电子万能试验机测控系统改造及软件设计电子万能试验机测控系统改造及软件设计 华中科技大学 硕士学位论文 电子万能试验机测控系统改造及软件设计 姓名:张世兵 申请学位级别:硕士 专业:工程力学 指导教师:曹继光 20050427摘 要 电子万能材料试验机是测定材料机械性能的基本设备之一 控制试验机横梁移 动的速度精度 扩大调速范围以及提高系统测试的精度和自动化程度 是试验机研 究的方向之一 本文改造了一套电子万能材料试验机测控系统 将物理运动技术 交流伺服控制技术 计算机技术相结合 利用模块化的软件设计方法有效地利用微 型计算机...
华中科技大学 硕士学位论文 电子万能试验机测控系统改造及软件设计 姓名:张世兵 申请学位级别:硕士 专业:工程力学 指导教师:曹继光 20050427摘 要 电子万能材料试验机是测定材料机械性能的基本设备之一 控制试验机横梁移 动的速度精度 扩大调速范围以及提高系统测试的精度和自动化程度 是试验机研 究的方向之一 本文改造了一套电子万能材料试验机测控系统 将物理运动技术 交流伺服控制技术 计算机技术相结合 利用模块化的软件设计方法有效地利用微 型计算机对多种附件及功能单元进行组合管理控制 实现多种功能试验 本文首先介绍了电子万能材料试验机的系统构成 接着对试验机的功能进行理 论分析 这是软件功能模块设计的基础 在对负荷测量中 系统使用的是应变电测 法 所用的专用应变信号调理模块有线性好 分辨率高 温漂小 迟滞小 响应快 的优点 在变形观测方面使用传统的数字式引伸计 结构轻巧 夹持方便 测量可 靠 可以测量试样变形的全过程 与传统的试验机相比 本系统有如下两点优点 1. 采用数字式交流伺服控制管理系统控制动横梁速度 使系统额速度稳定性 调节 范围 自动化程度和测量精度都有大幅的提高 且具有一定的自诊断功能 2. 数据记录 分析处理全部由软件自动完成 扩展了试验机功能范围 且提高 试验效率 本系统功能包括 拉伸试验 压缩试验 弯曲试验 扭转试验 相关数据处理 和文件管理以及友好的交互式图形化用户界面 该系统已经用于实际检验测试过程 获 得良好效果 关键词 电子万能材料试验机 交流伺服电机 变形 位移 信号调理电路 传感器 Labwindows/cvi Access IV Abstract Electronic universal material Testing Machine is one of the basic devices used to test material mechanical performances. The testing machine research fields include the moving beam’s speed precision, speed-adjust ranges, measurement precision and extent of automatization. A test and control system on Electronic universal material Testing Machine was rebuild in this item. Mechanical-transmission technology, AC-Servo control technology, Computer control technology and Modular programming technology are used in this system. The system can effectively manage and control accessories and function units with computer. The system realizes multiple testing functionsThe system structure of the electronic universal material testing machine is introduced in the dissertation first, and then the testing machine’s functional theory which is the base of software modular programming is analyzed. The strain electronic measurement is used to measure the load in the system. The special strain signal disposal module has excellent characters, such as good linearity, high sensitivity, low temperature drift, rapid response, etc. A traditional digital stretcher is used to measure deformationThe stretcher is light, reliable, shock proof. It can be clamped easily. The whole process of deformation can be