专利名称：一种能量自动补偿型单摆装置的制作方法
技术领域：
本发明属于一种能量补偿装置，尤其是一种用于单摆的自动能量补偿装置。
背景技术：
单摆自动运动过程中由于能量损耗不能长时间摆动，而目前的单摆自动控制装 置，主要是受迫振动法驱动单摆的长时间摆动。中国专利号为ZL96235339. 6的实用新型专 利公布了 一种用于单摆运动的自动控制装置，其采用电磁特性驱动摆体长时间摆动。但根 据物理原理，内力做功可以增加系统的机械能，如荡秋千越时，当秋千荡至最高点时人的重 心要求升高，而秋千荡至最低点时人的重心要求降低，是通过人的内力做功可以补偿摆动 中的损耗能量。但据此原理制作的单摆存在摆动周期与重心升降周期相匹配的问题，周期稍有不 符合，摆幅就会出现衰减，不能长时间摆动；能量补偿过程容易出现滑块与摆线碰撞，从而 消耗能量，影响能量补充，不能长时间摆动。
发明内容
本发明的目的是克服上述能量补偿中存在的不足，提供一种结构简单，实现有效 能量自动补偿的单摆装置。本发明的技术方案一种能量自动补偿型单摆装置，包括支杆、金属丝和摆体， 摆体通过金属丝固定于支杆上；摆体包括平衡梁、螺杆、步进电机和空心滑块，所述螺杆上 刻有凹槽，其下端与步进电机共轴，上端为自由端，所述平衡梁和步进电机通过连接件固 定；空心滑块通过与凹槽相应的结构装配到螺杆上，该空心滑块与连接件配合限制其旋转； 摆动传感器固定于支杆上能与金属线接触的位置，驱动控制模块通过所述摆动传感器连接 到步进电机，驱动控制模块与金属丝连接。驱动控制模块包括电源，驱动器和控制器，通过脉冲信号控制步进电机的转速和 旋转方向，从而控制滑块的上升和下降。本发明的有益效果是
1)采用空心滑块与螺杆结合的方式，通过驱动控制模块控制步进电机顺时针和逆时针 旋转，从而带动空心滑块上升或者下降，从而通过内力做功维持单摆的持续摆动，其结构简2)采用摆动传感器，当摆体处于最大位移时，触发控制器使步进电机带动滑块运 动，能够通过控制脉冲个数使步进电机带动滑块上升和下降的距离相等，确保滑块上位点 和下位点位置固定，能确保摆体的保持固定的振幅。3)采用驱动控制电路与摆动传感器结合，能够通过控制脉冲频率使步进电机带动 滑块上升速度快于下降速度，从而克服能量补偿周期与单摆摆动周期不一致的问题，能确 保摆体的保持固定的振幅。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是系统装置图。图2是图1中单摆系统5的结构放大图。图3是是图1中摆体9正面结构放大图。图4是是图1中摆体9侧面结构放大图。图5是是图1中电路连接图。其中1.电源，2.控制器，3.驱动器，4.数据线，5.单摆系统，6.支杆，7.摆动传 感器，8.金属丝，9.摆体，10.平衡梁，11.螺杆，12.螺旋凹槽，13.空心滑块，14.螺钉， 15.步进电机，16.连接件。
具体实施例方式下面结合附图，详细介绍本发明的具体实施方式
。如图1-2所示，本发明包括单摆系统5和驱动控制模块，在单摆系统5上设置摆动 传感器7。其中，驱动控制模块包括电源1、控制器2和驱动器3 ；电源1通过控制器2与驱 动器3相联，驱动控制模块通过数据线4与单摆系统5中的摆动传感器7和步进电机15相 联；单摆系统5的上端是支杆6，支杆6被支起或者悬挂，支杆6通过两根金属丝8与摆体9 相联。如图3和图4所示，螺杆11与步进电机15共轴，螺杆11上刻有螺旋凹槽12，螺杆 11穿过空心滑块13，空心滑块13中心装配有螺钉14，其螺钉14的在空心滑块13的内的部 分置于螺杆11的螺旋凹槽12内。连接件16的上端与平衡梁10固定，下端和步进电机15 外壳固定，其中空心滑块13为椭圆柱形，其与连接件16间留有间隙，且空心滑块13与连接 件16的距离小于其长半轴的长度，从而保证在螺杆11旋转时，空心滑块13不能旋转，只能 上下移动。如图5所示，电源1是将220V交流电转变成24V的直流电源，驱动器3型号 2024B2，其引脚B15和B16由两根导线接到电源1的输出端；控制器2型号CNC，其与220V 交流电源直接连接，其引脚CP0、DIR0和OPTO分别与驱动器3的引脚B07-B09相连；控制器 2的引脚OUTl和GND分别与金属丝8和摆动传感器7相连，两平行的金属丝8在平衡梁10 处相连，当摆动传感器7与金属丝8相接触，即接通电路；驱动器3的引脚B11-B14通过数 据线4与步进电机15相连。