专利名称：数字化冲击试验机的制作方法
技术领域：
本发明是关于测试材料冲击性能的“数字化冲击试验机”。它包括冲击过程数字控制装置、冲击力和试样变形(简称位移)的数据采集装置、实验结果的数据处理及数据显示装置。该机主要用于测定金属材料承受冲击载荷条件下的动态断裂性能，包括测定冲击力、位移和能量三类特征值，以及延伸断裂表面积的百分率，齿轮的弯冲断裂强度，这些性能参数都是重要的材料性能参数。为适应和满足我国高新技术发展的需求，在高新技术领域内，尤其在钢铁、汽车、航空航天、舰艇、武器等国防军工产品方面使用的材料，要求测定这些冲击断裂特征值参数。
目前国内外用于测试材料冲击性能的冲击试验机主体结构大体相同，主要由机架、摆锤、指示装置、操纵机构及电控系统等组成。
图1是“测力硬度计量简明手册”中给出的常用冲击机结构图，现将其功能说明如下1.抬摆电动机(17)经由蜗轮副(12)，电磁离合器(3)，把动力传至主轴(10)实现抬摆。当挂勾(2)碰上摇勾爪(7)并使摇勾(6)抬起，此时微动开关(8)动作切断电机(17)的电源，电机停止转动，电磁离合器(3)也随之断电并脱开，将摆锤(1)抬起，挂在摇勾(6)上，完成抬摆动作。
2.冲击当按“冲击”按钮时，电磁铁(9)接通，顶起摇勾(6)，摇勾爪(7)下降，挂勾(2)即脱开，摆锤落下实现冲击。冲击完毕，摆锤反回到一定高度时，触点(15)与拨片(14)接通，并启动电机(17)和离合器(3)，将摆锤(1)继续抬起直至挂勾(2)与摇爪(7)碰撞后，微动开关(8)动作，电机再次停止运动，离合器脱开，摆锤(1)再次挂起，完成回摆时抬摆。由伺服电机(11)通过拨销(13)带动拨片(14)的一端凹槽随之转动。另一端凹槽的一边是呈绝缘的，套有塑料管(16)，当摆锤反回的转速大于伺服电机的转速时，触点(15)与绝缘边接触，组成回路(即摆锤反回到一定高度时)，并启动电机，实现抬摆。
3.放摆手按“放摆”按钮，电机换向并接通电机(17)和离合器(3)，同时电磁铁(9)接通，摇勾(6)顶起，挂勾(2)脱开，摆锤(11)缓慢回转，当摆锤到达铅垂位置时，放开放摆按钮，切断电源，摆锤自然停止。
4.电控系统图2是常用冲击机的电控线路图。电机“D”是抬摆和放摆的动力，电磁离合器“CL”控制摆锤与电机的联接，只有当“CL”吸合、“D”转动才能进行抬摆或放摆。GD为挂勾电磁铁，其动作时挂勾脱开，摆锤落下，冲打试样。微动开关“XK”控制抬摆停止，安装在主机摇勾下，平时为受压状态，使常闭触点28断开。所有操作按钮都装在一个按钮盒中，并装有停止开关K2。
合上开关K1，K2，按“取摆”按钮1AN，1J、2J继电器接通。放开1AN，1J释放，2J自保，3J、IC接通，电机“D”旋转，离合器“CL”吸合，进行抬摆。当抬摆结束时，微动开关“XK”动作，其常闭触点28闭合，4J接通，5J也接通并自保，IC释放，电机停止，此时摆锤靠微量惯性越过挂勾后，“XK”复位，其常闭触点28又断开。6J接通，2J、3J释放，电磁离合器“CL”释放，摆锤被挂起。
按冲击按钮2AN，电磁铁“GD”吸合，挂勾脱开，摆锤落下，冲打试样，此时拨片是不接通的，故3J、IC都不接通。
冲击完毕后，摆锤自由返回时，拨片接通，相当于按下取摆按钮1AN，当返回速度接近零时，拨片断开，相当于放开1AN，自动取摆。
按放摆按钮3AN，3J、IC接通，电机旋转，离合器“CL”吸合，摆锤按反时针方向下落，当摆锤放到铅垂位置时，松开放摆按钮，放摆结束。
从以上常用冲击机电控系统分析中不难看出存在以下三个问题一是靠伺服电机通过拨销带动拨片的一端凹槽随之旋转控制再次抬摆，其根本问题是不能给出一个可计量的连续信号，因此也就不可能进行定量计量和控制。二是所用的继电器均为电磁继电器，不仅吸合时噪音较大，产生干扰，而且体积较大，寿命短。三是防护不够。总之，常用冲击试验机不能对测试试样进行定量分析，不能适应现代工业对冲击性能的定量分析要求。
