一种测试绳轮打滑特性的实验装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种测试绳轮打滑特性的实验装置及方法，本装置包括支撑板架、底座、驱动单元、检测单元、执行单元和控制单元；其中驱动单元以电机、丝杆和导杆为主，检测单元以旋转编码器、拉杆位移传感器为主，执行单元以滑台、丝绳和滑轮为主，部件通过紧固螺栓或螺钉固定于底座上面的支撑板架和支座上。本发明的控制系统还提供了基于单片机的下位机系统和基于LabVIEW的上位机系统，并给出了数据处理分析方法。本发明解决了目前没有专门测试绳轮打滑特性的实验装置的问题，可用于不同材料、不同压力或不同速度条件下绳轮打滑特性的测试实验，用于评价绳轮运动中的打滑特性。本发明的装置结构简单，操作方便，采用计算机控制，精确度高。
【专利说明】一种测试绳轮打滑特性的实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测试绳轮打滑特性的实验装置及方法，具体涉及一种测试不同材料、不同压力或不同速度条件下绳轮打滑特性的实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]在物理学、材料学、机械工程等学科中，丝绳在滑轮上运动而打滑的问题是一个非常普遍的问题，打滑的特性规律有待研究，绳轮打滑与丝绳的受力情况、滑轮和丝绳的材料、丝绳对滑轮的包络角大小等都有关系，比较复杂。如在电梯、行吊等工程设备中，丝绳与滑轮构成系统的传动机构，丝绳和滑轮的打滑情况极需检测，才能保证运行中或工作时的稳定和安全。如果能够研究清楚绳轮打滑特性，这将对上述设备的安全施工和常态维护具有非常重要的指导意义。但目前，对于绳轮打滑特性的测试却还没有技术规范与行业标准，因此需要对测试绳轮打滑特性进行研究，及制定相应的技术规范和行业标准。
【发明内容】
[0003]本发明的第一个目的是为了解决目前没有专门测试绳轮打滑特性的实验装置的问题，而提供一种可测试不同材料、不同压力或不同速度条件下绳轮打滑特性的实验装置；本发明的第二个目的是为使用该实验装置而提供了一种进行绳轮打滑特性测试实验的方法。
[0004]为了达到上述第一个目的，本发明采用的技术方案是:提供一种测试绳轮打滑特性的实验装置，包括支撑板架、底座、驱动单元、检测单元、执行单元和控制单元；
[0005]所述的支撑板架通过底座紧固螺钉与底座固接，支撑板架上部有个小平台；
[0006]所述的驱动单元包括电机、丝杆底座紧固螺钉、电机紧固螺钉、丝杆底座、导杆底座、丝杆和导杆；所述的电机为空心轴步进电机或伺服电机，电机通过电机紧固螺钉与支撑板架上部小平台的下端面固接，丝杆底座通过丝杆底座紧固螺钉固接在支撑板架上部小平台上，导杆底座以同样的方式固接于支撑板架上部小平台上，丝杆下端以过盈配合或键槽配合与空心轴型步进电机或伺服电机的中心孔连接，丝杆滑块安装在丝杆上，导杆滑块套在导杆上，丝杆滑块和导杆滑块分别通过丝杆滑块紧固螺钉和导杆滑块紧固螺钉与滑台固接；
[0007]所述的检测单元包括编码器支座、编码器支架、拉杆位移传感器、定位卡箍、定位卡箍紧固螺钉、编码器支架紧固螺栓、旋转编码器、编码器紧固螺钉、编码器支座紧固螺栓；所述的执行单元包括滑台、丝杆滑块紧固螺钉、丝杆滑块、导杆滑块紧固螺钉、导杆滑块、滑轮、丝绳、滑轮定位螺钉；编码器支架通过编码器支架紧固螺栓与支撑板架固接，编码器支座通过编码器支座紧固螺栓与编码器支架固接；所述旋转编码器通过编码器紧固螺钉与编码器支座固接，旋转编码器连接轴通过滑轮定位螺钉与滑轮固接；滑轮圆周上设计有凹槽为丝绳导向，丝绳一端与滑台固接，另一端与拉杆位移传感器固接；所述拉杆位移传感器被定位卡箍通过定位卡箍紧固螺钉与支撑板架下部固接，支撑板架上端小平台中设计有拉杆位移传感器移动杆通过所需要的通孔；
