1 引 言

1.1 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的進(jìn)展

材料試驗(yàn)機(jī)是一種廣泛應(yīng)用的材料性能檢測(cè)設(shè)備,近十年來(lái)隨著先進(jìn)控制技術(shù)、驅(qū)動(dòng)元件以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)了老產(chǎn)品升級(jí)換代和新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)的良好發(fā)展趨勢(shì)。面對(duì)國(guó)外材料試驗(yàn)機(jī)的一些產(chǎn)業(yè)巨頭如美國(guó) Instron 公司 、MTS 公司、日本島津公司加大在國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售力度的緊迫情況, 國(guó)內(nèi)的材料試驗(yàn)機(jī)的生產(chǎn)廠(chǎng)家也加大了自主研發(fā)新產(chǎn)品的力度。對(duì)中等 、小型材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用伺服電機(jī)就是一種擴(kuò)充試驗(yàn)機(jī)功能, 提高試驗(yàn)機(jī)測(cè)量準(zhǔn)確性能的有效方式 。

1.2 采用伺服電機(jī)能擴(kuò)充材料試驗(yàn)機(jī)的功能當(dāng)前 ,材料性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)多樣性 ,要求加載與控制模式靈活性而復(fù)雜, 應(yīng)用伺服電機(jī)是實(shí)現(xiàn)材料性能多測(cè)量模式的有效手段。

伺服電機(jī)屬于控制電機(jī) , 由于交流伺服電機(jī)具有體積小、重量輕、大轉(zhuǎn)矩輸出 、低慣量和良好的控制性能等優(yōu)點(diǎn), 故被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。將伺服電機(jī)用于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng), 可以充分發(fā)揮伺服電機(jī)的在額定的轉(zhuǎn)速內(nèi) ,能恒定力矩輸出的比較“硬”的機(jī)械特性等優(yōu)勢(shì),克服以往由于使用變頻電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)時(shí)速度波動(dòng)帶來(lái)得測(cè)量不準(zhǔn)確誤差 ,以及與采集部分可以組成完善的動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)機(jī) 、或者成為可以在 0.5Hz ～ 50Hz 左右范圍的低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)等。這對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用范圍將是一個(gè)極大的提升 。

 

2 系統(tǒng)硬件組成與實(shí)現(xiàn)

2.1 該測(cè)量控制系統(tǒng)總體介紹

這個(gè)材料試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品是我們實(shí)驗(yàn)室和廣東某公司合作研發(fā)成功的 ,整個(gè)材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。機(jī)械傳動(dòng)路線(xiàn)是由飼服電機(jī) -減速機(jī) -鏈輪-同步絲桿 ,最后帶動(dòng)工作平臺(tái)上下位移組成 ,傳感器由于機(jī)架的龐大體積而采用增強(qiáng)型編碼器, 與測(cè)量絲桿直接相連 ,采集的力信號(hào)和位移信號(hào)經(jīng)過(guò)自行設(shè)計(jì)的 I O 信號(hào)調(diào)理板后由多功能采集卡接收, 接收的信號(hào)由測(cè)試軟件處理, 實(shí)時(shí)顯示在 PC 機(jī)上。通過(guò)測(cè)試界面可以發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)過(guò)采集卡和I O 信號(hào)調(diào)理板對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制 , 從而控制整個(gè)測(cè)量的起停以及調(diào)整工作臺(tái)的初始位置。

2.2 加載模式以及伺服

電機(jī)有關(guān)參數(shù)設(shè)置對(duì)于這臺(tái)材料試驗(yàn)機(jī)的加載模式 , 最終用戶(hù)要求具備定速度加載 、定位移加載 、保持力矩一段時(shí)間、循環(huán)加載以及前幾種復(fù)合而成的加載模式等其他較為復(fù)雜的加載模式, 這使得這臺(tái)材料試驗(yàn)機(jī)具有豐富的測(cè)試功能。圖 2 為循環(huán)加載模式時(shí)的時(shí)間 -載荷(位移)圖 。

