CN101315262B - 一种运动目标发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种运动目标发生装置，由弹性势能存储单元、能量储备与释放执行机构、装置支撑台、缓冲装置与防护装置组成：弹性势能存储单元为一压缩弹簧；能量储备与释放执行机构中，电磁控制电路与电磁铁相连；压缩弹簧、电磁铁、运动目标、直线轴承，从左向右穿入光轴；电磁铁与电磁安装架安装成一体，安装在直线导轨的滑块上；运动目标在直线轴承左侧；光轴两端分别固定于左、右支座；定滑轮安装于左支座；两平行于光轴的缆绳一端与电磁安装架相连，一端绕在卷筒上；步进电机与减速器相连，减速器通过联轴器与卷筒相连；装置支撑台的左支座、右支座、双直线导轨、组合支座安装在工作台平面上；缓冲装置安装在右支座上；防护装置与工作台安装结合。

Description

一种运动目标发生装置

(一)技术领域：

本发明涉及一种运动目标发生装置，其基于弹性势能存储，电磁机构释放可实时再现动态线运动过程，运动目标可复用，并可产生一定范围动态线运动信号。属于运动目标发生装置。

(二)背景技术：

在很多应用领域，都需要实时跟踪运动目标体，研究运动目标在运动过程中参数的变化情况。例如，在导弹的发射过程中，内弹道出筒(导弹发射筒/箱)速度是判定发射系统性能是否正常、发射过程成功与否的重要参数。目前的测试系统多种多样，导弹发射过程中运动参数变化范围有限，仅在加速度为0～50g，速度为0～40m/s，位移为0～50mm的中等要求范围内变化。因此，如何在实验室环境下，在较小的空间内，研制一种可以模拟导弹运动参数变化过程，并可获取相应的线运动信号，进而评价导弹发射参数测试系统的性能的实验装置，在航空、航天及相关领域具有十分重要的作用。

目前，可以产生线运动信号的运动目标发生装置比较少，现列举三种常见的装置进行说明。

双离心机装置是用电机控制离心机，使其在规定时间内达到一定的转速，然后在一定的时间内停止，从而产生一个标准的“角运动动态信号”的装置。

空气炮是一种可以产生高速的线运动信号装置，它是利用压缩空气使在炮筒内的弹丸瞬间产生高速运动。如图1为空气炮结构简图。其结构主要由发射管，高压气室，释放机构和靶室组成。实验初始，空气压缩机在气室1中充气至既定气压，释放快开阀2，气压直接作用于弹丸3，使弹丸3加速，在发射管4内撞击靶室5内的测量装置6。此装置产生的是窄脉宽、高g值的加速度信号。而且体积庞大，结构复杂，运动目标在实验完毕后被销毁，实验费用高，危险，不易控制，不适合于实验室内、较小空间内操作。

清华大学发明了一种高速加速装置(专利号：200610114601.0)，如图2所示，采用惯性轮14作为试验加速的动力，在绳索16的牵引下，使沿导轨17滑动的试件产生高速度。此装置主要是在电机的作用下实现加速过程，因此产生的加速度信号小，加速过程漫长；另外，它是在加速度恒定的前提下产生变化的速度信号，不能同时产生线位移，线加速度，线速度三种动态变化的线运动信号。

综上所述，目前的运动目标发生装置中所产生的运动信号大都存在动态精度低，脉宽窄，非线性且不连续等缺点，而且运动目标运动时间太长，不用重复使用，使得实验费用高，安全系数低，不易控制。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种运动目标发生装置，以解决现有技术中的缺陷，为一种采用弹簧存储弹性势能，电磁锁定机构锁定和释放能量相结合的方法，可再现动态线运动过程，运动目标可复用的，产生范围可调、具有一定脉冲宽度与动态精度的，连续的，动态变化的线运动信号的运动目标发生装置。

