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电子拉力实验机的设计

来源:拉力试验机厂家    发布时间:2015-04-23 11:18
 电子拉力实验机的设计
 
 
1.1、课题研究背景、目的及意义
本课题来源于横向课题,其目的是研制电子拉力试验机的数据采集装置,测量控制系统。随着现代工业的发展,现代新型材料层出不穷,为了探索新型材料在各种复杂环境(高温、高压、真空、腐蚀等)下的具体参数,就要进行的抗拉强度试验以便得到较好的机械性能、工艺性能、结构强度,从而控制产品的质量。抗拉强度是指材料所能承受的应力,它表征了材料抵抗断裂的能力,用表示(F:试样在断裂前的载荷,S:试样原始横截面积)。材料的机械性能又称力学性能是指材料在外力作用下所表现出的抵抗能力,由于载荷的形式不同,材料可变现出不同的力学性能,如强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等,材料的力学性能是零件设计、材料选择及工艺评定的主要依据。工艺性能是指材料在加工过程中所表现的性能,也就是加工的难易程度,它包括铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺等,工艺性能的好坏,决定了材料在加工中成形的适应能力。材料在外力作用下,它的力学行为表现为弹性形变、塑性变形、断裂等主要过程,研究材料的力学行为具有重要的工程实际意义。
拉力试验机是通过拉伸来检测金属材料、非金属材料、零部件、构件的强度、刚度、弹性、塑性、韧性、延展性的基础试验装置,拉力试验机所测定的实验数据,是从事工程设计和保证产品安全工作的依据。没有的试验数据,在生产中可能造成材料浪费,甚至造成严重的质量事故。
拉力试验机广泛应用于机械、建筑、交通、运输、冶金、化工、轻纺、航空、航天、能源开发、新型材料、医疗卫生以及国防科技、大专院校等国民经济的各个领域和部门,拉力试验机测量的准确性、快速性和控制的先进性直接取决于国家的工业基础和装备水平,同时拉力试验机作为一种精密的测试仪器,对于材料科学的快速发展、对于工业产品和工程结构的合理设计、产品质量提高和产品成本降低以及国家装备制造水平的提高都具有极其重要的作用。
1.2、课题国内外研究现状及趋势
在工业生产的发展过程中,新材料、新工艺、新产品不断出现,如何测定新材料的力学性能、新产品的结构性能,需要相应的材料试验设备以及材料试验方法,于是材料试验机应运而生。台拉力试验机诞生于二百多年前的西欧,它采用机械杠杆、砝码加荷的原理制成,用以测定钢铁和其他金属材料的抗拉强度,即抵御外部负荷而不被破坏的抗力。随着材料学和材料力学的发展,拉力试验机便逐渐成为一种专门用于研究各类材料机械性能、工艺性能、结构强度的手段和工具。二战以后,科技事业的迅猛发展促使各国试验机产业界屡次进行产品结构、技术结构与企业结构的自觉性改革,使材料试验机成为工业质量保证体系中不可缺少的重要组成部分。
拉力试验机主要由机械部分、数据采集部分、伺服驱动部分、数据处理部分等组成,随着科学技术的发展,拉力试验机经历了机械式拉力试验机、电液伺服式拉力试验机、电子微控式拉力试验机三个主要阶段。
国外拉力试验机经过一百多年的发展,在拉力试验机的控制、测量和记录系统中,广泛采用了电子技术、计算机技术,是拉力试验机的整体性能得到很大的提高。比较有代表性的是德国申克(Schenck)公司、MPL公司、沃尔伯特(Wolpert)公司和美国的MTS公司、奥尔森(Olsen)公司、英斯特朗(Instron)公司、茨维克(Zwick)公司和日本的岛津公司、东京横机公司、东阳精机公司以及松泽公司等等。拉力试验机在我国已有五十多年的发展史,我国有代表性的公司的产品是长春试验机研究所开发的CSS-2200系列电控试验机,该产品技术指标已达到上世纪八十年代末国际先进水平,居国内领先地位。
拉力试验机不断发展的同时,拉力试验机的附件和辅助装置也在不断更新发展,如高温加热装置、低温制冷装置、高低温夹具、高低温引伸计、大变形跟踪测量装置以及气动与液压动力系统等。拉力试验机试验的内容从载荷-变形测试发展到测试含有微裂纹试样的力学性能,通过拉力试验机的拉伸过程揭示试样内部微裂纹发展、扩大,直至试样断裂的过程,通过工业CT技术、光电技术、计算机技术等高科技的综合运用,是拉力试验机的应用研究从宏观向微观深入。
目前,新型拉力试验机中采用了DSP构成的多功能数据采集控制器,此类控制器具有同时采集多个传感器输出量和控制多个执行机构进行动作的能力:此外DSP具有强大的数据运算能力,可以限度地对采集的数据进行处理与分析,通过采用现代的控制算法进行运算后可以对拉力试验机执行机构进行最优化的控制。所以用DSP数据采集控制器进行拉力试验机的采集与控制,成为了目前主流高档拉力试验机的发展趋势。但是由于基于单片机的数据采集与控制系统相对成本较低,大量的中、低档拉力试验机让然采用单片机进行数据的采集测量与拉伸控制;同时随着单片机技术的发展进步,各类采用新技术、新结构的多功能单片机不断涌现,一些新兴单片机由于在片内继承了多通道高精度A/D与D/A等原来的单片机外围元件,其测量控制能力越来越强大,某些新型单片机的功能已接近DSP,所以单片机作为拉力试验机的主控部件将在今后相当长的一段时间里将继续得以存在。拉力试验机的控制系统通常采用C语言编程进行控制,控制直流电机的正转、反转、行程限位保护等。
