CN113654923A - 一种变温变角度的冲击试验控制方法 - Google Patents

一种变温变角度的冲击试验控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变温变角度的冲击试验控制方法，实现控制方法的冲击试验装置包括加热及保温装置、自动对开门装置、试件装夹及角度调节装置和传感检测及控制装置。冲击台气压控制通过位置式PID算法将气压设定值u0与压力传感器实时测量信号比较得到偏差e，进行运算得到PWM信号占空比调节量u，转换为控制量调节高压气源压力调节阀，使得气压稳定于预设值。通过步距角与各级齿轮及蜗杆之间的传动比换算可精确控制试件安装角度。调节步距角调节自动门的开合状态及可旋转夹具的旋转角度。采用集成式单片机控制系统，把多功能集成于一台上位机上，使得试验更加智能化。本发明能够有效控制加热温度、调节冲击角度，满足高温下材料的冲击试验研究所需。

Description

一种变温变角度的冲击试验控制方法
技术领域
本发明涉及冲击试验技术领域，具体是一种变温变角度的冲击试验控制方法。
背景技术
弹道冲击试验是进行材料结构动态性能研究的主要手段之一，其结构简单、动态响应好，因而得到广泛应用。目前进行高温环境下的冲击试验研究受到加热装置的限制，普通加热炉需加热完试件再进行装夹，过程相对繁琐，装夹过程会产生热损耗，偏离试验要求；装夹好试件后利用加热板及明火加热不仅受环境温度影响较大，而且试件加热不均匀。
发明内容
针对上述缺陷，为了提高高温环境下材料受到冲击的动态性能结果的准确性，本发明提出了一种变温变角度的冲击试验装置与控制方法。
本发明为一体式多功能控制装置，本装置安装于冲击试验台前端，不仅能满足试件的加热及保温需求，同时可智能调节试件的冲击角度，进行冲击试验后还可采集试验数据。
本发明的变温变角度的冲击试验装置，包括加热及保温装置、自动对开门装置、试件装夹及角度调节装置、传感检测及控制装置。所述加热及保温装置包括抗冲击外壳、保温石棉、电阻丝炉膛、电阻丝以及底座。所述自动门对开门装置利用步进电机轴上的输出齿轮带动齿条门开合；所述试件装夹及角度调节装置通过调节步进电机的步距角调节试件的安装角度。
所述传感检测及控制装置通过单片机控制系统实现自动门控制，温度PID控制，气压PID控制，试件冲击角度控制，高速摄影成像及应力应变信号采集。
所述自动对开门装置包括齿条对开门、输出齿轮、滚动齿轮、步进电机及ULN2003驱动器；输出齿轮与步进电机轴联接，输出齿轮与对开门上齿条啮合，对开门下齿条与滚动齿轮啮合。
所述试件装夹及角度调节装置包括蜗杆、第二级输出齿轮、滚针轴承、步进电机、电机轴、第一级输出齿轮、弹体回收箱、可旋转夹具、斜齿轮、试件、螺栓、转子；所述步进电机轴与第一级输出齿轮相联接；所述第一级输出齿轮与第二级输出齿轮啮合；所述第二级输出齿轮与蜗杆中段联接；所述蜗杆尾端与滚针轴承固接；所述滚针轴承外壁与外壳内壁面固接；所述蜗杆与斜齿轮啮合；所述斜齿轮与可旋转夹具固接；所述可旋转试件夹具底盘与外壳内壁固接；所述弹体回收箱与可旋转夹具固接；试件通过螺栓四角固定在可旋转夹具上。
所述单片机控制系统选用STC89C52单片机作为整个装置的中央处理模块；加热及保温装置、自动对开门装置、试件装夹及角度调节装置、传感检测及控制装置均与单片机控制系统连接。
所述电阻丝加热炉膛内壁螺旋并列环绕三根电阻丝，所述每根电阻丝均可独立开关，在电路中均串联一个数字电阻器。
所述自动对开门装置利用两台对称布置的步进电机驱动输出齿轮，联动齿条门开合。