本发明为一种运动目标发生装置，具体由弹性势能存储单元、能量储备与释放执行机构、装置支撑台、缓冲装置与防护装置五个部分组成。

所述的弹性势能存储单元，为一压缩弹簧，用来储备能量。

所述的能量储备与释放执行机构用来锁定或释放由弹性势能存储单元所存储的弹性势能。它由步进电机、减速器、联轴器、卷筒、定滑轮、缆绳、光轴、直线导轨、电磁控制单元、电磁铁、电磁铁安装架、运动目标、直线轴承组成，电磁铁、电磁铁安装架与运动目标合称为电磁锁定机构。电磁控制电路与电磁铁相连，通过控制电流通断来控制电磁铁与运动目标吸合与释放状态。压缩弹簧，电磁铁，运动目标、直线轴承，从左向右依次穿入光轴。其中电磁铁与电磁安装架通过螺钉安装成一体，安装在两个直线导轨的滑块上。运动目标在直线轴承左侧安装，可保护直线轴承。电磁铁平面与运动目标平面可完全水平吸合。光轴两端分别固定于左、右支座。定滑轮安装于左支座；两平行于光轴的缆绳一端与电磁安装架相连，一端通过定滑轮的滑道绕在卷筒上。步进电机与减速器相连，减速器又通过联轴器与卷筒相连。

所述的装置支撑台用来支撑各组件。它包括左支座，右支座，组合支座以及工作台。左支座、右支座、两个直线导轨、组合支座安装固定在工作台平面上。

所述的缓冲装置，安装在右支座上，用来缓解运动目标对工作台的冲击，可降低运动目标的运动次数，同时可保护直线轴承。

所述的防护装置与工作台安装结合，用于隔离实验装置，实现实验过程中的安全保护。

其中，所述的电磁铁设置为圆形吸盘式，中间留孔，以便穿入弹簧。

其中，运动目标为纯铁材料制成，内置消磁电路。

其中，运动目标上设有安装孔，可安装加速度传感器，使其实时感受动态运动信号，也可以安装高速摄影系统的被测运动目标。

其中，所述的防护装置为一个透明的防护罩，采用双开活页式结构。

其中，本装置可添加辅助模块，作为其它具有特殊要求的传感器或装置的信号发生装置。即在运动目标的一侧安装一体积适合的撞击块，在右支座的上方安装位移传感器，当运动目标运动时，撞击块在与位移传感器接触到位移传感器收缩的过程中，为位移传感器提供了位移信号。

本发明装置的动态运动过程可分为以下几个阶段：

初使阶段：压缩弹簧处于自由状态，拨动电磁块，使其在直线导轨上缓慢移动，直到与运动目标接触后停止，电磁控制单元发出通电控制信号，给电磁块通以电流，此时，电磁铁与运动目标之间产生的电磁力，使两者完全吸合，成为一体。

储能阶段：电机控制单元向电机发生控制信号，步进电机启动，带动卷筒转动，缆绳拉动电磁锁定机构沿直线导轨向左支座方向运动，在给定位置处停止。在此过程中，弹簧被压缩，弹性势能被存储。因此可以通过设置弹簧压缩的长度控制储存能量的大小，进而控制弹簧释放时的冲击力的大小，控制线运动信号的范围，从而实现对运动目标最大速度、加速度的控制。

能量释放阶段：电磁控制单元发出断电控制信号，电磁铁与运动目标间的电流瞬间消失，此时，运动目标在弹簧力的作用下，迅速弹开，此时，弹簧力产生的定向冲击力推动运动目标沿光轴作直线运动，产生动态变化的线运动信号。

剩余能量回收阶段：当运动目标运动到与缓冲装置相接触时，缓冲装置吸收剩余能量，减少运动目标体往复运动的次数，直至其停止运动，回到平衡位置。

信号发生原理：

以弹簧自然状态作为坐标原点，运动目标的加速度与质量、弹力，阻力满足以下关系

F-f＝ma

可见，运动目标的线加速度与弹簧力成正比，与本身的质量成反比，即弹簧力越大，质量越小，其获得的线加速度最大。其中弹簧力可表示为F＝F₀-kx(t)，阻力可表示摩擦阻力与空气阻力的和，存在如下关系

$f=u\·m\·g+\frac{1}{2}\mathrm{C\ρ}{\mathrm{Sv}}^2$

由于线速度是线加速度与线速度分别是线位移一阶求导式和二阶求导式，即满足如下关系：

$v=\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},$ $a\left(t\right)=\frac{d^{2}x\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}$

