專利名稱：一種高頻制動實驗裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高頻制動實驗裝置，尤其涉及一種基于超磁致伸縮材料的高頻實驗裝置及其方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)的進步，高速加工作為先進的機械制造手段，在發(fā)達國家引起了廣泛的關(guān)注并得到迅速發(fā)展。對于高速機械加工來講，快速定位是非常重要的技術(shù)。隨著加工速度和精度的提高，系統(tǒng)定位精度也需要相應(yīng)的提高。同時為了提高工作效率，還要求定位系統(tǒng)響應(yīng)迅速，加速、制動迅速以便實現(xiàn)快速定位。但是常規(guī)的制動技術(shù)很難實現(xiàn)高速度高精度的定位要求，因此探索高頻制動機理，并開展對高頻制動進行實驗研究是十分迫切的。超磁致伸縮材料是一種新興的智能材料，其尺寸伸縮可隨外加磁場成比例變化，且磁致伸縮系數(shù)遠大于傳統(tǒng)的磁致伸縮材料，更具有響應(yīng)快速、輸出力強、應(yīng)變大、功率密度高以及可靠性好等特點。截止到目前，國內(nèi)外均有針對GMM在不同領(lǐng)域的應(yīng)用開展的研究，應(yīng)用面涉及航空航天、國防軍工、電子、機械、石油、紡織、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域，大大促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步。由于超磁致伸縮材料具有以上優(yōu)點，因此非常適合用于作為高頻制動實驗臺的驅(qū)動原件。超此致伸縮材料工作需要較強的磁場作為驅(qū)動，在應(yīng)用中往往需要使用超磁致伸縮動器來為超磁致伸縮材料提供其工作必須的驅(qū)動磁場。目前常見的高頻制動實驗裝置通常采用壓電陶瓷作為驅(qū)動原件，但是壓電陶瓷應(yīng)變系數(shù)低、輸出力小、輸出位移小、機電耦合系數(shù)小、耐熱性差，因此相對于超磁致伸縮材料，在應(yīng)用于高頻制動方面中具有較大的局限性。而目前尚未有將超磁致伸縮材料應(yīng)用于制動系統(tǒng)的先例，也未有任何相關(guān)的基于超磁致伸縮材料的聞頻制動實驗裝置提供聞頻制動實驗支持?，F(xiàn)在人們渴望一種基于超磁致伸縮材料的聞頻制動實驗臺控制系統(tǒng)來解決現(xiàn)實中的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超磁致伸縮高頻制動實驗臺驅(qū)動器及其方法。高頻制動實驗裝置包括實驗臺底座、滑臺支架、水平調(diào)節(jié)螺釘組、滾珠絲杠滑臺、超磁致伸縮驅(qū)動器、柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)、脈沖編碼器、脈沖編碼器支架、被試機構(gòu)，滑臺支架通過水平調(diào)節(jié)螺釘組固定在實驗臺底座上，滾珠絲杠滑臺豎直固定在滑臺支架上，超磁致伸縮驅(qū)動器通過超磁致伸縮驅(qū)動器支架豎直固定在滾珠絲杠滑臺上，柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)固定在超磁致伸縮驅(qū)動器的位移輸出端，脈沖編碼器支架固定在實驗臺底座上，脈沖編碼器固定在脈沖編碼器支架上，被試機構(gòu)包括減速電機、制動盤、脈沖編碼器連接架、第一圓螺母、第二圓螺母、壓環(huán)、第一圓錐滾子軸承、電磁離合器、主軸、離合器連接鍵、聯(lián)軸器連接鍵、第二圓錐滾子軸承、套筒、被試機構(gòu)固定套、第三圓錐滾子軸承、第三圓螺母、彈性聯(lián)軸器、減速電機支架、電機軸鍵，壓環(huán)、制動盤、第一圓錐滾子軸承、電磁離合器、順次連接并通過第一圓螺母和第二圓螺母固定在主軸上，脈沖編碼器連接架粘接在制動盤上并與脈沖編碼器輸入軸相連，主軸通過第二圓錐滾子軸承、套筒、第三圓錐滾子軸承、第三圓螺母固定在被試機構(gòu)固定套上，彈性聯(lián)軸器一端連接主軸，彈性聯(lián)軸器另一端連接減速電機軸，減速電機通過減速電機支架固定在實驗臺底座上，主軸上設(shè)有離合器連接鍵、聯(lián)軸器連接鍵，減速電機軸上設(shè)有電機軸鍵，被試機構(gòu)通過被試機構(gòu)固定套固定在實驗臺底座上；所述的柔性鉸鏈放大機構(gòu)末端連接有可更換的制動塊。所述的實驗臺底座上設(shè)有用于調(diào)節(jié)滑臺支架位置的跑道型通孔。高頻制動實驗裝置的使用方法包括以下步驟
