多源变载荷冲击实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及多源变载荷冲击实验装置，属于结构冲击监测领域。
【背景技术】
[0002] 材料及其构件在服役期间常因遭受各类不同载荷的冲击，致使材料及其构件易产 生各类损伤，导致结构的力学性能劣化，带来严重的安全隐患。近年来，结构冲击监测已成 为结构状态监测的一个重要研究方向，其研究内容主要包括：冲击定位和冲击程度的监测。 为更好的开展该领域的研究，设计有效的多源变载荷冲击实验装置具有重要的意义。
[0003]目前，国内外为开展结构冲击监测研究，均设计了相应的冲击实验，实验过程主要 依靠手动或机械装置完成。其中，手动冲击实验采用定点定载荷的冲击方法，实验员手持冲 击键进行冲击实验来获取研究所需的冲击信号；而机械冲击实验则是根据冲击位置和载荷 大小的要求，设计某一特定机械装置来完成冲击实验。
[0004] 上述冲击实验为目前冲击监测研究提供了必要的实验手段，然而尚存在一些不 足：（1)人工冲击实验较难保证多次冲击位置和载荷大小的稳定性；（2)机械冲击实验虽然 解决了多次冲击位置和载荷大小不稳定的问题，然而冲击类型不具可调性；（3)传统冲击 实验主要服务于单源冲击监测研究，无法满足多源冲击监测研究的要求；（4)传统冲击实 验均需不同程度的人工参与，在需要获取大量冲击数据时，实验量巨大。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供多源变载荷冲击实验装置，可W完成不同载荷情况下的冲击 实验。
[0006] 多源变载荷冲击实验装置，包括冲击实验平台和冲击控制系统。
[0007] -、冲击实验平台 冲击实验平台包括：可动承载杆、顶部固定架、加强筋、底部固定架、立杆、滑轨，底部 固定架、顶部固定架、立杆、可动承载杆和加强筋构成的长、宽和高分别为3、a和A的长 方体结构，边长为a的正方形底部固定架的边角通过螺栓与长度为A的立杆下端连接，立 杆上端通过螺栓与边长为a的正方形的顶部固定架的边角连接；正方形顶部固定架的对 边固定有滑轨，可动承载杆可沿滑轨平行移动，可动承载杆用于固定冲击控制系统的步进 电机，为了保证冲击实验平台的稳定性，在冲击实验平台各个侧面的沿对角安装长度为 的加强筋，通过调整可动承载杆和步进电机的位置和数量来实现对多源冲击位置 的设定。
[000引二、冲击控制系统 冲击控制系统由硬件和软件两个模块组成。
[000引（一）冲击控制系统的硬件模块 硬件模块包括：单片机、步进电机控制器、步进电机、转轴、绳索、冲击键，单片机10端 口通过杜邦线与步进电机控制器的信号输入端口相连接，步进电机控制器的信号输出端口 通过导线与步进电机相连，步进电机固定于可动承载杆上，冲击键通过绳索悬挂于转轴上， 硬件模块中步进电机转轴的最小半径需结合最大冲击程度要求和步进电机转速进行 确定，具体过程如下： (1) 最大冲击高度么3^ 冲击键采用自由落体方式完成冲击，如需满足最大冲击载荷/心j勺实验要求，则相应最 大冲击局度么ar:
式中a?为冲击键的质量，片为冲击时间 (2) 转轴的最小半径A,。 为保证冲击键W自由落体方式完成冲击，要求冲击发生时，步进电机释放绳索的长度 和冲击键自由落体的高度相同。如需满足最大冲击载荷勺实验要求，则：
(2) 式中，/为步进电机转速，么3为最大冲击高度，也。为步进电机转轴的最小半径，为 最大冲击高度Am。、对应的自由落体时间。式（2)表明当步进电机转速确定后，步进电机转轴 的最小半径存在一个最小值。
[0010] 仁）冲击控制系统的软件模块 冲击控制系统软件模块通过设定冲击程度系数、步进电机脉冲信号周期、步进电机的 释放、休止和复位时间实现对变载荷冲击过程的自动控制，具体过程如下： (1)冲击载荷系数r 不同冲击载荷佩]调整是通过设定不同冲击高度来实现的，定义冲击载荷系数r为当 前冲击载荷/^最大冲击载荷/：3^之比：
(3) 式中A为当前冲击高度。
[0011] (2)步进电机脉冲信号周期r 根据步进电机转速/，计算步进电机脉冲信号周期r:
(4) 式中，衫3步进电机的细分倍数。
[0012] (3)冲击高度初始化时间而 系统启动后，冲击键从最大冲击高度么J華至当前冲击高度A的时间如
(5) 式中，^为冲击键恢复静止状态的时间。
[001引（4)释放时间is 冲击过程中，在步进电机转速不变的情况下，要求步进电机释放绳索的长度与冲击高 度相同，电机释放绳索的时间i/J、于等于冲击键的自由落体时间：
(6) (5) 休止时间 由于步进电机的释放时间i/J、于或等于冲击键自由落体时间，为保证冲击键完成冲 击，需要设定休止时间在该时间内，电机处于休止状态。休止时间的计算如下：
(7) (6) 复位时间?/ 为保证冲击完成后，冲击键可W复位至冲击高度知并等待冲击键恢复静止状态，步进 电机应在休止时间结束后，立即复位(反转）后，停止转动，根据电机转速可W计算该复位时 间：
(8) 基于上述过程，冲击控制系统通过增加步进电机的数量，可实现对多源变载荷冲击过 程的控制。
[0014] 本发明所设计的多源变载荷冲击实验装置的优点在于：（1)可保证多次冲击的位 置和载荷大小的稳定性；（2)可通过灵活地调整可动承载杆及固定于其上的步进电机的位 置和数量，实现多源冲击位置的设定，W及灵活调整冲击键的高度实现变载荷的设定；（3) 可实现多源冲击，满足了多源冲击监测研究的要求；（4)可实现冲击实验过程的自动控制， 无需人工参与。
【附图说明】
[0015] 图1为多源变载荷冲击实验装置示意图 图2为冲击控制系统硬件模块中步进电机转轴最小半径设计流程图 图3为冲击控制系统软件设计流程图 在附图1中：1、单片机2、步进电机控制器3、步进电机4、转轴5、绳索6、冲击键7、 可动承载杆8、顶部固定架9、加强筋10、底部固定架11、立杆、12滑轨。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明： 实施例1 :多源变载荷冲击实验平台的设计 冲击实验平台包括：可动承载杆（7)、顶部固定架（8)、加强筋（9)、底部固定架（10)、立 杆（11)、滑轨（12)，底部固定架（10)、顶部固定架（8)、立杆（11)、可动承载杆（7)和加强筋 (9)构成的长、宽和高分别为70cm、70cm和100cm的长方体结构。边长为70cm的正方形底 部固定架（10)的边角通过螺栓与长度为100cm的立杆（11)下端连接，立杆（11)上端通过 螺栓与边长为70cm的正方形的顶部固定架（8)的边角连接；正方形顶部固定架（8)的对边 固定有滑轨（12)，可动承载杆（7)可沿滑轨（12)平行移动，可动承载杆（7)用于固定冲击控 制系统的步进电机（3);为了保证冲击实验平台的稳定性，在其各个侧面的沿对角安装长度 为
的加强筋（9)。通过调整可动承载杆（7)和步进电机（3)的位置和数 量来实现对多源冲击位置的设定。
[0017]实施例2 :冲击控制系统硬件模块的设计 冲击控制系统硬件模块包括单片机（1)、步进电机控制器（2)、步进电机（3)、步进电机 转轴（4)和冲击键（6)。本实施例中单片机选用STC89C52RC型单片机、步进电机驱动器选 用42/57两相混合式步进电机驱动器、步进电机选用57BYGH两相混合式步进电机W及冲击 键选用质量为0. 0362kg的小键。
[001引单片机（1)的I/O端口P0.X和P1.X分别通过杜邦线与步进电机控制器（2)的脉 冲信号端口PUk和方向信号端口DIR-相连接；步进电机控制器（2)的脱机信号端口EN-悬 空，脱机信号端口EN+、脉冲信号端口PUL+和方向信号端口DIR+接高电平。步进电机控制 器（2)的信号输出端口A+和A-、B+和B-分别通过导线与步进电机（3)的蓝、黑、红、绿信 号输入接口相连，步进电机（3)的转轴（4)半径为化冲击键（6)通过绳索（5)悬挂于步进电 机转轴（4)上，通过上述步骤实现了对步进电机的脉冲及方向的控制，进而搭建了冲击控制 系统硬件模块。
[0019] 硬件模块中步进电机转轴（4)的最小半径需结合最大冲击程度要求和步进电机 (3)转速进行确定，具体过程如下： (1) 最大冲击高度么3^ 冲击键（6)采用自由落体方式完成冲击，当冲击键（6)质量m=0. 0362kg，重力加速度 思=时，如需满足最大冲击载荷产 16N的实验要求(假设冲击时间为片=0. 01s)， 则可计算出相应最大冲击高度么
(2