一种摆锤冲击试验机控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种摆锤冲击试验机控制系统，包括试验机、控制器和变频驱动装置，变频驱动装置上连接有驱动电机和速度检测装置，控制器连接至工业以太网交换机，工业以太网交换机上分别连接远程操作计算机和现场操作面板，控制器上连接有位置检测装置；还公开了其控制方法，步骤为：a）预设冲击能量值；b）自动计算目标提升位置值；c）对提升的摆锤进行定位控制；d）对驱动电机进行速度控制；e）对驱动电机进行转矩控制；f）对变频驱动装置进行电流控制；g）将电流输出至驱动电机。本发明只需要通过现场操作面板简单的输入一个数据，即可对提升机构进行全自动精确定位，整个过程无需人工干预。
【专利说明】
一种摆锤冲击试验机控制系统及其控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于自动化技术领域，涉及冲击机试验平台的机械控制系统，尤其涉及一种摆锤冲击试验机控制系统，及其控制方法。
【背景技术】
[0002]水平式冲击试验机是对金属材料在动负荷下抵抗冲击的性能进行检验的仪器，广泛应用于冶金、机械制造等单位。也是科研单位进行新材料研究不可缺少的测试仪器。
[0003]水平式冲击机试验机工作原理:冲击试验机是以摆锤所具有的势能，一次落锤冲击试样。摆锤为冲击机的冲击机构，其作用是对受试材料进行打击，是冲击试验平台的重要组成部分。摆锤是以冲击试验机摆轴为中心，在处于一定的提升高度时释放冲击机构，以一定速度冲击试样，因为不同的冲击速度得到结果不一样。只有冲击试样时的冲击能量完全被试样吸收，而不被其它部分吸收，这样冲击试验数据才准确可靠。
[0004]现有的冲击机控制系统仅通过简单控制来实现摆锤的定位，最终位置的确定及校验方法主要靠肉眼观察和人工测量为主。由于空气中有阻力，减速机的积累误差，实际位置与仪表显示位置误差比较大，控制效果不甚理想。而依靠人眼观察位置是否正确来进行手动操作，无法实现自动控制，相应时间慢，精度更加无法保证，需要多次调节才能得到合适的位置，影响试验结果。
[0005]因此如何解决摆臂定位不准确，相应时间慢，是本领域技术人员需要解决的问题。
【发明内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本发明的目的之一是提供一种水平式冲击试验机控制系统，用于提高控制的相应时间和定位精度，以解决现有技术的局限性，提高冲击试验平台的精确性和可靠性。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种摆锤冲击试验机控制系统，包括试验机、控制器和连接控制器的变频驱动装置，所述的变频驱动装置上连接有驱动电机和速度检测装置，所述的控制器连接至工业以太网交换机，同时工业以太网交换机上分别连接远程操作计算机和现场操作面板，所述的控制器上连接有位置检测装置；
所述的试验机包括用来放置受试对象的砧座机构和分别设置在砧座机构前后侧的框架机构和防撞机构，所述的框架机构上设置有卷扬机，所述的卷扬机包括连接驱动电机的齿轮箱、卷筒、联轴器和钢丝绳，所述的钢丝绳末端连接有提升机构，提升机构端部通过主轴与框架机构连接，所述的提升机构上通过锁钩连接有摆锤；
所述的现场操作面板用于设定受试对象所需的冲击能量数据，以及试验机的各项运行参数和状态参数；
所述的速度检测装置包括一个设置在驱动电机输出轴上的增量型旋转编码器，用于检测驱动电机的实时速度，并将速度脉冲信号发送至变频驱动装置；
所述的变频驱动装置，用于对驱动电机进行位置一速度闭环控制； 所述的位置检测装置包括一个拉线装置和一个绝对值型编码器，所述拉线装置的钢丝绳固定于提升机构上，其轴端与绝对值编码器同轴，用于检测提升机构的提升高度；
