基于通用硬件平台的液压万能材料试验机改造.pdf

2 0 1 2年 1 1月 第4 0卷 第 2 2期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS NO V ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 2 ． 0 2 1 基于通用硬件平台的液压万能材料试验机改造 巫志文 中交四航_Z - 程研究院有限公司，广东广州5 1 0 2 8 8 摘要针对国内大量装备的WE - 6 0型万能材料试验机，探索利用通用硬件平台构成一套完整的液压万能试验机计算机 自动测控系统，实现老旧试验机的现代化改造。改造后的试验机能够实现三闭环 自动控制、自动处理数据，提高了控制和 测量精度，满足新国标的要求。这种基于通用的硬件平台的设备改造技术不仅可用于其他型号的液压试验机系统，也为类 似设备的改造与维修提供了新的思路。 关键词液压万能材料试验机；通用硬件平台；测控系统；现代化改造；三闭环 自动控制 中图分类号T H 8 7 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 l 一 3 8 8 1 2 0 1 2 2 20 6 l 一 4 S t u dy o n Tr a n s f o r ma t i o n o f Hy d r a ul i c Uni v e r s a l M a t e r i a l Te s t i ng M a c hi ne Ba s e d o n Ge n e r a l Ha r d wa r e Pl a t f o r m W U Z hi we n C C C C F o u r t h H a r b o r E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e C o ． ，L t d ． ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 2 8 8 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r l a r g e q u a n t i t i e s o f e q u i p me n t W E- 6 0 t y p e u n i v e r s a l ma t e ria l t e s t i n g ma c h i n e i n s t a l l e d d o me s t i c a l l y ， a c o mp l e t e s e t o f h y d r a u l i c u n i v e r s a l t e s t i n g ma c h i n e c o mp u t e r a u t o ma t e d me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m wa s c o n s t i t u t e d b y e x p l o rin g t h e u s e o f c o mmo n h a r d wa r e p l a t f o r m ， a n d mo d e r n i z e d t h e o l d t e s t ma c h i n e b y t r a n s f o rm a t i o n ．Af t e r tr a n s f o r ma t i o n o f t h e t e s t i n g ma c h i n e ， t h e t h r e e c l o s e d - l o o p a u t o ma t i c c o n t r o l c o u l d b e a c h i e v e d， a s w e l l a s t o a u t o ma t i c p r o c e s s i n g o f d a t a， i mp r o v i n g c o n t r o l an d a c c u r a c y，S O t h e c u r r e n t n a t i o n a l s t a n d a r d r e q u i r e me n t s we r e me t ． T h i s c o mmo n h a r d w a r e p l a t f o rm b a s e d o n e q u i p me n t t r a n s f o rm a t i o n t e c h n i q u e s h a v e n o t o n l y b e e n a p p l i e d o n o t h e r t y p e s o