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落錘試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)
本文的目的是設(shè)計(jì)一種基于pxi數(shù)據(jù)采集卡的落錘試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，并對其信號檢測、顯示和落錘試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。通過上位機(jī)的簡單操作，實(shí)現(xiàn)了沖擊試驗(yàn)、制動、沖擊、信號檢測、顯示和數(shù)據(jù)分析等功能，實(shí)現(xiàn)了錘試驗(yàn)機(jī)的智能化和自動化。此外，落錘試驗(yàn)儀還可以通過bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析和學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)改變測試所需的波形峰值或脈沖寬度時(shí)，將根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果提供推薦的表高和墊厚。
1 沖擊試驗(yàn)原理
在沖擊試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)材料直接固定在工作臺上或用夾具固定在工作臺上，工作臺升高到一定高度，釋放后自由下落，使工作臺底部與底座上的波形發(fā)生器碰撞，使工作臺承受向上沖擊載荷和脈沖載荷。由表生成的樣本傳送到固定在表上的樣本上，從而實(shí)現(xiàn)固定在表上的目的。產(chǎn)品對桌子的影響。另外，在平臺上安裝加速度傳感器，測量平臺加速度，繪制加速度時(shí)間曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較，分析測試數(shù)據(jù)。
通過相應(yīng)的信號調(diào)節(jié)電路，將加速度傳感器轉(zhuǎn)換成可采集的電壓信號，并與pxi數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號采集通道連接。pxi數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字i/o端口通過i/o控制板控制液壓設(shè)備。并收集編碼器，關(guān)閉開關(guān)輸出信號。
2 加速度采集
加速度計(jì)是一種能夠測量加速度的電子設(shè)備。常用的加速度計(jì)主要是壓電式的。原理是使用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)。當(dāng)加速度計(jì)振動時(shí)，質(zhì)量被施加到壓電體上。組件上的力也會發(fā)生變化。當(dāng)測得的振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，力的變化與測得的加速度成正比[3]。
常用的加速傳感器有帶電加速傳感器（pe）和電壓型加速傳感器（iepe）。根據(jù)測試對象和測試環(huán)境的不同，將會選擇不同的加速度傳感器，因此這個(gè)落錘測試儀與這兩個(gè)加速度傳感器同時(shí)兼容。
2.1電荷型加速傳感器
顧名思義，電荷型加速度計(jì)具有帶電的輸出信號，并且需要外部電荷放大器將高內(nèi)部電阻電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)部電阻電壓源。其信號調(diào)理電路如圖2所示。
C1是反饋回路電容。由于反饋電容遠(yuǎn)大于電纜電容和運(yùn)算放大器的輸入電容，根據(jù)運(yùn)算放大器的虛擬接地原理，可以認(rèn)為：
從上述公式可以看出，電荷放大器的輸出電壓僅與反饋電容有關(guān)。此外，可以調(diào)整后級反向放大器的電阻r1和r2，以滿足采集電路的需求。
2.2電壓型加速度計(jì)
電壓加速度傳感器是一種獨(dú)立的電荷放大器或電壓放大器傳感器，具有放大器和恒流源。電流源將電流引入加速度傳感器，放大器允許設(shè)置輸入范圍以充分利用輸入信號。加速度傳感器的內(nèi)部電路使它的行為像一個(gè)電阻到外部。傳感器的加速度與其外部電阻成正比。因此，傳感器返回的電壓信號和加速度也是成比例的[3]。需要一個(gè)24 V 4 mA恒流激勵(lì)源為電壓加速度傳感器供電。
lt3092是一種精密恒流源器件。該裝置的輸入電壓為1.2～40v，滾針具有初始精度和低溫系數(shù)。目前的監(jiān)管業(yè)績優(yōu)于百萬分之10。此外，裝置內(nèi)部還有反向電壓、反向電流保護(hù)、電流限制和熱量限制。它只需要外部電阻器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)輸出電流，其關(guān)系如下面的公式所示。
2.3 濾波電路
此外，通常存在電磁干擾，例如工業(yè)領(lǐng)域中的電磁干擾，其通過傳感器耦合耦合到電路中。這些干擾將導(dǎo)致收集數(shù)據(jù)的混疊失真，因此需要在采集之前設(shè)置濾波。該電路還設(shè)計(jì)有二階巴特沃斯低通濾波器和二階高通濾波器，分別濾除高頻噪聲和低頻噪聲。電路如圖3右半部分所示。
3 I/O控制設(shè)備
本設(shè)備的控制采用上位機(jī)操作方式，保證了設(shè)備的自動化和智能化。主要控制裝置有編碼器、氣動液壓設(shè)備和接近開關(guān)，通過PXI數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O口進(jìn)行控制和采集。由于PXI數(shù)據(jù)采集卡不能直接采集和控制這些設(shè)備，因此本文設(shè)計(jì)了I/O控制板。
3.1 編碼器
zsg 6206-001 c-400bz3-5f是一種增量編碼器，它將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，然后將這個(gè)電信號轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖。每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表一定的旋轉(zhuǎn)角度。轉(zhuǎn)換成弧長是計(jì)算脈沖表上升的高度。上面的計(jì)算機(jī)通過計(jì)算接收到的脈沖數(shù)來計(jì)算當(dāng)前表的高度。
編碼器工作在5 V，輸出為推挽輸出。輸出脈沖信號可以直接由數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I / O端口獲取。分辨率為400P / R，齒輪直徑約為4000毫米。也就是說，每個(gè)脈沖為10毫米。
