CN114593986B - 一种摆锤式冲击试验台控制器及其控制方法 - Google Patents

一种摆锤式冲击试验台控制器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种摆锤式冲击试验台控制器及其控制方法，所述试验台控制器包括：信号输入接口、信号输出接口、急停接口、急停处理模块、电源模块、网口、显示器接口、USB接口、实时处理器；所述实时处理器分别与信号输入接口、信号输出接口、急停接口、急停处理模块、电源模块、网口、显示器接口、USB接口连接，所述应急处理模块分别与信号输入接口、信号输出接口、急停接口、电源模块相连；所述急停接口与外部急停开关相连；所述摆锤式冲击试验台控制器是一种多信号输入、多控制闭环解算、严格时序信号输出的控制器，所述控制方法符合摆锤式冲击试验台的工作流程，完全适用于利用摆锤式冲击试验台进行的冲击试验。

Description

一种摆锤式冲击试验台控制器及其控制方法
技术领域
本发明属于试验设备测控系统配置领域，涉及一种系统控制器的搭建和相应的调试与试验流程控制，尤其涉及一种适用于摆锤式冲击台的控制系统。
背景技术
大量军民设备使用过程中可能面临极端环境，例如导弹装配完成后，都要进行冲击试验，检验产品对于冲击环境的适应性，查找产品设计生产中影响产品可靠性的缺陷。随着国民经济逐步发展，军民各方对于产品结构和元件工作可靠性的要求不断提高，抗冲击性能作为装备可靠性的一个重要标准，越来越得到重视。冲击试验的试验过程短暂，冲击及测试全过程往往不超过0.5s，且试验过程要严格避免二次撞击对试验结果进行干扰。冲击试验往往会造成产品损坏或性能下降，针对比较昂贵的被试产品，往往需要系统反复调试，再进行正式试验，从而降低试验成本，特别是在系统调试过程中，配套测控系统需及时展示冲击效果，为后续参数的调整提供参考。
目前市场上控制器种类繁多，但均无法满足系统配套要求，即用于摆锤式冲击台的控制与过程数据记录分析，特别可以在冲击瞬间，释放锤头偏航自由度的控制器，为此，需开发出一种高速获取现场传感器信号，灵活设置并触发相关执行机构动作，同时高速记录试验过程关键参数，并立即给出分析结果的冲击试验台控制器.
发明内容
(一)解决的技术问题
提供一种实时获取信号，迅速解算并触发相关执行器动作，同时高速记录试验过程关键参数，并立即给出分析结果的摆锤式冲击试验台控制器。
(二)技术方案
一种摆锤式冲击试验台控制器，控制器和与之连接的部件，所述部件包括：
现场传感器，分布于试验台主机上的传感器和分布于试验件上的传感器，现场传感器以信号形式向控制器发送数据；
现场电控柜，柜内集成执行机构的驱动设备，并以信号形式与控制器交换数据；
急停开关，包含：现场急停开关和本地急停开关；
外部供电，用于提供电源动力；
显示器，用于试验台控制器人机交互输出；
键盘鼠标，用于试验台控制器人机交互输入；
网络设备，用于远程连接试验台控制器，通过网线与试验台控制器交换数据；
急停开关，紧急情况下，用于本地或远程触发控制器急停保护；
控制器通过向处于现场电控柜内的驱动设备发送指令信号，控制位于试验台主机上的电机丝杠带动摆臂实现摆臂中心的位置调整，同时控制器实时监测位置反馈，当与目标值小于误差时，控制器向现场电控柜内的电机驱动器发出停止信号；
控制器通过向处于现场电控柜内的驱动设备发送指令信号，实现液压油的通断和换向，从而控制位于试验台主机上的液压缸运动，带动摆臂进行角度调整，同时控制器实时监测摆臂角度反馈，当与目标值小于误差时，控制器向现场电控柜内的电磁阀组发出停止信号，顺序实现摆臂制动、离合器断开以及液压缸位置保持。
