專利名稱：機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，具體涉及四階機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，用于研究由彈簧、質(zhì)量塊與阻尼器構(gòu)成的四階系統(tǒng)的動力學(xué)特性。
背景技術(shù)：
目前我國高校動力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要集中在醫(yī)療、生物方面，應(yīng)用于心血管血液動力學(xué)、 藥物動力學(xué)、生物化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等，而針對于工科類本科的教學(xué)實(shí)驗(yàn)還未見相關(guān)報道。鑒于機(jī)械設(shè)計中動力學(xué)建模分析的重要性，需要建立一套行之有效，易于入手，便于理解的機(jī)械動力學(xué)建模實(shí)驗(yàn)方案。機(jī)械動力學(xué)建模分析與控制是一門理論聯(lián)系實(shí)踐且基于實(shí)驗(yàn)的課程，需要為學(xué)生提供大量的實(shí)驗(yàn)器材，允許學(xué)生進(jìn)行較高水平的實(shí)驗(yàn)練習(xí)。故實(shí)用新型的目的便是通過本四階動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)械動力學(xué)分析的基本方法，提高學(xué)生對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)建模及分析的能力，具備分析和解決工程實(shí)際問題的水平。機(jī)械動力學(xué)建模分析與控制是一門理論聯(lián)系實(shí)踐、基于實(shí)驗(yàn)的課程，需要為學(xué)生提供大量的實(shí)驗(yàn)器材，允許學(xué)生進(jìn)行較高水平的實(shí)驗(yàn)練習(xí)。故本實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)用新型目便是通過本教學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)械動力學(xué)分析的基本方法，提高學(xué)生對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)建模及分析的能力，具備分析和解決工程實(shí)際問題的水平。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，可供研究由彈簧、質(zhì)量塊與阻尼器組成的四階系統(tǒng)的動力學(xué)特性，具體技術(shù)方案如下。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，包括安裝底板、音圈、安裝角鋼、松緊可調(diào)彈簧、飛輪、主軸和用于安裝主軸的兩個空氣軸承，所述安裝角鋼和兩個空氣軸承安裝在安裝底板上，安裝角鋼位于主軸的一端，主軸的另外一端裝有所述飛輪，兩個空氣軸承位于安裝角鋼和飛輪之間，音圈與安裝角鋼連接構(gòu)成可變阻尼；音圈的線圈繞在主軸上；松緊可調(diào)彈簧的一端與主軸相連且連接點(diǎn)位于兩個空氣軸承之間，松緊可調(diào)彈簧的另一端與彈簧調(diào)節(jié)張緊裝置連接；主軸的所述另外一端處還安裝有線性可變差動傳感器。上述機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中，所述主軸為鋁制主軸，主軸右端還通過薄鋁片連接有附加質(zhì)量。上述機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中，還包括一個懸掛在繩索末端的用于碰撞主軸右端的所述附加質(zhì)量塊的小銅球。上述機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中，安裝底板設(shè)有用于調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的水平度的地盤水平定位調(diào)節(jié)螺釘。上述機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中，所述彈簧調(diào)節(jié)張緊裝置包括調(diào)節(jié)螺桿、滑塊和安裝在所述安裝底板上的導(dǎo)軌，松緊可調(diào)彈簧的所述另一端與滑塊連接，滑塊位于導(dǎo)軌中，調(diào)節(jié)螺桿與導(dǎo)軌之間螺紋連接。