多源變載荷沖擊實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及多源變載荷沖擊實(shí)驗(yàn)裝置，屬于結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料及其構(gòu)件在服役期間常因遭受各類不同載荷的沖擊，致使材料及其構(gòu)件易產(chǎn) 生各類損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能劣化，帶來嚴(yán)重的安全隱患。近年來，結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)已成 為結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要研究方向，其研究內(nèi)容主要包括：沖擊定位和沖擊程度的監(jiān)測(cè)。 為更好的開展該領(lǐng)域的研究，設(shè)計(jì)有效的多源變載荷沖擊實(shí)驗(yàn)裝置具有重要的意義。
[0003]目前，國內(nèi)外為開展結(jié)構(gòu)沖擊監(jiān)測(cè)研究，均設(shè)計(jì)了相應(yīng)的沖擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程主要 依靠手動(dòng)或機(jī)械裝置完成。其中，手動(dòng)沖擊實(shí)驗(yàn)采用定點(diǎn)定載荷的沖擊方法，實(shí)驗(yàn)員手持沖 擊鍵進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)來獲取研究所需的沖擊信號(hào)；而機(jī)械沖擊實(shí)驗(yàn)則是根據(jù)沖擊位置和載荷 大小的要求，設(shè)計(jì)某一特定機(jī)械裝置來完成沖擊實(shí)驗(yàn)。
[0004] 上述沖擊實(shí)驗(yàn)為目前沖擊監(jiān)測(cè)研究提供了必要的實(shí)驗(yàn)手段，然而尚存在一些不 足：（1)人工沖擊實(shí)驗(yàn)較難保證多次沖擊位置和載荷大小的穩(wěn)定性；（2)機(jī)械沖擊實(shí)驗(yàn)雖然 解決了多次沖擊位置和載荷大小不穩(wěn)定的問題，然而沖擊類型不具可調(diào)性；（3)傳統(tǒng)沖擊 實(shí)驗(yàn)主要服務(wù)于單源沖擊監(jiān)測(cè)研究，無法滿足多源沖擊監(jiān)測(cè)研究的要求；（4)傳統(tǒng)沖擊實(shí) 驗(yàn)均需不同程度的人工參與，在需要獲取大量沖擊數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)量巨大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供多源變載荷沖擊實(shí)驗(yàn)裝置，可W完成不同載荷情況下的沖擊 實(shí)驗(yàn)。
[0006] 多源變載荷沖擊實(shí)驗(yàn)裝置，包括沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和沖擊控制系統(tǒng)。
[0007] -、沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括：可動(dòng)承載桿、頂部固定架、加強(qiáng)筋、底部固定架、立桿、滑軌，底部 固定架、頂部固定架、立桿、可動(dòng)承載桿和加強(qiáng)筋構(gòu)成的長、寬和高分別為3、a和A的長 方體結(jié)構(gòu)，邊長為a的正方形底部固定架的邊角通過螺栓與長度為A的立桿下端連接，立 桿上端通過螺栓與邊長為a的正方形的頂部固定架的邊角連接；正方形頂部固定架的對(duì) 邊固定有滑軌，可動(dòng)承載桿可沿滑軌平行移動(dòng)，可動(dòng)承載桿用于固定沖擊控制系統(tǒng)的步進(jìn) 電機(jī)，為了保證沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性，在沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)側(cè)面的沿對(duì)角安裝長度為 的加強(qiáng)筋，通過調(diào)整可動(dòng)承載桿和步進(jìn)電機(jī)的位置和數(shù)量來實(shí)現(xiàn)對(duì)多源沖擊位置 的設(shè)定。
[000引二、沖擊控制系統(tǒng) 沖擊控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)模塊組成。
[000引（一）沖擊控制系統(tǒng)的硬件模塊 硬件模塊包括：單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)軸、繩索、沖擊鍵，單片機(jī)10端 口通過杜邦線與步進(jìn)電機(jī)控制器的信號(hào)輸入端口相連接，步進(jìn)電機(jī)控制器的信號(hào)輸出端口 通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)固定于可動(dòng)承載桿上，沖擊鍵通過繩索懸掛于轉(zhuǎn)軸上， 硬件模塊中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的最小半徑需結(jié)合最大沖擊程度要求和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行 確定，具體過程如下： (1) 最大沖擊高度么3^ 沖擊鍵采用自由落體方式完成沖擊，如需滿足最大沖擊載荷/心j勺實(shí)驗(yàn)要求，則相應(yīng)最 大沖擊局度么ar:
式中a?為沖擊鍵的質(zhì)量，片為沖擊時(shí)間 (2) 轉(zhuǎn)軸的最小半徑A,。 為保證沖擊鍵W自由落體方式完成沖擊，要求沖擊發(fā)生時(shí)，步進(jìn)電機(jī)釋放繩索的長度 和沖擊鍵自由落體的高度相同。如需滿足最大沖擊載荷勺實(shí)驗(yàn)要求，則：
(2) 式中，/為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，么3為最大沖擊高度，也。為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的最小半徑，為 最大沖擊高度Am。、對(duì)應(yīng)的自由落體時(shí)間。式（2)表明當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速確定后，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸 的最小半徑存在一個(gè)最小值。
[0010] 仁）沖擊控制系統(tǒng)的軟件模塊 沖擊控制系統(tǒng)軟件模塊通過設(shè)定沖擊程度系數(shù)、步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)周期、步進(jìn)電機(jī)的 釋放、休止和復(fù)位時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)變載荷沖擊過程的自動(dòng)控制，具體過程如下： (1)沖擊載荷系數(shù)r 不同沖擊載荷佩]調(diào)整是通過設(shè)定不同沖擊高度來實(shí)現(xiàn)的，定義沖擊載荷系數(shù)r為當(dāng) 前沖擊載荷/^最大沖擊載荷/：3^之比：
(3) 式中A為當(dāng)前沖擊高度。
[0011] (2)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)周期r 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速/，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)周期r:
(4) 式中，衫3步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分倍數(shù)。
[0012] (3)沖擊高度初始化時(shí)間而 系統(tǒng)啟動(dòng)后，沖擊鍵從最大沖擊高度么J華至當(dāng)前沖擊高度A的時(shí)間如
(5) 式中，^為沖擊鍵恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間。
[001引（4)釋放時(shí)間is 沖擊過程中，在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，要求步進(jìn)電機(jī)釋放繩索的長度與沖擊高 度相同，電機(jī)釋放繩索的時(shí)間i/J、于等于沖擊鍵的自由落體時(shí)間：
(6) (5) 休止時(shí)間 由于步進(jìn)電機(jī)的釋放時(shí)間i/J、于或等于沖擊鍵自由落體時(shí)間，為保證沖擊鍵完成沖 擊，需要設(shè)定休止時(shí)間在該時(shí)間內(nèi)，電機(jī)處于休止?fàn)顟B(tài)。休止時(shí)間的計(jì)算如下：
(7) (6) 復(fù)位時(shí)間?/ 為保證沖擊完成后，沖擊鍵可W復(fù)位至沖擊高度知并等待沖擊鍵恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)，步進(jìn) 電機(jī)應(yīng)在休止時(shí)間結(jié)束后，立即復(fù)位(反轉(zhuǎn)）后，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速可W計(jì)算該復(fù)位時(shí) 間：
(8) 基于上述過程，沖擊控制系統(tǒng)通過增加步進(jìn)電機(jī)的數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多源變載荷沖擊過 程的控制。
[0014] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的多源變載荷沖擊實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：（1)可保證多次沖擊的位 置和載荷大小的穩(wěn)定性；（2)可通過靈活地調(diào)整可動(dòng)承載桿及固定于其上的步進(jìn)電機(jī)的位 置和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)多源沖擊位置的設(shè)定，W及靈活調(diào)整沖擊鍵的高度實(shí)現(xiàn)變載荷的設(shè)定；（3) 可實(shí)現(xiàn)多源沖擊，滿足了多源沖擊監(jiān)測(cè)研究的要求；（4)可實(shí)現(xiàn)沖擊實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)控制， 無需人工參與。