进一步地，所述控制器包括：信号输入接口、信号输出接口、急停接口、急停处理模块、电源模块、网口、显示器接口、USB接口、实时处理器；所述实时处理器分别与信号输入接口、信号输出接口、急停接口、急停处理模块、电源模块、网口、显示器接口、USB接口连接，所述应急处理模块分别与信号输入接口、信号输出接口、急停接口、电源模块相连；所述信号输入接口与外部的现场传感器相连，信号输出接口与外部现场电控柜相连，所述网口与外部网络传输设备连接，所述显示器接口与显示器相连；所述USB接口与键盘鼠标相连。
进一步地，所述电源模块通过接插件将外部220VAC市电转换为直流电压，并通过线缆给实时处理器和急停处理模块供电。
进一步地，所述急停接口包括多个接口，并分别连接多个急停开关，任意一个急停开关触发时，该急停信号将同步送入急停处理模块和实时处理器；所述急停处理模块在获取急停接口传来的急停信号时，并不立即执行急停指令，通过判断信号输入接口传入的摆臂角度信号，当摆臂转动的角速度小于设定的门限值时，急停处理模块再通过信号输出接口发送信号，通过现场电控柜实现试验台急停。
进一步地，所述现场传感器包括设置于试验台上冲击载荷传感器，冲击加速度传感器，摆臂角度传感器，锤头位移传感器，锤头偏航角度传感器、摆臂中心位置传感器以及激光传感器，设置于被测试件上的加速度传感器、应变传感器、位移传感器。
进一步地，所述现场电控柜内集成有电磁阀组、接触器、继电器、电机驱动器。
摆锤式冲击试验台控制器的调试流程控制如下：
T1、调整冲击位置；
T2、调整冲击能量；
T3、冲击释放；
T4、获取过零点预触发信号；
T5、输出锤头偏航自由度释放信号，开始记录数据；
T6、锤头速度＜V0，制动器信号输出，停止记录数据；
T7、摆锤回到初始零位；
T8、试验结果展示。
进一步地，过程T1中，冲击位置指与产品或工装撞击时的位置；过程T2中，冲击能量的调整通过调整摆臂初始位置角度与运动部分质量实现；
进一步地，输出控制信号启动动力设备，通过传动机构带动摆臂缓慢运动，同时控制器以10kHz以上的采集速率获取当前摆臂的真实角度值，待角度反馈值与目标值偏差处于-0.5～0°时，控制器输出制动器启动信号，利用制动器使摆臂维持在目标角度。
进一步地，过程T3中，冲击释放的原理是摆臂旋转轴离合器断开，制动器停止工作，摆臂受重力从而自由下落。
进一步地，过程T4、T5中，获取过零点预触发信号到输出锤头偏航自由度释放信号的时间差可在程序中灵活设置；过程T6中的V0可在程序中灵活设置；过程T7中的初始零位指的是摆臂垂直于地面的状态；调试模式，要确认锤头过初始零位时，锤头速度的正确性，锤头偏航自由度释放时刻的正确性。
摆锤式冲击试验台控制器的试验流程控制如下：
S1、调整冲击能量；
S2、冲击释放；
S3、获取过零点预触发信号；
S4、输出锤头偏航自由度释放信号，开始记录数据；
S5、二次过零点触发，锤头速度＜V0，制动信号输出，停止记录数据；
S6、摆臂回到初始零位；
S7、试验结果展示；
进一步地，单次冲击试验结束后，S7展示试验结果，包括：锤头位移与冲击载荷变化曲线；锤头位移与冲击加速度变化曲线；撞击速度、摆臂角度，锤头偏航角度时域变化曲线；试件上的应变、位移、加速度时域变化曲线。
控制器的基本功能包括：闭环控制实现摆臂旋转中心高度的调整，闭环控制实现摆臂角度的调整，摆臂释放及锤头在撞击试件瞬间可以释放偏航自由度，锤头撞击试件反弹后防止二次撞击。
摆臂旋转中心高度调整方法：通过控制器向处于现场电控柜内的电机驱动器发送指令信号，控制电机丝杠带动摆臂旋转中心实现位置调整，同时控制器实时监测位置反馈，当与目标值小于可接受误差时，控制器向现场电控柜内的电机驱动器发出停止信号。
