CN113155449B - 一种非接触式移动副动力学实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式移动副动力学实验平台，包括驱动电机、刚性联轴器、扭矩传感器、弹性联轴器、曲柄盘、输出轴、紧固件、连杆、调节手柄、导轨支撑柱、滑块、光电传感器、第一导轨、第二导轨、轴承座、机架。所述驱动电机通过所述刚性联轴器与所述扭矩传感器连接，再通过所述弹性联轴器与所述曲柄盘连接，所述连杆的一端与所述曲柄盘连接，所述连杆的另一端通过所述紧固件与所述滑块上的安装孔连接，所述滑块与所述第一导轨、所述第二导轨形成一个完整的移动副。采用本发明的技术方案，可实现滑块与滑轨间隙的无级调节，并且能够有效区分滑块运动过程中的自由状态和碰撞现象，解决了移动副间隙动力学研究的实验技术问题。

Description

一种非接触式移动副动力学实验平台

技术领域

本发明涉及机械设计领域，特别是涉及一种非接触式移动副动力学实验平台。

背景技术

随着医疗器械、宇航技术、机器人技术及精密机械等高精尖技术的发展，工程实际应用对机械系统的精度要求越来越高，从而使得机械系统动力学要深入研究的影响因素也越来越多。机械系统动力学研究中，除要考虑机械系统中机械元件的弹性和柔性、机械系统的动力平衡、制造和装配误差及摩擦磨损等因素外，还要考虑运动副间隙这一重要因素。

专利文件CN106205343A公开了一种磁性四杆机构实验仪，其主要技术方案是：磁性四杆机构实验仪，包括四根杆件，各杆件首尾同一表面上各固定一圆形磁铁，四根杆件首尾磁铁吸合可构成一四杆机构，其中一杆件有圆形磁铁的表面还固定一长条形磁铁，另一杆件有圆形磁铁的表面在两磁铁之间还固定一圆形磁铁，由此，该四杆实验仪可用于四杆机构存在周转副条件的研究讨论教学，可用于演示各种基本型四杆机构，还可用于曲柄滑块机构的演示，因为巧妙地应用了磁铁，从而实现了在没有机械铰销情况下实现铰接运动，在没有滑块情况下实现直线滑移运动，结构简单，操作方便，易于保存，拆开后还可以当磁吸用于在铁制表面固定物品。此发明利用磁铁实现滑块与滑轨之间的无机械铰销连接，缺点在于无法保证滑块的滑行环境与实际环境间的相似度，且不能调整滑块与滑轨间的间隙值，不利于问题的进一步研究和探讨。

专利文件CN107389330A公开了一种间隙式组合型平面四杆机构实验装置，其主要技术方案是：该实验装置能实现四连杆机构和曲柄滑块机构间相互转换。滑块固定在导轨上，曲柄、连杆和摇杆通过对应的第一旋转副、第二旋转副和第三旋转副组成四连杆机构;拆去四连杆机构中的摇杆，滑块的套简轴装入连杆的套筒，滑块与导轨松开，组成曲柄滑块机构。每个旋转副的间隙分别通过改变各自套筒的内径实现，移动副的间隙通过改变衬板的厚度实现。此发明具有结构简单和机构转换方便，能实现旋转副和移动副间隙的灵活调整，从而能准确测试旋转副和移动副的间隙对平面四杆机构动态特性的影响。此发明通过改变预先准备的不同内径、不同厚度的衬板实现改变间隙，缺点在于得到的每个间隙值均为理论间隙值，由于加工误差及装配误差造成的实际间隙值并不等于理论间隙值，并由此造成实验误差，无法进行深层次的研究。

在实际生产生活中，为保证机械零件顺利装配和运动副的正常运动，间隙是不可避免的。由间隙引起的接触碰撞力将会严重影响系统的动态响应，使其偏离理想状态，进而降低机械系统的性能和寿命。因此对机构间隙的研究是非常有必要的。

目前，对移动副间隙的理论研究已经有了较多的成果，但是对实验的探究还存在一些不足，主要表现如下：

1、现有的实验装置对移动副间隙的研究通常局限于单一间隙，对移动副间隙的调整没有精确的方式。

2、现有的实验装置对移动副间隙的研究通常通过连杆加速度间接测量其对整个系统的动力学性能影响，或者在滑块上直接安装传感器，缺乏对滑块运动状态的直接监测，难以保证真实还原滑块的运动状态。

