CN110530741A - 一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，属于测试设备技术领域，通过批量测试机构同时对多个试块进行抗冲击性能测试。当DIC系统检测到一次冲击循环结束后信号传输给PLC控制器和计算机进而带动步进电机自动将承重盘旋转预设的角度，对下一个试件进行冲击。两次冲击循环之间无缝连接不需要人力手动调试设备。减小了对时间及人力资源的浪费，增加了试验效率和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及测试设备技术领域，特别是涉及一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机。
背景技术
混凝土构件具有承载力高，刚度大和延性好的特点，其抗震性能和抗火性能也比较好。因此，混凝土构件在民用房屋、桥梁和军工等建筑领域中广泛使用。其中混凝土构件作为主要的承重构件在服役期间可能会受到来自汽车、船舶等交通工具的撞击。而冲击速率和力度的不同会导致构件产生不同程度的损伤或破坏。因此，为了分析混凝土构件在不同条件下的的抗冲击性能，开发一种抗冲击性能测试装置是十分必要的。目前，进行抗冲击性能测试的设备主要包括高速冲击时采用的霍普金森杆测试装置和中低速度冲击时采用的落锤冲击装置。
在现有的落锤冲击测试装置技术领域，尚未出现一种在不同冲击速率的情况下，可同时对多个试件的抗冲击性能进行批量测试的装置。现有技术中，落锤冲击测试装置在一次冲击循环中大多数只能对一个试件进行冲击测试，且冲击速率往往是固定的。要想改变冲击速率则需要暂停冲击过程，调整落锤与试件之间的冲击高度或者通过人工在落锤上增加砝码的方式增加落锤重量来实现一定范围内的高速率冲击。而如要实施高速冲击，小型试验机因为高度及承重有限，只能使用大型试验机，这就给冲击锤重量和高度的精准调节带来了难度。并且当一次冲击循坏结束后，现有装置多数靠电机带动冲击锤归位，然后进行下一次冲击。冲击过程中难以避免地消耗了人力且有较多的影响因素，比如无法直观准确确定冲击速率，调整参数需被迫暂时停止试验机，以及落锤与滑轨较多连接处具有摩擦力等。此外，目前国内外落锤冲击测试领域鲜有只对单一试件进行抗冲击性能测试，一般是对多个试件进行不同条件下的测试进而获得性能参数，但现有装置多数尚未做到同时对多个试件进行不同条件下的冲击测试。而且在对实验条件做出改动时，比如调整冲击速率、试件的冲击角度、试件固定及试件替换时现有本领域设备多数依靠手动调节。降低了试验效率的同时也增加了试验成本。
因此，发明一种针对多个试件，可同时在不同冲击速率条件下，进行冲击实验的全自动落锤冲击试验机来解决上述问题就很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机。以解决本领域设备目前具有的无法同时进行批量测试，落锤冲击速率无法精准调控，调整实验条件的过程相对复杂费力等问题。
为实现上述目的，本发明可通过以下技术方案实现：
一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，包括冲击试件的试验台本体，链式提升系统，速度赋予系统，自动批量测试组件；
所述实验台本体包括整体支撑框架、冲击锤、电磁吸附装置和PLC控制器；所述整体支撑框架包括四个滑壁，每个滑壁上部均设有电磁吸附装置，滑壁下部设有防止冲击锤二次冲击的伸缩挡片一，滑壁内部设有冲击锤，冲击锤上部设有提把，滑壁下侧的整体支撑框架的两侧设有用于检测冲击锤移动的反射式光纤传感器，反射式光纤传感器的外侧设有DIC测试系统，所述伸缩挡片一、反射式光纤传感器、电磁吸附装置均与PLC控制器连接；
所述链式提升系统设置在整体支撑框架内部，包括链式提升装置、链式支撑装置、伸缩挡片二；链式提升装置与链式支撑装置连接，链式支撑装置内部设置有与链式提升装置连接的伺服电机，链式提升装置上设有伸缩挡片二，伸缩挡片二用于提升冲击锤；
所述速度赋予系统设置在整体支撑框架内部，包括光栅式传感器、滑块、滑轨、伸缩挡片二；所述光栅式传感器设置在滑壁上部一侧，滑块套设在滑轨上，滑块的外侧与伸缩挡片二连接，滑块的内侧与设置在滑轨内部的伺服电机连接；所述伺服电机、光栅式传感器、伸缩挡片二均与PLC控制器连接；
所述自动批量测试组件设置在整体支撑框架下部，包括旋转式承重盘、步进电机、试块固定装置、电机、JBQ空气减震器；所述JBQ空气减震器设置于电机下侧，旋转式承重盘设置于电机上侧，步进电机设置于旋转式承重盘上部中心处，步进电机和试块固定装置连接，所述步进电机、电机均与PLC控制器连接。
