凸輪機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺在機械原理綜合實驗教學中的應用

盧秀泉，才委，張小江，董景石，張起勛

摘要：在《機械原理》課程教學中，對凸輪機構(gòu)注重圖解法設計凸輪廓線方法的講授，而凸輪機構(gòu)在滿足從動件運動規(guī)律要求的同時，必須滿足機構(gòu)動態(tài)測試的要求。本文引入凸輪機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺作為《機械原理》綜合實驗的平臺，使學生著重掌握凸輪具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對凸輪機構(gòu)動態(tài)特性的影響。該實驗臺在《機械原理》綜合實驗教學中的應用，可以加深學生對凸輪機構(gòu)設計的全面理解，很好的培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：機械原理課程綜合實驗；凸輪機構(gòu)；機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺

中圖分類號：G642.0？搖 文獻標志碼：A？搖 文章編號：1674-9324（2014）10-0225-03

一、前言

《機械原理》是機械類工科學生必修的一門專業(yè)基礎課，具有很深厚的工程背景。所以在《機械原理》教學中，更需注重對學生進行理論與實踐相結(jié)合的教學方式。課堂教學中在強化常用機構(gòu)基本原理、結(jié)構(gòu)和設計方法的同時，還需對機構(gòu)在工程實際中的設計與應用有所滲透，使學生對常用機構(gòu)有更全面的理解和把握。為了實現(xiàn)以上教學目的，本文引入了凸輪機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺作為平臺，設計了一項《機械原理》課程綜合性實驗。通過本項綜合實驗對凸輪機構(gòu)的設計和動態(tài)測試，使學生將理論課程中所學的各章內(nèi)容串聯(lián)起來，掌握各章內(nèi)容在機構(gòu)設計中的內(nèi)在聯(lián)系和工程意義，加深了對所學內(nèi)容的理解，它是《機械原理》課程教學中一個必不可少的重要教學環(huán)節(jié)。本文引入凸輪機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺作為《機械原理》綜合實驗的平臺，使學生著重掌握凸輪具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對凸輪機構(gòu)動態(tài)特性的影響。該實驗臺在《機械原理》課程教學中的應用，可以加深對凸輪機構(gòu)設計的全面理解，很好的培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新意識。

學生通過本項綜合實驗，所需達到的具體要求有：

1.利用計算機對凸輪機構(gòu)動態(tài)參數(shù)進行采集、處理，作出實測的動態(tài)參數(shù)曲線，并通過計算機對該機構(gòu)的運動進行數(shù)模仿真，作出相應的動態(tài)參數(shù)曲線，從而實現(xiàn)理論與實際的緊密結(jié)合。

2.利用計算機對凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設計，然后，通過計算機對凸輪機構(gòu)的運動進行仿真和測試分析，從而實現(xiàn)計算機輔助設計與計算機仿真和測試分析有效的結(jié)合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

3.利用計算機的人機交互性能，使學生可在軟件界面說明文件的指導下，獨立自主地進行實驗，培養(yǎng)學生的動手能力。

二、機械原理教學內(nèi)容

在完成本項綜合實驗前，應要求學生對綜合實驗所涉及到的《機械原理》理論課中所學的各章知識進行復習。在進行本次綜合實驗前，指導教師需對相關(guān)理論知識做簡單的提示和講解。具體內(nèi)容包括：

（一）凸輪機構(gòu)從動件運動規(guī)律及基本尺寸

凸輪機構(gòu)常用的從動件運動規(guī)律有四種：等速運動規(guī)律、等加速等減速運動規(guī)律、余弦加速度運動規(guī)律和正弦加速度運動規(guī)律。其中等速運動規(guī)律在運動的起始和終了點加速度有無限量的突變，存在剛性沖擊。對于等加速等減速運動規(guī)律和余弦加速度運動規(guī)律，從動件在運動的起始和終了點處加速度存在有限量的突變，所以有柔性沖擊。而對于正弦加速度運動規(guī)律的加速度方程是整周期的正弦曲線，加速度曲線連續(xù)從動件運動無沖擊。特別對于余弦加速度運動規(guī)律而言，如果從動件運動形式采用升-降型，并均采用余弦加速度運動規(guī)律，加速度曲線也是連續(xù)從動件運動也是無沖擊的。具體選擇時，應根據(jù)具體工況的運動特點和要求，合理的選擇從動件運動規(guī)律。