因此，本发明的目的之一是提供一种控制抬摆、放摆及测量冲击过程参数的数字化装置。使之不仅能控制抬放摆，而且能精确计量冲击过程的重要参数抬摆高度、冲击试样时的摆锤冲击速度、冲断试样后能量损失以及屏幕数字显示。
国外已有把高速数据采集方法用于冲击试验机问世，但存在三个问题，一是目前国外使用的12位A/D板，采样速率最高为1M，冲击力和位移两个信号共用1个A/D片，这不仅转换速度变慢，每个通道最大采样速率不超过0.5M，因为力和位移通道的切换需要时间，因此达不到0.5M的速度，而且二道采集不可能同步进行。二是，采样触发方式国外冲击机有两种一种采用内触发，它的问题是触发之前的数据有所丢失；另一种是采用外触发，由于冲击速度太快、触发位置不易控制。第三个是位移传感器线性度范围较小(15mm)，对大变形测量误差较大(大于冲击能量的5％)。
鉴于此，本发明的第二个目的是提高A/D板的采样速率，改进触发方式，使其不仅能把内触发前的数据保存起来，又能与触发后采集的数据紧密联接在一起，同时使力和位移二个通道信号采集同步进行。位移传感器改用新的光电传感器，以满足线性和频响要求。
另外国外为冲击试验机编制的软件，有的用Basic语言编写，有的用C语言编写，均在DOS环境下运行。
因此本发明的第三个目的在于适应当前广泛应用的微机多窗口，在Windows平台下运行，用ViSual C++6.0编写冲击试验程序。
本发明因此涉及一种新型数字化冲击试验机，其特征在于可在被测试样的各个阶段快速、准确、及时地采集数据，精确的给出被测试样的定量性能指标，并且可以数字测量和控制抬、放摆及冲击过程，该试验机包括(1)控制及测量抬、放摆及冲击过程的数字化装置；
(2)高速数字采集装置；(3)数据处理系统。
根据本发明，其中所述控制抬、放摆、测量冲击过程参数的数字化装置见图3，其特征是为测定摆锤(11)落下及回摆时角度变化，在主轴(21)一端安装有运动传感器—编码器(19)，和编码器输出线相联接的是可编程控制器(22)以及受可编程控制器控制的固态继电器(24)，摆锤的升降还受到安装在挂摆摇臂(29)上的接近开关(14)，防护门(2)上的接触开关(3)，机座(1)上的光电开关(27)，以及前面面板上的抬、放摆转换开关(7)，抬摆按钮(6)，放摆按钮(5)，电源开关(4)等控制，该装置自动抬摆、放摆及冲击过程参数测定及显示均按可编程控制器程序工作，这些参数包括抬摆高度、冲击速度、冲断试样消耗总功及回摆自动抬摆的数字控制参数等。
根据本发明，其中高速数字采集装置包括测量冲击力传感器、测量位移传感器和模数转换A/D板，其数据采集方式特征是A/D采样速率为3M，其中装有2块A/D，分别采集力和位移信号，其内存RAM各为32K，将RAM区分为图7所示的两个部分，即预采集区和正式采集区，两个区的转换靠力或位移信号电平达到触发电平时，由预采集区转到正式采集区，这种方法不仅可使力和位移采集同步进行，而且使采集数据不丢失，并且连续。
根据本发明，其中所述位移传感器特征为采用无接触式光电电位器做传感器，它由光导层、电阻层和集电极组成，光导层的暗光电阻比光照时大104-106倍，位移物体可以是光源，也可以是光栏，输出电压与光源(或光栏)位移的关系可通过机械设计使其自动变化，当A、B端加上电压U1，A、K为输出端，光导层被窄光带照射的部位电阻很小，相当短路，使集电极与电阻层接通，改变光带的位置相当改变电位器的触点，光电电位器传感器有足够大的输出信号，可不经放大，直接输入给计算机进行A/D转换。
根据本发明，其中所述数据处理系统包括数据处理程序，其特征是用Visual C++6.0编制的冲击试验软件，在Windows 98平台下运行，友好的界面，可以方便的操作软件，进行数据采集、处理、显示、放大和打印试验结果，试验数据和试验曲线，见图9-14。
下面是对本实用新型所涉及的数字化冲击实验机更详细的描述。