进一步地，所述电磁吸附装置设置在整体支撑框架的顶端，电磁吸附装置与PLC控制器电联。
进一步地，所述滑壁置于电磁吸附装置下侧，伸缩挡片一置于滑壁下侧，反射式光纤传感器置于整体支撑框架底部两侧。
进一步地，所述伸缩挡片一由微型平板式直线电机和钢片构成，钢片与直线电机的动子焊接，直线电机与PLC控制器闭环连接。
进一步地，所述滑壁中间呈左右两个缺口的圆形，且缺口的宽度比冲击锤上的提把宽4毫米。
进一步地，所述链式提升装置、伺服电机、滑块、滑轨、PLC控制器置于整体支撑框架的内部。
进一步地，所述电磁吸附装置、伸缩挡片一、反射式光纤传感器、伺服电机、光栅式传感器、步进电机、电机均与PLC控制器电性连接，DIC测试系统与电子计算机连接。
进一步地，所述链式支撑装置为钢板制成的空心长方体结构，内部设置伺服电机，伺服电机与链式提升装置依靠同步皮带连接。
进一步地，所述滑轨为钢板制成的空心长方体结构，内部设置伺服电机和同步带，同步带下部通过滚轴与伺服电机连接，同步带上部通过滚轴与滑轨连接，同步带一侧与滑块连接。
与现有技术相比，本发明的技术效果和优点为：
通过批量测试机构同时对多个试块进行抗冲击性能测试。当DIC系统检测到一次冲击循环结束后信号传输给PLC控制器和计算机进而带动步进电机自动将承重盘旋转预设的角度，对下一个试件进行冲击。两次冲击循环之间无缝连接不需要人力手动调试设备。减小了对时间及人力资源的浪费，增加了试验效率和安全性。
本发明设置有两种速度赋予系统及自动提升装置。冲击锤在一次无初始速度的自由落体式下坠后由链式提升装置带动至顶部，经电磁吸附装置固定后进行下一次冲击。另一组冲击锤可在释放瞬间获得来自滑块和滑轨组成的速度赋予系统给予的一定的初始速度，进而以一定的冲击速率进行冲击。两种提升及速度赋予装置皆循环此过程直到DIC系统测到预设结果后结束此次冲击循环。两种冲击方式皆在POM均聚物制成的滑壁内进行，相比绳索式提升或者冲击锤套在滑轨上的装置减少了来自绳索或者滑轨的反向拖拽力及摩擦阻力。最大化的减少提升装置与冲击锤接触的同时也防止了冲击锤摆动等问题，落点精准，测得的实验数据准确。
实验开始后冲击锤由链式提升装置带动往复运动，直到DIC检测系统测得结果并上传到电脑后旋转式承重盘自动转动，切换至下一个试件。机械手式试件固定装置自动固定，并将试件旋转预设的角度然后开始下一次冲击循环。整个过程无需手动对任何步骤进行调节，直到整批试件完成测试为止。
本发明设置有伺服电机，步进电机及配套装置。可通过伺服电机带动同步轮和同步带驱使滑块对冲击锤进行冲击进而精准控制冲击速率。其中，滑块铆固于同步带一侧并随同步带转动而滑动。通过步进电机细致调整承重盘的转动角度，进而精准切换试块至冲击锤正下方。
本发明采用POM（聚甲醛均聚物）制成的滑壁，冲击锤可自由落体或者以一定的初始冲击速率下落。整个下落过程只与滑壁接触因此干扰因素相对较少。对比同类装置减少了多项误差，如牵引力等。且因为滑壁材质极其优异，摩擦阻力远小于所有其他同类装置，与同类装置相比近乎可以忽略不计。进而在很大程度上减少了冲击锤在下落期间受到的摩擦因素影响，减小了实验误差。
附图说明
图1为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机正视图；
图2为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机俯视图；
图3为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中链式提升装置及冲击装置侧视图；
图4为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中速度赋予装置及冲击装置侧视图；
图5为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中旋转承重盘主视图；
图6为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中旋转承重盘及固定装置俯视图；
图7为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中的微型直线电机及钢片；
图8为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中的冲击锤；
