高速往复冲击‑振动耦合试验夹具及快速响应进给装置的制作方法

本发明涉及环境力学试验中的冲击-振动试验装置，特别涉及一种可用于冲击-振动耦合环境试验的夹具和具有高动态响应能力的进给装置设计。

背景技术：

高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置，主要用于实现高精密电子器件，如陀螺仪，探测制导设备，高g值加速度计等在其实际应用过程中所经受的冲击-振动复合力学环境模拟，可考核相关产品的结构强度，抗冲击振动性能以及相应的软件控制策略，为产品的研发、生产以及性能评定提供了一种更为有效的试验方法。

现有的冲击试验设备主要有马歇特锤，空气炮，霍普金森杆等，振动试验设备主要有电磁振动台，电液振动台，机械振动台等，上述设备在各种力学环境试验中得到了广泛应用，但是，上述环境模拟试验系统仅具备单一冲击环境或单一振动环境模拟能力，对于一些特殊应用场合，设备会同时经历冲击载荷和振动载荷的复合作用，这种复合作用引起的位置偏移，结构变形甚至整体功能失效，并非是单一载荷的简单线性叠加。现有研究表明，复合环境试验比单一环境试验更能有效地激发产品故障，其本质原因在于复合环境下系统的结构参数会发生明显的非线性变化。因此，工程上提出了冲击-振动耦合环境试验系统的研发需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种设计可靠，工作安全，自动化程度较高的冲击-振动耦合环境试验夹具及进给装置，可用于冲击-振动耦合环境模拟试验，克服传统冲击实验台和振动实验台仅具备单一环境模拟能力，不能真实反映复合环境下故障问题本质原因的缺点；基于直线式磁电机构成的电磁式进给系统，克服了传统液压进给系统占地面积大，动态响应慢，工作状况受外界环境干扰大的缺点，具备快速动态响应能力，可满足高速多次冲击的试验需求。

本发明的技术解决方案为：本发明提出了一种高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置，包括电磁振动台、基座衬板、滑轨、辅助衬板、直线式磁电机、凹台、加速度信号采集电路、激光对射式传感器、DSP控制电路；所述基座衬板紧密固定在电磁振动台的台面上，可随台面共同产生所需的机械振动；滑轨安装在基座衬板上；凹台开有与滑轨配合的凹槽，形成导向机构，可沿滑轨直线往复运动；直线式磁电机定子部分固定在基座衬板上，动子部分与凹台相连，可实现凹台的快速进给和回退；激光对射式传感器发射端安装于基座衬板上，接收端安装于辅助衬板上，分列于滑轨两侧，其输出连接到DSP控制电路的I/O端口；加速度信号采集电路位于凹台内，其输出连接到DSP控制电路的I/O端口，可实时采集试件上的加速度数值。

更进一步具体实施方式中，所述的凹台包括下限位块、弹簧、保持体、上限位块、保持盖；所述凹台底部有下限位块，通过螺栓与壳体相连，限制保持体向下运动的位移；凹台顶部有上限位块，限制保持体向上运动的位移；弹簧一端连接凹台底部，一端连接保持体，保持压紧状态，将保持体压紧在上限位位置；保持体顶部为保持盖，通过螺栓与保持体侧壁紧密连接。

更进一步具体实施方式中，加速度信号采集电路位于保持体内，其输出连接到DSP控制电路的I/O端口，可实时采集试件上的加速度数值。

更进一步具体实施方式中，还包括初始限位块、到位限位块，凹台的快速进给和回退；其进给行程由到位限位块限定，回退行程由初始限位块限定。

更进一步具体实施方式中，还包括回退到位开关、进给到位开关，激光对射式传感器发射端安装于基座衬板上，接收端安装于辅助衬板上，分列于滑轨两侧，位置与回退到位开关的信号相配合，其输出连接到DSP控制电路的I/O端口。

