机械式拉力试验机控制部分改造设计

更新时间:2017-01-23 来源:拉力试验机关闭

    拉力试验机是通过拉伸来检测金属材料、非金属材料、零部件、构件的强度、刚度、弹性、塑性、韧性、延展性的基础试验装置,广泛应用于机械、建筑、交通、运输、冶金、化工、轻纺、航空、航天、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。拉力试验机测量的准确性、快速性和控制的先进性直接取决于国家的工业基础和装备水平,同时拉力试验机作为一种精密的测试仪器,对于材料科学的快速发展、对于工业产品和工程结构的合理设计、产品质量提高和产品成本降低以及国家装备制造水平的提高都具有极其重要的作用。

    本设计目的是改造拉力试验机的数据采集装置和测量控制系统。

    1、拉力试验机的系统结构

    以AT89C5l单片机为中心,利用增量式光电编码器检测拉伸距离,通过ICL7135 A/D转换芯片读取拉伸力值。8279芯片的IRQ与AT89C51的INT0连接,依靠中断产生键值响应,此中断级别最高,同时动态显示拉伸力值和拉伸距离。

    拉力试验机系统结构如图1所示,整个系统主要由机械部分、测量部分、伺服驱动部分、单片机测控系统、人机交互界面、管理软件等6部分组成。

    1)机械部分:包括机械立柱、机械平台、减速齿轮箱、滚珠丝杠、固定横梁、移动横梁等。

    2)测量部分:包括测力传感器、电子引伸计、光电编码器、信号放大电路、单片机、通信电路、上位Pc机等。

    3)伺服驱动部分:包括伺服电机、伺服驱动器、单片机控制系统、通讯接口电路、上位Pc机等。

    4)单片机测控系统:是测量部分、伺服驱动部分和上位PC机连接的中间桥梁,包括力值传感器、变形传感器、A/D转换器、光电编码器、单片机、光耦合器、伺服驱动器、RS232通讯接口电路等。

    5)人机交互界面:上位PC机是整个系统的控制中心,是人与计算机进行交流的媒介,上位PC机所展示的人机交互界面应该能够直观、准确、详细地反映人机交流的信息。

    6)管理软件:包括两个方面内容,一是用于测控系统的数据采集程序、电机控制程序、上位PC机和单片机的通讯程序;另一个就是保存试样数据、方便用户随时调用的数据库。

    2、数据采集系统

    数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后,再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程,相应的系统称为数据采集系统。本拉力试验机测量的数据包括加载负荷测量、试样变形测量、横梁位移测量。拉力试验机的数据采集过程包括:

    1)数据的提取——通过传感器或光电编码器将被测负荷、变形量、位移量转换成相应比例的电压信号。

    2)数据的放大、转换、传输——通过放大器将采集到的微弱电信号放大到需要的数值,通过A/D转换器将模拟电压信号转变成对应的数字电压信号,以便单片机接受和处理。

    3)数据的存储、显示——通过单片机将A/D转换器输出的数据进行采集、存储、处理,并用显示器显示数据。

    4)数据的处理、分析——通过计算机、数据库完成,记录数据的瞬时值,分析被测数据的规律,绘制应力—应变曲线,为研究和鉴定试样的力学性能提供有效依据。

    2.1 负荷测量

    拉力试验机通过给试样加载负荷进行拉伸,使试样发生弹性变形、塑性变形直至断裂的过程。在拉伸试验过程中,加载负荷即拉力的测量尤为重要,它的大小及精度直接影响到测试试样的力学性能,特别是在刚刚可能达到试验要求强度、塑性变形、断裂等瞬时应变状态数据时,力值精度对它们的影响直接决定了该材料的合格性。

    因此,负荷测量必须引起足够的重视。

    目前利用电阻应变片制作的测力传感器具有结构简单、制造方便、精度高等优点,在拉力试验机的力值测量中获得了广泛的应用。

    2.1.1 传感器测力原理

    测力传感器的弹性体为S形双弯曲梁结构。

    此结构构应用电阻应变原理,将4个电阻应变片分别粘贴在适当的位置,如梁的上下表面,组成惠斯登电桥平衡电路。

    弹性体的正确选用、设计和制造是影响测量精度及可靠性的关键因素。典型的S形双弯曲梁结构弹性体直接承受拉伸力或压缩力,因此又称为直接应力式弹性体。对弹性体的表面应尽可能有较大的曲率半径以保证良好地粘贴应变片。否则不仅影响粘贴质量,而且因温度引起曲率半径变化将会产生附加应变,造成误差。

    电阻应变片测力传感器结构合理,具有优良的抗偏载、抗侧载、抗震动和抗冲击性能,安装方便,具有良好的线性、重复性。该类型传感器拉压两用,且拉压对称性好。在拉力试验机做拉伸试验或压力试验时,由于测力传感器与试样在同一轴线上,试样所受的力与测力传感器受力情况相同,这样使贴在传感器弹性体上的电阻应变片所组成的电桥失去平衡,电桥则产生一个小电压输出,该电压在一定范围内与作用力的大小成线性正比例。测力传感器输出的小信号经交流放大、解调和低通滤波送计算机数据采集输入端,实现各种材料的力学性能试验。

