低频机械振动能量补给装置的制作方法

专利名称:低频机械振动能量补给装置的制作方法
本装置属于生产与日用自动化机电装置。
传统的获得低频机械振动的方法，有曲柄带动连杆的方式，还有汽动。液动等方式。其中最简单的连杆式，要用马达，至于汽动、液动，设备就更复杂，昂贵，使用受到许多限制。直接使用市电的电磁振动。可以获得机械振动，但频率很高，改用电子线路产生低频电脉冲去驱动电磁铁，是可以获得低频机械振动的，但仍有许多不足之处。如1983年9月11日的《电子报》报导了“电子摇篮机”，里面就是用多谐振荡器产生的低频方波放大后去驱动电磁铁产生低频机械振动。再用这低频机械振动的能量去激振摇床的。摇床作受迫振动，显然，只有当电脉冲的频率和摇床的固有频率相等，二者相位也同步时，才能产生共振，获得稳定的机械振动，但这需要细心地调整电脉冲的频率才行。振起来后，要是摇床的位置有移动。或是衣物增减带来固有频率的变化，都会破坏这稳定的振动，又得调整这电脉冲的频率才行。因而是相当麻烦的。而且该“电子摇篮机”电子线路复杂。造价高，体积也大。
本装置的目的是给作低频机械振动的振动体(包括机械系统，以下皆同)提供一种激振器，这种激振没有自己一定的频率。而只是依据振动体的频率给振动体补充能量，不管振动体的频率是不是在变，总处于“共振”状态。这是一种消耗能量少，使振动体等幅或增幅振动的激振器。很显然，这种激振器因无须调整频率就能“共振”，因而使用方便。
本装置的另一个目的是，本装置在给低频机械振动补给能量，维持振动一定时间后，会自动停止补给能量，让振动停下来。
本装置的再一目的是自身体积小，重量轻，电子线路简单，能量利用率高，制造成本低。
本装置的基本构思是将电磁铁的衔铁通过激振机构与待补充能量的振动体相联，衔铁被振动体带动，随之一道运动，即作一种与振动体同步的往复运动。处于这种往复运动中的衔铁，在朝电磁铁的铁心运动，过其平衡位置后，能进入电磁铁的动作区域。在动作区域内，电磁铁通电，衔铁受电磁吸力，并通过激振机构给振动体一个拉力，使振动体加速，以增加动能的形式补充能量。在衔铁通过动作区域后，籍惯性运动的振动体能继续带着衔铁完成往复运动的其余路程，直到经过一个循环后，再次进入动作区域，如此不停地循环。
动作区域的起始点，由位置传感器1的位置决定。在该起始点上位置传感器开始输出脉冲，脉宽控制线路随之输出一个脉冲去驱动电子开关线路，电磁铁开始动作，在动作区域中的某个位置上，脉宽控制线路输出的那个脉冲幅度已降低，至使电子开关线路关闭，电磁铁停止输入电能，而其线包内开始出现反向电流，使电磁铁继续动作。在动作区域的终止点上，电磁铁通电时所储存的磁能都通过与线包并联的二极管放电释放完毕，衔铁不再受电磁吸力，其位置则是刚到或还未到与铁心相碰的行程终点上。
脉宽控制线路所输出脉冲的宽度决定了补充能量的多少。显然，所补给的能量刚好等于振动体振动一周所损失的能量时，振动体就将维持等幅振动。补给的能量大于1周中所损失的能量时，振动会增幅，补给的能量增大到一定数值不变后，增大后的振幅也会稳定在一个数值上。
本装置内有一个计数定时机构，它记录机械振动的次数，当计数到了规定值后，就能输出信号，破坏位置传感器的工作，因而它规定了振动体每回起振后，能无间断地周期性补充能量的最大周数。
图1是本装置的方框图。本装置由位置传感器1，脉宽控制电路2，电子开关电路3，电磁铁4，激振机构5，计数定时机构6组成。
图2是本装置的电原理图。
