【正文】 足一定的轉(zhuǎn)速不均勻度與電流波動值的要求[6]。雖然在分析動作時，并不一定要用轉(zhuǎn)動慣量的準確值，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，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。m。式中r為組成剛體的質(zhì)量微元Δm（或dm）到轉(zhuǎn)軸的垂直距離，求和號（或積分號）遍及整個剛體。在結(jié)合性價比的情況下，優(yōu)選出最佳方案，并最終將該方案需要用到的硬件設(shè)計制作出來。張代勝等在《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》中發(fā)表論文詳細地分析了“三線擺”法誤差產(chǎn)生的原因：1. 三線擺的擺盤是否水平；2. 周期測量精度的高低；3. 擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于6176。某種程度上說這和三線扭擺法是測量轉(zhuǎn)動慣量的優(yōu)點“儀器簡單，操作方便、精度較高”是相悖的。通過表征這種運動特征的物理量與轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，進行轉(zhuǎn)換測量。近年來，伴隨著高新技術(shù)的日新月異，對物體轉(zhuǎn)動慣量，尤其是對非均質(zhì)、不規(guī)則物體轉(zhuǎn)動慣量的深入性研究已經(jīng)對未來的航天、航空、軍事及精密儀器制造等高精尖行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響，而且，轉(zhuǎn)動慣量對于研究、設(shè)計、控制轉(zhuǎn)動物體，尤其是導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等飛行體的運動規(guī)律有著非常重要的作用，是影響其運動的重要參數(shù)之一。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀教學(xué)實驗中，用三線擺測定剛體轉(zhuǎn)動慣量的實驗設(shè)備由于測量條件和方法的限制，在實驗的操作、測量、記錄分析過程中存在諸多不便。2009年東風(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間歷程信號，通過測算以得到三線擺的周期信號。作為整個設(shè)計流程的前提，方案的選取決定著設(shè)計的方向，例如測量物體轉(zhuǎn)動慣量的方式可以是機械式的，電控式的等等，這就決定了以后設(shè)計的方向是純機械的、純電控的或者機電結(jié)合的。該設(shè)計準確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實驗測算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率。描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定理：剛體對一軸的轉(zhuǎn)動慣量，等于該剛體對同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動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md恒大于零，因此剛體繞過質(zhì)量中心之軸的轉(zhuǎn)動慣量是繞該束平行軸諸轉(zhuǎn)動慣量中的最小者[3]。 2）之所以用難以分析轉(zhuǎn)動物體的問題，是因為其中不包含轉(zhuǎn)動物體的任何轉(zhuǎn)動信息。所以后半段特別是在快出彎時，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]。在新車設(shè)計時, 必須運用這些特性參數(shù),通過動力學(xué)模型來預(yù)測車輛的動力學(xué)性能。2. 三維建模法測量物體轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量是物理學(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對三個坐標軸(X軸，Y軸，Z軸) 的轉(zhuǎn)動慣量的計算方法。慣性力矩就是轉(zhuǎn)動慣量。J11=J1若其過A，注意A與O點相距為r1，測時使待測物與工作臺緊貼，可測出： （22）理論值應(yīng)為J12=J11+r12M1，其中M1為待測物質(zhì)量，這里應(yīng)用平行移軸公式， 若采取Z1軸過O，A，B 等不同的點可測出θi，φ0i通過一組代數(shù)方程組便可計算出M1與J1。從計算公式(24)中可以看出，要求得圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，需要知道線長l。如圖所示，設(shè)置兩圓柱體不同的中心距為S，分別測出各S的扭轉(zhuǎn)振動周期，兩個圓柱對中心軸轉(zhuǎn)動慣量可按公式(25)進行計算。首先，在測量時采用秒表來記錄時間，人為因素影響很大。“三線擺”法測慣量的實驗過程中由于實驗裝置本身不足和人為操作所帶來的影響。的控制方法以及避免“三線擺”擺動的問題。該裝置可以在三線擺擺盤給定的位置處進行移動。這樣的操作會造成很大的誤差所以不能采用。周期測算系統(tǒng)具體構(gòu)成如圖32所示。并且能實現(xiàn)實測設(shè)平臺的對中，解決擺轉(zhuǎn)角≤6176。圖41示出非晶硅（或硒）光電池的光電特性曲線。遮光式傳感器的主要缺點是響應(yīng)速度慢、信噪比低。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) 單片機控制光電池計數(shù)原理單片機控制光電計數(shù)器按其功能可劃分為兩個部分，即檢測部分和信號處理單元。 信號采集模塊光電計數(shù)器的檢測部分由光電池構(gòu)成的光電物位傳感器和放大調(diào)理電路組成。2. 采集模塊電路圖本課題主要運用非晶硅光電池對信號進行采集，其方法是在三線擺擺盤上事先畫出一條黑線，實現(xiàn)用一個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，利用反射式對信號進行采集。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、仿真器及評估板[10]。D4 (1N4148)的作用有兩個：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，將R14(100K)電阻短路，讓C3快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。精度為滿足課題所需設(shè)計要求。本課題為了讓電路更加穩(wěn)定沒有懸空（圖46）。 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。盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，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)，不會有閃爍感，動態(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。 電源模塊設(shè)計該實驗輔助裝置直接引用實驗測量平臺所提供的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。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。317系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如LM317HVH、W317L等。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文第5章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在確定了周期信號的采集方式的情況下，現(xiàn)對控制圓盤轉(zhuǎn)動角度及釋放圓盤的裝置進行設(shè)計。實驗操作不方便收集“線擺”法測慣量設(shè)想方案草圖設(shè)計“三線擺”改進裝置機構(gòu)模擬AutoCAD工程圖裝配調(diào)試實驗改進裝置3D動態(tài)模擬YYYYYNNNNNNN圖52 機械設(shè)計流程圖用三線擺測圓盤的轉(zhuǎn)動慣量，需要將圓盤扭轉(zhuǎn)一個角度，盡管對于通?！