在確定凸輪機構(gòu)基本尺寸時，在偏心距e一定、從動件運動規(guī)律已知的條件下，加大基圓半徑r0，可以減少壓力角α，從而改善機構(gòu)的傳力特性。但同時，會增大凸輪機構(gòu)的尺寸。所以凸輪基圓半徑r0確定的原則是：應在滿足αmax≤[α]的條件下，合理地確定凸輪的基圓半徑r0，使凸輪機構(gòu)的尺寸不至過大。一般，先按滿足推程壓力角αmax≤[α]的條件來確定基圓半徑r0。

（二）機械運轉(zhuǎn)及速度波動調(diào)節(jié)

機械在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段，當?shù)刃Я睾偷刃мD(zhuǎn)動慣量變化的公共周期內(nèi)，當驅(qū)動功等于阻抗功時，等效構(gòu)件的角速度在此公共周期內(nèi)將呈現(xiàn)周期性的波動，從而機械會產(chǎn)生周期性的速度波動。為了對這種機械的周期性速度波動進行描述和分析，提出了平均角速度ωm和速度不均勻系數(shù)δ。機械運轉(zhuǎn)的速度波動對機械的工作不利，它不僅將影響機械的工作質(zhì)量，而且會影響到機械的效率和壽命。所以必須對周期性速度波動加以控制和調(diào)節(jié)，將其限制在許可的范圍內(nèi)。具體方法是在機械中設計安裝具有大轉(zhuǎn)動慣量的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件——飛輪。

三、實驗臺及操作軟件界面簡介

本項機械原理綜合實驗采用凸輪機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺，如圖1所示。該實驗臺可以分別對兩種結(jié)構(gòu)形式的凸輪機構(gòu)—盤型凸輪機構(gòu)和圓柱凸輪機構(gòu)進行動態(tài)測試。

該綜合實驗臺具有的功能特點有：（1）可測量凸輪、推桿的運動學參數(shù)，并通過計算機多媒體虛擬儀表顯示其速度、加速度波形圖；（2）可通過計算機多媒體數(shù)據(jù)、仿真軟件計算凸輪，推桿的真實運動規(guī)律，并顯示其速度，加速度波形圖，可與實測曲線比較分析；（3）配有專用的多媒體教學軟件，學生可在軟件前面說明文件的指導下，獨立自主地進行實驗；（4）盤形凸輪機構(gòu)可拆裝為圓柱凸輪機構(gòu)，因而可作兩種凸輪機構(gòu)的實驗；（5）盤形凸輪機構(gòu)配有四個（共包含八種運動規(guī)律）凸輪，一種推桿，圓柱凸輪機構(gòu)配一個凸輪；（6）盤形凸輪機構(gòu)的偏距可調(diào)節(jié)，飛輪質(zhì)量可調(diào)節(jié)，使機構(gòu)運動特性達到最佳。圖2為實驗臺軟件操作界面的切換流程圖。

軟件操作界面由盤型凸輪機構(gòu)綜合實驗模塊和圓柱凸輪機構(gòu)綜合實驗模塊兩部分組成。

兩部分實驗模塊依據(jù)綜合實驗的內(nèi)容和步驟，均是由凸輪機構(gòu)動畫演示界面（圖3）、凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面（圖4）、凸輪運動仿真與測試分析界面（圖5）和推桿運動仿真與測試分析界面組成（圖6）。此部分，要求學生在實驗過程中熟悉掌握。

四、實驗內(nèi)容endprint

1.凸輪運動仿真和實測。能通過數(shù)模計算得出凸輪的真實運動規(guī)律，作出凸輪角速度線圖和角加速度線圖，并進行速度波動調(diào)節(jié)計算。通過凸輪上的角位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器進行采集，轉(zhuǎn)換和處理，并輸入計算機顯示出實測的凸輪角速度圖和角加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構(gòu)結(jié)構(gòu)對凸輪的速度波動的影響。

