（机械工程专业论文）2000kn液压万能实验机智能化改造.pdf

怼宁z 程箍术大学磷童学位谵交 摘要 魏嚣文璩零、文遴爨、蕊强褒懿秘嘏遴骥设备鹣笈嶷，落嚣麓陈器戆 试验嚣梭测设备融不能满足实际王程的黼蔡。试验枫作为材料力学性能揩 懿嚣跫熬主要竣麓，袭轰娄嚣耧魏产爨袋爨狻验、黧黟遵秣魏藏爨控甏、 瓣辩学磷究纛教孥涟骏串罄鬻誉牙窀，薨京蜜舔z 程枣发箨繁重要戆捧震。 褥我公霉l 耩滚矮菇艟试验嘏毅筝臻调憋滋、圈濑凝黯秀式运霹擎，套试 验手段落后，势渤蠢火和测试结果不准确镣多项缺熙。糟对其指泳、记最 系统震接鬟系绞送行嚣姿魏技零蒗逡，辫帮淡充分遮发挥鬟餐熬潜黪，大 大挺黼其技术饿舷及使鼹价值。 零系统瑷m c s 5 1 系劐攀持瓿器诗冀檄技术凳撩感，秘蕉瑰戴控麓秀 法；诗冀撬控制、控赣撩控制技寒秘枣行遴攘按零，擞娥? 黠器液蹑万爨 试验飘控潮系统静改造箨设幸 ，蜜瑰了褒一个系统巾努嬲激诗冀穰翡单玲 机为撩制孩心瓣掩剩横式。 系统滋萃冀辘、a 移骥蠛、d ，a 模浚、滚磊羧测嚣、h a s h m e m o r y 、 r s 2 3 2 4 8 5 转换器、p i d 憝剿器等鬻箨梅蠛了一整褰骢燕潮系统。狂霞 商糟度a d 转撤器等器件窳现了嵩藕壤的压力采集，3 2 0 x 2 4 0 熙箨液蒜 控制器、4 mf l a s h m e m o r y 等实现了斌验数据曲线鼹淤炭数据存髓；计算 筏按蹴鸯式虢c + + b u i l d e r 获搏舞基耧，髓在诗羹惑纛竞藏实黠压宠熬蔑 彤最泳、数据襻德、豳像打郐、数据报畿打印等功撼。 整个系统其霄入枫弄面震静、揉律帮键、功撩齐套等德点。溅篷万麓 竣验戮控裁系统斌验撵搀遭器猿定霹黎，避受了大舞熬读数误蓑、毒 霎谟 麓馘及襁关数攒举能辩聍记添所葶f 越熊试验缩采静偏羧。撬高了渊试精庹 鞠试验效率。 获键镶l 滚匿菇麓试骏梳；攀蓐税 a 精；m s c o m m 整襻；毫液魄镤瓣l p l d 撩粼 辽宁工程技术大学醐士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa r m o u r e df a c ec o n v e y o r so fg r e a tp o w e r , g r e a t c o n v e y i n gc a p a c i t ya n dh i g hs t r e n g t h ，t h eo l da n db e h i n d h a n dt e s t i n ga n d m e a s u r e m e n te q u i p m e n tc a nn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f p r a c t i c a le n g i n e e r i n g a st h em a j o re q u i p m e n ti nt e s t i n gm e c h a n i c so fm a t e r i a l ，t e s t i n gm a c h i n ei s e s s e n t i a li np r o d u c t q u a l i t ye v a l u a t i o n ，q u a l i t yc o n t r o ld u r i n gp r o d u c t i o n ， m a t e r i a lm e c h a n i c sr e s e a r c ha n ds t u d ye x p e r i m e n t 。l tp l a y si m p o r t a n tr o l ei n p r a c t i c a le n g i n e e r i n g 瓢eo l du n i v e r s a lh y d r a u l i ct e s t i n gm a c h i n eo fo u rc o m p a n yi sr u n n i n gb yt h e m e t h o do fm a n u a la d j u s t i n gi n l e ta n do u t l e to i lv a l v ea n di th a sm a n yd e f e c t s s u c ha st e s t i n gm e t h o db e h i n d h a n d ，i n t e n s i t yl a b o u ra n di m p r e c i s i o nr e s t d i s w 潍a p p r o p r i a t er e f o r m a t i o nf o rt h ei n d e x ，r e c o r ds y s t e ma n dc o n ：堙o ls y s t e m ， t h et e s t i n gm a c h i n ec s us t i hf u l l p l a yi t sp o t e n t i a la n dg r e a t l ye n h a n c ei t s t e c h n i c a lp r o p e r t ya n dv a l u eo f u s a g e m a k i n g 艇e s 一5 lo fs e ma n dc o m p u t e rt e c h n i c a l 嚣k e y , u s i n gm o d e r nc o n t r o l m e t h o d , c o m p u t e rc o n t r o l 。