撞击感度仪自动监控系统设计-毕业论文（设计）.pdf

硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计摘要本文针对传统撞击感度仪自动化程度低、功能简单、安全性差以及试验人员 劳动强度大等缺点，设计组建了撞击感度仪自动监控系统，实现了对撞击感度试 验的自动监控。系统通过合理的机械结构和方案设计，采用PLC作为现场控制核心，通过 对触摸屏软件组态设计，完成了系统现场安装、调试时的单步控制功能；作为系 统的监控、调度中心的工控微机通过通讯模式和程序设计，与PLC组成上、下 位机实时监控系统，间接地实现了对撞击感度试验的监控，并通过上位机实时监 控管理软件的设计，以虚拟面板的形式较好地实现了人机对话；采用客户机/服 务器模式，通过软件编程实现了撞击感度试验的远程监控功能。通过系统的设计、搭建及实际调试，现已进入实用阶段，系统运行稳定、可 靠，性能良好。关键词：撞击感度，气动系统，PLC,自动送料，触摸屏，串行通讯，自动监控硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计ABSTRACTAiming at a series of problems of the traditional impact sensitivity instruments,such as low automation simple f unctions,bad security and big labor intensity of operators,this paper designs and organizes the automatic monitor and control system of the impact sensitivity instrument,which can monitor and control impact sensitivity ex periments automatically.By rational designs of mechanical structure and plar the system uses PLC as the core of control on site,and accomplishes control of the installment and debug of the system step by step by sof tware conf iguring design of the touch panel.Industrial computer,the centre of monitor;control and management of the system,composes epigyny and hypogyny machines*real-time monitoring and controlling system with PLC by designing the communicative model and program,and accomplishes man-machine dialogue in f bnn of suppositional panel by designing supervisory sof tware.Meanwhile,we also adopt client/server model and realize long-distance supervision of impact sensitivity ex periment by program designing*Through the systems designing,building and debugging practically,the system has put into use.and it runs steadily and reliably.Keywords:impact sensitivity,pneumatic system,PLC,automatic f eeding,touch panel,serial communication,automatic monitor and controln硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计1.