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1、本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 34 页1 引言拉伸实验是一种对材质的机械功能用来评定的测试 ，基本上按照要求对材料取样并加工成规定外形的试样，然后用拉伸试验机进行连续的单向轴向拉伸，同时对试验试样的应力和应变过程进行测量和处理 ，以得到表现材料性能的各种参数。PLC 作为控制器已经成长为如今的主要力量，他作为一个微型处理器可以与互联网相连接，从而形成一个一体化的生产流程与开发环境。 在 1980年左右，PLC 技术开始出现在汽修等行业中。 随着时间的进展，PLC 逐渐发展强大，现在一般的电气设备上都能看到 PLC 的身影。 PLC 技术在未来的社会生产中一定会成为一股不可缺少的力
2、量，甚至是主导力量。 1.1 拉伸试验机的发展随着社会的发展，人类文明的进步。我们对于材料的要求也越来越严格，对于不同设备的制造材料的属性也必须要有详细的了解。为此，我们为了得到材料的详细属性，就必须通过试验的过程来获得材料的有关属性数值，由此就出现了拉伸试验机。最早的一台拉伸试验机是由欧洲发明的，运用了加重力量的方法来给以拉伸力，以此测试出钢铁或其他金属材料的抗拉强度实验 1。现在，对于研究材料属性的任务基本都落在了拉伸试验机的身上。最古老的拉伸试验机一般有机械本体，还有数据采集和处理，在加一个饲服系统组成。如今的拉伸试验机已发展到最先进的阶段，其发展的过程是：刚开始是通过机械来控制的，随后
3、发展成液压控制系统，最终发展成如今最先进的微机控制系统。随着这几年我国工业技术的发展，我国的拉伸试验机也有了突飞猛进的发展，但是与世界发达国家的技术还存在着比较大的差距。就现在我国的拉伸试验机技术来看还比较落后，其精度要求达不到国际水平，器运行速度就比较慢。其主要原因是我国的拉伸试验机行业没有创新意识，一味地模仿与抄袭，甚至还有些企业直接盗用其他企业的成果，由于这些种种原因是我国的拉伸试验机市场一直比较低迷，此外，企业的管理不到位也是限制企业发展的一个重要因素。本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 34 页现在比较先进的拉伸试验机都有着器发展的方向，要么加强其智能化，要么加强其运算能力，
4、有些国家还把拉伸试验机的研发作为重要作业。为此，我国也开始加强对于拉伸试验机的研发的投入，以满足未来工业发展的要求。未来，随着技术的发展，我们对于拉伸试验机的研发还必须跟紧世界的脚步，做到与时同进，才能是我国工业成为领先位置。只几年，由于环境的不断恶化，我国以加强对于绿色产业的投入，以保证在发展我国工业的前提下不污染我们生存的环境。拉伸试验机的出现正是一次发展的机会，我们可以通过对材料的属性的认知来的到器对环境的影响。所欲现在价格已经不是决定一件产品是否热销的唯一因素了，质量的保证，优质的服务，节能环保的要求才是最重要的因素。如今企业之间的竞争已经不单单是比拼技术的领先，最重要的是要满足顾客的
5、需要，在此基础上还要尽可能的保证环保的要求，达到节能减排的目的。岛津企业管理（中国）有限公司开发的 AG-Xplus 系列立式电子万能试验机是目前岛津公司生产的最先进的电子万能试验机，其具备了目前最为顶尖的测量技术，操作方式更加简便易懂，可以对各种材料进行拉伸试验，例如：金属、非金属、复合材料等。其工作原理就是对材料进行拉伸，通过传感器得到的数据来确定材料的相关属性 3。1.2 PLC 技术的发展前景在现在工业生产与发展要求下，对于产业控制的要求日渐加高，PLC 生产商已开始将最新软硬件成果应用到 PLC 技术中，使 PLC 的功能不断得到完善和扩充，新一代 PLC 有着不可估量的市场潜力和非
