羅五四 李飛鵬 黃利明 張耿旭 林建華 周存鋒
(①東風(fēng)汽車有限公司,湖北十堰442001;②廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣東廣州510006;③鄭州宇通客車股份有限公司,河南鄭州450000)
汽車用薄鋼板在載重汽車制造中的使用量占鋼材總量的30%左右[1]。WDK-5汽車板拉伸試驗(yàn)機(jī)是完成薄鋼板力學(xué)性能指標(biāo)[2]:抗拉強(qiáng)度(Rm)、屈服強(qiáng)度(Re)、斷后伸長(zhǎng)率(A)、應(yīng)變硬化指數(shù)(n-value)及塑性應(yīng)變比(r-value)進(jìn)廠檢驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備。另外,在生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制、新產(chǎn)品設(shè)計(jì)選材、構(gòu)建汽車板理化性能數(shù)據(jù)庫(kù)和優(yōu)化選材降低成本中也需要該設(shè)備提供檢測(cè)數(shù)據(jù)。
WDK-5拉伸試驗(yàn)機(jī)是工控機(jī)控制的全電驅(qū)動(dòng)汽車板專用拉伸試驗(yàn)機(jī)。其機(jī)械部分采用導(dǎo)向雙立柱固定上橫梁及工作臺(tái)面構(gòu)成的落地式框架結(jié)構(gòu)機(jī)架,以高精度、無(wú)間隙的精密滾珠絲杠帶動(dòng)中橫梁上下移動(dòng)來(lái)傳遞負(fù)荷。
圖1為拉伸試驗(yàn)機(jī)的電氣原理圖。其中電力拖動(dòng)部分采用大功率晶體管脈寬調(diào)速直流伺服控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制,其低速和穩(wěn)速性能優(yōu)良,并且中橫梁加載時(shí)傳動(dòng)平穩(wěn)。主電路則通過(guò)采用三相電源隔離變壓器來(lái)減小電力拖動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)力和位移模擬量信號(hào)調(diào)理電路的電磁干擾。
試驗(yàn)機(jī)中橫梁上升和下降控制電路采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式,使用琴鍵開(kāi)關(guān)對(duì)控制方式進(jìn)行切換。圖1中+10 V電壓加在繞線電位器Rw上,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)速。自動(dòng)調(diào)速模塊由計(jì)算機(jī)通過(guò)D/A模擬信號(hào)通道向PWM電傳動(dòng)控制調(diào)速器輸出給定控制電壓,實(shí)現(xiàn)在線拉伸速度的控制。為簡(jiǎn)化電路、方便操作,采用具有自鎖功能的SB1按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)中橫梁上升和下降的控制。當(dāng)SB1彈起時(shí),中間繼電器KA1的常閉觸點(diǎn)通電,伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)使中橫梁上升;當(dāng)SB1按下時(shí),KA1的常開(kāi)觸點(diǎn)通電,伺服電動(dòng)機(jī)兩端電壓以及測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)的反饋電壓同時(shí)反向,伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)使中橫梁下降。上、下限位開(kāi)關(guān)SQ1和SQ2對(duì)試驗(yàn)機(jī)門(mén)式機(jī)架起保護(hù)作用。當(dāng)中橫梁超出移動(dòng)限定范圍時(shí),5 V微繼電器K通電切斷緩沖器的給定電壓使伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。
中橫梁快、慢速檔位切換電路通過(guò)帶有自鎖功能的按鈕SB2對(duì)YV電磁離合器的控制實(shí)現(xiàn)速度檔位的切換。當(dāng)SB2彈起時(shí),+30 V電壓經(jīng)中間繼電器KA2常閉觸點(diǎn)給慢速電磁線圈供電,變速箱處于慢速檔狀態(tài);當(dāng)SB2按下時(shí),+30 V電壓經(jīng)KA2常開(kāi)觸點(diǎn)給快速電磁線圈供電,變速箱處于快速檔狀態(tài)。
通過(guò)SB1和SB2按鈕的組合,可實(shí)現(xiàn)中橫梁快速上升和下降,用于調(diào)整上、下夾頭間的位置;慢速上升則用于拉伸試驗(yàn)。
拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量鏈硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)量鏈屬于單通道模擬信號(hào)輸出和多通道模擬信號(hào)輸入系統(tǒng),其配置為:①PCA-6006LV工業(yè)PC機(jī);②PCL-816 16位16路差分模擬量數(shù)據(jù)采集卡;③PCL-728 2通道隔離模擬量輸出卡;④BLR-1型30 kN電阻應(yīng)變式拉壓力傳感器;⑤試樣寬度小變形測(cè)量用YYJ-3/12.5-H、YYJ-3/20-H或YYJ-3/25-H,試樣長(zhǎng)度變形測(cè)量用YYU-25/50或YYU-40/80電阻應(yīng)變式電子引伸計(jì);⑥YD-28A型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀。
工控機(jī)根據(jù)在線檢測(cè)到的試樣伸長(zhǎng)率,通過(guò)分時(shí)給模擬量輸出通道(PCL-728)的D/A卡寄存器傳送相應(yīng)的數(shù)值來(lái)控制PWM電傳動(dòng)控制調(diào)速器,從而控制試驗(yàn)機(jī)兩夾頭的分離速度。在拉伸試驗(yàn)彈性階段和屈服階段,實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)兩夾頭分離速度5 mm/min的控制。在強(qiáng)化階段和局部變形階段則實(shí)現(xiàn)分離速度20 mm/min的控制。各階段之間速度變更點(diǎn)設(shè)計(jì)在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)過(guò)敏感的屈服階段后,應(yīng)變值為1%(0.5 mm)處,這樣可以保證拉伸曲線的平滑。
數(shù)據(jù)采集通道由傳感器、應(yīng)變儀和A/D卡組成。當(dāng)拉力傳感器受力及引伸計(jì)有變形時(shí),傳感器中以電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件的電橋因應(yīng)變電阻的變化而失去平衡,產(chǎn)生與被測(cè)的拉力、長(zhǎng)度和寬度位移信號(hào)成正比例的微弱模擬電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)應(yīng)變儀放大、濾波和變換到-5~+5 V的范圍后,送至A/D卡轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字化信號(hào)輸入工控機(jī)。工控機(jī)按程序?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、拉伸曲線和力學(xué)性能指標(biāo)顯示。測(cè)量鏈可實(shí)現(xiàn)單通道單獨(dú)調(diào)零,也可實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)歸零。
智能化測(cè)控軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù),運(yùn)用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行拉伸試驗(yàn)人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)。軟件采用單文檔界面(SDI)結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
系統(tǒng)標(biāo)定部分由系統(tǒng)增益調(diào)整、拉伸力、長(zhǎng)度和寬度位移標(biāo)定數(shù)據(jù)采集4個(gè)模塊組成。標(biāo)定環(huán)節(jié)能夠定期進(jìn)行檢定或在使用前進(jìn)行校準(zhǔn),其測(cè)量基準(zhǔn)能夠溯源到國(guó)家基準(zhǔn)。
系統(tǒng)增益調(diào)整界面中的3個(gè)顯示窗口分別對(duì)應(yīng)拉伸力、長(zhǎng)度和寬度位移測(cè)量鏈,用于在標(biāo)定數(shù)據(jù)采集前對(duì)各通道增益進(jìn)行調(diào)整。如在拉力傳感器上施加最大負(fù)荷時(shí),調(diào)整應(yīng)變儀的放大倍數(shù),使對(duì)應(yīng)的輸出電壓值接近采集卡所設(shè)定的+5 V上限電壓輸入值。而在正常試驗(yàn)時(shí),則能夠?qū)炝Α㈤L(zhǎng)度和寬度位移測(cè)量鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前的調(diào)零監(jiān)控。
借助靜態(tài)標(biāo)定用機(jī)械式反向力標(biāo)定器,在EHB-60A 0.3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的配合下,通過(guò)力值標(biāo)定數(shù)據(jù)采集界面中與檢定證書(shū)表格一致的標(biāo)定計(jì)劃表,采集程序在表格中采入滿量程范圍內(nèi),任意7個(gè)加載力值標(biāo)定點(diǎn)的力值測(cè)量鏈輸出電壓值,如表1所示。標(biāo)定程序?qū)Ρ?中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析,得出被標(biāo)定拉力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)加載力值與測(cè)量鏈輸出的模擬電壓值之間的線性擬合關(guān)系式,即標(biāo)定曲線方程。標(biāo)定模塊保證了試驗(yàn)機(jī)示值的長(zhǎng)期準(zhǔn)確度。