摆臂角度调整方法：通过控制器向处于现场电控柜内的电磁阀发送指令信号，电磁阀组接通液压油并通过液压缸驱动摆臂旋转，同时控制器实时监测角度反馈，当与目标值小于可接受误差时，控制器向现场电控柜内的电磁阀组发送电信号，首先启动制动器使当前摆臂角度得以保持，并通过离合器切断驱动摆臂旋转的液压缸。
摆臂释放及锤头在撞击试件瞬间释放偏航自由度方法：控制器向处于现场电控柜内的电磁阀组发送电信号，驱动制动器停止工作，从而释放处于一定初始角度的摆臂，摆臂围绕摆心做圆周运动，当摆臂与地面垂直时，锤头获得最大速度同时与试件发送碰撞，实现对试验件的冲击。在摆臂下摆过程中，未达到与地面垂直前，摆臂扫过激光传感器光路，控制器捕捉到该激光传感器信号后，通过适当延时(该延时值可在软件中设置)驱动处于现场电控柜内的电磁阀组，使摆臂摆动到与地面垂直角度时，弹起限制锤头偏航自由度的销钉，从而实现在锤头与试验件撞击瞬间的锤头偏航自由度释放。
防止二次撞击方法：锤头与试件的撞击发生后，锤头带动摆臂回弹，控制器高速监测摆臂摆角数据，当角速度小于门限值时，控制器立即向现场电控柜发送电信号，通过柜内电磁阀组启动制动器为当前正在回弹运动中的摆臂制动。
(三)有益技术效果
实现了摆锤式冲击台标准试验的流程控制，具备调试流程立柱和试验流程控制；在锤头撞击产品或工装瞬间，可实现锤头偏航自由度释放；急停处理由独立急停处理模块实现；试验结果可立即在软件操作界面上展示。
附图说明
图1：冲击台控制器的结构示意图；
其中：71-信号输入接口；72-信号输出接口；73-急停接口；74-急停处理模块；75-电源模块；76-网口；77-显示器接口；78-USB接口；79实时处理器；
图2：冲击台控制器的应用示意图；
其中：1-现场传感器；2-现场电控柜；3-急停开关；4；5-外部供电；6-网络传输设备；7-显示器；8-键盘鼠标
图3：冲击台控制器的调试控制流程；
图4：冲击台控制器的试验控制流程；
具体实施方式
除了下面所述的实施例，本发明还可以有其它实施例或以不同方式来实施。因此，应当知道，本发明并不局限于在下面的说明书中所述或在附图中所示的结果的详细情况。当这里只介绍一个实施例时，权利要求并不局限于该实施例。
如图1和图2所示的一种摆锤式冲击台控制器，包括：
现场传感器1，用于设备状态的检测，并以信号的形式发出，至少包括冲击载荷传感器，冲击加速度传感器，摆臂角度传感器，锤头位移传感器，锤头偏航角度传感器以及摆臂中心位置传感器，行程开关及用于测量试件变化的传感器；
现场电控柜2，通过现场电控柜可实现具体执行机构的驱动，包括摆臂摆角运动，动力源启停，制动器启停，离合器启停，锤头偏航自由度释放，以及其他需要协同控制的控制量送出；
急停开关3，用于紧急情况下，系统停机，本控制器配置多个急停接口，可连接多个急停开关，方便布置于现场及测控间各处；
外部供电5，用于提供220VAC市电；
网络传输设备6，用于将试验结果传递至远端设备；
显示器7，为冲击台控制器本地操作的人机交互输出设备；
键盘鼠标8，为冲击台控制器本地操作的人机交互输入设备；
