基于全闭环四轴同步的变比例荷载／位移双向 拉伸试验机控制系统开发 Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｌｏａｄ ｏｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｂｉａｘｉａＩ ｔｅｎｓｉｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆｕｌｌ－ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ａｎｄ ｆｏｕｒ ａｘｉｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ 郑雨婷’，钱波’，管延智 ，王海波’ ＺＨＥＮＧ Ｙｕ．ｔｉｎｇ。，ＱＩＡＮ Ｂｏ。，ＧＵＡＮ Ｙａｎ－ｚｈｉ ，ＷＡＮＧ Ｈａｉ—ｂｏ。 （１．北方工业大学机电工程学院，北京１００１４４；２．内蒙古工业大学理学院，呼和浩特１０００５１） 摘 要：为了研究薄钢板在双向拉伸状态下的力学特性，本文开发了全闭环下四轴同步的变比例裁荷／ 位移双向拉伸试验机控制系统，包括控制系统总体方案设计、基于全闭环的控制结构设计以 及上位机与下位机的软件设计。实现了变比例双向拉伸的位置控制和载荷控制。通过多组试 验研究，结果表明：本文所述控制系统其测量结果相对误差较小，对于满足薄钢板在双向拉 伸状态下的力学特性研究提供了较好的精度，具有较好的应用前景。本文提出的控制系统对 类似力学试验也具有较好的实用性。 关键词：全闭环；四轴同步；变比例载荷／位移双向拉伸试验机；控制系统；位置控制；载荷控制 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１ ３）１１（上）－Ｏｌ ３１－０４ Ｏｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ。１ ００９－０１ ３４．２０１ ３．１１（ｒ－）．３８ ０引言 近年来，大量的学者研究开发了针对材料在 复杂加载路径下的力学特性下的控制系统，如 Ｆｅｒｒｏｎ…，Ｍａｋｉｎｄｅ ，万敏 等人开展了十字形 双向拉伸控制系统的研究，但是上述研究大部分 均是基于液压控制系统，由于液压控制系统影响 因素较多，对于描述材料的力学特性而言可能测 图１变比例载荷／位移双向拉伸试验机 １．２控制系统总体方案设计 量精度无法得到保证。为了提高材料在双向拉伸 状态下的测量精度，本文开发了基于全闭环四轴 Ｉ／Ｏ Ｈ ＳＩＭＯＴＩＯＮ１３４２５控制器 Ｈ ｌ＾） 同步的变比例载荷／位移双向拉伸试验机的控制系 统，通过控制不同方向的伺服电机的运动，从而 实现了变比例载荷／位移下的位移控制和载荷控 控制按钮ｌＪＹ向双ｌ ｌ ＴＭ３１ ｌ ｌＳＭＣ３０Ｉ Ｉ ＴＭ３１ ｌ ＩＸ向双ｌＪ限位开关 ———一Ｊ Ｉ轴电机Ｉ ＩＡ／Ｄ模ｌ Ｉ传感器ｌ ＩＡ，Ｄ模Ｉ Ｉ轴电机ＩＬ——一 ｌ模块Ｉ Ｉ块ｌ Ｉ模块ｌ ｌ块ｌ ｌ模块Ｉ 制，大大提高其控制精度，进一步完善了变比例 载荷／位移双向拉伸试验机的试验性能。 ｌ ｌ 嚣ｌ ｌ光栅尺ｌ 引伸计 １系统总体方案设计 １．１控制平台 如图１所示为变比例载荷／位移双向拉伸试验 机，该试验机为北方工业大学自主研制，可沿四 变比例载荷／位移双向拉伸试验机 图２控制系统总体方案设计 个方向拉伸，通过控制四个方向上四个伺服电机 如图２所示为双向拉伸试验机控制系统总体方 的运动，实现四轴同步的变比例载荷／位移双向拉 伸控制。 