6、常广阔的发展前景。第一，更强的运算能力。IT 技术的飞速发展使得微型高速存储设备的容量越来越大，应为 PLC 技术的不断更新不断强化，在数据交换方面的能力和需求也在不断提高，价格更低，可靠性却更高；第二，编程方式越发高级与丰富。当前，梯形图语言已经成为主流的编程语言，但是新的编程语言还是不断涌现。随着 PLC 技术的不断加强，PLC 的编程语言也在向多种语言方向发展；第三，网络通信能力将显著增强。增强 PLC 的联网性能与通信能力是目前 PLC 技术发展与进步的核心方向。但标准通信网络响应速度还是较慢，很难达到实时控制的要求，因而本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 34 页必须加强 P
7、LC 技术与互联网的链接；第四，品种多样化。目前 PLC 类型以中小型为主，为迎合市场的要求，PLC 需要向多种方面发展，特别是最先进的和最廉价的方面；第五， 智能模块将更加丰富多彩。其通过与计算机的链接来实现智能控制，控制系统丰富多样，各种智能模块将层出不穷。1.3 PLC 技术的研究与发展从改革开放开始，我国就引进了 PLC 技术研究。1980 年左右时期，我国已经开始将 PLC 技术运用在个中设备之上。随着国民经济的不断发展进步，我国的 PLC 运用领域已经越发广泛，涉及领域有很多如同：化工产业、机械制造产业、冶金钢铁产业、汽车制造产业等。如今，我国已经能熟练的运用一些较为简单的可编程控
8、制设备。近些年来我国许多工业生产上已经出现了 PLC 技术的运用，许多工厂也投入了对 PLC 技术研发的资金，随着 PLC 技术的发展，诸如机床加工、零件加工、还有其他工业生产等都离不开 PLC 技术 5。伴随不断进步发展的国家经济与信息技术，PLC 技术将会在各个行业发挥其不可或缺的作用，体现其无法代替的价值。最开始的 PLC 具有诸多缺点，如器软硬件结合不够圆滑，其体系则是一个比较固定的结构。其存在的问题也有很多。例如：器通讯网络与 I/O 模块不配合，其机架，电源模板也与众不同，而面对相同的梯形图器所编写的程序也各有不同。因此，PLC 之间的互补兼容是现在各个公司希望突破的问题。目前，P
9、LC 已经开始实行开放性政策，争取实现 PLC 技术的统一。许多机械都与 PLC 技术相关联，随着社会的进步与发展，PLC 技术将会成为今后企业控制的主流，也是代表国家工业发展的象征。1.4 总结及改进之处基于 PLC 技术的拉伸试验机控制系统设计。这个测试平台能够完成对多种金属材料进行性能测试，还具备采集分析数据、得出检测报告等功能。另外，测试系统设计过程中充分利用 PLC 技术功能，技术精确可靠且程序具有模块化、层次化的结构，优化了编程的效率和测试效果。本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 34 页2 总体方案2.1 总体方案概述材料拉伸试验机控制系统是以 PLC 为核心的实时测量控
10、制电路构成新的测量控制系统，取代原有的测量控制系统，新的测量控制系统在 PC 的指令控制下，通过可编程序控制器实现微机控制正、反向无级调速加载;本次设计主要控制拉伸试验机的启动运转及停止运转。通过编写 PLC 程序满足控制要求来实现步进电机的转动，从而带动丝杠转动，通过丝杆转动来控制夹具的上下运动，从而将夹具上的工件进行拉伸试验。设计流程如下：(1)通过触摸屏来控制 PLC。点击程序启动按钮并判断工件是否夹紧，如果夹紧进入下步操作。如果没有则暂停并夹紧工件；(2)启动步进电机并调整转速。判断转速是否正常。正常则开始下步操作。不正常则继续调整至正常为止；(3)开始拉伸试验。当工件拉断（力传感器）
11、或达到拉伸试验机极限拉伸长度时（位移传感器），拉伸试验机暂停工作。此时在人机界面记录数据（位移与力），并调整拉伸试验机参数；(4)松开工件，试验结束。本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 34 页图 2.1 立式拉伸试验机如图 2.1 所示本次课题设计拉伸试验机整体结构图。包含了夹具、滚珠丝杆、螺栓、挡板、机架、底座、步进电机、力传感器、位移传感器。工作原理是通过步进电机的转动来带动滚珠丝杆的转动然后来带动夹具的上下移动来完成拉伸试验，最后通过力传感器和位移传感器所记录的数据来进行对比得出试验数据。2.2 所需硬件 由于 PLC 技术具有例如抗干扰能力强、安装维护方便、拥有良好的可拓展性