f h y d r a u l i c t e s t i n g ma c h i n e s y s t e m，b u t als o a n e w i d e a i s p r o v i d e d f o r t h e t r an s f o rm a t i o n a n d ma i n t e n a n c e o f s i mi l a r e q u i p me n t ． Ke y wo r d sHy d r a u l i c u n i v e r s a l ma t e r i al t e s t i n g ma c h i n e ；Ge n e r al h a r d w a r e p l a t f o r m ；Me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m ；Mo d e rn i z e d t r a n s f o rm a t i o n； T h r e e c l o s e d l o o p a u t o ma t i c c o n t r o l 万能实验机是测定材料力学性能的主要设备 ，在 工业 界中有 着 十分 重要 的作 用 。WE - 6 0型万 能液 压 材料试验机作为上世纪国家定型产品，大量装备于各 行各业。但该机为手工控制和操作，自动化程度低， 试验的精度和可靠性不高。根据 G B ／ T 2 2 8 - 2 0 1 0标准 要求，试验机必须具有力、变形 、位移三闭环控制能 力，WE - 6 0型万能液压材料试验机不能满足该要求 ， 面临着淘汰的命运。由于该机坚固耐用、性能稳定 ， 特别是机械结构部分稳定可靠，在各行业中仍在使 用，具有很大的改造潜力和价值。目前已有众多试验 机改造厂家， 从事老旧试验机的自动化数控改造 ，但 是这种改造价格昂贵、技术保密、用户无法掌握改造 后维护、升级、扩充的主动权。 1 液压试验机通用硬件平台搭建 以一 台报废 留用 的 WE - 6 0型 液压万 能试 验 机为 对象，利用现代先进的测试技术和通用硬件，构成一 套完整的液压万能试 验机计算机测控 系统 。原试验机 为手工操作 ，如 图 1所示 ，对其进行 自动化数字改 造，改造后的测控系统硬件构成如图2所示，该系统 由计算机、P C I 6 2 2 1数据采集控制卡、信号调理 电 路、压力传感器、引伸计、位移传感器、比例阀等构 成⋯。将原试验机手动送油阀、机械测力装置拆除， 保留原回油阀。系统改造后 ，通过计算机给电液比例 阀发脉 冲信 号，通 过 P WM 调节 电液 比例 阀的开 度 ，从而控制工作 油路流量和压力。将 压力传感器 安装在进油口处，测量到油管工作压力 ，进而转换为 加载试件的加载力，并将压力信号和比例阀控制信号 组成一套闭环控制系统 ，提高控制的精度和可靠性。 在试验机上增加位移传感器和试件上加引伸计 ，实时 采集试验机的工作位移和试件受载变形量。计算机程 序将采集到的压力、位移、变形量等数据进行处理 ， 就可以在计算机上绘制出相应的应力 一 应变、应力 一 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 2 5 作者简介巫志文 1 9 8 4 一 ，男，硕士，工程师，主要从事实验力学、机械设计及 自动化研究工作。Ema i l w u z h i ． we n 2 0 0 3 1 9 8 5 1 6 3 ． e o m。 6 2 机床与液压 第4 0卷 位移等曲线。 测 力表 盘 摆 锤 ／ ／ 传力 杆 油 箱 测力 油缸 油 泵 电机 油 0 回油管 广 一 n 送油阀进油管一 上 横梁 ，传力柱 工作 油缸 活动 平 台 夹头 调位电机 l 一 底座 图 1 改造前 WE - 6 0型液压万能试验机构造图 的信号，提高系统精度，设计两级传感器信号调理电 路 ，如图 3 所示。这就要求前置测量放大电路具有 高增益、高精度、低噪声、低漂移 、高共模抑制比等 特点。仪表用放大器 A D 6 2 0是一种低功耗的仪用放 大器 ，其增益可调节 ， 还具有高输入 阻抗 和高共模抑 制比， 特别适合做小信号的前置放大级。O P 0 7为高 精度运算放大器，噪声低 ，具有极低的输入失调电压 及温漂，与阻容构成有源放大滤波电路 ，作为电路的 第二级。通过级联方式对应变电桥输出的小信号进行 放大滤波 。 前置放大级使用 A D 6 2 0 ，在其 1号和8号引脚处 接上一个电阻 R，其阻值为 船 ，就可以实现对增益 蔷 回 的精确调定，其差分增益计算公式为G4 9 ． 41 ， 图2 改造后系统硬件构成图 1 ． 1 传感器信号调理电路 系统采用的变形量传感器、压力传感器为电阻应 变式传感器，其信号为差模微弱信号，为了得到可靠 该前置级电路拥有比较强的抗干扰和保持稳定性的能 力 ，有利于获得干净的前端模拟信号。 