【正文】 ABSTRACT摘 要轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為一個(gè)重要的工程參數(shù)，如何準(zhǔn)確地測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在工程上具有重大意義。本文針對(duì) ZME1 綜合力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái) “三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一套能夠較精確的測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置。該裝置采用非接觸測(cè)量方式，可以方便、快捷、準(zhǔn)確的獲取三線擺盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期信號(hào)。經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)該轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量裝置，能準(zhǔn)確穩(wěn)定的采集到周期旋轉(zhuǎn)信號(hào)。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，三線擺，實(shí)驗(yàn)輔助裝置，非接觸式測(cè)量ABSTRACTIABSTRACTThe moment of inertia as an important engineering parameters, how to measure the moment of inertia accurately has a magnificent significance in the project.This thesis based on the trilinear pendulum method to measure the moment of inertia at the ZME1 prehensive mechanical bench. Designing a more accurate system to measure the moment of inertia, the system can display realtime swing cycle, automatically calculates the moment of inertia data. Designed noncontact measurement can be convenient, fast, accurate estimates of threewire pendulum rotation cycle. The moment of inertia measure equipment has been tested in the laboratory that can collect the periodic turn signal accurately and stably.Key words : Moment of Inertia, Trilinear Pendulum, Measurement System, Assistive Devices, Noncontact measurement目 錄II目 錄第 1 章 引 言 .........................................................1 研究意義 .......................................................1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .................................................1 主要研究?jī)?nèi)容 ...................................................2第 2 章 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的運(yùn)用研究與測(cè)量 ......................................4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的物理意義及其運(yùn)用 .....................................4 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算方法 ..........................................6 各種測(cè)算方法分析 ...............................................10第 3 章 測(cè)試裝置設(shè)計(jì) .................................................12 測(cè)試裝置技術(shù)要求 ..............................................12 總體方案設(shè)計(jì) ..................................................12 電氣系統(tǒng)方案 ...............................................13 機(jī)械系統(tǒng)方案 ...............................................14第 4 章 電氣系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì) ...........................................16 傳感器信號(hào)放大與處理 ...........................................16 光電池工作原理 .............................................16 單片機(jī)控制光電池計(jì)數(shù)原理 ...................................17 信號(hào)采集模塊 ...............................................18 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì) ........................................19 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) .............................................20 LED 顯示模塊 ...................................................21 電源模塊設(shè)計(jì) ..................................................24第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................................................27 設(shè)計(jì)流程 ......................................................27目 錄III 擺盤(pán)夾取裝置的設(shè)計(jì) .............................................28 釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ...............................................29 夾頭設(shè)計(jì) ...................................................30 定位移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) ............................................30 移動(dòng)裝置設(shè)計(jì) ...............................................31 定位裝置設(shè)計(jì) ...............................................32 轉(zhuǎn)角控制和傳感器裝夾裝置 ......................................33 轉(zhuǎn)角控制方式 ...............................................33 激光器和光電池裝夾裝置 .....................................33 其它裝置機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ............................................34 實(shí)驗(yàn)輔助裝置裝配調(diào)試及檢驗(yàn) ....................................35 裝配調(diào)試 ...................................................35 實(shí)驗(yàn)效果檢驗(yàn) ...............................................36第 6 章 結(jié)論及展望 ...................................................38參考文獻(xiàn) ............................................................39致 謝 ...............................................................40附 錄 ...............................................................41附錄 1 實(shí)驗(yàn)輔助裝置的電路圖 ........................................41附錄 2 實(shí)驗(yàn)輔助裝置的裝配圖 ........................................42外文資料原文 ........................................................43外文資料 譯文 ........................................................47河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文0第 1 章 引 言 研究意義轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)軸的位置。剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有著重要的物理意義，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程技術(shù)、航天、電力、機(jī)械、儀表等工業(yè)領(lǐng)域也是一個(gè)重要參量。