拉伸实验机操纵系统设计.docx
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拉伸实验机操纵系统设计
浙江工业大学
毕业设计（论文）
题 目：
拉伸实验机操纵系统设计
作 者：
系（部）：
专业班级：
指导教师：
职 称：
2020年5月28日
毕业设计（论文）任务书
课题名称
拉伸试验机控制系统设计
系别
专业/班级
学生姓名
学号
指导教师
单位/职称
课题来源
科研课题
成果形式
论文
所属岗位
电气装配与设计
一、毕业设计（论文）课题的主要内容、任务和目标、基本要求等：
首先通过对拉伸试验机工作原理的了解，然后对万能试验机的硬件及软件进行设计。
根据拉伸试验机的工作要求设计合理的伺服驱动系统、测量系统等；设计出合理的软件流程图，并对部分软件进行编程。
最后对程序进行模拟调试。
二、实践要求：
顶岗实习单位要与电器控制相关，时间12周，要求熟悉电器控制系统的工作原理，对单片机的硬件及软件有综合实践认知，能自己设计出简单的控制系统；并能熟练操作机床等数控加工机床。
三、进度安排
第一阶段（第5学期16-19周）
第16、17周：
校内查阅文献资料，完成开题报告；
第18、19周：
根据控制原理完成拉伸试验机控制部分的总体框图的绘制；
第二阶段（第6学期1-16周）
第1周：
根据总体框图合理设计硬件及软件模块；
第2周：
编写部分软件代码；最后对程序进行模拟调试。
第3-14周：
毕业顶岗实习；
第15周：
整理毕业设计论文资料，准备毕业答辩；
第16周：
毕业答辩；
四、推荐的主要参考资料
[1]GB/T228-2002，金属材料，室温拉伸试验方法
[2]蔡增伸，赵新建，王海勇等.金属拉伸试验方法的关键及其装备研究，浙江工业大学学报，1999
[3]陈智军，液压万能材料试验机计算机测控系统研究，硕士学位论文，浙江工业大学，2000
[4]张朗先.，微机在力学测试技术中的应用，理化检验－物理分册，1998
[5]李世平，韦增亮，戴凡，PC计算机测控技术及应用，西安电子科技大学出版社，2003
[6]李健,黄开亮，中国机械工业技术发展史，机械工业出版社，2001
[7]万振凯,刘其电,刘源等，AG-E试验机GPIB通讯接口设计与应用，计算机自动测量与控制，2001
指导教师签名田敬
2008年12月10日
专业负责人签名吴明明
2008年12月11日
拉伸实验机操纵系统设计
摘要
全能实验机是测定材料力学性能的要紧设备，当前利用的液压全能材料实验机大部份仍为手工操纵和操作，工作量大、机械化程度低，实验的精度和靠得住性不高。
要使这些老式材料实验机提高测试性能，知足生产、科研和产品质量操纵的需要，达到“实验法”和“检定规程”等国际技术条件的要求，最好的捷径是走设备改造这条节省资金、变废为利的道路。
改造的要紧目的是实现测试自动化、减少人为因素、自动存储数据、提高测试效率。
基于此目的，本论文在把握大量实验机动态信息的基础上，把运算机技术与测试技术相结合，充分发挥电子运算机的能力，的实验机进行了改造，开发研通用硬件和应用软件三部份为基础的液压全能材料实验机自动测试系统。
论文要紧工作：
一、第一介绍了液压全能实验机的构造和液压工作原理，并结合现状对实验机的测装置进行了改造。
二、测试系统采纳压力传感器、9针串口鼠标、引伸计三种传感器。
别离对这三种传感器构造原理、安装位置和用途进行详细的论述。
3、文当选用9针式串口鼠标来测量试件拉伸全进程的位移。
对鼠标的工作原理进行着重的分析，并对其装置进行了改装。
着重讨论了串口鼠标通信的实现和通信协议格式，并自行研制了鼠标数据包处置的动态联接库，对鼠标搜集的数据进行读取、解析，完成实验时位移转变的测量。
关键词：
