QTD-III型曲柄滑块、导杆、凸轮组合实验指导书实验一、机构运动参数的测试和分析实验教学提纲

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机构动平衡与运动参数测定

综合性实验指导书实验名称：机构动平衡与运动参数测定实验简介：通过本实验学生能够学习铰链四杆机构和对心曲柄滑块机构实现动平衡的原理和常用方法，以及常用机械量测试的基本原理和方法，传感器和测试仪器的工作原理及使用方法，相关的测试分析理论与方法。

对一般实验装置能够进行调试操作，具备对实验结果的数据处理能力及其与理论计算结果的分析与比较的能力。

实验目的：掌握曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构实现动 A 平衡的原理和常用方法；了解机构运动参数测试系统的基 B 本硬件组成；C 了解常用机械量（线位移、角位移、转速、机座振动加速度）的测试方法；D 通过工程测试，定量了解铰链四杆机构和对心曲柄滑块机构的运动特性；了解传感 E 器的工作原理、用于信号采集和分析的专业软件。

适用课程：机械原理面向专业：机械类实验项目性质：综合性实验（课内必做/课外开放）计划学时： 2 学时实验要求：A 预习《机械原理》《微机原理》及《测试、技术》等课程的相关知识点内容；B 预习《机械原理实验指导书》中实验目的、原理、设备、操作步骤或说明，并写出预习报告；实验前没有预习报告者不能够进行实验；进 C 行实验时衣着整齐，遵守实验室管理规定、学生实验守则、仪器设备操作规定等相关规定，服从实验技术人员或实验教师的指导与管理。

知识点：A 机构动平衡原理（平衡方法、平衡配重及相位角计算）机构运动参数测定方法（构件速度、振动；B 加速度、位移、角位移）测试技术（测试系统、传感器、；C 信号放大、数据采集） D 微机原理；（数据采集卡构成原理、 A/D、D/A 转换） E 操作技能（实验台机构及平衡配重块；的安装、测试软件操作） F 实验分析技能（数据对比、；1误差分析）。

开放地点：教一楼——225 室（机构动平衡实验室）开放办法：先登陆网站进行网上预约或到实验室填写预约表进行预约，根据预约时间提前预习写出预习报告、进行实验。

机构动平衡及运动参数测定实验电子教案

一、实验目的1.掌握曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构实现动平衡的原理和常用方法；2.了解机构运动参数测试系统的基本硬件组成；3.了解常用机械量（线位移、角位移、转速、机座振动加速度）的测试方法；4.通过工程测试，定量了解铰链四杆机构和对心曲柄滑块机构的运动特性；5.了解传感器的工作原理、用于信号采集和分析的专业软件。

二、实验设备1.曲柄滑块机构实验台、曲柄摇杆机构实验台；2.计算机，CRAS V5.1 随机信号振动分析软件；3.工具、平衡配重块。

三、实验内容1.根据给定的机构参数计算所要添加平衡块的质量和相位；2.安装平衡块，测试机构平衡后的机架水平方向振动加速度；3.不装平衡块或随意添加平衡块，测试机构不平衡时的机架水平方向振动加速度；4.测试曲柄转速、摇杆角位移或滑块线位移。

四、实验原理1.机构的平衡（1）利用平衡质量对曲柄滑块机构进行不完全平衡对于机构中作往复运动和平面复合运动的构件，在运动中产生的惯性力和惯性力矩不能在构件本身加以平衡，而必须对整个机构进行平衡，设法使各运动构件惯性力的合力以及合力偶达到完全的或部分的平衡。

平衡的方法：利用对称机构平衡、利用平衡质量平衡、利用非完全对称机构平衡、利用弹簧平衡等。

0;0=∑=∑I I M F 机构平衡的条件是：通过机构质心的总惯性力F I 和总惯性力偶矩M I 分别为零，即：m ′= m B L AB /r ——平衡m B 产生的离心惯性力F IB ；m 〞=k·m C L AB /r ——部分平衡m C 产生的往复惯性力F IC ！四、实验原理（2）利用平衡质量对曲柄摇杆机构进行完全平衡1.机构的平衡m′= (m2B L AB+m1L AS1)/r′使构件1的质心S1 移到固定轴A 处；m〞= m2L BS2/L BC使构件1的质心S1移到固定轴D处；此时，机构的总质心S应位于AD 线上一固定点，即：a s=0 机构的惯性力得到完全平衡。

