1、實驗一 機械原理展示開放實驗一、 實驗目的了解常見機構的類型、特點、用途、基本原理以及運動特性，對機械原理課程有一個全面的感性認識，培養對本課程的學習興趣。二、 實驗設備本實驗設備為VCD視盤機控制的機構學示教板，它由10個機構陳列柜組成，主要展示常見的各類機構，介紹機構的型式和用途，演示機構的基本原理和運動特性。機構學示教板三、實驗內容1. 序言，介紹了單缸汽油機、蒸汽機和家用縫紉機三種典型機器以及各種運動副。2. 平面連桿機構。3. 機構運動簡圖及平面連桿機構的應用。4. 凸輪機構。盤形凸輪、移動凸輪、空間凸輪。5. 齒輪機構。平行軸齒輪傳動、相交軸齒輪傳動、相錯軸齒輪傳動。6. 漸開線齒

2、輪的基本參數及漸開線、擺線的形成。7. 周轉輪系。8. 間歇運動機構。棘輪機構、槽輪機構、齒輪式間歇機構、連桿停歇機構。9. 組合機構。串聯組合、并聯組合、疊合組合。10. 空間機構。空間四桿機構、空間連桿機構、空間五桿機構、空間六桿機構。實驗二 機構運動簡圖的測繪和自由度預備知識1. 什么是機構？什么是機構運動簡圖？2. 構件、零件、運動副的定義是什么？機構具有確定運動的條件是什么？一、 實驗目的1. 學會依照實際的機器或機構模型，繪制機構運動簡圖；2. 鞏固和驗證機構自由度的計算方法；3. 分析機構具有確定運動的必要條件和加深對機構分析的了解。二、 設備和工具1. 各種實際機器及各種機構模

3、型；2. 鋼板尺、卷尺、內外卡尺、量角器等；3. 自備鉛筆、橡皮、草稿紙等。三、 實驗原理和方法由于機構的運動僅與機構中可動的構件數目、運動副的數目和類型及相對位置有關，因此，繪制機構運動簡圖要拋開構件的外形及運動副的具體構造，而用國家標準規定的簡略符號來代表運動副和構件（可參閱GB446084“機構運動簡圖符號”），并按一定的比例尺表示運動副的相對位置，以此說明機構的運動特征。要正確地反映機構的運動特征，就必須首先清楚地了解機構的運動。其方法是：1. 在機構緩慢運動中觀察，搞清運動的傳遞順序，找出機構的原動構件、從動構件（包括執行機構）和固定構件（機架）。2. 確定組成機構的可動構件數目以及

4、構件之間所形成的相對運動關系（即組成何種運動副）。3. 分析各構件的運動平面，選擇多數構件的運動平面作為運動簡圖的視圖平面。4. 將機構停止在適當的位置（即能反映全部運動副和構件的位置），確定原動件，并選擇適當比例尺，按照與實際機構相應的比例關系，確定其它運動副的相對位置，直到機構中所有運動副全部表示清楚。5. 測量實際機構的運動尺寸，如轉動副的中心距、移動副的方向、齒輪副的中心距等。6. 按所測的實際尺寸，修定所畫的草圖并將所測的實際尺寸標注在草圖上的相應位置，按同一比例尺將草圖畫成正規的運動簡圖。7. 按運動的傳遞順序用數字1，2，3和大寫字母A，B，C分別標出構件和運動副。8. 按機構自

5、由度的計算公式計算機構的自由度，并檢查是否與實際機構相符，以檢驗運動簡圖的正確性。四、 實驗步驟1. 觀察所畫機構，搞懂運動原理；2. 熟悉運動副的標準代表符號；3. 描繪簡圖的草圖；4. 測量實際機構的運動尺寸并標注在草圖上；5. 選擇比例尺，標注構件和運動副；6. 計算機構的自由度；7. 做機構的結構分析。實驗三 回轉構件的動平衡實驗預備知識：1. 動平衡和靜平衡的基本概念；2. 動平衡的理論依據是什么？3. 質徑積、相位的含義是什么？一、 實驗目的：1. 鞏固動平衡的基本理論知識；2. 通過“補償重徑積式”動平衡實驗機的平衡原理和實踐，加深對動平衡理論的理解。二、實驗設備及工具：1. J

