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杯突试验机测控系统设计方案解析
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2017-10-18
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杯突试验机是对金属薄板和带材进行延展性试验的专用设备，也是目前国内评定金属材料塑性变形性能的 惟一设备，主要用于检验各种金属薄板在试验过程中的塑性 变形性能及有色金属薄板的各项异性。近年来，随着我国科技力量的不断提升，金属材料的生产加工工艺也取得了长足的进步，为了获得新工艺下材料的各项性能， 杯突试验机得到了更加广泛的应用。
目前国内的杯突试验机测控系统大多是以PLC、人机界面和计算机相结合的方式。这种方式主要存在以下缺点：生产成本高、功耗大、试验操作台与计算机终端的分离给操作人员带来了很大的不便。
针对以上缺点，本文将目前日益成熟的嵌入式技术应用到杯突试验机测控系统的改造中，设计了一种基于嵌入式的杯突试验机测控系统。该系统能够在确保试验数据精度的同时，充分发挥嵌入式系统体积小、功耗低、专用性强以及可靠性高等特点，具有较高的应用价值。
1 杯突试验机组成及工作原理
杯突试验机主机组成：杯突试验机主要由油泵、溢流阀、电磁换向阀、节流阀、冲力阀、单向阀、工作缸、活塞、冲压力传感器、压边力传感器、光栅位移传感器以及电气控制装置等组成。其中，电气装置主要由控制电路、继电器、直流电源、电流信号转换器等构成。
杯突试验机工作原理：当启动夹紧油泵时，油经换向阀、调速阀流向夹紧油缸，推动大活塞上升，使夹模 将试样夹紧；然后启动冲压油泵，油经换向阀、调速阀流向 冲压油缸，推动小活塞上升，使球形冲头压入试样；当试样在全厚度上出现穿透裂缝时，冲压负荷下降，此时冲头压入试样的深度即为试样的杯突值，然后两换向阀 同时换向，油泵的油流回油池，使冲头、垫模下降，当活塞落底时结束所有操作动作，完成试样杯突值的一次检测。
2 系统分析
测控系统需要完成如下两大功能：一是控制试验机完成相关的试验操作并能实时采集试验数据；二是试验数据的保存、查询、编辑及打印等。现将整个测控系统划分为以下四个部分：主控制器单元、数据测量单元、电气控制单元以及杯突试验机主机。系统的整体结构如图1所示。
主控制器单元是整个测控系统的核心，其核心电路是ARM9核心板，使用了三星公司的S3C2440 芯片，主频可达400MHz，其内部集成了A/D、 LCD触摸屏、GPIO、USB以及网络等接口。该单元通过系统总线和GPIO接口实现数据的采集并完成对试验机的控制。用户通过触摸屏与测控系统的应用 程序进行交互，控制试验机的整个工作过程、完成数据的采集以及试验数据的存储和管理等操作；通过网络接口实现与上位机或服务器之间数据的上传与下载；通过 USB接口完成试验数据的打印。
电气控制单元主要包括继电器和相应的驱动电路，其主要任务是根据微处理器发出的命令控制试验机的机 械装置，完成整个试验过程。根据试验机的工作原理，一次 完整的试验需要发出以下六个操作指令：夹紧油泵工作、夹紧电机工作、冲压电机工作、冲压油泵工作、夹紧换向阀换向、冲压换向阀换向，这些操作指令分别对应 6个开关量信号。微处理器发出的这些开关量信号通过GPIO口驱动继电器从而控制试验机内部各机械装置来完成整个试验过程。
数据测量单元包括两种传感器和对应的测量电路。这两种传感器分别是光栅尺和压力变送器。前者用来测量试样的杯突值，后者用来测量夹紧力值和冲压力值。
试验机主机主要包括油泵、溢流阀、电磁换向阀、节流阀、冲力阀、单向阀、工作缸、活塞等机械装置。
3 系统硬件设计
3.1 杯突值测量电路
冲头压入试样的深度即试样的杯突值是通过固定在冲头上的光栅位移传感器（以下简称光栅尺）来测量的。光栅尺是一种利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，其输出的信号为数字脉冲，具有测量范围大、精度高、响应速度快等特点。
光栅尺信号的采集一般分为滤波整形、鉴相、倍频、计数等几个步骤。本系统将光栅尺输出的相位相差90°的A，B正交编码脉冲信号经过光电耦合器隔离、电平 转换及滤波整形后送入LS7266R1芯片，LS7266R1通过8位数据总线将计数结果送给嵌入式微处理器进行处理。
LS7266R1是美国LSI公司开发的24位双轴正交信号鉴相芯片，该芯片将倍频、细分、鉴相、 计数集成到一起，不仅具有良好的抗干扰能力和较高的测量 精度，而且也大大简化了光栅尺传感器接口电路的设计。芯片内部含有2个正交信号鉴相模块（X和Y），每个正交信号鉴相模块内都包含了各自的寄存器，可以同 时对两组正交信号进行处理，本系统中只需对一组正交信号进行处理。另外，通过对LS7266R1的计数模式寄存器（CMR）的设置将计数模式设置为四倍频 正交模式以提高计数精度。
