CN108510865A - 一种平衡球滚动控制示教系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡球滚动控制示教系统装置，包括平台架以及摆动杆和平衡球，摆动杆设有直线导轨副；直线导轨副包括直线导轨和导轨滑块；平台架中安装有滚珠丝杠副，滚珠丝杠副包括受步进电机驱动的丝杠和丝杠滑块，丝杠滑块与导轨滑块相连接；平台架上安装在单片机，摆动杆上设有平衡球位置传感器，平台架中装有上限位置传感器和下限位置传感器，单片机依据平衡球位置传感器反馈的平衡球滚动位置信号、上限位置传感器反馈的丝杠滑块的上限信号和下限位置传感器反馈的丝杠滑块的下限信号控制步进电机，步进电机旋转驱动滚珠丝杠副利用直线导轨副调节摆动杆的倾斜角度，实现平衡球在摆动杆上静止或做周期性往复滚动的精控示教。

Description

一种平衡球滚动控制示教系统装置

技术领域

本发明涉及教学仪器的设计技术，特别是一种平衡球滚动控制示教系统装置。

背景技术

目前，现有的小球滚动控制系统中，主要是采用悬线控制摆杆角度的方法，这种方式精度性相对较差，并且数学模型也较为复杂，较难实现小球的精确控制。同时现有专利对小球滚动整体系统结构框架的设计也存在一定的缺陷，造成可靠性不高，且在控制算法软件上也没有相关的具体描述细节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供性能稳定、控制精确，能加深学生对自动控制相关概念理解与应用掌握的一种平衡球滚动控制示教系统装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种平衡球滚动控制示教系统装置，包括作为基础平台的平台架以及左端经横转轴转动铰链在平台架中的摆动杆和设置在该摆动杆上能沿摆动杆导向来回滚动的平衡球，摆动杆的右端为自由端，该摆动杆的右端设有直线导轨副；直线导轨副包括固定在摆动杆右端一侧面上的直线导轨和与该直线导轨滑动配合的导轨滑块；平台架中纵向安装有滚珠丝杠副，滚珠丝杠副包括受步进电机驱动的丝杠和与丝杠螺旋配合能沿丝杠上下移动的丝杠滑块，丝杠滑块与导轨滑块相连接；平台架上安装在单片机，摆动杆上间隔设有多个与单片机信号相连的平衡球位置传感器，平台架中安装有用于限定丝杠滑块移动最大上限的上限位置传感器和用于限定丝杠滑块移动最大下限的下限位置传感器，单片机依据平衡球位置传感器反馈的平衡球滚动位置信号以及上限位置传感器反馈的丝杠滑块的上限信号和下限位置传感器反馈的丝杠滑块的下限信号经内部综合运算处理后电信号控制步进电机的旋转方向，该步进电机旋转驱动滚珠丝杠副利用直线导轨副带动摆动杆以横转轴为旋转轴心上下旋转调节摆动杆的倾斜角度控制平衡球的预定运动轨迹，实现平衡球在摆动杆上静止或做周期性往复滚动的精控示教。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的摆动杆为断面呈正方形的铝合金空心管，该摆动杆的上端面成型有凹入的用于为平衡球的滚动提供导向的轨道槽，平衡球放置在该轨道槽中，摆动杆的左端设置有限定平衡球处于最左端位置的左限位挡板，该摆动杆的右端设置有限定平衡球处于最右端位置的右限位挡板。

上述的直线导轨加工有燕尾形导向槽道，导轨滑块设置于该燕尾形导向槽道中并能沿燕尾形导向槽道来回滑动，导轨滑块的横截面呈梯形结构，该导轨滑块上成型有与丝杠滑块转动相连接的连接柱。

上述的丝杠的外周面加工有外螺纹，丝杠滑块加工有与该外螺纹螺旋配合的螺纹孔，丝杠滑块成型有连接腔，连接柱伸入到该连接腔中，并且连接柱位于连接腔的部分上套装有使导轨滑块能相对丝杠滑块旋转连接的推力轴承以及防止推力轴承脱出的挡圈。

上述的平台架为由四根立柱、四根长横杆和至少四根短横杆通过焊接或通过三角件组装构成的一种长立方形框架；横转轴的两端定位支撑在两相应的立柱上，摆动杆的左端加工有转轴孔，该转轴孔中安装有与横转轴转动穿设配合的摆动杆轴承。