針對(duì)這臺(tái)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)多種加載模式的需求分析, 我們選用了松下MINAS A 系列全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器 MDDA303A1A(其主要性能指標(biāo)為 :電源電壓為三相 200V , 適配電機(jī)的額定功率為3kW ,編碼器類(lèi)型為 2500p r)。伺服驅(qū)動(dòng)器連接器CN I F(50 腳)信號(hào)作為外部控制信號(hào)輸入 輸出,連接器 CN SIG(11 腳)作為伺服電機(jī)編碼器的連接線(xiàn)。

Pr02 :設(shè)為“5” , 即選用速度和轉(zhuǎn)矩可切換模式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制 。

Pr50 :設(shè)為“800” ,即指令電壓 8V 時(shí)伺服電機(jī)運(yùn)行在額定速度。

Pr56 :設(shè)為“250” , 即當(dāng)伺服電機(jī)在力矩模式運(yùn)行時(shí)速度為250r min 。

對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字 I O 口的數(shù)字量輸出 ,則經(jīng)過(guò)光電隔離后 ,由三極管集電極輸出進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)器連接器 CN I F(50 腳)的如 32 腳實(shí)現(xiàn)控制模式切換等輔助功能 。

根據(jù)客戶(hù)的要求 ,在信號(hào)調(diào)理板上 ,設(shè)計(jì)了伺服電機(jī)的手動(dòng)操作電路 ,利用測(cè)量電路中為傳感器供電的電源作為手動(dòng)控制電壓指令實(shí)現(xiàn)了材料試驗(yàn)機(jī)在不測(cè)量時(shí)候的工作平臺(tái)快速移動(dòng)歸位。因此在該材料試驗(yàn)機(jī)中對(duì)伺服電機(jī)的控制一共有三種, 動(dòng)態(tài)測(cè)試中復(fù)雜加載模式時(shí)的控制、在計(jì)算機(jī)中測(cè)試界面內(nèi) ,對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行上下移動(dòng)的操作、脫離計(jì)算機(jī)利用手動(dòng)控制盒直接控制電機(jī)操作工作平臺(tái) 。電腦和手動(dòng)控制的切換通過(guò)外部操作盒的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。在手動(dòng)控制功能中, 設(shè)計(jì)了伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路 ,對(duì)應(yīng)工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)則是上下移動(dòng)。如圖所示 ,當(dāng)左邊開(kāi)關(guān)按下, +5V 電壓經(jīng)過(guò)三極管使接通伺服ON 信號(hào) ,同時(shí)使得另一個(gè)三極管 Q1 導(dǎo)通, +12V 電壓經(jīng)過(guò)電阻后進(jìn)入伺服驅(qū)動(dòng)器作為速度指令, 控制平臺(tái)上移, 而另一對(duì)三極管則控制平臺(tái)手動(dòng)下移 ,通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可以使伺服電機(jī)取得一個(gè)合適的運(yùn)動(dòng)速度 。為了避免電腦控制和手動(dòng)控制的相互干擾 , 采用了多路模擬開(kāi)關(guān) AD7501 來(lái)選通模擬通道 。

 

3 LabVIEW 控制程序的編制

這次開(kāi)發(fā)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) , 軟件編制采用美國(guó)NI 公司的 LabVIEW 虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) 。自 1986年 LabVIEW 誕生至今, 經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展, LabVIEW的功能日漸豐富和強(qiáng)大, 但目前國(guó)內(nèi)對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)的各種改造或者是研發(fā)采用 LabVIEW 虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境的尚沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道 。而我們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)具有采用其開(kāi)發(fā)一般簡(jiǎn)單小型材料試驗(yàn)機(jī)的經(jīng)驗(yàn), 這使得這次研發(fā)此臺(tái)材料試驗(yàn)機(jī)的周期縮短了。

這臺(tái)材料試驗(yàn)機(jī)采用了研華公司的 PCI-1716 多功能采集卡進(jìn)行采集數(shù)據(jù)和控制電機(jī) 。采用研華公司提供的 LabVIEW 驅(qū)動(dòng) ,在 Function 面板中使用研華采集卡的模塊編制采集控制程序 ,滿(mǎn)足了這臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的控制精度, 采集速度等方面的要求 。