所述的控制器为一套可编程控制器，用于接收现场操作面板设定的受试对象所需的冲击能量数据并转换成提升机构的目标位置数据，以及接收来自提升机构的位置数据。
[0008]所述的一种摆锤冲击试验机控制系统，其位置检测装置设置在框架机构顶端。
[0009]所述的一种摆锤冲击试验机控制系统，其框架机构下端设置一个用于检测提升机构是否处于其原始最低位置的电磁式接近开关。
[0010]所述的一种摆锤冲击试验机控制系统，其框架机构上位于提升机全行程的1/3和2/3处分别设有一个对射式光电开关。
[0011 ]所述的一种摆锤冲击试验机控制系统，其卷筒上设置有一个限位开关。
[0012]本发明的目的之二是提供一种水平式冲击试验机控制系统的控制方法。
[0013]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种摆锤冲击试验机控制系统的控制方法，步骤为:a)预设受试对象被冲击能量值；
b)将步骤a)中的能量值通过计算转换为提升机构目标位置值；
c)对提升机构进行定位控制；
d)对驱动电机进行速度控制；
e)对驱动电机进行转矩控制；
f)对变频驱动装置进行输出电流控制；
g)将电流输出至驱动电机；
根据提升机构连带摆锤的实时运行速度调整步骤d);
根据提升机构连带摆锤的当前位置调整步骤c)。
[0014]进一步，还包括如下步骤:所述的步骤d)中，当提升机构连带摆锤接近目标位置时，速度逐渐减小，直到到达目标位置时，速度为O，运行停止。
[0015]进一步，还包括如下步骤:电磁式接近开关检测到提升机构处于最低位置时输入信号到控制器，控制器对提升机构的原始位置进行校正；当提升机构行走到最大允许行程高度时，限位开关被触发并将信号送入控制器，控制器发送快速停机命令，提升过程停止。
[0016]进一步，还包括如下步骤:对提升机构设置一个上升校正值和一个下降校正值，当提升机构行走至对射式光电开关位置对，分提升机构的位置值进行校正;所述的位置反馈信号通过同步串行信号传输方式传输至控制器，控制器接收位置数据输出速度给定数据到变频驱动装置。
[0017]更进一步，还包括如下步骤:所述的变频驱动装置通过采集速度检测装置信号并计算得到另一个位置数据，送入控制器，作为参考和保护用;所述的变频驱动装置采用矢量控制方式实现驱动电机的闭环控制，根据速度检测装置输出的速度脉冲反馈信号控制变频驱动装置输出的频率、电压和相位，达到对电机速度的精确控制。
[0018]本发明的有益效果是:用于在远方控制冲击试验机进行试验作业时，操作人员进行操作时无需对冲击试验平台提升机构进行人工干预，只需在系统中输入预定数据，并远程发送命令即可;无需人工测量和设置冲击试验平台中提升机构的目标高度，只需在输入设备中输入受试设备所需冲击的能量数据，并给系统发送“蓄能”命令后，系统会自动进行计算，实现提升机构连带摆锤的定位控制，这有别于传统的操作方式;可根据不同的控制精度要求，系统自动实时调整其运行速度，提升机构连带摆锤最终定位时，满足其定位精确控制要求的误差范围；提升机构在目标位置释放摆锤时，产生的冲击能量与在输入设备中所输入的目标冲击能量值基本相同，其误差不超过± 1%。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明试验机的结构示意图；
图3为本发明试验机的操作流程示意图；
图4为本发明控制方法的运行原理图。
[0020]各附图标记为:I一卷扬机，2—主轴，3—提升机构，4一框架机构，5—锁钩，6—摆缠，7—站座机构，8—防撞机构，9一受试对象，11一控制器，12一工业以太网交换机，13—位置检测装置，14 一远程操作计算机，15—变频驱动装置，16—现场操作面板，17—速度检测装置，18—驱动电机，A—PR0FIBUS现场总线，B—工业以太网，C 一信号电缆，D—动力电缆。
【具体实施方式】