2.推桿運動仿真和實測。通過數(shù)模計算得出推桿的真實運動規(guī)律，作出推桿相對凸輪轉(zhuǎn)角和速度線圖，加速度線圖。通過推桿上的位移傳感器，凸輪上的同步轉(zhuǎn)角傳感器和A/D轉(zhuǎn)換板進行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換和處理，輸入計算機，顯示出實測的推桿相對凸輪轉(zhuǎn)角的速度線圖和加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構(gòu)結(jié)構(gòu)及加工質(zhì)量對推桿的速度波動的影響。

五、實驗步驟

1.打開計算機，單擊“凸輪機構(gòu)”圖標，進入凸輪機構(gòu)運動測試設計仿真綜合試驗臺軟件系統(tǒng)的封面。單擊左鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)動畫演示界面。

2.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)動畫演示界面左下方單擊“盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)”鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面。

3.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面的左下方單擊“凸輪機構(gòu)設計”鍵，彈出凸輪機構(gòu)設計對話框；輸入必要的原始參數(shù)，單擊“設計”鍵，彈出一個“選擇運動規(guī)律”對話框；選定推程和回程運動規(guī)律，在該界面上，單擊“確定”鍵，返回凸輪機構(gòu)設計對話框；待計算結(jié)果出來后，在該界面上，單擊“確定”鍵，計算機自動將設計好的盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)的尺寸填寫在參數(shù)輸入界面的對應的參數(shù)框內(nèi)。也可以自行設計，然后按設計的尺寸調(diào)整推桿偏距。

4.啟動實驗臺的電動機，待盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，測定電動機的功率，填入?yún)?shù)輸入界面的對應參數(shù)框內(nèi)。

5.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面左下方單擊選定的實驗內(nèi)容（凸輪運動仿真，推桿運動仿真），進入選定實驗的界面。

6.在選定的實驗內(nèi)容的界面左下方單擊“仿真”，動態(tài)顯示機構(gòu)即時位置和動態(tài)的速度，加速度曲線圖。單擊“實測”，進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，顯示實測的速度，加速度曲線圖。若動態(tài)參數(shù)不滿足要求或速度波動過大，有關(guān)實驗界面均會彈出提示“不滿足！”及有關(guān)參數(shù)的修正值。

7.如果要打印仿真和實測的速度，加速度曲線圖，在選定的實驗內(nèi)容的界面下方單擊“打印”鍵，打印機自動打印出仿真和實測的速度，加速度曲線圖。

8.如果要做其他實驗，或動態(tài)參數(shù)不滿足要求，在選定的實驗內(nèi)容的界面下方單擊“返回”，返回盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入面，校對所有參數(shù)并修改有關(guān)參數(shù)，單擊選定的實驗內(nèi)容鍵，進入有關(guān)實驗界面。以下步驟同前。

9.如果實驗結(jié)束，單擊“退出”，返回Windows界面。

六、結(jié)語

綜上所述，學生通過本次機械原理綜合實驗，以凸輪機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺作為載體，有效的將機械原理課程中凸輪機構(gòu)及其設計和機械運轉(zhuǎn)及速度波動調(diào)節(jié)兩個章節(jié)的內(nèi)容串聯(lián)起來。在掌握常用的凸輪從動件運動規(guī)律和凸輪廓線設計的基礎上，重點了解凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對從動件及凸輪速度波動的影響規(guī)律。該實驗臺在綜合實驗教學中的應用，可以有效激發(fā)學生的學習興趣和潛能，變被動學習為主動學習，學生通過親自動手操作實踐可以系統(tǒng)學習和掌握相關(guān)的機械原理知識，開拓學生的思路，激發(fā)學生的創(chuàng)造力，進一步提高學生的綜合素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力，滿足現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對綜合技能人才需求。

參考文獻：

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]崔可維，熊健.機械原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2011.endprint

1.凸輪運動仿真和實測。能通過數(shù)模計算得出凸輪的真實運動規(guī)律，作出凸輪角速度線圖和角加速度線圖，并進行速度波動調(diào)節(jié)計算。通過凸輪上的角位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器進行采集，轉(zhuǎn)換和處理，并輸入計算機顯示出實測的凸輪角速度圖和角加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構(gòu)結(jié)構(gòu)對凸輪的速度波動的影響。

