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本科畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告
論 文 題 目：轉(zhuǎn)動慣量檢測系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院專 業(yè) 、 生 姓 名（職稱）：
2016
畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告要求
開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文
（設(shè)計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計）題目及研究領(lǐng)域；
2. 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值；
3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容1.重點解決的問題；
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）；
3. 本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果。三、論文（設(shè)計）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）；
2. 論文（設(shè)計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述
學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎(chǔ)上通
過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應(yīng)在調(diào)研、實驗或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。
五、其他要求
1. 開題報告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作開始后的前四周內(nèi)完成；
2. 開題報告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會審查通過；
3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學(xué)生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計）工作，否則不允許參加答辯；
4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師；
5. 開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?
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一、選題依據(jù)1、研究領(lǐng)域
測量技術(shù)
2、論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值
轉(zhuǎn)動慣量是剛體繞軸轉(zhuǎn)動時慣性（回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運動或靜止的特性） 的量度，用字母 I 或 J 表示。轉(zhuǎn)動慣量在旋轉(zhuǎn)動力學(xué)中的角色相當(dāng)于線性動力學(xué)中的質(zhì)量，可形式地理解為一個物體對于旋轉(zhuǎn)運動的慣性，用于建立角動量、角速度、力矩和角加速度等數(shù)個量之間的關(guān)系。剛體轉(zhuǎn)動慣量的大小表現(xiàn)了剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的難易程度。
轉(zhuǎn)動慣量的測量，一般都是使剛體以一定的形式運動。通過表征這種運動特征的
物理量與轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，進行轉(zhuǎn)換測量。測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的方法有多種，三線擺法是具有較好物理思想的實驗方法，它具有設(shè)備簡單、直觀、測試方便等優(yōu)點。但在普通的測量實驗中，一般采用測量三線擺微擺周期，然后計算轉(zhuǎn)動慣量的方法， 這種線擺法測轉(zhuǎn)動慣量的測量方式仍依靠手動操作，由于人為操作自身的局限性必然存在著人為誤差。
研究采用自動的方式來測量物體轉(zhuǎn)動慣量的方法，可以達到減小人為誤差的目的。
轉(zhuǎn)動慣量在各個方面的運用。
（1） 轉(zhuǎn)動慣量在車輛轉(zhuǎn)彎時的應(yīng)用
