專利名稱：一種能量自動(dòng)補(bǔ)償型單擺裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種能量補(bǔ)償裝置，尤其是一種用于單擺的自動(dòng)能量補(bǔ)償裝置。
背景技術(shù)：
單擺自動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程中由于能量損耗不能長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)，而目前的單擺自動(dòng)控制裝 置，主要是受迫振動(dòng)法驅(qū)動(dòng)單擺的長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)。中國(guó)專利號(hào)為ZL96235339. 6的實(shí)用新型專 利公布了 一種用于單擺運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制裝置，其采用電磁特性驅(qū)動(dòng)擺體長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)。但根 據(jù)物理原理，內(nèi)力做功可以增加系統(tǒng)的機(jī)械能，如蕩秋千越時(shí)，當(dāng)秋千蕩至最高點(diǎn)時(shí)人的重 心要求升高，而秋千蕩至最低點(diǎn)時(shí)人的重心要求降低，是通過人的內(nèi)力做功可以補(bǔ)償擺動(dòng) 中的損耗能量。但據(jù)此原理制作的單擺存在擺動(dòng)周期與重心升降周期相匹配的問題，周期稍有不 符合，擺幅就會(huì)出現(xiàn)衰減，不能長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)；能量補(bǔ)償過程容易出現(xiàn)滑塊與擺線碰撞，從而 消耗能量，影響能量補(bǔ)充，不能長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述能量補(bǔ)償中存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)有效 能量自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膯螖[裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案一種能量自動(dòng)補(bǔ)償型單擺裝置，包括支桿、金屬絲和擺體， 擺體通過金屬絲固定于支桿上；擺體包括平衡梁、螺桿、步進(jìn)電機(jī)和空心滑塊，所述螺桿上 刻有凹槽，其下端與步進(jìn)電機(jī)共軸，上端為自由端，所述平衡梁和步進(jìn)電機(jī)通過連接件固 定；空心滑塊通過與凹槽相應(yīng)的結(jié)構(gòu)裝配到螺桿上，該空心滑塊與連接件配合限制其旋轉(zhuǎn)； 擺動(dòng)傳感器固定于支桿上能與金屬線接觸的位置，驅(qū)動(dòng)控制模塊通過所述擺動(dòng)傳感器連接 到步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)控制模塊與金屬絲連接。驅(qū)動(dòng)控制模塊包括電源，驅(qū)動(dòng)器和控制器，通過脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和 旋轉(zhuǎn)方向，從而控制滑塊的上升和下降。本發(fā)明的有益效果是
1)采用空心滑塊與螺桿結(jié)合的方式，通過驅(qū)動(dòng)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)空心滑塊上升或者下降，從而通過內(nèi)力做功維持單擺的持續(xù)擺動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)2)采用擺動(dòng)傳感器，當(dāng)擺體處于最大位移時(shí)，觸發(fā)控制器使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑塊運(yùn) 動(dòng)，能夠通過控制脈沖個(gè)數(shù)使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑塊上升和下降的距離相等，確?；瑝K上位點(diǎn) 和下位點(diǎn)位置固定，能確保擺體的保持固定的振幅。3)采用驅(qū)動(dòng)控制電路與擺動(dòng)傳感器結(jié)合，能夠通過控制脈沖頻率使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) 滑塊上升速度快于下降速度，從而克服能量補(bǔ)償周期與單擺擺動(dòng)周期不一致的問題，能確 保擺體的保持固定的振幅。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是系統(tǒng)裝置圖。圖2是圖1中單擺系統(tǒng)5的結(jié)構(gòu)放大圖。圖3是是圖1中擺體9正面結(jié)構(gòu)放大圖。圖4是是圖1中擺體9側(cè)面結(jié)構(gòu)放大圖。圖5是是圖1中電路連接圖。其中1.電源，2.控制器，3.驅(qū)動(dòng)器，4.數(shù)據(jù)線，5.單擺系統(tǒng)，6.支桿，7.擺動(dòng)傳 感器，8.金屬絲，9.擺體，10.平衡梁，11.螺桿，12.螺旋凹槽，13.空心滑塊，14.螺釘， 15.步進(jìn)電機(jī)，16.連接件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。