專利名稱：沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量圓柱螺旋彈簧參數(shù)的裝置，具體指一種沖擊載荷下圓柱螺旋 彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，特別適合多股簧在高速?zèng)_擊下任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè) 量。
背景技術(shù)：
圓柱螺旋彈簧作為彈簧最主要的一種結(jié)構(gòu)形式，在工業(yè)產(chǎn)品和日常生活中有著相 當(dāng)廣泛的應(yīng)用。圓柱螺旋彈簧又有多股簧和單股簧之分。多股簧是由鋼索(通常由3 14 股0. 4 3mm的碳素彈簧鋼絲纏繞而成)卷制而成。與單股彈簧相比，多股螺旋彈簧具有更 好的強(qiáng)度及獨(dú)特的吸振、減振效果，因而它是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)武器等產(chǎn)品的關(guān)鍵零件。另 外，多股螺旋彈簧還可廣泛應(yīng)用于振動(dòng)設(shè)備(如振動(dòng)篩、振動(dòng)粉碎設(shè)備等)、高精度臺(tái)面和要 求很平穩(wěn)的運(yùn)輸車輛等，以取代傳統(tǒng)的單股金屬?gòu)椈珊拖鹉z彈簧。因?yàn)槎喙陕菪龔椈傻母鞴射摻z在工作過(guò)程中相互摩擦，產(chǎn)生了較大的非線性阻 尼，具有吸收沖擊動(dòng)能的能力，因此其顯著的優(yōu)點(diǎn)是抗沖擊性能更好，更易于從振動(dòng)狀態(tài)恢 復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；而且在外載荷作用下各股鋼絲所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力小，因而多股螺旋彈簧與 同截面材料的普通單股螺旋彈簧相比，具有更高的強(qiáng)度，在動(dòng)載荷作用下壽命更長(zhǎng)。為了更好地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，有必要研究圓柱螺旋彈簧的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以測(cè) 得彈簧各運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系。由于多股簧設(shè)計(jì)制造比單股簧更為復(fù)雜，其質(zhì)量穩(wěn)定性更 難保證。而設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造質(zhì)量將直接影響設(shè)備的使用性能，因此對(duì)多股簧而言，更迫切希 望能夠?qū)ζ湫阅軈?shù)進(jìn)行快速、有效的檢測(cè)，以利于彈簧設(shè)計(jì)和提高制造質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)圓柱螺旋彈簧的試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備主要有兩種彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)、彈簧 疲勞試驗(yàn)機(jī)。彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)為靜態(tài)測(cè)量，在彈簧變形時(shí)，對(duì)彈簧的壓縮(拉伸)量和變形載荷 進(jìn)行測(cè)量。此類設(shè)備只能測(cè)量彈簧的總長(zhǎng)度變化量和彈簧所受外力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不能測(cè)量 到彈簧軸向長(zhǎng)度上中間任意質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)。在低速載荷下，彈簧上任意質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，沿彈簧軸向呈線性分布，受力端位 移、速度最大，固定端位移、速度為零，因此，可以檢測(cè)并直接推算出彈簧內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力、 應(yīng)變，且精度還很高。但是，當(dāng)多股螺旋彈簧的一端受到高速?zèng)_擊載荷時(shí)，因?yàn)閺椈勺陨碛匈|(zhì)量、有慣 性，其內(nèi)部的變形情況非常復(fù)雜，彈簧上各質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)速度沿軸向不再是線性分布，而是以 縱波的形式向固定端傳遞，并會(huì)在固定端反射。此時(shí)，如果仍用現(xiàn)有的彈簧拉壓試驗(yàn)設(shè)備進(jìn) 行檢測(cè)，其誤差會(huì)相當(dāng)大，檢測(cè)結(jié)果將完全不能滿足要求。