【正文】 綜上所述，通過改進(jìn)后的實驗輔助裝置可有效提高“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的精度。用三線擺在不同線長的條件下求圓盤的轉(zhuǎn)動慣量 J0′ ，比較兩種方式的測量精度。2. 若定位錐沒有位于擺盤上的圓心，則調(diào)節(jié)導(dǎo)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。 實驗輔助裝置裝配調(diào)試及檢驗 裝配調(diào)試使用改進(jìn)后的實驗輔助裝置，雖然在實驗之前的準(zhǔn)備上有一些繁瑣，但是相對于未改進(jìn)過的實驗裝置，在后期實驗過程中將會帶來很大的便利。 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(yīng)機(jī)構(gòu)部分，光電池上方裝有一個簡易濾波器。改進(jìn)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(diào)節(jié)輔助裝置的旋轉(zhuǎn)平臺，從而實現(xiàn)“三線擺”擺盤的旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸插入在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。故本課題所設(shè)計的移動平臺在 X 方向上的移動范圍為：85177。滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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％)。在兩夾抓的另外一端由一彈簧連接，當(dāng)電磁鐵處于伸長狀態(tài)下，彈簧產(chǎn)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。斷電后彈簧復(fù)位，在此過程中行程 10mm。下面是對該機(jī)構(gòu)的設(shè)計及分析。3. 所設(shè)計裝置必須具有一定的可調(diào)節(jié)性，并且調(diào)節(jié)精度要滿足設(shè)計要求。為了能方便調(diào)節(jié)光照亮度，激光器供電電路要求可調(diào)如圖。LED12 串聯(lián)接上一個電阻 R39（2K）防止 LED 被燒壞。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補(bǔ)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]。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文8abcdefgpom2134USR056KΩ7ANHCPWLEB9D 圖 410 顯示系統(tǒng)原理圖圖 411 顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在本課題所研究的“三線擺”法測轉(zhuǎn)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(jìn)后采用光電池作為傳感器計數(shù)，大大提高了實驗的精度。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(qū)動。接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮，當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。應(yīng)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。 1. 復(fù)位電路和晶振電路的設(shè)計Mega16 已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計。這種結(jié)構(gòu)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。要使單片機(jī)能接收到光電池感應(yīng)到的信號，那么放大電路至少要放大 40 倍才能保證單片機(jī)接收到高電平，同時也不能太高不然會燒壞單片機(jī)，設(shè)計時應(yīng)不超過 5V。實現(xiàn)了人機(jī)對話等功能。也就是說, 確定光強(qiáng), 就可得到可靠的開關(guān)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(kuò)大了光電計數(shù)器的使用范圍。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。這就是 pn 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。經(jīng)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(diào)節(jié)性。 在設(shè)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(yīng)速度快。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。第 3 章 測試裝置設(shè)計9周 期 信 號 采 集信 號 處 理 模 塊顯 示 裝 置圖 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(shè)計一套非接觸式的測量方式，使測試系統(tǒng)能采集到準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的周期信號的裝置，然后對信號進(jìn)行處理，輸出顯示周期。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(shè)計可以采集擺盤轉(zhuǎn)動穩(wěn)定可靠的周期信號將是需要突破的關(guān)鍵點。鑒于此，迫切需要設(shè)計出精度更高的轉(zhuǎn)動慣量測試系統(tǒng)。盡管用線擺法測量物體轉(zhuǎn)動慣量的原理可靠、操作簡單、測量方便，有一定的實用性。(b)盤上圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量是可以計算的，兩邊圓盤的轉(zhuǎn)動周期都是可以測量的，這樣把計算和測量結(jié)合起來，就可以獲得電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量。