机械设计工程学实验指导书.doc

前 言

《机械设计工程学》是在整合了经典的《机械原理》和《机械设计》两门课程的基础上，为《机械设计制造及自动化》专业开设的重要技术基础课，是嘉兴学院重点课程、嘉兴学院精品课程、浙江省精品课程。
本课程由课堂教学、实验教学、课程设计三个教学环节组成。实验教学在加深学生对理论知识的理解，培养学生实践动手能力以及发现问题、分析问题与解决问题等方面，起着十分重要的作用。随着科学技术的发展、教学内容的更新、以及对学生知识、能力和素质培养规定的提高，我们从专业培养目的出发，以培养学生机械设计实验能力、动手能力和创新思维为主线，借鉴教育部21世纪初高等教育教学改革项目“机械类本科生创新性实验教学体系的研究与实践”（2023-2023年，项目编号1283B07051）的建设经验，结合浙江省教育厅新世纪高等教育教学改革项目“新建本科院校工科实验教学基地建设与人才综合培养教学模式的创新与实践”（2023-2023年，项目编号YB04060）和浙江省精品课程《机械设计工程学》（2023-2023年）的建设工作，对实验教学内容进行了改革和更新。
参与本次编写工作的有：冯晓宁专家、李思益专家、陈晟，由冯晓宁、陈晟执笔。
《机械设计工程学实验指导书》是在原《实验指导书》的基础上重新整理编写的，分为基本型实验和提高型实验两部分。提高型实验属于开放型实验，学生报名参与，运用课外时间完毕，实验指导书单独编写。

浙江省精品课程《机械设计工程学》课题组

目 录

实验一 机构运动简图的测绘和分析实验 2
实验二 齿轮范成实验 3
实验三 机构运动创新方案设计实验 5
实验四 平面机构创意组合测试分析实验 7
实验五 曲柄滑块导杆凸轮组合实验 10
实验六 动平衡实验 14
实验七 带传动实验 22
实验八 机械性能综合测试实验 25
实验九 液体动压滑动轴承实验 27
实验十 简朴机械装置的装拆实验 31
实验十一 创意组合轴系结构设计实验 34

实验一 机构运动简图的测绘和分析实验
一、实验目的
1、通过对典型机构的拆装与测量，掌握机构运动简图的绘制方法；
2、掌握机构自由度的计算方法，验证机构具有拟定运动的条件；
二、实验仪器和设备
1、典型机器实物或典型机构模型
2、机械原理教学陈列柜；
3、自备铅笔、三角尺、橡皮、草稿纸。
三、实验原理
在绘制机构运动简图时，只要知道构件的运动尺寸，而撇开构件的形状和运动副的具体构造，可用一些简略符号来代表构件和运动副，并按一定的比例尺表达各运动副的相对位置，以此来表达机构的运动特性。
四、实验方法及环节
1、慢慢运动待测绘的机构，从原动件开始，沿着运动传递路线，仔细观测机构的运动，查明组成机构的构件数目、运动副的类型和位置；
2、在草稿纸上，徒手按规定的机构和运动副代表符号，按照构件的连接顺序，从原动件开始，逐步画出机构运动简图的草图，并用数字1、2、3、…分别表达各构件，用字母A、B、C、…分别表达各运动副；
3、使用量具认真测量机构运动尺寸（例如某构件两铰链之间的直线距离）；
4、按照测量出的尺寸，选取合适的比例尺，在绘图纸上，先选定原点位置，从原动件开始，对原动件为转动构件者，任意选定其方位角，对原动件为移动件者，先绘出导路方向线，依据构件之间的联接顺序，绘制出各个构件并标号，形成正式的机构运动简图。
五、实验规定
1、绘制2种不同类型机构的运动简图；
2、计算出机构的自由度，并与实际机构相对照；
3、撰写实验报告一份。
六、实验结果分析与讨论
围绕以下几个思考题，对实验过程进行分析与总结：
1、机构运动简图应准确反映机构中的哪些内容？
2、计算机构的自由度对测绘机构运动简图有何帮助？