recorded with the stretcherCompared with the traditional testing machine, our system has two advantages: 1. Digital AC-Servo control system is used to increase speed stability, adjust-ranges, automatization, measurement-precision, at the same time the system has some self-diagnose functions2. Data analyses and data disposal are completed by software. It extends testing machine’s functional ranges and enhances efficiencyThe system functions include tensile, compression, shear, torsion and relative data-disposal. The system has friendly graphic interactive interface. It has been used in actual test and got a favorable effect Keywords: Electronic universal material testing machine AC-Servo distortion displacement signal adjust circuit sensor Labwindows/cvi Access V独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 尽我所知 除文中已标明引用的内容外 本论文不包含任何其他人或集 体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文 中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名张世兵 日期 2005年 4月 27日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留并向国家相关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 能够使用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密 在______年解密后适用本授权书 本论文属于不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 张世兵 指导教师签名 曹继光 日期 2005年 4月 27日 日期 2005年 4月 27日 III 1 绪 论 1.1 课题来源及意义 本课题来源于武汉亚普塑料厂委托武汉大为电子有限公司的电子万能材料试验 机的改造项目合作 其目的是改造原有的电机驱动装置及设计合理的数据采集 处 理和实验内容的数据库管理 分类和打印功能 以改变原有试验机效率低下的数据 采集和处理及打印功能 并编制友好的交互式图形化用户界面 电子万能材料试验机是测定材料机械性能 工艺性能 结构强度等特性 校验 旋转零部件的动态不平衡量 校验零部件和整机的抗震能力 以及检查零部件表面 和内部缺陷的仪器 电子万能材料试验机大范围的使用在机械 冶金 航空 造船 建筑 交通运输和石 油化工等工业部门的工厂实验室 以及科研机构和大专院校的实验室 例如 对各 [1] 种钢筋材料 水泥试样 塑料产品等等都有必要进行各种强度检验和测试 电子万能材料试验机所测定的各种试验数据 是最经济的从事工程设计和保证 产品安全工作的依据 没有精确的试验数据 在生产中会造成材料浪费 从生产 者的角度来讲是不可取的 而且由于数据的不准确性会造成严重的事故 比如道 [2] 桥的坍塌及因脆性断裂而引起的毁坏事故 都是我们所不愿见到的 就电子万能材料试验机所面对的对象金属来说 金属基本力学行为包括弹性形 变 塑性变形和断裂 金属受外界的力的作用后 随着外力的增加 首先发生形状和尺寸 的变化 而后当外力增大到一定数值时 金属便断裂成几部分 最初的变形是弹性 变形 随着外力的增加 金属除产生弹性变形外 还产生塑性变形 当塑性变形发 [3] 展到某些特定的程度时 在金属内部慢慢的出现裂纹 随着裂纹的增大 最后断裂 金属基 本力学行为的研究具备极其重大的工程实际意义 首先 与基本力学行为有关的问题是 金属零件在运行中所发生的失效 其次 金属加工工艺过程与其基本力学行为密切 相关 1评定金属材料力学性能的指标是金属弹性形变 塑性形变和断裂的抗力 这些 基本力学性能指标是金属各种基本力学行为发生转变时临界状态的度量 金 属材料 [4] [5] [6] [7] 的力学性能就是用这些临界状态参数来评定 而且 现代新型材料的层出不 穷也对我们的试验机提出了较高的要求 为了探索新型材料在各种复杂环境 如高 温 高压 真空 腐蚀等介质 下的具体参数 得到较好的机械性能 都要进行精 确的试验 以达到较好的性能比 控制产品的质量 由此显而易见 材料试验机作为一种精密的测试仪器 对于材料科学的快速发 展 对于工业产品和工程结构的合理设计 有效的使用材料 改进工艺 减轻产品 的重量和减小体积 提升产品质量和减少相关成本 以及保证安全可靠和提高常规使用的寿命 等 都具有非常非常重要的作用 材料试验机的品种繁多 大致可分为如下几种 1. 