【附圖說明】
[0015] 圖1為多源變載荷沖擊實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 圖2為沖擊控制系統(tǒng)硬件模塊中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸最小半徑設(shè)計(jì)流程圖 圖3為沖擊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖 在附圖1中：1、單片機(jī)2、步進(jìn)電機(jī)控制器3、步進(jìn)電機(jī)4、轉(zhuǎn)軸5、繩索6、沖擊鍵7、 可動(dòng)承載桿8、頂部固定架9、加強(qiáng)筋10、底部固定架11、立桿、12滑軌。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明： 實(shí)施例1 :多源變載荷沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì) 沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括：可動(dòng)承載桿（7)、頂部固定架（8)、加強(qiáng)筋（9)、底部固定架（10)、立 桿（11)、滑軌（12)，底部固定架（10)、頂部固定架（8)、立桿（11)、可動(dòng)承載桿（7)和加強(qiáng)筋 (9)構(gòu)成的長、寬和高分別為70cm、70cm和100cm的長方體結(jié)構(gòu)。邊長為70cm的正方形底 部固定架（10)的邊角通過螺栓與長度為100cm的立桿（11)下端連接，立桿（11)上端通過 螺栓與邊長為70cm的正方形的頂部固定架（8)的邊角連接；正方形頂部固定架（8)的對(duì)邊 固定有滑軌（12)，可動(dòng)承載桿（7)可沿滑軌（12)平行移動(dòng)，可動(dòng)承載桿（7)用于固定沖擊控 制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)（3);為了保證沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性，在其各個(gè)側(cè)面的沿對(duì)角安裝長度 為
的加強(qiáng)筋（9)。通過調(diào)整可動(dòng)承載桿（7)和步進(jìn)電機(jī)（3)的位置和數(shù) 量來實(shí)現(xiàn)對(duì)多源沖擊位置的設(shè)定。
[0017]實(shí)施例2 :沖擊控制系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì) 沖擊控制系統(tǒng)硬件模塊包括單片機(jī)（1)、步進(jìn)電機(jī)控制器（2)、步進(jìn)電機(jī)（3)、步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)軸（4)和沖擊鍵（6)。本實(shí)施例中單片機(jī)選用STC89C52RC型單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選 用42/57兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)選用57BYGH兩相混合式步進(jìn)電機(jī)W及沖擊 鍵選用質(zhì)量為0. 0362kg的小鍵。
[001引單片機(jī)（1)的I/O端口P0.X和P1.X分別通過杜邦線與步進(jìn)電機(jī)控制器（2)的脈 沖信號(hào)端口PUk和方向信號(hào)端口DIR-相連接；步進(jìn)電機(jī)控制器（2)的脫機(jī)信號(hào)端口EN-懸 空，脫機(jī)信號(hào)端口EN+、脈沖信號(hào)端口PUL+和方向信號(hào)端口DIR+接高電平。步進(jìn)電機(jī)控制 器（2)的信號(hào)輸出端口A+和A-、B+和B-分別通過導(dǎo)線與步進(jìn)電機(jī)（3)的藍(lán)、黑、紅、綠信 號(hào)輸入接口相連，步進(jìn)電機(jī)（3)的轉(zhuǎn)軸（4)半徑為化沖擊鍵（6)通過繩索（5)懸掛于步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)軸（4)上，通過上述步驟實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖及方向的控制，進(jìn)而搭建了沖擊控制 系統(tǒng)硬件模塊。
[0019] 硬件模塊中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸（4)的最小半徑需結(jié)合最大沖擊程度要求和步進(jìn)電機(jī) (3)轉(zhuǎn)速進(jìn)行確定，具體過程如下： (1) 最大沖擊高度么3^ 沖擊鍵（6)采用自由落體方式完成沖擊，當(dāng)沖擊鍵（6)質(zhì)量m=0. 0362kg，重力加速度 思=時(shí)，如需滿足最大沖擊載荷產(chǎn) 16N的實(shí)驗(yàn)要求(假設(shè)沖擊時(shí)間為片=0. 01s)， 則可計(jì)算出相應(yīng)最大沖擊高度么
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