專利名稱:低頻機械振動能量補給裝置的制作方法
本裝置屬于生產與日用自動化機電裝置。
傳統(tǒng)的獲得低頻機械振動的方法，有曲柄帶動連桿的方式，還有汽動。液動等方式。其中最簡單的連桿式，要用馬達，至于汽動、液動，設備就更復雜，昂貴，使用受到許多限制。直接使用市電的電磁振動?？梢垣@得機械振動，但頻率很高，改用電子線路產生低頻電脈沖去驅動電磁鐵，是可以獲得低頻機械振動的，但仍有許多不足之處。如1983年9月11日的《電子報》報導了“電子搖籃機”，里面就是用多諧振蕩器產生的低頻方波放大后去驅動電磁鐵產生低頻機械振動。再用這低頻機械振動的能量去激振搖床的。搖床作受迫振動，顯然，只有當電脈沖的頻率和搖床的固有頻率相等，二者相位也同步時，才能產生共振，獲得穩(wěn)定的機械振動，但這需要細心地調整電脈沖的頻率才行。振起來后，要是搖床的位置有移動?；蚴且挛镌鰷p帶來固有頻率的變化，都會破壞這穩(wěn)定的振動，又得調整這電脈沖的頻率才行。因而是相當麻煩的。而且該“電子搖籃機”電子線路復雜。造價高，體積也大。
本裝置的目的是給作低頻機械振動的振動體(包括機械系統(tǒng)，以下皆同)提供一種激振器，這種激振沒有自己一定的頻率。而只是依據振動體的頻率給振動體補充能量，不管振動體的頻率是不是在變，總處于“共振”狀態(tài)。這是一種消耗能量少，使振動體等幅或增幅振動的激振器。很顯然，這種激振器因無須調整頻率就能“共振”，因而使用方便。
本裝置的另一個目的是，本裝置在給低頻機械振動補給能量，維持振動一定時間后，會自動停止補給能量，讓振動停下來。
本裝置的再一目的是自身體積小，重量輕，電子線路簡單，能量利用率高，制造成本低。
本裝置的基本構思是將電磁鐵的銜鐵通過激振機構與待補充能量的振動體相聯，銜鐵被振動體帶動，隨之一道運動，即作一種與振動體同步的往復運動。處于這種往復運動中的銜鐵，在朝電磁鐵的鐵心運動，過其平衡位置后，能進入電磁鐵的動作區(qū)域。在動作區(qū)域內，電磁鐵通電，銜鐵受電磁吸力，并通過激振機構給振動體一個拉力，使振動體加速，以增加動能的形式補充能量。在銜鐵通過動作區(qū)域后，籍慣性運動的振動體能繼續(xù)帶著銜鐵完成往復運動的其余路程，直到經過一個循環(huán)后，再次進入動作區(qū)域，如此不停地循環(huán)。
動作區(qū)域的起始點，由位置傳感器1的位置決定。在該起始點上位置傳感器開始輸出脈沖，脈寬控制線路隨之輸出一個脈沖去驅動電子開關線路，電磁鐵開始動作，在動作區(qū)域中的某個位置上，脈寬控制線路輸出的那個脈沖幅度已降低，至使電子開關線路關閉，電磁鐵停止輸入電能，而其線包內開始出現反向電流，使電磁鐵繼續(xù)動作。在動作區(qū)域的終止點上，電磁鐵通電時所儲存的磁能都通過與線包并聯的二極管放電釋放完畢，銜鐵不再受電磁吸力，其位置則是剛到或還未到與鐵心相碰的行程終點上。
脈寬控制線路所輸出脈沖的寬度決定了補充能量的多少。顯然，所補給的能量剛好等于振動體振動一周所損失的能量時，振動體就將維持等幅振動。補給的能量大于1周中所損失的能量時，振動會增幅，補給的能量增大到一定數值不變后，增大后的振幅也會穩(wěn)定在一個數值上。
本裝置內有一個計數定時機構，它記錄機械振動的次數，當計數到了規(guī)定值后，就能輸出信號，破壞位置傳感器的工作，因而它規(guī)定了振動體每回起振后，能無間斷地周期性補充能量的最大周數。
圖1是本裝置的方框圖。本裝置由位置傳感器1，脈寬控制電路2，電子開關電路3，電磁鐵4，激振機構5，計數定時機構6組成。
