4曲柄滑块、导杆、凸轮运动学分析实验

曲柄滑块、导杆、凸轮运动学分析实验 一、实验目的 1、通过实验，了解位移、速度、加速度的测定方法；转速及回转不匀率的测定方法； 2、通过实验，初步了解“QID-III型组合机构实验台”及光电脉冲编码器、同步脉冲发生器（或称角度传感器）的基本原理，并掌握它们的； 图1 QTD-III型组合机构实验台照片 3、通过比较理论运动曲线与实测运动曲线的差异，并分析其原因，增加对运动速度特别是加速度的感性认识； 4、比较曲柄滑块机构与曲柄导杆机构的性能差别； 5、检测凸轮直动从动杆的运动规律； 6、比较不同凸轮廓线或接触副，对凸轮直动从动杆运动规律的影响。 二、实验设备及工具 1、QID-III型组合机构实验台（如图1所示）； 2、活动扳手，固定扳手，内六角扳手，螺丝刀； 3、钢直尺，游标卡尺。 三、QTD-III型组合实验系统的组成及工作原理 1、实验系统组成 图2  实验系统框图 本实验的实验系统框图如图2所示，它由以下设备组成： （1）实验机构—曲柄滑块、导杆、凸轮组合机构 （2）光电脉冲编码器 （3）同步脉冲发生器（或称角度传感器） （4）QTD-III型组合机构实验仪（单片机检测系统） （5）个人电脑 （6）打印机 2、实验机构主要技术参数 （1）直流电机额定功率            100W （2）电机调速范围                0-2000r/min （3）蜗轮减速箱速比              1/20 （4）实验台尺寸                  长×宽×高 = 500×380×230 （5）电源                        220V/50Hz 3、实验机构结构特点 该组合实验装置，只需拆装少量零部件，即可分别构成四种典型的传动系统，它们分别是曲柄滑块机构；曲柄导杆滑块机构；平底直动从动杆凸轮机构和滚子直动从动杆凸轮机构，如图3所示。而每一种机构的某一些参数，如曲柄长度、连杆长度、滚子偏心等都可在一定范围内作一些调整，通过拆装及调整可加深实验者对机械结构本身特点的了解，对某些参数改动对整个运动状态的影响也会有更好的认识。 （a）曲柄滑块机构 （b）曲柄导杆机构 （c）平底直动从动杆凸轮机构 （d）滚子直动从动杆凸轮机构 图3 四种机构类型 1、同步脉冲发生器  2、涡轮减速器  3、曲柄  4、连杆  5、电机  6、滑块  7、齿轮  8、光电编码器  9、导块  10、导杆  11、凸轮  12、平底直动从动件  13、回复弹簧  14、滚子直动从动件  15、光栅盘 4、组合机构实验仪 （1）实验仪外型布置 此实验仪的外型结构如图4所示，图4（a）为正面结构，图4（b）为背面结构。 图4（a）  QTD-III实验仪正面结构 图4（b）  QTD-III实验仪正面结构 （2）实验仪系统原理 以QTD-III型组合机构实验仪为主体的整个测试系统的原理框图如图5所示。 图5  测试系统的原理框图 本实验仪由单片机最小系统组成。外扩 16 位计数器，接有 3 位 LED 数码显示器可实时显示机构运动时曲柄轴的转速，同时可与 P C 机进行异步串行通讯。 在实验机构动态运动过程中，滑块的往复移动通过光电脉冲编码器转换输出具有一定频率（频率与滑块往复速度成正比），０－５伏电平的两路脉冲，接入微处理器外扩的计数器计数，通过微处理器进行初步处理运算并送入 P C 机进行处理，P C 机通过软件系统在CRT上可显示出相应的数据和运动曲线图。 机构中还有两路信号送入单片机最小系统，那就是角度传感器（同步脉冲发生器）送出的两路脉冲信号。其中一路是光栅盘每２0。一个角度脉冲，用于定角度采样，获取机构运动线图；另一路是零位脉冲，用于标定采样数据时的零点位置。 机构的速度、加速度数值由位移经数值微分和数字滤波得到。与传统的R-C电路测量法或分别采用位移、速度、加速度测量仪器的系统相比，具有测试系统简单，性能稳定可靠、附加相位差小、动态响应好等特点。 本实验仪测试结果不但可以以曲线形式输出，还可以直接打印出各点数值，克服了以往测试方法中，须对记录曲线进行人工标定和数据处理而带来较大的幅值误差和相位误差等问。 本实验仪最大优点就是采用微处理器和相应的外围设备，因此在数据处理的灵活性和结果显示、记录、打印的便利、清晰、直观等方面明显优于传统的同类仪器。