[0010]上述機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中，還包括裝有dSPACE系統(tǒng)的微機(jī)平臺，微機(jī)平臺與線性可變差動傳感器的信號輸出端連接。本動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置主要用于研究由彈簧、質(zhì)量塊與阻尼器構(gòu)成的四階系統(tǒng)的動力學(xué)特性。該系統(tǒng)主要由圓柱轉(zhuǎn)軸和其兩端的空氣軸承相連接構(gòu)成，音圈連接于系統(tǒng)左端構(gòu)成可變阻尼。將音圈的銜鐵繞在鋁柱筒上，當(dāng)音圈為開路時，則由于鋁筒上存在渦流電流， 有少量的阻尼力存在。當(dāng)音圈為短路時，則由于電路中沒有了阻抗而令阻尼力顯著增大。在兩個空氣軸承之間，有一可調(diào)彈簧與中軸相連。通過減少彈簧的長度，可以觀察到系統(tǒng)過阻尼、臨界阻尼以及欠阻尼三種狀態(tài)。也可將一個小銅球懸掛在繩索末端去碰撞轉(zhuǎn)軸右端的平板，向系統(tǒng)施加脈沖信號。在主軸的右側(cè)裝有LVDT (線性可變差動傳感器)，用來測量脈沖的動作信號。實(shí)驗(yàn)中需要注意彈簧與主軸上的卡圈需偏心連接，這是由于轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)必然引起彈簧末端產(chǎn)生軸向位移，而且偏心連接可以減少彈性系數(shù)的線性度。本動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置使用基于微機(jī)平臺的測量系統(tǒng)dSPACE界面來得到頻率響應(yīng)圖。該測量系統(tǒng)能產(chǎn)生不同頻率的正弦輸入，并且通過LVDT測量系統(tǒng)的輸出，即可用 MATLAB計算軟件編程求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅值與相位，并與實(shí)際測量的數(shù)值進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果本動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括1)、用計算機(jī)測試系統(tǒng)測量頻率響應(yīng)。2)、使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)的第一個共振頻率(與最低點(diǎn)的一對復(fù)極點(diǎn)相對應(yīng)的頻率)。觀察并估測與相對于第一質(zhì)量塊Hl1的第二個質(zhì)量塊叫(見實(shí)施方式)的幅頻與相頻響應(yīng)。3)、通過第一次共振時得到的超調(diào)量
Mj3,估算與第一對復(fù)極點(diǎn)相對應(yīng)的阻尼系數(shù)。4)、使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)的第2共振頻
率。觀察并估測相對與第一質(zhì)量塊Hi1的第二個質(zhì)量塊叫的幅頻與相頻響應(yīng)。5)、使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生與復(fù)零點(diǎn)對應(yīng)的頻率。估算相對于第一質(zhì)量塊Hi1的第二個質(zhì)量塊叫的幅頻與相頻率響應(yīng)。在觀察的基礎(chǔ)上，得出與質(zhì)量相關(guān)的零頻率的公式，并計算系統(tǒng)元件的剛度。 6)、寫出線性可變差動傳感器產(chǎn)生的電壓與函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓之間的傳遞函數(shù)，并試確定傳遞函數(shù)中的參數(shù)。通過改變音圈中電流強(qiáng)弱，即可改變施加在軸承IW1上的外力g的大小，而線
性可變差動傳感器(LVDT)產(chǎn)生的電壓與它的位移JT1成比例。該裝置中與復(fù)極點(diǎn)相對應(yīng)
的兩個共振頻率，以及復(fù)零點(diǎn)的頻率是實(shí)驗(yàn)中需要關(guān)注的物理量，頻率為與第一對復(fù)極點(diǎn)相對應(yīng)的頻率時，兩個質(zhì)量塊的移動沒有相位差異，用肉眼就可以分辨出來。頻率為與復(fù)零點(diǎn)相對應(yīng)的頻率時，第二個質(zhì)量塊m2相對第一質(zhì)量塊Hi1會有90度相角的延遲，然而在該頻率下第二個質(zhì)量塊m2就像一個減震器使得第一質(zhì)量塊Hi1無法移動。頻率為與第二對復(fù)極點(diǎn)相對應(yīng)的頻率時，第二個質(zhì)量塊m2與第一質(zhì)量塊Hi1沿著相反的方向運(yùn)動，此時使用基于微機(jī)平臺，利用dSPACE界面來得到頻率響應(yīng)圖。該測量裝置能產(chǎn)生不同頻率的正弦輸入， 并且通過LVDT測量裝置的輸出，即可用MATLAB計算軟件編程求出傳遞函數(shù)的幅值與相位， 并與實(shí)際測量的數(shù)值進(jìn)行對比，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1為具體實(shí)施方式