lgrTJ20)(?對于一個均質(zhì)圓盤用三根平行線懸吊后，給一個初始扭轉(zhuǎn)角小于 6176。鼠在半徑為 r 的圓周上運動。定義 2：對通過物體一給定點的每組笛卡爾坐標(biāo)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(biāo)軸物體的慣性積為零，則這種特定的坐標(biāo)軸稱為主慣性軸。一些常見勻質(zhì)規(guī)則幾何形狀的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量可查工程手冊，但一些不規(guī)則形狀和非均質(zhì)的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量是很難計算，一般需要用實驗方法求得。3. 汽車的三軸轉(zhuǎn)動慣量汽車的三軸轉(zhuǎn)動慣量是指汽車空車整備質(zhì)量狀態(tài)下的橫擺轉(zhuǎn)動慣量、俯仰轉(zhuǎn)動慣量和側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量，按照汽車坐標(biāo)系，這三軸轉(zhuǎn)動慣量分別是繞質(zhì)心 Z 軸、繞質(zhì)心 Y 軸和繞質(zhì)心 X 軸的轉(zhuǎn)動慣量。不僅漂移過彎需要算到轉(zhuǎn)動慣量，抓地過彎也要算到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量 J 成反比。 這樣分析一個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動問題。轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)用于剛體各種運動的動力學(xué)計算中。本課題所設(shè)計的裝置非接觸式測量，在不改變原有測量裝置的前提下，使測量精度提高，同時設(shè)計焊接了電路系統(tǒng)，為后期實時顯示周期與自動測算轉(zhuǎn)動慣量奠定了硬件基礎(chǔ)。課題難點在于方案的可行性研究。該方法優(yōu)點是簡化了實驗的計算工作量，缺點是該試驗的計算方式并沒有提高測量的精度。本課題設(shè)計一套“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的實驗輔助裝置，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)確的測量三線擺擺盤的轉(zhuǎn)動周期，同時能有效的減小實驗過程中產(chǎn)生的誤差。剛體的轉(zhuǎn)動慣量有著重要的物理意義，在科學(xué)實驗、工程技術(shù)、航天、電力、機(jī)械、儀表等工業(yè)領(lǐng)域也是一個重要參量。該裝置采用非接觸測量方式，可以方便、快捷、準(zhǔn)確的獲取三線擺盤轉(zhuǎn)動的周期信號。測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的方法有多種，三線擺法是具有較好物理思想的實驗方法，它具有設(shè)備簡單、直觀、測試方便等 優(yōu)點。目前，對三線擺測物體轉(zhuǎn)動慣量的實驗，據(jù)可查閱到的文獻(xiàn)表明從 1986 年第 1 章 引言1以來就有人從事轉(zhuǎn)動慣量測量方法的研究和“三線擺”測量方式的改進(jìn)。；4. 轉(zhuǎn)動的時候是否存在平動；5. 空氣阻力 [2]。 河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文2就現(xiàn)階段來說，本文所做的工作主要是研究“三線擺”測轉(zhuǎn)動慣量的實驗改進(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)計一套可以有效運用于“三線擺”法測慣量的試驗平臺上，提高實驗數(shù)據(jù)精度的裝置。轉(zhuǎn)動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)動狀態(tài)（如角速度的大?。o關(guān)。m 。 ??2mrK所以，就是因為有了轉(zhuǎn)動慣量，從能量的角度分析轉(zhuǎn)動問題，才有了價值。雖然在分析動作時，并不一定要用轉(zhuǎn)動慣量的準(zhǔn)確值，但熟練地掌握人體在各種姿勢時轉(zhuǎn)動慣量的差別仍是必要的。所以必須對軸的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行計算，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的飛輪矩，以保證驅(qū)動機(jī)與壓縮機(jī)不在危險的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，并保證滿足一定的轉(zhuǎn)速不均勻度與電流波動值的要求 [6]。用三維建模軟件計算轉(zhuǎn)動慣量，給出的是三組數(shù)值，分別是：1）慣性主軸和慣性力矩，由重心決定；2）由重心決定，并且對齊輸出的坐標(biāo)系。慣性矩俗稱慣性力距，慣性力矩。4. “三線擺”法測慣量方法分析本課題所涉及“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量計算公式：下面將就該公式的推導(dǎo)過程進(jìn)行說明。在確定出誤差最小的擺線長度后，就可以測量電磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量了。 各種測算方法分析通過上述 4 種轉(zhuǎn)動慣量的測試方法分析可得出以下結(jié)論：第一種計算方法在測算復(fù)雜不規(guī)則物體的轉(zhuǎn)動慣量時這種方法不適用，而日常工程中所需測算的轉(zhuǎn)動慣量往往也是不規(guī)則的；第二種三維建模計算的方法需要借助軟件工作，雖然結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是在????????????????????2201mdJ第 2 章 轉(zhuǎn)動慣量的運用研究與測量7運用過程中，所需測算的物體的材料，密度，幾何尺寸往往是比較復(fù)雜的，繪圖工作量巨大。雖然擺角限值不要求相當(dāng)小，但是，為保證圓盤做線性振動，則還是應(yīng)使圓盤轉(zhuǎn)動角度控制在 6 度以內(nèi)。