CN113834390A - 一种可调节旋转加速释放装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调节旋转加速释放装置及方法，由支撑架、旋转轨道、驱动系统、速度传感器、控制系统和变轨系统组成；支撑架固定于地面，旋转轨道安装在支撑架上，可通过角度调节器调整旋转轨道的安装角度，从而调节物体释放角度；驱动电机安装于旋转轨道中心，驱动传动臂和夹具，带动物体沿旋转轨道旋转，可利用速度传感器对物体旋转速度进行测量；达到释放速度后，通过控制系统操控变轨系统，实现物体释放。本发明能实现在小空间对物体进行旋转加速释放，加速物体尺寸大，释放速度高，释放速度可控，释放角度可调节，操作简便，可靠性高。

Description

一种可调节旋转加速释放装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可调节旋转加速释放装置及方法，可以实现对物体的旋转加速释放，并调节释放角度和释放速度。

背景技术

鱼雷、水下导弹等弹体的入水问题是一个涉及到固、液、气三相耦合的复杂瞬态时变过程，考虑到入水现象的瞬变特性，早期入水问题的研究主要集中于实验验证，通过对结构体模型进行入水实验，得到其入水特性。实验研究是研究物体入水问题的重要研究方法，可以直观地呈现物体入水后的运动轨迹，方便演示入水过程的空泡产生及演变过程，因此实验方法在入水问题的研究中得到了大量的应用。

早期入水实验研究对象以球体与楔形体为主，入水速度较低，且以垂直入水为主；随着高速摄影、计算机技术的迅猛发展，高速入水问题以及倾斜角度入水问题成为新的研究方向，现阶段的加速度施放装置不能满足高速、角度可控的释放需求。

现有加速释放装置通产使用气泵弹射或气枪设计等形式，需要有较长的加速轨道，且通常无法满足将较大尺寸的物体加速到较高速度后释放的要求，释放速度和释放角度难以控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有加速释放装置无法实现在2米以内的小空间内将物体加速至较高速度后释放，以及释放速度与释放角度可控的不足，提供一种可调节物体释放速度与物体释放角度的旋转加速施放装置及方法，能够将物体加速至较高速度后可控释放，为研究运动物体高速、带倾角入水提供实验条件。

本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种可调节旋转加速释放装置，包括支撑架(1)、旋转轨道(2)、驱动系统(3)、速度传感器(4)、控制系统(5)和变轨系统(6)；支撑架(1)通过四个螺钉与地面或地轨固连，起到支撑固定整个装置的作用，材料选取结构钢，保证支撑强度；旋转轨道(2)安装于支撑架(1)上，通过螺钉进行连接，应保证旋转轨道(2)安装中心与支撑架(1)中心位于同一垂线上；驱动系统(3)由转轴(3.1)、驱动电机(3.2)、传动臂(3.3)、夹具(3.4)组成，转轴(3.1)安装于旋转轨道(2)安装中心处，由驱动电机(3.2)驱动转轴(3.1)，带动传动臂(3.3)旋转，夹具(3.4)安装于传动臂(3.3)末端，用于固定要释放的物体。旋转轨道(2)内设有加速轨道和释放轨道，物体加速阶段在加速轨道中运动，此时速度传感器(4)可在加速过程中实时监测物体旋转角速度，以选取合适的发射时机，控制系统(5)可以接收速度传感器(4)实时测量得到的速度信号，与预设的释放速度比对，当传动臂(3.3)带动物体旋转达到预设释放速度时，启动变轨系统(6)，变轨系统(6)包括变轨片(6.1)和弹性开关(6.2)；在接收到控制系统(5)释放的变轨信号时，弹性开关(6.2)开启，带动变轨片(6.1)位置改变；在传动臂的带动下，物体由加速阶段所在的加速轨道，切换到释放轨道，达到变轨效果，物体由加速轨道进入释放轨道，在惯性的作用下飞出轨道释放。

本发明的可调节旋转加速释放方法包括以下步骤：

步骤S1、安装：利用螺钉将支撑架(1)固连于地面或地轨，选取安装角度将旋转轨道(2)安装于支撑架(1)上，保证旋转轨道(2)安装中心与支撑架(1)中心位于同一垂线上；