上述的摆动杆上采用自攻螺钉安装有传感器支架，传感器支架呈L形，平衡球位置传感器安装在传感器支架上。

上述的摆动杆上间隔设有三个平衡球位置传感器，三个平衡球位置传感器由左至右依次为A0传感器、A1传感器和A2传感器。

上述的单片机的型号为MSP430或PLC S7-1200；轨道槽为球弧形轨道槽或为梯形轨道槽。

与现有的技术相比，本发明的装置上安装有单片机，摆动杆上安装有用于将检测到的平衡球的滚动位置信号反馈给单片机的平衡球位置传感器，单片机利用平衡球位置传感器反馈的信号经内部综合运算处理后电信号控制步进电机的正反旋转方向，通过步进电机旋转驱动滚珠丝杠副，再由滚珠丝杠副的丝杠滑块通过直线导轨副带动摆动杆以横转轴为旋转轴心上下旋转，调节摆动杆的倾斜角度控制平衡球的预定运动轨迹，实现平衡球在摆动杆上静止、加速、减速或做周期性往复滚动的精控示教。

本发明性能稳定，能对平衡球的位置、速度及加速度等多种物理量进行精确的操控示教，加深学生对自动控制相关概念的理解和掌握，提高学生对机电专业的学习兴趣。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是本发明的摆动杆、直线导轨副和滚珠丝杠副的装配连接剖视图；

图4是本发明摆动杆的剖视结构图；

图5是本发明丝杠滑块的剖视结构图；

图6是本发明摆动杆的梯形轨道槽的示意简图；

图7是本发明平衡球在摆动杆上做周期性往复滚动的控制算法示意图之一；

图8是本发明平衡球在摆动杆上的控制算法示意图之二。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

其中的附图标记为：推力轴承A、挡圈B、平台架1、立柱11、长横杆12、短横杆13、三角件14、横转轴2、摆动杆3、轨道槽3a、左限位挡板31、右限位挡板32、平衡球4、直线导轨副5、直线导轨51、尾形导向槽道51a、导轨滑块52、连接柱521、滚珠丝杠副6、丝杠61、丝杠滑块62、连接腔62a、螺纹孔62b、步进电机7、平衡球位置传感器8、传感器支架81、上限位置传感器91、下限位置传感器92。

为提高学生对机电专业的学习兴趣，加深对自动控制相关概念的理解与应用掌握，故此本发明提出了一种平衡球滚动控制示教系统装置，此装置旨在利用摆动杆的角度倾斜，控制小球即平衡球滚动的运动轨迹，涉及小球位置、速度及加速度等多种物理量的精确操控，同时也可结合小球运动过程中数学物理模型的建立，将自动控制中的定时、中断、循环扫描等方法巧妙引入其中，达到较好的控制效果。

如图1至图8所示，本发明的一种平衡球滚动控制示教系统装置，包括作为基础平台的平台架1以及左端经横转轴2转动铰链在平台架1中的摆动杆3和放置在该摆动杆3上能沿摆动杆3的长度方向导向来回滚动的平衡球4。平台架1为由四根立柱11、四根长横杆12和至少四根短横杆13通过焊接构成的一种长立方形框架，或者是通过三角件14和四通件组装构成的一种长立方形框架；横转轴2的两端定位支撑在两相应的立柱11上，摆动杆3的左端加工有转轴孔，该转轴孔中固定安装有摆动杆轴承，横转轴2转动穿套在摆动杆轴承的内孔中。摆动杆3的左端通过摆动杆轴承与横转轴2转动支撑相配合，摆动杆3的右端为自由端，该摆动杆3的右端一侧面固定设有直线导轨副5；直线导轨副5包括固定在摆动杆3右端一侧面上的直线导轨51和滑动设置在直线导轨51上的导轨滑块52；导轨滑块52能沿直线导轨51的长度方向自由的滑动。平台架1中纵向安装有滚珠丝杠副6，滚珠丝杠副6包括受步进电机7驱动的丝杠61和与丝杠61螺旋配合丝杠滑块62，丝杠61的外周面加工有外螺纹，丝杠滑块62加工有与丝杠61的外螺纹螺旋配合的螺纹孔62b，丝杠61旋转时在丝杠61的外螺纹和螺纹孔62b中的内螺纹的相互作用下，丝杠滑块62能沿丝杠61上下移动。丝杠滑块62与导轨滑块52相连接，使导轨滑块52能随丝杠滑块62一起联动。使导轨滑块52能在直线导轨51中左右滑动的同时带动摆动杆3的右端上下移动，实现摆动杆3倾斜角度的调节。

