CN112098254B - 一种冲击试验的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冲击试验的控制系统，包括底座、设于底座上端的冲击机构和上位机，所述上位机内设有控制器和采集卡，所述冲击机构包括设于依次底座上端的液压泵、连接液压泵输出轴的冲击缸和用于夹持试件的夹具，所述光电编码器、力传感器和加速度传感器均通过采集卡连接至控制器，所述控制器通过上位机控制液压泵，所述控制器包括微处理器、电源模块、继电模块和信号采集模块，所述微处理器内的存储器串口连接上位机，所述电源模块为微处理器和液压泵提供电能；本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种冲击试验的控制系统，满足冲击试验机的高频率、高精度、高实时性数据采集需求。

Description

一种冲击试验的控制系统
技术领域
本发明属于机械检测技术领域，具体涉及一种冲击试验的控制系统。
背景技术
冲击磨损是对金属材料的磨损失效影响最大的损伤类型之一，在冲击载荷作用下，冲击磨损界面大多会出现塑性变形、切削、磨损、剥落等损伤特征。在电力系统、航空航天、石化装备、矿山机械、车辆制造等领域，设备各个非紧密连接的零部件以及暴露在恶劣环境下的结构部件，均容易受到冲击磨损所引发的零部件功能失效，在某些工作环境恶劣的设备中，冲击界面之中混入了高硬度的沙砾时，接触界面之间会产生冲击磨料磨损，引起切削、凿削与磨损、剥落交互作用于材料表面，加剧材料的失效速度，影响设备的正常工作并缩短其服役寿命。不仅会导致重大的经济损失，在检修不及时的情况下更会导致严重的安全事故。
冲击实验机的主要研究内容为从冲击头与试样接触开始，至冲击头与试样分离这一段时间内冲击力、试样变形量、冲击能量传递及耗散过程，由于冲击接触为瞬时过程，接触时间极短，市面上现有数据采集设备并不能满足实验设备对采样率和采样精度的需求，给冲击磨损的研究带来了较大的阻碍。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种冲击试验的控制系统，满足冲击试验机的高频率、高精度、高实时性数据采集需求。
本发明的目的是这样实现的：
一种冲击试验的控制系统，包括底座、设于底座上端的冲击机构和上位机，所述上位机内设有控制器和采集卡，所述冲击机构包括设于依次底座上端的液压泵、连接液压泵输出轴的冲击缸和用于夹持试件的夹具，所述冲击缸靠近夹具的一端连接有光电编码器，所述冲击缸的活塞杆上靠近夹具的一端连接有力传感器，所述夹具上设加速度传感器，所述光电编码器、力传感器和加速度传感器均通过采集卡连接至控制器，所述控制器通过上位机控制液压泵，所述控制器包括微处理器、电源模块、继电模块和信号采集模块，所述光电编码器、力传感器和加速度传感器通过采集卡连接至微处理器的I/O接收端，所述微处理器的I/O输出端通过继电模块控制液压泵，所述微处理器内的存储器串口连接上位机，所述电源模块为微处理器和液压泵提供电能。
优选的，所述夹具包括缓冲板和设于缓冲板上的夹头，所述缓冲板上、对应冲击缸的两侧处设有缓冲器，所述夹头上、与冲击缸的抵接处设有行程开关，所述行程开关连接至控制器。
优选的，所述液压泵设两个，所述的两个液压泵通过比例溢流阀连接至油源，所述的两个液压泵通过先导式快放阀连接冲击缸的进液缸，所述光电编码器设于冲击缸的活塞杆上。
优选的，所述力传感器和加速度传感器均通过电荷放大器连接至控制器，所述上位机连接有触摸显示屏。
优选的，所述电源模块通过三相电源滤波器为液压泵供电，所述电源模块依次通过单相电源滤波器、电源转换器和滤波模块为微处理器供电。
优选的，所述继电模块和采集卡均通过隔离模块连接微处理器，所述继电模块依次通过电液伺服阀、油源控制液压泵，所述存储器通过AD转换器连接I/O接收端。
优选的，所述控制器采用PLC可编程控制器，所述微处理器采用STM32单片机。
优选的，所述控制器还包括有耦接于控制器的冲击次数计数模块、用于将控制器的控制引脚信号控制大功率供电电路通断，使其能够驱动大功率设备的PWM模块，所述继电模块、隔离模块、电源模块、微处理器和PWM模块均设于PVB基板上，所述PVB基板上还设有JTAG。
