基于PCI-1711數據采集卡的拉力試驗機實時控制系統(tǒng)*

朱江新 陽 平 夏 天 莫代新

(廣西大學機械工程學院,廣西南寧 530004)

拉力試驗機是用來檢驗工程中所使用的各種導線、連接件以及其他相關索具的拉伸力學性能和可靠性的實驗設備[1],目前已廣泛用于機械制造、車輛制造、電力工程、金屬材料等行業(yè)。該控制系統(tǒng)是用于500 kN臥式液壓拉力試驗機,采用載荷反饋的閉環(huán)控制方式,使用PCI-1711數據采集卡對試驗機進行實時數據采集和輸出,通過電液比例伺服系統(tǒng)控制液壓機構進行驅動,對拉力試驗過程進行實時控制,實際使用效果良好。

1 拉力試驗機系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

拉力試驗機主要由計算機、數據采集卡、液壓系統(tǒng)、拉伸機構和稱重傳感器(拉力傳感器)[2]等五部分組成(圖1)。

計算機是拉力試驗機的核心部分,為系統(tǒng)的控制器,用于試驗時實時控制;PCI-1711數據采集卡用于稱重傳感器信號實時采集與液壓系統(tǒng)控制信號的輸出;拉伸機構用于試件夾持和張拉,是拉力試驗機的主體結構部分;稱重傳感器是一種雙向測力元件,用于將拉力信號轉變成電信號,并通過數據采集卡反饋給計算機控制系統(tǒng);液壓系統(tǒng)是拉力試驗機的動力系統(tǒng),液壓控制部分主要元件為電液比例閥與三位四通的電磁換向閥[3]。

1.2 拉力試驗機工作原理

拉力試驗機主要有靜載荷試驗和額定載荷試驗兩種工作方式。在靜載荷試驗過程中,系統(tǒng)不斷增加載荷,直到試件產生破斷,停止加載并回油,記錄下試件破斷拉力即可。其關鍵在于控制加載的速度并保證系統(tǒng)安全;額定荷載試驗是按照一定的加載方式連續(xù)地給試件增加拉力。當達到所要求的拉力值時,按試驗要求保壓一段時間然后卸載,用于檢驗試件能否承受所要求的載荷。試驗過程如下:

(1)將試件固定在拉伸機構上,拉伸機構的一端與液壓油缸的活塞相連,另一端與稱重傳感器連接;

(2)通過PCI-1711數據采集卡實時采集稱重傳感器信號,并根據采集的信號進行處理,然后輸出相應的控制信號,控制電液比例閥的開度;

(3)由控制系統(tǒng)經PCI-1711發(fā)出控制信號,控制電磁換向閥換向和卸荷;

(4)將相關試驗數據添加到數據庫中。

2 PCI-1711數據采集卡

PCI-171l是一款功能強大的低成本多功能PCI總線數據采集卡,支持即插即用。安裝數據采集卡時不需要設置任何跳線和DIP撥碼開關,只需將數據采集卡所需的動態(tài)鏈接庫Adsapi32.dll及使用PCI系列數據采集卡開發(fā)系統(tǒng)所需的相關頭文件Driver.h,EVENT.H,OS.H,PARAS.H,USBErrorCode.h等分別包含在AdvantechAdsapiLib,AdvantechAdsapiInclude文件夾下[4]。

PCI-171l數據采集卡具有16路單端模擬量輸入,12位A/D轉換器,采樣速率可達100 kHz,轉換時間為10 μs;2路12位模擬輸出,模擬輸出轉換率為11 V/μs,建立時間為26 μs;16路數字量輸入與16路數字量輸出以及可編程觸發(fā)器/定時器等功能。數據采集卡同時具有自動通道/增益掃描,每個輸入通道的增益可編程等特點。用戶可以根據每個通道不同的輸入電壓類型選擇不同的增益系數,來進行相應的輸入范圍設定。本文的拉力試驗機實時控制系統(tǒng)中,使用了PCI-171l的一路模擬輸入與兩路模擬輸出口,其中一路模擬輸出控制電液比例閥的開度,另外一路模擬輸出做開關量使用,通過高低電壓的輸出控制電磁換向閥的通斷。

將上述動態(tài)鏈接庫及相關頭文件拷貝到所開發(fā)系統(tǒng)工程目錄下,將Adsapi32.dll添加到工程,且在Project菜單中的Setting的Link項中加入應用程序所需的動態(tài)鏈接庫Adsapi32.lib,然后在程序中添加所需要的函數即可完成PCI-1711數據采集卡的數據采集與輸出。

