【正文】 12 5V 供電電路原理圖2. 激光器供電電路設(shè)計LM317 作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317 系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如 LM317HVH、W317L 等。電子愛好者經(jīng)常用 317 穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。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。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。首先 317 穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是 Vo=~37V（高輸出電壓的 317 穩(wěn).. .. .. ..01uFC2KR~3GNDVIAJOUT6LM7Headr+5壓塊如 LM317HVA、LM317HVK 等，其輸出電壓變化范圍是 Vo=~45V），所以R2/R1 的比值范圍只能是 0~，在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時的高壓把 317 燒壞。圖 413 激光器可調(diào)供電電源本課題運(yùn)用 LM317 為激光器供電，實驗中用到的激光器是 0~5V 供電電壓可調(diào)的銅材半導(dǎo)體激光管，其額定功率為 5mW。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。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）。.. .. .. ..第 5 章 機(jī)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(jìn)行設(shè)計。設(shè)計過程中不僅要滿足實驗精度的要求，同時還要能夠方便的操作從而測量得到可靠的實驗數(shù)據(jù)。本課題所設(shè)計的測試機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置部分可分為：擺盤夾取裝置、定位移動裝置、轉(zhuǎn)角定位和計數(shù)傳感裝置以及其他部分。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。Y 方向Z 方向X 方向電磁鐵實驗臺立柱.. .. .. ..所設(shè)計的裝置應(yīng)滿足以下三點設(shè)計要求：1. 所設(shè)計裝置在實驗過程中能有效的減小或者避免改進(jìn)之前實驗人工操作時所帶來的誤差。2. 所設(shè)計裝置在使用過程中能方便師生的使用，達(dá)到簡化實驗操作的目的。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。4. 所設(shè)計裝置不能改變原有的實驗平臺。圖 52 機(jī)械設(shè)計流程圖 擺盤夾取裝置的設(shè)計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(jìn)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。但本實驗中要求三線擺圓盤作線性振動，對于扭轉(zhuǎn)振動來說，就是把轉(zhuǎn)角大小當(dāng)作振動位移來建立振動方程，所以根據(jù)線性振動的定義，只有小于 6 度的扭轉(zhuǎn)振動才是線性振動。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(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(jìn)裝置機(jī)構(gòu)模擬AutoCAD 工程圖裝配調(diào)試實驗改進(jìn)裝置3D 動態(tài)模擬YYY Y YN N NNN N N.. .. .. ..該機(jī)構(gòu)的設(shè)計及分析。 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 電磁鐵的實物圖 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”實驗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。 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，定位夾爪彈簧螺栓夾爪頭電磁鐵剛性繩.. .. .. ..錐移動平臺時將定位錐對準(zhǔn)“三線擺”擺盤的中心位置。 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)。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(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)蝶形螺母實現(xiàn)整個測量平臺在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)實現(xiàn)X、Y、Z 三個維度的移動，Y、Z 方向調(diào)節(jié)與 X 相同。絲杠導(dǎo)軌調(diào)節(jié)旋鈕導(dǎo)向軸座.. .. .. ..5圖 56b 滑動絲杠螺母移動裝置圖 57 “三線擺”和兩立柱之間位置關(guān)系俯視圖所設(shè)計的實驗輔助裝置要求在空間內(nèi)可以自由移動（如圖 57），并且能滿足實驗測試的要求，由于實驗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”實驗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驗平臺調(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X:175mmY:電磁鐵套筒定位錐 夾爪支座測試平臺支座.. .. .. ..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。 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。，然后開始計算周期。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。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)致實驗數(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)。實驗前在實驗輔助裝置的旋轉(zhuǎn)平臺的支座上放置量角器，放置好后旋轉(zhuǎn)實驗平臺當(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，在以后實驗過程中旋轉(zhuǎn)實驗平臺至虛線位置處就說明旋轉(zhuǎn)到位，可以進(jìn)行實驗。 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(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。旋轉(zhuǎn)平臺支座測試平臺.. .. .. ..實驗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驗裝置之上，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