华北理工大学机械原理实验指导剖析 - 图文

实验一 机械原理展示开放实验

一、 实验目的

了解常见机构的类型、特点、用途、基本原理以及运动特性，对《机械原理》课程有一个全面的感性认识，培养对本课程的学习兴趣。

二、 实验设备

本实验设备为VCD视盘机控制的机构学示教板，它由10个机构陈列柜组成，主要展示常见的各类机构，介绍机构的型式和用途，演示机构的基本原理和运动特性。

机构学示教板

三、实验内容 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

序言，介绍了单缸汽油机、蒸汽机和家用缝纫机三种典型机器以及各种运动副。 平面连杆机构。

机构运动简图及平面连杆机构的应用。

凸轮机构。盘形凸轮、移动凸轮、空间凸轮。

齿轮机构。平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动、相错轴齿轮传动。 渐开线齿轮的基本参数及渐开线、摆线的形成。 周转轮系。

间歇运动机构。棘轮机构、槽轮机构、齿轮式间歇机构、连杆停歇机构。 组合机构。串联组合、并联组合、叠合组合。

空间机构。空间四杆机构、空间连杆机构、空间五杆机构、空间六杆机构。

实验二 机构运动简图的测绘和自由度

预备知识

1. 什么是机构？什么是机构运动简图？ 2. 构件、零件、运动副的定义是什么？ 机构具有确定运动的条件是什么？ 一、 实验目的

1. 学会依照实际的机器或机构模型，绘制机构运动简图； 2. 巩固和验证机构自由度的计算方法；

3. 分析机构具有确定运动的必要条件和加深对机构分析的了解。 二、 设备和工具

1. 各种实际机器及各种机构模型；

2. 钢板尺、卷尺、内外卡尺、量角器等； 3. 自备铅笔、橡皮、草稿纸等。 三、 实验原理和方法

由于机构的运动仅与机构中可动的构件数目、运动副的数目和类型及相对位置有关，因此，绘制机构运动简图要抛开构件的外形及运动副的具体构造，而用国家标准规定的简略符号来代表运动副和构件（可参阅GB4460－84“机构运动简图符号”），并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此说明机构的运动特征。

要正确地反映机构的运动特征，就必须首先清楚地了解机构的运动。其方法是： 1. 在机构缓慢运动中观察，搞清运动的传递顺序，找出机构的原动构件、从动构件（包括执行机构）和固定构件（机架）。

2. 确定组成机构的可动构件数目以及构件之间所形成的相对运动关系（即组成何种运动副）。

3. 分析各构件的运动平面，选择多数构件的运动平面作为运动简图的视图平面。 4. 将机构停止在适当的位置（即能反映全部运动副和构件的位置），确定原动件，并选择适当比例尺，按照与实际机构相应的比例关系，确定其它运动副的相对位置，直到机构中所有运动副全部表示清楚。

5. 测量实际机构的运动尺寸，如转动副的中心距、移动副的方向、齿轮副的中心距等。

6. 按所测的实际尺寸，修定所画的草图并将所测的实际尺寸标注在草图上的相应位置，按同一比例尺将草图画成正规的运动简图。

7. 按运动的传递顺序用数字1，2，3……和大写字母A，B，C……分别标出构件和运动副。

8. 按机构自由度的计算公式计算机构的自由度，并检查是否与实际机构相符，以检验运动简图的正确性。

四、 实验步骤

1. 观察所画机构，搞懂运动原理； 2. 熟悉运动副的标准代表符号； 3. 描绘简图的草图；

4. 5. 6. 7. 测量实际机构的运动尺寸并标注在草图上； 选择比例尺，标注构件和运动副； 计算机构的自由度； 做机构的结构分析。

实验三 回转构件的动平衡实验

预备知识：

1. 动平衡和静平衡的基本概念； 2. 动平衡的理论依据是什么？ 3. 质径积、相位的含义是什么？ 一、 实验目的：

1. 巩固动平衡的基本理论知识；

2. 通过“补偿重径积式”动平衡实验机的平衡原理和实践，加深对动平衡理论的理解。

二、实验设备及工具：

1. JDK-1型“补偿式”动平衡实验机； 2. 实验专用转子；

3. 平衡用重块或橡皮泥； 4. 天平和砝码； 三、 实验原理和方法 1. 实验原理 理论上已经阐明，任何回转构件的动不平衡，都可以认为是分别由该构件上任意选择的两个回转平面T′和T″的不平衡重量m0′和m0″所产生的。因此，在进行动平衡实验时，便可以不管被平衡构件的实际不平衡量所在的位置及大小如何，只需要根据构件的实际外形的许可，任选两个回转平面作为平衡校正面，且把不平衡重量m0′和m0″看作就处在被选定的两个平衡校正面上，然后针对m0′和m0″进行平衡，就可以达到使整个构件平衡的目的。

