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机械原理实验指导书

第三篇机械原理实验指导书

实验一典型机构认知及机构运动简图测绘

1.1典型机构认知

1.1.1实验目的

1）通过参观各种机器、机构实物和教具模型，初步了解本课程所要研究与学习的基本内容，增强学生对各种常用机构（如连杆、凸轮、齿轮、槽轮和棘轮等机构）的感性认识。

2）深入理解构件、运动副、自由度等基本概念，正确掌握机器与机构之间的区别；培养学生具有区分机构中的构件、运动副和绘制机构运动简图的能力。

1.1.2实验内容

1）倾听录音机简单介绍机械原理课程的基本内容。

2）观看各种常用机构，各种典型组合机构和机器的展示，听其介绍机械的组成、作用和特点。

1.1.3实验步骤

1）认真观察各种机构，以及机构中的构件是采用何种运动副进行连接的。

2）初步了解各种机构的组成、特点及功用等。

1.1.4思考题

1）机构分为几类，各有何特点？

2）实现直线运动的机构有几种，试举例说明。

3）运动副分为哪几类？

1.2机构运动简图测绘

1.2.1实验目的

1）掌握机构运动简图的定义，做到会根据各种机构实物或模型，按照规定的机构运动简图常用符号能绘制出机构运动简图。

并要求能够看懂机构简图。

2）掌握机构自由度的计算方法，根据机构的自由度会分析并验证机器或机构是否能动，是否具有确定的运动。

1.2.2实验内容

1）将机构运动起来，观察其各构件的运动及联接情况，选择机构中多数构件的运动平面为投影面，并选择适当的比例尺，定出各运动副之间的相对位置，并以简单的线条和各种运动副符号将机构运动简图画出来。

机构运动简图常用符号见表1.1。

2）计算机构自由度，并指出机构具有确定运动的条件。

1.2.3实验步骤

1）了解被测绘机构的名称和用途。

2）启动机器，仔细观察并正确判定机架、主动件和从动件；从主动件开始，按照运动传递顺序，正确判定各相邻构件之间的相对运动关系，进而确定出运动副的类型和数目。

3）量取各构件的实际尺寸。

4）恰当地选择投影面（一般选择机构的多数构件的运动平面为投影面）和适当的比例尺，定出各运动副之间的相对位置，并以简单的线条和各种运动副符号从原动件开始，按照运动传递顺序，依次画出各构件和运动副，最终将机构运动简图画出来。

5）计算机构自由度，判定机构运动是否确定。

表1.1机构运动简图常用符号

类别

名称

符号

构件的连接

轴、杆、连杆等构件

机架

组成部分的永久连接

杆与固定支点的连接

活销连接

齿轮传动

圆柱齿轮

圆锥齿轮

蜗轮与圆柱蜗杆

齿条传动

链传动

一般符号

带传动

一般符号

联轴器

联轴器一般符号

弹性联轴器

凸轮机构

凸轮从动件为顶尖

凸轮从动件为曲面

凸轮从动件为滚子

凸轮从动件为平底

圆柱凸轮

槽轮机构

外啮合

棘轮机构

外啮合

弹簧

压缩弹簧

拉伸弹簧

原动机

装在支架上的电机

不完全齿轮机构

外啮合

1.2.4思考题

1）机构自由度如何计算，机构具有确定运动的条件是什么？

2）绘制机构运动简图与绘制工程图有何区别？

3）一个正确的“机构运动简图”应能说明哪些内容？

1.2.5实验报告格式

机械原理机构简图测绘实验报告

班级

姓名

学号

实验日期

教师签字

成绩

序号

机构名称

机构简图

机构自由度计算

原动件数

运动是否确定

1

2

3

4

5

实验二渐开线齿廓的范成原理

2.1实验目的

1）掌握用范成法切制齿轮齿廓的原理。

2）了解渐开线齿廓的根切现象及防止方法。

3）分析比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。

2.2实验原理

范成法亦称包络法或展成法，是目前齿轮加工中最常用的一种方法。

它是利用一对齿轮啮合传动时，两轮的齿廓曲线互为包络的原理来加工齿廓的。

用范成法加工齿轮齿廓时，常用的刀具有齿轮型刀具（如齿轮插刀）和齿条型刀具（如齿条插刀和齿轮滚刀）两大类。

用渐开线齿轮插刀加工时，齿轮插刀如同一个有刀刃的外齿轮去切削齿坯，齿轮插刀一方面与齿坯对滚，另一方面沿齿坯的齿宽方向作往复的切削运动，当切削运动结束后，刀具的渐开线齿廓就在齿坯上包络出与刀具渐开线齿廓共轭的渐开线齿廓来。

