機械式萬能試驗機的自動化改造

李月安，吳何畏

（湖北文理學院機械工程學院，湖北 襄陽 441053）

引言

材料試驗機是測定材料性能指標的標準儀器設備[1]，可以在各種不同條件、環境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結構等的機械性能、工藝性能、內部缺陷和校驗旋轉零部件動態不平衡量的精密測試儀器。按分類方法可以分為金屬材料試驗機、橡塑拉力機，非金屬材料試驗機、動平衡試驗機、振動臺和無損探傷機等。其中材料試驗機加荷方法、結構特征、測力原理、使用范圍都各不相同。在研究探索新材料、新工藝、新技術和新結構的過程中，材料試驗機是一種不可缺少的重要檢測儀器。多用于金屬及非金屬（含復合材料）的拉壓、彎曲、剪切、剝離、撕裂、保載、松弛、往復等項的靜力學性能測試分析研究，也可以用于包括疲勞，單向脈動疲勞、沖擊等動態實驗。根據GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等國內、國際相關標準可進行試驗和提供數據。現代試驗機位移多采用柵式測量系統，利用增量測量方法來確定位置和材料延伸率，具有定位準、精度高、速度快等特點；傳統試驗機多采用游標卡尺人工測量，機械式有級調速，開環式速度控制，無法精準控制定位，精度低、速度慢，無法保證角度及位移測量的精度，轉速不能實現閉環，對材料的屈服強度、彈性模量、硬化指數和塑性應變比等參數不能測量。

通過引入PC把原有試驗機改造為電子式試驗機具有直觀、精度高，可自動控制，易于操作、效率高、節省資金等優點。

1 改造的總體方案

微機控制的電控試驗機以伺服電機作為動力源，絲杠、絲母作為執行部件，實現試驗機移動橫梁的速度控制；傳動控制采用同步帶和減速機兩種形式；在測力上采用負荷傳感器。若采用液壓式加載方式，配合使用電液伺服閥或比例閥來控制液壓傳遞速度，以微機來控制自動控制系統及顯示系統，提高試驗機自動控制水平及數字化顯示能力。

1.1 現有結構

試驗機由主機和測力系統兩部分組成。主機部分為下置式油缸的剛性框架結構如圖1所示，由底座、工作臺、立柱、絲杠、活動橫梁和上橫梁組成。上下橫梁和工作臺之間通過立柱連接成框架結構，油缸安裝在工作平臺的下方，上鉗口安裝在活動橫梁下邊，下鉗口安裝在底座平臺上方。通過油缸工作活塞頂著工作框架上升時，在工作臺與活動橫梁之間，活動橫梁與上橫梁之間就可以完成壓縮、彎曲、拉伸等不同類型的實驗。

圖1 WJ—10型液壓材料試驗機結構示意圖

測力系統包括油路系統和機械控制系統兩部分組成。油路系統由油箱、油泵、送油閥、回油閥、緩沖閥等組成，這些部件通過油管連接成一套油路系統。液體根據帕斯卡定律在油路系統來回流動，形成一個閉環系統，在密閉容器中通過控制閥門控制液體流動量，由液體把力傳遞到液體內的各處和容器的器壁上，形成拉伸時的拉力及壓縮時的壓力[2]。

機械控制系統為擺錘測力機構。擺錘測力機構由拉桿、刀墊、擺錘、推桿、齒輪和力度盤組成。液體流到密閉容器中使測力活塞受到一個向下的作用力F，該力帶動擺錘測力機構各個構件運動，最后形成一個力偶M，使主動針和從動針轉動一相應的角度，并在度盤上指示出試樣所承受的力值。

1.2 改造方案

WJ-10型材料試驗機升級改造的技術路線如下：硬件部分，在原有試驗機的工作機臺上，利用DI數據傳輸和A/D轉換器，將力傳感器和數據采集裝置收集來的數據通過接口傳給上位機，再由編程軟件對收集數據進行自動分析和處理；分析處理后的數據通過DO和D/A轉換，實現對試驗機進行自動控制；軟件部分，現行比較通用組態軟件（Kingview）或Visual C++,Visual Basic，每款軟件都有各自的優勢，用戶可根據自身特點選擇其中一款，針對測試模塊、數據處理與輸出模塊、測試全部機械性能模塊、測試單向性能模塊和試驗現模塊、數據庫模塊等項目高級語言進行程序開發，如圖2所示。

