定長度移動繩的橫向振動測量方法與流程
2023-05-12 16:25:51 2
技術領域
本發明涉及一種用於測量變長度移動繩在給定移動速度以及張力下橫向振動的測試裝置。更具體涉及一種在給定初始位移下移動繩橫向位移振動非接觸式測量的測試實驗平臺以及試驗系統。
背景技術：
軸向繩移系統是軸向移動系統的一種類型，在工程上有許多應用，如纜車索道、繩系衛星、繩線、動力傳送帶、磁帶、紙帶等。軸向繩移系統簡化力學模型按繩長變化規律大致分為三類。如圖1a所示為長定的繩移系統，其特點是研究區域長度不變，繩具有移動速度，在研究區域兩端有新增和消失的繩，其應用實例有傳送帶、纜車索道、動力傳動的皮帶等；圖1b所示的伸長的繩移系統和圖1c所示的縮短的繩移系統可歸為一類，其特點是研究區域長度變化，在一端有新增或消失的繩，其應用實例有電梯的鋼索，吊車舉吊重物的上升下降，繩系衛星系統的主星釋放或回收子星時的繩系等。顯然，這類系統的振動響應及振動特性對於工程系統的振動及穩定性控制具有重要的應用價值。
因為繩系的移動，在方程中出現隨時間變化的係數項，形成了參數激勵，該類型的振動為參數振動，不能夠用傳統的線性系統的方法獲得其理論解。目前研究學者已經提出了多種數值計算方法來求解移動繩的振動問題，對於這些計算方法仍需要實驗裝置進行檢驗算法。為此，實驗裝置需要滿足能模擬圖1a、圖1b和圖1c所示的三種系統形式，即包括定長度繩移系統及變長度繩移系統；要能夠給定繩移的速度、方向以及繩的張力，能夠改變繩的材料參數，如密度、彈性模量等，能給繩系特定的激勵，如初始位移激勵、脈衝激勵等，以及能跟蹤測量繩上多個質點在移動時的橫向位移以及繩移時繩長方向多個指定點的橫向位移。但迄今為止，這類實驗裝置尚沒見公開報導，還沒有一種能夠提供多個工況的移動繩振動試驗裝置以及測量平臺來檢驗數值算法的計算結果。
技術實現要素：
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種定長度移動繩的橫向振動測量方法，一是用於為求解移動繩的振動的數值計算方法提供測量裝置，以便對數值計算方法進行檢驗；二是用於移動繩振動的控制；三是作為高校專業課教學以及科研的實驗平臺。
本發明為解決技術問題採用如下技術方案：
本發明軸向移動繩橫向振動測量裝置的結構特點是：
設置繩循環傳動單元，是由主動輪、從動輪、張緊輪，張力傳感器輪系以及用於驅動主動輪的第一步進電機構成循環輪系，呈閉合環的繩繞在所述循環輪系上形成豎直平面中的繩循環傳動單元；所述主動輪、從動輪和張緊輪共同固定設置在底板上；設置底板坐標軸，所述底板坐標軸是指繩移方向上的固結於底板上的坐標軸。
設置位移測量系統：包括呈水平固定安裝在繩的上方、且與繩的移動方向平行的直線導軌、與直線導軌滑動配合的第一滑塊和第二滑塊；在所述第一滑塊的下方固定連接有橫梁，非接觸式位移傳感器組布置在所述橫梁的底部；與所述直線導軌水平平行設置有直線滾珠絲槓導軌滑臺，所述直線滾珠絲槓導軌滑臺上滑動配合的第三滑塊可以通過縱向連接板和橫向連接板來驅動所述第一滑塊和/或第二滑塊的移動，並帶動橫梁及非接觸式位移傳感器組的平移；縱向連接板用於第三滑塊和第一滑塊的連接或者第三滑塊和第二滑塊的連接，橫向連接板用於第一滑塊和第二滑塊的連接；縱向連接板和橫向連接板易於拆卸和安裝，通過縱向連接板和橫向連接板不同的安裝組合方式實現繩不同的移動工況；所述非接觸式位移傳感器組位於繩的正上方，非接觸式位移傳感器組中的每隻傳感器可以測量位於其正下方繩上質點在豎直方向的位移；所述張力傳感器輪系通過連接板固聯在第二滑塊的下方。
本發明軸向移動繩橫向振動測量裝置的結構特點也在於：
所述非接觸式位移傳感器組採用雷射位移傳感器，