电子全能材料实验机，交流伺服电机，变形，位移
第一章前言
本课题在国内（外）的研究现状综述
我国的各类机械式实验机是20世纪50年代进展起来的，如机械式拉力实验机、机械全能实验机、机械振动台等。
这种机械一样具有足够的精度和稳固性，可实现无级调速。
但负荷能不大，难于操纵，且不够灵活。
20世纪60年代开始，制出了液压实验机，如液压式拉力实验机、液压全能实验机。
采纳液压系统加荷，加荷能力较高，加荷平稳，加荷速度可自由调剂，负荷测量范围宽，可从几吨到几千吨。
这种实验机一直被普遍采纳，有的还增加了一些新装置，如定速加荷装置、应力应变自动记录装置、差动变压器应变测量装置等。
20世纪70年代以来，由于橡胶、塑料等高分子材料的进展，非金属材料实验机慢慢进展起来。
随着电子技术的采纳，进展了电子式实验机，如电子式拉力实验机、电子全能实验机、电磁振动台等。
这种实验机是将电子技术应用于负荷系统和变形系统，对负荷和变形进行精准的测量、操纵和记录，对实验结果还可进行处置和显示。
对负荷速度和变形速度，既可用电子线路操纵，也可用运算机操纵。
因此这种实验机精度高，负荷范围宽，操作方便，但一样价钱昂贵。
1980年，济南实验机厂生产的WE-60型液压全能实验机取得国家经委颁发的银质奖，并在1983年定为国家优质产品。
1985年长春实验机研究所试制成功200t电液伺服实验机，是中国第一台机电一体化的低应变率、大吨位电液伺服实验机。
采纳电子运算机操纵电液伺服系统，可实现负荷、变形、位移操纵，可进行数据搜集、处置、画图、打印和显示。
在20世纪90年代，长春实验机研究所和长春实验机集团公司一起研制的“电子全能实验机”，在测量精度、拉压负荷传感器、弹性体处置技术等方面有了冲破，专门是在微机操纵方面，采纳GPIB国际标准接口总线，使产品技术指标达到国际20世纪90年代先进水平。
20世纪60年代中期，美国、日本、德国等发达国家生产了电液伺服全能实验机，随后又将运算机应用到实验机中。
英国Kinston公司生产的1190系列、1100系列电拉机和日本岛津制作生产的Doss系列和AG-A系列电拉机，由于引入了各类功能附件及运算机，其功能、靠得住性、测试精度大大提高，数字式电液比例系统也取得专门好进展。
最近，Kinston公司研制的5500系列电子实验机采纳Windows操作系统和Merlin标准软件和数字信号处置（DSP）技术，其性能取得进一步增强。
但由于其量程小，价钱昂贵，在国内应用很少。
设计（论文）要解决的问题和拟采纳的研究方式。
国内外拉伸实验机技术的进展趋势
国外电子全能实验机通过四十年的进展，前后推出了四代产品：
第一代为电子管与晶体管时期；第二代为集成电路模拟时期；第三代为数字时期；第四代为运算机时期，比较有代性的是德国申克（Scheck）公司，MFL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、东洋精机公司和松泽公司等等。
我国有代表性的公司的产品是长春实验机研究所开发的CSS－2200系列电子全能实验机，该产品技术指标已达到八十年代末国际先进水平，居国内领先地位。
另外还有广州实验仪器厂WD系列，长春市第二实验机厂三思公司CMT5000系列等等。
可是由于我国在工艺设备手腕、元器件品质、开发技术的设计水平等多方面的条件制约，致使我国的电子全能实验机同发达国家的水平有比较大的差距。
现代电子全能实验机的进展趋势体此刻以下七个方面：
1.日趋高精度的操纵横梁速度、加荷率（等速应力）、应变率（等速应变），而且都力求能严格按给定的条件在实验进程中精准的操纵状态转换，和精准的测量、记录、显示和打印出实验结果。
2.目前，全能实验机上带有各类自动操纵和自动测量装置，多数采纳微型组件形式，能够随意增加和扩大实验机的利用范围和功用。
