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。

2、实验装置主要技术参数

（1）电机额定功率和电机转速

机构运动参数测试实验装置电机参数：

功率：40W。电压：220V。

电机转速：1250r/min。

直齿轮减速箱速比：1：20。

（2）传感器

①线位移传感器（1个）：

型号：WDL—100—2 ；精度：独立线性度0.5% ；量程：100mm；

②角位移传感器（1个）：

型号：WD35D—4 ；精度：独立线性度0.1% ；量程：00—3400；

③光电编码器（1个）：

型号：LEC—102.4BM—G05E ；精度：1024脉冲/周；量程：00—3600；（3）实验装置主要构件和部件基本参数

①机构运动参数测试实验装置电机支撑件：1个。

②底板：460×330×30mm。

③曲柄：L50（L35）：1个；L90（L50）：2个。

④连杆：L30 ：1个；L160：2个；L90：1个。

⑤支撑座组件：中心高120mm支撑座2个。

⑥摆动导杆：1个。

⑦滑块组件：1套。

⑧传感器支撑架：角位移传感器支撑架：1个；线位移传感器支撑架：1个；光电移传

感器支撑架：1个。

⑨凸轮：1个。

⑩直动从动构件组件：1套。

○11摆动从动构件：1个。

○12偏心调整块：4个。

○13偏心块：2块。

（4）实验装置所需主要设备：

多功能测试柜：1个。

（5）实验所需工具：

①木榔头：1把。

②棍搬子：6#（1个）。

③小改锥：1把。

④活搬子：1把。

⑤钢板尺：1把。

3、多功能测试柜使用说明

测控系统组成

（1）测量系统：测量系统由计算机、数据采集卡、测控软件等组成，通过软件编程完成数据采集、数据处理以及显示、记录等各种测量任务。

数据采集信号输入端子共有8个（AI0—AI7）

图中：

1—信号+ 2—信号-

3—+12V 4—-12V

5—+5V 6—地线

信号输入可采用单端连接方式，

压范围为-10V—+10V，数据采样速度为200kHz，精度为16位。

另外，还有2路模拟量输出端子（AO0、AO1），接线如图2所示。

图中：1—输出信号；2—地线；3—空。

（2）控制系统：控制系统由继电接触控制电路组成，前面板有4对启动、停止按钮，机柜背面有4个电机接线端子。

接线如图3所示。

（3）使用方法：

1．将实验机构搭接完毕后，首先将实验台动力源的电线插头与多功能测试柜背面板下端四个电源插座（见多功能测试柜背面板图）中任意一个连接（最好安顺序连接为好）。

2．将实验台所使用的传感器接线插头与多功能测试柜后面的AI0—AI7插座（见多功能测试柜背面板图中10个AI、AO插座）连接。

(注意：角位移传感器、直线位移传感器的接线插头都是与AI0连接，光电编码器的接线插头是与AI1连接，其余插座以备数据采集卡数据输出端子使用。) 3．检查实验装置的电源插头和传感器接线插头连接是否正确，检查无误后，合上多功能测试柜背面板右上角电源总开关（见多功能测试柜背面板图），接通多功能测试电源。

4．最后按下多功能测试柜正面板的绿色开关（即与多功能测试柜背面板下端四个电源插座相对应的开关），给实验机构通电，然后用实验测试软件进行数据采集，数据采集步骤见实验数据采集系统软件说明。

4、实验数据采集系统软件说明

该实验采用美国NI（美国国家仪器公司NA TIONAL INSTRUMENTS，简称NI）数据采集卡，进行数据采集；利用LabVIEW图形化编程平台进行数据处理和图形输出。其数据采集原理为：首先，机构在电机的驱动下运转起来，用传感器（位移传感器、角位移传感器、光电传感器）将机械量（如：位移、加速度）转变为电量，即电信号。其次，通过测试控制柜中的数据采集卡对该信号进行采集、分析，再将模拟量转变为数字量，即完成模—数转换。最后，通过LabVIEW进行程序处理将其转化为运动曲线并输出在计算机的屏幕上。

下面分别对LabVIEW软件特点和测试控制柜的使用方法作一下简单说明

（1）测试控制柜的使用方法和操作说明

LabVIEW 7 Express 程序设计

A、启动数据采集向导[DAQ Assistant]

1）接通电源，启动计算机，进入Windows[开始]界面。

2）双击[NI LabVIEW 7.1]图标，进入LabVIEW启动界面。

3）单击[New...]，进入新建程序界面。

4）选择[Data Acquisition with NI-DAQmx .vi]，单击[OK]，自动建立[DAQ Assistant]图标，并进入前面板[Front Panel]设计界面。

LabVIEW启动界面

新建程序界面

前面板设计界面

B、前面板设计

1）在前面板区域，单击右键，显示控制[Controls]模板。

控制模板

2）选择[Graph Inds]图标内含的[Graph]图标，拖至前面板适当位置后单击，即可建立一个波形显示器。若要建立数字显示器，选择[Num Inds]图标内含的[Num Ind]图标。

波形显示器

3）显示器大小可通过拖动边框上的兰色方块进行调整。

4）双击显示器左上角标签内容，可修改显示名称。

C、程序框图设计

1）在状态栏单击[Blok...]图标，进入[Blok Diagram]程序框图设计界面。

3）双击[DAQ Assistant]图标，进入数据采集向导界面。

数据采集向导界面

●选择[Analog Input]→[Voltage]，输入模拟量为电压信号。

●选择输入通道[ai 0]至[ai 7]，单击[Finish]按钮，进入任务设置界面。

任务设置界面

●设置电压输入范围，信号连接方式（差动或单端），采样方式、速度等。

●单击[Test]按钮，可进行信号采集、显示。

●单击[OK]，任务设置完毕，返回程序框图设计界面。

3）在程序框图空白处单击右键，显示[Functions]功能选择框。

功能选择界面

4）选择[Arith/compare] 数学运算图标，其中包括[Time Domain]时域运算，可进行信号的微分[Differential]、积分[Integral]等运算。还包括[Numeric]数字运算，可进行加、减、乘、除、开方、倒数等运算以及设置[Num const]常数图标。

5）选图标在框图中排列整齐后，用光标靠近图标的输出端，光标自动变为接线工具，

单击左键即可将导线连接到另一图标的输入端。

程序实例

6）光标指到连线，单击右键，在下拉菜单中可选择[Create Wire Branch]建立分支。

也可将连线直接引至另一连线，自动合并连接。

7）用光标选择某个对象，按[Del]键即可删除。

D、运行程序

1）单击[Front Panel]，返回前面板，单击[Run]按钮，运行程序。

2）单击[STOP]按钮，程序停止运行。

数据采集显示

更多的LabVIEW 7 Express 程序设计方法可参考[Help]。

（2）数据采集软件的使用方法和操作说明

下面以曲柄滑块机构运动参数数据采集为例进行数据采集的介绍。

1）双击桌面上的“机构运动参数测试”图标，进入数据采集程序界面。（见下图所示数据采集程序界面）

数据采集程序界面

2）先单击程序界面中的相应运动参数测试功能按钮（如：曲柄滑块），再单击程序界面中左上角向右图标使其变为黑色（）。

3）单击开始按钮即可进行数据采集程序运行，可见实时数据采集信号。点击停止按钮，程序界面会出现一个对话框（见数据采集打印功能界面），问用户是否进行数据图形文件打印。

数据采集打印功能界面

4）如不进行打印，则单击NO按钮，可结束一次数据采集过程，又回到数据采集程序界面可进行下一次数据采集；若进行图形打印，则单击YES按钮进行数据采集图形输出文件（见下图所示图形文件），用户可进行图形打印，并且结束数据采集过程。

图形打印文件

三、数据输出方式

运动曲线输出

当采用“数据采集与分析系统”进行数据输出时，学生可通过人—机交互界面进行数据采集，系统将对当前采样数据文件进行分析计算，并将分析结果以运动曲线图（S---φ，v---φ，a---φ运动曲线图）的方式显示在波形显示窗口中，同时保存分析结果以便以后分析，并可将其打印出来，以便与理论曲线进行比较。

四、机构运动参数测试实验

1、曲柄摇杆机构实验 （1）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掌握原动件运动规律不变，改变机构各构件尺寸，从动件的运动参数的测量方法。

④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。

（2）使用设备

机构运动参数组合测试创新实验装置、计算机、高精度角位移传感器、示波器、电器控制箱等。

（3）被测对象基本参数

①基本参数

曲柄摇杆机构如图所示，各杆长度如下：

曲柄：l AB =50mm （35mm ）； 连杆：l BC =160mm ； 摇杆：l CD =90mm （50mm ）； 机架 ：l AD =180mm ；曲柄转速 n 1=62.5r/min