图3是本装置的激振机构图，激振机构的基本功能，一是将振动体的运动传给衔铁，使衔铁相对于铁心作往复运动；二是将衔铁所受的电磁吸力传给振动体，使之加速；三是不防碍振动体的运动。具体结构是支架9和底座10将铁心7置于静止体上，再用连杆。曲柄机构(见图8)将在同一静止体上的振动体与随振体13相联，将振动体的振动变为随振体的往复运动。若如图3所示，振动体本身就是作往复运动，曲柄连杆机构就可省去，随振体直接与振动体联为一体。随振体13用套有弹簧12的连接杆11与衔铁8相联。连接杆11与衔铁8间是固死的，与随振体13间则是活动的，但连接杆11的端部有螺母或台阶挡住随振体，使之无法脱出，因而衔铁8与随振体13彼此间可通过连接杆11拉动，即衔铁8在受电磁吸力时，拉动随振体13加速，而在随振体13作反向运动，离开铁心7时，拉着衔铁8尾随自己运动。套在连接杆11上的弹簧12在未被压缩的状态下，可以传递随振体13推动衔铁8的推力，而在衔铁8与铁心7相碰，运动受阻时，能被随振体13压缩，随振体13继续其行程，而不撞击铁心7。
激振机构有多种形式，象图7所示的双向激振机构就是一例。
位置传感器1的结构见图3。干簧管14是一个常开型开关，相当于图2中的开关K1，它和其它电子零件一起装在印刷线路板16上。印刷线路板16和永磁体15分别固定在作相对往复运动的随振体13和铁心支架9上，因而干簧管14和永磁体15彼此间相对往复运动。永磁体15处于平衡位置上迎着干簧管14的一端为头端，其不远处有一个软磁材料制成的屏敝板17，挡住磁力线通过，从而使屏敝板17以远的地方无磁场，减小了头部磁场的作用距离，实现小行程下的通断。永磁体15的尾端磁场象通常情况一样，拖得很长。在平衡位置上，干簧管14和永磁体15的距离要合适，使得干簧管14在朝永磁体15运动，过平衡位置后二者距离就足够小，干簧管14就落入永磁体15头端磁场的作用距离内而闭合。以后，继续运动，闭合一直维持。但在干簧管14反向运动离开永磁体15时，应在到达最远点位置前，恢复断开状态。
这样，干簧管每往复运动一次，开关K1就接通一次，输出一个方波。方波的前沿实际就是衔铁8朝铁心7运动，过其往复运动的平衡位置后的某个预定位置上，该预定位置即为动作区域的起始点。
位置传感器也可以用别的形式，如直接用相对运动中的机械触碰，形成通与断，这样当然可靠性要差。也可以用无触点的位置传感器，但线路要复杂些。
脉宽控制电路，示于图2中。由RC微分电路及必要的放电回路组成。电容C1、C2、C3和电阻R2以及下级晶体管的输入电阻构成RC微分电路，它对前述方波的前沿微分，获得尖脉冲，脉冲的宽度决定于时间常数RC，改变电容C的数值，即可控制脉宽。电容C的改变由单刀三掷开关K3置于不同位置，选择C1、C2、C3中的一个来实现，电阻R1和二极管D1供前述方波结束后放电用，以让电容C进入可重新充电的状态。
所形成的尖脉冲，可以直接加给电子开关，如有必要，也可以去触发单稳态电路，输出脉宽可调的方波，用以驱动后面的电子开关。
电子开关电路亦示于图2，由两个放大管BG1和BG2，电阻R3、R4构成两级放大器，去驱动可控硅SCR，都工作在开关状态，激励脉冲到来时，导通、平时截止。放大管由电池供电，可控硅可以控制直流电，也可以控制交流电。图2上画的是控制交流市电的情形，要是控制直流电，就只要将电磁铁线包接在电池的正极上即可，如图2上虚线所示。