本发明的平台架1上安装在单片机，单片机的型号为MSP430或PLC S7-1200；摆动杆3上间隔设有多个与单片机信号相连的平衡球位置传感器8，平衡球位置传感器8用于检测平衡球4在某一时间点所处的位置信息，平台架1中呈上下设置还安装有上限位置传感器91和下限位置传感器92，上限位置传感器91用于限定丝杠滑块62移动的最大上限位，丝杠滑块62的最大上限位也就决定了摆动杆3的右端相对水平线向上的倾斜角度，而下限位置传感器92用于限定丝杠滑块62移动的最大下限，同样丝杠滑块62移动的最大下限也就决定了摆动杆3的右端相对水平线向下的倾斜角度，摆动杆3相对水平线向上的倾斜角度和摆动杆3相对水平线向下的倾斜角度决定了摆动杆3的摆动幅度。本发明通过单片机来进行智能控制，实现对平衡球的位置、速度及加速度等多种物理量的精确操控示教。单片机依据平衡球位置传感器8反馈的平衡球滚动位置信号以及上限位置传感器91反馈的丝杠滑块62的上限信号和下限位置传感器92反馈的丝杠滑块62的下限信号经内部综合运算处理后，输出控制电信号控制步进电机7的旋转方向，即根据要求控制步进电机7正向旋转或反向旋转。步进电机7旋转驱动滚珠丝杠副6的丝杠61，丝杠61的旋转又驱动丝杠滑块62作上下直线运动，丝杠滑块62通过导轨滑块52带动直线导轨51，使与直线导轨51固定相连的摆动杆3以横转轴2为旋转轴心上下旋转，从而调节摆动杆3的倾斜角度，达到控制平衡球4预定运动轨迹的目的，实现平衡球4在摆动杆3上作静止、加速或做周期性往复滚动等的精控示教，以加深学生对自动控制相关概念的理解和掌握，提高学生对机电专业的学习兴趣。

实施例中，本发明的摆动杆3为断面呈正方形的铝合金空心管，该摆动杆3的上端面成型有凹入的用于为平衡球4的滚动提供导向的轨道槽3a，平衡球4放置在该轨道槽3a中。轨道槽3a可以为图4所示的球弧形轨道槽，也可以是如图6所述的梯形轨道槽。总之其目的是既要能保证平衡球4的顺利滚动，还要保证平衡球4不会脱离轨道槽3a，又要便于学生观察平衡球4的滚动过程。本发明还在摆动杆3的左端设置有限定平衡球4处于最左端位置的左限位挡板31，该摆动杆3的右端设置有限定平衡球4处于最右端位置的右限位挡板32。左限位挡板31和右限位挡板32既能防止平衡球4滚出轨道槽3a，也能对平衡球4滚动的启始位和终止位进行定义。

实施例中，直线导轨51加工有燕尾形导向槽道51a，导轨滑块52设置于该燕尾形导向槽道51a中并能沿燕尾形导向槽道51a来回滑动，导轨滑块52的横截面呈梯形结构，该导轨滑块52上成型有与丝杠滑块62转动相连接的连接柱521。导轨滑块52与丝杠滑块62间采用转动相连接，使导轨滑块52能相对丝杠滑块62转动，能避免两者因应力损坏。

为了便于导轨滑块52与丝杠滑块62的连接安装，实施例中，本发明的丝杠滑块62成型有连接腔62a，连接柱521伸入到该连接腔62a中，并且连接柱521位于连接腔62a的部分上套装有使导轨滑块52能相对丝杠滑块62旋转连接的推力轴承A以及防止推力轴承A脱出的挡圈B。

实施例中，本发明的摆动杆3上采用自攻螺钉安装有传感器支架81，传感器支架81呈L形，平衡球位置传感器8安装在传感器支架81上。

实施例中，本发明的摆动杆3上间隔设有三个平衡球位置传感器8，三个平衡球位置传感器8由左至右依次为A0传感器、A1传感器和A2传感器。

本发明的平衡球滚动控制示教系统装置，该装置可实现的示教功能及软件算法如下：

1、可实现摆动杆3的水平定位，其主要实现方法是：

首先通过单片机控制步进电机7带动丝杠61旋转，使摆动杆3右端低速向下运动，当运动至下限位时即限定丝杠滑块62移动的最大下限位，减速停止。而后步进电机7反向快速运动，使摆动杆3到达水平位置(位移量能经准确测量后给定)；此时，将一小球即平衡球4放在摆动杆3上的任意位置，小球静止不动。

2、将小球放置摆动杆3的最左端即左限位挡板31限定的左端位置，通过控制摆杆倾斜一定的角度，使其滚动起来，经过平衡球位置传感器8时，通过软件实时扫描可触发相应开关，并通过调整摆动杆3的角度来控制小球的预定运动轨迹。最终可使小球在摆动杆上做周期性往复滚动，控制则由单片机控制实现。具体算法框图如图7所示：

