技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于測量變長度移動(dòng)繩在給定移動(dòng)速度以及張力下橫向振動(dòng)的測試裝置。更具體涉及一種在給定初始位移下移動(dòng)繩橫向位移振動(dòng)非接觸式測量的測試實(shí)驗(yàn)平臺以及試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

軸向繩移系統(tǒng)是軸向移動(dòng)系統(tǒng)的一種類型，在工程上有許多應(yīng)用，如纜車索道、繩系衛(wèi)星、繩線、動(dòng)力傳送帶、磁帶、紙帶等。軸向繩移系統(tǒng)簡化力學(xué)模型按繩長變化規(guī)律大致分為三類。如圖1a所示為長定的繩移系統(tǒng)，其特點(diǎn)是研究區(qū)域長度不變，繩具有移動(dòng)速度，在研究區(qū)域兩端有新增和消失的繩，其應(yīng)用實(shí)例有傳送帶、纜車索道、動(dòng)力傳動(dòng)的皮帶等；圖1b所示的伸長的繩移系統(tǒng)和圖1c所示的縮短的繩移系統(tǒng)可歸為一類，其特點(diǎn)是研究區(qū)域長度變化，在一端有新增或消失的繩，其應(yīng)用實(shí)例有電梯的鋼索，吊車舉吊重物的上升下降，繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的主星釋放或回收子星時(shí)的繩系等。顯然，這類系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)及振動(dòng)特性對于工程系統(tǒng)的振動(dòng)及穩(wěn)定性控制具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

因?yàn)槔K系的移動(dòng)，在方程中出現(xiàn)隨時(shí)間變化的系數(shù)項(xiàng)，形成了參數(shù)激勵(lì)，該類型的振動(dòng)為參數(shù)振動(dòng)，不能夠用傳統(tǒng)的線性系統(tǒng)的方法獲得其理論解。目前研究學(xué)者已經(jīng)提出了多種數(shù)值計(jì)算方法來求解移動(dòng)繩的振動(dòng)問題，對于這些計(jì)算方法仍需要實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行檢驗(yàn)算法。為此，實(shí)驗(yàn)裝置需要滿足能模擬圖1a、圖1b和圖1c所示的三種系統(tǒng)形式，即包括定長度繩移系統(tǒng)及變長度繩移系統(tǒng)；要能夠給定繩移的速度、方向以及繩的張力，能夠改變繩的材料參數(shù)，如密度、彈性模量等，能給繩系特定的激勵(lì)，如初始位移激勵(lì)、脈沖激勵(lì)等，以及能跟蹤測量繩上多個(gè)質(zhì)點(diǎn)在移動(dòng)時(shí)的橫向位移以及繩移時(shí)繩長方向多個(gè)指定點(diǎn)的橫向位移。但迄今為止，這類實(shí)驗(yàn)裝置尚沒見公開報(bào)導(dǎo)，還沒有一種能夠提供多個(gè)工況的移動(dòng)繩振動(dòng)試驗(yàn)裝置以及測量平臺來檢驗(yàn)數(shù)值算法的計(jì)算結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種定長度移動(dòng)繩的橫向振動(dòng)測量方法，一是用于為求解移動(dòng)繩的振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法提供測量裝置，以便對數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行檢驗(yàn)；二是用于移動(dòng)繩振動(dòng)的控制；三是作為高校專業(yè)課教學(xué)以及科研的實(shí)驗(yàn)平臺。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

設(shè)置繩循環(huán)傳動(dòng)單元，是由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、張緊輪，張力傳感器輪系以及用于驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪的第一步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成循環(huán)輪系，呈閉合環(huán)的繩繞在所述循環(huán)輪系上形成豎直平面中的繩循環(huán)傳動(dòng)單元；所述主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和張緊輪共同固定設(shè)置在底板上；設(shè)置底板坐標(biāo)軸，所述底板坐標(biāo)軸是指繩移方向上的固結(jié)于底板上的坐標(biāo)軸。

