【正文】 t springsuspension system and the rigidities of other parts of the tractor. Therefore such units are analysed with the use of the concentrated mass method. Literature (Mitschke, 1989。感謝這篇論文所涉及到的各位學者。在本課題研究設計過程中由于時間較倉促未能設計出程序，讓該裝置進行轉動慣量的自動測算。本課題包括對擺動周期信號采集系統(tǒng)的多種方案設計、完成其中的“電平位移電路采集信號”方案的制作、設計了LED顯示程序流程圖、實現(xiàn)圓盤扭轉角度的控制、完成圓盤釋放裝置設計等內容。第6章 實驗輔助裝置的使用與結論第6章 結論及展望本文從轉動慣量的理論知識入手，就轉動慣量的測量方法進行了分析，研究和分析了之前學者們對改進轉動慣量測量的方案。表51 三線擺不同測量方法在不同長度下的周期（單位：s）測量次數(shù)線長l(mm)第1次第2次第3次平均值手動測量電控式測量手動測量電控式測量手動測量電控式測量手動測量電控式測量20729811500表52 三線擺不同測量方法在不同長度下精度長度l(mm)手動轉動慣量測算結果(kg用三線擺在不同線長的條件下求圓盤的轉動慣量J0′，比較兩種方式的測量精度。6. 給電磁體供電，通過與夾頭的連接，使夾頭松開，三線擺開始自由旋轉。2. 若定位錐沒有位于擺盤上的圓心，則調節(jié)導向軸座兩邊的蝶形螺母移動裝置使其沿著X、Y方向移動，最終使定位錐的尖點位于擺盤的圓心。圖512 輔助裝置裝配調試及其波形下面是實驗輔助裝置的使用方法：將上述改進輔助裝置V型爪部分放置于“三線擺”實驗平臺的立柱上，上述V型爪是由兩個活葉鉸接而成，上述一活葉有螺紋孔，通過螺栓與擺臂連接。 實驗輔助裝置裝配調試及檢驗 裝配調試使用改進后的實驗輔助裝置，雖然在實驗之前的準備上有一些繁瑣，但是相對于未改進過的實驗裝置，在后期實驗過程中將會帶來很大的便利。在設計過程中考慮到原有實驗平臺的局限性，在裝夾的過程中只可以利用測試平臺兩邊的立柱，所以設計過程中采用了V爪的設計方式，其具體結構如下圖實物圖（圖511所示）。光電池激光器 圖510a 激光器和光電池安裝示意圖 510b 激光器和光電池安裝實物圖激光發(fā)射和光電池感應機構部分，光電池上方裝有一個簡易濾波器。 激光器和光電池裝夾裝置“三線擺”法測慣量實驗輔助裝置用于測量轉動周期的方式主要由激光器和光電池構成，其主要電氣特性在第4章已經有詳細介紹了，在這里就不再贅述。改進后的實驗裝置可以有效的避免人為直接操作“三線擺”擺盤，而是間接的通過調節(jié)輔助裝置的旋轉平臺，從而實現(xiàn)“三線擺”擺盤的旋轉。這樣的方法對實驗結果會產生很大的誤差，首先是手工撥動沒有參照，很難精確的控制在5176。夾爪支座定位錐測試平臺支座電磁鐵套筒圖58a 定位裝置的仿真圖 圖58b定位裝置的裝配圖定位錐通過4個螺栓連接在轉軸上，轉軸插入在轉軸套中，二者為間隙配合，這樣整個測量平臺就可以在上面轉動，定位錐上攻有螺紋是為了方便于激光器和光電池裝夾在上面。其中Z方向可以調節(jié)裝夾部分直接在立柱上移動，所以調節(jié)部分不必要有太多冗余。故本課題所設計的移動平臺在X方向上的移動范圍為：85177。其在X、Y、Z軸設計圖紙參見附錄2和圖51所示?；瑒咏z杠螺母機構結構簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低(30％～40％)。定位部分主要設計了一個定位錐，將定位錐固定于測試平臺的最中間，定位錐移動平臺時將定位錐對準“三線擺”擺盤的中心位置。在兩夾抓的另外一端由一彈簧連接，當電磁鐵處于伸長狀態(tài)下，彈簧產生一個收縮的力使夾頭的張開，以便于測量的時候固定擺盤位置。 圖54 電磁鐵的實物圖 夾頭設計夾爪頭夾爪夾頭的功能主要是夾緊及釋放圓盤，經過分析比較、調查研究后，決定利用電磁鐵來實現(xiàn)這一功能，其工作原理在上文中已經提到過。斷電后彈簧復位，在此過程中行程10mm。其特性為：容易固定以及連接負載溫升穩(wěn)定，可延長產品壽命并確保良好性能E扣環(huán)及橡皮墊圈使電磁閥靜音運作低磨擦確保高效率并延長壽命結構設計簡易可靠。下面是對該機構的設計及分析。爪頭部分由兩內徑和擺盤外徑相同的兩彎臂鉸接而成，兩彎臂的尾部有一彈簧，使兩彎臂處于外張狀態(tài)，通過電磁的通斷控制，控制夾頭的張合，可夾住“擺盤”進行轉動，抓頭上有兩塊厚塑料，其主要功能是防止磨損擺盤和在夾取的時候防止讓擺盤變形。3. 所設計裝置必須具有一定的可調節(jié)性，并且調節(jié)精度要滿足設計要求。