优选的，所述微处理器内还设有时钟模块，所述AD转换器、冲击次数计数模块和通信模块均连接至同一个时钟模块。
优选的，所述微处理器内设有供电模块，所述供电模块包括DC/DC转换器和稳压器，DC/DC转换器的转换模式为电流同步降压，输入电压4.5-36V，输出电流为3A，固定工作频率500kHz，将24V降至5V后，通过降压型稳压器将5V降至3.3V。
优选的，所述隔离模块采用光耦隔离，与I/O接收端连接的隔离模块采用隔离芯片TLP521-4，输入端为24V状态信号，输出端为隔离后反馈电压3.3V，与I/O输出端连接的隔离模块采用隔离芯片AQY210，输入端为低压指令信号，输出端接至继电器电压输入管脚，控制继电器的通断。
优选的，若冲击缸和试件发生完全塑性碰撞，则试件受到的最大冲击力P满足：
P=k[m1m2v/(m1+m2)]1/2；
其中k表示冲击过程中损失的动能转换为缓冲器的势能，m1为冲击缸的质量，为活塞杆、冲击缸、冲头以及其它相联接零部件等件质量的总和，m2为试件的质量，v为活塞杆上的重头接触试件表面的瞬间速度。
优选的，所述试件产生的最大位移δ满足：
δ=0.53E/P0；
其中E为冲击试件的初始动能，E=1/2m1v2，P0为试件静态时的承载力。
优选的，根据能量守恒定律，弹性势能、重力势能和动能之间满足：
1/2kh2+m2gh=1/2m1v2，
其中h为冲击缸的活塞杆的冲头端的行程，
接触到试件到冲头的速度转化为零的过程中，冲击力与冲击速度之间满足：
Pit=m1v；
其中t为冲击缸完成一次冲击所用的时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种冲击试验的控制系统，包括上位机、传感器、放大器、采集卡，利用上位机中的软件实现人机对话，完成指令的表达传递及数据的采集、保存、后续处理等工作，系统通过主控芯片微处理器的I/O口输出的高低电平控制对应继电器的开关状态，通过传感器采集从碰撞到停止运动的整个时间节点内的数据，基板连接强电、弱电电源，并将其输送给各个模块，同时承担所有信号的传输工作，核心板、AD模块、通信模块、PWM模块均由预留的接口连接在基板上，成为一部集成度高、可靠性好、操作简便、功能强大的数据采集控制设备。
2、本发明提供的一种冲击试验的控制系统，将油源供电电压与控制器的低电压进行隔离供电，中间连接通过接插件过度，提高了安全性可靠性，高低压信号均经过滤波器多级滤波处理，降低了信号的不稳定波动。
3、本发明提供的一种冲击试验的控制系统，冲击力和冲头的行程呈正比关系，只要标定冲头的行程所对应的力以后只要用标尺测得冲头行程就可知道每次冲击力的大小。
附图说明
图1是本发明一种冲击试验的控制系统结构示意图。
图2是本发明一种冲击试验的控制系统夹具示意图。
图3是本发明一种冲击试验的控制系统原理图。
图4是本发明一种冲击试验的控制系统控制器示意图。
图中：1、底座；2、冲击机构；3、上位机；4、控制器；5、采集卡；21、液压泵；22、冲击缸；23、力传感器；24、光电编码器；25、夹具；26、行程开关；27、加速度传感器；251、缓冲板；252、夹头；253缓冲器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1和图2，一种冲击试验的控制系统，包括底座1、设于底座1上端的冲击机构2和上位机3，所述冲击机构2包括设于依次底座1上端的液压泵21、连接液压泵21输出轴的冲击缸22和用于夹持试件的夹具25，所述液压泵21设两个，所述的两个液压泵21通过比例溢流阀连接至油源，所述的两个液压泵21通过先导式快放阀连接冲击缸22的进液缸，所述光电编码器24设于冲击缸22的活塞杆上，所述冲击缸22靠近夹具25的一端连接有光电编码器24，所述冲击缸22的活塞杆上靠近夹具25的一端连接有力传感器23，所述夹具25上设加速度传感器27。