3.2 氣壓液壓設(shè)備
該落錘試驗(yàn)機(jī)采用氣缸裝置保證工作臺的穩(wěn)定性，采用氣動裝置抱閘，配合制動部件實(shí)現(xiàn)及時(shí)制動，防止工作臺受到二次沖擊而損壞。
氣壓和液壓設(shè)備使用三個(gè)四向電磁閥進(jìn)行控制。其控制電路如圖4所示。三段式四路電磁閥可以改變左、中、右位置。當(dāng)閥芯處于中間位置時(shí)，每個(gè)油口不連接。當(dāng)閥門核心在左側(cè)位置時(shí)，可以看到油道可以通過p出口進(jìn)入，b出口連接到t出口。當(dāng)閥芯處于正確位置時(shí)，油路可以從p出口出口出口進(jìn)入b出口，而一個(gè)出口和t出口相連。
PXI數(shù)據(jù)卡的數(shù)字I / O端口通過兩個(gè)PNP三極管和兩個(gè)固態(tài)繼電器控制三位四通電磁閥的兩個(gè)線圈，從而實(shí)現(xiàn)電磁閥的開/關(guān)。
3.3 接近開關(guān)
接近開關(guān)位于提升桿的上部和下部。其作用是確保當(dāng)沖擊平臺達(dá)到規(guī)定高度并下降時(shí)，氣缸已降至底部。
lr 18bn08dno是接近開關(guān)的npn輸出型，因此其信號輸出不能直接連接到數(shù)字卡的數(shù)字i/o端口，因此電路設(shè)計(jì)如圖5所示。
接近開關(guān)原理顯示在上圖的左側(cè)。輸出端口是內(nèi)部NPN的收集器。從NPN晶體管的工作原理可知，通過改變連接到開關(guān)控制環(huán)路的基極信號，輸出信號為24V或輸出信號。 0 V.如圖的右側(cè)所示，設(shè)計(jì)了光耦隔離控制電路。光耦隔離模塊為TLP521。 TLP521內(nèi)部的LED由串聯(lián)的限流電阻觸發(fā)。 LED的開/關(guān)控制控制后一級的NPN晶體管。輸出水平。
4 PXI數(shù)據(jù)采集卡
在對現(xiàn)有落錘試驗(yàn)機(jī)的研究中發(fā)現(xiàn)，落錘試驗(yàn)機(jī)的采集與控制設(shè)備大多是基于DSP或其它單片機(jī)設(shè)備。這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)成本低，但穩(wěn)定性和模塊性不夠，不利于后期的擴(kuò)展和移植。為此，研制了一種基于PXI數(shù)據(jù)采集卡的落錘試驗(yàn)機(jī)。
pxi系統(tǒng)包括底盤、pxi背板、系統(tǒng)控制器和外部模塊。系統(tǒng)控制器，即cpu模塊，通常位于底盤左側(cè)的第一個(gè)插槽。它可以直接連接到顯示屏、鼠標(biāo)等，并通過ni提供的labview軟件控制外部模塊。系統(tǒng)控制器左側(cè)會留下幾個(gè)插槽，以方便外部擴(kuò)展。
該系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡為NI PXI-6229，具有32位16位分辨率A / D通道，采樣率高達(dá)250 KS / s，充分保證了加速度信號采集的實(shí)時(shí)性和完整性;有48個(gè)雙向數(shù)字I / O端口，時(shí)鐘頻率為1 MHz，用于設(shè)備控制的時(shí)間控制。
5 上位機(jī)設(shè)計(jì)
主機(jī)接口主要分為三個(gè)部分，即數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)分析和設(shè)備控制。
通過對現(xiàn)有的錘頭試驗(yàn)機(jī)的調(diào)查，會發(fā)現(xiàn)當(dāng)撞擊試驗(yàn)往往是基于實(shí)驗(yàn)者的經(jīng)驗(yàn)，即面對不同的試驗(yàn)材料，不同的波形峰值和脈沖寬度要求，要舉起的表的高度和波形發(fā)生器添加的緩沖區(qū)的厚度完全由實(shí)驗(yàn)者的經(jīng)驗(yàn)決定。如果您改變了一個(gè)沒有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)者，您可能需要多個(gè)近似測試來滿足測試要求。本文提出了一種基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，由于波形發(fā)生器材料、表高、材料重量等因素的影響，在沖擊試驗(yàn)中得到的特定波形的脈沖寬度和峰值。通過對某樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，該算法將通過在新試驗(yàn)中輸入實(shí)驗(yàn)材料的重量來顯示所提出的表高和墊厚。
通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出將與其輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系。通過對20組樣品的測試，選擇一些測試結(jié)果，如表1所示。
當(dāng)選擇不同重量、不同脈寬、不同波形峰值的測試材料時(shí)，預(yù)期輸出和實(shí)際輸出會產(chǎn)生不同的誤差。對上述數(shù)據(jù)的分析表明，當(dāng)臺面高度H在高程中間時(shí)，誤差率往往較??；當(dāng)材料重量可忽略不計(jì)，臺面重量不定時(shí)時(shí)，誤差率較大。雖然BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后仍存在一些誤差，但誤差率小于10%。因此，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的擬合結(jié)果具有很好的參考價(jià)值，可以幫助實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
6 結(jié)束語
設(shè)計(jì)了一種基于pxi數(shù)據(jù)采集卡的下錘式測試系統(tǒng)。上半身可以幫助測試人員學(xué)習(xí)bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有自動化程度高、穩(wěn)定性好、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。對本文設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了理論驗(yàn)證和實(shí)踐驗(yàn)證，該錘試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行良好，可靠性高。
