专利名称：工作台式电子冲击力锤的制作方法
技术领域：
本发明涉及锤击法模态试验的力锤装置，尤其涉及一种通过B⑶开关调节脉冲时间，产生可重复、可变大小冲击力的工作台式电子冲击力锤。
背景技术：
试验模态分析法用于测量机械结构的动态特性，其目的是得到结构的固有频率、模态振型和模态阻尼，以进行机械结构的瞬态动力学仿真或者谐响应分析。模态试验常采用锤击法。锤击法是利用安装有力传感器的力锤(impact hammer)击打(即激励)被试验机械结构，借助于模态测试技术和快速傅立叶变换(FFT)以脉冲试验原理和模态理论求得机械结构模态参数的方法。在锤击法试验中，对被测机械结构输入的是锤击力即激励力信号，通过测量被锤击机械结构各点的响应加速度信号即输出，通过输·入(锤击力信号)和输出(加速度信号)即可求得机械结构的传递函数，获得机械结构的自振特性。按照激励理论，输入的力脉冲信号可以是任意的。但任意形状的脉冲信号功率谱较乱，甚至某些功率谱的分量为零，使得频响函数分母为零，造成频响函数发生畸变。实践证明，δ函数形式的力脉冲，其谱线平直，是较为理想的激励信号。目前锤击法试验由人工操作力锤击打被测机械结构，每次锤击力的大小和方向很难保持一致，而且激励时间也难以控制，因此可重复性差，难以激励出理想的力脉冲。这就亟需发明一种电子冲击设备，
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术存在的锤击力的大小和方向难保持一致，激励时间难以控制，可重复性差，难以激励出理想的力脉冲的问题；提供一种工作台式电子冲击力锤；保证冲击力的可重复性和可调节性，可靠地控制锤头与被测机械结构之间的接触时间、以得到理想的力脉冲，尤其应用于机械结构的模态分析、自动冲击测试以及FEA模型验证。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种工作台式电子冲击力锤，包括工作台、控制器、触发器、直流电源，控制器、触发器分别与直流电源连接，控制器分别与触发器、执行器连接，所述执行器包括牵引式电磁铁，电磁铁的铁芯外伸部分与力传感器连接，力传感器前端部设有起保护作用的冲击头，电磁铁安装在工作台的平台上。所述铁芯外伸部分与力传感器之间为螺纹连接。所述控制器包括光耦、场效应晶体管、稳压二极管、稳压器、微调BCD开关、粗调B⑶开关、外部触发开关、LED指示灯、场效应晶体管(FET)、在线烧写接口、电源输出接口13、外部电源接口、第二单片机，外部触发开关通过光耦与第二单片机连接，所述微调B⑶开关、粗调B⑶开关分别与第二单片机连接，电源输出接口通过场效应晶体管(FET)Il与第二单片机连接，外部电源接口通过第三连接线与开关电源连接，电源输出接口通过第四连接线与电磁铁连接，在线烧写接口与第二单片机连接，稳压器与外部电源接口连接，LED指示灯分别与第二单片机和稳压二极管连接，稳压二极管分别与LED指示灯和场效应晶体管(FET)连接。所述触发器包括触发器电源接口、触发按钮、手动触发接口、第一单片机、触发选择接口、自动触发接口，所述触发选择接口通过第五连接线与第一单片机上的接口连接，触发器电源接口通过第一连接线与开关电源的直流电压输出接口连接，触发按钮分别与电源接口、手动触发接口相连，第一单片机与自动触发接口连接，所述手动动触发接口、自动触发接口与控制器的外部触发开关连接。所述控制器及触发器均是先根据电路原理图制作印刷电路板以作为电子元器件的支撑体和电气连接的提供者，然后将元器件焊接在双层印刷电路板(PCB )上。工作台包括上部支座、底部支座，所述上部支座、底部支座的配合位置分别设有长槽孔，所述上部支座、底部支座通过设于长槽孔中的螺栓螺母连接。 本发明的工作原理本发明包括工作台、控制器、触发器、直流电源，控制器、触发器分别与直流电源连接，控制器分别与触发器、执行器连接，所述执行器包括牵引式电磁铁，电磁铁的铁芯外伸部分与力传感器连接，力传感器前端部设有起保护作用的冲击头，电磁铁安装在工作台的平台上。铁芯外伸部分与力传感器之间为螺纹连接，根据需要选择不同的力传感器和冲击头、以得到所需的激振频率。