3、现有的实验装置对移动副间隙的研究未区分移动副的接触状态和自由状态，也缺乏对在自由状态向接触状态的转化过程中必然发生两移动副元素碰撞现象和碰撞力的研究。

4、现有的实验装置对移动副间隙研究的适应性不够，缺乏更加灵活的组装拆卸结构。

发明内容

为了克服上述实验装置中存在的不足，本发明提出一种非接触式移动副动力学实验平台方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非接触式移动副动力学实验平台，包括：驱动电机1、刚性联轴器2、扭矩传感器3、弹性联轴器4、曲柄盘5、输出轴6、紧固件7、连杆8、调节手柄9、导轨支撑柱10、滑块11、光电传感器12、第一导轨13、第二导轨14、轴承座15、机架16。

所述实验平台内部设有机架16，所述机架16上设有驱动电机1、扭矩传感器3、轴承座15；所述驱动电机1的输出轴向前延伸，通过刚性联轴器2与扭矩传感器3连接，所述扭矩传感器3的输出轴向前延伸，通过弹性联轴器4与输出轴6的一端连接，所述输出轴6的另一端穿过轴承座15与曲柄盘5的中心安装孔连接，所述曲柄盘5上设有对称的连杆安装通孔及配重安装孔，连杆安装通孔与连杆8的一端连接，连杆8的另一端通过紧固件7与滑块11上的安装孔连接，所述滑块11与第一导轨13、第二导轨14形成一个完整的移动副。

所述第一导轨13和第二导轨14的底端设有移动块，移动块可在导轨支撑柱10的轨道中滑动，移动块中心设有螺纹通孔，所述调节手柄9的轴上设有对应的螺纹，调节手柄9安装在移动块的中心螺纹通孔中。为达到调整滑块11与滑轨间间隙的目的，所述第一导轨13与导轨支撑柱10保持相对固定，可旋动调节手柄9通过调节手柄9与移动块的螺纹配合使第二导轨14的移动块在导轨支撑柱10的轨道中移动，从而改变第一导轨13与第二导轨14之间的间距，达到调整移动副间隙的目的。

所述滑块11分为上下两个部分，下半部分嵌入第一导轨13与第二导轨14的轨道中，上半部分在左右两侧分别设有光电传感器12安装位置及定位孔，所述光电传感器12通过紧固件7安装在滑块11的光电传感器安装位置中，并通过定位孔进行定位，安装完毕后，光电传感器12的下表面应与第一导轨13和第二导轨14的上表面保持贴合。

本发明的操作方法如下：

步骤1：将两个光电传感器12通过紧固件7安装到滑块11上；

步骤2：旋动两侧的调节手柄9，将导轨与滑块间的间隙进行调零操作；

步骤3：启动电机，驱动电机1通过刚性联轴器2、扭矩传感器3、柔性联轴器4、输出轴6、曲柄盘5、连杆8驱动滑块11在第一导轨13与第二导轨14间的凹槽做往复运动；

步骤4：记录扭矩传感器3以及光电传感器12测得的数据；

步骤5：将数据传至计算机进行处理，分析滑块的实时状态，区分运动过程的碰撞及自由滑动状态；

步骤6：关闭驱动电机1，旋动调节手柄9，将导轨与滑块11间的间隙调整到合适的位置；

步骤7：重复步骤3，记录不同间隙值下的实验数据；

步骤8：对比不同间隙值的实验结果，验证理论结果。

所述光电传感器12测量原理基于光电鼠标工作原理，由二极管发射出平行光线至平面透镜上，经平面透镜反射后，到达第二平面透镜上，又经第二平面透镜反射至滑块上表面，所述滑块上表面的光线经凸透镜折射至摄像头中成像，摄像头将所记录的图像输出，经过计算机处理后得到测量点的移动轨迹。

优选的，所述刚性联轴器2为十字滑块联轴器。

优选的，所述弹性联轴器为4弹性柱销联轴器。

优选的，所述第一导轨13为移动副的左侧导轨，通过其底部移动块与导轨支撑柱10连接。

优选的，所述第二导轨14为移动副的右侧导轨，通过其底部移动块与导轨支撑柱10连接。

优选的，所述紧固件7为不同直径的轴套和销轴。

本发明的优点体现在：

1.针对背景技术中的滑轨间隙调整方式，改进点在于参考了螺旋测微仪工作原理，通过调节手柄上的螺纹驱动导轨运动，避免破坏滑块与导轨的接触面，使滑块的内侧面与导轨的外表面保持合适的正对面积，同时可通过相关的计算得到手柄每移动一定角度的导轨移动量，从而确定滑块与导轨间的间隙调整值，便于间隙调整。

