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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 應(yīng)用疊加場(chǎng)原理制作的時(shí)鐘基頻源
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)重力場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)疊加環(huán)境中運(yùn)行的復(fù)擺系統(tǒng)，用改變磁場(chǎng)強(qiáng)度分布實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)擺振動(dòng)周期的調(diào)節(jié)，構(gòu)建成可為時(shí)鐘系統(tǒng)提供時(shí)基信號(hào)的基頻源。同時(shí)，通過(guò)有一組并行輸出口的外電路，基頻源向外輸送寬度可調(diào)的電脈沖，為后面的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供能源。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品的主體結(jié)構(gòu)為三個(gè)單元：源動(dòng)系——包括電源、一個(gè)扇形擺裝置和一個(gè)外加永磁場(chǎng)，它為時(shí)鐘系統(tǒng)提供時(shí)基信號(hào)脈沖和各傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)運(yùn)行所需要的能源；驅(qū)動(dòng)系——包括兩個(gè)電磁推桿、一個(gè)觸點(diǎn)開(kāi) 關(guān)、一個(gè)光電耦合器和一個(gè)秒齒盤，其作用是將標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)按一定 時(shí)序排列、傳遞和輸出；顯示系——由時(shí)、分、秒指針、同步輪、 同步帶以及顯示面板組成，顯示運(yùn)行中時(shí)鐘指示的時(shí)間。 作品運(yùn)用一個(gè)由永磁磁場(chǎng)構(gòu)成的阻尼器對(duì)扇形擺的振動(dòng)周期實(shí)施調(diào)節(jié)。所采用的非接觸阻尼技術(shù)避免了傳統(tǒng)方法中傳動(dòng)鏈由于電器、剛度、間隙、慣性、摩擦及制造精度等原因造成的誤差。 其次，對(duì)現(xiàn)有時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成功地作了改革，以一種十分簡(jiǎn)單的控制傳動(dòng)鏈取代了當(dāng)今的步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)的主流技術(shù)，從而避開(kāi)了上述電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)因低頻振動(dòng)現(xiàn)象或參數(shù)選擇上所必須所必須解決的諸多技術(shù)難題
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)場(chǎng)能在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對(duì)傳統(tǒng)方法中傳動(dòng)控制鏈常常由于電器、剛度、間隙、慣性、摩擦及制造精度等誤差形成的原因，作品利用永磁場(chǎng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)由組合永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)，將它疊加在使一個(gè)復(fù)擺振動(dòng)的重力場(chǎng)上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)擺振動(dòng)非接觸性阻尼調(diào)節(jié)的功能，達(dá)到控制復(fù)擺振動(dòng)周期的目的。作品的創(chuàng)新點(diǎn)在于疊加場(chǎng)原理的構(gòu)思和成功地把疊加場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代控制系統(tǒng)這一領(lǐng)域，其技術(shù)關(guān)鍵是： 1.疊加場(chǎng)所需要的特定永磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 2.超低頻基準(zhǔn)脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 主要技術(shù)指標(biāo)： 1.永磁場(chǎng)分布具有扇形對(duì)稱性； 2.基頻脈沖脈寬可調(diào)，脈沖頻率不大于1Hz。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 迄今為止，現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大量運(yùn)用的振動(dòng)控制策略和技術(shù)，仍是以步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)基礎(chǔ)上的阻尼技術(shù)和驅(qū)動(dòng)細(xì)分技術(shù)。這些技術(shù)的存在的不足之處是：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)要達(dá)到較高細(xì)分度（如256細(xì)分），其電路將十分復(fù)雜，而要使伺服電機(jī)準(zhǔn)確低速運(yùn)行，電機(jī)參數(shù)的選擇也存在很大的難度。 本作品根據(jù)所構(gòu)思的疊加場(chǎng)原理，把一個(gè)自行設(shè)計(jì)的組合永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)疊加在復(fù)擺振動(dòng)的重力場(chǎng)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)擺振動(dòng)周期進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)的功能。無(wú)論從系統(tǒng)構(gòu)建的成本，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化或者是運(yùn)行中明顯減少的誤差引入環(huán)節(jié)與因素等哪個(gè)方面看，均較傳統(tǒng)模式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 技術(shù)分析說(shuō)明詳見(jiàn)組合永磁體磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及磁場(chǎng)分布等值線圖，磁場(chǎng)強(qiáng)度與梯度分布圖，復(fù)擺受力分析圖。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品在2008年廣東省第九屆物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽中榮獲一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 實(shí)物 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 時(shí)鐘使用12伏直流電源，以扇形擺起振為啟動(dòng)方式。位于機(jī)構(gòu)下方的永磁組合體可沿豎直方向小幅升降，用來(lái)調(diào)節(jié)扇形擺振動(dòng)周期(即時(shí)鐘運(yùn)行的快慢)。 由觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)接通的電路可輸出時(shí)基信號(hào)脈沖，其寬度可通過(guò)改變扇形擺對(duì)開(kāi)關(guān)的碰撞角度或開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的行程來(lái)調(diào)節(jié)。作為時(shí)鐘運(yùn)行驅(qū)動(dòng)能源的標(biāo)準(zhǔn)電脈沖，由一個(gè)由光電開(kāi)關(guān)控制的電路提供。改變光電開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間可調(diào)節(jié)脈沖的寬度，控制各單元的用電時(shí)間。 作品的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)在于： 1.整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確。 2.運(yùn)用疊加場(chǎng)原理，以組合永磁體構(gòu)成的非接觸性阻尼器在扇形擺運(yùn)行的任意一個(gè)位置均可實(shí)現(xiàn)對(duì)扇形擺振動(dòng)周期的柔性調(diào)節(jié)。 3.由一個(gè)等幅復(fù)擺為核心元件的超低頻脈沖發(fā)生器為系統(tǒng)提供時(shí)基信號(hào)脈沖和各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行所需要能源。 作品通過(guò)永磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的疊加場(chǎng)技術(shù)在現(xiàn)代運(yùn)行控制系統(tǒng)中具有現(xiàn)代電磁阻尼器無(wú)機(jī)械摩擦和磨損、無(wú)需潤(rùn)滑、壽命長(zhǎng)以及剛度與阻尼可控等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的巨大優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)期存在廣闊的應(yīng)用前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值。
同類課題研究水平概述
- 現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，大量運(yùn)用的振動(dòng)控制策略和技術(shù)，仍然是以步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)基礎(chǔ)上的阻尼技術(shù)和驅(qū)動(dòng)細(xì)分技術(shù)。為了提高控制水平和準(zhǔn)確性，前者采用的方法是盡量提高細(xì)分精度（比如，目前步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可達(dá)到256細(xì)分），后者采用的手段是不斷優(yōu)化電機(jī)參數(shù)的選擇，但兩者都存在很大的難度。 當(dāng)然,在采取阻尼技術(shù)之外也可以采用調(diào)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述電機(jī)的低速運(yùn)行.比如，采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)別的調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 又如，采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)件的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)就是電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)容易損壞，壽命較短、可靠性不高。 這些存在的問(wèn)題的解決，尚在攻關(guān)之中，根本解決方案還有待時(shí)日。