[0008]所述的控制单元包括下位机单片机系统和基于LabVIEW软件的上位机计算机系统，下位机单片机系统用于对位移传感器和编码器传输的信号采集与调理，上位机计算机系统用于控制电机运动和控制下位机单片机系统，及对接收的信息进行分析处理、数据存储与显示。
[0009]本发明所述的丝绳绕在滑轮的凹槽内，在丝绳预紧后连接滑台的一侧和连接拉杆位移传感器的一侧均垂直于小平台，两侧的丝绳所在的平面与滑轮端面平行。
[0010]本发明所述电机、拉杆位移传感器和旋转编码器的电源线和信号线与下位机单片机系统连接，下位机单片机系统通过RS232/485串口与上位机计算机系统通信。
[0011]为实现本发明的第二个目的，本发明还提供一种应用上述的测试绳轮打滑特性的实验装置的测试方法，包括以下步骤:
[0012]a.将实验装置摆放平稳，连接实验装置和下位机单片机系统之间的线路，用串口线连接下位机单片机系统和上位机计算机系统，然后启动上位机计算机系统和下位机单片机系统；
[0013]b.通过上位机计算机系统控制电机缓缓转动，电机转动带动丝杆的转动,丝杆转动后带动滑台缓缓上升，调整滑台至导杆顶端作为初始位置；
[0014]c.若测试不同材料条件下的绳轮打滑特性:则根据测试实验要求选择不同材料的滑轮和丝绳进行测试，在安装丝绳时先将丝绳两端分别固接在滑台上和拉杆位移传感器的移动杆顶端，然后将丝绳绕过滑轮的凹槽，最后调整拉杆位移传感器的移动杆至零位初始位置；
[0015]d.根据实验对丝绳运动速度和压力的要求，在上位机计算机系统中进行电机转速的设置，以及在拉杆位移传感器的移动端加挂相应的砝码；
[0016]e.启动电机，带动丝杆转动，丝杆滑块带动滑台下移，导杆滑块沿导杆向下运动，此时在滑台一端的丝绳在滑台的带动下下移，受丝绳摩擦和拉力的作用滑轮带动旋转编码器转动，拉杆位移传感器的移动杆伸出；
[0017]f.实验装置运行中，拉杆位移传感器和旋转编码器的信号输送至下位机单片机系统的信号采集与调理单元，下位机单片机系统采用串口通信，通过RS232/485发送至基于LabVIEW软件的上位机计算机系统进行数据分析处理，将数据实时写入文件，滑台下行至结束位置时关闭电机，在上位机显示屏上观察测试结果的数值与图像。
[0018]本发明的测试绳轮打滑特性的实验装置及方法有益效果是:
[0019](I).本发明以底座、支撑板架为骨架，将驱动单元、检测单元和执行单元有机地结合在一起，结构简单，成本低廉，为测试绳轮打滑特性提供了稳定可靠的硬件平台。
[0020](2).本发明可在上位机计算机系统中设置不同的速度进行测试实验，可通过加挂砝码在不同压力条件下进行测试实验，另外，本发明可以变换不同材料的丝绳和滑轮进行测试实验，而且变换丝绳和滑轮时不需要拆装装置的其他零部件，可进行多种条件下的测试实验，调节简单，使用方便。
[0021](3).本发明测试方法的实现是基于下位机单片机系统和上位机计算机系统分层协调控制的，数据的处理分析内置其中，操作简单，差错率低，节约测试时间，具有很高的测试效率。【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明测试绳轮打滑特性的实验装置整体结构主视示意图。
