專利名稱：軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量軸向移動繩在給定移動速度以及張力下橫向振動的測試裝置及其應(yīng)用。更具體涉及一種在給定初始位移下軸向移動繩橫向位移振動非接觸式測量的測試實驗平臺以及試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
軸向繩移系統(tǒng)是軸向移動系統(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)律大致分為兩類。一類為圖2a所示的定長繩移系統(tǒng)，研究區(qū)域長度不變，繩具有移動速度，在研究區(qū)域兩端有新增和消失的繩。應(yīng)用實例有傳送帶、纜車索道和動力傳動的皮帶等。另一類為圖2b和圖2c所示的研究區(qū)域長度變化，在一端有新增或消失的繩，包括圖2b所示伸長的繩移系統(tǒng)和圖2c所示的縮短的繩移系統(tǒng)。應(yīng)用實例有電梯的鋼索，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的繩系等。在圖2a、圖2b和圖2c中，研究該類系統(tǒng)的振動響應(yīng)及振動特性對于工程系統(tǒng)的振動及穩(wěn)定性控制具有重要的應(yīng)用價值。因為繩系的移動，在方程中出現(xiàn)隨時間變化的系數(shù)項，形成了參數(shù)激勵，該類型的振動為參數(shù)振動，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)值計算方法來求解移動繩的振動問題，仍需要一種實驗裝置來檢驗算法。該實驗裝置需要滿足能模擬圖2的三種系統(tǒng)，即定長度繩移系統(tǒng)及變長度繩移系統(tǒng)；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，如初始位移激勵、脈沖激勵等；能跟蹤測量繩上多個質(zhì)點在移動時的橫向位移以及繩移時繩長方向固定坐標系上多個指定點的橫向位移。但是迄今為止沒有相關(guān)的實驗裝置的公開報導(dǎo)，也沒有一種能夠提供多個工況的移動繩振動試驗裝置以及測量平臺用來檢驗數(shù)值算法的計算結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)及其應(yīng)用，以期獲得各種工況及其對應(yīng)下的橫向位移，用于驗證數(shù)值計算方法的結(jié)果，從而進一步用于移動繩振動的控制；也可以用于作為高校專業(yè)課教學(xué)以及科研的實驗平臺。本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:本發(fā)明軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是:設(shè)置輪系，線繩設(shè)置在所述輪系上，所述輪系按線繩的走向自收線器所在一端依次設(shè)置為張緊輪、左端導(dǎo)輪、右端導(dǎo)輪和卷筒，線繩的兩端分別連接在收線器和卷筒上；所述收線器是以螺旋彈簧提供線繩回收力；所述卷筒由同步電機驅(qū)動；在所述線繩上、處于初始繩長的中心位置上設(shè)置位移標尺；所述收線器和左端導(dǎo)輪固定設(shè)置在機架平臺上，所述右端導(dǎo)輪和同步電機固定設(shè)置在第一直線電機的移動平臺上；所述張緊輪設(shè)置在可調(diào)移動滑塊上，在所述可調(diào)移動滑塊上套裝有用于檢測張緊輪的張緊力度的彈簧測力計；所述第一直線電機的移動平臺支承在第一直線導(dǎo)軌上，并能在所述第一直線導(dǎo)軌上以設(shè)定的速度和方向直線移動；所述第一直線導(dǎo)軌沿繩移方向固定設(shè)置在機架平臺上；在線繩的下方、沿線繩移動方向設(shè)置坐標軸，所述坐標軸固定設(shè)置在與所述機架平臺固結(jié)的底板上，所述坐標軸的起點是線繩在左端導(dǎo)輪的起始點；設(shè)置傳感系統(tǒng)為:在所述線繩的正上方與第一直線導(dǎo)軌相互平行固定設(shè)置第二直線導(dǎo)軌，第二直線電機支撐在所述第二直線導(dǎo)軌上，并能夠在所述第二直線導(dǎo)軌上移動，在所述第二直線電機的底部固定設(shè)置橫梁，非接觸式位移傳感器間隔設(shè)置在所述橫梁的底部。本發(fā)明軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的應(yīng)用是:測量方法一:同步電機保持不動，第二直線電機和第一直線電機以給定速度同步右移或左移，給線繩一初始激勵，非接觸式位移傳感器在線繩伸長或縮短時跟蹤測量線繩上指定質(zhì)點在移動時的橫向位移，用于驗證給定初始激勵下，變長度移動線繩上質(zhì)點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性；測量方法二、第一直線電機保持不動，第二直線電機和同步電機使得非接觸式位移傳感器和線繩以設(shè)定速度同步左移或右移，左端導(dǎo)輪和右端導(dǎo)輪之間的線繩長度為固定值，線繩上質(zhì)點為移動狀態(tài)，給線繩一個初始的激勵，由非接觸式位移傳感器跟蹤測量定長度線繩上指定質(zhì)點在移動時的橫向位移，驗證給定初始激勵條件下，定長度移動線繩上質(zhì)點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性；測量方法三:第二直線電機和同步電機保持不動，第一直線電機以設(shè)定速度右移或左移，非接觸式位移傳感器的位置固定，給線繩一個初始激勵，非接觸式位移傳感器測量線繩以不同速度伸長或縮短時在坐標軸特定位置上的點的橫向位移，用于驗證給定初始激勵條件下，變長度移動線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性；測量方法四:第一直線電機和第二直線電機保持不動，同步電機以設(shè)定速度順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，線繩在左端導(dǎo)輪和右端導(dǎo)輪之間的長度固定，并以設(shè)定速度右移或左移，非接觸式位移傳感器的位置固定，給線繩一個初始激勵，由非接觸式位移傳感器測量定長度線繩以不同速度左移或右移時在坐標軸特定位置上的點的橫向位移，用于驗證給定初始激勵條件下，定長度移動線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性；測量方法五第一直線電機和第二直線電機以及同步電機都保持不動，線繩和非接觸式位移傳感器均為固定，給線繩一個初始激勵，由非接觸式位移傳感器測量兩端固定線繩上給定質(zhì)點的橫向位移。用于驗證給定初始激勵條件下，兩端固定線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
1、本發(fā)明能夠獲得各種工況及其對應(yīng)下的橫向位移，用于驗證數(shù)值計算方法的結(jié)果，從而進一步用于移動繩振動的控制；也可以用于作為高校專業(yè)課教學(xué)以及科研的實驗平臺；2、本發(fā)明通過直線電機和同步電機在空間上的布置以及通過按鍵和單片機控制各電機的啟停組合來切換定長度移動繩、變長度移動繩和固定繩這三種實驗?zāi)Ｊ?，結(jié)構(gòu)簡單而集成度高；3、已有的技術(shù)位移傳感器是固定而繩是移動的，只能對軸向固定坐標軸指定位置點的測量，而不能對移動點的跟蹤測量。而本發(fā)明裝置除了能實現(xiàn)已有技術(shù)對固定位置點的測量外，通過控制第一直線電機和第二直線電機同步運動以及控制第二直線電機和同步電機的同步運動還能實現(xiàn)位移傳感器對移動繩上指定質(zhì)點的跟蹤測量。而移動繩上指定點的跟蹤測量對于研究傳送帶上物體振動、纜繩電梯橋廂振動等工程問題具有實際意義；4、本發(fā)明裝置在移動繩上設(shè)置有測量初始位置的位移標尺以及測量繩張力的張緊輪裝置，使得實驗參數(shù)(初始位移、張力)是可測可控的，豐富了實驗的工況，也能驗證多種工況下數(shù)值計算結(jié)果；5本發(fā)明裝置采用非接觸式傳感器同步運動來測量移動點的位移，避免了對被測點的附加干擾。已有的技術(shù)或者是采用接觸式傳感器，會帶來附加干擾；或者是采用非接觸式傳感器，但傳感器固定安裝，不能測量移動質(zhì)點。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為定長繩移系統(tǒng)示意圖；圖2b為伸長的繩移系統(tǒng)示意圖；圖2c為縮短的繩移系統(tǒng)示意圖；圖中標號:1線繩、2左端導(dǎo)輪、3張緊輪、4彈簧測力計、5可調(diào)移動滑塊、6收線器、7位移標尺、8第一直線導(dǎo)軌、9右端導(dǎo)輪、10第一直線電機、11底板、12同步電機、13卷筒、14第二直線導(dǎo)軌、15電機驅(qū)動及單片機控制單元、16電機控制面板、17左滑塊、18計算機、19振動信號采集調(diào)理系統(tǒng)、20第二直線電機、21右滑塊、22橫梁、23非接觸式位移傳感器。
具體實施例方式參見圖1，本實施例中軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式為:設(shè)置輪系，線繩I設(shè)置在輪系上，輪系按線繩I的走向自收線器6所在一端依次設(shè)置為張緊輪3、左端導(dǎo)輪2、右端導(dǎo)輪9和卷筒13，線繩I的兩端分別連接在收線器6和卷筒13上；收線器6是以螺旋彈簧提供線繩回收力；卷筒13由同步電機12驅(qū)動；在線繩I上、處于初始繩長的中心位置上設(shè)置位移標尺7 ;位移標尺7布置在初始繩長的中心位置，當(dāng)線繩橫向振動的初始條件是給定線繩中心點位移時，可以測量該點的位移大小，用于數(shù)值計算。收線器6和左端導(dǎo)輪2固定設(shè)置在機架平臺上，右端導(dǎo)輪9和同步電機12固定設(shè)置在第一直線電機10的移動平臺上；張緊輪3設(shè)置在可調(diào)移動滑塊5上，在可調(diào)移動滑塊5上套裝有用于檢測張緊輪3的張緊力度的彈簧測力計4 ；第一直線電機10的移動平臺支承在第一直線導(dǎo)軌8上，并能在第一直線導(dǎo)軌8上以設(shè)定的速度和方向直線移動；第一直線導(dǎo)軌8沿繩移方向固定設(shè)置在機架平臺上；在線繩I的下方、沿線繩移動方向設(shè)置坐標軸，坐標軸固定設(shè)置在與機架平臺固結(jié)的底板11上，坐標軸的起點是線繩在左端導(dǎo)輪的起始點；設(shè)置傳感系統(tǒng)為:在線繩的正上方與第一直線導(dǎo)軌8相互平行固定設(shè)置第二直線導(dǎo)軌14，第二直線電機20支撐在第二直線導(dǎo)軌20上，并能夠在第二直線導(dǎo)軌14上移動，在第二直線電機20的底部固定設(shè)置橫梁22，非接觸式位移傳感器23間隔設(shè)置在橫梁22的底部。為了提高橫梁22的剛度，避免橫梁22在移動時產(chǎn)生振動增大測量誤差，在第二直線導(dǎo)軌14上，位于第二直線電機20的兩左分別設(shè)置左滑塊17和右滑塊21，橫梁22同時固定設(shè)置在第二直線電機20、左滑塊17和右滑塊21上。本實施例中非接觸式位移傳感器23采用激光或電渦流式傳感器，非接觸式位移傳感器23可根據(jù)需要設(shè)置若干個，按照需要的位置布置在橫梁22上，即位于線繩I的正上方。每個傳感器可以測量其正下方線繩上質(zhì)點在豎直方向的位移。非接觸式位移傳感器23測量的數(shù)據(jù)通過振動信號采集調(diào)理系統(tǒng)19進行采集和調(diào)理，并存儲到計算機18上。同步電機12、第一直線電機10和第二直線電機20的啟停、速度和方向均由電機驅(qū)動及控制單元15進行驅(qū)動和控制，從而模擬多種移動繩工況，滿足各種實驗方案的需求，并由實驗人員通過電機控制面板16來控制。本發(fā)明軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的應(yīng)用是:測量方法一:同步電機12保持不動，第二直線電機20和第一直線電機10以給定速度同步右移或左移，給線繩一初始激勵，非接觸式位移傳感器23在線繩I伸長或縮短時跟蹤測量線繩上指定質(zhì)點在移動時的橫向位移，用于驗證給定初始激勵下，變長度移動線繩上質(zhì)點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性；測量方法二、第一直線電機10保持不動，第二直線電機20和同步電機12使得非接觸式位移傳感器23和線繩I以設(shè)定速度同步左移或右移，左端導(dǎo)輪2和右端導(dǎo)輪9之間的線繩長度為固定值，線繩上質(zhì)點為移動狀態(tài)，給線繩一個初始的激勵，由非接觸式位移傳感器23跟蹤測量定長度線繩上指定質(zhì)點在移動時的橫向位移，驗證給定初始激勵條件下，定長度移動線繩上質(zhì)點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性；測量方法三:第二直線電機20和同步電機12保持不動，第一直線電機10以設(shè)定速度右移或左移，非接觸式位移傳感器23的位置固定，給線繩一個初始激勵，非接觸式位移傳感器23測量線繩以不同速度伸長或縮短時在坐標軸特定位置上的點的橫向位移，用于驗證給定初始激勵條件下，變長度移動線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性；測量方法四:第一直線電機10和第二直線電機20保持不動，同步電機12以設(shè)定速度順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，線繩I在左端導(dǎo)輪2和右端導(dǎo)輪9之間的長度固定，并以設(shè)定速度右移或左移，非接觸式位移傳感器23的位置固定，給線繩一個初始激勵，由非接觸式位移傳感器23測量定長度線繩以不同速度左移或右移時在坐標軸特定位置上的點的橫向位移，用于驗證給定初始激勵條件下，定長度移動線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性；測量方法五第一直線電機10和第二直線電機20以及同步電機12都保持不動，線繩I和非接觸式位移傳感器23均為固定，給線繩一個初始激勵，由非接觸式位移傳感器23測量兩端固定線繩上給定質(zhì)點的橫向位移。用于驗證給定初始激勵條件下，兩端固定線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性。本發(fā)明在使用中的初始激勵方式為對初始繩長中點處的質(zhì)點給定一個特定的初始橫向位移，位移大小通過位移標尺7獲得。通過改變繩子的材料，如鋼帶、尼龍、布帶、皮帶等，能獲得不同的振動特性。
權(quán)利要求
1.軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)，其特征是: 設(shè)置輪系，線繩(I)設(shè)置在所述輪系上，所述輪系按線繩(I)的走向自收線器(6)所在一端依次設(shè)置為張緊輪(3)、左端導(dǎo)輪(2)、右端導(dǎo)輪(9)和卷筒(13)，線繩(I)的兩端分別連接在收線器(6)和卷筒(13)上；所述收線器(6)是以螺旋彈簧提供線繩回收力；所述卷筒(13)由同步電機(12)驅(qū)動；在所述線繩(I)上、處于初始繩長的中心位置上設(shè)置位移標尺⑵； 所述收線器(6)和左端導(dǎo)輪(2)固定設(shè)置在機架平臺上，所述右端導(dǎo)輪(9)和同步電機(12)固定設(shè)置在第一直線電機(10)的移動平臺上；所述張緊輪(3)設(shè)置在可調(diào)移動滑塊(5)上，在所述可調(diào)移動滑塊(5)上套裝有用于檢測張緊輪(3)的張緊力度的彈簧測力計⑷； 所述第一直線電機(10)的移動平臺支承在第一直線導(dǎo)軌(8)上，并能在所述第一直線導(dǎo)軌(8)上以設(shè)定的速度和方向直線移動；所述第一直線導(dǎo)軌(8)沿繩移方向固定設(shè)置在機架平臺上； 在線繩(I)的下方、沿線繩移動方向設(shè)置坐標軸，所述坐標軸固定設(shè)置在與所述機架平臺固結(jié)的底板(11)上，所述坐標軸的起點是線繩在左端導(dǎo)輪的起始點； 設(shè)置傳感系統(tǒng)為:在所述線繩的正上方與第一直線導(dǎo)軌(8)相互平行固定設(shè)置第二直線導(dǎo)軌(14)，第二直線電機(20)支撐在所述第二直線導(dǎo)軌(14)上，并能夠在所述第二直線導(dǎo)軌(14)上移動，在所述第二直線電機(20)的底部固定設(shè)置橫梁(22)，非接觸式位移傳感器(23)間隔設(shè)置在所述橫梁(22)的底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)，其特征是:所述非接觸式位移傳感器(23)采用激光或電渦流式傳感器。
3.—種權(quán)利要求1所述軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的測量方法，其特征是: 同步電機(12)保持不動，第二直線電機(20)和第一直線電機(10)以給定速度同步右移或左移，給線繩一初始激勵，非接觸式位移傳感器(23)在線繩(I)伸長或縮短時跟蹤測量線繩上指定質(zhì)點在移動時的橫向位移，用于驗證給定初始激勵下，變長度移動線繩上質(zhì)點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性。
4.一種權(quán)利要求1所述軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的測量方法，其特征是: 第一直線電機(10)保持不動，第二直線電機(20)和同步電機(12)使得非接觸式位移傳感器(23)和線繩⑴以設(shè)定速度同步左移或右移，左端導(dǎo)輪(2)和右端導(dǎo)輪(9)之間的線繩長度為固定值，線繩上質(zhì)點為移動狀態(tài)，給線繩一個初始的激勵，由非接觸式位移傳感器(23)跟蹤測量定長度線繩上指定質(zhì)點在移動時的橫向位移，驗證給定初始激勵條件下，定長度移動線繩上質(zhì)點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性。
5.一種權(quán)利要求1所述軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的測量方法，其特征是: 第二直線電機(20)和同步電機(12)保持不動，第一直線電機(10)以設(shè)定速度右移或左移，非接觸式位移傳感器(23)的位置固定，給線繩一個初始激勵，非接觸式位移傳感器(23)測量線繩以不同速度伸長或縮短時在坐標軸特定位置上的點的橫向位移，用于驗證給定初始激勵條件下，變長度移動線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性。
6.一種權(quán)利要求1所述軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的測量方法，其特征是:第一直線電機(10)和第二直線電機(20)保持不動，同步電機(12)以設(shè)定速度順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，線繩(I)在左端導(dǎo)輪(2)和右端導(dǎo)輪(9)之間的長度固定，并以設(shè)定速度右移或左移，非接觸式位移傳感器(23)的位置固定，給線繩一個初始激勵，由非接觸式位移傳感器(23)測量定長度線繩以不同速度左移或右移時在坐標軸特定位置上的點的橫向位移，用于驗證給定初始激勵條件下，定長度移動線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型的數(shù)值求解算法的準確性。
7.—種權(quán)利要求1所述軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)的測量方法，其特征是: 第一直線電機(10)和第二直線電機(20)以及同步電機(12)都保持不動，線繩⑴和非接觸式位移傳感器(23)均為固定，給線繩一個初始激勵，由非接觸式位移傳感器(23)測量兩端固定線繩上給定質(zhì)點的橫向位移。用于驗證給定初始激勵條件下，兩端固定線繩在坐標軸上特定點橫向振動模型`的數(shù)值求解算法的準確性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軸向移動繩橫向振動測量系統(tǒng)及其應(yīng)用，其特征是線繩設(shè)置在輪系上，輪系按線繩的走向自收線器所在一端依次設(shè)置張緊輪、左端導(dǎo)輪、右端導(dǎo)輪和卷筒，線繩的兩端分別連接在收線器和卷筒上；右端導(dǎo)輪和同步電機固定設(shè)置在第一直線電機的移動平臺上；第一直線電機的移動平臺支承在第一直線導(dǎo)軌上，第一直線導(dǎo)軌沿繩移方向固定設(shè)置在機架平臺上；在線繩的正上方與第一直線導(dǎo)軌相互平行固定設(shè)置第二直線導(dǎo)軌，第二直線電機支撐在第二直線導(dǎo)軌上，在第二直線電機的底部固定設(shè)置橫梁，位移傳感器間隔設(shè)置在橫梁的底部。本發(fā)明用于軸向移動繩橫向振動測量，可用于驗證數(shù)值計算的結(jié)果，可以用于作為專業(yè)課教學(xué)及科研實驗平臺。
文檔編號G01H17/00GK103105228SQ20131002983
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者陳恩偉, 陸益民, 劉正士, 王勇, 郭耀輝, 吳群, 曹永友 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)