专利名称：一种高精度电子式插拔力测试系统的制作方法
一种高精度电子式插拔力测试系统
技术领域：
本发明涉及材料试验机测控系统技术领域，具体地说，是一种高精度电子式插拔 力测试系统。
背景技术：
随着工业生产和科学技术的发展，试验机制造业也有了很快的进步。特别是第二 次世界大战结束以来、尤其是近二、三十年中各种新材料的涌现，航空航天事业以及微电子 技术、计算机科学和闭环自动控制工程的迅速发展，大大地激发了试验机及试验技术的发
展速度。随着国际化的不断深入，试验方法及试验机都需符合国际标准，试验机也要适应 国际标准的要求而发展。同时随着技术的不断革新，试验需要向高精度化、自动化、系统化、 微小化、复合化方向发展。现代电子插拔力试验机的发展趋势体现在以下几个方面(1)计算机化计算机是本世纪50年代出现的，50多年来计算机技术飞速发展。计算机的特点 是(1)运算速度快，现代高性能计算机最高速度每秒钟可进行10亿次运算；(2)能存贮数 据和程序，即具有记忆的功能；(3)具有逻辑判断能力，能够对二个信息进行比较；(4)具有 很高的精度和可靠性。由于以上特点，计算机不仅是增加产量节约原料和人力的重要工具， 也是改进生产技术，提高管理效率不可缺少的工具。由于计算机技术的提高和微型计算机的普及，许多新材料试验机实现了计算机 化。计算机的引入，使数据精确处理和控制自动化成为可能。例如岛津AG-A、AG-E、AG-S型 系列，这种试验机在试验的每一个阶段，从负荷计量、试验机控制到数据处理全部依靠计算 机实现了自动化，节约了调节时间。另外，随着微机控制的材料试验机的普及，程序系统也得到了不断的充实和完善， 试验方法标准化的作用也得到了承认。除拉伸试验外，破坏性试验、低周期疲劳试验、撞击 试验、弯曲试验等试验方法的标准化也被采纳，并编制成程序输入计算机中，以便需要时及 时调出使用。(2)自动化、系统化材料试验机的自动化、简便化长期以来就是人们所追求的目标。十几年前完成了 金属用全自动拉伸系统。由机械手把样片放置到试验机夹具的合适位置上，然后在试验条 件下可由自动测定装置测定其变化。试验终止时，它会自动更换下一个样片，直到试验结束 为止。必要的试验数据只要按一下按键，就可自动地进行处理，这种由微机程序控制的处理 机既有数据处理功能又有记录功能，此外，还能绘出负荷-位移曲线，必要时还可把所需结 果打印出来。国内插拔力试验机测控系统的起步较晚，技术贮备与综合研究水平远远落后。因 此充分利用当代计算机技术，尤其是计算机控制技术的研究成果，研制制造计算机控制疲劳试验设备，符合国际试验机研究发展方向。目前在国内外市场销售的各种材料试验机也 是种类繁多，市场形势成金子塔分布，基本情况都是美国Instron、日本ΑΙΚ0Η、日本岛津等 知名大公司占据高端市�。堑牟烦墒�、稳定、精度高、价格昂贵。台湾顺滢和国内新三 思等大概4-5家有一定实力的公司占据中游市�。杏尾肺榷ㄐ�、精度等都能满足要求， 价格也较贵，还有大概十家企业占据了低端市�。废看螅τ眯幸倒惴海分柿坑� 龙混杂，但价格低廉。由于国内插拔力试验机存在如上的诸多缺点，国外插拔力试验机价格昂贵，因此 开发出一种先进的具有实际应用价值的插拔力试验机测控系统，对于确保材料试验的稳定 可靠的进行及其试验数据的精确性、避免故障的产生、减少人力财力的巨大浪费，推动我国 插拔力试验机的应用与发展具有十分重要的意义。在插拔力测试系统领域，传统测试系统为机械式和电子式。