机械设计制造及其自动化优秀本科毕业论文

ABSTRACT 摘 要 转动惯量作为一个重要的工程参数 如何准确地测量转动惯量在工程上具有 重大意义 本文针对 ZME 1 综合力学实验台 三线摆 法测转动惯量测量实验 设计 出一套能够较精确的测量物体转动惯量的实验辅助装置 该装置采用非接触测量 方式 可以方便 快捷 准确的获取三线摆盘转动的周期信号 经在实验室检验 该转动惯量测量装置 能准确稳定的采集到周期旋转信号 关键词 转动惯量 三线摆 实验辅助装置 非接触式测量 ABSTRACT I ABSTRACT The moment of inertia as an important engineering parameters how to measure the moment of inertia accurately has a magnificent significance in the project This thesis based on the trilinear pendulum method to measure the moment of inertia at the ZME 1 comprehensive mechanical bench Designing a more accurate system to measure the moment of inertia the system can display real time swing cycle automatically calculates the moment of inertia data Designed non contact measurement can be convenient fast accurate estimates of three wire pendulum rotation cycle The moment of inertia measure equipment has been tested in the laboratory that can collect the periodic turn signal accurately and stably Key words Moment of Inertia Trilinear Pendulum Measurement System Assistive Devices Non contact measurement 目 录 II 目 录 第 1 章 引 言 1 1 1 研究意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 主要研究内容 2 第 2 章 转动惯量的运用研究与测量 4 2 1 转动惯量的物理意义及其运用 4 2 2 现有的转动惯量测算方法 6 2 3 各种测算方法分析 10 第 3 章 测试装置设计 12 3 1 测试装置技术要求 12 3 2 总体方案设计 12 3 2 1 电气系统方案 13 3 2 2 机械系统方案 14 第 4 章 电气系统原理及设计 16 4 1 传感器信号放大与处理 16 4 1 1 光电池工作原理 16 4 1 2 单片机控制光电池计数原理 17 4 1 3 信号采集模块 18 4 2 单片机及其外围电路设计 19 4 2 1 单片机电路设计 20 4 3 LED 显示模块 21 4 4 电源模块设计 24 第 5 章 机械结构设计 27 5 1 设计流程 27 目 录 III 5 2 摆盘夹取装置的设计 28 5 2 1 释放机构设计 29 5 2 2 夹头设计 30 5 3 定位移动装置的设计 30 5 3 1 移动装置设计 31 5 3 2 定位装置设计 32 5 4 转角控制和传感器装夹装置 33 5 4 1 转角控制方式 33 5 4 2 激光器和光电池装夹装置 33 5 5 其它装置机构的设计 34 5 6 实验辅助装置装配调试及检验 35 5 6 1 装配调试 35 5 6 2 实验效果检验 36 第 6 章 结论及展望 38 参考文献 39 致 谢 40 附 录 41 附录 1 实验辅助装置的电路图 41 附录 2 实验辅助装置的装配图 42 外文资料原文 43 外文资料 译文 47 河南工业大学继续教育学院论文 0 第 1 章 引 言 1 1 研究意义 转动惯量是刚体转动时惯性的量度 其量值取决于物体的形状 质量分布及 转轴的位置 刚体的转动惯量有着重要的物理意义 在科学实验 工程技术 航 天 电力 机械 仪表等工业领域也是一个重要参量 近年来 伴随着高新技术的日新月异 对物体转动惯量 尤其是对非均质 不规则物体转动惯量的深入性研究已经对未来的航天 航空 军事及精密仪器制 造等高精尖行业产生了深远的影响 而且 转动惯量对于研究 设计 控制转动 物体 尤其是导弹 火箭 卫星等飞行体的运动规律有着非常重要的作用 是影 响其运动的重要参数之一 目前关于转动惯量的常规测量方法有直接计算法 线摆法和扭振法等 转动 惯量的测量 一般都是使刚体以一定的形式运动 通过表征这种运动特征的物理 量与转动惯量之间的关系 进行转换测量 测量刚体转动惯量的方法有多种 三 线摆法是具有较好物理思想的实验方法 它具有设备简单 直观 测试方便等 优 点 但在普通的测量实验中 一般采用测量三线摆微摆周期 然后计算转动惯量 的方法 这种线摆法测转动惯量的测量方式仍依靠手动操作 由于人为操作自身 的局限性必然存在着人为误差 从而产生了用自动的方式来测量物体转动惯量的 想法 以达到减小人为误差的目的 1 本课题设计一套 三线摆 法测转动惯量的实验辅助装置 该装置由机械系 统和电气系统两部分组成 能够准确的测量三线摆摆盘的转动周期 同时能有效 的减小实验过程中产生的误差 1 2 国内外研究现状 教学实验中 用三线摆测定刚体转动惯量的实验设备由于测量条件和方法的 限制 在实验的操作 测量 记录分析过程中存在诸多不便 调试的方法不尽合 理 在测量过程中误差产生的原因很多 特别是实验平台的径向摆动 实验平台 未能水平放置以及人工计数等等因素使得测试测量误差较大 教学工作人员和学 