专利名称：机械控制响应实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械控制工程基础实验装置，特别涉及一种多形式结构可变化的机械控制响应实验装置。
背景技术：
随着社会的进步，生产力水平不断提高，生产效率的不断提升，机器代替人工作业应用越来越广泛；控制技术被广泛的应用于各个领域，特别是机械控制技术，培养相关技术人才是社会现代化建设的基础，机械工程控制基础课程作为各大高校进行授课的基础课程，是一门理论与实际相结合的课程，为了直观地展示相关的控制方法和相关算法的应用 效果和不断开发新的控制方法，需要一个对应相关的实验验证平台。为了更好地验证和研究控制方法和算法，人们开发各式各样的验证实验平台，典型的有倒立摆系统和球杆系统，倒立摆系统是一个不稳定的，非线性系统，是十分典型的机械系统的控制对象，常见的倒立摆系统是通过电机驱动小车直线运动，编码器采集运动量，反馈控制器，控制器计算处理数据，输出控制量脉冲，控制小车在导轨上左右运动，再通过动力学原理，驱使在小车上的的摆杆摆动，使摆杆达到直立不倒和控制电机使摆杆左右摆动进入稳摆范围，能够很好的反映控制系统对静态不稳定系统，静态稳定系统及静态时随机稳定系统的控制效果。但电机驱动小车过程中，通过皮带作为动力传动装置，传动环节较多，且皮带的富有弹性，使实验控制精度不够高；小车与摆杆刚体连接，且摆杆无阻尼器，对于系统含有弹性连接和阻尼部件的系统不能很好的展示控制效果，如二阶阻尼系统。同时倒立摆系统是垂直系统而本实用新型是水平系统。完整的自动控制系统是通过电气系统控制，机械系统实施执行控制命令，为了研究系统的自动控制原理，同时开发了各种各样的自动控制实验箱来研究各种类型系统的响应特性。自动控制实验箱通过可变电阻调节输入电压，设计系统电路，测定输出电压，建立系统数学模型，绘制频率特性曲线图，来分析自动控制系统特性，系统的参数可以通过调节电阻，电感及电容进行变换，可变范围广，可模拟线性系统及非线性系统等多种类型的自动控制系统，来研究系统的稳定性等特性。但是系统的特性只是通过计算机数据处理绘制的各种曲线的形式表现出来的，还是停留在理论基础上，不能实际展示控制的效果。
实用新型内容为了解决现有技术中问题，本实用新型提供了一种机械控制响应实验装置，包括机械本体、控制器及控制系统，所述机械本体包括驱动伺服电机、联轴器、轴承座、滚珠丝杆、主动质量滑块、磁栅尺、从动质量滑块、导轨，所述磁栅尺包括读数部分和底座磁性刻度部分，所述驱动伺服电机、联轴器、轴承座、滚珠丝杆、主动质量滑块、从动质量滑块、导轨设置在磁栅尺的底座部分；所述联轴器一端与滚珠丝杆连接，另一端连接驱动伺服电机，所述联轴器固定在轴承座上，所述主动质量滑块穿过滚珠丝杆置于导轨上，主动质量滑块与从动质量滑块连接。作为本实用新型的进一步改进，还包括弹簧，主动质量滑块一端通过弹簧与从动质量滑块连接。作为本实用新型的进一步改进，还包括活塞式阻尼器，从动质量滑块与活塞式阻尼器连接。作为本实用新型的进一步改进，还包括刚性连接件，主动质量滑块一端通过刚性连接件与从动质量滑块连接，还包括活塞式阻尼器，从动质量滑块与活塞式阻尼器连接。本实用新型采用滚珠丝杆为主动质量滑块直线运动导轨，可将电机的旋转运动转化为直线运动，驱动主动质量滑块做直线运动。主动质量滑块和从动质量滑块之间装有弹簧，构成二阶系统结构。活塞式阻尼器与从动质量滑块通过标准连接件连接，构成系统阻尼部分。采用磁栅尺采集从动质量滑块的位移量信息，反馈给控制器。弹簧和活塞式阻尼器自由拆装，构成不同的机械结构系统。 该装置以机械滑动模块为控制对象，以matlab(是矩阵实验室Matrix Laboratory的简称)为控制工具，直观展示传递函数和状态空间等控制方法；通过分析系统的时域和频域特性，可验证一阶阻尼机械系统，二阶振荡机械系统及二阶阻尼机械系统，广泛应用于机械工程控制基础实验教学。