所述试件装夹及角度调节装置利用步进电机驱动第一级输出齿轮及第二级输出齿轮，联动蜗杆，带动与斜齿轮固接的可旋转夹具旋转，调节试件的安装角度。
所述可旋转试件夹具后设有弹体回收箱，所述弹体回收箱为方形壳体。
所述输出齿轮、滚动齿轮为直齿圆柱齿轮；所述蜗杆为圆柱渐开线蜗杆，所述斜齿轮为渐开线斜齿轮。
所述可旋转夹具底盘由三十个圆柱转子组成。
电阻丝炉膛内温度PID控制至少需要一个热电偶，所述热电偶贴附于试件表面，采集温度信号放大、滤波后，输入至单片机控制系统。
所述电阻丝炉膛内温度PID控制采用PID闭环控制，控制方法基于位置式PID算法，位置式PID算法的表达式为:
Figure BDA0003139374250000021
PWM控制器根据第n次被控变量采样结果与设定值之间的偏差e(n)计算出第n次采样之后所输出的控制变量u(n)。
式中各参数和变量分别是:u0是初始设定值，KP是比例系数；T为采样时间间隔；
Figure BDA0003139374250000031
为e(n)的和集；TI是积分时间常数；TD是微分时间常数。
电阻丝炉膛内温度控制方法，其包括以下步骤：
1)预先设定试件所需加热的温度；
2)附于试件表面的热电偶实时反馈温度信号至PWM控制器；
3)PWM控制器计算实际温度与预设温度的偏差值，根据偏差值进行PID运算，得到PWM信号占空比调节量；
4)PWM信号占空比调节量进一步转换为模拟电流信号，加载到加电阻丝两端，从而控制加热功率，使温度以微小的偏差控制在预设值。
冲击台气压控制至少需要一个压力传感器，所述压力传感器置于高压气源(51)输气管处。
冲击台气压控制采用PID闭环控制方法，控制方法基于位置式PID算法实现。
冲击台气压的控制方法，包括以下步骤：
1)预先设定高压气源压力；
2)高压气源输气管的压力传感器实时反馈气压信号至PWM控制器；
3)PWM控制器计算实际气压与预设气压的偏差值，根据偏差值进行PID运算，得到PWM信号占空比调节量。
4)PWM信号占空比调节量转换为控制量调节高压气源压力调节阀，使得气压稳定于预设值。
所述高速摄影成像通过安装于冲击试验台与本发明装置之间的高速摄影机，所述高速摄影机采集图像信号传输至单片机控制系统。
所述应力应变信号采集需利用耐高温应变片贴附于试件表面，记录冲击试验中试件的应力应变。
所述单片机控制系统包括外部电源、STC89C52单片机、传感器、ULN2003驱动器、PWM控制器、上位机。
所述传感器包括气压传感器、热电偶、耐高温应变片及高速摄影机。
本发明的有益效果：
1.本发明采用三根电阻丝螺旋并列布置，可通过控制三根电阻丝的闭合状态及电阻丝的使用功率，实现温度的多档调节。
2.本发明采用自动门装置，可在门板闭合时达到保温效果，门板开放时进行冲击试验。
3.本发明采用可旋转夹具结构，可达到改变冲击试验弹体冲击角度的效果。
4.本发明采用步进电机驱动，调节步距角可方便调节自动门的开合状态及可旋转夹具的旋转角度。
5.本发明采用集成式的单片机控制系统，可把多功能集成于一台上位机上，使得试验更加智能化。
6.综上所述，本发明能够有效控制加热温度、调节冲击角度，满足高温下材料的冲击试验研究所需。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明试件冲击角度控制装置的结构示意图。
图3是本装置应用于冲击试验台的示意图。
图4是PID原理框图。
图5是本发明单片机控制系统的结构示意图。
图6是本发明控制系统的操作界面示意图。