绪论1.1 概述炸药的感度是表征炸药受到外界能量作用时发生爆炸的难易程度，根据外界 作用的能量形式不同，可分为撞击感度、摩擦感度、热感度等磔L其中，撞击 感度作为炸药最重要的一项感度特性，是指炸药在机械撞击作用下发生爆炸变化 的难易程度，通过对炸药撞击感度的测定研究，可直接有效地衡量炸药在生产、运输、储存和使用过程中的安全可靠性。撞击感度仪是为了测定炸药的撞击感度而研制的，其基本工作原理为：将装 有一定量药样的撞击装置(即试样)放入专门用的定位装置中，不同质量的重锤 通过高度提升装置提升到一定的高度后由释放装置释放，重锤沿着导杆自由下落 撞击试样，反跳后由反跳接锤装置接住重锤，防止其二次下落撞击试样，同时判 断试样的试验结果爆或不爆。目前，根据试验装置和试验结果表示方式的差异，撞击感度试验一般采用以 下三种试验方法川：L爆炸百分数法 限制在两光滑硬表面间的药样，受到自固定落高自由下落的 重锤一次撞击作用，观测计算其爆炸概率，表征试样的撞击感度；2.特性落高法根据撞击感度与刺激量落高对数值服从正态分布规律，在 落锤撞击感度仪上用升降法测定试样发生50%爆炸时的特性落高,表征试样的撞 击感度；3.12工具法 置于12型工具砂纸上的药样在重锤撞击下同时受到撞击、摩擦作 用，按“升降法”测定特性落高，表征试样的撞击感度；或在固定落高条件下进 行试验，检验试样的撞击感度是否合格。(a)(b)图LL1试验撞击装置撞击感度试验时，通常采用如图LL1所示的标准撞击装置(后文中统称 为试样);但由于试验方法的不同，在12工具法试验时，必须采用专用的12型 撞击装置，如图1.1.1(b)所示，药样直接放置在砂纸上，通过击杆传递能量现。硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计1.2 国内外的发展概况及趋势即281自1906年卡斯特提出撞击感度仪的报告至今，已有近一个世纪的历史了。各国在使用卡斯特撞击感度仪测定炸药撞击感度的过程中，对仪器的形式作了许 多改进。在国内，仍主要采用前苏联的老式卡斯特撞击感度仪，采用机械式接锤和挂 锤方式，基本上属于纯机械结构，自动化程度低，可靠性比较差。南京理工大学 在二十世纪九十年代研制的撞击感度仪采用电动机提升重锤，利用磁栅并配上显 示表头，手动调节重锤高度，采用齿条和卡笋接锤装置实现接锤；此外，重庆大 学、太原理工大学及上海材科研究所研制的撞击感度仪各自进行了一定的改进，但仍以手动控制为主，试验效率较低。而在国外，各国设计了各种不同类型、不 同规格的撞击感度仪，尽管结构和传动方案千差万别，但是它们的基本运动形式 基本相同，且都采用手动控制方式，如：联邦德国材料试验所的BAM撞击感度 仪，其采用框架结构，重锤的升降和释放通过电磁铁进行控制；西欧和北美大都 使用的三柱式撞击感度仪，其整体性较好；法国的煤炭研究中心（CERCHAR）的撞击感度仪，其重锤为30kg,最大落高为4m；美国海军军械实验室设计的 O-M撞击感度仪，其采用电磁铁作为重锤的释放装置。另外，在撞击感度仪自 动送料方面的研究，在国内还是空白，所使用的撞击感度仪皆以人工方式实现送 料和卸料；在国外，可能由于技术保密，亦没有检索到相关资料。随着自动控制技术和计算机技术的发展，自动化、智能化将是撞击感度仪未 来发展的方向。1.3 研究方法和手段本课题为实现撞击感度仪的自动监控，主要采用气动传动实现托锤架的自动 接锤和托锤以及完成撞击感度试验时自动送料过程;采用可编程序控制器作为系 统的控制核心，通过串行通讯与工控机组成上、下位机监控系统，实现对撞击感 度试验过程的实时监视和自动控制。t可编程控制器技术网36可编程控制器是一种典型的采样控制系统，它通过循环方式进行闭环控制，包括数字量和模拟量控制。它既可进行顺序控制，也可实现过程控制，随着微处 理器技术和通信技术的发展，可编程序控制器已不仅仅是传统意义上的控制元 件，其功能日益完善。它整合了 CPU、存储器、输入输出端口，使其成为一个 小型微处理器，不仅能实现传统继电器吸合、延时等功能，还有逻辑运算、算术 2硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计运算、指令运算、数制转换等控制功能，它与其它外部设备如数采卡、CRT、打 印机、计算机组成分布式测控系统就能实现显示、监控、打印及报表生成。2.气动技术气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递 或信号传递的工程技术。