材料試驗機是一種常用的力學(xué)試驗設(shè)備，用于測試各種材料的力學(xué)性能‘。隨著各行業(yè)對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)試驗機只能靠試驗人員觀察，根據(jù)經(jīng)驗加以手工調(diào)整，通過指針表盤的讀數(shù)計算得到材料性能數(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)試驗機無法達(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)與基于單片機的自動控制技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于材料試驗機的控制系統(tǒng)中，通過對通用材料拉伸、壓縮等試驗標(biāo)準(zhǔn)進行分析的基礎(chǔ)上，建立試驗機測控系統(tǒng)軟硬件與試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程之間的關(guān)系，提出模塊化的上、下位機軟件及硬件的設(shè)計方法。
本研究在建立測控系統(tǒng)上位機軟件及下位機軟、硬件平臺的基礎(chǔ)上對所提出的模塊化實驗設(shè)計方法進行評價，同時進行多目標(biāo)持荷試驗、水泥膠砂抗壓試驗以及金屬拉伸試驗，以期解決材料試驗機功能單一、試驗擴展復(fù)雜的缺點。
1 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計
本研究以 AVR 單片機為核心，基于硬件模塊化設(shè)計的思想，實現(xiàn)了測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，其主要包含 6個子模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
1． 1 單片機最小系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用 AVR 系列單片機 Atmega16L，其最小系統(tǒng)由單片機、電源、晶振以及復(fù)位電路組成。復(fù)位電路是在進行系統(tǒng)硬件設(shè)計中常見的一種電路，而一個系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。故該系統(tǒng)復(fù)位電路根據(jù) AVR 單片機的低電平復(fù)位特點，直接由 10 kΩ 上拉電阻實現(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，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，傳遞給單片機。
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，經(jīng)過光電耦合器隔離進入方向解碼和單片機，方向信號也輸入單片機，通過單片機進行計數(shù)和位移計算。
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
串口通訊實現(xiàn)下位機與上位機的數(shù)據(jù)通訊，下位機將采集到的信號傳遞給上位機，上位機則下發(fā)命令告訴下位機該執(zhí)行的動作。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實現(xiàn)對步進電機方向和脈沖輸出控制; ②輸出實現(xiàn)系統(tǒng)的過載保護。
2 軟件設(shè)計
2． 1 上位機設(shè)計
目前試驗機測控軟件操作復(fù)雜，對實驗員水平要求高。本研究通過軟件架構(gòu)的調(diào)整來解決這個問題。軟件分成 3 大塊: 主程序、設(shè)備配置模塊和試驗?zāi)K，后兩者均以 DLL 形式封裝，前者用于支持不同機型，后者便于擴展新的試驗方法。動態(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?zāi)K間的切換，當(dāng)實驗員切換到某個預(yù)置的試驗?zāi)K，與該試驗相關(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，把實驗員從專業(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)另外兩個模塊的信息，主程序結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
2． 2 下位機軟件設(shè)計
下位機軟件由數(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)單片機與 AD7710 的通訊，壓力控制程序?qū)崿F(xiàn)試驗機加載控制，通訊程序?qū)崿F(xiàn)上、下位機的數(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)的材料試驗機控制器對某公司生產(chǎn)的手動試驗機進行改造，改造完成后的試驗臺如圖 4 所示，可進行標(biāo)準(zhǔn)的材料性能測試相關(guān)試驗。
3． 1 多目標(biāo)持荷試驗
多目標(biāo)持荷試驗的目的是測試該算法在勻速加載和目標(biāo)持荷時的效果，以驗證測試控制系統(tǒng)的基本性能。采用 Fuzzy PID 算法控制器的實驗效果如圖 5 所示。從圖 5 中的實驗曲線看，該算法達(dá)到了一級精度要求。
3． 2 水泥膠沙抗壓試驗
本研究在加載持荷實驗基礎(chǔ)上，進行水泥膠沙抗壓試驗，試驗記錄的力-時間曲線如圖 6 所示。試驗加載 速 度 能 夠 精 確 地 控 制 在 試 驗 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
在前述試驗的基礎(chǔ)上，本研究對具有明顯屈服材料進行拉伸試驗。試驗過程中采用力、變形、位移三閉環(huán)控制，所得力 － 變形曲線如圖 7 所示。從試驗數(shù)據(jù)計算得到的材料力學(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)金屬拉伸試驗中的適用性。
4 結(jié)束語
本研究自主開發(fā)的材料試驗機控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，在軟件和硬件兩個層面實現(xiàn)了設(shè)計、操作及擴展的方便性，降低了試驗員的工作強度，使集成新的材料試驗標(biāo)準(zhǔn)也變得簡單。
通過對多種材料及不同實驗標(biāo)準(zhǔn)的集成及其實驗表明，該系統(tǒng)在實現(xiàn)國家標(biāo)準(zhǔn)及操作簡便性的同時，能便于試驗擴展，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：