本装置所用的电磁铁是直动的，可以是III型，也可以是螺管式。机械振动幅度小，宜用III型，机械振动幅度大，补给的能量要比较大时，宜用螺管式。电磁铁工作在脉冲状态下，而且线包内的反向电流所释放的原储存的磁能也需用来作有用功，所以为减小铁损，电磁铁4的铁心7宜用片状或带状软磁材料叠成或卷成。
电磁铁4的线包内的电流的通断由电子开关控制。并联在线包上的二极管D2，是为了消除断电时的高反压而设置的放电回路，同时，放电电流流过电磁铁4的线包也将产生电磁吸力，而做有用功，从而提高了电能的利用率。
计数定时机构示于图5和图6。整个机构都通过夹板33装在随振体13上，拨杆22呈直角状，角的顶端部位有孔，套在轴24上，可绕轴24转动。拨杆22的两直角也都有足够的刚性，其中一条直角边的末端是叉形，叉住静止不动的垂直支柱9，之间有一定的间隙，不防碍拨杆22绕轴24的转动。这叉形端与垂直支柱9上的固定挡物25之间隔着套在支柱9上的弹簧21，弹簧21在随振体13向上运动的时候推拨杆22的叉行端向下，使拨杆22反时针转动，直至叉形端与随振体13相碰的极限位置。以后，随振体13继续往上运动，就压缩弹簧21，并不受阻。
拨杆22上装有复位弹簧23，它一端钩在拨杆22上，另一端钩在随振体13上，总给拨杆22一个顺时针方向的转矩。这样，当随振体13向上运动时，拨杆22可以反时针转动，向下运动时，拨杆22则顺时针回复，直至其另一直角边和定位桩20相靠所确定的位置。
拨杆22与定位桩相靠的直角边的内侧有一弹簧片19。长条形，靠直角顶点一端铆在拨杆22上，另一端是活动的，并较所说直角边稍长，长轮片32的齿高的数值，这伸出部分恰与轮片32啮合。显然，这活动端只能朝拨杆22的内侧弯曲变形。所以当拨杆22反时针方向转动时，随之转动的弹簧片19的活动端能拨动轮片32转动。由于拨杆22转动有极限位置，簧片19也能拨齿到一固定位置，轮片32上的齿是锯齿形，拨杆22顺时针方向复位时，弹簧片19的活动端将因弯曲变形而滑过一个锯齿，到达定位桩20的位置，待下次反时针方向转动时，弹簧片19就将曾滑过的那一个齿拨到那固定位置上去。即，拨杆22每转动一次，将轮片32的齿移动一个周节的位置。
轮片32的轴齿34带动轮片31转动。轮片31是用绝缘材料做成的，但上面有一近似扇形的金属板27，金属板27镶得很平，以一定压力压在轮片31上的两个弹性压片26和30在轮片31转动时，能顺利滑动，无跳动和卡死的现象出现。金属板27的宽度正好等于弹性压片26、30与轮片31的两触点的距离再加上轮片31转动一个齿的角度触点所移动的距离。压片26和30以及金属板27组成图2中的开关K2。这样轮片31每转一周，弹性压片26、30同时压在金属板27上的机会就有一次，即开关K2接通一次，而时间不会超过轮片31转动一个齿的角度的时间。
开关K2接通就完全破坏了微分电路的正常工作，本装置就暂停补给能量。借助手动，让机械振动持续若干周，轮片31转过一个齿的角度后，本装置就又可补给能量了。
易见，随振体13每往复一次，轮片32转一个齿。若轮片32的齿数为Z1，轴齿齿数为Z2，轮片31的齿数为Z3，则随振体13往复运动Z1、Z3/Z2次，即经过1/f、Z1、Z3/Z2的时间(其中f为随振体振动的频率)，轮片31转1圈，开关K2接通一次。