本实用新型的数字化冲击试验机包括控制抬摆、放摆和测量冲击过程参数并使其数字化的装置，见图3。其包括装在主轴(21)一端的运动传感器—编码器(19)，主轴与编码器之间用弹性连轴节(20)联结，和编码器输出相联接的是可编程控制器(22)，受可编程控制器控制的固态继电器(24)，固态继电器又控制着电机(16)、离合器(17)和电磁铁(15)，安装在挂摆摇臂(29)上的接近开关(14)，防护门(2)上的接触开关(3)，机座(1)上的光电开关(27)，前面面板上的抬、放摆转换开关(7)，抬摆按钮(6)，放摆按钮(5)等均为可编程控制器输入信号，均按可编程控制所编程序工作，控制着抬摆、放摆及冲击过程数字化。其控制过程如下利用编码器正交输出，顺时针转动时，输出A相方波领先B相，转动一周，Z相产生一个基准脉冲的功能。首先调整Z相，使其摆锤刀口与试样接触时发出基准脉冲。反时针转动时，B相输出领先A相，并用A、B相转换时作判定B相输出的开始信号，用可编程控制器C251计数器记录A、B相输出脉冲数。
抬摆把抬放摆转换开关(7)放在抬摆位置，按下抬摆按钮(6)，在可编程控制器软件控制下接通固态继电器(24)，使电机(16)和离合器(17)接通，通过主轴(21)带动摆锤(11)抬起，当摆锤提升到给定高度时，接近开关(14)动作，使固态继电(24)断电，电机(16)停转，离合器(17)脱开，同时摇臂(29)上的摇勾(12)通过摆锤上的挂勾(13)将摆锤(11)挂起、完成抬摆。
冲击关上防护门(2)，使接触开关(3)闭合，接通电磁铁(15)，摇勾(13)抬起，与挂勾(12)脱开，摆锤(11)落下，对试样进行冲击。摆锤下落的同时编码器(19)A相开始发出脉冲，输入给可编程序控制器(22)中的C251计数器对A相发出的脉冲计数。当摆锤刀口(10)与试样(26)接触时，编码器Z相发出一个脉冲，以此脉冲做中断信号，将摆锤刀口与试样接触之前的A相发出的脉冲数，送给可编程控制器中D0寄存器。打断试样后摆锤抬起高到最高点时，A相自摆锤落下到抬起至最高点发出的总脉冲数，被存在D2寄存器中。摆锤抬高到最高点之后回摆，是用编码器A相转为B相判定的。其中从试样与摆锤接触(即Z相时)到摆锤抬高到最高点，A相输出的脉冲数等于D2-D0＝D4，将D4存在可编程控制器D4存储器里。
回摆取摆摆锤到达最高点回摆时，由于主轴摩擦阻力很小，可以勿略，那么回摆到另一端的高度，应该与打断试样后摆锤抬起高度相等，即B相输出的脉冲数值等于2D4，因此，可以采用控制回摆输出脉冲数的方法控制抓摆。由于电机、离合器接通均需要时间，为使其抓摆和回摆到最高点同步，使离合器不受冲撞，需要控制信号提前给出，由于B相是减计数要求加上一个常数。也就是说，使其抓摆信号等于2D4+DB013时，接通固态继电器(24)，接着电机(16)和离合器(17)吸合，当摆锤(11)提高到挂摆高度时，接近开关(14)动作，再次切断固态继电器电源，电机和离合器脱开，摆锤再次挂起，完成取摆。
放摆将抬放摆转换开关(7)放在放摆位置，按放摆按钮(5)，接通电磁铁(15)，摇勾(12)抬起，挂勾(13)脱开，同时接通固态继电器(24)，使电机(16)和离合器(17)接通，电机反转，摆锤缓慢下降，当下降到铅垂位置时，光电开关(27)接通，切断固态继电器的电源，电机停转，离合器(17)脱开，摆锤放下。
抬摆高度、冲击速度及冲击功的计量是通过可编程序控制器422接口将D0和D4存储器中的脉冲数，传送给计算机232接口，然后存放在计算机指定内存中，用来计算、显示和打印实验结果。其计算方法如下摆锤抬摆高度H1计算H1抬摆高度H1＝L·COS(1-α1) L摆锤刀口中心到主轴中心距离α1摆锤扬角 K编码器旋转一周A相发出的总脉冲数
D0摆锤落下到刀口与试样接触，A相发出的脉冲数。