3、通过测量摆动杆3上任意连续两点间的小球滚动时间，可测量当前摆动杆3的倾斜角度，此项可采用单片机中的定时中断结合外部中断的方式来实现，外部中断主要用于将平衡球位置传感器8的信号输入至控制系统内部，用于触发定时中断开启累计毫秒个数，直至小球滚动到下一检测点时即下一个平衡球位置传感器8时，停止计数，所统计的时间可用于改变摆动杆3的倾角，以控制小球的预定走位。其具体算法如图8所示。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种平衡球滚动控制示教系统装置，包括作为基础平台的平台架(1)以及左端经横转轴(2)转动铰链在平台架(1)中的摆动杆(3)和设置在该摆动杆(3)上能沿摆动杆(3)导向来回滚动的平衡球(4)，其特征是：所述的摆动杆(3)的右端为自由端，该摆动杆(3)的右端设有直线导轨副(5)；所述的直线导轨副(5)包括固定在摆动杆(3)右端一侧面上的直线导轨(51)和与该直线导轨(51)滑动配合的导轨滑块(52)；所述的平台架(1)中纵向安装有滚珠丝杠副(6)，所述的滚珠丝杠副(6)包括受步进电机(7)驱动的丝杠(61)和与丝杠(61)螺旋配合能沿丝杠(61)上下移动的丝杠滑块(62)，所述的丝杠滑块(62)与导轨滑块(52)相连接；所述的平台架(1)上安装在单片机，所述的摆动杆(3)上间隔设有多个与单片机信号相连的平衡球位置传感器(8)，所述的平台架(1)中安装有用于限定丝杠滑块(62)移动最大上限的上限位置传感器(91)和用于限定丝杠滑块(62)移动最大下限的下限位置传感器(92)，所述的单片机依据平衡球位置传感器(8)反馈的平衡球滚动位置信号以及上限位置传感器(91)反馈的丝杠滑块(62)的上限信号和下限位置传感器(92)反馈的丝杠滑块(62)的下限信号经内部综合运算处理后电信号控制步进电机(7)的旋转方向，该步进电机(7)旋转驱动滚珠丝杠副(6)利用直线导轨副(5)带动摆动杆(3)以横转轴(2)为旋转轴心上下旋转调节摆动杆(3)的倾斜角度控制平衡球(4)的预定运动轨迹，实现平衡球(4)在摆动杆(3)上静止或做周期性往复滚动的精控示教。

2.根据权利要求1所述的一种平衡球滚动控制示教系统装置，其特征是：所述的摆动杆(3)为断面呈正方形的铝合金空心管，该摆动杆(3)的上端面成型有凹入的用于为平衡球(4)的滚动提供导向的轨道槽(3a)，所述的平衡球(4)放置在该轨道槽(3a)中，所述的摆动杆(3)的左端设置有限定平衡球(4)处于最左端位置的左限位挡板(31)，该摆动杆(3)的右端设置有限定平衡球(4)处于最右端位置的右限位挡板(32)。

3.根据权利要求2所述的一种平衡球滚动控制示教系统装置，其特征是：所述的直线导轨(51)加工有燕尾形导向槽道(51a)，所述的导轨滑块(52)设置于该燕尾形导向槽道(51a)中并能沿燕尾形导向槽道(51a)来回滑动，所述的导轨滑块(52)的横截面呈梯形结构，该导轨滑块(52)上成型有与丝杠滑块(62)转动相连接的连接柱(521)。

4.根据权利要求3所述的一种平衡球滚动控制示教系统装置，其特征是：所述的丝杠(61)的外周面加工有外螺纹，所述的丝杠滑块(62)加工有与该外螺纹螺旋配合的螺纹孔(62b)，所述的丝杠滑块(62)成型有连接腔(62a)，所述的连接柱(521)伸入到该连接腔(62a)中，并且连接柱(521)位于连接腔(62a)的部分上套装有使导轨滑块(52)能相对丝杠滑块(62)旋转连接的推力轴承(A)以及防止推力轴承(A)脱出的挡圈(B)。

5.根据权利要求4所述的一种平衡球滚动控制示教系统装置，其特征是：所述的平台架(1)为由四根立柱(11)、四根长横杆(12)和至少四根短横杆(13)通过焊接或通过三角件(14)组装构成的一种长立方形框架；所述的横转轴(2)的两端定位支撑在两相应的立柱(11)上，所述的摆动杆(3)的左端加工有转轴孔，该转轴孔中安装有与横转轴(2)转动穿设配合的摆动杆轴承。

6.根据权利要求5所述的一种平衡球滚动控制示教系统装置，其特征是：所述的摆动杆(3)上采用自攻螺钉安装有传感器支架(81)，所述的传感器支架(81)呈L形，所述的平衡球位置传感器(8)安装在传感器支架(81)上。

7.根据权利要求6所述的一种平衡球滚动控制示教系统装置，其特征是：所述的摆动杆(3)上间隔设有三个平衡球位置传感器(8)，三个所述的平衡球位置传感器(8)由左至右依次为A0传感器、A1传感器和A2传感器。

8.根据权利要求7所述的一种平衡球滚动控制示教系统装置，其特征是：所述的单片机的型号为MSP430或PLC S7-1200；所述的轨道槽(3a)为球弧形轨道槽或为梯形轨道槽。