因此想要提高三線擺測慣量的精度我們就必須從以上五方面著手。為了實現(xiàn)上述目的，本課題的技術(shù)方案是：“三線擺”法轉(zhuǎn)動慣量測量輔助裝置，包括測量平臺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、三線擺盤夾頭部分、激光發(fā)射和光電池感應(yīng)機(jī)構(gòu)、信號處理裝置。在安裝方式上也有很多種包括：接觸式和非接觸式等。本課題的設(shè)計過程中用到了激光器，使用激光器的目的是為了在實驗過程中增大光電池所接收到的光強(qiáng)變化。 機(jī)械系統(tǒng)方案本課題的研究設(shè)計是基于 ZME1 型理論力學(xué)多功能實驗臺進(jìn)行的，在設(shè)計光感信號采集裝置 單片機(jī)信號放大器LED周期顯示激光發(fā)射裝置“三線擺”擺盤電磁鐵執(zhí)行件第 3 章 測試裝置設(shè)計11的過程當(dāng)中必須考慮到現(xiàn)有設(shè)備的局限性，從而進(jìn)行合理的改進(jìn)。主體結(jié)構(gòu)包??括：將實驗裝置固定于實驗平臺的 V 型爪；X、Y 方向絲桿移動調(diào)節(jié)導(dǎo)軌，要求移動時調(diào)節(jié)精度≤，所以在設(shè)計中采用牙距為 1mm 螺桿用螺紋副的形式對裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)；三線擺擺盤中心定位錐，定位錐通過套筒和測量平臺連接可以在里面旋轉(zhuǎn)；Z 方向為高度調(diào)節(jié)精度小于等于 ；三線擺擺盤夾頭部分可以圍繞擺盤中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn) 5176。圖41 非晶硅(或硒)光電池的光電特性非晶硅(或硒)自身原子的無序性排列,使它盡可能少地減小光能損失, 從而最大限度地提高光電池的效率, 具有多方向的良好光電特性。光電元件可以在圖中上下虛線之間安裝, 約有70176。在測量環(huán)境比較差的情況下，或有多路被測量時，這兩部分可以分開并遠(yuǎn)離設(shè)置在安全場所，便于遠(yuǎn)程控制和操作，其總體框圖如圖 43 所示。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。響應(yīng)速度快轉(zhuǎn)化精度高，滿足合計需求。不過，內(nèi)置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷海热缭谕饷媸褂?TL431 基準(zhǔn)電壓源。由于沒有外圍零件，故 PB5（MOSI ）、 PB6（MISO）、PB7 （ SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾（圖 47）。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動 5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來驅(qū)動。在本課題中運用 74HC04 將單片機(jī)和數(shù)碼管相連接。電磁鐵所用 24V 電壓直接從平臺供電“三線擺”擺盤激光器光電池及其調(diào)理裝置LED周期顯示020406080100第 一 季 度 第 三 季 度東 部西 部北 部單片機(jī)電路第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計9201()RV??處引出。5V 供電電源電路設(shè)計如下圖 412 所示，在接口的正極接上二極管D1（IN4007）是電流單向?qū)?，防止電源接反造成損失。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1 和 R2 的阻值是不能隨意設(shè)定的。其裝配的最大外形尺寸為：345210155mm 其整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖 51 所示： 圖 51 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)裝配圖 設(shè)計流程本課題的主要是為了設(shè)計針對 ZME1 綜合力學(xué)實驗臺“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量測量實驗的測量精度提高而設(shè)計的一套輔助測量裝置，現(xiàn)有的測量改進(jìn)方法，要么測量過程復(fù)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(jìn)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(shè)計加工了“三線擺”法轉(zhuǎn)動慣量測量輔助裝置。為了實現(xiàn)圓盤轉(zhuǎn)動角度 6176。安裝尺寸：202637mm。其工作過程如圖 55所示。夾爪彈簧螺栓夾爪頭電磁鐵剛性繩河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文4 移動裝置設(shè)計考慮到本課題所需設(shè)計的實驗輔助裝置的調(diào)節(jié)范圍較短，但是精度要求較高，所以選用了絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動機(jī)構(gòu)。X 方向?qū)蜉S座上有螺紋孔當(dāng)裝置調(diào)節(jié)到指定位置時，上緊螺栓使整個裝置相對穩(wěn)定，移動端用四個螺母兩兩并死固定于測試平臺兩端如圖 56 所示。使用時先調(diào)節(jié) X 方向的位置，然后調(diào)節(jié) Y 方向的位置，最后調(diào)節(jié) Z 方向的位置，直至定位裝置到達(dá)指定位置時停止調(diào)節(jié)。這個值。本節(jié)主要講的是激光器和光電池的安裝。圖 511a 連接實驗平臺 V 型爪實物圖圖 511b 型爪結(jié)構(gòu)圖示意圖光電池激光器河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文8上述 V 型爪是有兩個半片組成，中堅有一顆銷釘將兩個活頁連接在一起。在放置的時候讓對中錐的尖端離“三線擺”擺盤的距離在 2~5mm，此時上緊兩活葉之間的固定螺栓，使整個實驗裝置能牢牢的固定在實驗平臺的立柱上面。7.