中機(jī)械動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例中的理想四階系統(tǒng)模型圖。圖3a和圖北為電壓Vl (由LVDT產(chǎn)生)對電壓V (由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生)的理論/ 實(shí)際傳遞函數(shù)對比圖。
具體實(shí)施方式
以上內(nèi)容已經(jīng)對本實(shí)用新型作了清楚的說明，以下再結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施作進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置由附圖2作為理論基礎(chǔ)，附圖1為實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，實(shí)驗(yàn)裝置包括安裝底板、音圈15、安裝角鋼1、松緊可調(diào)彈簧14、飛輪5、主軸2 和用于安裝主軸的兩個空氣軸承(3、4)，所述安裝角鋼1和兩個空氣軸承(3、4安裝在安裝底板上，安裝角鋼1位于主軸的一端，主軸的另外一端裝有所述飛輪5，兩個空氣軸承(3、4) 位于安裝角鋼1和飛輪5之間，音圈15與安裝角鋼1連接構(gòu)成可變阻尼；音圈的線圈繞在主軸2上；松緊可調(diào)彈簧14的一端與主軸相連且連接點(diǎn)位于兩個空氣軸承(3、4)之間，松緊可調(diào)彈簧14的另一端與彈簧調(diào)節(jié)張緊裝置連接；主軸的所述另外一端處還安裝有線性可變差動傳感器(LVDT) 6。音圈15連接于安裝角鋼1構(gòu)成可變阻尼。將音圈線圈繞在鋁制主軸2上，當(dāng)音圈為開路時，則由于鋁制主軸2上存在渦流電流，有少量的阻尼力存在。當(dāng)音圈為短路時，則由于電路中沒有了阻抗，而令阻尼力顯著增大。在兩個空氣軸承(3、4)之間，有一可調(diào)彈簧 14與主軸2相連。通過調(diào)節(jié)彈簧14的松緊，可以觀察到系統(tǒng)過阻尼、臨界阻尼以及欠阻尼三種狀態(tài)。也可將一個小銅球懸掛在繩索末端去碰撞主軸2右端的附加質(zhì)量塊8，向系統(tǒng)施加脈沖信號。實(shí)驗(yàn)裝置中的空氣軸承(3、4)(包括與之相連的飛輪5)，線性可變差動傳感器 6的磁芯，音圈15等看作為質(zhì)量塊Hi1，忽略彈簧14 (k》的質(zhì)量，系統(tǒng)中的音圈15作為可變阻尼器Cl。附加質(zhì)量8 (m2)通過薄鋁片與主軸2相連，鋁片與系統(tǒng)連接處的模型可以用無質(zhì)量彈簧k2與阻尼器C2表示，可獲得四階系統(tǒng)模型。此實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括1)、用計算機(jī)測試系統(tǒng)測量頻率響應(yīng)。2)、使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)的第一個共振頻率(與最低點(diǎn)的一對復(fù)極點(diǎn)相對應(yīng)的頻率)。觀察并估測與相對于質(zhì)量塊1的第二個質(zhì)量塊2的幅頻與相頻響應(yīng)。3)、通過第一次共振時得到
的超調(diào)量Mp,估算與第一對復(fù)極點(diǎn)相對應(yīng)的阻尼系數(shù)。4)、使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)的
第2共振頻率。觀察并估測相對與質(zhì)量塊1的第二個質(zhì)量塊的幅相頻響應(yīng)。5)、使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生與復(fù)零點(diǎn)對應(yīng)的頻率。估算相對于質(zhì)量塊1的第二個質(zhì)量塊的幅相頻率響應(yīng)。 在觀察的基礎(chǔ)上，得出與質(zhì)量相關(guān)的零頻率的公式，并計算系統(tǒng)元件的剛度。6)、寫出線性可變差動傳感器產(chǎn)生的電壓與函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓之間的傳遞函數(shù)，試確定傳遞函數(shù)中的參數(shù)。該動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)有地盤水平定位調(diào)節(jié)螺釘10，用于保證實(shí)驗(yàn)裝置的水平度。同時設(shè)有彈簧調(diào)節(jié)張緊裝置，通過調(diào)節(jié)螺桿9、導(dǎo)軌11及滑塊12，可調(diào)節(jié)彈簧的松緊，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到過阻尼、臨界阻尼以及欠阻尼三種狀態(tài)。當(dāng)調(diào)節(jié)音圈15在主軸2上施加力