机械式插拔力测试系 统主要设计在于机械机构，由驱动装置带动机械结构做往复运动，功能方面只能简单的实 现往复运动计数，传统机械式插拔力测试系统主要应用于对插拔过程参数无需了解，并且 以插拔件合格完成插拔的次数作为插拔件是否合格的参数的测试情况；传统电子式插拔力 测试系统通常采用单片机作为控制系统，应用用于一些相对简单、数据量较小的测试场所， 在功能要求相对强大，控制复杂，并且数据量相对庞大的测试场所采用在嵌入式系统满足 相应的要求。由于传统插拔力测试系统的局限性，需要开发适合现代要求的插拔力测试系统。 由于新型的测试系统要求有强大的数据分析能力，良好的人机操作界面，良好的生成报表 能力，这些要求对于采用传统的嵌入式是难以实现的，新型的插拔力测试系统以软硬件 结合的方式构建新型的插拔力测试系统。测试软件采用Labview开发上位机测试软件， Labview图形化的编程环境便于快速开发测试应用程序，而且Labview针对测试应用开发 的特点，也使得开发应用程序更加便利。Labview支持绝大部分的通信协议，这样开发测 试应用程序可以方便的与硬件设备进行通信，同时Labview提供了庞大的数据处理功能节 点，这样就可以满足新型插拔力测试系统对数据分析功能的要求。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度电子式插拔力测试系 统。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种高精度电子式插拔力测试系统，包含上位机测试软件，下位机硬件控制系统； 上位机测试软件与下位机硬件控制系统之间以数据传输线相连；下位机硬件控制系统包含 主控制板，电机控制板，伺服控制器，交流伺服电机；电机控制板通过26针数据线与主控制 板的电机接口连接，电机控制板通过伺服控制器接口与伺服控制器连接；伺服控制器通过 控制线与交流伺服电机连接；主控制板通过串口或者USB接口与上位机测试软件连接；所述的数据传输线为RS232串口线或USB传输线；所述的上位机测试软件是指采用图形化编程语言Labview开发的插拔力测试专 用应用程序；本插拔力测试应用程序可以进行连续的多个行程的插拔力/接触力测试，具 有实时监控，数据分析，保存数据，保存性能曲线和寿命曲线，生成报表以供数据分析等功能；具体功能如下；①实验条件由用户设定，并可以将设定资料储存为文件，在做相同类型 的实验室进行调取，保证了相同的实验条件；②位移零点和荷重零点支持当前位置设定操 作，可有选择性的将当前机台所在位置的力值设定为力值零点和将位移设定为位移零点； ③位移值校正功能，可以将测试过程中由于传动机构的间隙等原因造成的机台零点位置的 偏移量矫去掉，使机台一直保持为从设定零点开始运动；④可以将所有实验数据进行保存， 留作原始材料以备查阅，将测量过程中的测试曲线以图片的形式进行保存，直观的反映测 试过程中的性能的变化，根据用户的设置生成测试报表，导入Word中，方便用户进行进一 步的编辑；⑤在测试过程中实时的更新当前数据和曲线，曲线包括性能曲线和寿命预测曲 线；⑥在机械结构上加装限位开关，保证了精密的力值传感器的使用安全；⑦可更换不同 规格的力值传感器，程序支持根据当前传感器进行校正的功能；所述的CPLD是指复杂可编程逻辑控制器；所述的SPI是指同步串行通信；所述的PWM是指脉宽调制器；所述的USB是指通用串行总线；所述的中央处理器为Cyganl公司的C8051F340中央处理器；所述的主控制板，包括中央处理器，力传感器，AD转换单元，CPLD光栅编码器计数 单元以及光栅，限位开关保护单元；电机接口与中央处理器相连，中央处理器通过SPI与24 