彈簧疲勞試驗(yàn)機(jī)主要是對(duì)各種螺旋彈簧進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)。通過(guò)模擬彈簧的實(shí)際 工況，將彈簧壓縮(拉伸)到實(shí)際安裝尺寸，按照彈簧的工作行程進(jìn)行周期性的高頻拉壓至 彈簧失效或斷裂，但此法無(wú)法獲得彈簧內(nèi)部的力學(xué)特性及其變化過(guò)程，不能對(duì)彈簧的深入研究提供過(guò)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由此可知，目前的彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)和彈簧疲勞試驗(yàn)機(jī)都只能宏觀地測(cè)出彈簧的整 體力學(xué)參數(shù)，不能具體地檢測(cè)出彈簧鋼絲上任意質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和應(yīng)力變化情況。因而無(wú) 法知道彈簧鋼絲的實(shí)際受力情況，尤其在高速狀態(tài)。雖然一般機(jī)械設(shè)備上使用的彈簧，其變 形速度都屬于低速，且對(duì)其變形-力值關(guān)系要求并不是很精確，只要其靜態(tài)力學(xué)特性滿足 要求就可以了。但是一些要求非常特殊的場(chǎng)合，如快速變形，高速?zèng)_擊工況下，彈簧(包括多 股簧和單股簧)的變形過(guò)程就變得非常復(fù)雜，彈簧軸向各質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力不再相等，且差別非常 大。特別是對(duì)于多股簧，用理論方法準(zhǔn)確地計(jì)算出彈簧的最大應(yīng)力截面非常困難，對(duì)這類彈 簧進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核非常復(fù)雜。而這類彈簧往往用于高技術(shù)含量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)武 器的復(fù)位機(jī)構(gòu)中，對(duì)彈簧的可靠性要求更高。正是因?yàn)楦咚僮冃温菪龔椈傻臋z測(cè)方法和設(shè) 備的缺位，在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的文獻(xiàn)中，沒(méi)有此類彈簧的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理論，在一定程度上阻礙了彈 簧的研究和發(fā)展。由于圓柱螺旋彈簧的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)均無(wú)相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備和方法進(jìn)行檢測(cè)，只能簡(jiǎn)單 地用低速諧波疲勞試驗(yàn)代替高速?zèng)_擊疲勞試驗(yàn)，只能得到疲勞壽命近似結(jié)果，且誤差非常 大。為了得到彈簧精確的疲勞壽命只能進(jìn)行實(shí)彈試驗(yàn)，不但成本高昂，而且周期很長(zhǎng)，效率 極低，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、快速測(cè)量沖 擊載荷下圓柱螺旋彈簧運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，本裝置可得到圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參 數(shù)，包括位移、速度和加速度。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè) 量裝置，它包括安放測(cè)試彈簧并對(duì)彈簧導(dǎo)向的左內(nèi)管和設(shè)置質(zhì)量塊的右內(nèi)管，左內(nèi)管和右 內(nèi)管一端分別安裝在過(guò)渡架左右兩端；左內(nèi)管另一端安裝在左端蓋上，左端蓋通過(guò)套在左 內(nèi)管外的左外管與過(guò)渡架連接；右內(nèi)管另一端安裝在右端蓋上，右端蓋通過(guò)套在右內(nèi)管外 的右外管與過(guò)渡架連接；在右內(nèi)管內(nèi)設(shè)有間隙配合的大質(zhì)量塊，大質(zhì)量塊朝向左內(nèi)管端設(shè) 有小質(zhì)量塊安裝孔，小質(zhì)量塊安裝孔內(nèi)設(shè)有間隙配合的小質(zhì)量塊，右端蓋與沖氣機(jī)構(gòu)連接， 右端蓋上設(shè)有氣流通道以使沖氣機(jī)構(gòu)的氣流能通過(guò)氣流通道作用在大質(zhì)量塊上；過(guò)渡架上 設(shè)有讓小質(zhì)量塊通過(guò)以沖擊左內(nèi)管內(nèi)彈簧的通孔，在通孔壁上設(shè)有對(duì)大質(zhì)量塊限位的限位 臺(tái)階；在左外管外沿左外管軸向等間距設(shè)有一排檢測(cè)彈簧上質(zhì)點(diǎn)是否通過(guò)的傳感器，所有 傳感器的輸出與數(shù)據(jù)分析單元連接。