CN104318852B - 一种磁力动平衡机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁力动平衡机，包括底板，底板上通过球笼万向节安装转轴，转轴上方依次向上套设有水平布置的不平衡盘、铁板和安装板，安装板上对应转轴的中部位置设置有步进电机，步进电机输出轴和所述转轴沿同轴线向上设置且输出轴上固定连接有一安装架，安装架两端分别安装有一个电磁铁和一个配重块，还包括摆幅检测光电开关，摆幅检测光电开关包括用于发射光线的发射部和接收光线的接收部，摆幅检测光电开关和步进电机电连接。本发明具有结构简单，方便搬运和操作，且更加能够直观演示回转体振动现象和调整动平衡过程的优点；利于学生更好地理解回转体动平衡原理过程并提高教学质量。

Description

一种磁力动平衡机

技术领域

本发明涉及一种高校机械课程实验教具，尤其涉及一种用于机械原理中不平衡转子在转动下产生机械振动和平衡过程演示的磁力动平衡机。

背景技术

常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件，例如各种传动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等，统称为回转体。在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的机械振动幅度降在允许的范围内.

对于高校机械专业教育而言机械平衡一直作为机械原理重要章节，为让学生了解机械平衡高校也相应开设有机械动平衡实验课程，但现在高校所采用的动平衡教学仪多为电子测试调整主要是采用补偿质径积的方法来测定试件不平衡的大小和位置。这种实验设备实验现象直观操作简单。另外，也有部分学校用机械式动平衡机进行试验演示，其利用动不平衡惯性力矩产生机械振动，运用计算增加质量的方式配平衡。这种实验机效果直观，采用双面平衡，与课本联系紧密。

但上述动平衡实验教学仪器都存在以下缺陷：

实验器材昂贵，由于存在复杂电子设备，大大提高了设备价格，从而提高了教学成本，高校考虑这个因素，因而配置的教学设备少，学生教学质量大大打折扣。对于第一种实验设备而言，自动找到动平衡量与相位，但过程不直观，不能真正使学生直观了解其工作原理；而第二种设备，过程直观但由于需先计算配重，使得实验过程显得复杂，繁琐。另外，现有的试验设备，由于其体积较大与其附加设备较多，使得实验设备基本处于固定式安装，搬动极为不便，大大限制了使用范围。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单，方便搬运和操作，且更加能够直观演示回转体振动现象和调整动平衡过程的磁力动平衡机；以利于学生理解回转体动平衡原理过程并提高教学质量。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种磁力动平衡机，其特征在于，包括水平设置于下方的底板，底板上竖直向上设置有转轴，转轴下端通过一个固定于底板的球笼万向节安装在底板上，底板上还设置有动力电机，动力电机和转轴相连并用于带动转轴旋转，转轴上方依次向上套设有水平布置的不平衡盘、铁板和安装板，所述不平衡盘和安装板固定在转轴上，所述铁板通过铁板固定支架固定在底板上，安装板上对应转轴的中部位置设置有步进电机，步进电机输出轴和所述转轴沿同轴线向上设置且输出轴上固定连接有一安装架，安装架两端分别安装有一个电磁铁和一个配重块，电磁铁和配重块到轴心线的重力力矩不同且该力矩差异和不平衡盘的重力力矩差异匹配（匹配是指到安装架水平旋转到一定角度时电磁铁和配重块到轴心线的重力力矩差异能够补偿不平衡盘的重力力矩差异），所述铁板处于电磁铁作用范围内；还包括摆幅检测光电开关，摆幅检测光电开关包括用于发射光线的发射部和接收光线的接收部，所述发射部和接收部沿竖向相对设置并通过光电开关支架安装在底板上，铁板上具有供发射部发射的光线通过的缺口，所述转轴处于转动平衡状态时，所述检测光电开关中发射部发出的光线恰好处于安装架最外侧位置旋转路径的边缘；摆幅检测光电开关和步进电机电连接。

