在各類(lèi)材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn),生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制,材料科學(xué)研究和教學(xué)試驗(yàn)中都必須應(yīng)用
試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,力學(xué)性能的自動(dòng)測(cè)試已成為體現(xiàn)測(cè)試技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。目前,我國(guó)約有數(shù)萬(wàn)臺(tái)國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口的各類(lèi)試驗(yàn)機(jī),其中大部分試驗(yàn)機(jī)因不具備電測(cè)能力而處于癱瘓狀態(tài),因此對(duì)試驗(yàn)機(jī)的改造勢(shì)在必行。鑒于此情況,我們對(duì)電液式
萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集,處理及對(duì)試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)控制功能等。
1、工作原理概述
由圖1 可見(jiàn),萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的電液控制系統(tǒng)輸入信號(hào)”。,此信號(hào)是根據(jù)試驗(yàn)要求在時(shí)間坐標(biāo)上輸出某種波形的電壓量,經(jīng)控制放大器將電壓量放大并轉(zhuǎn)換成電流△Jr 后輸入電液控制閥,使電液控制閥輸出相應(yīng)的流量AQ 或壓力△p,控制液壓缸使活塞帶動(dòng)試件按輸入的信號(hào)運(yùn)動(dòng),負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)它的被控量,如位移,力,變形,加速度等,由檢測(cè)元件檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電量u2,這一電量由計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)處理,一方面用來(lái)顯示,保存和數(shù)據(jù)處理,另一方面與原信號(hào)u。進(jìn)行比較,直到被控制量u2 與輸入量u,相等為止,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的閉環(huán)控制。
圖1 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)工作原理圖
2 測(cè)控系統(tǒng)
電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:對(duì)檢測(cè)元件的信號(hào)進(jìn)行采集放大及A/D 轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī),進(jìn)行顯示分析保存,測(cè)試系統(tǒng)的控制算法對(duì)試驗(yàn)機(jī)的控制給出控制信號(hào);控制信號(hào)進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換,輸出給控制放大器,使整個(gè)系統(tǒng)完成閉環(huán)控制。
(1)硬件部分
本系統(tǒng)硬件主要由計(jì)算機(jī),打印機(jī),A/D 轉(zhuǎn)換器,D/A 轉(zhuǎn)換器,檢測(cè)元件及外圍電路組成(如圖2 所示)。由于電液式試驗(yàn)機(jī)本身具備完整的電測(cè)能力并配置具有一定功能的數(shù)據(jù)自動(dòng)處理裝置,因此在硬件上無(wú)需較大改進(jìn),我們只在傳感器上做了些改進(jìn),采用光柵式的引伸計(jì)和位移傳感器,輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)串行通訊接口直接輸入計(jì)算機(jī),這樣既提高了精度也提高了準(zhǔn)確度。
圖2 硬件系統(tǒng)組成原理圖
(2)軟件部分
軟件部分是對(duì)電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)改進(jìn)的 重點(diǎn),我們根據(jù)GB228—87《金屬材料拉伸試驗(yàn)法》, GB232—87《金屬?gòu)澢囼?yàn)方法》,GB7314—87《金屬 壓縮試驗(yàn)方法》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),采用了模塊化設(shè)計(jì)方法, 運(yùn)用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言VisualC++6。0 對(duì)測(cè)控軟件進(jìn)行重新編寫(xiě),其結(jié)構(gòu)和功能模塊如圖3 所示。
①參數(shù)設(shè)定模塊。A。傳感器參數(shù)的設(shè)定:由于 各傳感器出廠時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)不一,若直接用于測(cè)試則采集的數(shù)據(jù)無(wú)信任度,另外根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定,傳感器需定期檢測(cè)標(biāo)定,因此我們將檔位選擇,標(biāo)定值設(shè)定及標(biāo)定算法集成類(lèi)CSign,與其他模塊相銜接構(gòu)成相應(yīng)的標(biāo)定界面,共同完成標(biāo)定功能。操作時(shí)只需在標(biāo)定界面中輸入有關(guān)數(shù)據(jù),點(diǎn)擊參數(shù)即可完成;B。試驗(yàn)類(lèi)型的設(shè)定:萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)拉伸,彎曲,壓縮三種試驗(yàn)方式,試驗(yàn)前軟件會(huì)給出對(duì)話(huà)框提示選擇試驗(yàn)類(lèi)型;C。試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定:不同的試驗(yàn)有不同的試驗(yàn)參數(shù),如采集速率,應(yīng)變片靈敏系數(shù)等需在試驗(yàn)前設(shè)定。我們給出一定的參考值供用戶(hù)選擇,同時(shí)用戶(hù)也可以對(duì)這些參數(shù)自行設(shè)定。