更进一步具体实施方式中，所述的回退到位开关安装在辅助衬板上，其触发位置与初始限位块位置一致，输出连接到DSP控制电路的I/O端口；进给到位开关安装在辅助衬板上，其触发位置与到位限位块位置一致，输出连接到DSP控制电路的I/O端口；

更进一步具体实施方式中，所述的DSP控制电路包括：激光对射传感器通过检测，回退到位检测，进给到位检测，运行卡住判断，直线式磁电机运动/停止控制。

本发明的高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置，具有以下显著优点及优势：

（1）可用于冲击-振动复合环境试验，能进一步反映某些特殊任务面下高精度电子器件所经受的特殊环境，有利于发现复合环境下故障问题的成因，克服了现有单一环境模拟试验方法的不足。

（2）通过合理的改变试验条件，也可实现单一的冲击环境试验或单一的振动环境试验，丰富了整套系统的试验能力，可满足不同种类力学环境试验的需求。

（3）基于电磁式的快速响应进给系统设计，克服了传统液压进给系统动态响应慢，工作状况受温度等外界条件影响大，占地面积广，成本费用高，液压站需要长期维护等缺点。

（4）基于对射式激光传感器和高性能DSP控制电路设计，可实现待测试件的精确自动进给，在窗口时间内将待测试件进给至工作位置，既保证了试验的有效性，也提高了系统的自动化程度。

（5）基于回退到位开关、进给到位开关和DSP控制电路设计，可实现动作机构运动至指定位置后，电磁进给机构供电回路及时自动断电，保护直线式磁电机。

（6）基于安装在保持体内部的加速度采样电路设计，可准确的反映待测试件上的加速度数值，并实现试验数据的存储，回收分析等处理。

附图说明

图1是本发明的高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置总体结构示意图

图2是图1中凹台部分细节图

以上各图中所示附图标记所指示的部件分别为：

1、电磁振动台；2、基座衬板；3、滑轨；4、辅助衬板；5、直线式磁电机；6、初始限位块；7、到位限位块；8、凹台；9、下限位块；10、弹簧；11、保持体；12、上限位块；13、保持盖；14、加速度信号采集电路；15、激光对射式传感器；16、回退到位开关；17、进给到位开关；18、DSP控制电路。

具体实施方式

下面结合图1至图2，对本发明进行详细描述，以进一步阐述本发明的应用实例，设计方案和特点优势。

本发明的高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置，可用于冲击-振动复合环境试验，能进一步反映某些特殊任务面下高精度电子器件所经受的特殊环境。包括电磁振动台1，基座衬板2，滑轨3，辅助衬板4，直线式磁电机5，初始限位块6，到位限位块7，凹台8，下限位块9，弹簧10，保持体11，上限位块12，保持盖13，加速度信号采集电路14，激光对射式传感器15，回退到位开关16，进给到位开关17，DSP控制电路18。

所述基座衬板2紧密固定在电磁振动台1台面上，基座衬板2可随电磁振动台1台面共同运动，其余部件均基于基座衬板2安装，可通过控制电磁振动台的振动向待测试件加载所需的振动载荷。

所述滑轨3安装在基座衬板2上，凹台8壳体开有与滑轨配合的凹槽，形成导向机构，可沿导轨滑动；在滑轨3的行程上安装有到位限位块7和初始限位块6，用于限定凹台8的行程。在凹台8进给过程中，通过触碰到位限位块7停止在指定工作位置；同样的，在凹台8回退过程中，通过触碰初始限位块6停止在初始工作位置。

所述直线式磁电机5的定子部分固定在基座衬板2上，动子部分与凹台8相连，驱动凹台机构进行进给和回退动作。

所述凹台8底部有下限位块9，通过螺栓与壳体相连，限制保持体11向下运动的位移；凹台8顶部有上限位块12，限制保持体11向上运动的位移，通过上、下限位块的限制，可使保持体11沿凹台内壁作有限行程的往复运动；弹簧10一端连接凹台底部，一端连接保持体11，正常情况下保持压紧状态，将保持体11压紧在上限位位置，在冲击作用下，弹簧10进一步压缩，保持体11向下运动至下限位位置，保持体11内部的待测试件产生过载加速度。保持体11顶部为保持盖13，通过螺栓与保持体11侧壁紧密连接，用于固定和压紧待测试件。