每一個(gè)傳感器由配對(duì)的分別位于左外管軸向兩側(cè)的信號(hào)發(fā)射端和信號(hào)接收端構(gòu) 成，信號(hào)發(fā)射端和信號(hào)接收端安裝在傳感器安裝架上，在左內(nèi)管和左外管上分別設(shè)有讓信 號(hào)通過(guò)的信號(hào)通孔。所有傳感器信號(hào)傳輸方向確定的面與彈簧簧圈所在圓相切，以使傳感器僅檢測(cè)簧 圈最邊緣上的質(zhì)點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析單元分析、處理過(guò)程。在大質(zhì)量塊上設(shè)有兩對(duì)稱的卸荷孔，卸荷孔與小質(zhì)量塊安裝孔相通。卸荷孔的目 的是使小質(zhì)量塊兩端氣壓盡量平衡，進(jìn)一步減少小質(zhì)量塊從大質(zhì)量塊中沖出時(shí)速度的損耗，從而提高小質(zhì)量塊沖擊多股簧的速度。此外開(kāi)卸荷孔減少了大質(zhì)量塊的質(zhì)量，相應(yīng)就提 高了大質(zhì)量塊的速度，同時(shí)提高了小質(zhì)量塊沖擊多股簧的速度。在左端蓋上設(shè)有螺紋孔，螺紋孔上旋接有用于安裝測(cè)試彈簧的調(diào)節(jié)螺桿，測(cè)試彈 簧的固定端在測(cè)試時(shí)安裝或抵在調(diào)節(jié)螺桿上，而通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿可以調(diào)節(jié)彈簧在軸向上的位 置狀態(tài)。在調(diào)節(jié)螺桿上設(shè)有軸向通孔，從外面用棍子或類似物往軸向通孔里捅，可以使大質(zhì) 量塊和小質(zhì)量塊復(fù)位。軸向通孔還具有卸荷氣體的作用。所述右外管、左外管和過(guò)渡架安裝在基座上。所有傳感器的輸出依次通過(guò)24路光隔離D/I板和24位數(shù)字量I/O卡與數(shù)據(jù)分析 單元連接，數(shù)據(jù)分析單元分別與顯示器、打印機(jī)和鍵盤連接。數(shù)據(jù)分析單元在接收到傳感器 傳輸信號(hào)的同時(shí)，將該信號(hào)采集的時(shí)間通過(guò)時(shí)鐘也同時(shí)確定。本裝置能夠根據(jù)傳感器輸出信號(hào)確定任意質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻的位移、速度和加速 度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧的性能參數(shù)進(jìn)行快速、有效的檢測(cè)，有利于對(duì)彈簧設(shè)計(jì)改良和提高制造 質(zhì)量。本裝置適合所有的圓柱螺旋彈簧(包括多股簧和單股簧)，特別是目前檢測(cè)非常困難 的高速?zèng)_擊下的多股簧，這對(duì)于多股簧的研究非常有幫助。本裝置測(cè)量快速、準(zhǔn)確，周期短， 設(shè)備成本較低，容易實(shí)現(xiàn)。本裝置可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓和質(zhì)量塊質(zhì)量的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的沖擊速度，模擬圓柱 螺旋彈簧在實(shí)際應(yīng)用中不同的沖擊工況，使用靈活，適用范圍廣。


圖1-本發(fā)明測(cè)量裝置機(jī)械部分結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-本發(fā)明測(cè)量裝置總體框架圖。
圖3-大質(zhì)量塊嵌套小質(zhì)量塊復(fù)合結(jié)構(gòu)圖。
圖4-過(guò)渡架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5-傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6-本發(fā)明數(shù)據(jù)處理示意圖。
圖7-本發(fā)明測(cè)量裝置電路部分結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8-彈簧上某些質(zhì)點(diǎn)的位移_時(shí)間曲線圖。
圖9-質(zhì)點(diǎn)5的的位置、速度和加速度曲線圖。
圖10-不同時(shí)刻各簧圈所處的位置曲線圖。