位高精度AD转换单元相连，AD转换单元通过屏蔽线与力传感器连接；中央处理器通过8位 数据线与CPLD光栅编码器计数单元相连，CPLD光栅编码器计数单元通过屏蔽线与光栅连 接；中央处理器通过I2C串行总线与键盘单元连接，键盘单元通过数据线与键盘连接；主控 制板设置了 RS232串口接口和USB接口，可以实现主控制板与上位机连接；主控制板设置了 起保护作用的上下限位开关接口 ；主控制板设有电源；所诉的USB通讯和RS232串口通讯，是本系统的两种通讯方式，其中RS232串口通 讯是工业传统的上下位机之间的通讯方式，只需使用一根串口线分别接在电脑的COM 口上 和主控制板的串口接口上，就能实现连接；USB通讯正成为发展趋势，因为它速度远高于串 口通讯，在本系统中上下位机传输距离完全满足USB协议的最大距离；所述的CPLD光栅编码器计数单元，包括逻辑核心、光栅接口、4M有源晶振、光栅清 零信号线、计数器状态指示线；逻辑核心通过总线、清零信号线和计数器状态指示线与中央 处理器连接；逻辑核心通过数据线与光栅接口连接；光栅编码器计数单元通过光栅接口与 光栅相连；4M有源晶振与逻辑核心相连；所述的电机控制板，包括三路IO输出控制信号，控制信号为ServON伺服使能信 号，ZER0SPD零速箝位信号，CMOD模式切换信号；一路脉宽调制信号输出PLUS和SIGN作为 伺服电机位置和速度信号；一个电机光栅编码器信号调理接收单元，将伺服电机控制器输 入的差分反馈脉冲信号通过芯片AM26LS32调理并输出；所述的三路IO输出控制信号，由中央处理器提供，通过伺服电机控制板上的伺服 控制器接口与伺服控制器连接；所述的脉宽调制信号输出，由中央处理器的脉宽调制器提供，通过伺服电机控制 板上的伺服控制器接口与伺服控制器连接；所述的电机光栅编码器接口，由伺服控制器提供，通过伺服控制器接口连接到伺服控制板上的差分脉冲调理芯片，经差分脉冲调理芯片处理后，通过数据线与主控制板 CPLD光栅编码器计数单元接口连接；所述的电机光栅编码器接口，连接材料试验机丝杆上的光栅编码器，通过数据线 与主控制板CPLD光栅编码器计数单元接口连接；一种高精度电子式插拔力测试装置，包含上止点限位开关，下止点限位开关，力值 传感器，自动求心装置，伺服电机，齿形带，如图4所示，伺服电机通过齿形带带动有内螺纹 的轴转动，轴与滚珠丝杠连接，推动机台在垂直方向运动；自动求心装置安装在机台的夹具 上，在自动求心装置上安装试件的夹紧装置；上止点限位开关和下止点限位开关可以手动 调整，机台的安全运行范围控制在上止点限位开关和下止点限位开关之间。所述的自动求心装置，如图2所示，自动求心装置的基座是带有滚珠滚道的矩形 槽，矩形槽内的滑动块在两侧和下面的滚珠的限制下沿轨道运动，同样的原理，带有试件夹 紧装置的滑动块在中间矩形槽的限制下运动，两轨道槽垂直放置，这样就实现了试件的全 平面移动。与现有技术相比，本发明的积极效果是(1)上位机测试软件和下位机硬件电路之间采用合理的任务分配模式上位机测 试软件专注于信息设置和数据处理，下位机硬件电路专注于实时控制数据采集；该任务分 配模式简化了系统的构建模式和硬件组成，降低了成本，保证了系统的上位机测试软件，下 位机硬件电路和数据通信三部分均可安全稳定运行；(2)上位机测试软件采用了先进的快速流盘技术，在测试过程中测试件做往复运 动，数千次往复运动之后，程序采集到大量数据，采用快速流盘技术在测试过程中技术局快 速存盘，首先保证了应用程序运行效率的稳定性，其次保证了在特殊情况下(如断电，机台 