c o n t r o l l e rt e c h n i c a la n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n i c a l , t h i ss y s t e mh a sb e e na c c o m p l i s h e dt h er e f o r m a t i o na n dd e s i g nf o r t h ef o r m e rh y d r a u l i cu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n ea n dr e a l i z e d 也ec o n t r o l l i n g m o d e lt h a tc o m p u t e ra n ds c mc a ns e p a r a t e l yb ec o n t r o l l e ri no n es y s t e m 麓l ew h o l ec o n t r o l l i n gs y s t e mc o n s i s t s 西s e m ，a 国m o d e ，l c d ，f l a s hm e m o r y , r s 2 3 2 4 8 5c o n v e r t e r , p i dc o n t r o l l e ra n ds oo nh a r d w a r e ，h i g hp r e c i s ea ，d c o n v e r t e ro f2 4b i t sh a sr e a l i z e dt h ep r e s s u r ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nw i t hh i g h p r e c i s i o n 。l c d o f 3 2 0 2 4 0 d o t m a t r i x a n d 4 m f l a s h m e m o r y h a v e r e a l i z e d t h e d i s p l a ya n dd a t es t o r ef o rt e s t i n gd a t a , c o m p u t e rc o n t r o l l i n gm o d e li sb a s e do n ( ，。b 试l d e rs o f t w a r ea n di tc a na c c o m p l i s ht h ef u n c t i o nt h a tt h ep i c t u r eo f p r e s s u r ei sd i s p l a y e do nc o m p u t e ri nr e a lt i m e ，t h ef u n c t i o no fd a t a - s t o r e 。 p i c t u r ep r i n to u t ，d a t ar e p o r tf o r m sp r i n t0 u ta n ds oo n 1 湛ew h o l es y s t e mh a sf r i e n d l yi n t e r f a c ea n di te a 藏b eo p e r a t e de a a l 堍i th a s c o m p l e t ef u n c t i o n t h eo p e r a t i o np r o c e s sf o rh y d r a u l i cu n i v e r s a lt e s t i n g m a c h i n ei sr e l i a b l ea n dt h ei m p r e c i s i o nm a d eb yo p e r a t o r , c a l c u l a t i o nc i t e ra n d t h ed e f e c tt h a tt h er e l e v a n td a t ac a n n o tb er e c o r d e da ts a m et i m ei sa v o i d e d 嗣瓣 协s t i n gp r e c i s i o na n de f t i c i e n c yi si m p r o v e d k e y w o r d ：h y d r a u l i c u n i v e r s a l t e s t i n gm a c h i n e , s c m , a p d $ m s c o m m c o n t r o l l e r , e l e c t r i c h y d r a u l i cp r o p o r t i o nv a l v e ，p i dc o n t r o l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 自动化检测技术的作用及其发展 检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段。远古时代，人 类就知道用自身的指幅、臂长为标准确定其他物体的长度，后来又发明了 观察时间的“日暑”和测定方向的指南针。检测技术的发展标志着人类 的进步和人类社会的繁荣。