专利名称：一种高频制动实验装置及其方法
技术领域：
本发明涉及高频制动实验装置，尤其涉及一种基于超磁致伸缩材料的高频实验装置及其方法。
背景技术：
随着科学的进步，高速加工作为先进的机械制造手段，在发达国家引起了广泛的关注并得到迅速发展。对于高速机械加工来讲，快速定位是非常重要的技术。随着加工速度和精度的提高，系统定位精度也需要相应的提高。同时为了提高工作效率，还要求定位系统响应迅速，加速、制动迅速以便实现快速定位。但是常规的制动技术很难实现高速度高精度的定位要求，因此探索高频制动机理，并开展对高频制动进行实验研究是十分迫切的。超磁致伸缩材料是一种新兴的智能材料，其尺寸伸缩可随外加磁场成比例变化，且磁致伸缩系数远大于传统的磁致伸缩材料，更具有响应快速、输出力强、应变大、功率密度高以及可靠性好等特点。截止到目前，国内外均有针对GMM在不同领域的应用开展的研究，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。由于超磁致伸缩材料具有以上优点，因此非常适合用于作为高频制动实验台的驱动原件。超此致伸缩材料工作需要较强的磁场作为驱动，在应用中往往需要使用超磁致伸缩动器来为超磁致伸缩材料提供其工作必须的驱动磁场。目前常见的高频制动实验装置通常采用压电陶瓷作为驱动原件，但是压电陶瓷应变系数低、输出力小、输出位移小、机电耦合系数小、耐热性差，因此相对于超磁致伸缩材料，在应用于高频制动方面中具有较大的局限性。而目前尚未有将超磁致伸缩材料应用于制动系统的先例，也未有任何相关的基于超磁致伸缩材料的闻频制动实验装置提供闻频制动实验支持。现在人们渴望一种基于超磁致伸缩材料的闻频制动实验台控制系统来解决现实中的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种超磁致伸缩高频制动实验台驱动器及其方法。高频制动实验装置包括实验台底座、滑台支架、水平调节螺钉组、滚珠丝杠滑台、超磁致伸缩驱动器、柔性铰链位移放大机构、脉冲编码器、脉冲编码器支架、被试机构，滑台支架通过水平调节螺钉组固定在实验台底座上，滚珠丝杠滑台竖直固定在滑台支架上，超磁致伸缩驱动器通过超磁致伸缩驱动器支架竖直固定在滚珠丝杠滑台上，柔性铰链位移放大机构固定在超磁致伸缩驱动器的位移输出端，脉冲编码器支架固定在实验台底座上，脉冲编码器固定在脉冲编码器支架上，被试机构包括减速电机、制动盘、脉冲编码器连接架、第一圆螺母、第二圆螺母、压环、第一圆锥滚子轴承、电磁离合器、主轴、离合器连接键、联轴器连接键、第二圆锥滚子轴承、套筒、被试机构固定套、第三圆锥滚子轴承、第三圆螺母、弹性联轴器、减速电机支架、电机轴键，压环、制动盘、第一圆锥滚子轴承、电磁离合器、顺次连接并通过第一圆螺母和第二圆螺母固定在主轴上，脉冲编码器连接架粘接在制动盘上并与脉冲编码器输入轴相连，主轴通过第二圆锥滚子轴承、套筒、第三圆锥滚子轴承、第三圆螺母固定在被试机构固定套上，弹性联轴器一端连接主轴，弹性联轴器另一端连接减速电机轴，减速电机通过减速电机支架固定在实验台底座上，主轴上设有离合器连接键、联轴器连接键，减速电机轴上设有电机轴键，被试机构通过被试机构固定套固定在实验台底座上；所述的柔性铰链放大机构末端连接有可更换的制动块。所述的实验台底座上设有用于调节滑台支架位置的跑道型通孔。高频制动实验装置的使用方法包括以下步骤
1)调节滚珠丝杠滑台直至柔性铰链放大机构与制动盘之间的竖直距离在5cm以上，调节滑台支架至需要的实验位置，再次调节滚珠丝杠滑台直至位于柔性铰链放大机构末端的制动块与制动盘接触；
2)在计算机端设置制动盘的初始转速以及高频制动的制动力、制动频率、制动力施加方式，输入完成后计算机自动生成输入信号设置；
