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1、2014年湖北省大学生机械创新设计大赛科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计说明书、图纸华中科技大学武昌分校2014年3月II科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计说明书、图纸作品名称：科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设 计 者：吴志华 梅园 赵克恒 王高峰 王晔指导教师： 吴修玉 刘海 单 位： 华中科技大学武昌分校 II华中科技大学武昌分校 科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计说明书目 录1 绪论11.1 作品背景及意义11.1.1 科氏现象的产生11.1.2 科氏现象的解释21.1.3 问题的提出及研究意义31.2 研究目标31.3 研究内容32 科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台的
2、设计方案42.1 设计目标分析42.1.1 科氏现象运动模型分析42.1.2 机械系统设计分析42.1.3 控制系统设计分析52.2 总体设计方案的提出52.3 科氏现象运动模型的参数建立52.4 机械系统设计方案62.4.1 机械系统设计方案62.3.1实验平台基本原理72.5 控制系统设计方案73 机械设计93.1 机械结构设计93.2 机身设计103.2.1 机身机械结构设计103.2.2 机身计算与校核103.3 主回转传动装置设计113.3.1 机械结构设计113.3.2 驱动及传动参数113.3.3 零部件设计与计算123.4 卧式回转传动装置设计143.4.1 驱动及传动参数15
3、3.4.2 零部件设计与计算153.5 机械系统的UG建模174 控制系统设计184.1 控制系统总体设计184.2 电子系统设计184.2.1 单片机控制系统的设计184.2.2 单片机测试系统的设计194.2.3 单片机串口通信系统214.2.4 直流电机及系统供电技术224.2.5单片机主芯片介绍234.3 计算机界面系统设计244.3.1 计算机软件系统分析244.3.2 计算机软件工具选择254.3.3 LabVIEW程序设计265 实验平台教学演示说明285.1 使用方法285.2 性能分析285.3 实验结论286 结束语30参考文献31321 绪论1.1 作品背景及意义 1.1
4、.1 科氏现象的产生科氏现象，即科里奥利现象，对于非惯性系，物体在非惯性系中运动时，就会产生科氏惯性力。就地球而言，由于地球的自转，地球作为动参考系，就是非惯性系。由地球自转产生的科氏惯性力可以解释许多现象，除了南北行驶的火车两轨道磨损不一样；南北流向的河流两岸冲刷程度不同外，潮汐现象、信风与季风、傅科摆摆动平面的变动等都跟科氏力有关，如图1-1所示。图1-1a 地球惯性对黄河两岸冲刷图 图1-1b 大气环流现象图科氏惯性力具有“虚假”和“真实”两重特性，其虚假性表现为它不是物体之间的相互作用，没有施力物体，也不存在反作用力，它的大小与参考系的运动密切相关，不符合力的定义，其真实性表现为身处非
5、惯性系的观察者可以真实地感觉到它的存在。在赤道附近以33m/s运动的物体的科氏惯性力最大约为重力的万分之五。因此，在很多实际工程技术中，将地球看作惯性系获得的结果己足以满足准确要求。然而，对于另外一些问题，如远程炮弹的运动时，就必须考虑地球自转的影响了。第一次世界大战期间，英国炮手在马尔维纳斯群岛海战中发射的炮弹经常落在德国战舰的左方而不能命中，就是由于科氏惯性力影响所致，这些现象的产生都与科里奥利力有关。物体相对于匀角速参考系作相对运动，除了离心力外，还有一个叫做科里奥利力的惯性力作用在物体上。但由于地球自转很慢，地球上的科氏力现象不容易为人们所注意和理解，因此常常被忽略。1.1.2 科氏现
6、象的解释先从一个简单的例子说起。设在以角速度沿逆时针方向转动的水平圆盘上，有，两点，为圆盘中心，且有，在A点以相对于圆盘的速度沿半径方向向点抛出一球。如果圆盘是静止的，则经过一段时间后，球会到达，但结果是球到达了转动的前方一点，如图1-2所示。 （1-1）图1-2 科氏现象解释原理图对这个现象可如下分析，由于圆盘在转动，故球离开的时，除了具有径向速度外，还具有切向速度，而的切向速度为，由于的位置靠近圆心，所以，在垂直于的方向上，球运动得比远些。这是在盘外不转动的惯性系观察到的情形。对于以圆盘为参考系的，他只看到以初速度向他抛来一球，但球并未沿直线到达他，而是向球球运动的前方的右侧偏去了，这一结
7、果的分析发现，地球在具有径向初速度的同时，还具有了垂直于这一方向而向右的加速度，应用牛顿第二定律对于加速度的解释，既然球出手后在水平方向上没有受到“真实力”的作用，那么球一定受到了一个垂直于速度而向右的惯性力。这种在转动参考系中观察到的运动物体（由于转动参考系中各点的线速度不同而产生）的加速现象中科里奥利效应，产生此效应的虚拟的惯性力叫科里奥利力。1.1.3 问题的提出及研究意义在理论力学教学中，由于地球惯性体较大，科氏现象的产生只能通过现象结果分析和理论推导解释，不能用一个直观的物理实验台或仪器来演示科氏现象产生原理，学生难于理解。本作品根据科氏现象产生的原理提出了研制一台科氏加速度和科氏惯
