论文部分内容阅读
引言：液压式万能材料试验机具有价格便宜和经久耐用的优点，但是在使用时的精度较低，不能完全实现加载速度的精确控制。对液压万能材料试验机进行合理改造，提高其自动化水平，在相应部位添加必要的传感器和电压比例阀，采用计算控制方式使得拉升试验实现自动化，本文即是对此展开的研究。
0引言
作为一种独立的产品，自动化材料试验机最早出现于西欧。在对材料的机械性能进行测定时，液压万能材料试验机是必备设备之一，其使用历史已有上百年。实践证明，这种设备能够实现对金属和非金属进行各类试验，如：拉伸试验、压缩试验以及弯曲试验等[1]；能够实现对材料强度和塑性指标的测定。科学技术的进步提高了机械设备的自动化水平，相应材料的机械性能试验也朝着越来越精确的方向发展，其要求也越来越高，尤其是在试验精度以及数据处理上的要求更加严格。一些新型的实验设备应运而生，但是受价格等外界因素的影响，很多相关单位还不能及时的将其设备更换成这些新出现的实验设备，一些规模较小的企业依然采用传统的液压万能材料试验机。尽管该试验机技术较为落后，具有较为庞大的体积，但其优点也不容忽视。如：具有较为方便的操作，油压系统的使用寿命较长。因此，很多这种试验机的使用者希望能够不更换设备，通过升级改造的方法进行设备的升级，使其适用于新环境中，满足精度要求，从而节省成本。
1液压万能材料试验机中的不足
对液压万能试验机的不足进行总结，主要包括以下四点：首先，其测量时的精度较低[2]。在液压万能试验机系统中，油液从油泵中输出后进入到工作油缸中，对试样施加必要的载荷，与此同时，油液进入到测力油缸中，使得联动摆锤动作，测力读盘指针被推动，从中可以读取有用数据[3]。在这一过程中，所有的传递环节均为机械传动，会存在较大误差。另外，读数盘的精度有限，读数是人工进行的，这也大大降低了测量的精度。其次，液压万能材料试验机的加载速率很难实现定量控制。通常情况下，操作人员是按照工作经验对节流阀的开度进行调节，从而控制试样的加载速率，这种方法具有较大的不确定性，受操作者经验的影响较大。再次，该试验机的实时性较差。在绘制曲线时，只能实现单一的曲线绘制；当前，该试验机只能进行“载荷-变形”曲线的粗略绘制，在需要进行实时应力以及应变数值的测量时无能为力，当然也无法实现“应力-应变”曲线的直接绘制。最后，液压万能材料试验机的自动化水平较差，工作时效率不高。在该系统的实验数据处理以及实验报告中，依然需要通过人工的方式进行，这不仅浪费了大量的时间，同时也需要消耗大量的人力。
科学技术的不断进步，各种先进的新型测试手段不断涌现，人们希望能够提高设备的自动化水平，减少人工劳动量。相比之下，液压万能材料试验机已经无法满足当下的需求，其测试手段有待升级和改造。
2液压万能材料试验机改造方法
对液压万能材料试验机进行合理改造，存在的方法多种多样，它们各有利弊，对可行的几种改造方案进行总结，包括：1）通过单片机系统进行改造。这种方案的长处在于具有较为简单的结构和较小的体积，其成本也较低，在嵌入式系统的实现上也较为方便；其最大不足在于：具有较为复杂的电路系统，稳定性低，在处理数据时速度不尽人意，实时操作难以实现。当前，在试验机领域，备受人们关注的焦点是在加载过程中，如何有效保证稳定的应力速度以及应变速度，通过单片机系统进行改造的方案无法实现这一目标。2）通过速度控制器来实现对电机的控制，随之对压力施加负荷进行控制，这种方案能够实现速度电流的反馈，属于一种较为古老的控制方式。例如：在需要对步进电机驱动步数进行计算的场合，采用位置式控制器，最终实现对应力速度、位移速率以及定应变等实验结果的获取。但值得注意的是，作为一种非线性时变系统，液压万能材料试验机的数学模型较难建立，如果采用常规的控制器将难以实现较好的控制效果[4]。在实际使用时，参数整定的方法较为繁杂，受此困扰，常规的控制器常常无法正确整定，具有较差的适应性。3）通过微机以及传感器技术等进行改造。如：在应力应变速率的控制上，通过采用电液比例阀或者是电液伺服阀达到高精度控制的目的[5]；在测量控制系统中，通过采用计算机卡式设计。这种方案的优点在于：具有较强的抗干扰能力，质量好，性能稳定。另外，这种方案在实现时只需要通过鼠标的点击即可，操作方便。在各类试验曲线的绘制上也具有较大的灵活性，能够及时将曲线数据存储下来，具有曲线放大功能。在选择哪种方案进行试验机的改造时，应该与实际情况相结合，最大程度的满足用户要求。本文权衡利弊，最终选择方案三进行液压万能材料试验机的改造，提升设备的自动化水平，图1给出了试验机改造的原理图。