摆锤冲击速度的计算是根据能量守恒定理摆锤抬高高度所具有的势能与其下落到与试样接触时所具有的动能相等。其计算公式如下因为势能＝GH1G摆锤重量 m摆锤质量G＝mg g重力加速度所以 V1冲击速度H1mg=12mV12]]>V1=2H1g]]>摆锤冲断试样所失去的能量，即试样破断所消耗的功(称为冲击功)AKAK＝GH1-GH2＝G(H1-H2)GH1在H1时所具有的能量GH2冲断试样后剩余能量H2＝L·COS(1-α2)α2摆锤打断试样后抬起的扬角D4摆锤打断试样抬起的扬角所对应的 编码器输出脉冲数冲断试样结果的处理和显示有两种方法一是将D0和D4传送给计算机，由计算机进行处理、显示和打印。二是由可编程控制器进行计算，将其结果送给数字显示屏，单独显示。它不仅可以显示冲击功，同时可以显示抬摆锤高度和冲击速度。第二种方法可以取代目前广泛使用的读刻度盘上指针指示冲击功的方法。其测量精度提高6倍以上。因此，用这种方法也可以取代目前用标准试块方法检测冲击试验机刻度盘的刻度准确度，而且可以大大提高其检验的精度。
本实用新型的数据采集装置是通过提高A/D板的采样速率，改变触发方式，使力和位移采集连续同步；并且采用了全新的位移传感器—无接触式光电电位器。这一装置，包括由采样速率为3M的两块A/D芯片制成的A/D板，分别采集力和位移信号，每块A/D片的内存RAM为32K，其采样频率根据需要连续可调。数据采集方式是将RAM区分为两个部分具有循环采集功能的预采集区和正式采集区，两个区的转换靠信号电平达到触发电压时，由预采集区转到正式采集区。这种由信号电平触发的方式不仅使力和位移采集可同步进行，而且使采集数据不丢失又连续。
无接触式光电电位器，是一种新型位移传感器，它是由集电极，光导层及电阻层组成，光导层的暗光电阻比光照射时电阻大104～106倍，它具有线性好、灵敏度高、无接触、寿命长和频响快等一系列优点。用它来做冲击试验机位移传感器，在电阻两端加上稳定的固定电压，则随光照射的光点(或光栏)位置变化，光电电位器输出端的电压成线性变化。此输出电压不经放大就可以输入给A/D板进行模数转换。
本实用新型的数字化冲击试验机的数据处理系统是用Visual C++6.0编程软件，编制数字化冲击试验软件，在Windows 98平台下运行，全新的数字化冲击试验软件具有如下功能1.对力和位移信号进行采集、显示和存储。
2.对采集的力和位移信号进行处理，求出具有物理意义的力和位移特征值屈服力Fy、最大力Fm、失稳扩展开始力Fu失稳扩展终止力Fa及其相对应的位移，把冲击功Ak分解成裂纹形成功和裂纹扩展功。显示和打印冲击试验处理结果及冲击曲线冲击力—时间、冲击力—位移、冲击位移—时间及冲击能量—时间等曲线。
3.曲线的局部及全部放大图。
4.成组文件测试结果的打印。
5.Brugger试验结果和曲线的显示和打印。
6.对编码器输入信号进行处理、计算出抬摆高度、冲击速度及冲击功。
该软件界面友好，操作简便、易于掌握、功能齐全、全部汉化。
下面通过参考附图，对本实用新型进行进一步说明图1常用冲击机结构图图2常用冲击机的电控线路图图3实用新型数字化冲击试验机结构图图4A可编程序控制器接线图表1可编程序控制器件分配表图4B可编程序梯形图图5冲击过程中数据传递示意图图6可编程控制器计算冲击试验结果显示图7预采集区和正式采集区的结构示意图图8光电电位器的原理图图9力和位移数据采集原始数据显示图图10数据处理结果及力—位移曲线显示图图11力—时间曲线的局部放大图图12打印力—时间曲线及冲击试验结果图13成组文件打印结果图14 Brugger实验结果和曲线显示图15工具条一览图1是常用冲击试验机结构图，它由摆锤(1)、挂勾(2)、离合器(3)、指针(4)、被动指针(5)、摇勾(6)、摇勾爪(7)、微动开关(8)、电磁铁(9)、主轴(10)、伺服电机(11)、蜗轮蜗杆(12)、拨销(13)、拨片(14)、触电(15)、塑料管(16)及电机(17)等组成。
图3是本实用新型数字化冲击试验机结构图，它包括机架(1)、摆锤(11)、挂勾(13)、离合器(17)、指示器(18)、接近开关(14)、电磁铁(15)、主轴(21)、挂摆摇臂(26)、摇臂(9)及电动机(16)等部分零件。
