一种轴向移动绳横向振动测量装置及其应用本申请是申请日为20140903，申请号为2014104462601，发明名称为轴向移动绳横
向振动测量装置及测量方法，申请人为合肥工业大学的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于测量变长度移动绳在给定移动速度以及张力下横向振动的
测试装置。更具体涉及一种在给定初始位移下移动绳横向位移振动非接触式测量的测试实
验平台以及试验系统。
背景技术
轴向绳移系统是轴向移动系统的一种类型，在工程上有许多应用，如缆车索道、绳
系卫星、绳线、动力传送带、磁带、纸带等。轴向绳移系统简化力学模型按绳长变化规律大致
分为三类。如图1a所示为长定的绳移系统，其特点是研究区域长度不变，绳具有移动速度，
在研究区域两端有新增和消失的绳，其应用实例有传送带、缆车索道、动力传动的皮带等；
图1b所示的伸长的绳移系统和图1c所示的缩短的绳移系统可归为一类，其特点是研究区域
长度变化，在一端有新增或消失的绳，其应用实例有电梯的钢索，吊车举吊重物的上升下
降，绳系卫星系统的主星释放或回收子星时的绳系等。显然，这类系统的振动响应及振动特
性对于工程系统的振动及稳定性控制具有重要的应用价值。
因为绳系的移动，在方程中出现随时间变化的系数项，形成了参数激励，该类型的
振动为参数振动，不能够用传统的线性系统的方法获得其理论解。目前研究学者已经提出
了多种数值计算方法来求解移动绳的振动问题，对于这些计算方法仍需要实验装置进行检
验算法。为此，实验装置需要满足能模拟图1a、图1b和图1c所示的三种系统形式，即包括定
长度绳移系统及变长度绳移系统；要能够给定绳移的速度、方向以及绳的张力，能够改变绳
的材料参数，如密度、弹性模量等，能给绳系特定的激励，如初始位移激励、脉冲激励等，以
及能跟踪测量绳上多个质点在移动时的横向位移以及绳移时绳长方向多个指定点的横向
位移。但迄今为止，这类实验装置尚没见公开报导，还没有一种能够提供多个工况的移动绳
振动试验装置以及测量平台来检验数值算法的计算结果。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种轴向移动绳横向振动
测量装置及其应用，一是用于为求解移动绳的振动的数值计算方法提供测量装置，以便对
数值计算方法进行检验；二是用于移动绳振动的控制；三是作为高校专业课教学以及科研
的实验平台。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明轴向移动绳横向振动测量装置的结构特点是：
设置绳循环传动单元，是由主动轮、从动轮、张紧轮，张力传感器轮系以及用于驱
动主动轮的第一步进电机构成循环轮系，呈闭合环的绳绕在所述循环轮系上形成竖直平面
中的绳循环传动单元；所述主动轮、从动轮和张紧轮共同固定设置在底板上；设置底板坐标
轴，所述底板坐标轴是指绳移方向上的固结于底板上的坐标轴。
设置位移测量系统：包括呈水平固定安装在绳的上方、且与绳的移动方向平行的
直线导轨、与直线导轨滑动配合的第一滑块和第二滑块；在所述第一滑块的下方固定连接
有横梁，非接触式位移传感器组布置在所述横梁的底部；与所述直线导轨水平平行设置有
直线滚珠丝杠导轨滑台，所述直线滚珠丝杠导轨滑台上滑动配合的第三滑块可以通过纵向
连接板和横向连接板来驱动所述第一滑块和/或第二滑块的移动，并带动横梁及非接触式
位移传感器组的平移；纵向连接板用于第三滑块和第一滑块的连接或者第三滑块和第二滑
块的连接，横向连接板用于第一滑块和第二滑块的连接；纵向连接板和横向连接板易于拆
