浅析TZS-10000陶瓷砖抗折试验机电气设计*

张 钊

(宁夏机械研究院股份有限公司 银川 750002)

前言

陶瓷砖抗折试验机主要是以测得试样的抗弯强度来反映材料力学性能的检测设备，主要用于陶瓷砖、石材等非金属板材的弯曲强度试验。笔者研制开发具有等载荷加载、压力曲线显示、数据自动计算等功能的陶瓷砖抗折试验机电气控制系统。经过实际应用，该控制系统提高了陶瓷砖抗折试验机的控制精度、操作性能，减少试验数据的计算时间，方便用户使用。

1 工作原理

图1 设备结构图1后支承板 2前支承板 3左侧防护板 4支承辊 5工作台6支脚 7上压辊 8保护开关 9压力传感器 10标尺11上压辊刀座 12右侧防护板 13上盖 14触摸屏15力值显示仪 16加载装置 17立柱 18后防护板

陶瓷砖抗折试验机对陶瓷砖、瓦以及其它脆性材料作三点弯曲或四点弯曲试验时，如试验力大于或等于试样的极限值时，试样就会突然断裂，根据试样断裂时的最大载荷，计算试样的弯曲强度以及断裂模数。其结构如图1所示。

2 硬件结构

图2 试验机电气控制系统结构图

从图2中可以看出，该型陶瓷砖抗折试验机的电气控制系统由可编程控制器(PLC)、触摸屏、力值显示仪表、测力传感器、伺服系统、减速机、执行机构等组成，下面简单介绍一下它们的特点以及在系统中的作用。

2.1 测力系统

试验机测力系统由测力传感器、力值显示仪表和触摸屏组成，结构如图3所示。

图3 测力系统结构图

测力传感器选用美国传力的BSS-1T，触摸屏选用台达的DOP-B03S211机型，可进行参数设置、压力曲线显示、数据计算。力值显示仪表由苏州迅鹏仪表有限公司生产，其型号为：WPB5-DM1R2V0，可以实现峰值力显示，力值校准，RS485通讯，力值上限报警输出等功能。

力值显示仪表接收测力传感器的信号并通过RS485通讯功能与PLC进行通讯，将力值数据传输给PLC，触摸屏与PLC本体上的RS232口进行通讯连接，并经过PLC内部运算，触摸屏也可以实现实时力值的显示，达到了双窗口显示力值的效果，如图1中14、15所示。

2.2 可编程控制器(PLC)

综合考虑该型试验机的输出控制要求、工艺特点以及通讯要求，本系统中PLC选用台达的DVP32ES200TC。其具有以下特点：①支持三种编程语言；②脉冲输出；③RS-232、RS-485通讯接口；④运行过程中可以实现程序写入；⑤丰富的应用指令使复杂控制简化。

PLC是本系统的控制核心，既要接受外部控制信号以及伺服系统报警信号，还要负责与力值显示仪表、触摸屏进行通讯，并通过程序运算控制PLC的输出信号传送给伺服系统。由于选用的都是台达品牌的PLC和触摸屏，电脑通过与触摸屏进行连接，可以直接对PLC本体上运行的程序进行修改。

2.3 伺服系统

伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机，选用的是台达的ASDF-B2系列，伺服电机可以将电压正信号转化为转矩和转速以驱动控制对象；可控制速度、位置，精度非常准确。伺服系统响应速度快，抗过载能力强，实现了位置、速度和力矩的闭环控制；本系统PLC将控制信号输送给伺服驱动器，驱动器控制伺服电机旋转并通过减速机，驱动带有丝杠传动的执行机构，从而实现力值加载控制。

3 程序

本系统根据硬件配置要求，程序分4大类：①可编程控制器(PLC)程序；②触摸屏程序；③伺服系统内部参数设定；④力值显示仪表内部参数设定。PLC程序编制由WPLSoft编程软件进行编制，如图4所示。整个程序采用模块化结构，这样方便调用，易于修改，下面分别介绍所用程序的主要功能。