2. 实验机的结构概述和实验方法 本实验采用补偿式平衡实验机，又叫框架式平衡实验机。它是利用补偿重径积法测定两个平衡校正面的不平衡量m0′和m0″的大小和相位，它的结构如图6-2所示。

框架1经弹簧2与固定机架3相连接，并被O－X轴线以刀口的形式所支撑，构成了一个以O－X轴线为支撑的振摆系统。在框架上装有主轴4，由固定在机架上的电动机14通过皮带和带轮12所驱动。在主轴上还装有斜齿轮6，它与齿轮5齿数相等并互相啮合，构成交错轴斜齿轮传动。齿轮6还可以沿主轴4作轴向移动，移动的距离和齿轮6的轴向宽度相等。略比齿轮5的基圆周长大一些，当调整手轮18时可以使齿轮6左右移动，齿轮5和固定的轴9也可以同时回转。

齿轮5与圆盘7固定在轴9上，圆盘8除随轴9转动外，可以通过调节手轮17使之沿轴9上下移动，以改变两圆盘间的距离LC，LC值由指针16指示。圆盘7、8大小、质量完全相等，上面各装有一个质量为mC的重块，其质心都与回转轴线相距rC，但相位差1800。因此，当圆盘7、8转动时，mC的离心力FC便构成了一个可调的力偶矩FCLC，它与框架振摆面的夹角以φC表示，轴9上端的指针15即用来指示FCLC的作用平面和方向，指针的指向即为FCLC的转向，调节手轮18就可调节瞬时的φC值。

实验时，将待平衡的专门转子10架于两个滚动支撑13上，由主轴4带动。此时转子的不平衡质量可以看成在所选的两个平衡校正面T′和T″内，由向量半径分别为r0′和

r0″的两个不平衡质量m0′和m0″所产生。平衡时可先令校正面T″通过振摆轴线O－X，如图中所示。当转子转动以后，T″面上的的离心力F10″所产生的力矩为零，不引起框架的振动，而T’面上的不平衡量m0′产生的离心力F10′对振摆轴线O－X形成力矩M0，使框架发生振动，其大小为：M0＝F10′Lcosφ

图2 JDK-1型动平衡实验台

振幅可由指针20指示。同时主轴4带动齿轮6、5，因而圆盘7、8以相同的转速旋转。FCLC对于O－X轴也产生力偶矩MC，也直接影响框架的振动。这样就产生了补偿质径积mCrC的力偶矩MC，其大小为MC＝FCLCcosφC。因此，使框架产生绕O－X轴振动的合力矩大小为：

M＝M0＋MC

当M＝0时，框架便静止不动，此时M0的方向和MC的方向相反，故： M＝M0－MC＝F10′L－FCLCcosφC 则 F10′L－FCLCcosφC＝0

即 m0′r0′Lcosφ－mCrCcosφC＝0 满足上式的条件为：

m0'r0'=mCrCLC （1） Lφ＝φC （2）

所以，通过移动圆盘8来调节LC满足（6-1）式条件，移动齿轮6来调节φC满足（2）式条件，当两条件都满足以后框架便静止不动。此时将动平衡机所指示的LC值代入（1）式，便可求得m0′r0′的大小。因为（6-1）式中的mCrC和L是动平衡机已知的参

数，故可写成：

m0′r0′＝CLC

当选定所加平衡质量的半径r0′后，m0′即可确定：

m0'=

LCC （3） r0'根据（3）式即可确定平衡质量的大小。相位的确定是这样的：当满足机器平衡条件后使机器停止转动，将指针15转到与O－X轴线垂直的方向上，此时m0′的相位必定在T′校正面的垂直方向上，然后根据补偿力偶矩的已知方向，选择与力偶方向相反方向即为平衡重量m0′所在的实际相位了。适当选择r0′，即可求得m0′，对T″校正面的平衡也按同样的方法进行，从而完成对整个转子的平衡。