进入80年代以来，气动元件向小型化、低消耗、高速 化、机电一体化发展，利用计算机或可编程序控制器对其进行分时控制，极大地 提高了气动技术的应用水平；同时，由于环境污染小，工程实现容易，气动技术 在机械、化工、电子、电气等各个领域，尤其在各种自动化生产装备和生产线中 得到了广泛的应用，极大地提高了生产效率和产品质量，是实现工业自动化的重 要手段。3.串行通讯技术147串行通讯是按位传输数据的一种通讯方式，由于其传输距离远、价格低而被 广泛使用。串行通讯分为同步通讯和异步通讯方式，采用同步方式时，除需传送 数据信号外，还需传送用于位指示的时钟信号；而采用异步方式时，收发双方分 别使用各自的时钟信号，发送端可选择任何时刻开始发送数据，异步通讯用一个 起始位表示一个字符的开始，用停止位表示字符的结束，采用帧来传送数据，数 据传送速度用波特率表示，其常用的波特率有：110、300、600、1200、2400、9600、14400.19200 等。1.4本课题研究的意义和主要内容在炸药的撞击感度试验时，炸药产生很大的爆炸声，并生成有毒气体（如：CO、NO等），危害实际操作人员的身体健康；同时，传统的撞击感度试验采用人 工送料、卸料，劳动强度大，且存在一定的安全隐患。本课题结合撞击感度试验 的特点，搭建了一套撞击感度自动监控系统，完成感度试验时自动送料和卸料，实现试验的全自动控制，从而有效地消除了有毒气体对人体的伤害及误操作引起 的爆炸隐患；减少了手工操作的主观性对试验结果可信赖性的影响；提高了撞击 感度仪试验效率，提升了仪器的自动化水平；减轻了试验操作人员的劳动强度，这正是本课题研究的意义所在。本文的主要内容如下:第一章绪论部分介绍了撞击感度试验的相关概念以及国内外在该课题方面 的发展概况及趋势，并阐述了本课题研究的方法、手段及意义。第二章介绍了系统主体部分的机械结构设计，其中，详细介绍了自动送料子 系统的方案设计、方案认证及其具体的机械结构设计，并对关键部件的设计和选 型进行了详细的分析、计算及认证。3硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计第三章单独介绍了气动系统设计,包括托锤气动子系统和自动送料气动子系 统设计，并结合系统自身的控制特点，通过详细的理论分析计算，对重要气动元 件进行了选型及验证。第四章详细地介绍了监控系统设计，包括高度定位方案设计及认证、检测传 感器布置、系统监控线路板设计、PLC硬件和软件设计、现场触摸屏调试控制及 软件组态设计、上下位机通讯设计以及上位机实时监控软件设计等。第五章主要针对现有的监控系统，对系统进行了一定的拓展，通过服务器、客户机程序设计，对撞击感度仪试验实现基于网络的远程监控。4硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计2.机械系统设计2.1撞击感度仪总体结构我们研制的撞击感度仪总体结构如图2.1.1所示，其实物图见本文附图lo 其可以分成三大功能单元，即提锤子系统、托锤子系统和自动送料子系统。下面 就这三大功能单元分别进行设计。挂锤架控制线路板步进电机顶板防爆机柜重锤光栅尺滚珠丝杠导杆无杆气缸击杆送料装置进料装置击杆导向器支撑板凳出料装置底板托锤架击杆提升装置图2.L1撞击感度仪总体结构此外，为满足安装和使用的方便，在总体结构的设计中作了以下几点考虑;1为避免因在不同试验条件下重锤质量不同而频繁地更换重锤（必须重新校 5硕士学位论文 撞击感度仪自动监控系统设计零），在设计时，我们采用了组合式的重锤结构，即在基本锤架（2Kg）上配 上不同质量的配重片以获得不同质量要求的重锤，且保持整个锤体的高度不 变；2.由于重锤系统需要定期地进行检测，为方便重锤系统的安装和拆卸，在设计 时，导杆的顶部采用球形轴瓦连接。安装和拆卸时导杆能旋转一定角度，可 顺利地进行安装和拆卸；3.为使导杆具有良好的刚性，在导杆安装时，给导杆一定的拉紧力，即在导杆 的下端用螺母进行拉紧。该方式不仅能改善导杆的刚性，而且还可微量调整 由于加工误差带来的中心距的不一致性；4.为减小重锤下落时与导杆之间的摩擦力，从而减少下落能量的损失，使之更 接近理想的自由落体运动，在设计时，我们采用德星扇形架滚珠导套（简称 扇形导套），以滚动摩擦代替开式锤架的滑动摩擦，并为重锤下落起到良好的 导向作用；5.由于考虑到该试验的性质，为了保证试验及人身安全，在设计时，我们采用 防爆机柜加以保护,2.2提锤子系统设计提锤子系统是撞击感度仪的重要组成部分，重锤的提升高度测量及高度定位 精度直接影响着系统的试验精度和自动化水平，是衡量系统优劣的重要指标。因 此，在本设计中，我们采用具有较高定位精度的步进电机作为驱动元件，用高精 度的滚珠丝杠副作为传动元件。