图7是本装置的一种更适用的形式，是双向激振机构形式，称之为双向激振器，内有两套前述的单向激振机构，先以一套为例说明如下由铁心7、线包36、铜质导管37、衔铁8构成一个典型的螺管式电磁铁。随振体13是T字型，作为活塞杆，可在壳体35的轴孔中滑动，随振体13和衔铁8用分别套有弹簧12。38的连接杆11和39相联。此种联结和前述单向激振机构是一样的。
另外一个电磁铁的结构完全一样。
这样随振体13带动两个衔铁作往复运动，二者相位恰相反，其静态平衡位置就在距两电磁铁一样远的中点上。随振体往左运动时，能受到衔铁8的拉力，往右运动时，能受到另一个衔铁的拉力，因而在振动一周中，先后在两个方向上被加速。
装在随振体13上的永磁体15。屏敝板17和装在印刷线路板16上的干簧管14构成位置传感器1，与衔铁8对应。与另一个电磁铁相对应的位置传感器有同样的结构。
印刷线路板16上装有两套如图2所示的电子线路，以控制两个电磁铁。
装在壳体35上的二刀三掷开关40，相当于图2中的开关K3，可以控制电磁铁通电的时间，即控制补给能量的大小。
本装置以窄脉冲形式的电能转变为振动体的动能为目的，其电能转变为磁能，磁能转变为机械能的效率都较高，所以整个装置的能量利用率是高的。
利用本装置可以获得低速的往复直线运动、摆动和低速转动。可用于生产、日用中的许多方面，下面列举几个应用。
一、给以圆弧支面在静止体上来回滚动方式而左右摇摆的被摇体助摇。
象婴儿摇床、摇椅以及生产、日用中的许多器具，都需要以摇摆方式作低频机械振动，而且都是以圆弧支面来回滚动来实现的。
具有一定机械能的被摇体，在摇摆过程中以固有频率作动能和势能交替转变的振动，需不断地给被摇体补充能量，才能维持其摆动。本装置可为之补充能量，起一种助摇作用，如图4所示。
在摇摆幅度不大的情况下，圆弧中心点O，即静态平衡位置时的支点，不管是向左，还是向右摇摆，都升高，在摆回平衡位置时，都降低，所以这种圆弧的滚动，可看成是圆弧中心点O上下往复运动所至。本装置安放在O点部位。铁心的支架底座10置于地上或其它静止体上，被摇体18直接与随振体13相联。在摇摆当中，O点离开地面上升，至一定高度h时，受到向上电磁拉力，被摇体的动能得到补充。显然，只要被摇体的振动的阻尼系数小于临界阻尼系数，本装置就能为之助摇。
通过开关K3可以选择电磁铁通电的时间，控制补给能量的多少，即控制了摇摆幅度的大小。
被摇体一经外力启动后，本装置就能为之助摇，按其固有频率一直摇摆下去，直到由计数定时机构所规定的预定时间自动停止为止。以后经外力启动，被摇体又会重复上述过程。
在摇摆当中，只需用外力在静态平衡位置上止住被摇体的惯性摆动，就可以让摇摆停下来。
被摇体在摇摆当中不管是位置移动，还是自身质量变化，只要不处于过阻尼状态，上述功够都不受影响，所以使用十分方便。
二、牵引车轮。
如图8所示。在车架44上固定有双向激振器41，其活塞杆式的随振体13通过连杆42与车轮轴46上的曲柄43相联。车轮轴46可在车架44上的轴承中转动。车轮45与车轮轴46固死。
当车轮45籍着惯性向前滚动时，曲柄43。连杆42就将带动随振体13往复运动。随振体13在往复运动中要受到双向激振器41的电磁吸力，这电磁吸力再通过曲柄43，连杆42变为对车轮45的转矩，使车轮45滚动加速。
这种动力装置最适宜改造脚踏或手动低速轻便车，特别是那种适宜于老弱病残使用的轮椅车。只要外力将车启动，最多籍惯性运动半周，本装置就能开始为它提供动力，只要车速不慢到惯性使车轮转不到半周的程度，车都能连续行走。