万能试验机 用于拉伸 压缩 弯曲 剪切等试验 使用比较普遍 2. 大型试验机 对大型试件按使用状态进行模拟试验 3. 电液伺服试验机 用于精确的测试材料试验性能和模拟使用状态测试构件的 强度特性 它的缺点是功率消耗大 价格昂贵 维修复杂 4. 高频疲劳试验机 用于疲劳试验 5. 蠕变及持久强度试验机 大多数都用在测定材料的长时高温机械性能 6. 硬度计 用于测定材料和零部件的硬度值 在金属机械性能测试中应用最为 广泛 7. 冲击试验机 用于测定材料的冲击性能 本课题的任务很明确 就是对原有的电子万能材料试验机的动力部分做改造 及设计测量系统和编写人性化的界面 提示工作状态和对试验的数据来进行管理和打 印等功能 原电子万能试验机是上海化工机械四厂 1987年的产品 使用的是旧式的 打印系列和显示系列 而且其控制部分非常的落后 不能够实现电机的调速 稳定性 也比较差 这次的改造就是要结合原有的硬件部分实现万能机的一个档次的飞跃 以适应当前各种国标的检测验证的方法 由于改造对原机械部分改动相当少 所以成本比 较低 在如今制造设备昂贵的情况下不失为一个好的选择 21.2 万能试验机的产生背景 技术水平及发展的新趋势 1.2.1 产生背景 试验机作为一种单独的产品 诞生于二百多年前的西欧 最初的产品很简单 品种也少 当时只有采用机械杠杆 砝码加荷的原理制成的拉力试验机 用以 测定 钢铁和其他金属材料的抗拉强度 即抵御外部载荷而不被破坏的最大抗力 随着材 料科学和材料力学的发展 试验机便慢慢的变成为一种专门用于研究各类材料机械性能 力学性能 的手段和工具 除抗拉强度外 还能测定屈服强度 延伸率 抗压强 度 持久强度 蠕变特性 抗剪强度 抗弯强度以及疲劳极限 硬度等诸项指标 于是产生了各种单独功能的试验机 从技术的角度看 当时这些纯机械结构的产品 只能满足试验指标测定的需要 效率和模拟程度都很低 二战以后 科学技术事业的迅 猛发展和管理科学与手段的进步 不断促使各国试验机产业界屡次进行产品结构 技术结构与企业结构的自觉性改革 使试验机成为工业质量保证体系中必不可少的 支柱 精密科学检验测试仪器的重要组成部分 1.2.2 技术水平 万能试验机是测定材料机械性能的基本设备之一 使用较为普遍 大多数都用在拉 伸 压缩 弯曲和剪切试验 近年国外生产的试验机 由于使用了一些新技术 除 了能完成以上的试验外 还增加了比如蠕变 松弛及低疲劳试验等的新试验 使试 验机的结构发生了一些变化 性能有很大的提高 使用的范围也更广泛 万能材料试验机大致上可以分为三类 机械式 液压式和电子式 七十年代初期又发 展了电液伺服万能试验机 机械式万能试验机目前的市场需求量已经很少 处于被 淘汰的边缘 液压式万能试验机仍在生产 但是由于油路系统复杂 维修不便及功 耗比较大 定位精度不准确造成数据的不准确性 都直接的妨碍了它的发展 电子 万能材料试验机是近年来发展较快的一种万能试验机 其发展初期 主要是采用电子 测力装置和控制横梁做等速运动 目前的电子万能试验机 大多能控制横梁的 移动速度 加荷率和应变率 后两项是现代材料试验所必需的 也是机械式 液压 [8] [9] 式和旧式电子万能试验机所不具备的两种很有用的测试功能 31.2.3 发展的新趋势 国外电子万能试验机经过四十年的发展 先后推出了四代产品 第一代为电子 管与晶体管时代 第二代为集成电路模拟时代 第三代为数字时代 第四代为计算 机时代 比较有代表性的是德国申克Schenck公司 MFL公司 沃尔伯特Wolpert 公司和美国的 MTS公司 奥尔森Olsen公司 英斯特朗Instron公司 茨维克Zwick [10] 公司和日本的岛津公司 东京横机公司 东洋精机公司以及松泽公司等等 我国 有代表性的公司的产品是长春试验机研究所开发的 CSS 2200 系列电子万能试验 机 该产品技术指标已达到八十年代末国际领先水平 居国内领头羊 除此以外还有 [11] 广州试验仪器厂 WD系列 长春市第二试验机厂三思公司 CMT5000系列等等 但是由于我国在工艺设备手段 元器件品质 开发技术的设计水平等多方面的条件 制约 致使我国的电子万能试验机同发达国家的水平有比较大的差距 现代电子万能试验机的发展的新趋势体现在以下七个方面 1. 日趋高精度的控制横梁速度 加荷率 等速应力 应变率 等速应变 而 且都力求能严格按给定的条件在试验过程中精确的控制状态转换 以及精确的测量 记录 显示和打印出试验结果 2. 目前 万能试验机上带有各种自动控制和自动测量装置 大都采用微型组 件 形式 可以随意增加和扩大试验机的应用限制范围和功用 3. 主机结构逐步向单空间式发展 控制测量系统趋于与主机分离设置 为使试 验准确可靠并便于操作 普遍的使用气动和液压夹紧装置 4. 鉴于应力 应变测量对万能试验机的性能指标有很大的影响 因此国外在不 断改进万能试验机的结构和加荷系统的同时 都致力于研制性能稳定 反应灵敏和 精度高的应力应变测量装置 目前正在全力发展的是应变片式负荷传感器 差动变 压式引伸计 5. 