    在拉力试验机的上卡具之前安装拉力传感器,选 20 000 N 灵敏度为-10 mV/V 的拉力传感器,如果传感器接5 V电压,那么传感器的信号放大到ICL7135的2 V需放大40倍,因此采用两级放大,第一级把传感器的微弱信号经OP07运算放大器两倍差动放大后,进行第二级20倍放大,在这级放大中可根据实际情况进行调零和调幅,在第一级和第二级之间加RC低通滤波器,本试验机工作频率大约在375 Hz以下,既减小了差动放大电阻阻值误差的影响,又最大限度地排除了干扰信号,这样两级放大基本保证了精度要求。放大后的模拟信号传给ICL7135A/D转换芯片进行模数转换。ICL7135是一种412位的双积分A/D转换器,具有精度高、价格低廉、抗干扰能力强等优点。原理如图2所示。

    2.1.2 变形测量

    试样变形是指材料在拉伸的过程中所发生的弹性变形、塑性变形直至断裂的过程,试样变形量的测量用电子引伸计完成。电子引伸计结构如图3所示,它由应变片、弹性元件、变形传递杆、限位标距杆、刀刃和夹紧弹簧等组成。测量变形时,将电子引伸计卡在试样上,刀刃与试样接触,两刀刃间距离的变化即试样变形量,通过变形传递杆使弹性元件产生应变,应变片将其转换为电阻变化量,再通过电阻应变片电桥电路转换为电压信号输出。

    实验证明,电阻应变片电桥电路的输出电压与应变片电阻的相对变化成正比,与应变片的应变成正比。

    2.1.3 位移测量

    拉力试验机本体有两个横梁,一个是定横梁,另一个是动横梁。在拉伸试验中,动横梁经过的距离即要测的位移量。试样变形量和横梁位移量虽然都是行程量,但它们所表示的意义和测量方法都是不同的。变形测量是通过电子引伸计直接对试样变形进行测量,输出的是与试样变形成对应比例的模拟电压信号,必须通过信号放大和A/D转换才能被计算机采集。位移测量是通过光电编码器间接对横梁位移进行测量,输出的是与横梁位移成对应比例的脉冲个数,是数字信号,可以直接被计算机所采集。

    光电编码器是一种码盘式角度—位移—数字检测元件,横梁位移测量通常采用增量式光电编码器。增量式光电编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲,然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数,以此来表示转过的角位移量。

    原试验机的丝杠副是双螺母防隙结构,因此可用弹性轴把光电编码器直接与丝杠连接,如图4所示。光电编码器选增量式60线,是丝杠螺距6 mm的10倍,这样光电编码每产生一个脉冲,移动部件移动60=0.1 mm。光电编码器的A,B相脉冲经辨向电路产生正向和反向脉冲,接入可逆计数器计数,单片机通过定时以查询方式读取计数器内的计数值,如图5所示,计数器内的数值就是拉伸距离值,单位为0.1 mm。

    2.2 A/D转换与D/A转换测控系统包括数据测量和电机控制两个方面,其中数据测量包括试样加载力的测量、试样变形量的测量、横梁位移量的测量,通过测力传感器和电子引伸计采集加载力的大小和试样变形量,由于它们输出的模拟电压信号比较微弱,且里面含有工频、静电、电磁耦合等干扰成分,必须经过放大、滤波、A/D转换、抗干扰等后续电路处理才能被计算机接受。本设计在数据采集研究过程中使用了A/D转换芯片AT89C51 ,该芯片功能强大,集成了信号放大、信号滤波、A/D转换、基准电压等功能电路,在数据采集系统中发挥了核心作用。

    2.3 AT89C51单片机内部结构

    AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含4 bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大,性价比高,可灵活应用于各种控制领域。

    AT89C51单片机的基本组成:一个8位CPU;

    128字节特殊功能寄存器(SFR);128字节数据存储器(RAM);4k字节内部程序存储器(ROM);两个16位定时器/计数器;四组8位可编程的并行I/O端口;一个串行通信端口;中断控制系统;内部振荡器和时钟电路系统总线。

    2.4 AT89C51单片机数据采集系统

    2.4.1 AT89C51 单片机编程方法

    具体步骤:1)在地址线上加上要编程单元的地址信号。2)在数据线上加上要写入的数据字节。3)激活相应的控制信号。4)在高电压编程方式时,将----EA /Vpp端加上+12 V编程电压。5)每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位,加上一个ALE/-- -- ----PROG 编程脉冲。6)改变编程单元的地址和写入的数据,重复1-5步骤,直到全部文件编程结束。7)每个字节写入周期是自身定时的,通常约为1.5 ms。

    2.4.2数据采集流程图

    数据采集流程图如图6所示。

    3 结束语

    在本次技术改造过程中,ICL7135串行读取数据的方法结构简单,比传统使用的并行方法节省了硬件资源且使程序大大简化;光电编码器的线数取丝杠螺距的10倍关系,简化了数值转化过程,也简化了编程和硬件连接;利用双单稳态触发器构成的抗干扰电路结合软件设置陷阱技术使整个系统稳定性良好。后续研究,还可从以下几个方面进行改进:

    1)数据采集方面,大量程引伸计在拉伸试验精度方面需要进一步探讨和研究,用以提高材料拉伸过程中小变形量的实时记录与显示。

    2)电机控制方面,控制电机的速度范围需进一步完善,扩大试样加载的载荷力,为试验曲线提供更全面的实验数据。

    3)进一步提高系统的实时性,将数据在线处理和数字滤波做到硬件当中,减少软硬件之间数据交换量,充分发挥硬件的功效,实现硬件闭环,而软件只负责一般的界面管理和用户交互。

    4)拉力试验机机械本体需要完善,特别是试样夹持部分。针对不同材料应有不同的夹具。

     
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