6、DK-1型“補償式”動平衡實驗機；2. 實驗專用轉子；3. 平衡用重塊或橡皮泥；4. 天平和砝碼；三、 實驗原理和方法1. 實驗原理理論上已經闡明，任何回轉構件的動不平衡，都可以認為是分別由該構件上任意選擇的兩個回轉平面T和T的不平衡重量m0和m0所產生的。因此，在進行動平衡實驗時，便可以不管被平衡構件的實際不平衡量所在的位置及大小如何，只需要根據構件的實際外形的許可，任選兩個回轉平面作為平衡校正面，且把不平衡重量m0和m0看作就處在被選定的兩個平衡校正面上，然后針對m0和m0進行平衡，就可以達到使整個構件平衡的目的。2. 實驗機的結構概述和實驗方法本實驗采用補償式平衡實驗機，又叫框架式平衡實

7、驗機。它是利用補償重徑積法測定兩個平衡校正面的不平衡量m0和m0的大小和相位，它的結構如圖6-2所示。框架1經彈簧2與固定機架3相連接，并被OX軸線以刀口的形式所支撐，構成了一個以OX軸線為支撐的振擺系統。在框架上裝有主軸4，由固定在機架上的電動機14通過皮帶和帶輪12所驅動。在主軸上還裝有斜齒輪6，它與齒輪5齒數相等并互相嚙合，構成交錯軸斜齒輪傳動。齒輪6還可以沿主軸4作軸向移動，移動的距離和齒輪6的軸向寬度相等。略比齒輪5的基圓周長大一些，當調整手輪18時可以使齒輪6左右移動，齒輪5和固定的軸9也可以同時回轉。齒輪5與圓盤7固定在軸9上，圓盤8除隨軸9轉動外，可以通過調節手輪17使之沿軸9

8、上下移動，以改變兩圓盤間的距離LC，LC值由指針16指示。圓盤7、8大小、質量完全相等，上面各裝有一個質量為mC的重塊，其質心都與回轉軸線相距rC，但相位差1800。因此，當圓盤7、8轉動時，mC的離心力FC便構成了一個可調的力偶矩FCLC，它與框架振擺面的夾角以C表示，軸9上端的指針15即用來指示FCLC的作用平面和方向，指針的指向即為FCLC的轉向，調節手輪18就可調節瞬時的C值。實驗時，將待平衡的專門轉子10架于兩個滾動支撐13上，由主軸4帶動。此時轉子的不平衡質量可以看成在所選的兩個平衡校正面T和T內，由向量半徑分別為r0和r0的兩個不平衡質量m0和m0所產生。平衡時可先令校正面T通過

9、振擺軸線OX，如圖中所示。當轉子轉動以后，T面上的的離心力F10所產生的力矩為零，不引起框架的振動，而T面上的不平衡量m0產生的離心力F10對振擺軸線OX形成力矩M0，使框架發生振動，其大小為：M0F10Lcos圖2 JDK-1型動平衡實驗臺振幅可由指針20指示。同時主軸4帶動齒輪6、5，因而圓盤7、8以相同的轉速旋轉。FCLC對于OX軸也產生力偶矩MC，也直接影響框架的振動。這樣就產生了補償質徑積mCrC的力偶矩MC，其大小為MCFCLCcosC。因此，使框架產生繞OX軸振動的合力矩大小為：MM0MC當M0時，框架便靜止不動，此時M0的方向和MC的方向相反，故：MM0MCF10LFCLCco

10、sC則 F10LFCLCcosC0即 m0r0LcosmCrCcosC0滿足上式的條件為：= （1）C （2）所以，通過移動圓盤8來調節LC滿足（6-1）式條件，移動齒輪6來調節C滿足（2）式條件，當兩條件都滿足以后框架便靜止不動。此時將動平衡機所指示的LC值代入（1）式，便可求得m0r0的大小。因為（6-1）式中的mCrC和L是動平衡機已知的參數，故可寫成：m0r0CLC當選定所加平衡質量的半徑r0后，m0即可確定：= （3）根據（3）式即可確定平衡質量的大小。相位的確定是這樣的：當滿足機器平衡條件后使機器停止轉動，將指針15轉到與OX軸線垂直的方向上，此時m0的相位必定在T校正面的垂直方向

11、上，然后根據補償力偶矩的已知方向，選擇與力偶方向相反方向即為平衡重量m0所在的實際相位了。適當選擇r0，即可求得m0，對T校正面的平衡也按同樣的方法進行，從而完成對整個轉子的平衡。四、實驗步驟1. 充分了解試驗機的整體結構和各部分的作用以及調整的方法和順序。2. 記錄所用試驗機的固有參數C。3. 調節手輪17使指針16所指示的LC值為零，在無轉子的條件下啟動電機，此時框架應無振動，指針20所指示的振幅也應為零。4. 將轉子裝在主軸4上，啟動電機使轉子轉動，此時T校正面應與OX支撐軸在同一個垂直面內，框架只是在T校正面內的不平衡重徑積作用下開始振擺，此時的振擺是單一的M0作用的結果。5. 調節手