本发明的磁力动平衡机用于试验演示时，动力电机启动，带动转轴旋转，转轴上固定设置的不平衡盘、安装板和步进电机以及步进电机上端安装架等构件可以视为以不平衡回转体并随转轴一体转动。由于回转体不平衡，故旋转时会产生偏离轴心线的摆动，这样旋转过程中安装架最外端位置会水平向外超出平衡旋转时的外侧范围，进而遮挡住摆幅检测光电开关中发射部发出的光线，使得光电开关可以检测到不平衡信号，再依靠该信号控制步进电机工作，步进电机带动安装架旋转一个单位步进角，当安装架旋转到电磁铁和配重块的重力力矩差异快要补偿完不平衡盘的重力力矩差异时，光电开关光线接通，步进电机处于自锁状态，停止转动，再开启电磁铁，靠调节电磁铁和下方铁板的吸力来调节电磁铁在重力方向力矩的大小，直到整个回转体恢复平衡。故操作非常快捷方便，且演示过程直观浅显，更加容易让学生理解和掌握回转体从旋转失衡到恢复平衡过程中的各种科学原理。

作为上述方案的一种优化，底板下端四角位置设置有可调支脚。这样，当地面不平时可以方便调整支架高度，保证底板处于水平状态。

作为上述方案的进一步优化，底板上方还竖直向上设置有走线用支架，走线用支架上设置有步进电机控制用线路和电磁铁控制用线路，步进电机控制用线路通过安装在转轴上的一个通孔式滑环电刷连接到步进电机上，电磁铁控制用线路通过设置于步进电机输出轴顶部的一个旋转滑环连接到电磁铁上。

这样，可以方便走线布线，使得线路不会影响实验过程和结果。

作为优化，还包括一声音提示器，声音提示器设置在底板上且和摆幅检测光电开关相连并受其控制。这样，当回转体尚处于失衡状态时，声音提示器提示，当恢复平衡后提示声音消失，使得演示过程更加直观清楚。

作为优化，所述动力电机采用蜗轮蜗杆减速直流电机，动力电机靠安装在底板上的电池供电，动力电机输出端通过位于底板下方的同步带和球笼万向节下端的转轴相连。这样优化是考虑驱动方式的选择：设计时申请人考虑分析比较：交流电机虽然功率较大但相应体积较大，不适合作为便携式设备的驱动，并且交流电机使用市电作为电源，漏电的安全保护欠缺，步进电机在往复控制，位置确定的实现上有较大优势，简便易行但输出转矩较小，经计算不能达到主轴旋转要求的转矩输出，而且价格也非常昂贵，不利于降低产品成本。综上比较申请人选择蜗轮蜗杆减速直流电机作为驱动，它能够较好的解决其他两种电机的突出矛盾。

作为优化，所述安装架两端沿轴心线对称地设置有一对向下的滚轮支脚，滚轮支脚下端靠滚轮支撑在安装板上。这样，方便步进电动带动电磁铁和配重块旋转。

本发明具有以下特点：（1）利用激光检测、步进电机与电磁铁控制共同作用，自动确定平衡相位，改变平衡质量，达到机械动平衡。(2)相对于传统双面平衡方法而言，转子由水平放置改为竖立放置，将传统的双面平衡转化为单面配平衡简化实验步骤，使得实验更加简单便于理解。(3)通过声音提示器发出的提示声，提示是否已经寻找到正确平衡相位，方便学生直观理解，有助于提高教学效果。（4)相对于现有动平衡教学仪，采用磁力配平衡方法，效果直观，便于学生理解。(5)动平衡测量是一种在机械产品制造中应用较广的机械，本发明没有一般动平衡机采用的传感器，避免了传感器受温度、电磁场、以及其他环境因素影响精的不足，具有较大的实用价值。

