机械设计制造及其自动化优秀本科毕业论文Word文档格式.doc

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III

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

4.3LED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

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

第1章引言

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。

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。

7

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、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Δm（或dm）到转轴的垂直距离，求和号（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。

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（ω是角速度，r是半径，在这里对任何物体来说是把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）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，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，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）。

所以，就是因为有了转动惯量，从能量的