实验二 齿轮范成实验
一、实验目的
1、掌握用范成法制造渐开线齿轮的基本原理；
2、了解渐开线齿轮的根切现象和齿顶变尖现象；
3、分析、比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。
二、实验原理
范成法是运用一对齿轮（或齿轮齿条）互相啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来加工轮齿的一种方法。加工时，其中一齿轮（或齿条）为刀具，另一轮为轮坯，两者对滚，同时刀具还沿轮坯的轴向作切削运动，最后轮坯上被加工出来的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线，其过程仿佛一对齿轮（或齿轮齿条）作无齿侧间隙啮合传动同样。为了看清楚齿廓形成的过程，可以用图纸做轮坯。在不考虑切削和让刀运动的情况下，刀具与轮坯对滚时，刀刃在图纸上所印出的各个位置的包络线，就是被加工齿轮的齿廓曲线。
三、实验仪器和设备
齿轮范成仪或齿轮范成模拟软件。
四、实验方法及环节
本实验分两种情况：
1、采用齿轮范成仪
目前实验用齿轮范成仪是采用齿条刀具来范成加工齿轮的，可按照如下环节进行实验：
⑴ 根据已知的刀具参数和被加工齿轮分度圆直径，计算被加工齿轮的基圆、不发生根切的最小变位系数与最小变位量、标准齿轮的齿顶圆与齿根圆直径以及变位齿轮的齿顶圆与齿根圆直径。然后根据计算数据将上述六个圆画在同一张纸上，并沿最大圆的圆周剪成圆形纸片，作为本实验用的“轮坯”。
⑵ 把“轮坯”安装到范成仪的圆盘上，必须注意对准中心。
⑶ 调节齿条刀具中线，使其与被加工齿轮分度圆相切。刀具处在切制标准齿轮时的安装位置上。
⑷ “切制”齿廓时，先把刀具移向一端，使刀具的齿廓退出轮坯中标准齿轮的齿顶圆；然后每当刀具向另一端移动2~3mm距离时，描下刀刃在图纸轮坯上的位置，直到形成两个完整的轮齿齿廓曲线为止。此时应注意轮坯上齿廓的形成过程。
⑸ 观测根切现象（用标准渐开线齿廓检查所绘得的渐开线齿廓或观测刀具的齿顶线是否超过被加工齿轮的极限点）。
⑹ 重新调整刀具，使刀具中线远离轮坯中心，移动距离为避免根切的最小变位量，再“切制”齿廓。此时也就是刀具齿顶线与变位齿轮的根圆相切。按照上述的操作过程，同样可以“切制”得到两个完整的正变位齿轮的齿廓曲线。为便于比较，此齿廓可用另一种颜色的笔画出。
2、采用软件模拟齿轮范成原理
实验方法和环节如下：
⑴ 启动计算机，调用相应程序；
⑵ 按界面菜单提醒，输入一组齿轮参数（例如m=17、Z=8、变位系数x=0、α=200）），运营程序即可在计算机显示器上看到，齿条（分度线）与齿坏（分度圆）相切作纯滚动时，在各个位置齿条刀刃留下的包络线——渐开线齿廓曲线；
⑶ 自选参数，观测m、Z、x、α的变化后所形成的渐开线齿廓曲线形状的变化情况；
⑷ 改变参数，观测齿顶是否变尖、是否存在根切现象。
五、实验规定
1、若采用齿轮范成仪实验，绘出一张清楚的齿廓曲线图，并填写表2-1；
2、采用计算机实验，要打印出一张齿廓曲线图；
六、实验结果分析与讨论
实验结束后，围绕以下思考题总结本次实验：
1、实验得到的标准齿轮齿廓与正变位齿轮齿廓形状是否相同？为什么？
2、在实验中，你所观测到的根切现象发生在基圆之内还是在基圆之外？分析产生的因素并提出如何避免根切。
3、比较用同一齿条刀具加工出的标准齿轮与正变位齿轮的参数哪些变了？哪些没有变？为什么？

表2-1 齿轮范成实验数据
原始数据
齿条：
模数 mm；
压力角 ；
齿顶高系数=
径向间隙系数=
被加工齿轮：

分度圆半径 mm。
齿轮几何尺寸计算
名 称
符 号
计算公式
计算结果
标准齿轮
变位齿轮
齿数

最小变位系数

基圆半径

齿顶圆半径

齿根圆半径

实验三 机构运动创新方案设计实验
一、实验目的
1、加深对机构组成原理和机构运动方案设计的结识；
2、了解平面连杆机构的应用；
3、培养创新意识和机构创新设计能力。
二、实验仪器和设备
1、机构运动创新方案实验台
实验台提供了各种搭接机构时使用的零件、部件、直线电机和旋转电机，重要涉及：
⑴ 凸轮：基圆半径为18mm，从动推杆的行程为30mm；
⑵ 齿轮：模数2，压力角20，齿数28或42，两齿轮中心距为70mm；
⑶ 齿条：模数2，压力角20，单根齿条全长为200mm，两齿条可搭接使用；
⑷ 槽轮拔盘：两个土动销或壹个积极销；槽轮：四槽；
⑸ 积极轴：轴上带有平键；从动轴：轴上未带平键，有圆头和扁头两种结构形式；
⑹ 积极滑块：专用于机构积极运动为往复直线移动时情况；
⑺ 连杆：有两种结构形式，且长度不等；
⑻ 转动副轴或滑块：用于两构件形成转动副或形成移动副；
⑼ 带垫片螺栓：规格M5，用于防止连杆与转动副轴的轴向串动，两者能相对转动；
⑽ 压紧螺栓：规格M5，用于防止连杆与转动副轴的轴向串动，两者相对固定或转动；
⑾ 层面限位套：用于不同构件运动平面之间的距离限定，以免发生运动的干涉；
⑿ 皮带轮（皮带）：专用凸轮与从动杆之间的高副形成；
⒀ 高副锁紧弹簧：用于凸轮与从动杆之间的高副形成；
⒁ 直线电机：10mm／s，不允许改变直线电机的安装位置。直线电机有控制器，其前面板上有电源开关和保护电机的熔断器（2.5A）。后面板上有220V、50HZ的电源插座，行程开关插座（三芯插头、缺口朝上插入）和电机电源插座（四芯插头、缺口朝上插入）。
注意事项：根据积极滑块移动的距离，通过改变直线电机的两行程开关的相对位置来调节齿条（相称于滑块）往复运动间距，可调节的最大行程不得大于400mm。
故障排除：当接通电源开关，电机不运营，也许是前面板上保护电机的熔断器（2.5A）烧断。拨掉～220V、50HZ的电源插头后，再旋开熔断器保护盖，更换新2.5A熔断器。
注意：未搭接机构运动前、预设直线电机的工作行程后，请务必调整直线电机行程开关相对齿条底部的高度，以保证电机行程开关能灵活动作，从而防止电机自齿条断齿并脱离电机主体，防止所组装的零件被损坏和人身的安全。
⒂ 旋转电机：10／min，沿机架上的长形孔可改变转动电机的位置。电机上连有～220V、50HZ的电源线及插头，连线上串接有手柄开关，可方便开、断电机电源；
⒃ 若干标准件紧固件
2、实验工具
螺丝刀、活动扳手、M6内六角扳手，卷尺、笔和纸等。
三、实验方法及环节
1、熟悉实验仪器和设备及零件的作用。
2、将拟定的机构方案，根据机构组成原理，运用实验台提供的零件按机构运动的传递顺序进行搭接。搭接时，一方面要分清机构中各构件所占据的运动平面，并且使各构件的运动在互相平行的平面内进行，其目的是避免各运动构件发生于涉。然后，以机架铅垂面为参考面，所搭接的构件以原动构件起始，依运动传递顺序将各杆组由里（参考面）向外进行搭接。
四、实验规定
1、自行设计一种机构，搭接出该机构，绘出机构简图，计算出机构自由度；
2、实验报告中写出实验心得体会。

实验四 平面机构创意组合测试分析实验
一、实验目的
1、了解平面机构创意组合方式和类型；
2、对机构的运动参数（位移、速度、加速度）进行测定和分析；
3、了解机械动态参数测试仪的使用方法。
二、实验原理
机械传动系统是机器的重要组成部分。运用不同机构（例如杆机构、齿轮机构、间歇机构、带及链传动等）的组合，可获得工作（执行）机构的运动和动力。
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。通过对传动系统进行运动学和动力学分析，可保证执行构件满足运动规定（例如工作行程与回程的速度、惯性力等）。
三、实验仪器和设备
1、实验台
机械实验台重要由底座（安装平台）、平面连杆机构、凸轮机构、间歇机构（包含槽轮机构、不完全齿轮机构、棘轮机构等）、齿轮传动机构、带（链）传动等以及驱动装置组成。可根据设计需要，进行拼装，可拼装齿轮—杆组合机构、凸轮组合机构、不完全轮组合机构、槽轮组合机构，齿轮—齿条组合机构、链—齿轮组合机构及棘轮组合机构等。
实验台配备了一个光栅角位移传感器、一个直线位移传感器，可分别安装在旋转及移动构件上。在每种机构的输入及输出端均有安装位置。
1-走条 2-左垂直支撑 3-横梁组件 4-内六角圆柱头螺钉 5-右垂直支撑
6-支承角钢 7-直流电机 8-电机及带轮 9-走条螺母 10-底板

图4-1 底座

2、检测分析系统
实验台配备了硬件检测系统及软件分析系统，同时具有两种调速方式。
硬件系统采用单片机与A/D转换集成相结合进行数据采集，解决分析及实现与PC机的通信，达成适时显示运动曲线的目的。该测试系统先进、测试稳定、抗干扰性强。同时该系统采用光电传感器、位移传感器和加速度传感器作为信号采集手段，具有较高的检测精度。
数据通过传感器与数据采集分析箱将机构的运动数据通过计算机串口送到PC机内进行解决，形成运动构件运动参数变化的实测曲线，为机构运动分析提供手段和检测方法。
图4-2 硬件系统原理框图
硬件系统原理如图4-2框图所示。