图中标号说明：1-齿条对开门、2-第一输出齿轮、3-第一步进电机、4-外壳、5-保温石棉、6-电阻丝炉膛、7-热电偶引出线、8-电阻丝、9-热电偶、10-应变片引出线、11-耐高温应变片、12-滚动齿轮、13-底座、14-试件装夹及角度调节装置、21-单片机STC87C52、22-传感器、23-ULN2003驱动器、24-PWM控制器、25-复位电路、26-时钟晶振电路、27-上位机、30-蜗杆、31-第二输出齿轮、32-滚针轴承、33-第二步进电机、34-步进电机轴、35-第三输出齿轮、36-弹体回收箱、37-可旋转夹具、38-斜齿轮、39-试件、40-螺栓、41-转子、50-高压气源、51-压力传感器、52-输气管、53-冲击气泵、54-高速摄影机、55-冲击管、56-变温变角度冲击试验加热装置、57-冲击台。
具体实施方式
下面结合附图说明，对本发明具体实施方式做进一步详细的描述。
如图1、图2和图3所示，本发明采用的技术方案为一种变温变角度的冲击试验装置，该冲击试验装置包括加热及保温装置、自动对开门装置、试件装夹及角度调节装置和传感检测及控制装置。加热及保温装置的侧部安装有自动对开门装置；试件装夹及角度调节装置安装在加热及保温装置内部，用以调整试件的装夹位置及角度位置；传感检测及控制装置安装在加热及保温装置的试件处，用以记录试件冲击试验的相关参数。
加热及保温装置包括抗冲击外壳4、保温石棉5、电阻丝炉膛6、电阻丝8和底座13；抗冲击外壳4的内部中间设有环形的电阻丝炉膛6，电阻丝炉膛6与抗冲击外壳4之间设有一层保温石棉5，电阻丝炉膛6的内部设有电阻丝8，抗冲击外壳4安装在底座13上。
自动对开门装置包括齿条对开门1、输出齿轮2、第一步进电机3和滚动齿轮12；齿条对开门1通过输出齿轮2和滚动齿轮12安装在抗冲击外壳4的外侧；输出齿轮2由第一步进电机3驱动；输出齿轮2和滚动齿轮12上下对应布置。
传感检测及控制装置包括热电偶引出线7、热电偶9、应变片引出线10、耐高温应变片11、单片机控制系统(图5)和高速摄影机53。试件安装在抗冲击外壳4的内表面处，热电偶9贴附在试件所对应的抗冲击外壳4内壁上，热电偶9上设有热电偶引出线7、应变片引出线10以及耐高温应变片11；热电偶引出线7、应变片引出线10以及耐高温应变片11均安装在单片机控制系统上。
自动对开门装置位于抗冲击外壳4前部，加热时能够关闭对开门起到保温隔热效果，进行冲击试验时可打开对开门，实现试验过程的自动化控制。
如图1及图2所示，试件装夹及角度调节装置14位于电阻丝炉膛6内部，且固定在抗冲击外壳4内的后壁面处；第二步进电机33的电机轴34与输出齿轮35通过平键连接，输出齿轮35与输出齿轮31相啮合，输出齿轮31固定于涡杆30上，蜗杆30与斜齿轮38相啮合，斜齿轮38固接于可旋转夹具37上。
如图3所示，抗冲击外壳4的侧部设有冲击装置，冲击装置的高压气源50通过输气管52输入高压气体进入冲击气泵53，高压气体能够使冲击管55内的弹体以一定速度飞出；冲击台57与本装置56水平放置，冲击管55正对试件39的中心；输气管52前端设有压力传感器51，压力传感器51能够控制气压；高速摄影机54位于冲击台正上方，高速摄影机54的镜头视角斜视于电阻丝炉膛6内用以监测试件的冲击试验。
本发明中，电阻丝8共三根，每根电阻丝8通过螺旋环绕在电阻丝炉膛6的内壁；电阻丝炉膛6外包覆保温石棉5，起到保温隔热作用，减少外部环境温度影响；电阻丝炉膛6及保温石棉5均为上下无端盖圆筒状，通过抗冲击外壳4包覆；抗冲击外壳4可抵抗试验冲击保护壳内的部件，且有一定保温隔热效果；底座13位于抗冲击外壳4下方用于支撑整体部件，达到与冲击试验台相近高度。
本发明中，每根所述电阻丝8均可独立开关，实现温度的分档调节；每根电阻丝8在电路中均串联一个数字电阻器，用于调节电阻丝功率。