图 1试验机改造原理图
3 系统组成分析
在采用微机以及传感器技术进行试验机系统的改造时，保留了手动加载的部分，同时增加了一条支路，试验机的加载速率是通过电液比例阀来控制的。这样一来，不仅能够通过手动进行操作，还可以实现自动控制。将具有较高精度的压力传感器添加在进油管处，实现对系统压力的检测，另外，采用位移测量系统以及相应的处理技术，对数据进行自动化采集和分析处理。此时的数据采集速度快，测量的精度也较高；在数据分析和处理上，不仅更加周全，还实现了交互式处理，数据可以通过图表、曲线等不同的方式表现出来。这样一来，液压万能材料试验机在进行信号检测以及数据处理时，其水平更加接近现代试验机的水平，能够适应新形势。
图2 机械部分和硬件组成示意图
对升级和改造后的试验机进行分析，图2给出了机械部分和硬件组成示意图。主要由以下几个部分组成：主机部分。主机部分的部件包括：工作活塞、油缸、工作台、底座、立柱、上下移动横梁、试样夹持以及活动横梁等[6]。主机部分实现的作用是将试样夹紧和固定，实现试样的加载。液压部分。液压部分的组成包括：高压油泵、油箱、送油阀、电液比例阀、回油阀、截止阀、主机的工作油缸、测力油缸活塞、工作活塞等[6]。该部分的主要作用是对试件的夹紧和加载进行控制。检测部分。检测部分的组成包括：电子引伸计、负荷传感器、光电编码器等[6]。该部分的主要作用是对实验对象所受的试验力等进行检测。数据采集处理以及控制部分。该部分包括：数据采集、控制电路、处理、打印机、计算机软硬件系统、手动控制器件等[6]。其主要用途是实现对整个系统的控制，设置和显示各类参数，对实验过程以及结果进行记录等。电气部分。该部分包括：交流接触器、各类继电器、开关按钮等[6]。其作用是开关油泵电机，对衡量升降结构的动作、限位等进行控制。 4控制系统的软件设计
对于液压万能材料试验机系统来说，软件的好坏至关重要，它将对操作的简易程度以及数据的可靠性产生直接影响，在某种意义上来说，软件甚至关系到整个改造是否成功。在本次改造中，所采用的测试软件包括五个模块。其中，数据采集模块实现的功能是对初始化参数进行设置，实现传感器的调零和定标。图形输出模块主要是将数据曲线反映在屏幕上，也可以将数据图形打印出来。数据输出模块的功能是将所需的数据打印出来，也可以实现对数据的手工修改，依据实际情况添加或删减一些数据，最终将数据存盘，通常情况下，处理的数据为材料性能的关键点数据，有些情况下也包括采集的数据中的某一部分。报告打印模块主要是指在完成试验之后，将一些有用的数据以及原始图形等打印出来。
5结论
在采用微机以及传感器技术改造后的液压万能材料试验机中，控制元件为数字比例压力流量复合阀，它能够通过微机软件自动控制加载力值和速度。实现了可控的加载力值，在进行速度大负荷的测试时具有较好的效果，测试的性能十分稳定。在计算机屏幕上实现了数据的显示，数据类型包括：变形和加载速率，变形的速度以及材料的各项特性等。所获得的实验结果可以整理成报表，具有直观性的特点，实时性能较好。在新系统中，实验结果可以通过打印机打印出来，也可以采用绘图仪绘制出相应的试验曲线，只要能够显示于屏幕上，即可打印成报表。实验报告等可以实现批量打印以及存储，有利于完整的保存。由于在改造过程中依然保留了手动加载的环节，整个系统不仅能够实现自动化操作，也可以实现手动操作，其控制的灵活性大大加强。对试验机改造成功与否进行判断，主要依据是检查最后的测试数据精度以及试验曲线，如果精度达到了规定的要求，试验曲线准确，则说明改造是成功的。
参考文献
[1]何芝仙，桂长林.万能材料试验机技术改造问题探讨[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2004，27（1）：80～82.
[2]陈玉坤.用计算机对液压式万能试验机的改造[J].制造业自动化，2001，23（6）：46～48.
[3]李建永，王彤，赵辉等.液压万能材料试验机的CAT改造[J].液压气动与密封，2009，2：57～59.
[4]杨莉华.W E-60液压万能材料试验机的数字化改造[D].中国知网，2007，10：13.
[5]杨莉华.WE-60液压万能材料试验机的数字化改造[D].中国知网，2007，10：20.
[6]杨泽勇，何广平.材料试验机测控系统关键技术的研究与实现[J].计算机测量与控制，2005，13（11）：1210～1213.