2.针对背景技术中的滑块运动检测方式，改进点在于直接在滑块上安装测量装置，测量装置与滑轨之间采用无接触式测量，即实现对滑块运动的直接检测又不会对滑块的运动形成干扰，能直观的反映滑块的真实运动状态，探究滑块与滑轨间间隙对整个系统的影响。

3.针对背景技术中滑块的接触状态和自由状态以及碰撞现象的区分，改进点在于通过测量装置所产生的数据可以实时的记录滑块任意时刻的位置和状态，结合对各时段滑块移动轨迹的分析，则可得到滑块的接触状态、自由运动状态以及滑块的碰撞现象。

4.针对背景技术中移动副间隙研究适应性，改进点在于采用无接触式测量，这意味着可以任意改变移动副的安装形式，只需通过改变滑块上对应的传感器安装位置，即可实现测量，且若在滑块侧面增加传感器测量，便可获得滑块的空间运动状态，极大地提高了移动副间隙研究的适应性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的正面轴测图。

图2为本发明的正面轴测图的部分剖切图。

图3为本发明的曲柄盘主视图。

图4为本发明的滑块导轨装配图以及手柄刻度局部放大图。

图5为本发明的滑块轴测图。

图6为本发明的导轨支撑柱轴测图。

图7为本发明的光电传感器安装套轴测图、俯视图以及斜视图。

图中：驱动电机1、刚性联轴器2、扭矩传感器3、弹性联轴器4、曲柄盘5、输出轴6、紧固件7、连杆8、调节手柄9、导轨支撑柱10、滑块11、光电传感器12、第一导轨13、第二导轨14、轴承座15、机架16。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非接触式移动副动力学实验平台，包括：驱动电机1、刚性联轴器2、扭矩传感器3、弹性联轴器4、曲柄盘5、输出轴6、紧固件7、连杆8、调节手柄9、导轨支撑柱10、滑块11、光电传感器12、第一导轨13、第二导轨14、轴承座15、机架16。

所述实验平台内部设有机架16，所述机架16上设有驱动电机1、扭矩传感器3、轴承座15；所述驱动电机1的输出轴向前延伸，通过刚性联轴器2与扭矩传感器3连接，所述扭矩传感器3的输出轴向前延伸，通过弹性联轴器4与输出轴6的一端连接，所述输出轴6的另一端穿过轴承座15与曲柄盘5的中心安装孔连接，所述曲柄盘5上设有对称的连杆安装通孔及配重安装孔，连杆安装通孔与连杆8的一端连接，连杆8的另一端通过紧固件7与滑块11上的安装孔连接，所述滑块11与第一导轨13、第二导轨14形成一个完整的移动副。

所述第一导轨13和第二导轨14的底端设有移动块，移动块可在导轨支撑柱10的轨道中滑动，移动块中心设有螺纹通孔，所述调节手柄9的轴上设有对应的螺纹，调节手柄9安装在移动块的中心螺纹通孔中。为达到调整滑块11与滑轨间间隙的目的，所述第一导轨13与导轨支撑柱10保持相对固定，可旋动调节手柄9通过调节手柄9与移动块的螺纹配合使第二导轨14的移动块在导轨支撑柱10的轨道中移动，从而改变第一导轨13与第二导轨14之间的间距，达到调整移动副间隙的目的。

所述滑块11分为上下两个部分，下半部分嵌入第一导轨13与第二导轨14的轨道中，上半部分在左右两侧分别设有光电传感器12安装位置和定位孔，所述光电传感器12安装在滑块11的光电传感器安装位置中，并通过定位孔进行定位，安装完毕后，所述光电传感器12的下表面应与第一导轨13和第二导轨14的上表面保持贴合。

所述光电传感器12测量原理基于光电鼠标工作原理，由二极管发射出平行光线至平面透镜上，经平面透镜反射后，到达第二平面透镜上，又经第二平面透镜反射至滑块11上表面，滑块11上表面的光线经凸透镜折射至摄像头中成像，所述摄像头将所记录的图像输出，经过计算机处理后得到测量点的移动轨迹。