本发明中，自动对开门装置利用两台对称布置的步进电机3驱动输出齿轮2及滚动齿轮12，联动齿条对条门1开合，把第二步进电机33对应的驱动器接入单片机控制系统20，控制脉冲信号，使得两台步进电机以参数相同、方向相反的步距角转动，控制脉冲信号的正负，调节步进电机正反转。
如图2所示，试件装夹及角度调节装置包括蜗杆30、第二级输出齿轮31、滚针轴承32、第二步进电机33、步进电机轴34、第三输出齿轮35、弹体回收箱36、可旋转夹具37、斜齿轮38、试件39、螺栓40和转子41；利用第二步进电机33驱动第三输出齿轮35及第二输出齿轮32，联动蜗杆30，带动与斜齿轮38固接的可旋转夹具37旋转，通过各级齿轮及蜗杆之间的传动比换算可精确控制试件安装角度。
本发明中，可旋转试件夹具37后设有弹体回收箱36，所述弹体回收箱36为方形壳体，可回收冲击试验时产生的高能碎片，以免损坏其它部件。
本发明中，第一输出齿轮2、第二输出齿轮31、第三输出齿轮35、滚动齿轮12为直齿圆柱齿轮；蜗杆30为圆柱渐开线蜗杆，斜齿轮38为渐开线斜齿轮。
本发明中，可旋转夹具37底盘由三十个圆柱转子41组成，三十个圆柱转子41均布于可旋转夹具37底盘内壁面，转子41与可旋转夹具37底盘内外壁面呈滑动连接。
本发明中，传感检测及控制装置通过单片机控制系统(如图5所示)实现自动门控制、温度PID控制、气压PID控制、试件冲击角度控制、高速摄影成像及应力应变信号采集。
本发明中，单片机控制系统选用STC89C52单片机21作为整个装置的中央处理模块；加热及保温装置、自动对开门装置、试件装夹及角度调节装置、传感检测及控制装置均与单片机控制系统连接。
本发明中，电阻丝炉膛6内温度PID控制至少需要一个热电偶9，所述热电偶9贴附于试件39表面，采集温度信号放大、滤波后，输入至单片机控制系统。
本发明中，电阻丝炉膛6内温度控制采用PID闭环控制，所述控制方法基于位置式PID算法。
本发明中，如图4所示，电阻丝炉膛6内温度控制是通过位置式PID算法将温度设定值u0与试件表面的热电偶9实时测量信号比较得到偏差e，对u进行运算得到PWM信号占空比调节量u；转换为模拟电流信号，加载到加电阻丝8两端，从而控制加热功率，使温度以微小的偏差控制在预设值。
本发明中，冲击台气压控制至少需要一个压力传感器51，所述压力传感器51置于高压气源输气管52前端。
本发明中，冲击台气压控制采用PID闭环控制，所述控制方法基于位置式PID算法。
本发明中，如图4所示，冲击台气压控制是通过位置式PID算法将气压设定值u0与压力传感器实时测量信号比较得到偏差e，进行运算得到PWM信号占空比调节量u，转换为控制量调节高压气源压力调节阀，使得气压稳定于预设值。
本发明中，试件冲击角度控制是通过ULN2003驱动器23控制步进电机33步距角，通过步距角与各级齿轮及蜗杆之间的传动比换算可精确控制试件安装角度。
本发明中，高速摄影成像通过安装于冲击试验台与本发明装置之间的高速摄影机54，所述高速摄影机54采集图像信号传输至单片机控制系统。
本发明中，应力应变信号采集需利用耐高温应变片11贴附于试件39表面，采集冲击试验中试件的应力应变信号传输至单片机控制系统。
本发明中，单片机控制系统(图5)包括外部电源、STC89C52单片机21、传感器22、ULN2003驱动器23、PWM控制器24、复位电路25、时钟晶振电路26、上位机27；传感器包括热电偶9、耐高温应变片11、压力传感器51；ULN2003驱动器23用于驱动第一步进电机3；PWM控制器24用于进行PID运算及调节；复位电路25可把电路恢复到起始状态；时钟晶振电路26是单片机内部接上振荡器提供高频脉冲经过分频处理后，成为单片机内部时钟信号，作为片内各部件协调工作的控制信号；上位机27是指可以直接发出操控命令的计算机，用于显示单片机控制系统操作界面(如图6)。
