【正文】 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、記錄分析過程中存在諸多不便。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年以來就有人從事轉(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)。2009年?yáng)|風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)商用車技術(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)獲取三線擺圓盤切向加速度的時(shí)間歷程信號(hào)，通過測(cè)算以得到三線擺的周期信號(hào)。；4. 轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候是否存在平動(dòng)；5. 空氣阻力[2]。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。 就現(xiàn)階段來說，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。該設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實(shí)驗(yàn)測(cè)算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量只決定于剛體的形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置，而同剛體繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)（如角速度的大?。o關(guān)。描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定理：剛體對(duì)一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等于該剛體對(duì)同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加上該剛體的質(zhì)量同兩軸間距離平方的乘積，公式為,由于和式的第二項(xiàng)md恒大于零，因此剛體繞過質(zhì)量中心之軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是繞該束平行軸諸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中的最小者[3]。首先需要引出動(dòng)能公式,而動(dòng)能的實(shí)際物理意義是：物體相對(duì)某個(gè)系統(tǒng)（選定一個(gè)參考系）運(yùn)動(dòng)的實(shí)際能量，（P勢(shì)能實(shí)際意義則是物體相對(duì)某個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的可能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的實(shí)際能量的大?。?。 2）之所以用難以分析轉(zhuǎn)動(dòng)物體的問題，是因?yàn)槠渲胁话D(zhuǎn)動(dòng)物體的任何轉(zhuǎn)動(dòng)信息。下面簡(jiǎn)單介紹轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在各個(gè)方面的運(yùn)用。所以后半段特別是在快出彎時(shí)，由于輪胎持續(xù)打滑所以不能獲得足夠向前的加速度，漂移出彎不如抓地出彎[4]。 例如，在扣排球時(shí)，由引臂開始，R減小，角速度ω增加。在新車設(shè)計(jì)時(shí), 必須運(yùn)用這些特性參數(shù),通過動(dòng)力學(xué)模型來預(yù)測(cè)車輛的動(dòng)力學(xué)性能。1. 直接代數(shù)計(jì)算法剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量永遠(yuǎn)是一個(gè)正的標(biāo)量，在動(dòng)量矩定理中，剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程可以表達(dá)為：Jza=Mz，這與動(dòng)力學(xué)基本方程F=ma是相似的，式中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的地位與質(zhì)量m相當(dāng)。2. 三維建模法測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是物理學(xué)及工程力學(xué)中經(jīng)常遇見的問題, 在數(shù)學(xué)分析教材中僅給出了三維空間中的質(zhì)量物體V對(duì)三個(gè)坐標(biāo)軸(X軸，Y軸，Z軸) 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法。3）由輸出座標(biāo)系決定。慣性力矩就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3. 動(dòng)鼠沿圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)有一可繞鉛垂軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的雙層圓盤，其對(duì)Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，如圖21 所示。J11=J1若其過A，注意A與O點(diǎn)相距為r1，測(cè)時(shí)使待測(cè)物與工作臺(tái)緊貼，可測(cè)出： （22）理論值應(yīng)為J12=J11+r12M1，其中M1為待測(cè)物質(zhì)量，這里應(yīng)用平行移軸公式， 若采取Z1軸過O，A，B 等不同的點(diǎn)可測(cè)出θi，φ0i通過一組代數(shù)方程組便可計(jì)算出M1與J1。J0—對(duì)圓盤中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；T —擺動(dòng)圓盤的周期；L —線長(zhǎng)；M —圓盤質(zhì)量；g —重力加速度；r —線與圓盤固結(jié)點(diǎn)的半徑； R —圓盤半徑。從計(jì)算公式(24)中可以看出，要求得圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需要知道線長(zhǎng)l。如圖23所示，先將兩個(gè)三線擺盤調(diào)至測(cè)量誤差最小時(shí)的位置，(a)盤上放置待測(cè)電磁鐵，讓盤心與電磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合；(b)盤放置二個(gè)帶有強(qiáng)磁性的圓柱體，它們?cè)趫A盤上的位置S是可以調(diào)節(jié)的，此兩圓柱體合起來的重量應(yīng)等同于電磁鐵重量。如圖所示，設(shè)置兩圓柱體不同的中心距為S，分別測(cè)出各S的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期，兩個(gè)圓柱對(duì)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按公式(25)進(jìn)行計(jì)算。第三種動(dòng)鼠沿圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需借助一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備且測(cè)算精度并不是很高。首先，在測(cè)量時(shí)采用秒表來記錄時(shí)間，人為因素影響很大。而在該方法中仍是靠測(cè)量者人為控制圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，那么將無法使精度得到保證?！叭€擺”法測(cè)慣量的實(shí)驗(yàn)過程中由于實(shí)驗(yàn)裝置本身不足和人為操作所帶來的影響?？諝庾枇κ窃趯?shí)驗(yàn)室中測(cè)量不可避免的。的控制方法以及避免“三線擺”擺動(dòng)的問題?？