生都不满意 某种程度上说这和三线扭摆法是测量转动惯量的优点 仪器简单 操作方便 精度较高 是相悖的 目前 对三线摆测物体转动惯量的实验 据可查阅到的文献表明从 1986 年 第 1 章 引言 1 以来就有人从事转动惯量测量方法的研究和 三线摆 测量方式的改进 同时发 表了很多与之相关的论文 2011 年海军航空工程学院基础实验部理化实验中心张勇提出了运用刚体转动 惯量叠加原理 对三线摆测量刚体转动惯量的原理公式进行合理变形 选择下盘 的固有转动惯量作为测量的标准量 推导了刚体转动惯量的测量公式 该方法优 点是简化了实验的计算工作量 缺点是该试验的计算方式并没有提高测量的精度 2009 年东风汽车有限公司东风商用车技术中心刘昶提出了由加速度传感器和 数据采集系统获取三线摆圆盘切向加速度的时间历程信号 通过测算以得到三线 摆的周期信号 该方法的优点是减少了人工计数的工作量 同时采用加速度传感 器其测算的精度也有所提高 缺点是该方法在测量周期是改变了摆盘自身的转动 惯量 给测算带来误差 上述两种方法也是目前大部分学者所研究的方向 方法虽然各异 但是都具有 共同目标 就是减小实验中的误差 以提高实验结果的精确度 张代胜等在 农 业机械学报 中发表论文详细地分析了 三线摆 法误差产生的原因 1 三线摆 的摆盘是否水平 2 周期测量精度的高低 3 摆扭转角的大小是否小于 6 4 转动的时候是否存在平动 5 空气阻力 2 1 3 主要研究内容 本课题要求研究物体转动惯量的常规测试方法 并且设计出测量精度更高的 测试方法 基本摆脱人为因素的干扰 实现物体转动惯量的自动测量 那么在设 计过程中就要考虑到许多实际的问题 其中包括测量方案的选定 相关硬件的设 计以及测量数据的处理等 课题难点在于方案的可行性研究 作为整个设计流程的前提 方案的选取决 定着设计的方向 例如测量物体转动惯量的方式可以是机械式的 电控式的等等 这就决定了以后设计的方向是纯机械的 纯电控的或者机电结合的 另外 硬件 的设计必然将涉及到机学 电学 以及信号的采样处理等 覆盖范围较大 需重 点突破 信号 主要是指三线摆转动的周期信号 采集方案的设计是本文研究的核心 部分 在结合性价比的情况下 优选出最佳方案 并最终将该方案需要用到的硬 件设计制作出来 河南工业大学继续教育学院论文 2 就现阶段来说 本文所做的工作主要是研究 三线摆 测转动惯量的实验改 进方法 通过研究误差产生的原因 影响以及避免或者减小的方法 设计一套可 以有效运用于 三线摆 法测惯量的试验平台上 提高实验数据精度的装置 本课题是针对转动惯量及测试方法进行的研究 在常规测试方法的基础上设 计出新的转动惯量测试系统 提高其测试精度 作为一种更加精确的测试方式 本文设计的物体转动惯量自动测试系统如果 进一步改良 可成为一种适用于各种物体的转动惯量测试手段 在工程设计中得 到普遍应用 将是一种方便 快捷 准确的测量方式 本课题所设计的装置非接触式测量 在不改变原有测量装置的前提下 使测 量精度提高 同时设计焊接了电路系统 为后期实时显示周期与自动测算转动惯 量奠定了硬件基础 该设计准确度高 人为干扰因素小 可以较大幅度提高实验 测算数据的可信度 和提高工作效率 河南工业大学继续教育学院 0 第 2 章 转动惯量的运用研究与测量 2 1 转动惯量的物理意义及其运用 转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量 刚体转动惯量的大小表现了刚 体转动状态改变的难易程度 通过公式 或 可以知道 转动惯量的大小由物体的质量 2irmJ drJ 2 质量分布和转轴的位置三个因素来决定 式中 r 为组成刚体的质量微元 m 或 dm 到转轴的垂直距离 求和号i i 或积分号 遍及整个刚体 转动惯量只决定于刚体的形状 质量分布和转轴的 位置 而同刚体绕轴的转动状态 如角速度的大小 无关 规则形状的均质刚体 其转动惯量可直接计算得到 不规则刚体或非均质刚体的转动惯量 一般用实验 法测定 转动惯量应用于刚体各种运动的动力学计算中 描述刚体绕互相平行诸转轴的转动惯量之间的关系 有如下的平行轴定理 刚体对一轴的转动惯量 等于该刚体对同此轴平行并通过质心之轴的转动惯 量加上该刚体的质量同两轴间距离平方的乘积 公式为 由于和式的第2 mdJ 二项 md 恒大于零 因此刚体绕过质量中心之轴的转动惯量是绕该束平行轴诸转2 动惯量中的最小者 3 转动惯量的量纲为 L M 在 SI 单位制中 它的单位是 kg m 2 2 首先需要引出动能公式 而动能的实际物理意义是 物体相对某2 1 mvE 个系统 选定一个参考系 运动的实际能量 P 势能实际意义则是物体相对某 个系统运动的可能转化为运动的实际能量的大小 把 代入动能公式 是角速度 r 是半径 在这里对任何物体来说是把rv 物体微分化分为无数个质点 质点与运动整体的重心的距离为 r 而再把不同质 点积分化得到实际等效的 r 得到 由于某一个对象物体在运动2 1rmE 当中的本身属性 m 和 r 都是不变的 所以把关于 m r 的变量用一个变量 K 代替 得到 K 就是转动惯量 分析实际情况中的作用相当于2rK 2 1 E 牛顿运动平动分析中的质量的作用 都是一般不轻易变的量 这样分析一个转动问题就可以用能量的角度分析了 而不必拘泥于只从纯运 动角度分析转动问题 从能量角度分析转动问题 1 本身代表研究对象的运动能量 2 KE 第 2 章 转动惯量的运用研究与测量 1 2 之所以用 难以分析转动物体的问题 是因为其中不包含转动 1 mvE 物体的任何转动信息 3 除了不包含转动信息 而且还不包含体现局部运动的信息 2 因为里面的速度 v 只代表那个物体的质心运动情况 4 之所以利于分析 是因为包含了一个物体的所有转动信息 2 1E 因为转动惯量 本身就是一种积分得到的数 更细一些讲就是综合了转动mrK 物体的转动不变的信息的等效结果 这里的 K 和上面的 J 一样 2mrK 所以 就是因为有了转动惯量 从能量的角度分析转动问题 才有了价值 下面简单介绍转动惯量在各个方面的运用 1 转动惯量在车辆转弯时的应用 车辆过弯时应该要考虑转动惯量 