在现代工业、农业、国防、医疗、科研等各行 业，检测技术的作用越来越大，检测设备就像神经和感官，源源不断地向 人们传输各种有用的信息。 在科学实验和工业生产过程中，为了及时了解工艺过程、生产过程的 情况及它们的结果，需要对描述被控对象特征的某些参数进行测量或检 测，其目的是为了准确获得表征他们的定量信息，为生产过程的自动化及 科研提供可靠的数据。至于检测技术的意义那就更广泛了，包括根据被测 对象的特点，选用合适的测量仪器仪表及实验方法。通过测量及数据处理 和误差分析，准确得到被测量的数据，并为提高测量精度、改进实验方法 及测量仪表，为生产过程的自动化等提供可靠的依据。 在现代化生产中，为提高劳动生产率和产品质量，改善劳动条件，必 须不断地提高生产过程自动化水平和扩大自动化应用范围。在实现的自动 化过程中，所用的检测技术和装置是自动化系统的“感觉器官”。因为只 有知道生产过程的状态和工艺参数的条件下才能进行自动控制。 1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司研制出4 0 0 4 型4 位微处理器芯片，使传统 的检测仪器采用计算机进行数据分析处理成为现实。随着微型机价格的下 降和功能的不断改善，解决了许多传统检测装置难于解决的难题，使它成 为检测技术中不可缺少的部分。因此，微处理器与传感器、微处理器与测 量仪表相结合的技术也越来越引起人们的广泛关注。近年来出现带微处理 器的传感器和带微处理器的测量仪表，分别称为智能传感器和智能仪表。 微处理的应用从几个方面革新了它们的功能。 ( 1 ) 扩展了检测量的数目，提高了测量的准确度。 ( 2 ) 革新了检测方法，使过去不能进行的某些测量，现在能够进行了。 ( 3 ) 简化了仪表与仪表或其它设备间的接口，也简化了仪表的操作， 实现了集中控制。 ( 4 ) 具有各种数据处理功能，信息存贮，并能进行各种算术逻辑运算， 把使用者从繁重的数据处理工作中解放出来、甚至还具有辅助专家推断、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 分析与决策的功能。 微机自动化检测系统的硬件基本结构如图1 1 所示。它能完成对多 点、多种随时问变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数 据处理、信号分析，由测得的信号求出与研究对象有关信息的量值或给出 其状态的判别。图中不同种类的被测信号由各种传感器转换成相应的电信 号，这是任何检测系统都必不可少的环节。传感器输出的电信号经调节放 大( 包括交直流放大、整流滤波和线性化处理) 后，变成o 5 v 直流电压信 号经a d 转换器转换后送单片机进行初步数据处理。单片机通过通信电路 将数据传输到主机，实现检测系统的数据分析和测量结果的存储、显示、 打印、绘图、以及与其他计算机系统的联网通信。 图i i 自动化测系统硬件结构框图 科学技术的发展与检测技术的发展是密切相关的，检测技术达到的水 平愈高，则科学技术上的成就就会愈为深广。而科学技术的发展，特别是 新材料、新结构的传感器研制成功，以及微型计算机的广泛开发，给检测 技术带来了变革性的影响，它们在检测系统的准确性、快速性、可靠性和 抗干扰性等方面发挥了明显作用，大大丰富了检测技术所包含的内容，扩 大了检测技术的应用范围，同时也提出了新的课题。 检测问题广泛存在于各行各业，随着科学技术的高速发展，随着人类 生活水平和生产力水平的提高，检测问题越来越多，对检测提出的要求也 越来越高；要求更快、更准、更灵敏、更可靠的完成检测任务、要求能实 现自动化检测。此外，先进的检测方法和检测设备是提高产品质量和性能 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 的先决条件，没有先进的检测方法和检测设备，不但不能开发研制出高性 能的产品，而且生产出的产品质量无法得到保证。自动化检测技术作为自 动化科学的一个重要分支，作为专门研究检测问题的一门实用型、综合型 的新兴边沿学科已经形成。微机自动化检测m i c r o c o m p u t e ra u t o m a t i c d e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n t ) 作为自动化检测技术及系统发展的高级形式 应运而生。“微机自动化检测技术”就是使用微机及相关设备来实现自动 化检测仪器、自动化检测系统的技术。微机自动化检测技术的核心技术是 传感器技术、抗干扰技术与可靠技术、显示技术、自动控制技术、电子线 路设计技术等等。 1 2 单片机技术简介 1 2 1 单片机技术的发展 所谓单片机( m i c r o c o n t r o l l e r ) 是指在一个集成芯片中，集成微处理 器( c p u ) 、存储器、基本的i o 接口以及定时计数、通信部件，即在一个 芯片上实现一台微型计算机的基本功能。1 9 7 0 年微型计算机研制成功之 后，随后就出现了单片机( 即单片微型计算机) 。美国i n t e l 公司1 9 7 1 年 生产的4 位单片机4 0 0 4 和1 9 7 2 年生产的雏形8 位单片机8 0 0 8 ，特别是 1 9 7 6 年m c s 一4 8 单片机问世以来，在短短的三十几年，经历了多次更新 换代，其发展速度大约每二、三年要更新一代、集成度增加几倍、功能翻 几番。其发展速度之快、应用范围之广，己达到了惊人的地步。它己渗透 到生产和生活的各个领域，可谓“无孔不入”。