【正文】 最終完成了對轉動慣量測量系統(tǒng)的開發(fā)設。第 6 章 實驗輔助裝置的使用與結論11第 6 章 結論及展望本文從轉動慣量的理論知識入手，就轉動慣量的測量方法進行了分析，研究和分析了之前學者們對改進轉動慣量測量的方案。m2)手動轉動慣量測算誤差電控式轉動慣量測算誤差207 104 104 % %298 104 104 % %500 104 104 % %通過比較表 52 的數據，可以發(fā)現，在使用“三線擺”實驗輔助裝置測量時可以大大提高實驗測量的精度，實驗測算結果誤差可保證在 5%以內，而手工測量其誤差遠大于 5%。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)大學繼續(xù)教育學院論文10表 52 三線擺不同測量方法在不同長度下精度長度l(mm)手動轉動慣量測算結果(kg用兩種不通的方式獲取周期信按照公式： 計算不同線長的轉動慣量值，以 計算各級轉動慣量值并且填入表中。圓盤轉動慣量的理論計算： =104（kg 實驗效果檢驗調試過程中用直徑 D=100（mm）,厚度=(mm)，材料比重=，吊線半徑 r=38mm。7. 光電池接收到信號以后經過放大處理以后，傳輸到單片機中處理，處理的方式有兩種，一種是計數求周期法，另外一種是頻譜分析法。5. 打開激光座上的激光器，調節(jié)激光座位置，使激光器發(fā)射出來的光點位于擺盤黑線約 35mm 處，調節(jié)激光器的供電電壓，使激光的亮度適中。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，如若不能則調節(jié)高度調節(jié)座的螺栓，使得擺盤夾頭能穩(wěn)定的夾住擺盤。1. 調節(jié)裝置位置，使定位錐位于擺盤的圓心下方。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，使整個實驗裝置能牢牢的固定在實驗平臺的立柱上面。準確度高，人為干擾因素小，可以較大幅度提高實驗測算數據的可信度，和提高工作效率（如圖 512）。所以該實驗裝置在不論是在教學實驗過程還是實際工程測量中都具有很重要現實使用價值。通過上緊螺栓使整個實驗裝置能穩(wěn)定的固定于要測試的平臺之上。圖 511a 連接實驗平臺 V 型爪實物圖圖 511b 型爪結構圖示意圖光電池激光器河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文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。下面就這兩部分做簡單概述。激光器發(fā)出亮光照射在“三線擺”擺盤的側面，在擺盤側面畫一條約 2mm 的黑線，光電池與激光器放置于同側，當“三線擺”轉動時激光照射在擺盤非黑線位置上，光電池能接收到較強的光信號，當照射到黑線時接收到信號會大大減弱。其中旋轉平臺支座測試平臺第 5 章 機械結構設計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。本節(jié)主要講的是激光器和光電池的安裝。畫好此虛線（用鐵筆畫細長的線）如圖 59 所示，在以后實驗過程中旋轉實驗平臺至虛線位置處就說明旋轉到位，可以進行實驗。實驗前在實驗輔助裝置的旋轉平臺的支座上放置量角器，放置好后旋轉實驗平臺當旋轉到5176。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。這個值。然后開始計算周期。安裝調試時，保證定位錐位于擺盤的圓心處，相距 3~5mm。其具體結構如圖 58 所示。使用時先調節(jié) X 方向的位置，然后調節(jié) Y 方向的位置，最后調節(jié) Z 方向的位置，直至定位裝置到達指定位置時停止調節(jié)。10mm。 20mm；Y 方向上的移動范圍為：200177。圖 56b 滑動絲杠螺母移動裝置絲杠導軌調節(jié)旋鈕導向軸座第 5 章 機械結構設計55圖 57 “三線擺”和兩立柱之間位置關系俯視圖所設計的實驗輔助裝置要求在空間內可以自由移動（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，所以在設計過程中移動位置可以比較小，這不僅方便安裝調試，還節(jié)約了成本。X 方向導向軸座上有螺紋孔當裝置調節(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。在絲杠的水平方向上各設計安裝了了一根導軌，導軌中有一鍵槽和 55mm 鍵槽緊配合。滾珠絲杠螺母機構雖然結構復雜、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，運動具有可逆性，使用壽命長，因此在機電一體化系統(tǒng)中得到大量廣泛應用 [12]。有以傳遞能量為主的(如螺旋壓力機、千斤頂等)；也有以傳遞運動為主的如機床工作臺的進給絲杠)；還有調整零件之問相對位置的螺旋傳動機構等。夾爪彈簧螺栓夾爪頭電磁鐵剛性繩河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文4 移動裝置設計考慮到本課題所需設計的實驗輔助裝置的調節(jié)范圍較短，但是精度要求較高，所以選用了絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構。 定位移動裝置的設計在本課題所述輔助測量裝置平臺調節(jié)機構部分，通過調節(jié)蝶形螺母由絲桿副組成的移動副能實現整個測量裝置在給定范圍內水平移動，在對中裝置的下方同樣裝有絲桿機構，能在上下方向上移動，兩者的移動精度可保證在 以內。當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。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的直徑為 100mm，與“三線擺”實驗裝置的擺盤直徑相同，此設計的目的是為了讓夾頭在夾取的時候能夠更加穩(wěn)定。其工作過程如圖 55所示。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。由于電磁鐵為純電控執(zhí)行器件，所以常作為自動化設備的執(zhí)行元件之用途如圖 54 所示?？蚣苁诫姶盆F工作過程為：當接入 24V 直流電源時產生電流，通電螺線管會產生磁通吸引可動鐵芯，從而實現電磁鐵的移動。安裝尺寸：202637mm。圖 53 釋放機構實物圖本課題設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。河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文2 釋放機構設計釋放機構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。