尽管图1和图3中部分零部件标注或者名称有所不同，但其功能相似。也就是说，二者当电动机启动，离合器吸合，主轴开始顺时针转动，带动固定在主轴上的摆锤抬起，当摆锤抬高到规定高度高度时，图3中接近开关(14)动作(图1中是微动开关(8)动作)，使电机停转，离合器脱开，摆锤挂在摇臂的挂勾上，完成抬摆。指示器的主动指针指示到能量最高位置，手动拨针使被动指针与主动指针对齐(图1中指针(4)、被动指针(5)；图3中未标出)，此时，已做好冲击准备。
应该指出，图1和图3有很多相似或者相同之处，但是二者又有较大的差异，主要表现在以下几个方面。
一、图3所示数字化冲击试验机，由蜗杆蜗轮(28)、挂摆摇臂(29)、手柄(25)组成的可动挂摆装置，使摆锤(11)可在0～180°转角范围内任意角度下固定。也就是说，摆锤的提升高度和冲击速度可根据实验需要调整。而图1所示冲击机只有一个固定的抬摆扬角。
二、图3中所示采用了全封闭式的防护罩(8)，并与安全门(2)，冲击开关(3)组成全防护系统。防护门(2)不关，冲击开关(3)不接通，摆锤(11)不会下落。防护罩(8)不仅起到了防护作用，而且同时起着打断试样的回收作用。
三、指示器数字化冲击试验机配有二套指示器可供选择一套是指针式(18)，这一部分与图1所示主动指针(4)及被动指针(15)相同；另一套是数字式的，见图6，是用数显方法，将冲断试样消耗能量(即冲击功)，冲击速度和抬摆高度，一并显示在屏幕上。它不仅可以取代指针式表盘，而且提高了计算结果的精度(可约6～8倍)。
四、自动控制系统不同常用冲击试验机的电控系统如图2所示采用的是伺服电机和继电器控制系统，用伺服电机“DS”作传感器，它带动图1中的拨销(13)，使拨片(14)的一端凹槽随之转动，另一端凹槽的一边是呈绝缘的，套有塑料管(16)。当摆锤反回转速大于伺服电机转速时，触点(15)与绝缘边接触，组成回路，接通电机(17)，完成取摆。它仅起控制作用，不能计量。它的控制过程是靠电磁继电器(图2中1J～6J)的常开、常闭触点的接通与断开完成的。它的缺点是布线不易更新，功能不易扩展，控制对象不能太多，体积大，寿命短。
图3所示数字化冲击试验机的电控系统，见图4A，它以可编程控制器为核心，由输入端X0～X11接入输入信号，它包括由编码器输入的A、B、Z三相输入脉冲信号，分别接入X0、X1、X2端口。抬放摆转换开关ISA-1，ISA-2，接入X11及X3端口，抬摆按钮1SB，接入X7。放摆按钮2SB，接入X5。接近开关1SQ，接入X10。光电开关2SQ，接入X4。冲击开关4SB，接入X6。输出端Y0～Y2，接被控制的固态继电器。其中Y0控制SSR1～SSR3交流固态继电器，它们控制交流电机的通断。Y1控制SSR4直流固态继电器，它控制离合器的通断。Y2控制直流继电器SSR5，它控制电磁铁的吸合和断开。由于可编程控制器是一种数字运算的电子系统，它不仅具有可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等功能，而且还可以通过模拟式或数字式输入或输出控制各种类型的机械。数字化冲击试验机正是利用了它的这些功能，方便准确的实现了数字控制，数字计量和数字显示。
下面通过表1，图4A及图4B，对本实用新型电控、计量及显示进行说明。表1所列出了输入，输出器件及辅助继电器器件号及接入可编程序控制器的相应输入和输出端的端口。现借助于图4B可编程序梯形图说明按照程序规定的逻辑关系，对输入和输出信号的状态进行处理判断和运算，然后得到相应的输出。请参照图4A和图3按图4B对数字化冲击机的控制过程说明如下一取摆将取、放摆转换开关放在取摆位置(ISA-1)，即(X11)接通。按取摆按钮(1SB)，即(X7)接通，此时辅助继电器(M0)接通，并自锁。M0接通，则可编程控制器的输出端(Y0)接通，使固态继电器(SSR1～3)接通，它接通了电动机(16)；输出端(Y1)接通，使固态继电器(SSR4)接通，它接通了离合器(17)，于是在电机的拖动下摆锤抬起。当摆锤达到抬摆位置时，接近开关(1SQ)动作，使(X10)接通，辅助继电器M1吸合，结果使其常开接点断开，切断了M0回路，使(Y0)、(Y1)断开，电机及离合器脱开，此时摆锤(11)被摇勾(12)挂起，完成取摆。