从8 位单片机算起，它的 发展历史大致如表1 一l 。 尽管目前单片机的品种很多，但其中最具有典型性的当数i n t e l 公司 的m c s 一5 1 系列单片机。m c s 一5 1 是在m c s 一4 8 的基础上于8 0 年代初 发展起来的，虽然它仍然是8 位的单片机，但其功能有很大的增强。由 于p h i l i p s 、a t m e l 、w e l b o r d 、l g 等近百家i c 制造商都主产5 l 系列兼容 产品，具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，m c s 一5 1 应用非常广泛，成为继m c s 一4 8 之后最重要的单片机品种。直到现在m c s 一5 l 仍不失为单片机中的主流机型。国内尤以i n t e l 的m c s 一5 1 系列单 片机应用最广。 1 2 2 单片机技术的应用 随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格 低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比 有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工 业条件下稳定工作。且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，可使仪器仪表 智能化，提高了它们的测量速度和测量精度，并加强了控制功能。如m c s 一5 l 系列单片机控制的“船舶航行状态自动记录仪”、“烟叶水分测试仪”、 “智能超声波测厚仪”等。单片机也广泛地应用于实时控制系统中，例如 表1 1 单片机的发展历史 年代代表产品特点应用系统开发具 7 0 年代 m c s 一8 0 4 8采用2 - 3 l i m 半导体工艺，仿真器 后期8 位c p u ，寻址能力小于 4 k 字节 8 0 5 1 系列采用2 - 3 i im 半导体工艺，仿真器、汇编器、编 6 8 0 5 系列8 位或1 6 位c p u ，寻址能程器 8 0 年代i n t e l 的9 6 9 8 系力小于4 k 字节 列 i n t e l 的采用0 8 - 0 2 5 i i m 半导吣+ c o m p i l e r + i c e s x c l 9 6 2 9 6 、体工艺，8 位或1 6 位或组成的开发平台，其 2 5 1 9 3 03 2 位的c p u ，或3 2 位的中：r t o s ：即实时多 p h i l i p s p s l ) 【a内部总线，芯片采用流 务操作系 9 0 年代m o t o r o l a 5 8 3 0 0 系列水线结构及宽总线结统：c o m p i l e r ：基于 s i e m e n s l 6 6 1 6 7 系列构，寻址能力1 6 - 3 2 m 字嵌入式系统的工程 日立的s h 3 系列 节语言编译器i c e ：即 实时在线仿真器 对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。将测量技术、 自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时控制 功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。从航 空航天、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分布系统与 智能控制以及机电一体化设备和产品，到邮电通信、日用设备器械，单片 机都发挥了巨大作用。其应用大致可分为以下几个方面； ( 1 ) 机电一体化设备的控制核心 辽宁工程技术大学硕士学位论文5 机电一体化是机械设备发展的方向。单片机的出现促进了机电一体化 技术的发展，它作为机电产品的控制器，充分发挥其自身优点，大大强化 了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。最典型的机电产品机 器人，每个关节或动作部位都是一个单片机控制系统。 ( 2 ) 数据采集系统的现场采集单元 大型数据采集系统，要求数据采集的同步性和实时性要好。使用单片 机作为系统的前端采集单元，由主控计算机发出采集命令，再将采集到的 数据逐一送到主计算机中进行处理。如气象部门、油田采油部门以及电厂 等均可采用这样的系统。 ( 3 ) 分布控制系统的前端控制器 在直接控制级的计算机分布控制系统( d c s ) 中，单片机作为过程控制 中每一分部操作或控制的控制器，进行数据采集、反馈计算、控制输出， 并在上位机命令的指挥下进行相应协调工作。 ( 4 ) 智能化仪表的机芯 自动化仪表的智能化程度越来越高。采用单片机的智能化仪表可具有 自整定、自校正、自补偿和自适应功能，还可进行数字p i d 调节，软件消 除电流热噪声等等，解决传统仪表所不能解决的难题。单片机的应用使这 种性能如虎添翼，如自动计费电度表、燃气表中已有这方面的应用。许多 工业仪表中的智能流量计，气体分析仪、成分分析仪等也采用了这项技术。 甚至有的保健治疗仪中也采用了单片机控制。 ( 5 ) 消费类电子产品控制 该应用主要反映在家电领域，如洗衣机、空调器、保安系统、v c d 视盘机、电子秤、i c 卡、手机、b p 机等。这些设各中使用了单片机机芯 后，大大提高了其控制功能和性能，并实现了智能化、最优化控制。 ( 6 ) 终端及外围设备控制 计算机网络终端设备，如银行终端、商业p o s ( 自动收款机) 以及计算 机外围设备如打印机、通信终端和智能化u p s 等。在这些设备中使用单片 机，使其具有计算、存储、显示、输入等功能，具有和计算机连接的接口， 使计算机的能力及应用范围大大提高。 本课题以单片机作为控制器之一，进一步研究单片机在自动化检测和 控制领域中的应用。 1 3 万能实验机检测和控制技术的现状和发展 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 本试验机是测试金属材料的力学性能的一个加载测试平台。按照加载 方式与控制方式分为三代产品：机械式加载试验机，液压式加载试验机， 微机控制的电控试验机。前两代产品基本上是人控方式，通常称为传统试 验机。 ( 1 ) 机械式加载试验机，主要是普通电动机、齿轮、丝杠式传动加 载及重锤杠杆式加载。其缺点是调整、控制加载速率十分困难，而且要求 试验机承力结构抵抗变形的刚度很大。 ( 2 ) 液压式加载试验机使人工调整、控制加载速率变得较为容易， 加载能力也得到极大加强，而且对试验机的结构刚度要求降低，特别是易 于实现双向、三向加载，这是机械加载方式难以实现的。 ( 3 ) 微机控制的电控试验机是在普通电动机、齿轮、丝杠式传动加 载的基础上改进以采用自动控制的伺服电机，或者在液压加载方式的基础 上采用电液伺服阀或比例阀，配上微机的自动控制系统及显示系统，从而 构成一个微机控制的电控试验机整体。 材料试验机按照系统动力源选用的不同，主要分为两类：液压式加载 试验机，微机控制的电控试验机。其中液压式加载试验机最为常见，其控 制系统主要通过液压阀控制液体来实现的。液压式材料试验机能承受的负 载大，并且由于试验机采用液压加载，故加载平稳，无冲击现象，因此发 展较早。近3 0 年来迅速发展起来的新型电液比例技术，是介于普通断通 控制与伺服控制之间的新型电液控制技术。比例阀以传统的工业用液压阀 为基础，采用可靠、廉价的模拟或数字机一电转换器( 比例电磁体等) 和 与之相应的阀内设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相同，而阀内压 力损失低，性能又能满足大部分工业控制要求的比例控制元件。因此发展 较为迅速。液压式材料试验机多应用于大负载范围。 微机控制的电控试验机一般采用的方法是控制伺服电机的运转，经减 速器减速后驱动螺杆转动，相应的螺母使横梁移动，从而对装配在横梁及 底座上的试件旌加作用力。这种材料试验机调速范围广，精度高，但由于 伺服电机容量的限制，一般的电子式材料试验机多使用在负载较小的场 合。 由于本课题是在原液压加载实验机的基础上，对原有实验机作智能化 改造，故本课题的系统采用了液压加载式材料试验机的结构框架。 目前，实现压力试验机全自动控制的方式主要有三种：一是调频控制， 即根据压力传感器信号，通过调频器控制电机转速从而控制油泵输出的油 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 压或加压丝杠的上下；二是电液比例阀控制，即通过压力传感器给出的信 号控制比例阀的开度，从而控制进入油缸的油量：三是电液伺服阀控制。 在国外，英国i n s t r o n 公司生产了1 1 9 0 系列、1 1 0 0 系列电拉机、5 5 0 0 系列电子试验机和日本岛津制作生产了d s s 系列和a g a 系列电拉机等 等，在国内浙江工业大学机电学院项祖丰等人研制的计算机控制电液式水 泥抗折抗压试验机，可以实现试验压力的等载荷加载，湖南大学机械工程 系唐亚莉、黄文梅等人研制了拉伸试验机，北京航空航天大学机械电子工 程专业郭正红、满庆丰等人研制了新型疲劳试验机控制系统等。 本课题研究的等加荷材料试验机主要用于煤矿企业的材料试验，其试 验性能要求较高。其控制模式为计算机控制和控制器控制。在考虑到前面 提到的三种控制方式的各自的优缺点后，主要参考了第二种控制方式，在 原有机械式实验机基础上，研发和改造一套一机双控模式的自动控制系 统，即控制器控制模式和计算机控制模式。当系统为控制器控制模式时， 以单片机为控制核心，独立实现等加荷材料试验机控制系统的全部功能， 当系统为计算机控制模式时，以计算机为控制核心，通过通信总线下传给 单片机，通过单片机实现等加荷材料试验机控制系统的全部功能。 1 4 液压万能实验机结构简介 本论文在原始实验机如图1 2 基础上所改造的实验机为台式结构，由 机械、电气、计算机和液压四大部分组成。其机械部分包括工作台、立柱、 横梁、试件及上、下夹头等，电气部分主要包括完成控制信号的产生，力 学量的测量、转换、放大、比较、显示、记录以及程序控制、安全保护等 设备，计算机是完成控制信号的产生、p i d 控制参量的调节、试验结果的 数据处理等工作，液压部分则是试验机传递载荷的能源，主要包括油泵、 送油阀、回油阀等。 从实现力学性能测试自动化现代化的要求来考虑，试验机数控化的中 心环节是将现代计算机技术引入试验机，在试验机主机或主体系统完好的 情况下，配置先进的数据采集、测试、结果自动处理系统和自动控制系统。 采用原来的油压系统加载，因而本系统基本包括计算机控制和控制器控制 两部分的改造，但是改造的重点也是难点为加力部分的速率控制即控制器 控制部分。 1 4 1 机械部分 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 等加荷材料试验机的机械部分主要由机架、试验台、上下横梁、油缸、 立杆、试样压头等组成。