孫勝兵

拉力試驗(yàn)是材料科學(xué)與工程實(shí)踐中的基礎(chǔ)試驗(yàn)。 通常的拉力試驗(yàn)多為靜力單軸試驗(yàn)， 通過(guò)不斷對(duì)測(cè)試件施加載荷， 直到其斷裂， 來(lái)測(cè)得其屈服強(qiáng)度、 斷裂強(qiáng)度、 楊氏模量、 泊松比等。 拉力試驗(yàn)機(jī)也多為單軸試驗(yàn)用機(jī)， 通常可施加的力較小， 施力點(diǎn)較少。 本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可用于對(duì)較大的環(huán)型鑄件進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)試過(guò)程是提出測(cè)試要求的一方根據(jù)測(cè)試工件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)、 分布規(guī)律進(jìn)行受力分析， 經(jīng)理論計(jì)算和有限元仿真計(jì)算， 確定應(yīng)加載的載荷大小、 載荷等級(jí)及作用點(diǎn)位置。 拉力試驗(yàn)機(jī)據(jù)此施加力， 為此應(yīng)確保力的精確性， 并能控制施力的速度以模擬工件實(shí)際工作狀態(tài)。 國(guó)標(biāo)《 液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)GB/T 3159-2008》 中對(duì)拉力試驗(yàn)機(jī)的加力和測(cè)力系統(tǒng)均有明確要求。 本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要是用于力的施加與測(cè)量。

1 拉力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

本文的試驗(yàn)機(jī)由電控部分和液壓部分組成。電控部分由PLC、 人機(jī)界面、 數(shù)字量模塊、 模擬量模塊、 串口通信模塊、 開(kāi)關(guān)電源、 變壓器、 比例放大器、 壓力變送器等組成。 液壓系統(tǒng)由柱塞泵、 蓄能器、 濾油器、 三位四通閥、 比例減壓閥、 比例溢流閥、 液壓缸等元件組成。 為避免電磁干擾， 比例放大器設(shè)在單獨(dú)的控制柜中。 通過(guò)帶屏蔽的線纜與PLC 控制柜連接。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 個(gè)液壓支路， 最多可在7 個(gè)作用點(diǎn)施加拉力。 PLC 控制換向閥打開(kāi)或關(guān)閉某一支路， 通過(guò)比例減壓閥控制分支壓力。 作用在傳感器上的壓力通過(guò)變送器反饋給PLC 模擬量模塊。 人機(jī)界面將PLC 獲得的數(shù)據(jù)以趨勢(shì)圖形式顯示出來(lái)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， 以備日后分析（見(jiàn)圖1， 圖2）。

2 PLC 程序設(shè)計(jì)

本文的PLC 為CP1H， 開(kāi)發(fā)環(huán)境為CXProgrammer 4.0。 使用梯型圖方式編寫(xiě)程序。 包括啟停模塊、 測(cè)試模塊、 數(shù)據(jù)備份模塊、 調(diào)試模塊。啟停模塊負(fù)責(zé)平穩(wěn)啟停液壓泵， 減少對(duì)系統(tǒng)的沖擊； 測(cè)試模塊用來(lái)測(cè)試工件， 是最主要的模塊； 數(shù)據(jù)備份模塊可將測(cè)試數(shù)據(jù)在PLC 和HMI 中分別備份； 調(diào)試模塊提供一些輔助功能， 方便調(diào)試時(shí)使用（見(jiàn)圖3）。

圖1 液壓系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 電控系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 程序流程圖

由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多， 所以通過(guò)使用指針指向每一級(jí)需達(dá)到的壓力值， 測(cè)完一級(jí)后指針自增1， 就可以指向下一級(jí)數(shù)據(jù)。 為模擬實(shí)際壓力升速， 通過(guò)設(shè)定斜坡時(shí)間定時(shí)器來(lái)設(shè)置增壓速度。 測(cè)試數(shù)據(jù)的寫(xiě)入可通過(guò)HMI 人機(jī)界面輸入， 也可在CXProgarmmer 中通過(guò)寫(xiě)內(nèi)存的方式， 一次性寫(xiě)入PLC D 存儲(chǔ)區(qū)域中。 由變送器反饋的0～20 mA 電流值經(jīng)過(guò)縮放轉(zhuǎn)換為壓力值后進(jìn)行比較。 轉(zhuǎn)換過(guò)程可使用CP1H 指令集中的縮放指令， 或自己編寫(xiě)程序計(jì)算。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面分為主界面、 數(shù)據(jù)界面、 備份界面、趨勢(shì)圖界面等。 在主界面中可以打開(kāi)或關(guān)閉各個(gè)支路換向閥， 設(shè)定保壓時(shí)間、 斜坡時(shí)間， 以及壓力等級(jí)（見(jiàn)圖4）。

在數(shù)據(jù)界面中可輸入要達(dá)到的拉力數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5） 。 每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)PLC D 區(qū)域一個(gè)字的存儲(chǔ)區(qū)。數(shù)據(jù)為16 位無(wú)符號(hào)型。

趨勢(shì)圖可實(shí)時(shí)顯示輸出力曲線（ 見(jiàn)圖6） ， 設(shè)置周期式采樣， 通道數(shù)為7， 歷史記錄保存到HMI。 數(shù)據(jù)來(lái)源為PLC 程序設(shè)定的緩存區(qū)。

人機(jī)界面中還設(shè)有數(shù)據(jù)存入U(xiǎn) 盤(pán)的功能， 存儲(chǔ)格式為CSV 文件， 可轉(zhuǎn)為EXCEL 文件， 方便分析。

圖4 主界面圖

圖5 數(shù)據(jù)界面

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

筆者以實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本， 檢驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)輸出力的準(zhǔn)確性。 該次測(cè)試所測(cè)工件較小， 施力點(diǎn)只有兩個(gè)（見(jiàn)表1）。

圖6 輸出力曲線圖

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到實(shí)際輸出力（ 見(jiàn)表2） 和誤差值（見(jiàn)表3）。

從誤差表可以看出， 壓力較低時(shí)誤差在2%以內(nèi)， 超過(guò)3MP 等級(jí)后誤差在1%以內(nèi)。 最終筆者得到實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)曲線（見(jiàn)圖7）。

表1 測(cè)試需輸出力 （10 N）

表2 實(shí)際輸出力 (10N)

表3 實(shí)際誤差

圖7 測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)可用于測(cè)試較大鑄件的拉力。 經(jīng)過(guò)實(shí)際使用， 該系統(tǒng)在輸出的準(zhǔn)確性、 穩(wěn)定性， 測(cè)量的精確性， 操作的方便性等方面均有不錯(cuò)的表現(xiàn)。 今后， 通過(guò)提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 會(huì)進(jìn)一步降低誤差， 提高本系統(tǒng)的整體性能。