LabVIEW 中實(shí)現(xiàn)材料試驗(yàn)機(jī)復(fù)雜加載模式的控制實(shí)現(xiàn),我們開(kāi)發(fā)的整套測(cè)試界面為英文界面 ,在實(shí)現(xiàn)控制模式加載的運(yùn)動(dòng)控制上 ,將運(yùn)動(dòng)分解為七個(gè)分步運(yùn)動(dòng)組合而成(版面原因 ,只取了 2 步來(lái)示意)。如圖 4 。

如圖 5 所示 ,在每個(gè)步驟中 ,可以選擇拉壓兩種情況 ,即對(duì)應(yīng)電機(jī)上升、下降運(yùn)動(dòng)。加載方式的下拉菜單里提供有定速度、定載荷、定載荷增加速率 、定應(yīng)力 、定應(yīng)變等多種方式(如圖箭頭處所示)。每一步結(jié)束時(shí), 提供 6 種切換條件的下拉菜單 ,如位移大于 、時(shí)間大于 、力大于 ,或者用于停機(jī)的斷裂點(diǎn)等。從第 2 步運(yùn)動(dòng)開(kāi)始 ,提供循序運(yùn)動(dòng),用戶(hù)選擇循序起始步驟并輸入循環(huán)次數(shù)。

通過(guò)這樣的方法, 我們提供給客戶(hù)一個(gè)對(duì)加載模式的定制界面 ,用戶(hù)對(duì)于每種不同測(cè)試材料可以編制特定的加載模式,并可以存盤(pán) ,進(jìn)行模式數(shù)據(jù)管理例如添加一種新的測(cè)量加載模式 、刪除、修改、查詢(xún)等各種操作 。從而對(duì)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)用戶(hù)而言獲得了非常靈活的測(cè)試功能。

程序的 LabVIEW 后面板設(shè)計(jì)中 ,程序的編制流程如圖 6 ,我們將圖 4LabVIEW 中前面板所示的加載方法在后面板上用了一個(gè)簇結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá), 并為其創(chuàng)建了一個(gè)全局變量 ,在測(cè)試開(kāi)始時(shí) ,程序會(huì)自動(dòng)取出上次測(cè)試時(shí)的最后一次加載方法 ,賦予全局變量,以滿(mǎn)足程序?qū)�加載方法數(shù)據(jù)的需要。而對(duì)于伺服電機(jī)速度和電壓指令的對(duì)應(yīng), 則因?yàn)椴牧显囼?yàn)機(jī)的中間橫梁有自重而需要校正,在研發(fā)過(guò)程中, 我們對(duì)此分別做了試驗(yàn) ,確定了電壓與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并做了補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次研制基于伺服電機(jī)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī), 可以體會(huì)到采用伺服電機(jī)后, 可以大大提高材料試驗(yàn)機(jī)控制的靈活性 ,使得試驗(yàn)機(jī)承擔(dān)的試驗(yàn)內(nèi)容、功能、項(xiàng)目大大增加了 。采用伺服電機(jī)后整個(gè)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)除了常規(guī)的拉、壓 、彎 、剪試驗(yàn)外 ,還可以做蠕變 、松弛及低頻循環(huán)疲勞等各種試驗(yàn)。因此研制這樣的材料試驗(yàn)機(jī)適應(yīng)了當(dāng)前新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)性能要求不斷加強(qiáng)的趨勢(shì)。

另外由于伺服電機(jī)具有的高精度定位能力 ,低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性 ,良好的矩頻特性和優(yōu)秀的過(guò)載能力以及配合測(cè)量的自動(dòng)化而使得整個(gè)材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量精度得到了提高 。目前這臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的載荷測(cè)量精度 :示值的±1 %(至載荷傳感器滿(mǎn)量程的 1 50);應(yīng)變測(cè)量精度:引申計(jì)示值的 ±0.5 %(10 %～ 100 %FSR),分辨力0.001mm ,完全滿(mǎn)足了測(cè)量行業(yè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和ATSM 等各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)研究在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)中應(yīng)用伺服電機(jī),發(fā)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)方式可以提高試驗(yàn)機(jī)精度和擴(kuò)充試驗(yàn)機(jī)功能,為我國(guó)縮短在試驗(yàn)機(jī)行業(yè)和國(guó)外的差距取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。