一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置的制作方法

本发明涉及教学实验装置，更具体的说是一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置。

背景技术：

《机电系统控制基础》课程主要针对机械类专业，是以自动控制理论为基础、机电系统为研究对象的一门专业基础课。内容紧密结合工程需要，力求在讲清楚自动控制基本概念的前提下，有针对性地结合其在机电系统中的应用。对大部分学生来讲,没有直观的实物教学装置联系理论知识,完全掌握这门课程会有一定的难度,因此,实验教学环节对于学生掌握基础的知识理论会有很大的帮助,且对提高课程的教学质量也有很大的促进作用。

目前,基于自动控制理论的教学实验装置种类很多,比如常见的实验装置有倒立摆实验装置、水箱水位控制系统等等,已被各大高校和科研院所广泛使用。但是相关教学实验设备实验过程复杂，可实现的实验内容比较单一，与主要研究对象是机电系统的本课程没有很好地吻合，所以现有的自动控制理论的教学实验装置并不能满足机械类学生的实验教学要求，有待进一步改进。因而如何能创设一种操作简单,可实现多机电参数可调节、软件可编程、多实验内容可扩展的教学实验装置,成为《机电系统控制基础》课程实验教学的当务之急。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，可以提供一种供机械类学生的《机电系统控制基础》课程实验课的教学实验装置。该实验装置硬件可配置，软件可编程，多机电参数可调节，实验内容可扩展；实验装置的驱动力矩、摩擦力矩、负载转动惯量、传动轴刚度和负载所受的阻尼可以调节，控制系统的控制参数、信号采集频率、传感器倍频数可以调节；实验内容可扩展，本实验装置模块化设计，可以根据需要改变装置结构开发不同的实验内容。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，包括底座、直流伺服电动机、电动机支承座、磁滞阻尼器、负载支承座ⅰ、负载轴、配重块、负载支承座ⅱ、编码器支承座、旋转编码器、旋转阻尼器和测速轴，所述直流伺服电动机固定连接在电动机支承座上，电动机支承座的下端连接在底座上，负载轴的两端分别转动连接在负载支承座ⅰ和负载支承座ⅱ上，负载支承座ⅰ和负载支承座ⅱ均固定连接在底座上，直流伺服电动机的输出轴和磁滞阻尼器的输入端连接，磁滞阻尼器固定连接在底座上，磁滞阻尼器的输出端和负载轴的一端连接，负载轴上固定连接有多个配重块，负载轴的另一端和测速轴的一端连接，旋转编码器固定连接在编码器支承座上，编码器支承座连接在底座上，测速轴穿过旋转编码器的内孔，测速轴的另一端连接在旋转阻尼器上，旋转阻尼器固定连接在底座上，直流伺服电动机的输出轴、磁滞阻尼器的输入和输出端、负载轴、旋转阻尼器的内孔和测速轴均同轴设置。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述旋转编码器为空心式编码器。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置还包括联轴器ⅰ、联轴器ⅱ和联轴器ⅲ，直流伺服电动机的输出轴通过联轴器ⅰ和磁滞阻尼器的输入端固定连接，磁滞阻尼器的输出端通过联轴器ⅱ和负载轴的一端固定连接，负载轴的另一端通过联轴器ⅲ和测速轴固定连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述联轴器ⅰ为刚性联轴器，联轴器ⅱ为挠性联轴器，联轴器ⅲ为刚性联轴器。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述电动机支承座、磁滞阻尼器、负载支承座ⅰ、负载支承座ⅱ、编码器支承座和旋转阻尼器的对称面重合。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述电动机支承座包括电动机支承座体、电动机支承座底板和调整腰孔ⅰ，电动机支承座底板固定连接在电动机支承座体的下端，电动机支承座底板上设置有两个调整腰孔ⅰ，两个调整腰孔ⅰ内均被有螺栓ⅰ穿过，电动机支承座底板通过两个螺栓ⅰ和底座固定连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述编码器支承座包括编码器支承座以、编码器支承座底板和调整腰孔ⅱ，编码器支承座以的下端固定连接有编码器支承座底板，编码器支承座底板上设置有两个调整腰孔ⅱ，两个调整腰孔ⅱ内均被有螺栓ⅱ穿过，编码器支承座底板通过两个螺栓ⅱ和底座固定连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述负载轴包括负载圆盘、承重轴段、连接轴段和转动轴段，负载圆盘的两端均固定连接有承重轴段，两个承重轴段的外侧均固定连接有转动轴段，两个转动轴段的外侧均固定连接有连接轴段，两个转动轴段分别转动连接在负载支承座ⅰ和负载支承座ⅱ上，两个连接轴段分别固定连接在联轴器ⅱ和联轴器ⅲ上。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述测速轴可拆卸连接在旋转阻尼器上。