3)实验开始后，电磁离合器经由控制器，受计算机控制吸合；
4)减速电机经由变频器，受计算机控制，经由电磁离合器带动制动盘加速至指定转速，脉冲编码器将转速信号反馈回计算机；
5)待转速稳定后，电磁离合器经由控制器，受计算机控制，使减速电机和制动盘传动分
离；
6)同时超磁致伸缩驱动器经由线性功率放大器、信号发生器，受计算机控制，按照输入的制动参数产生动作，并经柔性铰链位移放大机构放大后对制动盘进行制动；
7)制动过程中脉冲编码器经由数据采集卡将转速信息反馈回计算机，数字示波器实时显示线性功率放大器的输出波形，并将其反馈回计算机；
8)制动盘完全停下后，数据记录终止，超磁致伸缩驱动器经由线性功率放大器、信号发生器，受计算机控制停止动作，制动过程终止；
9)制动过程终止后，减速电机经由变频器，受计算机控制停止工作，实验完成。本发明解决了之前高频制动实验装置由于采用压电陶瓷作为驱动原件提供制动力，而导致的制动位移输出小、制动力小、系统响应慢、可靠性差、成本高等问题。本高频制动实验装置使用超磁致伸缩材料作为驱动原件提供制动力，并配合柔性铰链位移放大机构，实现了高频制动实验装置高输出位移、高输出力、高可靠性、低响应时间等特性；通过使用专用控制系统对高频制动实验台进行控制和检测，实现了制动力实验参数的快速简便调节，并保证了测试数据的准确性；通过采用两自由度可调节设置，使得高频制动实验装置的具有更好的调节性。除此之外，该高频制动实验装置还具有泛用性好、操作简便、实验可重复性强、易于加工装配、节省材料、适合高频制动实验环境等特点。
图1为高频制动实验装置的结构示意 图2为另一角度的高频制动实验装置的结构示意 图3为高频制动实验装置中被试机构的爆炸 图4为高频制动实验装置的控制系统结构示意图； 图中，实验台底座1、减速电机2、滑台支架3、水平调节螺钉组4、滚珠丝杠滑台5、超磁致伸缩驱动器支架6、超磁致伸缩驱动器7、柔性铰链位移放大机构8、脉冲编码器9、脉冲编码器支架10、制动盘11、脉冲编码器连接架12、第一圆螺母13、第二圆螺母14、压环15、第一圆锥滚子轴承16、电磁离合器17、主轴18、离合器连接键19、联轴器连接键20、第二圆锥滚子轴承21、套筒22、制动盘固定套23、第三圆锥滚子轴承24、第三圆螺母25、弹性联轴器26、减速电机支架27、电机轴键。
具体实施例方式如图1、2、3所示，高频制动实验装置包括实验台底座1、滑台支架3、水平调节螺钉组4、滚珠丝杠滑台5、超磁致伸缩驱动器7、柔性铰链位移放大机构8、脉冲编码器9、脉冲编码器支架10、被试机构，滑台支架3通过水平调节螺钉组4固定在实验台底座I上，滚珠丝杠滑台5竖直固定在滑台支架上，超磁致伸缩驱动器7通过超磁致伸缩驱动器支架6竖直固定在滚珠丝杠滑台5上，柔性铰链位移放大机构8固定在超磁致伸缩驱动器7的位移输出端，脉冲编码器支架10固定在实验台底座I上，脉冲编码器9固定在脉冲编码器支架10上，被试机构包括减速电机2、制动盘11、脉冲编码器连接架12、第一圆螺母13、第二圆螺母14、压环15、第一圆锥滚子轴承16、电磁离合器17、主轴18、离合器连接键19、联轴器连接键20、第二圆锥滚子轴承21、套筒22、被试机构固定套23、第三圆锥滚子轴承24、第三圆螺母25、弹性联轴器26、减速电机支架27、电机轴键28，压环15、制动盘11、第一圆锥滚子轴承16、电磁离合器17顺次连接并通过第一圆螺母13和第二圆螺母14固定在主轴18上，脉冲编码器连接架12粘接在制动盘11上并与脉冲编码器9输入轴相连，主轴18通过第二圆锥滚子轴承21、套筒22、第三圆锥滚子轴承24、第三圆螺母25固定在被试机构固定套23上，弹性联轴器26 —端连接主轴18，弹性联轴器26另一端连接减速电机2轴，减速电机2通过减速电机支架27固定在实验台底座I上，主轴18上设有离合器连接键19、联轴器连接键20，减速电机2轴上设有电机轴键28，被试机构通过被试机构固定套23固定在实验台底座上；
