機構綜合試驗

機構運動參數的測試和分析實驗一、 實驗背景和意義曲柄（導桿）滑塊機構定義曲柄滑塊機構是鉸鏈四桿機構的演化形式，由若干剛性構件用低副（回轉副、移動副）連接而成的一種機構。曲柄導桿滑塊機構是由曲柄、連桿、滑塊通過移動副和轉動副組成的機構。曲柄滑塊機構的特性及應用常用于將曲柄的回轉運動變換為滑塊的往復直線運動，或者將滑塊的往復直線運動轉換為曲柄的回轉運動。對曲柄滑塊機構進行動特性分析是當已知各構件尺寸參數、位置參數和原運動件運動規(guī)律時，研究機構其余構件上個點的運動軌跡、位移、速度、加速度等，從而評價機構是否滿足工作性能要求，機構是否發(fā)生運動干涉等。曲柄滑塊機構具有運動副為低副、各單元間為面接觸，構成低副兩元件的幾何形狀比較簡單，加工方便，易于得到較高的制造精度等優(yōu)點，因而在包括煤礦機械在內的各類機械中得到了廣泛的應用，如自動送料機械、沖床、內燃機空氣壓縮機等。傳動特點曲柄（導桿）曲柄滑塊機構具有以下特點：（1） 曲柄（導桿）曲柄滑塊機構中的運動副一般為低副。低副兩運動副元素為面接觸，壓強較小，可以承受較大的載荷：且有利于潤滑，磨損較小，此外，運動副元素的幾何形狀較簡單，便于加工制造。（2） 在曲柄（導桿）曲柄滑塊機構中，當原動件的運動規(guī)律不變時，可以改變各構件的相對長度來使從動件得到不同的運動規(guī)律。（3） 在曲柄（導桿）曲柄滑塊機構中，連桿上各點的軌跡是不同形狀的曲線，其形狀還隨著各構件的相對長度的改變而改變，從而可以得到形式多的連桿曲線，我們可以利用這些曲線來滿足不同軌跡的設計要求。（4） 曲柄滑塊機構還可以方便地用來達到增力、擴大行程和實現遠距離傳動的目的。曲柄（導桿）曲柄滑塊機構的研究意義曲柄（導桿）曲柄滑塊機構使用一種常用的機構，有著廣泛的應用。對這個問題進行深入的研究是有意義的。對于給定唯一的平面曲柄一滑塊機構進行綜合，通過采用矩陣法和圖解法。利用位移矩陣法求解，需要求解非線性方程組。不僅要求出迭代初值，而且只能求出一個解。利用幾何作圖法對于給定曲柄和滑塊兩對在對應位置關系設計曲柄一滑塊機構的問題，可以十分簡單地加以解決。而對于復雜的問題，如要求曲柄和滑塊實現四對、五對對應位置，這時作圖法是難以實現的。在研究曲柄一滑塊機構的相對極與曲柄轉角及滑塊位移的基礎上，采用計算機符號推到，能導出平面曲柄一滑塊機構綜合問題的一元三次方程。從而不給初值就可以求出問題的全部解。連續(xù)法則通過構造初始方程，采用二次齊化技術求出了全部解。研究該機構的方法很多，不同的方法側重點不一樣都具有很大的意義。二、 實驗目的掌握機構運動的周期性變化規(guī)律，并學會機構運動參數如位移、速度和加速度等的測試原理和方法；學會運用多通道通用實驗儀器、傳感器等先進實驗技術手段開展實驗研究的方法；利用計算機對平面機構動態(tài)參數進行采集、處理，作出實測的動態(tài)參數曲線，并通過計算機對該平面機構的運動進行數值仿真，作出相應的動態(tài)參數曲線，從而實現理論與實際的緊密結合。三、實驗內容測試曲柄導桿機構、曲柄滑塊機構等機構的構件轉角、移動位移等運動參數;比較實測參數曲線與理論仿真曲線的差異。四、實驗設備（系統(tǒng)）及原理（一）系統(tǒng)組成QTD-III型曲柄、導桿、凸輪組合實驗臺系統(tǒng)組成如圖1所示該組合實驗裝置，只需拆裝少量零部件，即可分別構成四種典型的傳動系統(tǒng)。他們分別是曲柄滑塊機構、曲柄導桿機構、平底直動從動桿凸輪機構和滾子直動從動桿凸輪機構。具體結構示意圖如下圖所示。