設(shè)置位移測量系統(tǒng)：包括呈水平固定安裝在繩的上方、且與繩的移動(dòng)方向平行的直線導(dǎo)軌、與直線導(dǎo)軌滑動(dòng)配合的第一滑塊和第二滑塊；在所述第一滑塊的下方固定連接有橫梁，非接觸式位移傳感器組布置在所述橫梁的底部；與所述直線導(dǎo)軌水平平行設(shè)置有直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺，所述直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺上滑動(dòng)配合的第三滑塊可以通過縱向連接板和橫向連接板來驅(qū)動(dòng)所述第一滑塊和/或第二滑塊的移動(dòng)，并帶動(dòng)橫梁及非接觸式位移傳感器組的平移；縱向連接板用于第三滑塊和第一滑塊的連接或者第三滑塊和第二滑塊的連接，橫向連接板用于第一滑塊和第二滑塊的連接；縱向連接板和橫向連接板易于拆卸和安裝，通過縱向連接板和橫向連接板不同的安裝組合方式實(shí)現(xiàn)繩不同的移動(dòng)工況；所述非接觸式位移傳感器組位于繩的正上方，非接觸式位移傳感器組中的每只傳感器可以測量位于其正下方繩上質(zhì)點(diǎn)在豎直方向的位移；所述張力傳感器輪系通過連接板固聯(lián)在第二滑塊的下方。

本發(fā)明軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：

所述非接觸式位移傳感器組采用激光位移傳感器，

在繩的初始繩長中心位置布置有位移標(biāo)尺，用于測量初始繩長中心位置的位移量。

所述繩循環(huán)傳動(dòng)單元中的繩可以更換為不同的材質(zhì)。

所述繩可以是鋼帶、尼龍帶、布帶或皮帶。

本發(fā)明軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置的測量方法的特點(diǎn)是：

啟動(dòng)第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)，第三滑塊與第一滑塊通過縱向連接板相連接，第一滑塊與第二滑塊通過橫向連接板相連接，由第一步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺上的第三滑塊驅(qū)動(dòng)第一滑塊和第二滑塊以給定速度同步移動(dòng)時(shí)，給繩子提供一個(gè)設(shè)定的初始激勵(lì)；位移傳感器組在繩伸長或縮短時(shí)跟蹤測量繩上指定質(zhì)點(diǎn)在移動(dòng)時(shí)的橫向位移，用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，變長度移動(dòng)繩上質(zhì)點(diǎn)橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置的測量方法的特點(diǎn)是：

啟動(dòng)第一步進(jìn)電機(jī)與第二步進(jìn)電機(jī)，第三滑塊與第一滑塊通過縱向連接板相連接，第一滑塊與第二滑塊不連接，利用固定螺栓使第二滑塊保持位置不變；由第二步進(jìn)電機(jī)通過第三滑塊驅(qū)動(dòng)第一滑塊以給定速度同步移動(dòng)，繩以相同速度同步移動(dòng)，此時(shí)，繩長在主動(dòng)輪與張力傳感器輪系之間，以及在從動(dòng)輪與張力傳感器輪系之間是固定值，繩上質(zhì)點(diǎn)是移動(dòng)的，給繩提供一個(gè)設(shè)定的初始激勵(lì)，由位移傳感器組跟蹤測量定長度繩上指定質(zhì)點(diǎn)在移動(dòng)時(shí)的橫向位移；用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，定長度移動(dòng)繩上質(zhì)點(diǎn)橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置的測量方法的特點(diǎn)是：

啟動(dòng)第一步進(jìn)電機(jī)與第二步進(jìn)電機(jī)，第三滑塊與第一滑塊不連接，第三滑塊與第二滑塊通過連接板相連接，利用固定螺栓使第一滑塊的位置保持不變；由第二步進(jìn)電機(jī)通過第三滑塊驅(qū)動(dòng)第二滑塊以給定速度同步移動(dòng)，此時(shí)，位移傳感器組的位置固定，給繩提供一個(gè)設(shè)定的初始激勵(lì)，利用位移傳感器組測量繩以不同速度伸長或縮短時(shí)在繩對應(yīng)于底板坐標(biāo)軸特定點(diǎn)的橫向位移，用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，變長度移動(dòng)繩在底板坐標(biāo)軸上特定點(diǎn)橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置的測量方法的特點(diǎn)是：

第二步進(jìn)電機(jī)停止，第一步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定速度順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，位移傳感器組與張力傳感器輪系的位置固定不動(dòng)，繩長在主動(dòng)輪與張力傳感器輪系之間，以及在從動(dòng)輪與張力傳感器輪系之間為固定值，繩以設(shè)定的速度右移或左移，給繩提供一個(gè)初始激勵(lì)，利用位移傳感器組測量定長度繩以不同速度左移或右移時(shí)在底板坐標(biāo)軸上特定點(diǎn)的橫向位移，用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，定長度移動(dòng)繩在底板坐標(biāo)軸上特定位置點(diǎn)橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置的測量方法的特點(diǎn)是：

第一步進(jìn)電機(jī)與第二步進(jìn)電機(jī)都停止，繩、位移傳感器組和張力傳感器輪系都位置固定，給繩提供一個(gè)設(shè)定的初始激勵(lì)，利用位移傳感器組測量兩端固定的繩上給定質(zhì)點(diǎn)的橫向位移，用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，兩端固定的繩在底板坐標(biāo)軸上特定點(diǎn)的橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明可用于模擬工程上移動(dòng)繩應(yīng)用的各種工況，并且可用于測量在各種工況下移動(dòng)繩上多個(gè)特定點(diǎn)的橫向位移振動(dòng)，為檢驗(yàn)移動(dòng)繩模型振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算算法提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也可進(jìn)一步用于移動(dòng)繩振動(dòng)的控制，可以作為高校專業(yè)課教學(xué)以及科研的實(shí)驗(yàn)平臺；

2、本發(fā)明中第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)的配合使用，能實(shí)現(xiàn)五種測量工況，使控制系統(tǒng)大為簡化，減少控制誤差；

3、本發(fā)明采用滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺及直線導(dǎo)軌，有效提高實(shí)驗(yàn)傳送的穩(wěn)定性及精確性，同時(shí)滿足上下運(yùn)動(dòng)的同步性。

4、本發(fā)明可以通過更換不同材質(zhì)的繩，實(shí)現(xiàn)對不同材料繩系橫向振動(dòng)位移的測量。

附圖說明

圖1a為定長繩移系統(tǒng)示意圖；

圖1b為伸長的繩移系統(tǒng)示意圖；

圖1c為縮短的繩移系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明立面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺與直線導(dǎo)軌配合示意圖；

圖中標(biāo)號：1底板，2從動(dòng)輪，3繩，4為CHB力值測量表，5直線導(dǎo)軌，6張力傳感器輪系，7第二滑塊，8位移傳感器組，9第一滑塊，10橫梁，11振動(dòng)信號采集調(diào)理模塊，12計(jì)算機(jī)，13主動(dòng)輪，14第一步進(jìn)電機(jī)，15電機(jī)控制面板，16電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，17第三滑塊，18第二步進(jìn)電機(jī)，19直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺，22縱向連接板，23橫向連接板，25固定螺栓，26絲杠，27位移標(biāo)尺，28張緊輪。

具體實(shí)施方式

參見圖2和圖3，本實(shí)施例中軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)置為：

設(shè)置繩循環(huán)傳動(dòng)單元，是由主動(dòng)輪13、從動(dòng)輪2、張緊輪28，張力傳感器輪系6以及用于驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪13的第一步進(jìn)電機(jī)14構(gòu)成循環(huán)輪系，呈閉合環(huán)的繩3繞在循環(huán)輪系上形成豎直平面中的繩循環(huán)傳動(dòng)單元；主動(dòng)輪13、從動(dòng)輪2和張緊輪28共同固定設(shè)置在底板1上；設(shè)置底板坐標(biāo)軸，底板坐標(biāo)軸是指繩移方向上的固結(jié)于底板1上的坐標(biāo)軸。

