專利名稱：加速度試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種產(chǎn)生直線加速度的試驗(yàn)裝置，可用于各種設(shè)備、部件、生物在加速度環(huán)境下的特性和動力學(xué)響應(yīng)的試驗(yàn)，研究和評定其在加速度和沖擊環(huán)境下的性能指標(biāo)和作業(yè)效能，也可用于加速度環(huán)境的適應(yīng)性訓(xùn)練。
背景技術(shù)：
飛機(jī)、車輛、艦船等各種運(yùn)動平臺上的設(shè)備和人員都會受到平臺碰撞、加速所產(chǎn)生的動態(tài)力的作用，為了評價(jià)他們受到動態(tài)力作用時(shí)的特性和響應(yīng)，需要將他們置于特定的加速度作用環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，加速度試驗(yàn)裝置就是用于為此提供試驗(yàn)條件。提供加速度的試驗(yàn)裝置有兩類。一類是靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的法向加速度提供一個(gè)持續(xù)恒定的試驗(yàn)加速度環(huán)境。這種方式可以產(chǎn)生穩(wěn)定而持續(xù)時(shí)間很長的加速度，但由于旋轉(zhuǎn)速度的變化需要一個(gè)加速旋轉(zhuǎn)過程，此間必然產(chǎn)生切向加速度，因此無法按照需要的變化規(guī)律迅速產(chǎn)生方向恒定的加速度，也無法模擬持續(xù)時(shí)間很短的碰撞過程。如專利公告號CN201126406Y就是這類裝置中的一種。另一類是靠直線運(yùn)動，通過速度變化提供一個(gè)需要的加速度試驗(yàn)環(huán)境。通常是先驅(qū)動試驗(yàn)平臺達(dá)到規(guī)定的速度值，然后施加反向力迅速減速，產(chǎn)生所需的反向試驗(yàn)加速度(也可以采用試驗(yàn)平臺不動，一個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)以規(guī)定的速度向試驗(yàn)臺撞擊，來獲得試驗(yàn)加速度)。驅(qū)動試驗(yàn)平臺運(yùn)動的方式可采用電磁力驅(qū)動，彈力驅(qū)動，氣動力驅(qū)動、火箭驅(qū)動，或斜坡重力驅(qū)動。減速的反向力可采用液體阻尼，彈力阻尼，重力阻尼，摩擦阻尼，或與阻攔物碰撞。這些方式能控制阻尼力的幅度，不能控制阻尼力的實(shí)時(shí)變化，只能產(chǎn)生幅值較大的恒定加速度，無法產(chǎn)生幅值較小的時(shí)變曲線可控的加速度。與阻攔物碰撞的方式，只能用于產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很短的碰撞加速度度。如:公開號CN1731142A給出了一種采用彈力驅(qū)動、重力或摩擦阻尼的加速度試驗(yàn)裝置；公開號CN1544277A給出了一種采用彈力驅(qū)動、碰撞物阻攔的汽車用加速度試驗(yàn)臺；公告號CN20191743U給出了一種采用火箭撬驅(qū)動方式產(chǎn)生阻尼加速度的水剎車阻尼裝置；公布號CN102466556A給出了一種采用液壓運(yùn)動機(jī)構(gòu)撞擊試驗(yàn)臺獲得加速度，用于汽車白車碰撞試驗(yàn)的裝置；公布號CN102192827A給出了一種采用電機(jī)驅(qū)動、液壓機(jī)構(gòu)提供阻尼力的用于汽車碰撞試驗(yàn)的加速度裝置；公開號CN101598627給出了一種采用重力勢能加速，砧座墻阻攔的碰撞試驗(yàn)裝置。如上所述，加速度試驗(yàn)裝置從功能上有以下兩種:一種是提供碰撞試驗(yàn)(如汽車碰撞試驗(yàn))，此裝置提供的加速度值高(比如180G)，持續(xù)時(shí)間短(比如0.3毫秒，即使采用水力阻尼，加速度持續(xù)時(shí)間也只能達(dá)到100多毫秒)；另一種是提供低加速度值(如5G)，加速度持續(xù)時(shí)間長(比如可達(dá)數(shù)秒或數(shù)分鐘)。目前，現(xiàn)有的加速度試驗(yàn)裝置都不能對加速度的變化波形進(jìn)行設(shè)定和控制，只對加速度的幅值進(jìn)行設(shè)定和控制，而且沒有既具備高加速度幅值、短持續(xù)時(shí)間的碰撞試驗(yàn)功能，又具備低加速度幅值、長持續(xù)時(shí)間的加速度試驗(yàn)功能的裝置。