[0023]图2为图1的俯视示意图。
[0024]图3为本发明测试绳轮打滑特性的实验装置控制系统框图。
[0025]图4为本发明测试绳轮打滑特性的实验装置上位机工作流程图。
[0026]上述图中:1_底座，2-支撑板架，3-空心轴型步进电机或伺服电机，4-丝杆底座紧固螺钉，5-电机紧固螺钉，6-丝杆底座，7-导杆底座，8-滑台，9-丝杆滑块紧固螺钉，10-丝杆滑块，11-丝杆，12-导杆滑块紧固螺钉，13-导杆滑块，14-导杆，15-编码器支座，16-滑轮，17-丝绳，18-编码器支架，19-拉杆位移传感器，20-定位卡箍，21-定位卡箍紧固螺钉，22-编码器支架紧固螺栓，23-底座紧固螺钉，24-旋转编码器，25-滑轮定位螺钉，26-编码器紧固螺钉，27-编码器支座紧固螺栓。
【具体实施方式】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]实施例1:本发明一种测试绳轮打滑特性的实验装置，参见图1和图2，所述实验装置包括支撑板架2、底座1、驱动单元、检测单元、执行单元和控制单元。所述支撑板架2通过四个底座紧固螺钉23与底座I固接，支撑板架2上部有个小平台。
[0029]所述驱动单元包括电机3、丝杆底座紧固螺钉4、电机紧固螺钉5、丝杆底座6、导杆底座7、丝杆11和导杆14 ;本实施例中电机3采用空心轴型步进电机，电机3通过电机紧固螺钉5与支撑板架2上部小平台下端面固接，丝杆底座6通过丝杆底座紧固螺钉4与支撑板架2上部小平台上端面固接，导杆底座7以同样的方式固接于支撑板架2上部上端面上，丝杆11下端以过盈配合与空心轴型步进电机3的中心孔连接，丝杆滑块10安装在丝杆11上，导杆滑块13套在导杆14上，丝杆滑块10和导杆滑块13分别通过丝杆滑块紧固螺钉9和导杆滑块紧固螺钉12与滑台8固接。
[0030]所述检测单元包括编码器支座15、编码器支架18、拉杆位移传感器19、定位卡箍20、定位卡箍紧固螺钉21、编码器支架紧固螺栓22、旋转编码器24、编码器紧固螺钉26、编码器支座紧固螺栓27 ;编码器支架18通过编码器支架紧固螺栓22与支撑板架2固接，编码器支座15通过编码器支座紧固螺栓27与编码器支架18固接；所述旋转编码器24通过编码器紧固螺钉26与编码器支座15固接，旋转编码器24连接轴通过滑轮定位螺钉25与滑轮16固接，滑轮16圆周上设计有凹槽为丝绳17导向，丝绳17 —端与滑台8固接，另一端与拉杆位移传感器19固接；所述拉杆位移传感器19被定位卡箍20通过定位卡箍紧固螺钉21与支撑板架2下部固接，支撑板架2上端面设计有拉杆位移传感器19移动杆通过所需要的通孔。
[0031]所述执行单元包括滑台8、丝杆滑块紧固螺钉9、丝杆滑块10、导杆滑块紧固螺钉12、导杆滑块13、滑轮16、丝绳17、滑轮定位螺钉25。所述的丝绳17绕在滑轮16的凹槽内，在丝绳17预紧后连接滑台的一侧和连接拉杆位移传感器19的一侧均竖直，两侧丝绳所组成的平面与滑轮16端面平行。
[0032]本发明一种测试绳轮打滑特性实验装置的控制系统框图参见图3，所述实验装置中电机3、拉杆位移传感器19和旋转编码器24的电源线和信号线连接到下位机单片机系统，拉杆位移传感器19和旋转编码器24采集的位移传感器信号与编码器检测信号，分别送到下位机单片机系统的信号采集与调理单元，下位机单片机系统通过RS232/485串口通信与基于LabVIEW软件的上位机计算机系统建立联系，由上位机计算机系统控制电机运动和处理分析数据，将得出数值结果和图像在计算机显示屏上显示，同时将数据与文件存储于数据库中。