②测试内容

一个运动循环内，摇杆角位移θ、角速度ω和角加速度ε与机构位置（曲柄转角1?）之间关系，并给制θ-1?、ω-1?和ε-1?线图。 改变构件尺度参数后，再进行测试。（自选）

（4）原理和方法

机械在运动中其某个构件上的任一点的位移，速度和加速度以及角位移，角速度和角加速度等参数可用图解法、解析法和电测法得到。电测法是通过选用不同类型传感器对各种

构件进行实际测量而得到的各种数据。在曲柄摇杆机构中在摇杆回转轴上安装一个高精度角位移传感器，即可测得摇杆的角位移，通过工控机对其信号进行采集分析，并且进行差分计算即可求出摇杆的角速度及角加速度。

（5）实验步骤

①实验原理图：

②实验步骤：

原始各部尺寸

曲柄50mm，连杆160mm，摇杆90mm，机架160mm，曲柄转数65转/分。

1．将被测实验机构搭接完毕,仔细检查实验线路是否正确，在各转动处加入润滑油。

2．连接传感器数据接口与实验装置电源接口具体步骤与方法参见多功能测试柜使用说明(3)进行.

3．由实验指导教师检查无误后，打开工控机电源运行采集程序（各步骤参看数据软件分析系统中的数据采集软件的使用方法和操作说明）。

4．调整曲柄长度为35mm或摇杆长度为（50mm）再进行实验测试。

5．分别整理实验各项运动曲线数据，填写实验报告。

6．实验报告填写前应事先根据已知尺寸算出θ、ω、ε的值并画出当曲柄30°时的运动线图。

（6）问题讨论

①改变连杆尺寸从动件运动规律是否发生变化？

②实验的测试数据和计算数值，有哪些误差的影响因素？

实验报告内容：

①被测对象名称及其原始数据、检试项目；

②实验装置原理框图；

③主要仪器仪表名称、规格型号；

④主要实验操作步骤；

⑤实验数据记录及结果（建议以表格及线图形式表达）；

⑥实验结果分析（如误差产生原因分析等）；

⑦实验问题讨论；

⑧实验总结体会。

2、曲柄滑块机构实验

（1）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掌握原动件运动规律不变，改变机构各构件尺寸，从动件的运动参数的测量方法。 ④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。 （2）使用设备

机构运动参数组合测试创新实验装置，计算机、高精度线位移传感器、示波器、电器控制箱等。

（3）被测对象基本参数

①基本参数

曲柄滑块机构如图所示，各杆长度如下：

曲柄：l AB =50mm （35mm ）；连杆：l BC =160mm ；偏距：e =20mm ；曲柄转速：n 1=62.5r/min ；

②测试内容

一个运动循环内，滑块位移S 、速度v 和加速度a 与机构位置（曲柄转角1?）之间关系，并绘制S-1?、v-1?和a -1?线图。 改变构件尺度参数后，再进行测试。（自选）

① 原理和方法

机构在运动中其某个构件上的任一点的位移，速度和加速度以及角位移，角速度和角加速度等参数可用图解法、解析法和电测法得到。电测法是通过选用不同类型传感器对各种构件进行实际测量而得到的各种数据。在曲柄滑块机构中在滑块上加装一个高精度线位移传感器将信号传入工控机进行处理分析，并且对数据进行处理，绘出位移、速度和加速度曲线图。 （5）实验步骤

①实验原理图：

②实验步骤：

原始各部尺寸

曲柄50mm，连杆160mm，偏心距e=20mm，曲柄转数65转/分。

1．将被测实验机构搭接完毕,仔细检查实验线路是否正确，在各转动处加入润滑油。

2．连接传感器数据接口与实验装置电源接口具体步骤与方法参见多功能测试柜使用说明(3)进行.

