电子拉力试验机系统如何适应应变控制要求

更新时间:2016-12-30 来源:拉力试验机关闭

       GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》于2011年12月1日实施,该版标准修改采用国际标准ISO 6892-1: 2009。较GB/T 228-2002新版标准增加了试验速率的控制方法,即方法A应变速率控制方法;增加了拉伸试验测量不确定度的评定方法;增加了资料性附录计算机控制拉伸试验机使用时的建议;增加了资料性附录考虑拉力试验机刚度(或柔度)后估算的横梁位移速率方法。新标准相对于旧标准最大的不同之处就是增加了试验速率的应变控制,而增加应变控制的目的是:消除拉力试验机刚度对上屈服强度Reh、下屈服强度Rel工和规定塑性延伸强度Rp0.2测量不确定度的影响;确保试样的标距范围在试验过程中实现恒应变速率加载,消除材料塑性抗力指标不确定度的影响;减小测定应变速率敏感参数(性能)时的试验速率变化和试验结果的测量不确定度;是Reh,Rel,Rp0.2比对试验统一规范的依据。而随着新标准的实施要使拉力试验机系统能够完全满足新标准的要求,就对拉力试验机系统提出了新的要求。以前的液压万能材料试验机以及一些老式电子万能材料试验机都无法实现良好的应变控制。试验机系统需要对软件和硬件进行全而的升级,在高精度、高分辨率的硬件支持下,利用闭环控制对试验过程进行精准的测控才能实现应变控制并满足标准的要求。笔者着重介绍了实现应变控制对拉伸试验机提出的新要求以及试验机系统为满足新标准要求所进行的一些升级和改进。

    1应变控制对拉力试验机的要求

    1. 1基本的硬件支持

        拉力试验机测力系统的精度应为1级或优于1级。引伸计的精度应不劣于1级,引伸计标距不小于拉伸试样标距的一半。拉力试验机具有楔形夹头、螺纹夹头、平推夹头等合适的夹具用于夹持试样。拉力试验机的刚度、同轴度等应符合标准要求。

    1. 2控制系统

        实现应力、应变、位移的闭环控制是进行应变控制的先决条件。根据应变控制的要求,通过测量发生在引伸计标距范围内的应变对拉伸速率进行控制。也就是拉力试验机的控制系统要根据从引伸计反馈回来的信号对输出信号进行修正,测量出实际应变速率与计划达到的应变速率之间的偏差,最终达到按照给定的应变速率进行控制的目的。

    1. 3数据采集处理系统

        频带宽度和数据采集频率是由于系统对动态变化输入的响应而导致影响准确度的两个要素。要保证数据的准确性和实时性则要求系统具有足够高的采集频率和频带宽度。标准中只给出了有关采集频率的要求,但这显然是不够的。例如,在测试Reh,时标准中给出了采集频率计算公式:fmin=[(e×E)/(Reh×q)]×100(式中:e为应变速率;E为弹性模量;q为试验机测力系统的精确度级别),根据该公式,对于0.5级试验机测试Reh= 300 MPa的材料时,按照E200 000 MPa计算,如果采用0. 000 25-1的应变速率需要的采集速率大概为33.3s-1。一般情况下液压万能试验机满足该采集频率的要求还是比较容易的。但要保证拉力试验机的响应速率和实时性则需要通过频带宽度进行考量。在采集频率相同的情况下,频带宽度越大则说明响应速率越快。

    1. 4测控软件

        采用应变控制时,标准要求应变速率的控制相对误差为士2000,要满足这一要求需要对拉力试验机的控制程序进行优化。这是由于受试验机刚度及系统间隙的影响,试验过程中横梁位移速率y并不是简单地通过公式vc=Lc×eLc计算得到。因此要根据引伸计测得的应变速率实时地调整横梁位移速率,既要保证试验开始时应变速率能够很快地达到设定值,又要保证试验过程中应变速率不能超过设定值。如何正确地判断并及时地校正是程序控制的重点和难点。

    2拉力试验机系统针对新标准的改进

        为适应新标准的要求,笔者对济南万测电子万能材料试验机进行了全面的升级和改进,力求在满足标准要求的基础上全而提升仪器的品质。

    2. 1控制模块

        控制核心选用德州仪器(TI)的DSP,该控制芯片专注于运动控制领域,而32位的DSP控制器,是目前控制领域最先进的处理器之一,其频率高达150 MHz,大大提高了控制系统的控制精度和芯片的处理能力。采用PID控制方式,实现力、位移和变形的全数字闭环控制。

    2. 2数模转换

        采用ADI公司高精度24位AD转换器,在采集频率为1kHz条件下依然能保证20位的采集精度,避免了追求高分辨采集系统对采集的数据进行量的修正,从而影响试验数据的准确性和实时性,采用专门方法保证信号采集的同步性。使用芯片提供的大浮点数学函数库,在定点DSP上实现浮点运算,进一步提高了电子万能试验机采集系统的精度,保证了500 000码的分辨率。

    2. 3频带宽度

        不对采集到的数据进行修正,在1kHz的采集频率下,使得测控系统的频带宽度优于100 Hz。

    2. 4主机框架

        采用四立柱固定上横梁及工作台而构成框架结构,由两根丝杠驱动横梁上下移动。同时为提高拉力试验机的刚度,采用电机加减速机再加上同步带的传动方式,摒弃靠皮带减速的传动方式。

    2. 5测控软件

        对于不连续屈服试样,由于屈服可能发生在引伸计标距之外,因此在试样的屈服阶段应采用根据平行长度估算的应变速率eLc而拉力试验机的控制方式则改为横梁位移速率vc。但实际情况是对于一种新的试样在试验之前可能不知道该试样是连续屈服还是不连续屈服,针对该种情况在软件中加入了自动判断的功能,如果连续屈服的试样则一直采用应变控制直到测试完Rp,Rt,Rr等参数,而对于不连续屈服试样,在试样发生屈服时则切换为位移控制。

        如果在不采用引伸计的情况下,应该考虑试验的影响,并通过公式vc=em{[(m×S0)/CM]+Lc}计算横梁位移速率。考虑到人工测试试验机刚度CM较为繁琐,在软件中的应力拼申长曲线上给出了各个点的拉力试验机刚度值。这样用户就可以根据Rp0.2或Reh,附近的拉力试验机刚度值方便地计算出实际所需的横梁位移速率。

        试验数据点存储采用标准建议的格式,并可读取标准的ISO格式数据,如图1所示。方便与其他软件进行比较,考察各个性能参数计算的准确性。

    3满足新标准要求的重点和难点

        应变控制是新标准的重点和难点。作为GB/T228.1-2010的主要起草单位,凭借对该标准有着深刻的理解以及多年材料试验领域的实践经验,在理论与实际相结合的基础上,我们济南万测对生产的拉力试验机进行了优化和改进,力求使拉力试验机能够完全地满足标准要求,并进行了大量的相关试验,取得了很好的成效。自主生产的拉力试验机和引伸计,采用应变控制方式得到了完全符合新标准要求的拉伸曲线,如图2所示。

        目前工作重点是针对不同种类的拉力试验机以及不同类型的夹具进行更多的试验,力求使拉力试验机的应变控制更加完美。

        新标准的实施对拉力试验机的生产制造提出了更高的要求,材料试验机系统需要进行一系列的更新和升级才能完全满足应变控制的要求。电子万能材料试验机凭借高质量的硬件系统加上算法合理的软件系统使得拉力试验机系统满足了新标准应变控制的要求,并获得了理想的拉伸曲线。

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