【正文】 在方案的實施中完成了對電路板的設計與制作，加工了整套的實驗輔助裝置，并搭建了測試裝置固定機構。m 2)電控式轉(zhuǎn)動慣量測算 (kgm 2）。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)點是受外界干擾小。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。第 5 章 機械結(jié)構設計9安放好上述輔助裝置于實驗平臺時，開始調(diào)節(jié)實驗平臺。本課題所設計的裝置的有益效果是非接觸式測量，響應速度快，實時顯示擺動周期、自動計算轉(zhuǎn)動慣量。 V型爪的一側(cè)有五個螺紋孔，其中四個是和實驗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。 其它裝置機構的設計設計過程中除了上述主要的機械結(jié)構以外，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。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計了一個支座（如圖 510 所示）。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。其次是在撥動的過程中，由于人手總存在一定抖動當這個抖動值超過一定范圍時會直接導致實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯誤。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)大學繼續(xù)教育學院論文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)的實驗過程中，通常是采用用手去撥動擺盤使擺盤旋轉(zhuǎn) 5176。 定位裝置設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，在本課題的設計過程中，設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)構主要為一根錐形柱體，該柱體上有螺紋。20mm；Z 方向上為：130177。 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。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，所以在設計過程中采用了滑動絲桿螺母機構。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。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。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。單次通電工作時間：1~10s。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。其外形尺寸為：13011510mm。并減小手動轉(zhuǎn)動圓盤的人為誤差，現(xiàn)設計了一?種簡易機構，可以通過該機構夾住圓盤，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。實驗操作不方便收集“線擺”法測慣量設想方案草圖設計“三線擺”改進裝置機構模擬AutoCAD 工程圖裝配調(diào)試實驗改進裝置3D 動態(tài)模擬YYY Y YN N NNN N N圖 52 機械設計流程圖 擺盤夾取裝置的設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)果中進行適當修正，不會影響“剛體轉(zhuǎn)動慣量”的測量誤差，因此擺角限值不應要求相當小。Y 方向Z 方向X 方向電磁鐵實驗臺立柱第 5 章 機械結(jié)構設計1所設計的裝置應滿足以下三點設計要求：1. 所設計裝置在實驗過程中能有效的減小或者避免改進之前實驗人工操作時所帶來的誤差。河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文0第 5 章 機械結(jié)構設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計。河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文10~3GNDVIAJOUT6LM7Headr +5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)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電路，防止電路中的電容放電時的高壓把 317 燒壞。317 系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如 LM317HVH、W317L 等。F1 為保險管當負載過高或者短路時保險管熔斷，保護電路。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。1. 測量系統(tǒng)供電電路供電電路設計LM2576 系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供壓降開關穩(wěn)壓器（buck）的各種功能，能驅(qū)動 3A 的負載調(diào)整能力。 電源模塊設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，為了調(diào)節(jié)激光器的亮度要求設計一個電壓變化為 ~5V 的可調(diào)電源。通過單片機連接反向器對數(shù)碼管進行選通。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。動態(tài)顯示驅(qū)動。 圖 48a 1 位數(shù)碼管結(jié)構圖 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。圖 47 ISP 下載接口電路原理圖 LED 顯示 模塊1. 數(shù)碼管結(jié)構及其工作原理數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為 1 位、2位、4 位等等數(shù)碼管（如圖 48）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。本課題為了讓電路更加穩(wěn)定沒有懸空（圖 46）。不過一般的應用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。精度為滿足課題所需設計要求。本課題設計中外接一個 的晶振，早期的 90S 系列，晶振兩端均需要接 22pF 左右的電容。D4 (1N4148)的作用有兩個：作用一是將復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)生有效的復位。單片機河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文4 單片機電路設計其整體結(jié)構電路結(jié)構設計參見附錄 1 所附的電路原理圖。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]。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。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。在實驗室條件下測的光電池在激光照射到黑線的時候會產(chǎn)生 50mV 以上的電壓，要將采集到的信號進行放大才能讓單片機接收到。 信號采集模塊光電計數(shù)器的檢測部分由光電池構成的光電物位傳感器和放大調(diào)理電路組成。圖 43 單片機光電計數(shù)器總體框圖光電池傳感器周期顯示處理系統(tǒng)由 AVR 系列 ATmega16 微處理器芯片作為a 遮光式 b 反射式 單片機光電池傳感器被測物體放大調(diào)理電路檢測部分 信號處理部分顯示器控制線河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文21fvfRA?????應用系統(tǒng)其中還包括：LED 顯示器、按鍵電路和接口電路。1 2 31 234 4圖 42 采用光電池的光電物位傳感器結(jié)構 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。的安裝偏移范圍。遮光式傳感器的主要缺點是響應速度慢、信噪比低。因此, 在下面放置光敏元件位置處均采用的是非晶硅（或硒）光電池。圖 41 示出非晶硅（或硒）光電池的光電特性曲線。后釋放擺盤（裝置整體結(jié)構詳見附錄 2）。并且能實現(xiàn)實測設平臺的對中，解決擺轉(zhuǎn)角≤6176。原有實驗平臺為理論力學多功能實驗臺，在設計過程中要求不能對整個試驗臺進行任何改動，以免影響到其他實驗的操作。周期測算系統(tǒng)具體構成如圖 32 所示。選用的激光器所產(chǎn)生光的波長為 650nm，光電池所能接收到的范圍為 400~1100nm，在其感應范圍之內(nèi)，滿足設計需求。這樣的操作會造成很大的誤差所以不能采用。本課題所研究的“三線擺”法測慣量的實驗輔助裝置，要求能自動測算擺盤的擺動周期，這就決定了實驗中必須要使用傳感器，上述提到了很多可以選用的傳感器。該裝置可以在三線擺擺盤給定的位置處進行移動?？傮w上可分為兩個部分，電系統(tǒng)部分和機械結(jié)構部分。的控制方法以及避免“三線擺”擺動的問題?？諝庾枇κ窃趯嶒炇抑袦y量不可避免的。在 節(jié)就提到了在“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。而在該方法中仍是靠測量者人為控制圓盤的轉(zhuǎn)動角度，那么將無法使精度得到保證。首先，在測量時采用秒表來記錄時間，人為因素影響很大。第三種動鼠沿圓周運動測轉(zhuǎn)動慣量需借助一個復雜的設備且測算精度并不是很高。如圖所示，設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。如圖 23 所示，先將兩個三線擺盤調(diào)至測量誤差最小時的位置，(a)盤上放置待測電磁鐵，讓盤心與電磁鐵轉(zhuǎn)動中心重合；(b)盤放置二個帶有強磁性的圓柱體，它們在圓盤上的位置 S 是可以調(diào)節(jié)的，此兩圓柱體合起來的重量應等同于電磁鐵重量。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。J0—對圓盤中心的轉(zhuǎn)動慣量；T —擺動圓盤的周期；L —線長；M —圓盤質(zhì)量；g —重力加速度；r —線與圓盤固結(jié)點的半徑； R —圓盤半徑。J 11=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：河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院420()TMgrJl?? （22）021JJ????理論值應為 J12=J11+r12M1，其中 M1 為待測物質(zhì)量，這里應用平行移軸公式， 若采取 Z1 軸過 O，A，B 等不同的點可測出 θ i， φ 0i 通過一組代數(shù)方程組便可計算出 M1 與 J1。3. 動鼠沿圓周運動測轉(zhuǎn)動慣量設有一可繞鉛垂軸自由轉(zhuǎn)動的雙層圓盤，其對 Z 軸的轉(zhuǎn)動慣量為 J，如圖 21 所示。慣性力矩就是轉(zhuǎn)動慣量。3）由輸出座標系決定。2. 三維建模法測量物體轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量是物理學及工程力學中經(jīng)常遇見的問題, 在數(shù)學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。 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量測算方法1. 直接代數(shù)計算法剛體轉(zhuǎn)動慣量 永遠是一個正的標量，在動量矩定理中，剛體定軸2LJdm???轉(zhuǎn)動微分方程可以表達為：J za=Mz，這與動力學基本方程 F=ma 是相似的，式中，轉(zhuǎn)動慣量的地位與質(zhì)量 m 相當。在新車設計時, 必須運用這些特性參數(shù),通過動力學模型來預測車輛的動力學性能。 例如，在扣排球時，由引臂開始， R 減小，角速度ω 增加。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]。下面簡單介紹轉(zhuǎn)動慣量在各個方面的運用。 2)/(?KE?第 2 章 轉(zhuǎn)動慣量的運用研究與測量12）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)/1(mvE?物體的任何轉(zhuǎn)動信息。2 2首先需要引出動能公式 ,而動能的實際物理意義是：物體相對某2)/1(mvE?個系統(tǒng)（選定一個參考系）運動的實際能量，（P 勢能實際意義則是物體相對某個系統(tǒng)運動的可能轉(zhuǎn)化為運動的實際能量的大?。?。mdJ??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)2動慣量中的最小者 [3]。規(guī)則形狀的均質(zhì)剛體，其轉(zhuǎn)動慣量可直接計算得到。河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院0第 2 章 轉(zhuǎn)動慣量的運用研究與測量 轉(zhuǎn)動慣量的物理意義及其運用轉(zhuǎn)動慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動慣性大小的物理量，剛體轉(zhuǎn)動慣量的大小表現(xiàn)了剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的難易程度。本課題是針對轉(zhuǎn)動慣量及測試方法進行的研究，在常規(guī)測試方法的基礎上設計出新的轉(zhuǎn)動慣量測試系統(tǒng)，提高其測試精度。另外，硬件的設計必然將涉及到機學、電學，以及信號的采樣處理等，覆蓋范圍較大，需重點突破。 主要研究內(nèi)容本課題要求研究物體轉(zhuǎn)動慣量的常規(guī)測試方法，并且設計出測量精度更高的測試方法，基本擺脫人為因素的干擾，實現(xiàn)物體轉(zhuǎn)動慣量的自動測量。該方法的優(yōu)點是減少了人工計數(shù)的工作量，同時采用加速度傳感器其測算的精度也有所提高，缺點是該方法在測量周期是改變了擺盤自身的轉(zhuǎn)動慣量，給測算帶來誤差。同時發(fā)表了很多與之相關的論文。調(diào)試的方法不盡合理，在測量過程中誤差產(chǎn)