液壓材料試驗機的自動化改造方案

      隨著科學技術的進步和自動化水平的不斷提高，對材
料機械性能實驗的要求越來越高，特別是在實驗的精度，
實時顯示，以及數據處理等方面都有了更高的要求，智能
化要求己成為主注趨勢，出現了“機—電—液”三者相結
合的新型實驗設備。但受到新型材料拉伸試驗機的價格
因素的影響，部分企事業單位和大專院校還不能及時更
新為較為先進的材料拉伸試驗機，特別是一些小型企業，
仍然在使用老式的液壓材料試驗機。此類試驗機雖
然有些落后，體積也比較龐大，但其操作方便，油壓系統
耐用，使用壽命較長。這就使許多試驗機使用者希望在原
設備基礎上進行升級改造，可以大大節約投資成本，在測
試精度方面也能得到滿足，同時也讓參與改造者提高自
身的技術水平。

目前試驗機存在的主要問題
（1）測量精度低。該系統通過油泵輸出油液進入工作
油缸對試樣施加載荷，同時進入測力油缸，帶動聯動擺
錘，用推桿推動測力讀盤指針，由讀數盤指針讀取數據。
由于中間均為機械傳遞，因此有相當的誤差；另外讀數盤
zui小精度為格，且由人工讀取數據，導致測量精度低。
（2）無法定量控制加載速率。試樣加載速率控制是操
作者按經驗調節節流閥的開度，從而控制進入工作油缸
的進油量來實現，這種控制方式與操作者的經驗有關，無
法實現定量控制。
（3）缺乏實時性，曲線繪制單一。目前試驗機只能粗
略繪制“載荷———變形”曲線，不能定量實時測出各時刻
應力和應變數值，也無法直接得到“應力———應變曲線”。
（4）自動化程度差，效率低。試驗數據處理手段大部
分仍需要靠人工，實驗報告也需要手工完成，既費時又費
力。[1]
隨著科技的進步，人們需要現代化的測試手段，對設
備的功能要求越來越高，希望能減輕勞動力，顯然液壓萬
能材料試驗機與現代機電液一體化設備的發展趨勢已不
相適應，它的測試手段已遠遠跟不上現代測試技術要求，
測試結果的度也得不到保證，必須自動化升級改造。
2 改造方案比較及選用
試驗機的改造方案很多，每種方案有各自的優缺點，
常用的改造方案如下。
（1）應用單片機系統改造液壓材料試驗機，其主
要優點是結構簡單、體積小、成本低，便于實現嵌入系統。
但電路系統復雜，系統的穩定性不高，數據的處理速度
慢，無法實現實時控制。目前試驗機領域的關鍵問題是加
載時必須保持恒定的應力速率或恒定的應變速率，采用
這種方法顯然是達不到這種效果。
（2）采用由速度控制器控制電機，從而控制壓力施加
負荷，并具有速度電流反饋，是一種傳統的控制方式。比
如采用位置式控制器計算步進電機驅動步數，以獲得良
好的應力速率、應變速率、位移速率控制以及定荷、定應
變、定位移控制試驗結果。但液壓材料試驗機是一種
典型的非線性時變系統，難以建立的數學模型，運用
常規控制器很難達到理想的控制效果。在實際現場中，由
于受到參數整定方法繁雜的困擾，應用常規控制器往往
整定不良，性能欠佳，對運行工況的適應性差。
（3）采用微機和傳感器技術對舊式的材料試驗機及監
測等設備進行技術改造，在應力應變速率控制問題上采用
電液比例閥或電液伺服閥實現高精度控制，測量控制系統
采用計算機卡式設計，采用光電隔離集成電路。具有抗干
擾能力強，質量可靠，穩定性高等優點，而且點擊鼠標即可
完成，使用方便。還可以繪制多種試驗曲線，具有曲線數據
存儲及曲線放大功能，適合試驗機向著高自動化水平，操
作簡便，可靠性高，穩定性好方向發展的要求。
選擇何種改造方案，要結合具體的實際情況，選擇zui
佳的改造方案，以滿足用戶的需要。綜合考慮，我們選用
第三種方案，即在液壓試驗機上安裝負荷、變形和位
移傳感器，增加電液閥控制加載速度，使設備由原來傳統
的機械式負荷測量系統升級為較先進的電子測力、測變
形系統