1)調(diào)節(jié)滾珠絲杠滑臺直至柔性鉸鏈放大機構(gòu)與制動盤之間的豎直距離在5cm以上，調(diào)節(jié)滑臺支架至需要的實驗位置，再次調(diào)節(jié)滾珠絲杠滑臺直至位于柔性鉸鏈放大機構(gòu)末端的制動塊與制動盤接觸；
2)在計算機端設(shè)置制動盤的初始轉(zhuǎn)速以及高頻制動的制動力、制動頻率、制動力施加方式，輸入完成后計算機自動生成輸入信號設(shè)置；
3)實驗開始后，電磁離合器經(jīng)由控制器，受計算機控制吸合；
4)減速電機經(jīng)由變頻器，受計算機控制，經(jīng)由電磁離合器帶動制動盤加速至指定轉(zhuǎn)速，脈沖編碼器將轉(zhuǎn)速信號反饋回計算機；
5)待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電磁離合器經(jīng)由控制器，受計算機控制，使減速電機和制動盤傳動分
離；
6)同時超磁致伸縮驅(qū)動器經(jīng)由線性功率放大器、信號發(fā)生器，受計算機控制，按照輸入的制動參數(shù)產(chǎn)生動作，并經(jīng)柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)放大后對制動盤進行制動；
7)制動過程中脈沖編碼器經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡將轉(zhuǎn)速信息反饋回計算機，數(shù)字示波器實時顯示線性功率放大器的輸出波形，并將其反饋回計算機；
8)制動盤完全停下后，數(shù)據(jù)記錄終止，超磁致伸縮驅(qū)動器經(jīng)由線性功率放大器、信號發(fā)生器，受計算機控制停止動作，制動過程終止；
9)制動過程終止后，減速電機經(jīng)由變頻器，受計算機控制停止工作，實驗完成。本發(fā)明解決了之前高頻制動實驗裝置由于采用壓電陶瓷作為驅(qū)動原件提供制動力，而導(dǎo)致的制動位移輸出小、制動力小、系統(tǒng)響應(yīng)慢、可靠性差、成本高等問題。本高頻制動實驗裝置使用超磁致伸縮材料作為驅(qū)動原件提供制動力，并配合柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)，實現(xiàn)了高頻制動實驗裝置高輸出位移、高輸出力、高可靠性、低響應(yīng)時間等特性；通過使用專用控制系統(tǒng)對高頻制動實驗臺進行控制和檢測，實現(xiàn)了制動力實驗參數(shù)的快速簡便調(diào)節(jié)，并保證了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；通過采用兩自由度可調(diào)節(jié)設(shè)置，使得高頻制動實驗裝置的具有更好的調(diào)節(jié)性。除此之外，該高頻制動實驗裝置還具有泛用性好、操作簡便、實驗可重復(fù)性強、易于加工裝配、節(jié)省材料、適合高頻制動實驗環(huán)境等特點。


圖1為高頻制動實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2為另一角度的高頻制動實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖3為高頻制動實驗裝置中被試機構(gòu)的爆炸 圖4為高頻制動實驗裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中，實驗臺底座1、減速電機2、滑臺支架3、水平調(diào)節(jié)螺釘組4、滾珠絲杠滑臺5、超磁致伸縮驅(qū)動器支架6、超磁致伸縮驅(qū)動器7、柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)8、脈沖編碼器9、脈沖編碼器支架10、制動盤11、脈沖編碼器連接架12、第一圓螺母13、第二圓螺母14、壓環(huán)15、第一圓錐滾子軸承16、電磁離合器17、主軸18、離合器連接鍵19、聯(lián)軸器連接鍵20、第二圓錐滾子軸承21、套筒22、制動盤固定套23、第三圓錐滾子軸承24、第三圓螺母25、彈性聯(lián)軸器26、減速電機支架27、電機軸鍵。