在實(shí)際加速度環(huán)境中，有不少場合既有高加速度幅值的碰撞又有長時(shí)間的低加速度幅值作用，而且加速度變化按照特定的曲線演進(jìn)，現(xiàn)有技術(shù)都無法提供這種試驗(yàn)環(huán)境。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對現(xiàn)有加速度試驗(yàn)裝置存在的功能缺陷和技術(shù)障礙，提出了一種采用電磁力驅(qū)動和阻尼，加速度幅度和形態(tài)可以設(shè)定與控制，往復(fù)式運(yùn)行，能夠提供碰撞和持續(xù)加速度綜合作用環(huán)境的多用途加速度試驗(yàn)裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)思想:1、由伺服電機(jī)提供驅(qū)動力和阻尼力，利用電磁力響應(yīng)快的特點(diǎn)，增強(qiáng)試驗(yàn)平臺的動態(tài)響應(yīng)能力。2、用帶鋼絲骨架的齒形傳動帶傳遞驅(qū)動力，增強(qiáng)傳動剛性，提高響應(yīng)速度。3、上位計(jì)算機(jī)和下位伺服控制單元構(gòu)成兩級控制，利用友好的計(jì)算機(jī)人機(jī)界面，提高加速度幅度和形態(tài)設(shè)置的便捷性，利用伺服控制單元的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，保證對試驗(yàn)臺運(yùn)動的實(shí)時(shí)快速控制。4、往復(fù)式運(yùn)動模式提高試驗(yàn)裝置的有效行程。5、參數(shù)識別算法和控制校正功能可適應(yīng)試驗(yàn)對象質(zhì)量的變化，保證設(shè)置的加速度幅度和形態(tài)真實(shí)再現(xiàn)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案:加速度試驗(yàn)裝置包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)包括上位計(jì)算機(jī)和下位伺服控制單元，上位計(jì)算機(jī)為操作人員提供交互界面，完成對加速度曲線幅度和形態(tài)的設(shè)定，運(yùn)算處理后得到控制數(shù)據(jù)發(fā)送到下位伺服控制單元，下位伺服控制單元按照上位計(jì)算機(jī)給定的控制數(shù)據(jù)，通過下位伺服單元的電源輸出端口向驅(qū)動機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)送出伺服電力，實(shí)時(shí)控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，同時(shí)記錄驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)，試驗(yàn)裝置運(yùn)行完畢，下位伺服單元向上位計(jì)算機(jī)發(fā)送測量數(shù)據(jù)，上位計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)，提供給操作人員。驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、與伺服電機(jī)同軸配裝的角度編碼器、主動齒輪、從動齒輪、剎車裝置和齒形傳動帶，伺服電機(jī)的供電輸入端口與下位伺服單元的電源輸出端口相連，按照其提供的能量和信號旋轉(zhuǎn)，帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，牽引嚙合于主動輪和從動輪上的齒形傳動帶運(yùn)動，角度編碼器信號輸出端與下位伺服控制單元的測量數(shù)據(jù)輸入口相接，向伺服控制單元發(fā)送時(shí)變的伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度信號，剎車裝置與從動輪同軸，提供剎車阻力。