中汲取液压油，

7、经过单向阀，如果 此时的油压超过安全油压， 溢流阀打开， 高于系统压力的液压油 流回油箱， 起到保护回路的作用。 在安全油压范围内的液压油顺 利通过设定有一定开度的电磁比例减压阀。 当系统处于加载状态 时，三位四通换向阀T1得电，液压油通过 T1油路进入无杆腔， 驱动 30t 轴活塞杆进行加载， 有杆腔中的液压油被压缩后， 通过 另外的油路回流到油箱。 当系统处于卸载状态时， 液压油进入有 杆腔进行卸载。 当系统处于松载状态时， 三位四通换向阀处于中 位。1t和10t轴的加载与卸载过程与此相同。（3）系统中的电磁比例减压阀和其配套的放大器共同组成 加载力的反馈控制系统。 根据设定的电阻， 电磁

8、比例减压阀内部 的电磁铁移动相应的位移， 进而提供和需要的加载力对应的阀口 开度大小，内部具有反馈回路，能够保证加载力的精度。（4）系统设置了压力检测装置，在泵口和液压缸入口安装 耐震压力表， 操作人员可以通过压力表观察系统的压力， 保证系 统正常的工作油压。3 测控系统方案设计 3.1 测控系统分析 三轴加载机的执行元件为 3 个方向的液压活塞杆； 控制元件选用三菱FX3U-64MT型号PLC下位?C控制程序采用GX-developer 软件进行编写；上位机的人机交互界面测控程序采用LabVIEW编写；使用具有标准驱动的 OPC乍为上位机LabVIEW 与下位机PLC的通讯连接通道6。3.2

9、 测控系统硬件设计系统需控制的运动量包括油泵电机的启停、 电磁换向阀的启 停、电磁比例减压阀的启停、 放大器的电阻大小、 继电器的通断。 需要检测的量包括 3 个加载轴上的位移传感器和压力传感器数 据，图 3 为控制系统的硬件结构框图。上位机使用通信线缆与PLC建立连接，采集传感器的数据信 息，并且下发控制命令，使得 3 个加载轴按照设定的程序运动。 用户通过操作台上的按钮控制三轴加载机的实时运动。 因此， PLC 的输入信号源有两个， 一个是上位机的控制软件， 通过编程线传 输指令控制PLC的输出；另一个是电气操作台控制面板，通过旋转开关和按钮提供开关信号。3.3 测控系统软件设计模拟量读取

10、程序。在 GX-developer软件平台上编写PLC控 制程序，下文主要分析模拟量读取程序。三轴加载机主要测量 3 个方向上的加载力和变形量， 需要测量 3 个压力值、 3个位移值， 共 6个变量。 由于传感器采集的信号是电压或电流等模拟量， 因 此系统中采用特殊扩展模块 FX2N-2AD/4AD进行模数转换。其中 FX2N-2AD的CH1 CH2接口分别连接10t轴、30t轴的压力信号，FX2N-4AD的 CH1 CH2 CH3 CH4接 口分别连接 30t 车由、10t 车由、1t轴的位移信号以及1t轴的压力信号。FX2N-2AD模拟量读取程 序设计如图4所示，FX2N-4AD读取程序的

11、设计思想大致相同， 需要根据对应的说明书进行编程。经过FX2N-2AD/4AD模块A/D转换之后的数据信号传输至PLC由于采用OPC道实现LabVIEW与PLC的数据交互，而OPC 中软元件属性里面有自带的数据比例转换功能， 因此在位移和压 力测量程序设计时，在OPC中进行有关数据的比例转换， 以缩短 PLC程序的扫描周期。4 系统实现利用LabVIEW软件平台和OPC道设计了如图5所示的人机 交互界面，主要包括三部分：加载功能设定区、数据采集区、数 据实时显示区。 利用界面间的连接技术， 设计主界面连接各功能 模块的子界面，点击功能按钮，即可弹出需要的功能设置界面， 用户可以在子界面中进行需要的操作， 并通过返回按钮返回主界 面。先打开人机交互界面的主界面， 确保通讯正常， 通过子界面 分别设置零漂值、加载保护以及参数补偿等参数。然后，使用操 作台控制三个加载轴的预紧、前进、后退等工序。从人机交互界 面显示的实时变化曲线，可以得知当前的压力值与试件的形变 值，数值可以实时记录与保存， 进而实现对物料进行力学性能测 试。系统测试表明，加载力精度为 0.20.5%F.S, PLC程序扫描 周期为11ms上位机人机交互程序的数据采集周期为95ms设 计的支持多维度力学性能测试的三轴加载机是稳定可行的。5 结束语 本文首先搭建了多维度三轴加载机的机械机构平台， 其次给 出了使用三位四通