四、实验步骤

1. 充分了解试验机的整体结构和各部分的作用以及调整的方法和顺序。 2. 记录所用试验机的固有参数C。

3. 调节手轮17使指针16所指示的LC值为零，在无转子的条件下启动电机，此时框架应无振动，指针20所指示的振幅也应为零。

4. 将转子装在主轴4上，启动电机使转子转动，此时T″校正面应与O－X支撑轴在同一个垂直面内，框架只是在T′校正面内的不平衡重径积作用下开始振摆，此时的振摆是单一的M0作用的结果。

5. 调节手轮17，使圆盘8上升一初距LC，此时可产生一个补偿力偶矩MC，框架的振摆作用力矩就不是单一的，而是M0和MC的合成。

6. 调节手轮18，改变补偿力矩MC的相位，使φC＝φ，此时振幅指示应相对最小。 7. 再仔细调节手轮17，改变LC的大小，直到振幅为零满足CLC＝m0′r0′的条件，此时记下LC的值。

8. 计算m0′r0′的值。m0′0′＝CLC

9. 选择r0′的大小（测量T’面圆弧槽中心到转轴的距离），计算m0′的值。 10. 在天平上称得一份质量为m0′的重块（螺栓加橡皮泥的重），加在槽的中心并紧固。启动电机，此时框架又振动起来，这时的振动作用力矩完全是由MC所致，因为M0已被m0′r0′所平衡。此时调节手轮17，使Lc＝0，框架应无振动。

11. 掉转专门转子方向，再用同样的步骤和方法平衡T″面，整个转子才被完全平衡好。

五、 注意事项：

1. 要注意安全，安装转子及重块螺栓一定要装牢固，以免脱开伤人。

2. 框架的平衡指示20不可能一点不动，只要振幅小于1mm左右，即认为平衡。 3. 用天平称重时，应精确到0.1g。

4. 填好实验报告，回答报告中的思考题。

实验四 机械运动参数的测定

一、实验目的

1、 通过实验，了解位移、速度、加速度的测定方法；角位移、角速度、角加速度的测定方法；转速及回转不匀率的测定方法；

2、 通过实验，初步了解“MEC-B机械动态参数测试仪”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，增加对速度、角速度，特别是加速度、角加速度的感性认识；

4、 比较曲柄导杆滑块机构与曲柄滑块机构的性能差别。

二、实验设备

本试验的试验系统如图1所示，它由以下设备组成： 实 验 机 构 MEC-B 机 械 动 态 参 数 测试仪 磁带记录仪 光电脉冲编码器 CRT显示器 同步脉冲发生器 四色绘图仪 图1 MEC－B机械运动参数测试实验系统

1、实验机构； 2、MEC-B机械动态参数测试仪；3、PP-40四色绘图仪；4、磁带记录仪（普通家用录音机）；5、光电脉冲编码器（也可采用其它各种数字式或模拟式传感器）；6、同步脉冲发生器（或称角度传感器）。

三、工作原理

1、 实验机构

本实验配套的为曲柄滑块机构及曲柄导杆滑块机构（也可采用其它各类实验机构），其原动力采用直流调速电机，电机转速可在0~3600r/min范围作无级调速。经蜗杆蜗轮减速器减速，机构的曲柄转速为0~120 r/min。

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—光电脉冲编码器 9—导块 10—导杆

图2 实验机构简图

图2所示为实验机构的简图，利用往复运动的滑块推动光电脉冲编码器，输出与滑块位移相当的脉冲信号，经测试仪处理后将可得到滑块的位移、速度及加速度。图6-4（a）为曲柄滑块机构的结构形式，图6-4（b）为曲柄导杆滑块机构的结构形式，后者是前者经过简单的改装而得到的，在本装置中已配有改装所必备的零件。

2、 MEC-B机械动态参数测试仪

MEC－B型机械动态参数测试仪是以机械运动量的测量为主，具有较强通用性的智能化仪器。其结构和原理详见后面所附《MEC－B型机械动态参数测试仪使用说明书》。

以本测试仪为主体的整个测试系统的原理框图如图3所示。

图3 测试系统原理图

在实验机构的运动过程中，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（频率与滑块往复速度成正比），0－5V电平的两路脉冲，接入测试仪数字量通道由计数器计数。也可采用模拟传感器，将滑块位移转换为电压值，接入测试仪模拟通道，通过A/D转换口转变为数字量。

