转动惯量检测系统设计【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘要转动惯量是生活中常用的物理量,它是表示刚体转动惯性的量值。转动惯量是由质量和质量分布和它旋转的转轴的位置决定与转动状态无关。在设计实验中,首先分析查阅了有关转动惯量的所有知识点,理论内容。不规则的物体或非均质刚体的转动惯量,一般常用实验法来测量。所以挑选了相对好的实验方法进行接下来的思考测量转动惯量的方法有许多,三线摆法是具有较好的方法。转动惯量是一个很重要的工程上的参数,怎么精准地测量转动惯量在工程上有巨大意义。实验时转动惯量测量一直都是测量的难点。刚体以一定的方式运动,三线摆法也有简单、灵活、测试方便得等优点。设计出一套能相对精确的测量刚体转动惯量的实验辅助装置。该装置设计采用非接触测量方式,可以更好避免一些误差,更方便、准确的测量三线摆盘转动的周期信号。关键词:转动惯量,三线摆,实验辅助装置,非接触式测量IIABSTRACTThe moment of inertia is a common physical quantity in life. It is the magnitude of the inertia of a rigid body. The moment of inertia is determined by the mass and mass distribution and the position of the rotating shaft it rotates, irrespective of the rotation state.In the design experiment, firstly, all knowledge points about the moment of inertia are analyzed and discussed, and the theoretical content is also discussed. The moment of inertia of an irregular object or an inhomogeneous rigid body is usually measured by experimental methods. Therefore, the choice of relatively good experimental method for the next thinking, measuring the method of rotating inertia, there are many, three wire pendulum method is a better method.The moment of inertia is an important parameter in engineering, and how to measure the moment of inertia accurately is of great significance in engineering. The measurement of moment of inertia is always the difficult point in the experiment. The rigid body moves in a certain way, and the three wire pendulum method has the advantages of simplicity, flexibility and convenience in testing. A set of experimental assistant device for measuring the inertia moment of rigid body is designed. The design of the device adopts non-contact measuring method, which can better avoid some errors, and more conveniently and accurately measure the periodic signals of the rotation of the three wire wobble plate.Key words: Moment of Inertia; Trilinear Pendulum; Measurement System; Assistive Devices; Non-contact measurement目 录1. 