CN109015601A - 一种用于仿生鱼鳍的piv水池实验的直线运动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，包括直线运动控制系统、滑动系统、轨道系统、框架结构和拉伸加强结构，通过步进电机驱动滚珠丝杠的转动实现丝杠螺母连带滑动系统在轨道系统上的滑动，从而实现与滑动系统安装在一起的鱼鳍运动控制箱体的直线运动。本发明具有精度高、结构可靠、易于控制等优点，能够有效的用于仿生鱼鳍的PIV是水池实验中，解决了目前针对仿生鱼鳍实验的开展多面临的困难，具有广阔的科研应用价值。

Description

一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，特别是涉及一种利用步进电机和滚柱丝杠实现鱼鳍运动控制箱体在水中进行直线运动的装置，进而实现仿生鱼鳍模拟自然界真实鱼类直线游动时鱼体上的鳍的运动。

背景技术

鱼类经过长时间的自然选择和进化，演变出了出色的水中游动性能，鱼类的这种优越的游动性能是借助鱼体上的各种鳍完成的，例如尾鳍、胸鳍、背鳍和腹鳍等，鱼类通过摆动身体上的各种鳍实现自身的定速定向和快速机动等各种运动。

当今世界各国越发重视海洋的开发，许多国家都提出各自的海洋战略，一个沿海国家的海上力量将直接决定着这一国家未来的生存能力。

水下航行器作为一种人类探索和开发海洋的工具，得到了快速的发展，然而常规水下航行器依靠驱动螺旋桨为自身提供动力，造成水下航行器航行速度较低，机动性能差。

以鱼类为灵感的仿生水下航行器应用而生，设计和制造仿生水下航行器最关键的一点在于详细深入的了解鱼类优越的游动背后的机理，即鱼类在游动过程中身体上的各种鳍周围的流场特征，借助PIV流场测量装置对仿生鱼鳍在模拟鱼体上的鳍的运动下，仿生鱼鳍周围的流场进行测量，只有了解了内在的机理，才能够设计出吸纳了鱼类游动有点的仿生水下航行器，否则只是在纸上谈兵或者是盲目喧嚣。

目前针对鱼鳍的PIV流场测量实验较少，尚未发现有配套于鱼鳍PIV水池实验的直线运动控制装置。

发明内容

针对以上技术的不足，本发明提供一种结构可靠、精度高、操控性能优越的直线运动控制装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，包括直线运动控制系统、滑动系统、轨道系统、框架结构和拉伸加强结构；其特征在于：直线运动控制系统包括有步进电机、滚珠丝杠、滚珠丝杠固定座、滚珠丝杠支承座、丝杠螺母座和丝杠螺母；滑动系统包括滑块、滑块支撑板、滑块连接板和丝杠螺母座连接架；轨道系统包括有步进电机安装板、滚珠丝杠固定座安装架、滚珠丝杠支承座安装架和滑轨；滚珠丝杠的一端的和步进电机的输出轴连接在一起，另一端安装着滚珠丝杠支承座；丝杠螺母座和丝杠螺母固定在一起，丝杠螺母与滚珠丝杠配合在一起；滑块支撑板两端各安装有一个滑块，滑块支撑板两端的滑块与滑轨配合在一起；滑块连接板两端各安装有一个滑块支撑板，丝杠螺母座连接架安装在滑块连接板的中间部位；丝杠螺母座下表面和丝杠螺母座连接架上表面连接在一起。