12、輪17，使圓盤8上升一初距LC，此時可產生一個補償力偶矩MC，框架的振擺作用力矩就不是單一的，而是M0和MC的合成。6. 調節手輪18，改變補償力矩MC的相位，使C，此時振幅指示應相對最小。7. 再仔細調節手輪17，改變LC的大小，直到振幅為零滿足CLCm0r0的條件，此時記下LC的值。8. 計算m0r0的值。m00CLC9. 選擇r0的大小（測量T面圓弧槽中心到轉軸的距離），計算m0的值。10. 在天平上稱得一份質量為m0的重塊（螺栓加橡皮泥的重），加在槽的中心并緊固。啟動電機，此時框架又振動起來，這時的振動作用力矩完全是由MC所致，因為M0已被m0r0所平衡。此時調節手輪17，使Lc0，框

13、架應無振動。11. 掉轉專門轉子方向，再用同樣的步驟和方法平衡T面，整個轉子才被完全平衡好。五、 注意事項：1. 要注意安全，安裝轉子及重塊螺栓一定要裝牢固，以免脫開傷人。2. 框架的平衡指示20不可能一點不動，只要振幅小于1mm左右，即認為平衡。3. 用天平稱重時，應精確到0.1g。4. 填好實驗報告，回答報告中的思考題。實驗四 機械運動參數的測定一、實驗目的1、 通過實驗，了解位移、速度、加速度的測定方法；角位移、角速度、角加速度的測定方法；轉速及回轉不勻率的測定方法；2、 通過實驗，初步了解“MEC-B機械動態參數測試儀”及光電脈沖編碼器、同步脈沖發生器（或稱角度傳感器）的基本原理，并掌

14、握它們的使用方法；3、 通過比較理論運動線圖與實測運動線圖的差異，并分析其原因，增加對速度、角速度，特別是加速度、角加速度的感性認識；4、 比較曲柄導桿滑塊機構與曲柄滑塊機構的性能差別。二、實驗設備本試驗的試驗系統如圖1所示，它由以下設備組成：實驗機構光電脈沖編碼器同步脈沖發生器MEC-B機械動態參數測試儀磁帶記錄儀CRT顯示器四色繪圖儀圖1 MECB機械運動參數測試實驗系統1、實驗機構； 2、MEC-B機械動態參數測試儀；3、PP-40四色繪圖儀；4、磁帶記錄儀（普通家用錄音機）；5、光電脈沖編碼器（也可采用其它各種數字式或模擬式傳感器）；6、同步脈沖發生器（或稱角度傳感器）。三、工作原理1

15、、 實驗機構本實驗配套的為曲柄滑塊機構及曲柄導桿滑塊機構（也可采用其它各類實驗機構），其原動力采用直流調速電機，電機轉速可在03600r/min范圍作無級調速。經蝸桿蝸輪減速器減速，機構的曲柄轉速為0120 r/min。1同步脈沖發生器 2.蝸輪減速器 3曲柄 4連桿 5電機 6滑塊7齒輪 8光電脈沖編碼器 9導塊 10導桿圖2 實驗機構簡圖圖2所示為實驗機構的簡圖，利用往復運動的滑塊推動光電脈沖編碼器，輸出與滑塊位移相當的脈沖信號，經測試儀處理后將可得到滑塊的位移、速度及加速度。圖6-4（a）為曲柄滑塊機構的結構形式，圖6-4（b）為曲柄導桿滑塊機構的結構形式，后者是前者經過簡單的改裝而得到

16、的，在本裝置中已配有改裝所必備的零件。2、 MEC-B機械動態參數測試儀MECB型機械動態參數測試儀是以機械運動量的測量為主，具有較強通用性的智能化儀器。其結構和原理詳見后面所附MECB型機械動態參數測試儀使用說明書。以本測試儀為主體的整個測試系統的原理框圖如圖3所示。圖3 測試系統原理圖在實驗機構的運動過程中，滑塊的往復移動通過光電脈沖編碼器轉換輸出具有一定頻率（頻率與滑塊往復速度成正比），05V電平的兩路脈沖，接入測試儀數字量通道由計數器計數。也可采用模擬傳感器，將滑塊位移轉換為電壓值，接入測試儀模擬通道，通過A/D轉換口轉變為數字量。測試儀具有內觸發和外觸發兩種采樣方式。（詳見操作說明書