如图5所示，传感器22、ULN2003驱动器23、PWM控制器24、复位电路25、时钟晶振电路26、上位机27均与STC89C52单片机21连接。传感器22采集信号经ADC0809转换器处理输入至STC89C52单片机21，单片机21收集数据显示在单片机控制系统操作界面上；上位机27可向STC89C52单片机发出操控命令，用于控制ULN2003驱动器23及PWN控制器24。
本发明的多功能冲击试验加热装置工作原理为：将本装置固定于弹道冲击试验台前，将试件夹紧在夹具上进行加热，达到试验条件后停止加热，炉门打开，进行冲击试验，采集试验数据。
本发明的工作过程分为两个阶段：
第一阶段为加热试件阶段：如图1及图3所示，将本装置放置在冲击试验台前，确立冲击位置；通过上位机27输出指令，第一步进电机3启动，齿条门1打开，通过螺栓40将试件39固定于可旋转夹具37上，在试件39表面贴附应变片11及热电偶9，上位机27控制齿条对开门1关闭，在控制系统操作界面上设定加热温度，加热装置启动，通过热电偶观测试件表面温度，当试件表面温度接近所需温度，炉膛内温度进行PID调节，电阻丝8功率自动升降，直至试件表面温度趋于稳定加热结束，进入第二阶段；同时高压气源50通过输气管给冲击气泵压入高压气体，做好冲击准备，此时进行气压PID调节，上位机27设定所需气压值，通过输气管52前端的压力传感器51反馈信号，检测高压气源的压力并进行修正，使输出压力趋于稳定。
第二阶段为冲击试验阶段：如图1、图2及图3所示，在冲击试验前可调整试件39冲击角度，利用上位机27控制第二步进电机33联动可旋转试件夹具37，达到所需角度后停止，进行弹道冲击试验，弹体从冲击管55射出冲击试件，夹具后弹体回收箱36可回收破碎的试件材料及弹体，贴附于试件表面的应变片11可采集应力应变信号反馈至应力应变仪，经应力应变仪分析与处理，上传试验数据至单片机控制系统，高速摄影机54可采集图像信号传输至单片机控制系统。

Claims (10)

1.一种变温变角度的冲击试验控制方法，实现该控制方法的冲击试验装置包括加热及保温装置、自动对开门装置、试件装夹及角度调节装置和传感检测及控制装置；加热及保温装置的侧部安装有自动对开门装置；试件装夹及角度调节装置安装在加热及保温装置内部，用以调整试件的装夹位置及角度位置；传感检测及控制装置安装在加热及保温装置的试件处，用以记录试件冲击试验的相关参数；抗冲击外壳的侧部设有冲击装置；
其特征在于：第一阶段为加热试件阶段：将本装置放置在冲击试验台前，确立冲击位置；通过上位机输出指令，第一步进电机启动，齿条门打开，通过螺栓将试件固定于可旋转夹具上，在试件表面贴附应变片及热电偶，上位机控制齿条对开门关闭，在控制系统操作界面上设定加热温度，加热装置启动，通过热电偶观测试件表面温度，当试件表面温度接近所需温度，炉膛内温度进行PID调节，电阻丝功率自动升降，直至试件表面温度趋于稳定加热结束，进入第二阶段；同时高压气源通过输气管给冲击气泵压入高压气体，做好冲击准备，此时进行气压PID调节，上位机设定所需气压值，通过输气管前端的压力传感器反馈信号，检测高压气源的压力并进行修正，使输出压力趋于稳定；