[0021 ]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0022]参照图1所示，本发明公开了一种摆锤冲击试验机控制系统，能对制其冲击机构进行精确定位，操作人员只需输入冲击能量数据，无需靠肉眼观察或借助其它仪器测量的情况下，智能地完成蓄能和冲击试验的操作，其包括试验机、控制器11和通过PR0FIBUS现场总线A连接控制器11的变频驱动装置15，所述的变频驱动装置15上通过动力电缆D连接有驱动电机18，通过信号电缆C连接有速度检测装置17，所述的控制器11上通过工业以太网B连接有工业以太网交换机12，工业以太网交换机12上通过工业以太网B分别连接远程操作计算机14和现场操作面板16，所述的控制器11上通过信号电缆C连接有位置检测装置13。
[0023]参照图2所示，所述的试验机包括用来放置受试对象9的砧座机构7和分别设置在砧座机构7前后侧的框架机构4和防撞机构8，所述的框架机构4上设置有卷扬机I，所述的卷扬机I包括驱动电机18、齿轮箱、卷筒、联轴器和钢丝绳，所述的钢丝绳末端连接有提升机构3，提升机构3端部通过主轴2与框架机构4活动连接，所述的提升机构3上通过锁钩5连接有摆锤6。
[0024]现场操作面板16用于设定受试对象9冲击能量数据，以及试验机的各项运行参数及其状态参数。
[0025]所述的速度检测装置17包括一个设置在驱动电机18输出轴上的增量型旋转编码器，用于检测驱动电机18的实时速度，并将速度脉冲信号发送至变频驱动装置15;
所述的变频驱动装置15，用于对驱动电机18进行位置一一速度闭环控制，速度和力矩的大小决定于控制器11所给定的实时位置数据，系统采用转矩控制、速度控制和位置控制三个闭环控制以保证精度性能。
[0026]所述的设备检测装置13包括一个拉线装置和一个绝对值型编码器(主要检测部件)，所述拉线装置的钢丝绳固定于提升机构3上，用于检测提升机构3的提升高度。
[0027]所述的控制器11为一套可编程控制器，具有如下功能:接收现场操作面板16设定的受试对象9所需冲击的能量数据，经过一系列计算后，并转换成提升机构3连带摆锤6的目标位置数据，以及接收来自提升机构3的实时位置数据。
[0028]所述的位置检测装置13设置在框架机构4顶部，由于设备检测装置13不受试验机的齿轮箱、卷筒、联轴器等机械环节的加工精度，以及提升钢丝绳叠绕，机械变形、振动的影响，甚至可以采用无绳槽的卷筒;位置检测装置13受安装精度影响较小，位置反馈信号作为主要位置控制检测源，通过同步串行信号传输方式传输至控制器U，保证位置数据传输的实时性和可靠性，控制器11接收提升机构实时位置数据，并通过一系列计算输出速度给定数据到变频驱动装置15。
[0029]所述的提升机构3原始位置设置一个电磁式接近开关，用于检测提升机构3是否处于其原始最低位置。
[0030]所述的框架机构4上位于提升机构3全行程的1/3和2/3处分别设有一个对射式光电开关，在提升机构3上升和下降时分别设置一个校正值，当提升机构3在提升或下降的到此校正位置时，分别对此位置值进行校正，确保提升机构3在走行过程中的值正确，不受机械摩擦、间隙等一些外部因素的影响。
[0031]所述的卷筒上设置有一个限位开关，当提升机构3行走到最大允许行程高度时，限位开关被触发并将信号送入控制器11，控制器11自动发送快速停机命令，提升过程停止，从而阻止提升机构过度上行，对整个机械系统进行保护。
[0032]下面结合具体的应用场景，进一步阐述本发明。本发明可以应用于但不限于下列情形:
某被试验金属材料需要进行一次冲击打击试验，测试其抗冲击的能力。将金属材料(即受试对象9)置于试验区域(即砧座机构7上面)后，在冲击试验平台现场操作面板16上输入所需冲击的能量数据(单位为千焦)，点击远程操作计算机14或现场操作面板16上提供的“蓄能”操作，提升机构3连带冲击机构(即摆锤6)缓慢上升，直到达到目标高度(此目标高度，根据所预设的冲击能量数据，经过一系列算法和修正而确立的)。