所述激光对射式传感器15发射端安装于基座衬板2上，接收端安装于辅助衬板4上，分列于滑轨两侧，位置与回退到位开关16的有效信号行程相配合。当凹台8进给离开初始位置，引起回退到位开关16信号跳变后，将触发激光对射式传感器14信号跳变，其输出连接到DSP控制电路的I/O端口。

所述进给到位开关17安装在辅助衬板4上，其信号触发位置与到位限位块7位置一致，输出连接到DSP控制电路的I/O端口，当待测试件完成进给动作，并在到位限位块7的作用下到达指定工作位置后，将同步触发进给到位开关17，经过短暂延时后切断直线式磁电机的供电回路，防止其动子的过热损坏；同样的，所述回退到位开关16安装在辅助衬板4上，其信号触发位置与初始限位块6位置一致，输出连接到DSP控制电路的I/O端口，当待测试件完成回退动作，并在初始限位块6的限制下停止在初始位置后，将同步触发回退到位开关16，经过短暂延时后切断直线式磁电机的供电回路，防止其动子的过热损坏。

所述的加速度信号采集电路位于保持体内，其输出连接到DSP控制电路的I/O端口，可实时采集试件上的试验加速度数值。

所述的DSP控制电路包括：激光对射传感器通过检测，回退到位检测，进给到位检测，运行卡住判断，直线式磁电机运动/停止控制。

实施例1

下面结合附图及具体实施方式，对本发明做进一步说明。

结合图1，图2，本发明的高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置，包括1、电磁振动台；2、基座衬板；3、滑轨；4、辅助衬板；5、直线式磁电机；6、初始限位块；7、到位限位块；8、凹台；9、下限位块；10、弹簧；11、保持体；12、上限位块；13、保持盖；14、加速度信号采集电路；15、激光对射式传感器；16、回退到位开关；17、进给到位开关；18、DSP控制电路。

基座衬板2紧密固定在电磁振动台1台面上，可随电磁振动台1台面共同运动，其余部件均基于基座衬板2安装，可通过控制电磁振动台的振动向待测试件加载所需的振动载荷。

滑轨3安装在基座衬板2上，凹台8壳体开有与滑轨配合的凹槽，形成导向机构，可沿导轨滑动；在滑轨3的行程上安装有到位限位块7和初始限位块6，用于限定凹台8的行程。直线式磁电机5的定子部分固定在基座衬板2上，动子部分与凹台8相连，用于驱动凹台机构进行进给和回退动作。工作时，在控制系统发出进给动作指令后，直线式磁电机5带动凹台8，沿滑轨3迅速向工作位置进给，通过碰触到位限位块7停止在指定工作位置，进行冲击试验。冲击过程结束后，在控制系统回退动作指令的作用下，直线式磁电机5带动凹台8沿滑轨3向初始工作位置回退，通过碰触初始限位块6停止在初始位置。

凹台8底部有下限位块9，通过螺栓与壳体相连，限制保持体11向下运动的位移；凹台8顶部有上限位块12，限制保持体11向上运动的位移，通过上、下限位块的限制，可使保持体11沿凹台内壁作有限行程的往复运动；弹簧10一端连接凹台底部，一端连接保持体11，正常情况下保持压紧状态，将保持体11压紧在上限位位置，在冲击作用下，弹簧10进一步压缩，保持体11向下运动至下限位位置，保持体11内部的待测试件产生过载加速度。保持体11顶部为保持盖13，通过螺栓与保持体11侧壁紧密连接，用于固定和压紧待测试件。