图9为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中的链式提升装置的动力连接部位示意图；
图10为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中的速度赋予装置中伺服电机与同步轮，同步带，滑块的连接示意图；
图11为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机中的滑壁；
图12为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机的流程图；
图13为本发明一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机的立体图。
图中：1为整体支撑框架；2为滑壁；3为冲击锤；4为伸缩挡片一；5为反射式光纤传感器；6为电磁吸附装置；7为旋转式承重盘；8为步进电机；9为试块固定装置；10为电机；11为JBQ空气减震器；12为链式提升装置；13为伺服电机；14为PLC控制器；15为DIC测试系统；16为光栅式传感器；17为滑块；18为滑轨；19为电子计算机；20为提把；21为支撑装置；22为伸缩挡片二。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施例中的实验方案及其优点进行完整，明确的描述。显然结合附图需要说明的是，所描述的实施例是，且仅是本发明的一部分实施例。并不代表所有的实施例。本发明的实施例细节也不限于下述示范性实施例所描述。因此在发明的精神和基本特征要求下，从事本领域的技术人员没有以做出创造性改动为前提且获得实质性结果之前获得的实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明。本发明提供了如图1-7所示的一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，包括冲击试件的试验台本体，速度赋予系统及自动提升装置，自动批量测试及固定组件。
实验台本体包括整体支撑框架1、滑壁2、冲击锤3、提把20、电磁吸附装置6、防二次冲击装置、控制装置。其中防二次冲击装置包括伸缩挡片一4、反射式光纤传感器5。控制装置包括PLC控制器14、DIC测试系统15（三维光学测量系统）、电子计算机19。速度赋予系统及自动提升装置包括伸缩挡片二22、链式提升装置12、支撑装置21、伺服电机13、光栅式传感器16、滑块17、滑轨18。自动批量测试组件包括旋转式承重盘7、步进电机8、试块固定装置9、电机10、JBQ空气减震器11。
电磁吸附装置6铆接于整体支撑框架1顶端并与PLC控制器14电连。
冲击试件的试验台本体有两种支撑框架，区别在于一种冲击框架的上端安装有光栅式传感器16，当伺服电机13带动滑块17携带伸缩挡片二22向下划过光栅式传感器16的瞬间，电磁吸附装置6失去吸力，同时冲击锤3在静止状态下获得滑块17带动伸缩挡片二22给予的初始冲击速度。
滑壁2由POM（聚甲醛均聚物）制成，其摩擦系数远小于现有装置使用的任何一种金属滑轨。且冲击锤3置于滑壁2之中，冲击过程中仅在提升时会与其他部件接触，减小误差。滑壁2置于电磁吸附装置6下侧，伸缩挡片一4置于滑壁2下侧，反射式光纤传感器5置于整体支撑框架1底部。当冲击锤3阻挡住反射式光纤传感器5即砸中试块即将回弹时，由直线电机带动的伸缩挡片一4扣住冲击锤3的半圆形锤头上沿，起到防止二次冲击的作用。
冲击锤3上侧具有两个对称的提把20。滑壁2中间呈左右两个缺口的圆形，且缺口尺寸比冲击锤3上的提把宽4毫米。
链式提升装置12、支撑装置21、伺服电机13、滑块17、滑轨18、PLC控制器14、DIC测试系统15置于四个支撑框架所围内侧。支撑装置21为钢管制成，内部设置伺服电机13，伺服电机13的输出轴与链式提升装置12的提升链滚轴通过同步带连接。
链式提升装置12由伺服电机13带动，且与PLC控制器14电性连接，安置在实验台上。而速度赋予装置中的滑块17与滑轨18内部的同步带铆接，通过滑轨18中部的一条竖向缝隙进行滑动。同步带上部的滚轴与滑轨18内上部的钢板通过轴承滚动连接；同步带下部的滚轴一端与滑轨18内下部的钢板通过轴承滚动连接，另一端通过齿轮与伺服电机13的输出轴齿轮连接。且滑块17套置于滑轨18之上，以确保滑块17沿滑轨18进行往复的垂直运动。确保实验精度的同时，带动冲击锤3达到预定的速度。