圖2是本裝置的電原理圖。
圖3是本裝置的激振機構圖，激振機構的基本功能，一是將振動體的運動傳給銜鐵，使銜鐵相對于鐵心作往復運動；二是將銜鐵所受的電磁吸力傳給振動體，使之加速；三是不防礙振動體的運動。具體結構是支架9和底座10將鐵心7置于靜止體上，再用連桿。曲柄機構(見圖8)將在同一靜止體上的振動體與隨振體13相聯，將振動體的振動變?yōu)殡S振體的往復運動。若如圖3所示，振動體本身就是作往復運動，曲柄連桿機構就可省去，隨振體直接與振動體聯為一體。隨振體13用套有彈簧12的連接桿11與銜鐵8相聯。連接桿11與銜鐵8間是固死的，與隨振體13間則是活動的，但連接桿11的端部有螺母或臺階擋住隨振體，使之無法脫出，因而銜鐵8與隨振體13彼此間可通過連接桿11拉動，即銜鐵8在受電磁吸力時，拉動隨振體13加速，而在隨振體13作反向運動，離開鐵心7時，拉著銜鐵8尾隨自己運動。套在連接桿11上的彈簧12在未被壓縮的狀態(tài)下，可以傳遞隨振體13推動銜鐵8的推力，而在銜鐵8與鐵心7相碰，運動受阻時，能被隨振體13壓縮，隨振體13繼續(xù)其行程，而不撞擊鐵心7。
激振機構有多種形式，象圖7所示的雙向激振機構就是一例。
位置傳感器1的結構見圖3。干簧管14是一個常開型開關，相當于圖2中的開關K1，它和其它電子零件一起裝在印刷線路板16上。印刷線路板16和永磁體15分別固定在作相對往復運動的隨振體13和鐵心支架9上，因而干簧管14和永磁體15彼此間相對往復運動。永磁體15處于平衡位置上迎著干簧管14的一端為頭端，其不遠處有一個軟磁材料制成的屏敝板17，擋住磁力線通過，從而使屏敝板17以遠的地方無磁場，減小了頭部磁場的作用距離，實現小行程下的通斷。永磁體15的尾端磁場象通常情況一樣，拖得很長。在平衡位置上，干簧管14和永磁體15的距離要合適，使得干簧管14在朝永磁體15運動，過平衡位置后二者距離就足夠小，干簧管14就落入永磁體15頭端磁場的作用距離內而閉合。以后，繼續(xù)運動，閉合一直維持。但在干簧管14反向運動離開永磁體15時，應在到達最遠點位置前，恢復斷開狀態(tài)。
這樣，干簧管每往復運動一次，開關K1就接通一次，輸出一個方波。方波的前沿實際就是銜鐵8朝鐵心7運動，過其往復運動的平衡位置后的某個預定位置上，該預定位置即為動作區(qū)域的起始點。
位置傳感器也可以用別的形式，如直接用相對運動中的機械觸碰，形成通與斷，這樣當然可靠性要差。也可以用無觸點的位置傳感器，但線路要復雜些。
脈寬控制電路，示于圖2中。由RC微分電路及必要的放電回路組成。電容C1、C2、C3和電阻R2以及下級晶體管的輸入電阻構成RC微分電路，它對前述方波的前沿微分，獲得尖脈沖，脈沖的寬度決定于時間常數RC，改變電容C的數值，即可控制脈寬。電容C的改變由單刀三擲開關K3置于不同位置，選擇C1、C2、C3中的一個來實現，電阻R1和二極管D1供前述方波結束后放電用，以讓電容C進入可重新充電的狀態(tài)。
所形成的尖脈沖，可以直接加給電子開關，如有必要，也可以去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，輸出脈寬可調的方波，用以驅動后面的電子開關。
電子開關電路亦示于圖2，由兩個放大管BG1和BG2，電阻R3、R4構成兩級放大器，去驅動可控硅SCR，都工作在開關狀態(tài)，激勵脈沖到來時，導通、平時截止。放大管由電池供電，可控硅可以控制直流電，也可以控制交流電。圖2上畫的是控制交流市電的情形，要是控制直流電，就只要將電磁鐵線包接在電池的正極上即可，如圖2上虛線所示。