运行卡死等)测试数据的安全；(3)机台上装配了自主设计的自动求心装置，综合考虑了选材、加工精度等因素设 计的自动求心装置保证了在测试过程中可以忽略侧向力对实验结果的影响；(4)为本系统编写的通信握手协议，保证了系统在简化了通信总线的情况下仍稳 定安全高效的工作；(5)相对于串口通讯采用USB的通讯方式提高了数据的传输速度和上位机软件控 制的及时性；(6)力值采集精度高，采用M位外部AD转换器以及稳压芯片提供转换器非常稳定 的参考电源，提高AD转换精度；(7)设计精密的传动机构，保证了运动的精确性和测量的准确性，如图4所示；(8)软硬件匹配加密技术保证了本产品的技术的安全性，匹配技术工作方式如图 5所示；(9)位移采集精度高，采用CPLD (复杂可编程逻辑控制器)进行光栅编码器脉冲 信号的采集也是本发明的优点之一，采用CPLD采集位移脉冲信号，以1-4MHZ频率检测多路 位移脉冲信号并进行实时相位的判断，完全可以保证位移脉冲信号的准确计数，相比较于 用定时器计数位移脉冲信号的方法，CPLD采集位移信号具有频率高、实时相位判断和灵活 性大的点，根据具体的应用需求，可以在CPLD的能力范围内随意定义采集通道数和计数宽 度，使得位移采集完全独立于主处理器，既大幅度提高了计数精度，又减轻了主处理器的运算负荷。
图1测试软件操作流程图；图2自动求心装置机械结构图；图3通信校验规则及使用说明；图4系统机械传动示意图；图5软硬件匹配加密技术工作原理；图6系统整体架构图；图7伺服电机控制板设计图。
具体实施方式以下提供本发明一种高精度电子式插拔力测试系统的具体实施方式
。实施例1请参见附图1-7，一种高精度电子式插拔力测试系统，包含上位机测试软件，下位 机硬件控制系统；上位机测试软件与下位机硬件控制系统之间以数据传输线相连；下位机 硬件控制系统包含主控制板，电机控制板，伺服控制器，交流伺服电机；电机控制板通过沈 针数据线与主控制板的电机接口连接，电机控制板通过伺服控制器接口与伺服控制器连 接；伺服控制器通过控制线与交流伺服电机连接；主控制板通过串口或者USB接口与上位 机测试软件连接；所述的数据传输线为RS232串口线或USB传输线；所述的上位机测试软件是指采用图形化编程语言Labview开发的插拔力测试专 用应用程序；本插拔力测试应用程序可以进行连续的多个行程的插拔力/接触力测试，具 有实时监控，数据分析，保存数据，保存性能曲线和寿命曲线，生成报表以供数据分析等功 能；具体功能如下；①实验条件由用户设定，并可以将设定资料储存为文件，在做相同类型 的实验室进行调�。Ｖち讼嗤氖笛樘跫虎谖灰屏愕愫秃芍亓愕阒С值鼻拔恢蒙瓒ú� 作，可有选择性的将当前机台所在位置的力值设定为力值零点和将位移设定为位移零点； ③位移值校正功能，可以将测试过程中由于传动机构的间隙等原因造成的机台零点位置的 偏移量矫去掉，使机台一直保持为从设定零点开始运动；④可以将所有实验数据进行保存， 留作原始材料以备查阅，将测量过程中的测试曲线以图片的形式进行保存，直观的反映测 试过程中的性能的变化，根据用户的设置生成测试报表，导入Word中，方便用户进行进一 步的编辑；⑤在测试过程中实时的更新当前数据和曲线，曲线包括性能曲线和寿命预测曲 线；⑥在机械结构上加装限位开关，保证了精密的力值传感器的使用安全；⑦可更换不同 规格的力值传感器，程序支持根据当前传感器进行校正的功能；所述的CPLD是指复杂可编程逻辑控制器；所述的SPI是指同步串行通信；所述的PWM是指脉宽调制器；所述的USB是指通用串行总线；所述的中央处理器为Cyganl公司的C8051F340中央处理器；
