曲柄滑块导杆凸轮运动学分析实验.docx
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曲柄滑块导杆凸轮运动学分析实验
曲柄滑块、导杆、凸轮运动学分析实验
一、实验目的
一、通过实验，了解位移、速度、加速度的测定方式；转速及回转不匀率的测定方式；
二、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）的大体原理，并把握它们的利用方式；
图1QTD-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不同，并分析其缘故，增加对运动速度专门是加速度的感性熟悉；
4、比较曲柄滑块机构与曲柄导杆机构的性能不同；
五、检测凸轮直动从动杆的运动规律；
六、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阻碍。
二、实验设备及工具
一、QID-III型组合机构实验台（如图1所示）；
二、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型组合实验系统的组成及工作原理
一、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
二、实验机构要紧技术参数
（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=500×380×230
（5）电源220V/50Hz
3、实验机构结构特点
该组合实验装置，只需拆装少量零部件，即可别离组成四种典型的传动系统，它们别离是曲柄滑块机构；曲柄导杆滑块机构；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、滚子偏心等都可在必然范围内作一些调整，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阻碍也会有更好的熟悉。
（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
一、同步脉冲发生器二、涡轮减速器3、曲柄4、连杆五、电机六、滑块7、齿轮八、光电编码器九、导块10、导杆1一、凸轮1二、平底直动从动件13、答复弹簧14、滚子直动从动件1五、光栅盘
4、组合机构实验仪
（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）为反面结构。
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PC机进行异步串行通信。
在实验机构动态运动进程中，滑块的往复移动通过光电脉冲编码器转换输出具有必然频率（频率与滑块往复速度成正比），０－５伏电平的两路脉冲，接入微处置器外扩的计数器计数，通过微处置器进行初步处置运算并送入PC机进行处置，PC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，那确实是角度传感器（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取得。
与传统的R-C电路测量法或别离采纳位移、速度、加速度测量仪器的系统相较，具有测试系统简单，性能稳固靠得住、附加相位差小、动态响应好等特点。
本实验仪测试结果不但能够以曲线形式输出，还能够直接打印出各点数值，克服了以往测试方式中，须对记录曲线进行人工标定和数据处置而带来较大的幅值误差和相位误差等问题。
本实验仪最大优势确实是采纳微处置器和相应的外围设备，因此在数据处置的灵活性和结果显示、记录、打印的便利、清楚、直观等方面明显优于传统的同类仪器。
另外，与个人电脑连接利用，操作上只要利用键盘和鼠标就可完成，操作灵活方便，实验预备工作超级简单，在学生进行实验时稍作讲解即可利用。
五、光电脉冲编码器结构原理及标定值计算方式
（1）光电脉冲编码器结构原理
光电脉冲编码器如图6所示。
一、发光体二、聚光镜3、光电盘4、光栏板五、光敏管六、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，它是采纳圆光栅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。
在光电盘上用照相侵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路转动时，光敏管就接收到光线亮、暗转变的信号，引发光敏管所通过的电流发生转变，输出两路相位差90。
的近似正弦波信号，它们经放大、整形后取得两路相差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；d'路经反相器反相后取得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），微分器掏出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，微分器掏出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）相关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）标定值计算方式
在本实验机构中，标定值即是指光电脉冲编码器每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=πφ/N=脉冲（取为）
式中：
M—脉冲当量
φ—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
一、软件界面介绍
整个窗体由题目栏、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、状态栏等八部份组成。
（1）菜单栏
各菜单功能的简要说明：
■打开打开以前保留在数据库内的搜集所得数据（位移、速度、加速度数据）
■保留保留当前的搜集所得数据（位移、速度、加速度数据）
■退出程序的退出操作
■端口1搜集前的端口1的选择（地址3F8H（十六进制））
■端口2搜集前的端口2的选择（地址2F8H（十六进制））
■数据分析对当前搜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。
■数据打印可打印搜集到的所有位移数据及相应的速度加速度数据，也可打印部份数据，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，可打印全数曲线和部份曲线。
打印回转不匀率曲线，当进行回转不匀率的采样操作时可选此项。
■帮忙主题曲柄滑块/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、保留按钮，同保留菜单操作。
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、显示帮忙主题按钮
（3）数据显示区
显示搜集所得和分析所得的全数数据，以便利用者查看之用。
当“搜集”按键作用后（搜集完成）在此区显示搜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，被选择好串口（“端口选择”
作用后）后此区变成采样参数设定表框。
a、按时采样的采样时刻常数选择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
第一，在利用前确信所要做的是按时采样仍是定角采样方式，或是要进行测定机构当前的回转不匀率。
第二，启动此曲柄滑块导杆机构，打开测试仪的电源按钮，现在测试仪先显示的是数字０随后便正确显示当前的转速。
接着，调剂曲柄滑块导杆机构上的旋钮使转速调到自己所需的转速，待稳固后即可开在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１）
（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。
（4）按“采样”键。
（5）等待一段时刻。
（这段时刻用于单片机处置数据和单片机向PC机传输数据。
）
（6）若是搜集数据传送（PC与单片机通信）正确，单片机传送到PC机的位移数据便会显示在“数据显示区”内，同时PC机遇依照位移数据在“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。
若是显现异样，请从头搜集数据。
（7）按“数据分析”键。
那么在“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）保留当前搜集的数据到数据库内。
（9）打印当前搜集和分析的数据和曲线。
最后，实验总结。
注：
假设在第3步当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
一、连接RS232通信线
本实验必需通过运算机来完成。
将运算机Rs232串行口，通过标准的通信线，连接到QTD-Ⅲ型组合机构实验仪反面的Rs232接口。
二、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当选择相应串口号（COM1或COM2），本实验选择缺省的COM1即可。
在主界面左侧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“数据搜集”菜单，等待数据输入。
（二）、组合机构实验操作
一、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芯插头别离插入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，现在带有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，使转速慢慢加至所需的值（不然易烧断保险丝，乃至损坏调速器），显示面板上实时显示曲柄轴的转速。
（4）机构运转正常后，就可在运算机上进行操作了。
（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）在界面右边的采样参数选择区内选择相应的采样方式和采样常数。
你能够选择按时采样方式，采样的时刻常数有10个选择档（别离是：
2ms、5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、50ms），例如选采样周期25ms；你也能够选择定角采样方式，采样的角度常数有5个选择档（别离是：
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（标定值计算方式见附录）。
（8）按下“搜集”按键，开始采样。
（请等假设干时刻，现在实验仪正在进行对机构运动的采样，并回送搜集的数据给PC机，PC机对收到的数据进行必然的处置，取得运动的位移值）
（9）当采样完成后，在界面将显现“运动曲线绘制区”，绘制当前的位移曲线，且在左侧的“数据显示区”内显示采样的数据。
（10）按下“数据分析”菜单。
那么“运动曲线绘制区”将在位移曲线上再慢慢绘出相应的速度和加速度曲线。
同时在左侧的“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。
打印时保留为*.mdi格式即可。
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）点击“数据搜集”菜单，在界面右边的采样参数选择区内，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。
一样地，打印时保留为*.mdi格式。
二、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、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不同。
3、平底直动从动杆凸轮机构实验
按图2（c）组装实验机构，按上述操作步骤，检测其从动杆的运动规律。
注：
曲柄转速应操纵在每分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不同。
调剂滚子的偏心量，分析偏心位移转变对从动杆运动的阻碍。
注：
曲柄转速应操纵在每分40转以下。
（三）、理论曲线的获取
点击图11中的“动画显示”菜单，在下拉菜单当选择任一种机构，如“曲柄导杆机构”，在弹出的界面中输入实测的实验机构参数，在那个地址为“曲柄长”、“连杆长”、“曲柄转速”，点击“标准计算结果”，那么能够取得实验机构的理论曲线，如图12所示。
图12理论曲线的获取
六、实验结果例如
图13为实验机构的实验结果。
（a）（b）
图13实验结果例如
七、试探题
一、分析曲柄滑块机构机架长度及滑块偏置尺寸运动参数的影响。
二、已知曲柄长度为57mm连杆长度47mm，滑块偏矩20mm，利用计算机求出相应
的运动参数，给出运动线图和实测曲线相较较，并分析产生不同的缘故。
3、对于曲柄滑块机构判断机构是否有急回特性。
4、计算行程速比系数，判断加速度峰值发生在什么地方？
深圳大学实验报告
课程名称：
机械原理
实验名称：
曲柄滑块、导杆、凸轮运动学分析实验
学院：
机电与操纵工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
指导教师：
报告人：
学号：
第组
班级：
实验时刻：
实验报告提交时刻：
教务处制
一、实验目的
二、实验设备及工具
三、实验机构及测试原理图
一、实验机构参数（单位：
mm）
序号
实验机构名称
曲柄长度
导杆长度
连杆长度
曲柄转速
偏心轮的偏心距
偏置距
1
曲柄导杆机构
180
/
/
2
曲柄滑块机构
/
/
/
3
偏心轮凸轮机构
（平底直动从动件凸轮机构）
/
/
/
/
4
偏心轮凸轮机构
（滚子直动从动件凸轮机构）
/
/
/
5
等加速等减速凸轮机构（平底直动从动件凸轮机构）
/
/
/
/
/
6
等加速等减速凸轮机构（滚子直动从动件凸轮机构）
/
/
/
/
/
注：
请从上述6种实验机构中任选一种机构进行实验。
二、测试原理图
四、实验内容和步骤
五、数据处置分析
实验机构名称
实验曲线
理论曲线
产生差异的原因分析
六、试探与讨论
七、实验心得体会
指导教师批阅意见：
成绩评定：
指导教师签字：
年月日
备注：
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