杯突试验机是对金属薄板和带材进行延展性试验的专用设备，也是目前国内评定金属材料塑性变形性能的 惟一设备，主要用于检验各种金属薄板在试验过程中的塑性 变形性能及有色金属薄板的各项异性。近年来，随着我国科技力量的不断提升，金属材料的生产加工工艺也取得了长足的进步，为了获得新工艺下材料的各项性能， 杯突试验机得到了更加广泛的应用。
目前国内的杯突试验机测控系统大多是以PLC、人机界面和计算机相结合的方式。这种方式主要存在以下缺点：生产成本高、功耗大、试验操作台与计算机终端的分离给操作人员带来了很大的不便。
针对以上缺点，本文将目前日益成熟的嵌入式技术应用到杯突试验机测控系统的改造中，设计了一种基于嵌入式的杯突试验机测控系统。该系统能够在确保试验数据精度的同时，充分发挥嵌入式系统体积小、功耗低、专用性强以及可靠性高等特点，具有较高的应用价值。
1 杯突试验机组成及工作原理
杯突试验机主机组成：杯突试验机主要由油泵、溢流阀、电磁换向阀、节流阀、冲力阀、单向阀、工作缸、活塞、冲压力传感器、压边力传感器、光栅位移传感器以及电气控制装置等组成。其中，电气装置主要由控制电路、继电器、直流电源、电流信号转换器等构成。
杯突试验机工作原理：当启动夹紧油泵时，油经换向阀、调速阀流向夹紧油缸，推动大活塞上升，使夹模 将试样夹紧；然后启动冲压油泵，油经换向阀、调速阀流向 冲压油缸，推动小活塞上升，使球形冲头压入试样；当试样在全厚度上出现穿透裂缝时，冲压负荷下降，此时冲头压入试样的深度即为试样的杯突值，然后两换向阀 同时换向，油泵的油流回油池，使冲头、垫模下降，当活塞落底时结束所有操作动作，完成试样杯突值的一次检测。
2 系统分析
测控系统需要完成如下两大功能：一是控制试验机完成相关的试验操作并能实时采集试验数据；二是试验数据的保存、查询、编辑及打印等。现将整个测控系统划分为以下四个部分：主控制器单元、数据测量单元、电气控制单元以及杯突试验机主机。系统的整体结构如图1所示。
主控制器单元是整个测控系统的核心，其核心电路是ARM9核心板，使用了三星公司的S3C2440 芯片，主频可达400MHz，其内部集成了A/D、 LCD触摸屏、GPIO、USB以及网络等接口。该单元通过系统总线和GPIO接口实现数据的采集并完成对试验机的控制。用户通过触摸屏与测控系统的应用 程序进行交互，控制试验机的整个工作过程、完成数据的采集以及试验数据的存储和管理等操作；通过网络接口实现与上位机或服务器之间数据的上传与下载；通过 USB接口完成试验数据的打印。
电气控制单元主要包括继电器和相应的驱动电路，其主要任务是根据微处理器发出的命令控制试验机的机 械装置，完成整个试验过程。根据试验机的工作原理，一次 完整的试验需要发出以下六个操作指令：夹紧油泵工作、夹紧电机工作、冲压电机工作、冲压油泵工作、夹紧换向阀换向、冲压换向阀换向，这些操作指令分别对应 6个开关量信号。微处理器发出的这些开关量信号通过GPIO口驱动继电器从而控制试验机内部各机械装置来完成整个试验过程。
数据测量单元包括两种传感器和对应的测量电路。这两种传感器分别是光栅尺和压力变送器。前者用来测量试样的杯突值，后者用来测量夹紧力值和冲压力值。
试验机主机主要包括油泵、溢流阀、电磁换向阀、节流阀、冲力阀、单向阀、工作缸、活塞等机械装置。
3 系统硬件设计
3.1 杯突值测量电路
冲头压入试样的深度即试样的杯突值是通过固定在冲头上的光栅位移传感器（以下简称光栅尺）来测量的。光栅尺是一种利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，其输出的信号为数字脉冲，具有测量范围大、精度高、响应速度快等特点。
光栅尺信号的采集一般分为滤波整形、鉴相、倍频、计数等几个步骤。本系统将光栅尺输出的相位相差90°的A，B正交编码脉冲信号经过光电耦合器隔离、电平 转换及滤波整形后送入LS7266R1芯片，LS7266R1通过8位数据总线将计数结果送给嵌入式微处理器进行处理。
LS7266R1是美国LSI公司开发的24位双轴正交信号鉴相芯片，该芯片将倍频、细分、鉴相、 计数集成到一起，不仅具有良好的抗干扰能力和较高的测量 精度，而且也大大简化了光栅尺传感器接口电路的设计。芯片内部含有2个正交信号鉴相模块（X和Y），每个正交信号鉴相模块内都包含了各自的寄存器，可以同 时对两组正交信号进行处理，本系统中只需对一组正交信号进行处理。另外，通过对LS7266R1的计数模式寄存器（CMR）的设置将计数模式设置为四倍频 正交模式以提高计数精度。
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