机械原理实验指导书机构指定设计、组装实验

1、机械原理实验指导书实验二 机构指定设计、组装实验一、实验目的：利用机构的构成原理，在“机构组合实验台”上组装出所指定的机构（共计13种组装方案），并利用图解法对所组装的机构进行速度分析，培养机构运动设计中的分析和实际动手能力。二、实验设备与工具：机构组装实验台，拆装工具等。三、实验步骤和要求：1、选定要组装的机构方案，分析该机构的运动副、运动链、基本杆组、原动件等。2、在所给机构的设计方案中至少选取2个方案进行组装。3、利用图解法分析组装机构中运动输出件的速度、加速度。4、对所给的机构的设计方案提出改进意见。写出实验心得、建议和探索。四、机构组装方案（共13种）1、齿轮+齿轮齿条机构：所需零件

2、：相互啮合的大小齿轮z1、z2，与大齿轮z2啮合的齿条4图1 齿轮+齿轮齿条机构齿轮z1为主动件，速度为n1； z1主动，可测量齿条速度、位移；齿条主动，则可通过齿条位移测量齿轮z1回转角度和角速度。另外，通过加速度传感器，还可测出由于齿轮加工误差，安装误差等引起的齿轮z1或齿条4的加速度变化。2、齿轮-对心滑块机构：所需零件：相互啮合的大小齿轮z1、z2，杆件1、2，带转动副的滑块3图2 齿轮-对心滑块机构齿轮z1为主动件，速度n1；曲柄1与齿轮2固联（铰链c可直接在齿轮上的不在回转轴线上的圆孔处拼接形成）。滑块导路延长线通过齿轮2的回转轴线。曲柄1的尺寸可有两种（即：更换不同的齿轮2），而

3、连杆2的长度则可选择不同长度的连杆形成。测试参数：滑块3的位移、速度、加速度；3、齿轮-偏心滑块机构（注意与2的区别）所需零件：相互啮合的大小齿轮z1、z2，杆件1、2，带转动副的滑块3图3 齿轮-偏心滑块机构齿轮z1为主动件，速度为n1；结构特点：杆件l1与齿轮z2固联，铰链c可直接由齿轮z2不在圆心上的孔拼接形成；滑块导路延长线与齿轮2回转中心偏心距为e。曲柄l1可用两个不同的尺寸齿轮形成两个尺寸不等的曲柄，连杆l2的长度则可选择不同长度的连杆形成。测试参数：滑块3的位移、速度、加速度。4、尖顶从动件凸轮机构：所需零件：凸轮1，推杆2图4 尖顶从动件凸轮机构凸轮1为主动件，以1匀速转动。结

4、构特点：对心移动从动件凸轮机构。凸轮推程为等速运动规律，回程为等加速等减速运动规律。测试参数：从动件2的位移、速度、加速度。5、尖顶从动件凸轮机构：凸轮1为主动件，以1匀速转动。结构特点：对心移动从动件凸轮机构。凸轮推程回程均为简谐运动规律。测试参数：从动件2的位移，速度和加速度。所需零件：所需零件：凸轮1，推杆2图5 尖顶从动件凸轮机构6、槽轮机构所需零件：拨盘1，槽轮2图6 槽轮机构拨盘1为主动件，以角速度1匀速转动。测试参数：槽轮2的角位移、角速度、角加速度。7、齿轮-曲柄摇杆机构：摇杆3在左极限位为零位。齿轮1为主动件，以1角速度匀速转动。也可只测试曲柄摇杆机构，以曲柄1为主动件。结构

5、特点：由一级齿轮机构与曲柄摇杆机构构成，其中曲柄1与齿轮z2固联，构件1可有两种不同尺寸（由两个不同齿轮构成），杆件2、3、4均可在构件允许范围内调整长度。测试参数： 摇杆3的角位移、角速度、角加速度。所需零件：相互啮合的齿轮z1、z2，连杆1、2、3图7 齿轮-曲柄摇杆机构8、摆块机构所需零件：连杆1、2，带转动副的滑块3图8 摆块机构（曲柄在上极限位为角位移零位）以构件1为主动件，角速度1匀速转动。测试参数：摆块3的角位移、角速度、角加速度。9、摆动导杆+偏置滑块机构所需零件：连杆1、3、4、5，带转动副的滑块3图9 摆动导杆+偏置滑块机构杆件1为主动件，以角速度匀速转动。结构特点：该机构