車輛過彎時應(yīng)該要考慮轉(zhuǎn)動慣量。不僅漂移過彎需要算到轉(zhuǎn)動慣量，抓地過彎也要算到轉(zhuǎn)動慣量：如果把車看成是剛體的話，那剛體在合外力矩M 的作用下，所獲得的角加速度與合外力矩大小成正比，與轉(zhuǎn)動慣量 J 成反比。而轉(zhuǎn)動慣量不考慮車過彎的速度，只考慮質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑。所以后半段特別是在快出彎時，由于輪胎持續(xù)打滑所以不能獲得足夠向前的加速度，漂移出彎不如抓地出彎。
（2） 人體轉(zhuǎn)動慣量在體育中的應(yīng)用
實際上現(xiàn)實的物體是有大小的，它的質(zhì)量不可能集中于一點，而是分布在物體的各點上，各點到轉(zhuǎn)動軸的距離又不相同。這樣一來，就應(yīng)該運用公式把每一點的轉(zhuǎn)動慣量算出，然后再相加，這樣才能得到整個物體的轉(zhuǎn)動慣量。雖然在分析動作時，并不一定要用轉(zhuǎn)動慣量的準(zhǔn)確值，但熟練地掌握人體在各種姿勢時轉(zhuǎn)動慣量的差別仍是必要的。 例如，在扣排球時，由引臂開始，R 減小，角速度ω增加。在去打排球瞬間將臂打開，在已獲得較大的ω的基礎(chǔ)上，突然增大R，這樣線速度V 增加，從而獲得大的揮臂速度。
（3） 汽車的三軸轉(zhuǎn)動慣量
汽車的三軸轉(zhuǎn)動慣量是指汽車空車整備質(zhì)量狀態(tài)下的橫擺轉(zhuǎn)動慣量、俯仰轉(zhuǎn)動慣量和側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量，按照汽車坐標(biāo)系，這三軸轉(zhuǎn)動慣量分別是繞質(zhì)心 Z 軸、繞質(zhì)心 Y 軸和繞質(zhì)心X 軸的轉(zhuǎn)動慣量。這些參數(shù)以及車輛的質(zhì)心位置對汽車的安全性、平穩(wěn)性和平順性有很大影響。在新車設(shè)計時, 必須運用這些特性參數(shù),通過動力學(xué)模型來預(yù)測車輛的動力學(xué)性能。另外，在進行實驗評價時,為檢驗理 論分析時所用特性參數(shù)的正確性, 以及車輛間進行比較時, 都要求高精度地測量這些特性參數(shù)。
（4） 轉(zhuǎn)動慣量對活塞壓縮機驅(qū)動電機主軸的重要性
近代壓縮機對振動的控制要求日益嚴(yán)格，對于大中型壓縮機，軸系的扭轉(zhuǎn)振動以為外國公司列為計算項目之一，正常情況下，壓縮機應(yīng)該在共振區(qū)之外運行，如果在共振區(qū)中運行，軸將產(chǎn)生很大振幅，以致在軸段中引起足以損壞軸的附加應(yīng)力。所以必須對軸的轉(zhuǎn)動慣量進行計算，進而確定準(zhǔn)確的飛輪矩，以保證驅(qū)動機與壓縮機不在危險的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，并保證滿足一定的轉(zhuǎn)速不均勻度與電流波動值的要求。
3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢
目前現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量測算方法:①直接代數(shù)計算法②三維建模法測量物體轉(zhuǎn)動慣量③動鼠沿圓周運動測轉(zhuǎn)動慣量④“三線擺”法測慣量方法分析等。
轉(zhuǎn)動慣量的測量，一般都是使剛體以一定的形式運動。通過表征這種運動特征的物理量與轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，進行轉(zhuǎn)換測量。測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的方法有多種，三線擺法是具有較好物理思想的實驗方法，它具有設(shè)備簡單、直觀、測試方便等優(yōu)點。但在普通的測量實驗中，一般采用測量三線擺微擺周期，然后計算轉(zhuǎn)動慣量的方法， 這種線擺法測轉(zhuǎn)動慣量的測量方式仍依靠手動操作，由于人為操作自身的局限性必然存在著人為誤差。從而產(chǎn)生了用自動的方式來測量物體轉(zhuǎn)動慣量的想法，以達到減小人為誤差的目的[1]。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，教學(xué)實驗中，用三線擺測定剛體轉(zhuǎn)動慣量的實驗設(shè)備由于測量條件和方法的限制，在實驗的操作、測量、記錄分析過程中存在諸多不便。調(diào)試的方法不盡合理，在測量過程中誤差產(chǎn)生的原因很多。特別是實驗平臺的徑向擺動，實驗平臺未能水平放置以及人工計數(shù)等等因素使得測試測量誤差較大，教學(xué)工作人員和學(xué)生都不滿意。某種程度上這和三線扭擺法是測量轉(zhuǎn)動慣量的優(yōu)點“儀器簡單，操作方便、精度較高”是相悖的。
目前，對三線擺測物體轉(zhuǎn)動慣量的實驗，據(jù)可查閱到的文獻表明從 1986 年以來就有人從事轉(zhuǎn)動慣量測量方法的研究和“三線擺”測量方式的改進。同時發(fā)表了很多與之相關(guān)的論文。 2011 年海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實驗部理化實驗中心張勇提出了運用剛體轉(zhuǎn)動慣量疊加原理，對三線擺測量剛體轉(zhuǎn)動慣量的原理公式進行合理變形，選擇下盤的固有轉(zhuǎn)動慣量作為測量的標(biāo)準(zhǔn)量，推導(dǎo)了剛體轉(zhuǎn)動慣量的測量公式。該方法優(yōu)點是簡化了實驗的計算工作量，缺點是該試驗的計算方式并沒有提高測量的精度。2009 年東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)商用車技術(shù)中心劉昶提出了由加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取三線擺圓盤切向加速度的時間歷程信號，通過測算以得到三線擺的周期信號。該方法的優(yōu)點是減少了人工計數(shù)的工作量，同時采用加速度傳感器其測算的精度也有所提高，缺點是該方法在測量周期是改變了擺盤自身的轉(zhuǎn)動慣量，給測算帶來誤差。