一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置的控制系统，包括上位机、数据采集卡、编码器计数卡和直流伺服电机驱动器，旋转编码器接线连接到编码器计数卡上，编码器计数卡内集成了判向及计数电路，编码器计数卡读取旋转编码器的角位置信号，编码器计数卡和上位机接线连接，上位机输出的数字信号经数据采集卡数模转换后输出给直流伺服电机驱动器，直流伺服电机驱动器为直流伺服电动机提供工作电压。

本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置的有益效果为：

本发明一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，可以通过更换不同的直流伺服电动机改变驱动力矩的大小，通过控制磁滞阻尼器上的磁力大小调整摩擦力矩的大小，通过改变负载轴上设置的配重块的多少可以调整负载转动惯量，按照旋转阻尼器中心孔的形式加工测速轴的末端，将两者通过键连接传动，旋转阻尼器为外购件，通过更换不同阻尼系数的旋转阻尼器，能够模拟负载受到的不同大小的阻尼，即该实验装置所受的阻尼大小可以调节；控制系统的控制参数、信号采集频率、传感器倍频数可以调节；满足多功能实验的教学内容。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置整体结构示意图；

图2是本发明的多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置剖视图结构示意图；

图3是本发明的底座结构示意图；

图4是本发明的电动机支承座结构示意图；

图5是本发明的负载支承座ⅰ结构示意图；

图6是本发明的负载轴结构示意图；

图7是本发明的配重块结构示意图；

图8是本发明的负载支承座ⅱ结构示意图；

图9是本发明的编码器支承座结构示意图；

图10是本发明的控制系统组成示意图。

图中：底座1；直流伺服电动机2；电动机支承座3；电动机支承座体3-1；电动机支承座底板3-2；调整腰孔ⅰ3-3；联轴器ⅰ4；磁滞阻尼器5；联轴器ⅱ6；负载支承座ⅰ7；负载轴8；负载圆盘8-1；承重轴段8-2；连接轴段8-3；转动轴段8-4；配重块9；负载支承座ⅱ10；联轴器ⅲ11；编码器支承座12；编码器支承座体12-1；编码器支承座底板12-2；调整腰孔ⅱ12-3；旋转编码器13；旋转阻尼器14；测速轴15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

在阐述具体实施方式前，为避免重复性语言，解释说明以下所述“固定连接”可以是：通过螺栓连接、焊接和铆钉连接等方式进行固定，本领域技术人员可以根据不同的应用场景选择不同的固定连接方式，主要目的是将两件零件进行固定。

具体实施方式一：

下面结合图1-10说明本实施方式，一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，包括底座1、直流伺服电动机2、电动机支承座3、磁滞阻尼器5、负载支承座ⅰ7、负载轴8、配重块9、负载支承座ⅱ10、编码器支承座12、旋转编码器13、旋转阻尼器14和测速轴15，可以通过控制直流伺服电动机2改变驱动力矩的大小，通过控制磁滞阻尼器5上的磁力大小调整摩擦力矩的大小，通过改变负载轴8上设置的配重块9的多少可以调整负载转动惯量，按照旋转阻尼器14中心孔的形式加工测速轴15的末端，将两者通过键连接传动，旋转阻尼器14为外购件，通过更换不同阻尼系数的旋转阻尼器14，能够模拟负载受到的不同大小的阻尼，即该实验装置所受的阻尼大小可以调节；控制系统的控制参数、信号采集频率、传感器倍频数可以调节，满足多功能实验的教学内容；所述直流伺服电动机2固定连接在电动机支承座3上，电动机支承座3的下端连接在底座1上，负载轴8的两端分别转动连接在负载支承座ⅰ7和负载支承座ⅱ10上，负载支承座ⅰ7和负载支承座ⅱ10均固定连接在底座1上，直流伺服电动机2的输出轴和磁滞阻尼器5的输入端连接，磁滞阻尼器5固定连接在底座1上，磁滞阻尼器5的输出端和负载轴8的一端连接，负载轴8上固定连接有多个配重块9，负载轴8的另一端和测速轴15的一端连接，旋转编码器13固定连接在编码器支承座12上，编码器支承座12连接在底座1上，测速轴15穿过旋转编码器13的内孔，测速轴15的另一端连接在旋转阻尼器14上，旋转阻尼器14固定连接在底座1上，直流伺服电动机2的输出轴、磁滞阻尼器5的输入和输出端、负载轴8、旋转阻尼器14的内孔和测速轴15均同轴设置；所述磁滞阻尼器5可以通过调节与之配套连接的电流调节器来其改变输出的摩擦力矩，负载轴8实际受到的力矩等于直流伺服电动机2的输出力矩与磁滞阻尼器5的摩擦力矩之差，在直流伺服电动机2的输出力矩保持不变时，改变磁滞阻尼器5的输出力矩就改变了加在负载轴8上的力矩，即该实验系统负载所受的力矩可以调节；磁滞阻尼器5可以使用广东张力科技有限公司磁滞阻尼器hb-102a电流调节器同为该公司的ics系列智能电流源具体型号为ics-2000，旋转阻尼器14可以使用温州吉姆自动化科技有限公司圆盘阻尼器da47a-b153。