17、）當采用內觸發方式時，可編程定時器按操作者所置入的采樣周期要求輸出定時觸發脈沖。同時微處理器輸出相應的切換控制信號，通過電子開關對鎖存器或采樣保持器發出定時觸發信號，將當前計數器的計數值或模擬傳感器的輸出電壓值保持。經過一定延時，由可編程并行口或A/D轉換讀入微處理器中，并按一定格式存儲在機內RAM區中。若采用外觸發采樣方式，可通過同步脈沖發生器將機構曲柄的角位移（20、40、60、80、100）信號轉換為相應的觸發脈沖，并通過電子開關切換發出采樣觸發信號。利用測試儀的外觸發采樣功能，可獲得以機構主軸角度變化為橫坐標的機構運動線圖。機構的速度、加速度數值由位移經數值微分和數字濾波得到。與傳統的

18、RC電路測量法或分別采用位移、速度、加速度測量儀器的系統相比，具有測試系統簡單，性能穩定可靠、附加相位差小、動態響應好等優點。本測試系統測試結果不但可以以曲線形式輸出，還可以直接打印出各點數值，克服了以往測試方法必須對記錄曲線進行人工標定和數據處理而帶來較大的幅值誤差和相位誤差等問題。MEC-B測試儀由于采用微處理機及相應的外圍設備，因此在數據處理的靈活性和結果顯示、記錄、打印的便利、清晰、直觀等方面明顯優于非微機化的同類儀器。另外，操作命令采用代碼和專用鍵相結合，操作靈活方便，實驗準備工作非常簡單，在學生進行實驗時稍作講解學生即可使用。3、 光電脈沖編碼器1. 燈泡2. 聚光鏡3. 光電盤4

19、. 光欄板5. 光敏管6. 主軸圖4 光電脈沖編碼器結構原理圖光電脈沖編碼器又稱增量式光電編碼器，它是采用圓光柵通過光電轉換將軸轉角位移轉換成電脈沖信號的器件。它由燈泡，聚光透鏡、光電盤、光欄板、光敏管和光電整形放大電路組成。光電盤和光欄板是用玻璃材料經研磨、拋光制成。在光電盤上用照相腐蝕法制成有一組徑向光柵，他們與光電盤透光條紋的重合性差1/4周期。光源發出的光線經聚光鏡聚光后，發出平行光。當主軸帶動光電盤一起轉動時，光敏管就接收到光線亮、暗變化的信號，引起光敏管所通過的電流發生變化，輸出兩路相位差90的近似正弦波信號，它們經放大、整形得到兩路相位差90的主波d和d。d路信號經微分后加到兩個

20、與非門輸入端作為觸發信號；d路經反向器反向后得到兩個相位相反的方波信號，分別送到與非門剩下的兩個輸入端作為門控信號，與非門的輸入端即為光電脈沖編碼器的輸出信號端，可與雙時鐘可逆計數的加、減觸發端相接。當編碼器轉向為正時（如順時針），微分器取出d的前沿，與非門1打開，輸出一負脈沖，計數器作加計數；當轉向為負時，微分器取出d的另一前沿，與非門2打開，輸出一負脈沖，計數器作減計數。某一時刻計數器的計數值，即表示該時刻光電盤（即主軸）相對于光敏管位置的角位移量。微分器與非門2均衡放大器整形電路光敏管1反相器與非門1整形電路均衡放大器光敏管2圖5 光電脈沖編碼器電路原理框圖四、操作步驟1、 滑塊位移、速

21、度、加速度測量（1） 將PP40四色繪圖儀接入測試儀后板插座，打開CRT電源開關，啟動面板電源開關，數碼管顯示“P”，適當調整CRT亮度與對比度。若環境溫度超過30應打開風扇開關。（2） 調整同步脈沖發生器接頭與分度盤位置，使分度盤片插入同步脈沖發生器探頭的槽內。撥動聯軸器使分度盤轉動，每轉20度（即一個光柵）測試儀上的綠色指示燈閃爍一次，每轉一圈紅燈閃爍一次。一般第一次調好后即可，不需每次都調。（3） 將光電編碼器輸出5芯插頭及同步脈沖發生器輸出插頭分別插入測試儀5通道及9通道插座，在LED數碼顯示器上鍵入005512（T12×0.1ma即代表采樣周期，T12為0199間任一整數）

