第七节 机械动力参数测试实验
一,实验目的
1.熟悉机组运转时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,理解飞轮的调速原因.
2.了解机组启动和停车过程的运动规律.
3.实验所得的压强一转角曲线可作为飞轮设计作业的原始数据.
二,实验设备
1.机械动态参数测试仪.
2.空压机组.
三,实验原理和方法
本实验系统由如图4-13所示设备组成.
图4-13 实验系统框图
1—小型空气压缩机组;2—机械动态参数测试仪;3—四色绘图仪;
4—同步脉冲发生器;5—压力传感器;6—放大器;7—CRT显示器
1.压力传感放大器
(l)空压机组.
如 图4-14所示,空压机组由空压机l,飞轮4及传动轴,机座等组成.压力传感器安装在空压机机身内,11为压力传感器输出线.脉冲发生器的分度盘7(光栅 盘)固装在空压机的电机轴上,8为脉冲发生器探头的输出线.在开机时,改变压缩空气开关3的角度,即可改变储气罐2中的空气压强,因而也就改变了机组的负 载,压强值可由附于储气罐上的压力表9上直接读出.根据实验需要,可从传动轴上随时把飞轮4拆下或装上,拆下时注意保存平键5,装上时应放入平键,并拧紧 端面螺母6.10为空压机电机的动力开关.
(2)压力传感器和放大器.
实验台所采用的压力传感器是美国产的MPX系列压阻型压力传感器,如图4-15所示,其敏感元件为半导体力敏器件(膜片),其压敏部分采用一个X型电阻四端网络结构,替代由四个电阻组成的电桥结构.在气压作用下,膜片产生变形,从而改变了电阻值,输出与压强对应的电讯号.
传感器输出的讯号过于微弱,为了与测试仪匹配,设置了放大器.放大器的结构如图4-16
所示.在放大器背面设有调零和放大倍数的旋钮.
2.MEC-B机械动态参数测试仪
仪 器具有内触发和外触发两种采样功能,本实验的机组回转不匀率测定及活塞压强曲线的测定均采用外触发形式.在测定回转不匀率时,通过脉冲发生器将空压机主轴 (电机轴)的角位移信号转换成相应的触发脉冲,并通过电子开关切换发出采样触发信号,经过测试仪的处理,运算,即可得主轴的角速度变化曲线及回转不匀率.
图4-15 压力传感器 图4-16压力传感放大器
1—电源线;2—指示灯;3—放大器
电源开关;4—输出插孔;5一输入插孔
开 始采样的起点是由分度盘上长缝转过光源时发出的,此时传感器探头上的红灯熄灭一次.在测定活塞压强曲线时,活塞缸盖上的压力传感器将压强转换成电压输出, 经放大器放大,接入模拟通道,经过A/D转换,转变为数字量,开始采样的起始讯号仍由分度盘上长缝转过光源时发出.利用测试仪的外触发采样及运算功能,即 可获得活塞压强曲线(如乘以活塞面积,实际上只相当于比例尺的改变),也就是总压力(生产阻力)曲线.
四,实验步骤
1.主轴角速度曲线及回转不均匀率的测定
(1)将四色绘图仪接入测试仪背面插座,打开CRT电源开关.
(2)测试仪接通电源,打开测试仪面板电源开关,数码管上显示"P"适当调整CRT的亮度及对比度.
(3)若环境温度超过 30°,应打开测试仪背板上的风扇开关,启动冷却风扇.
(4)将同步脉冲发生器接通道9.调整发生器探头的前后左右位置,使分度盘片插入探头的槽口之中;用手转动盘片联轴器(切不可搬盘片以免损坏盘片)当盘片 每转过2°时(光栅缝的间隔),探头上的绿色指示灯应闪烁一次,当分度盘转一周,盘片上长缝转过探头时,探头上的红色指示灯应熄灭一次.
(5)在未装飞轮的条件下,开主机,将压力调整到0.15 MPa附近.
(6)在LED数码显示器上键入指令3199T1,其中3,l为测试仪功能测不匀率的代号;9为检测通道号;T1为采样间隔代号.
键入指令后,在CRT上将显示出角速度动态曲线,回转不均匀率及其他特征值.
(7)停机按 PRINT键,打印机即能输出实验结果(曲线及数据).
(8)为了测得不同负载情况下机组的回转不均匀率,可重复操作(5),(6),(7),(8),并调节储气罐开关的角度,使气压表达到不同数值(如0.3 MPa,0.45 Mpa).
(9)安装飞轮,注意放入平键,并旋紧轴端螺母,重复操作(5),(6),(7),(8)三次,并使气压表仍为0.15 MPa,0.3 MPa,0.45 MPa.
2.机组启动和停车阶段运动规律的测试
(1)在有飞轮的条件下进行启动运动测试.
①键入31992.
② EXEC.
③开主机,待屏幕上显示角速度曲线后关机.
④按PRINT键,输出启动阶段角速度曲线.
(2)在有飞轮条件下进行停车运动测试.
①接线,将转接线五星插头接到通道6,另一端接到J1.
②键入016602.
③开机到稳定运转后,按EXEC键,同时关机.在测试仪屏幕上显示出角位移曲线.
④按MON键.
⑤键入4060.2.
⑥按MON,再键入5196.
⑦按PRINT键.
(3)拆去飞轮,重复测试(l),(2)的内容,启动,停车过程的运动测试操作.
3.气缸压强曲线的测试
(1)重复实验步骤1中的(l),(2),(3),(4).
(2)将空压机压力传感器输出线接至放大器输入口,放大器电源线接220V,启动放大器电源开关.调节调零电位器,使空载时输出电压为1V左右,然后将放大器输出.
(3)先接至测试仪的模拟通道1.
(4)在未装飞轮的条件下,启动空压机电机,调节储气罐开关,使气压表指针达到0.15 MPa.
(5)在LED显示器上键入以下指令.
其中标定数"X X X"本应是当放大器输出为5V时压力传感器上所受的压强值,此值需用专门装置测定,由于以下的分析均为正比关系,此数值的大小不影响分析结果,故此处不妨 取为"100".T1为采样角度间隔代码.键入指令后,在CRT上将显示出气缸压强,曲柄转角曲线及各特征值.此时 pmax值应小于标定值.一般取pmax为90左右较合适.
(6)关掉空压机电机.
(7)按 PRINT键,打印出气压表的表压为0.15 MPa时的气缸压强曲线及pmax,pmin.(这还不是真实的压强值,为取得真实值,还需对曲线作标定处理).
(8)为了测得不同负载条件下的(p-θ)曲线,重复操作(4),(5),(6),(7),并使气压表分别为 0.3 Mpa,0.45 MPa.
4.压强曲线(p-θ)的标定
空压机运行时,气缸内压强作周期性变化,如图4-17所示,其纵坐标以一定的比例尺Up代表压强值.
图4-17 压强曲线标定
(a)压强变化图;(b)空压机运行图;(c)转角曲线图
参 阅图4-17(b),分析空压机的机构运行情况.当曲柄位置从a点转至b点,活塞为回程.此阶段气缸内压强迅速下降,至某位置d点时,曲线不再下降,此时 气缸进气阀打开,也就是气缸与大气连通,往气缸进气.为了保持进气阀的持续开启,气缸内压强应比大气压强低Up×Δp1,这也就是阀门的损耗.当曲柄由位 置 b转至c点,为活塞压缩行程.此阶段进气阀门关闭,气缸内压强不再上升.为了使排气阀持续打开,气缸内压强应比储气罐内的压强(即储气罐气压表的表压值 S)高Up×Δp2,由图4-17(a)显然可得
(7-1)
为了求得(),完全打开储气罐开关,启动空压机,此时气压表的表压为零,重复操作(3),(4),(5),测得表压为零时的压强一转角曲线如图4-17(c)所示.由于此时表压为零,显然可得
(7-2)
将式(7-1)代入式(7-2),得
由于进气阀与出气阀的结构相同,可认为
由图4-17(a)不难看出,压强为零的零线位置可由;确定.求出比例尺Up,并确定了零线位置后,(p-θ)曲线就完全被标定了,曲柄在各个θ位置时气缸内的压强值即可自测得(p-θ)中读出.
五,实验报告要求
1.打印出曲线.
2.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
第八节 机械运动分析及结构设计综合实验
一,实验目的
1.以机构及系统设计为主线,以机构系统运动方案设计为重点,培养学生掌握机构运动参数测试的原理和方法.掌握利用运动学,动力学测试结果,重新调整,设计机构的原理和方法,从而培养学生设计,创新能力.
2.通过本系统的实验,使学生深入了解机构结构参数及几何参数对机构运动及动力性能的影响,从而对机构运动学和动力学(机构平衡,机构真实运动规律,速度波动调节)有一个完整的认识.
3.实现计算机多媒体交互式教学方式,使学生在计算机多媒体教学课程的指导下,独立自主地进行实验内容的选择,实验台操作及虚拟仿真,培养学生综合分析能力及独立解决工程实际问题的能力,了解现代实验设计,现代测试手段.
二,实验内容
1.曲柄滑块及曲柄摇杆运动分析与动态仿真;
2.凸轮机构设计与运动分析;
3.机械零件结构设计.
三,实验设备
平面机构动态分析和设计综合实验台,包括:曲柄滑块机构实验台,曲柄摇杆机构实验台,凸轮机构实验台,测试控制箱,配套的测试分析及运动仿真软件,计算机.
四,实验原理和内容
1.曲柄摇杆机构综合试验台
(1)曲柄摇杆机构动态参数测试分析:机构活动构件杆长可调,平衡质量及位置可调.机构的动态参数测试包括:用角速度传感器采集曲柄及摇杆的运动参数,用 加速度传感器采集整机振动参数,并通过A/D板进行数据处理和传输,最后输入计算机绘制各实测动态参数曲线.可使学生清楚地了解该机构的结构参数及运动参 数对机构运动及动力性能的影响.
(2)曲柄摇杆机构真实运动仿真分析:试验台配置的计算机软件,通过建模可对该机构进行运动模拟,对曲柄摇杆及整机进行运动仿真,并做出相应的动态参数曲 线,可与实测曲线进行比较分析,同时得出速度波动调节的飞轮转动惯量及平衡质量.从而使学生对机械运动学和动力学,机构真实运动规律,速度波动调节有一个 完整的认识.
(3)曲柄摇杆机构的设计分析:试验台配置的计算机软件,还可用三种不同的设计方法,根据基本要求,设计符合预定运动性能和动力性能要求的曲柄摇杆机构. 另外还提供了连杆运动轨迹仿真,可做出不同杆长,连杆上不同点的运动轨迹,为平面连杆机构按运动轨迹设计提供了方便,快捷的虚拟实验方法.
2.曲柄滑块机构综合试验台
(1)曲柄滑块动态参数测试及分析:机构活动构件杆长可调,平衡质量及位置可调,机构的动态参数测试包括:用角速度传感器采集曲柄滑块的运动参数,用加速 度传感器采集整机振动参数,并通过 A/D板进行数据处理和传输,最后输入计算机绘制各实测动态参数曲线.可使学生清楚地了解机构的结构参数及运动参数对机构性能影响.
(2)曲柄滑块机构真实运动仿真及分析:试验台配置的计算机软件,通过建模可对该机构进行运动模拟,对曲柄滑块及整机进行运动仿真,并做出相应的动态参数 曲线,可与实测曲线进行比较分析.同时得出速度波动调节的飞轮动惯量及平衡质量,从而使学生对曲柄滑块机构运动学和动力学(机械真实运动规律,速度波动调 节)有一个完整的认识.
(3)曲柄滑块机构的设计分析:试验台配置的计算机软件,还可用三种不同的设计方法,根据基本要求,设计符合预定运动性能 和动力性能要求的曲柄滑块机构.另外还提供了连杆运动轨迹仿真,可做出不同杆长,连杆上不同点的运动轨迹,为平面连杆机构按运动轨迹设计提供了方便,快捷 的虚拟实验方法.
3.凸轮机构综合试验台
(1)凸轮机构的动态参数测试分析:试验配置了八种运动规律的凸轮,三种推杆(尖顶和滚子),偏心距可调,该机构的动态参数测试包括:用角速度传感器采集 曲柄滑块的运动参数,用加速度传感器采集整机振动参数,并通过A/D板进行数据处理和传输,最后输入计算机绘制各实测动态参数曲线.可使学生清楚地了解各 种运动规律的凸轮机构及动力特性.
(2)凸轮推杆机构真实运动仿真及分析:试验台配置的计算机软件,通过建模可对该机构进行运动模拟,对凸轮推杆进行运动仿真,并做出相应的动态参数曲线, 可与实测曲线进行比较分析.同时得出速度波动调节的飞轮转动惯量及平衡质量,从而使学生对凸轮机构运动学和动力学机构真实运动规律速度波动调节有一个完整 的认识.
(3)凸轮机构的设计分析:试验台配置的计算机软件提供了根据压力角是否满足要求和运动是否"失真"判断程序,并提示凸轮基本参数(基圆半径,滚子半径,偏心距)的调整方向和大小.
五,实验步骤
l.打开计算机,运行有关实验测试分析及运动分析软件,详细阅读软件中有关操作说明.
2.启动有关实验设备,调定电动机运转速度.
3.等实验设备运行稳定后,由实验测试分析及运动分析软件的主界面选定具体实验项目,进入该实验界面.
4.先点击实验界面中"实测"键,计算机自动进行数据采集及分析,并作出相应的动态参数的实测曲线.
5.然后,点击该界面中的"仿真"键,计算机对该机构进行运动仿真,并作出动态参数的理论曲线.
6.打印理论曲线和实测曲线及有关参数.
7.如果要做其它项目的实验,点击"返回"键,返回主界面,选定实验项目.以下步骤同前.
8.分析比较理论曲线和实测曲线,并编写实验报告.
六,实验报告要求
1.绘出机构设计草图.
2.画出仿真曲线.
3.画出实测曲线.
4.确定机械最终方案.
5.写出心得体会.
第九节 机构传动系统创新设计实验
一,实验目的
1.认识典型机构.
2.设计实现满足不同运动要求的传动机构系统.
3.拼装机构系统.
4.对运动构件进行运动检测分析(位移,速度,加速度分析).
二,实验设备
1.PCC-Ⅱ型平面机构创意组合及参数可视化分析实验台.
2.计算机及打印机.
三,实验原理
机 械传动系统的设计是机械系统设计中极其重要的一个环节,了解常用传动机构,合理设计传动系统是一个认识和创新的过程.为了实现执行机构工作的需求(运动, 动力),我们必须利用不同机构的组合系统来完成.因此对于常用机构,如杆机构,齿轮传动机构,间歇运动机构,带,链传动机构的结构及运动特点应有充分的了 解,在此基础上,我们可以利用它们组合成我们需要的传动系统.
执行机构常见的运动形式有回转运动,直线运动和曲线运动,传动系统方案的设计将以此为目标.
执行机构的运动不仅仅有运动形式的要求,而且有运动学和动力学的要求.因此我们必须对设计好的传动系统中重要运动构件进行运动学和动力学分析(速度,加速 度分析),使执行构件满足运动要求(如工作行程与回程的速度要求,惯性力要求,工作行程要求等).任何传动机构系统都有其特点,适应于不同的工作要求和安 装位置,我们应该学会在设计和拼装中进行系统分析和评估.
实验台主要由底座(安装平台),平面连杆机构,凸轮机构,间歇机构,齿轮传动机构,带(链)传动机构以及驱动装置等组成.其中间歇机构包含槽轮机构,不完全齿轮机构,棘轮机构等机构.
实验可根据设计需要进行设计和拼装.如可以拼装成齿轮——摇杆组合机构,齿轮——滑块组合机构,齿轮——齿条机构,链——齿轮机构等.
四,实验步骤
1.认识实验台提供的各种传动机构的结构及传动特点.
2.确定执行构件的运动方式(回转运动,间歇运动等).
3.设计或选择所要拼装的机构.
4.看懂该机构的装配图和零部件结构图.
5.找出有关零部件,并按装配图进行安装.
6.机构运动正常后.用手拨动机构,检查机构运动是否正常.
7.机构运动正常后,可将传感器安装在被测构件上,并连接在数据采集箱接线端口上.
8.打开采集箱电源,按"增加"键,逐步增加电机转速,观察机构运动.
9.打开计算机,并进入"检测"界面,观察相应构件的运动情况,如果有仿真界面内提供的机构,则可按实际机构的几何参数,对执行构件的运动进行仿真.
10.实验完毕后,关闭电源,拆下构件.
五,实验报告要求
1.对系统进行评价和分析.
2.对执行构件的运动规律进行分析(有无急回特性,有无冲击,最大行程等).
3.思考题
(1)系统由几部分组成
(2)该系统安装精度如何,可如何改善 精度误差造成的运动失真的分析.
(3)执行构件的运动特点如何
(4)系统可应用在哪些机械系统中,有何优缺点
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图4-1 范成仪示意图
图4-2 齿轮参数测定原理
图4-5 凸轮廓线检测仪简图
图4-6 实验系统
1— 电源开关;2—四路模拟传感器输入口;3—四路数字传感器输人口;4—转角兼同步传感器输入口;5—外触发信号输入插口;6—同步信号输入插口;7—键 盘;8—磁带信息输入口;9—主机信息储存磁带插口;10—六位LED数码显示器;11—亮度调节;12—对比度调节;13—帧频调节;14—行频调节; 15—显示器;16—冷却风扇;17—电源插座;18—保险插座;19—冷却风扇开关;20—CRT电源开关;21—外接CRT插口;22—接地端子
图4-10 光电脉冲编码器原理图
l—灯泡;2—聚光透镜;3—光电盘;4—光栏板;5—光敏管;6—光电整形放大电路
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图4-14 空压机组简图
1—空压机;2—储气罐;3—开关;4—飞轮;5—平键;6-螺母;7—分度盘片;8—脉冲发生器输出线;9-压力表;l0—动力开关;11一压力传感器输出线
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