MTS材料试验系统的升级改造

MTS材料试验系统的升级改造中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司郭志敏北京拓新诚信科技有限公司谭卫东摘要：我院八十年代初引进了美国MTS公司6MN、1MN、100KN三台不同规格疲劳试验机。因频频出现故障，对其进行了升级改造成全数字控制。目前三台MTS系统810.600吨、810.100吨、880.10吨的控制系统已由北京拓新诚信科技有限公司开发出的软件（TSETAIDE）使用。现介绍给大家，已飨同行。关键词：试验机改造全数字控制系统硬件软件1.前言MTS材料试验系统，原采用模拟控制技术，对其控制系统进行升级改造成全数字控制。经调研论证，议定《MTS材料试验系统的升级改造》项目如下：1.1改造前MTS材料试验系统的技术性能指标为：控制精度0.5级，载荷量程改造后应保证或优于（如控制精度）以上技术性能指标。1.2全数字控制器稳定可靠，保证试验系统长时间连续可靠工作（疲劳试验40天以上）。1.3软件采用Windows及WindowsXP工作平台和中文界面。1.前言1.4控制方式：位移控制、载荷控制、应变控制以及以上方式之间的平稳圆滑切换。1.5控制通道：双通道（轴向）。1.6采集通道：六通道（两个位移传感器、两个载荷传感器和两个应变引伸计）。1.7试验软件：常规力学性能试验软件（包括拉伸、压缩、弯曲等）。动态力学性能试验软件（包括低周疲劳、随机疲劳）。断裂力学性能试验软件（包括KIc、da/dN、JIc）。2.全数字控制系统TestAide的组成和功能全数字控制系统TestAide由硬件和软件两大部分组成。其全数字控制器精度为16位，最多可以同时控制4个通道，连接16个传感器，体积仅与微机机箱大小相同，重量也很轻。该系统适用于不同类型的试验机和试验方法，例如使用该系统可以对单轴、双轴、三轴和拉扭试验系统进行实时控制，每个通道的各种控制模式之间可以平稳地动态切换。2.1全数字控制系统TestAide硬件的组成与功能全数字控制系统TestAide硬件由四部分组成：微机、全数字控制器、手动控制面板（包括紧急停机按钮）和通讯电缆（包括专用接口）。图1是全数字控制系统TestAide组成示意图。图1试验助手全数字控制系统组成示意图2.1.1微机主要提供全数字控制系统控制软件的工作环境。为保证控制软件对试验机控制的实时性，要求微机有较高的运行速度。2.1.2全数字控制器是控制系统的核心硬件部分，也是控制软件与试验机之间联系的桥梁。其最多可以同时控制4个通道，以适用于不同类型的试验机，其主要由以下单元构成：CPU单元、智能段函数发生器单元、传感器调节器单元、伺服阀控制单元、液压源控制单元、模拟信号输入/输出单元、数字信号输入/输出单元、数字通讯单元和电源。以上列出的控制器单元有的为必选件，有的为可选件。这些控制单元全在试验软件的控制下互相协调工作，以达到对试验机的实时控制与显示。2.1全数字控制系统TestAide硬件的组成与功能2.1全数字控制系统TestAide硬件的组成与功能CPU单元主要负责与微机通讯、协调控制器各部分工作和数字PID运算。智能段函数发生器单元主要用于产生试验机所需的控制波形(指令信号)。它可以输出直流电压、单段正弦波、单段三角波、正弦波、三角波和方波，以及以上波形任意组合而成的波形(随机波)，波形输出频率范围1×10-5～40Hz。智能段函数发生器输出信号的波形和幅值可以根据试验需要由软件控制自由改变，而且信号的电压和频率的精度和稳定度都很高。2.1全数字控制系统TestAide硬件的组成与功能传感器调节器单元可分为直流调节器和交流调节器。直流调节器主要用于载荷传感器、引伸计和油压传感器等，交流调节器主要用于测量位移的LVDT。调节器是软件可编程的，每个调节器都分为4档，每档之间的切换全部由软件控制完成。模拟信号输入/输出单元主要提供软件可编程的模拟信号输入/输出，模拟信号输入/输出范围为-10V～+10V，各包含4个通道，主要用于外部数据采集和控制，其为可选件。数字信号输入/输出单元主要提供软件可编程的TTL数字信号输入/输出，各包含16个通道，主要用于外部控制，其为可选件。2.1全数字控制系统TestAide硬件的组成与功能2.1.3手动控制面板主要用于手动控制液压源和作动器，方便开关油泵和装/卸试样。2.1.4通讯电缆用于全数字控制系统各部分间的信号连接。2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能试验助手软件在Windows本环境中均可运行，中文界面。其主要功能是提供友好的人机对话界面、控制试验过程、自动记录/分析数据、打印试验结果、标定传感器和为试验人员提供扩展编程接口等功能。试验机的工作能力和自动化程度主要由试验软件来体现。试验助手软件分为系统管理软件、试验软件、接口软件和传感器标定软件四部分。2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能2.2.1试验助手系统管理软件是整个全数字控制系统工作的基础，其主要功能是管理控制系统的硬件资源、定义传感器量程、定义控制通道、定义控制模式、数字PID参数调整、设置保护，显示当前控制模式、液压和函数发生器状态以及传感器标定，并且提供双踪数字示波器、数字伺服阀电流表和6块数字电压表用于试验数据实时显示。