所述上位机3内设有控制器4和采集卡5，所述光电编码器24、力传感器23和加速度传感器27均通过采集卡5连接至控制器4，所述控制器4通过上位机3控制液压泵21。
所述夹具25包括缓冲板251和设于缓冲板251上的夹头252，所述缓冲板251上、对应冲击缸22的两侧处设有缓冲器253，所述夹头252上、与冲击缸22的抵接处设有行程开关26，所述行程开关26连接至控制器4。
设备由上位机连接的控制器驱动两个液压泵作为动力源，在准备阶段供油系统采用比例溢流阀来调节压力，通过供油泵向液压泵打入高压油，当储能回路的压力达到设定要求值时，液压泵停止工作，开启先导式快放阀，阀芯工作在快放位置，压力油快速释放进入冲击缸的进液腔，高压液体推动活塞杆运动完成冲击实验，回油阀开启，液体通过快放阀释放回油箱，向冲击缸提供动能，冲击缸在直线导轨的约束下向前自由滑动，通过固定在冲击缸的活塞杆前端的冲击头与紧固在夹具上的试样发生冲击接触，实验过程中，冲击接触力、冲击缸位置分别由冲击力传感器、光电编码器采集，通过数据采集卡传输至PC上位机。
实施例2
结合图3和图4，所述控制器4包括微处理器、电源模块、继电模块和信号采集模块，所述光电编码器24、力传感器23和加速度传感器27通过采集卡5连接至微处理器的I/O接收端，所述微处理器的I/O输出端通过继电模块控制液压泵21，所述微处理器内的存储器串口连接上位机3，所述电源模块为微处理器和液压泵21提供电能，所述电源模块通过三相电源滤波器为液压泵21供电，所述电源模块依次通过单相电源滤波器、电源转换器和滤波模块为微处理器供电，所述继电模块和采集卡5均通过隔离模块连接微处理器，所述继电模块依次通过电液伺服阀、油源控制液压泵21，所述存储器通过AD转换器连接I/O接收端。
控制器4通过控制电液伺服阀实现对冲击试验台的冲击幅度、频率及速度的控制，电源模块供电后，系统控制部分发出指令信号，信号经由光耦隔离模块，传送给继电模块分，避免信号干扰以及高电压灌入微处理器导致损坏，通过控制高压输入的通断来实现对电液伺服阀的控制，实现设备执行的各项动作。
所述力传感器23和加速度传感器27均通过电荷放大器连接至控制器4，所述上位机3连接有触摸显示屏，加速度是冲击活塞冲击试件夹具，使其与试件在作微量移动的过程中产生的，控制器4卡与加速度传感器27和力传感器23构成闭环回路，实现电液伺服有差闭环控制，采用多参量反馈方式，采样率和采样精度。
实施例3
所述控制器还包括有耦接于控制器的冲击次数计数模块、用于将控制器的控制引脚信号控制大功率供电电路通断，使其能够驱动大功率设备的PWM模块，所述继电模块、隔离模块、电源模块、微处理器和PWM模块均设于PVB基板上，所述PVB基板上还设有JTAG，所述微处理器内还设有时钟模块，所述AD转换器、冲击次数计数模块和通信模块均连接至同一个时钟模块，保持同一时刻所有采集通道的信号在同一帧数据包内被上位机接收，使得不同通道的数据在时间轴上严格同步。
所述微处理器内设有供电模块，所述供电模块包括DC/DC转换器和稳压器，DC/DC转换器的转换模式为电流同步降压，输入电压4.5-36V，输出电流为3A，固定工作频率500kHz，将24V降至5V后，通过降压型稳压器将5V降至3.3V，所述隔离模块采用光耦隔离，与I/O接收端连接的隔离模块采用隔离芯片TLP521-4，输入端为24V状态信号，输出端为隔离后反馈电压3.3V，与I/O输出端连接的隔离模块采用隔离芯片AQY210，输入端为低压指令信号，输出端接至继电器电压输入管脚，控制继电器的通断。
实施例4
对于刚性物体撞击结构物试件，冲击力的最大值出现在冲击的初始阶段。在此阶段中，试件的位移和变形很小，冲击力主要由试件的惯性力所承担，若冲击缸和试件发生完全塑性碰撞，则试件受到的最大冲击力P满足：P=k[m1m2v/(m1+m2)1/2，其中k表示冲击过程中损失的动能转换为缓冲器的势能，m1为冲击缸的质量，m2为试件的质量。
所述试件产生的最大位移δ满足：δ=0.53E/P0；其中E为冲击试件的初始动能，E=1/2m1v2，P0为试件静态时的承载力，根据能量守恒定律，弹性势能、重力势能和动能之间满足：1/2kh2+m2gh=1/2m1v2，其中h为冲击缸的活塞杆的冲头端的行程，接触到试件到冲头的速度转化为零的过程中，冲击力与冲击速度之间满足：Pit=m1v，其中t为冲击缸完成一次冲击所用的时间。