所述的主控制板，包括中央处理器，力传感器，AD转换单元，CPLD光栅编码器计数 单元以及光栅，限位开关保护单元；电机接口与中央处理器相连，中央处理器通过SPI与M 位高精度AD转换单元相连，AD转换单元通过屏蔽线与力传感器连接；中央处理器通过8位 数据线与CPLD光栅编码器计数单元相连，CPLD光栅编码器计数单元通过屏蔽线与光栅连 接；中央处理器通过I2C串行总线与键盘单元连接，键盘单元通过数据线与键盘连接；主控 制板设置了 RS232串口接口和USB接口，可以实现主控制板与上位机连接；主控制板设置了 起保护作用的上下限位开关接口 ；主控制板设有电源；所诉的USB通讯和RS232串口通讯，是本系统的两种通讯方式，其中RS232串口通 讯是工业传统的上下位机之间的通讯方式，只需使用一根串口线分别接在电脑的COM 口上 和主控制板的串口接口上，就能实现连接；USB通讯正成为发展趋势，因为它速度远高于串 口通讯，在本系统中上下位机传输距离完全满足USB协议的最大距离；所述的CPLD光栅编码器计数单元，包括逻辑核心、光栅接口、4M有源晶振、光栅清 零信号线、计数器状态指示线；逻辑核心通过总线、清零信号线和计数器状态指示线与中央 处理器连接；逻辑核心通过数据线与光栅接口连接；光栅编码器计数单元通过光栅接口与 光栅相连；4M有源晶振与逻辑核心相连；所述的电机控制板，包括三路IO输出控制信号，控制信号为krvON伺服使能信 号，ZER0SPD零速箝位信号，CMOD模式切换信号；一路脉宽调制信号输出PLUS和SIGN作为 伺服电机位置和速度信号；一个电机光栅编码器信号调理接收单元，将伺服电机控制器输 入的差分反馈脉冲信号通过芯片AIC6LS32调理并输出；所述的三路IO输出控制信号，由中央处理器提供，通过伺服电机控制板上的伺服 控制器接口与伺服控制器连接；所述的脉宽调制信号输出，由中央处理器的脉宽调制器提供，通过伺服电机控制 板上的伺服控制器接口与伺服控制器连接；所述的电机光栅编码器接口，由伺服控制器提供，通过伺服控制器接口连接到伺 服控制板上的差分脉冲调理芯片，经差分脉冲调理芯片处理后，通过数据线与主控制板 CPLD光栅编码器计数单元接口连接；所述的电机光栅编码器接口，连接材料试验机丝杆上的光栅编码器，通过数据线 与主控制板CPLD光栅编码器计数单元接口连接；一种高精度电子式插拔力测试装置，包含上止点限位开关7，下止点限位开关6， 力值传感器1，自动求心装置2，伺服电机3，齿形带4，如图4所示，伺服电机3通过齿形带 带动有内螺纹的轴转动，轴与滚珠丝杠5连接，推动机台在垂直方向运动；自动求心装置2 安装在机台的夹具上，在自动求心装置2上安装试件的夹紧装置；上止点限位开关和下止 点限位开关可以手动调整，机台的安全运行范围控制在上止点限位开关和下止点限位开关 之间。所述的自动求心装置，如图2所示，自动求心装置的基座是带有滚珠滚道的矩形 槽，矩形槽内的滑动块在两侧和下面的滚珠的限制下沿轨道运动，同样的原理，带有试件夹 紧装置的滑动块在中间矩形槽的限制下运动，两轨道槽垂直放置，这样就实现了试件的全 平面移动。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种高精度电子式插拔力测试系统，其特征在于，包含上位机测试软件，下位机硬件 控制系统；上位机测试软件与下位机硬件控制系统之间以数据传输线相连；下位机硬件控 制系统包含主控制板，电机控制板，伺服控制器，交流伺服电机；电机控制板通过沈针数据 线与主控制板的电机接口连接，电机控制板通过伺服控制器接口与伺服控制器连接；伺服 控制器通过控制线与交流伺服电机连接；主控制板通过串口或者USB接口与上位机测试软 件连接。