作者简介
杨志刚，出生年月：1978.7，性别：男，籍贯：四川，职称：工程师，研究方向：计量管理 计量检定 万能材料试验机改装
0引言
作为一种独立的产品，自动化材料试验机最早出现于西欧。在对材料的机械性能进行测定时，液压万能材料试验机是必备设备之一，其使用历史已有上百年。实践证明，这种设备能够实现对金属和非金属进行各类试验，如：拉伸试验、压缩试验以及弯曲试验等[1]；能够实现对材料强度和塑性指标的测定。科学技术的进步提高了机械设备的自动化水平，相应材料的机械性能试验也朝着越来越精确的方向发展，其要求也越来越高，尤其是在试验精度以及数据处理上的要求更加严格。一些新型的实验设备应运而生，但是受价格等外界因素的影响，很多相关单位还不能及时的将其设备更换成这些新出现的实验设备，一些规模较小的企业依然采用传统的液压万能材料试验机。尽管该试验机技术较为落后，具有较为庞大的体积，但其优点也不容忽视。如：具有较为方便的操作，油压系统的使用寿命较长。因此，很多这种试验机的使用者希望能够不更换设备，通过升级改造的方法进行设备的升级，使其适用于新环境中，满足精度要求，从而节省成本。
1液压万能材料试验机中的不足
对液压万能试验机的不足进行总结，主要包括以下四点：首先，其测量时的精度较低[2]。在液压万能试验机系统中，油液从油泵中输出后进入到工作油缸中，对试样施加必要的载荷，与此同时，油液进入到测力油缸中，使得联动摆锤动作，测力读盘指针被推动，从中可以读取有用数据[3]。在这一过程中，所有的传递环节均为机械传动，会存在较大误差。另外，读数盘的精度有限，读数是人工进行的，这也大大降低了测量的精度。其次，液压万能材料试验机的加载速率很难实现定量控制。通常情况下，操作人员是按照工作经验对节流阀的开度进行调节，从而控制试样的加载速率，这种方法具有较大的不确定性，受操作者经验的影响较大。再次，该试验机的实时性较差。在绘制曲线时，只能实现单一的曲线绘制；当前，该试验机只能进行“载荷-变形”曲线的粗略绘制，在需要进行实时应力以及应变数值的测量时无能为力，当然也无法实现“应力-应变”曲线的直接绘制。最后，液压万能材料试验机的自动化水平较差，工作时效率不高。在该系统的实验数据处理以及实验报告中，依然需要通过人工的方式进行，这不仅浪费了大量的时间，同时也需要消耗大量的人力。
科学技术的不断进步，各种先进的新型测试手段不断涌现，人们希望能够提高设备的自动化水平，减少人工劳动量。相比之下，液压万能材料试验机已经无法满足当下的需求，其测试手段有待升级和改造。
2液压万能材料试验机改造方法
对液压万能材料试验机进行合理改造，存在的方法多种多样，它们各有利弊，对可行的几种改造方案进行总结，包括：1）通过单片机系统进行改造。这种方案的长处在于具有较为简单的结构和较小的体积，其成本也较低，在嵌入式系统的实现上也较为方便；其最大不足在于：具有较为复杂的电路系统，稳定性低，在处理数据时速度不尽人意，实时操作难以实现。当前，在试验机领域，备受人们关注的焦点是在加载过程中，如何有效保证稳定的应力速度以及应变速度，通过单片机系统进行改造的方案无法实现这一目标。2）通过速度控制器来实现对电机的控制，随之对压力施加负荷进行控制，这种方案能够实现速度电流的反馈，属于一种较为古老的控制方式。例如：在需要对步进电机驱动步数进行计算的场合，采用位置式控制器，最终实现对应力速度、位移速率以及定应变等实验结果的获取。但值得注意的是，作为一种非线性时变系统，液压万能材料试验机的数学模型较难建立，如果采用常规的控制器将难以实现较好的控制效果[4]。在实际使用时，参数整定的方法较为繁杂，受此困扰，常规的控制器常常无法正确整定，具有较差的适应性。3）通过微机以及传感器技术等进行改造。如：在应力应变速率的控制上，通过采用电液比例阀或者是电液伺服阀达到高精度控制的目的[5]；在测量控制系统中，通过采用计算机卡式设计。这种方案的优点在于：具有较强的抗干扰能力，质量好，性能稳定。另外，这种方案在实现时只需要通过鼠标的点击即可，操作方便。在各类试验曲线的绘制上也具有较大的灵活性，能够及时将曲线数据存储下来，具有曲线放大功能。在选择哪种方案进行试验机的改造时，应该与实际情况相结合，最大程度的满足用户要求。本文权衡利弊，最终选择方案三进行液压万能材料试验机的改造，提升设备的自动化水平，图1给出了试验机改造的原理图。
图 1试验机改造原理图
3 系统组成分析
