WE型液壓試驗機的幾種改造方案

徐慧

（遼寧省交通高等專科學校，沈陽110122）

0 引言

WE型萬能試驗機主要用于金屬材料的拉、壓、彎、剪試驗[1-3]，并可做塑料、混凝土、水泥等非金屬材料的拉伸、彎曲及壓縮試驗。增加功能附件可完成膠帶、鏈條、鋼絲繩、電焊條及構件的多種力學性能試驗，但是這種大噸位拉伸試驗機都比較陳舊，測量數據不夠精確和靈敏；通過機械式的表盤讀取數據存在誤差，可視性不好；而且根據新標準的要求，很多必需的檢測項目在舊設備上無法實現或者精度不夠，無法適應現代力學技術的發展速度[4-20]。目前若購置一臺電子拉伸試驗機，價格比較昂貴，國內生產的設備約需20萬元左右，而進口一臺設備則約需要幾十萬美元，而改造一臺設備只需2萬元左右，因此對老式液壓萬能試驗機的改造很有必要。

1 改造要求

WE型萬能試驗機的機械部分主要由機架、試驗臺、上下橫梁、油缸、立桿、試樣壓頭等組成，如圖1所示。改造后的萬能試驗機應具備如下功能：1）自動和手動控制試驗過程的功能。2）試驗數據的實時采集功能。要求控制系統能夠實時、準確地采集傳感器的數據，包括試驗力值和變形值，獲取到的這些能夠反映材料狀態變化的數據是為后續的數據處理做好準備。3）數據的處理功能。要求控制系統能對測量的數據進行正確的處理，包括數據擬合和誤差處理等方面，因為數據處理的結果直接影響試驗的結果。4）數據的顯示功能。要求改造后的系統能夠實時且直觀地顯示測量數據，因此控制系統需要配備顯示裝置。5）試驗數據自動存貯處理及試驗報告自動打印的功能。6）具有標準聯網接口以及可以在互聯通訊網絡中調閱等功能。

2 改造方案

根據控制要求，選擇一種合適的控制器至關重要，本文就選取目前比較流行的控制器，分別為PLC、單片機和工控機，搭建不同的控制平臺，分析各自的優缺點。

圖1 原試驗機結構圖

2.1 液壓試驗機控制系統改造方案一

2.1.1 方案：PLC＋比例放大器＋電液比例閥+壓力傳感器

圖2 半閉環控制方案

如圖2所示，該控制方案構成半閉環控制系統，總體思想是：采用可編程控制器（PLC）作為試驗機的主控制器，在幾乎不改變現有機械結構的情況下，采用電液比例閥驅動執行機構，對材料進行等應力加載。原WE型機器測力系統采用了液壓缸帶動測力擺錘擺動測力，擺錘擺角通過齒輪傳遞給測力盤上的指針，通過測力指針的轉角來標定力。為實現電記錄，在油路中安裝壓力傳感器，將油壓信號轉變為電信號，再通過模數轉換器將液體壓力信號以數字信號傳送到主控制器中。通過編制PLC程序，實時對壓力傳感器反饋回來的壓力值進行采集和轉換，并與給定值進行比較，通過PID控制器實時調節電液比例閥，從而實現按給定值對材料進行加壓。這種方法屬于間接測量施加于試件上的壓力值，并且實現了液壓試驗機的半閉環自動控制。

采取該控制方式有如下特點：1）因PLC可靠性較高，抗干擾能力強，增強了系統運行的穩定性和可靠性；2）因PLC編程容易，且功能強大，可以方便地對采集的壓力數據進行處理和輸出；3）因PLC可以添加A/D，D/A轉換模塊，系統可擴展性好；4）具有顯示和打印的功能，PLC可以連接顯示終端或打印設備，很好地將實驗的結果顯示在顯示設備上或打印出來；5）整個系統構成簡單、容易。完整的控制系統框圖如圖3所示。

