【正文】 理等。上述兩種方法也是目前大部分學者所研究的方向，方法雖然各異,但是都具有共同目標，就是減小實驗中的誤差，以提高實驗結果的精確度。2011年海軍航空工程學院基礎實驗部理化實驗中心張勇提出了運用剛體轉動慣量疊加原理，對三線擺測量剛體轉動慣量的原理公式進行合理變形，選擇下盤的固有轉動慣量作為測量的標準量，推導了剛體轉動慣量的測量公式。特別是實驗平臺的徑向擺動，實驗平臺未能水平放置以及人工計數(shù)等等因素使得測試測量誤差較大，教學工作人員和學生都不滿意。從而產生了用自動的方式來測量物體轉動慣量的想法，以達到減小人為誤差的目的[1]。轉動慣量的測量，一般都是使剛體以一定的形式運動。江蘇技術師范學院畢業(yè)論文新機械設計制造及其自動化優(yōu)秀本科畢業(yè)論文 研究意義轉動慣量是剛體轉動時慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質量分布及轉軸的位置。目前關于轉動慣量的常規(guī)測量方法有直接計算法、線擺法和扭振法等。但在普通的測量實驗中，一般采用測量三線擺微擺周期，然后計算轉動慣量的方法，這種線擺法測轉動慣量的測量方式仍依靠手動操作，由于人為操作自身的局限性必然存在著人為誤差。調試的方法不盡合理，在測量過程中誤差產生的原因很多。同時發(fā)表了很多與之相關的論文。該方法的優(yōu)點是減少了人工計數(shù)的工作量，同時采用加速度傳感器其測算的精度也有所提高，缺點是該方法在測量周期是改變了擺盤自身的轉動慣量，給測算帶來誤差。 主要研究內容本課題要求研究物體轉動慣量的常規(guī)測試方法，并且設計出測量精度更高的測試方法，基本擺脫人為因素的干擾，實現(xiàn)物體轉動慣量的自動測量。另外，硬件的設計必然將涉及到機學、電學，以及信號的采樣處理等，覆蓋范圍較大，需重點突破。本課題是針對轉動慣量及測試方法進行的研究，在常規(guī)測試方法的基礎上設計出新的轉動慣量測試系統(tǒng)，提高其測試精度。第 11 頁 共 49 頁江蘇技術師范學院畢業(yè)論文第2章 轉動慣量的運用研究與測量 轉動慣量的物理意義及其運用轉動慣量是表征剛體轉動慣性大小的物理量，剛體轉動慣量的大小表現(xiàn)了剛體轉動狀態(tài)改變的難易程度。規(guī)則形狀的均質剛體，其轉動慣量可直接計算得到。轉動慣量的量綱為[L把代入動能公式 (ω是角速度，r是半徑，在這里對任何物體來說是把物體微分化分為無數(shù)個質點，質點與運動整體的重心的距離為r，而再把不同質點積分化得到實際等效的r)，得到，由于某一個對象物體在運動當中的本身屬性m和r都是不變的，所以把關于m、r的變量用一個變量K代替，得到，K就是轉動慣量，分析實際情況中的作用相當于牛頓運動平動分析中的質量的作用，都是一般不輕易變的量。 3）除了不包含轉動信息，而且還不包含體現(xiàn)局部運動的信息，因為里面的速度v只代表那個物體的質心運動情況。1. 轉動慣量在車輛轉彎時的應用車輛過彎時應該要考慮轉動慣量。2. 人體轉動慣量在體育中的應用實際上現(xiàn)實的物體是有大小的，它的質量不可能集中于一點，而是分布在物體的各點上，各點到轉動軸的距離又不相同。在去打排球瞬間將臂打開，在已獲得較大的ω的基礎上，突然增大R，這樣線速度V增加，從而獲得大的揮臂速度。另外，在進行實驗評價時,為檢驗理論分析時所用特性參數(shù)的正確性, 以及車輛間進行比較時, 都要求高精度地測量這些特性參數(shù)[5]。掌握轉動慣量的概念和如何測定剛體的轉動慣量是十分重要的。而對于三維空間中對于一般直線甚至連平行于坐標軸的直線的轉動慣量都沒有給出計算方法。慣性主軸的定義：定義1：三條相互垂直的坐標軸，其中構件慣性積等于零的某一坐標軸。轉動慣量嚴格定義是一個物體上，它的每一極小塊乘以那一小塊到轉動中心的距離的平方，再把乘積都加和起來就是轉動慣量：K=mr2。圖21 慣量測試儀實驗裝置結構圖上層為工作臺，其上刻有同心圓線，下層為動盤，動鼠在其上跑動，系桿與軸Z 以滑動軸承連接。設A與O距離r1，B 與O相距為r2，如待測物質量M1相對質心軸Z1的轉動慣量為J1，通過兩次測定便知M1，J1。 設圓盤最大轉動角為，當圓盤轉動角為時， 由圖示幾何關系： 22 三線擺示意圖圓盤扭轉振動時最大動能為： 圓盤扭轉振動時最大勢能為： ∵， ∴對于保守系統(tǒng)：得圓盤振動的固有圓頻率或固有頻率： 則轉動慣量(注意不是R)。而不同的線長將導致實驗測得的圓盤轉動慣量值不同，所以找到測量誤差最小時的線長l也是該實驗階段的重點部分。