3.主机结构慢慢向单空间式进展。
操纵测量系统趋于与主机分离设置，为使实验准确靠得住并便于操作，普遍利用气动和液压夹紧装置。
4.鉴于应力、应变测量对全能实验机的性能指标有专门大的阻碍，因此国外在不断改良全能实验机的结构和加荷系统的同时，都致力于研制性能稳固、反映灵敏和精度高的应力应变测量装置。
目前正在大力进展的是应变片式负荷传感器，差动变压式引伸计。
5.为在各类条件下测定材料的机械性能，国外全能实验机多数带有各类环境装置高温炉温度达到2000℃，低温箱温度达到－270℃。
6.微型运算机或微处置机已开始应用到全能实验机中，这种实验机本身带有多种实验程序，不仅能够做复杂的实时操纵和数据处置，而且能自诊断。
7.尽管电液伺服实验机有良好的操作特性，可是由于这种实验机比较复杂、造价昂贵、功耗较大，因此还不能取代电子全能实验机，电子全能实验机仍是实验机中的主流产品。
课题的要紧研究内容
实验机是一种超级复杂的测试设备，本文的偏重点不在实验机的制造上而是在实验机的操纵部份设计上，这种偏重是来源于课题的需要。
本课题的要紧研究内容是电子全能实验机的动力部份改造。
这其中既涉及到硬件的操纵部份设计也有软件程序的编制，应该说工作量仍是比较大的。
本课题的解决方案
1.对系统的整体结构列出了系统结构框图，使咱们对全能实验机的各个模块有了部份的熟悉，随后对实验机所能完成的经常使用几个实验进行了分析，介绍了这些实验的试样选取，实验曲线，各类要取得的参数的计算公式等，对该实验机所能完成的功能有比较系统的介绍。
2.由于该实验机完成的功能中包括了负荷、变形、位移三个参量，因此对实验机的改造都围绕着这三个参量来设计，以达到这些参量的正确获取，而且应当达到国家有关规定所要求的标准，在精度上更是要确保这些参量的精准性。
为此，介绍了这些参量获取的相应的硬件及其工作原理，然后又对获取这些参量的信号调理电路有较为深切的介绍。
第二章电子全能实验机工作原理
系统整体结构
电子全能实验机系统整体结构如以下图所示
图2-1系统结构图
本系统要紧由伺服驱动系统、测量系统、机械部份、人机交互式测控、治理软件等五个方面组成：
1．伺服驱动系统：
该系统是全能实验机的核心部件。
传统的实验机是采纳稀土直流电机来做动力，它的专门大的缺点是由于有电刷和整流子，超级容易损坏，需要常常保护，而且在大转矩下的工作稳固性比较差，因此此刻的全能实验机都采纳交流伺服驱动。
交流伺服电机的伺服驱动模块完善，不用电刷，几乎不需要维修，而且小转矩的时候定位精度高，测量数据准确，专门好的交流伺服电机在不丢失脉冲的情形下能够达到0.01mm的精度，这是直流电机所不能达到的。
一个完整的电机操纵系统应含有伺服电机、伺服驱动器、供电电源和操纵器（脉冲源）。
它们的功能是将运算机命令翻译成的数据进行执行以命令驱动器以设定的速度、方向运动，并适时停转，从而操纵动横梁的上升、下降、停止。
由于伺服电机有反馈模块，它内部的光码盘将电机的位置信号反馈回运算机，以便于运算机为电机的下一步运动发出适合的指令。
在此咱们采纳松下公司生产的MINASA系列的交流伺服电机，在它的驱动器上有与运算机通信的RS232串行接口，这为方便的操纵电机制造了良好的条件，因为运算机是成熟而且稳固的一个与用户交互的窗口，在上面能够很轻松的编写软件并做测试。
2．测量系统：
关于本次拉伸实验机的设计，必需配置电测传感器，通常有3种：
①用于测定力值的压力传感器或测力传感器；②用于测定式样变形的变形传感器；③用于测定机械横梁移动量的位移传感器。
本文搜集的主若是拉力数据的搜集；因此，只利用了拉力传感器。
测试进程中，操作人员能够一边观看侧一边用拉力传感器反映的力值进行数据搜集和处置测试结果。
