1 引 言
1.1 万能材料试验机的进展
材料试验机是一种广泛应用的材料性能检测设备,近十年来随着先进控制技术、驱动元件以及计算机技术的发展而出现了老产品升级换代和新产品不断涌现的良好发展趋势。面对国外材料试验机的一些产业巨头如美国 Instron 公司 、MTS 公司、日本岛津公司加大在国内销售力度的紧迫情况, 国内的材料试验机的生产厂家也加大了自主研发新产品的力度。对中等 、小型材料试验机应用伺服电机就是一种扩充试验机功能, 提高试验机测量准确性能的有效方式 。
1.2 采用伺服电机能扩充材料试验机的功能当前 ,材料性能测试的标准多样性 ,要求加载与控制模式灵活性而复杂, 应用伺服电机是实现材料性能多测量模式的有效手段。
伺服电机属于控制电机 , 由于交流伺服电机具有体积小、重量轻、大转矩输出 、低惯量和良好的控制性能等优点, 故被广泛用于自动控制系统和自动检测系统中作为执行元件。将伺服电机用于万能材料试验机驱动, 可以充分发挥伺服电机的在额定的转速内 ,能恒定力矩输出的比较“硬”的机械特性等优势,克服以往由于使用变频电机和步进电机时速度波动带来得测量不准确误差 ,以及与采集部分可以组成完善的动态测量试验机 、或者成为可以在 0.5Hz ～ 50Hz 左右范围的低频疲劳试验机等。这对材料试验机应用范围将是一个极大的提升 。
2 系统硬件组成与实现
2.1 该测量控制系统总体介绍
这个材料试验机产品是我们实验室和广东某公司合作研发成功的 ,整个材料试验机结构原理如图1 所示。机械传动路线是由饲服电机 -减速机 -链轮-同步丝杆 ,最后带动工作平台上下位移组成 ,传感器由于机架的庞大体积而采用增强型编码器, 与测量丝杆直接相连 ,采集的力信号和位移信号经过自行设计的 I O 信号调理板后由多功能采集卡接收, 接收的信号由测试软件处理, 实时显示在 PC 机上。通过测试界面可以发出控制信号经过采集卡和I O 信号调理板对伺服电机进行控制 , 从而控制整个测量的起停以及调整工作台的初始位置。
2.2 加载模式以及伺服
电机有关参数设置对于这台材料试验机的加载模式 , 最终用户要求具备定速度加载 、定位移加载 、保持力矩一段时间、循环加载以及前几种复合而成的加载模式等其他较为复杂的加载模式, 这使得这台材料试验机具有丰富的测试功能。图 2 为循环加载模式时的时间 -载荷(位移)图 。
针对这台万能材料试验机多种加载模式的需求分析, 我们选用了松下MINAS A 系列全数字式交流伺服驱动器 MDDA303A1A(其主要性能指标为 :电源电压为三相 200V , 适配电机的额定功率为3kW ,编码器类型为 2500p r)。伺服驱动器连接器CN I F(50 脚)信号作为外部控制信号输入 输出,连接器 CN SIG(11 脚)作为伺服电机编码器的连接线。
Pr02 :设为“5” , 即选用速度和转矩可切换模式对伺服电机进行控制 。
Pr50 :设为“800” ,即指令电压 8V 时伺服电机运行在额定速度。
Pr56 :设为“250” , 即当伺服电机在力矩模式运行时速度为250r min 。
对于数据采集卡数字 I O 口的数字量输出 ,则经过光电隔离后 ,由三极管集电极输出进入伺服驱动器连接器 CN I F(50 脚)的如 32 脚实现控制模式切换等辅助功能 。
根据客户的要求 ,在信号调理板上 ,设计了伺服电机的手动操作电路 ,利用测量电路中为传感器供电的电源作为手动控制电压指令实现了材料试验机在不测量时候的工作平台快速移动归位。因此在该材料试验机中对伺服电机的控制一共有三种, 动态测试中复杂加载模式时的控制、在计算机中测试界面内 ,对工作台进行上下移动的操作、脱离计算机利用手动控制盒直接控制电机操作工作平台 。电脑和手动控制的切换通过外部操作盒的按钮来实现。在手动控制功能中, 设计了伺服电机的正反转控制电路 ,对应工作平台的运动则是上下移动。如图所示 ,当左边开关按下, +5V 电压经过三极管使接通伺服ON 信号 ,同时使得另一个三极管 Q1 导通, +12V 电压经过电阻后进入伺服驱动器作为速度指令, 控制平台上移, 而另一对三极管则控制平台手动下移 ,通过调节滑动变阻器可以使伺服电机取得一个合适的运动速度 。为了避免电脑控制和手动控制的相互干扰 , 采用了多路模拟开关 AD7501 来选通模拟通道 。