其中C-空气阻力系数  ρ-空气密度  S-物体迎风面积  v-速度  F₀-弹簧压缩时储存的弹簧力，其值为F₀＝kx₀(0)。

综合以上关系，即可得运动方程

$m\frac{d^{2}x\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+\mathrm{kx}\left(t\right)+u\·m\·g+\frac{1}{2}\mathrm{C\ρS}{\left(\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2=F_0$

本发明一种运动目标发生装置，其优点及功效在于：

●相对于产生相同信号范围的装置来说，体积小，可用于实验室环境操作。

●以弹簧作为储能机构，代替传统方法中的高压气体或电磁能，取材简单，易于实现，安全可靠，无能源污染。

●运动目标可重复使用，节约能源。

●本装置是由定向冲击力推动运动目标运动，只产生定向的线运动信号。无其它力分量，做功效率高。

●本装置产生的线运动信号的范围可调。可以通过弹簧压缩位移设置初使冲击力的大小，从而获得不同信号范围的线速度，线加速度或线位移信号。

●本装置可产生连续的、动态变化的、具有一定带宽的类正弦信号，可作为线运动传感器的输入信号。

●本装置的运动目标上设有安装孔，可安装加速度传感器，使其实时感受动态运动信号，也可以安装高速摄影系统的被测运动目标。

●本装置可添加辅助模块，作为其它具有特殊要求的传感器或装置的信号发生装置。

●本装置具有缓冲装置，避免各部件受较大冲击而影响使用寿命。安全防护装置可以使实验在半封闭罩内进行，避免了安全隐患。

●本装置大部分组件采用标准件，方便替换。

●两个导轨支持电磁块，与光轴成三角形，均衡受力，增加装置的稳定性。

综上所述，本装置具有结构简单，占用空间小，无污染，效率高，通用性与可控性强，安装方便，安全可靠等特点，可以产生一定范围的动态变化的线运动信号，运动目标可以作为多种传感器的观测目标。

(四)附图说明：

图1为空气炮的结构示意图

图2一种高速加速装置(专利号：200610114601.0)示意图

图3本发明中装置的结构示意图1(正视图)

图4本发明中装置的结构示意图2(俯视图)

图5位移信号作为传感器输入信号的安装示意图

图中具体标号如下：

1-气室；2-快开阀；3-弹丸；4 发射管；5-靶室；6-测量装置；8-防护装置；9-轴承支座；10-电磁离合器；11-绕线轮；12-惯性轮；13-转轴；14-无级变速器；15-电机；16-绳索；17-滑轨；18-挂钩；19-托架；20-弹性势能存储单元(即压缩弹簧)；211-步进电机；212-减速器；213-联轴器；214-卷筒；215-定滑轮；216-缆绳；217-光轴；218-直线导轨；219-电磁铁；2110-电磁铁安装架；2111-运动目标；2112-直线轴承；222-左支座；224-右支座；221-组合支座；223-工作台；23-缓冲装置；24-防护装置

(五)具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

如附图3、4所示，本装置由弹性势能存储单元20、能量储备与释放执行机构、装置支撑台、缓冲装置23与防护装置24五个部分组成。

弹性势能存储单元20用来利用是压缩弹簧储备能量。

能量储备与释放执行机构用来锁定或释放由弹性势能存储单元20所存储的弹性势能，它由步进电机211、减速器212、卷筒214与减速器212间的联轴器213、卷筒214、定滑轮215、缆绳216、光轴217、直线导轨218、电磁控制单元、电磁铁219、电磁铁安装架2110、运动目标2111、直线轴承2112组成。其中电磁铁219、电磁铁安装架2110与运动目标2111可合称为电磁锁定机构。电磁控制电路与电磁铁219相连，通过控制电流通断来控制电磁铁219与运动目标2111吸合与释放状态。压缩弹簧20、电磁铁219、运动目标2111、直线轴承2112，从左向右依次穿入光轴。其中电磁铁219与电磁安装架2110通过螺钉安装成一体，安装在两个直线导轨218的滑块上。运动目标2111在直线轴承2112左侧安装。电磁铁219平面与运动目标2111平面可完全水平吸合。光轴217两端在左，右支座固定。定滑轮215安装在左支座222，两平行于光轴217的缆绳216一端与电磁安装架2110相连，一端通过定滑轮215的滑道绕在卷筒214上。步进电机211与减速器212相连，减速器212又通过联轴器213与卷筒214相连。