通过这次系统改造后的实验机，相对来讲，测量精度明显提高，并能自动记录被测试材料的最大拉力、钢材的屈服点参数等。
要求如下：
①数字显示实验里及峰值等，示值精度为并能方便验定；
②实时记录曲线；
③具有抗拉强度的峰值自动保留功能；
④具有屈服强度等参数自动判定功能；
⑤系统适合于长期持续运行；
⑥测试数据及相关数据机内掉电保留，以备查用；
⑦可单独利用，也可与上位联机利用。
3．机械部份：
实验机的机械部份沿用原先实验机的机械部份，其主机负荷机架采纳等强度的设计方式，其工作台与横梁采纳焊接梁结构，受力框架与系统重量轻、刚度高，动横梁上通过动滑轮安装配重块，能够很方便的将动横梁上下移动，在动横梁的滑道上有上限位块，能够避免横梁的突然上升将试块或称重传感器毁损。
横梁是由丝杠的旋转来带动的，电机主轴的转动通过同步齿形胶带转移到减速器的丝杠上并带动器转动。
它的优势是传动平稳、噪声低、间隙小、响应快。
4．测控软件：
该软件能够直接同测控部份直接通信，主若是制造人机友好的交互式界面，在此刻愈来愈简练化的时期是超级重要的。
5．治理软件：
那个软件是方便用户将所做的实验保留并被以后随时挪用来做治理的，其实它确实是一个数据库，能够查询并打印，在现代日趋烦杂的实验中这一点尤其重要。
第三章全能实验机的硬件部份
微机测控系统
电液式全能实验机微机测控系统要紧实现以下功能：
对检测元件的信号进行搜集放大及
转换；将转换后的数字信号输入运算机，测控软件对其进行显示、分析及保留，并依照操纵算法发出操纵信号；对操纵信号进行
转换，输出给操纵放大器，完成闭环操纵。
硬件部份
鉴于篇幅，在此将硬件部份作为一个模块进行说明。
此硬件部份要紧由运算机、打印机、
转换器、
转换器、检测元件及外围电路组成（如图$所示）。
由于实验机本身具有完整的电测能力并配置数据自动处置装置，因此对硬件无需做较大改良，只在传感器上做了改良，改用光栅式的引伸计和位移传感器，输出的数字信号通过串行通信接口直接输入运算机，既提高了精度也提高了准确度。
图3-1全能实验机测控系统的硬件配置
压力（位移）传感器所产生的模拟信号通过放大器放大后送入A/D转换电路进行转换,转后输出的数字信息通过数字量接口板的进一步处置后进入PC机。
然后即可利用PC机的壮大功能完成对数据的分析、输出和曲线绘制等任务。
其逻辑结构如图3-1所示
第四章全能实验机的软件部份
该系统的软件包要紧由以下两个部份组成:
数据搜集与处置模块
该模块是整个软件系统设计的关键,要紧完成实时搜集压力和位移数据和数据实时处置与显示功能。
由于VB本身不具有对I/O端口访问的低级功能,而Windows也未提供访问I/O端口的函数,因此VB无法直接访问外部设备。
尽管VB仅提供有限的系统函数,但它能够挪用其它程序设计语言开发的DLL函数。
利用DLL函数,VB应用程序不但能实现超过自身所能实现的各类功能,而且由于DLL函数是在应用程序运行进程中动态装入的,如此可减少内存占用和简化程序代码,既在本质上解决了数据搜集及处置的实时性问题,又利用了VB的优势,使整个软件集有效性与精准性为一体。
全能实验机测控系统采纳VC++和汇编语言混合编程,把数据搜集与处置程序编译为动态链接库DLL）函数的方式。
具体实现方式如下:
（1）在VC++的应用程序项目当选择Win32Dynamic-LinkLibrary,输入新建DLL项目的名称（如control）,创建一个新的动态链接库工程模板。
（2）成立DLL的C++源文件（.CPP）。
在DLL模板的Source文件夹里,添加.CPP文件,把已经写好的C语言函数添加进来,并在函数名前加关键字WINAPI。
（3）成立模块概念文件（.DEF）,*.DEF文件是项目中比较特殊的文件,它用来概念该DLL将输出那些函数,只有该文件列出的函数才能被应用程序挪用,因此它是不能缺少的,格式如下:
LIBRARYCONTROL
CODEPRELOADMOVEABLEDISCARDABLE
DATAPRELOADMOVEABLE
EXPORTS
……输出函数名列表
（4）编译该项目,产生*.DLL和*.lib文件。
其中*.lib供给用程序链接时利用,*.dll供执行时挪用。
（5）利历时,将创建的dll文件放入dll文件默许目录“c:
\Windows\system”或某个指定目录下,在VB的模块中对输出的测控函数进行声明即可,
如:
DeclareFunctiontest1Lib“e:
\”（）AsDouble其中test1为输出函数名。
如此,在VB程序中就能够够通过挪用DLL函数直接搜集和处置数据了。
曲线的绘制、存储与重绘模块
（1）实时曲线绘制:
全能实验机的测试曲线要紧有两种:
应力-应变曲线和应力-时刻曲线。
应力-应变曲线反映的是随着负荷的增加,材料变形量的转变;应力-时刻曲线要紧反映的是随着时刻的延长,材料应力的转变。
实时曲线反映了现场数据的实时性,以监测该点在现场工况转变情形下的操纵稳固性,因此实时需显示曲线的动态转变。
通常当前点在曲线的最右端显示,随着时刻的推动整个曲线动态地向左移动。
曲线在只有达到屏幕的右边界时,才需移动,移动可通过曲线的“消隐”来完成,即用背景色重绘该点曲线将其覆盖,然后使数据指针移位,重复上述进程即可。
由于该系统测试的参数为材料的拉伸和紧缩转变,拉伸曲线和紧缩曲线从测试开始到测试完成所需时刻较短,因此曲线并未抵达屏幕的右边界即完成,无需平移曲线,因此曲线绘制采纳直接写点或画线程序实现,方式简单有效,曲线绘制成效较好。
以低碳钢为例,绘制的拉伸曲线（应力-应变fs、应力-时刻ft）如图4-1,4-2所示：
图4-1应力-应变fs曲线
要紧的源代码例如如下:
（1000个点的曲线绘制）Fori=0To1000′转换坐标,x.、y为实时搜集到的数据,d（i）=x（i）*200+600′d和e为依照新坐标转换后的数据e（i）=5175+960-y（i）*50j=i-1′通过两点之间连线绘制曲线Ifj<0Thenj=0Line（d（i）,e（i））-（d（j）,e（j））,vbRedNext
图4-2应力-时刻ft曲线
（2）曲线的存储:
材料性能指标测试完成后,技术人员常常需要往后对其进行分析,因此性能指标和性能曲线都需要存储。
关于单纯数据性资料,可采纳输出实验报告的方式进行输出或作为数据文件保留;关于曲线存储,最简单的方式是将曲线存储转化为数据存储,即将绘制曲线所需数据写成数据文件保留,往后查看时从头绘制。
（3）历史曲线的重绘:
历史曲线反映了过去一段时刻内某种材料在不同工况下利用的性能转变,并供工艺人员分析工艺流程或操作的正确性和故障缘故分析,不需要实时显示但通常会进行必然的数据分析。
这能够通过两种方式来实现,一种为利用VB的Activex控件MsChart来完成。
编程时,第一将测试取得的数据保留在Access数据库中,然后将ADO数据控件与MsChart进行绑定,以取得重绘曲线所需的数据。
MsChart控件画图功能壮大,不仅能够实现曲线的自动重绘,而且能够对曲线进行分析,以取得均值、方差等。
另一种方式为将测试数据保留为二进制文件,需要显示历史曲线时,将数据从文件读出,复给动态数组,然后利用绘制曲线的写点或画线方式直接取得曲线,该方式简单、直观,但不能直接完成数据的分析。
本测控系统采纳第一种方式,经实验,重绘成效较好。
软件系统按功能分成多个模块
模块要紧包括：
·联机测试模块：
包括曲线显示、数据搜集模块与数据处置功能模块。
·实验数据输入模块、要紧实现了数据输入、修改、添加和数据库的存储等功能。