二放摆将取放摆转换开关放在放摆位置(ISA-2)，即(X3)接通，按下放摆按钮(2SB)，(X4)接通，于是辅助继电器M5接通，并自锁。M5接通，则(Y1)、(Y2)接通，导致固态继电器(SSR1-3)及(SSR4)接通，使电机(16)和离合器(17)接通。同时由于辅助继电器M3也接通，而使(Y2)接通，则固态继电器(SSR5)接通，导至电磁铁(15)吸合，摇勾(12)抬起，于是摆锤在电机带动下缓慢放下。当放到摆锤铅垂位置时，光电开关(2SQ)动作，使(X5)接通，同时辅助继电器M6接通，又使M5断开，同时(Y0)、(Y1)断开，电机停转、离合器脱开，摆锤放下。
三冲击取摆到位后，摆锤被挂起，完成取摆。此后，关上防护门(4SB)，接通(X6)，使(Y2)接通，固态继电器(SSR5)接通，电磁铁(15)吸合，摇勾(12)抬起，摆锤(11)落下冲打试样。同时使辅助继电器M2接通并保持，A向计数器开始计编码器A发出的脉冲数。当摆锤落到与试样接触时，编码器Z相发出一个脉冲，使(M8058)接通，将(C251)计数器A相发出的脉冲数，传送给存储器D0。打断试样，摆锤继续抬高到上升最高点时回摆，此时开始减计数。一旦开始减计数(M0251)辅助继电器接通，使(M10)接通，把(C251)的计数存在存储器D2中，D2是摆锤自开始落下到打断试样后抬起至最高点，A向发出的总脉冲数。此后可编程控制器开始计算D2-D0→D4，并将D4存在D4存储器中。2×D4送给D6，再将D2-D6→D6，这时的D6是理论上抓摆时的回摆脉冲数，由于电机及离合器接通均需要时间，因此需要调整抓摆时间，也就是要提前一段时间使继电器吸合，换句话说需调整D6的数值。由于回摆是减计数，因此要加上一个数值，为此，D6+D8013→D6再送给D6，即当回摆到B相计数等于D6时，接通(M7)，使(Y0)及(Y1)接通，(SSR1～3)及(SSR4)接通，电机和离合器接通开始抓摆，摆锤抬到抬摆高度时，接近开关(1SQ)动作，(X10)和M1接通，(M7)断开，电机停转，离合器脱开，摆锤再次挂起，做好再次冲击准备。与此同时，(C251)、(D6)、(M2)均清令，使程序又回到开始状态。
为了进一步说明冲击数据传递过程，见图5。摆锤(11)，自0点落下，编码器(19)的A相开始发出脉冲，可编程控制器(22)中的(C251)计数器开始记录A相发出的脉冲数。当摆锤(11)下落到B点与试样(35)接触时，编码器Z相发出一个脉冲，产生一个中断信号，把(C251)计数器的计数送到D0寄存器中，此时摆锤落下的转角为α1，即转动α1角度，编码器发出D0个脉冲数。从摆锤与试样接触开始，力传感器(34)及位移传感器(33)，同时有信号输出，直到打断试样，位移信号一直在增加，力信号由小变大，又由大变小。这两个信号通过放大器及A/D转换器(32)送到计算机(31)中存储，计算和显示。试样被打断后，摆锤靠剩余能量继续抬高，达到最高点C时，一旦回摆，则编码器计数则由A相转为B相。A、B两相的变换由可编程序控制器控制，并发出信号，利用这个信号做中断，把A相从0点到C点(C251)总计数送到存储器D2中，相对应摆锤从0点到C点的总转角为α，A相发出的总脉冲数为D2。由此可知，摆锤与试样接触的B点到打断试样后抬起到最高点C，摆锤的转角α2等于α2＝α-α1，相对应的A相发出的脉冲数为D4＝D2-D0。如果摆锤回摆时，不计其摩擦阻力，其回摆角度为β＝2α2，相对应的B相发出的脉冲数为2D4，将2D4送给D6存储器存储。D6是理论上控制回摆时抓摆的脉冲数，实际上由于电机和离合器接通到动作均需要时间，因此需要调整D6的数值，为此要加上一个定值脉冲数(D8013)即D6+D8013→D6，将加上(D8013)后的值再送给D6存储器，用该值控制抓摆，即当回摆B相计数等于D6时，发出信号，使电机和离合器接通，使摆锤再次抬起，随后被摇勾(12)挂好，完成抬摆。可编程控制器中存储的D0和D4除了通过422接口传送给计算机(31)之外，也可以通过可编程控制器本身计算，将冲击速度，冲击试样消耗总功及抬摆高度的计算结果送给屏幕显示器(30)进行数显。