装置支撑台用来支撑各组件。它包括左支座222，右支座224，组合支座221以及工作台223。左支座222为弹簧安装架、光轴支座与定滑轮支座的组合支座，右支座224为光轴支座，缓冲装置支撑板的组成支座，左支座222，右支座224，两个直线导轨218，组合支座221安装固定在工作台平面上。缓冲装置23，安装在右支座224上，用来缓解运动目标2111对工作台223的冲击，可降低运动目标的运动次数，同时可保护直线轴承2112。防护装置24与工作台安装，用于隔离实验装置，实现实验过程中的安全保护。

本装置采用压缩弹簧作为储能机构，电磁锁定机构作为能量锁定与释放的执行机构。通过调节压缩位移，从而调节能量储备大小，最终达到获取不同的线运动信号范围的目的。

进行实验时，首先拨动电磁块，与处于弹簧自然状态处的运动目标相接触，此时，电磁控制单元发出控制信号，使电磁铁通电，电磁铁产生很大的电磁力，将运动目标紧紧吸合。步进电机启动，带动卷筒旋转，收卷缆绳，两根缆绳受力均衡，拉动电磁锁定机构，压缩弹簧，沿左支座方向运动。待弹簧压缩至一定位移时，步进电机收到停止指令，电磁锁定机构运动停止。此时装置锁存能量，等待释放。

电磁控制单元发出断电信号，电磁铁回路中电流瞬间消失，电磁力迅速衰减，运动目标与电磁铁分离，弹簧力推动运动目标沿光轴作变速直线运动，产生动态线运动信号。

以释放瞬间作为零点，在一个周期内，运动速度先增大后减小，加速度先减小，后反向增大。位移先增大直到运动目标与缓冲弹簧接触，一段时间后，运动目标运动停止。

若要求线速度作为输入信号，高速摄影测速法可以实时跟踪运动目标体，获取其动态运动过程。

若要求线位移信号作为输入信号，如图5所示，在运动目标上安装撞击块，在右支座上加装位移传感器，运动时，撞击块撞击位移传感器，产生位移信号。

若要求线加速度作为输入信号，在运动目标上安装加速度计，实时捕捉线加速度信号。

装置部分构件设计与选择方案

●关于弹簧的设计与选择

本装置的信号发生原理遵从弹簧振子模型，根据运动体的质量，压缩位移，或线速度、线加速度范围，进行系统建模分析，设计弹簧的参数。采用可产生4000N以上的电磁力的电磁锁定机构进行势能储存，线径为8mm，中径为35mm，圈数为100，自由长度为1200mm的压缩弹簧可以产生的最大速度为30m/s，最大加速度为280g，最大位移为600mm。

●关于电磁锁定机构设计

通过磁路分析，综合考虑磁力大小，面积，间隙，放开时间与吸合时间等因素，将电磁铁设置为圆形吸盘式，中间留孔，以便穿入弹簧。运动目标为纯铁材料制成，此机构内置消磁电路，无剩磁，使用安全。

●关于防护装置设计

尽管轴的限制作用可以保证高速运动的运动目标不会突然飞出，造成意外安全事故，但是仍需要考虑装置中个别连接件飞出或绳索断裂造成的危险。因此需要为装置设计一个透明的防护罩，防护罩采用双开活页式结构，实验时闭合防护罩，实验者可以透过防护罩观察实验过程。

●关于位移信号输入辅助模块设计

辅助模块设计示意如图5所示，在运动目标的一侧安装一体积适合的撞击块，在右支座的上方安装位移传感器，当运动目标运动时，撞击块在与位移传感器接触到位移传感器收缩的过程中，为位移传感器提供了位移信号。