(a)曲柄滑塊機構(b)曲柄導桿機構1、同步脈沖發(fā)生器 2、渦輪減速器3、曲柄4、連桿5、電機6、滑塊7、齒輪 8、光電編碼器 9、導塊10、導桿該系統(tǒng)使用的組合機構實驗儀操作面板如圖3所示。

（二）系統(tǒng)工作原理組合機構實驗儀測試原理如圖4所示本實驗儀由單片機最小系統(tǒng)組成。外擴16位計數器，接有3位LED數碼顯示器，可實時顯示待測機構運動時，曲柄軸的轉速，同時可與PC機進行通訊。在實驗機構動態(tài)運動過程中，滑塊的往復移動通過光電脈沖編碼器轉換，輸出具有一定頻率（頻率與滑塊往復速度成正比）、0—5伏電平的兩路脈沖，接入微處理器外擴的計數器計數，通過微處理器進行初步處理運算后，輸入PC機進行處理，通過軟件、CRT顯示出相應的數據和運動曲線圖。機構中還有兩路信號送入單片機最小系統(tǒng)，即角度傳感器（同步脈沖發(fā)生器）送出的兩路脈沖信號。其中一路是角度脈沖，用于定角度采樣，獲取機構運動線圖；另一路是零位脈沖，用于標定采樣數據時的零點位置。機構的速度、加速度數值經數值微分和數字濾波得到。五、曲柄（導桿）滑塊機構的運動學分析機構運動分析的任務是已知機構尺寸及原動件運動規(guī)律的情況下，確定機構中其他構件上某些點的軌跡、位移、速度計加速度和構件的角位移、角速度及角加速度。上述這些內容，無論是設計新的機械，還是為了了解現有機械的運動性能，都是十分必要的。通過對機構的位移和軌跡分析，可以考察某構件是否能實現預定的位置、構件上的某點是否能實現預定的軌跡要求，可以確定從動件的形成或所需的運動空間，據此運動中是否發(fā)生碰撞干涉或確定機構的外廓尺寸。通過速度和加速度的分析，可以了解機構從動件的速度、加速度變化規(guī)律能否滿足運動要求。機構運動分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。當需要簡潔直觀地了解機構的某個或某幾個位置的運動特性時，采用圖解法比較方便，而且精度也能滿足實際問題的需要。而當需要精確地知道機構在整個運動循環(huán)過程中的運動特性時，采用解析法并借助計算機，不僅可以獲得很高的計算精度及一系列位置的分析結果，并能繪出機構相應的運動線圖，同時還可以吧機構分析和機構綜合問題結合起來，以便于機構的優(yōu)化設計。

1、對心曲柄滑塊機構運動分析由圖可得任意時刻滑塊運行距離：S=R+L—Rcosa—LcosP=R(1—cosa)+L(1—cosP)且LsinP=Rsina所以sinP=^_sina=XsinaL所以cosP=\：1-sin2P=J1-X2sin2ar1一_人2sin2a21.一一一 .―z ， 1.（因X4sin4a幾乎為零，可帶入V1—X2sin2a內，分解為：（1一一X2sin2a）2）4 2sin2以=_(1一cos2a)所以TOC\o"1-5"\h\zC- 1… -、cos[3=1-4人2(1―cos2a)所以有滑塊運行距離：一…、一1… —S=R(1-cosa)+L—人2(1-cos2a)4「 、M1— …〕=R(1一cosa)+—人4人(1一cos2a)「 、1… …〕=R(1-cosa)+4人(1一cos2a)滑塊速度V為:dSdSdaV二dtda-—=wRdtsina+_X?2sin2a4=wRsina+1_ 2Xsin2a=gRsinwt+1Rsin2wt一 2L 一滑塊加速度為:TOC\o"1-5"\h\zdVdVda R ?