羅五四 李飛鵬 黃利明 張耿旭 林建華 周存鋒

(①東風(fēng)汽車有限公司，湖北十堰442001;②廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006;③鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州450000)

汽車用薄鋼板在載重汽車制造中的使用量占鋼材總量的30%左右［1］。WDK-5汽車板拉伸試驗機是完成薄鋼板力學(xué)性能指標(biāo)［2］:抗拉強度(Rm)、屈服強度(Re)、斷后伸長率(A)、應(yīng)變硬化指數(shù)(n-value)及塑性應(yīng)變比(r-value)進廠檢驗的關(guān)鍵設(shè)備。另外，在生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、新產(chǎn)品設(shè)計選材、構(gòu)建汽車板理化性能數(shù)據(jù)庫和優(yōu)化選材降低成本中也需要該設(shè)備提供檢測數(shù)據(jù)。

WDK-5拉伸試驗機是工控機控制的全電驅(qū)動汽車板專用拉伸試驗機。其機械部分采用導(dǎo)向雙立柱固定上橫梁及工作臺面構(gòu)成的落地式框架結(jié)構(gòu)機架，以高精度、無間隙的精密滾珠絲杠帶動中橫梁上下移動來傳遞負荷。

1 試驗機測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 電氣控制系統(tǒng)

圖1為拉伸試驗機的電氣原理圖。其中電力拖動部分采用大功率晶體管脈寬調(diào)速直流伺服控制驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制，其低速和穩(wěn)速性能優(yōu)良，并且中橫梁加載時傳動平穩(wěn)。主電路則通過采用三相電源隔離變壓器來減小電力拖動環(huán)節(jié)對力和位移模擬量信號調(diào)理電路的電磁干擾。

試驗機中橫梁上升和下降控制電路采用手動和自動兩種控制方式，使用琴鍵開關(guān)對控制方式進行切換。圖1中+10 V電壓加在繞線電位器Rw上，通過調(diào)節(jié)電位器可實現(xiàn)手動調(diào)速。自動調(diào)速模塊由計算機通過D/A模擬信號通道向PWM電傳動控制調(diào)速器輸出給定控制電壓，實現(xiàn)在線拉伸速度的控制。為簡化電路、方便操作，采用具有自鎖功能的SB1按鈕來實現(xiàn)中橫梁上升和下降的控制。當(dāng)SB1彈起時，中間繼電器KA1的常閉觸點通電，伺服電動機正轉(zhuǎn)使中橫梁上升;當(dāng)SB1按下時，KA1的常開觸點通電，伺服電動機兩端電壓以及測速發(fā)電動機的反饋電壓同時反向，伺服電動機反轉(zhuǎn)使中橫梁下降。上、下限位開關(guān)SQ1和SQ2對試驗機門式機架起保護作用。當(dāng)中橫梁超出移動限定范圍時，5 V微繼電器K通電切斷緩沖器的給定電壓使伺服電動機停轉(zhuǎn)。

中橫梁快、慢速檔位切換電路通過帶有自鎖功能的按鈕SB2對YV電磁離合器的控制實現(xiàn)速度檔位的切換。當(dāng)SB2彈起時，+30 V電壓經(jīng)中間繼電器KA2常閉觸點給慢速電磁線圈供電，變速箱處于慢速檔狀態(tài);當(dāng)SB2按下時，+30 V電壓經(jīng)KA2常開觸點給快速電磁線圈供電，變速箱處于快速檔狀態(tài)。

通過SB1和SB2按鈕的組合，可實現(xiàn)中橫梁快速上升和下降，用于調(diào)整上、下夾頭間的位置;慢速上升則用于拉伸試驗。

1.2 測量鏈的硬件構(gòu)成

拉伸試驗機測量鏈硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。測量鏈屬于單通道模擬信號輸出和多通道模擬信號輸入系統(tǒng)，其配置為:①PCA-6006LV工業(yè)PC機;②PCL-816 16位16路差分模擬量數(shù)據(jù)采集卡;③PCL-728 2通道隔離模擬量輸出卡;④BLR-1型30 kN電阻應(yīng)變式拉壓力傳感器;⑤試樣寬度小變形測量用YYJ-3/12.5-H、YYJ-3/20-H或YYJ-3/25-H，試樣長度變形測量用YYU-25/50或YYU-40/80電阻應(yīng)變式電子引伸計;⑥YD-28A型動態(tài)電阻應(yīng)變儀。

