【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(dòng)，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(shí)候防止讓擺盤變形。為了實(shí)現(xiàn)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度 6176。，并減小手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤的人為誤差，現(xiàn)設(shè)計(jì)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?cái)[動(dòng)。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(jì)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(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。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(jì)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(jì)簡易可靠。安裝尺寸：202637mm。電磁鐵在通電一段時(shí)間后溫度會發(fā)生改變，吸力特性也隨著可動(dòng)鐵芯的移動(dòng)發(fā)生著變化?？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)。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(dòng)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(shí)間：1~10s。通電后電磁鐵向后收縮 10mm，此時(shí)，兩個(gè)夾頭分別向圓盤中心位置處移動(dòng) 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(jì)3 夾頭設(shè)計(jì)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(shí)狀態(tài) 圖 55b 電磁鐵通電時(shí)狀態(tài) 在上圖中可以看到，本課題所設(shè)計(jì)的夾爪部分是由兩個(gè)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(gè)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(jì)的目的是為了讓夾頭在夾取的時(shí)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(gè)收縮的力使夾頭的張開，以便于測量的時(shí)候固定擺盤位置。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。因?yàn)殡姶攀峭ㄟ^剛性繩和兩抓頭相連，所以抓頭會同時(shí)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(dòng)裝置的設(shè)計(jì)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(dòng)副能實(shí)現(xiàn)整個(gè)測量裝置在給定范圍內(nèi)水平移動(dòng)，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(dòng)，兩者的移動(dòng)精度可保證在 以內(nèi)。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。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(dòng)裝置設(shè)計(jì)考慮到本課題所需設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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?；瑒?dòng)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(dòng)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(dòng)效率高(92％～98％)，精度高，系統(tǒng)剛度好，運(yùn)動(dòng)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(gè)方向移動(dòng)范圍不超過50mm，所以在設(shè)計(jì)過程中采用了滑動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)。在絲杠的水平方向上各設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，上緊螺栓使整個(gè)裝置相對穩(wěn)定，移動(dòng)端用四個(gè)螺母兩兩并死固定于測試平臺兩端如圖 56 所示。 圖 56a 滑動(dòng)絲杠螺母移動(dòng)裝置移動(dòng)裝置可以通過調(diào)節(jié)蝶形螺母實(shí)現(xiàn)整個(gè)測量平臺在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 三個(gè)維度的移動(dòng)，Y、Z 方向調(diào)節(jié)與 X 相同。圖 56b 滑動(dòng)絲杠螺母移動(dòng)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(jì)55圖 57 “三線擺”和兩立柱之間位置關(guān)系俯視圖所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)輔助裝置要求在空間內(nèi)可以自由移動(dòng)（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(jì)過程中移動(dòng)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(jì)的移動(dòng)平臺在 X 方向上的移動(dòng)范圍為：85177。 20mm；Y 方向上的移動(dòng)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(dòng)，所以調(diào)節(jié)部分不必要有太多冗余。使用時(shí)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(shí)停止調(diào)節(jié)。 定位裝置設(shè)計(jì)移動(dòng)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(jì)過程中，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)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(gè)測量平臺就可以在上面轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，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(dòng)擺盤使擺盤旋轉(zhuǎn) 5176。，然后開始計(jì)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(dòng)沒有參照，很難精確的控制在 5176。這個(gè)值。其次是在撥動(dòng)的過程中，由于人手總存在一定抖動(dòng)當(dāng)這個(gè)抖動(dòng)值超過一定范圍時(shí)會直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。圖 59 “三線擺”控制擺角的虛線位置“三線擺”法測慣量時(shí)要求擺盤對中裝置部分主要由一個(gè)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(shí)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(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。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(jì)了一個(gè)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(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。 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(gè)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(dòng)時(shí)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(shí)接收到信號會大大減弱。 其它裝置機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)過程中采用了 V 爪的設(shè)計(jì)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(gè)半片組成，中堅(jiān)有一顆銷釘將兩個(gè)活頁連接在一起。 V型爪的一側(cè)有五個(gè)螺紋孔，其中四個(gè)是和實(shí)驗(yàn)平臺的橫梁相互連接，一個(gè)孔是和對面的在另外一個(gè)半片上的螺紋孔相互連接。通過上緊螺栓使整個(gè)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(jià)值。本課題所設(shè)計(jì)的裝置的有益效果是非接觸式測量，響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)顯示擺動(dòng)周期、自動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)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(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。在放置的時(shí)候讓對中錐的尖端離“三線擺”擺盤的距離在 2~5mm，此時(shí)上緊兩活葉之間的固定螺栓，使整個(gè)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(jì)9安放好上述輔助裝置于實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)，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(dòng)裝置使其沿著 X、Y 方向移動(dòng)，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(shí)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(jì)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(dòng)慣量 J0′ ，比較兩種方式的測量精度。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的理論計(jì)算： =104（kgm 2）。用兩種不通的方式獲取周期信按照公式： 計(jì)算不同線長的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，以 計(jì)算各級轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)測量電控式測量手動(dòng)測量電控式測量手動(dòng)測量電控式測量手動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測算結(jié)果(kgm 2)電控式轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測算 (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%。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(dòng)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(dòng)慣量的理論知識入手，就轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)慣量測量系統(tǒng)的開