综上所述，本发明具有结构简单，方便搬运和操作，且更加能够直观演示回转体振动现象和调整动平衡过程的优点；利于学生更好地理解回转体动平衡原理过程并提高教学质量。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的正视方向结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1-图3所示，一种磁力动平衡机，包括水平设置于下方的底板26，底板26上竖直向上设置有转轴5，转轴5下端通过一个固定于底板的球笼万向节18安装在底板上，底板26上还设置有动力电机10，动力电机10和转轴5相连并用于带动转轴5旋转，转轴5上方依次向上套设有水平布置的不平衡盘17、铁板6和安装板11，所述不平衡盘17和安装板11固定在转轴5上，所述铁板6通过铁板固定支架28固定在底板26上，安装板11上对应转轴的中部位置设置有步进电机13，步进电机13输出轴和所述转轴5沿同轴线向上设置且输出轴上固定连接有一安装架8，安装架8两端分别安装有一个电磁铁7和一个配重块15，电磁铁7和配重块15到轴心线的重力力矩不同且该力矩差异和不平衡盘的重力力矩差异匹配（匹配是指到安装架水平旋转到一定角度时电磁铁和配重块到轴心线的重力力矩差异能够补偿不平衡盘的重力力矩差异），所述铁板6处于电磁铁7作用范围内；还包括摆幅检测光电开关，摆幅检测光电开关包括用于发射光线的发射部14和接收光线的接收部29，所述发射部14和接收部29沿竖向相对设置并通过光电开关支架安装在底板26上，铁板6上具有供发射部14发射的光线通过的缺口，所述转轴5处于转动平衡状态时，所述检测光电开关中发射部14发出的光线恰好处于安装架8最外侧位置旋转路径的边缘；摆幅检测光电开关和步进电机13电连接。

其中，底板26下端四角位置设置有可调支脚1。这样，当地面不平时可以方便调整支架高度，保证底板处于水平状态。

其中，底板26上方还竖直向上设置有走线用支架3，走线用支架3上设置有步进电机控制用线路和电磁铁控制用线路，步进电机控制用线路通过安装在转轴5上的一个通孔式滑环电刷4连接到步进电机13上，电磁铁控制用线路通过设置于步进电机输出轴顶部的一个旋转滑环12连接到电磁铁7上。这样，可以方便走线布线，使得线路不会影响实验过程和结果。

其中，还包括一声音提示器23，声音提示器23设置在底板26上且和摆幅检测光电开关相连并受其控制。这样，当回转体尚处于失衡状态时，声音提示器提示，当恢复平衡后提示声音消失，使得演示过程更加直观清楚。

具体实施时，可以采用现有结构的声音提示器实现发声提示，也可以是靠将步进电机控制部分改进为能够发声提示的结构，例如采用一个电磁铁加一个行程开关，实现光电开关光路接通时，保证步进电机通电从而自锁，当光路被阻断时，电磁铁动作，接通下面的行程开关，从而给步进电机一个脉冲信号，转动一个单位角度；同时当光路阻断时，电磁铁与行程开关动作时产生滴答声，可以通过这个声音提示，形象的知道配平衡状况。

其中，所述动力电机10采用蜗轮蜗杆减速直流电机，动力电机10靠安装在底板上的电池2供电，动力电机10输出端通过位于底板下方的同步带27和球笼万向节18下端的转轴相连。这是考虑驱动方式的选择：设计时申请人考虑分析比较：交流电机虽然功率较大但相应体积较大，不适合作为便携式设备的驱动，并且交流电机使用市电作为电源，漏电的安全保护欠缺，步进电机在往复控制，位置确定的实现上有较大优势，简便易行但输出转矩较小，经计算不能达到主轴旋转要求的转矩输出，而且价格也非常昂贵，不利于降低产品成本。综上比较申请人选择蜗轮蜗杆减速直流电机作为驱动，它能够较好的解决其他两种电机的突出矛盾。

其中，所述安装架两端沿轴心线对称地设置有一对向下的滚轮支脚9，滚轮支脚9下端靠滚轮支撑在安装板上。这样，方便步进电动带动电磁铁和配重块旋转。

另外，附图中标号16表示铁板6和铁板固定支架28相连用的螺栓。标号19表示球笼万向节安装架，标号20表示安装球笼万向节使用的套筒，标号21表示推力滚柱轴承，标号22表示下端盖，标号24表示六角螺母，标号25表示深沟球轴承，均为安装转轴以及球笼万向节之用。