引 言11.1 研究意义11.2 国内外研究现状11.3 主要研究内容22. 转动惯量的运用研究与测量32.1 转动惯量的物理意义及其运用32.2 现有的转动惯量测算方法32.3 测算方法分析53. 测试装置设计63.1 测试装置技术要求63.2 总体方案设计64. 电气系统原理及设计错误!未定义书签。4.1 传感器信号放大与处理84.2 传感器接收电路设计94.3 电源模块设计95. 机械结构设计115.1 设计流程115.2 摆盘夹取装置的设计125.3 定位移动装置的设计135.4 转角控制方式和传感器装夹装置155.5 其它装置机构的设计166. 结论及展望17参考文献18致 谢19外文译文20外文原文22III压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 119709851 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。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33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: 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。1.3 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。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转动惯量平行轴定理能简便地从刚体对于一个通过质心轴的转动惯量,将敢提对于平行质心轴的另一个轴转动惯量计算出来。可以表示为公式 ,由于式子第二项的 一直大于零,所以刚体绕过质心轴的转动惯量是绕此平行轴所有转动惯量中最小的。转动惯量量纲是 ,单位是 。(1) 人体转动惯量在体育中的应用 1在花样滑冰体育运动中运动员需要做空中快速转的动作,他们是先打开双臂,在起跳旋转的时候收缩双臂就能够快速的旋转.这是运用了角动量守衡定律,角动量转动惯量角速度,收缩双臂使转动惯量变小,角速度就增加,所以运动员做空中旋转动作, 手臂都是成收缩的状态。(2) 人体转动惯量在体育中的应用 2跳水这个体育项目大家都非常喜欢。你会发现:跳水运动员在空中做旋转或翻腾的动作,会尽可能将身体抱在一团。入水时又要将手臂和双腿都伸直。这个需要如何解释呢?2.2 现有的转动惯量测算方法一般地测量刚体转动惯量,是让刚体运动,描述这运动的一些物理量和转动惯量关系来测量刚体的转动惯量。测量转动惯量实验方法有很多,经常用的有扭摆法、动力法、拉伸法和三线摆法这四种。(1) 扭摆法是测量转动惯量的一个常见实验,关于这个实验中的误差分析也多有报道。从仪器方面讨论扭摆法测转动惯量实验系统误差。郭志荣等将空气的阻尼分成粘性、压性阻尼,分析在强度不一样时这两种阻尼对刚体转动周期的作用。从加上物体后弹性系数的变化和空气阻力等原因分析测量误差。扭摆运动是角简谐运动,简谐振动的周期是 ,其中 K 是弹簧的扭转常数式,I 是物体绕转轴转动惯量。计算出弹簧扭转系数 K,用几何形状规则物体,可以通过公式计算出它的转动惯量。然后通过实验数据算出 K 值。测其他物体的转动惯量,可以将需要测量的物体放在仪器顶部夹具上测量摆动周期,就可算出这个物体转轴的转动惯量。(2) 动力法通过“转动惯量实验仪”测出物体转动惯量。装置如图:1.