液压材料试验机的自动化改造方案

      随着科学技术的进步和自动化水平的不断提高，对材
料机械性能实验的要求越来越高，特别是在实验的精度，
实时显示，以及数据处理等方面都有了更高的要求，智能
化要求己成为主注趋势，出现了“机—电—液”三者相结
合的新型实验设备。但受到新型材料拉伸试验机的价格
因素的影响，部分企事业单位和大专院校还不能及时更
新为较为先进的材料拉伸试验机，特别是一些小型企业，
仍然在使用老式的液压材料试验机。此类试验机虽
然有些落后，体积也比较庞大，但其操作方便，油压系统
耐用，使用寿命较长。这就使许多试验机使用者希望在原
设备基础上进行升级改造，可以大大节约投资成本，在测
试精度方面也能得到满足，同时也让参与改造者提高自
身的技术水平。

目前试验机存在的主要问题
（1）测量精度低。该系统通过油泵输出油液进入工作
油缸对试样施加载荷，同时进入测力油缸，带动联动摆
锤，用推杆推动测力读盘指针，由读数盘指针读取数据。
由于中间均为机械传递，因此有相当的误差；另外读数盘
zui小精度为格，且由人工读取数据，导致测量精度低。
（2）无法定量控制加载速率。试样加载速率控制是操
作者按经验调节节流阀的开度，从而控制进入工作油缸
的进油量来实现，这种控制方式与操作者的经验有关，无
法实现定量控制。
（3）缺乏实时性，曲线绘制单一。目前试验机只能粗
略绘制“载荷———变形”曲线，不能定量实时测出各时刻
应力和应变数值，也无法直接得到“应力———应变曲线”。
（4）自动化程度差，效率低。试验数据处理手段大部
分仍需要靠人工，实验报告也需要手工完成，既费时又费
力。[1]
随着科技的进步，人们需要现代化的测试手段，对设
备的功能要求越来越高，希望能减轻劳动力，显然液压万
能材料试验机与现代机电液一体化设备的发展趋势已不
相适应，它的测试手段已远远跟不上现代测试技术要求，
测试结果的度也得不到保证，必须自动化升级改造。
2 改造方案比较及选用
试验机的改造方案很多，每种方案有各自的优缺点，
常用的改造方案如下。
（1）应用单片机系统改造液压材料试验机，其主
要优点是结构简单、体积小、成本低，便于实现嵌入系统。
但电路系统复杂，系统的稳定性不高，数据的处理速度
慢，无法实现实时控制。目前试验机领域的关键问题是加
载时必须保持恒定的应力速率或恒定的应变速率，采用
这种方法显然是达不到这种效果。
（2）采用由速度控制器控制电机，从而控制压力施加
负荷，并具有速度电流反馈，是一种传统的控制方式。比
如采用位置式控制器计算步进电机驱动步数，以获得良
好的应力速率、应变速率、位移速率控制以及定荷、定应
变、定位移控制试验结果。但液压材料试验机是一种
典型的非线性时变系统，难以建立的数学模型，运用
常规控制器很难达到理想的控制效果。在实际现场中，由
于受到参数整定方法繁杂的困扰，应用常规控制器往往
整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。
（3）采用微机和传感器技术对旧式的材料试验机及监
测等设备进行技术改造，在应力应变速率控制问题上采用
电液比例阀或电液伺服阀实现高精度控制，测量控制系统
采用计算机卡式设计，采用光电隔离集成电路。具有抗干
扰能力强，质量可靠，稳定性高等优点，而且点击鼠标即可
完成，使用方便。还可以绘制多种试验曲线，具有曲线数据
存储及曲线放大功能，适合试验机向着高自动化水平，操
作简便，可靠性高，稳定性好方向发展的要求。
选择何种改造方案，要结合具体的实际情况，选择zui
佳的改造方案，以满足用户的需要。综合考虑，我们选用
第三种方案，即在液压试验机上安装负荷、变形和位
移传感器，增加电液阀控制加载速度，使设备由原来传统
的机械式负荷测量系统升级为较先进的电子测力、测变
形系统