提锤子系统所要完成的主要功能有：1.实现挂锤架高度的精确定位；2.可靠地实现挂锤、放锤及重锤的上下运动；3.方便、有效地完成系统的高度校零。2.2.1提锤子系统机械结构设计提锤子系统主要由步进电机、滚珠丝杠副、平衡导轨和电磁铁四大部分组成。此外，还包括一些辅助部件，如联轴器、滑块、挂锤臂等。其机械结构如图22L1 所示。6硕士学位论文撞击感度仪自动监控乐统期:提锤子系统主要组成部分的作用介绍如下：1.步进电机和滚珠丝杠副步进电机转动力矩输出通过联轴器带动滚珠丝杠转 动，滚珠丝杠副将转动转变为滑块的直线运动，从而带动挂锤架的上下运动。2.平衡导轨由于重锤、挂锤装置和滚珠丝杠的重心不在同一直线上，存在一个 负载的偏心力矩，且丝杠长度较长，导致滚珠丝杠弯曲变形而使工作性能恶化。平衡导轨的作用是用来承受该偏心力矩，改善滚珠丝杠副的工作性能。3.电磁铁 通过电磁铁的通、断电，完成挂锤、放锤动作。222滚珠丝杠的选型滚珠丝杠副是用于实现旋转运动和直线运动相互转变的传动元件。其具有高 效率和高精度的特点，并具有优越的高速特性和运动可逆特性。在本设计中，为 保证系统落高的定位精度及重复定位精度，我们选用滚珠丝杠副作为提锤子系统 的传动元件。一、动载荷计算129滚珠丝杠副在高速或较高速下工作时，它的失效形式主要是滚道或滚珠表面 的疲劳点蚀。滚珠丝杠副抵抗疲劳点蚀的能力用额定动载荷Q表示，对于所选 的滚珠丝杠副，其额定动载荷Q应不小于计算动载荷。句，即所选的滚珠丝杠副 满足其使用寿命要求。在动载荷计算时，考虑到提锤子系统中的滚珠丝杠副运转存在轻微的冲击振 动和硬度变化对其寿命的影响，其计算动载荷C的计算公式为J=勺 痣F(2.221)式中：Kf为载荷性质系数，Kf=1A；长出为动载荷硬度影响系数，Kh=1.1；7硕士学位论文 撞声感度仪自劭监控系统设计 一 4为丝杠副的工作寿命；方为轴向工作载荷，等于重锤、电磁铁、挂锤 臂、滑块和连接件的重量之和，其中，重锤按最大锤重10馆计算，F=6007V o丝杠副的工作寿命人可按下式计算:,6072T(2.2.22)式中：为丝杠最大转速，=240r/min；T为工作寿命时间，由于本系统属于测试仪器，通常取7=15000人。所以，计算动载荷为KfKh 4F=K,Kh=4356N(222.3)二、选型根据以上的分析计算，并综合考虑系统落高定位精度和重复定位精度要求，我们选用南京工艺装备制造厂生产的内循环浮动式滚珠丝杠，型号为FFZD3206-3,工作长度为1630mm,采用预紧装置，其主要参数如下：公称直径(mm)：32螺距耳(m/n)：6滚珠直径以(加：4额定动载荷Q(KV)：14.5额定静载荷孰人出)：33.7接触刚度(N/)：839精度等级：4三、稳定性校核2刃当滚珠丝杠在轴向压力作用下，若其轴向压力过大、丝杠直径太小或者支承 距离较远时，滚珠丝杠都可能由于压弯而失去稳定性。在提锤系统中，由于我们 选用的滚珠丝杠直径较小、支承距离较远01500 mm),即丝杠的柔度较大，为 确保滚珠丝杠副的正常工作，必须对其进行稳定性校核。滚珠丝杠的临界载荷居可按欧拉公式计算，即 FcR(222.4)式中：E为滚珠丝杠材料的弹性模量，对于钢，=2Jx lO$y/W；J为滚珠 丝杠剖面的惯性矩；?为滚珠丝杠的支承距离，1 600mm;为长度系数,视滚珠丝杠的支承情况而定，在本装置中，支承属于一端固定，一端钱支，8硕士学位论文 撞击感度仪自动监控系统设计故取4=0.7 o滚珠丝杠剖面的惯性矩J的计算公式为j=双虑二创（222.5）64 64式中：虑为滚珠丝杠的公称直径，或=32次见为丝杠的内径；出为滚珠直径，d2=4mm o所以，滚珠丝杠的临界载荷计算公式为F=彳？咽二=售乌二?2），（2.226）熄 2 64 64/?z2令加=臂=2乂1。5耳/加加2,称m为滚珠丝杠的支承系数。故 64/?=/4丁2）：=i.5x 及 N（222.7）I2为了保证丝杠的稳定性，其临界载荷士与工作载荷F之比必须大于稳定性 安全系数乙，我们通过以上计算，可得冗/b=1.5x 1（）5/600=250,远大于一般 要求的%=2.54,故所选滚珠丝杠满足稳定性要求。223高度定位步进电机的选型步进电机亦叫做脉冲电机，每当输入一个脉冲时，电机就旋转一个固定的角 度（步距角步进电机转过的角度与输入的脉冲总数成正比，转速与输入脉冲 的频率成正比。其具有启动、停止、正转、反转容易控制等优点，而且可以实现 数字信号直接控制四】。在本设计中，步进电机的选型主要考虑以下几点：1.要有足够小的步距角，满足重锤高度定位的精度要求；2.