单摆系统的工作原理为接通电源1，将摆体9偏离平衡位置10度左右，放开后， 当摆至最大位移处，金属线8与摆动传感器7接触，从而导通驱动控制模块，控制器2使驱 动器3驱使步进电机15逆时针旋转(从上向下看)，从而带动空心滑块13缓慢下降，移动一 定位移后，控制器2控制驱动器3驱使步进电机15顺时针旋转(从上向下看)，从而带动空 心滑块13快速上升，这时摆体9还没有到另一边最大位移处；当摆体9至另一侧最大位移 处金属丝8与摆动传感器7接触，触发控制器2控制驱动器3驱使步进电机15逆时针或顺 时针旋转(从上向下看)，从而带动滑块缓慢下降，随后快速上升，每次触发摆体9能获得一 定能量，从而实现长时间地摆动。本实施例中，为实现空心滑块13上下移动是由控制器2控制驱动器3的脉冲个数实现；其优选的方案是控制器2控制驱动器3分别发送250个脉冲，从而驱使步进电机15顺 时针和逆时针旋转(从上向下看)，由于每个脉冲驱使螺杆11旋转7. 5度，即每次旋转1875 度。从而带动空心滑块13移动相同的位移，确保空心滑块13的上限位与下限位的位置不变。本实施例中是实现空心滑块13的快速上升，缓慢下降，其实现方式为由控制器2 控制驱动器3的脉冲频率来实现；其优选方式是控制器2控制驱动器3每秒钟发送1200个 脉冲，从而驱使步进电机15逆时针旋转(从上向下看)，带动空心滑块13缓慢下降；控制器 2控制驱动器3每秒钟发送2400个脉冲，从而驱使步进电机顺时针旋转(从上向下看)，带动 空心滑块13快速上升。本实施例中的步进电机15的旋转方向的旋转，与螺杆11的螺纹方向有关，只要通 过其旋转能实现本发明中的缓慢上升和快速下降，即属于本专利的保护范围。本发明中并不限制空心滑块为椭圆柱形，只要其能通过连接件限制其随螺杆旋转 即属于本发明保护的范围；如可以采用下述方案实现由两片不相连的连接件固定平衡梁 和步进电机，空心滑块的外部设有凸起，该突起置于连接件的间隙中。本发明的摆动传感器的工作方式并不限于实施例中所指，只要能实现摆体摆动到 最大位移时触发驱动控制模块导通即属于本发明保护的访问；如可采用下述方案实现对 摆线的材料不做限制，而摆动传感器通过两根平行细金属丝连接驱动控制模块引出的两根 导线，当摆体运动到最大位移时，连通平行金属丝，从而触发驱动控制模块导通。
权利要求
一种能量自动补偿型单摆装置，包括支杆(6)、金属丝(8)和摆体(9)，摆体(9)通过金属丝(8)固定于支杆(6)上；其特征在于摆体(9)包括平衡梁(10)、螺杆(11)、步进电机(15)和空心滑块(13)，所述螺杆(11)上刻有凹槽(12)，其下端与步进电机(15)共轴，上端为自由端，所述平衡梁(10)和步进电机(15)通过连接件(16)固定；空心滑块(13)通过与凹槽(12)相应的结构装配到螺杆(11)上，该空心滑块(13)与连接件(16)配合限制其旋转；摆动传感器(7)固定于支杆(6)上能与金属丝(8)接触的位置，驱动控制模块通过所述摆动传感器(7)连接到步进电机(15)，驱动控制模块与金属丝(8)连接。
2.如权利要求1所述的能量自动补偿型单摆装置，其特征在于所述驱动控制模块包 括电源(1)，控制器(2 )和驱动器(3 )，通过脉冲信号控制步进电机(15 )的转速和旋转方向。
3.如权利要求1或2所述的能量自动补偿型单摆装置，其特征在于摆体(9)摆动到一 定角度时接触所述摆动传感器(7)，接通所述驱动控制电路和步进电机(15)。
4.如权利要求1所述的能量自动补偿型单摆装置，其特征在于所述空心滑块(13)通 过固定其上的螺钉(14)与所述螺杆(11)的凹槽(12)装配。
5.如权利要求1或4所述的能量自动补偿型单摆装置其特征在于所述空心滑块(13) 为椭圆柱形，其中心与连接片(16)的距离小于其长半轴长度。
全文摘要
一种能量自动补偿型单摆装置，空心滑块通过螺钉嵌入到螺杆某一位置，螺杆上端为自由端，下端与步进电机共轴，驱动控制模块通过摆动传感器与步进电机相连；当摆体摆至最大位移处，摆动传感器触发驱动控制模块驱动步进电机旋转，从而带动滑块缓慢下降，随后快速上升，摆体摆至另一侧最大位移时摆动传感器又触发一次相同的动作，从而驱使单摆长时间摆动。驱动控制模块包括电源、控制器和驱动器，通过脉冲数频率和个数来控制步进电机的转速和转角，既确保滑块每次上限位和下限位不变，又实现慢降快升的过程，有效地补偿单摆摆动过程中的能量损耗。该装置结构简单，性能稳定、使用方便。
文档编号F16H35/00GK101968109SQ201010519789
公开日2011年2月9日 申请日期2010年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者徐瑞平, 毕天雨, 江兴方 申请人:常州大学