机械原理与设计

机械原理与设计实验一常用机构认识、分析与测绘一、实验目的1．了解各种常用机构的组成及运动情况；2．了解各种常用机构的实际应用；3．了解本课程所要学习的内容；4．机构运动简图的测绘方法；5．常用运动副及常用机构运动简图的代表符号和构件的表示方法；6．机构自由度的计算方法及其在实际中的应用。二、实验仪器及工具各类常用机构模型，常用机构展示柜、直尺、三角板、铅笔、橡皮及草稿纸。三、实验原理1．应用符号由于机构的运动仅仅与机构中的构件数目和构件组成运动副的数目、种类、相对位置及原动件有关，因此，在机构运动简图中可以撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，而用简单的线条表示构件，用规定的符号表示运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此与实际机构的具有完全相同的运动特征，机构中各构件及运动副均有规定符号表示。2．几种简图表示方法：（1）具有两个转动副的构件：用一条直线联接两个运动副元素，表示转动副的小圆，其圆心必须与相对回转中心重合。（2）具有多个转动副的构件，用直线将相邻转动副元素的几何中心连接成多边形，并在相邻两直线相交部位涂以焊接记号，或画上阴影线，如三个转动副元素位于一直线上，可用跨越半圆符号表示。（3）具有两个移动副的构件，导路必须与相对移动方向一致。（4）具有一个转动副和移动副的构件；（5）具有一个转动副和一个高副的构件，高副元素与实际轮廓相符。四、实验内容及步骤•观看各类常用机构模型和陈列柜演示。•轻轻地、慢慢地转动手柄，从原动件开始仔细观察其依次传动的过程，找出哪些是固定件，哪些是活动件，确定出活动构件的数目，分析各构件相对运动性质，确定运动副的类型和数目。•为了能更清楚地表示其相对运动，需要选择各构件的运动平面为投影面。判断各构件之间的运动副性质（即高副、低副）。为了使构件之间的关系易于表达，应将原动件置于一个恰当的位置。至少是使各种构件及运动副相互不遮挡、不重合。•采用徒手目测的方法，画出机构示意图。各构件和运动副面的相对位置要大致成比例。各构件和运动副的画法要符合规定，并分别以1、2、3、┅┅和A、B、C、┅┅标记。•由原动件开始依次测量出各运动副的相对位置，以毫米（mm）为单位，并逐一标注在机构示意图上。角度问题可以转化为长度问题来测量，测量应精确，可取多次测量的平均值。•选择适当的比例尺（可根据实际尺寸和图纸的大小适当选取），将机构示意图转化为正规的机构运动简图。为了便于对机构进行分析，在机构运动简图上还可以标出与运动有关的尺寸，例如：转动副之间的中心距，移动副导路之间的距离等。五、实验报告1.按要求绘制3种机构模型的机构运动简图；2.计算所绘机构的自由度，并据此分析机构具有确定运动的条件。六、思考题1.机构运动简图有何用处？它能表示出原机构哪些方面的特征？2．绘制机构运动简图时，原动件的起始位置会不会影响机构运动简图的正确性？3．计算机构的自由度对测绘机构运动简图有何帮助？实验二机组运转及飞轮调节实验一、实验目的•熟悉机组运转的工作阻力的测试方法；•理解机组稳定运转时速度出现周期性波动的原因；•掌握机器周期性速度波动的调节方法和设计指标；•掌握飞轮设计方法；•能够熟练利用实验数据计算飞轮的等效惯量。二、实验系统1．实验系统框图•如图1所示，本实验系统由以下部分组成：•1）0-0.7Mpa小型空气压缩机组（DS-II型飞轮实验台）；•2）主轴同步脉冲信号传感器（已安装在DS-II型飞轮实验台中）；•3）半导体压力传感器（已安装在DS-II型飞轮实验台中）；•4）实验数据采集控制器（DS-II动力学实验仪）；•5）计算机及相关实验软件。2．DS-II型动力学实验台•如图1所示，DS-II型动力学实验台由空压机组、飞轮、传动轴、机座、压力传感器、主轴同步脉冲信号传感器等组成。压力传感器已经安装在空压机的压缩腔内，9为其输出接口。同步脉冲发生器的分度盘7（光栅盘）固装在空压机的主轴上，与主轴曲柄位置保持一个固定的同步关系，同步脉冲传感器的输出口为8。开机时，改变储气罐压缩空气出口阀门3的大小，就可以改变储气罐2中的空气压强，因而也就改变了机组的负载，压强值可以从储气罐上的压力表11上直接读出。根据实验要求，飞轮4可以随时从传动轴上拆下或装上，拆下时注意包管好轴上的平键5，在安装飞轮时应注意放入平键，并且将轴端面固定螺母6拧紧。3．DS-II型动力学实验仪DS-II动力学实验仪内部由单片机控制，它完成汽缸压强和同步数据的采集和处理，同时将采集的数据传送到计算机进行处理。它的面板如图3所示。4．实验台主要技术参数•空压机气压范围：p=0～0.7MPa•电机额定功率：P=550W•电机转速：1400r/m•电源：220V交流/50HZ•实验台尺寸：长×宽×高＝600×300×330（mm）三、实验原理飞轮设计的基本问题是根据机器实际所需的平均速度ωm和许可的不均匀系数δ来确定飞轮的转动惯量J。当设计飞轮时，因为研究的范围是在稳定运动时期的任一个运动循环内，我们假定在循环开始和循环结束时系统的状态是一样的，对回转机械来说，也就是在循环开始和结束时它们的速度是一样的，这时驱动力提供的能量全部用来克服工作阻力（不计摩擦等阻力）所做的功，在这样的前提下，我们就可以用盈亏功的方法来计算机械系统所需要的飞轮惯量。具体地来说，计算一个运动周期中驱动力矩所做的盈功和阻力矩所做的亏功，最大盈功和最小亏功的差就是系统的最大能量变化，用这个能量变化就可以计算机械系统所需要的飞轮惯量。四、操作步骤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DS-II动力学实验仪背面的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，然后用双端电话线插头，将DS-II动力学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图6图73．