卸和安装，通过纵向连接板和横向连接板不同的安装组合方式实现绳不同的移动工况；所
述非接触式位移传感器组位于绳的正上方，非接触式位移传感器组中的每只传感器可以测
量位于其正下方绳上质点在竖直方向的位移；所述张力传感器轮系通过连接板固联在第二
滑块的下方。
本发明轴向移动绳横向振动测量装置的结构特点也在于：
所述非接触式位移传感器组采用激光位移传感器，
在绳的初始绳长中心位置布置有位移标尺，用于测量初始绳长中心位置的位移
量。
所述绳循环传动单元中的绳可以更换为不同的材质。
所述绳可以是钢带、尼龙带、布带或皮带。
本发明轴向移动绳横向振动测量装置的测量方法的特点是：
启动第一步进电机和第二步进电机，第三滑块与第一滑块通过纵向连接板相连
接，第一滑块与第二滑块通过横向连接板相连接，由第一步进电机通过滚珠丝杠导轨滑台
上的第三滑块驱动第一滑块和第二滑块以给定速度同步移动时，给绳子提供一个设定的初
始激励；位移传感器组在绳伸长或缩短时跟踪测量绳上指定质点在移动时的横向位移，用
于验证给定初始激励条件下，变长度移动绳上质点横向振动模型的数值求解算法的准确
性。
本发明轴向移动绳横向振动测量装置的测量方法的特点是：
启动第一步进电机与第二步进电机，第三滑块与第一滑块通过纵向连接板相连
接，第一滑块与第二滑块不连接，利用固定螺栓使第二滑块保持位置不变；由第二步进电机
通过第三滑块驱动第一滑块以给定速度同步移动，绳以相同速度同步移动，此时，绳长在主
动轮与张力传感器轮系之间，以及在从动轮与张力传感器轮系之间是固定值，绳上质点是
移动的，给绳提供一个设定的初始激励，由位移传感器组跟踪测量定长度绳上指定质点在
移动时的横向位移；用于验证给定初始激励条件下，定长度移动绳上质点横向振动模型的
数值求解算法的准确性。
本发明轴向移动绳横向振动测量装置的测量方法的特点是：
启动第一步进电机与第二步进电机，第三滑块与第一滑块不连接，第三滑块与第
二滑块通过连接板相连接，利用固定螺栓使第一滑块的位置保持不变；由第二步进电机通
过第三滑块驱动第二滑块以给定速度同步移动，此时，位移传感器组的位置固定，给绳提供
一个设定的初始激励，利用位移传感器组测量绳以不同速度伸长或缩短时在绳对应于底板
坐标轴特定点的横向位移，用于验证给定初始激励条件下，变长度移动绳在底板坐标轴上
特定点横向振动模型的数值求解算法的准确性。
本发明轴向移动绳横向振动测量装置的测量方法的特点是：
第二步进电机停止，第一步进电机以设定速度顺时针或逆时针转动，此时，位移传
感器组与张力传感器轮系的位置固定不动，绳长在主动轮与张力传感器轮系之间，以及在
从动轮与张力传感器轮系之间为固定值，绳以设定的速度右移或左移，给绳提供一个初始
激励，利用位移传感器组测量定长度绳以不同速度左移或右移时在底板坐标轴上特定点的
横向位移，用于验证给定初始激励条件下，定长度移动绳在底板坐标轴上特定位置点横向
振动模型的数值求解算法的准确性。
本发明轴向移动绳横向振动测量装置的测量方法的特点是：
第一步进电机与第二步进电机都停止，绳、位移传感器组和张力传感器轮系都位
置固定，给绳提供一个设定的初始激励，利用位移传感器组测量两端固定的绳上给定质点
的横向位移，用于验证给定初始激励条件下，两端固定的绳在底板坐标轴上特定点的横向
振动模型的数值求解算法的准确性。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明可用于模拟工程上移动绳应用的各种工况，并且可用于测量在各种工况
下移动绳上多个特定点的横向位移振动，为检验移动绳模型振动响应计算算法提供实验依
据，也可进一步用于移动绳振动的控制，可以作为高校专业课教学以及科研的实验平台；