实验台电机转速控制系统有两种方式：
1、手动控制：通过调节控制箱上的两个调速按钮调节电机转速；
2、软件控制：在实验软件中根据实验需要来调节。软件为专用软件，涉及教学和分析两部分，其中分析中有实测曲线和杆机构、凸轮机构、槽轮机构的运动曲线仿真。
软件操作说明：
点击可执行文献就会进入主界面；主界面涉及四个主菜单: 文献 、实验内容、帮助和公式备查。“文献”中有一个下拉菜单: “退出”。 点击 “退出” ，程序会终止运营而结束。
实验内容涉及实验录像、实验原理说明、实测、仿真和实验结果5个子菜单。“实验结果”菜单只有在“仿真”与“实测”的基础上才干操作，其余的菜单一点击就能进入相应的窗体，所以通过菜单的点击可以实现各窗体之间的切换。
⑴ 实验录像的播放 实验录像窗体有2个按钮：停止和播放。点击“播放”可以播放录像，必须注意的是，在切换到其他窗体以前必须点击“停止”按钮；
⑵ 机构的仿真过程 仿真窗体涉及两个图片框：上方的是机构简图框，显示各机构的简朴示意图。下方黑色的是仿真图框，可以对有四杆机构、曲柄滑块、导杆滑块、导杆摇杆、凸轮、槽轮6种机构进行仿真。机构简图框右边是机构选项卡，可以对以上6种仿真机构类型进行选择；
进入该界面后点击界面右边的机构选项卡，选择其中一种机构，然后确认好选项卡上文本框中的机构各构件尺寸，看是否与仿真的实际机构尺寸同样，假如不同样则需将实际构件尺寸输入到文本框中。最后点击“仿真”按钮，便可以把仿真机构的位移、速度、加速度曲线在窗体下方的黑色坐标框中绘制出来。
⑶ 假如仿真出来的位移、速度、加速度数值较小，无法显示在当前坐标区内，可以进行坐标调整（一般情况下无需调整）。 点击“增长按钮”缩放倍数会逐渐增长，值得注意的是必须用鼠标左键点击其倍数值，让其变为兰色，坐标才会发生相应的调整。点击“减小按钮”亦然。
⑷ 仿真曲线打印
仿真实验做完后，假如需要打印实验结果，则要先在仿真窗体点击“打印结果”按钮，注意：这只能将预打印仿真的曲线与机构简图以文献的形式保存到实验结果中，要将其打印出来还要点击主菜单中“实验内容”下的“实验结果”菜单。点击之后实验结果窗体将现出。实验结果窗体上有两个图片框和“打印预览”、“打印”两个按钮。上面的图片框显示的是仿真曲线，下面的是机构显图。打印结果必须是先点击“打印预览”、后点击“打印结果”。假如在预览时，预打印的曲线不在预览窗口，必须返回仿真窗体进行坐标调整，让需要打印的量出现在坐标轴内再进入打印窗体。
⑸ 机构曲线的实测
点击主菜单“实测”，重要涉及两个曲线显示框，一个操作选项卡。上面的图片框显示光栅角位移传感器所测到的曲线，下面的图片框显示直线位移传感器所测到的曲线。操作选项卡有 “文献”、“设立”、“操作”三个选项。 一方面观测执行机构是否启动，假如没有则要启动，该窗体上有“增长按钮”，“减少按钮”和“停止按钮”，分别可以增长和减少电机当前的速度，也可以让电机停止。机构启动后，点击窗体右上角操作选项中“操作”项的“采集”按钮，便可对机构进行实测了。假如测到的曲线没有在图片框中就需对曲线和坐标做一定的调整，在“设立”选项中有坐标的缩放与上下移动，坐标的缩放与仿真窗体的同样。曲线调整可以由三个可输入的文本框进行，输入一定的缩放系数到文本框，点击该文本框下的“拟定”按钮则可调整曲线的纵坐标大小。 “文献”选项：有“保存文献”和“打开文献”2个按钮，可以将采集到的曲线以文献的形式保存和打开。
四、实验方法及环节
1、结识实验台提供的各种传动机构的结构及传动特点；
2、拟定执行构件的运动方式（回转运动、间隙运动等）；
3、设计或选择所要拼装的机构；
4、熟悉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、用手拨动机构，检查机构运动是否正常；
7、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、按“增长”键，逐步增长电机转速，观测机构运动；
9、打开计算机，进入“检测”界面，观测相应构件的运动情况，假如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、实验结束后，关闭电源，拆下构件。
五、实验规定
1、预先设计好自己要组装的机构类型，按照操作规程进行搭接组装；
2、对机构的运动参数（位移、速度、加速度）进行测试；
3、绘制出本次组合机构的机构简图；
六、实验结果分析与讨论
对该机构的运动参数进行分析，如，有无急回特性、冲击、最大行程等。