因為(a)、(b)圓盤上的物體重量完全相等，根據(jù)線擺法的等效原理，如果它們的扭轉振動周期也相同的話，那么它們的轉動慣量是相等的。 (25)測量與兩個圓柱等重的電磁鐵的扭振周期T(s)，應用（兩圓柱在不同距離時所測周期及所求轉動慣量）數(shù)據(jù)表及插入法，求得電磁鐵的轉動慣量J0(kg因此在實驗教學中往往采用“三線擺”法測轉動慣量的方法。畢竟在測量過程中，測量者是靠肉眼來觀察圓盤擺動的位置，那么位置觀察就可能存在誤差，而且測量者靠手動來控制秒表的開始與結束，即按表時刻與圓盤擺動起始時刻不可能同步，存在一個時間差，這也是手動測量時不可避免的，而最終導致的結果就是測量出來的周期值存在人為誤差。綜上所述，用線擺法測試物體轉動慣量，存在著影響擺動周期和轉動角度的人為因素，進而嚴重影響了轉動慣量的測試精度。其中包括：；；；176。擺線是否水平是實驗平臺自身的局限導致，需要用水平尺進行調節(jié)。所設計的裝置要求1. 移動范圍X方向上可以自由的移動范圍為：0~40 mm；Y方向上可以自由的移動范圍為：0~40 mm；Z方向上可自由移動的范圍為：0~20mm；2. 定位精度≤；3. 信號采集時間響應時間小于20ms。其測量系統(tǒng)結構如下圖31所示。 電氣系統(tǒng)方案在“三線擺”法測轉動慣量的實驗過程中，最重要的數(shù)據(jù)就是擺盤的周期，所以在實驗過程中把周期的精度測算的越高，其轉動慣量的測算精度也將越高。下面就各個傳感器特性作簡要介紹：1. 光敏電阻隨著光線的強弱，電阻值變化，但是其響應速度慢，而擺盤擺動相對較快，所以不選用光敏電阻作為測量器件。4. 采用霍爾元件對周期進行測量，這種測量方式要在擺盤上附加一塊磁性物質，這樣會改變真?zhèn)€裝置的轉動慣量，這也會給實驗帶來很大的誤差。測量方法為非接觸式，相比于接觸式的測量方式在本設計中主要的優(yōu)點：；。單片機“三線擺”擺盤LED周期顯示激光發(fā)射裝置光感信號采集裝置 信號放大器電磁鐵執(zhí)行件圖32 “三線擺”實驗輔助裝置電系統(tǒng)設計流程圖選用電磁鐵作為本裝置執(zhí)行器件，通過電源的開關可以在沒有直接接觸到測量平臺的前提下實現(xiàn)對整個裝置測量控制。同時該試驗臺有多個擺盤，要求所設計的實驗輔助裝置能進行移動，以便測算其他擺盤物件上的轉動慣量。的問題。第 49 頁 共 49 頁江蘇技術師范學院畢業(yè)論文第4章 電氣系統(tǒng)原理及設計 光電池工作原理當光照射到光電池的表面時，光能被吸收，在pn結上產生電子空穴對,在內建靜電場的作用下各自向相反的方向運動， 結果使p區(qū)電勢升高，n區(qū)電勢降低，pn結形成光生電動勢。開路電壓與光照度之間呈非線性關系，照度大于1000lx 時呈現(xiàn)飽和特性，但其靈敏度很高。非晶硅（或硒）光電池具有明確快速的光電效應，產生的電勢及電流穩(wěn)定（純正的直流） , 受外界溫度及環(huán)境變化影響小，可以作為恒定的直流電源。反射式傳感器中的光電元件接收的是反射光，因此輸出的電流小于遮光式，且被測物距傳感器端面的距離及其材質、形狀等對檢測精度和靈敏度影響很大其響應上升下降時間為20ns。另外, 光電池在光強為20lx 時即可輸出穩(wěn)定的電壓。信號處理單元可以處理多路傳感器送來的信號。其中接口電路包括單片機的讀寫電路、電源接口和對外設的供電接口。放大調理電路的作用是把傳感器傳來的開關信號處理成微處理器要求的電壓值, 并進行遠距離傳輸, 提高了信號的抗干擾能力以及設備的靈敏度。設計放大電路時要求每級放大電路不超過15倍，否則放大效果將會受到影響。當擺盤擺動時，光照射在黑線上，光電池會出現(xiàn)一個明顯的周期電壓變化，對電壓信號用LM324進行放大調理，將調理后的電壓信號輸入單片機中如圖44所示，光電池信號從接口端進入，輸出端接到單片機上帶A/D功能的端口，其中一個放大電路為備用電路。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。在本課題研究過程中選用ATmega16單片機作為信號的處理器，是因為該單片機自帶時鐘模塊和模數(shù)轉化模塊。下面就單片機各外圍電路的設計作簡要的設計說明。當AVR在工作時，按下S1開關時，復位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復位（如圖45）。Mega系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。