汽车板拉伸试验机测控系统设计与实现

　　汽车用薄钢板在载重汽车制造中的使用量占钢材总量的 30% 左右[1]。WDK - 5 汽车板拉伸试验机是完成薄钢板力学性能指标[2]: 抗拉强度( Rm) 、屈服度( Re) 、断后伸长率( A) 、应变硬化指数( n - value) 及塑性应变比( r - value) 进厂检验的关键设备。另外，在生产过程质量控制、新产品设计选材、构建汽车板理化性能数据库和优化选材降低成本中也需要该设备提供检测数据。

　　WDK - 5 拉伸试验机是工控机控制的全电驱动汽车板专用拉伸试验机。其机械部分采用导向双立柱固定上横梁及工作台面构成的落地式框架结构机架，以高精度、无间隙的精密滚珠丝杠带动中横梁上下移动来传递负荷。

　　1 试验机测控系统的硬件设计

　　1. 1 电气控制系统

　　图1 为拉伸试验机的电气原理图。其中电力拖动部分采用大功率晶体管脉宽调速直流伺服控制驱动系统。该系统采用转速负反馈闭环控制，其低速和稳速性能优良，并且中横梁加载时传动平稳。主电路则通过采用三相电源隔离变压器来减小电力拖动环节对力和位移模拟量信号调理电路的电磁干扰。试验机中横梁上升和下降控制电路采用手动和自动两种控制方式，使用琴键开关对控制方式进行切换。

　　图1 中 +10 V 电压加在绕线电位器 Rw 上，通过调节电位器可实现手动调速。自动调速模块由计算机通过D / A 模拟信号通道向 PWM 电传动控制调速器输出给定控制电压，实现在线拉伸速度的控制。为简化电路、方便操作，采用具有自锁功能的 SB1 按钮来实现中横梁上升和下降的控制。当 SB1 弹起时，中间继电器KA1 的常闭触点通电，伺服电动机正转使中横梁上升; 当 SB1 按下时，KA1 的常开触点通电，伺服电动机两端电压以及测速发电动机的反馈电压同时反向，伺服电动机反转使中横梁下降。上、下限位开关 SQ1 和SQ2 对试验机门式机架起保护作用。当中横梁超出移动限定范围时，5 V 微继电器 K 通电切断缓冲器的给定电压使伺服电动机停转。中横梁快、慢速档位切换电路通过带有自锁功能的按钮 SB2 对 YV 电磁离合器的控制实现速度档位的切换。当 SB2 弹起时，+30 V 电压经中间继电器 KA2常闭触点给慢速电磁线圈供电，变速箱处于慢速档状态; 当 SB2 按下时，+30 V 电压经 KA2 常开触点给快速电磁线圈供电，变速箱处于快速档状态。通过 SB1 和 SB2 按钮的组合，可实现中横梁快速上升和下降，用于调整上、下夹头间的位置; 慢速上升则用于拉伸试验。

　　1. 2 测量链的硬件构成

　　拉伸试验机测量链硬件结构如图2 所示。测量链属于单通道模拟信号输出和多通道模拟信号输入系统，其配置为: ①PCA - 6006LV 工业 PC 机; ②PCL -816 16 位 16 路差分模拟量数据采集卡; ③PCL - 728 2通道隔离模拟量输出卡; ④BLR -1 型30 kN 电阻应变式拉压力传感器; ⑤试样宽度小变形测量用 YYJ - 3/12. 5 - H、YYJ - 3 /20 - H 或 YYJ - 3 /25 - H，试样长度变形测量用 YYU -25/50 或 YYU -40/80 电阻应变式电子引伸计; ⑥YD -28A 型动态电阻应变仪。工控机根据在线检测到的试样伸长率，通过分时给模拟量输出通道( PCL -728) 的 D/A 卡寄存器传送相应的数值来控制 PWM 电传动控制调速器，从而控制试验机两夹头的分离速度。在拉伸试验弹性阶段和屈服阶段，实现对试验机两夹头分离速度 5 mm/min的控制。在强化阶段和局部变形阶段则实现分离速度20 mm / min 的控制。各阶段之间速度变更点设计在拉伸应力 - 应变曲线经过敏感的屈服阶段后，应变值为1% ( 0. 5 mm) 处，这样可以保证拉伸曲线的平滑。