激光对射式传感器15发射端安装于基座衬板2上，接收端安装于辅助衬板4上，分列于滑轨3两侧，位置与回退到位开关16的有效信号行程相配合，其输出连接到DSP控制电路的I/O端口。平常情况下，凹台8不会对激光对射式传感器15的发射接收产生阻挡，其接收端始终接收到发生端发射的光线；在控制系统发出进给动作指令后，直线式磁电机5带动凹台8向工作位置运动，将会对激光对射式传感器14发射接收产生一次阻挡过程，具体表现在接收端的信号上会出现两次跳变，根据第一次跳变的时间点，结合前端的转台转速及绝对位置数据，控制电磁进给系统在所设计的时间窗口内将待测试件进给到工作位置，保证冲击试验的有效性。

进给到位开关17安装在辅助衬板4上，其信号触发位置与到位限位块7位置一致，输出连接到DSP控制电路的I/O端口；当待测试件完成进给动作，并在到位限位块7的作用下到达工作位置后，将同步触发进给到位开关17，经过短暂延时后切断直线式磁电机的供电回路，防止其动子的过热损坏；同样的，回退到位开关16安装在辅助衬板4上，其信号触发位置与初始限位块6位置一致，输出连接到DSP控制电路的I/O端口，当待测试件完成回退动作，并在初始限位块6的限制下回到初始位置后，将同步触发回退到位开关16，经过短暂延时后切断直线式磁电机的供电回路，防止其动子的过热损坏。加速度信号采集电路14位于保持内，其输出连接到DSP控制电路的I/O端口，工作开始后，DSP控制电路将实时采集加速度信号，一方面将数据存储至存储芯片，用于后期处理，一方面将绘制实时加速度过载波形，传输到系统界面显示。

工作过程

结合图1，图2，本发明的高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置工作过程如下：

系统工作开始后，电磁振动台1首先启动工作，按照所给的输入信号向整套装置提供高频振动，实现试件的振动载荷加载。在系统启动后，前端的大质量旋转冲击台存在一个缓慢的加速过程，此时发生的冲击被认为是无效的。当转台达到设定转速后，人工发出进给动作指令，DSP控制系统根据当前转台转速，绝对位置，光电对射式传感器的输出，实时控制进给动作，使待测试件在设计的窗口内进给到位，完成冲击加载；此时，由于冲击头冲击和电磁振动台振动的共同作用，待测试件上获得了冲击-振动复合环境。系统工作开始后，加速度采样电路实时采集待测试件加速度信号，一方面将原始数据传输至存储芯片存储，供后期回收处理；一方面绘制实时加速度波形，传输至前端显示。

整套试验夹具及其进给装置具有完备的保护设计，当凹台运动到工作位置后，触发进给到位开关输出，DSP控制系统检测到该信号后认为进给过程已完成，经短暂延时后将切断直线式磁电机的供电回路，保护磁电机的动子不会因为过热而损坏。试验结束后，人工发出回退动作指令，直线式磁电机反向运动将凹台回退至初始位置后，触发回退到位开关，DSP控制系统检测到该信号后认为回退过程已完成，同样经过短暂延时后切断直线式磁电机的供电回路，保护磁电机的动子不会因为过热而损坏。此外，当进给动作指令和回退动作指令发出后，若一定时间内未检测到激光对射式传感器输出信号跳变或进给/回退到位开关输出，则系统自动判断进给/回退故障，及时切断直线式磁电机供电电路，防止磁电机烧毁，同时，发出故障报警信号，提示操作人员处理。

本发明的高速往复冲击-振动耦合试验夹具及快速响应进给装置，可应用于冲击-振动复合环境试验，克服了传统冲击实验台和振动实验台仅具备单一环境模拟能力的缺陷，能进一步反映某些特殊任务面下高精度电子器件所经受的特殊工作环境，系统设计可靠，工作安全，自动化程度较高。