直线运动控制系统还设有步进电机支架，步进电机支架将步进电机与轨道系统中的步进电机安装板固定在一起。

轨道系统还设有触碰开关，在滑轨的两端各安装有一个触碰开关。

框架结构由金属型材框架、夹紧横梁和螺纹丝杠组成。

轨道系统还设有轨道固定件将滑轨和框架结构中的金属型材框架固定在一起，轨道固定件为直角形，其底边和垂边分别设有安装孔A和安装孔B。

角铝的两端各安装有一个斜角支架，角铝和这两个斜角支架组成拉伸加强结构；角铝两端的斜角支架又分别与滑轨和金属型材框架连接在一起。

滑块连接板下表面与鱼鳍运动控制箱体连接在一起，鱼鳍运动控制箱体实现鱼鳍的运动。

本发明的主要特点和优势如下。

1、采用步进电机作为动力来源，将滚珠丝杠的旋转运动转化为丝杠螺母的直线运动，结构可靠，可控性强，且控制精度高。

2、采用滑轨和滑块的组合模式，实现滑动系统的直线滑动运动，摩擦力小，降低了步进电机的负载，且滑动精度高。

3、滚柱丝杠和丝杠螺母配合的结构具有自锁功能，能够有效的保护胸鳍运动控制箱体，即步进电机断电时，胸鳍运动控制箱体将被自锁，无法自由滑动。

4、在滑轨的两端安装有触碰开关，当步进电机失控时，能够对装置进行有效的保护。

附图说明

图1为直线运动控制装置进行仿生鱼鳍的PIV水池实验时总体结构示意图。

图2为直线运动控制装置总体结构示意图。

图3为直线运动控制系统、滑动系统和轨道系统安装方式结构示意图。

图4为直线运动控制系统和轨道系统安装方式结构示意图。

图5为滑动系统结构示意图。

图6为直线运动控制系统结构示意图。

图7为滑轨和轨道固定件安装结构示意图。

图8为框架结构和滑轨安装结构示意图。

图9为框架结构。

图10为拉伸加强结构。

图11为轨道固定件安装方式结构示意图。

其中1是步进电机，2是步进电机支架，3是步进电机安装板，4是滚柱丝杠，5是滚柱丝杠固定座，6是滚珠丝杠固定座安装架，7是滚珠丝杠支承座，8是滚珠丝杠支承座安装架，9是滑轨，10是滑块，11是滑块支撑板，12是滑块连接板，13是丝杠螺母座连接架，14是丝杠螺母座，15是丝杠螺母，16是轨道固定件，17是斜角支架，18是角铝，19是金属型材框架，20是夹紧横梁，21是螺纹丝杠，22是鱼鳍运动控制箱体，23是鱼鳍，24安装孔A，25安装孔B，26是触碰开关。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及技术优势，兹列举以下实施例，以下结合附图对本发明做更详细的描述。

以装置的直线运动控制系统进行描述，结合图6，步进电机1安装在步进电机支架2上，步进电机1的输出轴和滚珠丝杠4连接在一起，步进电机1工作时带动滚珠丝杠4的转动；滚珠丝杠4靠近步进电机1的一端安装有滚柱丝杠固定座5，滚珠丝杠4从滚柱丝杠固定座5中穿过，滚柱丝杠固定座5限制滚珠丝杆4轴向的滑动而不限制旋转运动，在滚珠丝杠4的另一端安装着滚珠丝杠支承座7，在滚柱丝杠固定座5和滚珠丝杠支承座7的作用下，滚珠丝杠4沿其轴向的运动被锁死，而绕其轴线的旋转运动不受约束；在滚珠丝杠4上安装着丝杠螺母15，丝杠螺母15又和丝杠螺母座14安装在一起，步进电机1通过驱动滚珠丝杠4的转动，实现丝杠螺母15连带着丝杠螺母座14沿着滚珠丝杠4轴线的直线运动。

结合图5，丝杠螺母座14和丝杠螺母座连接架13安装在一起，丝杠螺母座连接架13安装在滑块连接板12上，滑块连接板12两端各安装有一个滑块支撑板11，在滑块支撑板11的两端各安装有一个滑块10，从而丝杠螺母座14的运动实现整个滑动系统的运动。

结合图3和图4，步进电机支架2和步进电机安装板3安装在一起，步进电机安装板3两端分别与一个滑轨9连接在一起；滚柱丝杠固定座5安装在滚珠丝杠固定座安装架6上，滚珠丝杠固定座安装架6两端分别与一个滑轨9连接在一起；每一个滑块支撑板11两端的的滑块10与一个滑轨9配合在一起；滚珠丝杠支承座7安装在滚珠丝杠支承座安装架8上，滚珠丝杠支承座安装架8两端分别与一个滑轨9连接在一起；从而直线运动控制系统、轨道系统和滑动系统构成本发明的整个动力与运动系统。

结合图7，在每个滑轨9上安装着两个轨道固定件16，安装位置位于滚珠丝杠固定座安装架6和滚珠丝杠支承座安装架8之间，在每个滑轨9上各安装有两个触碰开关26，以防止步进电机1失控造成装置的损坏。