圓盤的扭轉及夾緊（放松）分別由釋放機構和夾頭控制，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。為了實現圓盤轉動角度 6176。但本實驗中要求三線擺圓盤作線性振動，對于扭轉振動來說，就是把轉角大小當作振動位移來建立振動方程，所以根據線性振動的定義，只有小于 6 度的扭轉振動才是線性振動。4. 所設計裝置不能改變原有的實驗平臺。2. 所設計裝置在使用過程中能方便師生的使用，達到簡化實驗操作的目的。其裝配的最大外形尺寸為：345210155mm 其整體結構簡圖如圖 51 所示： 圖 51 裝置機械結構整體結構裝配圖 設計流程本課題的主要是為了設計針對 ZME1 綜合力學實驗臺“三線擺”法測轉動慣量測量實驗的測量精度提高而設計的一套輔助測量裝置，現有的測量改進方法，要么測量過程復雜，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據可信度，設計加工了“三線擺”法轉動慣量測量輔助裝置。設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據。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節(jié)，調節(jié)到光電池感應到的強度超過 50mV 為止（如圖413）。圖 413 激光器可調供電電源本課題運用 LM317 為激光器供電，實驗中用到的激光器是 0~5V 供電電壓可調的銅材半導體激光管，其額定功率為 5mW。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1 和 R2 的阻值是不能隨意設定的。電子愛好者經常用 317 穩(wěn)壓塊制作輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源。當有電流通過時指示燈 LED12 發(fā)光，說明此時電路有點可以進行下一步操作，若指示燈不亮檢查保險管是否被燒化 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 供電電源電路設計如下圖 412 所示，在接口的正極接上二極管D1（IN4007）是電流單向導通，防止電源接反造成損失。在指定輸入電壓和輸出負載條件下保證輸出電壓的 4%誤差，以及振蕩器頻率 10%誤差，還包括外部的關斷電路，??特征有 50 （典型值）待機電流。LM2576 的效率比流行的三段線性穩(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，還有可調整輸出的型號。電磁鐵所用 24V 電壓直接從平臺供電“三線擺”擺盤激光器光電池及其調理裝置LED周期顯示020406080100第 一 季 度 第 三 季 度東 部西 部北 部單片機電路第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設計9201()RV??處引出。對此設計出供電模塊。通過改進后的實驗裝置在操作方面采用電控的方式，減小了人為干擾，所在實驗過程中把測算周期的精度提高了，其轉動慣量的測算精度也有所改進高。八段段碼 LED 顯示器的共陽端接 +5V，陰端分別接 PC0~PC7，選通端1~4 和四個反向器相連接由單片機 PA0~PA3 控制（圖 410）。在本課題中運用 74HC04 將單片機和數碼管相連接。第 4 章 電氣系統(tǒng)原理和設計7 DisLED送出一位顯示先點亮最右邊的LED送位控制信號取顯示數據指向顯示緩沖區(qū)末地址延時 1ms指向下一緩沖單元位控信號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 動態(tài)掃描子程序的流程圖為了優(yōu)化系統(tǒng)設計，節(jié)約成本，減少工作量，減少硬件組成，為此在本課題的實驗過程中采用動態(tài)顯示的方法。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為 1～2ms，由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應（如圖 49）。數碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數碼管的 8 個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，如驅動 5 個數碼管靜態(tài)顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來驅動。靜態(tài)驅動也稱直流驅動。共陰數碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數碼管，共陰數碼管在應用時應將公共極 COM 接到地線 GND 上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。共陽數碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽單片機單片機河南工業(yè)大學繼續(xù)教育學院論文6極(COM)的數碼管，共陽數碼管在應用時應將公共極 COM。由于沒有外圍零件，故 PB5（MOSI ）、 PB6（MISO）、PB7 （ SCK）、復位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾（圖 47）。圖 46 AD 轉換濾波線路原理圖3. ISP 下載接口設計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。習慣上在 AREF 腳接一只 100pF 的電容到地（C7）。也可以從外面輸入參考電壓，比如在外面使用 TL431 基準電壓源。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 轉換濾波線路的設計為減小 AD 轉換的電源干擾，Mega16 芯片有獨立的 AD 電源供電。Mega 系列實際使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。不過，內置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。當 AVR 在工作時，按下 S1 開關時，復位腳變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復位（如圖 45）。并且在熔絲位里，可以控制復位時的額外時間，故 AVR 外部的復位線路在上電時，可以設計得很簡單：直接拉一只100K 的電阻到 VCC 即