本課題所設計的測試機械結構裝置部分可分為：擺盤夾取裝置、定位移動裝置、轉角定位和計數(shù)傳感裝置以及其他部分。為了能方便調節(jié)光照亮度，激光器供電電路要求可調如圖。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算.(42)僅僅從公式本身看，RR2的電阻值可以隨意設定。LED12串聯(lián)接上一個電阻R39（2K）防止LED被燒壞。輸出開關包括逐周限流，以及在故障狀態(tài)下提供完全保護熱關斷功能。這些穩(wěn)壓器內部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，將其外部電路減到最少，使用簡便[11]。通過電源模塊用到LM2576轉化成直流5V給整個裝置供電。圖410 顯示系統(tǒng)原理圖“三線擺”擺盤LED周期顯示激光器單片機電路光電池及其調理裝置圖411 顯示系統(tǒng)結構圖在本課題所研究的“三線擺”法測轉動慣量實驗平臺輔助裝置的實驗過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，改進后采用光電池作為傳感器計數(shù)，大大提高了實驗的精度。3. 顯示系統(tǒng)設計74HC04/74HCT04是六反相器,高速CMOS器件，低功耗肖特基的TTL(LSTTL)電路。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。靜態(tài)驅動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅動，或者使用如BCD碼二十進制譯碼器譯碼進行驅動。接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。使用雙排25插座。應用時，可以將AVCC直接接到VCC，AREF懸空。不過為了線路的規(guī)范化仍然接上。單片機 圖45 復位電路和晶振電路原理圖Mega16已經內置RC振蕩線路，可以產生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。1. 復位電路和晶振電路的設計Mega16已經內置了上電復位設計。模數(shù)轉化模塊主要特性包括：10位精度，65260μs 的轉換時間，最高分辨率時采樣率高達15kSPS，路復用的單端輸入通道，可選的左對齊ADC讀數(shù)，0VCC 的ADC輸入電壓范圍，連續(xù)轉換或單次轉換模式，通過自動觸發(fā)中斷源啟動ADC 轉換，ADC轉換結束中斷。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。單片機圖44 激光發(fā)射及信號采集電路 單片機及其外圍電路設計ATmega16單片機簡介紹ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。要使單片機能接收到光電池感應到的信號，那么放大電路至少要放大40倍才能保證單片機接收到高電平，同時也不能太高不然會燒壞單片機，設計時應不超過5V。1. LM324介紹及運用LM324內部包括有4個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)牡凸β蔬\算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用, 也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。實現(xiàn)了人機對話等功能。這兩部分可以集成在一起形成一個整體，封裝在一個表殼內。也就是說, 確定光強, 就可得到可靠的開關信號, 這樣大大降低了傳感器的安裝條件、被測物的通道寬度要求, 從而擴大了光電計數(shù)器的使用范圍。由于前面介紹的非晶硅光電池具有高靈敏性, 因此, 它對傳感器的安裝位置要求相對來講較低, 如圖42所示。此外，非晶硅（或硒）光電池的使用壽命較長，一般壽命都在10年以上。由實驗可知，光電流的負載阻越小，光電流與照度之間的線性越好，且線性范圍更寬。這就是pn結的光生伏特效應。X、Y方向可以20mm移動，Z方向上可進行10mm的移動。經過分析論證，該試驗臺的輔助裝置最佳的方式就是裝夾在試驗臺的立柱上，而且要具有可調節(jié)性。在電路的設計過程中所選用的元件基本是貼片式的，這是為了使整個電路的外形尺寸比較小，方便裝配在裝置上。 在設計的時候要滿足不改變原有測試平臺極其附屬部件，以及測試過程中要求響應速度快。5. 用光電池測量周期，查閱本課題研究所用到西門子公司生產的SFH206K該光電池響應速度快可達20ns，靈敏度高（光照強度為1000lx，感應電壓大于310mV），所以適合用于本實驗的傳感測量裝置。