【正文】 39。圖 512 輔助裝置裝配調(diào)試及其波形下面是實(shí)驗(yàn)輔助裝置的使用方法：將上述改進(jìn)輔助裝置 V 型爪部分放置于“三線擺” 實(shí)驗(yàn)平臺的立柱上，上述V 型爪是由兩個(gè)活葉鉸接而成，上述一活葉有螺紋孔，通過螺栓與擺臂連接。 激光器和光電池裝夾裝置“三線擺”法測慣量實(shí)驗(yàn)輔助裝置用于測量轉(zhuǎn)動(dòng)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(xì)介紹了，在這里就不再贅述。其中 Z 方向可以調(diào)節(jié)裝夾部分直接在立柱上移動(dòng)，所以調(diào)節(jié)部分不必要有太多冗余。定位部分主要設(shè)計(jì)了一個(gè)定位錐，將定位錐固定于測試平臺的最中間，定位錐移動(dòng)平臺時(shí)將定位錐對準(zhǔn)“三線擺”擺盤的中心位置。其特性為：容易固定以及連接負(fù)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(yùn)作 低磨擦確保高效率并延長壽命 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡易可靠。本課題所設(shè)計(jì)的測試機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置部分可分為：擺盤夾取裝置、定位移動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)角定位和計(jì)數(shù)傳感裝置以及其他部分。輸出開關(guān)包括逐周限流，以及在故障狀態(tài)下A?提供完全保護(hù)熱關(guān)斷功能。3. 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)74HC04/74HCT04 是六反相器,高速 CMOS 器件，低功耗肖特基的TTL(LSTTL)電路。使用雙排 25 插座。 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。+VP圖 44 激光發(fā)射及信號采集電路 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)ATmega16 單片機(jī)簡介紹ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。這兩部分可以集成在一起形成一個(gè)整體，封裝在一個(gè)表殼內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)可知，光電流的負(fù)載阻越小，光電流與照度之間的線性越好，且線性范圍更寬。在電路的設(shè)計(jì)過程中所選用的元件基本是貼片式的，這是為了使整個(gè)電路的外形尺寸比較小，方便裝配在裝置上。測算擺盤轉(zhuǎn)動(dòng)周期時(shí)，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。；平動(dòng)。m2)[7]。先使 Z1 過 A 有φ 01， θ 1，則有： （23）其中，J 0 是動(dòng)鼠系統(tǒng)對 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J 是動(dòng)盤系統(tǒng)對 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，φ 0i 是動(dòng)鼠系統(tǒng)相對靜系的轉(zhuǎn)角， θ i 是動(dòng)盤系統(tǒng)相對靜系的轉(zhuǎn)角。本文根據(jù)數(shù)學(xué)分析和解析幾何的相關(guān)知識, 應(yīng)用微元法給出空間中的質(zhì)量曲線 S 和質(zhì)量立體 V 對任意直線 l 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法。這樣一來，就應(yīng)該運(yùn)用公式把每一點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算出，然后再相加，這樣才能得到整個(gè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。M]，在 SI 單位制中，它的單位是 kg在結(jié)合性價(jià)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(jì)制作出來。某種程度上說這和三線扭擺法是測量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的優(yōu)點(diǎn)“儀器簡單，操作方便、精度較高”是相悖的。本文針對 ZME1 綜合力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺 “三線擺”法測轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一套能夠較精確的測量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)輔助裝置。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，用三線擺測定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于測量條件和方法的限制，在實(shí)驗(yàn)的操作、測量、記錄分析過程中存在諸多不便。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。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：剛體對一軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(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239。而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不考慮車過彎的速度，只考慮質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑。由密度不同的材料組成，且形狀不規(guī)則，需要用實(shí)驗(yàn)的方法測試出其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。欲測量物體對過其質(zhì)心軸Z1 某軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1，將該物體質(zhì)心過 Z 軸，且使 Z 軸和 Z1 軸重合，設(shè)動(dòng)鼠質(zhì)量為 m，平衡質(zhì)量亦為 m，暫略系桿質(zhì)量，使鼠沿圓周跑動(dòng)，設(shè)動(dòng)鼠轉(zhuǎn)過的圓心角為 φ，則動(dòng)盤反向轉(zhuǎn)動(dòng)的角 θ 為： 從而可求得：若考慮系桿的質(zhì)量，設(shè)動(dòng)鼠系統(tǒng)對 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 JO，且動(dòng)鼠相對靜系轉(zhuǎn)過角度為 φ O，則有 φ=φ O+θ，于是測量的 J1 為： （210010()J???????）