指导机械运动参数测定实验

一、实验目的

（1）通过实验，了解位移、速度、加速度的测定方法，以及转速和回转不匀率的测定方法；

（2）通过实验，初步了解QTD-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）的基本工作原理，并掌握它们的使用方法；

（3）通过比较理论运动曲线与实测运动曲线的差异，分析其原因，增加对运动速度特别是加速度的感性认识；

（4）比较曲柄滑块机构与曲柄导杆机构的性能差别；

（5）检测直动从动杆凸轮机构中直动从动杆的运动规律；

（6）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影响。

二、实验设备

本实验所用的设备是QTD-Ⅲ型组合实验系统，实验机构主要技术参数如下：

直流电机额定功率　100W

电机调速范围　0～2000r/min

蜗轮减速箱速比　1/20

实验台尺寸　长×宽×高=500mm×380mm×230mm

电源　220V/50Hz

三、实验原理

1.实验系统的组成

本实验的实验系统框图如图17-1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）；

④QTD-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。

图17-1　实验系统框图

（1）实验机构

该组合实验装置，只需拆装少量零部件，即可构成4种典型的传动系统，它们分别是曲柄滑块机构、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，其结构示意图如图17-2所示。每一种机构的某些参数，如曲柄长度、连杆长度、滚子偏心等都可在一定范围内调整。学生通过拆装及调整可加深对机械结构本身特点的了解，也会更好地认识某些参数改动对整个运动状态的影响。

图17-2　实验机构结构示意图

（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1—同步脉冲发生器；2—蜗轮减速器；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

（2）光电脉冲编码器

光电脉冲编码器又称增量式光电编码器，它是采用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，如图17-3所示。

图17-3　光电脉冲编码器结构原理图

1—发光体；2—聚光镜；3—光电盘；4—光栏板；5—光敏管；6—主轴

光电盘和光栏板用玻璃材料经研磨、抛光制成。在光电盘上用照相腐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起转动时，光敏管就接收到光线亮、暗变化的信号，引起光敏管所通过的电流发生变化，输出两路相位差90°的近似正弦波信号，它们经放大、整形后得到两路相差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′路经反相器反相后得到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），微分器取出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，微分器取出d的加一前沿B，与非门2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）相对于光敏管位置的角位移量。光电脉冲编码器电路原理框图和各点信号波形如图17-4和图17-5所示。

图17-4　光电脉冲编码器电路原理框图

（3）组合机构实验仪

1）实验仪外形布置

实验仪的外形结构如图17-6所示，如图17-6（a）所示为正面结构，如图17-6（b）所示为背面结构。

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17-7所示。

图17-5　光电脉冲编码器电路各点信号波形图

图17-6　QTD-Ⅲ实验仪外形布置图

（a）QTD-Ⅲ实验仪正面结构；（b）QTD-Ⅲ实验仪背面结构

图17-7　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（频率与滑块的往复移动速度成正比），0～5V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PC机进行处理，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2°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，其具有测试系统简单，性能稳定可靠、附加相位差小、动态响应好等特点。

本实验仪测试结果不但可以以曲线形式输出，还可以直接打印出各点数值，克服了以往测试方法中，须对记录曲线进行人工标定和数据处理而带来较大的幅值误差和相位误差等问题。

本实验仪最大的优点就是采用微处理器和相应的外围设备，因此在数据处理的灵活性和结果显示、记录以及打印的便利、清晰、直观等方面明显优于传统的同类仪器。另外，与个人电脑连接使用，在操作上只要使用键盘和鼠标就可完成，操作灵活方便，实验准备工作非常简单，在学生进行实验时稍作讲解即可使用。

2.标定值计算方法

在本实验机构中，标定值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：

式中　M——脉冲当量；

φ——齿轮分度圆直径（现配齿轮φ=16mm）；

N——光电脉冲编码器每周脉冲数（现配编码器N=1000）。

3.系统软件简介

（1）窗体组成

整个窗体由标题栏、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、公司广告信息显示区、运动分析结果显示区、状态栏等八部分组成。

①菜单栏

菜单栏中主要菜单功能如下：

a.打开：打开保存在数据库内的采集所得数据（位移、速度、加速度数据）。

b.保存：保存当前的采集所得数据（位移、速度、加速度数据）。

c.退出：退出程序。

d.端口1：采集前的端口1的选择（地址3F8H（十六进制））。

e.端口2：采集前的端口2的选择（地址2F8H（十六进制））。

f.数据分析：对当前采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。

g.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。

h.打印：弹出打印窗口，可进行如下选择。

数据打印：可打印采集到的所有位移数据及相应的速度、加速度数据，也可打印部分数据，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，可打印全部曲线和部分曲线。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。

i.帮助主题：曲柄滑块/导杆机构运动参数测试仪的详细介绍。

②工具栏

a.打开按钮：同打开菜单操作。

b.保存按钮：同保存菜单操作。

c.数据分析按钮：同数据分析菜单操作。

d.曲柄导杆机构的动画显示按钮。

e.打印按钮：同打印菜单。(www.xing528.com)

f.显示帮助主题按钮：同帮助主题菜单。

③数据显示区

数据显示区用于显示采集所得和分析所得的全部数据，以便使用者查看。

当“采集”按键作用后（采集完成），此区显示采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，当选择好串口后（“端口选择”作用后），此区变为采样参数设定表框，可进行如下参数选择：

a.定时采样的采样时间常数选择；

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与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（位移曲线、速度曲线、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、速度或加速度值。