结合图10，角铝18的两端各安装有一个斜角支架17，这两个斜角支架17和角铝18构成装置的拉伸加强结构。

结合图8和图11，固定件16为直角形结构，其底边和垂边设有安装孔A24和安装孔B25，固定件16的底边通过安装孔A24和滑轨9连接在一起，固定件16的垂边通过安装孔B25和金属型材框架19连接在一起，从而实现滑轨9和金属型材框架19安装在一起；角铝18两端的斜角支架17分别与金属型材框架19和滑轨9连接在一起，起到加强滑轨9的作用，防止较大的载荷造成滑轨9的变形。

结合图2和图9，金属型材框架19与滑轨9平行的两侧各安装有两个夹紧横梁20，同侧的两个夹紧横梁20通过两个螺纹丝杠21和横梁紧紧地夹在一起，从而实现金属型材框架19和横梁固定在一起。

结合图1，鱼鳍运动控制箱体22和滑块连接板12的下表面连接在一起，从而实现步进电机1驱动鱼鳍运动控制箱体22在滑轨9上的直线移动，鱼鳍运动控制箱体22控制鱼鳍23模拟自然界鱼类摆动身体上鳍的运动模式，同时鱼鳍运动控制箱体22又在步进电机1的驱动下模拟鱼类的直线游动，从而实现鱼鳍23模拟自然界鱼类在直线游动下身体上鳍的摆动运动，借助PIV流场测量装置，即可对鱼鳍23周围的流场特征进行测量和研究。

Claims (7)

1.一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，包括直线运动控制系统、滑动系统、轨道系统、框架结构和拉伸加强结构；其特征在于：直线运动控制系统包括有步进电机（1）、滚珠丝杠（4）、滚珠丝杠固定座（5）、滚珠丝杠支承座（7）、丝杠螺母座（14）和丝杠螺母（15）；滑动系统包括滑块（10）、滑块支撑板（11）、滑块连接板（12）和丝杠螺母座连接架（13）；轨道系统包括有步进电机安装板（3）、滚珠丝杠固定座安装架（6）、滚珠丝杠支承座安装架（8）和滑轨（9）；滚珠丝杠（4）的一端的和步进电机（1）的输出轴连接在一起，另一端安装着滚珠丝杠支承座（7）；丝杠螺母座（14）和丝杠螺母（15）固定在一起，丝杠螺母（15）与滚珠丝杠（4）配合在一起；滑块支撑板（11）两端各安装有一个滑块（10），滑块支撑板（11）两端的滑块（10）与滑轨（9）配合在一起；滑块连接板（12）两端各安装有一个滑块支撑板（11），丝杠螺母座连接架（13）安装在滑块连接板（12）的中间部位；丝杠螺母座（14）下表面和丝杠螺母座连接架（13）上表面连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，其特征在于：直线运动控制系统还设有步进电机支架（2），步进电机支架（2）将步进电机（1）与轨道系统中的步进电机安装板（3）固定在一起。

3.根据权利要求1所述的一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，其特征在于：轨道系统还设有触碰开关（26），在滑轨（9）的两端各安装有一个触碰开关（26）。

4.根据权利要求1所述的一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，其特征在于：框架结构由金属型材框架（19）、夹紧横梁（20）和螺纹丝杠（21）组成。

5.根据权利要求1或4所述的一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，其特征在于：轨道系统还设有轨道固定件（16）将滑轨（9）和框架结构中的金属型材框架（19）固定在一起，轨道固定件（16）为直角形，其底边和垂边分别设有安装孔A（24）和安装孔B（25）。

6.根据权利要求1或4所述的一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，其特征在于：角铝（18）的两端各安装有一个斜角支架（17），角铝（18）和这两个斜角支架（17）组成拉伸加强结构；角铝（18）两端的斜角支架（17）又分别与滑轨（9）和金属型材框架（19）连接在一起。

7.根据权利要求1所述的一种用于仿生鱼鳍的PIV水池实验的直线运动控制装置，其特征在于：滑块连接板（12）下表面与鱼鳍运动控制箱体（22）连接在一起，鱼鳍运动控制箱体（22）实现鱼鳍（23）的运动。