可编程序控制器通过422接口将D0和D4存储器中的脉冲数，通过计算机232接口，放在计算机指定内存中，用来计算、显示和打印冲击机抬摆高度、冲击速度和冲断试样后的消耗总功。其计算公式如下摆锤抬摆高度H1计算H1＝L·COS(1-α1) L摆锤刀口中心到主轴中心距离α1摆锤抬高的扬角 K编码器旋转一周A相发出的总脉冲数D0α1扬角下A相发出的脉冲数。
冲击速度V1的计算是根据能量守恒定理摆锤抬摆高度下所具有的势能与其下落到与试样接触时的动能相等摆锤势能＝GH1G摆锤重量 m摆锤质量
G＝mg g重力加速度于是 V1摆锤与试样接触时的冲击速度则V1=2H1g]]>摆锤冲断试样所消耗能量，即打断试样所作的功AK，计算公式如下AK＝GH1-GH2H2打断试样后摆锤抬起高度＝G(H1-H2) GH2冲断试样后剩余能量H1＝L·COS(1-α2) α2摆锤打断试样后抬起的扬角 D4与α2相对应的A相发出的脉冲数打断试样后，结果的处理和显示，除上述用计算机处理显示之外，还可以通过可编程序控制器进行计算后直接送显示屏幕，进行显示，其结果，见图6。
为了提高A/D板采样速率采用了具有3M采样速率的A/D片二片，一片用于力信号采集，另一片用于位移信号采集，因此A/D板分为两个通道，一个是力采集通道，另一个是位移采集通道。每个通道的内存RAM为32K。两个通道同步触发，同步采集和储存数据。图7a为同步触发和存储的示意图。实际上是把A/D板二个通道中的RAM分别分为两个区预采集区和正式采集区，图7a中AC段是RAM中预采集区，CD段为正式采集区。预采集区，在触发电平未达到预定值之前，它处于循环采集状态，它不断的进行采样，当采满AC后，又不断刷新。两个区的切换是通过信号电平是否达到触发条件判断的。触发电平的大小，可根据需要进行调整。当输入信号未达到触发电平时，板上地址计数器在AC之间循环，一旦检测到触发电平，设此时地址值为B，立刻将B值置入一个专用寄存器保存起来，然后立刻跳转到C，以后就按C到D顺序装入采集数据，直至终止。图7b是采集框图，图7c是实际输入信号。
图8是位移测量的光电电位器传感器的示意图。它由集电极1，光导层2及电阻层3组成。光导层的暗光电阻比光照射时电阻大104～106倍。光导层在没有光照的部位电阻很大，起绝缘作用，而被窄光带(带宽L)照射的部位电阻很小，相当短路，使集电极1与电阻层3导通，改变光带的位置，即相当于改变电位器的触点。如果在电阻层两端加上一个固定电压U1，A·K为输出端U2，那么U2随窄光带移动而变化。U2的大小与光带照射距A点距离成正比。该输出的电压可以很大，不经放大就可以直接输入A/D板进行模数转换。
通过Visual C++6.0编制的冲击试验机软件，在Windows 98平台下运行。全新的数字化多用途冲击试验机软件，能够进行数据采集、处理、显示和打印试验结果、试验数据和试验曲线。该软件操作简单，易于掌握，功能齐全，全部汉化。
图9为设置采样参数，开始采集及原始数据显示图。数据采集是唯一获得新的数据文件的方法。在开始采集之前，必须设置采样参数，在选择好采样频率及摆锤重量之后，才可进入采样状态。当试样被冲断后，屏幕上会自动显示出原始数据。
图10是数据处理结果及力—位移曲线显示图。系统具有良好的交互性，分三个窗口可以全面完整地显示原始数据，处理结果及各种曲线。