本裝置所用的電磁鐵是直動的，可以是III型，也可以是螺管式。機械振動幅度小，宜用III型，機械振動幅度大，補給的能量要比較大時，宜用螺管式。電磁鐵工作在脈沖狀態(tài)下，而且線包內的反向電流所釋放的原儲存的磁能也需用來作有用功，所以為減小鐵損，電磁鐵4的鐵心7宜用片狀或帶狀軟磁材料疊成或卷成。
電磁鐵4的線包內的電流的通斷由電子開關控制。并聯在線包上的二極管D2，是為了消除斷電時的高反壓而設置的放電回路，同時，放電電流流過電磁鐵4的線包也將產生電磁吸力，而做有用功，從而提高了電能的利用率。
計數定時機構示于圖5和圖6。整個機構都通過夾板33裝在隨振體13上，撥桿22呈直角狀，角的頂端部位有孔，套在軸24上，可繞軸24轉動。撥桿22的兩直角也都有足夠的剛性，其中一條直角邊的末端是叉形，叉住靜止不動的垂直支柱9，之間有一定的間隙，不防礙撥桿22繞軸24的轉動。這叉形端與垂直支柱9上的固定擋物25之間隔著套在支柱9上的彈簧21，彈簧21在隨振體13向上運動的時候推撥桿22的叉行端向下，使撥桿22反時針轉動，直至叉形端與隨振體13相碰的極限位置。以后，隨振體13繼續(xù)往上運動，就壓縮彈簧21，并不受阻。
撥桿22上裝有復位彈簧23，它一端鉤在撥桿22上，另一端鉤在隨振體13上，總給撥桿22一個順時針方向的轉矩。這樣，當隨振體13向上運動時，撥桿22可以反時針轉動，向下運動時，撥桿22則順時針回復，直至其另一直角邊和定位樁20相靠所確定的位置。
撥桿22與定位樁相靠的直角邊的內側有一彈簧片19。長條形，靠直角頂點一端鉚在撥桿22上，另一端是活動的，并較所說直角邊稍長，長輪片32的齒高的數值，這伸出部分恰與輪片32嚙合。顯然，這活動端只能朝撥桿22的內側彎曲變形。所以當撥桿22反時針方向轉動時，隨之轉動的彈簧片19的活動端能撥動輪片32轉動。由于撥桿22轉動有極限位置，簧片19也能撥齒到一固定位置，輪片32上的齒是鋸齒形，撥桿22順時針方向復位時，彈簧片19的活動端將因彎曲變形而滑過一個鋸齒，到達定位樁20的位置，待下次反時針方向轉動時，彈簧片19就將曾滑過的那一個齒撥到那固定位置上去。即，撥桿22每轉動一次，將輪片32的齒移動一個周節(jié)的位置。
輪片32的軸齒34帶動輪片31轉動。輪片31是用絕緣材料做成的，但上面有一近似扇形的金屬板27，金屬板27鑲得很平，以一定壓力壓在輪片31上的兩個彈性壓片26和30在輪片31轉動時，能順利滑動，無跳動和卡死的現象出現。金屬板27的寬度正好等于彈性壓片26、30與輪片31的兩觸點的距離再加上輪片31轉動一個齒的角度觸點所移動的距離。壓片26和30以及金屬板27組成圖2中的開關K2。這樣輪片31每轉一周，彈性壓片26、30同時壓在金屬板27上的機會就有一次，即開關K2接通一次，而時間不會超過輪片31轉動一個齒的角度的時間。
開關K2接通就完全破壞了微分電路的正常工作，本裝置就暫停補給能量。借助手動，讓機械振動持續(xù)若干周，輪片31轉過一個齒的角度后，本裝置就又可補給能量了。
易見，隨振體13每往復一次，輪片32轉一個齒。若輪片32的齒數為Z1，軸齒齒數為Z2，輪片31的齒數為Z3，則隨振體13往復運動Z1、Z3/Z2次，即經過1/f、Z1、Z3/Z2的時間(其中f為隨振體振動的頻率)，輪片31轉1圈，開關K2接通一次。