摘要：液压式材料试验机虽然价格便宜，经久耐用，但存在着精度低、加载速度无法控制、自动
化程度低。因此需要对液压材料试验机进行自动化改造，通过加装相关传感器、电液比例阀，通过计算机控
制实现了拉伸试验的自动化改造。
3 机械部分和硬件组成
该系统的改造除保留了原有的手动加载部分，另增加
了一条支路，用电液比例阀来控制试验机的加载速率。这
样既可以手动操作又可以选择自动化控制。在进油管处
增加高精度压力传感器，用来检测系统的压力并且用了
位移测量系统及计算机采集处理等技术，实现数据的自
动采集、分析和处理。在数据采集上，采集速度快、测量精
度高；在数据分析上，考虑得更加周全；在数据处理上，具
有智能交互、图文并茂的特点，能以数值显示、图表、曲线
等多种方式表现实验数据，并可根据教学要求对实验数
据进行各种分析与处理。让试验机在信号检测、数据处理
方面更接近现代试验机发展水平，适应目前国内外的试
验机发展面向智能化、准确化，操作简便，稳定可靠发展
的趋势[5]。
因此，升级改造后的液压式试验机由以下几大部
分构成。
（1）主机部分。主要由油缸、工作活塞、底座、工作台、
立柱、上下移动横梁、试样夹持以及活动横梁等组成，主
要功能是由试样夹持机构夹紧和固定试样，对试样进行
加载。
（2）液压控制部分。主要由油箱、高压油泵、送油阀、
回油阀、电液比例阀、截止阀、测力油缸活塞、主机的工作
油缸、工作活塞等组成，主要功能是控制试件的夹紧及试
件的加载。
（3）检测部分。主要由负荷传感器（压力传感器）、电
子引伸计、光电编码器（位移传感器）等组成，主要功能是
检测试验对象所受的试验力、变形及横梁运动的位移。
（4）数据采集处理和控制部分。主要由数据采集、处
理、控制电路、计算机软硬件系统、打印机、手动控制器件
等组成，主要功能是完成整个系统的控制、各种参数的设
置、显示、试验过程及试验结果的记录、试验数据的处理、
存储、试验结果的输出等功能。
（5）电气部分。其基本组成有各类继电器、交流接触
器、开关按钮等，主要功能是油泵电机的开关，控制横梁
升降机构的动作以及各种限位、过载保护等。
（6）附件。主要由拉伸、压缩试验夹具、弯曲试验附件
及其他特殊试验附件（各种嵌口、夹头）等组成。其基本功
能是通过更换夹具，完成各种特定的试验。
相关机械部分及硬件联接如图2 所示。
4 控制软件的结构设计
软件性能的好坏直接影响到操作的简便性和数据的
可靠性等，甚至影响到能否成功改造。本改造系统的配套
软件主要结构功能如图3 所示，该测试软件主要由数据
采集、图形输出、数据输出、报告打印、比例控制（伺服控
制）等五个模块组成。
数据采集模块的主要功能是设置初始化参数，如采集
时间间隔、采集总时间等，还包括传感器调零、标定等；图
形输出模块是指在采集过程中，根据采集数据所绘出的
图形输出到屏幕上，或者事后把处理的数据图形从打印
机输出；数据输出模块主要是把材料性能的关键点数据
和所采集的数据中的某一时间段内的数据从打印机上打
印出来，或者手工修改、增减某些数据并存盘；报告打印
模块是指实验做好以后，把材料的关键性能数据、原始图
形以固定格式的实验报告形式打印输出；比例伺服控制
模块主要是对比例压力流量复合阀进行控制，包括对D/A
卡的初始化、设置等[6]。

5 改造后的功能及结论
（1）采用先进的数字比例压力流量复合阀作为控制元
件，实现了加载力值和加载速度的微机自动控制。具有加
载力值可控、低速大负荷测试效果好、测试性能稳定可靠
的特点。
（2）计算机屏幕显示数据，包括变形、加载速率、变形
速率，材料特性点（上下屈服点、zui大点、断裂点）、弹性模
量、断面收缩率等，实验结果可以整理成报表，方便直观，
实时性好。
（3）支持打印机及绘图仪对实验结果的打印和实验曲
线的绘制，屏幕所见即报表所得；可进行成批实验报告及
检验报告的打印和存储，*性的保留实验报告。[7]
（4）改造中保留原有的手动加载部分，这样既可手动
操作又可以自动控制，方便灵活，有利于教学。
试验机改造的成功与否，关键是看zui终的测试数据精
度是否达到要求，试验曲线绘制是否准确。改造后经过具
体的数据和曲线图验证，说明了改造是成功的，无论是从
测试精度还是测试手段来看，都比以往更加准确可靠.
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