在繩的初始繩長中心位置布置有位移標尺，用於測量初始繩長中心位置的位移量。
所述繩循環傳動單元中的繩可以更換為不同的材質。
所述繩可以是鋼帶、尼龍帶、布帶或皮帶。
本發明軸向移動繩橫向振動測量裝置的測量方法的特點是：
啟動第一步進電機和第二步進電機，第三滑塊與第一滑塊通過縱向連接板相連接，第一滑塊與第二滑塊通過橫向連接板相連接，由第一步進電機通過滾珠絲槓導軌滑臺上的第三滑塊驅動第一滑塊和第二滑塊以給定速度同步移動時，給繩子提供一個設定的初始激勵；位移傳感器組在繩伸長或縮短時跟蹤測量繩上指定質點在移動時的橫向位移，用於驗證給定初始激勵條件下，變長度移動繩上質點橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
本發明軸向移動繩橫向振動測量裝置的測量方法的特點是：
啟動第一步進電機與第二步進電機，第三滑塊與第一滑塊通過縱向連接板相連接，第一滑塊與第二滑塊不連接，利用固定螺栓使第二滑塊保持位置不變；由第二步進電機通過第三滑塊驅動第一滑塊以給定速度同步移動，繩以相同速度同步移動，此時，繩長在主動輪與張力傳感器輪系之間，以及在從動輪與張力傳感器輪系之間是固定值，繩上質點是移動的，給繩提供一個設定的初始激勵，由位移傳感器組跟蹤測量定長度繩上指定質點在移動時的橫向位移；用於驗證給定初始激勵條件下，定長度移動繩上質點橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
本發明軸向移動繩橫向振動測量裝置的測量方法的特點是：
啟動第一步進電機與第二步進電機，第三滑塊與第一滑塊不連接，第三滑塊與第二滑塊通過連接板相連接，利用固定螺栓使第一滑塊的位置保持不變；由第二步進電機通過第三滑塊驅動第二滑塊以給定速度同步移動，此時，位移傳感器組的位置固定，給繩提供一個設定的初始激勵，利用位移傳感器組測量繩以不同速度伸長或縮短時在繩對應於底板坐標軸特定點的橫向位移，用於驗證給定初始激勵條件下，變長度移動繩在底板坐標軸上特定點橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
本發明軸向移動繩橫向振動測量裝置的測量方法的特點是：
第二步進電機停止，第一步進電機以設定速度順時針或逆時針轉動，此時，位移傳感器組與張力傳感器輪系的位置固定不動，繩長在主動輪與張力傳感器輪系之間，以及在從動輪與張力傳感器輪系之間為固定值，繩以設定的速度右移或左移，給繩提供一個初始激勵，利用位移傳感器組測量定長度繩以不同速度左移或右移時在底板坐標軸上特定點的橫向位移，用於驗證給定初始激勵條件下，定長度移動繩在底板坐標軸上特定位置點橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
本發明軸向移動繩橫向振動測量裝置的測量方法的特點是：
第一步進電機與第二步進電機都停止，繩、位移傳感器組和張力傳感器輪系都位置固定，給繩提供一個設定的初始激勵，利用位移傳感器組測量兩端固定的繩上給定質點的橫向位移，用於驗證給定初始激勵條件下，兩端固定的繩在底板坐標軸上特定點的橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
與已有技術相比，本發明有益效果體現在：
1、本發明可用於模擬工程上移動繩應用的各種工況，並且可用於測量在各種工況下移動繩上多個特定點的橫向位移振動，為檢驗移動繩模型振動響應計算算法提供實驗依據，也可進一步用於移動繩振動的控制，可以作為高校專業課教學以及科研的實驗平臺；
2、本發明中第一步進電機和第二步進電機的配合使用，能實現五種測量工況，使控制系統大為簡化，減少控制誤差；