圖11-不同時(shí)刻各簧圈所處的位置狀態(tài)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1 (圖1僅反映本裝置機(jī)械部分)，本發(fā)明沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì) 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，它包括安放測(cè)試彈簧5并對(duì)彈簧壓縮過(guò)程導(dǎo)向的左內(nèi)管4和設(shè)置質(zhì) 量塊的右內(nèi)管8，左內(nèi)管4右端和右內(nèi)管8左端分別安裝在過(guò)渡架6的左端和右端。左內(nèi)管 4左端安裝在左端蓋2上，左端蓋2通過(guò)套在左內(nèi)管外的左外管3與過(guò)渡架6連接，左外管3分別通過(guò)螺栓與左端蓋2和過(guò)渡架6固定。右內(nèi)管8右端安裝在右端蓋11上，右端蓋11 通過(guò)套在右內(nèi)管外的右外管7與過(guò)渡架6連接，右外管7分別通過(guò)螺栓與右端蓋11和過(guò)渡 架6固定。所述右外管7、左外管3和過(guò)渡架6安裝在基座12上。在右內(nèi)管8內(nèi)設(shè)有間隙配合的大質(zhì)量塊10，大質(zhì)量塊10朝向左內(nèi)管端設(shè)有小質(zhì)量 塊安裝孔，小質(zhì)量塊安裝孔內(nèi)設(shè)有間隙配合的小質(zhì)量塊9。過(guò)渡架6上設(shè)有讓小質(zhì)量塊通過(guò) 以沖擊左內(nèi)管內(nèi)彈簧的通孔13，在通孔13壁上設(shè)有對(duì)大質(zhì)量塊限位的限位臺(tái)階14。右端 蓋與沖氣機(jī)構(gòu)連接，右端蓋上設(shè)有氣流通道以使沖氣機(jī)構(gòu)的氣流能通過(guò)氣流通道作用在大 質(zhì)量塊上。在左外管外沿左外管軸向等間距設(shè)有一排檢測(cè)彈簧受沖擊后彈簧上質(zhì)點(diǎn)是否通 過(guò)的傳感器，所有傳感器的輸出與數(shù)據(jù)分析單元連接。大質(zhì)量塊10受沖擊往右內(nèi)管8左端運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)帶動(dòng)小質(zhì)量塊9運(yùn)動(dòng)，在大質(zhì)量 塊10受限位臺(tái)階14阻擋停下后，小質(zhì)量塊9在慣性沖擊下，繼續(xù)前進(jìn)，并通過(guò)過(guò)渡架上的 通孔13后作用在彈簧5自由端，使彈簧壓縮。在壓縮過(guò)程中，傳感器檢測(cè)彈簧上質(zhì)點(diǎn)通過(guò) 情況，并將結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)分析單元，由數(shù)據(jù)分析單元進(jìn)行分析運(yùn)算，從而得到彈簧任意質(zhì) 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如位移與時(shí)間的關(guān)系，速度和加速度與時(shí)間的關(guān)系等。在左端蓋2上設(shè)有螺紋孔，螺紋孔上旋接有用于安裝測(cè)試彈簧的調(diào)節(jié)螺桿1，測(cè)試 彈簧5的固定端在測(cè)試時(shí)安裝或抵在調(diào)節(jié)螺桿1上，而通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿可以調(diào)節(jié)彈簧在軸向 上的初始位置。在調(diào)節(jié)螺桿1上設(shè)有軸向通孔15，從外面用棍子或類似物往軸向通孔里捅， 可以使大質(zhì)量塊和小質(zhì)量塊復(fù)位。軸向通孔還具有卸荷氣體的作用。相比落錘沖擊，由于水平?jīng)_擊不但可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓力而調(diào)節(jié)速度，而且具有安全 可靠的優(yōu)點(diǎn)，最重要的是水平?jīng)_擊沖錘的沖擊速度能達(dá)到30 m/s，遠(yuǎn)大于一般落錘的沖擊 速度，故本發(fā)明選用水平?jīng)_擊。圖2是本發(fā)明總體框架圖，其中標(biāo)記A為空氣壓縮機(jī)，B為氣動(dòng)三聯(lián)件，C為儲(chǔ)氣 罐，D為電磁閥，E為裝置機(jī)械部分，即相當(dāng)于圖1所示結(jié)構(gòu)，F(xiàn)為本裝置電子部分。空氣壓 縮機(jī)、氣動(dòng)三聯(lián)件、儲(chǔ)氣罐和電磁閥即構(gòu)成現(xiàn)有的沖氣機(jī)構(gòu)，為質(zhì)量塊提供沖擊力。氣動(dòng)三 聯(lián)件過(guò)濾空氣，保證壓縮空氣的質(zhì)量，為儲(chǔ)氣罐提供不同壓強(qiáng)的壓縮氣體。為實(shí)現(xiàn)多股簧的 單次撞擊，選擇電磁閥為氣體控制開(kāi)關(guān)。工作流程為空氣壓縮機(jī)A產(chǎn)生壓縮氣體，氣體經(jīng) 由氣動(dòng)三聯(lián)件B進(jìn)入儲(chǔ)氣罐C，通過(guò)壓力表可知此時(shí)的壓強(qiáng)，電磁閥D為控制氣體的開(kāi)關(guān)，當(dāng) 電磁閥D通電后，氣體迅速?zèng)_擊大質(zhì)量塊，最后由小質(zhì)量塊沖擊測(cè)試彈簧，最后通過(guò)傳感器 和數(shù)據(jù)分析單元等分析計(jì)算出彈簧在受沖擊載荷下任意質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而可以分析出 不同沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧(包括多股簧和單股簧)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，由于右端氣體多少的不確定性，會(huì)造成質(zhì)量塊開(kāi)始沖擊彈簧時(shí) 速度的不確定性，從而影響沖擊測(cè)試的分析結(jié)果。