具體實施例方式如圖1、2、3所示，高頻制動實驗裝置包括實驗臺底座1、滑臺支架3、水平調(diào)節(jié)螺釘組4、滾珠絲杠滑臺5、超磁致伸縮驅(qū)動器7、柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)8、脈沖編碼器9、脈沖編碼器支架10、被試機構(gòu)，滑臺支架3通過水平調(diào)節(jié)螺釘組4固定在實驗臺底座I上，滾珠絲杠滑臺5豎直固定在滑臺支架上，超磁致伸縮驅(qū)動器7通過超磁致伸縮驅(qū)動器支架6豎直固定在滾珠絲杠滑臺5上，柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)8固定在超磁致伸縮驅(qū)動器7的位移輸出端，脈沖編碼器支架10固定在實驗臺底座I上，脈沖編碼器9固定在脈沖編碼器支架10上，被試機構(gòu)包括減速電機2、制動盤11、脈沖編碼器連接架12、第一圓螺母13、第二圓螺母14、壓環(huán)15、第一圓錐滾子軸承16、電磁離合器17、主軸18、離合器連接鍵19、聯(lián)軸器連接鍵20、第二圓錐滾子軸承21、套筒22、被試機構(gòu)固定套23、第三圓錐滾子軸承24、第三圓螺母25、彈性聯(lián)軸器26、減速電機支架27、電機軸鍵28，壓環(huán)15、制動盤11、第一圓錐滾子軸承16、電磁離合器17順次連接并通過第一圓螺母13和第二圓螺母14固定在主軸18上，脈沖編碼器連接架12粘接在制動盤11上并與脈沖編碼器9輸入軸相連，主軸18通過第二圓錐滾子軸承21、套筒22、第三圓錐滾子軸承24、第三圓螺母25固定在被試機構(gòu)固定套23上，彈性聯(lián)軸器26 —端連接主軸18，彈性聯(lián)軸器26另一端連接減速電機2軸，減速電機2通過減速電機支架27固定在實驗臺底座I上，主軸18上設(shè)有離合器連接鍵19、聯(lián)軸器連接鍵20，減速電機2軸上設(shè)有電機軸鍵28，被試機構(gòu)通過被試機構(gòu)固定套23固定在實驗臺底座上；
所述的柔性鉸鏈放大機構(gòu)8末端連接有可更換的制動塊。所述的實驗臺底座I上設(shè)有用于調(diào)節(jié)滑臺支架3位置的跑道型通孔。如圖4所示，所述高頻制動實驗裝置的控制方法
1)控制系統(tǒng)包括計算機、變頻器、減速電機、電磁離合器、制動盤、脈沖編碼器、控制器、信號發(fā)生器、線性功率放大器、超磁致伸縮驅(qū)動器、數(shù)字示波器、數(shù)據(jù)采集卡，計算機與變頻器、減速電機、電磁離合器、制動盤、脈沖編碼器、數(shù)據(jù)采集卡順次相連并構(gòu)成回路，計算機與控制器、電磁離合器順次相連，計算機與信號發(fā)生器、線性功率放大器、數(shù)字示波器順次相連并構(gòu)成回路，計算機與信號發(fā)生器、線性功率放大器、超磁致伸縮驅(qū)動器順次相連；
2)制動盤經(jīng)由電磁離合器、減速電機、變頻器，受計算機控制轉(zhuǎn)動；
3)電磁離合器經(jīng)由控制器，受計算機控制結(jié)合與分離；
4)脈沖編碼器經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)反饋回計算機；
5)超磁致伸縮驅(qū)動器經(jīng)由線性功率放大器、信號發(fā)生器，受計算機控制動作；
6)數(shù)字示波器實時顯示線性功率放大器的輸出信號，并將該信號反饋回計算機；