上横梁通过四个立杠与试台相联形成一个传递负 图1 2 原2 0 0 0 k n 液压万能试验机结构图 l 一底座、2 一活塞、3 一油缸、4 一试台、5 ，6 一上、下横梁、7 一丝杠、 8 一立杠、9 - - 油箱、l o 一油泵、1 1 一电机、1 2 一测力油缸、1 3 一摆杆、 1 4 一压板、1 5 一推杆、1 6 一表盘、1 7 一缓冲阀、1 8 一回油阀、1 9 一送油 阀、2 0 一溢流阀、2 l 一油箱、2 2 一主油缸 荷框架，该框架与移动横梁下平面形成压负荷空间、与移动横梁上部形成 拉伸负荷空间。根据式样要求通过电气控制可使移动横粱上下移动来调整 实验空间。在横梁和试样压头之间安装压力传感器，以采集试样在试验过 程中所受的实际压力数据采用机械式卡锁装置，在电气保护装置失效时 锁定横梁。 1 4 2 计算机控制电气与液压部分 ( 1 ) 电液比例阀： 随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用，流体控制元件的数字 化成了一种必然的趋势。采用传统的比例阀或伺服阀等模拟信号控制元件 构成的系统一般通过d a 接口实现数字控制，这是国内外液压数字控制流 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 行的办法。原来的液压万能试验机是通过开关送油阀阀体上手柄来调节被 控量，受人为操作影响较大，不能很好地作为自控系统中的连续控制环节。 电液伺服阀虽可连续地对控制对象作精确控制，但由于制造成本和维护费 用高、能耗大，对流体介质清洁度要求苛刻，因此使用受到限制。电液比 例阀在液压控制油路原理上与常规开关阀无本质区别，只是将手柄由比例 电磁铁代替，把电信号转变为力或位移信号，由于低成本、抗污染和高可 靠性，其性能可满足大多数工业场合要求，因此电液比例阀作为首选对象。 将其应用于液压万能试验机的改造中，配合微机调速控制系统能完全满足 其使用要求。 电液比例阀控制系统中的硬件装置由控制信号产生装置、电液比例调 速阀、比例功率放大器以及执行机构等部分组成。 ( 2 ) 试验控制器： 试验控制器以双单片机结构作为控制核心，由键盘模块、液晶显示面 板、数据采集单元( 压力的模拟量采集) 、存储器、系统时钟及液压控制模 块等组成，体积小，功能强，具有较高的可靠性。 ( 3 ) 计算机： 采用研华p 3 1 g 6 1 0 工控机，采用i n t e l 公司设计生产的8 1 5 e p 芯片组， 选用s o c k e t3 7 0 微处理器插座，支持i n t e l 全系列p e n i i u l n 及 c e l e r o n t m 微处理器，板上集成a g p 显卡，提供3 2 m 显存。该机现场运行 稳定，具有很强的抗干扰能力。 ( 4 ) 电气保护装置： 为了避免试验中出现突发性危险事件，系统除了采取机械保护措施 外，在系统的电气设计中，增加了上、下限位开关，其信息以开关量形式 实时传送给控制器，以做出及时处理，对于快进转换到工进方式时失效， 系统采用软件保护措施，排除发生危险事件的可能。 ( 5 ) 系统供电电源： 由于现场供电电源的干扰信号比较严重，所以对计算机和控制器控制 的电源采用不同的隔离措施，防止电源间相互串扰，以提高系统工作的可 靠性。计算机控制电源采用隔离变压器隔离，控制器控制电源用双级滤波 器滤波隔离。 1 5 课题研究的目的和意义 我国综采工作面刮板输送机，自7 0 年代中期开发以来，取得了长足 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 的进步，为综采机械化水平的提高和经济效益的增长起到了重要的作用。 但与国外生产工艺的先进测试与监控技术水平相比，仍存在着很大的差 距。 一方面，我公司作为全国刮板输送机生产的龙头企业，在材料拉伸、 压弯与疲劳性能指标的测试上，实验设备还是原始的老设备。而刮板机的 关键另部件的测试和实验离不开这些设备，引进和买台这样的设备，公司 投资很大。现有设备又特别落后与陈旧，况且操作极不安全可靠。譬如： 刮板的挠度与载荷压力实验、哑铃销的抗破断拉力实验、圆环链的破断负 荷、延伸率与疲劳破坏实验等等。第一手数据的采集和获得都是在人为因 素下机械地进行的，误差很大，很不准确。 另一方面，实验数据比较凌乱与离散，不具有连续性历史记录和评价 与分析过程，况且在实验过程中受操作人员的人为干扰因素很大。譬如： 同一型号如此之多的刮板机所用的圆环链与刮板作了不计其数的实验，但 从来也不能为工程技术人员提供一个科学与准确的实验数据，以便对这些 零件进行合理科学的分析和研究，设计、生产制造出合理优化的产品，降 低生产成本，提高劳动生产效率。 本课题研究开发的目的，就是要通过借鉴国内外的先进技术，对我公 司老的实验设备进行改造，实现自动检测和控制。研制的检测与控制系统 能够用来测量各种规格和型号零部件的拉伸机械性能指标，并能准确地绘 制出生产的每批零部件的拉伸曲线，以及测量出加工后的零部件本身的强 度状态变化，掌握不同条件下、最大载荷、变化率和参数曲线等技术指标。 以此来优化生产过程，提高产品质量和生产效率，降低能耗，同时为研发 大功率刮板输送设备提供了坚实的理论实验条件。 该课题研究的意义在于目前国内还没有高吨位的矿用高强度零部件 的实验检测控制系统。山西煤炭科学院作为我国煤炭机械研究与测试的权 威机构，该院花了几百万从德国引进了一台先进的拉伸实验设备。其设备 上安装有微电脑技术，可对实验数据进行监控、记录、l e d 液晶显示、存 贮、打印输出，并且可输出实验的全过程曲线图，便于科研人员的研究与 分析。 