测试仪具有内触发和外触发两种采样方式。（详见操作说明书）当采用内触发方式时，可编程定时器按操作者所置入的采样周期要求输出定时触发脉冲。同时微处理器输出相应的切换控制信号，通过电子开关对锁存器或采样保持器发出定时触发信号，将当前计数器的计数值或模拟传感器的输出电压值保持。经过一定延时，由可编程并行口或A/D转换读入微处理器中，并按一定格式存储在机内RAM区中。若采用外触发采样方式，可通过同步脉冲发生器将机构曲柄的角位移（20、40、60、80、100）信号转换为相应的触发脉冲，并通过电子开关切换发出采样触发信号。利用测试仪的外触发采样功能，可获得以机构主轴角度变化为横坐标的机构运动线图。

机构的速度、加速度数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，具有测试系统简单，性能稳定可靠、附加相位差小、动态响应好等优点。

本测试系统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必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。

MEC-B测试仪由于采用微处理机及相应的外围设备，因此在数据处理的灵活性和结果显示、记录、打印的便利、清晰、直观等方面明显优于非微机化的同类仪器。另外，操作命令采用代码和专用键相结合，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学生即可使用。

3、 光电脉冲编码器

1. 灯泡 2. 聚光镜 3. 光电盘 4. 光栏板 5. 光敏管 6. 主轴

图4 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。它由灯泡，聚光透镜、光电盘、光栏板、光敏管和光电整形放大电路组成。光电盘和光栏板是用玻璃材料经研磨、抛光制成。在光电盘上用照相腐蚀法制成有一组径向光栅，他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、整形得到两路相位差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’路经反向器反向后得到两个相位相反的方波信号，分别送到与非门剩下的两个输入端作为门控信号，与非门的输入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的另一前沿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。

微分器 整形电路 与非门2 均衡放大器 光敏管1 与非门1 整形电路 反相器 光敏管2 均衡放大器 图5 光电脉冲编码器电路原理框图

四、操作步骤

1、 滑块位移、速度、加速度测量

（1） 将PP－40四色绘图仪接入测试仪后板插座，打开CRT电源开关，启动面板电源开关，数码管显示“P”，适当调整CRT亮度与对比度。若环境温度超过30℃应

打开风扇开关。

（2） 调整同步脉冲发生器接头与分度盘位置，使分度盘片插入同步脉冲发生器探头的槽内。拨动联轴器使分度盘转动，每转20度（即一个光栅）测试仪上的绿色指示灯闪烁一次，每转一圈红灯闪烁一次。一般第一次调好后即可，不需每次都调。

（3） 将光电编码器输出5芯插头及同步脉冲发生器输出插头分别插入测试仪5通道及9通道插座，在LED数码显示器上键入0055Ｔ1Ｔ2（T1Ｔ2×0.1ma即代表采样周期，T1Ｔ2为01－99间任一整数）。

若采用外触发（即定角度）采样方式，则键入0455T1T2（T1=1~5分别表示触发角为20、40、60、80、100）。

（4） 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，然后再接通电源，并顺时针转动调速电位器，使转数逐渐加速至所需值（否则易烧断保险丝，甚至损坏调速器），待机构运转正常后，按EXEC键，仪器进入采样状态。采样结束后，在CRT显示屏上显示位移变化曲线。采样结束后先将电机调速至“零速”，然后再关闭机构电机，按MON键退出采样状态。

（5） 脉冲当量设定

键入4050.05后，按EXEC键，然后按MON键。“0.05”为光电脉冲编码器的脉冲当量，它是按以下公式计算出来的。

脉冲当量计算公式：

M=πΦ／N＝0.05026mm／脉冲（取为0.05） 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期脉冲数（现配编码器N＝1000） （6） 位移、速度、加速度计算 键入505n

n＝采样位移曲线周期数，一般为2～3

按EXEC键，仪器对通道已采集的位移数据进行数值微分、滤波、标定等处理，待处理结束后在CRT显示屏上显示位移、速度、加速度变化曲线及有关特征值数据。

（7） 打印

按PRINT键，即可将屏幕内容拷贝到打印机纸上 打印结束后，按MON键退出当前状态。 2、 角位移、角速度、角加速度测量 本实验以曲柄为测试对象，其步骤如下： （1） 同步脉冲发生器调整 方法同上。

（2） 将转接线的5芯航空插头接入测试仪第6通道，另一头插入J1，,键入0066T1T2（定义同前）后按EXEC键。

采样结束后CRT显示采样角位移曲线。按MON键退出采样。 注：采用上述方法测曲柄角位移时，无外触发采样功能。 （3） 脉冲当量设定

键入4062.0（2.0表示20）。

（4） 角位移、角速度、角加速度计算 键入506n后按EXEC。

n－意义同前。此时取值与曲柄转速和采样周期有关，应加以计算后确定。一般可预置一个估计值计算后看一下角速度变化周期数，然后再重新计算即可。若采样时T1T2与滑块运动规律测试时相同，则n值也同样。

