一种科氏加速度演示装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种科氏加速度演示装置与方法，包括旋转运动机构、直线同步运动机构及检测控制机构，所述旋转运动机构包括气浮转台、气动通路及第一力矩电机，所述直线同步运动机构包括第一直线运动单元、第二直线运动单元及第三垂直运动单元，气浮转台作匀角速度的牵连旋转运动，两组相互垂直的直线机构作相对直线同步运动，一组竖直布置的直线机构也作相对直线同步运动，通过利用加速度计检测质量块运动过程中产生的科氏加速度方向的实际加速度，达到检验科氏加速度的演示效果。装置可同时演示两种可能产生科氏加速度的情况，通过对加速度的检测结果计算分析比较，可加深科氏加速度进一步的理解。

A Demonstration Device and Method of Coriolis Acceleration

The invention discloses a Coriolis acceleration demonstration device and method, including a rotating motion mechanism, a linear synchronous motion mechanism and a detection and control mechanism. The rotating motion mechanism includes an air-floating turntable, a pneumatic path and a first moment motor. The linear synchronous motion mechanism comprises a first linear motion unit and a second linear motion unit. The moving unit and the third vertical motion unit, the air-floated turntable rotates with uniform angular velocity, two groups of vertical linear mechanisms synchronously move in a relative straight line, and a group of vertical mechanisms synchronously move in a relative straight line. The Coriolis acceleration produced during mass block motion is detected by using accelerometer. The actual acceleration in the direction achieves the demonstration effect of testing Coriolis acceleration. The device can demonstrate two possible cases of Coriolis acceleration at the same time. The further understanding of Coriolis acceleration can be deepened by calculating and comparing the results of acceleration detection.

【技术实现步骤摘要】
一种科氏加速度演示装置与方法
本专利技术涉及科氏加速度领域，具体涉及一种科氏加速度演示装置与方法。
技术介绍
科氏加速度是动参靠系的转动与动点相对动参靠系运动相互耦合引起的加速度,其在理论力学及运动学中教学占有较大比重。物理定义为在旋转体系中进行直线运动的质点,由于惯性,有沿着原有运动方向继续运动的趋势,但是由于体系本身是旋转的,在经历了一段时间的运动之后,体系中质点的位置会有所变化,而它原有的运动趋势的方向,如果以旋转体系的视角去观察,就会发生一定程度的偏离,即当一个质点相对于惯性系做直线运动时,相对于旋转体系,其轨迹是一条曲线,在教学过程中学生对此感到抽象难以理解,若能通过实验演示该现象,将大大提升说服力。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种科氏加速度演示装置与方法。本专利技术充分考虑科氏力对转台输入力矩的变化、不同运动情况下科氏加速度存在的影响。本专利技术采用如下技术方案：一种科氏加速度演示装置，包括旋转运动机构、直线同步运动机构及检测控制机构；所述旋转运动机构包括气浮转台、气动通路及第一力矩电机，所述气浮转台固定在实验台上，气动通路与气浮转台连接，使气浮转台处于悬浮状态，所述气浮转台内设置第一力矩电机驱动其旋转运动；所述直线同步运动机构包括第一直线运动单元、第二直线运动单元及第三垂直运动单元；第一直线运动单元与第二直线运动单元设置在气浮转台上，且垂直交叉，其交叉点为气浮转台的中心点；所述第一直线运动单元包括第一伺服电机，所述第一伺服电机固定在气浮转台上，与第一丝杆连接，所述第一丝杆与第二丝杆连接，第一伺服电机带动第一丝杆将旋转运动转化为第一滑块在第一导轨上的直线运动，同时第一伺服电机带动第二丝杆将旋转运动转化为第二滑块在第二导轨上的直线运动；所述第二直