国外先进发达的欧美国家早已在测试与控制等机电一起化方面得到 了广泛的应用和发展。因此、为了赶上和超过国外发达国家的科技水平， 要生产出高可靠的产品，必须提高生产效率，淘汰和改造一些能耗高、效 率低、性能差的设备。所以，在现有设备的基础上，只须花少许的钱，就 辽宁工程技术大学硕士学位论文 可完成对我公司2 0 0 0 k n 液压实验机的上述功能的改造。 总之，该项目的研究与实现对改变我公司目前在国际上重型和超重型 刮板输送机关键零部件的研制和生产上技术落后的状况具有极其深远的 意义。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 2 实验机检测控制系统概述 等加荷材料试验机的材料拉伸试验自动检测过程如下：先将被测试件 按要求放置在实验平台上，打开控制器电源开关，选择试验控制模式，进 入试验状态后，设定本次试验的加荷速率。按启动键，系统进入程控试验 状态，控制器控制电液比例阀以完成试验。压头先以高速向下运行，同时 读取提前触点状态和压力传感器的压力值，如果提前触点闭合或压力传感 器的压力值超过程序设定值，压头进入工进速度状态。当试验压头接触试 件后，控制器控制电液比例阀的流量，试验压头上的压力传感器采集实时 压力，试验控制器的液晶屏同时显示实时压力值，并将采集到的数据进行 保存。压头的负载力通过压力传感器检测并转换为反馈信号，反馈给试验 控制器，再经试验控制器内部控制算法运算，得出下一周期液压比例阀的 流量控制信号。 2 1 检测控制系统简介 本检测控制系统专门用来测量煤矿用设备的关键零部件的拉、压等实 验数据。仪器外壳拟采用密封结构，能够在室温环境中使用，防水防潮， 采用内置电源方式工作。为了达到对工件精确的测量，要求设计的数据采 集系统能对工件相联的所有传感器采集并保存于数据存储器中；测量完毕 后，可以通过上、下位机通讯软件将采集的数据通过串行通讯接口载入计 算机中，绘制载荷曲线、保存数据，并进行相应的分析。用本系统进行载 荷描绘能准确监控工件在通过受力加载时工件的真实变形失效形式，从而 可以立刻发现问题，确保设备在最佳工况状态下运行，节省能源和提高效 率。本系统具有操作简单、精度高、省电、性能价格比好等优点。本检测 系统与所有计算机系统一样，由硬件和软件两大部分组成。 该系统利用单片机构成的金属材料拉、压自动检测能对工件受载变形 进行采集和处理，监控工件的加载过程及产品的质量状态。 ( 1 ) 利用计算机软件c + + b u i l d e r 编制上位机程序。由于单一采用控 制器控制，无法完成数据浏览、报表打印、实际值和理论值的比较等功能， 但是采用计算机监控的速度无法满足实际的需要，故采用计算机和控制器 两种控制方式进行互补。 ( 2 ) 进一步改进算法以提高系统动态加荷速率的稳定时间。先期工 作使系统稳定的时间在1 2 1 6 s 之间。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 3 ) 解决了快进转换到工进时的失效问题。快进转换可靠的转换到 工进时是系统正常工作的条件，如果快进转换到工进时的接近开关一旦失 效，压头将一直以快进下降，试验将无法正常进行，甚至损坏系统。如何 保证系统在快进转换到工进失效时，系统仍能正常工作，是本论文需要解 决的一个问题。 ( 4 ) 进一步提高系统现场抗干扰的能力，包括驱动器的零漂和d a 的零漂) 也是影响系统稳定性能的一个重要因素。 ( 5 ) 改进液晶显示算法。采用汉字和图形的显示方法每次要扫描液 晶，占用系统时间长，需要采用优化的显示方法缩短显示时间。 2 1 1 系统的技术路线 ( 1 ) 研制一套用于液压比例阀的控制器，以控制器控制和计算机控 制两种控制模式完成材料断裂试验的全过程。其配置由计算机、a t 8 9 c 5 2 单片机、a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机、传感器、接口电路、3 2 0 x 2 4 0 点阵图形液 晶显示器和通信接口电路等组成。 ( 2 ) 在原动力源不变的条件下，选用合适的测量控制传感器及相关 器件。 ( 3 ) 整个系统采用实时控制方式，可视化人机接口界面，计算机通 过通信模块m a x 2 0 2 实现和控制器之间的数据通讯。 ( 4 ) 计算机控制软件采用c + + b u i l d e r 可视化编程软件，数据的存 储采用数据库编程技术实现。 2 2 系统的设计要求及原则 智能实验机自动检测控制系统主要包括力的自动检测和载荷变形通 讯及分析软件两大部分。要求设计力的自动检测能对载荷及实验机上直接 与工件相连的传感器的力和变形进行收集并保存于仪器中，系统采用力传 感器和位移或变形传感器将被测载荷和变形转换成电量，经过信号处理 后，由模数转换器将模拟量转换成数字量，再与单片机接口，测量结果可 通过单片机与上位机之间的通信在上位机上显示，绘制出载荷曲线，并进 行相应的分析。由于系统要求采样间隔能在1 秒至5 分钟可调，故采用上 位机实现对检测仪的采样间隔设定。具体设计要求归纳如下； ( 1 ) 检测载荷范围为0 2 0 0 0 k n 。 ( 2 ) 具有电量不足示警功能。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 ( 3 ) 通讯软件具有良好的人机界面，能够准确的显示载荷数据，并绘 制出载荷曲线。 在系统的扩展和配置设计中，应遵循以下原则； 尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下基础。 