6、由摆动导杆机构和摆杆滑块机构构成；杆件1可由齿轮取代（齿轮上不在其回转中心的孔为铰链b的位置）。杆件1、3、4和ac尺寸可在允许范围内调整。滑块5导路延长线不通过铰链a也不通过铰链c，导路延长线距铰链c位置可调整。测试参数：1）导杆3的角位移，角速度和角加速度； 2）滑块5的位移、速度和加速度。10、摆动导杆机构+对心滑块机构：所需零件：连杆1、3、4，带转动副的滑块2、5图10 摆动导杆机构+对心滑块机构构件1为主动件，以角速度1匀速转动。结构特点：该机构由摆动导杆机构和摆杆滑块机构构成；滑块5导路延长线通过铰链a。构件1可由齿轮取代（齿轮上不在其回转中心的孔为铰链b的位置）。杆件1、3、4

7、和ac尺寸可在允许范围内调整。测试参数：1）导杆3的角位移、角速度和角加速度； 2）滑块5的位移、速度和加速度。11、曲柄摆块-齿轮齿条机构：所需零件：连杆1、2，带滑块3的齿轮z1，与齿轮相啮合的齿条图11 曲柄摆块-齿轮齿条机构构件1为主动件，以角速度1匀速转动。结构特点：该机构由曲柄摆块机构和齿条齿轮机构组成；齿条中线平行于导杆2，齿轮z1空套在滑块3的轴上，即：齿轮z1和滑块3可相对转动。导杆2在滑块3中移动并随滑块3摆动时带动齿条运动，并使齿轮z1转动。构件1可由齿轮取代，构件1和ac尺寸均可在允许范围内调整。测试参数：齿轮z1的摆角、角速度和角加速度。12、正弦机构：所需零件：连杆

8、1，丁字型杆件2，带转动副的滑块2图12 正弦机构杆件1为主动件，以角速度1匀速转动。结构特点：该机构为双滑块机构构成，滑块3和滑块2导路互相垂直，且滑块3导路延长线通过铰链a。曲柄1可由齿轮构成，齿轮上不在回转轴线上的孔作为转动滑块2的铰链。测试参数：滑块3的位移、速度和加速度。13、导杆-摇杆机构：所需零件：连杆1、3、4、5，带转动副的滑块2图13 导杆-摇杆机构（滑块b在左极限位置时，角位移传感器零位 1=30转/分）杆件1为主动件，以角速度1匀速转动。结构特点：该机构由曲柄导杆机构和双摇杆机构构成。曲柄1可由齿轮构成，滑块2的铰链拼装在齿轮上不在回转轴线的孔中。构件1、ac、cf、构

9、件4、5尺寸均可在允许范围内调整。测试参数：摆杆5的角位移、角速度和角加速度。深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 机械原理 实验名称： 机构指定设计、组装实验 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： 班 级： 实验时间： 实验报告提交时间： 教务处制一、实验方法：二、机构组装（至少选定两种给定机构）选定机构1：机构运动简图：机构运动输出件速度、加速度分析（设原动件转速为1，匀速转动）选定机构2：机构运动简图：机构运动输出件速度、加速度分析（设原动件转速为1，匀速转动）三、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

10、 月 日备注：实验三 转子动平衡实验一、实验目的1、加深对转子动平衡概念的理解。2、掌握刚性转子动平衡试验的原理及基本方法。 二、实验设备1、jpha型动平衡试验台2、转子试件3、平衡块4、百分表010mm图1 动平衡机照片三、jpha型动平衡试验台的工作原理与结构 1、动平衡试机的结构动平衡机的照片和简图分别如图1、2所示。图2中3为待平衡的试件，它由两个圆盘即圆盘（1）、圆盘（2）和轴固连在一起，本身可以认为是一个“理想”的动平衡回转体，为了让其成为动不平衡的试件，实验前在两个圆盘上各安装一些质量块（真实不平衡试件不平衡质量的分布未必如此，但下文的平衡方法同样完全适用）。试件3安放在框形摆