线运动单元包括第二伺服电机，所述第二伺服电机固定在气浮转台上，所述第二伺服电机与第三丝杆连接，所述第三丝杆与第四丝杆连接，第二伺服电机带动第三丝杆旋转运动，并转化为第三滑块在第三导轨上的直线运动，同时第二伺服电机带动第四丝杆旋转运动，并转化为第四滑块在第四导轨上的直线运动；所述第三垂直运动单元通过支座垂直设置在气浮转台上，包括第二力矩电机、同步带及第一、第二同步带轮，所述同步带的两端连接第一及第二同步带轮，所述第一同步带轮与第三丝杆连接，第二同步带轮与第四丝杆连接，第二力矩电机与第一同步带轮连接，第二力矩电机驱动第一同步带轮转动，进一步带动第五滑块及第六滑块分别在第五导轨及第六导轨上做上下同步直线运动，所述第五导轨及第六导轨垂直设置在同步带上；所述检测控制机构包括加速度计、计算机、第一力矩电机控制器、第二力矩电机控制器、第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器、第一运动控制卡、第二运动控制卡及电荷放大器；计算机发送信号至第一运动控制卡驱动气动通路使气浮转台悬浮及驱动第一力矩电机控制器进一步驱动第一力矩电机使气浮转台旋转；当气浮转台旋转运动时，计算机发送信号至第二运动控制卡，第二运动控制卡分别驱动第一伺服驱动器、第二伺服驱动器及第二力矩电机控制器进一步驱动第一伺服电机、第二伺服电机及第二力矩电机；所述加速度计分别设置第一直线运动单元、第二直线运动单元及第三垂直运动单元中的一个滑块上，检测位置的科氏加速度，将信号传输电荷放大器，进一步传输至第二运动控制卡，第一及第二运动控制卡与计算机相互连接。优选的，还包括质量块，所述滑块上方设置质量块。优选的，所述第二直线运动单元通过支座固定在气浮转台上，且与第一直线运动单元分别处于不同高度的水平面上。优选的，第三垂直运动单元分别与第一及第二直线运动单元的轴线成45度角。优选的，所述气动通路包括依次采用气体管道连接的气源、气泵、气动三联件及比例控制阀。优选的，所述加速度计设置在滑块相切于运动方向的一面。优选的，所述气动三联件包括空气过滤器、减压阀和油雾器。一种科氏加速度演示装置的方法，包括如下步骤：第一步计算机发出控制信号给第一运动控制卡，通过气动通路使气浮转台悬浮，然后计算机发出信号第一运动控制卡，传输到第一力矩电机控制器控制第一力矩带动气浮转台旋转，第一力矩电机自带编码器控制输出轴和转台角速度逆时针旋转，为形成科氏加速度所必须的牵连角速度作保证；第二步计算机通过第二运动控制卡分别驱动第一伺服驱动器、第二伺服驱动器及第二力矩电机控制器，进一步驱动第一伺服电机、第二伺服电机和第二力矩电机的转动，第一及第二滑块均靠近中心轴运动，第三及第四滑块远离中心轴运动，第五及第六滑块同时垂直下落；第三步采集加速度计检测质量块运动的加速度信号；第四步根据步骤三检测的加速度信号，传输到电荷放大器进行信号放大，再送回第二运动控制卡，把模拟量转换回数字量；最后将信息存储计算机里；第五步在演示结束后，根据第一力矩电机所设定的牵连角速度、滑块和质量块的相对速度，对比检测出加速度的实际值，分析实际测出科氏加速度的值是否等于理论计算出来的值；第六步通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到检验科氏加速度的研究结果。第六步的参数包括第一力矩矩电机的牵连角速度和第一伺服电机、第二伺服电机和第二力矩电机的转速形成质量块的相对速度。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术采用气浮转台作牵连旋转运动，很大程度上减少转动时产生的摩擦，使转台旋转更平稳，精度更高；(2)本专利技术采用两组水平直线同步部件垂直布置，一组竖直直线同步部件中间布置，和其他组件基本均匀布置在气浮转台上的分布方式，能一定程度上将所有荷载平均分散到转台各处，实现转台旋转时的动平衡，减轻载荷对转台的受力情况；(3)本专利技术同时使两组水平直线同步部件和一组竖直直线同步部件共同相对直线移动，模拟两种科氏加速度的情况，有效演示了科氏加速度的影响；(4)本专利技术定量地分析出科氏加速度的存在，即用检测的加速度的数值说明其存在性，比定性观察产生的具体现象分析更具有说服力。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的直线同步运动机构的局部示意图；图3是本专利技术的主视图；图4是本专利技术的俯视图；图5是滑块垂直移动产生科氏加速度的运动简图；图6是滑块竖直移动产生科氏加速度的运动简图；图7是滑块沿圆周运动产生科氏加速度的运动简图；图8是本专利技术的流程框图。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1如图1-图8所示，一种科氏加速度演示装置，包括旋转运动机构、直线同步运动机构及检测控制机构。所述旋转运动机构包括实验台1、气浮转台2、气源26、气泵27、气动三联件28、比例控制阀29及第一力矩电机。所述气浮转台的底座固定在实验台上，气浮转台设置支撑转台，与上面接触的法兰盘螺栓固定使支撑转台带动法兰盘等角速度旋转，法兰盘外圈边缘还安装有复合材料做挡板，防止演示中各部件由于离心作用甩出转台外；气浮转台内部安装有气浮轴承，通过气浮转台打入高压气体从气浮轴承的小孔处对着支撑转台喷射，使支撑转台工作时处于悬浮状态，此时支撑转台的摩擦力极小，工作效率很高。