所述控制器包括光耦、场效应晶体管、稳压二极管、稳压器、微调BCD开关、粗调B⑶开关、外部触发开关、LED指示灯、场效应晶体管(FET)、在线烧写接口、电源输出接口13、外部电源接口、第二单片机，外部触发开关通过光耦与第二单片机连接，所述微调B⑶开关、粗调B⑶开关分别与第二单片机连接，电源输出接口通过场效应晶体管(FET)Il与第二单片机连接，外部电源接口通过第三连接线与开关电源连接，电源输出接口通过第四连接线与电磁铁连接，在线烧写接口与第二单片机连接，稳压器与外部电源接口连接，LED指示灯分别与第二单片机和稳压二极管连接，稳压二极管分别与LED指示灯和场效应晶体管(FET)连接。稳压器为整个PCB板提供5V的稳定电压。控制器收到触发信号后通过场效应晶体管(FET)生成24V的激励电压，并通过电源输出接口和连接线给电磁铁供电。电磁铁通电后即做直线加速运动，断电后铁芯在弹簧的作用下返回原点，完成一次冲击。力传感器测量冲击力的大�。寤魍菲鸨；ちΥ衅鞯淖饔�。微调开关和粗调开关均为16进制码的B⑶开关。第二单片机的输出脉冲分辨率为O. 5ms,因此输出脉冲的范围为O. 5-128ms,即电磁铁的通电时间在O. 5-128ms之间。电磁铁通电时间越长，铁芯作加速运动的时间就越长，冲击力就越大，因此，旋转BCD开关即能改变输出脉冲的宽度，改变冲击力的大小。当冲击头伸出长度最大时，冲击力达到最大。在控制器上设有在线烧写接口，通过在线烧写接口可对第二单片机内的程序进行修改。每触发一次LED指示灯闪烁一次，稳压二极管放置于场效应晶体管(FET)之前起稳压作用。为了得到理想的δ函数形式的力脉冲，将输出脉冲设置为在冲击头19接触到被试验结构物之前结束。触发器包括触发器电源接口、触发按钮、手动触发接口、第一单片机、触发选择接口、自动触发接口，所述触发选择接口通过第五连接线与第一单片机上的接口连接，触发器电源接口通过第一连接线与开关电源的直流电压输出接口连接，触发按钮分别与电源接口、手动触发接口相连，第一单片机与自动触发接口连接，所述手动动触发接口、自动触发接口与控制器的外部触发开关连接。触发器上设有手动触发接口、自动触发接口，触发器通过选择手动触发和自动触发这两种方式来产生触发信号，触发信号由自动触发接口或手动触发接口输出至控制器上的外部触发开关，实现触发信号的自动触发和手动触发两种生成方式。其中手动触发时，将外部触发开关与手动触发接口相连，开关电源通电后，每次按下触发按钮，电磁铁即进行一次冲击；自动触发时，将外部触发开关与自动触发接口相连，在第一单片机中预先设置五种触发间隔时间以满足不同场合的需要，并分别引出五个接口，将其中某一接口与触发选择接口连接后，即选定了此种触发间隔时间，开关电源通电后，触发器自行开始工作，电磁铁根据间隔时间连续进行冲击。所述控制器及触发器均是先根据电路原理图制作印刷电路板以作为电子元器件的支撑体和电气连接的提供者，然后将元器件焊接在双层印刷电路板(PCB )上。工作台包括上部支座、底部支座，所述上部支座、底部支座的配合位置分别设有长槽孔，所述上部支座、底部支座通过设于长槽孔中的螺栓螺母连接。电磁铁通过螺栓固定在 上部支座的平台上，通过长槽孔可调节上部支座与底部支座的相对位置，并通过螺栓螺母固定，其安装位置可变、高度可调，以适应不同的应用场合。底部支座可通过螺栓固定在机床或者其他实验平台上。电子冲击力锤通过触发器产生触发信号，控制器在收到触发信号后输出电压为24伏的瞬时直流电给执行器，执行器中的电磁铁在通电后作直线加速运动从而对被测机械结构产生冲击，断电后电磁铁返回原点。冲击力的大小通过安装在电磁铁顶端的力传感器进行测量。本发明的有益效果I.本发明设计牢固，可靠性高，保证冲击力的可重复性和可调节性，既可连续冲击，也可单次冲击；2.可靠地控制锤头与被测机械结构之间的接触时间、以得到理想的力脉冲；3.可更换力传感器和冲击头，尤其应用于机械结构的模态分析、自动冲击测试以及FEA模型验证。
图I电子冲击力锤自动触发时的工作原理图；图2是控制器电路原理图；图3电子冲击力锤工作台结构组成图；图中，I.触发器电源接口，2.触发按钮，3.触发接口，4.第一单片机，5.触发选择接口，6.自动触发接口，7.微调B⑶开关，8.粗调B⑶开关，9.外部触发开关10. LED指示灯，11.场效应晶体管(FET)，12.在线烧写接口，13.电源输出接口，14.外部电源接口，15.第二单片机，16.牵引式电磁铁，17.铁芯外伸部分，18.力传感器，19.冲击头,20.开关电源，21.交流插座，22.直流电压输出接口，23.直流输出接口，24.电源线，25.第一连接线，26.