（5） 打印 同上一节。

3、 转速及回转不匀率测试

（1） 同1、2将同步脉冲发生器调整好，并将5芯航空插头插入9通道。 （2） 转速测量

键入指令300 EXEC

该指令执行后，在LED显示器上不断间隔显示被测轴当时的平均转速。按RESET键，结束测试过程，返回等待状态“P”。

（3） 回转不匀率测试 键入指令 3199T2 EXEC 角度代码T2 分 度 角 转速范围（r/m） 1 20 2～400 2 40 3～800 3 60 4～1200 4 80 6～1600 5 100 7～2000 如上表，若键入T2＝1则表示每隔20触发采样一次转速值，所测各点速度值即为采样瞬时被测轴每转过20的平均值；若键入T2=5，则表示每转过100的平均值。显而易见，对同一被测轴，若存在有回转不匀问题，则键入T2=1与T2=5所得结果是有所差别的。被测轴回转越不稳定，它们的差别一般越大。T2应取多少，由具体情况而定。在允许范围内T2应取尽可能小。

测时结束后，在CRT上显示回转不匀率动态曲线及特征值。 打印：按PRINT键即可。

实验八 机构创新设计实验

本实验可分为初级实验和高级实验，分两个实验进行。初级实验是用不同的构件搭建指定的机构，从而验证相关基本理论知识；高级实验的主要内容是进行机构及运动方案的创意设计及分析。 一、实验目的

初级实验的实验目的为下面的（1）、（2）、（3），高级实验的实验目的为下面的（4）、（5）。

（1）观察以不同构件为机架时各构件的运动情况，从而掌握机构的机架变换与创新机构，加深对机构的结构组成和运动确定性的认识；

（2）加深对平面连杆机构曲柄的存在条件、极限位置、极位夹角、摆角、传动角、压力角、死点位置等与系统方案设计相关的概念的理解；

（3）将基本机构以不同的方式（串联、并联、复合、叠加）联接成组合机构，验证机构的组合原理与创新目的；

（4）通过独立自主地、创造性地进行机械系统运动方案的设计，启发培养创造性思维，培养独立确定机械系统运动方案设计与选型的能力；

（5）通过实验验证理论，培养发现问题和解决问题的能力。 2．实验设备和工具

机构创新组装件1套（不同长度的杆件、铰链、移动副、常规构件、零部件等），扳手、螺丝刀等工具以及量具1套。固定导路的位置和各构件的长度可无级的调节，构件和机架都是组合式的，可以方便地进行组装和拆卸。各组装件的名称、形状见图1，其尺寸、数量、编号见表1。

图1 构件和零件

3． 实验准备和注意事项

（1）实验前学生应认真阅读实验装置使用说明书，了解其使用方法；

（2）作初级实验的同学自行拟定为实现实验目的(1)、(2)、(3)的机构设计方案； （3）作高级实验的同学，由教师布置或同学自拟一些为满足一定工作要求而提出的机械系统运动方案设计的题目，学生进行运动方案的设计与选型。在进行机械系统运动方案设计时，在满足功能要求、运动性能要求的前提下，其运动方案越简单越好。 4．实验内容和实验任务

初级实验：

学生拟定好为实现实验目的（1）、（2）、（3）的机构设计方案后，即可到实验室按自己既定的方案进行拼装。并把实验方案、效果和存在的问题写入实验报告中。

高级实验： 首先，学生可以实验组方式进行活动，但每人要积极思考，发挥各自的主观能动性，大胆创新构思设计方案，可不局限于课本所学知识，大量查阅相关资料，到实践中观察分析相似机构，采用群智集中法、反求设计法等创新方法充分挖掘创造性潜能，设计出满足给定要求的多种方案，并画出机构运动简图，并设计计算出实现各方案所需的构件长度。

其次，学生可到实验室组装上述方案的实物模型，调整、检验组装机构的可动性，判断是否能实现预期的运动要求。从中发现问题，进行改进，通过定性的分析，运动仿真模拟等，确定最终设计方案，并绘出其工作原理图。

最后，写出包括设计题目，设计方案比较，实验过程，最终设计方案以及收获、体会在内的实验报告。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4gb3.html