3 拉力試驗機實時控制程序設計

實時控制程序從功能上可分為界面輸入模塊、控制模塊、數據庫模塊等。在試驗過程中,試驗人員通過輸入界面可以方便地輸入試驗參數(如拉力、保壓時間和系統(tǒng)置零等)、文件操作和對數據庫進行操作,在屏幕上還可以直觀的了解試驗的進行過程。數據庫模塊是用來存儲現場數據采集值、控制輸出值、常用參數(如板卡設置、控制參數值、模糊控制表等)、操作者記錄等。

控制模塊根據程序中設定的參數,自動完成對各個試驗環(huán)節(jié)的控制,它是整個程序中的核心部分。控制類型包括手動控制、自動控制,能滿足不同試驗要求。其控制原理如圖2所示。

圖2中的F表示實時采集的拉力力值,F0為試驗設定拉力值,ΔD為輸出控制量。

拉力試驗機啟動后,通過PCI-1711數據采集卡實時采集稱重傳感器的信號,計算機控制系統(tǒng)根據實時采集的拉力力值F與設定拉力值F0之間比較,通過如下控制算法,生成相應的輸出控制信號ΔD,控制電液比例閥的輸出壓力,實現加載過程實時控制。

(1)當0≤F/F0＜0.9時,ΔD較大,提高拉力試驗系統(tǒng)快速性;

(2)當0.9≤F/F0＜1時,ΔD較小,防止系統(tǒng)加載時的超調量過大,避免過載;

(3)當|F-F0|≤0.5時,進入保壓狀態(tài)。

保壓期間,電磁比例閥不關閉,計算機輸出的控制信號ΔD保持相對穩(wěn)定,保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。由實時采集的拉力力值F和設定拉力值F0間的差值,來決定控制信號ΔD的增減。

通過試驗,測試出一組靜態(tài)拉力值-控制信號值列表函數。每一次試驗可經過插值計算,求出其設定拉力值所對應的靜態(tài)控制信號ΔDOBJ作為保壓期間控制的初始值。

為了縮短加載時間,提高工作效率,在控制程序中增設了一個控制信號初始值D0。每次試驗時加載不是從0開始,而是從D0開始,盡快逼近設定拉力值。

回油卸載過程中,為了避免液壓系統(tǒng)產生沖擊,控制信號ΔD逐步減小,使液壓缸中的油壓逐漸減小。當拉力接近0時,通過計算機控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號以及試驗控臺上的電磁換向閥的換向按鈕來控制電磁換向閥換向,使液壓缸的活塞復位。在液壓缸活塞復位時,為了加快液壓缸的活塞復位,控制信號ΔD為常值?；爻趟俣炔皇軐崟r采集的拉力值影響。

該程序使用VC++6.0語言,采用文檔/視窗模式的程序主界面設計[5]。程序主要由參數設置、進程控制、數據處理與顯示幾大部分組成。程序能動態(tài)實現數據采集和實時控制,并實時地自動繪制力—時間、力—位移曲線和顯示試驗數據。

4 結語

通過采用可視化編程工具VC++6.0和研華PCI-1711高速數據采集卡對拉力試驗機控制系統(tǒng)進行設計,實現了高速數據采集、數據傳輸、系統(tǒng)的實時控制、存儲和實驗數據庫等功能。并通過采用一定的控制方法能夠很好地控制系統(tǒng)的超調量。從系統(tǒng)的實際使用情況來看,應用該控制系統(tǒng)以后,拉力試驗機的工作更加可靠,所得數據更加準確,可以滿足生產和檢驗需要。

[1]鄒志華.一種索具拉力試驗機液壓系統(tǒng)的設計[J].江蘇船舶,2007,24(6):23-23,31.

[2]朱江新,李言,林義忠.拉力試驗機計算機實時控制[J].機床與液壓,2002(6):250-251.

[3]劉延俊編著.液壓元件使用指南[M].北京:化學工業(yè)出版業(yè),2008.

[4]Advantech Co.,Ltd.PCI-1711/1731100kS/s,12-bit,16ch S.E.InputsLow Cost Multifunction Card,User's Manual.

[5]高守傳,聶云銘,鄭靜.Visual C++6.0開發(fā)指南[M].北京:人民郵電出版社,2007.