工控機根據(jù)在線檢測到的試樣伸長率，通過分時給模擬量輸出通道(PCL-728)的D/A卡寄存器傳送相應(yīng)的數(shù)值來控制PWM電傳動控制調(diào)速器，從而控制試驗機兩夾頭的分離速度。在拉伸試驗彈性階段和屈服階段，實現(xiàn)對試驗機兩夾頭分離速度5 mm/min的控制。在強化階段和局部變形階段則實現(xiàn)分離速度20 mm/min的控制。各階段之間速度變更點設(shè)計在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)過敏感的屈服階段后，應(yīng)變值為1%(0.5 mm)處，這樣可以保證拉伸曲線的平滑。

數(shù)據(jù)采集通道由傳感器、應(yīng)變儀和A/D卡組成。當(dāng)拉力傳感器受力及引伸計有變形時，傳感器中以電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件的電橋因應(yīng)變電阻的變化而失去平衡，產(chǎn)生與被測的拉力、長度和寬度位移信號成正比例的微弱模擬電壓信號，經(jīng)過應(yīng)變儀放大、濾波和變換到-5～+5 V的范圍后，送至A/D卡轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字化信號輸入工控機。工控機按程序?qū)?shù)字信號進行相應(yīng)的數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、數(shù)據(jù)存儲、拉伸曲線和力學(xué)性能指標(biāo)顯示。測量鏈可實現(xiàn)單通道單獨調(diào)零，也可實現(xiàn)多通道同時歸零。

2 試驗機測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 測控軟件總體構(gòu)成

智能化測控軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，運用Visual C++6.0開發(fā)工具進行拉伸試驗人機界面的開發(fā)。軟件采用單文檔界面(SDI)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 測量鏈標(biāo)定

系統(tǒng)標(biāo)定部分由系統(tǒng)增益調(diào)整、拉伸力、長度和寬度位移標(biāo)定數(shù)據(jù)采集4個模塊組成。標(biāo)定環(huán)節(jié)能夠定期進行檢定或在使用前進行校準(zhǔn)，其測量基準(zhǔn)能夠溯源到國家基準(zhǔn)。

系統(tǒng)增益調(diào)整界面中的3個顯示窗口分別對應(yīng)拉伸力、長度和寬度位移測量鏈，用于在標(biāo)定數(shù)據(jù)采集前對各通道增益進行調(diào)整。如在拉力傳感器上施加最大負荷時，調(diào)整應(yīng)變儀的放大倍數(shù)，使對應(yīng)的輸出電壓值接近采集卡所設(shè)定的+5 V上限電壓輸入值。而在正常試驗時，則能夠?qū)炝Α㈤L度和寬度位移測量鏈進行數(shù)據(jù)采集前的調(diào)零監(jiān)控。

借助靜態(tài)標(biāo)定用機械式反向力標(biāo)定器，在EHB-60A 0.3級標(biāo)準(zhǔn)測力儀的配合下，通過力值標(biāo)定數(shù)據(jù)采集界面中與檢定證書表格一致的標(biāo)定計劃表，采集程序在表格中采入滿量程范圍內(nèi)，任意7個加載力值標(biāo)定點的力值測量鏈輸出電壓值，如表1所示。標(biāo)定程序?qū)Ρ?中的數(shù)據(jù)進行一元線性回歸分析，得出被標(biāo)定拉力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)加載力值與測量鏈輸出的模擬電壓值之間的線性擬合關(guān)系式，即標(biāo)定曲線方程。標(biāo)定模塊保證了試驗機示值的長期準(zhǔn)確度。

表1 加載力值與采集電壓對照表

表1中一組加載負荷和采集電壓數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析方法中的最小二乘法結(jié)論公式:

處理后即可得出反映拉力傳感器測量通道的回歸直線方程為:

變換為由采集的電壓值反求力值的形式:

拉伸試驗測力時，知道了電壓值，便能從公式中計算出拉伸力的數(shù)值。長度和寬度拉伸位移標(biāo)定模塊的功能與拉伸力類同。

2.3 標(biāo)定結(jié)果驗證

完成測量鏈標(biāo)定后，可通過標(biāo)定結(jié)果驗證界面檢查相應(yīng)的標(biāo)定曲線和回歸方程;通過標(biāo)定結(jié)果校準(zhǔn)界面，在全量程范圍內(nèi)任選一系列標(biāo)定點施加標(biāo)準(zhǔn)力值進行n次等精度復(fù)測比對;通過系統(tǒng)靜態(tài)特性測試界面來驗證當(dāng)前系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果是否符合要求。系統(tǒng)靜態(tài)特性檢查部分由線性誤差、回程誤差、精密度和穩(wěn)定度界面組成，能夠?qū)y量系統(tǒng)的重復(fù)性、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性和線性方面進行統(tǒng)計特性分析，消除試驗中的盲目性。