這是目前所研究的方向，不同的方法都具有共同目標(biāo)，就是減小實驗中的誤差， 以提高實驗結(jié)果的精確度。張代勝等在《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》中發(fā)表論文詳細地分析了“三線擺”法誤差產(chǎn)生的原因：①三線擺的擺盤是否水平；②周期測量精度的高低；③擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于 6°；④轉(zhuǎn)動的時候是否存在平動；⑤空氣阻力。
二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容1.重點解決的問題
(1) 轉(zhuǎn)動慣量測量方案的選定
(2) 三線擺轉(zhuǎn)動的周期信號采集的方案設(shè)計
(3) 相關(guān)硬件的設(shè)計以及測量數(shù)據(jù)的處理
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）
通過查閱資料，首先介紹說明轉(zhuǎn)動慣量的意義，以及國內(nèi)外轉(zhuǎn)動慣量現(xiàn)狀和以后的發(fā)展趨勢。重點突出分析測試裝置等設(shè)計方案。再對設(shè)計裝置進行整體的規(guī)劃和設(shè)想，最后把各個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合。
論文寫作大綱：
1. 緒論
1.1 研究意義
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3 主要研究內(nèi)容 2．轉(zhuǎn)動慣量的運用研究與測量
2.1 轉(zhuǎn)動慣量的物理意義及其運用
2.2 現(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量測算方法
2.2 各種測算方法分析3．測試裝置設(shè)計
3.1 測試裝置技術(shù)要求
3.2 總體方案設(shè)計
4. 電氣系統(tǒng)原理及設(shè)計
4.1 傳感器信號放大與處理
4.2 傳感器及其外圍電路設(shè)計
4.3 LED 顯示模塊
4.4 電源模塊設(shè)計
5. 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1 設(shè)計流程
5.2 擺盤夾取裝置的設(shè)計
5.3 定位移動裝置的設(shè)計
5.4 轉(zhuǎn)角控制和傳感器裝夾裝置
5.5 其它裝置機構(gòu)的設(shè)計
5.6 實驗輔助裝置裝配調(diào)試及檢驗
6. 總結(jié)
3. 本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果(1)轉(zhuǎn)動慣量測試裝置設(shè)計方案
(2)電氣系統(tǒng)設(shè)計方案(3)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
三、論文（設(shè)計）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）；
對轉(zhuǎn)動慣量測量方法進行研究，最終將常規(guī)的機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)相結(jié)合，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動慣量測量的研究工作。
2. 論文（設(shè)計）進度計劃
第 1 ～ 2 周：查閱相關(guān)文獻資料，了解設(shè)計內(nèi)容，初步方案設(shè)計；
第 3 ～ 4 周：總體方案設(shè)計，撰寫開題報告；
第 5 周：轉(zhuǎn)動慣量的測算方法的分析；
第 6 ～ 7 周：轉(zhuǎn)動慣量檢測系統(tǒng)方案設(shè)計；
第 8 周：轉(zhuǎn)動慣量檢測系統(tǒng)部件選配； 第 9 ～11 周：轉(zhuǎn)動慣量檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計； 第 12～13 周：繪制相關(guān) CAD 圖紙；
第 14～15 周：撰寫并完善畢業(yè)設(shè)計說明書；
第 16 周：完善畢業(yè)設(shè)計各項內(nèi)容，準(zhǔn)備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻
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[6] 劉勇.轉(zhuǎn)動慣量的測量及誤差分析[J].機械,2003,(S1).