以 O P 0 7和 L M3 2 4组成第二级放大滤波与电压跟 随模 块，电路 采 用 阻容 配置 成 截 至频 率 为 1 告 有效滤去工作电源噪声干扰。放大倍数可以 n ／ I t 9t - , 7 视实际需要进行匹配，此处设置的电路的放大倍数计 算公式为 A 。为了减少信号衰减，采用 L M 3 2 4 ／ I 7 组成电压跟随电路，起到缓冲、隔离、提高承载能力 的作用 ，由此输出的信号可用于 A D转换器进行数字 化处 理。 图3 第二级放大滤波及电压跟随电路图 1 ． 2功 放 隔 离电路 采用脉宽调制控制电液比例阀，数据采集控制卡 产生的 P WM信号不能直接驱动比例电磁铁线圈，还 需经功率放大级 的放大处 理。设计带光 电隔离 的 P WM功率放大电路 ，如图 4所示。采用了双整流 滤波电桥电路 ，将交流电信号转化为直流供电信号， 为系统提供直流电源。在 P WM输出端和功率驱动放 大电路 之 间接入 高速 光 电隔离 器 T L P 5 1 2 - 2 ，增强 系 统的抗干扰能力和隔离高电平，P WM控制功率输出 级为开关型结构 ，功率小 。 以4个大功率达林顿管 T I P 1 2 2组成 H桥驱动电 路，提供足够大的电流驱动电液比例阀的比例电磁铁 等效线圈。当 H桥正向工作时，由两个对角线达林 顿管 T I P 1 2 2 ，一个可以对正极导通实现上拉，另一 个可以对负极导通实现下拉，反之亦然。从光耦出来 的光 电流经 过三极 管一极 放大 ，经过 H桥驱 动 ，从 而使负载 电液 比例 阀得 以工作 。P C I 6 2 2 1 输 出两 路 P WM信号 P WM1和 P WM 2 ，通过改变 P WM 的占 空 比来改变流过电液 比例 阀的电流大小 。 第 2 2期 巫志文基于通用硬件平台的液压万能材料试验机改造 6 3 图4 功放隔离电路图 2 液压万能材料试验机控制策略研究 万能材料试验机的控制问题是试验机系统设计中 的关键一环，为了在试验过程中获得良好 的应力速 率、应变速率、位速率以及实现定载定应变定位移控 制 ，提高试验机控制精度和可靠性 ，设计闭环控制系 统 ，如图5所示。P I D控制算法 是控制系统理论 中技术最成熟的，应用最广泛的一种控制算法 ，但常 规 P I D控制方法存在着很明显的局限性，控制要建立 在清楚知道被控对象明确的数学模型。模糊控制方 法 却不需要建立明确的数学模型， 将人工控制经验 归纳成为定性形式描述的条件语句，然后加以量化使 控制器接受人的经验 ，模仿人的动作，就能很好地控 制试验过程 ，获得 良好的动态特性，但无法消除静态 误差。针对 P I D控制和模糊控制的特点，尝试采用模 糊控制与 P I D控制相结合的控制方式应用在液压试验 机系统的控制中 。 r 一 。 ⋯ 筷 一 。 。 一 图5 模糊自适应 P I D控制试验机系统控制框图 材料试样试验过程要求和用户相关 ，因此 ，控制 软件应根据用户的要求，以产生一个和期望输出对应 的数字信号 ，并与实时采集的现场信号作比较 ，通过 模糊 自适应 P I D控制策略的作用 ，输 出数字控制信 号。系统输入初始控制信号 u ，经过控制器转换、调 节 ，产生最终的控制信号 ，控制电液 比例阀开度 ， 以达到控制进入液压缸的流量，进而控制工作油管压 力 ，完成对试样加载控制。同时，将传感器信号等被 控量实时输入工控机与标准信号作比较，并不断地修 正、调整 ，提高系统控制精度和可靠性。 在控制过程中，采用闭环三段控的控制方式，在 试验中发现以下闭环三段控的加载方法，会获得相当 理想和准确的拉伸试验数据和曲线，图 6 所示为材料 力学教材中一个很典型的低碳钢拉伸曲线图，它由弹 性 、屈 服、强化和颈缩 4个 阶段组成 ，所谓 闭环 三段 控，指的是弹性阶段使用恒应力加载；屈服阶段恒变 形加载；强化和颈缩阶段恒位移加载。 J L 形 _删 口 ’ i ． 、 ～ - _ ⋯ 一 一 L 1 、 ＼ 强化 、颈 阶段恒位 控制 J ／ f I 、 ’ 弹性 阶段 恒 应力 控制 图6 闭环三段控示意图 3 液压万能材料试验机应用软件设计 系统软件主程序流程如 图7所示。在程序开始 时，先初始化相关的参数。待初始化完成后，启动试 验机工作油泵，工作油泵从油箱抽油，将油送入油 管，此时系统软件也开始准备进行采样。油泵启动后 创建定时器，同时创建数据采集和数字脉冲发生线 程。进而进行标度转换和数字滤波，得到相关的数据 后，在程序画面上动态显示图形。材料试样试验过程 要求和用户相关 ，因此，控制软件应根据用户 的要 求，以产生一个和期望输出对应的数字信号，并与实 时采集的现场信号作比较 ，通过模糊 P I D控制策略的 作用，输出数字控制信号，经过控制器和 P WM 比例 阀控制放大器的转换、调节、放大，产生最终的控制 信号 ，对试样进行加载。