為了得到質(zhì)量塊開(kāi)始沖擊彈簧時(shí)一個(gè)純 粹的速度，本裝置采用大質(zhì)量塊嵌套小質(zhì)量塊的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其中大小質(zhì)量塊之 間保證間隙配合，以便小質(zhì)量塊能夠從大質(zhì)量塊左端孔中順利沖出。在大質(zhì)量塊10上設(shè)有 若干卸荷孔16，卸荷孔與小質(zhì)量塊安裝孔相通。如果大質(zhì)量塊為圓柱形，那么卸荷孔在圓 周上等角度分布；如果大質(zhì)量塊為矩形，那么卸荷孔對(duì)稱布置，以保證運(yùn)行平穩(wěn)。實(shí)施例中 大質(zhì)量塊為圓柱形，卸荷孔為兩個(gè)，對(duì)稱分布。卸荷孔的目的是使小質(zhì)量塊兩端氣壓盡量平 衡，進(jìn)一步減少小質(zhì)量塊從大質(zhì)量塊中沖出時(shí)速度的損耗，從而提高小質(zhì)量塊沖擊多股簧 的速度。此外開(kāi)卸荷孔減少了大質(zhì)量塊的質(zhì)量，相應(yīng)就提高了大質(zhì)量塊的速度，同時(shí)提高了小質(zhì)量塊沖擊多股簧的速度。為了使大質(zhì)量塊能夠更有效地接受氣流沖擊，在大質(zhì)量塊10 右端設(shè)有凹坑17。本裝置中過(guò)渡架的作用是支撐各個(gè)管道并連接左內(nèi)管、右內(nèi)管和左外管、右外管， 同時(shí)用于控制大質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)，從而保證小質(zhì)量塊在慣性的作用下能順利沖出，在通孔壁 上設(shè)限位臺(tái)階的目的即在于此。實(shí)際加工時(shí)，為了減輕大質(zhì)量塊的質(zhì)量以提高其速度，大質(zhì) 量塊自身也設(shè)有臺(tái)階，同時(shí)考慮到原限位臺(tái)階較薄，在基于大質(zhì)量塊有臺(tái)階的前提下，本裝 置在過(guò)渡架6右端孔中除了上述限位臺(tái)階14外，還在限位臺(tái)階14上設(shè)有急停臺(tái)階18 (如 圖4所示)，由急停臺(tái)階與大質(zhì)量塊上的臺(tái)階對(duì)應(yīng)，使大質(zhì)量塊急停，小質(zhì)量塊沖出。此時(shí)限 位臺(tái)階與大質(zhì)量塊左端面尚存在間隙，限位臺(tái)階對(duì)大質(zhì)量塊的限位急停由急停臺(tái)階代替。 在大質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，右內(nèi)管和過(guò)渡架結(jié)合間隙處的不光滑過(guò)渡可能會(huì)阻礙大質(zhì)量塊的 運(yùn)動(dòng)，所以在該過(guò)渡架急停臺(tái)階處設(shè)計(jì)一導(dǎo)向坡口 23，以便減少大質(zhì)量塊與過(guò)渡架中該臺(tái) 階的沖擊，見(jiàn)圖4。為了實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)的可靠檢測(cè)，本裝置通過(guò)多路通道非接觸檢測(cè)方法， 由一排傳感器采集到的各個(gè)簧圈軸向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中間隔阻斷傳感器光路的信號(hào)后按規(guī)律合 成，來(lái)推導(dǎo)螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻位移、速度、加速度規(guī)律。因此本發(fā)明每一個(gè)傳感 器由配對(duì)的分別位于左外管軸向兩側(cè)的信號(hào)發(fā)射端19和信號(hào)接收端20構(gòu)成，信號(hào)發(fā)射端 19和信號(hào)接收端20安裝在傳感器安裝架21上，在左內(nèi)管4和左外管3上分別設(shè)有讓信號(hào) 通過(guò)的信號(hào)通孔22，如圖5所示。當(dāng)信號(hào)接收端沒(méi)有接收到信號(hào)發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)(光路) 時(shí)，表明有檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)該傳感器，此時(shí)傳感器輸出信號(hào)為“ 1”，否則為“0”，本發(fā)明主要研 究“1”出現(xiàn)的情況。為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，本裝置主要用于測(cè)試圓柱螺旋彈簧的壓縮過(guò)程。本裝置通過(guò)一排傳感器采集信號(hào)，因此信號(hào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與傳感器的要求緊密相 關(guān)，包括對(duì)傳感器的個(gè)數(shù)要求、采樣頻率要求和安裝要求等。