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2004.
[13] 濮良貴,紀(jì)明剛.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2001.
附：文獻綜述
文獻綜述
轉(zhuǎn)動慣量作為一個重要的工程參數(shù)，如何準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)動慣量在工程上具有重大意義?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)動慣量測算方法：
1. 直接代數(shù)計算法 剛體轉(zhuǎn)動慣量永遠是一個正的標(biāo)量，在動量矩定理中，剛
體定軸轉(zhuǎn)動微分方程可以表達為：Jza=Mz，這與動力學(xué)基本方程 F=ma 是相似的，式中，轉(zhuǎn)動慣量的地位與質(zhì)量 m 相當(dāng)。掌握轉(zhuǎn)動慣量的概念和如何測定剛體的轉(zhuǎn)動慣量是十分重要的。一些常見勻質(zhì)規(guī)則幾何形狀的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量可查工程手冊，但一些不規(guī)則形狀和非均質(zhì)的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量是很難計算，一般需要用實驗方法求得。由密度不同的材料組成，且形狀不規(guī)則，需要用實驗的方法測試出其轉(zhuǎn)動慣量。
2. 三維建模法測量物體轉(zhuǎn)動慣量 轉(zhuǎn)動慣量是物理學(xué)及工程力學(xué)中經(jīng)常遇見的問題, 在數(shù)學(xué)分析教材中僅給出了三維空間中的質(zhì)量物體V 對三個坐標(biāo)軸(X 軸，Y 軸，Z 軸) 的轉(zhuǎn)動慣量的計算方法。而對于三維空間中對于一般直線甚至連平行于坐標(biāo)軸的直線的轉(zhuǎn)動慣量都沒有給出計算方法。本文根據(jù)數(shù)學(xué)分析和解析幾何的相關(guān)知識, 應(yīng)用微元法給出空間中的質(zhì)量曲線S 和質(zhì)量立體V 對任意直線l 的轉(zhuǎn)動慣量的計算方法。 用三維建模軟件計算轉(zhuǎn)動慣量，給出的是三組數(shù)值，分別是：
(1)慣性主軸和慣性力矩，由重心決定； (2)由重心決定，并且對齊輸出的坐標(biāo)系; (3)由輸出座標(biāo)系決定。
慣性主軸的定義：
定義 1：三條相互垂直的坐標(biāo)軸，其中構(gòu)件慣性積等于零的某一坐標(biāo)軸。
定義 2：對通過物體一給定點的每組笛卡爾坐標(biāo)軸，該物體的三個慣性積通常不等于零，若對于某一上述的坐標(biāo)軸物體的慣性積為零，則這種特定的坐標(biāo)軸稱為主慣性軸。慣性積：構(gòu)件中各質(zhì)點或質(zhì)量單元的質(zhì)量與其到兩個相互垂直平面的距離之乘積的總和。慣性力矩就是轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量嚴(yán)格定義是一個物體上，它的每一極小塊乘以那一小塊到轉(zhuǎn)動中心的距離的平方，再把乘積都加和起來就是轉(zhuǎn)動慣量：K=mr2。俗稱慣性矩。慣性矩俗稱慣性力距，慣性力矩。
本文針對 ZME-1 綜合力學(xué)實驗臺“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量測量實驗，設(shè)計出一套能夠較精確的測量物體轉(zhuǎn)動慣量的實驗輔助裝置。該裝置采用非接觸測量方式，可以方便、快捷、準(zhǔn)確的獲取三線擺盤轉(zhuǎn)動的周期信號。經(jīng)在實驗室檢驗該轉(zhuǎn)動慣量測量裝置，能準(zhǔn)確穩(wěn)定的采集到周期旋轉(zhuǎn)信號。
轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動時慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)軸的位置。剛體的轉(zhuǎn)動慣量有著重要的物理意義，在科學(xué)實驗、工程技術(shù)、航天、電力、機械、儀表等工業(yè)領(lǐng)域也是一個重要參量。近年來，伴隨著高新技術(shù)的日新月異，對物體轉(zhuǎn)動慣量，尤其是對非均質(zhì)、不規(guī)則物體轉(zhuǎn)動慣量的深入性研究已經(jīng)對未來的航天、航空、軍事及精密儀器制造等高精尖行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響，而且，轉(zhuǎn)動慣量對
于研究、設(shè)計、控制轉(zhuǎn)動物體，尤其是導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等飛行體的運動規(guī)律有著非常重要的作用，是影響其運動的重要參數(shù)之一。本課題設(shè)計一套“三線擺”法測轉(zhuǎn)動慣量的實驗輔助裝置，該裝置由機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分組成，能夠準(zhǔn)確的測量三線擺擺盤的轉(zhuǎn)動周期，同時能有效的減小實驗過程中產(chǎn)生的誤差。所以參考了很多與誤差有關(guān)的文獻。主要有：
張代勝等在《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》中發(fā)表論文詳細地分析了“三線擺”法誤差產(chǎn)生的原因[5]：①三線擺的擺盤是否水平；②周期測量精度的高低；③擺扭轉(zhuǎn)角的大小是否小于 6°；④轉(zhuǎn)動的時候是否存在平動；⑤空氣阻力。
1、 三線擺系統(tǒng)誤差：
(1)對于裝置本身忽略圓盤平動動能的影響(2)在推導(dǎo)公式中 2H -h ≈2H 的影響
2、 測量過程中的誤差影響
三線擺調(diào)校至水平狀態(tài)后, 給轉(zhuǎn)動圓盤小于 5°的角位移,釋放后使其轉(zhuǎn)動 ,測量轉(zhuǎn)動周期 T ,應(yīng)用式(1)求圓盤和復(fù)雜構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量 ,將復(fù)雜構(gòu)件放置不同角度 , 通過式(3)聯(lián)立方程可求復(fù)雜構(gòu)件的慣性積。在測量過程中 , 測量誤差來源于對各個參數(shù)的測量以及 OcP 與坐標(biāo)軸夾角的測量。應(yīng)特別注意以下幾組參數(shù)的測量 :
(1) 轉(zhuǎn)動周期的測量周期測量誤差分析
本系統(tǒng)采用 PCI -1780 卡采集由光電傳感器輸出的電壓信號 ,并利用其計時功能得到扭擺周期 ,設(shè)其周期測量誤差為 ΔT ,所造成的轉(zhuǎn)動慣量測量的相對誤差。實際測量中 , 測得的最小扭擺周期(即空載周期), 周期測量誤差小于 0.1ms,由此 , 測量得轉(zhuǎn)動慣量相對誤差。
(2) OcP 與坐標(biāo)軸的夾角對慣性積的影響3、 阻尼誤差分析
轉(zhuǎn)動慣量的變化影響阻尼比, 阻尼比影響轉(zhuǎn)動慣量計算4、被測物體徑向偏移誤差分析
5、被測物體軸線傾斜誤差分析
6、采取措施
測量復(fù)雜構(gòu)件轉(zhuǎn)動慣量的誤差應(yīng)小于 ∑ δ=δc +δs?？刹扇∫韵麓胧﹣砜刂普`差:
①增加三線擺長 、控制下圓盤的擺幅 ,減小因近似而產(chǎn)生的誤差 。 ②保證下圓盤為定軸擺動, 限制因測量產(chǎn)生的誤差 。 ③在同一擺上測量與復(fù)雜構(gòu)件高度相仿、質(zhì)量相同 ,且形狀規(guī)則(可以利用理論公式求得其轉(zhuǎn)動慣量)、質(zhì)量分布均勻砝碼的轉(zhuǎn)動慣量, 與理論結(jié)果進行比較,對測量結(jié)果進行標(biāo)定 、修正。