拉力试验机地发展需要解决的问题还很多,整体而言表现在一下几个方面,也在一定程度上代表了拉力试验技术发展的趋势和方向:
(1)高精度地控制加力变化、试样应变,力求能严格按给定条件在试验过程中的控制状态转换,地显示试样从形变到断裂的细微过程。
(2)发展性能更稳、反应更快、精度更高的应力应变测量装置。
 (3)跟踪型电子显微镜和平疲劳试验及的配套。
(4)自动高温加热、低温制冷以及气动夹具等辅助装置的综合使用。
(5)电子技术、计算机技术、控制技术的进一步运用,提高拉力试验机的自动化水平,使数据采集、横梁移动、数据处理更快、更稳、更准。
2.毕业设计研究内容及任务
2.1、研究内容
本课题的主要任务是开发一套拉力实验机的数据采集和测量控制系统,通过对标准试验加载,完成拉伸动作,记录载荷力和试样变量的实时数据,并分析计算材料的力学性能指标。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       由于DSP数据采集装置和测量控制系统价格昂贵、技术难度大,而基于单片机的数据采集与测量控制系统相对成本较低,技术难度适中,从用户的实际情况和产品的性价比的角度出发,本课题采用基于单片机的数据采集与测量控制系统。
2.2、设计思想及设计方案
 (1)硬件设计
    数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后,再有计算机进行存储、处理、显示或打印过程,相应的系统称为数据采集系统。本拉力实验机测量的数据包括加载负荷测量、横梁位移测量。
在拉力实验机通过给试样加载负荷进行拉伸,使试样发生弹性变形,塑性变形直至断裂的过程。在拉伸试验过程中,加载负荷即拉力是测量尤为重要,它的大小及精度直接影响到测试试样的力学性能,特别是刚刚可能达到试验要求强度、塑性变形、断裂等瞬时应变状态数据时,力值精度对他们的影响直接决定了该材料的合格性。因此,本课题选择利用拉力传感器进行拉力实验机的负荷测量。
拉力实验机机械体有两个横梁,一个是定横梁,另一个是动横梁。在拉伸试验中,动横梁经过的距离即是要测的位移量。试样变形量和横梁位移量虽然都是行程量,但它们所表示的意义和测量方法是不同的。变形量的测量是通过电子引申计直接对试样变形进行测量,输出的是与试样变形成对应比例的模拟电压信号,必须通过信号放大和A/D转换才能被计算机采集。位移测量是通过光电编码器间接对横梁位移进行测量,输出的是与横梁位移成对应比例的脉冲个数,是数字信号,可以直接被计算机所采集。本课题在数据采集研究过程中使用了80C51F020或80C51F022单片机的内部A/D转换芯片。拉力实验机系统结构框图如图2-1。
 电子拉力实验机的设计 
图2-1 拉力实验机系统结构框图
 (2)软件设计
    本拉力实验机系统的核心是单片机控制系统,负责控制直流电机手动、自动调速,电机转动、停止,行程限位保护等。通过定时器产生不同频率的方波来控制电机的运转,电机的启动、停止是以有无脉冲来判断;电机的转速是以脉冲的频率的快慢来决定,脉冲频率有定时器的初始值确定。本单片机控制系统采用定时器T0。                     
2.3、毕业设计拟采用方法和手段
实现手段:软件编程采用C语言进行编程。芯片采用80C51F020或80C51F022单片机的内部A/D转换芯片,显示方面采用CM19264-1液晶屏,采用TCP/IP进行网络通讯,RS-232进行信号输出,采用模数转换采集检测信号。用计算机通过网线输入给定量。A/D模块采集一个模拟量,控制信号通过RS-232输出。同时液晶屏显示拉伸参数,输入数值,输出数值,以及系统运行状态。
2.4、毕业设计课题的最终目标及达到的水平
依此方案设计的电子拉力实验机能成功的检测出试样的力学性能,可方便的对材料进行拉伸,数据采集和测量运行正常。能实现计算机通过网线远程对现场设备进行测控。系统可直接进行模拟量采集,通过远程计算机输入给定量,且能通过采集量和给定量能对材料进行良好的拉伸控制,拉伸参数可通过键盘直接设定。输出信号能通过RS-232进行输出,各参数和变量能通过液晶屏即时显示。系统能对输入、输出量的越限和基本的系统故障进行报警和临时处理,最后系统能的测量出材料的力学性能,能为工程设计和保证产品安全工作提供准确的数据,避免造成材料浪费或严重的质量事故。
 
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