提供足够大的输出转矩，确保灵活地驱动挂锤架上下运动，实现挂锤架的高 度控制；3.提供足够大保持转矩和静转矩，实现挂锤架高度自锁。一、步距角的分析计算在滚珠丝杠副已选定的情况下（片=6mm）,重锤高度定位精度仅取决于所选 步进电机步距角的大小，步距角越小则定位精度越高,故应选择尽量小的步距角。假设步进电机的步距角为则步进电机每转一步，挂锤架上升或下降的距9硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计离h为h=2(2.231)360 力 60二、步进电机工作转矩诊 的确定冽步进电机的负载转矩,主要包括滚珠丝杠副之间的摩擦力矩加和滚珠 丝杠与推力球轴承之间的摩擦力矩。步进电机工作转矩Mg必须克服其负载 转矩即曝/01.滚珠丝杠副之间的摩擦力矩的计算在挂锤架提升和下降过程中，滚珠丝杠副之间的摩擦力矩M.不同，应分 别进行计算。由于滚珠丝杠副采用预紧装置，其摩擦力矩以.包括轴向载荷作用 下的摩擦力矩Mlm和预紧力作用下的附加摩擦力矩加8o(1)挂锤架提升时滚珠丝杠副之间的摩擦力矩M.为M$m=MlmMpm(2.232)轴向载荷作用下的摩擦力矩物的计算公式为M 1m=Ftg(w+Pd)与(2.23.3)式中：F为轴向工作载荷，F=600N；丹为当量摩擦角，在挂锤架提升时，属 于正传动，取为=8.6；d0为丝杠的公称直径，d.=32mm；犷为滚珠 丝杠的螺纹升角，有p 6W=tg7)=tg7(-)=3.42成 3.14x 32(223.4)则M 旦幽血=唐2九 tgw 2叼(223.5)其中：为无预紧时正传动效率，=0,96。寓材+与)故轴向载荷作用下的摩擦力矩加为FPh _ 600 x 6x 10-32 叼 2x 3.14x 0.96=0.597Nm在预紧力作用下，附加摩擦力矩的计算公式为10硕士学位论文 撞击感度仪自动监控系统设计 Mpm=90 尸四心+2)(1-772)(223.6)式中：弓为预紧力，一般取最大轴向载荷的1/3,即Fp=；F=200N。故附加摩擦力矩p册为Mpm=1x32xI0-3x 200 x rg(3.420+86)x(1 0.962)=0.016N 加所以，当挂锤架上升时，滚珠丝杠副之间的摩擦力矩皿为Msm=Mim+MDfn=0.597+0.016=0.613N 掰(2)挂锤架下降时滚珠丝杠副之间的摩擦力矩;为sm=M丽M p阳(223.7)Me=名(#一5)寸=五;(2.238)式中：巴,为当量摩擦角，在挂锤架下降时，属于逆传动,取以=120/为无预紧时逆传动效率，有八气。(2.239)则u，FPh 600 x 6x 107Mlm=勺=-=0.61N 加2M 2x 3.14x 0.94f 1 IMpm=2或乙组(丹)(1一多=0021Mm(2.2310)所以，当挂锤架下降时，滚珠丝杠副之间的摩擦力矩为Msm=M加 一 Mpm=0.61-0.021=0.589N 附由以上计算可知，挂锤架上下运动时，滚珠丝杠副之间的最大摩擦力矩为0.613Nm。2.滚珠丝杠与推力球轴承之间的摩擦力矩M痴的计算滚珠丝杠与推力球轴承之间的摩擦力矩.为H硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计M=F/1(2.2311)zm d r 2式中：“为滚动摩擦系数，取4=0.0012；/为推力球轴承球心所在直径，年=誉竺=38如人 尺为轴承球体所受的载荷，有乙=G$+尸(223.12)滚珠丝杠重量G，为1 2Gs=pVg=-nd Lspg(223.13)其中：2=的区(223.14)2式中：d为丝杠外径，d=30.9mm；4Z3为丝杠小径，有4=%+2e-2K(2.2.3.15)其中：K为滚道半径，取&=0_552=2.2加八e为圆弧偏心距，有e-(72 亨)sin。=(2.2 g)x sin450=0.1 4mm(2.2.3,16)故 2=?=-+或+26 24=29.4用 2 212 1Gs=-nd L pg=-x 笈 x(29.4 x lO3)2 x 1.63 x 7.8 x 103 x 9.8=84.57V 4 4Fs=G$+F=84,5+600=684.52V所以，滚珠丝杠与推力球轴承之间的摩擦力矩刈为Mzm=羯*=684.5 x 0.0012x 亚孚二=0.016N 小综上所述，挂锤架上下运动时，步进电机的最大负载转矩,为=0.613+0.016=0.6462V.(2.2.3.17)步进电机的工作转矩g应大于0.646N加。