3、本發明採用滾珠絲槓導軌滑臺及直線導軌，有效提高實驗傳送的穩定性及精確性，同時滿足上下運動的同步性。
4、本發明可以通過更換不同材質的繩，實現對不同材料繩系橫向振動位移的測量。
附圖說明
圖1a為定長繩移系統示意圖；
圖1b為伸長的繩移系統示意圖；
圖1c為縮短的繩移系統示意圖；
圖2為本發明立面結構示意圖；
圖3為本發明中直線滾珠絲槓導軌滑臺與直線導軌配合示意圖；
圖中標號：1底板，2從動輪，3繩，4為CHB力值測量表，5直線導軌，6張力傳感器輪系，7第二滑塊，8位移傳感器組，9第一滑塊，10橫梁，11振動信號採集調理模塊，12計算機，13主動輪，14第一步進電機，15電機控制面板，16電機驅動模塊，17第三滑塊，18第二步進電機，19直線滾珠絲槓導軌滑臺，22縱向連接板，23橫向連接板，25固定螺栓，26絲槓，27位移標尺，28張緊輪。
具體實施方式
參見圖2和圖3，本實施例中軸向移動繩橫向振動測量裝置的結構設置為：
設置繩循環傳動單元，是由主動輪13、從動輪2、張緊輪28，張力傳感器輪系6以及用於驅動主動輪13的第一步進電機14構成循環輪系，呈閉合環的繩3繞在循環輪系上形成豎直平面中的繩循環傳動單元；主動輪13、從動輪2和張緊輪28共同固定設置在底板1上；設置底板坐標軸，底板坐標軸是指繩移方向上的固結於底板1上的坐標軸。
設置位移測量系統：包括呈水平固定安裝在繩的上方、且與繩的移動方向平行的直線導軌5、與直線導軌5滑動配合的第一滑塊9和第二滑塊7；在第一滑塊9的下方固定連接有橫梁10，非接觸式位移傳感器組8布置在橫梁10的底部；與所述直線導軌5水平平行設置有直線滾珠絲槓導軌滑臺19，由第二步進電機18實現驅動、並由絲槓26實現傳動的直線滾珠絲槓導軌滑臺19上滑動配合有第三滑塊17，第三滑塊17可以通過縱向連接板22和橫向連接板23來驅動第一滑塊9和/或第二滑塊7的移動，並帶動橫梁10及非接觸式位移傳感器組8的平移；其中，縱向連接板22用於第三滑塊17和第一滑塊9的連接或者第三滑塊17和第二滑塊7的連接，橫向連接板用於第一滑塊9和第二滑塊7的連接；縱向連接板22和橫向連接板23易於拆裝，通過縱向連接板22和橫向連接板23不同的安裝組合方式實現繩3不同的移動工況；非接觸式位移傳感器組8位於繩3的正上方，非接觸式位移傳感器組8中的每隻位置可調的傳感器可以測量位於其正下方繩上質點在豎直方向的位移；所述張力傳感器輪系6通過連接板固聯在第二滑塊7的下方。
具體實施中，相應的結構設置也包括：
非接觸式位移傳感器組8採用雷射位移傳感器；在繩3的初始繩長中心位置布置有位移標尺27，用於測量初始繩長中心位置的位移量；繩循環傳動單元中的繩3可以更換為不同的材質；繩3可以是鋼帶、尼龍帶、布帶或皮帶。
本實施例中軸向移動繩橫向振動測量裝置有如下五種測量方法。
測量方法一：
啟動第一步進電機14和第二步進電機18，第三滑塊17與第一滑塊9通過縱向連接板22相連接，第一滑塊9與第二滑塊7通過橫向連接板23相連接，由第一步進電機18通過滾珠絲槓導軌滑臺19上的第三滑塊17驅動第一滑塊9和第二滑塊7以給定速度同步移動時，給繩子提供一個設定的初始激勵；位移傳感器組8在繩伸長或縮短時跟蹤測量繩上指定質點在移動時的橫向位移，用於驗證給定初始激勵條件下，變長度移動繩上質點橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
測量方法二、
