CN104361791B - 一种科氏加速度演示仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种科氏加速度演示仪，包括回转平台、第一电机、第二电机、第三电机、第一滚珠丝杠螺母机构、第一光轴导向机构、第二滚珠丝杠螺母机构、第二光轴导向机构、无线遥控器、控制模块、无线输送模块、电脑显示装置，回转平台由第一电机带动旋转；第二电机和第三电机水平装在回转平台上，绕其回转中心对称布置；第一滚珠丝杠螺母机构及第一光轴导向机构由第二电机带动做直线运动，其上装有第一感应盒；第二滚珠丝杠螺母机构及第二光轴导向机构由第三电机带动做直线运动，其上装有第二感应盒；控制模块接收无线遥控器的指令进行控制；无线输送模块将数据传给电脑显示装置处理。本发明将科氏加速度的大小及方向变化规律实时展现给学习人群。
Description
技术领域
本发明涉及科氏加速度演示的技术领域，尤其是指一种科氏加速度演示仪。
背景技术
科氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动相互耦合引起的加速度，涉及到多个参数和变量。目前，很多学生在学习理论力学时对于科氏加速度的成因和计算都难以理解，而科氏加速度在解决一些相关问题，如牵连运动为转动时点的合成运动问题时又极其重要。因此，掌握好科氏加速度的成因和计算方法对于解决现实生活中的很多问题都大有帮助。但是，目前国内外在科氏加速度演示仪方面研究不足，未能采用现代科技方法展示科氏加速度的大小、方向及变化规律。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种科氏加速度演示仪，通过精准控制技术、无线传输技术、实时数据采集与处理技术等方法将科氏加速度的大小及方向变化规律实时展现给学习人群，能将抽象的知识变得生动形象，易于理解。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种科氏加速度演示仪，包括有回转平台、第一电机、第二电机、第三电机、第一滚珠丝杠螺母机构及其配套的第一光轴导向机构、第二滚珠丝杠螺母机构及其配套的第二光轴导向机构、无线遥控器、控制模块、无线输送模块、电脑显示装置、机架，其中，所述第一电机竖直安装在机架上，带动回转平台旋转，模拟科氏加速度的牵连速度；所述第二电机和第三电机分别水平安装在回转平台上，并绕回转平台的回转中心对称布置；所述第二电机通过第一联轴器与第一滚珠丝杠螺母机构的第一滚珠丝杆连接，带动所述第一滚珠丝杆匀速运动，所述第一滚珠丝杠螺母机构的第一丝杆螺母上安装有第一感应盒，所述第一感应盒内装有第一压力传感器、第二压力传感器及设在第一压力传感器和第二压力传感器之间的第一钢球，所述第一光轴导向机构设在第一滚珠丝杠螺母机构旁边，其第一直线滑块通过第一连接板与第一丝杆螺母固定在一起，实现同步运动；所述第三电机通过第二联轴器与第二滚珠丝杠螺母机构的第二滚珠丝杆连接，带动所述第二滚珠丝杆匀速运动，所述第二滚珠丝杠螺母机构的第二丝杆螺母上安装有第二感应盒，所述第二感应盒内装有第三压力传感器、第四压力传感器及设在第三压力传感器和第四压力传感器之间的第二钢球，所述第二光轴导向机构设在第二滚珠丝杠螺母机构旁边，其第二直线滑块通过第二连接板与第二丝杆螺母固定在一起，实现同步运动；所述控制模块固定在回转平台上，由所述无线遥控器发送指令，进而控制第一电机、第二电机、第三电机；所述无线输送模块将压力传感器获得的数据传送给电脑显示装置，所述电脑显示装置接收后自动处理数据，同步生成图表，显示相应的科氏加速度大小和方向。
所述第一滚珠丝杆的两端分别安装有第一行程开关和第二行程开关，并通过第一带座轴承和第二带座轴承固定在回转平台上；所述第二滚珠丝杆的两端分别安装有第三行程开关和第四行程开关，并通过第三带座轴承和第四带座轴承固定在回转平台上；所述第一滚珠丝杠螺母机构和第二滚珠丝杠螺母机构绕回转平台的回转中心对称布置；；当丝杆螺母处于最大或最小行程状态时，会压迫行程开关，行程开关再将信号传给控制模块，进而控制模块会自动改变丝杆螺母的运行方向，使其具有往复运动的功能。
所述第一感应盒和第二感应盒的顶部均设有挡块，用于防止钢球运动过程中跃出感应盒。
所述回转平台的外围设置有平台回转槽，使其在工作过程中始终处于平台回转槽内。