運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括運(yùn)動平臺、多輪限位機(jī)構(gòu)、兩條U形導(dǎo)軌和端頭液壓阻尼器，運(yùn)動平臺下部安裝多輪限位機(jī)構(gòu)，多輪限位機(jī)構(gòu)嵌入兩條U形導(dǎo)軌中，使運(yùn)動平臺只能沿U形導(dǎo)軌的延展方向往復(fù)運(yùn)動，不能向其它方向運(yùn)動，驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝于兩條導(dǎo)軌之間，位于運(yùn)動平臺下部，通過螺栓將運(yùn)動平臺與驅(qū)動機(jī)構(gòu)的齒形傳動帶固定在一起，當(dāng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)可通過齒形傳動帶牽引運(yùn)動平臺運(yùn)行，端頭的液壓阻尼器設(shè)置于導(dǎo)軌的兩端，可提供碰撞阻尼力。試驗(yàn)裝置可以工作于單向運(yùn)行模式和雙向運(yùn)行模式。試驗(yàn)裝置單向模式運(yùn)行時(shí)，可先驅(qū)動運(yùn)動平臺達(dá)到規(guī)定的速度，再按照預(yù)先設(shè)定的加速度變化曲線減速；也可以先按照預(yù)先設(shè)定的加速度變化曲線加速，再按照規(guī)定的加速度減速停止；還可以先驅(qū)動運(yùn)動平臺達(dá)到規(guī)定的速度，再采用剎車裝置提供剎車力或與導(dǎo)軌端頭液壓阻尼器碰撞獲得阻尼力，從而獲得較高的試驗(yàn)加速度值。試驗(yàn)裝置工作于雙向運(yùn)行模式時(shí)，運(yùn)動平臺的運(yùn)行分為預(yù)備、試驗(yàn)、停止三個(gè)階段，在預(yù)備段，運(yùn)動平臺在驅(qū)動力作用下達(dá)到規(guī)定的速度，進(jìn)入試驗(yàn)段；在試驗(yàn)階段按照預(yù)先設(shè)定的加速度變化曲線給運(yùn)動平臺施加與運(yùn)動方向相反的驅(qū)動力，使運(yùn)動平臺逐漸減速到靜止，而后向相反的方向再次加速到規(guī)定的速度，此階段盡管運(yùn)動平臺的運(yùn)行方向發(fā)生了變化，但運(yùn)動平臺上的試驗(yàn)對象所受的慣性力的方向并沒有改變，使試驗(yàn)加速度的持續(xù)時(shí)間得到加倍延長；在停止段，運(yùn)動平臺的驅(qū)動力再次反向，使運(yùn)動平臺逐漸減速停止，整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行過程結(jié)束。本實(shí)用新型的有益效果:利用電磁力對試驗(yàn)裝置進(jìn)行加速減速，動態(tài)響應(yīng)速度快，加速度變化曲線控制精度高；帶鋼絲骨架的齒形傳動帶彈性變形小，驅(qū)動力傳遞速度快；雙向運(yùn)動模式提高了試驗(yàn)裝置的有效行程，在同樣導(dǎo)軌長度條件下，雙向運(yùn)動模式可將試驗(yàn)加速度持續(xù)時(shí)間延長一倍；可提供雙向運(yùn)動和單向運(yùn)動模式，可采用剎車和液壓阻尼碰撞模式，適用于多種工況的試驗(yàn)；上位計(jì)算機(jī)和下位伺服控制單元構(gòu)成兩級控制，加速度幅度和形態(tài)設(shè)置便捷，伺服控制單元的實(shí)時(shí)控制效果好；參數(shù)識別算法和控制校正功能可適應(yīng)試驗(yàn)對象變化帶來的運(yùn)動平臺承載質(zhì)量的變化，保證試驗(yàn)裝置的加速度幅度和形態(tài)與設(shè)定參數(shù)一致。

圖1是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是驅(qū)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的主視圖圖3是驅(qū)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的俯視圖圖4是運(yùn)動平臺、多輪限位機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)斷面圖圖5是雙向運(yùn)動模式的運(yùn)動過程示意圖圖6是雙向運(yùn)動模式工作時(shí)運(yùn)動平臺的一組加速度、速度、位移變化曲線上述各圖中的標(biāo)號:1、控制系統(tǒng)的上位計(jì)算機(jī)，2、下位伺服控制單元，3、驅(qū)動機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)，4、角度編碼器，5、主動齒輪，6、從動齒輪，7、剎車裝置，8、齒形傳動帶，9、運(yùn)動平臺，10、多輪限位機(jī)構(gòu)，11、U形導(dǎo)軌，12、鑄鐵基座，13、水泥地面。