要显示上述结果，可利用工具条，首先进行数据处理，然后在查看菜单中选择您所需要显示的项目。图10选择的是数据处理结果和力—位移曲线。
图11为曲线放大功能窗口中选择局部放大，左上角的力—时间曲线局部放大结果。该项功能除能量—时间曲线不能放大外，其它曲线均可局部放大和整体放大。
图12是打印力—时间曲线及冲击试验结果图。您还可以打印各种曲线和局部放大图，只要激活曲线显示窗口，按着提示操作，您就可以打印出您所需要的结果和图形。
图13为成组文件打印结果。它打印出各个文件的特征值及分解冲击功的各项结果及其多个文件的平均值。使您的试验结果更加简便表述和真实可靠，便于您进行分析研究。
图14是Brugger试验结果和曲线显示。Brugger软件主要用于齿轮钢及齿轮的检验、测定模拟齿试样的受力状态，求出最大载荷。
图15为工具条一览，它可以帮您进行软件操作。表1 可编程序控制器器件分配表
权利要求1.新型数字化冲击试验机，其特征是(i)控制、测量抬、放摆及冲击过程的数字化装置，其包括在机座(1)的上方装有主轴(21)，主轴上装有摆锤(11)，为测定摆锤落下及回摆时角度变化，在主轴的一端安装有运动传感器—编码器(19)，和编码器输出线相联接的是可编程控制器(22)以及受可编程控制器控制的固态继电器(24)，用于控制摆锤升降的挂摆摇臂(29)上的接近开关(14)，防护门(2)上的接触开关(3)，机座上的光电开关(27)，以及前面面板上的抬、放摆按钮(5)及电源开关(4)；(ii)高速数据采集装置，其包括装在刀口(10)上的力传感器(34)，安在基座(1)上的位移传感器(33)及放大器和A/D板(32)，当摆锤上的刀口与试样(26)接触时、同时有力和位移信号输出、这两个信号经放大及A/D转换，存储在A/D板的RAM存储器中；和(iii)数据处理系统，其包括与放大器及A/D板相联的计算机(31)及其软件。
2.根据权利要求1所述数字化冲击试验机，其特征是高速数据采集装置中的A/D采样速率为3M，其中装有2块A/D，分别采集力和位移信号，其内存RAM各为32K，将RAM区分为两个部分即预采集区和正式采集区，两个区的转换靠力或位移信号电平达到触发电平时开始，由预采集区转到正式采集区，这种方法不仅使力和位移采集同步进行，而且使采集数据不丢失，并且连续。
3.根据权利要求1或2所述数字化冲击试验机，其特征是高速数据采集装置中的位移传感器采用无接触式光电电位器做传感器，它由光导层、电阻层和集电极组成，光导层的暗光电阻比光照时大104～106信，位移物体可以是光源，也可以是光栏，输出电压与光源或光栏位移的关系可通过机械设计使其自动变化，当A、B端加上电压U1，若A、K为输出端，光导层被窄光带照射的部位电阻很小，相当短路，使集电极与电阻层接通，改变光带的位置，相当改变电位器的触点，光电电位器传感器有足够大的输出信号，可不经放大，直接输入给计算机进行A/D转换。
4. 根据权利要求1或2所述数字化冲击试验机，其特征是数据处理系统中的计算机(31)用Visual C++6.0编制的冲击试验软件，在Windows98平台下运行，友好的界面，可方便的操作软件，进行数据采集，处理、显示、放大和打印实验结果、试验数据和试验曲线。
专利摘要本实用新型属于测定材料冲击性能的冲击试验机,特别适用于测定冲击力、位移、冲击曲线及冲击功分解。该机采用编码器做摆锤运动传感器,可编程控制器做信号处理器,固态继电器做执行器件,使冲击过程控制数字化。把高速A/D板上的RAM分成预采集区和正式采集区,使数据采集连续同步。位移传感器采用无接触式光电电位器,它不仅线性好,而且频响高。计算机软件在Windows98环境下运行,操作简便,功能齐全,全部汉化,使冲击力和位移的数据采集、结果的数据处理及显示自动化,数字化。
文档编号G01N3/30GK2494982SQ0120441
公开日2002年6月12日 申请日期2001年2月27日 优先权日2001年2月27日
发明者唐振廷 申请人:唐振廷