曲柄滑块机构运动规律实验报告

2
(1.17)
对摆角β可以利用幂级数展开的 Maclaurin 公式
arcsin
得到摆角的近似模型。粗略一些，可以取
3
6
, 1
(1.18)
1 sin
而必要时，可以取
r l
(1.19)
r r3 2 sin 3 sin 3 l 6l
(1.20)

r cos l
r2 2 1 sin 2l 2
(1.16)
r sin 2 r 3 sin 2 sin 2 r sin 2l 4l 3
从（1.16）出发，又可得近似加速度
r cos2 r 3 (sin2 2 2sin2 cos2） a2 r cos 3 l 4l
(1.11)
d 2 1 r 2 sin 2 dt l
（ 1.23）
且 r=100nm l=3r=300nm ω=240 转/min. 以 a 代表角加速度实际值，以 a1，a2 代表角加速度近似值利用公式（1.11）、（1.23）、（1.24）编制 MATLAB 的 M 文件吗 m1_1.m; function m1_1(t) ..............................................................................................................建立函数变量 r=100;l=300;w=240/60*2*pi; ...............................................................................................................赋值已知条件 a=-r*w^2*sin(t).*(l^2-r^2)./((l^2-r^2*sin(t).^2).^(3/2)) .....................................................................................................编写角加速度公式方程 a1=-w^2*r/l*sin(t) .............................................................................................编写近似角加速度公式方程一 a2=-w^2*(r/l*sin(t)+r^3/(2*l^3).*(sin(t).^3-sin(2*t).*cos(t))) .................................................................................................编写近似角加速度公式方程二然后在命令窗口输入 m1_1([0:pi/12:pi]) 可得如表 1.1 所列出的一些相应数据； θ/rad 0 1π/12 2π/12 3π/12 4π/12 5π/12 6π/12 7π/12 8π/12 9π/12 10π/12 11π/12 π a(θ/s^2) 0 -48.9857 -97.6175 -144.1871 -184.6798 -213.0328 -223.3237 -213.0328 -184.6798 -144.1871 -97.6175 -48.9857 -0.0000 a1(θ/s^2) 0 -54.4948 -105.2758 -148.8824 -182.3430 -203.3772 -210.5516 -203.3772 -182.3430 -148.8824 -105.2758 -54.4948 -0.0000 a2(θ/s^2) 0 -49.0482 -97.9650 -144.7468 -184.8755 -212.4053 -222.2489 -212.4053 -184.8755 -144.7468 -97.9650 -49.0482 -0.0000

机构参数测试实验

实验四机构运动参数测试机构运动参数测试实验以曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、双曲柄机构和凸轮机构等典型运动机构作为被测对象。

本着理论联系实际的作法，在实验中必须将实验检测结果与理论数据进行对比，并从中分析实验误差产生的原因及其主要影响因素。

因此，实验前大都需要按实验指导书规定的待定检测对象及其原始数据，通过在计算机上进行理论计算，求解理论数据，然后方可进行实验。

在进行实验操作之前，需要通过阅读实验装置的使用说明书，熟悉实验装置的工作原理和仪器仪表的使用操作方法。

然后才能进行独立实验操作。

一、实验目的1、通过运动参数测试实验，掌握机构运动的周期性变化规律，并学会机构运动参数如：位移、速度和加速度（包括角位移、角速度和角加速度）的实验测试方法；2、通过利用传感器、工控机等先进的实验技术手段进行实验操作，熟悉LabVIEW软件的一些常用功能和程序的编写方法，训练掌握现代化的实验测试手段和方法，增强工程实践能力；3、通过进行实验结果与理论数据的比较，分析误差产生的原因，增强工程意识，树立正确的设计理念。

二、实验装置及工具1、实验装置的组成（1）实验装置的特点该实验以培养学生的综合设计能力、创新设计能力和工程实践能力为目标。

打破了传统的演示性、验证性、单一性实验的模式，建立了新型的设计型、搭接型、综合性的实验模式。

本实验提供多种搭接设备，学生可根据功能要求，自己进行方案设计，并将自己设计的方案亲手组装成实物模型。

形象直观，安装调整简捷，并可随时改进设计方案，从而培养学生的创造性和正确的设计理念。

（2）实验装置的功用实验中，可组合出：①曲柄滑块；②双曲柄；③摆动导杆；④曲柄摇杆；⑤滑块为输出构件的简单的平面六杆机构；⑥直动从动件凸轮机构；⑦摆动从动件凸轮机构实验台等多种典型的运动机构；另外，各构件尺度参数可调，突出了测试机构的尺寸参数的多变性。

这样可增加学生的实验题目和测试目标，使同学在实验中充分理解尺寸参数、原动件运动规律等因素对机构运动学方面的影响，巩固学生在课堂中所学知识，使之产生感性认识，增加对机械学研究的兴趣，同时达到一机多用的目的。

实验2机构运动参数测定与分析

实验2机构运动参数测定与分析实验2 机构运动参数测定与分析2.1 实验⽬的1.通过实验了解机构运动参数（线位移、线速度、线加速度、⾓位移、⾓速度、转速、⾓加速度）的测量原理和⽅法；2.掌握测量数据的采集、分析和处理⽅法；3.将测量结果与理论计算结果进⾏⽐较，定量了解机构的运动特性。

2.2 实验设备和⼯具1.曲柄滑块机构实验台、曲柄摇杆机构实验台（含传感器）；2.信号采集与分析系统；3.计算机、打印机。

2.3 实验原理和⽅法采⽤⾮电量电测法，通过线位移传感器和⾓位移传感器分别测量曲柄滑块机构中滑块的线位移和曲柄摇杆机构中摇杆的⾓位移，然后通过微分与计算分别获得滑块的线速度、线加速度和摇杆的⾓速度、转速、⾓加速度。

2.4 实验步骤和要求1.实验前运⽤解析法分别求得曲柄滑块机构中滑块的线位移、线速度、线加速度和曲柄摇杆机构中摇杆的⾓位移、⾓速度、转速、⾓加速度（机构运动尺⼨见实验台使⽤说明书）。

2.了解实验台的⼯作原理。

3.检查实验台各接线是否正确。

4.打开计算机和实验台电源开关。

5.进⼊信号采集与分析软件系统。

6.分别对两实验台进⾏线位移和⾓位移测量。

7.打印测量数据和曲线图。

8.⽐较测量结果与理论计算结果，分析机构运动特性。

9.测量结束后退出软件系统，关闭电源。

2.5 思考题与实验报告1. 思考题(1)影响运动参数测量精度的因素有哪些？(2)实测图线与理论计算所得曲线有何差异？试分析其原因。

2. 实验报告基本内容(1) 填写完成下表内容实验2：机构运动参数测定与分析实验报告(2) 思考题讨论(3) 实验⼼得和建议。

机构运动参数测定与分析实验

机构运动参数测定与分析实验实验2 四杆机构运动参数测量与动态性能分析之一本实验通过测量一四杆机构从动件的运动规律，学习用实验方法研究简单机械的运动性能。

培养分析实验结果的能力。

一、实验目的1、了解曲柄摆杆机构运动特点。

2、了解摆杆运动参数测量原理与方法。

3、把实验结构与理论计算机结构比，分析二者不完全相同的原因*4、初步了解构件弹性对机构运动性能的影响。

二、设备与工具GD —1型机构动态实验台是一个多功用的实验台，它可以用研究刚性机构的运动规律也可用于研究弹性机构的运动规律。

它可以研究构件尺寸对运动规律的影响，也可以研究构件弹性对构件的影响和在不同转速下构件的弹性动力效应。

本次实验只运用该设备测量在杆件尺寸确定的情况下，摆杆的运动规律，包括摆杆角位移、角速度、角加速度，与理论计算结果进行比较。

图2—1为实验设备框图，其中四杆机构为核心部分，其机构简图如图2—2所示。

机构尺寸为：05.030±=AB L ；2.0142±=BC L ；1.05.263±=CD L 。

固定件AD L 为可调尺寸。

当轴承座对准机座上的刻度时，1.0330±=AD L 。

图2－1 实验设备框图图2－2曲柄摆杆机构四杆机构中，曲柄为主动件，它由一台Z2—11直流电机驱动，其转速可用一台KZD —1型可控硅调速器进行无级调速。

摆杆CD 为从动件，它的运动由D 轴输出，输出的运动规律可可控硅调速器信号电路A/D 转换 TP801单板计算机打印机 CJD 角位移传感四杆机构Z2--11直流电机直流稳压电源A BCD θ通过安装在轴端的传感器测量。