圖7是本裝置的一種更適用的形式，是雙向激振機構形式，稱之為雙向激振器，內有兩套前述的單向激振機構，先以一套為例說明如下由鐵心7、線包36、銅質導管37、銜鐵8構成一個典型的螺管式電磁鐵。隨振體13是T字型，作為活塞桿，可在殼體35的軸孔中滑動，隨振體13和銜鐵8用分別套有彈簧12。38的連接桿11和39相聯。此種聯結和前述單向激振機構是一樣的。
另外一個電磁鐵的結構完全一樣。
這樣隨振體13帶動兩個銜鐵作往復運動，二者相位恰相反，其靜態(tài)平衡位置就在距兩電磁鐵一樣遠的中點上。隨振體往左運動時，能受到銜鐵8的拉力，往右運動時，能受到另一個銜鐵的拉力，因而在振動一周中，先后在兩個方向上被加速。
裝在隨振體13上的永磁體15。屏敝板17和裝在印刷線路板16上的干簧管14構成位置傳感器1，與銜鐵8對應。與另一個電磁鐵相對應的位置傳感器有同樣的結構。
印刷線路板16上裝有兩套如圖2所示的電子線路，以控制兩個電磁鐵。
裝在殼體35上的二刀三擲開關40，相當于圖2中的開關K3，可以控制電磁鐵通電的時間，即控制補給能量的大小。
本裝置以窄脈沖形式的電能轉變?yōu)檎駝芋w的動能為目的，其電能轉變?yōu)榇拍埽拍苻D變?yōu)闄C械能的效率都較高，所以整個裝置的能量利用率是高的。
利用本裝置可以獲得低速的往復直線運動、擺動和低速轉動?？捎糜谏a、日用中的許多方面，下面列舉幾個應用。
一、給以圓弧支面在靜止體上來回滾動方式而左右搖擺的被搖體助搖。
象嬰兒搖床、搖椅以及生產、日用中的許多器具，都需要以搖擺方式作低頻機械振動，而且都是以圓弧支面來回滾動來實現的。
具有一定機械能的被搖體，在搖擺過程中以固有頻率作動能和勢能交替轉變的振動，需不斷地給被搖體補充能量，才能維持其擺動。本裝置可為之補充能量，起一種助搖作用，如圖4所示。
在搖擺幅度不大的情況下，圓弧中心點O，即靜態(tài)平衡位置時的支點，不管是向左，還是向右搖擺，都升高，在擺回平衡位置時，都降低，所以這種圓弧的滾動，可看成是圓弧中心點O上下往復運動所至。本裝置安放在O點部位。鐵心的支架底座10置于地上或其它靜止體上，被搖體18直接與隨振體13相聯。在搖擺當中，O點離開地面上升，至一定高度h時，受到向上電磁拉力，被搖體的動能得到補充。顯然，只要被搖體的振動的阻尼系數小于臨界阻尼系數，本裝置就能為之助搖。
通過開關K3可以選擇電磁鐵通電的時間，控制補給能量的多少，即控制了搖擺幅度的大小。
被搖體一經外力啟動后，本裝置就能為之助搖，按其固有頻率一直搖擺下去，直到由計數定時機構所規(guī)定的預定時間自動停止為止。以后經外力啟動，被搖體又會重復上述過程。
在搖擺當中，只需用外力在靜態(tài)平衡位置上止住被搖體的慣性擺動，就可以讓搖擺停下來。
被搖體在搖擺當中不管是位置移動，還是自身質量變化，只要不處于過阻尼狀態(tài)，上述功夠都不受影響，所以使用十分方便。
二、牽引車輪。
如圖8所示。在車架44上固定有雙向激振器41，其活塞桿式的隨振體13通過連桿42與車輪軸46上的曲柄43相聯。車輪軸46可在車架44上的軸承中轉動。車輪45與車輪軸46固死。
當車輪45籍著慣性向前滾動時，曲柄43。連桿42就將帶動隨振體13往復運動。隨振體13在往復運動中要受到雙向激振器41的電磁吸力，這電磁吸力再通過曲柄43，連桿42變?yōu)閷囕?5的轉矩，使車輪45滾動加速。
這種動力裝置最適宜改造腳踏或手動低速輕便車，特別是那種適宜于老弱病殘使用的輪椅車。只要外力將車啟動，最多籍慣性運動半周，本裝置就能開始為它提供動力，只要車速不慢到慣性使車輪轉不到半周的程度，車都能連續(xù)行走。