如圖1-2所示，本發(fā)明包括單擺系統(tǒng)5和驅(qū)動(dòng)控制模塊，在單擺系統(tǒng)5上設(shè)置擺動(dòng) 傳感器7。其中，驅(qū)動(dòng)控制模塊包括電源1、控制器2和驅(qū)動(dòng)器3 ；電源1通過控制器2與驅(qū) 動(dòng)器3相聯(lián)，驅(qū)動(dòng)控制模塊通過數(shù)據(jù)線4與單擺系統(tǒng)5中的擺動(dòng)傳感器7和步進(jìn)電機(jī)15相 聯(lián)；單擺系統(tǒng)5的上端是支桿6，支桿6被支起或者懸掛，支桿6通過兩根金屬絲8與擺體9 相聯(lián)。如圖3和圖4所示，螺桿11與步進(jìn)電機(jī)15共軸，螺桿11上刻有螺旋凹槽12，螺桿 11穿過空心滑塊13，空心滑塊13中心裝配有螺釘14，其螺釘14的在空心滑塊13的內(nèi)的部 分置于螺桿11的螺旋凹槽12內(nèi)。連接件16的上端與平衡梁10固定，下端和步進(jìn)電機(jī)15 外殼固定，其中空心滑塊13為橢圓柱形，其與連接件16間留有間隙，且空心滑塊13與連接 件16的距離小于其長(zhǎng)半軸的長(zhǎng)度，從而保證在螺桿11旋轉(zhuǎn)時(shí)，空心滑塊13不能旋轉(zhuǎn)，只能 上下移動(dòng)。如圖5所示，電源1是將220V交流電轉(zhuǎn)變成24V的直流電源，驅(qū)動(dòng)器3型號(hào) 2024B2，其引腳B15和B16由兩根導(dǎo)線接到電源1的輸出端；控制器2型號(hào)CNC，其與220V 交流電源直接連接，其引腳CP0、DIR0和OPTO分別與驅(qū)動(dòng)器3的引腳B07-B09相連；控制器 2的引腳OUTl和GND分別與金屬絲8和擺動(dòng)傳感器7相連，兩平行的金屬絲8在平衡梁10 處相連，當(dāng)擺動(dòng)傳感器7與金屬絲8相接觸，即接通電路；驅(qū)動(dòng)器3的引腳B11-B14通過數(shù) 據(jù)線4與步進(jìn)電機(jī)15相連。單擺系統(tǒng)的工作原理為接通電源1，將擺體9偏離平衡位置10度左右，放開后， 當(dāng)擺至最大位移處，金屬線8與擺動(dòng)傳感器7接觸，從而導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)控制模塊，控制器2使驅(qū) 動(dòng)器3驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)15逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從上向下看)，從而帶動(dòng)空心滑塊13緩慢下降，移動(dòng)一 定位移后，控制器2控制驅(qū)動(dòng)器3驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)15順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從上向下看)，從而帶動(dòng)空 心滑塊13快速上升，這時(shí)擺體9還沒有到另一邊最大位移處；當(dāng)擺體9至另一側(cè)最大位移 處金屬絲8與擺動(dòng)傳感器7接觸，觸發(fā)控制器2控制驅(qū)動(dòng)器3驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)15逆時(shí)針或順 時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從上向下看)，從而帶動(dòng)滑塊緩慢下降，隨后快速上升，每次觸發(fā)擺體9能獲得一 定能量，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間地?cái)[動(dòng)。本實(shí)施例中，為實(shí)現(xiàn)空心滑塊13上下移動(dòng)是由控制器2控制驅(qū)動(dòng)器3的脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)；其優(yōu)選的方案是控制器2控制驅(qū)動(dòng)器3分別發(fā)送250個(gè)脈沖，從而驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)15順 時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從上向下看)，由于每個(gè)脈沖驅(qū)使螺桿11旋轉(zhuǎn)7. 5度，即每次旋轉(zhuǎn)1875 度。從而帶動(dòng)空心滑塊13移動(dòng)相同的位移，確?？招幕瑝K13的上限位與下限位的位置不變。本實(shí)施例中是實(shí)現(xiàn)空心滑塊13的快速上升，緩慢下降，其實(shí)現(xiàn)方式為由控制器2 控制驅(qū)動(dòng)器3的脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)；其優(yōu)選方式是控制器2控制驅(qū)動(dòng)器3每秒鐘發(fā)送1200個(gè) 脈沖，從而驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)15逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從上向下看)，帶動(dòng)空心滑塊13緩慢下降；控制器 2控制驅(qū)動(dòng)器3每秒鐘發(fā)送2400個(gè)脈沖，從而驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從上向下看)，帶動(dòng) 空心滑塊13快速上升。