本发明的磁力动平衡机用于试验演示时，动力电机启动，带动转轴旋转，转轴上固定设置的不平衡盘、安装板和步进电机以及步进电机上端安装架等构件可以视为以不平衡回转体并随转轴一体转动。由于回转体不平衡，故旋转时会产生偏离轴心线的摆动，这样旋转过程中安装架最外端位置会水平向外超出平衡旋转时的外侧范围，进而遮挡住摆幅检测光电开关中发射部发出的光线，使得光电开关可以检测到不平衡信号，再依靠该信号控制步进电机工作，步进电机带动安装架旋转，当安装架旋转到电磁铁和配重块的重力力矩差异快要补偿完不平衡盘的重力力矩差异时，通过声音提示器发出的声音频率判断快要达到平衡位置时，可以开启电磁铁，靠调节电磁铁和下方铁板的吸力来调节电磁铁在重力方向力矩的大小，直到整个回转体回复平衡。故操作非常快捷方便，且演示过程直观浅显，更加容易让学生理解和掌握回转体从旋转失衡到恢复平衡过程中的各种科学原理。具体实施时，实现上述控制过程，还需要设置相应的电气控制部分结构相辅助，但这些电气部分结构为电气领域公知常识性内容，不是本发明的发明点所在，故不在此详述。

Claims (6)

1. 一种磁力动平衡机，其特征在于，包括水平设置于下方的底板，底板上竖直向上设置有转轴，转轴下端通过一个固定于底板的球笼万向节安装在底板上，底板上还设置有动力电机，动力电机和转轴相连并用于带动转轴旋转，转轴上方依次向上套设有水平布置的不平衡盘、铁板和安装板，所述不平衡盘和安装板固定在转轴上，所述铁板通过铁板固定支架固定在底板上，安装板上对应转轴的中部位置设置有步进电机，步进电机输出轴和所述转轴沿同轴线向上设置且输出轴上固定连接有一安装架，安装架两端分别安装有一个电磁铁和一个配重块，电磁铁和配重块到轴心线的重力力矩不同且该力矩差异和不平衡盘的重力力矩差异匹配，匹配是指到安装架水平旋转到一定角度时电磁铁和配重块到轴心线的重力力矩差异能够补偿不平衡盘的重力力矩差异，所述铁板处于电磁铁作用范围内；还包括摆幅检测光电开关，摆幅检测光电开关包括用于发射光线的发射部和接收光线的接收部，所述发射部和接收部沿竖向相对设置并通过光电开关支架安装在底板上，铁板上具有供发射部发射的光线通过的缺口，所述转轴处于转动平衡状态时，所述检测光电开关中发射部发出的光线恰好处于安装架最外侧位置旋转路径的边缘；摆幅检测光电开关和步进电机电连接。

2. 如权利要求1所述的磁力动平衡机，其特征在于，底板下端四角位置设置有可调支脚。

3. 如权利要求1所述的磁力动平衡机，其特征在于，底板上方还竖直向上设置有走线用支架，走线用支架上设置有步进电机控制用线路和电磁铁控制用线路，步进电机控制用线路通过安装在转轴上的一个通孔式滑环电刷连接到步进电机上，电磁铁控制用线路通过设置于步进电机输出轴顶部的一个旋转滑环连接到电磁铁上。

4. 如权利要求1所述的磁力动平衡机，其特征在于，还包括一声音提示器，声音提示器设置在底板上且和摆幅检测光电开关相连并受其控制。

5. 如权利要求1所述的磁力动平衡机，其特征在于，所述动力电机采用蜗轮蜗杆减速直流电机，动力电机靠安装在底板上的电池供电，动力电机输出端通过位于底板下方的同步带和球笼万向节下端的转轴相连。

6. 如权利要求1所述的磁力动平衡机，其特征在于，所述安装架两端沿轴心线对称地设置有一对向下的滚轮支脚，滚轮支脚下端靠滚轮支撑在安装板上。