傳感器的個(gè)數(shù)與被測(cè)彈簧的長(zhǎng)度和結(jié)果要求精度有關(guān)，在檢測(cè)彈簧長(zhǎng)度一定的情 況下，要求精度越高，需要布置的傳感器就越多。見(jiàn)圖6，彈簧螺距為P，檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)數(shù)為M，從右到左分別記為質(zhì)點(diǎn)1、2……M，則自 由狀態(tài)下彈簧長(zhǎng)度為L(zhǎng)=P(M-1);傳感器安裝間距為D，傳感器數(shù)量為N，第1個(gè)傳感器與彈簧 右端距離為S;因此1):￡￡;
則,此時(shí)得到的N可能為小數(shù)，對(duì)其取整得到傳感器數(shù)量為
DD
傳感器的采樣頻率要求與彈簧壓縮速度有關(guān)，對(duì)被高速壓縮的彈簧簧圈上的任意質(zhì)點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)規(guī)律的檢測(cè)，因?yàn)閺椈沙叽巛^小，相鄰螺距也小，螺距變化極快，所以對(duì)傳感器采樣頻 率的要求比較高，需要傳感器采樣頻率大于各個(gè)簧圈通過(guò)傳感器的頻率。高的采樣頻率能 保證彈簧在軸向運(yùn)動(dòng)中有足夠多的采樣點(diǎn)數(shù)，確保動(dòng)態(tài)參數(shù)變化曲線的真實(shí)性。為了便于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，所有傳感器信號(hào)傳輸方向確定的面與彈簧簧圈所 在圓相切，如圖5，即傳感器只檢測(cè)圖示螺旋彈簧每一個(gè)簧圈上邊緣(或者下邊緣)的質(zhì)點(diǎn)， 該質(zhì)點(diǎn)稱之為檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)。實(shí)際操作時(shí)是使傳感器信號(hào)傳輸方向確定的面與彈簧簧圈中徑所 在圓相切(中徑為簧圈內(nèi)徑與外徑的平均值)。如果檢測(cè)其它位置質(zhì)點(diǎn)，在壓縮過(guò)程中，可能 存在并圈情形，即多個(gè)檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)緊貼在一起，增加了后續(xù)數(shù)據(jù)分析的難度。而檢測(cè)相切處質(zhì)點(diǎn)，即使在沖擊力很大的情況下，兩檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)之間還是會(huì)存在比較小的間隙，容易把兩檢測(cè) 質(zhì)點(diǎn)區(qū)別開(kāi)。所有傳感器的輸出依次通過(guò)PCLD-782B/24路光隔離D/I板和PCL-724/24位數(shù)字 量I/O卡與IPC數(shù)據(jù)分析單元連接，數(shù)據(jù)分析單元分別與顯示器、打印機(jī)和鍵盤連接，見(jiàn)圖 7。當(dāng)彈簧的一端受到高速?zèng)_擊載荷時(shí)，各個(gè)簧圈沿軸向運(yùn)動(dòng)，簧圈就會(huì)間斷地阻隔 傳感器通光路。這樣，傳感器就會(huì)檢測(cè)到相應(yīng)簧圈信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)PCLD-782B/24路光電隔 離D/I板卡的處理后由PCL-724/24位數(shù)字量I/O板卡采集。同時(shí)需要采集的參數(shù)是各個(gè) 信號(hào)被采集的時(shí)間，這就要求我們采用硬件計(jì)時(shí)或軟件計(jì)時(shí)的方法記錄各個(gè)信號(hào)被采集的 時(shí)間。由于成本問(wèn)題，本裝置采用DOS環(huán)境下基于PCL-724數(shù)據(jù)采集卡中斷功能的軟件計(jì) 時(shí)法。最后由數(shù)據(jù)分析單元通過(guò)相應(yīng)算法將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為彈簧任意簧圈的位移與時(shí) 間關(guān)系曲線，對(duì)每個(gè)簧圈位移隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線擬合，即可得到各個(gè)簧圈位移與時(shí)間 關(guān)系方程，對(duì)位移與時(shí)間關(guān)系方程分別進(jìn)行一次求導(dǎo)和二次求導(dǎo)，即可得到相應(yīng)簧圈速度 隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線和加速度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。PCLD-782B的特點(diǎn)為:￡,帶有電壓比較器的輸入緩沖；帶顯示輸入邏輯狀態(tài)的