JBQ空气减震器11安置于电机10下侧，旋转式承重盘7、步进电机8、试块固定装置9安置于电机10上侧。其中试件固定装置9是一种现有的具有自动调整旋转角度及夹取功能的机械手装置，试件固定装置9与步进电机8采用联轴器连接，并且二者与计算机19及DIC测试系统15电性连接。
电磁吸附装置6、伸缩挡片一4、伸缩挡片二22、反射式光纤传感器5、伺服电机13、光栅式传感器6、步进电机8、试块固定装置9、电机10均与PLC控制器14电性连接。DIC测试系统15与电子计算机19连接。电机10也是步进电机。
参考附图1和2，整体支撑框架1顶部的电磁吸附装置6与框架铆接，电磁吸附装置6下侧为滑壁2，滑壁2内部为冲击锤3，冲击锤3上部的两侧有两个对称的提把20。滑壁2中间呈左右两个缺口的圆形，且缺口尺寸比冲击锤3上的提把20宽4毫米。如附图3、4中所示。滑壁2下侧为由直线电机带动的伸缩挡片一4，反射式光纤传感器5。参考附图5，由旋转式承重盘7，步进电机8，试块固定装置9，电机10，JBQ空气减震器11构成的自动批量检测及固定组件置于整体支撑框架1前方且有一部分探入整体支撑框架1下侧的反射式光纤传感器5之间。其中试块固定装置9为一种可自动夹取旋转的机械手，与PLC控制器14和电子计算机19连接。
参照附图2，四个冲击装置和批量测试及固定组件将两组不同的提升及速度赋予装置包括链式提升装置12，伺服电机13，滑块17，滑轨18，PLC控制器14围在中间。
参照附图1、图3和图9，对整个冲击流程进行描述：冲击锤3吸附于电磁吸附装置6处。由电磁吸附装置6处自由落体，当冲击锤3的锤头挡住反射式光纤传感器5时，反射式光纤传感器5发射信号给PLC控制器14，PLC控制器14控制伸缩挡片一4伸出，使伸出的伸缩挡片一4扣住已经砸到试块并即将弹起的半球形冲击锤3的锤头上部，进而防止冲击锤3的二次冲击对实验结果带来的影响。伸缩挡片一4由直线电机与钢片铆接而成。与此同时DIC测试系统15对试件进行检测并将结果上传至电子计算机19。然后PLC控制器14控制伸缩挡片一4收缩，并由伺服电机13及链式提升装置12带动伸缩挡片二22，将冲击锤3提升至电磁吸附装置6处，直线电机带动钢片收缩，冲击锤3吸附于电磁吸附装置6后准备开始下一次冲击。在某次冲击之后的检测中，DIC测试系统15上传数据至电子计算机19并判定实验目的达到，则由PLC控制器14控制批量测试组件，将下一个试件以设定好的角度转至冲击锤3下侧，紧接着试块固定装置9自动固定试件并调整预设的冲击角度，开始对新试件进行新的冲击循环。
参考附图1、图4和图10，冲击开始前伺服电机13通过转动同步轮和同步带驱动滑块17至顶部，在冲击开始之前滑块17会在滑轨18上以伺服电机13赋予的一个预先设定的速度向下划过光栅式传感器16。与此同时，冲击锤3脱离电磁吸附装置6进行自由落体，进而在冲击锤3下坠的瞬间受到一个来自滑块17上的冲击挡片赋予的速度，冲击锤3以一个预设的冲击速度下坠，直到冲击锤3达到预设速度脱离滑块17上的伸缩挡片二22向下冲击试件。当锤头挡住反射式光纤传感器5砸到试块即将弹起时，反射式光纤传感器5发射新信号给PLC控制器14，PLC控制器14催动伸缩挡片一4扣住冲击锤3进而防止二次冲击对实验结果带来的影响。与此同时DIC测试系统15对试件进行检测并将结果上传至电子计算机19。当检测结束后，由PLC控制器14控制滑块17上的伸缩挡片二22伸展，带动冲击锤3回归至电磁吸附装置6处。当DIC测试系统15测得结果后，PLC控制器14驱动电机10带动承重盘7转动预设角度。将下一个试件置于冲击锤3下侧开始下一次冲击。
所述滑块17可依据预设的速度不同给予冲击锤3不同的冲击速率。
图9中的伺服电机13及部分同步轮放置于支撑装置21内部，其中伺服电机13与支撑装置21铆接，图10中的伺服电机13及同步轮和滚轴都放置于滑轨18内部，伺服电机13与滑轨18铆接。
所述JBQ空气减震器11栓接于电机10下侧。
上述实验流程展示了本发明的工作原理，基本特征和优选实施例，并不具有限制本发明功能的作用。因此在本发明精神或基本特征的前提下，本领域技术人员以其他任何形式对本发明部分装置做出的替换或改动及任何没有创新性的劳动成果，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：包括冲击试件的试验台本体，链式提升系统，速度赋予系统，自动批量测试组件；