所述控制模块包括有电源、电源开关、蓝牙模块、单片机模块，工作时，通过所述蓝牙模块接收无线遥控器的信号指令，再通过所述单片机模块控制电源开关，实现第一电机、第二电机和第三电机的启动、停止、速度调节和正反转控制；所述控制模块在控制第二电机和第三电机时，控制指令是对等的，控制第二电机和第三电机同时运动，用来模拟科氏加速度的相对运动。
所述第一光轴导向机构包括有第一光轴及滑动安装在该第一光轴上的第一直线滑块，所述第一光轴的两端通过第五带座轴承和第六带座轴承固定在回转平台上；所述第二光轴导向机构包括有第二光轴及滑动安装在该第二光轴上的第二直线滑块，所述第二光轴的两端通过第七带座轴承和第八带座轴承固定在回转平台上。
所述无线输送模块有两个分别安装在第一连接板和第二连接板上。
所述机架上安装有推力圆柱滚子轴承，所述回转平台安装在推力圆柱滚子轴承上。
所述回转平台的外围设有防护罩。
所述第一电机、第二电机和第三电机均为速度可调的交流电机、步进电机或直流电机；所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器均为压力应变片。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、相对运动部分由第二电机和第三电机控制，为匀速直线运动，比在重力作用下产生的加速直线相对运动更易处理和计算，该速度大小和方向均可调节，有助于学生理解和进行试验研究；
2、所用传感器仅有压力感应器，信号处理简单便捷，可实现实时处理，实时显示；
3、在靠近滚珠丝杆两端安装有行程开关，可有效防止感应盒超行程造成实验仪器损坏，同时也避免造成试验误差；
4、牵连运动部分由第一电机控制，其速度大小和方向均可调节，当其运动参数和相对运动部分运动参数改变时可以得到不同的科氏加速度，从而使得演示更加生动形象和具体；
5、感应盒中的信号通过无线输送模块发出，仪器运转时电脑显示装置不受仪器摆放位置的影响，展示更加灵活，更加适合演示；
6、电脑显示装置通过编写的软件，可处理所接收信号，并在屏幕上实时显示科氏加速度的曲线、图表，可直观反映出科氏加速度的大小和方向，有利于向学生及参观人员查看、记录科氏加速度大小和方向的实时动态变化情况，能使抽象的知识变得生动形象，易于理解和掌握。
附图说明
图1为本发明所述科氏加速度演示仪的轴视图。
图2为本发明所述科氏加速度演示仪除去无线遥控器和电脑显示装置后的俯视图。
图3为图2的A局部放大图。
图4为图2的B局部放大图。
图5为本发明所述科氏加速度演示仪除去无线遥控器和电脑显示装置后的侧视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，本实施例所述的科氏加速度演示仪，包括有回转平台1、第一电机2、第二电机3、第三电机4、第一滚珠丝杠螺母机构及其配套的第一光轴导向机构、第二滚珠丝杠螺母机构及其配套的第二光轴导向机构、无线遥控器5、控制模块6、无线输送模块7、电脑显示装置8、机架9。
所述第一电机2竖直安装在机架9上，通过其电机轴带动回转平台1旋转，模拟科氏加速度的牵连速度；所述机架9上安装有推力圆柱滚子轴承40，所述回转平台1安装在推力圆柱滚子轴承40上，其外围设置有平台回转槽33，使回转平台1在工作过程中始终处于平台回转槽33内，防止其回转时出现较大的振动和颠簸，此外，为提高设备的使用安全性，所述回转平台1的外围还设置有防护罩41；所述第二电机3和第三电机4分别水平安装在回转平台1上，并绕回转平台1的回转中心对称布置。
所述第二电机3通过第一联轴器10与第一滚珠丝杠螺母机构的第一滚珠丝杆11连接，带动所述第一滚珠丝杆11匀速运动，所述第一滚珠丝杆11的两端分别安装有第一行程开关(图中未画出)和第二行程开关(图中未画出)，并通过第一带座轴承28和第二带座轴承29固定在回转平台1上，所述第一滚珠丝杠螺母机构的第一丝杆螺母12上安装有第一感应盒13，所述第一感应盒13内装有第一压力传感器14、第二压力传感器15及设在第一压力传感器14和第二压力传感器15之间的第一钢球16，为防止第一钢球16在运动过程中跃出第一感应盒13，所述第一感应盒13的顶部设有挡块32，所述第一光轴导向机构设在第一滚珠丝杠螺母机构旁边，其第一直线滑块17通过第一连接板18与第一丝杆螺母12固定在一起，实现同步运动，以防止第一丝杆螺母12及附属零部件出现绕丝杆轴回转的现象；所述第一光轴导向机构包括有第一光轴34及滑动安装在该第一光轴34上的第一直线滑块17，所述第一光轴34的两端通过第五带座轴承35和第六带座轴承36固定在回转平台1上。
