材料試驗機是一種常用的力學試驗設備，用于測試各種材料的力學性能‘滿意度。隨著各行業(yè)對新材料的需求越來越廣泛奮戰不懈，材料的力學性能測試已成為關鍵。傳統(tǒng)試驗機只能靠試驗人員觀察智慧與合力，根據(jù)經(jīng)驗加以手工調整規定，通過指針表盤的讀數(shù)計算得到材料性能數(shù)據(jù)，操作復雜措施。按照現(xiàn)行的材料測試標準示範推廣，傳統(tǒng)試驗機無法達到要求，也將逐漸被淘汰。因此大大縮短，本研究將基于Delphi語言的軟件技術與基于單片機的自動控制技術相結合，應用于材料試驗機的控制系統(tǒng)中開放要求，通過對通用材料拉伸高質量、壓縮等試驗標準進行分析的基礎上，建立試驗機測控系統(tǒng)軟硬件與試驗標準規(guī)程之間的關系更高要求，提出模塊化的上積極參與、下位機軟件及硬件的設計方法。
本研究在建立測控系統(tǒng)上位機軟件及下位機軟經驗分享、硬件平臺的基礎上對所提出的模塊化實驗設計方法進行評價探討，同時進行多目標持荷試驗、水泥膠砂抗壓試驗以及金屬拉伸試驗培養，以期解決材料試驗機功能單一共創美好、試驗擴展復雜的缺點。
1 測控系統(tǒng)硬件設計
本研究以 AVR 單片機為核心高效流通，基于硬件模塊化設計的思想預判，實現(xiàn)了測控系統(tǒng)的硬件結構，其主要包含 6個子模塊，系統(tǒng)結構如圖 1 所示應用領域。
1． 1 單片機最小系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用 AVR 系列單片機 Atmega16L創新為先，其最小系統(tǒng)由單片機、電源統籌推進、晶振以及復位電路組成行業內卷。復位電路是在進行系統(tǒng)硬件設計中常見的一種電路，而一個系統(tǒng)復位電路設計的好壞科普活動，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性凝聚力量。故該系統(tǒng)復位電路根據(jù) AVR 單片機的低電平復位特點，直接由 10 kΩ 上拉電阻實現(xiàn)逐漸完善，簡單可靠。晶振電路采用陶瓷晶體與雙 30 p F 電容組成，頻率 8 MHz了解情況。
1． 2 高精度 A / D 轉換模塊
該模塊采集壓力參與能力、變形等模擬信號，經(jīng)濾波放大后輸入 A/D 轉換器充足，轉換成數(shù)據(jù)信號註入了新的力量，傳遞給單片機。
放大器采用 OP07異常狀況，A/D 采用 AD7710說服力，均為模擬器件公司的高精度器件。
1． 3 拉線編碼器解碼模塊
拉線編碼器用于測試工作臺位移更多可能性，包括方向解碼和位解碼深刻變革，方向解碼采用 74LS74，編碼器的 A分析、B 相信號至關重要，經(jīng)過光電耦合器隔離進入方向解碼和單片機，方向信號也輸入單片機，通過單片機進行計數(shù)和位移計算表示。
1． 4 精密電源模塊
電源模塊給所有 IC 供電，其中最關鍵的是給AD7710 提供精密電壓源緊迫性，精密電壓源由 LM336 提供質生產力。
1． 5 串口通訊模塊
串口通訊實現(xiàn)下位機與上位機的數(shù)據(jù)通訊，下位機將采集到的信號傳遞給上位機非常激烈，上位機則下發(fā)命令告訴下位機該執(zhí)行的動作市場開拓。在本研究中，通訊芯片采用 MAX232。
1． 6 開關量輸出模塊
開關量的作用包括兩部分: ①實現(xiàn)對步進電機方向和脈沖輸出控制; ②輸出實現(xiàn)系統(tǒng)的過載保護環境。
2 軟件設計
2． 1 上位機設計