所述实验台本体包括整体支撑框架（1）、冲击锤（3）、电磁吸附装置（6）和PLC控制器（14）；所述整体支撑框架（1）包括四个滑壁（2），每个滑壁（2）上部均设有电磁吸附装置（6），滑壁（2）下部设有防止冲击锤（3）二次冲击的伸缩挡片一（4），滑壁（2）内部设有冲击锤（3），冲击锤（3）上部设有提把（20），滑壁（2）下侧的整体支撑框架（1）的两侧设有用于检测冲击锤（3）移动的反射式光纤传感器（5），反射式光纤传感器（5）的外侧设有DIC测试系统（15），所述伸缩挡片一（4）、反射式光纤传感器（5）、电磁吸附装置（6）均与PLC控制器（14）连接；
所述链式提升系统设置在整体支撑框架（1）内部，包括链式提升装置（12）、链式支撑装置（21）、伸缩挡片二（22）；链式提升装置（12）与链式支撑装置（21）连接，链式支撑装置（21）内部设置有与链式提升装置（12）连接的伺服电机（13），链式提升装置（12）上设有伸缩挡片二（22），伸缩挡片二（22）用于提升冲击锤（3）；
所述速度赋予系统设置在整体支撑框架（1）内部，包括光栅式传感器（16）、滑块（17）、滑轨（18）、伸缩挡片二（22）；所述光栅式传感器（16）设置在滑壁（2）上部一侧，滑块（17）套设在滑轨（18）上，滑块（17）的外侧与伸缩挡片二（22）连接，滑块（17）的内侧与设置在滑轨（18）内部的伺服电机（13）连接；所述伺服电机（13）、光栅式传感器（16）、伸缩挡片二（22）均与PLC控制器（14）连接；
所述自动批量测试组件设置在整体支撑框架（1）下部，包括旋转式承重盘（7）、步进电机（8）、试块固定装置（9）、电机（10）、JBQ空气减震器（11）；所述JBQ空气减震器（11）设置于电机（10）下侧，旋转式承重盘（7）设置于电机（10）上侧，步进电机（8）设置于旋转式承重盘（7）上部中心处，步进电机（8）和试块固定装置（9）连接，所述步进电机（8）、电机（10）均与PLC控制器（14）连接。
2.根据权利要求1所述的一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：所述电磁吸附装置（6）设置在整体支撑框架（1）的顶端，电磁吸附装置（6）与PLC控制器（14）电联。
3.根据权利要求1所述的一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：所述滑壁（2）置于电磁吸附装置（6）下侧，伸缩挡片一（4）置于滑壁（2）下侧，反射式光纤传感器（5）置于整体支撑框架（1）底部两侧。
4.根据权利要求1所述的一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：所述伸缩挡片一（4）由微型平板式直线电机和钢片构成，钢片与直线电机的动子焊接，直线电机与PLC控制器（14）闭环连接。
5.根据权利要求1所述的一种可同时批量检测的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：所述滑壁（2）中间呈左右两个缺口的圆形，且缺口的宽度比冲击锤（3）上的提把（20）宽4毫米。
6.根据权利要求1所述的一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：所述链式提升装置（12）、伺服电机（13）、滑块（17）、滑轨（18）、PLC控制器（14）置于整体支撑框架（1）的内部。
7.根据权利要求1所述的一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：所述电磁吸附装置（6）、伸缩挡片一（4）、反射式光纤传感器（5）、伺服电机（13）、光栅式传感器（16）、步进电机（8）、电机（10）均与PLC控制器（14）电性连接，DIC测试系统（15）与电子计算机（19）连接。
8.根据权利要求1所述的一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：所述链式支撑装置（21）为钢板制成的空心长方体结构，内部设置伺服电机（13），伺服电机（13）与链式提升装置（12）依靠同步皮带连接。
9.根据权利要求1所述的一种可同时批量测试的全自动落锤冲击试验机，其特征在于：所述滑轨（18）为钢板制成的空心长方体结构，内部设置伺服电机（13）和同步带，同步带下部通过滚轴与伺服电机（13）连接，同步带上部通过滚轴与滑轨（18）连接，同步带一侧与滑块（17）连接。
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