、a==-=w2R(cosa+kcos2a)=w2R(coswt+coswt)dt dadt L六、實驗操作步驟＜一＞、系統(tǒng)聯接及啟動1、連接RS232通訊線本實驗必須通過計算機來完成。將計算機Rs232串行口，通過標準的通訊線，連接到QTD-m型組合機構實驗儀背面的Rs232接口，如果采用多機通訊轉換器，則需要首先將多機通訊轉換器通過Rs232通訊線連接到計算機，然后用雙端插頭電話線，將QTD-m型組合機構實驗儀連接到多機通訊轉換器的任一個輸入口。2、啟動機械教學綜合實驗系統(tǒng)

林此星辰料■:諺親公＜1 儲七止際*帝涯.姓路3豉號畿郁丸氐警f宦老詮.gB-QB3855EBB3B5453誠址:恥用?iCHEkhlAli,打RjM尊iZ&CEH圖5機械教學綜合實婚系統(tǒng)主:界血如果用戶使用多機通訊轉換器，應根據用戶計算機與多機通訊轉換器的串行接口通道，在程序界面的右上角串口選擇框中選擇合適的通道號（COM1或COM2）。根據運動學實驗在多機通訊轉換器上所接的通道口，點擊“重新配置”鍵，選擇該通道口的應用程序為運動學實驗，配置結束后，在主界面左邊的實驗項目框中，點擊該通道“運動學”鍵，此時，多機通訊轉換器的相應通道指示燈應該點亮，運動學實驗系統(tǒng)應用程序將自動啟動。如圖6所示，如果多機通訊轉換器的相應通道指示燈不亮，檢查多機通訊轉換器與計算機的通訊線是否連接正確，確認通訊的通道是否是鍵入的通訊口（COM1或COM2）點擊圖6中間的運動機構圖象，將出現如圖7的運動學機構實驗系統(tǒng)界面，點擊串口選擇，正確選擇（COM1，COM2，）點擊數據選擇鍵，等待數據輸入。串口選擇行COIvllrCOIvC串口選擇行COIvllrCOIvC這對曲胡圖牝州早K利鴕設告節(jié)限公司斑枝林械孕螞披?手賣.*這對曲胡圖牝州早K利鴕設告節(jié)限公司斑枝林械孕螞披?手賣.*設咨龜對-蒞移（mmJ -加各選蝕…-軒淺（r血iin）?A1B1A1H華的4$逐蝦MS最『伯-效?S分帕結果1~7誕動學機構實驗含主窗體骯形星.接科.藪技備公司 世址.林配市牌密路38S號糠都.尢廈9爭寶 tii.057^-603655/9BB3B5453R5址=xckjsirm Ffhail-xckfs6@i'Z6ctfm圖6運動學機構實驗系統(tǒng)初始界面女忤（FlH□國母41ffWHtRiOi HUDfTWiMi^A^FFi.XinH'Ji用踴HliJ1h.ZiP3SB示如果用戶選擇的是組合機構實驗臺與計算機直接連接，則在圖5主界面右上角串口選擇框中選擇相應串口號（COM1或COM2）。在主界面左邊的實驗項目框中點擊“運動學”鍵。同樣在圖7界面中點擊串口選擇鍵，正確選擇（COM1或COM2）。并點擊數據和采集鍵，等待數據輸入。＜二〉、組合機構實驗操作1、曲柄滑塊運動機構實驗按圖2（a）將機構組裝為曲柄滑塊機構a、滑塊位移、速度、加速度測量（I）將光電脈沖編碼器輸出的5芯插頭及同步脈沖發(fā)生器輸出的5芯插頭分別插入QTD-III組合機構實驗儀上相對應接口上。