在不同质量的砝码牵引下空载测量,记录转过两圈所用时间,然后用最小二乘法算出 。2.在不同质量的砝码牵引下测量整体,记录转过两圈所用时间,用最小二乘法算出 。3.测量出绕线塔轮直径,算铝圈转动惯量,记录实验结果。4 估计测量结果的不确定度。5.测量铝圈相关参数后,公式计算转动惯量,比较实验结果。(3) “三线摆”法测量转动惯量分析:设计中“三线摆”法测量转动惯量的计算公式是: 接下来说明这个公式的推导过程。J0圆盘中心处的转动惯量;T 圆盘摆动周期; L 线长;M 圆盘的质量; r 线和圆盘固定点的半径长;R圆盘的半径。若圆盘的最大转动角是 ,圆盘转动角是 时,通过图 2-2 易知: 圆盘扭转振动时最大动能为:圆盘扭转振动时最大势能为: ,( )= 对于保守系统: 所有圆盘振动的固有频率是:则转动惯量 。由测量的数据,能求出电磁铁的转动惯量 。2.3 测算方法分析对一般“三线摆”法来说,摆动的平动动能被大家看成是与摆角大小没有关系的, 造成的系统误差可在实验数据中修正,不影响测量误差,所以不对摆角进行特别要求。但要让转动圆盘做线性振动,必须将圆盘转动角度限制在 6之内。在这方法中仍然是靠测量者自己控制转动角度,那么将无法保证精准度。用三线摆法测试转动惯量,存在影响摆动周期和圆盘转动角度的人为原因,从而影响转动惯量的测量精度。所以需要设计出一套精度高的测量装置。3 测试装置设计3.1 测试装置技术要求我们对测量方法进行分析,了解到了一些需要改进的周期信号采集方法和三线摆圆盘转动角度控制方法。为了提高测量精度要从之前介绍的五方面着手。空气阻力在实验中无法避免。摆 线是否水平要用水平尺调节是实验装置自身所致。所以我们的研究对象后面三方面给 实验结果的误差,设计出可以采集摆盘转动稳定可靠的摆盘转动稳定周期信号关键点。所以我现在最想找到控制三线摆摆盘转角为 5的方法,还有 “三线摆”摆动的解决问题。所设计的装置要求:(1) 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 总体方案设计本设计是为提高“三线摆”法测量转动惯量的实验精度设计的辅助装置,目前的改进方法,有的测量过程相对复杂,有的只针对造成误差的一两个问题,并没有一个好的改进方法彻底解决这些问题,所以为简化实验过程,减轻测量者的工作,最好的提高测量精度和数据的准确性,进行了“三线摆”法测量转动惯量辅助装置的设计。该装置包括调节测量平台装置、摆盘夹放装置、激光发射器和光敏三极管感应机构还有计算机。如图 3-是 1 测量系统结构图。电系统部分是非接触式的测量方式,测试系统能采集到准确稳定可靠的周期信号, 之后对信号处理,计算出周期。机械部分可调节蝶型螺母让测量装置可以在 X、Y、Z 方向上移动和调整。此装置可在摆盘给定范围的位置处移动。3.2.1 电气系统方案在测量转动惯量的实验中,最重要的部分就是测量摆盘的周期,所以在实验中周期测算的越精准,算出的转动惯量精度越高。目前测量摆盘转动周期可以用到许多传感器:光敏电阻、霍尔元件、加速度传感器等等。在安装上可通过是否接触分接触式和非接触式。要求此装置能自行测算出摆盘摆动周期,所以我们要使用传感器,接下来就介绍一下传感器的特性:(1) 光敏电阻是随着光线强弱,电阻也不断变化,但是它的响应速度比摆盘摆动慢,所以光敏电阻不适合作测量器件。(2) 加速度传感器在摆盘旋转时加速度发生变化,因此加速度传感器理论上可以作该实验的传感装置,但是加速度传感器直接与测量装置接触会产生很大误差。(3) 用霍尔元件测量周期,要在摆盘上加磁性物质,这会改变装置的转动惯量, 也给实验带来了误差。最后我选用光敏三极管。光敏三极管是光电转换器,它的原理是当光照到 P-N 结上,将光能转变成电能。光敏三极管从根本上是在基极与集电极间接含有光敏二极管的三极管。光敏三极管有很多优越性:P-N 结受光辐射时,会产生光电流由基极进入到发射极,在集电极回路中就会得到一个放大 倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管有不一样的光谱特性,也有很高的灵敏度。实验中会使用激光器。非接触式测量与接触式测量相比的优点有:1.不改变装置的运动情况;2.避免了人为因素对实验的干扰。在设计时不改变原有测试平台和其他部件,满足测试响应速度快的要求。所以选用了光敏三极管反射式转换信号采集方式。对周期测算的系统如图 3-2 所示:图 3-2选电磁铁作该辅助装置的执行元件,通过电源开关可在不接触测量平台的同时完成对装置测量的控制。在电路设计时采用的是贴片式的元件,为了让整个电路的尺寸较小,方便安装。3.2.2 机械系统方案考虑到现有设备对本次设计的局限性,进行了适当的改进。根据目前的一些实验台作为参考,经分析,该辅助装置放置的最佳的方式是装夹在实验台立柱上,且具有可调节性。所以我设计了一种可在 X、Y、Z 三方向上移动的测试机构,而且能解决三线摆摆盘转角6的问题。装置在 X、Y 方向能移动 20mm,Z 方向能移动 10mm。主要的结构有:连接测量装置和实验台的 V 型爪;X、Y 方向移动调节导轨,调节精度0.2mm,因此设计时候用牙距为 1mm 的螺杆调节;摆盘圆心的定位锥,将套筒套在定位锥上与操作台连接使其可自由旋转;Z 方向的高度调节精度0.2mm;“三线摆”摆盘的夹头部分是能围绕摆盘中心的旋转的,在平台上合适位置摆上量角器当旋转 5后释放摆盘。4 电气系统原理及设计4.1 传感器信号放大与处理光敏三极管工作原理:光敏三级管与普通三极管相比有对光敏感的 P-N 管感光面, 通常用集电结作受光结,所以,光敏三极管从根本上是在基极与集电极间接含有光敏 二极管的三极管。它采用了具有 NPN 或 PNP 结构的半导体管。而在结构上和半导体三极管类似,引出电极有两个或者三个。在设计时为了满足光电之间转换的要求,光 敏三极管的基区面积更大一些,而发射区面积会更小一些,在光线照射进来时主要会 被它的基区所吸收。而且和光敏二极管一样,玻璃透镜装载芯片的金属壳里,当光线 被基区所吸收后,通过透镜光线能全都集中照射在芯片上。设计选用 3DU33B 光敏三极管,激光发射器选用 650NM 型号。4.2 传感器接收电路设计激光发射器照射到光敏三极管上时,光敏三极管接收光信号。计算机将光信号转换为电信号记录。其电路图为:图 4-1选用适当 I/O 板将其插入计算机中来完成信号接收工作,如图选用 PCI8360V 型号 I/O 板。图 4-2当信号通过光敏三极管传入 I/O 板都接入计算机 ,在计算机中通过 VB 设计了测量记录并计算转动惯量的程序。图 4-3图 4-44.3 电源模块设计在设计时,整个装置的运转情况,电磁体和激光发射器等都需要通过电源来工作。所以我引入了实验台能提供的 24V 直流电源,传感器部分主要电路需要的电压为 5V。而且激光发射器同时需要一个可变的电压源,为调节激光器亮度还设计了一个电压变化为 1.5V 5V 的可调电源。两者组成了电源模块,电源模块主要是通过 LM2576 将电流转化为直流 5V 给装置供电的。电磁铁需要的 24V 电压也同样由此供电处提供。5 机械结构设计确定周期信号采集方式后,设计圆盘转动角度和释放圆盘的控制装置。装置要满足实验精度要求,还要能方便的操作而测量得到准确的数据。所设计的测量机械结构装置有:摆盘夹取装置、定位移动装置、转角定位、计数传感装置和其他装置。结构简图如图 5-1 所示:5.1 设计流程在进行机械设计时考虑到设计的装置应满足下面三点的设计要求: 1.设计的辅助装置在实验中能有效的减小改进前人为因素所造成的误差。2.设计的辅助装置在使用中能很好的简化实验操作。3.设计的辅助装置有一定的可调节性,调节的精度也要满足设计要求。图 5-2 方案设计流程5.2 摆盘夹取装置的设计“三线摆”法测圆盘的转动惯量,将圆盘扭转一个角度,该实验要求三线摆圆盘作线性振动。当扭转振动小于 6 度时才是线性振动。夹取摆盘的爪头是两个内径和摆盘外径相同的两个半圆弯臂连接而成,两个半圆弯臂尾部有一个弹簧,能让两弯臂保持外张的状态。我们通过控制电磁铁的通断来控制夹头的张开与夹紧动作。在夹头夹住三线摆盘进行转动的运动中,为了更好的防止摆盘被磨坏,防止让摆盘变形,让抓取摆盘动作更稳定,在抓头上我们装有两块相对厚的塑料。为保证圆盘的转动角度6,减小转动圆盘的人为误差,如今设计了一套装置,通过这个装置夹住圆盘,再旋转圆盘等到指定的度数后,再释放圆盘,它就可以来回摆动。圆盘的扭转操作是由设计的释放机构完成,而松夹动作是由夹头控制的。夹头与电磁铁是互相连接,我们通过电磁铁的通断来间接的控制夹头的张开闭合。接下来是对这装置的设计分析。5.2.1 释放机构设计释放机构的设计由电磁铁控制夹头抓取和释放摆盘。我们选择的电磁铁是框架直流推拉式型号为 ZYE1(TAU)-0837ZP DC12/24V。它可行程是 10mm。有以下特点:1、固定方便且容易连接负载 2、温升稳定能很好的延长产品寿命保证性能 3、扣电磁铁能够静音工作 4、磨擦小所以可以很好的保持高效率并延长使用寿命 5、设计的结构要简易灵活。通电工作一段时间后电磁铁的温度会发生一些改变,它的吸力特性也会随着铁芯的移动而被影响。电磁铁实现控制的工作过程为:当整个装置接入电源后产生了电流,电磁铁通电螺线管会产生电磁来吸引铁芯,进而实现了电磁铁的移动。断电后弹簧复位,在此过程中行程 10mm。电磁铁是只由电源控制的执行元件,图 5-4 所示。每次通电工作时间是:1 10s。在装置通电后电磁铁向后移动 10mm,这时, 两夹头共同向定位锥位置移动 5mm,抓头能稳定的夹住摆盘。5.2.2 夹头设计设计夹头的功能是将圆盘夹紧和释放。其工作过程如图 5-5 所示。由图可知,我所设计的夹爪装置是把两个弧形的铁板用螺栓相互连接而成,螺栓下垫有两个垫片,并且螺栓也要不拧紧,这样稍松的螺栓能保证夹头能够进行很好的夹紧和释放动作。在弧形的夹头部件上分别有一块有弧度的夹爪头,夹爪头圆弧对应的直径与“三线摆”实验装置的摆盘直径相同是 100mm。这个设计为了让夹头能在做夹取动作时更稳定。在两夹头固定端由一个弹簧连接,当电磁铁铁芯移动后处于伸长状态时,弹簧将会产生一个收缩的力将两夹头张开,在测量的时候才能固定住摆盘的位置。当电磁铁通入电流后,电磁铁铁芯受力会向后收缩,两个爪头则向中间进行靠拢并且夹住摆盘。电磁铁是由刚性绳和两夹头相连,所以夹头会向中间靠拢。电磁铁拉力很小所以理论上不会对实验装置造成任何损坏。5.3 定位移动装置的设计在设计测量转动惯量辅助装置的平台调节机构,调节蝶形螺母由丝杆副共同组成的移动副能在给定范围内完成整个装置的水平移动,在装置的下面同样有丝杆机构能完成装置在上下方向上移动,两种移动的精度可以保证在 0.1mm 以内。定位的部分设计了定位锥,把定位锥固定在测试平台的最中间,移动装置时将定位锥对准在三线摆盘的中心位置。5.3.1 移动装置设计考虑辅助装置的调节范围小,精度要求较高,因此选用了螺旋传动机构。在这里 它是将旋转运动变换成为直线运动的工具。螺旋传动机构有传递能量为主的千斤顶等; 有传递运动为主的机床进给丝杠等;还可以调整零件间相对位置。滑动丝杠螺母机构 结构比较简单,而且具有自锁功能,但它的摩擦阻力矩很大、所以传动效率较低在3040之间。另一种是滚珠丝杠螺母机构,它结构复杂而且不能自锁,但它的摩 擦阻力矩小、传动效率较高在 9298之间,精度高,系统刚度较好,而且运动具有可逆性,使用的寿命又长,所以这些优点使它在机械系统中得到广泛的应用。在 这个课题的实验分析时,载荷很小而且在各个方向上移动范围不超过 50mm,所以最后选用了滑动丝杆螺母机构如图 5-6 所示。在滑动丝杠水平方向上安装了一根导轨,导轨中有一个键槽和键的配合固定。X 方向的导向轴座上有螺纹孔,当装置调动到指定的位置时,拧紧螺栓让整个装置变得稳定,移动的一端讲四个螺母两两分别并死固定在实验台两端。该定位移动装置用调节蝶形螺母来完成整个实验台在空间直 X、Y、Z 方向上的移动,X、Y、Z 方向调节方式相同。所设计辅助装置可以在 X、Y、Z 方向上自由移动(如图 5-7),并且要能满足实验测量要求,参考的一些实验台自身在空间上的位置相对都比较固定,所以设计时移动位置尽量比较小,这样可以非常方便于安装调试。所以该辅助装置的移动平台在X 方向上移动范围是:8520mm;在 Y 方向上移动范围是:20020mm;在 Z 方向上移动范围是:13010mm。因为调节 Z 方向时可以将装夹部分直接在立柱上移动调节。在使用时可以先依次调节 X 与 Y 方向的位置,最后调节 Z 方向的位置,直至定位锥对准在三线摆盘的中心位置时停止调节。5.3.2 定位装置设计定位移动装置的旋转中心必须要和“三线摆”摆盘的中心在同一条轴线上,所以设计了可供定位的定位锥作为调节的重要装置,这个装置的结构是一根锥形柱体,在柱体上有螺纹。结构如图 5-8 所示。定位锥用 4 个螺栓连接在转轴上,将转轴套套在转轴上,转轴和套是间隙配合。所以整个测量平台可在定位锥上转动,而且定位锥上有螺纹目的是方便激光器和光敏三极管的装夹。在安装定位装置时,要确保定位锥与摆盘的中心处相距 3 5mm 便于调整。5.4 转角控制方式和传感器装夹装置5.4.1 转角控制方式在可调查的实验中,一般是人为拨动摆盘让摆盘旋转 5,然后开始计算转动周期的。在手拨动的时候,因为人手往往会有一定的抖动,当这个抖动值超过一定范围时就会产生错误的实验数据。所以这个方法会造成很大的人为误差。“三线摆”法测量转动惯量辅助装置,摆盘下方有一个定位锥,定位锥在测量平台摆盘的中心,其他的测试装置和夹头机构都分布在径向部分,可绕它旋转。改进之后的测量装置可以很好的避免人用手直接操作摆盘,而是间接用可调节的旋转平台, 来实现了摆盘的旋转。实验前在旋转平台支座上放置一个量角器,放好之后调节旋转平台在旋转到 5时在支座上用黑笔画上一条线,这个就是摆盘旋转 5后的位置如如图 5-9 所示虚线位置处。在以后实验时旋转实验平台至虚线位置处即旋转到位进行实验。5.4.2 激光器和光敏三极管装夹装置该装置测量转动周期的元件主要是激光器和光敏三级管。该小节主要内容是激光器和光敏三极管的安装。在实验的过程中先要保证激光器照射在摆盘上光的角度、高度等条件不发生改变,所以设计中为激光器设计了一个支座。支座的定位锥上有螺纹, 所以激光座下的横梁可由螺纹连接方式固定在实验装置上,在激光座的上方有个螺纹孔,这可以再加上螺栓拧紧来更好固定激光器的位置。激光发射器和光敏三极管感应接收装置,光敏三级管上装有个简易滤波器。激光器发出光线照在“三线摆”摆盘侧面,光敏三级管与激光发射器放在一侧,当铝箔线转动时激光照射摆盘不是铝箔线的位置上时,光敏三级管就接收到光信号,当光线照到铝箔线时接收的信号会很大程度的减弱。5.5 其它装置机构的设计在设计中除主要机械结构实验平台连接装置。下面就这部分做简单概述。在设计中采用的装夹方式,因为要利用实验台两边的立柱,所以在设计中采用 V型爪的设计方式,其结构图如下(图 5-11 所示)。如图 V 型爪是由两个半片组成,中间是一颗销钉将两个活页半片连接在一起。V 型爪一侧有五个螺纹孔,其中的四个是和实验台的横梁连接,一个孔是和另一个半片上的螺纹孔连接,使两个半片口固定。然后上紧螺栓使整个实验装置稳定的固定于实验台上。6 结论及展望这个设计的开始思路是从转动惯量的理论知识着手,上网查阅资料去图书馆查阅书籍对转动惯量进行详细了解分析,研究和学习了其他学者对改进转动惯量测量的各种方法、方案。我在设计方案中完成了对电路的设计,传感器的设计,CAD 图纸的绘画等,程序的写入,最终整套的实验辅助装置的理论设计。本课题取得了阶段性的成果。设计时思考了包括对三线摆摆动周期信号采集方法的许多方案设计、圆盘扭转角度的控制方案设计、完成圆盘释放装置方案设计等诸多内容。由于时间问题,还有很多的理论工作需要补充。还有实践工作等着大家一起完成。通过对题目与涉及到的内容的透彻研究,认真学习了与转动惯量相关的理论知识又加深了对测量方法的理解。在设计中运用到了许多不擅长的电学知识,间接的又拓展了我的电学知识面,丰富了我的学习。此外我设计了圆盘释放装置与测试装置定位固定机构,大大巩固了、提升了我机械设计方面的能力。在研究设计过程中,由于时间的原因在设计数据上不够完善,而且未能对试验台进行搭建,只设计出了理论模型。所以很多工作内容还尚未完成,还尚未学习接触到, 所以以后将加强软件和实践方面的锻炼。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2014/012 丁雪松.高精度转动惯量测量设备的研制J计量技术2007/093 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2014/074 林孙奔.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2011/035 邵成.BJ212 汽车动力传动系统扭转振动的研究N吉林工业大学学报1983/026 刘勇.转动惯量的测量及误差分析J机械2003/S17 李化义.高精度转动惯量测量仪分析与设计N计量学报2004/038 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 1998.653 6729 黄继昌.电子元器件应用手册M,北京:人民邮电出版社,2004.76 9010濮良贵.机械设计M,北京:高等教育出版社,2001.399 40311 Yanhao, Xiaolin Zhang, Jun Wang, Wenyan Tang,Measurement of moment of inertia based on hilbert transformTransactions of Tianjin University2013, Vol.19 (3), pp.225-23012 Jeremy Seppi, Jacek Toczyski, Jeff R. Crandall, Jason Kerrigan,Repeatability of a dynamic rollover test systemTraffic Injury Prevention2016, Vol.17 (6), pp.638-64313 Jackson Kimball Derek F,Sushkov Alexander O,Budker Dmitry, PrecessingFerromagnetic Needle Magnetometer.Physical review letters2016, Vol.116 (19), pp.190801致 谢毕业设计,是我大学生涯交上的最后一份作业。我的毕业指导老师刘安生老师给了我们巨大的支持与帮助,使我能够顺利完成毕业设计,在此表示衷心的感激。感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献,如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发,我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友,在我写论文的过程中给予我了很多你问素材,还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限,所写论文难免有不足之处,恳请各位老师和学友批评和指正!外文译文负载转动惯量在线辨识方法雷达伺服系统中的转矩能源科学与工程学院、电子科技大学、中国四川 611731,中国电气与信息工程学院,西华大学,四川 610039,中国中国东方电气集团公司 DEC 研发中心,四川 611731,中国应雍晨;ychencduestc.edu.c收到 2014 九月 27;修订十二月 2014;接受 2014 十二月;公布 2014 十二月学术编辑:辛凯晨雍晨等人的著作权。这是一个开放存取的文章分布在知识共享归属许可证,允许在任何介质中不受限制地使用,分发和复制,只要适当引用原始作品。在雷达伺服系统中,负载通常会受到运动和阵风的影响,这可能会导致系统的不稳定。本文中,提出了雷达伺服系统中负载转动惯量和转矩的在线辨识方法。雷达基于同步电机的伺服系统。负载旋转惯量系统的在线识别扰动观测器。此外,降阶状态观测器的设计来观察变化的负载转矩和速度在线。这个仿真模型的建立,以验证所提出的扰动观测器的负载转动惯量和降阶对于负载转矩和速度观测器。一.介绍在雷达伺服系统中,负载的变化通常是受移动和阵风影响,可能造成不稳定负载转动惯量和转矩。因此,稳定性伺服控制器面临更高的要求。如果控制器在速度环中的参数不匹配负载转动惯量,系统动态响应可能变得缓慢,甚至引起振荡 1 。此外, 负载转矩也受到阵风的干扰扭矩.在某些情况下,阵风力矩的值是非常大的和不确定。其结果是,转速下降在雷达系统的瞬态状态是大的,因此目标跟踪受到不利影响 2 。为了提高动静态特性及扰动雷达伺服系统拒识能力,在线辨识负载转动惯量和转矩是前提 3 。关于负载在线辨识的研究交流伺服系统的转速惯性响应法在 4 中提出。通过修改输出电流速度控制器的限制值,速度响应不同电流限制下的值和响应时间值,然后计算转动惯量。这种方法可能会影响电机的正常运行在实践中不适用于识别转动惯量在线。此外,模型参考自适应方法永磁同步电机(PMSM)在 5 中估计转动惯量。然而,速度响应法和模型参考法自适应方法忽略了粘性摩擦的影响转子。比较而言, 在线识别方法基于扰动观测器(DOB)的转动惯量分别考虑外部扰动和摩擦 6,7 。扩展负载转矩和速度的方法 PM 同步电机的卡尔曼滤波器 8 ,递归永磁同步电机的输入估计 9 和基于鲁棒估计奇异摄动理论 10 。此外,干扰在某些论文中被视为常量或函数 10,11 。然而,在雷达伺服系统的负载转矩通常受到阵风和环境的影响难以定义为分析中的一些噪声。因此,有必要提出一个有效的算法直接在线识别负载转矩和转速。本文中,根据雷达伺服系统的特点转动惯量在线辨识实用算法基于 DOB提出. 由设计的模型估计的外部干扰和摩擦 DOB 然后转动惯量的确定。至于在负载转矩和速度的研究而言,状态观测器可以用来估计扰动扭矩和降阶状态负载转矩观测器的目的是克服干扰的随机性扭矩.本文的结构如下:在第 2 节中,运动建立了伺服系统方程。在第 3 节中,负载转动惯量是确定由 DOB 在线。然后,减少阶状态观测器设计观察变化在第 4 节中的负载转矩。在第 5 节中仿真模型的建立,并为负载的出生日期转动惯量和降阶状态观测器通过仿真验证负载转矩,分别在 6 节。最后,本文得出结论,在第 7 节。二. 伺服系统运动方程在帧内,可以描述永磁同步电动机的数学模型如下 1 :轴和轴的电枢电压在哪里?是轴和轴的电枢电流,轴和轴的定子绕组电感,是定子绕组的电阻,是 PM(永久性磁链);微分算子;是转子的极对数,是转子电角速度。伺服系统的运动方程如下:系统的转动惯量在哪里,是电磁扭矩(即驱动扭矩),是粘性转子的摩擦系数, 是负载转矩。让我们的干扰力矩是未知的扰动观测器估计值。然后可以表示为三.在一个采样周期,可以被视为一个常数,因为采样频率比雷达伺服系统中扰动力矩的变化。因此,我们有永磁同步电动机隐极结构与中心轴,电感是平等的;那是扶轮社惯性和力矩是识别在线定向控制(FOC)系统,在那里控制是零。识别方法运行在平行矢量控制系统。整个系统方框图如图。四.略五.参数仿真模型识别系统在仿真中采用的永磁同步电机参数列出表 1。三个控制器的参数和如表 1 所示。载荷转动惯量识别的仿真模型。扰动力矩观测器的仿真模型可以根据(12)(- 14)建立。在旋转惯量传感器在线辨识程序可写。在线辨识的整体仿真模型转动惯量如图3 所示。负载转矩观测器的仿真模型。减少阶状态负载转矩观测器由微分方程.迭代算法可以编程根据 MATLABS(35)。在迭代算法,采样时间设置为 1 毫秒和极点观察者设置为 0.65。整体仿真模型如图 4 所示。介绍了负荷在线辨识方法雷达伺服系统中的转动惯量、负载转矩和转速。首先, 负载旋转的识别算法介绍了基于干扰观测器的惯性。该算法可以快速并准确识别负载转动惯量,提供准确可靠的参数自整定的转动惯量值算法和其他先进控制算法。然后, 降阶状态负载转矩观测器旨在准确观察负荷的变化扭矩在线。设计的扭矩观测器提供准确估计转矩以补偿负载扰动从而提高了抗干扰能力的系统。此外,所设计的转矩观测器也可以估计速度值和克服放大直接微分产生的位置噪声误差算法.最后,建立了仿真模型验证所提出的永磁同步电机在线辨识方法参数.仿真结果说明了该方法的实用性提出的辨识方法的可行性转动惯量和建议的降阶负载转矩观察者。本文提出的方法提供了坚实的实验的理论基础与实际应用未来.外文原文转动惯量检测系统设计
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