实验五 曲柄滑块导杆凸轮组合实验
一、实验目的
1、了解位移、速度、加速度的测定方法；
2、比较曲柄滑块、曲柄导杆机构的性能差异；
3、比较不同凸轮廓线对凸轮直动从动杆运动规律的影响。
二、实验仪器和设备
本实验采用曲柄滑块导杆凸轮组合机构实验台，实验台是一套多用途机构运动参数测量系统，由实验机构、光电脉冲编码器、同步脉冲发生器（又称角度传感器）、组合机构实验仪、计算机、打印机等组成，系统组成如图5-1所示。
图5-1 实验系统组成框图

1、实验机构
实验机构可为曲柄滑块机构、导杆机构或凸轮机构，其原动力采用直流调速电机，电机额定功率100W，调速范围0-2023r/min。经蜗轮减速箱减速，速比为1：20，机构的曲柄转速为0-100r/min。实验前，通过拆装，可以分别构成曲柄滑块机构、曲柄导杆机构、平底直动从动杆凸轮机构、滚子直动从动杆凸轮机构。这四种机构的某些参数（例如曲柄长度、连杆长度、滚子偏心距等）可在一定范围内调整。可构成的四种机构的机构简图及传感器安装部位如图5-2所示。

1-同步脉冲发生器 2-涡轮减速器 3-曲柄 4-连杆 5-电动机6-滑块 7-齿轮 8-光电编码器 9-导块 10-导杆 11-凸轮 12、14-从动件13-弹簧 15-光栅盘

图5-2 四种机构的机构简图及传感器安装部位
2、组合机构实验仪
图5-3-1实验仪背面结构
图5-3-1实验仪正面结构
组合机构实验仪操作面板如图5-3所示，图5-3-1为正面结构，图5-3-2为背面结构。
三、实验原理
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 P C 机进行通讯。组合机构实验仪测试原理如图5-4所示。
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，接入微解决器外扩的计数器计数，通过微解决器进行初步解决运算后，输入 P C 机进行解决，通过软件、CRT显示出相应的数据和运动曲线图。
机构中尚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。

图5-4 系统测试原理框图

四、实验方法及环节
启动系统后，计算机上显著系统主控界面，如图5-5所示。
图5-5 系统主控界面
1、曲柄滑块运动机构实验
(一) 滑块位移、速度、加速度测量
⑴ 按图5- 2（a）组装曲柄滑块机构并安装传感器；
⑵ 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 芯插头分别插入组合机构实验仪上相相应接口上；打开电源，LED数码管显示"0"；机构工作。
⑶ 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。机构运转正常后，就可在计算机上进行操作了。
⑷ 选择好串口，并在弹出的采样参数设立区内选择相应的采样方式和采样常数。可以选择定期采样方式，采样的时间常数有10个选择档（2ms、5ms、10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、50ms），例如选择25ms采样一次。也可以选择定角采样方式，采样的角度常数有5个选择档（2度、4度、6度、8度、10度），例如选择每隔 4 度采样一次；
⑸ 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）；
⑹ 按下“采样”按键，开始采样。（稍许等待，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解决，得到运动的位移值）；
⑺ 采样结束后，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；
⑻ 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”内也将增长各采样点的速度和加速度值；
⑼ 打开打印窗口，可以打印数据和运动曲线。
（二）转速及回转不匀率测量
⑴ 同滑块“位移、速度、加速度测量 ”同样，先完毕⑴到⑸步；
⑵ 选择好串口，并点击“数据采集”。在弹出的采样参数设计区内，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），选择其一，例如选择 6 度；
⑶ 同“滑块位移、速度、加速度测量 ”的⑺、⑻、⑼步，不同的是“数据显示区”不显示相应的数据；
⑷ 打印。
2．曲柄导杆滑块运动机构实验
按照图 2（b）组装实验机构，同曲柄滑块机构测量操作环节。测量结束后，可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
按照图 2（c） 组装实验机构，同前操作环节，检测从动杆的运动规律（注意将曲柄转速控制在每分40转以下）。
4．滚子直动从动杆凸轮机构
按照图 2（d）组装实验机构，同前操作环节，检测从动杆的运动规律（注意将曲柄转速控制在每分40转以下）。测量结束后，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。
五、实验规定
认真操作，运用计算机求出机构的运动参数，打印出机构运动的理论曲线和实测曲线。
六、实验结果分析与讨论
围绕以下思考题，总结本次实验：
1、分析曲柄滑块机构机架长度及滑块偏置尺寸运动参数的影响；
2、将机构的理论曲线和实测曲线相比较，并分析产生差异的因素；
3、判断曲柄滑块机构是否有急回特性；
4、计算行程速比系数，判断加速度峰值发生在什么地方？