三、原理和方法本实验设备中所采用的CJD 角位移传感器是根据电位计式变换器的测量原理设计的。

其工作原理如图2—3I 部分中所示。

图2—3 测量原理图摆杆的角位移通过传感器内部的机械结构带动原理图中的电刷在电位器上滑动。

因此，有相应的讯号输出达到测量角度的目的。

QTD-III型曲柄滑块、导杆、凸轮组合实验指导书

实验一、机构运动参数的测试和分析实验一、实验目的1．掌握机构运动的周期性变化规律，并学会机构运动参数如位移、速度和加速度等的测试原理和方法；2. 学会运用多通道通用实验仪器、传感器等先进实验技术手段开展实验研究的方法；3. 利用计算机对平面机构动态参数进行采集、处理，作出实测的动态参数曲线，并通过计算机对该平面机构的运动进行数值仿真，作出相应的动态参数曲线，从而实现理论与实际的紧密结合。

二、实验内容1.测试曲柄导杆机构、曲柄滑块机构、凸轮机构等机构的构件转角、移动位移等运动参数；2．比较实测参数曲线与理论仿真曲线的差异。

三、实验仪器QTD-III型曲柄、导杆、凸轮组合实验台该组合实验装置，只需拆装少量零部件，即可分别构成四种典型的传动系统。

他们分别是曲柄滑块机构、曲柄导杆机构、平底直动从动杆凸轮机构和滚子直动从动杆凸轮机构。

具体结构示意图如下图所示。

（a）曲柄滑块机构（b）曲柄导杆机构（c）平底直动从动件凸轮机构（d）滚子直动从动件凸轮机构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、光栅盘四、实验原理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。

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实验一、机构运动参数的测试和分析实验
一、实验目的
1．掌握机构运动的周期性变化规律，并学会机构运动参数如位移、速度和加速度等的测试原理和方法；
2. 学会运用多通道通用实验仪器、传感器等先进实验技术手段开展实验研究的方法；
3. 利用计算机对平面机构动态参数进行采集、处理，作出实测的动态参数曲线，并通过计算机对该平面机构的运动进行数值仿真，作出相应的动态参数曲线，从而实现理论与实际的紧密结合。

二、实验内容
1.测试曲柄导杆机构、曲柄滑块机构、凸轮机构等机构的构件转角、移动位移等运动参数；
2．比较实测参数曲线与理论仿真曲线的差异。

三、实验仪器
QTD-III型曲柄、导杆、凸轮组合实验台
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。

他们分别是曲柄滑块机构、曲柄导杆机构、平底直动从动杆凸轮机构和滚子直动从动杆凸轮机构。

具体结构示意图如下图所示。

（a）曲柄滑块机构
（b）曲柄导杆机构
（c）平底直动从动件凸轮机构
（d）滚子直动从动件凸轮机构
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
四、实验原理
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。

五、实验操作步骤
<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，通过标准的通讯线，连接到 QTD-Ⅲ型组合机构实验仪背面的 Rs232 接口，如果采用多机通讯转换器，则需要首先将多机通讯转换器通过 Rs232 通讯线连接到计算机，然后用双端插头电话线，将 QTD-Ⅲ型组合机构实验仪连接到多机通讯转换器的任一个输入口。

2、启动机械教学综合实验系统
如果用户使用多机通讯转换器，应根据用户计算机与多机通讯转换器的串行接口通道，在程序界面的右上角串口选择框中选择合适的通道号（COM1或COM2）。

根据运动学实验在多机通讯转换器上所接的通道口，点击“重新配置”键，选择该通道口的应用程序为运动学实验，配置结束后，在主界面左边的实验项目框中，点击该通道“运动学”键，此时，多机通讯转换器的相应通道指示灯应该点亮，运动学实验系统应用程序将自动启动。

如图 6 所示，如果多机通讯转换器的相应通道指示灯不亮，检查多机通讯转换器与计算机的通讯线是否连接正确，确认通讯的通道是否是键入的通讯口（COM1或COM2）点击图 6 中间的运动机构图象，将出现如图 7 的运动学机构实验系统界面，点击串口选择，正确选择（COM1，COM2，）点击数据选择键，等待数据输入。

如果用户选择的是组合机构实验台与计算机直接连接，则在图 5 主界面右上角串口选择框中选择相应串口号（COM1或COM2）。

在主界面左边的实验项目框中点击“运动学”键。

同样在图7界面中点击串口选择键，正确选择（COM1或COM2）。

并点击数据和采集键，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）选择好串口，并在弹出的采样参数设置区内选择相应的采样方式和采样
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“采样”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”键。

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) 打开打印窗口，可以打印数据和运动曲线。

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)选择好串口，并点击“数据采集 [Q] 在弹出的采样参数设计区内，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。

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。