本實(shí)施例中的步進(jìn)電機(jī)15的旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)，與螺桿11的螺紋方向有關(guān)，只要通 過其旋轉(zhuǎn)能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中的緩慢上升和快速下降，即屬于本專利的保護(hù)范圍。本發(fā)明中并不限制空心滑塊為橢圓柱形，只要其能通過連接件限制其隨螺桿旋轉(zhuǎn) 即屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍；如可以采用下述方案實(shí)現(xiàn)由兩片不相連的連接件固定平衡梁 和步進(jìn)電機(jī)，空心滑塊的外部設(shè)有凸起，該突起置于連接件的間隙中。本發(fā)明的擺動(dòng)傳感器的工作方式并不限于實(shí)施例中所指，只要能實(shí)現(xiàn)擺體擺動(dòng)到 最大位移時(shí)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制模塊導(dǎo)通即屬于本發(fā)明保護(hù)的訪問；如可采用下述方案實(shí)現(xiàn)對(duì) 擺線的材料不做限制，而擺動(dòng)傳感器通過兩根平行細(xì)金屬絲連接驅(qū)動(dòng)控制模塊引出的兩根 導(dǎo)線，當(dāng)擺體運(yùn)動(dòng)到最大位移時(shí)，連通平行金屬絲，從而觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制模塊導(dǎo)通。
權(quán)利要求
一種能量自動(dòng)補(bǔ)償型單擺裝置，包括支桿(6)、金屬絲(8)和擺體(9)，擺體(9)通過金屬絲(8)固定于支桿(6)上；其特征在于擺體(9)包括平衡梁(10)、螺桿(11)、步進(jìn)電機(jī)(15)和空心滑塊(13)，所述螺桿(11)上刻有凹槽(12)，其下端與步進(jìn)電機(jī)(15)共軸，上端為自由端，所述平衡梁(10)和步進(jìn)電機(jī)(15)通過連接件(16)固定；空心滑塊(13)通過與凹槽(12)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)裝配到螺桿(11)上，該空心滑塊(13)與連接件(16)配合限制其旋轉(zhuǎn)；擺動(dòng)傳感器(7)固定于支桿(6)上能與金屬絲(8)接觸的位置，驅(qū)動(dòng)控制模塊通過所述擺動(dòng)傳感器(7)連接到步進(jìn)電機(jī)(15)，驅(qū)動(dòng)控制模塊與金屬絲(8)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的能量自動(dòng)補(bǔ)償型單擺裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)控制模塊包 括電源(1)，控制器(2 )和驅(qū)動(dòng)器(3 )，通過脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)(15 )的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。
3.如權(quán)利要求1或2所述的能量自動(dòng)補(bǔ)償型單擺裝置，其特征在于擺體(9)擺動(dòng)到一 定角度時(shí)接觸所述擺動(dòng)傳感器(7)，接通所述驅(qū)動(dòng)控制電路和步進(jìn)電機(jī)(15)。
4.如權(quán)利要求1所述的能量自動(dòng)補(bǔ)償型單擺裝置，其特征在于所述空心滑塊(13)通 過固定其上的螺釘(14)與所述螺桿(11)的凹槽(12)裝配。
5.如權(quán)利要求1或4所述的能量自動(dòng)補(bǔ)償型單擺裝置其特征在于所述空心滑塊(13) 為橢圓柱形，其中心與連接片(16)的距離小于其長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度。
全文摘要
一種能量自動(dòng)補(bǔ)償型單擺裝置，空心滑塊通過螺釘嵌入到螺桿某一位置，螺桿上端為自由端，下端與步進(jìn)電機(jī)共軸，驅(qū)動(dòng)控制模塊通過擺動(dòng)傳感器與步進(jìn)電機(jī)相連；當(dāng)擺體擺至最大位移處，擺動(dòng)傳感器觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)滑塊緩慢下降，隨后快速上升，擺體擺至另一側(cè)最大位移時(shí)擺動(dòng)傳感器又觸發(fā)一次相同的動(dòng)作，從而驅(qū)使單擺長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)。驅(qū)動(dòng)控制模塊包括電源、控制器和驅(qū)動(dòng)器，通過脈沖數(shù)頻率和個(gè)數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，既確?；瑝K每次上限位和下限位不變，又實(shí)現(xiàn)慢降快升的過程，有效地補(bǔ)償單擺擺動(dòng)過程中的能量損耗。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定、使用方便。
文檔編號(hào)F16H35/00GK101968109SQ201010519789
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者徐瑞平, 畢天雨, 江興方 申請(qǐng)人:常州大學(xué)