[0033]本发明中上位机工作流程图参见图4，上位机启动后首先通过操作界面配置串口和文件；然后自动接收下位机发送来的数据并进行逻辑判断，若判断收到错误数据时，直接关闭串口，提示错误，重新配置；若判断收到正确数据时，数据被读取出来直接写入文本文件，同时将数据转化为字节数组后捆绑，进行数据与图像显示，到数据接收完成时关闭串口保存文件。
[0034]本发明还提供一种应用上述的测试绳轮打滑特性的实验装置的测试方法，包括以下步骤:a.实验装置摆放平稳，连接实验装置和下位机单片机系统之间的线路，用串口线连接下位机单片机系统和上位机计算机系统，然后启动上位机计算机系统和下位机单片机系统。
[0035]b.控制空心轴型步进电机或伺服电机3缓缓转动，丝杆11的转动带动滑台8缓缓上升，调整滑台8至导杆14顶端的初始位置；测试不同材料、不同压力或不同速度条件下的绳轮打滑特性。
[0036]c.若测试不同材料条件下的绳轮打滑特性:则根据测试实验要求选择不同材料的滑轮16和丝绳17进行测试，在安装丝绳17时先将丝绳两端分别固接在滑台8上和拉杆位移传感器19的移动杆顶端，然后将丝绳17绕过滑轮16的凹槽，最后调整拉杆位移传感器19的移动杆至零位初始位置。
[0037]d.根据实验对丝绳17运动速度和压力的要求，在上位机计算机系统进行空心轴型步进电机或伺服电机3的速度设置，方法是在拉杆位移传感器19的移动端加挂相应的砝码。
[0038]e.启动空心轴型步进电机或伺服电机3，丝杆11转动，丝杆滑块10带动滑台8下移，导杆滑块13沿导杆14运动，此时丝绳17 —端在滑台8的带动下下移，受丝绳17摩擦和拉力的作用滑轮16带动旋转编码器24转动，拉杆位移传感器19的移动杆伸出。
[0039]f.实验装置运行中拉杆位移传感器19和旋转编码器24的信号输送至下位机单片机系统的信号采集与调理单元，下位机单片机系统通过RS232/485串口通信发送至基于LabVIEW软件的上位机计算机系统进行数据分析处理，将数据实时写入文件，滑台8下行至结束位置，即触及丝杆底座6时关闭空心轴型步进电机或伺服电机3，在上位机显示屏上观察测试结果的数值与图像。
[0040]实施例2:本发明一种测试绳轮打滑特性的实验装置，其结构与实施例1基本相同，不同的只是电机3采用伺服电机，丝杆11下端通过键槽与电机3配合连接。其测试方法与实施例1相同。
[0041]本发明的装置结构简单，成本低廉，本发明的测试方法操作方便，差错率低，节约测试时间，具有很高的测试效率。本发明的装置及测试方法可以测试不同材料、不同压力或不同速度条件下的绳轮打滑特性，以用于物理学、材料学、机械工程等相关学科的科学研究。
【权利要求】
1.一种测试绳轮打滑特性的实验装置，包括支撑板架、底座、驱动单元、检测单元、执行单元和控制单元；其特征在于: 所述的支撑板架通过底座紧固螺钉与底座固接，支撑板架上部有个小平台； 所述的驱动单元包括电机、丝杆底座紧固螺钉、电机紧固螺钉、丝杆底座、导杆底座、丝杆和导杆；所述的电机为空心轴步进电机或伺服电机，电机通过电机紧固螺钉与支撑板架上部小平台的下端面固接，丝杆底座通过丝杆底座紧固螺钉固接在支撑板架上部小平台上，导杆底座以同样的方式固接于支撑板架上部小平台上，丝杆下端以过盈配合或键槽配合与空心轴型步进电机或伺服电机的中心孔连接，丝杆滑块安装在丝杆上，导杆滑块套在导杆上，丝杆滑块和导杆滑块分别通过丝杆滑块紧固螺钉和导杆滑块紧固螺钉与滑台固接; 