[0033]提升机构3连带冲击机构到达目标高度后，通过卷扬机I的制动机构作用，在高空处于静止状态，等待下一步命令。如果操作人员确认此时所蓄的冲击能量是正确无误的，操作人员方可进行下一个步骤；否则，操作人员可重新输入冲击能量数据，并进行“蓄能”操作，提升机构3会连带摆锤6重新进行定位。
[0034]当提升机构3与摆锤6运行到目标位置后，操作人员可在远程操作计算机14或现场操作面板16上点击“冲击”命令，此时控制器11控制冲击试验平台的机械设备，使提升机构3上的锁钩5与摆锤6脱开，摆锤6由于重力作用加速落下，打击在受试材料上，其打击能量为在现场操作面板16上输入的数据，两者的误差不超过±1%。
[0035]本发明只需要简单的输入一个简单数据，即可对提升机构进行全自动精确定位，整个过程无需人工干预。相对于传统冲击试验平台而言，具有以下优点:设置被试验对象冲击能量数据时候，无需人工计算冲击试验平台的提升高度，直接在输入设备中输入被冲击对象所需的冲击试验能量数据即可，系统会自动转换成提升机构的高度;如果发现已经输入的数据发生误时，可以实时修改试验数据，系统会按照新的输入数据自动调整提升机构，而无须人工再次计算，整个系统实现操作的智能化。
[0036]参照图3、图4所示，本发明控制系统的控制方法步骤为:
a)预设冲击能量值； b)系统自动计算目标(即提升机构3连带摆锤6)提升位置值；
c)对提升机构3连带摆锤6进行定位控制；
d)对驱动电机18进行速度控制，当提升机构3连带摆锤6接近目标位置时，速度逐渐减小，直到到达目标位置时，速度为O，运行停止；
e)对驱动电机18进行转矩控制；
f)对变频驱动装置15进行输出电流控制；
g)将电流输出至驱动电机18;
根据提升机构3连带摆锤6的实时运行速度调整步骤d);
根据提升机构3连带摆锤6的当前位置调整步骤c)。
[0037]进一步，电磁式接近开关检测到提升机构3处于最低位置时输入信号到控制器11，控制器11对提升机构3的原始位置进行校正，这样确保每次进行冲击试验时，提升机构和摆锤原始位置的准确性;所述的位置反馈信号通过同步串行信号传输方式传输至控制器U，控制器11接收提升机构实时位置数据，并通过一系列计算输出速度给定数据到变频驱动装置15;所述的变频驱动装置15通过采集卷筒端速度检测装置17信号并计算得到另一个位置数据，送入控制器11，作为参考和保护用，所述的变频驱动装置15采用矢量控制方式实现驱动电机的闭环控制，根据速度检测装置17输出的速度脉冲反馈信号控制变频驱动装置15输出的频率、电压和相位，达到对电机速度的精确控制。
[0038]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，比如增加检测装置的数量，改变检测装置的位置等，这些都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种摆锤冲击试验机控制系统，其特征在于:包括试验机、控制器(11)和连接控制器(11)的变频驱动装置(15)，所述的变频驱动装置(15)上连接有驱动电机(18)和速度检测装置(17)，所述的控制器(11)连接至工业以太网交换机(12)，同时工业以太网交换机(12)上分别连接远程操作计算机(14)和现场操作面板(16)，所述的控制器(11)上连接有位置检测装置(13); 所述的试验机包括用来放置受试对象(9)的砧座机构(7)和分别设置在砧座机构(7)前后侧的框架机构(4)和防撞机构(8)，所述的框架机构(4)上设置有卷扬机(I)，所述的卷扬机(I)包括连接驱动电机(18)的齿轮箱、卷筒、联轴器和钢丝绳，所述的钢丝绳末端连接有提升机构(3)，提升机构(3)端部通过主轴(2)与框架机构(4)连接，所述的提升机构(3)上通过锁钩(5 )连接有摆锤(6 ); 所述的现场操作面板(16)用于设定受试对象(9)所需的冲击能量数据，以及试验机的各项运行参数和状态参数； 