不仅漂移过弯需要算到转动惯量 抓地过 弯也要算到转动惯量 如果把车看成是刚体的话 那刚体在合外力矩 M 的作用下 所获得的角加速度与合外力矩大小成正比 与转动惯量 J 成反比 而转动惯量不 考虑车过弯的速度 只考虑质量和旋转半径 所以后半段特别是在快出弯时 由 于轮胎持续打滑所以不能获得足够向前的加速度 漂移出弯不如抓地出弯 4 2 人体转动惯量在体育中的应用 实际上现实的物体是有大小的 它的质量不可能集中于一点 而是分布在物 体的各点上 各点到转动轴的距离又不相同 这样一来 就应该运用公式把每一 点的转动惯量算出 然后再相加 这样才能得到整个物体的转动惯量 虽然在分 析动作时 并不一定要用转动惯量的准确值 但熟练地掌握人体在各种姿势时转 动惯量的差别仍是必要的 例如 在扣排球时 由引臂开始 R 减小 角速度 增加 在去打排球瞬间将臂打开 在已获得较大的 的基础上 突然增大 R 这样线速度 V 增加 从而获得大的挥臂速度 3 汽车的三轴转动惯量 汽车的三轴转动惯量是指汽车空车整备质量状态下的横摆转动惯量 俯仰转 动惯量和侧倾转动惯量 按照汽车坐标系 这三轴转动惯量分别是绕质心 Z 轴 绕质心 Y 轴和绕质心 X 轴的转动惯量 这些参数以及车辆的质心位置对汽车的 安全性 平稳性和平顺性有很大影响 在新车设计时 必须运用这些特性参数 通 过动力学模型来预测车辆的动力学性能 另外 在进行实验评价时 为检验理论分 析时所用特性参数的正确性 以及车辆间进行比较时 都要求高精度地测量这些 特性参数 5 河南工业大学继续教育学院 2 4 转动惯量对活塞压缩机驱动电机主轴的重要性 近代压缩机对振动的控制要求日益严格 对于大中型压缩机 轴系的扭转振 动以为外国公司列为计算项目之一 正常情况下 压缩机应该在共振区之外运行 如果在共振区中运行 轴将产生很大振幅 以致在轴段中引起足以损坏轴的附加 应力 所以必须对轴的转动惯量进行计算 进而确定准确的飞轮矩 以保证驱动 机与压缩机不在危险的范围内运转 并保证满足一定的转速不均匀度与电流波动 值的要求 6 2 2 现有的转动惯量测算方法 1 直接代数计算法 刚体转动惯量 永远是一个正的标量 在动量矩定理中 刚体定轴2LJdm 转动微分方程可以表达为 J za Mz 这与动力学基本方程 F ma 是相似的 式中 转动惯量的地位与质量 m 相当 掌握转动惯量的概念和如何测定刚体的转动惯量是十分重要的 一些常见匀 质规则几何形状的刚体 其转动惯量可查工程手册 但一些不规则形状和非均质 的刚体 其转动惯量是很难计算 一般需要用实验方法求得 由密度不同的材料 组成 且形状不规则 需要用实验的方法测试出其转动惯量 2 三维建模法测量物体转动惯量 转动惯量是物理学及工程力学中经常遇见的问题 在数学分析教材中仅给出 了三维空间中的质量物体 V 对三个坐标轴 X 轴 Y 轴 Z 轴 的转动惯量的计算 方法 而对于三维空间中对于一般直线甚至连平行于坐标轴的直线的转动惯量都 没有给出计算方法 本文根据数学分析和解析几何的相关知识 应用微元法给出 空间中的质量曲线 S 和质量立体 V 对任意直线 l 的转动惯量的计算方法 用三维建模软件计算转动惯量 给出的是三组数值 分别是 1 惯性主轴和惯性力矩 由重心决定 2 由重心决定 并且对齐输出的坐标系 3 由输出座标系决定 惯性主轴的定义 定义 1 三条相互垂直的坐标轴 其中构件惯性积等于零 的某一坐标轴 定义 2 对通过物体一给定点的每组笛卡尔坐标轴 该物体的三 个惯性积通常不等于零 若对于某一上述的坐标轴物体的惯性积为零 则这种特 定的坐标轴称为主惯性轴 惯性积 构件中各质点或质量单元的质量与其到两个相互垂直平面的距离之 第 2 章 转动惯量的运用研究与测量 3 AB工 作 台系 杆 动 鼠平 衡 重 21mrJ 21 mJrJ 乘积的总和 惯性力矩就是转动惯量 转动惯量严格定义是一个物体上 它的每一极小块乘以那一小块到转动中心 的距离的平方 再把乘积都加和起来就是转动惯量 K mr 2 俗称惯性矩 惯性 矩俗称惯性力距 惯性力矩 3 动鼠沿圆周运动测转动惯量 设有一可绕铅垂轴自由转动的双层圆盘 其对 Z 轴的转动惯量为 J 如图 2 1 所示 图 2 1 惯量测试仪实验装置结构图 上层为工作台 其上刻有同心圆线 下层为动盘 动鼠在其上跑动 系杆与 轴 Z 以滑动轴承连接 鼠在半径为 r 的圆周上运动 欲测量物体对过其质心轴 Z1 某轴的转动惯量 J1 将该物体质心过 Z 轴 且使 Z 轴和 Z1 轴重合 设动鼠质 量为 m 平衡质量亦为 m 暂略系杆质量 使鼠沿圆周跑动 设动鼠转过的圆心 角为 则动盘反向转动的角 为 从而可求得 若考虑系杆的质量 设动鼠系统对 Z 轴转动惯量为 JO 且动鼠相对静系转 过角度为 O 则有 O 于是测量的 J1 为 2 10010 J 对于偏置待测物体 Z 1 轴过 O 可测出 J 11 J1 若其过 A 注意 A 与 O 点相距 为 r1 测时使待测物与工作台紧贴 可测出 河南工业大学继续教育学院 4 20 TMgrJl 2 2 021JJ 理论值应为 J12 J11 r12M1 其中 M1 为待测物质量 这里应用平行移轴公式 若采取 Z1 轴过 O A B 等不同的点可测出 i 0i 通过一组代数方程组便可 计算出 M1 与 J1 设 A 与 O 距离 r1 B 与 O 相距为 r2 如待测物质量 M1 相对质 心轴 Z1 的转动惯量为 J1 通过两次测定便知 M1 J 1 先使 Z1 过 A 有 01 1 则有 2 3 其中 J 0 是动鼠系统对 Z 轴的转动惯量 J 是动盘系统对 Z 轴的转动惯量 0i 是动鼠系统相对静系的转角 i 是动盘系统相对静系的转角 4 三线摆 法测惯量方法分析 本课题所涉及 三线摆 法测转动惯量计算公式 下面将就该公式的推导过程进行说明 J0 对圆盘中心的转动惯量 T 摆动圆盘的周期 L 线长 M 圆盘质量 g 重力加速度 r 线与圆盘固结点的半径 R 圆盘半径 设圆盘最大转动角为 当圆盘转动角为 时 m 由图示几何关系 2 2 三线摆示意图maxax rll 圆盘扭转振动时最大动能为 