在采用微机以及传感器技术进行试验机系统的改造时，保留了手动加载的部分，同时增加了一条支路，试验机的加载速率是通过电液比例阀来控制的。这样一来，不仅能够通过手动进行操作，还可以实现自动控制。将具有较高精度的压力传感器添加在进油管处，实现对系统压力的检测，另外，采用位移测量系统以及相应的处理技术，对数据进行自动化采集和分析处理。此时的数据采集速度快，测量的精度也较高；在数据分析和处理上，不仅更加周全，还实现了交互式处理，数据可以通过图表、曲线等不同的方式表现出来。这样一来，液压万能材料试验机在进行信号检测以及数据处理时，其水平更加接近现代试验机的水平，能够适应新形势。
图2 机械部分和硬件组成示意图
对升级和改造后的试验机进行分析，图2给出了机械部分和硬件组成示意图。主要由以下几个部分组成：主机部分。主机部分的部件包括：工作活塞、油缸、工作台、底座、立柱、上下移动横梁、试样夹持以及活动横梁等[6]。主机部分实现的作用是将试样夹紧和固定，实现试样的加载。液压部分。液压部分的组成包括：高压油泵、油箱、送油阀、电液比例阀、回油阀、截止阀、主机的工作油缸、测力油缸活塞、工作活塞等[6]。该部分的主要作用是对试件的夹紧和加载进行控制。检测部分。检测部分的组成包括：电子引伸计、负荷传感器、光电编码器等[6]。该部分的主要作用是对实验对象所受的试验力等进行检测。数据采集处理以及控制部分。该部分包括：数据采集、控制电路、处理、打印机、计算机软硬件系统、手动控制器件等[6]。其主要用途是实现对整个系统的控制，设置和显示各类参数，对实验过程以及结果进行记录等。电气部分。该部分包括：交流接触器、各类继电器、开关按钮等[6]。其作用是开关油泵电机，对衡量升降结构的动作、限位等进行控制。 4控制系统的软件设计
对于液压万能材料试验机系统来说，软件的好坏至关重要，它将对操作的简易程度以及数据的可靠性产生直接影响，在某种意义上来说，软件甚至关系到整个改造是否成功。在本次改造中，所采用的测试软件包括五个模块。其中，数据采集模块实现的功能是对初始化参数进行设置，实现传感器的调零和定标。图形输出模块主要是将数据曲线反映在屏幕上，也可以将数据图形打印出来。数据输出模块的功能是将所需的数据打印出来，也可以实现对数据的手工修改，依据实际情况添加或删减一些数据，最终将数据存盘，通常情况下，处理的数据为材料性能的关键点数据，有些情况下也包括采集的数据中的某一部分。报告打印模块主要是指在完成试验之后，将一些有用的数据以及原始图形等打印出来。
5结论
在采用微机以及传感器技术改造后的液压万能材料试验机中，控制元件为数字比例压力流量复合阀，它能够通过微机软件自动控制加载力值和速度。实现了可控的加载力值，在进行速度大负荷的测试时具有较好的效果，测试的性能十分稳定。在计算机屏幕上实现了数据的显示，数据类型包括：变形和加载速率，变形的速度以及材料的各项特性等。所获得的实验结果可以整理成报表，具有直观性的特点，实时性能较好。在新系统中，实验结果可以通过打印机打印出来，也可以采用绘图仪绘制出相应的试验曲线，只要能够显示于屏幕上，即可打印成报表。实验报告等可以实现批量打印以及存储，有利于完整的保存。由于在改造过程中依然保留了手动加载的环节，整个系统不仅能够实现自动化操作，也可以实现手动操作，其控制的灵活性大大加强。对试验机改造成功与否进行判断，主要依据是检查最后的测试数据精度以及试验曲线，如果精度达到了规定的要求，试验曲线准确，则说明改造是成功的。
参考文献
[1]何芝仙，桂长林.万能材料试验机技术改造问题探讨[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2004，27（1）：80～82.
[2]陈玉坤.用计算机对液压式万能试验机的改造[J].制造业自动化，2001，23（6）：46～48.
[3]李建永，王彤，赵辉等.液压万能材料试验机的CAT改造[J].液压气动与密封，2009，2：57～59.
[4]杨莉华.W E-60液压万能材料试验机的数字化改造[D].中国知网，2007，10：13.
[5]杨莉华.WE-60液压万能材料试验机的数字化改造[D].中国知网，2007，10：20.
[6]杨泽勇，何广平.材料试验机测控系统关键技术的研究与实现[J].计算机测量与控制，2005，13（11）：1210～1213.
作者简介
杨志刚，出生年月：1978.7，性别：男，籍贯：四川，职称：工程师，研究方向：计量管理 计量检定 万能材料试验机改装