本发明的操作方法如下：

步骤1：将两个光电传感器12通过紧固件7安装到滑块11上；

步骤2：旋动两侧的调节手柄9，将导轨与滑块间的间隙进行调零操作；

步骤3：启动电机，驱动电机1通过刚性联轴器2、扭矩传感器3、柔性联轴器4、输出轴6、曲柄盘5、连杆8驱动滑块11在第一导轨13与第二导轨14间的凹槽做往复运动；

步骤4：记录扭矩传感器3以及光电传感器12测得的数据；

步骤5：将数据传至计算机进行处理，分析滑块的实时状态，区分运动过程的碰撞及自由滑动状态；

步骤6：关闭驱动电机1，旋动调节手柄9，将导轨与滑块11间的间隙调整到合适的位置；

步骤7：重复步骤3，记录不同间隙值下的实验数据；

步骤8：对比不同间隙值的实验结果，验证理论结果。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种非接触式移动副动力学实验平台，其特征在于：所述实验平台包括：驱动电机（1）、刚性联轴器（2）、扭矩传感器（3）、弹性联轴器（4）、曲柄盘（5）、输出轴（6）、紧固件（7）、连杆（8）、调节手柄（9）、导轨支撑柱（10）、滑块（11）、光电传感器（12）、第一导轨（13）、第二导轨（14）、轴承座（15）、机架（16）；

所述实验平台内部设有机架（16），机架（16）上设有驱动电机（1）、扭矩传感器（3）、轴承座（15）；驱动电机（1）通过刚性联轴器（2）与扭矩传感器（3）连接，扭矩传感器（3）通过弹性联轴器（4）与输出轴（6）连接，所述输出轴（6）与曲柄盘（5）连接，所述曲柄盘（5）上设有对称的连杆安装通孔及配重安装孔，所述连杆（8）通过紧固件（7）与滑块（11）连接，所述滑块（11）与第一导轨（13）、第二导轨（14）形成一个完整的移动副；

所述第一导轨（13）和第二导轨（14）的底端设有移动块，移动块可在导轨支撑柱（10）的轨道中滑动，移动块中心设有螺纹通孔，所述调节手柄（9）的轴上设有对应的螺纹，调节手柄（9）安装在移动块的中心螺纹通孔中；所述第一导轨（13）与导轨支撑柱（10）保持相对固定，可通过调节手柄（9）与移动块的螺纹配合使第二导轨（14）的移动块在导轨支撑柱（10）的轨道中移动，从而改变第一导轨（13）与第二导轨（14）之间的间距；

所述滑块（11）分为上下两个部分，下半部分嵌入第一导轨（13）与第二导轨（14）的轨道中，上半部分在左右两侧分别设有光电传感器（12）安装位置和定位孔，所述光电传感器（12）通过紧固件（7）安装在滑块（11）的光电传感器（12）安装位置中，并通过所述定位孔进行定位，安装完毕后，光电传感器（12）的下表面应与第一导轨（13）和第二导轨（14）的上表面保持贴合；

所述实验平台的操作方法如下：

步骤1：将两个光电传感器（12）通过紧固件（7）安装到滑块（11）上；

步骤2：旋动两侧的调节手柄（9），将导轨与滑块间的间隙进行调零操作；

步骤3：启动电机，驱动电机（1）通过刚性联轴器（2）、扭矩传感器（3）、柔性联轴器（4）、输出轴（6）、曲柄盘（5）、连杆（8）驱动滑块（11）在第一导轨（13）与第二导轨（14）间的凹槽做往复运动；

步骤4：记录扭矩传感器（3）以及光电传感器（12）测得的数据；

步骤5：将数据传至计算机进行处理，分析滑块的实时状态，区分运动过程的碰撞及自由滑动状态；

步骤6：关闭驱动电机（1），旋动调节手柄（9），将导轨与滑块（11）间的间隙调整到合适的位置；

步骤7：重复步骤3，记录不同间隙值下的实验数据。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式移动副动力学实验平台，其特征在于：所述第一导轨（13）为移动副的右侧导轨，通过其底部移动块与导轨支撑柱（10）连接。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式移动副动力学实验平台，其特征在于：所述第二导轨（14）为移动副的左侧导轨，通过其底部移动块与导轨支撑柱（10）连接。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式移动副动力学实验平台，其特征在于：所述紧固件（7）为不同直径的轴套和销轴。

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