三、步进电机保持转矩的确定29】滚珠丝杠具有传动的可逆性，不能自锁,在提锤子系统中，我们利用步进 硕士学位论文 撞击感度仪自动监控系统设计电机的保持转矩（不通电时）和静转矩（通电时）实现系统高度的自锁。步进电 机保持转矩是指绕组不通电时产生的电磁转矩。一般情况下，步进电机的保持转 矩为最大静转矩的5%以下，所以，我们在不考虑摩擦力矩的情况下，只需考虑 保持转矩实现高度的自锁，即步进电机的保持转矩股应大于挂锤架自重而产生 的滚珠丝杠逆转力矩滚珠丝杠逆转力矩Me的计算公式为Mc=空,（2.2318）式中：G为挂锤架的重量，G=500N；片为丝杠螺距，&=6mm；?/为滚珠丝 杠副的逆传动效率，由式（323.9）得炉工 0.94。故“GPh,500 x 6x 10-3M c=-=-x 0.94=0.45N*mc 2 笈 2x 3.14所以，步进电机的保持转矩“加应大于0.45N.m。四、选型步进电机可分为变磁阻式（VR型）、永磁式（PM型）和混合式（HB型）三种，由于混合式步进电机综合了前两种的优点，不仅步距角小、具有定位转矩,而且能输出较大的转矩，故本系统选用之。根据以上的分析计算，我们选用北京四通电机公司的五相混合式步进电机，型号为90BYG550C-S AKRML-030L其主要技术参数为：步距角/?为0.72。，保 持转矩%,不小于6.0Nm,定位转矩也为LON加，空载启动频率力为 2.4Kfiz。步进电机必须使用专用的驱动电源才能够正常工作。步进电机的驱动电源一 般由环行分配器、功率放大器等部分组成。在本系统设计中，为了提高工作可靠 性，步进电机的驱动器采用商品化的整体结构，选用北京四通电机公司的 S H-50806B,其采用数字式升频升压驱动方式，并结合了恒电流控制技术，采用 80V交流电源供电，输入控制信号为TTL电平信号，且提供过流保护、过压保 护、步距角切换、双/单脉冲控制模式切换和试机等功能。根据以上步距角的计算，步进电机每转一步，挂锤架上升或下降的距离力为h=-Ph=0.012mm360 A 60远小于0.5加加，能够满足系统高度定位精度要求。13硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计224校零器的设计在本系统中，由于步进电机和光栅尺只能确定挂锤架的高度增量，为确定整 个系统高度的高度零点，我们设计了如图224.1所示的校零器。其主要由上盖、下盖、垫块、支撑弹簧和无手感薄膜开关等组成。校零器的工作原理如下：平常状态下，通过上盖上的两个螺钉使支撑弹簧产 生一个预压力，从而克服击杆自身的重力。工作状态下，当锤头挤压或通过击杆 挤压上盖时，垫块与无手感薄膜开关接触、挤压而使薄膜开关导通，产生一开关 信号，从而实现高度校零（即确定系统的高度零点）；当校零后锤头松开时，上 盖板在弹簧回复力的作用下恢复到初始位置。2.3托锤子系统设计23.1概述在本系统设计中，我们采用气动托锤子系统代替原有装置的齿条一卡笋式接 锤机构，完成系统的接锤和托锤工作，从而克服原齿条一卡笋式接锤机构在长期 使用时，由于机械磨损和弹簧疲劳寿命的限制，使得接锤动作不可靠，影响试验 的顺利进行，甚至给操作者带来安全隐患。在本系统中，托锤子系统主要完成以下功能：L撞击感度仪试验过程中，当重锤自由下落到下落感应开关时，预启动托锤架14硕士学位论文 撞击感度仪自动监控系统设计上升，接住反跳的重锤，从而防止重锤二次打击试样。2.为防止挂锤架长时间挂锤而导致电磁铁过热，且防止意外断电时重锤下落而 带来安全隐患，在通常情况下，由托锤架托住重锤。3.在试验时，为加快试验速度并保证系统高度的完全一致性，挂锤高度定位后 不再变动，由托锤架提升重锤到挂锤架下面我们只介绍提锤子系统的结构设计，提锤气动系统将在下一章中进行详 细地介绍。2.3.2结构设计托锤子系统主要由左右两个无杆气缸、托板、托板支撑座组成。此外，为确 保左右两气缸动作的一致性，在两托板支撑座之间加上一个连接架；为防止托板 所受的冲击力过大，在两支撑座上分别安装液压缓冲器，且缓冲器输出可调。托 锤子系统的机械结构如图2.321所示。24自动送料子系统设计自动送料子系统是整个系统的重要组成部分，也是撞击感度仪自动监控系统 实现的关键。由于自动送料子系统的设计是全新的设计，没有相关资料可以借鉴，下面以独立的章节对该子系统方案的设计、论证以及机械装置的设计进行详细的 介绍。15硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计241系统方案设计在本系统中，自动送料子系统的设计主要考虑以下功能要求：1.