为在各种条件下测定材料的机械性能 国外万能试验机大都带有各种各样的环境装 置高温炉温度达到 2000 低温箱温度达到 270 6. 微型计算机或微处理机已开始应用到万能试验机中 这种试验机本身带有多 种试验程序 不但可以做复杂的实时控制和数据处理 而且能自诊断 47. 虽然电液伺服试验机有良好的操作特性 但是由于这种试验机很复杂 造 价昂贵 功耗较大 所以还不能取代电子万能试验机 电子万能试验机仍是试验机 中的主流产品 1.3 课题的主要研究内容和本文的主要工作 试验机是一种很复杂的测试设备 本文的侧重点不在试验机的制造上而是在 试验机的改造上 这种侧重是来源于课题的需要 本课题的主要研究内容是电子万 能试验机的动力部分改造及测量控制管理系统的改造和对数据库管理功能的增加 这其 中既涉及到硬件的改造也有软件程序的编制 应该说工作量还是比较大的 本论文的主要工作如下 1. 对系统的总体结构列出了系统结构框图 使我们对万能试验机的各个模块有 了部分的认识 随后对试验机所能完成的常用几个试验进行了分析 介绍了这些试 验的试样选取 试验曲线 各种要获得的参数的计算公式等 对该试验机所能完成 的功能有比较系统的介绍 2. 由于该试验机完成的功能中包括了负荷 变形 位移三个参量 所以对试验 机的改造都围绕着这三个参量来设计 以达到这些参量的正确获取 并且应当达到 国家相关规定所要求的
在精度上更是要确保这些参量的精确性 为此 介绍 了这些参量获取的相应的硬件及其工作原理 然后又对获取这些参量的信号调理电 路有较为深入的介绍 最后 介绍了保证这些参量正确的一些硬件上的预防
即 抗干扰措施 使整台测控系统合理 可靠的运转提供了一个强有力的技术支持 3. 任何一个系统都包括了机械 电子 电力拖动等很多部分 该万能试验机还 涉及到了控制部分 在第四章中就着重介绍了试验机的控制部分 尤其重点介绍了 完成这些控制的一个重要元件 就是交流伺服电动机 介绍了该种电机的原理及配 合获取这些参数的实现 介绍了这种电机的各种重要元件 使我们对该型号电机的 各种运动参数有很详尽的了解 4. 由于面对的客户是在实践中生产的各种用户 他们的要求是该型机械改造后 的功能除了加强及符合规定标准以外 还要有良好的与计算机的接口及良好的计算机软5件操作界面 因此本文对于软件的编写及操作有了一个比较详尽的介绍 从数据库 管理到实现可以再一次进行选择的打印模块都有一个较为深刻的认识 5. 在展望与总结中 分析了全文的重点与难点 对本试验机的改造成功之处和 不足之处都有一个简要的介绍 提出了以后发展的方向 对电子万能试验机的前景 发展都有一个指导性的意义 6. 本改造系统已经交付客户 目前正在良好的运作时的状态中 说明改造是成功的 前景是广阔的 在此 特附上该改造的 DWD 3型电子万能材料试验机的照片 见 附录 1 用以表达对客户的尊敬与支持 62 系统总体结构及功能分析 2.1 系统总体结构 电子万能实验机系统总体结构如下图 2.1所示 伺服驱动系统 测控软件伺服电源 人机 伺服 机械部分 界面 电机 伺服驱动 试验机M 键盘 计算机 模块 反馈 位移力值测量变形观测 测量系统 图 2.1 系统结构图 本系统主要由伺服驱动系统 测量系统 机械部分 人机交互式测控 管理软 件等五个方面组成 1 伺服驱动系统 该系统是万能试验机的核心部件 传统的试验机是采用稀土 直流电机来做动力 它的很大的缺陷是由于有电刷和整流子 很容易损坏 需要 经常维护 而且在大转矩下的工作稳定性比较差 所以现在的万能试验机都采用交 流伺服驱动 交流伺服电机的伺服驱动模块完善 不用电刷 几乎不需要维修 而 且小转矩的时候定位精度高 测量数据准确 很好的交流伺服电机在不丢失脉冲的 情况下能够达到 0.01mm的精度 这是直流电机所不能够达到的 一个完整的电机控制7系统应含有伺服电机 伺服驱动器 供电电源以及控制器 脉冲源 它们的功能是 将计算机命令
成的数据来进行执行以命令驱动器以设定的速度 方向运动 并适 时停转 从而控制动横梁的上升 下降 停止 由于伺服电机有反馈模块 它内 部 的光码盘将电机的位置信号反馈回计算机 以便于计算机为电机的下一步运动发出 适合的指令 在此我们采用松下公司生产的 MINAS A系列的交流伺服电机 在它的 驱动器上有与计算机通讯的 RS232串行接口 这为方便的控制电机创造了良好的条 件 因为计算机是成熟而且稳定的一个与用户交互的窗口 在上面可以很轻松的编 写软件并做测试 2 测量系统 测量系统包括变形观测 位移测量和负荷测量 变形测量是通过 标准的引伸计来完成的 它的工作原理是将变形的变化量成比例的变成电压的变化 通过对变化电压的处理即可得出变形量 位移的测量是通过伺服电机上的增量式光 电编码器的反馈来获得的 它的工作原理是通过对脉冲个数的计数来计算工作台的 位移量 这些脉冲数字信号可以方便的用单片机来计算和控制 负荷测量是沿用原 来的由上海大和衡器有限公司生产的 uh61-250型称重传感器来测量 其测量原理和 信号调理电路与变形测量的原理和电路一样 3 机械部分 试验机的机械部分沿用原来试验机的机械部分 其主机负荷机架 采用等强度的设计方法 其工作台与横梁采用焊接梁结构 受力框架与系统重量轻 刚度高 动横梁上通过动滑轮安装配重块 可以很方便的将动横梁上下移动 在动 横梁的滑道上有上限位块 能预防横梁的突然上升将试块或称重传感器毁损 横 梁是由丝杠的旋转来带动的 电机主轴的转动通过同步齿形胶带转移到减速器的丝 杠上并带动器转动 它的优点是传动平稳 噪声低 间隙小 响应快 4 测控软件 该软件能够直接同测控部分直接通讯 主要是创造人机友好的交 互式界面 在现在越来越简洁化的时代是很重要的 5 管理软件 这个软件是方便用户将所做的试验保存并被以后随时调用来做管 理的 其实它就是一个数据库 可以查询并打印 在现代日益烦杂的试验中这一点 特别的重要 82.1.1 系统主要技术指标 1. 