【正文】 通過電磁的通斷控制，控制夾頭的張合，可夾住“擺盤”進(jìn)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。為了實(shí)現(xiàn)圓盤轉(zhuǎn)動角度 6176。，并減小手動轉(zhuǎn)動圓盤的人為誤差，現(xiàn)設(shè)計了一?種簡易機(jī)構(gòu)，可以通過該機(jī)構(gòu)夾住圓盤，旋轉(zhuǎn)圓盤調(diào)整到指定度數(shù)后，再釋放即可令圓盤作來回擺動。圓盤的扭轉(zhuǎn)及夾緊（放松）分別由釋放機(jī)構(gòu)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。下面是對該機(jī)構(gòu)的設(shè)計及分析。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。其外形尺寸為：13011510mm。圖 53 釋放機(jī)構(gòu)實(shí)物圖本課題設(shè)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。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)計簡易可靠。安裝尺寸：202637mm。電磁鐵在通電一段時間后溫度會發(fā)生改變，吸力特性也隨著可動鐵芯的移動發(fā)生著變化。框架式電磁鐵工作過程為：當(dāng)接入 24V 直流電源時產(chǎn)生電流，通電螺線管會產(chǎn)生磁通吸引可動鐵芯，從而實(shí)現(xiàn)電磁鐵的移動。斷電后彈簧復(fù)位，在此過程中行程 10mm。由于電磁鐵為純電控執(zhí)行器件，所以常作為自動化設(shè)備的執(zhí)行元件之用途如圖 54 所示。單次通電工作時間：1~10s。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。 圖 54 電磁鐵的實(shí)物圖第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計3 夾頭設(shè)計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(shí)現(xiàn)這一功能，其工作原理在上文中已經(jīng)提到過。其工作過程如圖 55所示。圖 55a 電磁鐵未通電時狀態(tài) 圖 55b 電磁鐵通電時狀態(tài) 在上圖中可以看到，本課題所設(shè)計的夾爪部分是由兩個弧形的板件通過螺栓相互鉸接接而成，在螺栓的下方墊有兩個墊片，且螺栓未擰緊，從而保證了夾頭能夠自由的夾緊和釋放。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(yīng)的直徑為 100mm，與“三線擺”實(shí)驗(yàn)裝置的擺盤直徑相同，此設(shè)計的目的是為了讓夾頭在夾取的時候能夠更加穩(wěn)定。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。當(dāng)電磁鐵有電流通過時，電磁鐵往后收縮，兩個爪頭向中間靠攏，抓住擺盤。因?yàn)殡姶攀峭ㄟ^剛性繩和兩抓頭相連，所以抓頭會同時向中間靠攏，又因?yàn)殡姶盆F的拉力為 3kg，所以不會對實(shí)驗(yàn)裝置造成損傷。 定位移動裝置的設(shè)計在本課題所述輔助測量裝置平臺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)部分，通過調(diào)節(jié)蝶形螺母由絲桿副組成的移動副能實(shí)現(xiàn)整個測量裝置在給定范圍內(nèi)水平移動，在對中裝置的下方同樣裝有絲桿機(jī)構(gòu)，能在上下方向上移動，兩者的移動精度可保證在 以內(nèi)。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(zhǔn)“三線擺”擺盤的中心位置。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(shí)驗(yàn)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)。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。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機(jī)構(gòu)等?；瑒咏z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％)。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，不能自鎖，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動效率高(92％～98％)，精度高，系統(tǒng)剛度好，運(yùn)動具有可逆性，使用壽命長，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到大量廣泛應(yīng)用 [12]。在本課題的實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)。在絲杠的水平方向上各設(shè)計安裝了了一根導(dǎo)軌，導(dǎo)軌中有一鍵槽和 55mm 鍵槽緊配合。其在 X、Y、Z軸設(shè)計圖紙參見附錄 2 和圖 51 所示。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。 圖 56a 滑動絲杠螺母移動裝置移動裝置可以通過調(diào)節(jié)蝶形螺母實(shí)現(xiàn)整個測量平臺在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 三個維度的移動，Y、Z 方向調(diào)節(jié)與 X 相同。圖 56b 滑動絲杠螺母移動裝置絲杠導(dǎo)軌調(diào)節(jié)旋鈕導(dǎo)向軸座第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計55圖 57 “三線擺”和兩立柱之間位置關(guān)系俯視圖所設(shè)計的實(shí)驗(yàn)輔助裝置要求在空間內(nèi)可以自由移動（如圖 57），并且能滿足實(shí)驗(yàn)測試的要求，由于實(shí)驗(yàn)平臺自身在空間上的位置相對比較固定，所以在設(shè)計過程中移動位置可以比較小，這不僅方便安裝調(diào)試，還節(jié)約了成本。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。 20mm；Y 方向上的移動范圍為：200177。20mm；Z 方向上為：130177。10mm。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。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)。 定位裝置設(shè)計移動平臺的測試裝置的旋轉(zhuǎn)中心要求和“三線擺”實(shí)驗(yàn)裝置的擺盤的中心在同一條軸線上，在本課題的設(shè)計過程中，設(shè)計了一個可供定位的定位錐作為實(shí)驗(yàn)平臺調(diào)節(jié)的參照裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)主要為一根錐形柱體，該柱體上有螺紋。其具體結(jié)構(gòu)如圖 58 所示。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。安裝調(diào)試時，保證定位錐位于擺盤的圓心處，相距 3~5mm。X:175mmY:電磁鐵套筒定位錐 夾爪支座測試平臺支座河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文6 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(shí)驗(yàn)過程中，通常是采用用手去撥動擺盤使擺盤旋轉(zhuǎn) 5176。，然后開始計算周期。這樣的方法對實(shí)驗(yàn)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。這個值。其次是在撥動的過程中，由于人手總存在一定抖動當(dāng)這個抖動值超過一定范圍時會直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤。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(zhuǎn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)“三線擺”擺盤的旋轉(zhuǎn)。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。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。畫好此虛線（用鐵筆畫細(xì)長的線）如圖 59 所示，在以后實(shí)驗(yàn)過程中旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺至虛線位置處就說明旋轉(zhuǎn)到位，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 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。本節(jié)主要講的是激光器和光電池的安裝。實(shí)驗(yàn)過程中首先要保證激光器照射在擺盤上的光的角度、高度等都不能發(fā)生變化，為此本課題的研究專門為激光器設(shè)計了一個支座（如圖 510 所示）。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螺紋孔，是為了固定激光器的位置是可以加上螺栓擰緊。 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(shí)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。激光器發(fā)出亮光照射在“三線擺”擺盤的側(cè)面，在擺盤側(cè)面畫一條約 2mm 的黑線，光電池與激光器放置于同側(cè)，當(dāng)“三線擺”轉(zhuǎn)動時激光照射在擺盤非黑線位置上，光電池能接收到較強(qiáng)的光信號，當(dāng)照射到黑線時接收到信號會大大減弱。 其它裝置機(jī)構(gòu)的設(shè)計設(shè)計過程中除了上述主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)以外，還包括測試輔助裝置和實(shí)驗(yàn)平臺連接裝置和一些標(biāo)準(zhǔn)件的選型與使用。下面就這兩部分做簡單概述。在設(shè)計過程中考慮到原有實(shí)驗(yàn)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(shí)物圖（圖 511 所示）。圖 511a 連接實(shí)驗(yàn)平臺 V 型爪實(shí)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。 V型爪的一側(cè)有五個螺紋孔，其中四個是和實(shí)驗(yàn)平臺的橫梁相互連接，一個孔是和對面的在另外一個半片上的螺紋孔相互連接。通過上緊螺栓使整個實(shí)驗(yàn)裝置能穩(wěn)定的固定于要測試的平臺之上。 實(shí)驗(yàn)輔助裝置裝配調(diào)試及檢驗(yàn) 裝配調(diào)試使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，雖然在實(shí)驗(yàn)之前的準(zhǔn)備上有一些繁瑣，但是相對于未改進(jìn)過的實(shí)驗(yàn)裝置，在后期實(shí)驗(yàn)過程中將會帶來很大的便利。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)使用價值。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(shí)時顯示擺動周期、自動計算轉(zhuǎn)動慣量。準(zhǔn)確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實(shí)驗(yàn)測算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率（如圖 512）。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(shí)驗(yàn)裝置能牢牢的固定在實(shí)驗(yàn)平臺的立柱上面。第 5 章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計9安放好上述輔助裝置于實(shí)驗(yàn)平臺時，開始調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺。1. 調(diào)節(jié)裝置位置，使定位錐位于擺盤的圓心下方。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(diǎn)位于擺盤的圓心。3. 觀察三線擺擺盤部分是否能很好的被擺盤夾頭部分夾住，如若不能則調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)座的螺栓，使得擺盤夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤。4. 將夾頭夾置于擺盤上，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺到刻度線，此時旋轉(zhuǎn)角為 5176。5. 打開激光座上的激光器，調(diào)節(jié)激光座位置，使激光器發(fā)射出來的光點(diǎn)位于擺盤黑線約 35mm 處，調(diào)節(jié)激光器的供電電壓，使激光的亮度適中。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(zhuǎn)。7. 光電池接收到信號以后經(jīng)過放大處理以后，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中處理，處理的方式有兩種，一種是計數(shù)求周期法，另外一種是頻譜分析法。兩種方法都可以測算出周期，本課題使用的方法是頻譜分析法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是受外界干擾小。 實(shí)驗(yàn)效果檢驗(yàn)調(diào)試過程中用直徑 D=100（mm）,厚度=(mm)，材料比重=，吊線半徑 r=38mm。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。圓盤轉(zhuǎn)動慣量的理論計算： =104（kgm 2）。用兩種不通的方式獲取周期信按照公式： 計算不同線長的轉(zhuǎn)動慣量值，以 計算各級轉(zhuǎn)動慣量值并且填入表中。39。0||1%J?表 51 三線擺不同測量方法在不同長度下的周期（單位： s）第 1 次 第 2 次 第 3 次 平均值測量次數(shù)線長l(mm)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207 298 1 1 500 201()DJM?20()TgrJl??河南工業(yè)大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文10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(kgm 2)電控式轉(zhuǎn)動慣量測算 (kgm2)手動轉(zhuǎn)動慣量測算誤差電控式轉(zhuǎn)動慣量測算誤差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%。綜上所述，通過改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)輔助裝置可有效提高“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的精度。第 6 章 實(shí)驗(yàn)輔助裝置的使用與結(jié)論11第 6 章 結(jié)論及展望本文從轉(zhuǎn)動慣量的理論知識入手，就轉(zhuǎn)動慣量的測量方法進(jìn)行了分析，研究和分析了之前學(xué)者們對改進(jìn)轉(zhuǎn)動慣量測量的方案。在方案的實(shí)施中完成了對電路板的設(shè)計與制作，加工了整套的實(shí)驗(yàn)輔助裝置，并搭建了測試裝置固定機(jī)構(gòu)。最終完成了對轉(zhuǎn)動慣量測量系統(tǒng)的開