2. 光敏三極管是利用外照光線的變化，來實現(xiàn)控制電路的通或斷，光敏三極管受外界干擾較大，且在安裝過程中要求很高，所以不采用該器件。測算擺盤轉動周期時，有很多傳感器可以使用：光敏電阻、光敏三極管、霍爾元件、加速度傳感器光電池等。夾爪V形爪實驗臺立柱X移動軸Y移動軸Z移動軸圖31 非接觸式測量系統(tǒng)硬件平臺搭建示意圖電系統(tǒng)部分設計一套非接觸式的測量方式，使測試系統(tǒng)能采集到準確穩(wěn)定可靠的周期信號的裝置，然后對信號進行處理，輸出顯示周期。 總體方案設計本課題主要是為了提高“三線擺”法測慣量實驗數(shù)據(jù)的精度而設計的一套輔助測量裝置，現(xiàn)有的測量改進方法，要么測量過程復雜，要么只解決帶來誤差的一兩個問題，尚未有一套合理的改進方法能夠完全解決上述問題，為了簡化實驗的操作過程，減少測量人員的工作量，最大程度的提高測量精度和數(shù)據(jù)可信度，設計加工了“三線擺”法轉動慣量測量輔助裝置。本課題的主要研究方向是解決后面三點給實驗帶來的誤差，所以設計可以采集擺盤轉動穩(wěn)定可靠的周期信號將是需要突破的關鍵點。；。鑒于此，迫切需要設計出精度更高的轉動慣量測試系統(tǒng)。另外，對通?！叭€擺”法測轉動慣量實驗裝置，擺動時平動動能被忽略是與擺角大小無關的，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結果中進行適當修正，不會影響“剛體轉動慣量”的測量誤差，因此擺角限值不應要求相當小[8]。盡管用線擺法測量物體轉動慣量的原理可靠、操作簡單、測量方便，有一定的實用性。m2)[7]。(b)盤上圓柱體的轉動慣量是可以計算的，兩邊圓盤的轉動周期都是可以測量的，這樣把計算和測量結合起來，就可以獲得電磁鐵的轉動慣量。因為對應不同的擺線長，測得的轉動慣量值不一樣，那么其誤差也不一樣，通過上面的實驗可以找到對應誤差最小的擺線長。對于一個均質圓盤用三根平行線懸吊后，給一個初始扭轉角小于6176。先使Z1過A有φ01，θ1，則有： （23）其中，J0是動鼠系統(tǒng)對Z 軸的轉動慣量，J是動盤系統(tǒng)對Z軸的轉動慣量，φ0i是動鼠系統(tǒng)相對靜系的轉角，θi是動盤系統(tǒng)相對靜系的轉角。鼠在半徑為r的圓周上運動。俗稱慣性矩。定義2：對通過物體一給定點的每組笛卡爾坐標軸，該物體的三個慣性積通常不等于零，若對于某一上述的坐標軸物體的慣性積為零，則這種特定的坐標軸稱為主慣性軸。本文根據(jù)數(shù)學分析和解析幾何的相關知識, 應用微元法給出空間中的質量曲線S和質量立體V對任意直線l的轉動慣量的計算方法。一些常見勻質規(guī)則幾何形狀的剛體，其轉動慣量可查工程手冊，但一些不規(guī)則形狀和非均質的剛體，其轉動慣量是很難計算，一般需要用實驗方法求得。4. 轉動慣量對活塞壓縮機驅動電機主軸的重要性近代壓縮機對振動的控制要求日益嚴格，對于大中型壓縮機，軸系的扭轉振動以為外國公司列為計算項目之一，正常情況下，壓縮機應該在共振區(qū)之外運行，如果在共振區(qū)中運行，軸將產生很大振幅，以致在軸段中引起足以損壞軸的附加應力。3. 汽車的三軸轉動慣量汽車的三軸轉動慣量是指汽車空車整備質量狀態(tài)下的橫擺轉動慣量、俯仰轉動慣量和側傾轉動慣量，按照汽車坐標系，這三軸轉動慣量分別是繞質心Z軸、繞質心Y 軸和繞質心X軸的轉動慣量。這樣一來，就應該運用公式把每一點的轉動慣量算出，然后再相加，這樣才能得到整個物體的轉動慣量。不僅漂移過彎需要算到轉動慣量，抓地過彎也要算到轉動慣量：如果把車看成是剛體的話，那剛體在合外力矩M的作用下，所獲得的角加速度與合外力矩大小成正比，與轉動慣量J成反比。 4）之所以利于分析，是因為包含了一個物體的所有轉動信息，因為轉動慣量本身就是一種積分得到的數(shù)，更細一些講就是綜合了轉動物體的轉動不變的信息的等效結果（這里的K和上面的J一樣）。 這樣分析一個轉動問題就可以用能量的角度分析了，而不必拘泥于只從純運動角度分析轉動問題。M]，在SI單位制中，它的單位是kg不規(guī)則剛體或非均質剛體的轉動慣量，一般用實驗法測定。通過公式或可以知道，轉動慣量的大小由物體的質量、質量分布和轉軸的位置三個因素來決定。作為一種更加精確的測試方式，本文設計的物體轉動慣量自動測試系統(tǒng)如果進一步改良，可成為一種適用于各種物體的轉動慣量測試手段，在工程設計中得到普遍應用，將是一種方便、快捷、準確的測量方式。信號（主要是指三線擺轉動的周期信號）采集方案的設計是本文研究的核心部分。那么在設計過程中就要考慮到許多實際的問題，其中包括測量方案的選定、相關硬件的設計以及測量數(shù)據(jù)的處