收稿日期 ２０１３—０７—２３ 案，其中：下位机采用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４２５运动控制 器，实现ｘ方向两个伺服电机以及Ｙ方向两个伺服 基金项目 国家科技支撑计划：高强钢先进成形技术开发及其在目标车型上集成应用（２０１ １ＢＡＧ０３Ｂ０３）；高强钢 变截面辊弯成型技术开发与应用（１ １００５２４９１３２０）；北京市变截面辊弯成型工程技术研究中，￣，２０１２年度阶梯 计划项目（２１２１ １ １０００９２００００） 作者简介 郑雨婷（１９９０一），女，硕士研究生，研究方向为控制系统开发。第３５卷第１１期２０１３－１１（上） ［１３１】 ｌ ３．１－２．１位移控制 甸 似 Ｆ＝（ ＋Ｆｙ：）一，（ 。＋ ：） ３）判断标准： ｆ６） Ｘ１向、Ｘ２向、Ｙ１向、Ｙ２向的位移控制实际 上可转换为Ｘ１向、Ｘ２向、Ｙ１向、Ｙ２向的速度控 若Ｆ＜０，即需要增ＪＪｎＹ１向以及Ｙ２向的拉力，控 制该轴的速度应加快，即采用下式： １ １）制，具体实施方法即ｘ１向、Ｘ２向速度恒定，Ｙ１ 向、Ｙ２向速度和Ｘ１向、Ｘ２向速度成比例。其原理 如下： 已知式（１）、（２）： Ｓｘ１ １ ｙ１＝ｖ ２＝Ｘ（ｖｅ１＋Ｖ ２）＋０．０１ 二 （７） 若Ｆ＜０，则需要减ｄ，Ｙ１向以及Ｙ２向的拉力，控 ｖ ２ｔ Ｖｙ２ｔ １ｔ，Ｓ ２ ｔ，Ｓ ２ １（１） 制该轴的速度应减慢，即采用下式： １ ，ｎ、 （２） １（１，ｙ１＋ｖｙ２）一０．０１ Ｌ６ 令： Ｓｘｌ Ｓｘ２ １ ｒＳ ２ （３） 则有： ｌ ２ ｒＶｙｌ ，１， ２ （４） 上式（１）一（４）中： Ｓ 为Ｘ１方向上的位移，Ｓ 为Ｘ２方向上的位移； Ｓ ，为Ｙ１方向上的位移，Ｓ 为Ｙ２９ｑ￣Ａ：的位移； Ｖｘ 为Ｘｌ方向上的位移， 为Ｘ２方向上的位移； Ｖｖ，为ｘ１方向上的位移，ｖ，￣ｘ２方向上的位移： ｒ表示比例，其大小在０—１之间。 从式（１）、（２）可知Ｓ １、Ｓｘ２、Ｓｙｌ、Ｓｙ２可由Ｖｘｌ、 ２、 １、Ｖｙ２来表示，由式（３）、（４）可知，对Ｓｘｌ、 Ｓ ２、Ｓｙ］、Ｓｙ２的控制可转化为对 １、Ｖｘ２、Ｖｅｌ、 ２的控制，若使Ｓｘｌ、Ｓ ２分别和Ｓｙｌ、Ｓｙ２成一定 比例，即控制 ｌ、 ２分别和 １、 ２成一定比 例。 ３．１．２．２变比例载荷控制 变比例载荷控制原理如下：Ｘ１向、Ｘ２向以恒 定的速度拉伸，拉伸过程中实时反馈Ｘ１向、Ｘ２向 拉力，Ｙ１向、Ｙ２向以实时变化的速度进行拉伸， 并实时反馈Ｙ１向、Ｙ２向拉力，在此过程中，程序 实时判断Ｙ１向、Ｙ２向拉力分别与Ｘ１向、Ｘ２向拉 力差，根据拉力差实时增大或减小Ｙｌ向、Ｙ２向速 度，从而实现增大或减小Ｙｌ向、Ｙ２向拉力，使其 按给定比例控制。其控制算法如下： 设十字试件Ｘ１向、Ｘ２向的拉力分别为Ｆｒ 、 ，，Ｙ１向、Ｙ２向的拉力分别为 设Ｘ１向、Ｘ２向的线速度分别为１，ｒｌ、１， ２，Ｙ１ 向、Ｙ２向的线速度分别为１， １，１）ｙ２。 １）设定初始速度值满足下式： １Ｉ Ｖ １ｌ＝ ２＝ ＝Ｙｘ２＝０．０１＝０．１ｍｍ／０ｌ ｒｍｍ／ ｒｓ、 其中，ｒ表示比例系数，大小为０—１之间。 ２）定义Ｆ为下式： １，们＝ｖｅ２＝ ４）采集力传感器数据 。， ：， ， ：；光栅尺 数据 １，Ｓｘ２，Ｓｙｌ，Ｓｙ２；引伸计数据 １， ２，，ｖｌ，， ２，实 时绘制实验曲线。判断若Ｓ ＞５，Ｓ ：＞５且 １， ＜１００，ｖ ＜１００，说明材料已被拉断，则结束实 验，转到５），否则转到２）循环执行。 ５）保存实验数据。 ３．２下位机控制系统软件设计 如图７所示为下位机软件结构，下位机控 制系统软件设计是基于西门子ＳＴＥＰ ７，应用 ＳＩＭＯＴＩＯＮ ＳＣｏＵＴ软件，采用ＳＴ语言开发，完成 指令解析与执行，驱动电机运动，反馈传感器数 据等。上位机控制系统与下位机控制系统按照自 定义通讯协议，通过ＴＣＰ网络进行通讯。 ４实验验证 本文试验所用试件为十字件，材料为Ｑ２３５， 尺寸为４０ｃｍ×４０ｃｍ×６ｃｍ。 ４．１位移控制实验验证 本文试验所用试件为十字件，材料为Ｑ２３５， 尺寸为４０ｃｍ×４０ｃｍ ｘ ６ｃｍ。 