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机构综合试验
机构运动参数的测试和分析实验
一、实验背景和意义
1.曲柄(导杆)滑块机构定义
曲柄滑块机构是铰链四杆机构的演化形式,由若干刚性构件用低副(回转副、移动副)连接而成的一种机构。
曲柄导杆滑块机构是由曲柄、连杆、滑块通过移动副和转动副组成的机构。
2.曲柄滑块机构的特性及应用
常用于将曲柄的回转运动变换为滑块的往复直线运动,或者将滑块的往复直线运动转换为曲柄的回转运动。
对曲柄滑块机构进行动特性分析是当已知各构件尺寸参数、位置参数和原运动件运动规律时,研究机构其余构件上个点的运动轨迹、位移、速度、加速度等,从而评价机构是否满足工作性能要求,机构是否发生运动干涉等。
曲柄滑块机构具有运动副为低副、各单元间为面接触,构成低副两元件的几何形状比较简单,加工方便,易于得到较高的制造精度等优点,因而在包括煤矿机械在内的各类机械中得到了广泛的应用,如自动送料机械、冲床、内燃机空气压缩机等。
3.传动特点
曲柄(导杆)曲柄滑块机构具有以下特点:
(1)曲柄(导杆)曲柄滑块机构中的运动副一般为低副。
低副两运动副元素为面接触,压强较小,可以承受较大的载荷:
且有利于润滑,磨损较小,此外,运动副元素的几何形状较简单,便于加工制造。
(2)在曲柄(导杆)曲柄滑块机构中,当原动件的运动规律不变时,可以改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。
(3)在曲柄(导杆)曲柄滑块机构中,连杆上各点的轨迹是不同形状的曲线,其形状还随着各构件的相对长度的改变而改变,从而可以得到形式多的连杆曲线,我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求。
(4)曲柄滑块机构还可以方便地用来达到增力、扩大行程和实现远距离传动的目的。
4.曲柄(导杆)曲柄滑块机构的研究意义
曲柄(导杆)曲柄滑块机构使用一种常用的机构,有着广泛的应用。
对这个问题进行深入的研究是有意义的。
对于给定唯一的平面曲柄—滑块机构进行综合,通过采用矩阵法和图解法。
利用位移矩阵法求解,需要求解非线性方程组。
不仅要求出迭代初值,而且只能求出一个解。
利用几何作图法对于给定曲柄和滑块两对在对应位置关系设计曲柄—滑块机构的问题,可以十分简单地加以解决。
而对于复杂的问题,如要求曲柄和滑块实现四对、五对对应位置,这时作图法是难以实现的。
在研究曲柄—滑块机构的相对极与曲柄转角及滑块位移的基础上,采用计算机符号推到,能导出平面曲柄—滑块机构综合问题的一元三次方程。
从而不给初值就可以求出问题的全部解。
连续法则通过构造初始方程,采用二次齐化技术求出了全部解。
研究该机构的方法很多,不同的方法侧重点不一样都具有很大的意义。
二、实验目的
1.掌握机构运动的周期性变化规律,并学会机构运动参数如位移、速度和加速度等的测试原理和方法;
2.学会运用多通道通用实验仪器、传感器等先进实验技术手段开展实验研究的方法;
3.利用计算机对平面机构动态参数进行采集、处理,作出实测的动态参数曲线,并通过计算机对该平面机构的运动进行数值仿真,作出相应的动态参数曲线,从而实现理论与实际的紧密结合。
三、实验内容
1.测试曲柄导杆机构、曲柄滑块机构等机构的构件转角、移动位移等运动参数;
2.比较实测参数曲线与理论仿真曲线的差异。
四、实验设备(系统)及原理
(一)系统组成
QTD-III型曲柄、导杆、凸轮组合实验台
系统组成如图1所示
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。
他们分别是曲柄滑块机构、曲柄导杆机构、平底直动从动杆凸轮机构和滚子直动从动杆凸轮机构。
具体结构示意图如下图所示。
(a)曲柄滑块机构
(b)曲柄导杆机构
1、同步脉冲发生器2、涡轮减速器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
该系统使用的组合机构实验仪操作面板如图3所示。
(二)系统工作原理
组合机构实验仪测试原理如图4所示
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,可实时显示待测机构运动时,曲柄轴的转速,同时可与PC机进行通讯。
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(频率与滑块往复速度成正比)、0-5伏电平的两路脉冲,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后,输入PC机进行处理,通过软件、CRT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,即角度传感器(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、加速度数值经数值微分和数字滤波得到。
五、曲柄(导杆)滑块机构的运动学分析
机构运动分析的任务是已知机构尺寸及原动件运动规律的情况下,确定机构中其他构件上某些点的轨迹、位移、速度计加速度和构件的角位移、角速度及角加速度。
上述这些内容,无论是设计新的机械,还是为了了解现有机械的运动性能,都是十分必要的。
通过对机构的位移和轨迹分析,可以考察某构件是否能实现预定的位置、构件上的某点是否能实现预定的轨迹要求,可以确定从动件的形成或所需的运动空间,据此运动中是否发生碰撞干涉或确定机构的外廓尺寸。
通过速度和加速度的分析,可以了解机构从动件的速度、加速度变化规律能否满足运动要求。
机构运动分析的方法很多,主要有图解法和解析法。
当需要简洁直观地了解机构的某个或某几个位置的运动特性时,采用图解法比较方便,而且精度也能满足实际问题的需要。
而当需要精确地知道机构在整个运动循环过程中的运动特性时,采用解析法并借助计算机,不仅可以获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果,并能绘出机构相应的运动线图,同时还可以吧机构分析和机构综合问题结合起来,以便于机构的优化设计。
1、对心曲柄滑块机构运动分析
由图可得任意时刻滑块运行距离:
且
所以
