一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀的製作方法

2023-06-01 05:42:26

一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀，具體而言，提供一種理工科院校大學物理和機械振動課程機械振動實驗裝置。該實驗儀包括支撐面板組件、送紙機構和激振機構。所述的送紙機構和激振機構均安裝在支撐面板上；所述的送紙機構和激振機構均安裝在支撐面板上。送紙機構由步進電機驅動，主動滾輪和從動滾輪一起帶動紙帶進給，並以一定速度從壓輥定位的工作區通過。激振機構中激振電機的輸出軸上安裝槽輪，槽輪上安裝撥銷，撥銷套入受迫振動板的槽輪槽中，受迫振動板安裝在直線導軌上對振子進行激振；通過送至機構和激振機構的共同作用，實現簡諧振動、受迫振動、自由振動等振動的教學演示及實驗波形的繪製。
【專利說明】一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械振動測試與實驗演示技術，具體為一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀。
【背景技術】
[0002]在理工科院校大學物理和機械振動課程中，單自由度系統振動是基礎和重點教學內容。現實工程中存在的大量多自由度系統和非線性系統振動問題都可以轉換為單自由度求解。理解和掌握單自由度系統振動的概念、曲線、參數和結論，對於該領域的進一步學習提高尤為重要。
[0003]目前國內的機械振動與振動控制實驗使用激振器、加速度傳感器和信號轉換器等通過虛擬儀器和計算機模擬來完成，該實驗裝置類型和教材上的單自由度系統差別較大。單自由度系統振動中，經常要演示物體作簡諧振動和其它機械振動的振動過程和振動曲線，需要更加直觀的了解振動參數對于振動曲線的影響。因此，需要一種簡單方便、易於操作，和單自由度理論差距較小、能夠完成多種單自由度系統振動實驗的裝置。

【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足之處，本發明擬解決的技術問題是，提供一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀。該實驗儀可實現簡諧振動、受迫振動、自由振動等振動的演示及波形的繪製。
[0005]本發明解決所述單自由度系統機械振動綜合實驗儀技術問題的方案是:設計一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀，它包括支撐面板組件、送紙機構和激振機構，所述的送紙機構和激振機構均安裝在支撐面板上。
[0006]所述的支撐面板組件包括支撐面板和地腳，四個地腳安裝在支撐面板的下表面上；
[0007]所述的送紙機構包括步進電機，步進電機安裝在步進電機支架上，步進電機支架通過螺絲固定在支撐面板的上表面；步進電機輸出軸安裝聯軸器，通過聯軸器將動力傳至主動滾輪，主動滾輪兩頭安裝軸承並固定在主動滾輪軸承座上，軸承座安裝在支撐面板上表面上；主動滾輪的正上方安裝從動滾輪，從動滾輪兩頭安裝軸承並固定在壓力調整塊上，壓力調整塊安裝在主動滾輪軸承座上的滑動槽中，主動滾輪軸承座的的上表面安裝調整螺釘面板，調整螺釘面板上安裝調整螺釘實現滾輪壓力的調整；紙筒安裝板通過螺釘連接固定在支撐面板上，紙筒安裝軸通過螺栓連接固定在紙筒安裝板上，紙筒安裝軸上套有隔套，紙筒則套在隔套上方便更換，紙筒的兩側通過紙筒安裝軸套有紙筒擋板，紙筒擋板的旁邊通過紙筒安裝軸套有限位塊，限位塊通過緊定螺釘固定在紙筒安裝軸上；壓輥兩頭安裝軸承並固定在壓力調整塊上，壓力調整塊安裝在壓輥軸承座上的滑動槽中，壓輥軸承座的的上表面安裝調整螺釘面板，調整螺釘面板上安裝調整螺釘實現壓輥壓力的調整；壓輥的正下方安裝託紙面板，託紙面板通過螺釘連接固定在支撐面板的上表面。[0008]所述的激振機構包括激振電機，激振電機安裝在激振電機支架上，激振電機支架通過螺釘連接固定在支撐面板上表面上，激振電機的輸出軸上安裝槽輪，槽輪上安裝撥銷，撥銷套入受迫振動板的槽輪槽中，受迫振動板安裝在直線導軌上，直線導軌安裝在直線導軌支撐板上，直線導軌支撐板通過螺釘連接固定在支撐面板的上表面上；振動曲線繪製筆安裝在振動質量塊上，振動質量塊的正上方安裝彈簧連接塊，振動質量塊上安裝直線軸承，直線軸承套在淬火光軸上，淬火光軸兩端安裝光軸支撐板，光軸支撐板的正上方安裝有彈簧連接塊，光軸支撐板通過螺釘連接固定在支撐面板上；阻尼板通過螺釘連接安裝在阻尼氣缸上，阻尼氣缸下表面安裝氣缸墊塊，氣缸墊塊通過螺釘連接固定在支撐面板上。