2、本发明中第一步进电机和第二步进电机的配合使用，能实现五种测量工况，使
控制系统大为简化，减少控制误差；
3、本发明采用滚珠丝杠导轨滑台及直线导轨，有效提高实验传送的稳定性及精确
性，同时满足上下运动的同步性。
4、本发明可以通过更换不同材质的绳，实现对不同材料绳系横向振动位移的测
量。
附图说明
图1a为定长绳移系统示意图；
图1b为伸长的绳移系统示意图；
图1c为缩短的绳移系统示意图；
图2为本发明立面结构示意图；
图3为本发明中直线滚珠丝杠导轨滑台与直线导轨配合示意图；
图中标号：1底板，2从动轮，3绳，4为CHB力值测量表，5直线导轨，6张力传感器轮
系，7第二滑块，8位移传感器组，9第一滑块，10横梁，11振动信号采集调理模块，12计算机，
13主动轮，14第一步进电机，15电机控制面板，16电机驱动模块，17第三滑块，18第二步进电
机，19直线滚珠丝杠导轨滑台，22纵向连接板，23横向连接板，25固定螺栓，26丝杠，27位移
标尺，28张紧轮。
具体实施方式
参见图2和图3，本实施例中轴向移动绳横向振动测量装置的结构设置为：
设置绳循环传动单元，是由主动轮13、从动轮2、张紧轮28，张力传感器轮系6以及
用于驱动主动轮13的第一步进电机14构成循环轮系，呈闭合环的绳3绕在循环轮系上形成
竖直平面中的绳循环传动单元；主动轮13、从动轮2和张紧轮28共同固定设置在底板1上；设
置底板坐标轴，底板坐标轴是指绳移方向上的固结于底板1上的坐标轴。
设置位移测量系统：包括呈水平固定安装在绳的上方、且与绳的移动方向平行的
直线导轨5、与直线导轨5滑动配合的第一滑块9和第二滑块7；在第一滑块9的下方固定连接
有横梁10，非接触式位移传感器组8布置在横梁10的底部；与所述直线导轨5水平平行设置
有直线滚珠丝杠导轨滑台19，由第二步进电机18实现驱动、并由丝杠26实现传动的直线滚
珠丝杠导轨滑台19上滑动配合有第三滑块17，第三滑块17可以通过纵向连接板22和横向连
接板23来驱动第一滑块9和/或第二滑块7的移动，并带动横梁10及非接触式位移传感器组8
的平移；其中，纵向连接板22用于第三滑块17和第一滑块9的连接或者第三滑块17和第二滑
块7的连接，横向连接板用于第一滑块9和第二滑块7的连接；纵向连接板22和横向连接板23
易于拆装，通过纵向连接板22和横向连接板23不同的安装组合方式实现绳3不同的移动工
况；非接触式位移传感器组8位于绳3的正上方，非接触式位移传感器组8中的每只位置可调
的传感器可以测量位于其正下方绳上质点在竖直方向的位移；所述张力传感器轮系6通过
连接板固联在第二滑块7的下方。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
非接触式位移传感器组8采用激光位移传感器；在绳3的初始绳长中心位置布置有
位移标尺27，用于测量初始绳长中心位置的位移量；绳循环传动单元中的绳3可以更换为不
同的材质；绳3可以是钢带、尼龙带、布带或皮带。
本实施例中轴向移动绳横向振动测量装置有如下五种测量方法。
测量方法一：
启动第一步进电机14和第二步进电机18，第三滑块17与第一滑块9通过纵向连接
板22相连接，第一滑块9与第二滑块7通过横向连接板23相连接，由第一步进电机18通过滚
珠丝杠导轨滑台19上的第三滑块17驱动第一滑块9和第二滑块7以给定速度同步移动时，给
绳子提供一个设定的初始激励；位移传感器组8在绳伸长或缩短时跟踪测量绳上指定质点
在移动时的横向位移，用于验证给定初始激励条件下，变长度移动绳上质点横向振动模型
的数值求解算法的准确性。
测量方法二、