所以
且
所以
所以有滑块运行距离:
滑块速度V为:
滑块加速度为:
六、实验操作步骤
<一>、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点亮,运动学实验系统应用程序将自动启动。
如图6所示,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是键入的通讯口(COM1或COM2)点击图6中间的运动机构图象,将出现如图7的运动学机构实验系统界面,点击串口选择,正确选择(COM1,COM2,)点击数据选择键,等待数据输入。
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5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”键。
同样在图7界面中点击串口选择键,正确选择(COM1或COM2)。
并点击数据和采集键,等待数据输入。
<二>、组合机构实验操作
1、曲柄滑块运动机构实验
按图2(a)将机构组装为曲柄滑块机构
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QTD-III组合机构实验仪上相对应接口上。
(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)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。
(4)机构运转正常后,就可在计算机上进行操作了。
(5)请先熟悉系统软件的界面及各项操作的功能。
(请参阅操作系统软件简介)
(6)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。
你可以选择定时采样方式,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),例如选采样周期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、6度、8度、10度),例如选择每隔4度采样一次。
(7)在“标定值输入框”中输入标定值0.05(标定值计算方法见附录)
(8)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)
(9)当采样完成后,在界面将出现“运动曲线绘制区”,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。
(10)按下“数据分析”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。
(11)打开打印窗口,可以打印数据和运动曲线。
b、转速及回转不匀率的测试
(1)同“滑块位移、速度、加速度测量”的
(1)至(5)步。
(2)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,你应该选择最右边的一栏,角度常数选择有5档(2度、4度、6度、8度、10度),选择一个你想要的一档,例如选择6度。
(3)同“滑块位移、速度、加速度测量”的(7)、(8)、(9)步,不同的是“数据显示区”不显示相应的数据。
(4)打印。
2、曲柄导杆滑块运动机构实验
按图2(b)组装实验机构,按上述1.a、1.b步骤操作,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2(c)组装实验机构,按上述1.a操作步骤,检测其从动杆的运动规律。
注:
曲柄转速应控制在每分30-70转。
4、滚子直动从动杆凸轮机构实验
按图2(d)组装实验机构,按上述1.a操作步骤,检测其从动杆的运动规律,比较平底接触与滚子接触运动特性的差异。
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:
曲柄转速应控制在每分30-70转。
七、实验与仿真结果及分析
图8曲柄导杆机构运动曲线图
图9曲柄滑块机构运动曲线图
图10曲柄导杆机构运动仿真结果
图10曲柄导杆机构运动仿真结果
观察实验与仿真结果我们可以得出以下结论:
(1)由位移曲线图可以看出,连杆的角位移和滑块的位移与曲柄转角呈周期性变化,变化比较均匀,而且两个位移变化情况相同,原因在于连杆和滑块刚性连接成为一体,但两者相差半个相位。
其中,连杆位移随曲柄转角呈正弦变化,而滑块位移随曲柄转角呈余弦变化,这与实际观察到的曲柄滑块机构运动情况相符。
初始条件下,连杆的角位移为0°,滑
块的位移为400mm,滑块处在最远位置。
(2)由速度曲线图可以看出,连杆的角速度和滑块的速度均与曲柄转角呈周期性变化,但相差半个周期。
虽然连杆的角速度和滑块的速度都随曲柄转角变化比较均匀,但两者变化情况有所差别,其中,连杆随曲柄转角呈余弦变化,这是由位移对时间求一阶导数所得的结果,而滑块呈现类似于锯齿形的柔性变化,最大速度也低于连杆的最大速度。
(3)由加速度曲线图可以看出,连杆的角加速度和滑块的加速度变化情况区别较大。
连杆角加速度随曲柄转角呈正弦变化,这是连杆角速度对时间求一阶导数的结果,而滑块加速度虽也随曲柄转角呈周期性变化,却不是正余弦曲线变化,在滑块运动至其平衡点附近其加速度变化幅度较小,其余位置化幅度较大,在实际中可利用这一结论避免不必要的冲击。
(4)综合位移、速度和加速度曲线图分析可知,对心式曲柄滑块机构当曲柄为原动件时无急回特性,也无死点,另外,由于连杆的作用,滑块的速度和加速度曲线图已不是随曲柄转角呈正余弦变化;滑块的运动情况是由机构中构件的尺寸和曲柄运动的初始条件决定的。
实验结果误差分析
综合本实验的原理以及操作过程,造成实验结果与仿真结果误差的原因主要有一下几点:
(1)各构件尺寸测量存在误差,导致仿真时输入的各杆件与真实尺寸不符,故导致仿真与实验结果不同。
(2)由于各运动副之间存在配合间隙、摩擦以及制造误差等一些因素,导致实验结果与理论分析结果有误差。
(3)由于实验设备的精度问题和原理的关系,造成实验输出图像与理论模拟图像有差别。
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