科氏加速度定量测量教学实验装置.pdf
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1、 西南交通大学学报(社会科学版)2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 (Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 实验教学 科氏加速度定量测量教学实验装置 张 健1,2,曹升虎1,黎明安1(1.西安理工大学工程力学系,西安;2.西安理工大学力学实验室,西安)摘 要:本文介绍了自主设计的小体积科氏加速度定量测量教学实验装置,自主开发的控制及数据采集分析处理系统,编写的相关实验指导书等工作。关键词:点的运动合成,运动学实验,三轴加速度传感器,上位机 一、引言 理论力学是土木、机械、
2、车辆、水工、农水、工程力学等专业一门非常重要的必修基础课,是各门力学的基础,该课程的教学质量和教学效果会严重影响学生后续课程的学习。理论力学课程包含理论教学和实验教学两方面,目前理论教学包含静力学、运动学和动力学,均以课堂讲授为主,而实验教学只包含桁架内力和自由衰减振动两个验证性实验,与课堂讲授重点难点内容存在脱节现象。多年的一线教学实践表明,学生在理论力学课程学习过程中,对运动学尤其是“点的运动合成”理解比较困难,并且直接影响后续动力学内容的学习掌握。作为课堂教学的有益补充,实验教学应该瞄准解决课堂教学中的重点难点问题,搭建牵连运动为定轴转动的“点的运动合成”教学实验平台,实现科氏加速度的定
3、量测试,有助于帮助学生形象理解相对运动和刚体运动的概念,强化理解运动合成定理及其应用,改善理论力学教学效果,提高理论力学考试成绩,可以为后续各专业课程如机械设计、结构抗震设计、振动力学、结构动力学等的学习打下坚实的力学基础力学。科氏加速度教学实验仪器已有很多专利1-4,但是大多处于设计阶段,市场上能搜到的科氏加速度实验设备都体积巨大,报价昂贵,而且仅仅局限在定性演示,不能定量测量,本文介绍了自主设计加工的小体积桌面式科氏加速度测试装置,自主开发的数据采集分析处理系统,编写的相关实验指导书等工作。二、实验仪器开发 本实验仪器配合大学本科必修基础专业课理论力学教材,可以实现运动学部分加速度的定量1
4、58 西南交通大学学报(社会科学版)第 24 卷 测试实验,包括刚体的定轴转动和点的动运动合成。本实验仪器为西安理工大学力学实验室自主开发,方案设计如图 1 所示。主要包含三个组成部分:(1)硬件:运动支架结构、运动控制硬件、加速度采集硬件、电脑;(2)软件:电机驱动程序、电机控制程序、加速度采集程序;(3)实验指导书。下面对各个部分进行简单介绍:图 1 教学实验装置框图(1)支架结构 经过多次优化改进,最终定版的实验仪器具有极其简单的结构,包括底座、电机 1、支架杆、电机 2、摇杆和传感器六个部分,如图 2 所示。图 2 教学实验仪器结构示意图 其中,传感器粘在摇杆端部,摇杆通过螺栓连接在电
5、机 2 转子上,支架杆通过螺栓连接在电机 2定子和电机 1 转子上,电机 1 定子通过螺栓连接在底座上,实验中底座需固定在竖直刚性面上。可以分别设定电机 1 和电机 2 为匀速转动,通过两个导电滑环把固定在摇杆端部传感器三个垂直方向的加速度值随时间的变化曲线输出,进而可以定量分析刚体的定轴转动和点的运动合成。(2)加速度传感器 本实验仪器所用加速度传感器如图 3(a)和 3(b)所示,型号为维特智能 WT931 串口加速度计,长 12mm 宽 12mm 厚 2mm,重 5g,方便粘贴不占地方,实验中直接粘在摇杆端部将导线引出,通过 USB转 TTL 串口模块连接电脑进行数据采集记录,可以持续输
6、出三轴加速度随时间变化的数据曲线,回传速率默认 500Hz。加速度传感器各轴方向示意如图 3(c)所示.科氏加速度定量测量教学实验装置科氏加速度定量测量教学实验装置 运动支架结构运动支架结构 运动控制硬运动控制硬加速度采加速度采集硬集硬电机驱动程电机驱动程电机控制程电机控制程加速度采集程加速度采集程上上位位电电脑脑 实实验验指指导导增刊第 2 期 159 张 键 科氏加速度定量测量教学实验装置 (a)正面照片 (b)背面照片 (c)方向示意图 图 3 三轴加速度传感器 注意:(1)加速度传感器在实验时是一直处于复杂的运动状态中,三个输出轴的方位也在一直变化;(2)由于传感器一直处于地球引力之中
7、,重力加速度 g 一直存在,方向铅垂向下。(3)电控系统 本仪器的电控系统选用的是一款面向机器人 DIY 的开源主控套件,大疆 RoboMaster 出品,包括电机,控制板和配套线材包。动力电机如图 4 所示,选用大疆 RoboMaster GM6020 高性能直流无刷电机,空心轴设计(内孔径 18mm,可安装滑环),扭矩密度大(最大持续扭矩 1.24Nm),控制精度高,结构紧凑,内部集成电调,大幅节省安装空间,适用于低转速、大扭矩直接驱动的应用场景。图 4 电机 图 5 控制板 控制板如图 5 所示,型号为大疆 RoboMaster 开发板 A,主控芯片为 STM32F427IIH6,拥有丰
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