转动惯量检测系统设计【含CAD图纸、说明书】
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本科毕业论文(设计)开题报告论 文 题 目:转动惯量检测系统设计学 院专 业 、 生 姓 名(职称): 2016毕业论文(设计)开题报告要求开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节,又是完成高质量毕业论文(设计)的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化,特制定本要求。一、选题依据1. 论文(设计)题目及研究领域;2. 论文(设计)工作的理论意义和应用价值;3. 目前研究的概况和发展趋势。二、论文(设计)研究的内容1.重点解决的问题;2. 拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路);3. 本论文(设计)预期取得的成果。三、论文(设计)工作安排1. 拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);2. 论文(设计)进度计划。四、文献查阅及文献综述学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料,并在此基础上通过分析、研究、综合,形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面,要求思路清晰,文理通顺, 较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。五、其他要求1. 开题报告应在毕业论文(设计)工作开始后的前四周内完成;2. 开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过;3. 开题报告不合格或没有做开题报告的学生,须重做或补做合格后,方能继续论文(设计)工作,否则不允许参加答辩;4. 开题报告通过后,原则上不允许更换论文题目或指导教师;5. 开题报告的内容,要求打印并装订成册(部分专业可根据需要手写在统一纸张上,但封面需按统一格式打印)。8一、选题依据1、研究领域测量技术2、论文(设计)工作的理论意义和应用价值转动惯量是刚体绕轴转动时惯性(回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性) 的量度,用字母 I 或 J 表示。转动惯量在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量,可形式地理解为一个物体对于旋转运动的惯性,用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。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。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。研究采用自动的方式来测量物体转动惯量的方法,可以达到减小人为误差的目的。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。(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。(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。3、目前研究的概况和发展趋势目前现有的转动惯量测算方法:直接代数计算法三维建模法测量物体转动惯量动鼠沿圆周运动测转动惯量“三线摆”法测惯量方法分析等。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。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。这是目前所研究的方向,不同的方法都具有共同目标,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:三线摆的摆盘是否水平;周期测量精度的高低;摆扭转角的大小是否小于 6;转动的时候是否存在平动;空气阻力。二、论文(设计)研究的内容1.重点解决的问题(1) 转动惯量测量方案的选定(2) 三线摆转动的周期信号采集的方案设计(3) 相关硬件的设计以及测量数据的处理2. 拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路)通过查阅资料,首先介绍说明转动惯量的意义,以及国内外转动惯量现状和以后的发展趋势。重点突出分析测试装置等设计方案。再对设计装置进行整体的规划和设想,最后把各个系统结构设计相结合。论文写作大纲:1. 绪论1.1 研究意义1.2 国内外研究现状1.3 主要研究内容 2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2.2 现有的转动惯量测算方法2.2 各种测算方法分析3测试装置设计3.1 测试装置技术要求3.2 总体方案设计4. 电气系统原理及设计4.1 传感器信号放大与处理4.2 传感器及其外围电路设计4.3 LED 显示模块4.4 电源模块设计5. 机械结构设计5.1 设计流程5.2 摆盘夹取装置的设计5.3 定位移动装置的设计5.4 转角控制和传感器装夹装置5.5 其它装置机构的设计5.6 实验辅助装置装配调试及检验6. 总结3. 本论文(设计)预期取得的成果(1)转动惯量测试装置设计方案(2)电气系统设计方案(3)机械结构设计方案三、论文(设计)工作安排1. 拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);对转动惯量测量方法进行研究,最终将常规的机械系统和电气系统相结合,从而实现对转动惯量测量的研究工作。2. 论文(设计)进度计划第 1 2 周:查阅相关文献资料,了解设计内容,初步方案设计;第 3 4 周:总体方案设计,撰写开题报告;第5周:转动惯量的测算方法的分析;第 6 7 周:转动惯量检测系统方案设计;第 8 周:转动惯量检测系统部件选配; 第 9 11 周:转动惯量检测系统软件设计; 第 1213 周:绘制相关 CAD 图纸;第 1415 周:撰写并完善毕业设计说明书;第 16 周:完善毕业设计各项内容,准备答辩。四、需要阅读的参考文献1付轶轩.质量、质心、转动惯量一体化测试关键技术J.机械制造,2014,(01). 2丁雪松.高精度转动惯量测量设备的研制J.计量技术,2007,(09).3 郭帆. 基于 LabVIEW 电机转子转动惯量在线测量系统设计J.装备制造技术,2014,(07).4 林孙奔;沈宇雯;王波;刘涵;郭吉丰.基于电机自由减速过程的转子转动惯量测量方法J.微特电机,2011,(03).5 张代胜,胡玺良,袁玲.三线摆测量复杂构件转动惯量的误差分析N.农业机械学报,2008,3(25).6 刘勇.转动惯量的测量及误差分析J.机械,2003,(S1).7 李化义.高精度转动惯量测量仪分析与设计N.计量学报,2004,(03).8 Yan Zhao,Xiaolin Zhang,Jun Wang,Wenyan Tang,Measurement of moment of inertia based on hilbert transformTransactions of Tianjin University2013, Vol.19 (3), pp.225-230.9 Jeremy Seppi, Jacek Toczyski, Jeff R. Crandall, Jason Kerrigan , Repeatability of a dynamic rollover test system Traffic Injury Prevention2016, Vol.17 (6), pp.638-643.10 Jackson Kimball Derek F,Sushkov Alexander O,Budker Dmitry , Precessing Ferromagnetic Needle Magnetometer.Physical review letters2016, Vol.116 (19), pp.190801.11 上海电器科学研究所.实用电子元器件手册M.上海:科学技术出版社,1998. 12黄继昌,郭继忠,张海贵等.电子元器件应用手册M.北京:人民邮电出版社,2004.13 濮良贵,纪明刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,2001.附:文献综述文献综述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。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,刚体定轴转动微分方程可以表达为:Jza=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=mr2。俗称惯性矩。惯性矩俗称惯性力距,惯性力矩。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。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。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。所以参考了很多与误差有关的文献。主要有: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5:三线摆的摆盘是否水平;周期测量精度的高低;摆扭转角的大小是否小于 6;转动的时候是否存在平动;空气阻力。1、 三线摆系统误差:(1)对于装置本身忽略圆盘平动动能的影响(2)在推导公式中 2H -h 2H 的影响2、 测量过程中的误差影响三线摆调校至水平状态后, 给转动圆盘小于 5的角位移,释放后使其转动 ,测量转动周期 T ,应用式(1)求圆盘和复杂构件的转动惯量 ,将复杂构件放置不同角度 , 通过式(3)联立方程可求复杂构件的惯性积。在测量过程中 , 测量误差来源于对各个参数的测量以及 OcP 与坐标轴夹角的测量。应特别注意以下几组参数的测量 :(1) 转动周期的测量周期测量误差分析本系统采用 PCI -1780 卡采集由光电传感器输出的电压信号 ,并利用其计时功能得到扭摆周期 ,设其周期测量误差为 T ,所造成的转动惯量测量的相对误差。实际测量中 , 测得的最小扭摆周期(即空载周期), 周期测量误差小于 0.1ms,由此 , 测量得转动惯量相对误差。(2) OcP 与坐标轴的夹角对惯性积的影响3、 阻尼误差分析转动惯量的变化影响阻尼比, 阻尼比影响转动惯量计算4、被测物体径向偏移误差分析5、被测物体轴线倾斜误差分析6、采取措施测量复杂构件转动惯量的误差应小于 =c +s。可采取以下措施来控制误差:增加三线摆长 、控制下圆盘的摆幅 ,减小因近似而产生的误差 。 保证下圆盘为定轴摆动, 限制因测量产生的误差 。 在同一摆上测量与复杂构件高度相仿、质量相同 ,且形状规则(可以利用理论公式求得其转动惯量)、质量分布均匀砝码的转动惯量, 与理论结果进行比较,对测量结果进行标定 、修正。
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