负荷测量范围 0 250KN 2. 负荷测量精度 0.5% 3. 变形测量 0.2% 4. 横梁位移速度 0.05 500mm/min 5. 位移速度精度 0.1% 6. 试验空间宽度 450 mm 7. 主机外观尺寸 mmH W D 1900 1200 720 8. 横梁行程 1000mm 9. 工作环境 温度 20 湿度 10. 最大试验力 2500N 11. 操作台尺寸和重量 300 1200 320mm 约50kg 12. 工作电压 交流 220V 波动正负 10% 单相 13. 环境相对湿度 80%. 无冷凝 14. 拉伸行程 夹持器间有效行程 1180mm 2.2 万能试验机功能分析 万能试验机能完成的基本试验包括试样的拉伸 压缩 弯曲 剪切等试验 这 些试验所完成的材料的机械性能的检测包括强度 塑性 弹性 脆性 韧性 硬 度 等 因此 我们必须围绕这些试验所能检测的基本项目来考虑试验机功能的 挖掘 在我们的硬件 软件的设计上也必须依靠这些功能的原理来作为实现的依据 2.2.1 拉伸试验 拉伸试验是在试样的两端缓慢的增加轴向拉力 使试样轴向伸长 到拉断为 止 通过拉伸试验可以得到材料的最大负荷 拉伸强度 屈服强度 断裂伸长率等 由 于改造后所拉伸的试验对象是塑料 而且有很大的一部分是板材形的塑料试样 所9[12] 以现在先讨论一下塑料的拉伸 1 拉伸试样的形状及尺寸 试样制备和外观检查按 GB1039规定进行 带头非比列试样见下图 2.2 试样宽 度为 12.5mm 试样厚度为产品厚度并保留原表面 原始标距为 50mm 标距内最大 宽度与最小宽度之差不大于 0.06mm 试样头部长度根据试验机夹头尺寸确定 一般 约为夹头的夹持长度 d 10 G o 50 G 60 H 115 L 150 图 2.2 拉伸试验用试样 L:总长 H:夹具间距离 G:中间平行部分长度 G 标距 0 计算结果以算术平均值表示 s 取 3位有效数字 e 取 2位有效数字 S取 2 t t 位有效数字 2 拉伸曲线 按照塑料薄板 带 拉伸试验方法的 GB/T 1040-92 该标准规定了对试样施加 静态拉伸负荷 以测定拉伸强度 拉伸断裂应力 拉伸屈服应力 断裂伸长率的试 验方法 拉伸曲线是力 伸长曲线 所谓伸长 根据试验材料的不同 是标定部分 的伸长量或者整个试件的伸长量分别定义为变形和位移 图 2.3是塑料薄板拉伸曲线图 纵坐标表示s , 没有单位 横坐标表示试样相对 伸长 没有单位 从曲线图中可知 试验开始 负荷从 0直至达到s 时 这个区间 t 3 的试样不仅发生变形 且当负荷卸掉之后 再也不能恢复原形 而是保留一部分残 余变形 这部分变形叫做塑性变形 这也是屈服的最大点 叫做上屈服 屈服后10 w20 b10 拉伸力不增加反而减小 试样出现滑移带 在很短的时间内到达另一个谷值 这个 点叫做下屈服 在屈服阶段以后 试样继续变形 负荷重新增加 随着塑性变形的 增大 变形抗力不断增加的现象 叫做加工硬化 负荷增大到s 时 试样的某一部 t 1 分出现横截面积急剧缩小 即瓶颈现象 这时负荷再也不能增大了 s 值是拉伸 t 1 曲线上的最大负荷 叫做最大负荷 随着缩颈的加剧 负荷下降到s 时 试样断裂 t 2 s 值叫做断裂负荷 具有屈服点的韧性材料拉伸曲线 e e e e t 1 t 2 t 3图 2.3 塑性材料拉伸曲线 s 拉伸强度s 拉伸断裂应力 s 拉伸屈服应力 t 1 t 2 t 3 e 拉伸强度时的应变 e 断裂时的应变 e 屈服时的应变 t1 t 2 t 3 3 拉伸试验用计算公式 i:拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力按下式计算 p st bd 式中 s 代表拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力 单位是 t 是最大负荷或断裂负荷或屈服负荷 单位是 是试样宽度 单位是是试样宽度 单位是断裂伸长率按下式计算 11G - G 0 et G 0 式中 e 是断裂伸长率 单位是 t G是试样原始标距 单位是 mm 0 G是试样断裂时标线间距离 单位是 mm 2.2.2 压缩试验 压缩试验是改变拉伸的方向 使之朝着相反的方向而获得的 用于测定材料 在 [13] 静压力作用下的压力强度 相对收缩率和断面增大率 1. 压缩试验用试样 试样形状和尺寸应保证 在试验过程中标距内为均匀单向压缩 引伸计所测 变 形应与试样轴线上标距段的变形相等 端部不应在试验结束之前损坏 今选 取侧向 无约束圆柱体试样 试样如图 2.4 L?0.1 do L2.5 3.5do 10 20 ?0.05 图 2.4 压缩试验用试样 2. 