所述第三电机4通过第二联轴器19与第二滚珠丝杠螺母机构的第二滚珠丝杆20连接，带动所述第二滚珠丝杆20匀速运动，所述第二滚珠丝杆20的两端分别安装有第三行程开关(图中未画出)和第四行程开关(图中未画出)，并通过第三带座轴承30和第四带座轴承31固定在回转平台1上，所述第二滚珠丝杠螺母机构的第二丝杆螺母21上安装有第二感应盒22，所述第二感应盒22内装有第三压力传感器23、第四压力传感器24及设在第三压力传感器23和第四压力传感器24之间的第二钢球25，同样，为了防止第二钢球25在运动过程中跃出第二感应盒22，所述第二感应盒22的顶部也设有挡块32，所述第二光轴导向机构设在第二滚珠丝杠螺母机构旁边，其第二直线滑块26通过第二连接板27与第二丝杆螺母21固定在一起，实现同步运动，以防止第二丝杆螺母21及附属零部件出现绕丝杆轴回转的现象；所述第二光轴导向机构包括有第二光轴37及滑动安装在该第二光轴37上的第二直线滑块26，所述第二光轴37的两端通过第七带座轴承38和第八带座轴承39固定在回转平台1上。
所述控制模块6包括有电源、电源开关、蓝牙模块、单片机模块，可以接收由所述无线遥控器5发送的指令，工作时，通过所述蓝牙模块接收无线遥控器5的信号指令，再通过所述单片机模块控制电源开关，实现第一电机、第二电机和第三电机的启动、停止、速度调节和正反转控制；此外，当丝杆螺母处于最大或最小行程状态时，会压迫行程开关，行程开关再将信号传给控制模块6，这样控制模块6会自动改变丝杆螺母的运行方向，使其具有往复运动的功能，防止丝杆螺母超出行程；所述控制模块6在控制第二电机3和第三电机4时，控制指令是对等的，而控制第二电机3和第三电机4同时运动，用来模拟科氏加速度的相对运动。所述无线输送模块7有两个分别安装在第一连接板18和第二连接板27上，感应盒中的钢球由于科氏加速度作用压迫压力传感器，使其产生感应信号，此时由所述无线输送模块7将压力传感器获得的数据传送给电脑显示装置8，所述电脑显示装置8接收后会自动处理数据，并同步生成图表，从而实时显示相应的科氏加速度大小和方向等信息。
在本实施例中，所述第一电机2、第二电机3和第三电机4均为速度可调的交流电机、步进电机或直流电机；所述第一压力传感器14、第二压力传感器15、第三压力传感器23和第四压力传感器24均为压力应变片。
工作时，通过无线遥控器5向控制模块6发送指令，控制模块6控制第一电机2、第二电机3和第三电机4运转速度和方向，第一电机2带动回转平台1绕电机轴旋转，这样回转平台1及附属其上的部件同时也绕电机轴旋转，构成牵连运动，而第二电机3和第三电机4分别带动各自滚珠丝杠螺母机构及光轴导向机构做直线运动，这样此两个运动相互耦合时会引起感应盒内钢球压迫压力传感器，压力传感器产生电信号，并传给无线输送模块7，无线输送模块7将电信号再传给电脑显示装置8，电脑显示装置8通过计算转换为加速度，即可反映出钢球的受力情况，该加速度即为科氏加速度，电脑显示装置8可以实时显示该加速度的大小、方向等信息，从而达到演示科氏加速度的目的。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种科氏加速度演示仪，包括有回转平台(1)、第一电机(2)、机架(9)，其特征在于：还包括有第二电机(3)、第三电机(4)、第一滚珠丝杠螺母机构及其配套的第一光轴导向机构、第二滚珠丝杠螺母机构及其配套的第二光轴导向机构、无线遥控器(5)、控制模块(6)、无线输送模块(7)、电脑显示装置(8)，其中，所述第一电机(2)竖直安装在机架(9)上，带动回转平台(1)旋转，模拟科氏加速度的牵连速度；所述第二电机(3)和第三电机(4)分别水平安装在回转平台(1)上，并绕回转平台(1)的回转中心对称布置；所述第二电机(3)通过第一联轴器(10)与第一滚珠丝杠螺母机构的第一滚珠丝杆(11)连接，带动所述第一滚珠丝杆(11)匀速运动，所述第一滚珠丝杠螺母机构的第一丝杆螺母(12)上安装有第一感应盒(13)，所述第一感应盒(13)内装有第一压力传感器(14)、第二压力传感器(15)及设在第一压力传感器(14)和第二压力传感器(15)之间的第一钢球(16)，所述第一光轴导向机构设在第一滚珠丝杠螺母机构旁边，其第一直线滑块(17)通过第一连接板(18)与第一丝杆螺母(12)固定在一起，实