機械運動參數測定綜合實驗的設計

付順玲，李允旺，程志紅

（中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

機械運動參數是指運動構件的位移、速度、加速度等參數，它們是機械設計的重要技術參數，這些參數直接反映了機器的工作性能［1］。通過位移分析，可以確定機構的外廓尺寸、構件運動所需的空間與構件位置的變化規(guī)律；通過速度分析，可以確定機構中從動件的速度變化規(guī)律；通過加速度分析，可以確定機構中各構件及構件上某些點的加速度，從而了解機構加速度的變化規(guī)律，為計算慣性力進行動力學分析、機構動力平衡分析，以及防止振動與噪聲奠定了良好的基礎。在實驗教學中，開展機械運動參數測定綜合實驗，學生能夠加深對機構的位移、速度、加速度以及轉速和回轉不均勻率等運動特性的了解與認識，以及驗證理論分析的正確性［2］。

1 實驗平臺的構成

基于曲柄滑塊機構運動平臺上安裝了測量轉速、位移、加速度的傳感器，通過計算機進行數據采集，采用基于LabVIEW的虛擬實驗系統對數據進行分析、處理，構成了機構運動參數測定的綜合實驗系統。

1.1 實驗目的

（1）了解滑塊的位移、速度、加速度的測定以及轉速、回轉不均勻率的測定方法。

（2）了解光電脈沖編碼器、傳感器的基本原理與使用方法。

（3）了解用LabVIEW軟件編程的方法以及分析機械系統的功能。

（4）比較虛擬實驗的理論運動線圖與實測運動線圖的差異，提高對虛擬實驗和實際實驗的位移、速度、加速度、角速度、角加速度的感性認識［3－4］。

1.2 實驗原理

在曲柄滑塊機構的運動平臺上，采用光電編碼器對曲柄的轉速進行測量，利用位移傳感器和加速度傳感器進行滑塊的運動參數測量，再利用安裝在計算機中的數據采集卡，將采集的運動參數送到計算機內，采用基于LabVIEW的虛擬實驗系統對實驗數據進行采集、處理與顯示，并可進行實驗結果與報告的編輯與輸出。實驗系統工作原理框圖如圖1所示。

2 硬件系統設計

硬件系統是由曲柄滑塊機構運動平臺、高精度光電旋轉編碼器、線位移傳感器與加速度傳感器、計算機、數據采集卡、打印機等設備所組成。曲柄滑塊機構運動平臺主要由基座、電機、曲柄滑塊機構所組成，如圖2所示。

圖2 硬件系統

電機通過V形帶帶動機構的曲柄轉動，電機調速器可用于電機轉速的調節(jié)與設定。光電編碼器通過彈性聯軸器與曲柄旋轉軸同軸安裝，拉桿式位移傳感器外殼固定在機構運動平臺的基座上，拉桿與滑塊連接。這樣位移傳感器的拉桿與滑塊同時往復運動，實現對滑塊位移的測量，進而可以計算出滑塊的速度與加速度數值。為了能直接對滑塊的加速度進行測量，在滑塊上安裝了集成電路式壓電加速度傳感器，可將滑塊的直線加速度轉換成電信號。數據采集卡將采集的傳感器信號，通過10MB／100MB以太網RJ－45接口與計算機連接，采用TCP協議進行通信。計算機中安裝了用LabVIEW編制的數據處理與顯示軟件，對測試參數進行計算處理，并顯示各條運動曲線。也可將直接測量的運動參數和間接計算獲得的測試數據與運動曲線進行比較。實驗系統中還配備了打印設備，測試完成后能夠進行實驗報告的編輯與打印。

硬件測試系統的功能是測定曲柄滑塊機構的曲柄轉速、滑塊的位移、加速度等信號，利用數據采集卡將運動參數采集至上位機，上位機利用LabVIEW編制的虛擬采集儀器進行數據采集、處理，顯示運動曲線。在機構運動中，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、0～5V電平的2路脈沖，輸入數據采集卡，將滑塊位移轉換為電壓值，通過A／D轉換器轉變?yōu)閿底至俊?/p>

利用光電脈沖編碼器采樣功能，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，數據通過傳感器與數據采集系統將機構的運動數據通過計算機串口送入計算機內進行處理，形成運動構件的實測運動曲線，為機構運動分析提供了檢測方法與手段［5－6］。

3 軟件分析系統設計

軟件分析系統是用LabVIEW仿真軟件包測量理論運動線圖，利用LabVIEW建立的仿真模型，仿真出與機構尺寸一致的曲柄滑塊機構的構件運動曲線，以便進行運動曲線的比較，能夠讓學生了解理論與實際運動線圖的差異，以及機構幾何參數對機構運動性能的影響，利用LabVIEW建立曲柄滑塊機構的幾何模型運動仿真，形成并打印出實驗數據與曲線的實驗報告［7－8］。軟件分析系統如圖3所示，它包括了“文件”，“實驗內容”，“常用四桿機構”，“幫助”等主選單（菜單）。

（1）“文件”下拉選單包括存盤、刪除、打印、退出等子選單。

（2）“實驗內容”下拉選單包括實驗指導書、實驗錄像、實測、仿真、實驗結果等子選單。

（3）“四桿機構動畫”下拉選單包括常用平面機構動畫與視頻子選單。

（4）“四桿機構簡圖”下拉選單包括以 Web形式顯示各種平面機構的計算公式與可動的運動簡圖子選單。

圖3 軟件分析系統界面

4 實驗測量內容

4.1 滑塊位移、速度、加速度的實際運動線圖的測量

（1）打開電源開關啟動機構，順時針調節(jié)電位器以增大轉速，等待機構運轉穩(wěn)定后開始采樣，采樣結束后，在計算機屏幕上顯示位移變化曲線。

（2）啟動計算機，雙擊桌面上的“機械運動參數測定綜合實驗”圖標運行測試軟件，進入測試主界面。

（3）開啟實驗臺的電機，等待機構運轉穩(wěn)定后，在軟件界面中輸入有關提示參數。

（4）點擊界面中的“測試”命令，進入實驗界面，進行數據采集和分析，顯示對應的動態(tài)參數波形圖。

（5）點擊該實驗界面中的“打印”命令，可打印出實測的動態(tài)參數波形圖。

（6）實驗結束，將電機速度調零，關閉電機電源，點擊“退出”命令，則退出實驗系統［9－10］。

4.2 滑塊位移、速度、加速度理論仿真運動線圖的測量

（1）在“仿真測試”選單中選擇“運動仿真與測試”完成曲柄滑塊機構的運動測試。點擊“采樣”進行數據測試，點擊“仿真”進行理論數據分析。計算機對該機構進行數碼仿真，顯示出對應的動態(tài)參數理論波形圖。

（2）點擊該實驗界面中的“打印”選單，可打印出理論的動態(tài)參數波形圖。

5 結束語

“機械運動參數測定綜合實驗系統”可以進一步擴展，能夠完成四桿機構、滑塊機構、凸輪機構、間歇運動等機構的拼裝與設計，以及機械運動參數測試與分析，成為機械運動參數測定的綜合實驗系統［11］。機械運動參數實時實驗、測試操作、數據與圖形處理可以使得實驗更加新穎、更具有吸引力，能夠大大地激發(fā)學生的學習興趣。本實驗設計改進了實驗手段，提高了教學效果，有利于學生創(chuàng)新與實踐能力的培養(yǎng)［12］。

（References）

［1］陳亞琴，孟梓琴，楊夢晨.機械設計基礎實驗教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2006.

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［12］劉映琦，劉肅，李建，等.提高實驗教學質量的創(chuàng)新實踐與探索［J］.實驗科學與技術，2010，8（3）：54－57.