由于12工具法试验装置的不同（12工具法自带一击杆，锤头通过打击击杆 将能量传递给试样），在12工具法试验时，要灵活地实现击杆的提升功能；2.在不同试验方法试验时，都要实现试样准确而可靠的定位，其定位误差要求 小于L5mm；3.由于12工具法的试验药样直接放在试样的砂纸上，试验试样和待试验的试样 应满足一定的距离要求，且要确保试样传输的平稳性；4.由于经常需要批量试验，如以25个试样为一组进行爆炸百分数法试验，子系 统的设计必须解决25个试样同时存放的空间问题根据以上功能要求，我们在方案设计中，将自动送料子系统分为击杆提升装 置和试样自动输送装置。其中，击杆提升装置的设计采用二自由度机械手实现对 击杆的提升、下降、夹紧和松开；试样自动输送装置的设计采用开式结构，由推 杆气缸对试样进行初定位，再由四个针型气缸实现对试样的精确定位，采用进、出料导轨实现25个试样的同时放置，通过链传动完成进、出料动作，由推杆气 缸推动试样完成送料动作，并将试验完的试样逐个挤入出料导轨其方案示意图图24L1自动送料子系统方案示意图1.试样2.推杆气缸3.针型气缸4.感应开关以12工具法试验为例，自动送料子系统的工作过程如下：试验时，机械手 夹紧击杆并提升到一定的高度后，通过进料导轨上的步进电机带动输送链条，由 链条上的进料推板将试样推入送料导轨；感应开关4感应到有试样后，进料电机 停止，推杆气缸将试样推到定位点，进行初定位，再由四个针型气缸对其进行精 硕士学位论文 撞击感度仪自动监控系统设计确定位；在定位的同时，出料导轨上的步进电机启动，通过链条推板将试验完的 试样推出，完成出料动作；紧接着，机械手下降到一定的高度后松开，击杆在与 导向器的过渡配合下靠自身的重力缓慢地下降，压住试样，等待重锤自由下落撞 击试样，从而完成整个自动送料过程。242方案的论证根据以上方案设计可知，试样的精确定位是整个方案设计的关键，为验证方 案的可行性，必须对此方案中试样定位的精度进行分析与计算，其中试样定位误 差应小于1.5mm o2.4.2.1 力平衡模型的建立在本方案中，由于开式导轨的宽度力和试样底座直径。的名义尺寸相同（即 为50.加），在导轨垂直方向上的最大定位误差为两公差偏差的一半，其对定位 精度影响甚小，故我们只考虑在定位导轨方向上试样的定位误差3 O试样定位的受力模型如图2.421.1所示，虚线位置为试样的理论定位位置，口为试样理论定位时针型气缸的输出力，居为偏离理论位置x时针型气缸的输 出力，7为同一侧两气缸的安装距离由于两边完全对称，我们在后面的分析与 计算中只考虑试样初定位后向右偏离理论定位位置的情况。图2.421试样定位受力模型我们在建立试样定位力平衡模型时，采用了下列基本假设：四个定位气缸的 力输出性能完全相同；忽略气缸定位时对试样力的冲击；针型气缸在定位时同时 动作，并忽略气缸工作压力的变化。根据以上试样受力模型，右边两针型气缸的力输出工在垂直定位导轨方向 上对试样的作用力相互平衡，在此不予考虑；而在定位导轨方向上对试样产生向17硕士学位论文 撞击感度仪自动监控系统设计左的作用力七为Fs=2FxCos（a）Sin（a）（242.L1）式中；Cos（a）=R为试样底座半径，R=25mm。R几何协调方程为的=/2_乃2（2.42L2）根据针型气缸的选型（参见下一章）可知，气缸伸缩位置时弹簧力输出分别 为5.98N和2.45N,则弹簧力输出耳与针型气缸实际工作行程W有如下线性关 系Ft=2.45+0.6455Aa（2A2.1.3）式中：Aa为气缸实际工作行程，在本系统中，/a=R-a2O考虑单作用气缸的弹簧力作用的影响，针型气缸力输出工的计算公式为FX=PS-F=与产一月（242.1.4）式中：d为针型气缸的缸径，d=1 0mm；尸为气动系统的工作压力，取 P=Q,6MPa.所以，试样在定位导轨方向上所受向左的作用力为Fs=警 J-2 _空_2.45+0.6455GR%（2.421.5）同理可得，左边两针型气缸的力输出号在定位导轨方向上对试样产生向右 的作用力6为、答，及 2 20 与 P 一 卜45+0.6455（一?）（2.421.6）其中：a；=,-（y+x）2（242.L7）在定位导轨方向上，试样所受力的平衡方程为Fs=Fsf=Fs+mg/I（2.42L8）其中：/为试样与定位导轨之间的摩擦力，f=加为试样的质量，爆炸百分数法时，取m=0.444心，12工具法时，取m=0.521卷国；户为滑动 摩擦系数，对于钢与钢，取m=（M。综上所述，上面所得式（242.1.2）、（2421.5）、（2.421.6）、（242.1.7）和18硕士学位论文 撞击感度仪自动监控系统设计(2.42L8)组成了试样精确定位的力平衡模型。