基于可視化編程的拉伸試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬 軼 蘇 銘 趙彩虹 陸 煒

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156）

基于可視化編程的拉伸試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬 軼 蘇 銘 趙彩虹 陸 煒

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156）

本文設(shè)計(jì)了由單片機(jī)與PC組成的拉伸試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)，介紹了機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，通過機(jī)構(gòu)仿真及有限元靜力分析，得到試驗(yàn)機(jī)的受力集中位置，闡述了硬件電路的組成、軟件設(shè)計(jì)方法和程序及數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的方法。

可視化編程 單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集 拉伸試驗(yàn)機(jī)

引言

拉伸試驗(yàn)機(jī)是用于測量各種（金屬、非金屬材料）零部件的強(qiáng)度和剛度的檢測設(shè)備，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、車輛制造、電力工程、金屬材料等行業(yè)。本文利用傳感器采集數(shù)據(jù)作為反饋進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和可視化編程的拉伸試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文所研究的拉伸試驗(yàn)機(jī)主要由三部分組成：機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理界面。通過步進(jìn)電機(jī)提供拉力，將試樣拉伸至一定伸長率，保持一定時(shí)間后消除殘余應(yīng)力，在下位機(jī)設(shè)計(jì)位移參數(shù)，其變形量可以轉(zhuǎn)化成對(duì)位移的控制。通過PLC對(duì)力傳感器和位移傳感器信號(hào)進(jìn)行控制處理，傳給上位機(jī)進(jìn)行分析擬合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、速度、工作拉力的參數(shù)檢測，最終求出零件的剛度。

2 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械本體主要起到配合運(yùn)動(dòng)形式和支撐運(yùn)動(dòng)空間的作用，其結(jié)構(gòu)樣式很大程度上反映和關(guān)聯(lián)試驗(yàn)機(jī)的測試功能形式，其綜合性能決定了試驗(yàn)機(jī)整機(jī)測試性能中關(guān)鍵指標(biāo)的范圍。本試驗(yàn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、減速器、絲杠螺母、基座、導(dǎo)軌、機(jī)身、位移傳感器支撐架、夾具和尾座。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機(jī)械本體總體結(jié)構(gòu)

為了消除試樣自重的影響，拉伸試驗(yàn)機(jī)整體采用臥式結(jié)構(gòu)。動(dòng)力原件為步進(jìn)電機(jī)，由減速器減速后轉(zhuǎn)換成絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絲杠與螺母的配合將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成移動(dòng)，利用螺紋聯(lián)接帶動(dòng)前夾具的前后移動(dòng)，后夾具可以根據(jù)零件長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并用螺栓固定，以達(dá)到控制零件拉伸或壓縮的動(dòng)作。在力的傳遞過程中，作用在零件一端的力依靠絲杠螺母基座傳遞至機(jī)身，并通過尾座傳遞至導(dǎo)軌，使測量力的平衡力最終向機(jī)身傳導(dǎo)。

試驗(yàn)中采用寧波柯力S型DEL力傳感器，利用螺紋聯(lián)接安裝于夾具與連接軸之間（見圖2）；采用日本基恩士GT2-H12數(shù)字接觸式位移傳感器，利用套筒和螺母固定在支架上（見圖3）。

圖2 力傳感器安裝示意圖

圖3 位移傳感器安裝示意圖

2.2 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

機(jī)械本體結(jié)構(gòu)裝配完成后，在Pro/E機(jī)構(gòu)仿真的模塊下，利用ANSYS軟件對(duì)關(guān)鍵零部件在機(jī)構(gòu)中某一時(shí)刻的具體位置和受力狀況進(jìn)行分析。對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的受力連接件的應(yīng)力集中區(qū)、位移變化量進(jìn)行研究，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能否完成其預(yù)定的要求。總位移圖如圖4所示。

圖4 總位移分析云圖

試驗(yàn)機(jī)在拉伸試件過程中，絲杠螺母座－2由于受到翻轉(zhuǎn)力矩的作用，會(huì)使絲杠支撐軸－1向上產(chǎn)生微小形變，且連接軸－3和絲杠螺母座－2之間也會(huì)發(fā)生微小變形。由于各部分變形量的累積，在夾具－5處的位移變化量達(dá)到最大值。而最大位移量為4.474m，大于位移傳感器的最小測量值2m，故此次設(shè)計(jì)的拉伸試驗(yàn)機(jī)能滿足對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)拉伸精度方面的要求。

3 數(shù)據(jù)采集

拉伸試驗(yàn)機(jī)基于可編程控制器（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析、硬件控制和通訊這三部分功能。采用Advantech型號(hào)為USB-4711A的USB數(shù)據(jù)采集卡，具有16個(gè)采集通道，采集速率達(dá)150kS/s，單次測量在1～2分鐘內(nèi)完成。

通過控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軸向拉伸，利用力傳感器和位移傳感器分別獲得被測對(duì)象在外力作用下所受的拉力和由此產(chǎn)生的位移，PLC通過模擬量輸入AIW0和AIW2來分別采集力和位移模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與其對(duì)應(yīng)的物理量間具有線性關(guān)系，利用PLC自帶的Scale_I_to_R功能塊實(shí)現(xiàn)模擬量到實(shí)際物理量間的轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的力和位移值分別存儲(chǔ)到變量存儲(chǔ)區(qū)VD0和VD4中，最后同過通訊協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，完成數(shù)據(jù)的采集工作。圖5為傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序。

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

為確保系統(tǒng)運(yùn)行中安全可靠，程序中必須編寫限位保護(hù)程序。當(dāng)設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)件觸碰到安裝在導(dǎo)軌兩端的限位開關(guān)時(shí)，PLC將會(huì)停止脈沖輸出，使步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成的軸向拉/壓動(dòng)作也會(huì)隨之停止，從而保證設(shè)備安全。

4 數(shù)據(jù)分析界面

PC機(jī)裝載Windows XP操作系統(tǒng)，上位機(jī)軟件的開發(fā)語言為C#，軟件主要分為兩層：測控應(yīng)用軟件層和通訊層。根據(jù)系統(tǒng)的功能，人機(jī)界面提供聯(lián)機(jī)、波形設(shè)置、參數(shù)管理、數(shù)據(jù)分析、閥口控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線顯示等接口。用戶通過這些接口將指令通過windows的消息機(jī)制傳遞給相應(yīng)模塊，同時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行情況也會(huì)經(jīng)由各模塊將相關(guān)消息反饋顯示，例如：變形量、力值、夾頭位置等狀態(tài)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的界面數(shù)據(jù)采用同步緩沖輸入的方式，如圖6所示，在一次時(shí)常為2分鐘的測試中，所采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)能滿足剛度測試的要求。這種方式易于編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)讓采集速率的控制成為可能。

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Design of Tensile Testing Machine System Based on Visual Programming

WAN Yi, SU Ming, ZHAO Caihong, LU Wei
(Department of Mechanical & El ectrical E ngineering, Ji ncheng College,Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, NanJing,211156)

In this paper, the control system of tensile testing machine was composed of single chip microcomputer and PC. The design scheme of mechanical s tructure was introduced, and the stress concentration position of the tes ting machine was obtained by means of mechanism simulation and finite elem ent analys is. The hardware circuit, software design method and program, and the method of data acquisition and conversion were described.

visual programming, single chip microcomputer, data collection, tensile testing machine