压缩试验曲线 P N A P bc 0 c mm L n e L bc 0图 2.5 无侧向约束压缩试验曲线. 压缩试验用计算公式 P 为抗压强度s 的极限负荷 其中的一些数值参照压缩试验曲线来选取 bc bc P 2 bc 抗压强度 s N/mm bc S 0 h - h 0 1 相对收缩率e 100 h 0 S - S 1 0 断面增大率j 100 S 0 式中 h ――试样压缩前高度 mm0h――试样压缩后高度 mm 1 2S ――试样原横截面积 mm 0 2S ――试样压缩后横截面积 mm 1 2.2.3 弯曲试验 弯曲试验用于测定材料的弯曲强度极限 弹性模数及最大挠度 试验的方法 有 两种 第一种方法是将试样放在两支座上 在两支座中间施加负荷称之为简 支梁弯 曲试验 第二种方法是在离两支座相等距离处 施加两个集中负荷 称之为纯 弯曲 [14] [15] 试验 见下图 2.6 一般以第一种方法来检验居多 图 2.6 弯曲试验方法 1. 试样的选择 弯曲试验用试样 均采用 GB/T 14452 93来选取 若选用圆形试样 当两支座 13间距为 600mm时则采用直径为 30mm,长为 680mm的试样当两支座间距为 300mm 时 则采用直径为 30mm,长为 340mm的试样 2. 弯曲试验曲线 p N P bb A 0 c f mm 弯曲挠度 f 图 2.7 弯曲试验曲线. 弯曲试验计算公式 下图中 P 为抗弯强度s 的极限负荷 bb bb M a 2 抗弯强度s N/mm bb W x 式中 M 是试样弯曲时的最大弯矩 N*mm a 2 W 是试样抗弯截面系数 mm x P bb 对于简支梁弯曲试验 最大弯矩 M L N*mm a 4 P bb 对于纯弯曲试验 最大弯矩 M a N*mm a 2 3 pd 3 当试样为圆柱形时 断面系数W mm x 32 2 bh 3 当试样为矩形时断面系数W mm x 6 故抗弯强度的计算对于 i 简支梁弯曲试验 148P bb 当试样为圆柱形时 s L bb 3 pd 3P bb 当试样为矩形时 s L bb 2 2bh ii纯弯曲试验 16P bb 当试样为圆柱形时 s a bb 3 pd 3P bb 当试样为矩形时 s L bb 2 bh 2.2.4 扭转试验 扭转试验就是对试样施加扭矩 测量扭矩及其相应的扭角 一般扭至断裂 以 便测定一项或几项扭转力学性能如切变模量 规定非比例扭转应力 抗扭强度等 1. 扭转试验试样的选择和尺寸 圆形试样的形状和尺寸如下图 2.8 试样头部形状和尺寸应适合试验机夹头夹 持 推荐采用直径为 10mm 标距分别为 50mm和 100mm 平行长度分别为 70mm 和 120mm的试样 如采用其他直径的试样 其平行长度应为标距加上两倍直径 R 10 L O L C L 图 2.8 扭转试验试样2. 扭转试验曲线. 扭转试验用计算公式 i 切变模量的测定公式 15 d oDTL eG DFI p T N*mm Df f rad 0 图 2.9 扭转试验曲线 D 为扭矩增量 单位是 N*mm 式中 T L为扭转计标距,单位是 mm e DF为扭角增量 单位是 rad 4 I 为极惯性矩 单位是 mm p ii 抗扭强度的测定公式 T b t b w 3 pd 0 对于圆形试样来说 w 16 式中 T为最大扭矩 单位是 N*mm b 3 w为截面系数 单位是 mm 2.3 本章小结 本章首先介绍了电子万能试验机的构成 由伺服驱动系统 测量系统 机械部 分 人机交互式测控 管理软件等五个方面组成并给出了系统框图 列出了本 试验 机改造后的指标 在随后对万能试验机功能分析中 讨论了常用的 种试验方 法及16 DT 相应的取样方法 给出了常用的计算公式 并画出了对应试验方法的曲线图 使电 子万能试验机的总体构造和试验原理及方法都有一个比较简要的介绍 为以后对于 详细的介绍电子万能试验机的各模块打下较好的基础 173 变形位移和负荷测量 3.1 变形位移测量 由第二章的试验功能分析可知 变形和位移量是材料试验中所需要的两个基本 测试量 同时它们也是一些试验中控制所需要的基本反馈量 3.1.1 试验机中位移与变形两个基本概念的区别 试验机在工作时 往往只是用到位移和变形两个量中间的一个 虽然他们都是 行程量 但表示的意义和测量方法不同 变形由变形测量装置测得 他表示某些试 验中被测试件标定部分的变形量 如下图示 A B之间的部分就是标定部分 拉伸? 后 A B分别到达 A B 则变形量是 L - L 就是变形量 如下图 3.1所示 A?B? AB 但是在另外一些试验如压缩试验中 变形量由位移来代替 位移根据伺服反馈获得 如图所示 动横梁由 C位置下降到 C ,则 L 的长度即为动横梁的位移 CCA C A CB B 图 3.1 拉伸试验压缩试验 正因为变形和位移在试验机中所表征的物理量不同 所以测量方法也不相同 位移的测量主要是通过伺服电机的增量式光电编码器的反馈获得 由于电机带动丝 杠转动 丝杠转动驱动动横梁上下运动 因此当传动丝杠的螺距确定后 光电编码 盘发出的脉冲数经交流伺服单元反馈到计算机 由软件进行处理可得到动横梁的位 移 位移的测量无需用单独外挂的测量装置 而变形的测量是由专用的测量装置比 如引伸计来获得的 183.1.2 引伸计的选择 引伸计是感受试件变形的传感器 应变片式的引伸计由于原理简单 安装方便 目前是广泛使用的一种类型 引伸计按测量对象 可分为纵向引伸计 横向引 伸计 夹式引伸计引伸计结构及工作原理 此处选用了电阻应变式的纵向引伸计 以解决非电量一电量的转换问题 其结 构框图如图外壳 变形传递杆 刀口 夹紧弹簧 应变片 图 3.2 引伸计结构框图 其由应变片 变形传递杆 弹性元件 限位标距杆 刀刃和夹紧弹簧等组成.