表1 加載力值與采集電壓對(duì)照表
表1中一組加載負(fù)荷和采集電壓數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析方法中的最小二乘法結(jié)論公式:
處理后即可得出反映拉力傳感器測(cè)量通道的回歸直線方程為:
變換為由采集的電壓值反求力值的形式:
拉伸試驗(yàn)測(cè)力時(shí),知道了電壓值,便能從公式中計(jì)算出拉伸力的數(shù)值。長(zhǎng)度和寬度拉伸位移標(biāo)定模塊的功能與拉伸力類同。
完成測(cè)量鏈標(biāo)定后,可通過(guò)標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證界面檢查相應(yīng)的標(biāo)定曲線和回歸方程;通過(guò)標(biāo)定結(jié)果校準(zhǔn)界面,在全量程范圍內(nèi)任選一系列標(biāo)定點(diǎn)施加標(biāo)準(zhǔn)力值進(jìn)行n次等精度復(fù)測(cè)比對(duì);通過(guò)系統(tǒng)靜態(tài)特性測(cè)試界面來(lái)驗(yàn)證當(dāng)前系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果是否符合要求。系統(tǒng)靜態(tài)特性檢查部分由線性誤差、回程誤差、精密度和穩(wěn)定度界面組成,能夠?qū)y(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性和線性方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性分析,消除試驗(yàn)中的盲目性。
電壓波形采集和回放界面用于對(duì)輸入標(biāo)準(zhǔn)波形,如不同頻率的方波、三角波和正弦波的測(cè)量鏈進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)分析。通過(guò)方波考核測(cè)量鏈對(duì)階躍信號(hào)前沿和后沿的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力;通過(guò)三角波檢驗(yàn)測(cè)量鏈對(duì)信號(hào)線性上升和下降跟蹤的平滑程度;通過(guò)正弦波獲取測(cè)量鏈的系統(tǒng)帶寬情況,預(yù)防測(cè)量結(jié)果失真。
采集程序基于VC編程環(huán)境,用C語(yǔ)言直接訪問(wèn)底層硬件采集數(shù)據(jù)。程序通過(guò)數(shù)據(jù)采集界面的人機(jī)對(duì)話接口獲取開(kāi)始采集的控制信號(hào),并在完成組合框中所選定的采集點(diǎn)數(shù)后自動(dòng)結(jié)束。采樣頻率通過(guò)函數(shù)GetTickCount(),按照給定的發(fā)生頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),最小采樣頻率為1 kHz。這樣系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每一周期作密集采樣,也能夠給拉伸過(guò)程提供必要的采集時(shí)間長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)采集程序的N-S流程圖如圖4所示。
數(shù)據(jù)采集與回放是通過(guò)圖5的測(cè)控軟件主界面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。界面上方的4個(gè)窗口分別實(shí)時(shí)顯示:①拉伸應(yīng)力(MPa);②拉伸應(yīng)變(%);③寬度變形(mm);④拉伸時(shí)間,使操作者能隨時(shí)監(jiān)控3個(gè)通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
界面第二排20個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)可連續(xù)采集的每個(gè)牌號(hào)鋼板的試樣個(gè)數(shù),在當(dāng)前試樣做完試驗(yàn)后,對(duì)應(yīng)按鈕由平面變?yōu)橥蛊?。通過(guò)單擊某一按鈕可以查看相應(yīng)試樣的拉伸曲線和力學(xué)性能指標(biāo)。