对于被校传感器的安装位置，在运动目标上留有安装孔，方便于安装线加速度计，或观测用目标体。

对于直线导轨，用以支持电磁铁的重量，均衡装置的总体受力，因此对其所承受的重量要求不是很严格，但是要求两直线导轨平行度。

对于电机，要求输出的转矩较大，选择保持转矩为45N.m的步进电机，让其与减速器相连，减速器又通过联轴器与卷筒相连，从而带动卷筒旋转，卷绕缆绳，拉动电磁锁定机构运动。

Claims (8)

1.一种运动目标发生装置，具体由弹性势能存储单元(20)、能量储备与释放执行机构、装置支撑台、缓冲装置(23)与防护装置(24)五个部分组成，其特征在于：

所述的弹性势能存储单元(20)，为一压缩弹簧，用来储备能量；

所述的能量储备与释放执行机构用来锁定或释放由弹性势能存储单元(20)所存储的弹性势能；它由步进电机(211)、减速器(212)、联轴器(213)、卷筒(214)、定滑轮(215)、缆绳(216)、光轴(217)、直线导轨(218)、电磁控制单元、电磁铁(219)、电磁铁安装架(2110)、运动目标(2111)、直线轴承(2112)组成，其中电磁铁(219)、电磁铁安装架(2110)与运动目标(2111)合称为电磁锁定机构；电磁控制电路与电磁铁(219)相连，通过控制电流通断来控制电磁铁(219)与运动目标(2111)吸合与释放状态；压缩弹簧(20)、电磁铁(219)、运动目标(2111)、直线轴承(2112)，从左向右依次穿入光轴；其中电磁铁(219)与电磁安装架(2110)通过螺钉安装成一体，安装在两个直线导轨(218)的滑块上；运动目标(2111)在直线轴承(2112)左侧安装；电磁铁(219)平面与运动目标(2111)平面可完全水平吸合；光轴(217)两端分别固定于左、右支座；定滑轮(215)安装于左支座(222)；两平行于光轴(217)的缆绳(216)一端与电磁安装架(2110)相连，一端通过定滑轮(215)的滑道绕在卷筒(214)上；步进电机(211)与减速器(212)相连，减速器(212)又通过联轴器(213)与卷筒(214)相连；

所述的装置支撑台用来支撑各组件；它包括左支座(222)、右支座(224)、组合支座(221)以及工作台(223)；左支座(222)、右支座(224)、两个直线导轨(218)、组合支座(221)安装固定在工作台(223)的平面上；

所述的缓冲装置(23)，安装在右支座(224)上，用来缓解运动目标(2111)对工作台(223)的冲击，可降低运动目标的运动次数，同时可保护直线轴承(2112)；

所述的防护装置(24)与工作台安装结合，用于隔离实验装置，实现实验过程中的安全保护。

2.根据权利要求1所述的一种运动目标发生装置，其特征在于：所述的装置是采用弹簧存储弹性势能，电磁锁定机构锁定和释放能量相结合的方法。

3.根据权利要求1所述的一种运动目标发生装置，其特征在于：所述的电磁铁(219)设置为圆形吸盘式，中间留孔，以便穿入弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种运动目标发生装置，其特征在于：所述的运动目标(2111)为纯铁材料制成，内置消磁电路。

5.根据权利要求1所述的一种运动目标发生装置，其特征在于：所述的运动目标(2111)上设有安装孔，安装加速度传感器，使其实时感受动态运动信号。

6.根据权利要求1所述的一种运动目标发生装置，其特征在于：所述的运动目标(2111)上设有安装孔，安装高速摄影系统的被测运动目标。

7.根据权利要求1所述的一种运动目标发生装置，其特征在于：所述的防护装置(24)为一个透明的防护罩，采用双开活页式结构。

8.根据权利要求1所述的一种运动目标发生装置，其特征在于：本装置进一步包含一辅助模块，即在运动目标的一侧安装一体积适合的撞击块，在右支座的上方安装位移传感器，当运动目标运动时，撞击块在与位移传感器接触到位移传感器收缩的过程中，为位移传感器提供了位移信号。

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