圖3 軟件功能模塊圖
②數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)與硬件部分通信,實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入/輸出操作。根據(jù)硬件系統(tǒng)的特點(diǎn),本模塊采用串行通信方式在后臺(tái)進(jìn)行I/O 操作,我們運(yùn)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)創(chuàng)建了DLL 文件CommDLL,最后利用Vc++AppWizard 將CommDLL 添加到由其他模塊組成的主工程中,在主工程中實(shí)現(xiàn)對(duì)CommDLL。dll 的調(diào)用,以完成數(shù)據(jù)采集功能。其工作原理如下: 當(dāng)它收到主程序開(kāi)始采樣的請(qǐng)求后,便創(chuàng)建兩個(gè)線程: 采集線程和消息線程。采集線程負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)寫(xiě)到主程序提交的內(nèi)存;而消息線程由多媒體定時(shí)器控制即每隔一段時(shí)間多媒體定時(shí)器就調(diào)用一次此線程,此線程負(fù)責(zé)給主程序發(fā)送數(shù)據(jù)處理消息。當(dāng)主程序接收到此消息后,便從它提交內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此處需要注意的是采樣線程和消息線程在讀寫(xiě)應(yīng)用程序提交的內(nèi)存時(shí)要保持同步(如當(dāng)采集線程正在向內(nèi)存進(jìn)行操作時(shí)消息線程就不能對(duì)此段內(nèi)存進(jìn)行讀操作,否則就可能導(dǎo)致讀寫(xiě)錯(cuò)誤)。保持線程同步的方法很多,如互斥量(Mutex),信號(hào)量(Semaphore)和事件(Event)。我們使用了事件方式。DLL 可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序共享代碼和資源,從而極大地提高了應(yīng)用程序的編寫(xiě)效率和執(zhí)行效率,也有利于我們對(duì)此軟件的 升級(jí)維護(hù)。
③數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理主要包括兩部分:第 一,對(duì)數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示,如示值,力值——時(shí)間曲線,力值——位移曲線等,此外還需對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,自動(dòng)計(jì)算應(yīng)力,伸長(zhǎng)率,確定屈服點(diǎn)等;第二,試驗(yàn)機(jī)具有等速率負(fù)荷控制,等速率變形控制和位移控制三種控制方式。本軟件可完成在試驗(yàn)過(guò)程中控制方式的自動(dòng)切換,保證試驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)的完整性,在這點(diǎn)上主要考慮用數(shù)字比較器,即將力控制,位移控制,變形控制三種方式PID 過(guò)程調(diào)節(jié)的三組數(shù)學(xué)模型。數(shù)字比較器將從采集的位移速率(變形速率,力加載速率)與設(shè)定的相應(yīng)速率進(jìn)行比較,其差量根據(jù)與硬件預(yù)先制定的協(xié)議串行輸出,通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換等按一定寬度的脈沖給功率放大器,控制液壓比例閥動(dòng)作,從而高精度推動(dòng)活塞按設(shè)定條件工作。
④結(jié)果輸出模塊。結(jié)果輸出模塊主要實(shí)現(xiàn)打印,數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能,其中數(shù)據(jù)庫(kù)部分除了基本的查詢(xún),刪除,修改等基本操作外,還配置了歷史曲線分析功能,用戶(hù)可以過(guò)去的試驗(yàn)記錄進(jìn)行重新自動(dòng)或手動(dòng)分析,此外考慮到與企業(yè)Intranet 聯(lián)接,我們還在設(shè)置了 網(wǎng)絡(luò)接口,便于企業(yè)網(wǎng)的全局管理。
⑤各模塊聚合。將各模塊集成主程序,則本軟件完成。經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行后,本測(cè)控系統(tǒng)已得到良好運(yùn)用,試驗(yàn)進(jìn)行中的部分界面顯示見(jiàn)圖4。
3、結(jié)論
我們改進(jìn)了計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)后,試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)速度,試驗(yàn)精度和先進(jìn)程度都得到了提高,并且實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程的全自動(dòng)化。操作簡(jiǎn)便,人機(jī)界面友好,能回放曲線和試驗(yàn)結(jié)果,整個(gè)改造的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了較先進(jìn)的水平且實(shí)用性強(qiáng),同時(shí)該系統(tǒng)與帶微機(jī)自動(dòng)采集系統(tǒng)的新試驗(yàn)機(jī)從性?xún)r(jià)比上講,前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者,老機(jī)新用,可節(jié)約大量資金,在生產(chǎn),科研,教學(xué)上有著良好的應(yīng)用前景。