具体实施方式二：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述旋转编码器13为空心式编码器。

具体实施方式三：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置还包括联轴器ⅰ4、联轴器ⅱ6和联轴器ⅲ11，直流伺服电动机2的输出轴通过联轴器ⅰ4和磁滞阻尼器5的输入端固定连接，磁滞阻尼器5的输出端通过联轴器ⅱ6和负载轴8的一端固定连接，负载轴8的另一端通过联轴器ⅲ11和测速轴15固定连接。

具体实施方式四：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述联轴器ⅰ4为刚性联轴器，联轴器ⅱ6为挠性联轴器，联轴器ⅲ11为刚性联轴器；连接所述磁滞阻尼器5输出轴和负载轴8的输入端的联轴器ⅱ6选用挠性联轴器，较低的系统刚度能使学生明显地观察到控制系统响应的滞后；实验过程中，连接直流伺服电动机2输出轴和磁滞阻尼器5输入轴的联轴器ⅰ4和连接负载轴8输出端和测速轴15的联轴器ⅲ11保持不变，通过更换不同刚度的用于连接磁滞阻尼器5输出轴和负载轴8输入端的联轴器ⅱ6，能够探究刚度对机械系统控制性能的影响，即该实验装置的系统刚度可以调节。

具体实施方式五：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述电动机支承座3、磁滞阻尼器5、负载支承座ⅰ7、负载支承座ⅱ10、编码器支承座12和旋转阻尼器14的对称面重合。

具体实施方式六：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述电动机支承座3包括电动机支承座体3-1、电动机支承座底板3-2和调整腰孔ⅰ3-3，电动机支承座底板3-2固定连接在电动机支承座体3-1的下端，电动机支承座底板3-2上设置有两个调整腰孔ⅰ3-3，两个调整腰孔ⅰ3-3内均被螺栓ⅰ穿过，电动机支承座底板3-2通过两个螺栓ⅰ和底座1固定连接；用于微调实际安装中电动机支承座3相对于底座1的位置。

具体实施方式七：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述编码器支承座12包括编码器支承座体12-1、编码器支承座底板12-2和调整腰孔ⅱ12-3，编码器支承座体12-1的下端固定连接有编码器支承座底板12-2，编码器支承座底板12-2上设置有两个调整腰孔ⅱ12-3，两个调整腰孔ⅱ12-3内均被螺栓ⅱ穿过，编码器支承座底板12-2通过两个螺栓ⅱ和底座1固定连接；用于微调实际安装中编码器支承座12相对于底座1的位置。

具体实施方式八：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述负载轴8包括负载圆盘8-1、承重轴段8-2、连接轴段8-3和转动轴段8-4，负载圆盘8-1的两端均固定连接有承重轴段8-2，两个承重轴段8-2的外侧均固定连接有转动轴段8-4，两个转动轴段8-4的外侧均固定连接有连接轴段8-3，两个转动轴段8-4分别转动连接在负载支承座ⅰ7和负载支承座ⅱ10上，两个连接轴段8-3分别固定连接在联轴器ⅱ6和联轴器ⅲ11上；所述负载轴8是一根对称的台阶轴，负载圆盘8-1可以设计加工成不同的厚度，负载圆盘8-1与负载轴8同轴的圆上均匀分布有多个螺纹通孔，用于在不同的位置安装配重块9，即该实验装置的系统的转动惯量可以调节。