官方文檔推薦在VCC串上一只10uH的電感（L1），然后接一只100pF的電容到地（C6）。習慣上在AREF腳接一只100pF的電容到地（C7）。單片機圖46 AD轉換濾波線路原理圖3. ISP下載接口設計ISP下載接口，不需要任何的外圍零件。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極COM。靜態(tài)驅動也稱直流驅動。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。 DisLED送出一位顯示先點亮最右邊的LED送位控制信號取顯示數(shù)據(jù)指向顯示緩沖區(qū)末地址延時1ms指向下一緩沖單元位控信號左移一位查表取字形碼返回第一位顯示最左一位？YN圖49 LED動態(tài)掃描子程序的流程圖為了優(yōu)化系統(tǒng)設計，節(jié)約成本，減少工作量，減少硬件組成，為此在本課題的實驗過程中采用動態(tài)顯示的方法。八段段碼LED顯示器的共陽端接+5V，陰端分別接PC0~PC7，選通端1~4和四個反向器相連接由單片機PA0~PA3控制（圖410）。對此設計出供電模塊。5V，12V，還有可調整輸出的型號。在指定輸入電壓和輸出負載條件下保證輸出電壓的4%誤差，以及振蕩器頻率10%誤差，還包括外部的關斷電路，特征有50（典型值）待機電流。在LM2576的2端口分別連上電容C10（100uF）和C11（1000uF）接地。電子愛好者經常用317穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。圖413 激光器可調供電電源本課題運用LM317為激光器供電，實驗中用到的激光器是0~5V供電電壓可調的銅材半導體激光管，其額定功率為5mW。設計過程中不僅要滿足實驗精度的要求，同時還要能夠方便的操作從而測量得到可靠的實驗數(shù)據(jù)。2. 所設計裝置在使用過程中能方便師生的使用，達到簡化實驗操作的目的。但本實驗中要求三線擺圓盤作線性振動，對于扭轉振動來說，就是把轉角大小當作振動位移來建立振動方程，所以根據(jù)線性振動的定義，只有小于6度的扭轉振動才是線性振動。圓盤的扭轉及夾緊（放松）分別由釋放機構和夾頭控制，夾頭部分和電磁鐵相連接，通過控制電磁鐵的通斷來控制夾頭的張合。圖53 釋放機構實物圖本課題設計所用電磁鐵采用框架直流推拉式電磁鐵ZYE1(TAU)0837ZP DC12/24V其行程為10mm?？蚣苁诫姶盆F工作過程為：當接入24V直流電源時產生電流，通電螺線管會產生磁通吸引可動鐵芯，從而實現(xiàn)電磁鐵的移動。通電后電磁鐵向后收縮10mm，此時，兩個夾頭分別向圓盤中心位置處移動5mm，從而使夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤。在弧形夾頭板件上面有兩塊帶有弧度的夾爪頭，此夾爪頭圓弧所對應的直徑為100mm，與“三線擺”實驗裝置的擺盤直徑相同，此設計的目的是為了讓夾頭在夾取的時候能夠更加穩(wěn)定。 定位移動裝置的設計在本課題所述輔助測量裝置平臺調節(jié)機構部分，通過調節(jié)蝶形螺母由絲桿副組成的移動副能實現(xiàn)整個測量裝置在給定范圍內水平移動，在對中裝置的下方同樣裝有絲桿機構，能在上下方向上移動。有以傳遞能量為主的(如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；也有以傳遞運動為主的如機床工作臺的進給絲杠)；還有調整零件之問相對位置的螺旋傳動機構等。在絲杠的水平方向上各設計安裝了了一根導軌，導軌中有一鍵槽和55mm鍵槽緊配合。圖56b 滑動絲杠螺母移動裝置X:175mmY:圖57 “三線擺”和兩立柱之間位置關系俯視圖所設計的實驗輔助裝置要求在空間內可以自由移動（如圖57），并且能滿足實驗測試的要求，由于實驗平臺自身在空間上的位置相對比較固定，所以在設計過程中移動位置可以比較小，這不僅方便安裝調試，還節(jié)約了成本。10mm。其具體結構如圖58所示。然后開始計算周期。旋轉平臺支座 測試平臺圖59 “三線擺”控制擺角的虛線位置“三線擺”法測慣量時要求擺盤對中裝置部分主要由一個定位錐，該定位錐位于測量平臺的中心，其他測量裝置和夾頭部分均分布在其徑向部分，都可以繞其旋轉。畫好此虛線（用鐵筆畫細長的線）如圖59所示，在以后實驗過程中旋轉實驗平臺至虛線位置處就說明旋轉到位，可以進行實驗。其中定位錐上有螺紋所以激光座下的橫梁可以通過螺紋連接固定于實驗裝置之