所述冲击台控制器包括：信号输入接口71，信号输出接口72，急停接口73，急停处理模块74，电源模块75，网口76，显示器接口77，USB接口78，实时处理器79，所述信号输入接口71在冲击台控制器7外侧通过线缆与现场传感器1相连，在冲击台控制器内与实时处理器79相连；所述信号输出接口2在冲击台控制器7外侧通过线缆与现场电控柜2相连，在冲击台控制器7内与实时处理器79相连；所述急停接口73在冲击台控制器9外侧通过线缆与急停开关3，在冲击台控制器9内与急停处理模块74和实时处理器79相连；所述急停处理模块74在冲击台控制器9内通过线缆分别与信号输入接口71、信号输出接口72、电源模块相连75；所述电源模块75通过接插件将外部220VAC市电转换为直流电压，并通过线缆给实时处理器79和急停处理模块74供电；所述网口76在冲击台控制器9外侧通过线缆与网络传输设备6连接，在冲击台控制器9内与实时处理器79相连；所述显示器接口77在冲击台控制器9外侧通过线缆与显示器7相连，在冲击台控制器9内与实时处理器79相连；所述USB接口78在冲击台控制器9外侧通过线缆与键盘鼠标8相连，在冲击台控制器9内与实时处理器79相连。
所述信号输入接口71接收传感器信号的同时，实现传感器供电。
所述急停处理模块74用于绕开实时处理器，并在其获取急停接口传来的急停信号时，并不立即执行急停指令，通过判断信号输入接口传入的摆臂角度信号，当摆臂转动的角速度小于设定的门限值时，急停处理模块再通过信号输出接口发送信号，通过现场电控柜实现试验台急停。
控制器的基本功能包括：闭环控制实现摆臂旋转中心高度的调整，闭环控制实现摆臂角度的调整，摆臂释放及锤头在撞击试件瞬间可以释放偏航自由度，锤头撞击试件反弹后防止二次撞击。
摆臂旋转中心高度调整方法：通过控制器向处于现场电控柜内的电机驱动器发送指令信号，控制电机丝杠带动摆臂旋转中心实现位置调整，同时控制器实时监测位置反馈，当与目标值小于可接受误差时，控制器向现场电控柜内的电机驱动器发出停止信号。
摆臂角度调整方法：通过控制器向处于现场电控柜内的电磁阀发送指令信号，电磁阀组接通液压油并通过液压缸驱动摆臂旋转，同时控制器实时监测角度反馈，当与目标值小于可接受误差时，控制器向现场电控柜内的电磁阀组发送电信号，首先启动制动器使当前摆臂角度得以保持，并通过离合器切断驱动摆臂旋转的液压缸。
摆臂释放及锤头在撞击试件瞬间释放偏航自由度方法：控制器向处于现场电控柜内的电磁阀组发送电信号，驱动制动器停止工作，从而释放处于一定初始角度的摆臂，摆臂围绕摆心做圆周运动，当摆臂与地面垂直时，锤头获得最大速度同时与试件发送碰撞，实现对试验件的冲击。在摆臂下摆过程中，未达到与地面垂直前，摆臂扫过激光传感器光路，控制器捕捉到该激光传感器信号后，通过适当延时(该延时值可在软件中设置)驱动处于现场电控柜内的电磁阀组，使摆臂摆动到与地面垂直角度时，弹起限制锤头偏航自由度的销钉，从而实现在锤头与试验件撞击瞬间的锤头偏航自由度释放。
防止二次撞击方法：锤头与试件的撞击发生后，锤头带动摆臂回弹，控制器高速监测摆臂摆角数据，当角速度小于门限值时，控制器立即向现场电控柜发送电信号，通过柜内电磁阀组启动制动器为当前正在回弹运动中的摆臂制动。
对正式产品进行冲击试验时，可先进行系统调试，可在调试模式下，调整冲击试验与产品的撞击位置，冲击试验总能量(含撞击时的速度与等效撞击质量)，个别冲击试验要求在撞击瞬间释放锤头偏航自由度，在调试模式下，可通过过零点预触发信号的获取，从而提前得知锤头即将与产品或工装发生撞击，同时在控制器配套软件中设置一定延时，再将锤头自由度释放信号发出，该延时值的设置需通过调试精确获得。所有的执行机构在从获取执行信号到执行完毕均需要时间，而冲击过程短暂，必须通过预触发信号提前获知设备状态，在程序中灵活配置延时量，再触发相关执行机构动作，方可保证执行时效性。
如图3所示的一种摆锤式冲击试验台控制器的调试流程，包括以下步骤，
T1、调整冲击位置；
T2、调整冲击能量；
T3、冲击释放；
T4、获取过零点预触发信号；
T5、输出锤头偏航自由度释放信号，开始记录数据；