3 LabVIEW 控制程序的编制
这次开发的万能材料试验机 , 软件编制采用美国NI 公司的 LabVIEW 虚拟仪器开发平台 。自 1986年 LabVIEW 诞生至今, 经过十多年的发展, LabVIEW的功能日渐丰富和强大, 但目前国内对材料试验机的各种改造或者是研发采用 LabVIEW 虚拟仪器开发环境的尚没有文献报道 。而我们实验室已经具有采用其开发一般简单小型材料试验机的经验, 这使得这次研发此台材料试验机的周期缩短了。
这台材料试验机采用了研华公司的 PCI-1716 多功能采集卡进行采集数据和控制电机 。采用研华公司提供的 LabVIEW 驱动 ,在 Function 面板中使用研华采集卡的模块编制采集控制程序 ,满足了这台试验机的控制精度, 采集速度等方面的要求 。
LabVIEW 中实现材料试验机复杂加载模式的控制实现,我们开发的整套测试界面为英文界面 ,在实现控制模式加载的运动控制上 ,将运动分解为七个分步运动组合而成(版面原因 ,只取了 2 步来示意)。如图 4 。
如图 5 所示 ,在每个步骤中 ,可以选择拉压两种情况 ,即对应电机上升、下降运动。加载方式的下拉菜单里提供有定速度、定载荷、定载荷增加速率 、定应力 、定应变等多种方式(如图箭头处所示)。每一步结束时, 提供 6 种切换条件的下拉菜单 ,如位移大于 、时间大于 、力大于 ,或者用于停机的断裂点等。从第 2 步运动开始 ,提供循序运动,用户选择循序起始步骤并输入循环次数。
通过这样的方法, 我们提供给客户一个对加载模式的定制界面 ,用户对于每种不同测试材料可以编制特定的加载模式,并可以存盘 ,进行模式数据管理例如添加一种新的测量加载模式 、删除、修改、查询等各种操作 。从而对万能材料试验机用户而言获得了非常灵活的测试功能。
程序的 LabVIEW 后面板设计中 ,程序的编制流程如图 6 ,我们将图 4LabVIEW 中前面板所示的加载方法在后面板上用了一个簇结构数据来表达, 并为其创建了一个全局变量 ,在测试开始时 ,程序会自动取出上次测试时的最后一次加载方法 ,赋予全局变量,以满足程序对加载方法数据的需要。而对于伺服电机速度和电压指令的对应, 则因为材料试验机的中间横梁有自重而需要校正,在研发过程中, 我们对此分别做了试验 ,确定了电压与速度的对应关系,并做了补偿。
4 结束语
通过本次研制基于伺服电机的万能材料试验机, 可以体会到采用伺服电机后, 可以大大提高材料试验机控制的灵活性 ,使得试验机承担的试验内容、功能、项目大大增加了 。采用伺服电机后整个万能材料试验机除了常规的拉、压 、弯 、剪试验外 ,还可以做蠕变 、松弛及低频循环疲劳等各种试验。因此研制这样的材料试验机适应了当前新材料、新技术的不断出现对材料试验机性能要求不断加强的趋势。
另外由于伺服电机具有的高精度定位能力 ,低速时运行平稳性 ,良好的矩频特性和优秀的过载能力以及配合测量的自动化而使得整个材料试验机的测量精度得到了提高 。目前这台试验机的载荷测量精度 :示值的±1 %(至载荷传感器满量程的 1 50);应变测量精度:引申计示值的 ±0.5 %(10 %～ 100 %FSR),分辨力0.001mm ,完全满足了测量行业的国家标准和ATSM 等各项标准。
通过研究在万能材料试验机中应用伺服电机,发现这种驱动方式可以提高试验机精度和扩充试验机功能,为我国缩短在试验机行业和国外的差距取得了宝贵的经验。