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要 求，并留有适当余地，以便进行二次开发 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。 系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。 可靠性及抗干扰设计是硬件设计不可缺少的一部分，包括芯片、器 件的选择、去耦滤波等。 单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。 本系统的改造原则是高效、实用、方便。所谓高效，主要是指检测效 率高，用较快的速度、较高的质量完成较好的检测功能：所谓实用，是指 尽可能地增加系统的可扩展性、灵活性，功能尽量完善，尽可能提高检测 精度；所谓方便是指操作、维护、使用、调试尽可能地简单方便。 2 3 系统的性能指标 ( 1 ) 测力量范围：0 2 0 0 0 k n 。 ( 2 ) 测力精度：1 。 ( 3 ) 系统工作温度：0 7 0 。 ( 4 ) 最大拉伸空间：0 一1 0 0 0m m 。 ( 5 ) 最大压缩空间：0 1 0 0 0 咖。 ( 6 ) 工作压力：2 2 m p a ( 7 ) 存储能力：3 6 0 0 个数据通道。 ( 8 ) 采样间隔：1 秒5 分钟可调。 注：本系统传感器和信号放大电路是系统误差的主要部分，根据经验， 应将系统误差的8 0 分配给此部分，则该部分相对误差为0 8 。一般情况 下，系统的精度要比传感器的精度高3 5 倍，故选择精度为0 2 的压力 与位移传感器，完全可以达到系统要求的精度。数据采集和a d 转换部分 及其它环节的相对误差为0 2 。选择元件精度的一般原则是：每一个元件 的精度指标应低于系统规定的某一最严格的性能指标的1 0 倍左右，本系 统选择的a d 转换器、d a 转换器、开关等的线性误差均在0 0 2 左右， 并留出一定余量。因此本系统的检测精度完全可以达到1 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 2 4 检溅瞄赫影柏纠带点 本检测系统专用于矿用机械设备零部件的力学测量，它属于在线检测 系统。具有操作简单、精度高、省电、性价比好等优点。 ( 1 ) 一机双控模式： 一个系统采用两种控制模式：计算机控制模式和控制器控制模式控 制器控制模式以单片机为核心，利用a d 、液晶控制器、f l a s hm e m o r y 、 d a 、电液比例阀等外围器件构成整个控制系统，计算机控制模式以计算 机为核心，利用串行通信，实现和控制器控制模式相同的功能。 ( 2 ) 实现精确压力测量与控制- 本系统的一个重要特点在于实现了试样试验的在线精确压力测量与 控制，在采用了改进的在线修改的p i d 控制算法和多种软硬件抗干扰措施 后，试验系统达到了材料试验机规定的较高的静态及动态性能指标。 ( 3 ) 系统采用了先进的s p i 串行总线形式： 本系统硬件的突出特点是采用可以大大简化电路复杂程度的串行外 围芯片。如a d 转换、w a t c h d o g 、键盘管理等与主单片机的联系均采用串 行工作方式，大大简化了线路，使系统硬件结构更加简化，提高了系统的 集成度。当然，随之而来的代价是系统运行速度的下降，原因是涉及外围 芯片的操作均为串行操作。但因采用的芯片本身速度高，兼之经过精心设 计，这并不会影响系统的实时性。 ( 4 ) 双机协同工作模式： 鉴于系统设计思路采用了实时操作系统的设计思想，在键盘指令解释 及控制指令执行的环节中，为了解放主c p u a t 8 9 c 5 2 的繁重任务，键盘指 令输入由下位机8 9 c 2 0 5 1 解释执行，同时以中断形式报告主c p u ；下位机 同时还分担了直接控制电液比例阀的主要任务及报警等功能。主从机采用 双向点对点中断通信方式，以实现数据的实时交换。 ( 5 ) 实现试验过程控制和压力伺服控制： 试验控制器在完成试验过程控制的同时，还需要进行试验压力的伺服 控制。控制器的软件设计按功能要求以模块化形式进行了编写，实现过程 控制与压力伺服控制的协调。 ( 6 ) 具有良好的人机操作界面： 无论是计算机控制模式还是控制器控制模式都采用了良好的人机操 作界面。控制器控制模式采用按功能自定义的3 4 键盘和3 2 0 2 4 0 象 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 素的液晶控制器作为试验操作和测量数据显示的人机界面。计算机控制模 式利用计算机软件c + + b u i l d e r 的强大功能，通过t e e c h a r t 控件的良好 图形功能完成数据图形显示。 ( 7 ) 相当周全的抗干扰措旌： 针对工业现场的多种干扰，系统采用了硬件抗干扰和软件抗干扰两种 措施。系统的硬件部分采用了隔离变压器、双级滤波器、r c 滤波、看门 狗电路等多种方式，软件部分则采用了算术平均值滤波法和软件陷阱两种 抗干扰方法。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 3 实验机自动检测控制系统的硬件 系统硬件电路设计的优劣直接影响到系统的可靠性和稳定性，这也是 软件编程的基础。本系统的硬件电路采用双单片机结构，以单总线通信方 式进行协同工作，分工完成试验各项功能。其中主微处理器采用