另外，与个人电脑连接使用，操作上只要使用键盘和鼠标就可完成，操作灵活方便，实验准备工作非常简单，在学生进行实验时稍作讲解即可使用。 5、光电脉冲编码器结构原理及标定值计算方法 （1）光电脉冲编码器结构原理 光电脉冲编码器如图6所示。 1、发光体 2、聚光镜 3、光电盘 4、光栏板 5、光敏管 6、主轴 图6  光电脉冲编码器结构原理图 光电脉冲编码器又称增量式光电编码器，它是采用圆光栅通过光电转换将轴转角位移转换成电脉冲信号的器件。它由发光体、聚光透镜 、光电盘、光栏板、光敏管 和光电整形放大电路组成 。光电盘和光栏板用玻璃经研磨、抛光制成的。在光电盘上用照相腐蚀法制成有一组径向光栅，而光栏板上有两组透光条纹，每组透光条纹后都装有一个光敏管，它们与光电盘透光条纹的重合性差 1/4 周期。光源发出的光线经聚光镜聚光后，发出平行光。当主轴带动光电盘一起转动时，光敏管就接收到光线亮、暗变化的信号，引起光敏管所通过的电流发生变化，输出两路相位差 90。的近似正弦波信号，它们经放大、整形后得到两路相差 90。的主波 d 和 d'。d 路信号经微分后加到两个与非门输入端作为触发信号；d' 路经反相器反相后得到两个相位相反的方波信号，分送到与非门剩下的两个输入端作为门控信号，与非门的输出端即为光电脉冲编码器的输出信号端，可与双时钟可逆计数的加、减触发端相接。当编码器转向为正时（如顺时针），微分器取出 d 的前沿A，与非门1打开，输出一负脉冲，计数器作加计数；当转向为负时，微分器取出 d 的加一前沿 B，与非门1打开，输出一负脉冲，计数器作减计数。某一时刻计数器的计数值，即表示该时刻光电盘（即主轴）相对于光敏管位置的角位移量。（如图7和图8所示） 图7  光电脉冲编码器电路原理框图 图8  光电脉冲编码器电路各点信号波形图 （2）标定值计算方法 在本实验机构中，标定值即是指光电脉冲编码器每输出一个脉冲所对应滑块的位移量（mm）。也称作光电编码器的脉冲当量，它是按以下计算出来的。 脉冲当量计算式： M = πφ/N = 0.05026mm/脉冲（取为 0.05） 式中：M —脉冲当量 φ—齿轮分度圆直径（现配齿轮=16mm） N—光电脉冲编码器每周脉冲数（现配编码器N =1000） 四、软件界面介绍及操作说明 1、软件界面介绍 整个窗体由标题栏、菜单栏、工具栏、数据显示区、运动曲线绘制和采样参数设定区、本公司广告信息显示区、运动分析结果显示区、状态栏等八部分组成。 （1）菜单栏 各菜单功能的简要说明： ■打开    打开以前保存在数据库内的采集所得数据（位移、速度、加速度数据） ■保存    保存当前的采集所得数据（位移、速度、加速度数据） ■退出    程序的退出操作 ■端口1  采集前的端口1的选择（地址3F8H（十六进制）） ■端口2  采集前的端口2的选择（地址2F8H（十六进制）） ■数据分析    对当前采集到的位移数据进行分析，得出运动的速度、加速度曲线及有关参数。 ■动画显示 ■曲柄滑块机构    用软件编写曲柄滑块的运动动画窗口。 ■曲柄导杆机构  用软件编写曲柄导杆的运动动画窗口。 ■打印  弹出打印窗口，可进行如下选择。 ■数据打印  可打印采集到的所有位移数据及相应的速度加速度数据，也可打印部分数据，即只打印由用户自己所选的采样点数的位移数据及相应的速度加速度数据。 ■曲线打印  同数据打印一样，可打印全部曲线和部分曲线。打印回转不匀率曲线，当进行回转不匀率的采样操作时可选此项。 ■帮助主题  曲柄滑块/导杆机构运动参数测试仪的详细介绍。 （2）工具条 a、打开按钮，同打开菜单操作。            b、保存按钮，同保存菜单操作。 c、数据分析按钮，同数据分析菜单的操作。  d、曲柄导杆机构的动画显示按钮。 e、打印按钮，同打印菜单。                f、显示帮助主题按钮 （3）数据显示区 显示采集所得和分析所得的全部数据，以便使用者查看之用。 当“采集”按键作用后（采集完成）在此区显示采集点数和运动位移值。 当“数据分析”按键作用后，在此区内将加入分析所得的速度和加速度数据。 （4）运动曲线绘制和采样参数设定区 程序刚打开时此区显示的是运动曲线绘制控件，当选择好串口（“端口选择” 作用后）后此区变为采样参数设定表框。 a、定时采样的采样时间常数选择          b、定角度采样的角度常数选择 c、回转不匀率角度常数选择 采样完成后此区又回到运动曲线绘制控件并绘出采样数据相应的位移曲线， “数据分析”按键作用后，将同时绘出速度曲线和加速度曲线，最终显示在此区的是三条曲线（位移、速度、加速度曲线）。 （5）运动分析结果显示区 此区将显示当前运动采样的位移、速度、加速度的最大值、最小值和平均值，回转不匀率采样所得的转速的最大值、最小值、平均值及回转不匀率值。 （6）状态栏 显示程序运行时的动态信息。如在绘制曲线时，在状态栏中将实时显示当前的位移或速度、加速度值。 2、软件操作说明 首先，在使用前确定所要做的是定时采样还是定角采样方式，或是要进行测定机构当前的回转不匀率。 其次，启动此曲柄滑块导杆机构，打开测试仪的电源按钮，此时测试仪先显示的是数字０随后便正确显示当前的转速。 接着，调节曲柄滑块导杆机构上的旋钮使转速调到自己所需的转速，待稳定后便可开在 PC 上的软件系统上进行操作了，其步骤如下： （1）打开本软件系统。 （2）选择端口号。（如选择端口１） （3）在采样参数设计区选择采样方式和采样常数。并在“标定值输入框”中输入标定值 0.05。 （4）按“采样”键。 （5）等待一段时间。（这段时间用于单片机处理数据以及单片机向 PC 机传输数据。） （6）如果采集数据传送（PC与单片机通讯）正确，单片机传送到 PC 机的位移数据便会显示在“数据显示区”内，同时 PC 机会根据位移数据在“运动曲线绘制区”画出位移的曲线图，同时在“运动分析结果显示区”显示出位移的最大值、最小值、平均值。如果出现异常，请重新采集数据。 （7）  按“数据分析”键。则在“运动曲线绘制区”内将动态的绘出相应的速度曲线和加速度曲线 ，同时在“运动分析结果显示区”显示出速度、加速度的最大值、最小值、平均值。 （8）保存当前采集的数据到数据库内。 （9）打印当前采集和分析的数据和曲线。 最后，实验总结。 注：若在第 3 步中选择的是进行角度分析（即回转不匀率的采样方式）时，将跳过 7、8 两步。 五、实验内容和步骤 （一）、系统联接及启动 1、连接RS232通讯线 本实验必须通过计算机来完成。将计算机 Rs232 串行口，通过的通讯线，连接到 QTD-Ⅲ 型组合机构实验仪背面的 Rs232 接口。 2、启动机械教学综合实验系统 图9  机械教学综合实验系统主界面 图10  运动学机构实验系统初始界面 图11  运动学机构实验台主窗体 在图9主界面右上角串口选择框中选择相应串口号（COM1或COM2），本实验选择缺省的COM1即可。在主界面左边的实验项目框中点击“运动学”键，主界面显示如图10所示。点击图10中央的图片，弹出如图11所示的运动学机构实验台主窗体界面。在图11界面中点击“串口选择”菜单，正确选择串口号（COM1或COM2），本实验选择COM1。点击“数据采集”菜单，等待数据输入。 （二）、组合机构实验操作 1、曲柄滑块运动机构实验 按图 2(a) 将机构组装为曲柄滑块机构。 a 、滑块位移、速度、加速度测量 (1) 将光电脉冲编码器输出的5芯插头及同步脉冲发生器输出的 5 芯插头分别插入QTD-III组合机构实验仪上相对应接口上。 (2) 打开实验仪上的电源，此时带有LED数码管显示的面板上将显示"0"。 (3) 起动机构，在机构电源接通前应将电机调速电位器逆时针旋转至最低速位置，然后接通电源，并顺时针转动调速电位器，使转速逐渐加至所需的值（否则易烧断保险丝，甚至损坏调速器），显示面板上实时显示曲柄轴的转速。 (4) 机构运转正常后，就可在计算机上进行操作了。 (5) 请先熟悉系统软件的界面及各项操作的功能。(请参阅操作系统软件简介) (6) 在界面右侧的采样参数选择区内选择相应的采样方式和采样常数。你可以选择定时采样方式，采样的时间常数有10个选择档（分别是：2ms、5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、50ms），例如选采样周期25ms；你也可以选择定角采样方式，采样的角度常数有5个选择档（分别是：2度、4度、6度、8度、10度），例如选择每隔 4 度采样一次。 (7) 在“标定值输入框”中输入标定值 0.05 (标定值计算方法见附录)。 (8) 按下“采集”按键，开始采样。（请等若干时间，此时实验仪正在进行对机构运动的采样，并回送采集的数据给 PC机，PC机对收到的数据进行一定的处理，得到运动的位移值） (9) 当采样完成后，在界面将出现“运动曲线绘制区”，绘制当前的位移曲线，且在左边的“数据显示区”内显示采样的数据。 (10)    按下“数据分析”菜单。则“运动曲线绘制区”将在位移曲线上再逐渐绘出相应的速度和加速度曲线。同时在左边的“数据显示区”内也将增加各采样点的速度和加速度值。 (11) 点击“打印”菜单，打开打印窗口，打印数据和运动曲线。打印时保存为*.mdi格式即可。 b、转速及回转不匀率的测试 (1) 同“滑块位移、速度、加速度测量 ”的 (1) 至 (5) 步。 (2) 点击“数据采集”菜单，在界面右侧的采样参数选择区内，你应该选择最右边的一栏，角度常数选择有5档（2度、4度、6度、8度、10度），选择一个你想要的一档，例如选择 6度。 (3) 同“滑块位移、速度、加速度测量 ”的 (7)、(8)、(9) 步，不同的是“数据显示区”不显示相应的数据。 (4) 打印。同样地，打印时保存为*.mdi格式。 2、曲柄导杆滑块运动机构实验 按图2(b)组装实验机构，按上述1.a 、1.b步骤操作，比较曲柄滑块机构与曲柄导杆滑块机构运动参数的差异。 3、平底直动从动杆凸轮机构实验 按图 2(c) 组装实验机构，按上述 1.a 操作步骤，检测其从动杆的运动规律。 注：曲柄转速应控制在每分40转以下。 4、滚子直动从动杆凸轮机构实验 按图 2(d)组装实验机构，按上述 1.a 操作步骤，检测其从动杆的运动规律，比较平底接触与滚子接触运动特性的差异。 调节滚子的偏心量，分析偏心位移变化对从动杆运动的影响。 注：曲柄转速应控制在每分40转以下。 （三）、理论曲线的获取 点击图11中的“动画显示”菜单，在下拉菜单中选择任一种机构，如“曲柄导杆机构”，在弹出的界面中输入实测的实验机构参数，在这里为“曲柄长”、“连杆长”、“曲柄转速”，点击“标准计算结果”，则能够获得实验机构的理论曲线，如图12所示。 图12  理论曲线的获取 六、实验结果示例 图13为实验机构的实验结果。 （a）                              （b） 图13  实验结果示例 七、思考题 1、    分析曲柄滑块机构机架长度及滑块偏置尺寸运动参数的影响。 2、    已知曲柄长度为57mm连杆长度47mm，滑块偏矩20mm，利用计算机求出相应 的运动参数，给出运动线图和实测曲线相比较，并分析产生差异的原因。 3、    对于曲柄滑块机构判断机构是否有急回特性。 4、    计算行程速比系数，判断加速度峰值发生在什么地方？ 深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称：    机械原理                            实验名称：    曲柄滑块、导杆、凸轮运动学分析实验  学    院：    机电与控制工程学院                  专    业：    机械设计制造及其自动化                指导教师：                                          报 告 人：            学号：              第    组 班    级：                  实验时间：              实验报告提交时间：                                  教务处制 一、实验目的 二、实验设备及工具 三、实验机构及测试原理图 1、实验机构参数（单位：mm） 序号 实验机构名称 曲柄长度 导杆长度 连杆长度 曲柄转速 偏心轮的偏心距 偏置距 1 曲柄导杆机构   180     / / 2 曲柄滑块机构   /     / / 3 偏心轮凸轮机构 （平底直动从动件凸轮机构） / / /     / 4 偏心轮凸轮机构 （滚子直动从动件凸轮机构） / / /       5 等加速等减速凸轮机构（平底直动从动件凸轮机构） / / /   / / 6 等加速等减速凸轮机构（滚子直动从动件凸轮机构） / / /   / /                 注：请从上述6种实验机构中任选一种机构进行实验。 2、测试原理图 四、实验内容和步骤 五、数据处理分析 实验机构名称 实验曲线 理论曲线 产生差异的原因分析                 六、思考与讨论 七、实验心得体会 指导教师批阅意见： 成绩评定： 指导教师签字： 年 月 日 备注：