叭€擺”法測轉(zhuǎn)動慣量實驗裝置，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結(jié)果中進行適當(dāng)修正，不會影響“剛體轉(zhuǎn)動慣量”的測量誤差，因此擺角限值不應(yīng)要求相當(dāng)小。其外形尺寸為：13011510mm。單次通電工作時間：1~10s。因為電磁是通過剛性繩和兩抓頭相連，所以抓頭會同時向中間靠攏，又因為電磁鐵的拉力為3kg，所以不會對實驗裝置造成損傷。在本課題的實驗研究過程中，載荷非常小且各個方向移動范圍不超過50mm，所以在設(shè)計過程中采用了滑動絲桿螺母機構(gòu)。20mm；Z方向上為：130177。 轉(zhuǎn)角控制和傳感器裝夾裝置 轉(zhuǎn)角控制方式在傳統(tǒng)的實驗過程中，通常是采用用手去撥動擺盤使擺盤旋轉(zhuǎn)5176。時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。 其它裝置機構(gòu)的設(shè)計設(shè)計過程中除了上述主要的機械結(jié)構(gòu)以外，還包括測試輔助裝置和實驗平臺連接裝置和一些標準件的選型與使用。本課題所設(shè)計的裝置的有益效果是非接觸式測量，響應(yīng)速度快，實時顯示擺動周期、自動計算轉(zhuǎn)動慣量。4. 將夾頭夾置于擺盤上，旋轉(zhuǎn)實驗平臺到刻度線，此時旋轉(zhuǎn)角為5176。m2）。最終完成了對轉(zhuǎn)動慣量測量系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，并在實驗室實現(xiàn)了本設(shè)計方法的調(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)動信號，有效的解決了三線擺的平動問題，同時每次擺角都可以保證為5176。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文致 謝畢業(yè)設(shè)計，是我大學(xué)生涯交上的最后一份作業(yè)。hlich, 1991。感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本課題包括對擺動周期信號采集系統(tǒng)的多種方案設(shè)計、完成其中的“電平位移電路采集信號”方案的制作、設(shè)計了LED顯示程序流程圖、實現(xiàn)圓盤扭轉(zhuǎn)角度的控制、完成圓盤釋放裝置設(shè)計等內(nèi)容。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(zhuǎn)動慣量測算結(jié)果(kg6. 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(zhuǎn)。圖512 輔助裝置裝配調(diào)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。在設(shè)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(shè)計過程中采用了V爪的設(shè)計方式，其具體結(jié)構(gòu)如下圖實物圖（圖511所示）。 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(zhuǎn)動周期的方式主要由激光器和光電池構(gòu)成，其主要電氣特性在第4章已經(jīng)有詳細介紹了，在這里就不再贅述。這樣的方法對實驗結(jié)果會產(chǎn)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。其中Z方向可以調(diào)節(jié)裝夾部分直接在立柱上移動，所以調(diào)節(jié)部分不必要有太多冗余。其在X、Y、Z軸設(shè)計圖紙參見附錄2和圖51所示。定位部分主要設(shè)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。 圖54 電磁鐵的實物圖 夾頭設(shè)計夾爪頭夾爪夾頭的功能主要是夾緊及釋放圓盤，經(jīng)過分析比較、調(diào)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(jīng)提到過。其特性為：容易固定以及連接負載溫升穩(wěn)定，可延長產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計簡易可靠。爪頭部分由兩內(nèi)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(zhuǎn)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。本課題所設(shè)計的測試機械結(jié)構(gòu)裝置部分可分為：擺盤夾取裝置、定位移動裝置、轉(zhuǎn)角定位和計數(shù)傳感裝置以及其他部分。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(shè)定。輸出開關(guān)包括逐周限流，以及在故障狀態(tài)下提供完全保護熱關(guān)斷功能。通過電源模塊用到LM2576轉(zhuǎn)化成直流5V給整個裝置供電。3. 顯示系統(tǒng)設(shè)計74HC04/74HCT04是六反相器,高速CMOS器件，低功耗肖特基的TTL(LSTTL)電路。靜態(tài)驅(qū)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(qū)動，或者使用如BCD碼二十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。使用雙排25插座。單片機 圖45 復(fù)位電路和晶振電路原理圖Mega16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊主要特性包括：10位精度，65260μs 的轉(zhuǎn)換時間，最高分辨率時采樣率高達15kSPS，路復(fù)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(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，通過自動觸發(fā)中斷源啟動ADC 轉(zhuǎn)換，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。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(shè)計ATmega16單片機簡介紹ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。1. LM324介紹及運用LM324內(nèi)部包括有4個獨立的、高增益、內(nèi)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(guān)。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(nèi)。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。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。X、Y方向可以20mm移動，Z方向上可進行10mm的移動。在電路的設(shè)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。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(chǎn)的SFH206K該光電池響應(yīng)速度快可達20ns，靈敏度高（光照強度為1000lx，感應(yīng)電壓大于310mV），所以適合用于本實驗的傳感測量裝置。測算擺盤轉(zhuǎn)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。 總體方案設(shè)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(shè)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(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。；。另外，對通?！叭€擺”法測轉(zhuǎn)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(guān)的，由擺角所造成的已定系統(tǒng)誤差可在測量結(jié)果中進行適當(dāng)修正，不會影響“剛體轉(zhuǎn)動慣量”的測量誤差，因此擺角限值不應(yīng)要求相當(dāng)小[8]。m2)[7]。因為對應(yīng)不同的擺線長，測得的轉(zhuǎn)動慣量值不一樣，那么其