第二阶段为冲击试验阶段：在冲击试验前可调整试件冲击角度，利用上位机控制第二步进电机联动可旋转试件夹具，达到所需角度后停止，进行弹道冲击试验，弹体从冲击管射出冲击试件，夹具后弹体回收箱可回收破碎的试件材料及弹体，贴附于试件表面的应变片采集应力应变信号反馈至应力应变仪，经应力应变仪分析与处理，上传试验数据至单片机控制系统，高速摄影机采集图像信号传输至单片机控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：加热及保温装置的电阻丝炉膛内温度PID控制至少需要一个热电偶，所述热电偶贴附于试件表面，采集温度信号放大、滤波后，输入至单片机控制系统。
3.根据权利要求2所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：所述电阻丝炉膛内温度PID控制采用PID闭环控制，控制方法基于位置式PID算法。
4.根据权利要求3所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：电阻丝炉膛内温度控制方法，其包括以下步骤：
1)预先设定试件所需加热的温度；
2)附于试件表面的热电偶实时反馈温度信号至PWM控制器；
3)PWM控制器计算实际温度与预设温度的偏差值，根据偏差值进行PID运算，得到PWM信号占空比调节量；
4)PWM信号占空比调节量转换为模拟电流信号，加载到加电阻丝两端，从而控制加热功率，使温度以偏差控制在预设值。
5.根据权利要求1所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：冲击台气压控制采用PID闭环控制方法，控制方法基于位置式PID算法实现。
6.根据权利要求5所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：冲击台气压的控制方法，包括以下步骤：
1)预先设定高压气源压力；
2)高压气源输气管的压力传感器实时反馈气压信号至PWM控制器；
3)PWM控制器计算实际气压与预设气压的偏差值，根据偏差值进行PID运算，得到PWM信号占空比调节量；
4)PWM信号占空比调节量转换为控制量调节高压气源压力调节阀，使气压稳定于预设值。
7.根据权利要求1所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：单片机控制系统选用STC89C52单片机作为整个装置的中央处理模块。
8.根据权利要求1所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：电阻丝炉膛内温度PID控制至少需要一个热电偶，所述热电偶贴附于试件表面，采集温度信号放大、滤波后，输入至单片机控制系统。
9.根据权利要求1所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：通过位置式PID算法将温度设定值u0与试件表面的热电偶实时测量信号比较得到偏差e，进行运算得到PWM信号占空比调节量u；转换为模拟电流信号，加载到加电阻丝两端，从而控制加热功率，使温度以偏差控制在预设值。
10.根据权利要求5所述的一种变温变角度的冲击试验控制方法，其特征在于：将气压设定值u0与压力传感器实时测量信号比较得到偏差e，进行运算得到PWM信号占空比调节量u，转换为控制量调节高压气源压力调节阀，使得气压稳定于预设值；试件冲击角度控制是通过ULN2003驱动器控制步进电机步距角，通过步距角与各级齿轮及蜗杆之间的传动比换算控制试件安装角度；应力应变信号采集需利用耐高温应变片贴附于试件表面，采集冲击试验中试件的应力应变信号传输至单片机控制系统。
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