11、架的支承滚轮上，摆架的左端固结在工字形板簧2中，右端呈悬臂。电动机9通过皮带10带动试件旋转；当试件有不平衡质量存在时，则产生离心惯性力使摆架绕工字形板簧上下周期性地振动，通过百分表5可观察振幅的大小。79108123圆盘（1）圆盘（2）456通过转子的旋转和摆架的振动，可测出试件的不平衡量（或平衡量）的大小和方位。这个测量系统由差速器4、百分表5、补偿盘6组成。差速器安装在摆架的右端，它的左端为转动输入端（n1），通过柔性联轴器与试件3联接；右端为输出端（n3）与补偿盘相联接。1、 摆架 2、工字形板簧座 3、转子试件 4、差速器 5、百分表6、补偿盘 7、蜗杆 8、弹簧 9、电机 10、皮

12、带图2 动平衡机的结构简图差速器是由齿数和模数相同的三个圆锥齿轮和一个外壳为蜗轮的转臂h组成的周转轮系。1）当差速器的转臂蜗轮不转动时nh=0，则差速器为定轴轮系，其传动比为： ， （1）这时补偿盘的转速n3与试件的转速n1大小相等转向相反。2）当n1和nh都转动，则为差动轮系，根据教材第11章的式（11-3a），计算传动比如下推导出 （2）蜗轮的转速nh是通过手柄摇动蜗杆7，经蜗杆蜗轮副在大速比的减速后得到。因此蜗轮的转速nhn1。当nh与n1（可以取n1的转向为正）同向时，由（2）式可看到|n3|n1|，这时n3方向依然与n1反向，但速度减小。当nh与n1反向时（即nh为负），由（2）式可

13、看出|n3|n1|，这时n3方向仍与n1反向，但速度增加了。综合上述1）、2）的分析可知，当手柄不动时，补偿盘的转速大小与试件相等转向相反；正向摇动手柄（蜗轮转速方向与试件转速方向相同）补偿盘转速略有降低；反向摇动手柄补偿盘转速略有升高。这样可改变补偿盘与试件圆盘之间的相对相位角（角位移）,从而具备了不平衡质量相位测定的结构条件，这个结论的应用将在后面述说。2、转子动平衡的力学条件由于转子材料的不均匀、制造的误差、结构的不对称等诸因素导致转子存在不平衡质量。因此当转子旋转后就会产生离心惯性力，它们组成一个空间力系，使转子动不平衡。要使转子达到动平衡，则必须满足空间力系的平衡条件 或 （3）这就

14、是转子动平衡的力学条件。3、动平衡机的工作原理当试件3上有不平衡质量存在时（图3），试件转动后则生产离心惯性力，它可分解成垂直分力fy和水平分力fx，由于平衡机的工字形板簧和摆架在水平方向（绕y轴）抗弯刚度很大，所以水平分力fx对摆架的振动影响很小可忽略不计。而在垂直方向（绕x轴）的抗弯刚度小，因此垂直分力产生的力矩m=fyl=2mrcosl的作用下，使摆架产生周期性的上下振动 （摆架振幅大小）的惯性力矩为，要使摆架不振动必须要平衡力矩m2。在试件上选择圆盘（2）作为平衡平面，加平衡质量mp。则绕x轴的惯性力矩mp=2mprplpcosp；要使这些力矩得到平衡可根据公式（3）来解决。 （4）消

15、去2得 （5）要使（5）式为零必须满足 （6）满足上式（6）的条件摆架就不振动了。式中m（质量）和r（矢径）之积称为质径积，mrl称为质径矩，称为相位角。工程实际中的转子不平衡质量的分布是有很大的随机性，而无法直观判断它的大小和相位。因此很难公式来计算平衡量，但可用实验的方法来解决如下：rpmpym1f1r11l2(lp)）f2r2rppmpfp2m2fplpx图3 转子平衡原理先暂选补偿盘作为平衡平面，补偿盘的转速与试件的转速大小相等但转向相反，这时的平衡条件也可按上述方法来求得。在补偿盘上加一个质量（图3），则产生离心惯性力对x轴的力矩根据力系平衡公式（3） 要使上式成立必须有 （7）公式

16、（7）与（6）基本是一样，只有一个正负号不同。从图4可进一步比较两种平衡面进行平衡的特点。图4给出了一组满足平衡条件的相位关系。mpyyfprppy2r2fpfpmppm2r22f2rpxm2f2xpxmprpp2r2m2f2 a) 2=180+ p b) j2=180 c) j2=180-jp图4 补偿盘与平衡面上相位关系的对比图4a为平衡平面在试件上的平衡情况，在试件旋转时m2与mp始终在一个轴平面（通过轴线的平面）内，但矢径方向相反，从而振动最小。图4b是补偿盘为平衡平面，上半圆为补偿盘的质量分布，下半圆为试件2的质量分布，它们具有相同的转速，但转向相反，m2和mp在各自的旋转中只有到在