2max02max0max11 nJdtJT 202020111 r 第 2 章 转动惯量的运用研究与测量 5 圆盘扭转振动时最大势能为 tn simax maxax nd 2max2ama 1co1 lrMglMglU 对于保守系统 maxaT 得圆盘振动的固有圆频率或固有频率 lJMgrn022 lfn021 则转动惯量 注意不是 R lgrTJ 20 对于一个均质圆盘用三根平行线悬吊后 给一个初始扭转角小于 6 测得扭 转振动周期 T 代入计算公式 即得转动惯量 此式与理论上的精确公式 2 4 比较 就得到了误差 从计算公式 2 4 中可以看出 要求得圆盘的转动惯量 需要知道线长 l 而 不同的线长将导致实验测得的圆盘转动惯量值不同 所以找到测量误差最小时的 线长 l 也是该实验阶段的重点部分 因为对应不同的摆线长 测得的转动惯量值不一样 那么其误差也不一样 通过上面的实验可以找到对应误差最小的摆线长 在确定出误差最小的摆线长度后 就可以测量电磁铁的转动惯量了 如图 2 3 所示 先将两个三线摆盘调至测量误差最小时的位置 a 盘上放置待测电磁铁 让盘心与电磁铁转动中心重合 b 盘放置二个带有强磁性的圆柱体 它们在圆盘 上的位置 S 是可以调节的 此两圆柱体合起来的重量应等同于电磁铁重量 2lJMR 河南工业大学继续教育学院 6 因为 a b 圆盘上的物体重量完全相等 根据线摆法的等效原理 如果它们 的扭转振动周期也相同的话 那么它们的转动惯量是相等的 b 盘上圆柱体的转 动惯量是可以计算的 两边圆盘的转动周期都是可以测量的 这样把计算和测量 结合起来 就可以获得电磁铁的转动惯量 a b 图 2 3 两个等效的三线摆 而要使两个圆盘上物体的转动周期完全一致 这一问题难以实现 因此可以 先测出左边圆盘的转动周期 然后调节右边圆盘上两个圆柱体之间的距离 测量 不同距离时圆盘的转动周期 最后利用差值法 就可以得出与电磁铁扭转周期相 同的两个圆柱体的周期 如图所示 设置两圆柱体不同的中心距为 S 分别测出各 S 的扭转振动周期 两个圆柱对中心轴转动惯量可按公式 2 5 进行计算 2 5 测量与两个圆柱等重的电磁铁的扭振周期 T s 应用 两圆柱在不同距离时 所测周期及所求转动惯量 数据表及插入法 求得电磁铁的转动惯量 J0 kg m2 7 2 3 各种测算方法分析 通过上述 4 种转动惯量的测试方法分析可得出以下结论 第一种计算方法在测算复杂不规则物体的转动惯量时这种方法不适用 而日 常工程中所需测算的转动惯量往往也是不规则的 第二种三维建模计算的方法需要借助软件工作 虽然结果比较准确 但是在 2201mdJ 第 2 章 转动惯量的运用研究与测量 7 运用过程中 所需测算的物体的材料 密度 几何尺寸往往是比较复杂的 绘图 工作量巨大 第三种动鼠沿圆周运动测转动惯量需借助一个复杂的设备且测算精度并不是 很高 因此在实验教学中往往采用 三线摆 法测转动惯量的方法 尽管用线摆法测量物体转动惯量的原理可靠 操作简单 测量方便 有一定 的实用性 但是 该方法仍然存在一些不足之处 首先 在测量时采用秒表来记录时间 人为因素影响很大 毕竟在测量过程 中 测量者是靠肉眼来观察圆盘摆动的位置 那么位置观察就可能存在误差 而 且测量者靠手动来控制秒表的开始与结束 即按表时刻与圆盘摆动起始时刻不可 能同步 存在一个时间差 这也是手动测量时不可避免的 而最终导致的结果就 是测量出来的周期值存在人为误差 另外 对通常 三线摆 法测转动惯量实验装置 摆动时平动动能被忽略是 与摆角大小无关的 由摆角所造成的已定系统误差可在测量结果中进行适当修正 不会影响 刚体转动惯量 的测量误差 因此摆角限值不应要求相当小 8 虽然 摆角限值不要求相当小 但是 为保证圆盘做线性振动 则还是应使圆盘转动角 度控制在 6 度以内 而在该方法中仍是靠测量者人为控制圆盘的转动角度 那么 将无法使精度得到保证 综上所述 用线摆法测试物体转动惯量 存在着影响摆动周期和转动角度的 人为因素 进而严重影响了转动惯量的测试精度 鉴于此 迫切需要设计出精度 更高的转动惯量测试系统 河南工业大学继续教育学院论文 8 第 3 章 测试装置设计 3 1 测试装置技术要求 通过 2 2 4 节对原转动惯量测量方法的分析 可以知道需要改进的地方有周 期信号的采集方式和圆盘转动角度的控制方式 在 1 3 节就提到了在 三线摆 法测惯量的实验过程中由于实验装置本身不 足和人为操作所带来的影响 其中包括 1 空气阻力 2 三线摆的摆盘是否水平 3 周期测量精度的高低 4 摆扭转角的大小是否小于 6 5 转动的时候是否存在 平动 因此想要提高三线摆测惯量的精度我们就必须从以上五方面着手 空气阻力是在实验室中测量不可避免的 摆线是否水平是实验平台自身的局 限导致 需要用水平尺进行调节 本课题的主要研究方向是解决后面三点给实验带来的误差 所以设计可以采 集摆盘转动稳定可靠的周期信号将是需要突破的关键点 为此 后续方案的设计 将着手于周期信号的自动采集 解决三线摆摆盘转角为 5 的控制方法以及避免 三线摆 摆动的问题 所设计的装置要求 1 移动范围 X 方向上可以自由的移动范围为 0 40 mm Y 方向上可以自由 的移动范围为 0 40 mm Z 方向上可自由移动的范围为 0 20mm 2 定位精度 0 2mm 3 信号采集时间响应时间小于 20ms 3 2 总体方案设计 本课题主要是为了提高 三线摆 法测惯量实验数据的精度而设计的一套辅 助测量装置 现有的测量改进方法 要么测量过程复杂 要么只解决带来误差的 一两个问题 尚未有一套合理的改进方法能够完全解决上述问题 为了简化实验 的操作过程 减少测量人员的工作量 最大程度的提高测量精度和数据可信度 设计加工了 三线摆 法转动惯量测量辅助装置 为了实现上述目的 本课题的技术方案是 三线摆 法转动惯量测量辅助 装置 包括测量平台调节机构 三线摆盘夹头部分 激光发射和光电池感应机构 信号处理装置 总体上可分为两个部分 电系统部分和机械结构部分 其测量系 统结构如下图 3 1 所示 第 3 章 测试装置设计 9 周 期 信 号 采 集信 号 处 理 模 块显 示 