第二连接线，27.第三连接线，28.第四连接线，29.第五连接线。30.上部支座，31.底部支座，32.螺栓螺母，33.槽孔。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。一种工作台式电子冲击力锤，结合图I至图3，包括工作台、控制器、触发器、直流电源，控制器、触发器分别与直流电源连接，控制器分别与触发器、执行器连接，所述执行器包括牵引式电磁铁16，电磁铁的铁芯外伸部分17与力传感器18连接，力传感器18前端部设有起保护作用的冲击头19，电磁铁16安装在工作台的平台上。铁芯外伸部分与力传感器之间为螺纹连接，根据需要选择不同的力传感器和冲击头、以得到所需的激振频率。所述控制器包括光耦、场效应晶体管、稳压二极管、稳压器、微调BCD开关7、粗调B⑶开关8、外部触发开关9、LED指示灯10、场效应晶体管(FET) 11、在线烧写接口 12、电源输出接口 13、外部电源接口 14、第二单片机15，外部触发开关9通过光耦与第二单片机15连接，所述微调B⑶开关7、粗调B⑶开关8分别与第二单片机15连接，电源输出接口 13通过场效应晶体管(FET)Il与第二单片机15连接，外部电源接口 14通过第三连接线27与开关电源20连接，电源输出接口 13通过第四连接线28与电磁铁16连接，在线烧写接口 12与第二单片机15连接，稳压器与外部电源接口 14连接，LED指示灯10分别与第二单片机15 和稳压二极管连接，稳压二极管分别与LED指示灯10和场效应晶体管(FET)Il连接。稳压器为整个PCB板提供5V的稳定电压。控制器收到触发信号后通过场效应晶体管(FET) 11生成24V的激励电压，并通过电源输出接口 13和连接线28给电磁铁16供电。电磁铁16通电后即做直线加速运动，断电后铁芯在弹簧的作用下返回原点，完成一次冲击。力传感器18测量冲击力的大�。寤魍�19起保护力传感器18的作用。微调开关7和粗调开关8均为16进制码的BCD开关。第二单片机15的输出脉冲分辨率为O. 5ms,因此输出脉冲的范围为O. 5-128ms,即电磁铁的通电时间在O. 5_128ms之间。电磁铁通电时间越长，铁芯作加速运动的时间就越长，冲击力就越大，因此，旋转BCD开关即能改变输出脉冲的宽度，改变冲击力的大小。当冲击头19伸出长度最大时，冲击力达到最大。在控制器上设有在线烧写接口 12，通过在线烧写接口 12可对第二单片机15内的程序进行修改。每触发一次LED指示灯10闪烁一次，稳压二极管放置于场效应晶体管(FET)Il之前起稳压作用。为了得到理想的δ函数形式的力脉冲，将输出脉冲设置为在冲击头19接触到被试验结构物之前结束。所述触发器包括触发器电源接口 I、触发按钮2、手动触发接口 3、第一单片机4、触发选择接口 5、自动触发接口 6，所述触发选择接口 5通过第五连接线29与第一单片机4上的接口连接，触发器电源接口 I通过第一连接线25与开关电源20的直流电压输出接口 22连接，触发按钮2分别与电源接口 I、手动触发接口 3相连，第一单片机4与自动触发接口 6连接，所述手动动触发接口 3、自动触发接口 6与控制器的外部触发开关9连接。触发器上设有手动触发接口 3、自动触发接口 6，触发器通过选择手动触发和自动触发这两种方式来产生触发信号，触发信号由自动触发接口 6或手动触发接口 3输出至控制器上的外部触发开关9，实现触发信号的自动触发和手动触发两种生成方式。其中手动触发时,将外部触发开关9与手动触发接口 3相连，开关电源20通电后，每次按下触发按钮2，电磁铁16即进行一次冲击；自动触发时，将外部触发开关9与自动触发接口 6相连,在第一单片机4中预先设置五种触发间隔时间以满足不同场合的需要，并分别引出五个接口，将其中某一接口与触发选择接口 5连接后，即选定了此种触发间隔时间，开关电源20通电后，触发器自行开始工作，电磁铁16根据间隔时间连续进行冲击。所述控制器及触发器均是先根据电路原理图制作印刷电路板以作为电子元器件的支撑体和电气连接的提供者，然后将元器件焊接在双层印刷电路板(PCB )上。所述工作台包括上部支座30、底部支座31，所述上部支座30、底部支座31的配合位置分别设有长槽孔33，所述上部支座30、底部支座31通过设于长槽孔33中的螺栓螺母32连接。