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‘。隨著各行業對新材料的需求越來越廣泛，材料的力學性能測試已成為關鍵。傳統試驗機只能靠試驗人員觀察，根據經驗加以手工調整，通過指針表盤的讀數計算得到材料性能數據，操作復雜。按照現行的材料測試標準，傳統試驗機無法達到要求，也將逐漸被淘汰。因此，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中，通過對通用材料拉伸、壓縮等試驗標準進行分析的基礎上，建立試驗機測控系統軟硬件與試驗標準規程之間的關系，提出模塊化的上、下位機軟件及硬件的設計方法。
本研究在建立測控系統上位機軟件及下位機軟、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，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，以期解決材料試驗機功能單一、試驗擴展復雜的缺點。
1 測控系統硬件設計
本研究以 AVR 單片機為核心，基于硬件模塊化設計的思想，實現了測控系統的硬件結構，其主要包含 6個子模塊，系統結構如圖 1 所示。
1． 1 單片機最小系統
該系統采用 AVR 系列單片機 Atmega16L，其最小系統由單片機、電源、晶振以及復位電路組成。復位電路是在進行系統硬件設計中常見的一種電路，而一個系統復位電路設計的好壞，直接影響到整個系統工作的可靠性。故該系統復位電路根據 AVR 單片機的低電平復位特點，直接由 10 kΩ 上拉電阻實現，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。
1． 2 高精度 A / D 轉換模塊
該模塊采集壓力、變形等模擬信號，經濾波放大后輸入 A/D 轉換器，轉換成數據信號，傳遞給單片機。
放大器采用 OP07，A/D 采用 AD7710，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，包括方向解碼和位解碼，方向解碼采用 74LS74，編碼器的 A、B 相信號，經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和位移計算。
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，精密電壓源由 LM336 提供。
1． 5 串口通訊模塊
串口通訊實現下位機與上位機的數據通訊，下位機將采集到的信號傳遞給上位機，上位機則下發命令告訴下位機該執行的動作。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實現對步進電機方向和脈沖輸出控制; ②輸出實現系統的過載保護。
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，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。軟件分成 3 大塊: 主程序、設備配置模塊和試驗模塊，后兩者均以 DLL 形式封裝，前者用于支持不同機型，后者便于擴展新的試驗方法。動態鏈接庫( Dy-namic Link Library，DLL) ，它是一種函數或資源庫，可以編寫成與語言無關的方式，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，當實驗員切換到某個預置的試驗模塊，與該試驗相關的控制過程、數據記錄和結果分析方法都被完全定制，把實驗員從專業、繁瑣的參數設置中解脫出來。
主程序將管理并呈現另外兩個模塊的信息，主程序結構如圖 2 所示。
2． 2 下位機軟件設計
下位機軟件由數據采集程序、壓力控制程序、通訊程序組成。數據采集程序實現單片機與 AD7710 的通訊，壓力控制程序實現試驗機加載控制，通訊程序實現上、下位機的數據交互及命令解析。在壓力控制程序方面，采用單一經典的 PID 控制策略，往往不能達到理想的控制效果; 采用單一模糊控制策略，雖然改善了動態特性和魯棒性，但由于大量模糊控制規則的存在，影響了控制的準確性。其中壓力控制程序實現基于模糊 PID 的三閉環控制如圖 3 所示。
本研究采用自行開發的材料試驗機控制器對某公司生產的手動試驗機進行改造，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，以驗證測試控制系統的基本性能。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，該算法達到了一級精度要求。
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，試驗記錄的力-時間曲線如圖 6 所示。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。
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，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、變形、位移三閉環控制，所得力 － 變形曲線如圖 7 所示。從試驗數據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，反映了自適應 PID 算法在三閉環金屬拉伸試驗中的適用性。
4 結束語
本研究自主開發的材料試驗機控制系統采用模塊化設計思想，在軟件和硬件兩個層面實現了設計、操作及擴展的方便性，降低了試驗員的工作強度，使集成新的材料試驗標準也變得簡單。
通過對多種材料及不同實驗標準的集成及其實驗表明，該系統在實現國家標準及操作簡便性的同時，能便于試驗擴展，且達到了較高的數據精度及系統控制精度。
來源：天氏庫力 發布日期
2020-09-16 瀏覽：
