一種輸出參數可調控的連桿機構實驗裝置及其調控方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于連桿機構傳動技術領域，具體涉及一種輸出參數可調控的連桿機構實驗裝置及其調控方法。
【背景技術】
[0002]隨著創(chuàng)新教育以及實踐教育的不斷深化，越來越多的機械連桿機構創(chuàng)新型實驗裝置走進了學生的課堂。
[0003]例如專利公開號為CN104157206A的“多功能平面機構演示儀及其實現(xiàn)方法”，公開了一種多功能平面機構演示儀的實現(xiàn)方法，包括如下步驟:配置用于形成各種平面連桿機構的多個零件；在演示平臺上設置用于限定多個零件安裝位置的多個預設孔；根據所需演示平面連桿機構的需要選擇相應零件，將相應零件安裝在對應的預設孔處，并使相應零件對應連接；將相應零件中的曲柄與動力傳遞機構的輸出軸連接，以便在動力傳遞機構的帶動下，所述相應零件演示出一種平面連桿機構。
[0004]專利公開號為CN204130052U的“連桿機構分析實驗裝置”，公開了一種連桿機構分析實驗裝置，其包括一機架結構及一連桿伸縮結構；所述連桿伸縮結構可拆卸連接在機架結構上；所述機架結構包括一機架底板、四根立柱、一軌道、一軌道滑塊、一軌道固定端滑塊、兩個軌道梁、一步進電機；所述機架底板與所述立柱一端剛性連接；所述立柱另一端與所述軌道梁可拆卸連接；所述軌道通過所述軌道固定端滑塊螺釘固定在所述軌道梁上；所述連桿伸縮結構包括一第一下鉸鏈、一第二下鉸鏈、一上鉸鏈、一連桿；所述第一下鉸鏈與所述上鉸鏈軸孔連接；其優(yōu)點是:能方便拆裝，方便學生使用；也可以自己定義各連桿參數來組合成不同的機構；同時能對組合好的機構進行實時運動分析，使學生能更深入地了解平面連桿機構。
[0005]綜合分析以上的兩個連桿機構實驗裝置，會發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的連桿機構實驗裝置中，如圖1所示，連桿機構皆是勻角速度輸入，且連桿機構的各桿長都是固定不變的，即使改變也是通過拆卸再安裝的方式來完成；這樣的連桿機構實驗裝置存在以下的問題:
[0006]1、輸出加速度、速度、位移成固定的關系，當需要實現(xiàn)某些特定的運動參數的時候，無論如何改變輸入，均無法得到理想的輸出參數；
[0007]2、傳統(tǒng)連桿機構實驗平臺桿長固定，涉及到桿長變化的演示或者設計時，只能重新設計安裝實驗平臺，費時費力，成本高；
[0008]3、當設計的某一個連桿機構實現(xiàn)了一個特定要求功能時，其他的一些運動參數并不理想；例如:當設計的一個連桿機構的速度輸出達到要求時，它的位移或者傳力性能由于受到定桿長和定轉速的約束而不是很理想。
[0009]事實上，連桿機構的定桿長及勻轉速在一定程度上限制了連桿機構的應用和發(fā)展。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明提出一種輸出參數可調控的連桿機構實驗裝置及其調控方法，該裝置在機構運動過程中，根據需求實時改變主動件轉速以及變連桿單元的桿長，有效解決現(xiàn)有的連桿機構存在的技術問題。
[0011]一種輸出參數可調控的連桿機構實驗裝置，包括底座、主動部分和從動部分，還包括可調控變連桿部分、電機控制部分以及信號采集部分，其中，所述的主動部分和從動部分分別設置于底座的兩端，可調控變連桿部分固定設置于主動部分與從動部分之間的底座上，并與從動部分通過鉸接形式相連接；所述的電機控制部分的信號輸出端分別連接主動部分和可調控變連桿部分；所述的信號采集部分固定設置于從動部分，且其信號輸出端連接電機控制部分的信號輸入端以及外設的計算機的信號輸入端；
[0012]所述的可調控變連桿部分包括貫通電機支架、貫通電機、貫通電機連接件、絲桿和關節(jié)軸承，所述的貫通電機支架固定設置于主動部分與從動部分之間的底座上，所述的貫通電機連接件通過與貫通電機支架鉸接形成轉動副結構，貫通電機與貫通電機連接件通過螺釘固定連接，且貫通電機和絲桿的一端相配合，絲桿的另一端穿過貫通電機連接件的中間通孔與關節(jié)軸承固定連接。
