1 引 言

1.1 萬能材料試驗機的進展

材料試驗機是一種廣泛應用的材料性能檢測設備,近十年來隨著先進控制技術、驅動元件以及計算機技術的發展而出現了老產品升級換代和新產品不斷涌現的良好發展趨勢。面對國外材料試驗機的一些產業巨頭如美國 Instron 公司 、MTS 公司、日本島津公司加大在國內銷售力度的緊迫情況, 國內的材料試驗機的生產廠家也加大了自主研發新產品的力度。對中等 、小型材料試驗機應用伺服電機就是一種擴充試驗機功能, 提高試驗機測量準確性能的有效方式 。

1.2 采用伺服電機能擴充材料試驗機的功能當前 ,材料性能測試的標準多樣性 ,要求加載與控制模式靈活性而復雜, 應用伺服電機是實現材料性能多測量模式的有效手段。

伺服電機屬于控制電機 , 由于交流伺服電機具有體積小、重量輕、大轉矩輸出 、低慣量和良好的控制性能等優點, 故被廣泛用于自動控制系統和自動檢測系統中作為執行元件。將伺服電機用于萬能材料試驗機驅動, 可以充分發揮伺服電機的在額定的轉速內 ,能恒定力矩輸出的比較“硬”的機械特性等優勢,克服以往由于使用變頻電機和步進電機時速度波動帶來得測量不準確誤差 ,以及與采集部分可以組成完善的動態測量試驗機 、或者成為可以在 0.5Hz ～ 50Hz 左右范圍的低頻疲勞試驗機等。這對材料試驗機應用范圍將是一個極大的提升 。

 

2 系統硬件組成與實現

2.1 該測量控制系統總體介紹

這個材料試驗機產品是我們實驗室和廣東某公司合作研發成功的 ,整個材料試驗機結構原理如圖1 所示。機械傳動路線是由飼服電機 -減速機 -鏈輪-同步絲桿 ,最后帶動工作平臺上下位移組成 ,傳感器由于機架的龐大體積而采用增強型編碼器, 與測量絲桿直接相連 ,采集的力信號和位移信號經過自行設計的 I O 信號調理板后由多功能采集卡接收, 接收的信號由測試軟件處理, 實時顯示在 PC 機上。通過測試界面可以發出控制信號經過采集卡和I O 信號調理板對伺服電機進行控制 , 從而控制整個測量的起停以及調整工作臺的初始位置。

2.2 加載模式以及伺服

電機有關參數設置對于這臺材料試驗機的加載模式 , 最終用戶要求具備定速度加載 、定位移加載 、保持力矩一段時間、循環加載以及前幾種復合而成的加載模式等其他較為復雜的加載模式, 這使得這臺材料試驗機具有豐富的測試功能。圖 2 為循環加載模式時的時間 -載荷(位移)圖 。

針對這臺萬能材料試驗機多種加載模式的需求分析, 我們選用了松下MINAS A 系列全數字式交流伺服驅動器 MDDA303A1A(其主要性能指標為 :電源電壓為三相 200V , 適配電機的額定功率為3kW ,編碼器類型為 2500p r)。伺服驅動器連接器CN I F(50 腳)信號作為外部控制信號輸入 輸出,連接器 CN SIG(11 腳)作為伺服電機編碼器的連接線。

Pr02 :設為“5” , 即選用速度和轉矩可切換模式對伺服電機進行控制 。

Pr50 :設為“800” ,即指令電壓 8V 時伺服電機運行在額定速度。

Pr56 :設為“250” , 即當伺服電機在力矩模式運行時速度為250r min 。

對于數據采集卡數字 I O 口的數字量輸出 ,則經過光電隔離后 ,由三極管集電極輸出進入伺服驅動器連接器 CN I F(50 腳)的如 32 腳實現控制模式切換等輔助功能 。

根據客戶的要求 ,在信號調理板上 ,設計了伺服電機的手動操作電路 ,利用測量電路中為傳感器供電的電源作為手動控制電壓指令實現了材料試驗機在不測量時候的工作平臺快速移動歸位。因此在該材料試驗機中對伺服電機的控制一共有三種, 動態測試中復雜加載模式時的控制、在計算機中測試界面內 ,對工作臺進行上下移動的操作、脫離計算機利用手動控制盒直接控制電機操作工作平臺 。電腦和手動控制的切換通過外部操作盒的按鈕來實現。在手動控制功能中, 設計了伺服電機的正反轉控制電路 ,對應工作平臺的運動則是上下移動。如圖所示 ,當左邊開關按下, +5V 電壓經過三極管使接通伺服ON 信號 ,同時使得另一個三極管 Q1 導通, +12V 電壓經過電阻后進入伺服驅動器作為速度指令, 控制平臺上移, 而另一對三極管則控制平臺手動下移 ,通過調節滑動變阻器可以使伺服電機取得一個合適的運動速度 。為了避免電腦控制和手動控制的相互干擾 , 采用了多路模擬開關 AD7501 來選通模擬通道 。

