为南瓜投掷锦标赛搭建USB数据采集系统

ETHOS 团队的工程师在搭建 USB-2404-UI 数据采集系统为 “凤凰”弹射器进行多次测试的准备。

USB-2404-UI MCC USB-2404-UI 4通道, 24位分辨率, 集成了信号调理模块的通用模拟输入设备。
简介
2003年,ETHOS (Experimental Torsion Hybrid Onager System)团队成立并参加了慈善机构组织的“南瓜投掷”比赛,目的在于有朝一日可以参加 南瓜投掷”世界锦标赛。每年在美国各地区的赛事中,个人及团队都需开发投南瓜装备,并使发射距离尽可能远。

ETHOS团队参加比赛,选择了一种称为Onager的弹射器,这是一种由捆扭绳提供动力的单臂扭转弹射器。古代希腊人最初将它作为火炮,由木头和铁构成,并使用筋条或马毛将之捆绑束缚在一起。团队在David Mollenhauer的带领下,用现代材料、计算机辅助设计和仿真工具在这种古老的设备上进行了创新。为获得世界锦标赛的邀请,团队还需设计并构建出一台能超越之前世界记录的设备,即投掷8磅南瓜至2000英尺以上距离的设备。

完成了最初的设计与分析之后,作为概念验证,团队构建并测试了一个1/10规模大小的设备模型。为了将捆绑束固定到设备框架上,团队尝试了多种不同材料类型的绳子,如尼龙、聚酯纤维,并组合搭配了各种绞绳结构,如扭转的或双层编织的。

为了构建设备的框架,团队寻求社会捐赠,并获得了许多大面积高强度的纤维玻璃面板。捐赠物品包括绳子、玻璃布、石墨含氧树脂棒等其它材料,当地一家机械商店也提供了数小时的精密加工。使用这些材料对设计进行优化后,团队构建并成功测试了1/4规模的弹射器。同年晚些时候,团队开始着手构建全规模的参赛设备,并且在两年后完成了任务。

挑战
2008年,ETHOS首次获得入选国家锦标赛的资格。在比赛的第一轮,该团队投掷了1190英尺,获得了第三名。这次投掷比赛后,他们发现捆绑的绳子会滑动,需要做一个额外的防滑调整。

在第二次投掷比赛中的装配阶段,灾难发生了。框架的设计负荷超标,导致设备的框架构建失败,弹射器崩塌。幸运的是,没有人受伤,且设备的关键部分也没有遭到严重损坏,包括独一无二、不可替代的投掷臂。团队无法尝试更多发射,最终在6组队伍中排名第4而被淘汰。ETHOS团队立誓要重整团队、重建队伍,并且在来年再次参赛。

在之后一年的工作中,他们设计并构建了一种新型的钢铁、碳化纤维的复合材料架构和定制拖车,ETHOS团队再一次进入了全国锦标赛。新型设备包含一个1200磅重的绞车,团队对这次的构造十分自信,但对使用的回调转矩的数量不是很确定。12个月之前的失败促成了这次设备的重新构建,该设备被起名为“凤凰”,并由带传感器的数据采集系统来监测转矩。

传感器
ETHOS团队成员John Camping构造并编程了新的传感器系统。一个称重传感器被添加至触发装置,以监测投掷臂被回调至发射位置时所产生的力。3/4-10 螺柱连接绞车电缆与触发装置,通过移除几排中心螺纹并对该区域施加应变计,可以把它转变为一个称重传感器。使用4个全桥配置的应变计可实现最大输出

虽然新型的钢铁、碳化纤维的复合材料架构比最初的纤维玻璃架构坚固很多,但仍存在高负荷的可能性,使设备的构建失败。团队同时也坦白了两个潜在的缺点:投掷臂与枢轴管。他们增加了单个应变计以监测这两个部件,并且当其中一个部件接近失效的临界阈值时,就会执行中止进程。最终,为了测量设备的总体性能,团队设计并构建了弦线式电位计,并将其安装在了捆绑束上。

DAQ需求
ETHOS团队需要一个数据采集系统,以处理高水平和低水平传感器输出的信号。DAQ系统需要监测拉回弹射臂的慢动作,测量需持续几分钟,且测量动作要比实际发射动作更快,测量单位为几分之一秒。由于“南瓜投掷”大赛在户外环境下举行,数据采集系统的便携性也是一个关键因素。其它注意事项如尺寸、易用性、USB与笔记本电脑的可连接性同样很重要。随着世界锦标赛的临近,该团队只有不到四周的时间去购买、编程,配置一个监测系统。

解决方案
ETHOS团队为他们的项目选择了具有通用输入的MCC USB-2404-UI。与所有信号可直接连接,100Hz的采样率和同步采样满足了团队的需求。他们用Visual Basic®以及免费赠送的 Universal Library™ 编程软件去开发应用。在比赛中,USB-2404-UI监测设备的性能,以实现实时调整。

成果
在USB-2404-UI数据采集系统的帮助下,该团队创造了令人惊叹的2088英尺的南瓜投掷记录,并在2009年取得了世界锦标赛扭转弹射器赛区的冠军。


Author
John Camping
Team ETHOS

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