步骤S2、旋转释放：根据所需要释放的物体的外形(外形尺寸可达数十厘米，质量可达数百克)，选取夹具(3.4)使得物体能紧固在其中不至于脱落，调整夹具(3.4)位置，将物体安装于夹具(3.4)中；在控制系统(5)中输入预设物体释放速度；启动旋转电机(3.2)，带动传动臂(3.3)、夹具(3.4)和物体在加速轨道中旋转；旋转电机步进加速，物体的旋转速度也不断增加，最终达到稳定线速度，速度区间可以达到200m/s-300m/s；速度传感器(4)采集实时旋转角速度，并反馈给控制系统(5)；控制系统(5)将实时旋转角速度与预设释放速度进行对比，当达到预设速度时，启动变轨系统(6)开启弹性开关(6.2)带动变轨片(6.1)，旋转物体由加速轨道进入释放轨道，物体在惯性作用下释放飞出；

步骤S3、速度调整：物体做旋转运动，根据电机旋转的角速度及传动臂的长度，计算得到物体旋转的线速度v；通过选用不同规格的电机，同时控制电机旋转的角速度，根据v＝ω×R，得到精确控制物体旋转的线速度，其中v是物体旋转的线速度，ω是电机旋转的角速度，R是传动臂的长度；当完成一次物体释放后，可以重复以上步骤2过程，重新调节需要的释放速度，释放速度区间可达到200m/s-300m/s，最高速度可以达到300m/s；

步骤S4、角度控制：旋转轨道周边预留有若干组安装螺孔，每组螺孔之间的间距为5°；当选用中间一组螺纹孔安装时，物体的释放方向垂直向下，此时释放角度为0°；通过顺时针或逆时针旋转轨道，选取不同的螺纹孔将旋转轨道安装在支撑架上，实现以5°为级差的释放角度调整，物体的释放角度为5°、-5°、10°、-10°……，最多达到正负30°；

步骤S5、重复所述S2-S4步骤，调整释放速度和释放角度，实现多次重复旋转释放。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明能实现在2米以内的小空间对物体进行旋转加速释放，加速物体尺寸大，释放速度高，释放速度可控，释放角度可调节，操作简便，可靠性高。

(2)本发明通过设计圆形的旋转轨道，同时包含加速段与释放段，避免了传统的气泵或气枪弹射子弹加速方式的局限性，可以实现在2米以内的小空间内对物体的加速，而不必使用较长的加速行程或加速轨道；

(3)本发明可以实现将较大尺寸的物体加速射出的需求。通常的气枪弹射子弹加速方式，加速对象只能是尺寸几厘米、质量几十克的小物体，且外形一般为轴对称形状；而本发明采用步进电机的机械式加速方式，电机的功率可以很大，同时由于采用了旋转加速，加速距离可以很长(即L＝πd，其中L为加速距离，n为旋转的圈数，d为旋转轨道直径)，可以做到将尺寸几十厘米、质量千克量级的物体加速射出；同时对物体的外形形状没有要求，可以实现不规则外形物体的加速释放；

(4)本发明可以实现将物体加速到200m/s-300m/s速度释放。一般采用的气泵弹射或者气枪弹射，释放速度通常在100m/s-150m/s范围内，无法满足高速释放的需求，本发明可以通过选用合适的驱动电机，提供更大的释放速度；

(5)本发明易于调节与测量释放速度。一般采用的气泵弹射或气枪弹射，需要调节气泵压力间接调解释放速度，操作过程较复杂，且子弹的飞行轨迹需要用高精度的速度传感器来捕捉，测量过程对设备要求高；本发明通过机械的方式进行加速，简便可靠，同时电机转速易于测得，简单计算即可得到物体释放的线速度；

(6)本发明易于调节物体释放的角度，通过旋转轨道上预留的相距5°的安装孔位，可以实现物体不同角度释放，满足入水实验的需求，角度调整区间最多可达正负30°。

附图说明

图1为本发明的可调节旋转加速释放装置结构示意图；

图2为本发明的可调节旋转加速释放装置结构分解图。

其中：支撑架1、旋转轨道2、驱动系统3、速度传感器4、控制系统5和变轨系统6；

转轴3.1、驱动电机3.2、传动臂3.3、夹具3.4组成；

变轨片6.1和弹性开关6.2。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1、2所示，本发明的可调节旋转加速释放装置包括：支撑架1、旋转轨道2、驱动系统3、速度传感器4、控制系统5和变轨系统6；