具體實(shí)施方式
參照附圖，詳細(xì)說明本實(shí)用新型的實(shí)施實(shí)例如下:控制系統(tǒng)的上位計(jì)算機(jī)I選用華碩工控機(jī)，下位伺服控制單元2由西門子S120系列模塊構(gòu)成，上位計(jì)算機(jī)與下位伺服單元通過以太網(wǎng)口連接。采用Labview平臺進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，應(yīng)用軟件主要功能模塊包括系統(tǒng)配置、系統(tǒng)標(biāo)定、曲線配置、參數(shù)識別、數(shù)據(jù)管理、裝置運(yùn)行等模塊。加速度曲線幅度和形態(tài)的設(shè)定采用直觀的圖形界面供。下位伺服控制單元2的驅(qū)動電源輸出口與驅(qū)動機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)3的電源輸入口相連，通過DEVICE-CLIQ接口與伺服電機(jī)的角度編碼器相連。驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)3、與伺服電機(jī)同軸配裝的角度編碼器4、主動齒輪5、從動齒輪6、剎車裝置7和齒形傳動帶8。伺服電機(jī)選用西門子直驅(qū)伺服電機(jī)，角度編碼器選用與電機(jī)配裝的絕對角度編碼器，采用帶鋼絲骨架的齒形傳動帶，配裝鋼制主動齒輪和從動齒輪，剎車裝置采用電磁制動器。運(yùn)動機(jī)構(gòu)安裝于水泥地面13的鑄鐵基座12上，包括運(yùn)動平臺9、多輪限位機(jī)構(gòu)10、兩條U形導(dǎo)軌11和端頭液壓阻尼器。運(yùn)動平臺采用鋁合金材質(zhì)，柵格鏤空結(jié)構(gòu)，設(shè)多個(gè)試驗(yàn)對象固定螺栓座，下部通過螺栓與多輪限位機(jī)構(gòu)固定，與齒形傳動帶固結(jié)，多輪限位機(jī)構(gòu)由U形導(dǎo)軌端頭嵌入。多輪限位機(jī)構(gòu)設(shè)置調(diào)整機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)與U形導(dǎo)軌配合的松緊程度，保證運(yùn)動平臺沿U形導(dǎo)軌的延展方向順暢運(yùn)行。在U形導(dǎo)軌端頭液壓阻尼器選用長行程大推力型號。圖5為雙向運(yùn)行模式的運(yùn)行示意圖。在預(yù)備段，運(yùn)動平臺從A出發(fā)，受到齒形傳動帶施加的向右的力，以一定的加速度向右運(yùn)動，達(dá)到規(guī)定的速度時(shí)，運(yùn)行至B，轉(zhuǎn)入試驗(yàn)段；在試驗(yàn)段，運(yùn)動平臺受到齒形傳動帶施加的向左的力，以設(shè)定的反向加速度減速，運(yùn)行到C時(shí)，速度減為零，在齒形傳動帶施加向左的力的繼續(xù)作用下，運(yùn)動平臺向左加速運(yùn)動，達(dá)到規(guī)定的速度時(shí)，返回到B，轉(zhuǎn)入停止段；在停止段，運(yùn)動平臺受到齒形傳動帶施加的向右的力，逐步減速至停止，試驗(yàn)過程結(jié)束。圖6為雙向運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)的加速度a、速度V、位移s的變化曲線。當(dāng)試驗(yàn)段的加速度為常值時(shí)，去程和返程是一樣的。當(dāng)試驗(yàn)段的加速度為一個(gè)變化的曲線時(shí)，去程和返程不一樣，控制系統(tǒng)將自動計(jì)算起始位置A距端點(diǎn)的距離，先運(yùn)行定位到所需的起始點(diǎn)，再開始整個(gè)運(yùn)行過程。本實(shí)例是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施特例，在運(yùn)用本實(shí)用新型進(jìn)行加速度試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，可以按照功能和技術(shù)指標(biāo)，變換其具體結(jié)構(gòu)，改變部件、器件、材料的型號及生產(chǎn)廠家。