现同步运动；所述第三电机(4)通过第二联轴器(19)与第二滚珠丝杠螺母机构的第二滚珠丝杆(20)连接，带动所述第二滚珠丝杆(20)匀速运动，所述第二滚珠丝杠螺母机构的第二丝杆螺母(21)上安装有第二感应盒(22)，所述第二感应盒(22)内装有第三压力传感器(23)、第四压力传感器(24)及设在第三压力传感器(23)和第四压力传感器(24)之间的第二钢球(25)，所述第二光轴导向机构设在第二滚珠丝杠螺母机构旁边，其第二直线滑块(26)通过第二连接板(27)与第二丝杆螺母(21)固定在一起，实现同步运动；所述控制模块(6)固定在回转平台(1)上，由所述无线遥控器(5)发送指令，进而控制第一电机(2)、第二电机(3)、第三电机(4)；所述无线输送模块(7)将压力传感器获得的数据传送给电脑显示装置(8)，所述电脑显示装置(8)接收后自动处理数据，同步生成图表，显示相应的科氏加速度大小和方向。
2.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述第一滚珠丝杆(11)的两端分别安装有第一行程开关和第二行程开关，并通过第一带座轴承(28)和第二带座轴承(29)固定在回转平台(1)上；所述第二滚珠丝杆(20)的两端分别安装有第三行程开关和第四行程开关，并通过第三带座轴承(30)和第四带座轴承(31)固定在回转平台(1)上；所述第一滚珠丝杠螺母机构和第二滚珠丝杠螺母机构绕回转平台(1)的回转中心对称布置；当丝杆螺母处于最大或最小行程状态时，会压迫行程开关，行程开关再将信号传给控制模块(6)，进而控制模块(6)会自动改变丝杆螺母的运行方向，使其具有往复运动的功能。
3.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述第一感应盒(13)和第二感应盒(22)的顶部均设有挡块(32)，用于防止钢球运动过程中跃出感应盒。
4.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述回转平台(1)的外围设置有平台回转槽(33)，使其在工作过程中始终处于平台回转槽(33)内。
5.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述控制模块(6)包括有电源、电源开关、蓝牙模块、单片机模块，工作时，通过所述蓝牙模块接收无线遥控器(5)的信号指令，再通过所述单片机模块控制电源开关，实现第一电机、第二电机和第三电机的启动、停止、速度调节和正反转控制；所述控制模块(6)在控制第二电机(3)和第三电机(4)时，控制指令是对等的，控制第二电机(3)和第三电机(4)同时运动，用来模拟科氏加速度的相对运动。
6.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述第一光轴导向机构包括有第一光轴(34)及滑动安装在该第一光轴(34)上的第一直线滑块(17)，所述第一光轴(34)的两端通过第五带座轴承(35)和第六带座轴承(36)固定在回转平台(1)上；所述第二光轴导向机构包括有第二光轴(37)及滑动安装在该第二光轴(37)上的第二直线滑块(26)，所述第二光轴(37)的两端通过第七带座轴承(38)和第八带座轴承(39)固定在回转平台(1)上。
7.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述无线输送模块(7)有两个，分别安装在第一连接板(18)和第二连接板(27)上。
8.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述机架(9)上安装有推力圆柱滚子轴承(40)，所述回转平台(1)安装在推力圆柱滚子轴承(40)上。
9.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述回转平台(1)的外围设有防护罩(41)。
10.根据权利要求1所述的一种科氏加速度演示仪，其特征在于：所述第一电机(2)、第二电机(3)和第三电机(4)均为速度可调的交流电机、步进电机或直流电机；所述第一压力传感器(14)、第二压力传感器(15)、第三压力传感器(23)和第四压力传感器(24)均为压力应变片。
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