F時，LVDT將產(chǎn)生與位移X1成比例的電壓Vl0
ιI 最后通過使用基于微機(jī)平臺的測量系統(tǒng)，利用dSPACE界面來得到頻率響應(yīng)圖。該測量系統(tǒng)能產(chǎn)生不同頻率的正弦輸入，并且通過LVDT測量系統(tǒng)的輸出，即可用MATLAB計算軟件編程求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅值與相位，并與實(shí)際測量的數(shù)值進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如附圖3a和圖北所示。
權(quán)利要求1.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，包括安裝底板，其特征在于還包括音圈(15)、安裝角鋼(1)、松緊可調(diào)彈簧(14)、飛輪(5)、主軸(2)和用于安裝主軸的兩個空氣軸承(3、4)，所述安裝角鋼(1)和兩個空氣軸承(3、4)安裝在安裝底板上，安裝角鋼(1)位于主軸的一端， 主軸的另外一端裝有所述飛輪(5)，兩個空氣軸承(3、4)位于安裝角鋼(1)和飛輪(5)之間， 音圈(15)與安裝角鋼(1)連接構(gòu)成可變阻尼；音圈的線圈繞在主軸(2)上；松緊可調(diào)彈簧 (14)的一端與主軸相連且連接點(diǎn)位于兩個空氣軸承(3、4)之間，松緊可調(diào)彈簧(14)的另一端與彈簧調(diào)節(jié)張緊裝置連接；主軸的所述另外一端處還安裝有線性可變差動傳感器(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述主軸(2)為鋁制主軸，主軸(2 )右端還通過薄鋁片連接有附加質(zhì)量(8 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于還包括一個懸掛在繩索末端的用于碰撞主軸(2)右端的所述附加質(zhì)量塊(8)的小銅球。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于安裝底板設(shè)有用于調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的水平度的地盤水平定位調(diào)節(jié)螺釘(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述彈簧調(diào)節(jié)張緊裝置包括調(diào)節(jié)螺桿(9)、滑塊(12)和安裝在所述安裝底板上的導(dǎo)軌(11)，松緊可調(diào)彈簧(14)的所述另一端與滑塊(12)連接，滑塊(12)位于導(dǎo)軌(11)中，調(diào)節(jié)螺桿(9)與導(dǎo)軌之間螺紋連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求廣5任一項所述的動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于還包括裝有 dSPACE系統(tǒng)的微機(jī)平臺，微機(jī)平臺與線性可變差動傳感器(6)的信號輸出端連接。
專利摘要本實(shí)用新型提供了機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，用于研究由彈簧、質(zhì)量塊與阻尼器組成的四階系統(tǒng)的動力學(xué)特性。該裝置包括空氣軸承以及與之相連的圓柱型軸，裝置使用的音圈用于增加可變阻尼，音圈的銜鐵繞在鋁柱筒上，若音圈為開路，則由于鋁筒上存在渦流電流，具有少量阻尼；若將音圈短路，由于回路中沒有了阻抗，則阻尼顯著增大。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用了空氣軸承作為支撐，實(shí)驗(yàn)裝置的兩個空氣軸承之間，有一可調(diào)彈簧與中軸相連，通過減少彈簧的長度，可以觀察到系統(tǒng)過阻尼、臨界阻尼以及欠阻尼狀態(tài)。在軸上裝有線性可變差動傳感器，用于測量脈沖動作，分析檢測四階系統(tǒng)的動力學(xué)特性。
文檔編號G09B23/10GK202230647SQ201120338079
公開日2012年5月23日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者張東 申請人:華南理工大學(xué)