界面中部的窗口能夠根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的動(dòng)態(tài)顯示。通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均濾波處理,得到連續(xù)平滑的采集曲線。為防止汽車沖壓件表面產(chǎn)生皺褶現(xiàn)象,汽車用冷軋薄鋼板出廠前加了平整工藝處理,所以圖5中的拉伸曲線沒(méi)有屈服平臺(tái)。顯示拉伸曲線窗口的右邊區(qū)域還顯示當(dāng)前試樣的力學(xué)性能指標(biāo)。
界面中的兩個(gè)拉伸速度滾動(dòng)條是控制試驗(yàn)過(guò)程中屈服前和屈服后的拉伸速度。滾動(dòng)條下面的兩個(gè)滑塊對(duì)縱坐標(biāo)軸和橫坐標(biāo)軸起放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)作用。
顯示曲線窗口右邊的3個(gè)組合框:輸入試樣寬度(mm)、厚度(mm)和標(biāo)距(mm),供拉伸試驗(yàn)結(jié)束后算法程序計(jì)算力學(xué)性能指標(biāo)用。
主界面的下方有13個(gè)功能按鈕,常用按鈕有:“設(shè)置參數(shù)”、“開(kāi)始測(cè)試”、“存儲(chǔ)數(shù)據(jù)”、“比較曲線”、“打印報(bào)告”。打印程序采用CList類和CScrollView類功能,開(kāi)發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)直接生成和打印完整的圖文拉伸試驗(yàn)報(bào)告模塊。
2.5.2 伸長(zhǎng)率數(shù)字顯示方式采集
該模塊是針對(duì)國(guó)標(biāo)GB/T 228-2002[2]中所涉及到的伸長(zhǎng)率另外兩個(gè)指標(biāo):最大力非比例伸長(zhǎng)率(Ag)和最大力總伸長(zhǎng)率(Agt)的測(cè)量而設(shè)計(jì)的,能夠解決拉伸試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)測(cè)量斷后伸長(zhǎng)率面臨的準(zhǔn)確性難題[3]。伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)的采集為論證工程應(yīng)用中應(yīng)采用Agt還是Ag和爭(zhēng)取在冷軋薄鋼板技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)將Agt列入力學(xué)性能表提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)理論分析和編程調(diào)試確認(rèn):Agt垂直對(duì)應(yīng)Rm,用計(jì)算機(jī)對(duì)Agt進(jìn)行采集和計(jì)算直接和準(zhǔn)確;而求Ag還需計(jì)算出由彈性段劇烈變化引起的不易得到準(zhǔn)確的Agt-Ag。由于采用鏈表結(jié)構(gòu),重復(fù)采集數(shù)據(jù)的次數(shù)不受限制。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)工作,并在中橫梁慢速上升中開(kāi)始采集數(shù)據(jù),將縱向變形引伸計(jì)的位移模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,以表格形式顯示,提高了做多家鋼廠多種汽車板性能比對(duì)試驗(yàn)的靈活性。
基于此,本文將借鑒法國(guó)在鄉(xiāng)村旅游發(fā)展中“鄉(xiāng)愁—鄉(xiāng)居—鄉(xiāng)思“的實(shí)踐體現(xiàn),探討我國(guó)鄉(xiāng)村旅游可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制。
拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理算法采用結(jié)構(gòu)體和類的思想,將計(jì)算9個(gè)材料力學(xué)性能指標(biāo)公式的諸函數(shù)集中到一個(gè)類(CFunction9)中統(tǒng)籌編程,可對(duì)采集的一批試樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析計(jì)算,其結(jié)果顯示如圖5大窗口右邊區(qū)域所示。該類的一些函數(shù)還在數(shù)據(jù)采集程序的自動(dòng)控制停機(jī)條件中被反復(fù)調(diào)用。計(jì)算拉伸指標(biāo)條件有兩種設(shè)定方法:
表2 拉伸試驗(yàn)比對(duì)數(shù)據(jù)表
表3 比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析表
(1)在對(duì)話框中設(shè)置計(jì)算拉伸指標(biāo)參數(shù):①在組合框中輸入計(jì)算塑性應(yīng)變比(r-value)需要的應(yīng)變點(diǎn)(如15%),計(jì)算應(yīng)變硬化指數(shù)(n-value)需要的應(yīng)變區(qū)間(如10% ~20%),以及等間距點(diǎn)數(shù)(如N=26);②選擇尋找屈服點(diǎn)的方法(取應(yīng)變點(diǎn)為0.2%,或者取拉伸曲線斜率第一次下降為50%時(shí)的應(yīng)力值);③選擇計(jì)算比例極限點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。
