可调节的多功能力学系统机械装置及其工作方法

1.本发明属于力学技术领域，具体涉及可调节的多功能力学系统机械装置及其工作方法。


背景技术：

2.在教学科研中，有些实验室级别的科学实验需通过多角度多次实验总结出一套行之有效、贴合大部分实际工况的理论和结论。在进行多角度多次实验中，如不能保证每次实验的变量控制单一，容易导致得出的结论和理论不精准，难以反映实际工况。
3.在实际工业生产中，特别是在流水线中，由于缺乏一套操作便捷、占用空间小、满足多种运动模拟需求的机电系统，在送料时难以保证送料的同步性、节律性、准确性以及稳定性。
4.针对上述问题，设计一种只需一个动力源驱动，且能同时满足平动、摆动、拉压运动需求的可调节的多功能力学系统机械装置及其工作方法，就显得十分重要。
5.例如，申请号为cn201911036361.0的中国专利文献描述的一种一摆动一平动的平面机构及其工作方法，包括底座、第一摆动装置、伸缩装置、第二摆动装置和动平台，所述动平台分别通过所述第一摆动装置、所述伸缩装置、所述第二摆动装置与所述底座连接，所述第一摆动装置、所述第二摆动装置均与所述动平台铰接，所述伸缩装置端部与所述底座固接、与所述动平台中部铰接，所述第一摆动装置、所述第二摆动装置分别设置于所述伸缩装置的两侧。虽然机构中，仅需少量电机，且使用更加简单且对称的结构完成平动，通过结构的改进现有技术，减少零件数目达成相同效果，在结构简单的同时体现了平台速度快的优点，提高了工作效率，但不足之处在于(1)不能实现拉压运动，需要额外配置能够实现拉压运动的机构，降低了空间和资源的利用率；(2)采用摇杆、摆杆并联机构实现摆动和平动，难以保证运动平稳性，尤其是重载情况下；(3)多组电机驱动方案，对结构安装和运动控制精度要求高，难以保证同步性和准确性，同时会增加系统成本。