（2） 打開實驗儀上的電源，此時帶有LED數碼管顯示的面板上將顯示"0"。（3） 起動機構，在機構電源接通前應將電機調速電位器逆時針旋轉至最低速位置，然后接通電源，并順時針轉動調速電位器，使轉速逐漸加至所需的值（否則易燒斷保險絲，甚至損壞調速器），顯示面板上實時顯示曲柄軸的轉速。（4） 機構運轉正常后，就可在計算機上進行操作了。（5） 請先熟悉系統(tǒng)軟件的界面及各項操作的功能。（請參閱操作系統(tǒng)軟件簡介）（6） 選擇好串口，并在彈出的采樣參數設置區(qū)內選擇相應的采樣方式和采樣數。你可以選擇定時采樣方式，采樣的時間常數有10個選擇檔（分別是：2ms、5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、50ms），例如選采樣周期25ms；你也可以選擇定角采樣方式，采樣的角度常數有5個選擇檔（分別是：2度、4度、6度、8度、10度），例如選擇每隔4度采樣一次。（7） 在“標定值輸入框”中輸入標定值0.05（標定值計算方法見附錄）（8） 按下“采樣”按鍵，開始采樣。（請等若干時間，此時實驗儀正在進行對機構運動的采樣，并回送采集的數據給PC機，PC機對收到的數據進行一定的處理，得到運動的位移值）（9） 當采樣完成后，在界面將出現“運動曲線繪制區(qū)”，繪制當前的位移曲線，且在左邊的“數據顯示區(qū)”內顯示采樣的數據。（10） 按下“數據分析”鍵。則“運動曲線繪制區(qū)”將在位移曲線上再逐漸繪出相應的速度和加速度曲線。同時在左邊的“數據顯示區(qū)”內也將增加各采樣點的速度和加速度值。（II） 打開打印窗口，可以打印數據和運動曲線。b、轉速及回轉不勻率的測試（1） 同“滑塊位移、速度、加速度測量”的（1）至（5）步。（2） 選擇好串口，并點擊“數據采集［Q］在彈出的采樣參數設計區(qū)內，你應該選擇最右邊的一欄，角度常數選擇有5檔（2度、4度、6度、8度、10度），選擇一個你想要的一檔，例如選擇6度。（3） 同“滑塊位移、速度、加速度測量”的（7）、（8）、（9）步，不同的是“數據顯示區(qū)”不顯示相應的數據。打印。2、 曲柄導桿滑塊運動機構實驗按圖2(b)組裝實驗機構，按上述1.a、1.b步驟操作，比較曲柄滑塊機構與曲柄導桿滑塊機構運動參數的差異。3、 平底直動從動桿凸輪機構實驗按圖2(c)組裝實驗機構，按上述1.a操作步驟，檢測其從動桿的運動規(guī)律。注：曲柄轉速應控制在每分30-70轉。4、滾子直動從動桿凸輪機構實驗按圖2(d)組裝實驗機構，按上述1.a操作步驟，檢測其從動桿的運動規(guī)律，比較平底接觸與滾子接觸運動特性的差異。調節(jié)滾子的偏心量，分析偏心位移變化對從動桿運動的影響。注：曲柄轉速應控制在每分30-70轉。七、實驗與仿真結果及分析圖8曲柄導桿機構運動曲線圖圖9曲柄滑塊機構運動曲線圖圖10曲柄導桿機構運動仿真結果圖10曲柄導桿機構運動仿真結果觀察實驗與仿真結果我們可以得出以下結論：由位移曲線圖可以看出，連桿的角位移和滑塊的位移與曲柄轉角呈周期性變化，變化比較均勻，而且兩個位移變化情況相同，原因在于連桿和滑塊剛性連接成為一體，但兩者相差半個相位。其中，連桿位移隨曲柄轉角呈正弦變化，而滑塊位移隨曲柄轉角呈余弦變化，這與實際觀察到的曲柄滑塊機構運動情況相符。初始條件下，連桿的角位移為0°，滑塊的位移為400mm，