图I是本实用新型控制原理图；图2是本实用新型二阶阻尼系统机械本体立体图；图3是本实用新型一阶阻尼系统机械本体立体图；图4是本实用新型二阶震荡系统机械本体立体图；图5是磁栅尺结构示意图。图中各部件名称如下机械本体I、控制器2、控制系统3、驱动伺服电机11、联轴器12、轴承座13、滚珠丝杆14、主动质量滑块15、弹簧16、磁栅尺17、从动质量滑块18、导轨19、活塞式阻尼器10、刚性连接件31、读数部分171、底座磁性刻度部分172。
具体实施方式
以下结合附图说明及具体实施方式
对本实用新型进一步说明。机械控制实验装置是以质量滑块、弹性元件及阻尼元件构成的机械系统为验证对象，通过matlab (是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,是美国MathWorks公司出品的商业数学软件)建立系统数学模型，直观展示传递函数和状态空间控制方法。本实用新型滚珠丝杆通过联轴器与驱动电机连接，主动质量滑块安装在滚珠丝杆上，驱动电机的旋转运动转化为直线运动传动给主动质量滑块，运动传递采用滚珠丝杆，减少了传动摩擦，增加了传动精度，主动质量滑块装有弹簧与从动质量滑块连接，从动质量滑块另一端连接活塞式阻尼器，使整个机械系统构成了二阶阻尼系统，主动质量滑块偏移量通过驱动电机反馈给控制器，而从动质量滑块通过磁栅尺反馈运动偏移量给运动控制器，运动控制器与计算机进行信息传输反馈，计算运动控制量给驱动电机，驱动主动质量滑块运动，形成典型闭环控制系统。实施方式一结合图I至图2说明本实施方式，本实施方式基于二阶阻尼系统及机械运动控制基础理论，包括机械本体I、控制器2及控制系统3 ;所述机械本体I包括驱动伺服电机11、联轴器12、轴承座13、滚珠丝杆14、主动质量滑块15、弹簧16、磁栅尺17、从动质量滑块18、导轨19及活塞式阻尼器10。所述联轴器12 —端与滚珠丝杆14连接，另一端连接驱动伺服电机11，所述联轴器12固定在轴承座13上，所述主动质量滑块15穿过滚珠丝杆14置于导轨19上，工作时，驱动伺服电机11驱动滚珠丝杆14做旋转运动，滚珠丝杆14将旋转运动转换成直线运动传递给主动质量滑块15，使其在导轨19上做直线运动；主动质量滑块15 —端通过弹簧16与从动质量滑块18连接，主动质量滑块15直线运动时使弹簧16发生弹性形变，另外驱动从动质量滑块18另一端连接活塞式阻尼器10，驱动从动质量滑块18在受到来自弹簧16形变力及活塞式阻尼器10阻尼力作用下，使其运动状态改变，并由磁栅尺17采集从动质量滑块18运动偏移量。主动质量滑块通过弹簧与从动质量滑块连接，弹簧可灵活拆卸。结合图1，本实用新型工作时，首先由控制系统3发生程序命令给控制器2，控制器2处理计算程序命令，根据计算发送对应的控制脉冲信号给驱动伺服电机11，驱动伺服电机11在脉冲信号控制下运动，驱使机械本体I运动，磁栅尺17采集从动质量滑块18的运动量并通过脉冲信号反馈给控制器2，控制器2再将主动质量滑块15及从动质量滑块18的运动偏移量反馈给控制系统3，控制系统3根据控制算法计算下一个运动控制量，形成闭环控制系统。