對于偏置待測物體，Z 1 軸過 O 可測出。(a) (b)圖 23 兩個(gè)等效的三線擺而要使兩個(gè)圓盤上物體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期完全一致，這一問題難以實(shí)現(xiàn)，因此可以先測出左邊圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，然后調(diào)節(jié)右邊圓盤上兩個(gè)圓柱體之間的距離，測量不同距離時(shí)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，最后利用差值法，就可以得出與電磁鐵扭轉(zhuǎn)周期相同的兩個(gè)圓柱體的周期。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文8第 3 章 測試裝置設(shè)計(jì) 測試裝置技術(shù)要求通過 節(jié)對原轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量方法的分析，可以知道需要改進(jìn)的地方有周期信號的采集方式和圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制方式。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)了一套可以通過調(diào)節(jié)蝶型螺母讓實(shí)驗(yàn)裝置能在 X、Y 、Z方向上進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整定位的實(shí)驗(yàn)裝置。所以本課題選用了光電池反射式轉(zhuǎn)動(dòng)信號采集方式。由于光產(chǎn)生的非平衡載流子向相反方向漂移, 從而在其內(nèi)部形成自 n 區(qū)向 p 區(qū)的光生電流, 只要光照停止, pn 結(jié)就可以起到電源的作用 [9]?？紤]到本課題的設(shè)計(jì)要求不改變原有的實(shí)驗(yàn)平臺所以采用反射式。為此設(shè)計(jì)了兩級放大電路：由放大電路計(jì)算公式： （41）得到： 得到兩級放大后倍數(shù)約為 48 倍，滿足設(shè)計(jì)要求。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故 AVR 外部的復(fù)位線路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡單：直接拉一只100K 的電阻到 VCC 即可(R14)為了可靠，再加上一只 22pF 的電容(C3)以消除干擾、雜波。即這部分不需要任何的外圍零件。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)（如圖 49）。LM2576 的效率比流行的三段線性穩(wěn)壓器要高得多，是理想的替代。由（42）可得變化電壓為 ~5V，在使用過程中將R2 置于最小端然后開始調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到光電池感應(yīng)到的強(qiáng)度超過 50mV 為止（如圖413）。河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文2 釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)釋放機(jī)構(gòu)主要是由電磁鐵控制夾頭對擺盤的抓取和釋放，如圖 53 所示，該圖表示電磁鐵和夾頭之間的連接。當(dāng)電磁鐵有電流通過時(shí)，電磁鐵往后收縮，兩個(gè)爪頭向中間靠攏，抓住擺盤。 20mm；Y 方向上的移動(dòng)范圍為：200177。實(shí)驗(yàn)前在實(shí)驗(yàn)輔助裝置的旋轉(zhuǎn)平臺的支座上放置量角器，放置好后旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺當(dāng)旋轉(zhuǎn)到5176。所以該實(shí)驗(yàn)裝置在不論是在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程還是實(shí)際工程測量中都具有很重要現(xiàn)實(shí)使用價(jià)值。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的理論計(jì)算： =104（kgm2)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測算誤差電控式轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測算誤差207 104 104 % %298 104 104 % %500 104 104 % %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)輔助裝置測量時(shí)可以大大提高實(shí)驗(yàn)測量的精度，實(shí)驗(yàn)測算結(jié)果誤差可保證在 5%以內(nèi)，而手工測量其誤差遠(yuǎn)大于 5%。1. 調(diào)節(jié)裝置位置，使定位錐位于擺盤的圓心下方。其中旋轉(zhuǎn)平臺支座測試平臺第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7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(shí)驗(yàn)裝置之上，在激光座上方有一個(gè)螺紋孔，是為了固定激光器的位置是可以加上螺栓擰緊。其具體結(jié)構(gòu)如圖 58 所示。有以傳遞能量為主的(如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；也有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠)；還有調(diào)整零件之問相對位置的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等?？蚣苁诫姶盆F工作過程為：當(dāng)接入 24V 直流電源時(shí)產(chǎn)生電流，通電螺線管會(huì)產(chǎn)生磁通吸引可動(dòng)鐵芯，從而實(shí)現(xiàn)電磁鐵的移動(dòng)。2. 所設(shè)計(jì)裝置在使用過程中能方便師生的使用，達(dá)到簡化實(shí)驗(yàn)操作的目的。在 LM2576 的 2 端口分別連上電容C10（ 100uF）和 C11（1000uF）接地。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(gè)反向器相連接由單片機(jī) PA0~PA3 控制（圖 410）。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單片機(jī)單片機(jī)河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文6極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM。Mega 系列實(shí)際使用時(shí)，這兩只小電容不接也能正常工作。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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。其中接口電路包括單片機(jī)的讀寫電路、電源接口和對外設(shè)的供電接口。非晶硅（或硒）光電池具有明確快速的光電效應(yīng)，產(chǎn)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。同時(shí)該試驗(yàn)臺有多個(gè)擺盤，要求所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)輔助裝置能進(jìn)行移動(dòng)，以便測算其他擺盤物件上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。下面就各個(gè)傳感器特性作簡要介紹：1. 光敏電阻隨著光線的強(qiáng)弱，電阻值變化，但是其響應(yīng)速度慢，而擺盤擺動(dòng)相對較快，所以不選用光敏電阻作為測量器件。擺線是否水平是實(shí)驗(yàn)平臺自身的局限導(dǎo)致，需要用水平尺進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往采用“三線擺”法測轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法。 設(shè)圓盤最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為 ，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角為 時(shí)， m??由圖示幾何關(guān)系： 22 三線擺示意圖maxax,rll??圓盤扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)最大動(dòng)能為： 2max02max0max11???nJdtJT????????202020221()r???????第 2 章 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的運(yùn)用研究與測量5圓盤扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)最大勢能為： ∵ ， tn??simax?maxax?nd???????∴ ??2max2ama 1co1?lrMglMglU?對于保守系統(tǒng)： maxaT?得圓盤振動(dòng)的固有圓頻率或固有頻率： lJMgrn022?? lfn021?則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (注意不是 R)。慣性主軸的定義：定義 1：三條相互垂直的坐標(biāo)軸，其中構(gòu)件慣性積等于零的某一坐標(biāo)軸。在去打排球瞬間將臂打開，在已獲得較大的 ω的基礎(chǔ)上，突然增大 R，這樣線速度 V 增加，從而獲得大的揮臂速度。把 代入動(dòng)能公式 (ω 是角速度，r 是半徑，在這里對任何物體來說是把rv??物體微分化分為無數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)整體的重心的距離為 r，而再把不同質(zhì)點(diǎn)積分化得到實(shí)際等效的 r)，得到 ，由于某一個(gè)對象物體在運(yùn)動(dòng)2)(/1rmE??當(dāng)中的本身屬性 m 和 r 都是不變的，所以把關(guān)于 m、r 的變量用一個(gè)變量 K 代替，得到 ，K 就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分析實(shí)際情況中的作用相當(dāng)于2rK?2)/1(E?牛頓運(yùn)動(dòng)平動(dòng)分析中的質(zhì)量的作用，都是一般不輕易變的量。作為一種更加精確的測試方式，本文設(shè)計(jì)的物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自動(dòng)測試系統(tǒng)如果進(jìn)一步改良，可成為一種適用于各種物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試手段，在工程設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用，將是一種方便、快捷、準(zhǔn)確的測量方式。2022 年海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部理化實(shí)驗(yàn)中心張勇提出了運(yùn)用剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量疊加原理，對三線擺測量剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原理公式進(jìn)行合理變形，選擇下盤的固有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量作為測量的標(biāo)準(zhǔn)量，推導(dǎo)了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量公式。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，三線擺，實(shí)驗(yàn)輔助裝置，非接觸式測量ABSTRACTIABSTRACTThe moment of inertia as an important engineering parameters, how to measure the moment of inertia accurately has a magnificent significance in the project.This thesis based on the trilinear pendulum method to measure the moment of inertia at the ZME1 prehensive mechanical bench. Designing a more accurate system to measure the moment of inertia, the system can display realtime swing cycle, automatically calculates the moment of inertia data. Designed noncontact measurement can be convenient, fast, accurate estimates of threewire pendulum rotation cycle. The moment of inertia measure equipment has been tested in the laboratory that can collect the periodic turn signal accurately and stably.Key words : Moment of Inertia, Trilinear Pendulum, Measurement Sy