启动第一步进电机14与第二步进电机18，第三滑块17与第一滑块9通过纵向连接
板22相连接，第一滑块9与第二滑块7不连接，利用固定螺栓25使第二滑块7保持位置不变；
由第二步进电机18通过第三滑块17驱动第一滑块9以给定速度同步移动，绳3以相同速度同
步移动，此时，绳长在主动轮13与张力传感器轮系6之间，以及在从动轮2与张力传感器轮系
6之间是固定值，绳上质点是移动的，给绳提供一个设定的初始激励，由位移传感器组8跟踪
测量定长度绳上指定质点在移动时的横向位移；用于验证给定初始激励条件下，定长度移
动绳上质点横向振动模型的数值求解算法的准确性。
测量方法三、
启动第一步进电机14与第二步进电机18，第三滑块17与第一滑块9不连接，第三滑
块17与第二滑块7通过横向连接板23相连接，利用固定螺栓使第一滑块9的位置保持不变；
由第二步进电机18通过第三滑块17驱动第二滑块7以给定速度同步移动，此时，位移传感器
组8的位置固定，给绳提供一个设定的初始激励，利用位移传感器组8测量绳以不同速度伸
长或缩短时在绳对应于底板坐标轴特定点的横向位移，用于验证给定初始激励条件下，变
长度移动绳在底板坐标轴上特定点横向振动模型的数值求解算法的准确性。
测量方法四：
第二步进电机18停止，第一步进电机14以设定速度顺时针或逆时针转动，此时，位
移传感器组8与张力传感器轮系6的位置固定不动，绳长在主动轮13与张力传感器轮系6之
间，以及在从动轮2与张力传感器轮系6之间为固定值，绳以设定的速度右移或左移，给绳提
供一个初始激励，利用位移传感器组8测量定长度绳3以不同速度左移或右移时在底板坐标
轴上特定点的横向位移，用于验证给定初始激励条件下，定长度移动绳在底板坐标轴上特
定位置点横向振动模型的数值求解算法的准确性。
测量方法五：
第一步进电机14与第二步进电机18都停止，绳3、位移传感器组8和张力传感器轮
系6都位置固定，给绳3提供一个设定的初始激励，利用位移传感器组8测量两端固定的绳上
给定质点的横向位移，用于验证给定初始激励条件下，两端固定的绳在底板坐标轴上特定
点的横向振动模型的数值求解算法的准确性。
初始激励是指对定长度绳的中点给定一定的初始位移，然后释放。
在第二步进电机18不启动，第一步进电机14顺时针转动时，实现定长度绳向右移
动；在第二步进电机18不启动，第一步进电机14逆时针转动，实现定长度绳向左移动，即为
图1a所示系统。
在第二步进电机18启动，第一步进电机14顺时针转动时，由第三滑块17通过纵向
连接板22驱动第二滑块7水平右移，实现绳的向右移动伸长，即为图1b所示系统；
在第二步进电机18启动，第一步进电机14逆时针转动时，由第三滑块17通过纵向
连接板22驱动第二滑块7水平左移，实现绳的向左移动缩短，即为图1c所示系统。
位移标尺27布置在初始绳长的中心位置，当绳横向振动的初始条件是给定绳中心
点位移时，利用位移标尺27测量该点的位移大小，用于数值计算。
本实施例是利用第一步进电机控制绳的传输速度及方向，通过改变绳的材料获得
不同的振动特性；利用非接触式位移传感器组8测量绳3的横向振动位移，利用张力传感器
轮系6测量在绳横向振动初始时刻和振动过程中绳3的内部张力的大小，并由CHB力值测量
表4进行显示，绳3的初始位移通过标尺测量，利用多个位置可调的非接触式位移传感器可
以测量绳上不同点的横向位移。具体实施中配合设置振动信号采集调理模块11对检测信号
进行调理和存储，并通过计算机12进行实时监控；设置电机驱动模块16用于控制各个步进
电机的启停、方向和速度，从而模拟多种移动绳工况，满足各种实验方案的需求，实验过程
可以由操作人员通过电机控制面板15进行控制。