装 置 图 3 1 非接触式测量系统硬件平台搭建示意图 电系统部分设计一套非接触式的测量方式 使测试系统能采集到准确稳定可 靠的周期信号的装置 然后对信号进行处理 输出显示周期 机械结构部分设计了一套可以通过调节蝶型螺母让实验装置能在 X Y Z 方向上进行移动调整定位的实验装置 该装置可以在三线摆摆盘给定的位置处进 行移动 3 2 1 电气系统方案 在 三线摆 法测转动惯量的实验过程中 最重要的数据就是摆盘的周期 所以在实验过程中把周期的精度测算的越高 其转动惯量的测算精度也将越高 测算摆盘转动周期时 有很多传感器可以使用 光敏电阻 光敏三极管 霍 尔元件 加速度传感器光电池等 在安装方式上也有很多种包括 接触式和非接 触式等 本课题所研究的 三线摆 法测惯量的实验辅助装置 要求能自动测算摆盘 的摆动周期 这就决定了实验中必须要使用传感器 上述提到了很多可以选用的 传感器 下面就各个传感器特性作简要介绍 1 光敏电阻随着光线的强弱 电阻值变化 但是其响应速度慢 而摆盘摆动 相对较快 所以不选用光敏电阻作为测量器件 2 光敏三极管是利用外照光线的变化 来实现控制电路的通或断 光敏三极 管受外界干扰较大 且在安装过程中要求很高 所以不采用该器件 实验台 立柱 V 形爪 X 移动轴 Y 移动轴 Z 移动轴 夹爪 河南工业大学继续教育学院论文 10 3 加速度传感器 在摆盘旋转时 其加速度会发生改变 所以某种程度上说 是可以采用加速度传感器作为实验的传感装置 但是由于加速度传感器会直接与 所需测量的装置发生接触 这样的操作会造成很大的误差所以不能采用 4 采用霍尔元件对周期进行测量 这种测量方式要在摆盘上附加一块磁性物 质 这样会改变真个装置的转动惯量 这也会给实验带来很大的误差 5 用光电池测量周期 查阅本课题研究所用到西门子公司生产的 SFH206K 该光电池响应速度快可达 20ns 灵敏度高 光照强度为 1000lx 感应电压大于 310mV 所以适合用于本实验的传感测量装置 本课题的设计过程中用到了激光器 使用激光器的目的是为了在实验过程中 增大光电池所接收到的光强变化 选用的激光器所产生光的波长为 650nm 光电 池所能接收到的范围为 400 1100nm 在其感应范围之内 满足设计需求 测量 方法为非接触式 相比于接触式的测量方式在本设计中主要的优点 1 不改变被 测装置的现有运动状况 2 排除人为因素对实验的干扰 在设计的时候要满足不改变原有测试平台极其附属部件 以及测试过程中要 求响应速度快 所以本课题选用了光电池反射式转动信号采集方式 周期测算系 统具体构成如图 3 2 所示 图 3 2 三线摆 实验辅助装置电系统设计流程图 选用电磁铁作为本装置执行器件 通过电源的开关可以在没有直接接触到测 量平台的前提下实现对整个装置测量控制 在电路的设计过程中所选用的元件基 本是贴片式的 这是为了使整个电路的外形尺寸比较小 方便装配在装置上 3 2 2 机械系统方案 本课题的研究设计是基于 ZME 1 型理论力学多功能实验台进行的 在设计 光感信号 采集装置 单 片 机 信号 放大器 LED 周期显示 激光 发射 装置 三线摆 摆盘 电磁铁 执行件 第 3 章 测试装置设计 11 的过程当中必须考虑到现有设备的局限性 从而进行合理的改进 原有实验平台为理论力学多功能实验台 在设计过程中要求不能对整个试验 台进行任何改动 以免影响到其他实验的操作 同时该试验台有多个摆盘 要求 所设计的实验辅助装置能进行移动 以便测算其他摆盘物件上的转动惯量 经过分析论证 该试验台的辅助装置最佳的方式就是装夹在试验台的立柱上 而且要具有可调节性 为此设计出了一套可以在 X Y Z 三方向上移动的测试 机构 并且能实现实测设平台的对中 解决摆转角 6 的问题 X Y 方向可以 20mm 移动 Z 方向上可进行 10mm 的移动 主体结构包 括 将实验装置固定于实验平台的 V 型爪 X Y 方向丝杆移动调节导轨 要求 移动时调节精度 0 2mm 所以在设计中采用牙距为 1mm 螺杆用螺纹副的形式对 装置进行调节 三线摆摆盘中心定位锥 定位锥通过套筒和测量平台连接可以在 里面旋转 Z 方向为高度调节精度小于等于 0 2mm 三线摆摆盘夹头部分可以围 绕摆盘中心旋转 旋转 5 后释放摆盘 装置整体结构详见附录 2 河南工业大学继续教育学院论文 0 开 路 电 压短 路 电 压光生电流 mA 光生电流 mA 照 度 lx 第 4 章 电气系统原理及设计4 1 传感器信号放大与处理4 1 1 光电池工作原理当光照射到光电池的表面时 光能被吸收 在 p n 结上产生电子 空穴对 在内建静电场的作用下各自向相反的方向运动 结果使 p 区电势升高 n 区电势降低 p n 结形成光生电动势 这就是 p n 结的光生伏特效应 由于光产生的非平衡载流子向相反方向漂移 从而在其内部形成自 n 区向 p 区的光生电流 只要光照停止 p n 结就可以起到电源的作用 9 图 4 1 示出非晶硅 或硒 光电池的光电特性曲线 开路电压与光照度之间呈非线性关系 照度大于 1000lx 时呈现饱和特性 但其灵敏度很高 由实验可知 光电流的负载阻越小 光电流与照度之间的线性越好 且线性范围更宽 图4 1 非晶硅 或硒 光电池的光电特性 非晶硅 或硒 自身原子的无序性排列 使它尽可能少地减小光能损失 从而最 大限度地提高光电池的效率 具有多方向的良好光电特性 因此 在下面放置光 敏元件位置处均采用的是非晶硅 或硒 光电池 非晶硅 或硒 光电池具有明确快速的光电效应 产生的电势及电流稳定 纯正的直流 受外界温度及环境变化影响小 可以作为恒定的直流电源 此 外 非晶硅 或硒 光电池的使用寿命较长 一般寿命都在 10 年以上 光电池在安装过程中有两种方式 遮光式和反射式 遮光式传感器的主要缺 点是响应速度慢 信噪比低 反射式传感器中的光电元件接收的是反射光 因此 输出的电流小于遮光式 且被测物距传感器端面的距离及其材质 形状等对检测 第 4 章 电气系统原理和设计 1 精度和灵敏度影响很大其响应上升下降时间为 20ns 由于前面介绍的非晶硅光电池具有高灵敏性 因此 它对传感器的安装位置 