所述的速度检测装置(17)包括一个设置在驱动电机(18)输出轴上的增量型旋转编码器，用于检测驱动电机(18)的实时速度，并将速度脉冲信号发送至变频驱动装置(15);所述的变频驱动装置(15)，用于对驱动电机(18)进行位置一速度闭环控制； 所述的位置检测装置(13)包括一个拉线装置和一个绝对值型编码器，所述拉线装置的钢丝绳固定于提升机构(3)上，其轴端与绝对值编码器同轴，用于检测提升机构(3)的提升高度； 所述的控制器(11)为一套可编程控制器，用于接收现场操作面板(16)设定的受试对象(9)所需的冲击能量数据并转换成提升机构(3)的目标位置数据，以及接收来自提升机构(3)的位置数据。2.根据权利要求1所述的一种摆锤冲击试验机控制系统，其特征在于，所述的位置检测装置(13)设置在框架机构(4)顶端。3.根据权利要求1所述的一种摆锤冲击试验机控制系统，其特征在于，所述的框架机构(4)下端设置一个用于检测提升机构(3)是否处于其原始最低位置的电磁式接近开关。4.根据权利要求1所述的一种摆锤冲击试验机控制系统，其特征在于，所述的框架机构(4)上位于提升机构(3)全行程的1/3和2/3处分别设有一个对射式光电开关。5.根据权利要求1所述的一种摆锤冲击试验机控制系统，其特征在于，所述的卷筒上设置有一个限位开关。6.一种如根据权利要求1所述摆锤冲击试验机控制系统的控制方法，其特征在于，步骤为: a)预设受试对象(9)被冲击能量值； b)将步骤a)中的能量值通过计算转换为提升机构(3)目标位置值； c )对提升机构(3)进行定位控制； d)对驱动电机(18)进行速度控制； e)对驱动电机(18)进行转矩控制； f)对变频驱动装置(15)进行输出电流控制； g)将电流输出至驱动电机(18); 根据提升机构(3)连带摆锤(6)的实时运行速度调整步骤d); 根据提升机构(3)连带摆锤(6)的当前位置调整步骤C)。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤:所述的步骤d)中，当提升机构(3)连带摆锤(6)接近目标位置时，速度逐渐减小，直到到达目标位置时，速度为O，运行停止。8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤:电磁式接近开关检测到提升机构(3)处于最低位置时输入信号到控制器(11)，控制器(11)对提升机构(3)的原始位置进行校正；当提升机构(3)行走到最大允许行程高度时，限位开关被触发并将信号送入控制器(11)，控制器(11)发送快速停机命令，提升过程停止。9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤:对提升机构(3)设置一个上升校正值和一个下降校正值，当提升机构(3)行走至对射式光电开关位置对，分提升机构(3)的位置值进行校正;所述的位置反馈信号通过同步串行信号传输方式传输至控制器(11)，控制器(11)接收位置数据输出速度给定数据到变频驱动装置(15)。10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤:所述的变频驱动装置(15)通过采集速度检测装置(17)信号并计算得到另一个位置数据，送入控制器(11)，作为参考和保护用;所述的变频驱动装置(15)采用矢量控制方式实现驱动电机(18)的闭环控制，根据速度检测装置(17)输出的速度脉冲反馈信号控制变频驱动装置(15)输出的频率、电压和相位，达到对电机速度的精确控制。
【文档编号】G01N3/303GK105973727SQ201610351138
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】樊冰, 崔勇, 刘红兵, 杨传将, 童辉云
【申请人】武汉长海高新技术有限公司