LED指示燈板上帶螺絲端子，便于接線；.f: 16或24路光隔離數(shù)字量輸入；f::與所有帶 有D/1通道的PC-LabCards兼容。PCL-724的特點(diǎn)為1:: 24路TTL數(shù)字量I/O接口；②仿真8255 PPI模式0 可編程中斷處理；50管腳定義與Opto-221/O模塊完全兼容。如何根據(jù)傳感器檢測(cè)到的簧圈信號(hào)來(lái)確定任意簧圈的位移與時(shí)間關(guān)系曲線呢？ 因?yàn)閭鞲衅髦荒軝z測(cè)每一個(gè)簧圈最邊緣的質(zhì)點(diǎn)，本發(fā)明在處理的時(shí)候，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，就認(rèn) 為該簧圈其他質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與該簧圈最邊緣質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)完全相同，實(shí)踐表明，這對(duì)結(jié)果影響
非常小。為了獲得任意質(zhì)點(diǎn)的時(shí)間和位移關(guān)系曲線，需要得到任意質(zhì)點(diǎn)通過(guò)該質(zhì)點(diǎn)能通過(guò) 的所有傳感器的位移(位置)和對(duì)應(yīng)的時(shí)間。對(duì)此本發(fā)明采用了如下的處理手段
傳感器的定義。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到傳感器處會(huì)阻斷傳感器的光路傳輸，致使另一邊的傳感器 接收不到光，此時(shí)輸出信號(hào)為“1”；反之，傳感器光路連通時(shí)輸出信號(hào)為“0”；即信號(hào)接收端 沒(méi)有接收到信號(hào)發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)時(shí)，表明傳感器探測(cè)到有檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)，此時(shí)傳感器輸 出為“1”，否則為“0”，本發(fā)明主要研究“1”出現(xiàn)的情況。為了提高檢測(cè)精度，在每?jī)蓚€(gè)簧圈 之間至少布設(shè)有一個(gè)傳感器。因此傳感器采樣頻率很高，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)時(shí)很可能會(huì)被同一 個(gè)傳感器多次采樣到，如果兩個(gè)“0”輸出之間有多個(gè)“1”輸出，則該多個(gè)“1”輸出視為一個(gè) 檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)并在處理時(shí)視為只有一個(gè)“1”輸出，以所述多個(gè)“1”輸出中任意一個(gè)“1”輸 出時(shí)間作為該檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)該傳感器的時(shí)間并記錄該檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移。實(shí)施例以第一 個(gè)“ 1”的輸出時(shí)間為該檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)該傳感器的時(shí)間。由于只有傳感器有輸出，而如何判斷傳感器輸出“1”是哪個(gè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)，即每一個(gè)檢
8測(cè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)該檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)能通過(guò)的所有傳感器的時(shí)間如何確定，本發(fā)明是這樣處理的設(shè)傳 感器的個(gè)數(shù)為N，從彈簧自由端往固定端依次標(biāo)記為1、2、…X、…N-1、N;在自由狀態(tài)下， 彈簧自由端到第X個(gè)傳感器之間有Y個(gè)檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)，假如第X個(gè)傳感器正好能檢測(cè)到彈簧自 由狀態(tài)下的某檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)，那么該檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)也屬于Y個(gè)檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)之列，從彈簧自由端往固定 端將所述Y個(gè)檢測(cè)質(zhì)點(diǎn)依次標(biāo)記為1、2、…、Y-1、Y;
由圖 6 可知
權(quán)利要求