[0009]與現有技術相比，本發明一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀具有以下特點:
[0010]1.實驗效果好。本發明具體可實現簡諧振動、有阻尼自由振動、簡諧激振力下的受迫振動、周期激振力下的受迫振動、任意激振力下的受迫振動等單自由度系統振動的綜合演示及波形的繪製。
[0011]2.人性化設計。本發明一種單自由度系統機械振動綜合實驗儀採用人性化設計，操作方便簡單易用，可通過增減方式改變振子質量、更換不同剛度的彈簧以及通過增減氣缸壓力來改變阻尼。
[0012]3.直觀和經濟性好。本發明裝置採用機械振動結構採用單自由度系統振動理論相對應的彈簧-阻尼-質量系統，便於理解和掌握實驗內容。裝置利用紙帶實現振動的採集和顯示，在紙帶上進行曲線分析和參數處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發明單自由度系統機械振動綜合實驗儀一種實施例的整機結構示意圖。【具體實施方式】
[0014]下面結合實施例及其附圖詳細進一步敘述本發明。
[0015]本發明設計的單自由度系統機械振動綜合實驗儀(參見圖1)包括支撐面板組件
1、送紙機構2、激振機構3。
[0016]所述的支撐面板組件I包括支撐面板1.2和地腳1.1，四個地腳1.1安裝在支撐面板1.2的下表面上；
[0017]所述的送紙機構2包括步進電機2.21，步進電機2.21安裝在步進電機支架2.22上，步進電機支架2.22通過螺絲固定在支撐面板1.2的上表面；步進電機2.21輸出軸安裝聯軸器2.20，通過聯軸器2.20將動力傳至主動滾輪2.17，主動滾輪2.17兩頭安裝軸承
2.19並固定在主動滾輪軸承座2.11上，軸承座2.11安裝在支撐面板1.2上表面上；主動滾輪2.17的正上方安裝從動滾輪2.16，從動滾輪2.16兩頭安裝軸承2.18並固定在壓力調整塊2.15上，壓力調整塊2.15安裝在主動滾輪軸承座2.11上的滑動槽中，主動滾輪軸承座2.11的的上表面安裝調整螺釘面板2.14，調整螺釘面板2.14上安裝調整螺釘實現滾輪壓力的調整；紙筒安裝板2.12通過螺釘連接固定在支撐面板1.2上，紙筒安裝軸2.2通過螺栓連接固定在紙筒安裝板2.12上，紙筒安裝軸2.2上套有隔套2.3，紙筒則套在隔套
2.3上方便更換，紙筒的兩側通過紙筒安裝軸2.2套有紙筒擋板(2.5,2.1)，紙筒擋板(2.5、
2.1)的旁邊通過紙筒安裝軸2.2套有限位塊2.4，限位塊2.4通過緊定螺釘固定在紙筒安裝軸2.2上；壓輥2.25兩頭安裝軸承2.24並固定在壓力調整塊2.23上，壓力調整塊2.23安裝在壓輥軸承座2.6上的滑動槽中，壓輥軸承座2.6的的上表面安裝調整螺釘面板2.26，調整螺釘面板2.26上安裝調整螺釘實現壓輥壓力的調整；壓輥2.25的正下方安裝託紙面板2.13，託紙面板2.13通過螺釘連接固定在支撐面板1.2的上表面；
[0018]所述的激振機構3包括激振電機3.10，激振電機3.10安裝在激振電機支架3.11上，激振電機支架3.11通過螺釘連接固定在支撐面板1.2上表面上，激振電機3.10的輸出軸上安裝槽輪3.9，槽輪上安裝撥銷3.8，撥銷3.8套入受迫振動板3.2的槽輪槽中，受迫振動板3.2安裝在直線導軌3.3上，直線導軌3.3安裝在直線導軌支撐板3.1上，直線導軌支撐板3.1通過螺釘連接固定在支撐面板1.2的上表面上；振動曲線繪製筆3.7安裝在振動質量塊3.6上，振動質量塊3.6的正上方安裝彈簧連接塊3.5，振動質量塊3.6上安裝直線軸承3.18，直線軸承3.18套在淬火光軸3.17上，淬火光軸3.17兩端安裝光軸支撐板3.16，光軸支撐板3.16的正上方安裝有彈簧連接塊3.15，光軸支撐板3.16通過螺釘連接固定在支撐面板1.2上；阻尼板3.12通過螺釘連接安裝在阻尼氣缸3.13上，阻尼氣缸3.13下表面安裝氣缸墊塊3.14，氣缸墊塊3.14通過螺釘連接固定在支撐面板1.2上。[0019]本發明單自由度系統機械振動綜合實驗儀的設計思路如下:本設計擬實現簡諧振動、受迫振動、自由振動等振動的綜合演示及波形的繪製，採用步進電機作為動力實現紙的傳送，另外設計一套激振機構實現簡諧振動、受迫振動和自由振動。
[0020]單自由度系統振動微分方程為:
[0021 ] /WX+ cx+ kx - F{t) ?
[0022]式中:m為振子質量；c為振動系統阻尼；k為彈簧剛度；
[0023]F(t)為振動系統輸入，即激振力；
[0024]當F(t)等於O時，系統為自動振動；
[0025]當F(t)不等於O時，系統為受迫振動。
[0026]求解微分方程得到的x(t)即為時域響應曲線，通過分析曲線可以得到振動周期T。
[0027]由系統輸入參數所確定的固有頻率ω=√k/m和響應曲線所得到的固有頻率ω=2Π/T進行對比，來驗證單自由度振動理論和實驗結果的一致性。
[0028]本發明單自由度系統機械振動綜合實驗儀的主要發明點為:系統採用機電一體化的設計技術方案，實現簡諧振動、受迫振動、自由振動等振動的綜合演示及波形的繪製。
[0029]本發明單自由度系統機械振動綜合實驗儀的工作原理是:單自由度系統機械振動綜合實驗儀的工作過程為，由控制系統的單片機裝置，控制步進電機，步進電機通過滾輪帶動紙向前運動，同時激振機構激勵振動質量塊做多種受迫振動、自由振動。
[0030]本發明未述及之處適用於現有技術。
【權利要求】
1.一種用於在理工科院校大學物理和機械振動課程中的單自由度系統機械振動綜合實驗儀，其特徵在於包括支撐面板組件、彈簧阻尼振子系統、送紙機構和激振機構。
2.根據權利要求1所述的單自由度系統機械振動綜合實驗儀，其特徵在於:直線定導軌一端通過卡槽與導軌支座連接，可以方便更換各種不同剛度的線性彈簧，並且重新裝夾固定。
3.根據權利要求1所述的單自由度系統機械振動綜合實驗儀，其特徵在於:所述振動質量塊通過螺紋聯接固定於直線動導軌上，改變振子質量大小通過質量塊上的內外螺紋進行組合聯接或是拆除。
4.根據權利要求1所述的單自由度系統機械振動綜合實驗儀，其特徵在於:所述的彈簧一端和支撐組件固定的支座聯接，另一端和動導軌聯接，兩端的聯接固定方式都為錐形螺紋壓緊固接。
5.根據權利要求1所述的單自由度系統機械振動綜合實驗儀，其特徵在於:所述的進紙機構採用步進電機驅動主、從動滾輪，從而帶動紙帶進給，紙帶的進給速度由驅動頻率和滾輪的直徑決定。
6.根據權利要求1所述的單自由度系統機械振動綜合實驗儀，其特徵在於:所述的激振機構中激振電機輸出軸上安裝槽輪，槽輪上安裝撥銷，撥銷套入受迫振動板的槽輪槽驅動激振。
7.根據權利要求1所述的單自由度系統機械振動綜合實驗儀，其特徵在於:所述的阻尼系統中阻尼大小通過改變阻尼氣缸氣壓來調節，當阻尼氣缸和動導軌斷開聯接時，即為單自由度無阻尼系統機械振動狀態。
【文檔編號】G09B23/10GK103632591SQ201310642210
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】李雅峰, 李皎, 陳小明, 吳東航, 張金良, 謝宇, 劉太麗, 薛澤鋒, 桂立凱 申請人:天津工業大學