同时，将传感器信号等被 控量实时输入工控机与标准信号作比较，进行 自我调 整，实现实时闭环控制。接着要对试验是否结束进行 6 4 机床与液压 第4 O卷 判断，若试验结束，则对数据结果进行存储和输出， 整个系统软件结束；若试验没有结束，则退回程序流 程的第 4步再次创建定时器，同时创建数据采集及数 字脉冲发生线程，并进行重新的试验。 初始化、初始 化 参数 设置 l 创建震时器 ，l司时 I I 创建数据采集及数 I I 字脉冲发生线程 I 匝 一一 皇． 一 l 试 模糊 P I D 控制I I 验 篓 生一 r] 嘲陌 { 显 示 、分析 f。r 纛 图7 系统软件主程序流程图 4 结果输出分析 将模糊 P I D控制算法应用于该控制系统，取得了 良好的结果 ，模糊控制的优点是鲁棒性强 ，缺点是有 稳态误差，P I D控制能够有效地克服稳态误差，但是 如果系统有大滞后及参数发生大变化，稳定性比较 差，将两者有效地结合起来，超调量小，抗干扰能力 强，而且能够制止系统滞后和参数变化带来的负面影 响 。该系统工作可靠、性能稳定、数值准确、测 试面大、操作方便 ，能够很好地提高了试验机的测试 性能 。 以低碳钢拉伸试验为例，取 d1 4 m m，标距 L o 5 0 m m，Q 2 3 5低碳钢试样进行试验，得到试件拉 伸的应力 一 位移曲线图如图 8 所示。试验结果表明了 系统具有良好的快速性、控制精度和抗干扰能力。可 以从图中曲线看到低碳钢拉伸曲线有4个阶段分别是 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段 、颈缩阶段，曲线光 滑平稳，和材料力学理论分析非常吻合。在弹性阶 段，存在一定的非线性 ，与实际情况有差距 ，主要原 因为传感器精度、试件安装、信号干扰等，不影响使 用。如表 1 所示 ，通过 6 根试件试验表明，系统测量 离散度低、数据准确性高。 图8 控制界面及低碳钢拉伸曲线图 表 1 弹性模量、下屈服 强度测量表 5 结 论 1 结合系统控制需求，研究了相关 P I D控制 、 模糊控制算法原理及特点，设计了基于模糊 P I D控制 的控制方法、闭环三段控控制方式的应用系统控制方 案 。 2 根据系统硬件和控制要求，设计开发 了系 统控制软件，通过该控制软件，可以实现实时监控 、 曲线分析、自动化控制等功能，其控制精度高、可靠 性好 。 3 采用通用 的硬件平 台，完全可 以实现对 WE - 6 0型的自动控制与测试的改造。利用通用平台改 造试验机 ，不仅费用低 ，而且可以全面掌控改造后 系 统的硬件、软件资源。 参考文献 【 1 】 朱渝， 赵体波， 周定九． 脉冲液压疲劳试验机的数据采集 及处理[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 1 2 9 1 3 0 ． 【 2 】 张利平． 液压控制系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】 孟凡勇， 孟立凡 ， 王华斌． 应变测试信号处理电路设计 [ J ] ． 电子测试 ， 2 0 0 9 9 7 4 7 6 ． 【 4 】 何希才． 运算放大器应用电路设计[ M ] ． 北京 科学出版 社 ， 2 0 0 7 ． 下转第7 O页 7 O- 机床与液压 第 4 0卷 l 截止阀 2 - - 减震喉 3 油泵 4 油泵电机 5 一单向阀 6 一管路过滤器 7 比例溢流阀8 ⋯ 压 力表9 压力传感器l 0 温度传感器 l 1～ 三位四通换向阀 l 2 回油过滤器l 3 一流量计1 4 - _ 吸油过滤器 1 5 液位计l 6 液温计1 7 ～冷却器l 8 电动水阀1 9 加 热器 2 O 油箱2 卜 t单向节流 阀2 2 液控单 向阀 图3 实验台液压控制模块 采用液压控制模块对液压回路进行压力控制、流 量控制及方向控制等，提供给液压缸合适的油压和流 量 ，控制油缸升降动作。为实现油压精确控制及远程 调压，采用比例溢流阀7 - 1 和 7 - 2分别控制出油压力 和回油压力 ，并可在控制面板上进行远程调压 。 工作时 ，启 动液压泵 ，通过 比例溢流 阀 7 - 1 控制 液压泵 的出油压力 ，压力表 8显示 出油压力 ；液压油 经过换 向阀 1 1 进 入液压缸 ，通过 液压缸 活塞杆 的动 作驱动冷却柱上升或下降。为防止冷却柱在上升到位 后受重力作 用 而下落 ，同时使 冷却 柱上 升 和下 降平 稳 ，在液压缸进油和回油油路分别加设单向节流阀和 液控单 向阀。当活塞腔进液时 ，通过单向节 流阀 2 1 - 2 进油；待液控单 向阀 2 2 ． 1打开时 ，活塞杆腔的液压 油依次经液压单向阀2 2 - 1 、单向节流阀2 1 ． 1 、电磁换 向阀 1 1 、比例换向阀7 -2及流量计 1 3等 回油。回油 过程中，通过比例溢流阀7 - 2控制 回油压力，流量计 1 3 显示油路流量 。 