近年來(lái)，伴隨著高新技術(shù)的日新月異，對(duì)物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，尤其是對(duì)非均質(zhì)、不規(guī)則物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的深入性研究已經(jīng)對(duì)未來(lái)的航天、航空、軍事及精密儀器制造等高精尖行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而且，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)于研究、設(shè)計(jì)、控制轉(zhuǎn)動(dòng)物體，尤其是導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等飛行體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著非常重要的作用，是影響其運(yùn)動(dòng)的重要參數(shù)之一。目前關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的常規(guī)測(cè)量方法有直接計(jì)算法、線擺法和扭振法等。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量，一般都是使剛體以一定的形式運(yùn)動(dòng)。通過(guò)表征這種運(yùn)動(dòng)特征的物理量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系，進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)量。測(cè)量剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法有多種，三線擺法是具有較好物理思想的實(shí)驗(yàn)方法，它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、直觀、測(cè)試方便等 優(yōu)點(diǎn)。但在普通的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，一般采用測(cè)量三線擺微擺周期，然后計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，這種線擺法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量方式仍依靠手動(dòng)操作，由于人為操作自身的局限性必然存在著人為誤差。從而產(chǎn)生了用自動(dòng)的方式來(lái)測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的想法，以達(dá)到減小人為誤差的目的 [1]。本課題設(shè)計(jì)一套“三線擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，該裝置由機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分組成，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量三線擺擺盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，同時(shí)能有效的減小實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，用三線擺測(cè)定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于測(cè)量條件和方法的限制，在實(shí)驗(yàn)的操作、測(cè)量、記錄分析過(guò)程中存在諸多不便。調(diào)試的方法不盡合理，在測(cè)量過(guò)程中誤差產(chǎn)生的原因很多。特別是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的徑向擺動(dòng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未能水平放置以及人工計(jì)數(shù)等等因素使得測(cè)試測(cè)量誤差較大，教學(xué)工作人員和學(xué)生都不滿意。某種程度上說(shuō)這和三線扭擺法是測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的優(yōu)點(diǎn)“儀器簡(jiǎn)單，操作方便、精度較高”是相悖的。目前，對(duì)三線擺測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)，據(jù)可查閱到的文獻(xiàn)表明從 1986 年第 1 章 引言1以來(lái)就有人從事轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法的研究和“三線擺”測(cè)量方式的改進(jìn)。同時(shí)發(fā)表了很多與之相關(guān)的論文。2022 年海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部理化實(shí)驗(yàn)中心張勇提出了運(yùn)用剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量疊加原理，對(duì)三線擺測(cè)量剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原理公式進(jìn)行合理變形，選擇下盤(pán)的固有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)量，推導(dǎo)了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量公式。該方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的計(jì)算工作量，缺點(diǎn)是該試驗(yàn)的計(jì)算方式并沒(méi)有提高測(cè)量的精度。2022 年?yáng)|風(fēng)汽車(chē)有限公司東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心劉昶提出了由加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取三線擺圓盤(pán)切向加速度的時(shí)間歷程信號(hào)，通過(guò)測(cè)算以得到三線擺的周期信號(hào)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了人工計(jì)數(shù)的工作量，同時(shí)采用加速度傳感器其測(cè)算的精度也有所提高，缺點(diǎn)是該方法在測(cè)量周期是改變了擺盤(pán)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，給測(cè)算帶來(lái)誤差。上述兩種方法也是目前大部分學(xué)者所研究的方向，方法雖然各異,但是都具有共同目標(biāo)，就是減小實(shí)驗(yàn)中的誤差，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。張代勝等在《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》中發(fā)表論文詳細(xì)地分析了“三線擺”法誤差產(chǎn)生的原因：1. 三線擺的擺盤(pán)是否水平；2. 周期測(cè)量精度的高低；3. 擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于 6176。；4. 轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候是否存在平動(dòng)；5. 空氣阻力 [2]。 主要研究?jī)?nèi)容本課題要求研究物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的常規(guī)測(cè)試方法，并且設(shè)計(jì)出測(cè)量精度更高的測(cè)試方法，基本擺脫人為因素的干擾，實(shí)現(xiàn)物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的自動(dòng)測(cè)量。那么在設(shè)計(jì)過(guò)程中就要考慮到許多實(shí)際的問(wèn)題，其中包括測(cè)量方案的選定、相關(guān)硬件的設(shè)計(jì)以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理等。課題難點(diǎn)在于方案的可行性研究。作為整個(gè)設(shè)計(jì)流程的前提，方案的選取決定著設(shè)計(jì)的方向，例如測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方式可以是機(jī)械式的，電控式的等等，這就決定了以后設(shè)計(jì)的方向是純機(jī)械的、純電控的或者機(jī)電結(jié)合的。另外，硬件的設(shè)計(jì)必然將涉及到機(jī)學(xué)、電學(xué)，以及信號(hào)的采樣處理等，覆蓋范圍較大，需重點(diǎn)突破。信號(hào)（主要是指三線擺轉(zhuǎn)動(dòng)的周期信號(hào)）采集方案的設(shè)計(jì)是本文研究的核心部分。在結(jié)合性價(jià)比的情況下，優(yōu)選出最佳方案，并最終將該方案需要用到的硬件設(shè)計(jì)制作出來(lái)。 河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文2就現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，本文所做的工作主要是研究“三線擺”測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法，通過(guò)研究誤差產(chǎn)生的原因、影響以及避免或者減小的方法，設(shè)計(jì)一套可以有效運(yùn)用于“三線擺”法測(cè)慣量的試驗(yàn)平臺(tái)上，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度的裝置。本課題是針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及測(cè)試方法進(jìn)行的研究，在常規(guī)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出新的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試系統(tǒng)，提高其測(cè)試精度。作為一種更加精確的測(cè)試方式，本文設(shè)計(jì)的物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如果進(jìn)一步改良，可成為一種適用于各種物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試手段，在工程設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用，將是一種方便、快捷、準(zhǔn)確的測(cè)量方式。本課題所設(shè)計(jì)的裝置非接觸式測(cè)量，在不改變?cè)?