图2是双通道试验助手系统管理软件的主界面图。图2双通道试验助手系统管理软件的主界面图系统管理软件可以设置3类保护，分别是：外保护、内保护和饱和保护。对于每个传感器或控制通道都可以相互独立地设置以上3类保护。试验过程中，根据试验特点设置一些保护，可以在危险将要发生时(例如试样断裂)，软件自动且快速地停止函数发生器、伺服阀和液压源的工作，以保证试验设备不受伤害。数字电压表主要用于在试验过程中实时显示传感器反馈、误差信号和指令信号的峰值、谷值、最大值、最小值和当前值。数字电压表共有六块。图4是数字电压表的工作界面。双踪数字示波器主要用于在试验过程中实时显示或打印显示传感器反馈、误差信号和指令信号的波。图3保护设置界面图图4数字电压表工作界面图图5双踪数字示波器的工作界面图2.2.2试验助手试验软件是专为完成某一种或某一类试验而单独设计的，它在试验助手系统软件的配合下，有机地使用全数字控制器所提供的各种功能，以控制整个试验的过程，并自动记录/分析试验数据和打印试验结果。试验助手试验软件主要根据一些常用的功能或标准试验方法编写而成的，主要包含：A.通用试验软件B.静态试验软件C.低周疲劳试验软件D.断裂韧性试验软件E.裂纹扩展试验软件F.多功能试验软件2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能图6通用试验软件的工作主界面图下面对一些软件进行简单介绍。通用试验软件（函数发生器）主要用于简单的静态或动态试验，例如恒幅疲劳试、恒幅疲劳裂纹扩展试验(目视法测量裂纹长度)。图6是通用试验软件的工作主界面图。2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能通用试验软件会自动对控制量(例如载荷)的峰谷值进行跟踪修正，以保证在整个试验过程中，每个峰值的动态误差在显示值的±1%以内，典型值为±0.5%，每个谷值的动态误差在满量程的±0.2%以内。根据需要，操作人员可以动态地改变峰值、谷值和频率，也可进行人工或自动信号保持，如果自动信号保持循环数间隔被设置，则试验循环数每增加一个循环数间隔，软件就会自动把信号保持在设定的水平上，以方便于某些试验数据的测量(如目测裂纹长度)。软件可选的波形有正弦波、三角波和方波。试验结束后，软件会将一些重要的数据存盘，例如试验载荷、频率、循环数和试验时间等。该软件也可进行简单的静态试验。2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能静态试验软件主要用于测定金属/非金属在常温/高温/低温下的拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转力学性能，同时该软件也可用于岩石的单、三轴试验。该试验软件在试验过程中可实时显示应力～应变曲线等，并将数据存盘。软件可以自动解出材料的弹性模量(E)、屈服强度(σ0.2)、断裂强度(σb)和泊松比(μ)等试验结果。图7是静态试验软件试验时显示的拉伸应力～应变曲线图。该应力～应变曲线图可以直接打印，或以位图(BMP)格式保存，以便于文字处理软件直接提取该图形。图7静态试验软件试验实时显示的拉伸应力～应变曲线图2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能低周疲劳试验软件用于测试金属材料的低周疲劳性能。整个试验在软件控制下自动进行，软件各项指标符合GB/T15248-94。断裂韧性试验软件主要用于测定金属材料的KIC和JIC以及岩石的KIC。整个试验在软件控制下自动进行，试验数据以图形方式实时显示。其各项指标符合GB4161-84、ASTME399-90和GB2038-90、ASTME813-89。裂纹扩展试验软件主要用于疲劳裂纹扩展试验的自动化测量。在试验过程中不需要操作人员目测裂纹长度，大大降低了劳动强度，其各项指标符合GB6398-86。2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能多功能试验软件是一个柔性强，功能全的试验软件，用户可以用其设计特殊的试验方法，却不需要编程。此软件将该系统具备的各种控制功能、数据采集功能和其他的一些辅助功能都以图标的方式做在了一个面板上，用户可以将这些功能图标用鼠标拖放到试验定义面板中，并将其按照用户需求随意组合起来，就可以按照用户自定义的试验方法进行试验。该软件可用于随机谱试验。图8是该软件在进行试验方法设计时的工作界面。图8多功能试验软件在进行试验方法设计时的工作界面2.2全数字控制系统TestAide软件的组成及功能2.2.3试验助手接口软件主要是为满足特殊的试验任务而设计的。操作人员在Windows环境下，可以使用C语言或Basic语言进行编程，灵活地利用接口软件提供的四十多个功能调用函数对全数字器控制进行控制，以满足特殊试验任务的要求。3.结论经全数字控制系统试验助手改造后，试验机能完成相应各种试验任务，试验功能明显增强，试验精度得以保证，经济效益明显。为我国的新型桥梁科研研发永立丰碑。2009.11谢谢！