控制标准为：Ｓｙｌ／ｓ １＝Ｓｙ２／ｓ ２＝０．５。 表２给出了三个时间点，２００ｓ，３１０ｓ，４１９ｓ下 的位移比例，其相对误差在５％之内，与控制标准 基本一致。图９给出了四条曲线分别为Ｘ１向、Ｘ２ 向、Ｙｌ向以及Ｙ２向的时间．位移曲线，结果表明 Ｘ１向与Ｘ２向曲线基本重合，Ｙ１向与Ｙ２向基本重 合，且Ｙ向与Ｘ向的位移比接近０．５。试验结果表明 本控制系统在变比例位移控制下基本满足要求。 表１变比例位移测量结果比较 第３５卷第１１期２０１３—１１（上） ［１３３１ １ 匐 化 否 图７下位机软件结构 图８试件示意图 图９时间一位移曲线 ４．２载荷控制实验验证 控制标准为： １／Ｆｘ】＝ ２／ ，＝０．７５。 表２给出了三个时间点，１７９ｓ，２６８ｓ，３５３ｓ下 的荷载控制比例，其相对误差在５％之内，与控 制标准基本一致。图１０给出了四条曲线分别为Ｘ１ 向、Ｘ２向、Ｙ１向以及Ｙ２向的时间．载荷曲线，结 果表明Ｘ１向与Ｘ２向曲线基本重合，Ｙ１向与Ｙ２向 基本重合，且Ｙ向与ｘ向的载荷比接近０．７５。试验 结果表明本控制系统在变比例荷载控制下基本满 足要求。 ［１３４１ 第３５卷第１１期２０１３—１１（上） 表２变比例荷载测量结果比较 图１０时间一荷载曲线 ５结论 １）本文开发了基于全闭环四轴同步的变比 例载荷／位移双向拉伸试验机控制系统，实现了四 轴同步变比例载荷／位移条件下双向拉伸的位置控 制、载荷控制。 ２）本文论述控制系统开发时，主要从系统总 体设计，全闭环控制结构设计，软件设计三大部 分进行了阐述。 ３）在软件设计中重点论述了本文采用的试验 的控制算法，包括变比例位移控制及变比例荷载 控制的算法。 ４）试验表明，本文给出的控制系统对于双向 拉伸试验机可以较好的实现变比例位移控制及变 比例荷载控制，对于完善相关的力学试验具有重 要意义。 参考文献： ［１］Ｆｅｒｒｏｎ Ｇ，Ｍａｋｉｎｄｅ Ａ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｂｉａｘｉａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ［Ｊ］．Ｊ．Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｅｖａ１．，１９９８， １６：２５３—２５６． ［２１ Ｍａｋｉｎｄｅ Ａ，Ｔｈｉｂｏｄｅａｕ Ｌ，Ｎｅａｌｅ Ｋ Ｗ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｂｉａｘｉ￣Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｃｒｕｃｉｆｏｒｍ Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ． 【Ｊ】．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，１９９２，３２：１３８—１４４． ［３】万敏，洪强，吴向东，等．十字形试件双向拉伸试验系统 的建立及加载精度分析［Ｊ】＿机械工程学报，２００１，３７（１）： ５７—６２． 【４】吴向东，万敏，周贤宾．ＢＨ２２０钢板屈服轨迹的双向拉伸 实验研究【ＪＪ＿塑性工程学报，２００４，１１（１）：３９－４２． 【５］吕晓东，吴向东，万敏，周贤宾．十字形试件双向拉伸试验 系统的ＰＩＤ控制［Ｊ】．中国机械工程，２００３，１４（８）：６３１—６３５． 【６】孙鑫．ＶＣ＋＋深入详解【Ｍ】．电子工业出版社．２００６． 【７】董景新，赵长德，郭美凤，陈志勇，李冬梅．控制工程基础（第 ３版）【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００９．