支撑架1通过四个螺钉与地面或地轨固连，起到支撑固定整个装置的作用，形状设计成三角形，起到良好的稳定性；材料选取结构钢，保证支撑强度；旋转轨道2通过预留在边缘的螺纹孔安装于支撑架1上，通过螺钉进行连接，保证旋转轨道2安装中心与支撑架1中心位于同一垂线上；驱动系统3由转轴3.1、驱动电机3.2、传动臂3.3、夹具3.4组成，转轴3.1安装于旋转轨道2安装中心处，由驱动电机3.2驱动转轴3.1，带动传动臂3.3旋转，夹具3.4安装于传动臂3.3末端，用于固定要释放的物体；速度传感器4安装在旋转轨道中心处，可以实时测量旋转加速过程中旋转电机的转速即角速度ω，在加速过程中实时监测，通过以选取发射时机；根据v＝ω×R，即可以得到物体实时旋转的线速度，其中v是物体旋转的线速度，ω是电机旋转的角速度，R是传动臂的长度；

在进行旋转加速前，通过控制系统输入预设的释放速度。在旋转加速过程中，所述控制系统5接收速度传感器4实时测量得到的物体旋转角速度的信号，根据v＝ω×R计算得到物体实时旋转的线速度，并与预设的释放速度比对，当传动臂3.3带动物体旋转达到预设释放速度时，控制系统释放开启信号，启动变轨系统6，物体由加速轨道进入释放轨道，在惯性的作用下飞出轨道释放；

所述变轨系统6包括变轨片6.1和弹性开关6.2。在接收到控制系统5释放的变轨信号时，弹性开关6.2开启，带动变轨片6.1位置改变，此时物体由之前加速段所在的加速轨道，切换到释放轨道，从而达到变轨效果。

本发明与一般采用的气枪弹射或气泵弹射式加速方式相比，通过将加速轨道设计成圆环状，可以将占用空间缩小至1.5米(圆环轨道的直径设计为1.5米)，而气枪弹射或气泵弹射式加速方式的加速轨道一般需要3-4米左右，因此本发明可以将装置所占用的空间缩小一半；

本发明与一般采用的气枪弹射或气泵弹射式加速方式相比，采用步进电机的机械式加速方式，电机的功率可以很大，同时由于采用了旋转加速，加速距离L可以很长(即L＝n·πd，其中L为加速距离，n为旋转的圈数，d为旋转轨道直径)，因此可以实现尺寸几十厘米、质量千克量级的物体加速射出；而气枪弹射或气泵弹射式加速方式采用压力弹射，加速对象一般为子弹体等尺寸几厘米、质量几十克的小物体，本发明可以将可发射物体的尺寸与质量提升十倍以上；

通过设计不同形状的夹具3.4可以实现对不同形状物体的固定、旋转加速以及释放，因此避免了对加速物体外形的限制。一般采用的气枪弹射或气泵弹射式加速方式，其旋转加速对象为子弹体，外形多维轴对称圆柱或锥头圆柱；本发明中设计夹具为爪形，可以牢固夹住外形为圆柱体、长方体、球体等形状的物体；

本发明与一般采用的气枪弹射或气泵弹射式加速方式相比，可以将物体加速至200m/s以上的速度射出，最高速度可到达300m/s。一般采用的气枪弹射或气泵弹射式加速方式为压力弹射，由于气泵中的压力极限限制，不可能产生过大的压力，因此一般只能将物体以100m/s左右的速度射出；本发明采用步进电机的机械式加速方式，根据一般经验公式

其中P为电机功率，T为电机扭矩，n为电机转速；选用更大功率的电机，即可提供更大的转速，从而达到更大的释放速度；

本发明可以精确控制物体释放的速度。当需要以某一特定速度v释放物体时，可根据v＝ω×R倒推电机旋转角速度及转速，从而选择足够规格的电机。当选定了需要物体释放的速度后，通过控制系统输入预设的释放速度。在旋转加速过程中，所述控制系统5接收速度传感器4实时测量得到的物体旋转角速度的信号，根据v＝ω×R计算得到物体实时旋转的线速度，并与预设的释放速度比对。当传动臂3.3带动物体旋转达到预设释放速度v时，控制系统释放开启信号，启动变轨系统6，弹性开关6.2开启，带动变轨片6.1位置改变，此时物体由之前加速段所在的加速轨道，切换到释放轨道，从而达到变轨效果，物体由释放轨道飞出；

