CN105045201A - 一种坡度可调的坡度实验装置 - Google Patents

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Abstract

一种坡度可调的坡度实验装置，包括控制机构、坡面工作台和坡度调整机构，控制机构由控制器、控制系统和步进电机驱动系统组成，坡面工作台包括平面板与两块斜面板，坡度调整机构包括底槽、齿形轨道、齿轮和滑块机构，底槽设有支撑平面板的支撑柱，并在底槽内设置凸台，齿形轨道为沿底槽长度方向上下平行设置的两条，其中一条滑动设置在凸台上，齿轮设置在两条齿形轨道之间并和两条齿形轨道啮合后，由步进电机驱动系统中的步进电机驱动转动，所述滑块机构由滑块和设置在斜面板上的供滑块滑动的滑槽组成，滑块与齿形轨道的一端活动连接。本发明结构精巧，操作方便，角度调节精确度高，尤其适用于要求保持坡面的高度不变的坡度实验。

Description

一种坡度可调的坡度实验装置
技术领域
本发明属机械自动控制领域，具体涉及一种坡度可调的实验装置。
背景技术
目前在研究山羊爬坡等坡度实验中，缺少一种坡度可任意调整的实验装置。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。因此，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种坡度可调的实验装置，以改善目前坡度实验研究中，实验装置不能任意调整角度的现状。
为了解决上述技术问题，发明采用的技术方案是：一种坡度可调的坡度实验装置，包括控制机构、坡面工作台以及坡度调整机构，其中控制机构由控制器、控制系统以及步进电机驱动系统组成，坡面工作台包括平面板与两块斜面板，两块斜面板的一端分别转动连接在平面板的两条相对的边上，坡度调整机构包括底槽、齿形轨道、齿轮以及滑块机构，底槽上设有支撑平面板的支撑柱，并在底槽内设置一个凸台，凸台两侧为坡度调整过程中斜面板下端的活动空间，所述的齿形轨道为两条，并沿底槽长度方向上下平行设置，其中一条齿形轨道滑动设置在凸台台面上，所述齿轮设置在两条齿形轨道之间并和两条齿形轨道啮合，所述滑块机构由滑块和设置在斜面板上的供滑块滑动的滑槽组成，滑块与齿形轨道的一端活动连接，步进电机驱动系统中的步进电机与所述齿轮连接，控制系统通过控制器控制步进电机驱动齿轮转动，由齿轮带动两根齿形轨道向相反的方向同步移动，齿形轨道驱动滑块沿滑槽滑动，以同步调整两个斜面板的坡度。
优选的，所述的两条齿形轨道以齿轮为中心成中心对称分布。
优选的，所述的控制系统采用MCGS。
优选的，所述的控制器采用PLC控制器。
优选的，在坡面工作台两侧的底槽开口处盖有覆盖板，覆盖板的一端顶在斜面板上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明可以根据实验的要求调整坡面的坡度，结构精巧，操作方便，角度调节精确度高，尤其适用于要求保持坡面的高度不变的坡度实验；
第二，将齿轮固定于步进电机上，作为动力传动机构，其运动情况与受脉冲控制的步进电机的运动情况一致；同时齿轮与两条齿形轨道啮合，通过齿轮的动力传动作用，将步进电机的运动状态传递给齿形轨道，驱动两条齿形轨道朝相反的方向运动，可以保证使用一台步进电机同时同步调整两个坡面的坡度，并使得该齿形轨道的水平位移同该齿轮的运动同步，进而保持两个坡面的坡度一致；
第三，由于平面板的高度是固定的，因此要想改变坡面的坡度，就需要改变坡面的长度，坡面是由斜面板形成的，斜面板的总长度是固定的，而由于驱动斜面板活动的齿形轨道设置在凸台上，其高度也是固定的，因此，要改变坡面的长度就必须改变平面板与凸台之间斜面板的有效长度，所以，在齿形轨道端部活动连接一滑块，使得齿形轨道带动滑块沿斜面板上的滑槽滑动，在滑块滑动的过程中就可调整平面板与凸台之间斜面板的有效长度，即调整坡面的坡度，而且由于斜面板坡度调整过程中，斜面板下端高度要低于齿形轨道所在平面的高度，因此，需要将本发明的坡面工作台置于底槽的凸台上，使得构成坡面的斜面板能够在凸台两侧的底槽空间范围内活动；
第四，两条齿形轨道以齿轮为中心成中心对称分布，可使两根齿形轨道的运动保持同步，具体分析如下：以坡度增大为例，当坡面的坡度增大时，平面板需要上升，具体动作过程如下：控制器控制步进电机工作，步进电机带动齿轮以角速度ω顺时针旋转，齿轮进而带动齿形轨道运动，即位于齿轮上方的齿形轨道在齿轮的带动下，以齿轮的线速度v向右移动，与此同时，位于齿轮下方的齿形轨道在齿轮的带动下，以齿轮的线速度v向左移动，故两块斜面板所成的坡度一致。同理，当坡度减小时，在齿轮的带动下，位于齿轮上下的两条齿形轨道同时运动，使两块斜面板同时达到需要的坡度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中底槽的结构示意图。
图3是本发明中斜面板与滑块机构配合的示意图。
图4是本发明的坡度变化示意图。
图中标记：1、斜面板，2、平面板，3、支撑柱，4、覆盖板，5、底槽，6、凸台，7、齿形轨道，8、齿轮，9、滑块，10、滑槽。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1~3所示：一种坡度可调的坡度实验装置，包括控制机构、坡面工作台以及坡度调整机构，其中控制机构由控制器、控制系统以及步进电机驱动系统组成，控制系统采用MCGS，控制器为PLC控制器，步进电机驱动系统包括步进电机驱动器和步进电机；