圖2 微機監控的材料試驗系統

2 硬件改造

經上所述，對液壓型的材料試驗機應首選液壓閥作為驅動元件，滿足此要求的元件有電液比例閥和電液伺服閥。兩種新型的元件由于具有很多優點在工業上得到了越來越廣泛的應用，尤其是伺服閥應用范圍更廣。

2.1 伺服和液壓系統改造

目前國內應用較高的伺服和液壓系統有電液伺服閥和比例閥。電液伺服閥優點是控制精度高、響應速度快。缺點是工作環境壓力大，需要添加過濾器和水循環冷卻系統。該系統工作時對液壓油的品質要求很高，由于液壓油在系統內運行過程中極易遭受空氣環境污染，這對液壓油的過濾提出更高的要求；系統在高壓狀態下工作時，容易產生噪音，油溫快速升高，并且容易滲漏。

電液比例閥由于低壓起動，工作環境壓力較小，系統壓力隨試驗力增加而比例增加，噪音低、油溫不易上升，具有較強抗污染能力，可實現無故障運行。但是反應速度較低，不適合動態實驗要求，只適合于靜態液壓試驗機。綜上所述，經過分析與比較，決定選用了電液伺服閥來實現對液壓系統加載的控制改造。

電液伺服閥它通常由力矩馬達（或力馬達）、液壓放大器、反饋機構（或平衡機構）三部分組成，是一種接受模擬電信號后，相應輸出調制的流量和壓力的液壓控制器件。它是電液伺服控制中的關鍵元件，其液壓系統簡圖如圖3所示[3]。

圖3 PLC控制系統原理圖

伺服驅動系統的工作流程及控制原理：傳統的試驗機液壓控制元件主要是通過送油閥上閥門實行人工控制加載。改造后WJ-10型液壓萬能試驗機以油缸下置式主機為平臺，通過增加配置進口油泵和電液伺服閥、PC機伺服控制器，由伺服油路系統中的伺服閥來完成控制動作，從而實現多通道閉環控制。工作狀態如下：在電機帶動下高壓齒輪泵將油箱內的液壓油送進伺服油路系統，流經各種液壓元件，最后將處理好的高壓油帶入油缸。采集系統將安裝在油缸內力傳感器采集到的力值信號及引伸儀收集應變信號輸入PC機，經過PC機內的高級編程軟件對采集信號進行運算、分析、判斷形成控制指令，對伺服閥伺服閥的開口和方向進行控制，從而控制進入油缸內液壓油的流量，完成對試驗機油缸內液壓活塞運動的自動控制。

2.2 電氣系統改造

當采用電液伺服閥控制后，原電器元件上升（下降）電磁閥改為電液伺服閥。為了保證工作人員的安全，特別設置了試件裝夾時的鎖止按扭（帶螺帽的急停按扭），此按扭按下后，整個液壓系統均無法動作，直到按下解除鎖止的按扭。這樣可避免其他人員誤操作及電氣干擾，進一步保護設備和操作員在裝夾時的安全。同時為保護電路中其他電器元器件，特添加了熱繼電器。電氣原理圖如圖4所示。

圖4 電氣原理圖

元器件清單如表1所示[4]。

表1 元器件清單表

3 程序設計

基于Kingview V6.03開發的試驗機的監控軟件，可以實現人機交互界面。建立計算機實時監控系統，可以實現實驗過程的全程監控；建立ACXESS形式數據庫，對實驗數據進行儲存和保護，提供了多種有效方法方便操作人員對數據分析、處理和數據查詢，最后完成數據統計、匯總、報表和打印。對不正常的數據還可以進行實時報警，完成控制功能。界面總體規劃如圖5所示[5]。

圖5 程序界面

WJ-10材料試驗機采用一套較為復雜的液壓系統，為了增加試驗機使用時的可靠性及測試結果的準確性，采用如圖6所示監控界面。

圖6 監控程序

4 結論

在總結國內外試驗機現狀和發展趨勢的基礎上，利用成熟的自動控制技術對試驗機的電氣控制系統進行自動化改造。通過企業實際應用，設備運轉可靠，提高了測試精度和效率。