 

3 LabVIEW 控制程序的編制

這次開發的萬能材料試驗機 , 軟件編制采用美國NI 公司的 LabVIEW 虛擬儀器開發平臺 。自 1986年 LabVIEW 誕生至今, 經過十多年的發展, LabVIEW的功能日漸豐富和強大, 但目前國內對材料試驗機的各種改造或者是研發采用 LabVIEW 虛擬儀器開發環境的尚沒有文獻報道 。而我們實驗室已經具有采用其開發一般簡單小型材料試驗機的經驗, 這使得這次研發此臺材料試驗機的周期縮短了。

這臺材料試驗機采用了研華公司的 PCI-1716 多功能采集卡進行采集數據和控制電機 。采用研華公司提供的 LabVIEW 驅動 ,在 Function 面板中使用研華采集卡的模塊編制采集控制程序 ,滿足了這臺試驗機的控制精度, 采集速度等方面的要求 。

LabVIEW 中實現材料試驗機復雜加載模式的控制實現,我們開發的整套測試界面為英文界面 ,在實現控制模式加載的運動控制上 ,將運動分解為七個分步運動組合而成(版面原因 ,只取了 2 步來示意)。如圖 4 。

如圖 5 所示 ,在每個步驟中 ,可以選擇拉壓兩種情況 ,即對應電機上升、下降運動。加載方式的下拉菜單里提供有定速度、定載荷、定載荷增加速率 、定應力 、定應變等多種方式(如圖箭頭處所示)。每一步結束時, 提供 6 種切換條件的下拉菜單 ,如位移大于 、時間大于 、力大于 ,或者用于停機的斷裂點等。從第 2 步運動開始 ,提供循序運動,用戶選擇循序起始步驟并輸入循環次數。

通過這樣的方法, 我們提供給客戶一個對加載模式的定制界面 ,用戶對于每種不同測試材料可以編制特定的加載模式,并可以存盤 ,進行模式數據管理例如添加一種新的測量加載模式 、刪除、修改、查詢等各種操作 。從而對萬能材料試驗機用戶而言獲得了非常靈活的測試功能。

程序的 LabVIEW 后面板設計中 ,程序的編制流程如圖 6 ,我們將圖 4LabVIEW 中前面板所示的加載方法在后面板上用了一個簇結構數據來表達, 并為其創建了一個全局變量 ,在測試開始時 ,程序會自動取出上次測試時的最后一次加載方法 ,賦予全局變量,以滿足程序對加載方法數據的需要。而對于伺服電機速度和電壓指令的對應, 則因為材料試驗機的中間橫梁有自重而需要校正,在研發過程中, 我們對此分別做了試驗 ,確定了電壓與速度的對應關系,并做了補償。

4 結束語

通過本次研制基于伺服電機的萬能材料試驗機, 可以體會到采用伺服電機后, 可以大大提高材料試驗機控制的靈活性 ,使得試驗機承擔的試驗內容、功能、項目大大增加了 。采用伺服電機后整個萬能材料試驗機除了常規的拉、壓 、彎 、剪試驗外 ,還可以做蠕變 、松弛及低頻循環疲勞等各種試驗。因此研制這樣的材料試驗機適應了當前新材料、新技術的不斷出現對材料試驗機性能要求不斷加強的趨勢。

另外由于伺服電機具有的高精度定位能力 ,低速時運行平穩性 ,良好的矩頻特性和優秀的過載能力以及配合測量的自動化而使得整個材料試驗機的測量精度得到了提高 。目前這臺試驗機的載荷測量精度 :示值的±1 %(至載荷傳感器滿量程的 1 50);應變測量精度:引申計示值的 ±0.5 %(10 %～ 100 %FSR),分辨力0.001mm ,完全滿足了測量行業的國家標準和ATSM 等各項標準。

通過研究在萬能材料試驗機中應用伺服電機,發現這種驅動方式可以提高試驗機精度和擴充試驗機功能,為我國縮短在試驗機行業和國外的差距取得了寶貴的經驗。