T6、锤头速度＜V0，制动器信号输出，停止记录数据；
T7、摆锤回到初始零位；
T8、试验结果展示；
过程T1中，可调整撞击位置的高度，从而适应不同的试验产品；
过程T2中，冲击能量的调整通过调整摆臂初始位置角度与运动部分质量实现；
摆臂初始位置角度的调整原理为，控制器输出控制信号启动动力设备，通过传动机构带动摆臂缓慢运动，同时控制器以10kHz以上的采集速率获取当前摆臂的真实角度值，待角度反馈值与目标值偏差处于-0.5～0°时，控制器输出制动器启动信号，利用制动器使摆臂维持在目标角度。
过程T3中，冲击释放的原理是摆臂旋转轴离合器断开，制动器停止工作，摆臂受重力从而自由下落；
过程T4、T5中，获取过零点预触发信号到输出锤头偏航自由度释放信号的时间差可在程序中灵活设置；
过程T6中的V0可在程序中灵活设置；
过程T7中的初始零位指的是摆臂垂直于地面的状态；
调试模式，可验证冲击能量的正确性，数据记录的正确性，防二次撞击的有效性，针对一些特殊的试验，要确认锤头偏航自由度释放时刻的正确性。
如图4所示，系统调试结束，可安装模拟试件，在试验流程下进行工作，包括如下步骤：
S1、调整冲击能量；
S2、冲击释放；
S3、获取过零点预触发信号；
S4、输出锤头偏航自由度释放信号，开始记录数据；
S5、二次过零点触发，锤头速度＜V0，制动信号输出，停止记录数据；
S6、摆臂回到初始零位；
S7、试验结果展示；
单次冲击试验结束后，控制器配套软件界面可立即展示试验结果，包括：
锤头位移与冲击载荷变化曲线；
锤头位移与冲击加速度变化曲线；
撞击速度、摆臂角度，锤头偏航角度时域变化曲线；
试验件上应变、位移等传感器的时域变化曲线。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种摆锤式冲击试验台控制器，其特征在于：控制器和与之连接的部件，所述部件包括：
现场传感器，分布于试验台主机上的传感器和分布于试验件上的传感器，现场传感器以信号形式向控制器发送数据；
现场电控柜，柜内集成执行机构的驱动设备，并以信号形式与控制器交换数据；
急停开关，包含：现场急停开关和本地急停开关；
外部供电，用于提供电源动力；
显示器，用于试验台控制器人机交互输出；
键盘鼠标，用于试验台控制器人机交互输入；
网络设备，用于远程连接试验台控制器，通过网线与试验台控制器交换数据；
急停开关，紧急情况下，用于本地或远程触发控制器急停保护；
控制器通过向处于现场电控柜内的驱动设备发送指令信号，控制位于试验台主机上的电机丝杠带动摆臂实现摆臂中心的位置调整，同时控制器实时监测位置反馈，当与目标值小于误差时，控制器向现场电控柜内的电机驱动器发出停止信号；
控制器通过向处于现场电控柜内的驱动设备发送指令信号，实现液压油的通断和换向，从而控制位于试验台主机上的液压缸运动，带动摆臂进行角度调整，同时控制器实时监测摆臂角度反馈，当与目标值小于误差时，控制器向现场电控柜内的电磁阀组发出停止信号，顺序实现摆臂制动、离合器断开以及液压缸位置保持；
控制器向处于现场电控柜内的电磁阀组发送电信号，驱动制动器停止工作，从而释放处于一定初始角度的摆臂，摆臂围绕摆心做圆周运动，当摆臂与地面垂直时，锤头获得最大速度同时与试件发送碰撞，实现对试验件的冲击，在摆臂下摆过程中，未达到与地面垂直前，摆臂扫过激光传感器光路，控制器捕捉到该激光传感器信号后，通过适当延时驱动处于现场电控柜内的电磁阀组，使摆臂摆动到与地面垂直角度时，弹起限制锤头偏航自由度的销钉，从而实现在锤头与试验件撞击瞬间的锤头偏航自由度释放。