2．4 電壓波形采集

電壓波形采集和回放界面用于對輸入標(biāo)準(zhǔn)波形，如不同頻率的方波、三角波和正弦波的測量鏈進行系統(tǒng)響應(yīng)分析。通過方波考核測量鏈對階躍信號前沿和后沿的動態(tài)響應(yīng)能力;通過三角波檢驗測量鏈對信號線性上升和下降跟蹤的平滑程度;通過正弦波獲取測量鏈的系統(tǒng)帶寬情況，預(yù)防測量結(jié)果失真。

2．5 拉伸試驗數(shù)據(jù)采集

采集程序基于VC編程環(huán)境，用C語言直接訪問底層硬件采集數(shù)據(jù)。程序通過數(shù)據(jù)采集界面的人機對話接口獲取開始采集的控制信號，并在完成組合框中所選定的采集點數(shù)后自動結(jié)束。采樣頻率通過函數(shù)GetTickCount()，按照給定的發(fā)生頻率來進行調(diào)節(jié)，最小采樣頻率為1 kHz。這樣系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)對每一周期作密集采樣，也能夠給拉伸過程提供必要的采集時間長度。數(shù)據(jù)采集程序的N-S流程圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集與回放是通過圖5的測控軟件主界面來實現(xiàn)的。界面上方的4個窗口分別實時顯示:①拉伸應(yīng)力(MPa);②拉伸應(yīng)變(%);③寬度變形(mm);④拉伸時間，使操作者能隨時監(jiān)控3個通道的實時數(shù)據(jù)。

界面第二排20個按鈕對應(yīng)可連續(xù)采集的每個牌號鋼板的試樣個數(shù)，在當(dāng)前試樣做完試驗后，對應(yīng)按鈕由平面變?yōu)橥蛊稹Ｍㄟ^單擊某一按鈕可以查看相應(yīng)試樣的拉伸曲線和力學(xué)性能指標(biāo)。

界面中部的窗口能夠根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的動態(tài)顯示。通過對所采集的數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均濾波處理，得到連續(xù)平滑的采集曲線。為防止汽車沖壓件表面產(chǎn)生皺褶現(xiàn)象，汽車用冷軋薄鋼板出廠前加了平整工藝處理，所以圖5中的拉伸曲線沒有屈服平臺。顯示拉伸曲線窗口的右邊區(qū)域還顯示當(dāng)前試樣的力學(xué)性能指標(biāo)。

界面中的兩個拉伸速度滾動條是控制試驗過程中屈服前和屈服后的拉伸速度。滾動條下面的兩個滑塊對縱坐標(biāo)軸和橫坐標(biāo)軸起放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)作用。

顯示曲線窗口右邊的3個組合框:輸入試樣寬度(mm)、厚度(mm)和標(biāo)距(mm)，供拉伸試驗結(jié)束后算法程序計算力學(xué)性能指標(biāo)用。

主界面的下方有13個功能按鈕，常用按鈕有:“設(shè)置參數(shù)”、“開始測試”、“存儲數(shù)據(jù)”、“比較曲線”、“打印報告”。打印程序采用CList類和CScrollView類功能，開發(fā)了現(xiàn)場直接生成和打印完整的圖文拉伸試驗報告模塊。

2.5.2 伸長率數(shù)字顯示方式采集

該模塊是針對國標(biāo)GB/T 228-2002［2］中所涉及到的伸長率另外兩個指標(biāo):最大力非比例伸長率(Ag)和最大力總伸長率(Agt)的測量而設(shè)計的，能夠解決拉伸試驗機自動測量斷后伸長率面臨的準(zhǔn)確性難題［3］。伸長率數(shù)據(jù)的采集為論證工程應(yīng)用中應(yīng)采用Agt還是Ag和爭取在冷軋薄鋼板技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂時將Agt列入力學(xué)性能表提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。通過理論分析和編程調(diào)試確認:Agt垂直對應(yīng)Rm，用計算機對Agt進行采集和計算直接和準(zhǔn)確;而求Ag還需計算出由彈性段劇烈變化引起的不易得到準(zhǔn)確的Agt-Ag。由于采用鏈表結(jié)構(gòu)，重復(fù)采集數(shù)據(jù)的次數(shù)不受限制。啟動試驗機工作，并在中橫梁慢速上升中開始采集數(shù)據(jù)，將縱向變形引伸計的位移模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以表格形式顯示，提高了做多家鋼廠多種汽車板性能比對試驗的靈活性。

基于此，本文將借鑒法國在鄉(xiāng)村旅游發(fā)展中“鄉(xiāng)愁—鄉(xiāng)居—鄉(xiāng)思“的實踐體現(xiàn)，探討我國鄉(xiāng)村旅游可持續(xù)發(fā)展的動力機制。