要求相对来讲较低 如图 4 2 所示 光电元件可以在图中上下虚线之间安装 约有 70 的安装偏移范围 另外 光电池在光强为 20lx 时即可输出稳定的电压 也就 是说 确定光强 就可得到可靠的开关信号 这样大大降低了传感器的安装条件 被测物的通道宽度要求 从而扩大了光电计数器的使用范围 考虑到本课题的设计要求不改变原有的实验平台所以采用反射式 1 2 3 1 2 3 4 4 图 4 2 采用光电池的光电物位传感器结构 4 1 2 单片机控制光电池计数原理 单片机控制光电计数器按其功能可划分为两个部分 即检测部分和信号处理 单元 信号处理单元可以处理多路传感器送来的信号 这两部分可以集成在一起 形成一个整体 封装在一个表壳内 在测量环境比较差的情况下 或有多路被测 量时 这两部分可以分开并远离设置在安全场所 便于远程控制和操作 其总体 框图如图 4 3 所示 图 4 3 单片机光电计数器总体框图 光电池传感器周期显示处理系统由 AVR 系列 ATmega16 微处理器芯片作为 a 遮光式 b 反射式 单 片 机 光电池传感器 被测物体 放大调理电路 检测部分 信号处理部分 显示器 控制线 河南工业大学继续教育学院论文 2 1fvfRA 6138 5vfRA 8254 7vfR 应用系统其中还包括 LED 显示器 按键电路和接口电路 其中接口电路包括 单片机的读写电路 电源接口和对外设的供电接口 实现了人机对话等功能 我 们采用以下程序使光电计数器除了具有普通计数器的功能以外 还能实时显示被 测三线摆的旋转周期 4 1 3 信号采集模块 光电计数器的检测部分由光电池构成的光电物位传感器和放大调理电路组成 放大调理电路的作用是把传感器传来的开关信号处理成微处理器要求的电压值 并进行远距离传输 提高了信号的抗干扰能力以及设备的灵敏度 1 LM324 介绍及运用 LM324 内部包括有 4 个独立的 高增益 内部频率补偿的低功率运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推荐的工 作条件下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益 模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 在实验室条件下测的光电池在激光照射到黑线的时候会产生 50mV 以上的电 压 要将采集到的信号进行放大才能让单片机接收到 设计放大电路时要求每级 放大电路不超过 15 倍 否则放大效果将会受到影响 要使单片机能接收到光电 池感应到的信号 那么放大电路至少要放大 40 倍才能保证单片机接收到高电平 同时也不能太高不然会烧坏单片机 设计时应不超过 5V 为此设计了两级放大电路 由放大电路计算公式 4 1 得到 得到两级放大后倍数约为 48 倍 满足设计要求 2 采集模块电路图 本课题主要运用非晶硅光电池对信号进行采集 其方法是在三线摆摆盘上事 先画出一条黑线 实现用一个激光器照射在黑线附近 用 LM317 控制激光器电 压调节其亮度 利用反射式对信号进行采集 当摆盘摆动时 光照射在黑线上 光电池会出现一个明显的周期电压变化 对电压信号用 LM324 进行放大调理 将调理后的电压信号输入单片机中如图 4 4 所示 光电池信号从接口端进入 输 第 4 章 电气系统原理和设计 3 出端接到单片机上带 A D 功能的端口 其中一个放大电路为备用电路 GND21UALM7 5KR6B809CJHeadr VP 图 4 4 激光发射及信号采集电路 4 2 单片机及其外围电路设计 ATmega16 单片机简介绍 ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器 由 于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间 ATmega16 的数据吞吐率高达 1MIPS MHz 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾 AVR 内核具有 丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器 所有的寄存器都直接与算逻单元 ALU 相 连接 使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器 这种结 构大大提高了代码效率 并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞 吐率 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内 ATmega16 成为一个功能强大的单片机 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低 成本的解决方案 ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具 包括 C 语言 编译器 宏汇编 程序调试器 软件仿真器 仿真器及评估板 10 在本课题研究过程中选用 ATmega16 单片机作为信号的处理器 是因为该单 片机自带时钟模块和模数转化模块 模数转化模块主要特性包括 10 位精度 65 260 s 的转换时间 最高分辨率时采样率高达 15kSPS 路复用的单端输入通 道 可选的左对齐 ADC 读数 0 VCC 的 ADC 输入电压范围 可选 2 56V 为 ADC 参考电压 连续转换或单次转换模式 通过自动触发中断源启动 ADC 转换 ADC 转换结束中断 响应速度快转化精度高 满足合计需求 单 片 机 河南工业大学继续教育学院论文 4 GNDVC10KR2pFu35Y 76MHzSW PBiode 8stX4 2 1 单片机电路设计其整体结构电路结构设计参见附录 1 所附的电路原理图 下面就单片机各外围电路的设计作简要的设计说明 1 复位电路和晶振电路的设计Mega16 已经内置了上电复位设计 并且在熔丝位里 