權(quán)利要求1.加速度試驗(yàn)裝置，包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的控制系統(tǒng)包括上位計(jì)算機(jī)和下位伺服控制單元，上位計(jì)算機(jī)為操作人員提供交互界面，完成對加速度曲線幅度和形態(tài)的設(shè)定，運(yùn)算處理后得到控制數(shù)據(jù)發(fā)送到下位伺服控制單元，下位伺服控制單元按照上位計(jì)算機(jī)給定的控制數(shù)據(jù)，通過下位伺服單元的電源輸出端口向驅(qū)動機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)送出伺服電力，實(shí)時(shí)控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，同時(shí)記錄驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)，試驗(yàn)裝置運(yùn)行完畢，下位伺服單元向上位計(jì)算機(jī)發(fā)送測量數(shù)據(jù)，上位計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)，提供給操作人員。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、與伺服電機(jī)同軸配裝的角度編碼器、主動齒輪、從動齒輪、剎車裝置和齒形傳動帶，伺服電機(jī)的供電輸入端口與下位伺服單元的電源輸出端口相連，按照其提供的能量和信號旋轉(zhuǎn)，帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，牽引嚙合于主動輪和從動輪上的齒形傳動帶運(yùn)動，角度編碼器信號輸出端與下位伺服控制單元的測量數(shù)據(jù)輸入口相接，向伺服控制單元發(fā)送時(shí)變的伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度信號，剎車裝置與主動輪同軸，提供剎車阻力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括運(yùn)動平臺、多輪限位機(jī)構(gòu)、兩條U形導(dǎo)軌和端頭液壓阻尼器，運(yùn)動平臺下部安裝多輪限位機(jī)構(gòu)，多輪限位機(jī)構(gòu)嵌入兩條U形導(dǎo)軌中，使運(yùn)動平臺只能沿U形導(dǎo)軌的延展方向往復(fù)運(yùn)動，不能向其它方向運(yùn)動，驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝于兩條導(dǎo)軌之間，位于運(yùn)動平臺下部，通過螺栓將運(yùn)動平臺與驅(qū)動機(jī)構(gòu)的齒形傳動帶固定在一起，當(dāng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)可通過齒形傳動帶牽引運(yùn)動平臺運(yùn)動，端頭的液壓阻尼器設(shè)置于導(dǎo)軌的兩端，可提供碰撞阻尼力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度試驗(yàn)裝置，其特征在于:試驗(yàn)裝置可以工作于單向運(yùn)行模式和雙向運(yùn)行模式，試驗(yàn)裝置具有參數(shù)識別和控制校正功能。
專利摘要加速度試驗(yàn)裝置，是一種利用電磁力產(chǎn)生規(guī)定的加速度變化曲線的試驗(yàn)設(shè)備，其特征在于控制系統(tǒng)按照設(shè)定的加速度變化曲線，向驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)送驅(qū)動控制信號，驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動平臺沿導(dǎo)軌作變速的直線運(yùn)動，產(chǎn)生所設(shè)定的加速度。該加速度試驗(yàn)裝置動態(tài)響應(yīng)速度快，加速度變化曲線控制精度高，加速度曲線設(shè)置方便，可采用雙向運(yùn)動模式和單向運(yùn)動模式，提高了試驗(yàn)裝置的有效行程，適用于多種工況的加速度試驗(yàn)。
文檔編號G01M99/00GK202974614SQ20122056951
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者徐建中, 李鳴皋, 錢陽明, 田麗麗, 田海濤, 韓磊 申請人:中國人民解放軍海軍總醫(yī)院