拆卸飞轮，对实验系统标定图10图9图8•将飞轮从空压机组上拆卸下来，并主要保存联接平键。点击图6进入“飞轮机构实验台主窗体”，如图8所示。在该窗体中，点击串口选择菜单，根据接口实际联接情况，选中COM1或COM2。•在实验系统第一次应用之前，或者必要时，应该对系统进行标定。点击应用程序界面上的标定菜单，首先进行大气压强的标定。根据提示，关闭飞轮机组，打开储气罐阀门，并点击确定如图9所示。•大气压强标定以后，将出现第二个界面，提示对汽缸压强进行标定，如图10所示。启动空压机组，关闭阀门，让储气罐压力达到0.3MPa左右，在方框内输入此压力值，点击确定即可完成标定。4．数据采集系统标定以后，就可以用数据采集按钮对实验数据进行采集了。数据采集的结果将分别显示在程序界面上，如图11所示。界面左边显示的汽缸压强值和主轴回转速度值，本实验数据是以主轴（曲柄）的转角为同步信号采集，每一点的采集间隔为曲柄转动6度。右边用图表曲线显示汽缸压强和主轴转速。界面下方的文字框中将显示主轴最大、最小、平均转速和回转不匀率，汽缸压强的最大、最小值和平均压强。图115．分析计算数据采集完成以后，就可以对空压机组进行分析，点击计算按钮，系统将出现第二个界面如图12所示。在这个界面中，将显示空压机组曲柄的主动力矩（假设为常数）、空压机阻力距曲线和系统的盈亏功曲线。下方的文字框中将显示最大阻力距、平均驱动力矩、最大机械能、最小机械能、最大剩余功等数据，以及根据用户输入的许可不均匀系数计算得到的系统所需的飞轮惯量。图126．关闭飞轮机组，安装飞轮，重新启动飞轮机组得到以上数据以后，用户可以关闭飞轮机组，将卸下的飞轮安装到机组上，重新启动空压机组，点击数据采集按钮，查看主轴的速度曲线，就会发现由于飞轮的调节作用，主轴的运转不均匀系数已经有明显下降，主轴运转稳定。五、实验报告（1）打印所采集的相关曲线，并粘在实验报告上。（2）分析调速的目的与原理。六、实验思考题1）空压机在稳定运转时，为什么有周期性速度波动？2）随着工作载荷的不断增加，速度波动出现什么变化，为什么？3）加飞轮与不加飞轮相比，速度波动有什么变化，为什么？汽缸压强又有什么变化，为什么？4）取空压机主轴（曲柄）作为等效构件，作用于活塞上的工作阻力F的等效阻力矩Mp如何计算？5）分析机组在各种状态（如加飞轮、不加飞轮、加负载、不加负载）的运动规律。上述状态实际上与各种机械均有相似之处，如柴油机、冲床、起重机、轧钢机、甚至自动武器等，因此上述分析方法也可供研究其他设备之用。实验三曲柄滑块、导杆、凸轮实验一、实验目的•1）通过实验、了解位移、速度、加速度的测定方法；转速及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）的基本原理，并掌握它们的使用方法；•3）通过比较理论运动线图与实测运动线图的差异，并分析其原因，增加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）检测凸轮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、实验系统1．实验系统组成实验系统框图如图1所示，它由一下设备组成：•（1）实验机构----曲柄滑块、导杆、凸轮组合机构；•（2）QTD-Ⅲ型组合机构实验仪（单片机控制系统）；•（3）打印机；•（4）个人电脑一台；•（5）光电脉冲编码器；•（6）同步脉冲发生器（或称角度传感器）。图12．实验机构主要技术参数•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＝500×380×230•电源220V/50Hz3．实验机构结构特点•该组合实验装置，只需拆装少量零部件，即可分别构成四种典型的传动系统，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。而每一种机构的某一些参数，如曲柄长度、连杆长度、滚子偏心等都可在一定范围内作一些调整，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影响也会有更好的认识。4．组合机构实验仪（1）实验仪外形布置此实验仪的外形结构如图2所示，图2（a）为正面结构，图2（b）为背面结构。图2（a）图2（b）（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控制系统的原理框图如图3所示。图3图4为实验系统外观图4三、实验操作步骤1．系统联接及启动（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）启动机械教学组合实验系统图5图6图72．组合机构实验操作1曲柄滑块运动机构实验将曲柄滑块机构组装好。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芯插头分别插入测试仪上相对应接口上。把串行传输线一头插在计算机任一串口上，另一头插在实验仪的串口上。（2）打开QTD-Ⅲ组合机构实验仪上的电源，此时带有LED数码管显示的面板上将显示0。（3）打开个人计算机。（4）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。（5）机构运转正常后，就可在计算机上进行操作了。请启动系统软件。（6）选择好串口，并在弹出的采样参数设置区内选择相应该的采样方式和采样常数。你可以选择是定时采样方式，采样的时间常数有10个选择档（分别是：2ms、5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、50ms），比如选25ms；你也可以选择定角采样方式，采样的角度常数有5个选择档（分别是：2度、4度、