材料試驗(yàn)機(jī)是一種常用的力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，用于測試各種材料的力學(xué)性能‘。隨著各行業(yè)對(duì)新材料的需求越來越廣泛，材料的力學(xué)性能測試已成為關(guān)鍵。傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)只能靠試驗(yàn)人員觀察，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以手工調(diào)整，通過指針表盤的讀數(shù)計(jì)算得到材料性能數(shù)據(jù)，操作復(fù)雜。按照現(xiàn)行的材料測試標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)無法達(dá)到要求，也將逐漸被淘汰。因此，本研究將基于Delphi語言的軟件技術(shù)與基于單片機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于材料試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)中，通過對(duì)通用材料拉伸、壓縮等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)軟硬件與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程之間的關(guān)系，提出模塊化的上、下位機(jī)軟件及硬件的設(shè)計(jì)方法。
本研究在建立測控系統(tǒng)上位機(jī)軟件及下位機(jī)軟、硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)所提出的模塊化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)進(jìn)行多目標(biāo)持荷試驗(yàn)、水泥膠砂抗壓試驗(yàn)以及金屬拉伸試驗(yàn)，以期解決材料試驗(yàn)機(jī)功能單一、試驗(yàn)擴(kuò)展復(fù)雜的缺點(diǎn)。
1 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本研究以 AVR 單片機(jī)為核心，基于硬件模塊化設(shè)計(jì)的思想，實(shí)現(xiàn)了測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，其主要包含 6個(gè)子模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
1． 1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用 AVR 系列單片機(jī) Atmega16L，其最小系統(tǒng)由單片機(jī)、電源、晶振以及復(fù)位電路組成。復(fù)位電路是在進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中常見的一種電路，而一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。故該系統(tǒng)復(fù)位電路根據(jù) AVR 單片機(jī)的低電平復(fù)位特點(diǎn)，直接由 10 kΩ 上拉電阻實(shí)現(xiàn)，簡單可靠。晶振電路采用陶瓷晶體與雙 30 p F 電容組成，頻率 8 MHz。
1． 2 高精度 A / D 轉(zhuǎn)換模塊
該模塊采集壓力、變形等模擬信號(hào)，經(jīng)濾波放大后輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)，傳遞給單片機(jī)。
放大器采用 OP07，A/D 采用 AD7710，均為模擬器件公司的高精度器件。
1． 3 拉線編碼器解碼模塊
拉線編碼器用于測試工作臺(tái)位移，包括方向解碼和位解碼，方向解碼采用 74LS74，編碼器的 A、B 相信號(hào)，經(jīng)過光電耦合器隔離進(jìn)入方向解碼和單片機(jī)，方向信號(hào)也輸入單片機(jī)，通過單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)和位移計(jì)算。
1． 4 精密電源模塊
電源模塊給所有 IC 供電，其中最關(guān)鍵的是給AD7710 提供精密電壓源，精密電壓源由 LM336 提供。
1． 5 串口通訊模塊
串口通訊實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，下位機(jī)將采集到的信號(hào)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)則下發(fā)命令告訴下位機(jī)該執(zhí)行的動(dòng)作。在本研究中，通訊芯片采用 MAX232。
1． 6 開關(guān)量輸出模塊
開關(guān)量的作用包括兩部分: ①實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)方向和脈沖輸出控制; ②輸出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過載保護(hù)。
2 軟件設(shè)計(jì)
2． 1 上位機(jī)設(shè)計(jì)
目前試驗(yàn)機(jī)測控軟件操作復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)員水平要求高。本研究通過軟件架構(gòu)的調(diào)整來解決這個(gè)問題。軟件分成 3 大塊: 主程序、設(shè)備配置模塊和試驗(yàn)?zāi)K，后兩者均以 DLL 形式封裝，前者用于支持不同機(jī)型，后者便于擴(kuò)展新的試驗(yàn)方法。動(dòng)態(tài)鏈接庫( Dy-namic Link Library，DLL) ，它是一種函數(shù)或資源庫，可以編寫成與語言無關(guān)的方式，被應(yīng)用程序或其他 DLL文件調(diào)用。所以主程序支持在不同試驗(yàn)?zāi)K間的切換，當(dāng)實(shí)驗(yàn)員切換到某個(gè)預(yù)置的試驗(yàn)?zāi)K，與該試驗(yàn)相關(guān)的控制過程、數(shù)據(jù)記錄和結(jié)果分析方法都被完全定制，把實(shí)驗(yàn)員從專業(yè)、繁瑣的參數(shù)設(shè)置中解脫出來。
主程序?qū)⒐芾聿⒊尸F(xiàn)另外兩個(gè)模塊的信息，主程序結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
2． 2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)軟件由數(shù)據(jù)采集程序、壓力控制程序、通訊程序組成。數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)與 AD7710 的通訊，壓力控制程序?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)機(jī)加載控制，通訊程序?qū)崿F(xiàn)上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互及命令解析。在壓力控制程序方面，采用單一經(jīng)典的 PID 控制策略，往往不能達(dá)到理想的控制效果; 采用單一模糊控制策略，雖然改善了動(dòng)態(tài)特性和魯棒性，但由于大量模糊控制規(guī)則的存在，影響了控制的準(zhǔn)確性。其中壓力控制程序?qū)崿F(xiàn)基于模糊 PID 的三閉環(huán)控制如圖 3 所示。
本研究采用自行開發(fā)的材料試驗(yàn)機(jī)控制器對(duì)某公司生產(chǎn)的手動(dòng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，改造完成后的試驗(yàn)臺(tái)如圖 4 所示，可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的材料性能測試相關(guān)試驗(yàn)。
3． 1 多目標(biāo)持荷試驗(yàn)
多目標(biāo)持荷試驗(yàn)的目的是測試該算法在勻速加載和目標(biāo)持荷時(shí)的效果，以驗(yàn)證測試控制系統(tǒng)的基本性能。采用 Fuzzy PID 算法控制器的實(shí)驗(yàn)效果如圖 5 所示。從圖 5 中的實(shí)驗(yàn)曲線看，該算法達(dá)到了一級(jí)精度要求。
3． 2 水泥膠沙抗壓試驗(yàn)
本研究在加載持荷實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行水泥膠沙抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄的力-時(shí)間曲線如圖 6 所示。試驗(yàn)加載 速 度 能 夠 精 確 地 控 制 在 試 驗(yàn) 標(biāo) 準(zhǔn) 所 要 求 的2． 4 k N / s，證明了該算法及其控制器在精確力控制中的效果。
3． 3 具有明顯屈服的金屬材料拉伸試驗(yàn)
在前述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本研究對(duì)具有明顯屈服材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用力、變形、位移三閉環(huán)控制，所得力 － 變形曲線如圖 7 所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的材料力學(xué)性能與該材料的理論力學(xué)性能基本吻合，反映了自適應(yīng) PID 算法在三閉環(huán)金屬拉伸試驗(yàn)中的適用性。
4 結(jié)束語
本研究自主開發(fā)的材料試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在軟件和硬件兩個(gè)層面實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、操作及擴(kuò)展的方便性，降低了試驗(yàn)員的工作強(qiáng)度，使集成新的材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也變得簡單。
通過對(duì)多種材料及不同實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的集成及其實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)及操作簡便性的同時(shí)，能便于試驗(yàn)擴(kuò)展，且達(dá)到了較高的數(shù)據(jù)精度及系統(tǒng)控制精度。
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2020-09-16 瀏覽：
