對材料試驗機存在的各種問題探討和研究
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第一章 緒論
1.1研究的目的和意義
材料試驗機在開發新材料和材料質量控制領域的應用越來越廣泛，作為大型精密儀器，對它的控制精確性、智能性及人機交互便利性都提出了很高的要求。然而，目前的材料試驗機發展不完善，還存在各種問題。第一，針對試驗過程中，負載剛度變化，怎樣找到科學合理的解決辦法，在能得到負載力學性能參數的基礎上，確保控制系統的精確性；第二，針對不同的試驗對象以及試驗標準，研制能夠自動控制完成試驗過程，并具有良好人機界面的試驗機；第三，控制系統中的問題，比如電液比例控制系統的不確定性，它的系統參數具有高維、時變、模糊、非線性等特點，試驗機本身要滿足控制多項性能指標的苛刻要求。常規的控制方法不能滿足這些苛刻的要求，需要研制常規方法和智能控制方法相結合的控制系統。第四，建立物理和數學模型時的誤差問題。
論文針對目前試驗機存在的各種問題，以電液比例控制液壓萬能材料試驗機系統為對象，進行了深入探討和研究。
1.2國內外研究現狀和發展
材料試驗機是一種施力裝置或者力控制系統。主要是用來測試各種材料在不同條件下的物理機械性能、工藝性能、抗震強度及內外結構缺陷的重要科學測試儀器。當今國內外市場上存在的試驗機主要可分為三大類：電液伺服控制材料試驗機、電液比例控制材料試驗機、電子式萬能試驗機。
最初的自動控制液壓材料試驗機采用電液伺服閥構成控制系統，這類試驗機采用大流量的伺服閥系統，其功率消耗大、裝備復雜、費用昂貴，此外，抗污染能力差，傳動液壓油受到污染后系統將不能正常工作。
針對電液伺服控制中存在的各種問題，電液比例控制技術被應用于材料試驗機。比例閥以傳統的工業液壓閥為基礎，采用可靠、價廉的模擬電-機械轉換器和與之相應的閥內設計，對油質要求與一般工業閥相同，其閥內壓力損失低，性能又能滿足大部分工程測試業要求的比例控制元件。近年來出現了一種性能和價格介于伺服閥和普通比例閥之間的控制閥—高性能電液比例方向閥，它具有傳統比例閥的特征，采用比例電磁鐵作為電-機械轉換器，同時，它又采用伺服閥的加工工藝、零遮蓋閥口，對油液清潔度要求低于電液伺服閥，而它的控制性能已經與普通電液伺服閥相當，能大幅提高控制性能。
隨著電液伺服技術、電液比例技術、微電子技術、計算機技術及現代控制技術的飛速發展，國內外試驗機生產廠商都積極研發具有恒加載速率、恒應變速率、恒位移速率控制特點的試驗機。20世紀80年代末，濟南試驗機廠和日本島津公司合資生產了WAW-500型試驗機。其采用電液伺服閥，試驗范圍大，具有恒加載速率、恒應變速率、恒位移速率控制等特點，可高效率高精度地自動完成試驗過程，描繪出試驗曲線，并對結果進行處理和打印、記錄，還有故障自我診斷功能和人機對話功能，是比較先進的液壓萬能試驗機。
1.2.1國內外研究現狀
國內液壓試驗機從五十年末開始，仿制并大批生產了德國申克公司的手動控制的UPM系列液壓萬能試驗機。如國內各試驗機廠生產的WE系列萬能機、YA系列壓力機。它采用手動控制系統，主要特點是手動加載、卸載，擺錘測力、度盤顯示，如圖1.1所示。這種設備測量范圍小，精度低，對變形及位移不能等速率控制，加上擺錘的慣性誤差等的影響，國家己經開始逐步限制這類試驗機進入市場。但由于這種試驗機價格低廉、維護方便，目前，這兩種試驗機仍占相當大的市場。
圖1.1 手動式液壓萬能試驗機 圖1.2 數顯式液壓萬能試驗機
為了提高測量精度，消除擺錘對測量精度的影響，一些試驗機廠家以電子測力代替杠桿擺錘測力，如圖1.2所示。這類試驗機只在測力系統和數據顯示方面作了改進，大多以單片機作為數據采集和處理系統，在長期可靠性方面存在不少問題，在控制系統方面存在不少缺陷，無法實現等速控制。
長春試驗機研究所生產的WAW系列微機控制液壓萬能試驗機，其測量范圍可達6檔，具有等速控制試驗方式及專門為金屬拉伸試驗設計的試驗方式，但采用模擬放大器，繼電器自動換檔，不能實現各檔之間的平滑切換，可靠性比較差。同時，國內試驗機廠也積極與國外著名試驗機公司合作聯合開發自動控制液壓萬能試驗機，濟南試驗機廠引進日本島津技術開發WAW-Y系列微機控制電液伺服萬能試驗機，上海華龍測試儀器廠引進德國DOLI公司技術生產的WAW系列微機控制電液伺服萬能試驗機，這些試驗機雖然能實現閉環控制，但存在各種控制方式不能靈活組合，控制性能難以適應材料剛度的變化，調試和使用復雜，適用范圍不廣，而且因價格昂貴難以被國內大部分企業所接受。
國外著名的試驗機生產廠商主要有四個：美國的MTS公司，英國的 ...
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