机械式万能试验机的自动化改造

2021-07-28李月安吴何畏

机械管理开发 2021年6期

李月安，吴何畏

（湖北文理学院机械工程学院，湖北襄阳 441053）

引言

材料试验机是测定材料性能指标的标准仪器设备[1]，可以在各种不同条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器。按分类方法可以分为金属材料试验机、橡塑拉力机，非金属材料试验机、动平衡试验机、振动台和无损探伤机等。其中材料试验机加荷方法、结构特征、测力原理、使用范围都各不相同。在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，材料试验机是一种不可缺少的重要检测仪器。多用于金属及非金属（含复合材料）的拉压、弯曲、剪切、剥离、撕裂、保载、松弛、往复等项的静力学性能测试分析研究，也可以用于包括疲劳，单向脉动疲劳、冲击等动态实验。根据GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等国内、国际相关标准可进行试验和提供数据。现代试验机位移多采用栅式测量系统，利用增量测量方法来确定位置和材料延伸率，具有定位准、精度高、速度快等特点；传统试验机多采用游标卡尺人工测量，机械式有级调速，开环式速度控制，无法精准控制定位，精度低、速度慢，无法保证角度及位移测量的精度，转速不能实现闭环，对材料的屈服强度、弹性模量、硬化指数和塑性应变比等参数不能测量。

通过引入PC把原有试验机改造为电子式试验机具有直观、精度高，可自动控制，易于操作、效率高、节省资金等优点。

1 改造的总体方案

微机控制的电控试验机以伺服电机作为动力源，丝杠、丝母作为执行部件，实现试验机移动横梁的速度控制；传动控制采用同步带和减速机两种形式；在测力上采用负荷传感器。若采用液压式加载方式，配合使用电液伺服阀或比例阀来控制液压传递速度，以微机来控制自动控制系统及显示系统，提高试验机自动控制水平及数字化显示能力。

1.1 现有结构

试验机由主机和测力系统两部分组成。主机部分为下置式油缸的刚性框架结构如图1所示，由底座、工作台、立柱、丝杠、活动横梁和上横梁组成。上下横梁和工作台之间通过立柱连接成框架结构，油缸安装在工作平台的下方，上钳口安装在活动横梁下边，下钳口安装在底座平台上方。通过油缸工作活塞顶着工作框架上升时，在工作台与活动横梁之间，活动横梁与上横梁之间就可以完成压缩、弯曲、拉伸等不同类型的实验。

图1 WJ—10型液压材料试验机结构示意图

测力系统包括油路系统和机械控制系统两部分组成。油路系统由油箱、油泵、送油阀、回油阀、缓冲阀等组成，这些部件通过油管连接成一套油路系统。液体根据帕斯卡定律在油路系统来回流动，形成一个闭环系统，在密闭容器中通过控制阀门控制液体流动量，由液体把力传递到液体内的各处和容器的器壁上，形成拉伸时的拉力及压缩时的压力[2]。

机械控制系统为摆锤测力机构。摆锤测力机构由拉杆、刀垫、摆锤、推杆、齿轮和力度盘组成。液体流到密闭容器中使测力活塞受到一个向下的作用力F，该力带动摆锤测力机构各个构件运动，最后形成一个力偶M，使主动针和从动针转动一相应的角度，并在度盘上指示出试样所承受的力值。

1.2 改造方案

WJ-10型材料试验机升级改造的技术路线如下：硬件部分，在原有试验机的工作机台上，利用DI数据传输和A/D转换器，将力传感器和数据采集装置收集来的数据通过接口传给上位机，再由编程软件对收集数据进行自动分析和处理；分析处理后的数据通过DO和D/A转换，实现对试验机进行自动控制；软件部分，现行比较通用组态软件（Kingview）或Visual C++,Visual Basic，每款软件都有各自的优势，用户可根据自身特点选择其中一款，针对测试模块、数据处理与输出模块、测试全部机械性能模块、测试单向性能模块和试验现模块、数据库模块等项目高级语言进行程序开发，如图2所示。

图2 微机监控的材料试验系统

2 硬件改造

经上所述，对液压型的材料试验机应首选液压阀作为驱动元件，满足此要求的元件有电液比例阀和电液伺服阀。两种新型的元件由于具有很多优点在工业上得到了越来越广泛的应用，尤其是伺服阀应用范围更广。

2.1 伺服和液压系统改造

目前国内应用较高的伺服和液压系统有电液伺服阀和比例阀。电液伺服阀优点是控制精度高、响应速度快。缺点是工作环境压力大，需要添加过滤器和水循环冷却系统。该系统工作时对液压油的品质要求很高，由于液压油在系统内运行过程中极易遭受空气环境污染，这对液压油的过滤提出更高的要求；系统在高压状态下工作时，容易产生噪音，油温快速升高，并且容易渗漏。

电液比例阀由于低压起动，工作环境压力较小，系统压力随试验力增加而比例增加，噪音低、油温不易上升，具有较强抗污染能力，可实现无故障运行。但是反应速度较低，不适合动态实验要求，只适合于静态液压试验机。综上所述，经过分析与比较，决定选用了电液伺服阀来实现对液压系统加载的控制改造。

电液伺服阀它通常由力矩马达（或力马达）、液压放大器、反馈机构（或平衡机构）三部分组成，是一种接受模拟电信号后，相应输出调制的流量和压力的液压控制器件。它是电液伺服控制中的关键元件，其液压系统简图如图3所示[3]。

图3 PLC控制系统原理图

伺服驱动系统的工作流程及控制原理：传统的试验机液压控制元件主要是通过送油阀上阀门实行人工控制加载。改造后WJ-10型液压万能试验机以油缸下置式主机为平台，通过增加配置进口油泵和电液伺服阀、PC机伺服控制器，由伺服油路系统中的伺服阀来完成控制动作，从而实现多通道闭环控制。工作状态如下：在电机带动下高压齿轮泵将油箱内的液压油送进伺服油路系统，流经各种液压元件，最后将处理好的高压油带入油缸。采集系统将安装在油缸内力传感器采集到的力值信号及引伸仪收集应变信号输入PC机，经过PC机内的高级编程软件对采集信号进行运算、分析、判断形成控制指令，对伺服阀伺服阀的开口和方向进行控制，从而控制进入油缸内液压油的流量，完成对试验机油缸内液压活塞运动的自动控制。

2.2 电气系统改造

当采用电液伺服阀控制后，原电器元件上升（下降）电磁阀改为电液伺服阀。为了保证工作人员的安全，特别设置了试件装夹时的锁止按扭（带螺帽的急停按扭），此按扭按下后，整个液压系统均无法动作，直到按下解除锁止的按扭。这样可避免其他人员误操作及电气干扰，进一步保护设备和操作员在装夹时的安全。同时为保护电路中其他电器元器件，特添加了热继电器。电气原理图如图4所示。

图4 电气原理图

元器件清单如表1所示[4]。

表1 元器件清单表

3 程序设计

基于Kingview V6.03开发的试验机的监控软件，可以实现人机交互界面。建立计算机实时监控系统，可以实现实验过程的全程监控；建立ACXESS形式数据库，对实验数据进行储存和保护，提供了多种有效方法方便操作人员对数据分析、处理和数据查询，最后完成数据统计、汇总、报表和打印。对不正常的数据还可以进行实时报警，完成控制功能。界面总体规划如图5所示[5]。