所述坡面工作台包括平面板2和两块斜面板1，平面板2和斜面板1均为长1m,宽0.5m的长方形木板，平面板2的两个宽边分别与斜面板1的一个宽边通过合页转动连接，以形成两个坡面；
所述坡度调整机构包括底槽5、齿形轨道7、齿轮8以及滑块机构，底槽5为长4m，宽0.5m的长方体槽，并在底槽5中部设置凸台6，凸台6上表面与底槽5上边沿水平，凸台6长2m，宽0.5m，凸台6两侧分别留有1m的空间，所述平面板2的两个长边分别支撑在底槽5上竖直设置的支撑柱3上，沿底槽5长度方向上下平行设置两条齿形轨道7，齿形轨道7上的齿条相对设置，所述齿轮8竖直设置在两条齿形轨道7之间，并同时与两条齿形轨道7啮合，所述的滑块机构由滑块9和供滑块9滑动的滑槽10组成，并且滑槽10设置在所述斜面板1的下表面，滑块9活动设置在齿形轨道7的一端；
步进电机驱动系统中的步进电机与所述齿轮8连接，控制系统通过控制器控制步进电机驱动齿轮8转动，由齿轮8带动两条齿形轨道7向相反的方向同步移动，齿形轨道7驱动滑块9沿滑槽10滑动，以同步调整两个斜面板1的坡度。
优选的，所述的两条齿形轨道7的长度相同，并且两条齿形轨道7以齿轮8为中心成中心对称分布。
优选的，该实验装置还包括两块覆盖板4，当坡面的坡度调整完成后，将覆盖板4分别盖到坡面工作台两侧的底槽5开口处，并使得覆盖板4一端顶在斜面板1上，覆盖板4为长为1.2m,宽为0.8m的长方形木板。
优选的，所述齿形轨道7通过转轴转动设置在滑块9上，并且该转轴垂直于滑槽10的长度方向。
MCGS、PLC控制器和步进电机驱动系统均为现有技术，对其结构不做详细描述。
在该坡度可调整的坡度实验装置中，选用步进电机作为该实验装置的动力，而步进电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，脉冲信号的频率和脉冲数由作为控制器的PLC通过指令进行控制，而PLC工作指令的控制和实验装置工作过程的监测工作由作为控制系统的MCGS实现。
在调整坡度时，利用MCGS进行坡度实验装置的坡度设置、工作过程的可视化监测等操作，实现人机交互的功能，通过控制器PLC进行所需脉冲数n的控制，然后通过步进驱动器进行步进电机的相关设置，在完成相关准备工作之后，由步进电机带动齿轮8转动，通过齿轮8的动力传动作用，拖动齿形轨道7水平移动，进而通过滑块机构带动斜面板1围绕与平面板2转动连接的合页轴转动，最终实现坡面坡角的改变，达到坡度可任意调整的效果，在完成坡度调整后，将覆盖板4盖在坡面一侧的底槽5开口处，并顶在斜面板1上。
下面结合图4，对本发明的坡度调整过程作进一步的详细分析。
坡度是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的垂直高度h和水平距离l的比叫做坡度。该实验装置在坡度调整过程中，平面板与凸台之间的垂直高度h保持不变。
如图4所示：等腰梯形ABCD和等腰梯形AB＇C＇D为两个坡度不同的坡面工作台的示意图，两个等腰梯形的底角α和β分别为坡面的坡角，坡角的正切值即为坡度，其中线段AD表示平面板，AB、CD、AB＇、C＇D均表示斜面板，即坡面；
当坡面工作台的坡角为α时，，则；
当坡面工作台的坡角为β时，，则；
因此，在坡面工作台的坡角由α变为β时，斜面板下端在水平方向的位置由B点变为B＇点，斜面板的水平位移为 ，由于斜面板的运动是齿形轨道拖动的原因，且由运动学规律可知，齿形轨道的水平运动位移等于斜面板的水平位移，故当坡面工作台的坡度发生变化，坡角由α变为β时，齿形轨道在水平方向上的移动距离为。
在该坡度实验装置中，由步进电机作为动力驱动，通过齿轮的动力传动作用拖动轨道移动，改变坡角，进而改变该实验装置的坡度。该实验装置中，所选步进电机的步距角为 ，则该步进电机旋转一周所需的脉冲数为，故每个脉冲对应的线位移为。
当对该坡度实验装置的坡度进行调整时，斜面板的坡角由α变为β，斜面板下端在水平方向上的位置由B点变为B＇点，带动斜面板运动的齿形轨道在水平方向上的移动距离为，即齿轮的线位移为，因此，步进电机所需的脉冲数为。
在该坡度可调整的坡度实验装置中，选用步进电机作为该实验装置的动力，而步进电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，脉冲信号的频率和脉冲数由作为控制器的PLC通过指令进行控制，而PLC工作指令的控制和实验装置工作过程的监测工作由作为控制系统的MCGS实现。
在调整坡度时，利用MCGS进行坡度实验装置的坡度设置、工作过程的可视化监测等操作，实现人机交互的功能，通过控制器PLC进行所需脉冲数n的控制，然后通过步进驱动器进行步进电机的相关设置，在完成相关准备工作之后，由步进电机带动齿轮转动，通过齿轮的动力传动作用，拖动轨道水平移动，进而通过滑块机构带动斜面板围绕与平面板转动连接的合页轴转动，最终实现坡面坡角的改变，达到坡度可任意调整的效果，在完成坡度调整后，将覆盖板盖在坡面一侧的底槽开口处，并顶在斜面板上。