17、 p=0或180，2=180或0时它们处在垂直轴平面内才使振动的振幅达到最小。其它位置时它们的相对位置关系如图4c所示，为 2=180p。图4c这种情况，y分力矩是满足平衡条件的，而x分力矩未满足平衡条件，由前述试验机结构的原因（摆架在水平方向抗弯刚度很大），试验台在该方向振动很小。用补偿盘作为平衡平面来实现摆架的平衡可这样来操作。在补偿盘的任何位置（本实验中选择在靠近缘处可以使问题简化）试加一个适当的质量，在试件旋转的状态下摇动蜗杆手柄使蜗轮转动（正转或反转）这时补偿盘减速或加速转动，使补偿盘与试件2之间产生相对角位移。摇动手柄同时观察百分表的振幅使其达到最小，即达到图4c所示的状态，这时停

18、止转动手柄。停机后在原位置再尝试改变平衡质量的大小（添加或减少平衡块），再开机左右转动手柄，如振幅已很小可认为摆架已达到平衡。最后将调整到好的平衡质量转到最高位置，这时的垂直轴平面就是mp和m2同时存在的轴平面，即图3b所示的状态。摆架平衡不等于试件平衡，还必须把补偿盘上的平衡质量转换到试件的平衡面上，选试件圆盘2为待平衡面，根据平衡条件 或 （8）式（8）中是所加的补偿盘上平衡量质径积，为平衡块质量，是平衡块所处位置的半径（有刻度指示）；、分别是平衡面和补偿盘至板簧的距离这些参数都是已知的，这样就求得了在待平衡面2上应加的平衡量质径积。一般情况先选择半径r求出m加到平衡面2上，其位置在最高位

19、置的垂直轴平面中，本动平衡机及试件在设计时已取，所以，这样可取下补偿盘上平衡块（平衡块）直接加到待平衡面相应的位置，这样就完成了第一步平衡工作。即平衡条件（式3）中的，还必须做的平衡工作，这样才能使试件达到完全平衡。第二步工作：将试件从平衡机上取下重新安装成以圆盘2为驱动轮，再按上述方法求出平衡面1上的平衡量（质径积或）。这样整个平衡工作全部完成。更具体的实验步骤详见第四部分。四、实验方法和步骤1、将平衡试件装到摆架的滚轮上，把试件右端的联轴器盘与差速器轴端的联轴器盘，用弹性柱销柔性联成一体；装上传动皮带。2、用手转动试件和摇动蜗杆上的手柄，检查动平衡机各部分转动是否正常。松开摆架最右端的两对

20、锁紧螺母，调节摆架上面的安放在支承杆上的百分表，使之与摆架有一定的接触，并随时注意振幅大小，百分表的位置一经调好就不要再变动。3、卸下试件和补偿盘上的平衡块，调节转速旋钮至最小端，启动电机（每次启动都如此，可保护电机），逐渐调节转速旋钮至合适的位置（一般340-400r/min），稍过片刻待摆架振动稳定后，对百分表进行调零（即将百分表上的刻度盘的零刻度调至百分表指针摆动的中间处，以便读数），观察并记录下转速n和指针摆动的振幅大小y0 。调整转速旋钮至静止，关掉电源。由于此时转子上没有附加质量块，可以认为是动平衡的，因此y0是系统误差造成的振动，如果y0超出0.02mm（每个小格为0.01mm）

21、或者指针摆动极不稳定，说明试验机需要进一步调试，及时报告指导教师。4、在圆盘1上装上适当的质量块（12平衡块），在圆盘2上装上适当质量块（4或3个质量块，建议集中排列），此时就构成了一个动不平衡的转子。启动电机，调节转速旋钮至步骤3中的转速，运转平稳后，观察并记录振幅大小y，停机。5、在补偿盘的槽内距轴心最远处加上适当的平衡质量（根据步骤4，可先取2或1个平衡块）。开机后摇动手柄观察百分表振幅变化（观察时停止摇动），手柄摇到使振幅最小时（此时质量分布如图4c所示位置）手柄停止摇动。记录下振幅大小y1和蜗轮位置角1（差速器外壳上有刻度指示），停机。摇动手柄要讲究方法：蜗杆安装在机架上，蜗轮安装在