所述的检测单元包括编码器支座、编码器支架、拉杆位移传感器、定位卡箍、定位卡箍紧固螺钉、编码器支架紧固螺栓、旋转编码器、编码器紧固螺钉、编码器支座紧固螺栓；所述的执行单元包括滑台、丝杆滑块紧固螺钉、丝杆滑块、导杆滑块紧固螺钉、导杆滑块、滑轮、丝绳、滑轮定位螺钉；编码器支架通过编码器支架紧固螺栓与支撑板架固接，编码器支座通过编码器支座紧固螺栓与编码器支架固接；所述旋转编码器通过编码器紧固螺钉与编码器支座固接，旋转编码器连接轴通过滑轮定位螺钉与滑轮固接；滑轮圆周上设计有凹槽为丝绳导向，丝绳一端与滑台固接，另一端与拉杆位移传感器固接；所述拉杆位移传感器被定位卡箍通过定位卡箍紧固螺钉与支撑板架下部固接，支撑板架上端小平台中设计有拉杆位移传感器移动杆通过所需要的通孔； 所述的控制单元包括下位机单片机系统和基于LabVIEW软件的上位机计算机系统，下位机单片机系统用于对位移传感器和编码器传输的信号采集与调理，上位机计算机系统用于控制电机运动和控制下位机单片机系统，及对接收的信息进行分析处理、数据存储与显/Jn ο
2.根据权利要求1所述的一种测试绳轮打滑特性的实验装置，其特征在于:所述的丝绳绕在滑轮的凹槽内，在丝绳预紧后连接滑台的一侧和连接拉杆位移传感器的一侧均垂直于小平台，两侧的丝绳所在的平面与滑轮端面平行。
3.根据权利要求1所述的一种测试绳轮打滑特性的实验装置，其特征在于:所述电机、拉杆位移传感器和旋转编码器的电源线和信号线与下位机单片机系统连接，下位机单片机系统通过RS232/485串口与上位机计算机系统通信。
4.一种应用权利要求1所述的测试绳轮打滑特性的实验装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤: a.将实验装置摆放平稳，连接实验装置和下位机单片机系统之间的线路，用串口线连接下位机单片机系统和上位机计算机系统，然后启动上位机计算机系统和下位机单片机系统； b.通过上位机计算机系统控制电机缓缓转动，电机转动带动丝杆的转动,丝杆转动后带动滑台缓缓上升，调整滑台至导杆顶端作为初始位置； c.若测试不同材料条件下的绳轮打滑特性:则根据测试实验要求选择不同材料的滑轮和丝绳进行测试，在安装丝绳时先将丝绳两端分别固接在滑台上和拉杆位移传感器的移动杆顶端，然后将丝绳绕过滑轮的凹槽，最后调整拉杆位移传感器的移动杆至零位初始位置； d.根据实验对丝绳运动速度和压力的要求，在上位机计算机系统中进行电机转速的设置，以及在拉杆位移传感器的移动端加挂相应的砝码； e.启动电机，带动丝杆转动，丝杆滑块带动滑台下移，导杆滑块沿导杆向下运动，此时在滑台一端的丝绳在滑台的带动下下移，受丝绳摩擦和拉力的作用滑轮带动旋转编码器转动，拉杆位移传感器的移动杆伸出； f.实验装置运行中，拉杆位移传感器和旋转编码器的信号输送至下位机单片机系统的信号采集与调理单元，下位机单片机系统采用串口通信，通过RS232/485发送至基于LabVIEW软件的上位机计算机系统进行数据分析处理，将数据实时写入文件，滑台下行至结束位置时关闭电机，在上位机显示屏上观察测试结果的数值与图像。
【文档编号】G01M13/02GK103575533SQ201310578672
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】饶建华, 李志鹏, 雷绮仑, 李昌平, 韩媛 申请人:中国地质大学（武汉）