专利名称：加速度试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种产生直线加速度的试验装置，可用于各种设备、部件、生物在加速度环境下的特性和动力学响应的试验，研究和评定其在加速度和冲击环境下的性能指标和作业效能，也可用于加速度环境的适应性训练。
背景技术：
飞机、车辆、舰船等各种运动平台上的设备和人员都会受到平台碰撞、加速所产生的动态力的作用，为了评价他们受到动态力作用时的特性和响应，需要将他们置于特定的加速度作用环境下进行试验，加速度试验装置就是用于为此提供试验条件。提供加速度的试验装置有两类。一类是靠旋转运动产生的法向加速度提供一个持续恒定的试验加速度环境。这种方式可以产生稳定而持续时间很长的加速度，但由于旋转速度的变化需要一个加速旋转过程，此间必然产生切向加速度，因此无法按照需要的变化规律迅速产生方向恒定的加速度，也无法模拟持续时间很短的碰撞过程。如专利公告号CN201126406Y就是这类装置中的一种。另一类是靠直线运动，通过速度变化提供一个需要的加速度试验环境。通常是先驱动试验平台达到规定的速度值，然后施加反向力迅速减速，产生所需的反向试验加速度(也可以采用试验平台不动，一个运动机构以规定的速度向试验台撞击，来获得试验加速度)。驱动试验平台运动的方式可采用电磁力驱动，弹力驱动，气动力驱动、火箭驱动，或斜坡重力驱动。减速的反向力可采用液体阻尼，弹力阻尼，重力阻尼，摩擦阻尼，或与阻拦物碰撞。这些方式能控制阻尼力的幅度，不能控制阻尼力的实时变化，只能产生幅值较大的恒定加速度，无法产生幅值较小的时变曲线可控的加速度。与阻拦物碰撞的方式，只能用于产生持续时间很短的碰撞加速度度。如:公开号CN1731142A给出了一种采用弹力驱动、重力或摩擦阻尼的加速度试验装置；公开号CN1544277A给出了一种采用弹力驱动、碰撞物阻拦的汽车用加速度试验台；公告号CN20191743U给出了一种采用火箭撬驱动方式产生阻尼加速度的水刹车阻尼装置；公布号CN102466556A给出了一种采用液压运动机构撞击试验台获得加速度，用于汽车白车碰撞试验的装置；公布号CN102192827A给出了一种采用电机驱动、液压机构提供阻尼力的用于汽车碰撞试验的加速度装置；公开号CN101598627给出了一种采用重力势能加速，砧座墙阻拦的碰撞试验装置。如上所述，加速度试验装置从功能上有以下两种:一种是提供碰撞试验(如汽车碰撞试验)，此装置提供的加速度值高(比如180G)，持续时间短(比如0.3毫秒，即使采用水力阻尼，加速度持续时间也只能达到100多毫秒)；另一种是提供低加速度值(如5G)，加速度持续时间长(比如可达数秒或数分钟)。目前，现有的加速度试验装置都不能对加速度的变化波形进行设定和控制，只对加速度的幅值进行设定和控制，而且没有既具备高加速度幅值、短持续时间的碰撞试验功能，又具备低加速度幅值、长持续时间的加速度试验功能的装置。在实际加速度环境中，有不少场合既有高加速度幅值的碰撞又有长时间的低加速度幅值作用，而且加速度变化按照特定的曲线演进，现有技术都无法提供这种试验环境。
实用新型内容本实用新型针对现有加速度试验装置存在的功能缺陷和技术障碍，提出了一种采用电磁力驱动和阻尼，加速度幅度和形态可以设定与控制，往复式运行，能够提供碰撞和持续加速度综合作用环境的多用途加速度试验装置。本实用新型的技术思想:1、由伺服电机提供驱动力和阻尼力，利用电磁力响应快的特点，增强试验平台的动态响应能力。2、用带钢丝骨架的齿形传动带传递驱动力，增强传动刚性，提高响应速度。3、上位计算机和下位伺服控制单元构成两级控制，利用友好的计算机人机界面，提高加速度幅度和形态设置的便捷性，利用伺服控制单元的实时系统，保证对试验台运动的实时快速控制。4、往复式运动模式提高试验装置的有效行程。5、参数识别算法和控制校正功能可适应试验对象质量的变化，保证设置的加速度幅度和形态真实再现。本实用新型的技术方案:加速度试验装置包括控制系统、驱动机构和运动机构。