本发明可以实现释放物体的释放角度控制。旋转轨道周边预留有若干组安装螺孔，每组螺孔之间的间距为5°；当选用中间一组螺纹孔安装时，物体的释放方向垂直向下，此时释放角度为0°；通过顺时针或逆时针旋转轨道，选取不同的螺纹孔将旋转轨道安装在支撑架上，实现以5°为级差的释放角度调整，物体的释放角度为5°、-5°、10°、-10°……，最多达到正负30°

本发明的可调节旋转加速释放方法包括以下步骤：

步骤S1、安装：利用螺钉将支撑架1固连于地面或地轨，选取安装角度将旋转轨道2安装于支撑架1上，保证旋转轨道2安装中心与支撑架1中心位于同一垂线上；

步骤S2、旋转释放：根据所需要释放的物体的外形(外形尺寸可达数十厘米，质量可达数百克)，选取夹具3.4使得物体能紧固在其中不至于脱落，调整夹具3.4位置，将物体安装于夹具3.4中；在控制系统5中输入预设物体释放速度；启动旋转电机3.2，带动传动臂3.3、夹具3.4和物体在加速轨道中旋转；旋转电机步进加速，物体的旋转速度也不断增加，最终达到稳定线速度，速度区间可以达到200m/s-300m/s；速度传感器4采集实时旋转角速度，并反馈给控制系统5；控制系统5将实时旋转角速度与预设释放速度进行对比，当达到预设速度时，启动变轨系统6开启弹性开关6.2带动变轨片6.1，旋转物体由加速轨道进入释放轨道，物体在惯性作用下释放飞出；

步骤S3、速度调整：物体做旋转运动，根据电机旋转的角速度及传动臂的长度，计算得到物体旋转的线速度v；通过选用不同规格的电机，同时控制电机旋转的角速度，根据v＝ω×R，得到精确控制物体旋转的线速度，其中v是物体旋转的线速度，ω是电机旋转的角速度，R是传动臂的长度；当完成一次物体释放后，可以重复以上过程，重新调节需要的释放速度，释放速度区间可达到200m/s-300m/s，最高速度可以达到300m/s；

步骤S4、角度控制：旋转轨道周边预留有若干组安装螺孔，每组螺孔之间的间距为5°；当选用中间一组螺纹孔安装时，物体的释放方向垂直向下，此时释放角度为0°；通过顺时针或逆时针旋转轨道，选取不同的螺纹孔将旋转轨道安装在支撑架上，实现以5°为级差的释放角度调整，物体的释放角度为5°、-5°、10°、-10°……，最多达到正负30°；

步骤S5、重复所述S2-S4步骤，调整释放速度和释放角度，实现多次重复旋转释放。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可调节旋转加速释放装置，其特征在于包括：支撑架(1)、旋转轨道(2)、驱动系统(3)、速度传感器(4)、控制系统(5)和变轨系统(6)；

支撑架(1)通过四个螺钉与地面或地轨固连，起到支撑固定整个装置的作用，形状设计成三角形，起到良好的稳定性；材料选取结构钢，保证支撑强度；旋转轨道(2)通过预留在边缘的螺纹孔安装于支撑架(1)上，通过螺钉进行连接，保证旋转轨道(2)安装中心与支撑架(1)中心位于同一垂线上；驱动系统(3)由转轴(3.1)、驱动电机(3.2)、传动臂(3.3)、夹具(3.4)组成，转轴(3.1)安装于旋转轨道(2)安装中心处，由驱动电机(3.2)驱动转轴(3.1)，带动传动臂(3.3)旋转，夹具(3.4)安装于传动臂(3.3)末端，用于固定要释放的物体；速度传感器(4)安装在旋转轨道中心处，实时测量旋转加速过程中旋转电机的转速即角速度ω；根据v＝ω×R，即得到物体实时旋转的线速度，其中v是物体旋转的线速度，ω是电机旋转的角速度，R是传动臂的长度；

在进行旋转加速前，通过控制系统输入预设的释放速度；在旋转加速过程中，控制系统(5)接收速度传感器(4)实时测量得到的物体旋转角速度的信号，根据v＝ω×R计算得到物体实时旋转的线速度，并与预设的释放速度比对，当传动臂(3.3)带动物体旋转达到预设释放速度时，控制系统释放开启信号，启动变轨系统(6)，物体由加速轨道进入释放轨道，在惯性的作用下飞出轨道释放；