傮w上可分為兩個(gè)部分，電系統(tǒng)部分和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。該裝置可以在三線擺擺盤給定的位置處進(jìn)行移動(dòng)。本課題所研究的“三線擺”法測(cè)慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，要求能自動(dòng)測(cè)算擺盤的擺動(dòng)周期，這就決定了實(shí)驗(yàn)中必須要使用傳感器，上述提到了很多可以選用的傳感器。這樣的操作會(huì)造成很大的誤差所以不能采用。選用的激光器所產(chǎn)生光的波長(zhǎng)為650nm，光電池所能接收到的范圍為400~1100nm，在其感應(yīng)范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)需求。周期測(cè)算系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖32所示。原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為理論力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在設(shè)計(jì)過程中要求不能對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行任何改動(dòng)，以免影響到其他實(shí)驗(yàn)的操作。并且能實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)設(shè)平臺(tái)的對(duì)中，解決擺轉(zhuǎn)角≤6176。后釋放擺盤（裝置整體結(jié)構(gòu)詳見附錄2）。圖41示出非晶硅（或硒）光電池的光電特性曲線。因此, 在下面放置光敏元件位置處均采用的是非晶硅（或硒）光電池。遮光式傳感器的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、信噪比低。的安裝偏移范圍。a 遮光式 1 2 3 1 2 3b 反射式 4 4圖42 采用光電池的光電物位傳感器結(jié)構(gòu) 單片機(jī)控制光電池計(jì)數(shù)原理單片機(jī)控制光電計(jì)數(shù)器按其功能可劃分為兩個(gè)部分，即檢測(cè)部分和信號(hào)處理單元。信號(hào)處理部分檢測(cè)部分單片機(jī)控制線被測(cè)物體放大調(diào)理電路光電池傳感器顯示器圖43單片機(jī)光電計(jì)數(shù)器總體框圖光電池傳感器周期顯示處理系統(tǒng)由AVR系列ATmega16微處理器芯片作為應(yīng)用系統(tǒng)其中還包括：LED 顯示器、按鍵電路和接口電路。 信號(hào)采集模塊光電計(jì)數(shù)器的檢測(cè)部分由光電池構(gòu)成的光電物位傳感器和放大調(diào)理電路組成。在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)的光電池在激光照射到黑線的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生50mV以上的電壓，要將采集到的信號(hào)進(jìn)行放大才能讓單片機(jī)接收到。2. 采集模塊電路圖本課題主要運(yùn)用非晶硅光電池對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，其方法是在三線擺擺盤上事先畫出一條黑線，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)激光器照射在黑線附近，用LM317控制激光器電壓調(diào)節(jié)其亮度，利用反射式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言 編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板[10]。 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)其整體結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見附錄1所附的電路原理圖。D4 (1N4148)的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將R14(100K)電阻短路，讓C3快速放電，讓下一次來電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。早期的90S系列，晶振兩端均需要接22pF左右的電容。精度為滿足課題所需設(shè)計(jì)要求。不過一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。本課題為了讓電路更加穩(wěn)定沒有懸空（圖46）。單片機(jī)圖47 ISP下載接口電路原理圖 LED顯示模塊1. 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及其工作原理數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管（如圖48）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。 圖48a 1位數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 圖48b 2位數(shù)碼管封裝圖2. LED顯示器顯示方式及使用靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。通過單片機(jī)連接反向器對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行選通。 電源模塊設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)輔助裝置直接引用實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)所提供的24V直流電源，主要電路模塊所需電壓為5V，在激光器供電部分，~5V的可調(diào)電源。1. 測(cè)量系統(tǒng)供電電路供電電路設(shè)計(jì)LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開關(guān)穩(wěn)壓器（buck）的各種功能，能驅(qū)動(dòng)3A的負(fù)載調(diào)整能力。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。F1為保險(xiǎn)管當(dāng)負(fù)載過高或者短路時(shí)保險(xiǎn)管熔斷，保護(hù)電路。317系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如LM317HVH、W317L等。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo=~37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo=~45V），所以R2/R1的比值范圍只能是0~，在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把317燒壞。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文第5章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在確定了周期信號(hào)的采集方式的情況下，現(xiàn)對(duì)控制圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度及釋放圓盤的裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的裝置應(yīng)滿足以下三點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：1. 所設(shè)計(jì)裝置在實(shí)驗(yàn)過程中能有效的減小或者避免改進(jìn)之前實(shí)驗(yàn)人工操作時(shí)所帶來的誤差。