机械原理课程设计机械运动参数测试仪分析Word格式文档下载.docx
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2012.1.10
戴苑城AP0908106
一、仪器机构简介
如下图所示，实验仪器以蜗杆箱为分界，分为前后两部分。
前部分主要分为：
电机、传感器、传感圆盘；
后部分别为：
导轨架、导轨框，导杆、滑块、固定架和法兰盘。
电机是整个机构的动力源，透过蜗杆箱以蜗杆为原动件作减速运动。
动力由蜗轮主轴输出，传给法兰盘和传感圆盘，由传感器接收传动圆盘的转动信号，通过输出设备输出信号。
后部部分机构简化后如图所示，主要有法兰盘滑块，导杆，导轨架和导轨框所构成。
由蜗轮主轴所输出的动力带动法兰盘转动，从而使后部机构运动。
由后部机构所得的运动简图如图所示：
由简图可以清晰看到，所要研究的连杆有：
、、和滑块组成。
圆盘为动原件，移动副钉紧在圆盘上，杆l3在移动副上滑动，通过杆传递，最终带动滑块在水平面上滑动。
二、机构分析
如上面见图所示可知，机构由个活动构件所组成，共有个低副，其中R1=42mm，l2=240mm,l3=180mm,l4=110mm,圆盘上的转动副与水平面的夹角为，杆l3与水平面的夹角为，圆盘R1的角速度w=1rad/s,其自由度计算：
由自由度计算公式：
可得该机构自由度
（1）位置分析：
机构矢量方程及方位角如图示，投影关系的以下公式：
（2）投影方程:
:
：
:
综上得：
滑块D的位移方程：
s=+C
常数C：
（注：
为的初始角，为的初始角）
三、计算机分析
本环节是以上面提及到的测试仪中的曲柄滑块机构和曲柄摆动导杆机构为测试对象，通过实验了解位移、速度、加速度、角速度、角位移、角加速度的计算机测定方法，测算其机械结构的各参数的理论值。
1.NX-UG软件对其机构建模并运动仿真
其模型的运动仿真动画截图如图所示：
研究滑块的位移-时间，速度-时间，加速度-时间的运动规律，用UG图表功能导出s-t,v-t,a-t的曲线图如下：
由位移图可知，s-t曲线的波峰为400,波谷为260，说明滑块相对于位移坐标的零点最近值为260mm，最远值为400mm，与理论值相符，说明该UG仿真模型成立。
2.MATLAB软件对机构运动线图分析
在matlab程序中，q0为夹角的初始角=30°
，圆盘半径R1=42，连杆杆长l2=240,导杆长l3=180,机架l4=110,所求的是滑块D的位移s，速度v,加速度a对于圆盘转动角度变化的关系曲线图。
公式推导：
由运动简图可以知道，从水平x轴方向和垂直y轴方向得出的投影之和是：
杆l3与水平面的夹角为：
因为滑块D的位移s与圆盘初始角有关，所以存在一个常数C，C由初始角决定，因此该滑块D的位移S=+C
Matlab程序如下：
q0=1/6*pi;
%初始角
R1=42;
%法兰盘半径
l2=240;
l3=180;
l4=110;
w1=1;
%法兰盘角速度
y0=R1.*sin（q0）;
%R1对y轴投影
h0=sqrt（R1.^2+l4.^2+2*R1*l4.*sin（q0））;
%h0就是杆l3上的AB段Lab
e0=l3-h0;
%e0就是杆l3上的BC段Lbc
q20=acos（R1.*cos（q0）./h0）;
%q20为初始角
y01=y0+e0.*sin（q20）;
c=e0.*cos（q20）+sqrt（l2.^2-y01.^2）+R1.*cos（q0）;
%常数C
q=q0:
5*pi/180:
13/6*pi*2;
%给法兰盘定义两个周期的系列角度
x=R1.*cos（q）;
%R1对x轴投影
y=R1.*sin（q）;
h=sqrt（R1.^2+l4.^2+2*R1*l4.*sin（q））;
%h为Lab的长
e=（l3-h）;
%Lbc之长
q2=acos（R1.*cos（q）./h）;
%杆l3与水平面夹角
x1=e.*cos（q2）;
y1=（y+e.*sin（q2））;
x2=sqrt（l2.^2-y1.^2）;
%Lmc长度定义
s=（x1+x2+x-c）;
%定义位移s
dh=（R1.*l4.*cos（q）.*w1）./h;
dy=R1.*cos（q）.*w1;
de=（-dh）;
k=h.^2.*sin（q2）;
w3=（R1.*sin（q）.*w1.*h+R1.*cos（q）.*dh）./k;
p=（2.*h.*dh.*sin（q2）+h.^2.*cos（q2）.*w3）;
dy1=dy+de.*sin（q2）+e.*cos（q2）.*w3;
dx2=-y1.*dy1./sqrt（l2.^2-y1.^2）;
d2x=-R1.*cos（q）.*w1.^2;
d2h=（-R1.*l4.*sin（q）.*w1.^2.*h-dh.*R1.*l4.*cos（q）.*w1）./（R1.^2+l4.^2+2.*R1.*l4.*sin（q））;
d2e=（-d2h）;
dw3=（（R1.*cos（q）.*w1.^2.*h+R1.*cos（q）.*d2h）./k-p.*（R1.*sin（q）.*w1.*h+R1.*cos（q）.*dh）./k.^2）;
dx=-R1.*sin（q）.*w1;
dx1=（de.*cos（q2）-e.*sin（q2）.*w3）;
v=（dx+dx1+dx2）;
%定义速度v
d2x1=d2e.*cos（q2）-2.*de.*sin（q2）.*w3-e.*sin（q2）.*dw3-e.*cos（q2）.*w3.^2;
d2y=（-R1.*sin（q）.*w1.^2）;
d2y1=（d2y+d2e.*sin（q2）+2.*de.*cos（q2）.*w3-e.*sin（q2）.*w3.^2+e.*cos（q2）.*dw3）;
d2x2=（-dy1.^2-y1.*d2y1）./sqrt（l2.^2-y1.^2）-（y1.*dy1）.^2./（（l2.^2-y1.^2）.^3/2）;
a=（d2x+d2x1+d2x2）;
%定义角速度a
plot（q,s,q,v,'
--'
q,a,'
-.'
）;
gridon%开启网格
运动线图如下：
实线为s-,虚线为v-,点划线为a-，由运动线图可知，该机构的滑块D的位移、速度和加速度运动曲线为非线性函数，从该运动线图可以得出任意瞬时角度的滑块运动参数，同时可以看出机构的运动变化情况。
四、机构改进
本次实验所测量的机构是曲柄滑块机构及曲柄摆动导杆机构，动力源采用直流无极调速电机，该电机转速一般在0-3600r/min围左右。
经过蜗杆蜗轮减速器以1/30减速，这样机构曲柄（即法兰盘）的转速可以在0-120r/min围作调速。
实验机构简图如图示，1.蜗轮减速器2.曲柄3.导杆4.导块5.连杆6.电机7.滑块8.同步脉冲发生器9.齿轮10.光电脉冲编码器
由简图可知，机构利用往复运动的滑块（实物中为导轨框）经过杆件推动光电脉冲编码器，输出与滑块位移相当的脉冲信号，经测试仪器处理后可得出滑块的位移、速度和加速度值或相
应的曲线图。
如下图示为曲柄摆动导杆机构的形式，在试验中其实可以拆卸3,4杆，直接把3，5杆连接使用，测试此种形态下的参数。
根据以上功能，再看实物模型图，在圈出部分是导轨框和导轨架。
该部分主要形式是导轨架夹紧导轨框，在轨道上需要加大量机油，同时由于导轨框的左右往复移动过程中，润滑机油会被挤压出来，因此这种设计可能所耗费的机油较多。
现在把导杆框改进为轮式结构或齿轮结构既可节省润滑油，又可以防止倒滑。
五、心得体会
本次实验机器测量时间为两天，分两人测量。
此后环节由手绘零件图装配图、电脑建模、AutoCAD绘图、公式推导、UG仿真、Matlab绘图、到完成报告大概使用一个星期左右的时间。
在手绘图环节，发现我组绘制测量草图时，存在缺少部分测量数据，其中既有忘记测量的数据，也有缺乏工具难以测量的数据。
因此，我组所绘制的手绘图中部分尺寸是根据想象而绘制出来的。
此外，在装配图绘制环节里，由于条件有限，部分零件的材料属性或者机械属性的参数也是网上查阅有关资料后，选取最合适的，最常用的参数所填补的。
电脑建模环节里，在主要机构外形参数里，都是根据实际测量数据而来的，以力求还原模型真实度，方便后面的模拟仿真环节。
而其他外形数据，不作过高要求，简化建立模型，把时间重点放在运动分析研究上。
UG仿真环节里，由于之前的模型建立是根据实际参数所设计的，所以仿真得出的数据比较可靠，导出的数据跟实际尺寸数据误差较小，所以可信度较高。
AutoCAD绘图环节上，所绘制的简图，由于考虑到报告空间有限，所以简图线条曲线的长度大小略有修改，但是尺寸大小用文字表达并无修改，仍然是实际尺寸。
公式推导部分，根据CAD所绘制的简图进行计算分析，利用几何关系、投影关系推出滑块D的位移公式。
Matlab绘制运动线图过程中，在编写程序时参照了图书馆的有关书籍，获益良多。
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