3．由实验指导教师检查无误后，打开工控机电源运行采集程序（各步骤参看数据软件分析系统中的数据采集软件的使用方法和操作说明）。

4. 调整曲柄长度为35mm再进行实验测试。

5. 调整滑块机架高度e=20mm，并将曲柄调整为原长变50mm实验测试。

6. 分别整理实验各项数据，填写实验报告。

7. 实验报告填写前应事行根据已知尺寸算出S、v、a的值，并画出运动线图。

（6）问题讨论

①改变连杆尺寸从动件运动规律是否发生变化？

②曲杆滑块机构的急回是如何产生的？

③实验的测试数据和计算数值，误差多大？有哪些影响因素？

实验报告内容：

①被测对象名称及其原始数据、检试项目；

②实验装置原理框图；

③主要仪器仪表名称、规格型号；

④主要实验操作步骤；

⑤实验数据记录及结果（建议以表格及线图形式表达）；

⑥实验结果分析（如误差产生原因分析等）；

⑦回答实验问题讨论；

⑧实验总结体会；

3、双曲柄机构实验

（1）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掌握原动件运动规律不变，改变机构各构件尺寸，从动件的运动参数的测量方法。 ④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。 （2）实验设备

机构运动参数组合测试创新实验装置，计算机、控制箱、光电传感器、示波器等。

（3）被测对象及基本参数

①基本参数

双曲柄机构如图所示，各杆长度如下：

主动曲柄l AB =50mm （35mm ）；从动曲柄l CD =90mm （50mm ）； 连杆l BC =90mm ；机架l 转速n 1=62.5r/min ；

②测试内容

一个运动循环内，从动曲柄CD 的角位移θ、角速度ω与曲柄AB 转角1? 关系，并给制θ-1?、ω-1?图。

改变构件尺度参数后，再进行测试。（自选） （4）原理和方法

机械在运动中其某个构件上的任一点的位移，速度和加速度以及角位移，角速度和角加速度等参数可用图解法、解析法和电测法得到。电测法是通过选用不同类型传感器对各种构件进行实际测量而得到的各种数据。在双曲柄机构中，对从动曲柄进行回转速度的测量是通过光电传感器进行的，经过工控机进行采集分析。

（5）实验步骤

①实验原理图：

②实验步骤：

原始各部尺寸

主动曲柄50mm，连杆90mm，从动曲柄90mm，主动曲柄转数65转/分，机架30mm。

1．将被测实验机构搭接完毕,仔细检查实验线路是否正确，在各转动处加入润滑油。

2．连接传感器数据接口与实验装置电源接口具体步骤与方法参见多功能测试柜使用说明(3)进行.

3．由实验指导教师检查无误后，打开工控机电源运行采集程序（各步骤参看数据软件分析系统中的数据采集软件的使用方法和操作说明）。

4. 调整曲柄长度为35mm再进行实验测试。

5. 整理实验各项数据，填写实验报告。

（实验报告填写前应事先根据已知尺寸算出θ、ω的值并画出运动线图。）

（6）问题讨论

①改变机构中其它杆件尺寸，从动件运动规律是否发生变化？

②双曲柄机构有哪几种特性？

③实验的测试数据和计算数值，误差多大？有哪些影响因素？

实验报告内容：

①被测对象名称及其原始数据、检试项目；

②实验装置原理框图；

③主要仪器仪表名称、规格型号；

④主要实验操作步骤；

⑤实验数据记录及结果（建议以表格及线图形式表达）；

⑥实验结果分析（如误差产生原因分析等）；

⑦回答实验问题讨论；

⑧实验总结体会；

4、摆动导杆实验

（1）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掌握原动件运动规律不变，改变机构各构件尺寸，从动件的运动参数的测量方法。 ④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。

（2）使用设备

机构运动参数组合测试创新实验装置，计算机机、角位移传感器、示波器、电器控制箱等。 （3）被测对象基本参数

①基本参数

摆动导杆机构如图所示，各杆长度如下：

曲柄 l AB =50mm （1=62.5r/min ；

②测试内容

一个运动循环内，摆杆角位移θ、角速度ω和角加速度ε与机构位置（曲柄转角1?）之间关系，并给制θ-1?、ω-1?和ε-1?线图。 改变构件尺度参数后，再进行测试。 （4）原理和方法

机械在运动中其某个构件上的任一点的位移，速度和加速度以及角位移，角速度和角加速度等参数可用图解法、解析法和电测法得到。电测法是通过选用不同类型传感器对各种构件进行实际测量而得到的各种数据。在摆杆机构中，在摆杆回转轴上加装一个高精度角位移传感器，即可测得摆杆的角位移，通过工控机对其信号进行采集分析，并且进行微分计算即可求出摆杆的角速度及角加速。 （5）实验步骤

①实验原理图：