Claims (5)

1.一种坡度可调的坡度实验装置，其特征在于：包括控制机构、坡面工作台以及坡度调整机构，其中控制机构由控制器、控制系统以及步进电机驱动系统组成，坡面工作台包括平面板（2）与两块斜面板（1），两块斜面板（1）的上端分别转动连接在平面板（2）的两条相对的边上，坡度调整机构包括底槽（5）、齿形轨道（7）、齿轮（8）以及滑块机构，底槽（5）上竖直设置支撑平面板（2）的支撑柱（3），并在底槽（5）内设置一个凸台（6），在凸台（6）两端分别留有在坡度调整过程中供斜面板（1）下端活动的活动空间，所述的齿形轨道（7）为两条，并沿底槽长度方向上下平行设置，其中一条齿形轨道（7）滑动设置在凸台（6）台面上，所述齿轮（8）设置在两条齿形轨道（7）之间并和两条齿形轨道（7）啮合，所述滑块机构由滑块（9）和设置在斜面板（1）下表面供滑块（9）滑动的滑槽（10）组成，滑块（9）与齿形轨道（7）的一端活动连接，步进电机驱动系统中的步进电机与所述齿轮（8）连接，控制系统通过控制器控制步进电机驱动齿轮（8）转动，由齿轮（8）带动两条齿形轨道（7）向相反的方向同步移动，齿形轨道（7）分别驱动两个滑块（9）沿滑槽（10）滑动，以同步调整两个斜面板（1）的坡度。
2.根据权利要求1所述的一种坡度可调的坡度实验装置，其特征在于：所述的两条齿形轨道（7）以齿轮（8）为中心成中心对称分布。
3.根据权利要求1所述的一种坡度可调的坡度实验装置，其特征在于：所述的控制系统采用MCGS。
4.根据权利要求1所述的一种坡度可调的坡度实验装置，其特征在于：所述的控制器采用PLC控制器。
5.根据权利要求1所述的一种坡度可调的坡度实验装置，其特征在于：在凸台（6）两端的底槽（5）开口处盖有覆盖板（4），覆盖板（4）的一端顶在斜面板（1）上。
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