設(shè)置位移測量系統(tǒng)：包括呈水平固定安裝在繩的上方、且與繩的移動(dòng)方向平行的直線導(dǎo)軌5、與直線導(dǎo)軌5滑動(dòng)配合的第一滑塊9和第二滑塊7；在第一滑塊9的下方固定連接有橫梁10，非接觸式位移傳感器組8布置在橫梁10的底部；與所述直線導(dǎo)軌5水平平行設(shè)置有直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺19，由第二步進(jìn)電機(jī)18實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、并由絲杠26實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的直線滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺19上滑動(dòng)配合有第三滑塊17，第三滑塊17可以通過縱向連接板22和橫向連接板23來驅(qū)動(dòng)第一滑塊9和/或第二滑塊7的移動(dòng)，并帶動(dòng)橫梁10及非接觸式位移傳感器組8的平移；其中，縱向連接板22用于第三滑塊17和第一滑塊9的連接或者第三滑塊17和第二滑塊7的連接，橫向連接板用于第一滑塊9和第二滑塊7的連接；縱向連接板22和橫向連接板23易于拆裝，通過縱向連接板22和橫向連接板23不同的安裝組合方式實(shí)現(xiàn)繩3不同的移動(dòng)工況；非接觸式位移傳感器組8位于繩3的正上方，非接觸式位移傳感器組8中的每只位置可調(diào)的傳感器可以測量位于其正下方繩上質(zhì)點(diǎn)在豎直方向的位移；所述張力傳感器輪系6通過連接板固聯(lián)在第二滑塊7的下方。

具體實(shí)施中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也包括：

非接觸式位移傳感器組8采用激光位移傳感器；在繩3的初始繩長中心位置布置有位移標(biāo)尺27，用于測量初始繩長中心位置的位移量；繩循環(huán)傳動(dòng)單元中的繩3可以更換為不同的材質(zhì)；繩3可以是鋼帶、尼龍帶、布帶或皮帶。

本實(shí)施例中軸向移動(dòng)繩橫向振動(dòng)測量裝置有如下五種測量方法。

測量方法一：

啟動(dòng)第一步進(jìn)電機(jī)14和第二步進(jìn)電機(jī)18，第三滑塊17與第一滑塊9通過縱向連接板22相連接，第一滑塊9與第二滑塊7通過橫向連接板23相連接，由第一步進(jìn)電機(jī)18通過滾珠絲杠導(dǎo)軌滑臺19上的第三滑塊17驅(qū)動(dòng)第一滑塊9和第二滑塊7以給定速度同步移動(dòng)時(shí)，給繩子提供一個(gè)設(shè)定的初始激勵(lì)；位移傳感器組8在繩伸長或縮短時(shí)跟蹤測量繩上指定質(zhì)點(diǎn)在移動(dòng)時(shí)的橫向位移，用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，變長度移動(dòng)繩上質(zhì)點(diǎn)橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

測量方法二、

啟動(dòng)第一步進(jìn)電機(jī)14與第二步進(jìn)電機(jī)18，第三滑塊17與第一滑塊9通過縱向連接板22相連接，第一滑塊9與第二滑塊7不連接，利用固定螺栓25使第二滑塊7保持位置不變；由第二步進(jìn)電機(jī)18通過第三滑塊17驅(qū)動(dòng)第一滑塊9以給定速度同步移動(dòng)，繩3以相同速度同步移動(dòng)，此時(shí)，繩長在主動(dòng)輪13與張力傳感器輪系6之間，以及在從動(dòng)輪2與張力傳感器輪系6之間是固定值，繩上質(zhì)點(diǎn)是移動(dòng)的，給繩提供一個(gè)設(shè)定的初始激勵(lì)，由位移傳感器組8跟蹤測量定長度繩上指定質(zhì)點(diǎn)在移動(dòng)時(shí)的橫向位移；用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，定長度移動(dòng)繩上質(zhì)點(diǎn)橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

測量方法三、

啟動(dòng)第一步進(jìn)電機(jī)14與第二步進(jìn)電機(jī)18，第三滑塊17與第一滑塊9不連接，第三滑塊17與第二滑塊7通過橫向連接板23相連接，利用固定螺栓使第一滑塊9的位置保持不變；由第二步進(jìn)電機(jī)18通過第三滑塊17驅(qū)動(dòng)第二滑塊7以給定速度同步移動(dòng)，此時(shí)，位移傳感器組8的位置固定，給繩提供一個(gè)設(shè)定的初始激勵(lì)，利用位移傳感器組8測量繩以不同速度伸長或縮短時(shí)在繩對應(yīng)于底板坐標(biāo)軸特定點(diǎn)的橫向位移，用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，變長度移動(dòng)繩在底板坐標(biāo)軸上特定點(diǎn)橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