图4 PLC程序编制界面

3.1 PLC程序

3.1.1 PLC手动调试程序

该程序可以实现手动操作触摸屏上的动作按键使执行机构完成相应的单步动作，在手动状态下需要调试的工作有：①调整地脚螺栓使整机水平；②将压辊安装到位；③通过上升、下降按键使工作压辊上、下动作，并检查上、下极限位是否工作正常；④急停按钮、安全开关，以及各信号指示灯工作是否正常；⑤校准力值；⑥调试和维修设备时，需要在手动状态下进行。

3.1.2 自动运行程序

自动运行程序的工作流程如图5所示，该程序能实现试验机在满足自动运行时的初始化条件时，按下操作面板上的“运行停止”键，试验机自动进行对试样的加载，直到试样断裂。如中途停机，可再次按下“运行停止”键，试验机会停止工作。

图5 工作流程图

3.2 触摸屏程序

触摸屏程序中建立了7个基本窗口，1个报警窗口。报警窗口为动态窗口，只有当试验机发生故障时，报警窗口才会弹出至当前，并显示具体的故障信息。7个基本窗口的功能说明如下：

(1)基本窗口1：触摸屏在初始化后显示的窗口；

(2)基本窗口2：此窗口有状态指示以及需要进入其他窗口相对应的按键；

(3)基本窗口3：此窗口为试验机自动运行时的操作窗口，包括：运行状态指示、力值显示、加载速度显示、峰值清零，这些功能都集中在这个窗口上，方便用户操作以及观察试验运行时的情况。

(4)基本窗口4：此窗口为数据计算窗口，用户根据试样尺寸输入相关数据，可自动计算出试样的破坏强度和断裂模数。

(5)基本窗口5：速度设置、加载时间、返回时间、力值设置等参数都经过此窗口输入至PLC进行运算处理与控制。

(6)基本窗口6：通过此窗口可对试验机进行手动操作，力值校准操作。

(7)基本窗口7：此窗口为圧力曲线显示，主要用来观察施加在试样上的力在整个加载过程中的变化趋势。

3.3 伺服系统内部参数设定

伺服系统主要由伺服驱动器和伺服电机组成，伺服驱动器内部参数输入主要分为手动输入和ASDA-Soft操作软件进行设定。将电脑与伺服驱动器进行通讯，并通过该软件将设置好的参数下载至驱动器内，通过这种方式可以较大程度的节省了参数输入时间，同时也缩短了整机调试的时间。根据试验机动作要求，上、下极限位，外部输入以及报警输出等要求，对伺服驱动器内相关参数进行设定，如图6所示。

图6 伺服系统参数编辑界面

3.4 力值显示仪表内部参数设定

(1)根据试验要求，需要对仪表内部参数进行设置：传感器量程上、下限值、峰值力显示、单位选择、小数位选择、通讯参数、滤波系数等需要设置。

(2)将复位方式设定为外部段子复位方式，方便操作。

(3)仪表报警输出设定为上限报警输出。

4 结语

TZS-10000型陶瓷砖抗折试验机经多次调试，技术要求达到了国标要求，现已进入生产阶段。该型试验机电气控制系统具有以下优点：①自动化程度高、操作简便，节省操作时间。②伺服系统驱动传动机构，使力值加载稳定，可靠。③力值加载方式可选择等位移、等载荷加载方式。④试验数据自动计算，并留有数据输出接口，方便用户调用。⑤故障信息通过触摸屏直接显示出来，方便维修人员解决故障原因。缺点主要是试验机压头连接组件间的间隙较大，控制程序需进一步完善优化。TZS-10000型陶瓷砖抗折试验机的设计成功为宁夏机械研究院陶瓷砖检测设备的更新换代打下了坚实的基础；不仅丰富了陶瓷砖抗折试验机产品的种类，而且能更好的满足市场需求，为客户选型陶瓷砖抗折试验机提供了便利。