22、。若采用外觸發（即定角度）采樣方式，則鍵入0455T1T2（T1=15分別表示觸發角為20、40、60、80、100）。（4） 啟動機構，在機構電源接通前應將電機調速電位器逆時針旋轉至最低速位置，然后再接通電源，并順時針轉動調速電位器，使轉數逐漸加速至所需值（否則易燒斷保險絲，甚至損壞調速器），待機構運轉正常后，按EXEC鍵，儀器進入采樣狀態。采樣結束后，在CRT顯示屏上顯示位移變化曲線。采樣結束后先將電機調速至“零速”，然后再關閉機構電機，按MON鍵退出采樣狀態。（5） 脈沖當量設定鍵入4050.05后，按EXEC鍵，然后按MON鍵。“0.05”為光電脈沖編碼器的脈沖當量，它是按以下公式計算

23、出來的。脈沖當量計算公式：M=N0.05026mm脈沖（取為0.05）式中M脈沖當量齒輪分度圓直徑（現配齒輪16mm）N光電脈沖編碼器每周期脈沖數（現配編碼器N1000）（6） 位移、速度、加速度計算鍵入505nn采樣位移曲線周期數，一般為23 按EXEC鍵，儀器對通道已采集的位移數據進行數值微分、濾波、標定等處理，待處理結束后在CRT顯示屏上顯示位移、速度、加速度變化曲線及有關特征值數據。（7） 打印按PRINT鍵，即可將屏幕內容拷貝到打印機紙上打印結束后，按MON鍵退出當前狀態。2、 角位移、角速度、角加速度測量本實驗以曲柄為測試對象，其步驟如下：（1） 同步脈沖發生器調整方法同上。（2）

24、 將轉接線的5芯航空插頭接入測試儀第6通道，另一頭插入J1，,鍵入0066T1T2（定義同前）后按EXEC鍵。采樣結束后CRT顯示采樣角位移曲線。按MON鍵退出采樣。注：采用上述方法測曲柄角位移時，無外觸發采樣功能。（3） 脈沖當量設定鍵入4062.0（2.0表示20）。（4） 角位移、角速度、角加速度計算鍵入506n后按EXEC。n意義同前。此時取值與曲柄轉速和采樣周期有關，應加以計算后確定。一般可預置一個估計值計算后看一下角速度變化周期數，然后再重新計算即可。若采樣時T1T2與滑塊運動規律測試時相同，則n值也同樣。（5） 打印同上一節。3、 轉速及回轉不勻率測試（1） 同1、2將同步脈沖發

25、生器調整好，并將5芯航空插頭插入9通道。（2） 轉速測量鍵入指令300 EXEC該指令執行后，在LED顯示器上不斷間隔顯示被測軸當時的平均轉速。按RESET鍵，結束測試過程，返回等待狀態“P”。（3） 回轉不勻率測試鍵入指令 3199T2 EXEC角度代碼T212345分 度 角20406080100轉速范圍（r/m）24003800412006160072000如上表，若鍵入T21則表示每隔20觸發采樣一次轉速值，所測各點速度值即為采樣瞬時被測軸每轉過20的平均值；若鍵入T2=5，則表示每轉過100的平均值。顯而易見，對同一被測軸，若存在有回轉不勻問題，則鍵入T2=1與T2=5所得結果是有所

26、差別的。被測軸回轉越不穩定，它們的差別一般越大。T2應取多少，由具體情況而定。在允許范圍內T2應取盡可能小。測時結束后，在CRT上顯示回轉不勻率動態曲線及特征值。打印：按PRINT鍵即可。實驗八 機構創新設計實驗 本實驗可分為初級實驗和高級實驗，分兩個實驗進行。初級實驗是用不同的構件搭建指定的機構，從而驗證相關基本理論知識；高級實驗的主要內容是進行機構及運動方案的創意設計及分析。 一、實驗目的 初級實驗的實驗目的為下面的（1）、（2）、（3），高級實驗的實驗目的為下面的（4）、（5）。 （1）觀察以不同構件為機架時各構件的運動情況，從而掌握機構的機架變換與創新機構，加深對機構的結構組成和運動確定性的認識； （2）加深對平面連桿機構曲柄的存在條件、極限位置、極位夾角、擺角、傳動角、壓力角、死點位置等與系統方案設計相關的概念的理解；