2.推桿運動仿真和實測。通過數(shù)模計算得出推桿的真實運動規(guī)律，作出推桿相對凸輪轉(zhuǎn)角和速度線圖，加速度線圖。通過推桿上的位移傳感器，凸輪上的同步轉(zhuǎn)角傳感器和A/D轉(zhuǎn)換板進行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換和處理，輸入計算機，顯示出實測的推桿相對凸輪轉(zhuǎn)角的速度線圖和加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構(gòu)結(jié)構(gòu)及加工質(zhì)量對推桿的速度波動的影響。

五、實驗步驟

1.打開計算機，單擊“凸輪機構(gòu)”圖標，進入凸輪機構(gòu)運動測試設計仿真綜合試驗臺軟件系統(tǒng)的封面。單擊左鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)動畫演示界面。

2.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)動畫演示界面左下方單擊“盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)”鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面。

3.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面的左下方單擊“凸輪機構(gòu)設計”鍵，彈出凸輪機構(gòu)設計對話框；輸入必要的原始參數(shù)，單擊“設計”鍵，彈出一個“選擇運動規(guī)律”對話框；選定推程和回程運動規(guī)律，在該界面上，單擊“確定”鍵，返回凸輪機構(gòu)設計對話框；待計算結(jié)果出來后，在該界面上，單擊“確定”鍵，計算機自動將設計好的盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)的尺寸填寫在參數(shù)輸入界面的對應的參數(shù)框內(nèi)。也可以自行設計，然后按設計的尺寸調(diào)整推桿偏距。

4.啟動實驗臺的電動機，待盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，測定電動機的功率，填入?yún)?shù)輸入界面的對應參數(shù)框內(nèi)。

5.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面左下方單擊選定的實驗內(nèi)容（凸輪運動仿真，推桿運動仿真），進入選定實驗的界面。

6.在選定的實驗內(nèi)容的界面左下方單擊“仿真”，動態(tài)顯示機構(gòu)即時位置和動態(tài)的速度，加速度曲線圖。單擊“實測”，進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，顯示實測的速度，加速度曲線圖。若動態(tài)參數(shù)不滿足要求或速度波動過大，有關(guān)實驗界面均會彈出提示“不滿足！”及有關(guān)參數(shù)的修正值。

7.如果要打印仿真和實測的速度，加速度曲線圖，在選定的實驗內(nèi)容的界面下方單擊“打印”鍵，打印機自動打印出仿真和實測的速度，加速度曲線圖。

8.如果要做其他實驗，或動態(tài)參數(shù)不滿足要求，在選定的實驗內(nèi)容的界面下方單擊“返回”，返回盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入面，校對所有參數(shù)并修改有關(guān)參數(shù)，單擊選定的實驗內(nèi)容鍵，進入有關(guān)實驗界面。以下步驟同前。

9.如果實驗結(jié)束，單擊“退出”，返回Windows界面。

六、結(jié)語

綜上所述，學生通過本次機械原理綜合實驗，以凸輪機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺作為載體，有效的將機械原理課程中凸輪機構(gòu)及其設計和機械運轉(zhuǎn)及速度波動調(diào)節(jié)兩個章節(jié)的內(nèi)容串聯(lián)起來。在掌握常用的凸輪從動件運動規(guī)律和凸輪廓線設計的基礎上，重點了解凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對從動件及凸輪速度波動的影響規(guī)律。該實驗臺在綜合實驗教學中的應用，可以有效激發(fā)學生的學習興趣和潛能，變被動學習為主動學習，學生通過親自動手操作實踐可以系統(tǒng)學習和掌握相關(guān)的機械原理知識，開拓學生的思路，激發(fā)學生的創(chuàng)造力，進一步提高學生的綜合素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力，滿足現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對綜合技能人才需求。

參考文獻：

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]崔可維，熊健.機械原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2011.endprint

1.凸輪運動仿真和實測。能通過數(shù)模計算得出凸輪的真實運動規(guī)律，作出凸輪角速度線圖和角加速度線圖，并進行速度波動調(diào)節(jié)計算。通過凸輪上的角位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器進行采集，轉(zhuǎn)換和處理，并輸入計算機顯示出實測的凸輪角速度圖和角加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構(gòu)結(jié)構(gòu)對凸輪的速度波動的影響。