测 量变形时 将引伸计装卡于试件上 刀刃与试件接触而感受两刀刃间距内的伸长 通过变形杆使弹性元件产生应变 应变片将其转换为电阻变化量 再用适当的测量 放大电路转换为电压信号 引伸计的测量桥路是采用直流单臂电桥来检测传感器产 生的应变 其电路形式如图 3.3所示 R R R L R R U i 单臂直流电桥 图 3.3 单臂直流电桥 根据基尔霍夫定律 可以求得流过负载的电流为19U R R - R R i 1 4 2 3 I 3-1 0 R R + R R + R + R R R + R + R R R + R L 1 2 3 4 1 2 3 4 3 4 1 2 电桥的输出电压为 U R R - R R i 1 4 2 3 U 3-2 O 1 R + R R + R + [R R R + R + R R R + R ] 1 2 3 4 1 2 3 4 3 4 1 2 R L 若电桥的负载电阻为无限大 且在实际应用中采用等臂电桥 当只有一个桥 臂 电阻发生变化时 其输出电压为 U DR i U 3-3 O 4 R 由上式可见 应变片阻值的的变化实现了与桥路的输出呈线性关系选用的引 伸计主要技术指标 本系统选用的引伸计为国产的 型电子引伸计 其主要技术指标如表 表 3-1 5050型电子引伸计主要技术指标表 名称型号 5050型电子引伸计 适用范围 伸缩 膨胀 差压 应变 流量 厚度等小位移变化测量 50mm 初始标距 量程范围 0 25mm 0.05% 线V 供电电压 环境和温度 -10度 50度 从上面的所选传感器的主要技术指标可以看出 所选用的传感器从量程 输出 的信号线性度等完全能够满足系统所提出的要求 3.2 变形位移信号调理电路分析 准确的来讲 不应该把变形位移信号调理电路放在一起 这是因为变形的信号 输出是模拟输出 而位移因为采用的是数字式伺服电机的编码器反馈输出 所以是 数字输出 数字输出可以和单片机直接通信 只是要加上一些逻辑门来得到自己想 要的结果 而模拟输出就麻烦一些 下面会具体讲述 203.2.1 变形信号调理电路分析 传感器产生的信号必须首先进行调理才能被数据采集设备精确 可靠地采集 我们把这种前端口的处理称作信号调理 它包括信号放大 滤波 隔离 多路转换 等通用功能 可以说 信号调理附件是大多数基于 的数据采集系统不可缺少的组 [16] 成部分 总之 信号调理电路是指为了使整个电路系统电气联系相互匹配 信号 稳定可靠而设计的系统协调处理电路 它包括的内容非常广泛 如信号放大 整形 滤波电路 缓冲器 在本系统中用到的信号调理电路主要有以下几种 放大电路设计由于传感器的输出的电压信号比较微弱 通常只有 m或 量级 而且其中还包 含工频 静电和电磁耦合等共模干扰 必须用高输入阻抗的运算放大器对他们进行 放大 使他们达到一定的幅度 通常为几伏量级 经过放大处理后的这些传感器 的电压信号才能供给后续电路 为了保证电桥的线性度 要求负载电阻 足够大 L 也就要求放大电路具有很高的共模抑制比 高增益 低噪声和高输入阻抗 普通的 [17] [18] 放大电路很难实现 滤波电路设计 当由传感器输出的电压放大整形以后 其中必定含有高次谐波 而我们所需要 的传感器传出的信号是低频波段的信号 所以这些高次谐波是杂波 必须在进入 转换之前过滤掉 这就需要滤波 简单的滤波只需要把放大后的波形经过 滤波就 可以基本上达到目标 所以在此我们就采用了这种方法 若信号的大小与 转 换器 的输入范围不一致 还需要进行电平转换 这里我们经过放大滤波后的信号满足要 求 就没有必要再进行这一步信号的选择通道设计 在实时控制或多路数据采集系统中 常常要同时测量几路甚至几十路信号 若 每路使用一个 转换器 由于它们价格较高 成本会显著增大 为此 一般采用多 路开关对被测信号进行切换 使各路信号共用一个 转换器 这样还能减小系统的 体积和功耗 但是我们在此由于选择的数模转换芯片为 它是可选择通道的 可编程器件 所以不需要额外的增加多路模拟转换开关 21由于变形信号的电压范围和负荷信号的范围几乎是一样的 都为 0 5mv之间 所以 它们的信号调理电路也是采用同样的芯片 在这一节我们就不介绍 具体的 信号调理电路会在下一节负荷测量的信号调理电路中有详细的分析 在这一节中 我们只是对位移信号的处理稍微做分析 3.2.2 位移信号电路分析 位移信号从传递到 上只经过了一个逻辑与非门 在 中 定 义 口为脉冲的有无 定义 口为脉冲的方向 是二输入端四与非门 这两组信号占用其中的两组输入输出 之所以要采用输入相与是保证信号的正确性 而采用的 能够增加系统的稳定性 相应的接口见第四章的图 3.3 负荷测量 负荷测量是沿用原来的由上海大和衡器有限公司生产的 uh61-250型称重传感器 [19] 来测量 该传感器又叫弯曲梁式测力传感器 负荷测量也是电子万能试验机中所不可缺少的一个测量项目 它的大小及精度 直接影响到测试试样的质量 特别是在刚刚可能达到试验要求强度 