具体实施方式九：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至八任一项作进一步说明，本发明的一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置，所述测速轴15通过连接键和旋转阻尼器14可拆卸连接；旋转阻尼器14根据旋转速度的变化，扭矩也随之变化，具体规律为速度增大，扭矩增大，速度减小，扭矩减小；通过在测速轴15末端串联一个旋转阻尼器14，能够模拟负载在具体工作时受到的阻尼；根据旋转阻尼器14中心孔的形式加工测速轴15的末端，将两者通过键连接传动；旋转阻尼器14为外购件，通过更换不同阻尼系数的旋转阻尼器，能够模拟负载受到的不同大小的阻尼，即该实验装置所受的阻尼大小可以调节。

具体实施方式十：

下面结合图1-10说明本实施方式，本实施方式对实施方式九作进一步说明，本发明的一种多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置的控制系统，所述多机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置的控制系统包括上位机、数据采集卡、编码器计数卡和直流伺服电机驱动器，旋转编码器13接线连接到编码器计数卡上，编码器计数卡内集成了判向及计数电路，编码器计数卡读取旋转编码器的角位置信号，编码器计数卡和上位机接线连接，上位机输出的数字信号经数据采集卡数模转换后输出给直流伺服电机驱动器，直流伺服电机驱动器为直流伺服电动机2提供工作电压；所述控制系统的控制参数、信号采集频率和传感器的倍频数可以由控制程序调节，本控制系统中可以改变pid参数等控制参数，通过调用系统时钟并设置每次循环时间可以改变信号的采集频率，在使用上层函数对编码器计数卡初始化时，可以设置传感器的倍频数。数据采集卡可以使用北京阿尔泰科技发展有限公司pci8620数据采集卡，编码器技术卡可以使用深圳市雷泰控制技术有限公司enc7480编码器计数及i/o控制卡，直流伺服电机驱动器可以使用爱默信深圳科技有限公司amcadvanced直流电机伺服驱动器。

其工作原理为：

使用时直流伺服电动机2开始转动，使得直流伺服电动机2的输出轴以自身轴线为中心进行转动，直流伺服电动机2的输出轴、磁滞阻尼器5的输入和输出端、负载轴8、旋转阻尼器14的输入和输出端和测速轴15均同轴设置；所述磁滞阻尼器5可以通过调节与之配套连接的电流调节器来其改变输出的摩擦力矩，负载轴8实际受到的力矩等于直流伺服电动机2的输出力矩与磁滞阻尼器5的摩擦力矩之差，在直流伺服电动机2的输出力矩保持不变时，改变磁滞阻尼器5的输出力矩就改变了加在负载轴8上的力矩，即该实验系统负载所受的力矩可以调节；接所述磁滞阻尼器5输出轴和负载轴8的输入端的联轴器ⅱ6选用挠性联轴器，较低的系统刚度能使学生明显地观察到控制系统响应的滞后；实验过程中，连接直流伺服电动机2输出轴和磁滞阻尼器5输入轴的联轴器ⅰ4和连接负载轴8输出端和测速轴15的联轴器ⅲ11保持不变，通过更换不同刚度的用于连接磁滞阻尼器5输出轴和负载轴8输入端的联轴器ⅱ6，能够探究刚度对机械系统控制性能的影响，即该实验装置的系统刚度可以调节；测速轴15通过连接键和旋转阻尼器14连接；旋转阻尼器14根据旋转速度的变化，扭矩也随之变化，具体规律为速度增大，扭矩增大，速度减小，扭矩减小；通过在测速轴15末端串联一个旋转阻尼器14，能够模拟负载在具体工作时受到的阻尼；根据旋转阻尼器14中心孔的形式加工测速轴15的末端，将两者通过键连接传动；旋转阻尼器14为外购件，通过更换不同阻尼系数的旋转阻尼器，能够模拟负载受到的不同大小的阻尼，即该实验装置所受的阻尼大小可以调节；机电参数可调的内容可扩展的角位置伺服教学实验装置的控制系统包括上位机、数据采集卡、编码器计数卡和直流伺服电机驱动器，旋转编码器接线连接到编码器计数卡上，编码器计数卡内集成了判向及计数电路，编码器计数卡读取旋转编码器的角位置信号，编码器计数卡和上位机接线连接，上位机输出的数字信号经数据采集卡数模转换后输出给直流伺服电机驱动器，直流伺服电机驱动器为直流伺服电动机2提供工作电压；所述控制系统的控制参数、信号采集频率和传感器的倍频数可以由控制程序调节，本控制系统中可以改变pid参数等控制参数，通过调用系统时钟并设置每次循环时间可以改变信号的采集频率，在使用上层函数对编码器计数卡初始化时，可以设置传感器的倍频数。

本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。