用齿条插刀加工齿轮时，刀具与齿坯的范成运动相当于齿轮与齿条的啮合传动，其加工原理与齿轮插刀加工齿轮原理相同。

本实验是模拟齿条插刀加工齿轮的原理来加工齿轮的。

实验中采用齿轮范成仪来描绘标准、正变位、负变位渐开线齿轮齿廓的加工过程，并通过对三种渐开线齿廓的分析比较，了解渐开线齿廓的根切现象及防止方法，进而了解标准齿轮和变位齿轮的异同点。

图2.1齿轮范成仪

齿轮范成仪的结构如图2.1所示。

主要由机架1、描绘齿条2及圆盘3共三个基本构件组成。

圆盘背后有一个与其同心刚性固结的齿轮为传动齿轮（m=2，Z=100），描绘齿条背后有一个与其刚性固结的齿条为传动齿条，它与传动齿轮相啮合。

传动齿条和描绘齿条一起移动时，就带动传动齿轮及圆盘转动，描绘齿条相对于圆盘运动的各个位置在圆盘上的轨迹，就包络出齿坯的齿廓（圆盘相当于齿坯，描绘齿条相当于刀具）。

用笔所画的每一个齿条位置线则代表刀痕，即相当于刀具切削一次齿坯。

描绘齿条与圆盘中心的安装距离是可调的，当描绘齿条的中线与齿坯的分度圆相切安装时，所绘出的齿轮是标准齿轮；若描绘齿条的中线与齿坯的分度圆远离时，切出来的齿轮位是正变位齿轮；若描绘齿条的中线与齿坯的分度圆相割时，切出来的齿轮是负变位齿轮。

2.3实验步骤

1）按已知的模数（描绘齿条上的模数m=20mm），分度圆直径（圆盘上要绘制出齿轮的分度圆直径d=200mm），计算出齿轮齿数Z。

再按照刀具的标准参数计算出齿轮的齿顶圆、齿根圆、基圆半径。

将齿顶圆、分度圆、齿根圆、基圆分别画在一张绘图纸上，将纸剪成圆形，其直径稍大于齿顶圆，圆孔中心剪个直径为40mm的孔。

这个带孔的圆纸相当于被加工齿轮的毛坯。

2）将纸压在圆盘上，校正刀具与轮坯的位置，推动齿条使圆盘转动，观察纸上的圆与圆盘3是否同心，不同心时应进行调整使其同心。

3）绘制齿廓，将齿条移到范成仪的一边，每向相反移动5mm就用铅笔描绘齿条的齿形边缘，在圆纸上画出齿条齿廓形状，如此重复多次（约15次）即可画出2~3个齿廓的范成线。

4）将圆纸在圆盘上转动一个角度（约120°）重新压紧，调整描绘齿条（向远离齿坯中心方向移动10mm或向靠近齿坯中心方向移动10mm）到切削变位齿轮的位置，重复绘制齿廓（绘出正变位和负变位的齿廓）。

5）分析所画出的齿廓，注意根切等现象。

根据实验报告要求比较标准齿轮和正变位、负变位齿轮的齿廓特点及参数变化情况。

2.4思考题

1）范成仪是如何保证轮坯与刀具的范成运动的？

2）范成法加工与仿形法加工各有何特点？

3）根切将影响齿轮的那些性能？

如何防止根切？

4）被加工出齿轮的基本参数如何确定？

2.5实验报告格式

机械原理渐开线齿廓的范成原理实验报告

班级

姓名

学号

实验日期

教师签字

成绩

齿条形刀具基本参数

m=

α=

ha*=

c*=

被加工齿轮的基本参数m=Z=

项目

标准齿轮

正变为齿轮

负变为齿轮

分度圆半径

齿根圆半径

基圆半径

周节

压力角

分度圆齿厚

变位系数

将实验所画的齿廓每种剪一个包络齿形贴在对应列上

实验三机械平衡

3.1实验目的

1）掌握刚性回转构件动平衡的试验原理与RYQ—30动平衡机操作方法。

2）掌握平衡精度的计算和许用不平衡量的确定，巩固所学的理论知识。

3.2实验原理

动平衡试验要在专用的动平衡机上进行，生产中使用的动平衡机种类很多，虽然其构造和工作原理不尽相同，但其作用都是用来确定需加于两个平衡基准面中的平衡质量的大小和方位。

目前使用较多的动平衡机是根据振动原理设计的，它利用测振传感器将转子转动时产生的惯性力所引起的振动信号变为电信号，然后通过解算求出被测转子的不平衡质量的质径积的大小和方位。

图3.1动平衡机的工作原理示意图

RYQ—30平衡机是一种带微机系统的动平衡机，工作原理示意图如图3.1所示。

动平衡机按工作原理可分为机械部分、振动信号预处理电路和微机三部分。

试验转子放在两弹性支撑上（两弹性支撑之间的距离为L，L=a+b+c），由主轴箱端部的小发电机驱动，发电机与转子通过联轴器连接。

试验时，转子上的偏心重量所产生的弹性力使弹性支撑产生振动，而此机械振动通过弹性支撑传给传感器。

该平衡机以主轴箱端部的小发电机信号作为转速信号和相位基准信号。

由发电机拾取的信号经处理后成为方波或脉冲信号，利用方波的上升或正脉冲通过计算机的PIO口触发中断，使计算机开始和终止计数，以此达到测量转子旋转周期的目的。

由传感器拾取的振动信号，通过信号预处理电路滤波、放大，并把振动信号调整到A/D卡所要求的输入量的范围内，最后通过A/D转换器即可输入计算机，进行数据采集和解算，最后由计算机给出两个平衡平面上需加平衡质量的大小和相位，而这些工作是由软件来完成的。

3.3RYQ—30动平衡机工作原理

RYQ—30动平衡机结构如图3.2所示，该机主要结构由底座、左右摆架、电机皮带传动、电器拖动、传感器、光电头等部分组成的工作机；由显示器、工业控制机、键盘、仪器控制柜等组成的控制系统。

图3.2RYQ—30动平衡机结构图

1—调速器，2—电源开关（红色），3—停机按钮（红色），4—启动按钮（绿色）

RYQ—30动平衡机是通过测振传感器将刚性转子转动时产生的惯性力所引起的振动信号变为电信号，然后通过解算求出被测转子的不平衡质径积的大小和相位。

工作时，将被测试件放在左右支承装有振动传感器的摆架上，在试件的上方装有光电传感器。

开动电机使试件旋转，试件上不平衡的质量产生离心力激励左右振动传感器，将振动信号转换成电信号输入到电测系统，光电传感器为系统提供一个相位基准信号，通过数据采集器输入到计算机。

通过解算后由计算机给出两个平衡平面上需加的平衡质量的大小和相位。

系统软硬件分工如下：

硬件完成振动信号的处理任务，使系统具备良好的实时性；软件完成运算、控制和其它扩展功能的实现。

信号预处理采用了多阶积分电路，用来抑制噪音，改善信噪比。

程控放大器在计算机的控制下根据不平衡信号电平改变增益。

窄带跟踪式滤波器完成被测信号的信噪分离。

A/D转换器将经过滤波的信号（不平衡信号）进行采样、量化，输入计算机，它还完成对其它信号（如系统自检、转速信号）的采集。

图3.2为整个电路部分的原理图。

3.4实验参数

1）RYQ—30动平衡机主要技术参数

可平衡试件质量范围：

1~30kg；可平衡试件长度范围：

100~1000mm；

可平衡试件最大直径：

500mm；最小可达剩余不平衡量：

≤0.3gmm/kg。

2）被测试件的参数

质量（kg）

工作转速（rpm）

直径（mm）

长度（mm）

平衡精度（mm/s）

16

1600

120

160

6.3

3.5实验步骤

1、安装试件。

将试件放置在两弹性支架上，锁合安全架，张紧传动带，校正光电传感器。

2、接通电源，启动计算机进入CAB软件主菜单。

按Enter键进入平衡测量。

拧动调速器，调整转速到检测要求转速。

3、工件参数设置。

开机后，按Esc键进入工件参数设置，显示图3.3，根据工件平衡精度要求，正确设置支撑方式和支撑间距a、b、c，两平衡面平衡半径r1、r2尺寸，左右平衡面许用质径积量值，平衡件的种类。

图3．3工件参数设置页面

4、启动驱动电机，调节调速器缓慢将转速升到1000转/分，然后停机。

5、动平衡机的校准（定标）。

建议使用校验工件或剩余不平衡量较小的工件。

按Esc键进入“动平衡机的校准（定标）”模式→称一个校准试重c克，放于1平衡面0°位置→按Esc键→开机→按回车键→屏幕显示图3．4，将c的大小、角度填入1平衡面对应位置→按Esc键，待转速稳定→停机→按Esc键，屏幕显示图3．4，将1平蘅面的校准试重c拿下，放于2平衡面的0°位置→再将c的大小、角度填入2平衡面对应位置→按Esc键→开机，待转速稳定，按回车键，标定完了→停机→按Esc键→将校准试重卸下。

6、启动，按回车键，进行平衡测试。

7、记录屏幕数据。

8、停车，按屏幕显示的数据在试件上加配重。

9、重复6、7、8步直到达到精度要求。

图3．4动平衡机的校准（定标）

3.6思考题

1）动平衡实验与静平衡实验在实验原理上有何区别？

2）在确定转子时作静平衡实验还是作动平衡实验时应考虑哪些因素？

3）在转子作动平衡实验时，是否可只选一个平衡平面，为什么？

3.7实验报告格式

机械原理机械平衡实验报告

班级

姓名

学号

实验日期

教师签字

成绩

转子参数

a=

b=

c=

R1=

R2=

试件工作转速：

n=

试件质量：

m=

平衡精度：

A=

许用偏心距：

许用质径积：

[mr]=m[e]=

试件左右平衡面许用质径积（合格范围）

[mr]左=

[mr]右=

试验次数

左平衡平面

右平衡平面

相位

质径积

所加配重

相位

质径积

所加配重

1

2

3

4

结论

实验四凸轮机构的检测与从动件运动规律的拟合

4.1实验目的

1）通过本试验，进一步理解凸轮廓线与从动件运动之间的相互关系，巩固凸轮机构的理论基础知识。

2）掌握凸轮廓线的检测方法，熟悉根据凸轮的实际廓线参数，反求从动件的理论运动曲线的过程。

4.2实验原理

本次实验采用MTJY改进型凸轮廓线检测仪（简称MTJY凸轮仪）。

MTJY凸轮仪由分度头、大量程百分表、横移表座及导轨、工作台等组成（参看图4.1和图4.2）。

图4—1MTJY改进型凸轮廓线检测仪

MTJY凸轮仪采用相对测量法，即测量从动件的实际位移。

实验原理见图4.2，被测凸轮1固装在分度头2的悬臂心轴上，并由分度头带动旋转，凸轮转角由分度头刻度盘2表示，表达凸轮廓线形状的从动件位移或廓线极径由大量程百分表3显示。

百分表3装在表架4上，转动螺母5可使表架带着百分表3沿螺杆轴6上下移动，从而调节百分表高度。

螺杆6与横移表座7固连，转动横向丝杠8可使横移表座7沿横向导轨前后移动，从而改变从动件导路偏距。

偏距大小和方向由导轨上主副尺表示。

横向导轨座紧固在工作台的位置，应使百分表测头大致通过被测凸轮宽度的中点。

百分表尖顶测头可换成直径20㎜的滚子或平底测头，以分析从动件端部形状、尺寸对从动件位移的影响。

图4—2MTJY凸轮仪运动简图

1—被测凸轮，2—分度头刻度盘，3—百分表，4—表架，5—表头高度调整螺母，

6—支撑表头的螺杆，7—表座，8—横向丝杠，9—分度头传动蜗轮，10—蜗杆（带有分度头转动手柄）

4.3实验步骤

一、凸轮廓线检测

1）将凸轮转到测头与凸轮最小向径接触，调整表头端部在凸轮宽度中点处。

从动件按对心安装，和凸轮廓线接触表针压入0.5～1mm,将表调至指针指向“0”。

2）确定凸轮廓线测量起始点。

测量凸轮廓线时，要从基圆与升程的切点开始，该点为廓线升程起始点即为测量起始点。

由于升程起始点处位移变化率很小，直接靠百分表指示位移为零处的起点位置很难找准。

实际测量时往往先找廓线极径最大处——桃尖，然后根据桃尖与起点间的凸轮转角来反求起始点。

我们现在假设从动件的运动规律是未知的，反复找表针变化点的位置即认为就是升程起始点，记下角度值。

分度刻度盘2为角度值，分度头转动手柄转一圈为4°，靠近分度头的刻度盘显示的是′分值，靠近手柄的刻度盘显示的是″秒值。

3）按一个方向，4°间隔（即手柄摇一圈），在实验报告表1中记录测量值。

4）根据测量值求出凸轮机构的升程h，推程角δ0，远休止角δS，回程角δ0’，近休止角δS’，并记下滚子半径，基圆半径，偏心距等。

二、从动件运动规律拟合

1）运行凸轮从动件运动规律拟合软件（CAM.EXE软件），先运行2.凸轮检测实验（见图3.3）。

2）在图3.4中的左上部输入凸轮机构的升程h，推程角δ0，远休止角δS，回程角δ0’，近休止角δS’，滚子半径，基圆半径，偏心距等。

测量步长填“4”。

没有的数据填“0”。

3）在图3.4中的右上部升程测量值依次输入测量的位移量，点输入确定按钮，软件自动将输入值记录在测量数据表中。

如果有输入错误的数值，将正确值和角度填入升程测量值：

和修改角度值：

后面，点数据修改按钮，即可更正数据。

图3.3凸轮从动件运动规律拟合软件注意页面

图3.4凸轮检测实验数据输入页面

图3.5凸轮机构理论廓线设计页面

4）初选升程运动规律，回程运动规律，用鼠标左键点即可。

5）点显示数据对比按钮（图3.4页面下边左数第3个），显示实际运动曲线。

6）点所选运动规律线图按钮（图3.4页面下边左数第2个），显示理论曲线。

7）点测量数据运动线图按钮（图3.4页面下边左数第1个），显示实际与理论曲线的对比曲线。

8）如果实际曲线与理论曲线不重合，改变升、回程运动规律，从新执行5）～7）步，直至曲线重合。

9）如果运动角不理想，可改基本数据后，执行5）～7）步，直至曲线重合。

10）记下曲线拟合后的凸轮机构基本参数，以及推程运动规律、回程运动规律。

11）点返回主菜单按钮（图3.4页面下边左数第4个），回到主页面图3.3。

12）执行1.凸轮机构运动设计，显示图3.5，将前面确定下来的基本参数填入，点右下角每项按钮，既可完成相应的功能。

将输出程序控制中的x1,y1数值填入实验报告表2，即为数控加工时的凸轮实际廓线坐标。

13）根据表2中凸轮实际廓线的x1,y1数值画出凸轮廓线。

4.4思考题

1）凸轮实际廓线不变，改变从动件的接触形式或位置，从动件的运动规律是否发生变化？

为什么？

2）凸轮机构的理论廓线一定时，若取不同的滚子半径，实际廓线是否发生变化？

为什么？

4.5实验报告格式

机械原理凸轮机构的检测与从动件运动规律的拟合实验报告

表1检测数据表（凸轮转角ϕ与从动件位移s）

班级

姓名

学号

实验日期

教师签字

成绩

升程h=

推程角δ0=

远休止角δS=

回程角δ0’=

近休止角δS’=

基圆半径r0=

滚子半径rr=

偏心距e=

推程运动规律：

回程运动规律：

ϕ

s

ϕ

s

ϕ

s

ϕ

s

0o

92o

184o

276o

4o

96o

188o

280o

8o

100o

192o

284o

12o

104o

196o

288o

16o

108o

200o

292o

20o

112o

204o

296o

24o

116o

208o

300o

28o

120o

212o

304o

32o

124o

216o

308o

36o

128o

220o

312o

40o

132o

224o

316o

44o

136o

228o

320o

48o

140o

232o

324o

52o

144o

236o

328o

56o

148o

240o

332o

60o

152o

244o

336o

64o

156o

248o

340o

68o

160o

252o

344o

72o

164o

256o

348o

76o

168o

260o

352o

80o

172o

264o

356o

84o

176o

268o

360o

88o

180o

272o

表2凸轮转角（ϕ）与实际廓线坐标（x1、y1）

ϕ

x1

y1

ϕ

x1

y1

ϕ

x1

y1

ϕ

x1

y1

0o

92o

184o

276o

4o

96o

188o

280o

8o

100o

192o

284o

12o

104o

196o

288o

16o

108o

200o

292o

20o

112o

204o

296o

24o

116o

208o

300o

28o

120o

212o

304o

32o

124o

216o

308o

36o

128o

220o

312o

40o

132o

224o

316o

44o

136o

228o

320o

48o

140o

232o

324o

52o

144o

236o

328o

56o

148o

240o

332o

60o

152o

244o

336o

64o

156o

248o

340o

68o

160o

252o

344o

72o

164o

256o

348o

76o

168o

260o

352o

80o

172o

264o

356o

84o

176o

268o

360o

88o

180o

272o