支持多维度力学性能测试的三轴加载机开发

潘志彬+朱琳+戴凤强+聂成

摘 要：为了实现对大型结构件的多维度力学性能测试，设计了一种三轴加载机。基于设计的力封闭体机械结构平台，研究了“PLC+液压系统+传感器”的控制模式，给出了三轴多维度加载的实现方法。通过探讨液压驱动系统的设计方案，实现了加载轴平稳无冲击的运动。以OPC作为上位机LabVIEW人机界面和下位机PLC控制程序的连接通道，实现了数据采集与分析的功能。测试结果表明，开发的三轴加载机运行稳定可靠，能够满足对结构件进行全方位力学性能测试的要求。

关键词：多维度；三轴加载机；液压；PLC控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.260

0 引言

在现代科研和生产中，力模拟加载试验是产品开发中非常重要的环节。产品力学性能如刚度、强度等的好坏直接决定产品研制成功与否，甚至影响到产品的使用期限和稳定安全性能。加载试验机是一种常用的模拟加载试验台，其应用领域十分广泛，有力学性能综合测试平台、负载模拟器、振动台、机构疲劳试验系统等[1]。但是现有的加载试验机存在以下一些问题：①设备体积小、重量轻、承载能力不高，通常只适用于小型构件；②只有一个或两个方向上的加载力，力学性能测试不全面，测试结果不可靠。对于一些工作载荷复杂的大型疲劳结构件，普通试验台因为自身承载力的限制难以对其进行多维度、全方位的力学性能试验[2]。

先后有学者采用不同的技术方法对此进行了研究。文献[3]采用驱动器结构设计了一种多功能力学性能测试试验机，由于需要在测试物料上安装传感检测片，测试数据受环境因素的影响较大；文献[4]给出了多维力加载试验台液压系统的设计，实现对结构件的疲劳试验和力矩分析的功能。文献[5]探讨了基于PLC的比例控制液压加载系统的开发，将PLC与电液比例控制系统结合，实现对压力、流量等参数的控制。

本文根据模拟加载试验台的功能特点和测试需求，设计了一种支持多维度力学性能测试的三轴加载机。建立机械结构平台，分析液压驱动系统的设计，给出PLC程序的编写方法，通过OPC通道实现LabVIEW与PLC的数据交互。开发的三轴加载机为结构件力学性能测试提供了一种解决方案。

1 机械结构平台设计

为实现空间三方向可控力加载，建立如圖1所示的三轴加载机平台系统。图中1t加载轴为多维度加载装置，安装在移动框架横梁下方，其本体安装在圆立柱上，相对移动框架横梁可作Y方向的移动，亦可随移动框架横梁作X方向的移动，相对圆立柱可作上下移动，加载轴的方向可以360度旋转，实现任意方向的加载。10t轴为垂直加载装置，安装在移动框架横梁下方，同样可做X或Y方向的移动，灵活改变工作平台的测试范围。30t轴为水平加载装置，固定在反力墙上，反力墙上有预设的螺纹孔，通过调整水平加载装置在反力墙上的位置，可以适应不同形状位置各异的试件。

平台中移动框架横梁与固定横梁通过移动连接座固连在一起，使用特殊设计的碟形弹簧滚动机构，可以方便快捷地调整移动框架横梁相对固定横梁的位置，同时带动1t和10t加载轴移动。而且基础承台、框架立柱、反力墙、移动框架横梁、固定横梁等构成了一个力封闭体，具有对大型结构件的承载能力，同时确保加载油缸施加较大压力时试验台自身保持足够的刚度和强度，提高对结构件进行测试时的准确可靠性。

在每个加载油缸前端，串联了一个拉压力传感器，测试加载力的值。在每个加载油缸的另一端活塞杆上，连接一个位移传感器，加载测试时与力传感器一起运用，可以得到在不同加载力下测试件发生的形变位移量。通过操作台控制三轴的运动，依次完成使能、预紧、加载、后退等动作。

2 液压系统设计

2.1 液压系统加载分析

三轴加载机的负载力通过液压缸有杆腔与无杆腔间的压力差来提供。由于加载试验要求给测试件提供轴向压力，因此需无杆腔压力高于有杆腔的压力。当加载力较高时，会导致系统压力偏大，为降低工作压力，将液压缸有杆腔的油直接回油箱，因而当压力差一定时，可以将无杆腔的压力降到最小。在加载过程中，液压缸会持续受到轴向位移扰动的影响，设计时选用电磁比例减压阀来提高控制加载力的精度。

2.2 液压系统设计方案

根据液压系统设计要求，设计了如图2所示的三轴加载机液压系统原理图。系统中3个方向的加载轴分别通过3个三位四通E型电磁阀实现前进和后退动作。1t轴最大加载力10KN，10t轴最大加载力100KN，30t轴最大加载力300KN，并能长时间持续加载，液压系统的具体操作如下：

（1）供电前需调整好安全阀和溢流阀等的阀口开度大小，加载时安全阀调定系统最大压力。油箱中设有过滤器和冷却装置，能够保证液压油在正常工作温度范围内以及液压油的纯净度。