可用一个二刀四掷的波段开关40来控制车的行驶状态。开关40相当于图2中的开关K3，用以选择不同的时间常数，控制牵引力的大小，速度的大小，另外还有一个空档位置，作为停车用开关。
使用蓄电池，无污染，也省电。
三、送料作用。
送料机构常需一种低速往复运动，以一定的速度将一处的物体送至另一处。图9为使用本装置的送料机构。转轴47上固有两个曲柄其中一个是偏心块48，另一个是曲柄49，扇形偏心块48通过连杆42与本装置，即双向激振器41的活塞式的随振体13相联，扇形偏心块本身相当于一个具有足够大转动惯量的物理摆，有其固有振动频率。
曲柄49通过连杆50牵动待移动的物件51。
作为物理摆的扇形偏心块48，其静态平衡位置是O1点，当它离开O1点向O2位置运动时，会受到双向激振器41的电磁吸力。这电磁吸力通过转轴47，曲柄49和连杆50，能移动物件51做功，同时也会补充扇形偏心块48的运动动能，使振动持续，达到连续自动送料的目的，处于最大振幅O2点上的扇形偏心块48动能为零，而具有最大势能。这时，外力作用可使它在O2点位置上停留任意长的时间，然后松开，它还可照旧持续振动下去。这是马达作动力的输送机械所不能做到的。
不同质量和半径的扇形偏心块有不同的送料速度。
显然，用此法送料，设备少、小、能耗低。
上述物件51有广泛的涵义，它可以是工件，也可以是工具，也可以是别的。
上述物理摆除扇形偏心块48这种形式外，也可以是被悬吊的物体和悬吊物，或是偏心的工具或工件。
权利要求
1.一种低频机械振动能量补给装置。其特征是由位置传感器1、脉宽控制电路2、电子开关电路3、电磁铁4、激振机构5、计数定时机构6组成。
2.根据权利要求
1所述的补给装置，其特征是，位置传感器1在用永磁体来吸合磁敏元件干簧管时，离永磁体15端头不远处，且与磁力线对称轴线垂直的平面内，有软磁材料屏敞板17。
3.根据权利要求
1所述的补给装置，其特征是，脉宽控制电路2中，决定输出脉冲最大宽度的时间常数RC与脉冲结束后电磁铁线包的反压持续时间之和，恰等于衔铁8自开始加速至与铁心7相碰所经历的时间。
4.根据权利要求
1所述的补给装置，其特征是，电磁铁4属螺管式的时，铁心7用带状软磁材料卷成。
5.根据权利要求
1所述的补给装置，其特征是，激振机构5中，固定铁心7的支架底座9、10、或壳体(35)固定在静止体上，衔铁8通过套有压缩弹簧12的连接杆11与随振体13相联，随振体13则通过曲柄连杆机构(42、43)联在振动体上。
6.根据权利要求
1所述的补给装置，其特征是，计数定时机构6中的金属板27和压片26、30组成开关K3，并置于绝缘轮片31上。
专利摘要
低频机械振动能量补给装置。属于生产与日用自动化机电装置。主要是利用电磁铁为作低频机械振动的物体(或机械系统)补充能量，以维持其连续振动。为此，本装置有一激振机构，传入振动体的运动，而位置传感器，脉宽控制电路，电子开关电路根据传入的运动来选择合适的时间，让电磁铁通电，作机械功，最后再由激振机构将机械功以增加动能的形式传递给振动体。本装置还有一种控制振动次数的计数定时机构。可为各种摇、摆振动，进而又为低频往复运动提供动力，还为惯性轮提供转动力矩。
文档编号B06B1/04GK85201785SQ85201785
公开日1986年8月27日 申请日期1985年5月3日
发明者关钟森 申请人:关钟森导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan