CN108760008A - 一种自平衡机构 - Google Patents
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Abstract
一种自平衡机构，包括机架，机架通过上轴系与铝型材框架相连，上轴系上设置有角度传感器，角度传感器用于控制在安装在铝型材框架上的丝杆系统，丝杆系统带动铝型材框架相对于上轴系产生力矩的改变，铝型材框架与上浮动轴系的套筒相连。基于负反馈的自平衡的机构，传动技术使用丝杠螺母，具有“机电一体化”特征，并使得机构原理上比较简单，系统安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及平衡机构技术领域，特别涉及一种自平衡机构。
背景技术
杠杆定律在现实生活中运用广泛，小至剪刀、启瓶器，大至天平、钳子、起重机、塔吊等等，自平衡配重机构使用配重系统作为机构受力补充，利用重力原理与杠杆定律，使得机构具有趋向水平状态的自平衡能力，并且能够实时调平，该方法结构简单、成本低。目前，自平衡机构已经授权、公开的专利包括《自动平衡重力秤》(申请号：CN89217250.9公告号：CN2063627)；《一种重力式自动平衡升降机》(申请号：CN201520742898.X公告号：CN205061498U)；《一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置》(申请号：CN201510793190.1公告号：CN105384120A)；《一种自平衡杠杆式加载装置及其使用方法》(申请号：CN201610331292.6公告号：CN106053205A)等。但在以上这些自平衡装置中，有的例如《自动平衡重力秤》由于传动系统稳定性不高限制了其调平性能的提高，有的例如《一种自平衡杠杆式加载装置及其使用方法》则结构过于复杂，《一种基于重力自平衡的自动调平方法及装置》采用悬挂式，在安全性上限制了其在其他方面例如体重称量方面的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自平衡机构，基于负反馈的自平衡的机构，传动技术使用丝杠螺母，具有“机电一体化”特征，并使得机构原理上比较简单，系统安全可靠。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种自平衡机构，包括机架2，机架2通过上轴系9与铝型材框架8相连，所述的上轴系9上设置有角度传感器，角度传感器用于控制在安装在铝型材框架8上的丝杆系统，丝杆系统带动铝型材框架8相对于上轴系9产生力矩的改变，所述的铝型材框架8与上浮动轴系7的套筒相连。
所述的丝杆系统包括与角度传感器相连的丝杠10，丝杠10通过螺母与配重11相连，配重11沿导轨12滑动，铝型材框架8上连接导轨12。
所述的配重11呈现“M”型，中间与丝杠螺母连接，两端为配重支座，配重11通过螺栓固定于支座上，支座通过螺钉固定在滑块上，导轨12通过螺钉固定在铝型材框架8上，提供安全保护的行程开关安装在导轨12两侧。
所述的配重11和导轨12构成的单自由度平衡机构使用前馈和反馈算法进行闭环控制。
所述的上轴系9为两部分的半轴组成，上轴系9的套筒通过螺钉固定于铝型材框架8上，两个半轴之间的空间用于安装固定角度传感器。
所述的铝型材框架8通过上浮动轴系7与竖杆6相连，竖杆6上固定有平台5，平台5下方与液压阻尼系统3连接，液压阻尼3底部通过地脚螺栓固定于地面上。
所述的机架2通过下连杆4、竖杆6和铝型材框架8构成罗伯维尔机构。
本发明的有益效果：
一方面本发明适用于称量的场合，提供准确的称重功能；另一方面本发明同时简单易懂地展示了称重的原理，有一定的教学和展示价值。
通过铝型材框架8的设计，在极限载荷下，导轨12和丝杠10的挠度变形都在可接受范围内，同时铝型材框架8本身为配重11提供了机械上的位置限制，使得结构更加安全可靠，在导轨12两侧，安装了保护机构安全的行程开关，整体机构安全可靠，当配重11触及到行程开关时，运动部件将会停机；
本发明在体重秤装置中使用了单侧的罗伯维尔机构，由机架2、下连杆4、竖杆6和构成上连杆的铝型材框架8，组合成平行四边形平衡机构，此结构使得称重的重量在平台5上的分布，对整体不平衡量的力臂没有任何影响，使得配重11在平台上移动产生的不平衡量，关于被称量重量的线性程度良好。
本发明采取了前馈和反馈控制的算法，针对电机和机械系统的特性在电机控制逻辑方面进行了进一步优化，并最终得到了适合于电机控制的，冲击小运行平稳的控制算法。
附图说明
图1是本发明试验装置的结构示意图。
图2是本发明的局部放大示意图。
图3是本发明的机电控制逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1图2所示：一种自平衡机构，在铝型材框架8上连接着直线导轨，上面有活动的配重11，配重11收到滚珠丝杆10驱动，在轴向方向上做直线运动，驱动滚珠丝杠运动的电机和联轴器同样固定在铝型材框架8上，滚珠丝杠通过对置的双排推力角接触轴承和一个深沟球轴承配合固定在安装在铝型材框架8上的轴承座中，控制的器件在基座2当中布置，提供负反馈调节。
本发明可应用于多个领域，现以一种基于自平衡机构的体重秤为例，包括底座1，组装的机架2固定连接在底座1上，机架2下部通过一套轴系与下连杆4相连，下连杆4通过一套浮动轴系与竖杆6连接，在竖杆6上，布置有提供给人站立的平台5和液压的液压阻尼3，为了保证安全，扶手安装在平台5上面，在竖杆6上方，通过上浮动轴系7与铝型材框架充当的上横杆连接；机架2上部通过两个对称放置的耳轴作为的上轴系9与铝型材框架8充当的上横杆相连。
参照图1和图2，一种自平衡机构，安装在铝型材框架8上，铝型材框架8的右半部分为电机系统与丝杠系统。电机驱动丝杆10运动，位于基架2与铝型材框架8交叉处，在图中被遮挡，大致与上轴系9位置重合。电机系统各部分直接通过螺钉固定于铝型材框架8上。丝杠系统包括丝杠10、配重11及其支座、导轨滑块12。丝杠前端通过联轴器与电机输出轴连接，尾端的轴承座通过螺钉固定在铝型材框架上，螺母处通过螺钉与配重11的支座相连。配重11呈现“M”型，中间与丝杠10螺母连接，两端为配重支座，配重11通过螺栓固定于支座上，支座通过螺钉固定在滑块上。导轨12通过螺钉固定在铝型材框架8上。
应用自平衡机构的体重秤，包括底座1，基架2由多个部件焊接后整体加工出上下的孔后通过螺栓固定在底座1，基架2下方的孔用于安装下轴系，下轴系上安装有抱闸系统，并通过键连接的下横杆与下浮动轴系连接，下浮动轴系通过竖杆6与上浮动轴系7连接，竖杆6与上下浮动轴系、横杆与浮动轴系均为键连接。用于用户站立的平台5(包括扶手)通过螺栓与竖杆6固定，平台5下方与液压阻尼系统3连接，液压阻尼3底部通过地脚螺栓固定于地面上。
上浮动轴系7的套筒通过螺钉与3030的铝型材搭建的框架8固定。铝型材框架8类似于杠杆，其中支点为基座2上方的孔处安装的上轴系9。上轴系9为两部分的半轴组成，上轴系9的套筒通过螺钉固定于铝型材框架8上，两个半轴之间的空间用于安装固定电机控制系统。
如图3所示，本发明的控制原理框为：使用角度编码器测量角度作为实际角度，作为系统不平衡量，与理想控制目标的不平衡量进行差分，经过一个前馈和反馈复合的控制器转成电机转角，其中转角由配重位置经由传动运动公式计算得出，使用反馈闭环将控制产生的实际值与理论值的差异尽可能降到最低。
本发明的工作原理：
铝型材框架8通过上轴系9与机架2连接。丝杠10、配重11、导轨滑块12安装在铝型材框架8上，配重11与丝杠10配套的螺母连接。上轴系9上安装有角度传感器，可检测铝型材框架8相对上轴系9的转动角度。以此为依据控制电机系统转动，电机系统可控制丝杠10转动，使螺母带动配重11沿导轨12滑动，配重11的重力通过导轨12对铝型材框架8产生的作用力作用的位置发生改变，相对上轴系9的力矩发生改变。用户站立支撑由平台5提供，平台5被固定在竖杆6上，竖杆6与铝型材框架8通过上浮动轴系7连接，用户的重力由此传递到铝型材框架8上，产生相对上轴系9的力矩。通过持续控制电机转动，配重11重力产生的力矩与用户重力产生的力矩平衡，铝型材框架达到受力平衡。上轴系9由机架2，基座1提供支撑。
Claims (7)
1.一种自平衡机构，其特征在于，包括机架(2)，机架(2)通过上轴系9与铝型材框架(8)相连，所述的上轴系(9)上设置有角度传感器，角度传感器用于控制在安装在铝型材框架(8)上的丝杆系统，丝杆系统带动铝型材框架(8)相对于上轴系(9)产生力矩的改变，所述的铝型材框架(8)与上浮动轴系(7)的套筒相连。
2.根据权利要求1所述的一种自平衡机构，其特征在于，所述的丝杆系统包括与角度传感器相连的丝杠(10)，丝杠(10)通过螺母与配重(11)相连，配重(11)沿导轨(12)滑动，铝型材框架(8)上连接导轨(12)。
3.根据权利要求2所述的一种自平衡机构，其特征在于，所述的配重(11)呈现“M”型，中间与丝杠螺母连接，两端为配重支座，配重(11)通过螺栓固定于支座上，支座通过螺钉固定在滑块上，导轨(12)通过螺钉固定在铝型材框架(8)上，提供安全保护的行程开关安装在导轨(12)两侧。
4.根据权利要求2所述的一种自平衡机构，其特征在于，所述的配重(11)和导轨(12)构成的单自由度平衡机构使用前馈和反馈算法进行闭环控制。
5.根据权利要求1所述的一种自平衡机构，其特征在于，所述的上轴系(9)为两部分的半轴组成，上轴系(9)的套筒通过螺钉固定于铝型材框架(8)上，两个半轴之间的空间用于安装固定角度传感器。
6.根据权利要求1所述的一种自平衡机构，其特征在于，所述的铝型材框架(8)通过上浮动轴系(7)与竖杆(6)相连，竖杆(6)上固定有平台(5)，平台(5)下方与液压阻尼系统(3)连接，液压阻尼(3)底部通过地脚螺栓固定于地面上。
7.根据权利要求1所述的一种自平衡机构，其特征在于，所述的机架(2)通过下连杆(4)、竖杆(6)和铝型材框架(8)构成罗伯维尔机构。
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