所述变轨系统(6)包括变轨片(6.1)和弹性开关(6.2)；在接收到控制系统(5)释放的变轨信号时，弹性开关(6.2)开启，带动变轨片(6.1)位置改变；在传动臂的带动下，物体由加速阶段所在的加速轨道，切换到释放轨道，达到变轨效果。

2.根据权利要求1所述的可调节旋转加速释放装置，其特征在于：所述旋转轨道(2)设计成圆环形，分为加速段与释放段；物体在加速段加速，到达预定速度后切换到释放段释放，旋转轨道(2)直径为1.5米，传动臂(3.3)长度设计范围0.5米-0.6米，相比于一般采用的气泵弹射方式(其加速轨道通常需要3-4米)，本发明将加速装置的尺寸缩小一半，无需设计数米长的加速轨道。

3.根据权利要求1所述的可调节旋转加速释放装置，其特征在于：所述旋转轨道(2)边缘预留有若干组螺纹孔，起到与支撑架(1)固连的作用，同时螺纹孔之间相距角度为5°一组，据此调节旋转轨道(2)的安装角度，从而控制物体的释放角度；每组螺孔之间的间距为5°；当选用中间一组螺纹孔安装时，物体的释放方向垂直向下，此时释放角度为0°；通过顺时针或逆时针旋转轨道，选取不同的螺纹孔将旋转轨道安装在支撑架上，实现以5°为级差的释放角度调整，物体的释放角度为5°、-5°、10°、-10°……，最多达到正负30°。

4.根据权利要求1-3任意之一所述的可调节旋转加速释放装置，其特征在于：通过夹具(3.4)设计，将外形尺寸达到数十厘米量级、质量达到数百克量级的物体旋转释放，同时物体的外形变化，只需更换不同的夹具(3.4)即可；夹具设计为爪形，能够牢固夹住外形为圆柱体、长方体或球体形状的物体。

5.根据权利要求1-4任意之一所述的可调节旋转加速释放装置，其特征在于：通过选用不同规格的驱动电机(3.2)，提供不同的旋转角速度，根据v＝ω×R，将物体的旋转释放速度调节至200m/s至300m/s的区间内，实现物体以该速度释放，其中v是物体旋转的线速度，ω是电机旋转的角速度，R是传动臂的长度。

6.一种如权利要求1-5所述的可调节旋转加速释放装置的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、安装：利用螺钉将支撑架(1)固连于地面或地轨，选取安装角度将旋转轨道(2)安装于支撑架(1)上，保证旋转轨道(2)安装中心与支撑架(1)中心位于同一垂线上；

步骤S2、旋转释放：根据所需要释放的物体的外形，选取夹具(3.4)使得物体能紧固在其中不至于脱落，调整夹具(3.4)位置，将物体安装于夹具(3.4)中；在控制系统(5)中输入预设物体释放速度；启动旋转电机(3.2)，带动传动臂(3.3)、夹具(3.4)和物体在加速轨道中旋转；旋转电机步进加速，物体的旋转速度也不断增加，最终达到稳定线速度，速度区间达到200m/s-300m/s；速度传感器(4)采集实时旋转角速度，并反馈给控制系统(5)；控制系统(5)将实时旋转角速度与预设释放速度进行对比，当达到预设速度时，启动变轨系统(6)开启弹性开关(6.2)带动变轨片(6.1)，旋转物体由加速轨道进入释放轨道，物体在惯性作用下释放飞出；

步骤S3、速度调整：物体做旋转运动，根据电机旋转的角速度及传动臂的长度，计算得到物体旋转的线速度v；通过选用不同规格的电机，同时控制电机旋转的角速度，根据v＝ω×R，得到精确控制物体旋转的线速度，其中v是物体旋转的线速度，ω是电机旋转的角速度，R是传动臂的长度；当完成一次物体释放后，重复步骤S2，调节输入给控制系统(5)的预设物体释放速度，释放速度区间达到200m/s-300m/s，最高速度达300m/s；

步骤S4、角度控制：旋转轨道周边预留有若干组安装螺孔，每组螺孔之间的间距为5°；当选用中间一组螺纹孔安装时，物体的释放方向垂直向下，此时释放角度为0°；通过顺时针或逆时针旋转轨道，选取不同的螺纹孔将旋转轨道安装在支撑架上，实现以5°为级差的释放角度调整，物体的释放角度为5°、-5°、10°、-10°……，最多达到正负30°；

步骤S5、重复所述S2-S4步骤，调整释放速度和释放角度，实现多次重复旋转释放。

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