高頻制動實驗裝置的使用方法包括以下步驟 1)調(diào)節(jié)滾珠絲杠滑臺5直至柔性鉸鏈放大機構(gòu)8與制動盤11之間的豎直距離在5cm以上，調(diào)節(jié)滑臺支架3至需要的實驗位置，再次調(diào)節(jié)滾珠絲杠滑臺5直至位于柔性鉸鏈放大機構(gòu)8末端的制動塊與制動盤11接觸；
2)在計算機端設(shè)置制動盤11的初始轉(zhuǎn)速以及高頻制動的制動力、制動頻率、制動力施加方式，輸入完成后計算機自動生成輸入信號設(shè)置；
3)實驗開始后，電磁離合器經(jīng)由控制器，受計算機控制吸合；
4)減速電機2經(jīng)由變頻器，受計算機控制，經(jīng)由電磁離合器17帶動制動盤11加速至指定轉(zhuǎn)速，脈沖編碼器9將轉(zhuǎn)速信號反饋回計算機；
5)待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電磁離合器17經(jīng)由控制器，受計算機控制，使減速電機2和制動盤11傳動分離；
6)同時超磁致伸縮驅(qū)動器7經(jīng)由線性功率放大器、信號發(fā)生器，受計算機控制，按照輸入的制動參數(shù)產(chǎn)生動作，并經(jīng)柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)8放大后對制動盤11進行制動；
7)制動過程中脈沖編碼器9經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡將轉(zhuǎn)速信息反饋回計算機，數(shù)字示波器實時顯示線性功率放大器的輸出波形，并將其反饋回計算機；
8)制動盤11完全停下后，數(shù)據(jù)記錄終止，超磁致伸縮驅(qū)動器經(jīng)由線性功率放大器、信號發(fā)生器，受計算機控制停止動作，制動過程終止；
9)制動過程終止后，減速電機2經(jīng)由變頻器，受計算機控制停止工作，實驗完成。
權(quán)利要求
1.一種高頻制動實驗裝置，其特征在于包括實驗臺底座(I)、滑臺支架(3)、水平調(diào)節(jié)螺釘組(4)、滾珠絲杠滑臺(5)、超磁致伸縮驅(qū)動器(7)、柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)(8)、脈沖編碼器(9)、脈沖編碼器支架(10)、被試機構(gòu)，滑臺支架(3)通過水平調(diào)節(jié)螺釘組(4)固定在實驗臺底座(I)上，滾珠絲杠滑臺(5)豎直固定在滑臺支架上，超磁致伸縮驅(qū)動器(7)通過超磁致伸縮驅(qū)動器支架(6)豎直固定在滾珠絲杠滑臺(5)上，柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)(8)固定在超磁致伸縮驅(qū)動器(7)的位移輸出端，脈沖編碼器支架(10)固定在實驗臺底座(I)上，脈沖編碼器(9)固定在脈沖編碼器支架(10)上，被試機構(gòu)包括減速電機(2)、制動盤(11)、脈沖編碼器連接架(12)、第一圓螺母(13)、第二圓螺母(14)、壓環(huán)(15)、第一圓錐滾子軸承(16)、電磁離合器(17)、主軸(18)、離合器連接鍵(19)、聯(lián)軸器連接鍵(20)、第二圓錐滾子軸承(21)、套筒(22)、被試機構(gòu)固定套(23)、第三圓錐滾子軸承(24)、第三圓螺母(25)、彈性聯(lián)軸器(26)、減速電機支架(27)、電機軸鍵(28)，壓環(huán)(15)、制動盤(11)、第一圓錐滾子軸承(16)、電磁離合器(17)、順次連接并通過第一圓螺母(13)和第二圓螺母(14)固定在主軸(18)上，脈沖編碼器連接架(12)粘接在制動盤(11)上并與脈沖編碼器(9)輸入軸相連，主軸(18)通過第二圓錐滾子軸承(21)、套筒(22)、第三圓錐滾子軸承(24)、第三圓螺母(25 )固定在被試機構(gòu)固定套(23 )上，彈性聯(lián)軸器(26 ) 一端連接主軸(18 )，彈性聯(lián)軸器(26 )另一端連接減速電機(2 )軸，減速電機(2 )通過減速電機支架(27 )固定在實驗臺底座(I)上，主軸(18 )上設(shè)有離合器連接鍵(19 )、聯(lián)軸器連接鍵(20 )，減速電機(2 )軸上設(shè)有電機軸鍵(28 )，被試機構(gòu)通過被試機構(gòu)固定套(23 )固定在實驗臺底座上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高頻制動實驗裝置，其特征在于所述的柔性鉸鏈放大機構(gòu)(8)末端連接有可更換的制動塊。