控制系统包括上位计算机和下位伺服控制单元，上位计算机为操作人员提供交互界面，完成对加速度曲线幅度和形态的设定，运算处理后得到控制数据发送到下位伺服控制单元，下位伺服控制单元按照上位计算机给定的控制数据，通过下位伺服单元的电源输出端口向驱动机构的伺服电机送出伺服电力，实时控制驱动机构的运行，同时记录驱动机构的运行参数，试验装置运行完毕，下位伺服单元向上位计算机发送测量数据，上位计算机接收数据，提供给操作人员。驱动机构包括伺服电机、与伺服电机同轴配装的角度编码器、主动齿轮、从动齿轮、刹车装置和齿形传动带，伺服电机的供电输入端口与下位伺服单元的电源输出端口相连，按照其提供的能量和信号旋转，带动主动齿轮转动，牵引啮合于主动轮和从动轮上的齿形传动带运动，角度编码器信号输出端与下位伺服控制单元的测量数据输入口相接，向伺服控制单元发送时变的伺服电机旋转角度信号，刹车装置与从动轮同轴，提供刹车阻力。运动机构包括运动平台、多轮限位机构、两条U形导轨和端头液压阻尼器，运动平台下部安装多轮限位机构，多轮限位机构嵌入两条U形导轨中，使运动平台只能沿U形导轨的延展方向往复运动，不能向其它方向运动，驱动机构安装于两条导轨之间，位于运动平台下部，通过螺栓将运动平台与驱动机构的齿形传动带固定在一起，当驱动机构运动时可通过齿形传动带牵引运动平台运行，端头的液压阻尼器设置于导轨的两端，可提供碰撞阻尼力。试验装置可以工作于单向运行模式和双向运行模式。试验装置单向模式运行时，可先驱动运动平台达到规定的速度，再按照预先设定的加速度变化曲线减速；也可以先按照预先设定的加速度变化曲线加速，再按照规定的加速度减速停止；还可以先驱动运动平台达到规定的速度，再采用刹车装置提供刹车力或与导轨端头液压阻尼器碰撞获得阻尼力，从而获得较高的试验加速度值。试验装置工作于双向运行模式时，运动平台的运行分为预备、试验、停止三个阶段，在预备段，运动平台在驱动力作用下达到规定的速度，进入试验段；在试验阶段按照预先设定的加速度变化曲线给运动平台施加与运动方向相反的驱动力，使运动平台逐渐减速到静止，而后向相反的方向再次加速到规定的速度，此阶段尽管运动平台的运行方向发生了变化，但运动平台上的试验对象所受的惯性力的方向并没有改变，使试验加速度的持续时间得到加倍延长；在停止段，运动平台的驱动力再次反向，使运动平台逐渐减速停止，整个试验运行过程结束。本实用新型的有益效果:利用电磁力对试验装置进行加速减速，动态响应速度快，加速度变化曲线控制精度高；带钢丝骨架的齿形传动带弹性变形小，驱动力传递速度快；双向运动模式提高了试验装置的有效行程，在同样导轨长度条件下，双向运动模式可将试验加速度持续时间延长一倍；可提供双向运动和单向运动模式，可采用刹车和液压阻尼碰撞模式，适用于多种工况的试验；上位计算机和下位伺服控制单元构成两级控制，加速度幅度和形态设置便捷，伺服控制单元的实时控制效果好；参数识别算法和控制校正功能可适应试验对象变化带来的运动平台承载质量的变化，保证试验装置的加速度幅度和形态与设定参数一致。
图1是控制系统结构图。图2是驱动机构和运动机构的主视图图3是驱动机构和运动机构的俯视图图4是运动平台、多轮限位机构和导轨结构断面图图5是双向运动模式的运动过程示意图图6是双向运动模式工作时运动平台的一组加速度、速度、位移变化曲线上述各图中的标号:1、控制系统的上位计算机，2、下位伺服控制单元，3、驱动机构伺服电机，4、角度编码器，5、主动齿轮，6、从动齿轮，7、刹车装置，8、齿形传动带，9、运动平台，10、多轮限位机构，11、U形导轨，12、铸铁基座，13、水泥地面。
具体实施方式
参照附图，详细说明本实用新型的实施实例如下:控制系统的上位计算机I选用华硕工控机，下位伺服控制单元2由西门子S120系列模块构成，上位计算机与下位伺服单元通过以太网口连接。采用Labview平台进行应用软件开发，应用软件主要功能模块包括系统配置、系统标定、曲线配置、参数识别、数据管理、装置运行等模块。加速度曲线幅度和形态的设定采用直观的图形界面供。下位伺服控制单元2的驱动电源输出口与驱动机构伺服电机3的电源输入口相连，通过DEVICE-CLIQ接口与伺服电机的角度编码器相连。驱动机构包括伺服电机3、与伺服电机同轴配装的角度编码器4、主动齿轮5、从动齿轮6、刹车装置7和齿形传动带8。