NPU-165二维非惯性运动学实验装置使用说明书.doc

NPU－165二维非惯性运动学实验装置 使 用 说 明 书 西北工业大学力学与土木建筑学院 力学实验教学中心 2006年9月 NPU－165二维非惯性运动学实验装置 概述 NPU-165二维非惯性运动学实验装置是我校在“国家基础力学教学基地”建设项目中自行研制和开发的15种类型力学实验教学装置之一。在高等院校理论力学课程的教学活动中，运动学占有极其重要的地位，而点的复合运动又是运动学中的重点和难点。二维非惯性运动学实验装置即是通过实验的手段来测量与分析作复合运动的点其运动过程中的各运动学参数，以便学生更好地理解和掌握教学内容中的重点和难点。在实验装置中，用一作匀速转动的平面圆盘模拟二维非惯性参考坐标系，圆盘转速可调；利用弹射装置将一质点以一定的初速度和入射角弹射到圆盘上，弹射的初速度和入射角可调；再应用图像采集、辨识、分析技术捕获质点在圆盘上持续2秒左右运动的全过程（分辨率为1.42mm，图像采集间隔为0.02秒），以文本文件的形式给出质点在运动过程中任一瞬时的绝对坐标值，并显示出其绝对运动的轨迹。学生利用这些实测数据，即可计算出该质点的其它各种运动学参数，如相对运动、牵连运动的轨迹，绝对、相对、牵连运动的位移、速度、加速度等；同时在实验装置的软件中，除了图像采集分析软件外，还编有基于Matlab界面的仿真与误差分析软件，用于仿真、对实测数据分析处理、误差分析等，学生可利用仿真技术计算出设定参数下（圆盘转速、弹射的初速度和入射角、摩擦系数）的理论计算值，并与实测值比较后进行误差分析；此外，作为运动学反问题，也可在要求质点或刚体达到某种预期的运动状态的条件下，由学生经过理论计算，设定牵连运动角速度（圆盘转速）和质点的弹射初速度及入射角，并验证。再则，利用图像采集、辨识、分析技术还可以测量两种平面材料之间的静、动摩擦系数。 图像采集、辨识、分析技术是一种比较先进、新颖的非接触式测量技术，该技术与计算机结合应用在教学实验装置上后，不但可提高学生的建模能力、分析能力、动手能力，更能开拓学生的思路与兴趣。学生可以利用这个实验平台，经过独立自主的思考，可开发出更多、更新的实验项目。 本实验装置所能开出的实验项目有： 质点相对于非惯性坐标系的动力学建模及仿真计算； 测量质点在复合运动过程中相对于非惯性坐标系的绝对运动轨迹； 分析质点在复合运动过程中绝对运动的速度、加速度； 分析质点在复合运动过程中相对运动的轨迹、速度、加速度； 分析质点在复合运动过程中牵连运动的轨迹、速度、加速度； 仿真计算与实测数据的误差分析及模型修改； 静、动摩擦系数的测量及其特性研究。 组成 图1 NPU-165二维非惯性运动学实验装置 NPU—1650二维非惯性运动学实验平台； 无级调速电机； 光栅编码器； NPU—1651转速与弹射装置控制仪； CCD摄像头； 图像采集卡； 微机； 图像采集与分析处理以及转速和弹射测控软件； 仿真与误差分析软件。 实验装置的组成框图如图2所示，其工作过程如下：转速与弹射装置控制仪13控制无级调速电机9带动圆盘4以匀速转动，转动速度通过测速仪10及转速与弹射装置控制仪13输给内装图像采集卡，图像采集、辨识、分析处理及转速和弹射测控软件的微机14并直接测量和显示出来；调整弹射装置11的入射角度和预压弹簧的预压量，微机14通过弹射装置控制仪13给弹射装置发一脉冲信号，质点5将以一定的初速度弹射到圆盘上；此时，CCD摄像头1开始采集图像，并将质点在运动过程每一时刻的运动图像通过图像采集卡传送给微机14，再由计算机视频图像处理软件采用单目视觉目标检测和定标测量原理自动完成质点的辨识和检测，以文本文件的形式给出质点在运动过程中任一瞬时的绝对坐标值，并显示出其绝对运动的轨迹。 摄像头调整机构2和立柱3用来调整摄像头的位置，以保证摄像头与圆盘表面垂直、对中、以及合适的摄像面积和焦距；圆盘支承传动机构6内置减速、传动、支承构件，以保证圆盘运转的平稳性；支承面7用以支撑整个转动机构；底座8用于装置构件的固定与水平调整；弹射装置11内置有弹射角度调整、预压弹簧调整、预压弹簧预紧及释放等构件，以使得质点弹射的速度和角度可调；立杆12用于固定和调整弹射装置；转速与弹射装置控制仪13用来调节无机调速电机9的转速、对测速仪10的信号进行放大整形、控制弹射装置11的释放构件、并与微机14进行数据传输；内装图象采集卡,图像采集、辨识、分析处理及转速和弹射测控和仿真与误差分析软件的微机14完成转速测量、弹射控制、图像采集、图像辨识与分析、运动仿真、数据处理、图像生成与显示、误差分析等多项功能。 实验原理 如图3所示，半径为R的圆盘，以匀角速ω绕圆心O转动。取定参考系XOY与地球固连，动参考系与圆盘固连，设当t=0时，定系XOY与动