2.如权利要求1所述的摆锤式冲击试验台控制器，其特征在于：所述控制器包括：信号输入接口、信号输出接口、急停接口、急停处理模块、电源模块、网口、显示器接口、USB接口、实时处理器；所述实时处理器分别与信号输入接口、信号输出接口、急停接口、急停处理模块、电源模块、网口、显示器接口、USB接口连接，所述急停处理模块分别与信号输入接口、信号输出接口、急停接口、电源模块相连；所述信号输入接口与外部的现场传感器相连，信号输出接口与外部现场电控柜相连，所述网口与外部网络传输设备连接，所述显示器接口与显示器相连；所述USB接口与键盘鼠标相连。
3.如权利要求2所述的试验台控制器，其特征在于，所述电源模块通过接插件将外部220VAC市电转换为直流电压，并给实时处理器和急停处理模块供电。
4.如权利要求2所述的试验台控制器，其特征在于，所述急停接口包括多个接口，并分别连接多个急停开关，任意一个急停开关触发时，急停信号将同步送入急停处理模块和实时处理器；所述急停处理模块在获取急停接口传来的急停信号时，并不立即执行急停指令，通过判断信号输入接口传入的摆臂角度信号，当摆臂转动的角速度小于设定的门限值时，急停处理模块再通过信号输出接口发送信号，通过现场电控柜实现试验台急停。
5.如权利要求1所述的试验台控制器，其特征在于，所述现场传感器包括设置于试验台上冲击载荷传感器，冲击加速度传感器，摆臂角度传感器，锤头位移传感器，锤头偏航角度传感器、摆臂中心位置传感器以及激光传感器，设置于被测试件上的加速度传感器、应变传感器、位移传感器。
6.如权利要求1至5之一所述的试验台控制器，其特征在于，所述现场电控柜内集成有电磁阀组、接触器、继电器、电机驱动器。
7.如权利要求6所述的控制器的调试流程控制方法，其特征在于，流程如下：
T1、调整冲击位置；
T2、调整冲击能量；
T3、冲击释放；
T4、获取过零点预触发信号；
T5、输出锤头偏航自由度释放信号，开始记录数据；
T6、锤头速度＜V0，制动器信号输出，停止记录数据；
T7、摆锤回到初始零位；
T8、试验结果展示。
8.如权利要求7所述的控制器的调试流程控制方法，其特征在于，过程T1中，冲击位置指与产品或工装撞击时的位置，可通过调整摆臂旋转中心位置实现；过程T2中，冲击能量的调整通过调整摆臂初始位置角度与运动部分质量实现。
9.如权利要求7所述控制器的调试流程控制方法，其特征在于，过程T3中，摆臂旋转轴离合器断开，制动器停止工作，摆臂受重力从而自由下落。
10.如权利要求7所述的控制器的调试流程控制方法，其特征在于，过程T4、T5中，获取过零点预触发信号到输出锤头偏航自由度释放信号的时间差可在程序中灵活设置；过程T6中的V0可在急停处理模块中灵活设置；过程T7中的初始零位指的是摆臂垂直于地面的状态；调试流程控制过程中，要确认锤头过初始零位时，锤头速度的正确性，锤头偏航自由度释放时刻的正确性。
11.如权利要求6所述的控制器的试验流程控制方法，其特征在于，步骤如下：
S1、调整冲击能量；
S2、冲击释放；
S3、获取过零点预触发信号；
S4、输出锤头偏航自由度释放信号，开始记录数据；
S5、二次过零点触发，锤头速度＜V0，制动信号输出，停止记录数据；
S6、摆臂回到初始零位；
S7、试验结果展示。
12.如权利要求11所述的控制器的试验流程控制方法，其特征在于，单次冲击试验结束后，S7展示试验结果，包括：锤头位移与冲击载荷变化曲线；锤头位移与冲击加速度变化曲线；撞击速度、摆臂角度，锤头偏航角度时域变化曲线；试件上的应变、位移、加速度时域变化曲线。
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