技术实现要素：

6.本发明是为了克服现有技术中，现有的机电系统无法满足多种运动模拟需求，以及在送料时难以保证送料的同步性、节律性、准确性以及稳定性的问题，提供了一种只需一个动力源驱动，且能同时满足平动、摆动、拉压运动需求的可调节的多功能力学系统机械装置及其工作方法。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.可调节的多功能力学系统机械装置，包括机架、设于机架上的平动机构、与平动机构连接的摆动机构和拉压机构；
9.所述平动机构包括平动平板、电机、与电机输出端连接的曲柄、与曲柄连接的连杆、与连杆连接的杆件和与杆件连接的两个滑块；所述杆件位于平动平板下方；所述滑块均与平动平板连接；所述滑块均沿设于机架上的光杆滑动；
10.所述摆动机构包括摆动导杆、与摆动导杆底部连接的摆动平板和用于支撑摆动导杆的支撑件；所述支撑件包括转轴和设于机架上的轴承座，所述转轴和轴承座内的轴承孔过盈配合；所述摆动导杆上设有导路；
11.所述拉压机构包括受压板、压板、压杆和设于机架上的测力计；所述压杆一端与杆件固定连接，压杆另一端与压板螺纹连接；所述受压板一侧与测力计固定连接，受压板另一侧对压板相对；所述压板和受压板上均设有若干个通孔；所述通孔内均设有轴套；所述轴套内均设有光轴。
12.作为优选，所述杆件长度为310mm；所述连杆的长度为470mm；所述光杆的长度为270mm。
13.作为优选，所述电机采用带有减速箱和变频器的可调速的三相交流电机。
14.作为优选，所述摆动平板到转轴的转动半径为22.6mm；所述杆件至转轴的竖直方向最短距离为25mm。
15.作为优选，当曲柄有效转动半径分别为20mm、40mm时，所述摆动平板的摆动角度范围分别为-38.66
°
至38.66
°
、-58
°
至58
°
，所述摆动平板的摆动频率等同于曲柄的转动频率。
16.作为优选，所述压杆长度为260mm；当曲柄有效转动半径分别为20mm、40mm时，所述压板与受压板的间距范围分别为0mm-40mm、0mm-80mm；所述拉压机构的拉压频率等同于曲柄的转动频率。
17.作为优选，还包括微动平台；所述测力计底部与微动平台固定连接，用于记录被测工件所受拉压作用力；所述微动平台底部与机架固定连接，用于对压板与受压板的间距进行微调。
18.作为优选，所述连杆两端通过鱼眼轴承分别与杆件和曲柄上的光轴相连接。
19.本发明还提供了可调节的多功能力学系统机械装置工作方法，包括如下步骤：
20.s1，调节电机频率，选定曲柄的有效转动半径；打开电源，启动电机，所述平动机构中的曲柄转动，并经连杆、杆件和两个滑块，实现平动平板的水平往复运动；
21.s2，与步骤s1同步，所述平动机构中的杆件，在水平往复运动过程中，通过摆动导杆实现摆动平板绕转轴往复摆动；
22.s3，与步骤s1同步，所述平动机构的杆件通过压杆带动压板做水平往复运动，实现对压板与受压板之间被测工件施加拉压力作用；通过测力计测量被测工件所受拉压力值。
23.本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明装置集成度高，只用一个动力源就实现了平动、摆动、拉压三种同步运动；(2)本发明装置可调节性强，可通过变频器调节机构工作频率，可通过曲柄有效转动半径调节平动、摆动、拉压的幅度；(3)本发明数据可视化，测力计可即时显示被测工件所受拉压力，变频器显示屏可实时显示输出频率；(4)本发明有效保证了实验的变量可控与数据精准，也可保证工业生产中送料的同步性、稳定性和灵活性。
附图说明
24.图1为本发明中可调节的多功能力学系统机械装置的一种整体结构俯视图；
25.图2为本发明中可调节的多功能力学系统机械装置的一种整体结构轴测图；
26.图3为本发明中平动机构和摆动机构的一种结构俯视图；
27.图4为本发明中平动机构和摆动机构的一种结构轴测图；
28.图5为本发明中拉压机构的一种结构俯视图；
29.图6为本发明中拉压机构的一种结构轴测图；
30.图7为本发明中平动平板的一种俯视图；
31.图8为本发明中曲柄的一种结构示意图；
32.图9为本发明中摆动导杆的一种结构示意图；
33.图10为本发明中曲柄滑块机构的一种原理示意图；
34.图11为本发明中滑块位移的一种时域响应曲线图；
35.图12为本发明中滑块速度的一种时域响应曲线图；
36.图13为本发明中滑块加速度的一种时域响应曲线图。
37.图中：电机101、曲柄102、连杆103、平动平板104、光杆106、滑块108、杆件201、摆动导杆202、摆动平板203、轴承座204、转轴206、压杆301、压板302、光轴303、测力计305、微动平台308、受压板309、机架400。
具体实施方式
38.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
39.实施例1：
40.如图1至图6所示的可调节的多功能力学系统机械装置，包括机架400、设于机架上的平动机构、与平动机构连接的摆动机构和拉压机构；
41.所述平动机构包括平动平板104、电机101、与电机输出端连接的曲柄102、与曲柄连接的连杆103、与连杆连接的杆件201和与杆件连接的两个滑块108；所述杆件位于平动平板下方；所述滑块均与平动平板连接；所述滑块均沿设于机架上的光杆106滑动；
42.平动机构包括一个作为动力源的带有减速箱和变频器的可调速的三相交流电机，本实施例中电机采用6ik200rgu-sf三相交流电机，搭配6gu-10k减速箱。所述的电机的输出端用平键与曲柄连接，曲柄沿长度方向有两个销孔，分别对应20mm、40mm的有效转动半径，进而对应杆件(或滑块)行程分别为40mm、80mm。调节电机输出轴转动中心位于杆件运动轨迹的延长线上。平动机构中的连杆带动杆件运动，杆件同时带动两个滑块运动，进而实现平动平板水平往复运动。
43.其中，所述杆件长度为310mm；所述连杆的长度为470mm；所述光杆的长度为270mm。平动平板结构如图7所示。曲柄结构如图8所示。
44.变频器输出频率f
变频器
、电机输出轴转动速度n、周期t和频率f
电机
方程如下：
[0045][0046]
[0047][0048]
其中，减速比i＝10。
[0049]
可得f
电机-f
变频器
关系为
[0050][0051]
依据方程(4)，通过调节变频器输出频率f
变频器
确定电机输出轴转动频率f
电机
，数值等同于曲柄转动频率、平动平板(或滑块)水平滑动频率。
[0052]
定义电机输出轴中心为坐标系原点o，指向杆件轴心b方向为x轴正方向，竖直向上方向为y轴正方向，如图10所示。定义oa代表曲柄有效转动半径长度，ab代表连杆长度，θ为曲柄与x轴的夹角，曲柄转动角速度为ω，时间为t。滑块的位移、速度、加速度表达式为：
[0053][0054][0055][0056]
当f
电机
＝1hz时，曲柄的转动角速度ω＝2πrad/s，则曲柄有效转动半径为20mm、40mm时，滑块的位移、速度、加速度时域响应曲线分别如图11、图12和图13所示。
[0057]
所述摆动机构包括摆动导杆202、与摆动导杆底部连接的摆动平板203和用于支撑摆动导杆的支撑件；所述支撑件包括转轴206和设于机架上的轴承座204，所述转轴和轴承座内的轴承孔过盈配合；所述摆动导杆上设有导路；
[0058]
摆动机构的核心构件是一个摆动导杆，如图9所示，所述的摆动导杆带有转轴安装孔和一个宽度等于平动机构杆件直径的导路。摆动导杆底部与摆动平板螺纹连接。转轴与固定于机架上的轴承座内的轴承孔过盈配合，并支承摆动导杆。杆件经导路与摆动导杆构成移动副，可将杆件的平动转变为摆动导杆的摆动，实现摆动平板围绕转轴中心摆动。由此摆动平板的摆动频率与曲柄转动频率一致，摆动幅度与曲柄有效转动半径成正比。
[0059]
其中，摆动平板到转轴的转动半径为22.6mm，杆件至转轴的竖直方向最短距离为25mm。当曲柄有效转动半径分别为20mm、40mm时，摆动平板的摆动角度范围分别为-38.66
°
至38.66
°
、-58
°
至58
°
，摆动频率等同于曲柄转动频率。
[0060]
所述拉压机构包括受压板309、压板302、压杆301和设于机架上的测力计305；所述压杆一端与杆件固定连接，压杆另一端与压板螺纹连接；所述受压板一侧与测力计固定连接，受压板另一侧对压板相对；所述压板和受压板上均设有若干个通孔；所述通孔内均设有轴套；所述轴套内均设有光轴303。
[0061]
压板和受压板在相同位置开四个相同直径的通孔用于安装轴套，所述轴套可实现压板和受压板沿固定于机架上的四根光轴水平滑动。光轴用于消除拉压机构和被测工件重力对力学系统运动的干扰。
[0062]
进一步的，可调节的多功能力学系统机械装置还包括微动平台308；所述测力计底部与微动平台固定连接，用于记录被测工件所受拉压作用力；所述微动平台底部与机架固
定连接，用于对压板与受压板的间距进行微调。该间距还可通过机架进行粗调。
[0063]
其中，压杆长度为260mm。当曲柄有效转动半径分别为20mm、40mm时，压板与受压板间距范围分别为0mm-40mm、0mm-80mm，拉压频率等同于曲柄转动频率。
[0064]
进一步的，所述连杆两端具体通过鱼眼轴承分别与杆件和曲柄上的光轴相连接。
[0065]
本发明还提供了可调节的多功能力学系统机械装置工作方法，包括如下步骤：
[0066]
s1，调节电机频率，选定曲柄的有效转动半径；打开电源，启动电机，所述平动机构中的曲柄转动，并经连杆、杆件和两个滑块，实现平动平板的水平往复运动；
[0067]
s2，与步骤s1同步，所述平动机构中的杆件，在水平往复运动过程中，通过摆动导杆实现摆动平板绕转轴往复摆动；
[0068]
s3，与步骤s1同步，所述平动机构的杆件通过压杆带动压板做水平往复运动，实现对压板与受压板之间被测工件施加拉压力作用；通过测力计测量被测工件所受拉压力值。
[0069]
本发明以有限的资源和空间实现单输入多输出，可用于教学科研、工业生产、军事国防等行业。本发明包括平动机构、摆动机构和拉压机构。电机驱动曲柄形成曲柄滑块机构，进而实现平动平板平动、摆动平板摆动和压板拉压。平动平板位移、摆动平板角位移、压板位移幅值由曲柄长度决定，运动频率由电机转动速度决定。拉压机构的压板和受压板静态间距通过机架粗调，通过微动平台微调。本发明实现了平动摆动拉压运动的一体化，提高了空间和资源的利用率。
[0070]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。