实验时，首先在控制系统3中建立数学模型，在理论计算二阶阻尼系统在几种典型信号作用下的系统响应特性，分析系统的时域和频域特性；再次使用USB2. O信号线连接控制系统3与控制器2，在本机械本体I中验证理论分析结果。实施方式二 结合图4说明本实用新型实施方式二，将图2中活塞式阻尼器10卸下，由于受到的摩擦力很小，可忽略，机械结构系统无阻尼部件，系统可近似看成二阶震荡系统，控制原理与二阶阻尼系统类似，在数学建模时与二阶阻尼系统的控制算法不同，达到验证不同控制方法的目的。实施方式三结合图3说明本实用新型实施方式三，将图2弹簧16拆下，安装刚性连接件31连接从动质量滑块18和主动质量滑块15，两质量滑块可视为一体，即可构成一阶阻尼系统。控制原理与二阶阻尼系统类似，只是在数学建模时是以一阶微分方程描述运动方程的。以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种机械控制响应实验装置，包括机械本体(I)、控制器(2)及控制系统(3)，其特征在于 所述机械本体(I)包括驱动伺服电机(11)、联轴器(12)、轴承座(13)、滚珠丝杆(14)、主动质量滑块(15)、磁栅尺(17)、从动质量滑块(18)、导轨(19); 所述磁栅尺(17)包括读数部分和底座磁性刻度部分，所述驱动伺服电机(11 )、联轴器(12),轴承座(13)、滚珠丝杆(14)、主动质量滑块(15)、从动质量滑块(18)、导轨(19)设置在磁栅尺(17)的底座部分； 所述联轴器(12) —端与滚珠丝杆(14)连接，另一端连接驱动伺服电机(11 )，所述联轴器(12)固定在轴承座(13)上，所述主动质量滑块(15)穿过滚珠丝杆(14)置于导轨(19)上，主动质量滑块(15)与从动质量滑块(18)连接。
2.根据权利要求I所述的机械控制响应实验装置，其特征在于还包括弹簧(16)，主动质量滑块(15) —端通过弹簧(16)与从动质量滑块(18)连接。
3.根据权利要求I或2所述的机械控制响应实验装置，其特征在于还包括活塞式阻尼器(10)，从动质量滑块(18)与活塞式阻尼器(10)连接。
4.根据权利要求I所述的机械控制响应实验装置，其特征在于还包括刚性连接件(31)，主动质量滑块(15)—端通过刚性连接件(31)与从动质量滑块(18)连接，还包括活塞式阻尼器(10)，从动质量滑块(18)与活塞式阻尼器(10)连接。
专利摘要本实用新型提供了一种机械控制响应实验装置，包括机械本体、控制器及控制系统，所述机械本体包括驱动伺服电机、联轴器、轴承座、滚珠丝杆、主动质量滑块、磁栅尺、从动质量滑块、导轨，所述磁栅尺包括读数部分和底座磁性刻度部分，所述驱动伺服电机、联轴器、轴承座、滚珠丝杆、主动质量滑块、从动质量滑块、导轨设置在磁栅尺的底座部分；所述联轴器一端与滚珠丝杆连接，另一端连接驱动伺服电机，所述联轴器固定在轴承座上，所述主动质量滑块穿过滚珠丝杆置于导轨上，主动质量滑块通过弹簧与从动质量滑块连接，弹簧可灵活拆卸。本实用新型可验证一阶阻尼机械系统，二阶振荡机械系统及二阶阻尼机械系统，广泛应用于机械工程控制基础实验教学。
文档编号G05B23/02GK202720515SQ20122036759
公开日2013年2月6日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者杨伽利 申请人:深圳市元创兴科技有限公司