（2）变量叶片泵从油箱中汲取液压油，经过单向阀，如果此时的油压超过安全油压，溢流阀打开，高于系统压力的液压油流回油箱，起到保护回路的作用。在安全油压范围内的液压油顺利通过设定有一定开度的电磁比例减压阀。当系统处于加载状态时，三位四通换向阀T1得电，液压油通过T1油路进入无杆腔，驱动30t轴活塞杆进行加载，有杆腔中的液压油被压缩后，通过另外的油路回流到油箱。当系统处于卸载状态时，液压油进入有杆腔进行卸载。当系统处于松载状态时，三位四通换向阀处于中位。1t和10t轴的加载与卸载过程与此相同。

（3）系统中的电磁比例减压阀和其配套的放大器共同组成加载力的反馈控制系统。根据设定的电阻，电磁比例减压阀内部的电磁铁移动相应的位移，进而提供和需要的加载力对应的阀口开度大小，内部具有反馈回路，能够保证加载力的精度。

（4）系统设置了压力检测装置，在泵口和液压缸入口安装耐震压力表，操作人员可以通过压力表观察系统的压力，保证系统正常的工作油压。

3 测控系统方案设计

3.1 测控系统分析

三轴加载机的执行元件为3个方向的液压活塞杆；控制元件选用三菱FX3U-64MT型号PLC；下位機控制程序采用GX-developer软件进行编写；上位机的人机交互界面测控程序采用LabVIEW编写；使用具有标准驱动的OPC作为上位机LabVIEW与下位机PLC的通讯连接通道[6]。

3.2 测控系统硬件设计

系统需控制的运动量包括油泵电机的启停、电磁换向阀的启停、电磁比例减压阀的启停、放大器的电阻大小、继电器的通断。需要检测的量包括3个加载轴上的位移传感器和压力传感器数据，图3为控制系统的硬件结构框图。

上位机使用通信线缆与PLC建立连接，采集传感器的数据信息，并且下发控制命令，使得3个加载轴按照设定的程序运动。用户通过操作台上的按钮控制三轴加载机的实时运动。因此，PLC的输入信号源有两个，一个是上位机的控制软件，通过编程线传输指令控制PLC的输出；另一个是电气操作台控制面板，通过旋转开关和按钮提供开关信号。

3.3 测控系统软件设计

模拟量读取程序。在GX-developer软件平台上编写PLC控制程序，下文主要分析模拟量读取程序。三轴加载机主要测量3个方向上的加载力和变形量，需要测量3个压力值、3个位移值，共6个变量。由于传感器采集的信号是电压或电流等模拟量，因此系统中采用特殊扩展模块FX2N-2AD/4AD进行模数转换。其中FX2N-2AD的CH1、CH2接口分别连接10t轴、30t轴的压力信号，FX2N-4AD的CH1、CH2、CH3、CH4接口分别连接30t轴、10t轴、1t轴的位移信号以及1t轴的压力信号。FX2N-2AD模拟量读取程序设计如图4所示，FX2N-4AD读取程序的设计思想大致相同，需要根据对应的说明书进行编程。

经过FX2N-2AD/4AD模块A/D转换之后的数据信号传输至PLC。由于采用OPC通道实现LabVIEW与PLC的数据交互，而OPC中软元件属性里面有自带的数据比例转换功能，因此在位移和压力测量程序设计时，在OPC中进行有关数据的比例转换，以缩短PLC程序的扫描周期。

4 系统实现

利用LabVIEW软件平台和OPC通道设计了如图5所示的人机交互界面，主要包括三部分：加载功能设定区、数据采集区、数据实时显示区。利用界面间的连接技术，设计主界面连接各功能模块的子界面，点击功能按钮，即可弹出需要的功能设置界面，用户可以在子界面中进行需要的操作，并通过返回按钮返回主界面。

先打开人机交互界面的主界面，确保通讯正常，通过子界面分别设置零漂值、加载保护以及参数补偿等参数。然后，使用操作台控制三个加载轴的预紧、前进、后退等工序。从人机交互界面显示的实时变化曲线，可以得知当前的压力值与试件的形变值，数值可以实时记录与保存，进而实现对物料进行力学性能测试。系统测试表明，加载力精度为0.2～0.5%F.S，PLC程序扫描周期为11ms，上位机人机交互程序的数据采集周期为95ms，设计的支持多维度力学性能测试的三轴加载机是稳定可行的。

5 结束语

本文首先搭建了多维度三轴加载机的机械机构平台，其次给出了使用三位四通电磁换向阀驱动加载轴运动的液压系统设计。然后根据三轴加载机的测控需求，编写了下位机PLC控制程序，同时使用LabVIEW编写上位机测控程序。通过OPC通道建立PLC和LabVIEW的通讯连接，利用界面间的连接技术，实现三轴加载机的逻辑控制和关键数据的采集、存储及分析。本文工作为促进多维度三轴加载机在结构件尤其是大型结构件的力学性能测试中的广泛应用提供了参考。

参考文献：

[1]王剑波.基于虚拟仪器的模拟加载测试系统设计[D].南京：南京理工大学，2012.

[2]王平.轴向伺服加载试验系统设计及研究[D].杭州：浙江大学， 2012.

[3]浙江工业大学.多功能力学性能测试试验机：201410244486.3[P]. 2014，09（24）.

[4]梁来雨，李维嘉.多维力加载试验台液压系统设计[J].液压与气动，2011（01）：53-55.

[5]贾光政，孟祥伟，张富臣等.基于PLC的比例控制液压加载系统[J].液压与气动，2010（07）：14-16.

[6]林献坤，朱琳，高礼刚.基于LabVIEW和OPC的三轴加载机测控系统开发[J].仪表技术与传感器，2015（05）：59-61.