8、性力演示实验平台，就是为了直观观测科氏现象的产生和构成参数。该装置不仅能让学生能直观观测科氏加速度和科氏惯性力产生的现象，还能作为教学实验演示的重要仪器；该装置不仅能准确控制科氏参数中的回转速度和线性速度，还是准确测试速度和科氏位移参数；在该装置的基础上，利用科氏参数与回转参数的关系，开发出合理利用或者规避科氏现象的科研产品。1.2 研究目标本作品提出了科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台的研制，集机械设计、电子设计、软件设计技术于一体。该装置必须设计一个科氏加速度和科氏惯性力的回转运动和线性运动机械装置，通过电子装置和计算机软件实现对回转运动和线性运动参数的测控和显示。1.3 研究内容要实现研
9、究的目标，必须展开如下方面的研究：（1） 展开对科氏加速度和科氏惯性力产生的原理深入研究；（2） 运用机械设计技术，设计一个能够很直观反映科氏现象的机械装置；（3） 运用电子技术和计算机软件技术，设计一套运动测制系统。2 科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台的设计方案2.1 设计目标分析根据本作品的设计目标和内容知，该装置的设计包含了科氏现象运动模型建立，机械系统设计，控制系统设计。2.1.1 科氏现象运动模型分析如图1-2所示，科氏加速度和科氏惯性力的产生需要一个主回转运动和一个直线运动，该直线运动必须以主回转运动为参考系实现，且直线运动与主回转体的轴线垂直。当主回转运动和直线运动都必须达到一
10、定的速度后，才能使科氏现象较为明显。 2.1.2 机械系统设计分析 机械系统的设计是围绕科氏现象运动模型展开的，该机械系统必须设计一个主回转运动和一个在主回转坐标系下的直线运动，且直线运动必须与主回转轴线垂直，而该直线运动通过一个摆幅较大的球体的回转运动替代。 图2-1 机械系统运动简图 如图2-1所示，竖直方向主回转运动，两个卧式的回转运动 ， 产生瞬时速度，由和，合成科式力 ， ，打破滑块在旋转轴上的平衡（离心力和摩擦力的平衡），使滑块沿旋转轴向产生位移动。 2.1.3 控制系统设计分析本实验平台的控制系统的设计主要是解决电机驱动与控制、电机测速和小球位移测试，同时设计一个操控与显示系统能
11、观测到速度和位移参数，通过这些参数计算，论证参数与科氏加速度和科氏惯性力的关系公式。2.2 总体设计方案的提出科式加速度和科式惯性力演示实验平台控制系统机械系统根据前面的目标分析，该系统总体构成为机械系统和控制系统。如图2-2所示。 图2-2 总体设计方案2.3 科氏现象运动模型的参数建立如图2-3所示，基于科氏加速度由两部分组成：一部分是因为动点有相对运动，改变了它在动坐标系上的重合点而造成的，既相对运动对牵连运动速度的影响；另一部分是由动系的牵连转动，引起记录在动系上的相对速度方向变化而产生的，即牵连运动对相对速度的影响。科氏加速度是牵连运动和相对运动相互影响发结果。因此，我们给出了科氏加
12、速度的公转角速度W（大电动机的转动），小电动机带动偏心球提供相对速度，在一个周期之内，小球速度方向的改变，导致偏心球来回窜动。图2-3 机械系统结构方案图一般地可以证明，当质量为m的质点相对于转动参考系（角速度矢量为）的速度为V时，则在转动参考系内观察到的科里奥利力为 （2-1）在垂直于纸面的方向只受到一个科氏力的作用，所以小球会在垂直于纸面的平面内来回往复运动。2.4 机械系统设计方案2.4.1 机械系统设计方案根据图2-1所示，机械系统设计方案主要是现实竖直主回转运动和两个卧式回转运动，如图2-4所示。该机械系统主要由机身、主回转传动装置、卧式回转传动装置组成。主回转运动通过电动机拖动，采
13、用联轴器直连，传动转矩到主回转轴上，回转轴通过轴承安装在机身上；卧式回转传动装置通过电机拖动同步带轮，并驱动花键轴的回转，因为要保持平衡性，所以卧式回转传动装置有两套，且放在一个支撑梁上，支撑梁与主回转轴采用法兰连接。图2-4 实验平台方案图2.3.1实验平台基本原理科氏加速度演示仪原理：利用在机架上一个可转动的安装板，此安装板转速恒定，但可以改变转动方向，安装板上装有可转动的花键轴，轴上固定一偏心球（可在轴上左右滑动），偏心球通过连接杆与花键轴上的连接套连接，通过调速按钮和换向按钮，电机可改变转速和转动的方向。设动坐标系与圆盘相固连，那么圆盘的转动就是科氏加速度所需的动系角速度，而偏心小球在
14、花键轴的带动下旋转所作的运动则为相对速度。因此： （1）当安装板转动而轴未开启转动动时，虽然有动坐标系的转动，但没有相对运动，此时没有科氏加速度产生。当摩擦力大于离心力时，偏心小球没有沿旋转轴向的位移； （2）当安装板不转动而轴开启自转动时，因只有相对运动而没有动坐标系的转动，此时也没有科氏加速度产生，偏心小球没有沿旋转轴向的位移； （3）当安装板转动，同时小电机转动，偏心小球开始旋转，由于动坐标系的转动和动点在动坐标系上的相对运动，即产生了科氏加速度，它促使小球向边缘或者中心移动； （4）改变牵连运动速度的大小和方向，可以改变小球向中间或边缘移动的位移大小。2.5 控制系统设计方案根据前面的目标分析并结合图2-4的机械系统结构方案知：该控制系统必须驱动并控制大电动机和小电动机的运转，检测主回转轴和卧式花键回转轴的转速，同