啟動第一步進電機14與第二步進電機18，第三滑塊17與第一滑塊9通過縱向連接板22相連接，第一滑塊9與第二滑塊7不連接，利用固定螺栓25使第二滑塊7保持位置不變；由第二步進電機18通過第三滑塊17驅動第一滑塊9以給定速度同步移動，繩3以相同速度同步移動，此時，繩長在主動輪13與張力傳感器輪系6之間，以及在從動輪2與張力傳感器輪系6之間是固定值，繩上質點是移動的，給繩提供一個設定的初始激勵，由位移傳感器組8跟蹤測量定長度繩上指定質點在移動時的橫向位移；用於驗證給定初始激勵條件下，定長度移動繩上質點橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
測量方法三、
啟動第一步進電機14與第二步進電機18，第三滑塊17與第一滑塊9不連接，第三滑塊17與第二滑塊7通過橫向連接板23相連接，利用固定螺栓使第一滑塊9的位置保持不變；由第二步進電機18通過第三滑塊17驅動第二滑塊7以給定速度同步移動，此時，位移傳感器組8的位置固定，給繩提供一個設定的初始激勵，利用位移傳感器組8測量繩以不同速度伸長或縮短時在繩對應於底板坐標軸特定點的橫向位移，用於驗證給定初始激勵條件下，變長度移動繩在底板坐標軸上特定點橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
測量方法四：
第二步進電機18停止，第一步進電機14以設定速度順時針或逆時針轉動，此時，位移傳感器組8與張力傳感器輪系6的位置固定不動，繩長在主動輪13與張力傳感器輪系6之間，以及在從動輪2與張力傳感器輪系6之間為固定值，繩以設定的速度右移或左移，給繩提供一個初始激勵，利用位移傳感器組8測量定長度繩3以不同速度左移或右移時在底板坐標軸上特定點的橫向位移，用於驗證給定初始激勵條件下，定長度移動繩在底板坐標軸上特定位置點橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
測量方法五：
第一步進電機14與第二步進電機18都停止，繩3、位移傳感器組8和張力傳感器輪系6都位置固定，給繩3提供一個設定的初始激勵，利用位移傳感器組8測量兩端固定的繩上給定質點的橫向位移，用於驗證給定初始激勵條件下，兩端固定的繩在底板坐標軸上特定點的橫向振動模型的數值求解算法的準確性。
初始激勵是指對定長度繩的中點給定一定的初始位移，然後釋放。
在第二步進電機18不啟動，第一步進電機14順時針轉動時，實現定長度繩向右移動；在第二步進電機18不啟動，第一步進電機14逆時針轉動，實現定長度繩向左移動，即為圖1a所示系統。
在第二步進電機18啟動，第一步進電機14順時針轉動時，由第三滑塊17通過縱向連接板22驅動第二滑塊7水平右移，實現繩的向右移動伸長，即為圖1b所示系統；
在第二步進電機18啟動，第一步進電機14逆時針轉動時，由第三滑塊17通過縱向連接板22驅動第二滑塊7水平左移，實現繩的向左移動縮短，即為圖1c所示系統。
位移標尺27布置在初始繩長的中心位置，當繩橫向振動的初始條件是給定繩中心點位移時，利用位移標尺27測量該點的位移大小，用於數值計算。
本實施例是利用第一步進電機控制繩的傳輸速度及方向，通過改變繩的材料獲得不同的振動特性；利用非接觸式位移傳感器組8測量繩3的橫向振動位移，利用張力傳感器輪系6測量在繩橫向振動初始時刻和振動過程中繩3的內部張力的大小，並由CHB力值測量表4進行顯示，繩3的初始位移通過標尺測量，利用多個位置可調的非接觸式位移傳感器可以測量繩上不同點的橫向位移。具體實施中配合設置振動信號採集調理模塊11對檢測信號進行調理和存儲，並通過計算機12進行實時監控；設置電機驅動模塊16用於控制各個步進電機的啟停、方向和速度，從而模擬多種移動繩工況，滿足各種實驗方案的需求，實驗過程可以由操作人員通過電機控制面板15進行控制。