可以控制复位时的额外时间 故 AVR 外部的复位线路在上电时 可以设计得很简单 直接拉一只100K 的电阻到 VCC 即可 R14 为了可靠 再加上一只 22pF 的电容 C3 以消除干扰 杂波 D4 1N4148 的作用有两个 作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc 0 5V 左右 另一作用是系统断电时 将 R14 100K 电阻短路 让 C3 快速放电 让下一次来电时 能产生有效的复位 当 AVR 在工作时 按下 S1 开关时 复位脚变成低电平 触发 AVR 芯片复位 如图 4 5 图 4 5 复位电路和晶振电路原理图 Mega16 已经内置 RC 振荡线路 可以产生 1M 2M 4M 8M 的振荡频率 不过 内置的毕竟是 RC 振荡 在一些要求较高的场合 比如要与 RS232 通信需 要比较精确的波特率时 建议使用外部的晶振线路 本课题设计中外接一个 14 7456MHz 的晶振 早期的 90S 系列 晶振两端均需要接 22pF 左右的电容 Mega 系列实际使用时 这两只小电容不接也能正常工作 不过为了线路的规范 化仍然接上 2 AD 转换滤波线路的设计 为减小 AD 转换的电源干扰 Mega16 芯片有独立的 AD 电源供电 精度为 满足课题所需设计要求 官方文档推荐在 VCC 串上一只 10uH 的105 2Vm 电感 L1 然后接一只 100pF 的电容到地 C6 单 片 机 第 4 章 电气系统原理和设计 5 AVC10uHLpF763829REGNDISP inMOTKJBMega16 内带 2 56V 标准参考电压 也可以从外面输入参考电压 比如在外面使用 TL431 基准电压源 不过一般的应用使用内部自带的参考电压已经足够 习惯上在 AREF 脚接一只 100pF 的电容到地 C7 应用时 可以将 AVCC 直接接到 VCC AREF 悬空 即这部分不需要任何的外围零件 本课题为了让电路更加稳定没有悬空 图 4 6 图 4 6 AD 转换滤波线路原理图 3 ISP 下载接口设计 ISP 下载接口 不需要任何的外围零件 使用双排 2 5 插座 由于没有外围 零件 故 PB5 MOSI PB6 MISO PB7 SCK 复位脚仍可以正常使用 不受 ISP 的干扰 图 4 7 图 4 7 ISP 下载接口电路原理图 4 3 LED 显示 模块 1 数码管结构及其工作原理 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管 八段数码管比七段数码管多一 个发光二极管单元 多一个小数点显示 按能显示多少个 8 可分为 1 位 2 位 4 位等等数码管 如图 4 8 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管 和共阴极数码管 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳 单 片 机 单 片 机 河南工业大学继续教育学院论文 6 极 COM 的数码管 共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到 5V 当某一字段发光二极管的阴极为低电平时 相应字段就点亮 当 某一字段的阴极为高电平时 相应字段就不亮 共阴数码管是指将所有发光二极 管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管 共阴数码管在应用时应将公共 极 COM 接到地线 GND 上 当某一字段发光二极管的阳极为高电平时 相应字 段就点亮 当某一字段的阳极为低电平时 相应字段就不亮 图 4 8 a 1 位数码管结构图 图 4 8 b 2 位数码管封装图 2 LED 显示器显示方式及使用 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动 静态驱动是指每个数码管的每一个 段码都由一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者使用如 BCD 码二 十进制译码器 译码进行驱动 静态驱动的优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 端口 多 如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5 8 40 根 I O 端口来驱动 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方 式之一 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端连在 一起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选通由各自独 立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显示出字形 没有选 通的数码管就不会亮 通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使各个数码管轮流受控显示 这就是动态驱动 在轮流显示过程中 每位数码管的点亮时间为 1 2ms 由于人 的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 如图 4 9 尽管实际上各位数码管 并非同时点亮 但只要扫描的速度足够快 给人的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 动态显示的效果和静态显示是一样的 能够节省大量的 I O 端口 而且功耗更低 第 4 章 电气系统原理和设计 7 DisLED 送出一位显示 先点亮最右边的 LED 送位控制信号 取显示数据 指向显示缓冲区末地址 延时 1ms 指向下一缓冲单元 位控信号左移一位 查表取字形码 返回第一位 显示最左一位 Y N 图 4 9 LED 