該方案難點是：由于采用間接測量施加的壓力，因此需采用一定算法，對采集的油液壓力進行補償處理才能反映實際施加壓力。

圖3 PLC控制系統框圖

2.1.2 方案：PLC＋比例放大器＋電液比例閥+力傳感器

如圖4所示，該控制方案構成全閉環控制系統。與

2.1.1 節介紹的方案不同的是，采用力傳感器直接測量試件的受力，為了安裝力傳感器，需要調整夾頭的機械結構。這種方法屬于直接測量施加于材料上的壓力值，且實現了液壓試驗機的全閉環自動控制。

采取該控制方案有如下特點（相對于2.1.1節介紹的方案）：1）由于采用閉環直接控制，使測量數據更加準確可靠；2）由于力傳感器需要安裝在執行機構上，才能直接反饋出對材料施加的壓力，因此需要在原試驗機的機械機構上作一些較復雜的調整，以便安裝力傳感器。

圖4 全閉環控制方案

2.1.3 方案：PLC＋比例放大器＋電液比例閥+壓力傳感器+力傳感器

如圖5所示，該控制方案構成雙反饋控制系統。與上述兩種不同的是，系統同時對壓力傳感器和力傳感器反饋回來的壓力值進行實時采集、比較和轉換，并與給定值進行比較，再通過PID控制器實時調節電液比例閥，從而實現按給定值對材料進行加壓，這種方法含有全閉環和半閉環控制。

采取該控制方式有如下特點（相對于2.1.1節和2.1.2節介紹的方案）：1）優點。由于是雙反饋控制，系統十分可靠；并且具有了故障自診斷的功能，可以根據兩通道采集的數據進行比較，判斷測量值是否真實、準確。2）缺點。不僅機械結構上需要調整，而且控制元件的成本增加，在不太重要的場合，此種控制方案是否顯得有點累贅。

圖5 雙反饋控制方案

2.2 液壓試驗機控制系統改造方案二

方案：單片機＋比例放大器＋電液比例閥+壓力傳感器；構成半閉環控制系統，控制方案構成與圖2類似，將PLC改為單片機即可。

該控制方案的總體思想是：與2.1.1節介紹的方案類似，只是采用自行開發的單片機控制器作為試驗機的主控制器，編制單片機控制程序，實現控制。采取該控制方式有如下特點（相對于其他方案）：1）優點。自行開發的單片機控制器成本比購買PLC和工控機低得多，且可實現復雜的PLC控制、顯示和打印功能，適合于成品的批量生產。2）缺點。開發單片機控制器周期長，應用比較復雜，而且單片機控制器一般可靠性、抗干擾性均比PLC差。

同理，將單片機作為主控制器后，可以搭建類似于2.1.2節和2.1.3節介紹的控制平臺，成本相應增加。

2.3 液壓試驗機控制系統改造方案三

方案：工控機＋比例放大器＋電液比例閥+壓力傳感器；構成半閉環控制系統，控制方案構成同圖2所示，將PLC改為工控機即可。

該控制方案的總體思想是：采用工控機作為液壓試驗機的主控制器，編制高級語言程序，實現控制。近年來，隨著PC技術的發展，選擇工控機作為開放式控制系統成為一種新趨勢、新主流。這種控制方式有如下特點：1）工控機是專為應用于工業領域設計制造的，元件可靠性高，相互之間連接十分穩定，整機故障率低；2）可以充分利用WINDOWS環境界面友好、軟件資源豐富的優勢，容易調試，容易應用高級語言開發出良好的人機界面；3）開放性、可重構性好，易于擴展。使用工控機可以隨時增添功能，修改用戶程序；4）缺點是成本相對要高，對于簡單的控制，顯得大材小用。

同理，將工控機作為主控制器后，可以搭建類似于2.1.2和2.1.3的控制平臺，成本相應增加。

3 結語

通過各種方案的論證分析，采用上述方案均可達到改造的目的。當控制方式選定后，選用單片機作為主控制器的成本最為低廉；選用工控機作為主控制器，系統的開放性、通用性最好；選用PLC作為主控制器，性能介于兩者之間。無論選用何種控制方案，對WE型老式萬能液壓試驗機的改造，都可以使老式試驗機的功能得以擴展，不但不影響原試驗機的操作及功能，而且與先進的電子式萬能試驗機功能相當；改造成本很低廉，卻能實現動態電子記錄、方便快捷的測試、強大數據處理等功能。