·数据查询模块：
查询试件的详细数据和进程曲线时。
·实验报表模块：
生成并打印实验报表。
图4-3全能实验机运算机自动测试系统软件示用意
第五章系统操纵软件的设计
系统软件设计包括内容
本设计实验机系统是依照事前编好的操纵程序来实现各类操纵功能的，依照功能可将系统操纵软件分为以下几个部份：
（1）系统治理程序
治理程序是操纵系统软件中实现系统和谐工作的主体软件。
从操作角度来看，治理程序的功能是：
接收操作者的命令、执行命令、从命令处置程序返回到治理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。
（2）操纵子程序
依照操作者的命令，操纵伺服电机的速度及方向以达到操纵拉伸实验机拉伸实验。
（3）测试子程序
通过软件对测试试件的拉伸程度及各类性能进行测试，其中包括移动部件的移动急停处置，系统故障诊断，查错的功能。
（4）键盘操作和显示处置程序
本程序的功能包括监视键盘操作，显示加工程序，机床工作状态操作命令等信息。
软件的设计说明及程序清单：
系统操纵软件是依照设计要求，进行的整体方案设计，具体程序如下：
一、8155初始化程序段
0100908100MOVDPTR，#2100；命令寄放器地址
01037403MOVA，#03H；操纵字=03H并写入命令寄放器
0105F0MOVX@DPTR,A;
二、显示子程序
ORG：
0400H
04007858DSPY：
MOV
，#58H；
为显示缓冲区指针；
04027901MOV
，#01H；
为显示数位指针；
0404E9LOOP：
MOVA1，
；扫描模式送A；
0405908101MOVDPTR，#2102H；DPTR指向8155的PB口；
0408
MOVX@DPTR,A;扫描一名LED；
0409
DECDPTE；DPTR指向8155的PA口；
040AE6MOVA，@
;取要显示的数；
040B2412ADDA，#RH;加上到字形表的偏移量；
040D83MOVXA,@A+PC;取字形码，查表；
040E
MOVX@DPTR,A;字形输出至PA口；
040F7
MOV
，#02H；迟1ms以充分显示；
04117EFF0
：
MOV
，#0FFH；
0413DEFE0
：
DJNE，
，D
；
0415DFFADJNE，
，D
；
041703INC
；
0418E9MOVA，
；
041923RLA；
041AF9MOV
，A；
041B30JNB
LOOP；所有位都扫描过？
041E22RET；是，返回。
显示字形编码表
04203F065B4F666D7DSEGTABLE
“0，1，2，3，4，5，6，”
0427077F6F777C395E
“7，8，9，A，B，C，D，”
042E79718040007331
“E，F，，，—，空格，P，Y，”
键盘扫描子程序
044091，00RDRB：
ACALLDSPY;挪用显示子程序；
044274，00MOVA，#00H；
044491，78ACALLSCAN；扫描全键盘；
044660，F8JERDRB；
044891，00ACALLDSPY；是，显示字程序延时12ms;
044A91，00ACALLDSPY；并去抖动；
044C7B，00MOV
，#00H；
为列位寄放器；
044E7C，00MOV
，#00H；
为行值寄放器；
04507A，FEMOV
，#0FEH；
为列扫描寄放器；
0452EA，RR1：
MOVA，
；先扫描最右一列；
045391，78ACALLSCAN
045570，09INC，R
；送i列键值；
04570BINC
；
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