冲击力和冲头的行程呈正比关系，只要标定冲头的行程所对应的力以后只要用标尺测得冲头行程就可知道每次冲击力的大小。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种冲击试验的控制系统，其特征在于：包括底座（1）、设于底座（1）上端的冲击机构（2）和上位机（3），所述上位机（3）内设有控制器（4）和采集卡（5），所述冲击机构（2）包括设于依次底座（1）上端的液压泵（21）、连接液压泵（21）输出轴的冲击缸（22）和用于夹持试件的夹具（25），所述冲击缸（22）靠近夹具（25）的一端连接有光电编码器（24），所述冲击缸（22）的活塞杆上靠近夹具（25）的一端连接有力传感器（23），所述夹具（25）上设加速度传感器（27），所述光电编码器（24）、力传感器（23）和加速度传感器（27）均通过采集卡（5）连接至控制器（4），所述控制器（4）通过上位机（3）控制液压泵（21），所述控制器（4）包括微处理器、电源模块、继电模块和信号采集模块，所述光电编码器（24）、力传感器（23）和加速度传感器（27）通过采集卡（5）连接至微处理器的I/O接收端，所述微处理器的I/O输出端通过继电模块控制液压泵（21），所述微处理器内的存储器串口连接上位机（3），所述电源模块为微处理器和液压泵（21）提供电能；
所述控制器还包括有耦接于控制器的冲击次数计数模块、用于将控制器的控制引脚信号控制大功率供电电路通断，使其能够驱动大功率设备的PWM模块，所述继电模块、隔离模块、电源模块、微处理器和PWM模块均设于PVB基板上，所述PVB基板上还设有JTAG；所述微处理器内还设有时钟模块，AD转换器、冲击次数计数模块和通信模块均连接至同一个时钟模块，保持同一时刻所有采集通道的信号在同一帧数据包内被上位机接收，使得不同通道的数据在时间轴上严格同步。
2.根据权利要求1所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述夹具（25）包括缓冲板（251）和设于缓冲板（251）上的夹头（252），所述缓冲板（251）上、对应冲击缸（22）的两侧处设有缓冲器（253），所述夹头（252）上、与冲击缸（22）的抵接处设有行程开关（26），所述行程开关（26）连接至控制器（4）。
3.根据权利要求1所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述液压泵（21）设两个，所述的两个液压泵（21）通过比例溢流阀连接至油源，所述的两个液压泵（21）通过先导式快放阀连接冲击缸（22）的进液缸，所述光电编码器（24）设于冲击缸（22）的活塞杆上。
4.根据权利要求1所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述力传感器（23）和加速度传感器（27）均通过电荷放大器连接至控制器（4），所述上位机（3）连接有触摸显示屏。
5.根据权利要求1所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述电源模块通过三相电源滤波器为液压泵（21）供电，所述电源模块依次通过单相电源滤波器、电源转换器和滤波模块为微处理器供电。
6.根据权利要求1所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述继电模块和采集卡（5）均通过隔离模块连接微处理器，所述继电模块依次通过电液伺服阀、油源控制液压泵（21），所述存储器通过AD转换器连接I/O接收端。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述控制器（4）采用PLC可编程控制器。
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