12、、还具有良好的可靠性等优点。所以一般采用分布控制系列的控制系统。所以一般选用西门子型 S7-200 可编程序控制器。由于 S7-200 是西门子系列中功能最强、速度最高的的微型可编程序控制器，具有 128 种功能指令，可以满足系统的要求，并且还具有非常强大的通讯能力，因而可以实现 PC 机与 PLC 之间本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 34 页的相互联系与沟通，组成一个连续的智能的 PLC 控制系统。图 2.2 硬件组合图如图 2.2 即是本次毕业设计的立式拉伸试验机的硬件组合图，通过本图可以形象生动的看出拉伸试验机的硬件组成形式。也可以看出本次毕业设计的拉伸试验机的各个硬件的组成
13、方式，由此也能比较简单的体现出拉伸试验机的基本机械系统。本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 34 页3 硬件选型3.1 步进电机的选择步进电机作为本次设计的最主要的动力提供在本次设计中起到了至关重要的作用。在一般的工作情况下，控制电机的转速是有条件的，既是通过脉冲信号的频率和脉冲数来控制电机的转速。也可以用来控制步进电机的停止位置，在此过程中负载的变化不起任何作用，当步进驱动器接纳到一个脉冲信号摄入时，驱动步进电机就会接收到他的命令，从而往必然的目的地转动一定量的角度，称为“步距角”，它是以一定的角度一步步旋转运动的。其步进电机的角位移量主要由控制脉冲个数来决定的，从而完成生产需要的任
14、务；同时为了设置调速控制，可以通过控制脉冲的频率来实现对于步进电机的转速和加速度的控制。本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 34 页步进电机作为一个特定的感应试电机，它是以利用电子电路作为其工作原理来工作的，在他的工作过程中，他将直流电转划分为不同时供电的，多相同步时序控制的电流，步进电机会使用这种电流来工作，这样步进电机才可以有能量工作，而能完成这项任务的硬件就叫做驱动器。图 3.1 步进电机步进电机主要分为如下三种形式：（1）反应式步进电机。其定子上有绕组、其转子的组成材料为软磁式。其一般结构比较简单、成本较低、步距角小。但其缺点也同样显著如：动态性能差、工作效率低、工作过程中发热
15、大，其可靠性也比较低下。（2）永磁式步进电机。其转子一般是由永磁式材料制成，其转子和定子的极数基本相同。其优点是动态性能比反应式的要好、输出力距也比其大，但其缺点也比较明显如：精度不高，步矩角过大。 （3）混合式步进电机。其具备了反应式和永磁式共同的优点，其转子是由永磁式的材料制成，转子和定子上都有多个笑齿轮结合来提高步矩精度。其优点是输出力矩更大、动态性能更好，步距角最小，其也有一些缺点，例如：其结构较复杂、制作成本也比较高。由于毕业设计要求我们设计一个小型的拉伸试验机所以我们出于经济等方面的考虑决定选用反应式步进电机即可。3.2 步进电机驱动器的选用本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页
16、共 34 页如图 3.2 步进电机驱动器，它的工作原理是把控制系统产生的脉冲信号转化为步进电机的角位移量，也可以说：每当控制系统产生一个脉冲信号的时候，驱动器就会根据收到的信号来工作。也就是说步进电机的启动与停止是受脉冲信号来管理的。所以只有控制步进电机的脉冲信号频率，才可以完成对步进电机的控制；通过输出的步进脉冲的个数，来确定步进电机的位置。由于步进电机有很多不同功率的类型，所以在进行设计时应根据自己的需求来选择最为合适的一个驱动器。图 3.2 一体化步进电机由于本次毕业设计要求我们设计一个小型拉伸试验机，所以我们出于经济，方便等方面的考虑。我们决定选用电机驱动器一体化的步进电机即可满足我们的要求。3.3 拉力传感器的选用如图 3.3 所示力传感器是的工作原理是将电信号转化为力信号。拉力传感器主要构造有其下三点：（1 ）力敏元件是一种由铝合金，合金钢和不锈钢材料组成的元件；（2）转换元件其中用的最多的是电阻应变片；（3）电路部分构成较为简单，漆包线组成项圈，pc