1.沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于它包括安放測(cè) 試彈簧并對(duì)彈簧導(dǎo)向的左內(nèi)管(4)和設(shè)置質(zhì)量塊的右內(nèi)管(8)，左內(nèi)管(4)和右內(nèi)管(8) — 端分別安裝在過(guò)渡架(6)左右兩端；左內(nèi)管(4)另一端安裝在左端蓋(2)上，左端蓋(2)通 過(guò)套在左內(nèi)管外的左外管(3 )與過(guò)渡架(6 )連接；右內(nèi)管(8 )另一端安裝在右端蓋(11)上， 右端蓋(11)通過(guò)套在右內(nèi)管外的右外管(7)與過(guò)渡架(6)連接；在右內(nèi)管(8)內(nèi)設(shè)有間隙 配合的大質(zhì)量塊(10)，大質(zhì)量塊(10)朝向左內(nèi)管端設(shè)有小質(zhì)量塊安裝孔，小質(zhì)量塊安裝孔 內(nèi)設(shè)有間隙配合的小質(zhì)量塊(9)，右端蓋與沖氣機(jī)構(gòu)連接，右端蓋上設(shè)有氣流通道以使沖氣 機(jī)構(gòu)的氣流能通過(guò)氣流通道作用在大質(zhì)量塊上；過(guò)渡架上設(shè)有讓小質(zhì)量塊通過(guò)以沖擊左內(nèi) 管內(nèi)彈簧的通孔，在通孔壁上設(shè)有對(duì)大質(zhì)量塊限位的限位臺(tái)階(14);在左外管外沿左外管 軸向等間距設(shè)有一排檢測(cè)彈簧上質(zhì)點(diǎn)是否通過(guò)的傳感器，所有傳感器的輸出與數(shù)據(jù)分析單 元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，其特 征在于所述每一個(gè)傳感器由配對(duì)的分別位于左外管軸向兩側(cè)的信號(hào)發(fā)射端(19)和信號(hào) 接收端(20)構(gòu)成，信號(hào)發(fā)射端(19)和信號(hào)接收端(20)安裝在傳感器安裝架(21)上，在左 內(nèi)管(4)和左外管(3)上分別設(shè)有讓信號(hào)通過(guò)的信號(hào)通孔(22)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，其特 征在于所有傳感器信號(hào)傳輸方向確定的面與彈簧簧圈所在圓相切。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝 置，其特征在于在大質(zhì)量塊(10)上設(shè)有兩對(duì)稱的卸荷孔(16)，卸荷孔與小質(zhì)量塊安裝孔 相通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，其特 征在于在左端蓋上設(shè)有螺紋孔，螺紋孔上旋接有用于安裝測(cè)試彈簧的調(diào)節(jié)螺桿(1)，在調(diào) 節(jié)螺桿(1)上設(shè)有軸向通孔(15 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，其特 征在于所述右外管(7)、左外管(3)和過(guò)渡架(6)安裝在基座(12)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，其特 征在于所有傳感器的輸出依次通過(guò)24路光隔離D/I板和24位數(shù)字量I/O卡與數(shù)據(jù)分析 單元連接，數(shù)據(jù)分析單元分別與顯示器、打印機(jī)和鍵盤連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及沖擊載荷下圓柱螺旋彈簧任意質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量裝置，它包括安裝在過(guò)渡架兩端的左、右內(nèi)管，左、右內(nèi)管另一端分別安裝在左、右端蓋上。在右內(nèi)管內(nèi)設(shè)有大質(zhì)量塊，大質(zhì)量塊內(nèi)設(shè)有間隙配合的小質(zhì)量塊。過(guò)渡架上設(shè)有讓小質(zhì)量塊通過(guò)的通孔，通孔壁上設(shè)有對(duì)大質(zhì)量塊限位的臺(tái)階。在左外管外設(shè)有檢測(cè)彈簧上質(zhì)點(diǎn)通過(guò)的傳感器，傳感器與數(shù)據(jù)分析單元連接。本裝置能夠確定任意質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻的位移、速度和加速度，從而實(shí)現(xiàn)彈簧性能參數(shù)快速、有效的檢測(cè)，有利于對(duì)彈簧設(shè)計(jì)改良和提高制造質(zhì)量。本裝置測(cè)量快速、準(zhǔn)確，周期短，設(shè)備成本較低，容易實(shí)現(xiàn)。本裝置可以模擬圓柱螺旋彈簧在實(shí)際應(yīng)用中不同的沖擊工況，使用靈活，適用范圍廣。
文檔編號(hào)G01M7/08GK102109411SQ20111002852
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者周杰, 康玲, 張明明, 李小勇, 王時(shí)龍, 田波, 雷松 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)