电磁铁16通过螺栓固定在上部支座30的平台上，通过长槽孔33可调节上部支座30与底部支座31的相对位置，并通过螺栓螺母32固定，其安装位置可变、高度可调，以适应不同的应用场合。底部支座31可通过螺栓固定在机床或者其他实验平台上。本发明涉及的电子冲击力锤自动触发时的结构组成和工作原理如图I所示，开关电源20 (24V，6A)通过电源线24与开关电源20的交流插座21相连，将220V交流电转换为24V的直流电以给触发器和控制器供电。触发器电源接口 I通过第一连接线25与开关电源20的直流电压输出接口 22相连。第一单片机4与触发选择接口 5共同决定自动触发间隔时间，二者通过第五连接线29相连。触发信号由自动触发接口 6输出，通过第二连接线26传送至控制器上的外部触发开关9。第二单片机15在收到触发信号后通过场效应晶体管开关(FET) 11生成24V的激励电压，并通过电源输出接口 13和第四连接线28给电磁 铁16供电。BCD开关7和8决定激励电压的时间长短。第三连接线27连接着开关电源的直流输出接口 23和控制器上的外部电源接口 14。电磁铁16通电后即做直线加速运动，断电后铁芯在弹簧的作用下返回原点，完成一次冲击。力传感器18测量冲击力的大�。寤魍�19起保护力传感器18的作用。上述虽然结合附图对发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种工作台式电子冲击力锤，其特征是，包括工作台、控制器、触发器、直流电源，控制器、触发器分别与直流电源连接，控制器分别与触发器、执行器连接，所述执行器包括牵引式电磁铁，电磁铁的铁芯外伸部分与力传感器连接，力传感器前端部设有起保护作用的冲击头，电磁铁安装在工作台的平台上。
2.如权利要求I所述的工作台式电子冲击力锤，其特征是，所述铁芯外伸部分与力传感器之间为螺纹连接。
3.如权利要求I所述的工作台式电子冲击力锤，其特征是，所述控制器包括光耦、场效应晶体管、稳压二极管、稳压器、微调BCD开关、粗调BCD开关、外部触发开关、LED指示灯、场效应晶体管、在线烧写接口、电源输出接口、外部电源接口、第二单片机，外部触发开关通过光耦与第二单片机连接，所述微调B⑶开关、粗调B⑶开关分别与第二单片机连接，电源输出接口通过场效应晶体管与第二单片机连接，外部电源接口通过第三连接线与开关电源连接，电源输出接口通过第四连接线与电磁铁连接，在线烧写接口与第二单片机连接，稳压器与外部电源接口连接，LED指示灯分别与第二单片机和稳压二极管连接，稳压二极管分别与LED指示灯和场效应晶体管连接。
4.如权利要求I所述的工作台式电子冲击力锤，其特征是，所述触发器包括触发器电源接口、触发按钮、手动触发接口、第一单片机、触发选择接口、自动触发接口，所述触发选择接口通过第五连接线与第一单片机上的接口连接，触发器电源接口通过第一连接线与开关电源的直流电压输出接口连接，触发按钮分别与电源接口、手动触发接口相连，第一单片机与自动触发接口连接，所述手动动触发接口、自动触发接口与控制器的外部触发开关连接。
5.如权利要求I所述的工作台式电子冲击力锤，其特征是，所述控制器及触发器均是先根据电路原理图制作印刷电路板以作为电子元器件的支撑体和电气连接的提供者，然后将元器件焊接在双层印刷电路板上。
6.如权利要求I所述的工作台式电子冲击力锤，其特征是，所述工作台包括上部支座、底部支座，所述上部支座、底部支座的配合位置分别设有长槽孔，所述上部支座、底部支座通过设于长槽孔中的螺栓螺母连接。
全文摘要
本发明公开了一种工作台式电子冲击力锤，其特征是，包括工作台、控制器、触发器、直流电源，控制器、触发器分别与直流电源连接，控制器分别与触发器、执行器连接，所述执行器包括牵引式电磁铁，电磁铁的铁芯外伸部分与力传感器连接，力传感器前端部设有起保护作用的冲击头，电磁铁安装在工作台的平台上。保证冲击力的可重复性和可调节性，可靠地控制锤头与被测机械结构之间的接触时间、以得到理想的力脉冲，尤其应用于机械结构的模态分析、自动冲击测试以及FEA模型验证。
文档编号G01M7/08GK102879167SQ201210361908
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者刘战强, 张杨广, 万熠, 史振宇 申请人:山东大学
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