所述的柔性铰链放大机构8末端连接有可更换的制动块。所述的实验台底座I上设有用于调节滑台支架3位置的跑道型通孔。如图4所示，所述高频制动实验装置的控制方法
1)控制系统包括计算机、变频器、减速电机、电磁离合器、制动盘、脉冲编码器、控制器、信号发生器、线性功率放大器、超磁致伸缩驱动器、数字示波器、数据采集卡，计算机与变频器、减速电机、电磁离合器、制动盘、脉冲编码器、数据采集卡顺次相连并构成回路，计算机与控制器、电磁离合器顺次相连，计算机与信号发生器、线性功率放大器、数字示波器顺次相连并构成回路，计算机与信号发生器、线性功率放大器、超磁致伸缩驱动器顺次相连；
2)制动盘经由电磁离合器、减速电机、变频器，受计算机控制转动；
3)电磁离合器经由控制器，受计算机控制结合与分离；
4)脉冲编码器经由数据采集卡将转速数据反馈回计算机；
5)超磁致伸缩驱动器经由线性功率放大器、信号发生器，受计算机控制动作；
6)数字示波器实时显示线性功率放大器的输出信号，并将该信号反馈回计算机；
高频制动实验装置的使用方法包括以下步骤 1)调节滚珠丝杠滑台5直至柔性铰链放大机构8与制动盘11之间的竖直距离在5cm以上，调节滑台支架3至需要的实验位置，再次调节滚珠丝杠滑台5直至位于柔性铰链放大机构8末端的制动块与制动盘11接触；
2)在计算机端设置制动盘11的初始转速以及高频制动的制动力、制动频率、制动力施加方式，输入完成后计算机自动生成输入信号设置；
3)实验开始后，电磁离合器经由控制器，受计算机控制吸合；
4)减速电机2经由变频器，受计算机控制，经由电磁离合器17带动制动盘11加速至指定转速，脉冲编码器9将转速信号反馈回计算机；
5)待转速稳定后，电磁离合器17经由控制器，受计算机控制，使减速电机2和制动盘11传动分离；
6)同时超磁致伸缩驱动器7经由线性功率放大器、信号发生器，受计算机控制，按照输入的制动参数产生动作，并经柔性铰链位移放大机构8放大后对制动盘11进行制动；
7)制动过程中脉冲编码器9经由数据采集卡将转速信息反馈回计算机，数字示波器实时显示线性功率放大器的输出波形，并将其反馈回计算机；
8)制动盘11完全停下后，数据记录终止，超磁致伸缩驱动器经由线性功率放大器、信号发生器，受计算机控制停止动作，制动过程终止；
9)制动过程终止后，减速电机2经由变频器，受计算机控制停止工作，实验完成。
权利要求
1.一种高频制动实验装置，其特征在于包括实验台底座(I)、滑台支架(3)、水平调节螺钉组(4)、滚珠丝杠滑台(5)、超磁致伸缩驱动器(7)、柔性铰链位移放大机构(8)、脉冲编码器(9)、脉冲编码器支架(10)、被试机构，滑台支架(3)通过水平调节螺钉组(4)固定在实验台底座(I)上，滚珠丝杠滑台(5)竖直固定在滑台支架上，超磁致伸缩驱动器(7)通过超磁致伸缩驱动器支架(6)竖直固定在滚珠丝杠滑台(5)上，柔性铰链位移放大机构(8)固定在超磁致伸缩驱动器(7)的位移输出端，脉冲编码器支架(10)固定在实验台底座(I)上，脉冲编码器(9)固定在脉冲编码器支架(10)上，被试机构包括减速电机(2)、制动盘(11)、脉冲编码器连接架(12)、第一圆螺母(13)、第二圆螺母(14)、压环(15)、第一圆锥滚子轴承(16)、电磁离合器(17)、主轴(18)、离合器连接键(19)、联轴器连接键(20)、第二圆锥滚子轴承(21)、套筒(22)、被试机构固定套(23)、第三圆锥滚子轴承(24)、第三圆螺母(25)、弹性联轴器(26)、减速电机支架(27)、电机轴键(28)，压环(15)、制动盘(11)、第一圆锥滚子轴承(16)、电磁离合器(17)、顺次连接并通过第一圆螺母(13)和第二圆螺母(14)固定在主轴(18)上，脉冲编码器连接架(12)粘接在制动盘(11)上并与脉冲编码器(9)输入轴相连，主轴(18)通过第二圆锥滚子轴承(21)、套筒(22)、第三圆锥滚子轴承(24)、第三圆螺母(25 )固定在被试机构固定套(23 )上，弹性联轴器(26 ) 一端连接主轴(18 )，弹性联轴器(26 )另一端连接减速电机(2 )轴，减速电机(2 )通过减速电机支架(27 )固定在实验台底座(I)上，主轴(18 )上设有离合器连接键(19 )、联轴器连接键(20 )，减速电机(2 )轴上设有电机轴键(28 )，被试机构通过被试机构固定套(23 )固定在实验台底座上。
2.如权利要求1所述的一种高频制动实验装置，其特征在于所述的柔性铰链放大机构(8)末端连接有可更换的制动块。
3.如权利要求1所述的一种高频制动实验装置，其特征在于所述的实验台底座(I)上设有用于调节滑台支架(3)位置的跑道型通孔。
4.一种如权利要求1所述高频制动实验装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤 O调节滚珠丝杠滑台(5)直至柔性铰链放大机构(8)与制动盘(11)之间的竖直距离在5cm以上，调节滑台支架(3)至需要的实验位置，再次调节滚珠丝杠滑台(5)直至位于柔性绞链放大机构(8)末％5的制动块与制动盘(11)接触； 2)在计算机端设置制动盘(11)的初始转速以及高频制动的制动力、制动频率、制动力施加方式，输入完成后计算机自动生成输入信号设置； 3)实验开始后，电磁离合器经由控制器，受计算机控制吸合； 4)减速电机(2)经由变频器，受计算机控制，经由电磁离合器(17)带动制动盘(11)加速至指定转速，脉冲编码器(9)将转速信号反馈回计算机； 5)待转速稳定后，电磁离合器(17 )经由控制器，受计算机控制，使减速电机(2 )和制动盘(11)传动分离； 6)同时超磁致伸缩驱动器(7)经由线性功率放大器、信号发生器，受计算机控制，按照输入的制动参数产生动作，并经柔性铰链位移放大机构(8)放大后对制动盘(11)进行制动； 7)制动过程中脉冲编码器(9)经由数据采集卡将转速信息反馈回计算机，数字示波器实时显示线性功率放大器的输出波形，并将其反馈回计算机； 8)制动盘(11)完全停下后，数据记录终止，超磁致伸缩驱动器经由线性功率放大器、信号发生器，受计算机控制停止动作，制动过程终止；9)制 动过程终止后，减速电机(2)经由变频器，受计算机控制停止工作，实验完成。
全文摘要
本发明公开了一种高频制动实验装置及其方法。它包括实验台底座、滑台支架、水平调节螺钉组、滚珠丝杠滑台、超磁致伸缩驱动器、柔性铰链位移放大机构、脉冲编码器、脉冲编码器支架、减速电机、制动盘、脉冲编码器连接架、第一圆螺母、第二圆螺母、压环、第一圆锥滚子轴承、电磁离合器、主轴、离合器连接键、联轴器连接键、第二圆锥滚子轴承、套筒、被试机构固定套、第三圆锥滚子轴承、第三圆螺母、弹性联轴器、减速电机支架、电机轴键。本发明适用于高频制动的实验研究，尤其是制动频率在50Hz以上的高频制动实验研究。本发明采用超磁致伸缩材料作为驱动原件，具有响应迅速，精度高，操作简便，便于调节，易于控制，可靠性高等优点。
文档编号G09B25/02GK103035160SQ20121053062
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者刘宇澄, 徐爱群, 洪灵, 贾相武, 王耘, 宋小文, 黄长林, 胡树根 申请人:浙江大学