伺服电机选用西门子直驱伺服电机，角度编码器选用与电机配装的绝对角度编码器，采用带钢丝骨架的齿形传动带，配装钢制主动齿轮和从动齿轮，刹车装置采用电磁制动器。运动机构安装于水泥地面13的铸铁基座12上，包括运动平台9、多轮限位机构10、两条U形导轨11和端头液压阻尼器。运动平台采用铝合金材质，栅格镂空结构，设多个试验对象固定螺栓座，下部通过螺栓与多轮限位机构固定，与齿形传动带固结，多轮限位机构由U形导轨端头嵌入。多轮限位机构设置调整机构，可调节与U形导轨配合的松紧程度，保证运动平台沿U形导轨的延展方向顺畅运行。在U形导轨端头液压阻尼器选用长行程大推力型号。图5为双向运行模式的运行示意图。在预备段，运动平台从A出发，受到齿形传动带施加的向右的力，以一定的加速度向右运动，达到规定的速度时，运行至B，转入试验段；在试验段，运动平台受到齿形传动带施加的向左的力，以设定的反向加速度减速，运行到C时，速度减为零，在齿形传动带施加向左的力的继续作用下，运动平台向左加速运动，达到规定的速度时，返回到B，转入停止段；在停止段，运动平台受到齿形传动带施加的向右的力，逐步减速至停止，试验过程结束。图6为双向运行模式运行时的加速度a、速度V、位移s的变化曲线。当试验段的加速度为常值时，去程和返程是一样的。当试验段的加速度为一个变化的曲线时，去程和返程不一样，控制系统将自动计算起始位置A距端点的距离，先运行定位到所需的起始点，再开始整个运行过程。本实例是本实用新型的一个实施特例，在运用本实用新型进行加速度试验装置设计时，可以按照功能和技术指标，变换其具体结构，改变部件、器件、材料的型号及生产厂家。
权利要求1.加速度试验装置，包括控制系统、驱动机构和运动机构，其特征在于所述的控制系统包括上位计算机和下位伺服控制单元，上位计算机为操作人员提供交互界面，完成对加速度曲线幅度和形态的设定，运算处理后得到控制数据发送到下位伺服控制单元，下位伺服控制单元按照上位计算机给定的控制数据，通过下位伺服单元的电源输出端口向驱动机构的伺服电机送出伺服电力，实时控制驱动机构的运行，同时记录驱动机构的运行参数，试验装置运行完毕，下位伺服单元向上位计算机发送测量数据，上位计算机接收数据，提供给操作人员。
2.根据权利要求1所述的加速度试验装置，其特征在于:所述的驱动机构包括伺服电机、与伺服电机同轴配装的角度编码器、主动齿轮、从动齿轮、刹车装置和齿形传动带，伺服电机的供电输入端口与下位伺服单元的电源输出端口相连，按照其提供的能量和信号旋转，带动主动齿轮转动，牵引啮合于主动轮和从动轮上的齿形传动带运动，角度编码器信号输出端与下位伺服控制单元的测量数据输入口相接，向伺服控制单元发送时变的伺服电机旋转角度信号，刹车装置与主动轮同轴，提供刹车阻力。
3.根据权利要求1所述的加速度试验装置，其特征在于:所述的运动机构包括运动平台、多轮限位机构、两条U形导轨和端头液压阻尼器，运动平台下部安装多轮限位机构，多轮限位机构嵌入两条U形导轨中，使运动平台只能沿U形导轨的延展方向往复运动，不能向其它方向运动，驱动机构安装于两条导轨之间，位于运动平台下部，通过螺栓将运动平台与驱动机构的齿形传动带固定在一起，当驱动机构运动时可通过齿形传动带牵引运动平台运动，端头的液压阻尼器设置于导轨的两端，可提供碰撞阻尼力。
4.根据权利要求1所述的加速度试验装置，其特征在于:试验装置可以工作于单向运行模式和双向运行模式，试验装置具有参数识别和控制校正功能。
专利摘要加速度试验装置，是一种利用电磁力产生规定的加速度变化曲线的试验设备，其特征在于控制系统按照设定的加速度变化曲线，向驱动机构发送驱动控制信号，驱动机构带动运动机构，使运动机构的运动平台沿导轨作变速的直线运动，产生所设定的加速度。该加速度试验装置动态响应速度快，加速度变化曲线控制精度高，加速度曲线设置方便，可采用双向运动模式和单向运动模式，提高了试验装置的有效行程，适用于多种工况的加速度试验。
文档编号G01M99/00GK202974614SQ20122056951
公开日2013年6月5日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者徐建中, 李鸣皋, 钱阳明, 田丽丽, 田海涛, 韩磊 申请人:中国人民解放军海军总医院