当试样实际初定位位置偏向左 边时，将上述力平衡模型中的初定位偏差工取为负值即可。2.422试样定位的分析计算一、针型气缸位置的确定为确保试样由推杆气缸初定位后，在其较大的偏差范围内(相对于理论定位 位置)实现可靠的定位，我们通过下面的分析计算从而确定四个针型气缸的最佳 分布位置，即确定y的值。根据针型气缸的选型(参见下一章)可知，针型气缸的理论最大行程为5加加，而实际最大行程与为5.5相根。为了能够实现可靠定位，我们在试样理论定位的 情况下，每个针型气缸必须留有至少0.5mm的再定位余量，即针型气缸此时的工 作行程等于其理论最大行程5M冽。此时，y取最大值，可按下列公式求得Vmax=2RSin 曲=30 加 m(24221)故夕的取值应30如。根据以上分析，在试样初定位偏差较大时，初始状态只受两个针型气缸的 作用。此时，根据上一章节的力平衡模型可知，试样在定位导轨方向上所受针型 气缸的作用力为F$=消lif2 _ 4.尸12.45+0.6455(7?-%)1可得 Fs=0.0456(x)J625-(-x)2+0.0021(上一x)6252 V 2 2 2由于凡在叁-冗的取值范围(0在设有储气罐时，空压机的吸入流量&的计算公式为Qc k1 无(346)33硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计式中：占为气路系统泄漏的漏损系数；质为其它气动装置投入使用时的备用系 数；%为压缩空气消耗的不平均系数；一般可令化/2&=L3L5,本系 统中，取占占%=L4；2为气动系统的平均耗气量。在本系统中，考虑到其它各气缸与两个高度无杆气缸的平均耗气量相比，可 忽略不计，整个气动系统的平均耗气量Qb近似等于两个高度无杆气缸的平均耗 气量，故气动系统的平均耗气量必为乌=2x O.0157(Z)2+d2/d)N(P+0.102)(347)式中：。为高度无杆气缸的缸径，D=4Qmm；Z为气缸的行程，=1600m；d为换向阀与气缸之间的气管内径，d=/为气管的长度，ld=1000加加；N为气缸的工作频度，即每分钟内气缸的往复周数，取N=l；P为系统工作压力，P=06MPa0故计算得气动系统的平均耗气量2为57.84x l(r3m3/min,空压机的吸入流*2c80.98x l0-3m3/mino空压机的功率N可按下列公式计算N=今)而-1=0.329(3.4.8)其中：4为吸入空气的绝对压力，耳=0.1此；无为等烯指数，取4=1.4；为 中间冷却器个数，取=2。根据以上的分析计算，同时考虑其它气缸的耗气，我们选用南京华冠压缩机 公司的P-0.ll/10型空压机，其主要技术参数如下：吸入流量(m3/min)：0.11额定排气压力(班)：L0电机功率(左沙)：1.1转速(min)：600四、储气罐的选型心I本气动系统中，设置的储气罐主要有以下几方面的作用：L依靠绝热膨胀及自然冷却降温，分离掉部分压缩空气中的水和油，从而减轻 空气组合元件的负载：2消除系统压力脉动，确保气缸平稳的运动；3.储存一定量压缩空气，解决系统短时间内用气量大于空压机输出气量的矛盾,并保证在空压机停止工作时，维持短时间内的供气。气动系统在最大耗气量下工作时，可按下列公式确定储气罐的容积厂y(0max-。6)4)一-P 60(3.4.9)34硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计式中：尸为系统工作压力，P=06MPj&为气动系统的平均耗气量，2=57.84x 10-3/min；片为大气绝对压力，P=0AMP/为气动系 统在最大耗气量下的工作时间，取，=3%为气动系统的最大耗气量,有=2 x 0.0462D2Wraax(P+0.102)=622.8上/min(3410)其中：。为高度气缸缸径，。=40M冽；为气缸的最大速度，取“max=600川m/s；尸为系统工作压力，P=0,6MPa O故储气罐的容积P为y (Qmax)片=4 7Z P 60 根据以上计算，我们选用S MC公司的容积为5的储气罐VBAT05,其最高 使用压力为2.0乂巴。35硕士学位论文撞击感度仪自动监控系统设计4.监控系统设计4.1 系统的组成及功能本监控系统的组成如图4.1.1所示，其主要包括工业控制计算机、PLC、触 摸屏、数采卡、气敏传感器、位置检测传感器和各控制及执行元件。各部分在本 监控系统中的功能介绍如下：图4.1.1监控系统的组成框图1.工控机作为整个系统的监控、调度中心，通过PLC间接地