實(shí)驗(yàn)操作不方便收集“線擺”法測(cè)慣量設(shè)想方案草圖設(shè)計(jì)“三線擺”改進(jìn)裝置機(jī)構(gòu)模擬AutoCAD工程圖裝配調(diào)試實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置3D動(dòng)態(tài)模擬YYYYYNNNNNNN圖52 機(jī)械設(shè)計(jì)流程圖用三線擺測(cè)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需要將圓盤扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，盡管對(duì)于通?！叭€擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)裝置，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行適當(dāng)修正，不會(huì)影響“剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”的測(cè)量誤差，因此擺角限值不應(yīng)要求相當(dāng)小。并減小手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤的人為誤差，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易機(jī)構(gòu)，可以通過該機(jī)構(gòu)夾住圓盤，旋轉(zhuǎn)圓盤調(diào)整到指定度數(shù)后，再釋放即可令圓盤作來回?cái)[動(dòng)。其外形尺寸為：13011510mm。電磁鐵在通電一段時(shí)間后溫度會(huì)發(fā)生改變，吸力特性也隨著可動(dòng)鐵芯的移動(dòng)發(fā)生著變化。單次通電工作時(shí)間：1~10s。彈簧剛性繩螺栓電磁鐵圖55a 電磁鐵未通電時(shí)狀態(tài) 圖55b 電磁鐵通電時(shí)狀態(tài) 在上圖中可以看到，本課題所設(shè)計(jì)的夾爪部分是由兩個(gè)弧形的板件通過螺栓相互鉸接接而成，在螺栓的下方墊有兩個(gè)墊片，且螺栓未擰緊，從而保證了夾頭能夠自由的夾緊和釋放。因?yàn)殡姶攀峭ㄟ^剛性繩和兩抓頭相連，所以抓頭會(huì)同時(shí)向中間靠攏，又因?yàn)殡姶盆F的拉力為3kg，所以不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置造成損傷。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在本課題的實(shí)驗(yàn)研究過程中，載荷非常小且各個(gè)方向移動(dòng)范圍不超過50mm，所以在設(shè)計(jì)過程中采用了滑動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)旋鈕絲杠 導(dǎo)向軸座導(dǎo)軌圖56a滑動(dòng)絲杠螺母移動(dòng)裝置移動(dòng)裝置可以通過調(diào)節(jié)蝶形螺母實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量平臺(tái)在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)維度的移動(dòng)，Y、Z方向調(diào)節(jié)與X相同。20mm；Z方向上為：130177。移動(dòng)平臺(tái)的測(cè)試裝置的旋轉(zhuǎn)中心要求和“三線擺”實(shí)驗(yàn)裝置的擺盤的中心在同一條軸線上，在本課題的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)了一個(gè)可供定位的定位錐作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)節(jié)的參照裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)主要為一根錐形柱體，該柱體上有螺紋。 轉(zhuǎn)角控制和傳感器裝夾裝置 轉(zhuǎn)角控制方式在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程中，通常是采用用手去撥動(dòng)擺盤使擺盤旋轉(zhuǎn)5176。其次是在撥動(dòng)的過程中，由于人手總存在一定抖動(dòng)當(dāng)這個(gè)抖動(dòng)值超過一定范圍時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。時(shí)在支座上畫上一條線，這條線位置即擺轉(zhuǎn)后的角度如圖所示虛線位置處。實(shí)驗(yàn)過程中首先要保證激光器照射在擺盤上的光的角度、高度等都不能發(fā)生變化，為此本課題的研究專門為激光器設(shè)計(jì)了一個(gè)支座（如圖510所示）。 其它裝置機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程中除了上述主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)以外，還包括測(cè)試輔助裝置和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接裝置和一些標(biāo)準(zhǔn)件的選型與使用。V型爪的一側(cè)有五個(gè)螺紋孔，其中四個(gè)是和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的橫梁相互連接，一個(gè)孔是和對(duì)面的在另外一個(gè)半片上的螺紋孔相互連接。本課題所設(shè)計(jì)的裝置的有益效果是非接觸式測(cè)量，響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)顯示擺動(dòng)周期、自動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。安放好上述輔助裝置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，開始調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。4. 將夾頭夾置于擺盤上，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)到刻度線，此時(shí)旋轉(zhuǎn)角為5176。兩種方法都可以測(cè)算出周期，本課題使用的方法是頻譜分析法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是受外界干擾小。m2）。m2)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算誤差電控式轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算誤差207104104%%298104104%%500104104%%通過比較表52的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，在使用“三線擺”實(shí)驗(yàn)輔助裝置測(cè)量時(shí)可以大大提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度，實(shí)驗(yàn)測(cè)算結(jié)果誤差可保證在5%以內(nèi)，而手工測(cè)量其誤差遠(yuǎn)大于5%。最終完成了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)方法的調(diào)試，在調(diào)試過程中該輔助裝置能夠精確的感應(yīng)周期轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，有效的解決了三線擺的平動(dòng)問題，同時(shí)每次擺角都可以保證為5176。作者通過對(duì)該課題的深入研究，加深了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及測(cè)試方法的理解，而且在設(shè)計(jì)方案時(shí)用到了大量電學(xué)知識(shí)，間接拓展了本人的電學(xué)知識(shí)面，深刻的理解了機(jī)電結(jié)合才是未來機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文致 謝畢業(yè)設(shè)計(jì)，是我大學(xué)生涯交上的最后一份作業(yè)。感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。hlich, 1991。s sea