目前試驗機測控軟件操作復雜主要抓手，對實驗員水平要求高。本研究通過軟件架構的調整來解決這個問題重要的角色。軟件分成 3 大塊: 主程序空間載體、設備配置模塊和試驗模塊，后兩者均以 DLL 形式封裝要落實好，前者用于支持不同機型大面積，后者便于擴展新的試驗方法。動態(tài)鏈接庫( Dy-namic Link Library優勢與挑戰，DLL) ，它是一種函數(shù)或資源庫越來越重要的位置，可以編寫成與語言無關的方式問題分析，被應用程序或其他 DLL文件調用。所以主程序支持在不同試驗模塊間的切換解決方案，當實驗員切換到某個預置的試驗模塊不負眾望，與該試驗相關的控制過程、數(shù)據(jù)記錄和結果分析方法都被完全定制交流研討，把實驗員從專業(yè)推動並實現、繁瑣的參數(shù)設置中解脫出來。
主程序將管理并呈現(xiàn)另外兩個模塊的信息順滑地配合，主程序結構如圖 2 所示更加完善。
2． 2 下位機軟件設計
下位機軟件由數(shù)據(jù)采集程序、壓力控制程序上高質量、通訊程序組成精準調控。數(shù)據(jù)采集程序實現(xiàn)單片機與 AD7710 的通訊，壓力控制程序實現(xiàn)試驗機加載控制建設應用，通訊程序實現(xiàn)上優化程度、下位機的數(shù)據(jù)交互及命令解析。在壓力控制程序方面應用的因素之一，采用單一經(jīng)典的 PID 控制策略基礎，往往不能達到理想的控制效果; 采用單一模糊控制策略，雖然改善了動態(tài)特性和魯棒性奮勇向前，但由于大量模糊控制規(guī)則的存在長效機製，影響了控制的準確性。其中壓力控制程序實現(xiàn)基于模糊 PID 的三閉環(huán)控制如圖 3 所示記得牢。
本研究采用自行開發(fā)的材料試驗機控制器對某公司生產(chǎn)的手動試驗機進行改造組建，改造完成后的試驗臺如圖 4 所示，可進行標準的材料性能測試相關試驗。
3． 1 多目標持荷試驗
多目標持荷試驗的目的是測試該算法在勻速加載和目標持荷時的效果進展情況，以驗證測試控制系統(tǒng)的基本性能重要的作用。采用 Fuzzy PID 算法控制器的實驗效果如圖 5 所示。從圖 5 中的實驗曲線看研究，該算法達到了一級精度要求搶抓機遇。
3． 2 水泥膠沙抗壓試驗
本研究在加載持荷實驗基礎上，進行水泥膠沙抗壓試驗去創新，試驗記錄的力-時間曲線如圖 6 所示結論。試驗加載 速 度 能 夠 精 確 地 控 制 在 試 驗 標 準 所 要 求 的2． 4 k N / s，證明了該算法及其控制器在精確力控制中的效果體系。
3． 3 具有明顯屈服的金屬材料拉伸試驗
在前述試驗的基礎上足夠的實力，本研究對具有明顯屈服材料進行拉伸試驗。試驗過程中采用力提高、變形全面闡釋、位移三閉環(huán)控制，所得力 － 變形曲線如圖 7 所示結構。從試驗數(shù)據(jù)計算得到的材料力學性能與該材料的理論力學性能基本吻合適應性強，反映了自適應 PID 算法在三閉環(huán)金屬拉伸試驗中的適用性。
4 結束語
本研究自主開發(fā)的材料試驗機控制系統(tǒng)采用模塊化設計思想競爭力所在，在軟件和硬件兩個層面實現(xiàn)了設計能力建設、操作及擴展的方便性，降低了試驗員的工作強度先進的解決方案，使集成新的材料試驗標準也變得簡單基礎。
通過對多種材料及不同實驗標準的集成及其實驗表明，該系統(tǒng)在實現(xiàn)國家標準及操作簡便性的同時研究進展，能便于試驗擴展擴大公共數據，且達到了較高的數(shù)據(jù)精度及系統(tǒng)控制精度。
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2020-09-16 瀏覽：
