2025年拉力試驗機行業技術分析：微型拉力試驗機的創新設計與廣泛應用

  中國報告大廳網訊，在2025年，拉力試驗機行業技術持續演進，不斷滿足各領域對於材料力學性能測試的多樣化需求。其中，微型拉力試驗機憑藉其獨特優勢，正逐漸成為科研、教學及工業生產中的重要設備。它不僅能精準測試材料拉力，還能在有限空間內高效運作，為相關工作帶來極大便利。

  一、拉力試驗機的重要性及現狀

  拉力試驗機在工業生產和科研教學中占據著舉足輕重的地位。在工業領域，各類材料、零部件乃至整機都需藉助拉力試驗機確定力學特性，以此判斷是否滿足使用需求，例如鋼鐵交易常以其試驗結果作為交貨依據。然而，當前部分拉力試驗機存在明顯不足。許多仍採用人機界面屏作為控制器，功能簡陋、處理速度慢且界面不友好，嚴重製約工作效率，難以契合現階段工作要求。同時，傳統拉力試驗機結構龐大、噸位重，既不便於辦公室科研人員開展材料研究，也無法滿足學校師生在有限元課程教育實踐中的需求。

  二、微型拉力試驗機的設計目標

  《2025-2030年中國拉力試驗機行業市場深度研究及發展前景投資可行性分析報告》微型拉力試驗機具備一系列關鍵功能指標。它能夠對金屬、塑料、複合材料等多種材料進行試驗，最大可承受 500N 拉力。具備自動試驗功能，能對材料進行拉伸和擠壓測試，還設有緊急停機功能以保障安全。可以實時顯示力值、位移信息，並實時測繪力 - 位移曲線。同時具備過載保護和位移限位功能，還能保存試驗結果並導入 excel 表格進行分析。

  三、微型拉力試驗機的結構設計

  (一)測試平台構成

  測試平台主要包含絲杆滑台機構、拉力傳感器、夾爪機構和電機等裝置。

  (二)主要機構設計與選型

  夾具機構：夾具機構由兩個夾爪和兩個夾爪固定座組成。鑑於整機拉力範圍設定為 500N，夾具需具備足夠剛性。經對鋼板、鑄鐵件和鑄鋁件對比研究，綜合考慮製作成本和工藝因素，最終選用鋁塊作為夾具支架，通過鑽孔後用螺栓與夾爪緊固連接，與滑台則採用兩個螺栓緊固。

  傳感器：拉力傳感器是拉力試驗機測試系統的關鍵部分，用於測量拉力值。選擇時，依據裝置要求的 0 - 500N 拉力試驗範圍，同時考慮到一般材料伸長率不超 20% 且行程小，為保證良好試驗效果，選用體積小的微型 50KG 拉壓力傳感器。

  絲杆滑台機構：滾珠絲杆滑台套組傳動裝置採用 304 不鏽鋼材料，能將迴轉運動高效轉化為直線運動，具有精度高和效率高的優點。根據裝置載荷，選用直徑 16mm 的絲杆，導程選定為 5mm(因導程直接影響電機最終輸出拉力大小)，設計工作行程至少 200mm，經建模分析，去除夾具和傳感器距離後，選用有效行程為 220mm、絲杆型號為 1605 的絲杆滑台套組。

  電機：步進電機具有諸多優點，其旋轉角度正比於脈衝數，停轉時具有最大轉矩，能極低速同步旋轉，方便通過步數計算測量物體形變，且在低速時輸出扭矩穩定。考慮到對負載需提供最大 500N 力的扭矩要求，選用額定扭矩 1Nm 的 57 型步進電機，經絲杆減速後，理論最大輸出拉力可達 900N 左右，滿足實驗要求。

  四、微型拉力試驗機控制系統的設計

  (一)硬體與軟體構成

  控制系統由硬體和軟體兩大部分組成。硬體涵蓋 STM32 單片機、限位傳感器、電源模塊、步進電機驅動器、串口轉 USB 晶片、HX711 AD 轉換模塊、壓力傳感器等。軟體方面包含串口接收處理程序、限位傳感器檢測程序、步進電機驅動程序、壓力傳感器數據採集程序、位移計算程序、串口數據發送程序等。

  (二)程序運行狀態

  程序運用有限狀態機思想，拉力試驗機工作於三個狀態。系統依據不同狀態實施不同控制方法。主程序在 while 循環中持續判斷當前狀態，上電初始為停止狀態，不斷檢測當前串口是否收到新指令(指令由上位機發送)，通過中斷為程序變量標誌賦值，若串口指令改變，系統則切換至對應狀態。

  (三)測量狀態運行

  當指令變為測量拉力，狀態轉換為測量拉力，主程序進入該狀態後，持續掃描串口命令是否變為停止以及對應限位開關是否閉合，若滿足則轉變為停止狀態。若不滿足停止條件，則依據串口指令速度為電機設定不同工作速度，同時掃描 HX711 是否可進行 AD 轉換，採集轉換後數據並處理，再通過串口將滑台位移和傳感器拉力值發送給上位機。

  (四)上位機開發

  上位機採用 C# 語言開發控制軟體及 UI 界面。C# 語言在程序開發和平台部署方面優勢顯著。上位機項目先進行 UI 設計，接著選用功能模塊類，最後完善控制邏輯。系統在單個串口內設有串口選擇下拉框、打開關閉串口按鈕，具備拉力測量模式和快速移動模式的參數選擇及對應開始和停止按鈕。添加文本框用於保存歷史數據，利用 C# 語言特有的圖標類實現實時曲線繪製，還設有歷史數據保存功能，可將數據保存為 excel 格式列表，便於後續研究處理。接收數據時，讀取串口接收緩衝區字符串，以字符 '*' 分割，將距離保存到 distence，壓力保存到 pressure(數據為字符串格式)，索引 x 將數據和分隔符 '-' 保存到字符串數組以便保存數據，將處理後數據顯示在文本框，拼接特定字符方便用戶解讀數據，同時將新接收數據加入圖表曲線數組，實現窗口圖表內容實時刷新。

  五、微型拉力試驗機精度分析和試驗

  試驗前，連接各模塊與單片機，打開上位機並通過串口與單片機相連，使用快速移動功能將夾爪調至合適位置，固定試驗用銅絲。選擇合適拉伸速度後開始測量，測量完成點擊停止測量，拉力機進入停止模式，點擊保存按鈕可將測量數據保存至軟體目錄的 CSV 文件。隨後用 excel 表格打開數據，去除干擾數據，以變形量為X軸、拉力為Y軸生成帶平滑曲線的散點圖。經數據比對，該微型拉力試驗機的實驗結果符合設計需求。

  在2025年的拉力試驗機行業技術發展進程中，這款微型拉力試驗機展現出了獨特的設計優勢。通過精心的結構設計和完善的控制系統開發，實現了在辦公區域及實驗教學中便捷、高效地進行材料拉力試驗和有限元驗證演示的功能。其能夠滿足對多種材料的測試需求，且在精度和性能方面達到了預期目標，為科研人員、教師和學生提供了有力的工具。同時，在工業場合，它也具有廣泛的應用前景，有望為相關生產和研發工作帶來新的助力，推動行業的進一步發展。

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