2.推桿運動仿真和實測。通過數(shù)模計算得出推桿的真實運動規(guī)律，作出推桿相對凸輪轉(zhuǎn)角和速度線圖，加速度線圖。通過推桿上的位移傳感器，凸輪上的同步轉(zhuǎn)角傳感器和A/D轉(zhuǎn)換板進行數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換和處理，輸入計算機，顯示出實測的推桿相對凸輪轉(zhuǎn)角的速度線圖和加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構(gòu)結(jié)構(gòu)及加工質(zhì)量對推桿的速度波動的影響。

五、實驗步驟

1.打開計算機，單擊“凸輪機構(gòu)”圖標，進入凸輪機構(gòu)運動測試設計仿真綜合試驗臺軟件系統(tǒng)的封面。單擊左鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)動畫演示界面。

2.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)動畫演示界面左下方單擊“盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)”鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面。

3.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面的左下方單擊“凸輪機構(gòu)設計”鍵，彈出凸輪機構(gòu)設計對話框；輸入必要的原始參數(shù)，單擊“設計”鍵，彈出一個“選擇運動規(guī)律”對話框；選定推程和回程運動規(guī)律，在該界面上，單擊“確定”鍵，返回凸輪機構(gòu)設計對話框；待計算結(jié)果出來后，在該界面上，單擊“確定”鍵，計算機自動將設計好的盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)的尺寸填寫在參數(shù)輸入界面的對應的參數(shù)框內(nèi)。也可以自行設計，然后按設計的尺寸調(diào)整推桿偏距。

4.啟動實驗臺的電動機，待盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，測定電動機的功率，填入?yún)?shù)輸入界面的對應參數(shù)框內(nèi)。

5.在盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面左下方單擊選定的實驗內(nèi)容（凸輪運動仿真，推桿運動仿真），進入選定實驗的界面。

6.在選定的實驗內(nèi)容的界面左下方單擊“仿真”，動態(tài)顯示機構(gòu)即時位置和動態(tài)的速度，加速度曲線圖。單擊“實測”，進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，顯示實測的速度，加速度曲線圖。若動態(tài)參數(shù)不滿足要求或速度波動過大，有關(guān)實驗界面均會彈出提示“不滿足！”及有關(guān)參數(shù)的修正值。

7.如果要打印仿真和實測的速度，加速度曲線圖，在選定的實驗內(nèi)容的界面下方單擊“打印”鍵，打印機自動打印出仿真和實測的速度，加速度曲線圖。

8.如果要做其他實驗，或動態(tài)參數(shù)不滿足要求，在選定的實驗內(nèi)容的界面下方單擊“返回”，返回盤形（圓柱）凸輪機構(gòu)原始參數(shù)輸入面，校對所有參數(shù)并修改有關(guān)參數(shù)，單擊選定的實驗內(nèi)容鍵，進入有關(guān)實驗界面。以下步驟同前。

9.如果實驗結(jié)束，單擊“退出”，返回Windows界面。

六、結(jié)語

綜上所述，學生通過本次機械原理綜合實驗，以凸輪機構(gòu)動態(tài)測試實驗臺作為載體，有效的將機械原理課程中凸輪機構(gòu)及其設計和機械運轉(zhuǎn)及速度波動調(diào)節(jié)兩個章節(jié)的內(nèi)容串聯(lián)起來。在掌握常用的凸輪從動件運動規(guī)律和凸輪廓線設計的基礎上，重點了解凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對從動件及凸輪速度波動的影響規(guī)律。該實驗臺在綜合實驗教學中的應用，可以有效激發(fā)學生的學習興趣和潛能，變被動學習為主動學習，學生通過親自動手操作實踐可以系統(tǒng)學習和掌握相關(guān)的機械原理知識，開拓學生的思路，激發(fā)學生的創(chuàng)造力，進一步提高學生的綜合素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力，滿足現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對綜合技能人才需求。

參考文獻：

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]崔可維，熊健.機械原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2011.endprint