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高頻制動實驗裝置，其特征在于所述的實驗臺底座(I)上設(shè)有用于調(diào)節(jié)滑臺支架(3)位置的跑道型通孔。
4.一種如權(quán)利要求1所述高頻制動實驗裝置的使用方法，其特征在于包括以下步驟 O調(diào)節(jié)滾珠絲杠滑臺(5)直至柔性鉸鏈放大機構(gòu)(8)與制動盤(11)之間的豎直距離在5cm以上，調(diào)節(jié)滑臺支架(3)至需要的實驗位置，再次調(diào)節(jié)滾珠絲杠滑臺(5)直至位于柔性絞鏈放大機構(gòu)(8)末％5的制動塊與制動盤(11)接觸； 2)在計算機端設(shè)置制動盤(11)的初始轉(zhuǎn)速以及高頻制動的制動力、制動頻率、制動力施加方式，輸入完成后計算機自動生成輸入信號設(shè)置； 3)實驗開始后，電磁離合器經(jīng)由控制器，受計算機控制吸合； 4)減速電機(2)經(jīng)由變頻器，受計算機控制，經(jīng)由電磁離合器(17)帶動制動盤(11)加速至指定轉(zhuǎn)速，脈沖編碼器(9)將轉(zhuǎn)速信號反饋回計算機； 5)待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電磁離合器(17 )經(jīng)由控制器，受計算機控制，使減速電機(2 )和制動盤(11)傳動分離； 6)同時超磁致伸縮驅(qū)動器(7)經(jīng)由線性功率放大器、信號發(fā)生器，受計算機控制，按照輸入的制動參數(shù)產(chǎn)生動作，并經(jīng)柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)(8)放大后對制動盤(11)進行制動； 7)制動過程中脈沖編碼器(9)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡將轉(zhuǎn)速信息反饋回計算機，數(shù)字示波器實時顯示線性功率放大器的輸出波形，并將其反饋回計算機； 8)制動盤(11)完全停下后，數(shù)據(jù)記錄終止，超磁致伸縮驅(qū)動器經(jīng)由線性功率放大器、信號發(fā)生器，受計算機控制停止動作，制動過程終止；9)制 動過程終止后，減速電機(2)經(jīng)由變頻器，受計算機控制停止工作，實驗完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高頻制動實驗裝置及其方法。它包括實驗臺底座、滑臺支架、水平調(diào)節(jié)螺釘組、滾珠絲杠滑臺、超磁致伸縮驅(qū)動器、柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)、脈沖編碼器、脈沖編碼器支架、減速電機、制動盤、脈沖編碼器連接架、第一圓螺母、第二圓螺母、壓環(huán)、第一圓錐滾子軸承、電磁離合器、主軸、離合器連接鍵、聯(lián)軸器連接鍵、第二圓錐滾子軸承、套筒、被試機構(gòu)固定套、第三圓錐滾子軸承、第三圓螺母、彈性聯(lián)軸器、減速電機支架、電機軸鍵。本發(fā)明適用于高頻制動的實驗研究，尤其是制動頻率在50Hz以上的高頻制動實驗研究。本發(fā)明采用超磁致伸縮材料作為驅(qū)動原件，具有響應(yīng)迅速，精度高，操作簡便，便于調(diào)節(jié)，易于控制，可靠性高等優(yōu)點。
文檔編號G09B25/02GK103035160SQ20121053062
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者劉宇澄, 徐愛群, 洪靈, 賈相武, 王耘, 宋小文, 黃長林, 胡樹根 申請人:浙江大學(xué)