(2)在拉伸曲線上通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)定位選擇計(jì)算條件:用在拉伸曲線上出現(xiàn)屈服平臺(tái)時(shí),需要采用人工讀取屈服強(qiáng)度等有特殊要求的場(chǎng)合。由用戶根據(jù)需要依次在拉伸曲線上用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊6個(gè)點(diǎn):比例極限點(diǎn)、屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度點(diǎn)、總延伸率點(diǎn)、計(jì)算n-value第一點(diǎn)和第二點(diǎn),程序?qū)⒏鶕?jù)所選點(diǎn)的縱坐標(biāo)軸應(yīng)力值和橫坐標(biāo)軸應(yīng)變值到數(shù)據(jù)鏈表中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)取出數(shù)據(jù)傳入力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算公式,計(jì)算出9個(gè)拉伸試驗(yàn)指標(biāo)。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證WDK-5拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,與德國(guó)Zwick和日本SHIMADZU拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)例的比對(duì)試驗(yàn)。比對(duì)試驗(yàn)采用某牌號(hào)冷軋鍍鋅高強(qiáng)度鋼板的JIS 5號(hào)試樣,標(biāo)距50 mm,板厚1.4 mm。同時(shí)還與該試樣的鋼廠樣品出貨清單數(shù)據(jù)(Test Equipment:Zwick Z250)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼板的力學(xué)性能值作了比對(duì)。拉伸試驗(yàn)比對(duì)數(shù)據(jù)如表2所示。
表3給出了表2比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析結(jié)果。5個(gè)檢測(cè)指標(biāo)以相對(duì)偏差來(lái)評(píng)價(jià)比對(duì)結(jié)果的一致性,相對(duì)偏差=D/x×100%,其中絕對(duì)偏差D=|x-ˉx|,x為參加比對(duì)試驗(yàn)室的測(cè)量值,ˉx為參加比對(duì)試驗(yàn)室的測(cè)量平均值。
從表3的誤差分析結(jié)果中可以得出,5個(gè)性能指標(biāo)的最大相對(duì)偏差均小于工程應(yīng)用中可以接受的3%約定判定標(biāo)準(zhǔn)值,且WDK-5所測(cè)90°軋向數(shù)據(jù)均處在企業(yè)鋼板標(biāo)準(zhǔn)中力學(xué)性能區(qū)間值規(guī)定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi),據(jù)此判定WDK-5實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與同類設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)在誤差允許的范圍內(nèi)是一致的。
(1)按國(guó)標(biāo)《GB/T 16491-2008電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)》規(guī)定的測(cè)量精度誤差指標(biāo),經(jīng)過(guò)2 000根試樣的拉伸試驗(yàn)及比對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證,WDK-5拉伸試驗(yàn)機(jī)的控制精度符合0級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
(2)測(cè)量鏈標(biāo)定和標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證模塊實(shí)現(xiàn)了全量程多點(diǎn)綜合標(biāo)定功能,保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。
(3)在采集的拉伸曲線上,手工點(diǎn)擊選擇計(jì)算條件的功能拓展了軟件的應(yīng)用范圍。
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