液压控制模块油温需在合适温度下才能正常工 作 ，因此系统设有温控模块。当油温过高时，系统 自 动开启 电动水 阀 l 8 ，液压 油不断 经过冷却 器 1 7 ，在 冷却循环水的作用下使管路液压油冷却；而当油温低 于设定值时，系统 自动开启加热器 1 9 ，使油温快速 升高至合理的温度范围。 4结束语 为有效提高机电液一体化实验台实验项 目综合性， 满足现代化实验教学和科研实验的要求，研制了机电 液一体化综合实验台。实验台包括 5大模块，重点设 计和讨论了机械本体模块和液压模块。采用机械设计 理论对机械本体进行了设计；液压模块采用比例阀进 行油压精确控 制和远程调压 ，采用单 向节流 阀和液控 单向阀控制冷却柱平稳升降。实践结果表明，该实验 台设计合理，完全满足了实验教学和科研实验要求。 参考文献 【 1 】龚姚腾，肖顺根 ， 宋萌萌． 机电液一体化的流量控制系 统建模与仿真 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 7 3 7 5． 【 2 】 郭涛． 机电一体化系统功能结构论析[ J ] ． 产业与科技 论坛 ， 2 0 1 1 ，1 0 7 9 1 9 2 ． 【 3 】 胡俊， 孙天健． 基于 S i m u l i n k的热轧平整机电液伺服系 统的研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 6 8 7 0 ． 【 4 】 张建民． 机电一体化系统设计[ M ] ． 北京 高等教育出版 社 ， 2 0 1 0 ． 【 5 】 吴滢， 黄赛清． 复合绝缘子压接机的机电液一体化系统 设计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 6 2 32 5 ． 【 6 】 彭彦卿． 新型全 自动脉冲滴丸机 自动控制系统的设计 [ J ] ． 医药工程设计杂志， 2 0 0 2 ， 2 3 5 4 0 4 3 ． 【 7 】 宋庆军， 宋若峰， 马飞， 等． 基于 P L C全自动滴丸机的控 制设计[ J ] ． 中国制药装备 ， 2 0 0 6 6 2 02 2 ． 【 8 】 魏文超． 中药滴丸机机电系统概念设计研究[ D ] ． 天津 河北工 、 I 大学 ， 2 0 0 6 ． 上接第 6 4页 【 5 】 文海鸥， 向中凡， 虞君锚， 等． 基于 D S P 、 F P G A和模糊 自 调整 P I D控制的仿人机器人控制系统的设计与实现 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 1 1 0 1 1 0 2 ． 【 6 】 陈小军， 吴向东． 基于液压比例位置控制的数字 P I D设 计与实现[ J ] ． 机械工程与自动化， 2 0 0 9 6 1 2 6 1 2 9 ． 【 7 】 K E L E S O m e r ， E R C A N Y u c e 1 ． T h e o r e t i c a l a n d E x p e r i m e n t al I n v e s t i g a t i o n o f a P u l s e w i d t h Mo d u l a t e d Di g i t a l Hy d r a u l i c P o s i t i o n C o n t r o l S y s t e m[ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e ri n g P r a c t i c e ， 2 0 0 2。 1 0 6 4 56 5 4． 【 8 】 太军君 ， 赵欣， 姜丽飞． 基于自 适应 P I D模糊控制的电液 随动系统的仿真研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 2 04． 【 9 】冯卫星， 樊泽明， 王亮． 智能阀门定位器 P I D参数 自整定 义及控制算法设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 1 4 6 1 47． 【 1 0 】 P A R K K J ， O H S K ， K I M H K ， O p t i m i z a t i o n o f F u z z y S e t f u z z y S y s t e ms B a s e d o n I G b y Me a n s o f G As wi t h S u c c e s s i v e T u n i n g Me t h o d [ J ] ． J E l e c t ．E n g ． T e c h n o l ， 2 0 0 8 ， 3 1 1 0 1 ～1 0 7 ．