可用一個二刀四擲的波段開關40來控制車的行駛狀態(tài)。開關40相當于圖2中的開關K3，用以選擇不同的時間常數，控制牽引力的大小，速度的大小，另外還有一個空檔位置，作為停車用開關。
使用蓄電池，無污染，也省電。
三、送料作用。
送料機構常需一種低速往復運動，以一定的速度將一處的物體送至另一處。圖9為使用本裝置的送料機構。轉軸47上固有兩個曲柄其中一個是偏心塊48，另一個是曲柄49，扇形偏心塊48通過連桿42與本裝置，即雙向激振器41的活塞式的隨振體13相聯，扇形偏心塊本身相當于一個具有足夠大轉動慣量的物理擺，有其固有振動頻率。
曲柄49通過連桿50牽動待移動的物件51。
作為物理擺的扇形偏心塊48，其靜態(tài)平衡位置是O1點，當它離開O1點向O2位置運動時，會受到雙向激振器41的電磁吸力。這電磁吸力通過轉軸47，曲柄49和連桿50，能移動物件51做功，同時也會補充扇形偏心塊48的運動動能，使振動持續(xù)，達到連續(xù)自動送料的目的，處于最大振幅O2點上的扇形偏心塊48動能為零，而具有最大勢能。這時，外力作用可使它在O2點位置上停留任意長的時間，然后松開，它還可照舊持續(xù)振動下去。這是馬達作動力的輸送機械所不能做到的。
不同質量和半徑的扇形偏心塊有不同的送料速度。
顯然，用此法送料，設備少、小、能耗低。
上述物件51有廣泛的涵義，它可以是工件，也可以是工具，也可以是別的。
上述物理擺除扇形偏心塊48這種形式外，也可以是被懸吊的物體和懸吊物，或是偏心的工具或工件。
權利要求
1.一種低頻機械振動能量補給裝置。其特征是由位置傳感器1、脈寬控制電路2、電子開關電路3、電磁鐵4、激振機構5、計數定時機構6組成。
2.根據權利要求
1所述的補給裝置，其特征是，位置傳感器1在用永磁體來吸合磁敏元件干簧管時，離永磁體15端頭不遠處，且與磁力線對稱軸線垂直的平面內，有軟磁材料屏敞板17。
3.根據權利要求
1所述的補給裝置，其特征是，脈寬控制電路2中，決定輸出脈沖最大寬度的時間常數RC與脈沖結束后電磁鐵線包的反壓持續(xù)時間之和，恰等于銜鐵8自開始加速至與鐵心7相碰所經歷的時間。
4.根據權利要求
1所述的補給裝置，其特征是，電磁鐵4屬螺管式的時，鐵心7用帶狀軟磁材料卷成。
5.根據權利要求
1所述的補給裝置，其特征是，激振機構5中，固定鐵心7的支架底座9、10、或殼體(35)固定在靜止體上，銜鐵8通過套有壓縮彈簧12的連接桿11與隨振體13相聯，隨振體13則通過曲柄連桿機構(42、43)聯在振動體上。
6.根據權利要求
1所述的補給裝置，其特征是，計數定時機構6中的金屬板27和壓片26、30組成開關K3，并置于絕緣輪片31上。
專利摘要
低頻機械振動能量補給裝置。屬于生產與日用自動化機電裝置。主要是利用電磁鐵為作低頻機械振動的物體(或機械系統(tǒng))補充能量，以維持其連續(xù)振動。為此，本裝置有一激振機構，傳入振動體的運動，而位置傳感器，脈寬控制電路，電子開關電路根據傳入的運動來選擇合適的時間，讓電磁鐵通電，作機械功，最后再由激振機構將機械功以增加動能的形式傳遞給振動體。本裝置還有一種控制振動次數的計數定時機構?？蔀楦鞣N搖、擺振動，進而又為低頻往復運動提供動力，還為慣性輪提供轉動力矩。
文檔編號B06B1/04GK85201785SQ85201785
公開日1986年8月27日 申請日期1985年5月3日
發(fā)明者關鐘森 申請人:關鐘森導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan