【正文】 最終完成了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)。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(shí)入手，就轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量方法進(jìn)行了分析，研究和分析了之前學(xué)者們對(duì)改進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量的方案。m2)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算誤差電控式轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算誤差207 104 104 % %298 104 104 % %500 104 104 % %通過(guò)比較表 52 的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，在使用“三線(xiàn)擺”實(shí)驗(yàn)輔助裝置測(cè)量時(shí)可以大大提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度，實(shí)驗(yàn)測(cè)算結(jié)果誤差可保證在 5%以?xún)?nèi)，而手工測(cè)量其誤差遠(yuǎn)大于 5%。0||1%J?表 51 三線(xiàn)擺不同測(cè)量方法在不同長(zhǎng)度下的周期（單位： s）第 1 次 第 2 次 第 3 次 平均值測(cè)量次數(shù)線(xiàn)長(zhǎng)l(mm)手動(dòng)測(cè)量電控式測(cè)量手動(dòng)測(cè)量電控式測(cè)量手動(dòng)測(cè)量電控式測(cè)量手動(dòng)測(cè)量電控式測(cè)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(xiàn)擺不同測(cè)量方法在不同長(zhǎng)度下精度長(zhǎng)度l(mm)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)算結(jié)果(kg用兩種不通的方式獲取周期信按照公式： 計(jì)算不同線(xiàn)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，以 計(jì)算各級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值并且填入表中。圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的理論計(jì)算： =104（kg 實(shí)驗(yàn)效果檢驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中用直徑 D=100（mm）,厚度=(mm)，材料比重=，吊線(xiàn)半徑 r=38mm。7. 光電池接收到信號(hào)以后經(jīng)過(guò)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。5. 打開(kāi)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(lái)的光點(diǎn)位于擺盤(pán)黑線(xiàn)約 35mm 處，調(diào)節(jié)激光器的供電電壓，使激光的亮度適中。3. 觀察三線(xiàn)擺擺盤(pán)部分是否能很好的被擺盤(pán)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(pán)夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤(pán)。1. 調(diào)節(jié)裝置位置，使定位錐位于擺盤(pán)的圓心下方。在放置的時(shí)候讓對(duì)中錐的尖端離“三線(xiàn)擺”擺盤(pán)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(tái)的立柱上面。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(cè)算數(shù)據(jù)的可信度，和提高工作效率（如圖 512）。所以該實(shí)驗(yàn)裝置在不論是在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程還是實(shí)際工程測(cè)量中都具有很重要現(xiàn)實(shí)使用價(jià)值。通過(guò)上緊螺栓使整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置能穩(wěn)定的固定于要測(cè)試的平臺(tái)之上。圖 511a 連接實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 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(xiāo)釘將兩個(gè)活頁(yè)連接在一起。下面就這兩部分做簡(jiǎn)單概述。激光器發(fā)出亮光照射在“三線(xiàn)擺”擺盤(pán)的側(cè)面，在擺盤(pán)側(cè)面畫(huà)一條約 2mm 的黑線(xiàn)，光電池與激光器放置于同側(cè)，當(dāng)“三線(xiàn)擺”轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)激光照射在擺盤(pán)非黑線(xiàn)位置上，光電池能接收到較強(qiáng)的光信號(hào)，當(dāng)照射到黑線(xiàn)時(shí)接收到信號(hào)會(huì)大大減弱。其中旋轉(zhuǎn)平臺(tái)支座測(cè)試平臺(tái)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(guò)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。本節(jié)主要講的是激光器和光電池的安裝。畫(huà)好此虛線(xiàn)（用鐵筆畫(huà)細(xì)長(zhǎng)的線(xiàn)）如圖 59 所示，在以后實(shí)驗(yàn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)至虛線(xiàn)位置處就說(shuō)明旋轉(zhuǎn)到位，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前在實(shí)驗(yàn)輔助裝置的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的支座上放置量角器，放置好后旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)當(dāng)旋轉(zhuǎn)到5176。圖 59 “三線(xiàn)擺”控制擺角的虛線(xiàn)位置“三線(xiàn)擺”法測(cè)慣量時(shí)要求擺盤(pán)對(duì)中裝置部分主要由一個(gè)定位錐，該定位錐位于測(cè)量平臺(tái)的中心，其他測(cè)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)。這個(gè)值。然后開(kāi)始計(jì)算周期。安裝調(diào)試時(shí)，保證定位錐位于擺盤(pán)的圓心處，相距 3~5mm。其具體結(jié)構(gòu)如圖 58 所示。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)。10mm。 20mm；Y 方向上的移動(dòng)范圍為：200177。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(xiàn)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(mǎn)足實(shí)驗(yàn)測(cè)試的要求，由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自身在空間上的位置相對(duì)比較固定，所以在設(shè)計(jì)過(guò)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。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(duì)穩(wěn)定，移動(dòng)端用四個(gè)螺母兩兩并死固定于測(cè)試平臺(tái)兩端如圖 56 所示。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。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(zhǎng)，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到大量廣泛應(yīng)用 [12]。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(tái)的進(jìn)給絲杠)；還有調(diào)整零件之問(wèn)相對(duì)位置的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。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(chēng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 定位移動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)在本課題所述輔助測(cè)量裝置平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)部分，通過(guò)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(cè)量裝置在給定范圍內(nèi)水平移動(dòng)，在對(duì)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?xún)?nèi)。當(dāng)電磁鐵有電流通過(guò)時(shí)，電磁鐵往后收縮，兩個(gè)爪頭向中間靠攏，抓住擺盤(pán)。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(duì)應(yīng)的直徑為 100mm，與“三線(xiàn)擺”實(shí)驗(yàn)裝置的擺盤(pán)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。其工作過(guò)程如圖 55所示。通電后電磁鐵向后收縮 10mm，此時(shí)，兩個(gè)夾頭分別向圓盤(pán)中心位置處移動(dòng) 5mm，從而使夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤(pán)。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。框架式電磁鐵工作過(guò)程為：當(dāng)接入 24V 直流電源時(shí)產(chǎn)生電流，通電螺線(xiàn)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)。安裝尺寸：202637mm。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。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(duì)擺盤(pán)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。圓盤(pán)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(guò)控制電磁鐵的通斷來(lái)控制夾頭的張合。為了實(shí)現(xiàn)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度 6176。但本實(shí)驗(yàn)中要求三線(xiàn)擺圓盤(pán)作線(xiàn)性振動(dòng)，對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)來(lái)說(shuō)，就是把轉(zhuǎn)角大小當(dāng)作振動(dòng)位移來(lái)建立振動(dòng)方程，所以根據(jù)線(xiàn)性振動(dòng)的定義，只有小于 6 度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)才是線(xiàn)性振動(dòng)。4. 所設(shè)計(jì)裝置不能改變?cè)械膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)。2. 所設(shè)計(jì)裝置在使用過(guò)程中能方便師生的使用，達(dá)到簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作的目的。其裝配的最大外形尺寸為：345210155mm 其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)流程本課題的主要是為了設(shè)計(jì)針對(duì) ZME1 綜合力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)“三線(xiàn)擺”法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度提高而設(shè)計(jì)的一套輔助測(cè)量裝置，現(xiàn)有的測(cè)量改進(jìn)方法，要么測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，要么只解決帶來(lái)誤差的一兩個(gè)問(wèn)題，尚未有一套合理的改進(jìn)方法能夠完全解決上述問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，減少測(cè)量人員的工作量，最大程度的提高測(cè)量精度和數(shù)據(jù)可信度，設(shè)計(jì)加工了“三線(xiàn)擺”法轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量輔助裝置。設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)精度的要求，同時(shí)還要能夠方便的操作從而測(cè)量得到可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由（42）可得變化電壓為 ~5V，在使用過(guò)程中將R2 置于最小端然后開(kāi)始調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到光電池感應(yīng)到的強(qiáng)度超過(guò) 50mV 為止（如圖413）。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(shí)驗(yàn)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。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1 和 R2 的阻值是不能隨意設(shè)定的。電子愛(ài)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。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)指示燈 LED12 發(fā)光，說(shuō)明此時(shí)電路有點(diǎn)可以進(jìn)行下一步操作，若指示燈不亮檢查保險(xiǎn)管是否被燒化 J3COND7FG+inUTPEBK5/LM6uH8圖 412 5V 供電電路原理圖2. 激光器供電電路設(shè)計(jì)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。在 LM2576 的 2 端口分別連上電容C10（ 100uF）和 C11（1000uF）接地。5V 供電電源電路設(shè)計(jì)如下圖 412 所示，在接口的正極接上二極管D1（IN4007）是電流單向?qū)?，防止電源接反造成損失。在指定輸入電壓和輸出負(fù)載條件下保證輸出電壓的 4%誤差，以及振蕩器頻率 10%誤差，還包括外部的關(guān)斷電路，??特征有 50 （典型值）待機(jī)電流。LM2576 的效率比流行的三段線(xiàn)性穩(wěn)壓器要高得多，是理想的替代。這些器件的固定輸出電壓有，5V，12V，還有可調(diào)整輸出的型號(hào)。電磁鐵所用 24V 電壓直接從平臺(tái)供電“三線(xiàn)擺”擺盤(pán)激光器光電池及其調(diào)理裝置LED周期顯示020406080100第 一 季 度 第 三 季 度東 部西 部北 部單片機(jī)電路第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)9201()RV??處引出。對(duì)此設(shè)計(jì)出供電模塊。通過(guò)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置在操作方面采用電控的方式，減小了人為干擾，所在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中把測(cè)算周期的精度提高了，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)算精度也有所改進(jìn)高。八段段碼 LED 顯示器的共陽(yáng)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）。在本課題中運(yùn)用 74HC04 將單片機(jī)和數(shù)碼管相連接。第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)7 DisLED送出一位顯示先點(diǎn)亮最右邊的LED送位控制信號(hào)取顯示數(shù)據(jù)指向顯示緩沖區(qū)末地址延時(shí) 1ms指向下一緩沖單元位控信號(hào)左移一位查表取字形碼返回第一位顯示最左一位？ YN圖 49 LED 動(dòng)態(tài)掃描子程序的流程圖為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)約成本，減少工作量，減少硬件組成，為此在本課題的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～2ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)（如圖 49）。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線(xiàn)控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來(lái)驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱(chēng)直流驅(qū)動(dòng)。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到地線(xiàn) GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)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(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM。由于沒(méi)有外圍零件，故 PB5（MOSI ）、 PB6（MISO）、PB7 （ SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾（圖 47）。圖 46 AD 轉(zhuǎn)換濾波線(xiàn)路原理圖3. ISP 下載接口設(shè)計(jì)ISP 下載接口，不需要任何的外圍零件。即這部分不需要任何的外圍零件。習(xí)慣上在 AREF 腳接一只 100pF 的電容到地（C7）。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使?TL431 基準(zhǔn)電壓源。官方文檔推薦在 VCC 串上一只 10uH 的105/2Vm?電感（L1 ），然后接一只 100pF 的電容到地（C6）。2. AD 轉(zhuǎn)換濾波線(xiàn)路的設(shè)計(jì)為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16 芯片有獨(dú)立的 AD 電源供電。Mega 系列實(shí)際使用時(shí)，這兩只小電容不接也能正常工作。不過(guò)，內(nèi)置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場(chǎng)合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時(shí)，建議使用外部的晶振線(xiàn)路。當(dāng) AVR 在工作時(shí)，按下 S1 開(kāi)關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位（如圖 45）。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(xiàn)路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)單：直接拉一只100K 的電阻到 VCC 即