气浮转台的内部配备第一力矩电机，第一力矩电机由计算机控制第一力矩电机控制器31来按照一定的转速恒力矩驱动，第一力矩电机的输出轴连接支撑转台工作时以恒力矩做旋转运动。气源26、气泵27、气动三联件28、比例控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种科氏加速度演示装置，其特征在于，包括旋转运动机构、直线同步运动机构及检测控制机构；所述旋转运动机构包括气浮转台、气动通路及第一力矩电机，所述气浮转台固定在实验台上，气动通路与气浮转台连接，使气浮转台处于悬浮状态，所述气浮转台内设置第一力矩电机驱动其旋转运动；所述直线同步运动机构包括第一直线运动单元、第二直线运动单元及第三垂直运动单元；第一直线运动单元与第二直线运动单元设置在气浮转台上，且垂直交叉，其交叉点为气浮转台的中心点；所述第一直线运动单元包括第一伺服电机，所述第一伺服电机固定在气浮转台上，与第一丝杆连接，所述第一丝杆与第二丝杆连接，第一伺服电机带动第一丝杆将旋转运动转化为第一滑块在第一导轨上的直线运动，同时第一伺服电机带动第二丝杆将旋转运动转化为第二滑块在第二导轨上的直线运动；所述第二直线运动单元包括第二伺服电机，所述第二伺服电机固定在气浮转台上，所述第二伺服电机与第三丝杆连接，所述第三丝杆与第四丝杆连接，第二伺服电机带动第三丝杆旋转运动，并转化为第三滑块在第三导轨上的直线运动，同时第二伺服电机带动第四丝杆旋转运动，并转化为第四滑块在第四导轨上的直线运动；所述第三垂直运动单元通过支座垂直设置在气浮转台上，包括第二力矩电机、同步带及第一、第二同步带轮，所述同步带的两端连接第一及第二同步带轮，所述第一同步带轮与第三丝杆连接，第二同步带轮与第四丝杆连接，第二力矩电机与第一同步带轮连接，第二力矩电机驱动第一同步带轮转动，进一步带动第五滑块及第六滑块分别在第五导轨及第六导轨上做上下同步直线运动，所述第五导轨及第六导轨垂直设置在同步带上；所述检测控制机构包括加速度计、计算机、第一力矩电机控制器、第二力矩电机控制器、第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器、第一运动控制卡、第二运动控制卡及电荷放大器；计算机发送信号至第一运动控制卡驱动气动通路使气浮转台悬浮及驱动第一力矩电机控制器进一步驱动第一力矩电机使气浮转台旋转；当气浮转台旋转运动时，计算机发送信号至第二运动控制卡，第二运动控制卡分别驱动第一伺服驱动器、第二伺服驱动器及第二力矩电机控制器进一步驱动第一伺服电机、第二伺服电机及第二力矩电机；所述加速度计分别设置第一直线运动单元、第二直线运动单元及第三垂直运动单元中的一个滑块上，检测位置的科氏加速度，将信号传输电荷放大器，进一步传输至第二运动控制卡，第一及第二运动控制卡与计算机相互连接。...

【技术特征摘要】
1.一种科氏加速度演示装置，其特征在于，包括旋转运动机构、直线同步运动机构及检测控制机构；所述旋转运动机构包括气浮转台、气动通路及第一力矩电机，所述气浮转台固定在实验台上，气动通路与气浮转台连接，使气浮转台处于悬浮状态，所述气浮转台内设置第一力矩电机驱动其旋转运动；所述直线同步运动机构包括第一直线运动单元、第二直线运动单元及第三垂直运动单元；第一直线运动单元与第二直线运动单元设置在气浮转台上，且垂直交叉，其交叉点为气浮转台的中心点；所述第一直线运动单元包括第一伺服电机，所述第一伺服电机固定在气浮转台上，与第一丝杆连接，所述第一丝杆与第二丝杆连接，第一伺服电机带动第一丝杆将旋转运动转化为第一滑块在第一导轨上的直线运动，同时第一伺服电机带动第二丝杆将旋转运动转化为第二滑块在第二导轨上的直线运动；所述第二直线运动单元包括第二伺服电机，所述第二伺服电机固定在气浮转台上，所述第二伺服电机与第三丝杆连接，所述第三丝杆与第四丝杆连接，第二伺服电机带动第三丝杆旋转运动，并转化为第三滑块在第三导轨上的直线运动，同时第二伺服电机带动第四丝杆旋转运动，并转化为第四滑块在第四导轨上的直线运动；所述第三垂直运动单元通过支座垂直设置在气浮转台上，包括第二力矩电机、同步带及第一、第二同步带轮，所述同步带的两端连接第一及第二同步带轮，所述第一同步带轮与第三丝杆连接，第二同步带轮与第四丝杆连接，第二力矩电机与第一同步带轮连接，第二力矩电机驱动第一同步带轮转动，进一步带动第五滑块及第六滑块分别在第五导轨及第六导轨上做上下同步直线运动，所述第五导轨及第六导轨垂直设置在同步带上；所述检测控制机构包括加速度计、计算机、第一力矩电机控制器、第二力矩电机控制器、第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器、第一运动控制卡、第二运动控制卡及电荷放大器；计算机发送信号至第一运动控制卡驱动气动通路使气浮转台悬浮及驱动第一力矩电机控制器进一步驱动第一力矩电机使气浮转台旋转；当气浮转台旋转运动时，计算机发送信号至第二运动控制卡，第二运动控制卡分别驱动第一伺服驱动器、第二伺服驱动器及第二力矩电机控制器进一步驱动第一伺服电机、第二伺服电机及第二力矩电机；所述加速度计分别设置第一直线运动单元、第二直线运动单元及第三垂直运动单元中的一个滑块上，检测位置的科氏加速度，将信号传输电...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱志成，梁浩阳，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44