測量方法四：

第二步進(jìn)電機(jī)18停止，第一步進(jìn)電機(jī)14以設(shè)定速度順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，位移傳感器組8與張力傳感器輪系6的位置固定不動(dòng)，繩長在主動(dòng)輪13與張力傳感器輪系6之間，以及在從動(dòng)輪2與張力傳感器輪系6之間為固定值，繩以設(shè)定的速度右移或左移，給繩提供一個(gè)初始激勵(lì)，利用位移傳感器組8測量定長度繩3以不同速度左移或右移時(shí)在底板坐標(biāo)軸上特定點(diǎn)的橫向位移，用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，定長度移動(dòng)繩在底板坐標(biāo)軸上特定位置點(diǎn)橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

測量方法五：

第一步進(jìn)電機(jī)14與第二步進(jìn)電機(jī)18都停止，繩3、位移傳感器組8和張力傳感器輪系6都位置固定，給繩3提供一個(gè)設(shè)定的初始激勵(lì)，利用位移傳感器組8測量兩端固定的繩上給定質(zhì)點(diǎn)的橫向位移，用于驗(yàn)證給定初始激勵(lì)條件下，兩端固定的繩在底板坐標(biāo)軸上特定點(diǎn)的橫向振動(dòng)模型的數(shù)值求解算法的準(zhǔn)確性。

初始激勵(lì)是指對定長度繩的中點(diǎn)給定一定的初始位移，然后釋放。

在第二步進(jìn)電機(jī)18不啟動(dòng)，第一步進(jìn)電機(jī)14順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)定長度繩向右移動(dòng)；在第二步進(jìn)電機(jī)18不啟動(dòng)，第一步進(jìn)電機(jī)14逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定長度繩向左移動(dòng)，即為圖1a所示系統(tǒng)。

在第二步進(jìn)電機(jī)18啟動(dòng)，第一步進(jìn)電機(jī)14順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由第三滑塊17通過縱向連接板22驅(qū)動(dòng)第二滑塊7水平右移，實(shí)現(xiàn)繩的向右移動(dòng)伸長，即為圖1b所示系統(tǒng)；

在第二步進(jìn)電機(jī)18啟動(dòng)，第一步進(jìn)電機(jī)14逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由第三滑塊17通過縱向連接板22驅(qū)動(dòng)第二滑塊7水平左移，實(shí)現(xiàn)繩的向左移動(dòng)縮短，即為圖1c所示系統(tǒng)。

位移標(biāo)尺27布置在初始繩長的中心位置，當(dāng)繩橫向振動(dòng)的初始條件是給定繩中心點(diǎn)位移時(shí)，利用位移標(biāo)尺27測量該點(diǎn)的位移大小，用于數(shù)值計(jì)算。

本實(shí)施例是利用第一步進(jìn)電機(jī)控制繩的傳輸速度及方向，通過改變繩的材料獲得不同的振動(dòng)特性；利用非接觸式位移傳感器組8測量繩3的橫向振動(dòng)位移，利用張力傳感器輪系6測量在繩橫向振動(dòng)初始時(shí)刻和振動(dòng)過程中繩3的內(nèi)部張力的大小，并由CHB力值測量表4進(jìn)行顯示，繩3的初始位移通過標(biāo)尺測量，利用多個(gè)位置可調(diào)的非接觸式位移傳感器可以測量繩上不同點(diǎn)的橫向位移。具體實(shí)施中配合設(shè)置振動(dòng)信號采集調(diào)理模塊11對檢測信號進(jìn)行調(diào)理和存儲(chǔ)，并通過計(jì)算機(jī)12進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊16用于控制各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的啟停、方向和速度，從而模擬多種移動(dòng)繩工況，滿足各種實(shí)驗(yàn)方案的需求，實(shí)驗(yàn)過程可以由操作人員通過電機(jī)控制面板15進(jìn)行控制。