动态扫描子程序的流程图 为了优化系统设计 节约成本 减少工作量 减少硬件组成 为此在本课题 的实验过程中采用动态显示的方法 3 显示系统设计 74HC04 74HCT04 是六反相器 高速 CMOS 器件 低功耗肖特基的 TTL LSTTL 电路 在本课题中运用 74HC04 将单片机和数码管相连接 通过单片 机连接反向器对数码管进行选通 八段段码 LED 显示器的共阳端接 5V 阴端分别接 PC0 PC7 选通端 com1 4 和四个反向器相连接由单片机 PA0 PA3 控制 图 4 10 河南工业大学继续教育学院论文 8 abcdefgpom2134USR056K 7ANHCPWLEB9D 图 4 10 显示系统原理图 图 4 11 显示系统结构图 在本课题所研究的 三线摆 法测转动惯量实验平台辅助装置的实验过程中 最重要的数据就是摆盘的周期 改进后采用光电池作为传感器计数 大大提高了 实验的精度 通过改进后的实验装置在操作方面采用电控的方式 减小了人为干 扰 所在实验过程中把测算周期的精度提高了 其转动惯量的测算精度也有所改 进高 4 4 电源模块设计 该实验辅助装置直接引用实验测量平台所提供的 24V 直流电源 主要电路模 块所需电压为 5V 在激光器供电部分 为了调节激光器的亮度要求设计一个电 压变化为 1 5V 5V 的可调电源 对此设计出供电模块 通过电源模块用到 LM2576 转化成直流 5V 给整个装置供电 电磁铁所用 24V 电压直接从平台供电 三线摆 摆盘 激光器 光电池及其 调理装置 LED 周期显示 0 20 40 60 80 100 第 一 季 度 第 三 季 度 东 部 西 部 北 部 单片机 电路 第 4 章 电气系统原理和设计 9 201 RV 处引出 1 测量系统供电电路供电电路设计 LM2576 系列的稳压器是单片集成电路 能提供压降开关稳压器 buck 的 各种功能 能驱动 3A 的负载调整能力 这些器件的固定输出电压有 3 3V 5V 12V 还有可调整输出的型号 这些稳压器内部含有频率补偿器和一 个固定频率振荡器 将其外部电路减到最少 使用简便 11 LM2576 的效率比流行的三段线性稳压器要高得多 是理想的替代 一般情 况下不需要或只要很小尺寸的外加散热片 在指定输入电压和输出负载条件下保 证输出电压的 4 误差 以及振荡器频率 10 误差 还包括外部的关断电路 特征有 50 典型值 待机电流 输出开关包括逐周限流 以及在故障状态下A 提供完全保护热关断功能 5V 供电电源电路设计如下图 4 12 所示 在接口的正极接上二极管 D1 IN4007 是电流单向导通 防止电源接反造成损失 F1 为保险管当负载过 高或者短路时保险管熔断 保护电路 在 LM2576 的 1 2 端口分别连上电容 C10 100uF 和 C11 1000uF 接地 LED12 串联接上一个电阻 R39 2K 防 止 LED 被烧坏 当有电流通过时指示灯 LED12 发光 说明此时电路有点可以进 行下一步操作 若指示灯不亮检查保险管是否被烧化 J3COND7FG inUTPEBK5 LM6 uH8 图 4 12 5V 供电电路原理图 2 激光器供电电路设计 LM317 作为输出电压可变的集成三端稳压块 是一种使用方便 应用广泛的 集成稳压块 317 系列稳压块的型号很多 例如 LM317HVH W317L 等 电子 爱好者经常用 317 稳压块制作输出电压可变的稳压电源 稳压电源的输出电压可 用下式计算 4 2 仅仅从公式本身看 R1 R2 的电阻值可以随意设定 然而作为稳压电源的 输出电压计算公式 R1 和 R2 的阻值是不能随意设定的 河南工业大学继续教育学院论文 10 0 1uFC2KR 3GNDVIAJOUT6LM7Headr 5首先 317 稳压块的输出电压变化范围是 Vo 1 25V 37V 高输出电压的 317稳压块如 LM317HVA LM317HVK 等 其输出电压变化范围是Vo 1 25V 45V 所以 R2 R1 的比值范围只能是 0 28 6 在应用中 为了电路的稳定工作 在一般情况下 还需要接二极管作为保护电路 防止电路中的电容放电时的高压把 317 烧坏 图 4 13 激光器可调供电电源 本课题运用 LM317 为激光器供电 实验中用到的激光器是 0 5V 供电电压可 调的铜材半导体激光管 其额定功率为 5mW 为了能方便调节光照亮度 激光 器供电电路要求可调如图 由 4 2 可得变化电压为 1 25 5V 在使用过程中将 R2 置于最小端然后开始调节 调节到光电池感应到的强度超过 50mV 为止 如图 4 13 河南工业大学继续教育学院论文 0 第 5 章 机械结构设计 在确定了周期信号的采集方式的情况下 现对控制圆盘转动角度及释放圆盘 的装置进行设计 设计过程中不仅要满足实验精度的要求 同时还要能够方便的 操作从而测量得到可靠的实验数据 本课题所设计的测试机械结构装置部分可分为 摆盘夹取装置 定位移动装 置 转角定位和计数传感装置以及其他部分 其装配的最大外形尺寸为 345 210 155mm 其整体结构简图如图 5 1 所示 图 5 1 装置机械结构整体结构装配图 5 1 设计流程 本课题的主要是为了设计针对 ZME 1 综合力学实验台 三线摆 法测转动 惯量测量实验的测量精度提高而设计的一套辅助测量装置 现有的测量改进方法 要么测量过程复杂 要么只解决带来误差的一两个问题 尚未有一套合理的改进 方法能够完全解决上述问题 为了简化实验的操作过程 减少测量人员的工作量 最大程度的提高测量精度和数据可信度 设计加工了 三线摆 法转动惯量测量 辅助装置 Y 方向 Z 方向 X 方向 电磁铁 实验台 立柱 第 5 章 机械结构设计 1 所设计的装置应满足以下三点设计要求 1 所设计装置在实验过程中能有效的减小或者避免改进之前实验人工操作时 所带来的误差 2 所设计装置在使用过程中能方便师生的使用 达到简化实验操作的目的 3 所设计装置必须具有一定的可调节性 并且调节精度要满足设计要求 4 所设计装置不能改变原有的实验平台 实验操作 不方便 收集 线摆 法测惯量 设想方案草