摘要：液壓式材料試驗機雖然價格便宜，經久耐用，但存在著精度低、加載速度無法控制、自動
化程度低。因此需要對液壓材料試驗機進行自動化改造，通過加裝相關傳感器、電液比例閥，通過計算機控
制實現了拉伸試驗的自動化改造。
3 機械部分和硬件組成
該系統的改造除保留了原有的手動加載部分，另增加
了一條支路，用電液比例閥來控制試驗機的加載速率。這
樣既可以手動操作又可以選擇自動化控制。在進油管處
增加高精度壓力傳感器，用來檢測系統的壓力并且用了
位移測量系統及計算機采集處理等技術，實現數據的自
動采集、分析和處理。在數據采集上，采集速度快、測量精
度高；在數據分析上，考慮得更加周全；在數據處理上，具
有智能交互、圖文并茂的特點，能以數值顯示、圖表、曲線
等多種方式表現實驗數據，并可根據教學要求對實驗數
據進行各種分析與處理。讓試驗機在信號檢測、數據處理
方面更接近現代試驗機發展水平，適應目前國內外的試
驗機發展面向智能化、準確化，操作簡便，穩定可靠發展
的趨勢[5]。
因此，升級改造后的液壓式試驗機由以下幾大部
分構成。
（1）主機部分。主要由油缸、工作活塞、底座、工作臺、
立柱、上下移動橫梁、試樣夾持以及活動橫梁等組成，主
要功能是由試樣夾持機構夾緊和固定試樣，對試樣進行
加載。
（2）液壓控制部分。主要由油箱、高壓油泵、送油閥、
回油閥、電液比例閥、截止閥、測力油缸活塞、主機的工作
油缸、工作活塞等組成，主要功能是控制試件的夾緊及試
件的加載。
（3）檢測部分。主要由負荷傳感器（壓力傳感器）、電
子引伸計、光電編碼器（位移傳感器）等組成，主要功能是
檢測試驗對象所受的試驗力、變形及橫梁運動的位移。
（4）數據采集處理和控制部分。主要由數據采集、處
理、控制電路、計算機軟硬件系統、打印機、手動控制器件
等組成，主要功能是完成整個系統的控制、各種參數的設
置、顯示、試驗過程及試驗結果的記錄、試驗數據的處理、
存儲、試驗結果的輸出等功能。
（5）電氣部分。其基本組成有各類繼電器、交流接觸
器、開關按鈕等，主要功能是油泵電機的開關，控制橫梁
升降機構的動作以及各種限位、過載保護等。
（6）附件。主要由拉伸、壓縮試驗夾具、彎曲試驗附件
及其他特殊試驗附件（各種嵌口、夾頭）等組成。其基本功
能是通過更換夾具，完成各種特定的試驗。
相關機械部分及硬件聯接如圖2 所示。
4 控制軟件的結構設計
軟件性能的好壞直接影響到操作的簡便性和數據的
可靠性等，甚至影響到能否成功改造。本改造系統的配套
軟件主要結構功能如圖3 所示，該測試軟件主要由數據
采集、圖形輸出、數據輸出、報告打印、比例控制（伺服控
制）等五個模塊組成。
數據采集模塊的主要功能是設置初始化參數，如采集
時間間隔、采集總時間等，還包括傳感器調零、標定等；圖
形輸出模塊是指在采集過程中，根據采集數據所繪出的
圖形輸出到屏幕上，或者事后把處理的數據圖形從打印
機輸出；數據輸出模塊主要是把材料性能的關鍵點數據
和所采集的數據中的某一時間段內的數據從打印機上打
印出來，或者手工修改、增減某些數據并存盤；報告打印
模塊是指實驗做好以后，把材料的關鍵性能數據、原始圖
形以固定格式的實驗報告形式打印輸出；比例伺服控制
模塊主要是對比例壓力流量復合閥進行控制，包括對D/A
卡的初始化、設置等[6]。

5 改造后的功能及結論
（1）采用先進的數字比例壓力流量復合閥作為控制元
件，實現了加載力值和加載速度的微機自動控制。具有加
載力值可控、低速大負荷測試效果好、測試性能穩定可靠
的特點。
（2）計算機屏幕顯示數據，包括變形、加載速率、變形
速率，材料特性點（上下屈服點、zui大點、斷裂點）、彈性模
量、斷面收縮率等，實驗結果可以整理成報表，方便直觀，
實時性好。
（3）支持打印機及繪圖儀對實驗結果的打印和實驗曲
線的繪制，屏幕所見即報表所得；可進行成批實驗報告及
檢驗報告的打印和存儲，*性的保留實驗報告。[7]
（4）改造中保留原有的手動加載部分，這樣既可手動
操作又可以自動控制，方便靈活，有利于教學。
試驗機改造的成功與否，關鍵是看zui終的測試數據精
度是否達到要求，試驗曲線繪制是否準確。改造后經過具
體的數據和曲線圖驗證，說明了改造是成功的，無論是從
測試精度還是測試手段來看，都比以往更加準確可靠.
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