2.如权利要求1所述的一种高精度电子式插拔力测试系统，其特征在于，所述的数据 传输线为RS232串口线或USB传输线。
3.如权利要求1所述的一种高精度电子式插拔力测试系统，其特征在于，所述的主控 制板，包括中央处理器，力传感器，AD转换单元，CPLD光栅编码器计数单元以及光栅，限位 开关保护单元；电机接口与中央处理器相连，中央处理器通过SPI与M位高精度AD转换单 元相连，AD转换单元通过屏蔽线与力传感器连接；中央处理器通过8位数据线与CPLD光栅 编码器计数单元相连，CPLD光栅编码器计数单元通过屏蔽线与光栅连接；中央处理器通过 I2C串行总线与键盘单元连接，键盘单元通过数据线与键盘连接；主控制板设置了 RS232串 口接口和USB接口，实现主控制板与上位机连接；主控制板设置了起保护作用的上下限位 开关接口 ；主控制板设有电源。
4.如权利要求3所述的一种高精度电子式插拔力测试系统，其特征在于，所述的CPLD 光栅编码器计数单元，包括逻辑核心、光栅接口、4M有源晶振、光栅清零信号线、计数器状态 指示线；逻辑核心通过总线、清零信号线和计数器状态指示线与中央处理器连接；逻辑核 心通过数据线与光栅接口连接；光栅编码器计数单元通过光栅接口与光栅相连；4M有源晶 振与逻辑核心相连。
5.如权利要求1所述的一种高精度电子式插拔力测试系统，其特征在于，所述的电机 控制板，包括三路IO输出控制信号，控制信号为krvON伺服使能信号，ZER0SPD零速箝位 信号，CMOD模式切换信号；一路脉宽调制信号输出PLUS和SIGN作为伺服电机位置和速度 信号；一个电机光栅编码器信号调理接收单元，将伺服电机控制器输入的差分反馈脉冲信 号通过芯片AIC6LS32调理并输出。
6.一种高精度电子式插拔力测试装置，其特征在于，包含上止点限位开关，下止点限 位开关，力值传感器，自动求心装置，伺服电机，齿形带，伺服电机通过齿形带带动有内螺纹 的轴转动，轴与滚珠丝杠连接，推动机台在垂直方向运动；自动求心装置安装在机台的夹具 上，在自动求心装置上安装试件的夹紧装置。
7.如权利要求6所述的一种高精度电子式插拔力测试装置，其特征在于，所述的自动 求心装置，其基座是带有滚珠滚道的矩形槽，矩形槽内的滑动块在两侧和下面的滚珠的限 制下沿轨道运动。
全文摘要
本发明涉及一种高精度电子式插拔力测试系统，包含上位机测试软件，下位机硬件控制系统；上位机测试软件与下位机硬件控制系统之间以数据传输线相连；下位机硬件控制系统包含主控制板，电机控制板，伺服控制器，交流伺服电机；电机控制板通过26针数据线与主控制板的电机接口连接，电机控制板通过伺服控制器接口与伺服控制器连接；伺服控制器通过控制线与交流伺服电机连接；主控制板通过串口或者USB接口与上位机测试软件连接。本发明的优点力值采集精度高，设计精密的传动机构，软硬件匹配加密技术保证了本产品的技术的安全性，位移采集精度高；简化了系统的构建模式和硬件组成，降低了成本，保证了系统的上位机测试软件。
文档编号G01N3/32GK102095653SQ201110030649
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者易建军, 王士磊, 秦净华, 范剑刚 申请人:华东理工大学
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