（2）系统软件操作说明

首先，在使用前确定所要做的是定时采样还是定角采样方式，或是要测定机构当前的回转不匀率。

其次，启动此曲柄滑块导杆机构，打开测试仪的电源按钮，此时测试仪先显示的是数字0，随后便正确显示当前的转速。

最后，调节曲柄滑块导杆机构上的旋钮使转速调到自己所需的转速，待稳定后便可打开在PC上的软件系统进行操作，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“0.05”；

④按“采样”键；

⑤等待一段时间（这段时间用于单片机处理数据及单片机向PC机传输数据）；

⑥如果采样数据传送（PC与单片机通讯）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机会根据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。如果出现异常，请重新采集数据；

⑦按“数据分析”键，则在运动曲线绘制区内将动态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保存当前采集的数据到数据库内；

⑨打印当前采集和分析的数据及曲线；

⑩实验总结。

注：若在第③步中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和⑧两步。不同采样方式得到的实验结果示例如图17-8所示。

四、实验步骤

（一）系统连接及启动

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被点亮，运动学实验系统应用程序将自动启动，如图17-9所示。

图17-8　实验结果示例

（a）采样频率为4°（b）采样频率为15ms

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键入的通讯口（COM1或COM2）。点击图17-9中间的运动机构图像，将出现如图17-10所示的运动学机构实验系统界面；点击“串口选择”，正确选择COM1或COM2；点击数据选择键，等待数据输入。

图17-9　运动学机构实验系统初始界面

图17-10　运动学机构实验台主窗体

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17-11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”按键。同样在图17-10所示的界面中点击“串口选择”，正确选择COM1或COM2，并点击数据和采集键，等待数据输入。

图17-11　机械教学综合实验系统主界面

（二）组合机构实验操作

1.曲柄滑块运动机构实验

按图17-2（a）所示将机构组装为曲柄滑块机构。

（1）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型组合机构实验仪上相对应的接口中。

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启动机构，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。机构运转正常后，即可在计算机上进行操作了。

④熟悉系统软件的界面及各项操作的功能。（参见“系统软件简介”）

⑤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。可以选择定时采样方式，采样的时间常数有10个选择挡，分别是2ms、5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、50ms，例如可以选择采样周期25ms；也可以选择定角采样方式，采样的角度常数有5个选择挡，分别是2°、4°、6°、8°、10°，例如可以选择每隔4°采样一次。

⑥在“标定值输入框”中输入标定值“0.05”。（参见“标定值计算方法”）

⑦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。）

⑧当采样完成后，在界面运动曲线图绘制区中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。

⑨按下“数据分析”按键，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。

⑩打开打印窗口，可以打印数据和运动曲线。

（2）转速及回转不匀率的测试

①～④同“滑块位移、速度、加速度测量”中的①～④。

⑤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，选择最右边的一栏，角度常数选择有5挡，选择一个合适的挡，例如选择6°。

⑥～⑧同“滑块位移、速度、加速度测量”中的⑥～⑧，不同的是数据显示区不显示相应的数据。

⑨打印。

2.曲柄导杆滑块运动机构实验

按图17-2（b）所示组装实验机构，按上述步骤（1）、（2）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17-2（c）所示组装实验机构，按上述步骤（1）操作，检测其从动杆的运动规律。

注：曲柄转速应控制在40r/min以下。

4.滚子直动从动杆凸轮机构实验

按图17-2（d）所示组装实验机构，按上述步骤（1）操作，检测其从动杆的运动规律，比较平底接触与滚子接触运动性能的差异。

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。

注：曲柄转速应控制在40r/min以下。

五、实验内容和要求

（1）测量滑块的位移、速度、加速度。

（2）测试被测轴的转速及回转不匀率。

（3）测量曲柄导杆滑块机构的位移、速度、加速度。

（4）检测平底直动从动杆凸轮机构或滚子直动从动杆凸轮机构实验的运动规律。

（5）每人必须在课内完成实验内容，记录实验数据和图形，课后进行分析比较，回答思考题，完成实验报告。

六、思考题

1.分析曲柄滑块机构机架长度及滑块偏置尺寸对运动参数的影响。

2.已知曲柄长度为57mm，连杆长度为47mm，滑块偏心距为20mm，利用计算机求出相应的运动参数，比较运动曲线和实测曲线，并分析产生差异的原因。

3.判断曲柄滑块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？