微机控制疲劳极限测试系统

微机控制疲劳极限测试系统 苏海青，刘慕双，罗小林(承德石油高等专科学校，河北承德067000) 　　摘　要：利用音叉原理自制了激振式疲劳极限测试系统。该系统利用微机控制，通过硬、软件设计，实现了曲轴疲劳极限测试、数据处理等全过程的自动控制。试验结果分析表明，该系统智能化程度高，数据可靠。同时提出了进一步改进的措施。
　　关键词：激振；疲劳极限；微机控制 A microporcessorcontrolled fatigue testing machineSU Haiqing,LIU Mushuang,LUO Xiaolin(Chengde Petroleum College,Hebei Chengde 067000,China)　　Abstract：This paper gives an introduction abo ut a selfmade fatigue limit testing system,which is designed in accordance wit h the theory of a tuNIng fork and controlled by a microcomputer.With the help o f welldesigned hardware and software，this system can automatically test the fatigue limit of any crankshaft and perform data processing and so on.The tested results show that this system is intelligent to a high degree and that the data are reliable.The paper also puts forward some measures to make a further improv ement of it.
　　Key words：excitation;fatigue limit;microcomputer control　　疲劳极限测试装置涉及到机械、电子、自动控制等许多技术领域，并且综合了近代闭环伺服、数字显示、机电一体化以及电子计算机等高新技术，被广泛应用于机械、船舶、航空航天和人体力学等方面新材料性能研究。 1测试系统拟达到的性能指标
　　文中所论是根据音叉共振原理设计开发的一台高效、小型、自动化程序高的疲劳试验机。拟达到以下性能指标：
　　1)输入载荷波形以正弦波为主，也可以根据需要选择三角波、矩形波等。
　　2)试验机工作频率范围为20～200 Hz。
　　3)实时显示加载频率、试件受力状况和应力循环次数。
　　4)试件萌生裂纹后自动停机，并自动记录试验加载波形、总循环次数(疲劳寿命)。
　　5)断电保护，系统断电时能自动记录当前数据，加电后可继续进行试验。
　　6)试验结束后，能对试验数据进行分析和试验报告打印。2测试系统的硬件设计
2.1测试系统的总体构成
　　整个测试系统由激振和测振两大部分组成，其总体构成如图1所示。 2.2系统控制电路构成
　　疲劳极限测试控制电路主要由微机系统及接口电路、CPLD(复杂可编 程逻辑器件)辅助单元、电磁伺服控制器、传感器(反馈)系统电路、自动停机控制系统电路 和电源电路组成。控制系统的主体电路结构如图2所示。　　1)采用51系列单片机W78E58为主处理机。
　　2)对微机系统的扩展，包括RAM扩展、I／O口的扩展。
　　3)微机通过DDS(直接数字频率合成)产生加载波形，产生的波形分成两路，一路控制电磁伺服系统动作；另一路通过整形电路整形为脉冲信号送计数器累加为应力循环次数。A／D转换将加速度传感器的反馈信号变成数字量送处理器处理后显示输出。
　　4)系统扩展一个CPLD辅助单元，用它的24位计数器记录应力循环次数。在CPLD上扩展一个RA M并由可充电锂电池供电，保证掉电时RAM中的数据不丢失。 3控制系统的软件设计
　　控制系统采用W78E58为主处理器控制整个试验过程。全部试验过程由初始化、试验前准备、试验进行、试验结束后结果打印和辅助功能等几部分组成。试验前准备包括选择适当的波形和自动频率扫描，并将扫频选定的频率锁存到数据存储区备用；试验进行包括音叉系统加速度信号的采集、试件裂纹判断、应力循环次数的累加和显示、自动扫频用于追踪系统频率的变化、重要数据定时存储用于防止系统掉电；结果打印包括总循环次数的打印和加载波形(曲线)打印；辅助功能包括试件安装、试验加载等。控制系统主程序框图如图3所示。 4试验结果
　　(1)电磁伺服系统能够按照标定载荷的要求灵活调节加载到音叉系统的载荷，通过监视反馈的系统加速度信号的幅值来监视加载到音叉系统的载荷。
　　(2)自动频率扫描能够追踪音叉系统频率的变化，保证音叉系统总是处于共振状态。
　　(3)通过监视音叉系统加速度信号的波形，能够判断被测试件是否有裂纹萌生。通过试验，部分试件达不到应力循环基数(10⁷周次)而发生局部裂纹，音叉系统的加速度波形局部出现台阶。 5结论
　　1)利用音叉原理设计的激振系统，可以测定曲轴的疲劳极限，自动化程度高，数据可靠。
　　2)采用微机控制的疲劳极限测试系统，具有较高的测试精度、良好的稳定性和动态响应。
　　3)试验机的测量和显示系统可以随时存储和显示工作载荷及循环次数的数值，自动监测试验的进行。
　　4)试件疲劳断裂后系统可以自动停机，并在试验结束后将总的试验循环次数和试验中记录的加载波形打印出来，具有很高的分析价值。
　　5)在现有基础上适当增加硬件和软件资源，能实现试验机功能扩展，使其完成多种类型试件的疲劳试验，因此具有一定的开发潜力。