塑性变形等要 求的材料 精度对它们的影响直接决定了该材料的合格性 因此 负荷测量必须引 起足够的重视 3.3.1 工作原理 弯曲梁式测力传感器的弹性体为一 S形双弯曲梁结构 此结构应用电阻应变原 理 将 4片电阻应变计分别粘贴在适当的位置 不同的型号粘贴的位置有所不同 有的在梁的上下表面 如 UH6型 有的在孔的内表面 如 GGC 19BF 组成惠斯 登电桥平衡电路 当垂直压力 P 或拉力 作用于梁上时 梁产生变形 电阻应 变计 R 和 R 受弯曲拉伸 阻值增加 R 和 R 受弯曲压缩 阻值减少 电桥便失去平衡 1 3 2 4 产生不平衡电压输出 D U D U与作用在传感器上的载荷 P成正比 从而将非电量转 化为电量输出 如图 3.4和 3.5所示 22P R R R R 1 2 1 2 U R 4 R 3 U R R 4 3 图 3.4 UH6型弯曲梁式测力 图 3.5 弯曲梁式测力传感器传感器电阻应变计示意图 电路原理图 为了减少温度对传感器性能的影响 一般在电桥线路中增加了温度零漂补偿电 阻 R 温度灵敏度补偿电阻 R 和平衡电阻 R 如图 3.6所示 T E S 白 4信号 R R E S 红 电源+ R R 2 1 蓝 R Z 3信号+ R T R R 3 4 黄 R E 2电源 图 3.6 补偿性电路原理图 UH61 250技术指标如下表 3-2所示 3-2 UH61 250技术指标表 名称型号 UH61 250 供电电压 V 10 推荐 15 最大 输出灵敏度mv/v 2 0 ? 0.1 允许工作温度 30 65 抗过载能力%额定载荷 15023续表 抗侧载能力%额定载荷 50 温度零点漂移 FS/10度 0 06 温度灵敏度漂移 FS/10度 0 015 最大称量Kg 250 极限过负荷 200 最大横向荷载 Kg 75 输入电阻 W 406 ? 15 输出电阻 W 352 ? 3 最小检定分度值 Kg 0 05 3.3.2 适用范围 弯曲梁式测力传感器结构合理 具有优良的抗偏载 抗侧载 抗震动和抗冲击性 能 同时 它具有良好的动静态性能 性能稳定 安装便捷 具有良好的线性 重复 性 便于远距离快速测量 该类型传感器拉压两用 且拉压对称性好 可与数字显示 仪表和调节仪表等二次仪表配用 进行工业
中各种抗压力的测量分析 或各种构 件物体称重 适用于皮带秤 料头秤等工业自动化控制行业中 用途十分广泛 3.4 负荷信号调理电路分析 在负荷信号调理电路中 根据上一节所提到的信号调理原则及方法 我们选择 了三种很重要的芯片 其一是 INA114及 OP07构成的放大滤波电路 其二就是由 REF192提供给负载一个精确的基准电压 其三是由 AD7714构成的模数转换功能的 介绍 负荷传感器的接头如下图 3.7所示 传感器 CZ7-3.4 CZ7-9 +2.5V SIN- 1 2 CZ7-5.6 CZ7-7 GND2 SIN+ 3 4 图 3.7 负荷传感器接头示意图 243.4.1 仪表放大器 INA114 INA114是一个低成本的普通仪用放大器 它是一种具有较高共模抑制比 保证 [21] 一定运算精度的由多只集成运算放大器实现的差分式放大电路 它不需要外接失 调调整电路就可获得很高的精度 用户在一般应用时 只需外接一只普通电阻就可 得到任意增益 其增益范围为 1 10000可变 正负输入端具有内部过压保护电路 其保护范围可达 ? 40V 具备极高的共模抑制比和很低的失调电压及漂移电压 它能 [20] 在 ? 2.25V的电源下工作 适合电池供电及单一 5V供电系统使用 INA114可大范围的应用于桥式放大器 热电偶测量放大器 医用放大器及数据采集 放大器 此处正是最后一种放大器的用处 INA114的主要性能参数如下表 3.3所示 表 3.3 INA114主要性能参数表 50 m V 失调电压 0.25 m V/度 温度漂移 输入偏置电流 2nA 最大值 输入失调电流 2nA 共模抑制比 115dB G 1000 ? 0.2 m V/月左右 长期稳定性 输入共模电压 ? 13.5V左右 输入过载保护 ? 40V 电源电压范围 ? 2.25~ ? 18V 静态电流 3mA INA114的电路结构如下图 3.8所示 内部设有过压保护电路 采用 N1,N2,N3 三个运放组合结构 图 3.9为其基本接法 增益 G通过外接电阻 R 获得 并 由式 g G1+50K W / R 确定 g25V+ V- 7 4 V+ INA114 N1- 0.1 2 输入保护 + N1 7 - 25k 25k - N1 Rg 2 25k 1 + U O 6 1 U O Rg 6 25k N3 Rg 8 INA114 -8 5 N1 + REF 25k 25k 5 负载N1+ N2 3 3 输入保护 0.1 - 4 DIP-PAG V- a b 图 3.8 INA114电路结构 图 3.9 INA114基本接法 V+ 0.1 7 2 IN- U1 1 U
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YASKAWA安川-AC伺服驱动器 Σ-7综合样本直线电机篇(Linear)
荆楚理工学院课程教学进程表大学物理14秋 1
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