2．6 試驗數(shù)據(jù)處理

拉伸試驗數(shù)據(jù)處理算法采用結(jié)構(gòu)體和類的思想，將計算9個材料力學(xué)性能指標(biāo)公式的諸函數(shù)集中到一個類(CFunction9)中統(tǒng)籌編程，可對采集的一批試樣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析計算，其結(jié)果顯示如圖5大窗口右邊區(qū)域所示。該類的一些函數(shù)還在數(shù)據(jù)采集程序的自動控制停機條件中被反復(fù)調(diào)用。計算拉伸指標(biāo)條件有兩種設(shè)定方法:

表2 拉伸試驗比對數(shù)據(jù)表

表3 比對試驗數(shù)據(jù)誤差分析表

(1)在對話框中設(shè)置計算拉伸指標(biāo)參數(shù):①在組合框中輸入計算塑性應(yīng)變比(r-value)需要的應(yīng)變點(如15%)，計算應(yīng)變硬化指數(shù)(n-value)需要的應(yīng)變區(qū)間(如10% ～20%)，以及等間距點數(shù)(如N=26);②選擇尋找屈服點的方法(取應(yīng)變點為0.2%，或者取拉伸曲線斜率第一次下降為50%時的應(yīng)力值);③選擇計算比例極限點的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

(2)在拉伸曲線上通過點擊鼠標(biāo)定位選擇計算條件:用在拉伸曲線上出現(xiàn)屈服平臺時，需要采用人工讀取屈服強度等有特殊要求的場合。由用戶根據(jù)需要依次在拉伸曲線上用鼠標(biāo)左鍵點擊6個點:比例極限點、屈服點、抗拉強度點、總延伸率點、計算n-value第一點和第二點，程序?qū)⒏鶕?jù)所選點的縱坐標(biāo)軸應(yīng)力值和橫坐標(biāo)軸應(yīng)變值到數(shù)據(jù)鏈表中相應(yīng)節(jié)點取出數(shù)據(jù)傳入力學(xué)性能指標(biāo)計算公式，計算出9個拉伸試驗指標(biāo)。

3 比對試驗驗證

為了進一步驗證WDK-5拉伸試驗機檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，與德國Zwick和日本SHIMADZU拉伸試驗機進行了應(yīng)用實例的比對試驗。比對試驗采用某牌號冷軋鍍鋅高強度鋼板的JIS 5號試樣，標(biāo)距50 mm，板厚1.4 mm。同時還與該試樣的鋼廠樣品出貨清單數(shù)據(jù)(Test Equipment:Zwick Z250)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼板的力學(xué)性能值作了比對。拉伸試驗比對數(shù)據(jù)如表2所示。

表3給出了表2比對試驗數(shù)據(jù)的誤差分析結(jié)果。5個檢測指標(biāo)以相對偏差來評價比對結(jié)果的一致性，相對偏差=D/x×100%，其中絕對偏差D=|x-ˉx|，x為參加比對試驗室的測量值，ˉx為參加比對試驗室的測量平均值。

從表3的誤差分析結(jié)果中可以得出，5個性能指標(biāo)的最大相對偏差均小于工程應(yīng)用中可以接受的3%約定判定標(biāo)準(zhǔn)值，且WDK-5所測90°軋向數(shù)據(jù)均處在企業(yè)鋼板標(biāo)準(zhǔn)中力學(xué)性能區(qū)間值規(guī)定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，據(jù)此判定WDK-5實測數(shù)據(jù)與同類設(shè)備測試數(shù)據(jù)在誤差允許的范圍內(nèi)是一致的。

4 結(jié)語

(1)按國標(biāo)《GB/T 16491-2008電子式萬能試驗機》規(guī)定的測量精度誤差指標(biāo)，經(jīng)過2 000根試樣的拉伸試驗及比對試驗驗證，WDK-5拉伸試驗機的控制精度符合0級標(biāo)準(zhǔn)。

(2)測量鏈標(biāo)定和標(biāo)定結(jié)果驗證模塊實現(xiàn)了全量程多點綜合標(biāo)定功能，保證了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

(3)在采集的拉伸曲線上，手工點擊選擇計算條件的功能拓展了軟件的應(yīng)用范圍。

［1］鄒恒琪，周建軍，李飛鵬.汽車用薄鋼板的質(zhì)量現(xiàn)狀與發(fā)展要求［J］.中國冶金，2001(4):20-22.

［2］原國家冶金工業(yè)局.GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002，7.

［3］李和平，周星.拉伸試驗機自動測量斷后伸長率面臨的難題及解決辦法［J］.理化檢驗:物理分冊，2008(1):7-13.