[0013]所述的信號采集裝置為九軸加速度傳感器，固定設置于從動部分的滑塊上。
[0014]所述的關節(jié)軸承鉸接于從動部分的短連桿與長連桿的連接處。
[0015]所述的電機控制部分包括單片機、電機驅動器和用于連接遙控器的位移寄存器。
[0016]采用輸出參數可調控的連桿機構實驗裝置進行的調控方法，包括以下步驟:
[0017]步驟a-Ι、根據實際需求，設置運行速度安全閾值、加速度安全閾值和絲桿運行有效長度范圍；
[0018]步驟a-2、啟動實驗裝置，電機控制部分發(fā)送控制信號至主動部分內部的電機，電機的轉動帶動從動部分內部的滑塊直線移動；
[0019]步驟a-3、采用九軸加速度傳感器采集滑塊在運動過程中的最大加速度值和最大速度值，并將采集的數據發(fā)送至電機控制部分；
[0020]步驟a-4、電機控制部分對采集的最大加速度值和最大速度值進行模數轉換，將轉換后的最大加速度值與加速度最大安全閾值進行比較，將轉換后的最大速度值與速度最大安全閾值進行比較；若采集的最大加速度值和最大速度值中任意一者超出其最大安全閾值，則執(zhí)行步驟5 ;否則返回執(zhí)行步驟2 ;
[0021]步驟a-5、將采集的最大加速度值與加速度最大安全閾值作差，將采集的最大速度值與速度最大安全閾值作差，根據所獲差值計算出絲桿所需變桿長的數值；
[0022]步驟a-6、電機控制部分內部的單片機根據所獲的變桿長數值計算所需脈沖信號個數，并通過電機控制部分內部的電機驅動器發(fā)送脈沖信號至貫通電機，貫通電機轉動從而調節(jié)絲桿長度。
[0023]步驟a-5所述的根據所獲差值計算出絲桿所需變桿長的數值，具體公式如下:
[0024]a = 0.05*(r-0.11)(I)
[0025]V = 0.005*(r-0.11)(2)
[0026]其中，a表示加速度的差值，單位為m/s2 表示速度的差值，單位為m/s ;r表示絲桿的變桿長，單位是m。
[0027]采用輸出參數可調控的連桿機構實驗裝置進行的調控方法，包括以下步驟:
[0028]步驟b_l、根據傳統(tǒng)曲柄搖桿滑塊組合的六桿機構中搖桿的長度，設定變連桿長度的初始值；
[0029]步驟b_2、啟動實驗裝置，電機控制部分發(fā)送控制信號至主動部分內部的電機，電機的轉動帶動從動部分內部的滑塊直線移動；
[0030]步驟b-3、采用九軸加速度傳感器實時采集滑塊在運動過程中的加速度，并將采集的加速度發(fā)送至計算機；
[0031 ] 步驟b-4、計算機根據采集的加速度，形成加速度-時間曲線、速度-時間曲線和位移-時間曲線；
[0032]步驟b-5、將實際采集到的曲線與需求的理想曲線進行對比，根據實際曲線各采樣點與理想曲線對應采樣點的差值獲得補償量，并根據所需補償量獲得絲桿所需變桿長的數值；
[0033]步驟b-6、電機控制部分內部的單片機根據所獲的變桿長數值計算所需脈沖信號個數，并通過電機控制部分內部的電機驅動器發(fā)送脈沖信號至貫通電機，貫通電機轉動從而調節(jié)絲桿長度；
[0034]步驟b-7、返回執(zhí)行步驟b-2，直至實際采集到的曲線與需求的理想曲線之間的差值達到設定的誤差范圍以內。
[0035]本發(fā)明優(yōu)點:
[0036]本發(fā)明提出一種輸出參數可調控的連桿機構實驗裝置及其調控方法，主要用于課堂教學實驗展示以及實際應用中的機械結構設計優(yōu)化；能夠實現(xiàn)電機變轉速輸入和變桿長輸入，可以在連桿機構運行過程中實時改變主動件轉速以及變桿長單元的桿長，從而實現(xiàn)一些傳統(tǒng)連桿機構無法實現(xiàn)的功能；根據給出的調控方法，可以解決設計出的連桿機構可能存在的速度，加速度超過安全閾值的問題，還可以解決設計出的連桿機構的輸出參數和所需的輸出參數不完全擬合的問題