22、摆架上两者之间有很大的间隙。蜗杆转动到适当位置可与蜗轮不接触，这样才能使摆架自由地振动，这时观察的振幅才是正确的。摇动手柄蜗杆接触蜗轮使蜗轮转动，这时摆动振动受阻，反摇手柄使蜗杆脱离与蜗轮接触，使摆架自由地振动，再观察振幅。这样间歇性地使蜗轮向前转动位和观察振幅变化，最终找到振幅最小值的位置。在不改变蜗轮位置角1情况下，停机后，按试件转动方向用手转动试件带动补偿盘转动，使补偿盘上的平衡块刚好到达最高位置（此时质量分布如图4b所示）。取下平衡块安装到试件的平衡面（圆盘2）中相应的最高位置槽内。6、在补偿盘内再加平衡块（2个平衡块）。按上述方法再进行一次测试。测得的振幅y2蜗轮位置2，若y2y1y

23、；1与2相同或略有改变，则表示实验进行正确。若y2已很小可视为已达到平衡。停机、按步骤4方法将补偿盘上的平衡块移到试件圆盘2上。重新启动，观察并记录振幅y0，停机。拆开联轴器开机让试件自由转动若振幅依然很小则第一步平衡工作结束。若还存在一些振幅，可适当地调节一下平衡块的相位，即在圆周方向左右移动一个平衡块进行微调相位和大小。7、将试件两端180对调，即这时圆盘2为驱动盘，圆盘1为平衡面。按上述方法找出圆盘1上应加的平衡量。这样就完成了试件的全部平衡工作。（由实验时间所限，第6步拆开联轴器至第7步为选作）五、注意事项1、实验中注意安全操作，有问题可直接报告指导教师；2、动平衡的关键是找准相位，第

24、一次就要把相位找准，当试件接近平衡时相位就不灵敏了。所以1是主要位置角。3、若试件振动不明显（或太剧烈）可人为地增减不平衡块数量。4、同组同学可以通过改变质量块的数目或者不同的转速等手段，采集不同的数据。六、思考与讨论1、本实验中，用补偿盘作为平衡平面来实现摆架的平衡时，在补偿盘中添加一个质量块最好选择在靠近缘处，为什么？ 2、在相同的转速下，若y2y1y；1与2相同或略有改变，则表示实验进行正确，为什么？3、试件转速的大小对百分表中振幅的大小有何影响？对平衡试验的结果有影响吗？说出你的理由。4、在步骤4中，为了模拟并“制造”出动不平衡的转子，建议质量块集中排列。如果随意排列，利用该试验台和实

25、验方法能否达到完全平衡？需要如何改善实验条件才能够实现完全平衡？ 深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 机械原理 实验名称： 转子动平衡实验 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： 组 学号： 班 级： 实验时间： 实验报告提交时间： 教务处制一、实验目的二、实验器材三、实验原理四、实验步骤五、原始数据记录与分析转速n= 步骤4中，圆盘2首次装入质量块数量k= 个平衡平面2y0yy11y22y0平衡平面1（选做）y0yy11y22y0六、思考讨论与心得体会指导教师批阅意见：实验报告规范性、撰写形式与质量20%现场完成情况40%数据处理与思考

26、题（40%）成绩评定： 批阅教师签字： 年 月 日备注：附：原始数据记录转速n= 步骤4中，圆盘2首次装入质量块数量k= 个平衡平面2y0yy11y22y0平衡平面1（选做）y0yy11y22y0实验指导教师签字： 年 月 日注意：本页在实验前要打印出来，实验时带到实验现场，做完实验后由实验指导教师确认签字，实验指导老师根据现场完成情况，给出现场实验成绩，满分40分。之后，由学生带回进行分析并完成整个实验报告，在提交实验报告时附在报告最后一页，以便批阅教师给出该实验的综合成绩。实验五 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

27、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，并掌握它们的使用方法；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

28、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 = 500380230（5）电源 220v/50hz3、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

29、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

30、（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），伏电平的两路脉冲，接入微处理器外扩的计数器计

31、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0。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

32、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题。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

33、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材料经研磨、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；

34、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

35、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，它是按以下公式计算出来的。脉冲当量计算式：m = /n = 0.05026mm/脉冲（取为 0.05）式中：m 脉冲当量齿轮分度圆直径（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

36、、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

37、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

38、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

39、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）（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

40、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

41、机来完成。将计算机 rs232 串行口，通过标准的通讯线，连接到 qtd- 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

42、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

43、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*.m