实验六 动平衡实验
一、实验目的
1、掌握刚性转子动平衡的实验方法及使用的设备仪器；
2、验证动不平衡和动平衡的概念。
二、实验原理
图6-1 转子平衡力学原理
根据理论力学的知识，一个力可以分解为与它平行的两个分力。因此可以根据该回转体的结构，选定两个平衡基面I和II作为安装配重的平面（图6-1）。将上述离心惯性力分别分解到平面I和II内，即将力P1及P2分解为P1I及P2I（在平面I内）及P1II及P2II（在平面II内）。这样就可以把空间力系的平衡问题转化为两个平面汇交力系的平衡问题了。显然，只要在平面I和II内各加入一个合适的配重QI和QII，使两平面内的惯性力之和均等于零，构件也就平衡了。
三、实验仪器和设备
智能动平衡实验系统是一种基于虚拟测试技术的智能动平衡实验系统，能在一个硬支承的机架上不经调整即可实现硬支承动平衡的A，B，C尺寸法解算和软支承的影响系数法解算，既可进行动平衡校正亦可进行静平衡校正，本系统运用高精度的压电晶体传感器进行测量，采用先进的计算机虚拟测试技术、数字信号解决技术和小信号提取方法，达成智能检测目的。本系统不仅能得出实验结果，并且通过动态实时检测曲线了解实验的过程，通过人机对话的方式生动、形象地完毕检测过程。
1、工作原理
转子动平衡检测是一般用于轴向宽度B与直径D的比值大于0.2的转子（小于0.2的转子用于静平衡）。转子动平衡检测时，必须同时考虑其惯性力和惯性力偶的平衡，即Pi=0，Mi=0。如图6-1所示，设一回转构件的偏心重Q1及Q2分别位于平面1和平面2内，r1及r2为其回转半径。当回转体以等角速度回转时，它们将产生离心惯性力P1及P2，形成一空间力系。
2、系统组成
智能动平衡机结构如图6-2所示。智能动平衡机由测试系统由计算机、数据采集器、高灵敏度有源压电力传感器和光电相位传感器等组成。当实验转子在部件上被拖动旋转后，由于转子的中心惯性主轴与其旋转轴线存在偏移而产生不平衡离心力，迫使支承做逼迫震动，安装在左右两个硬支撑机架上的两个有源压电力传感器感受此力而发生机电换能，产生两路包具有不平衡信息的电信号输出到数据采集装置的两个信号输入端；与此同时，安装在转子上方的光电相位传感器产生与转子旋转同频同相的参考信号，通过数据采集器输入到计算机，如图6-3所示。
1-光电传感器 2-实验转子 3-硬支承摆架组件4-压力传感器 5-减振底座 6-传动带 7-电动机 8-零位标志

图6-2 动平衡实验机结构
计算机通过采集器采集此三路信号，由虚拟仪器进行前置解决，跟踪滤波，幅度调整，相关解决，FFT变换，校正面之间的分离解算，最小二乘加权解决等。最终算出左右两面的不平衡量（克）、校正角（度）以及实测转速（转/分）。

图6-3 数据采集过程
3、重要技术参数
⑴ 工件质量范围（kg）：0.1~5
⑵ 工件最大外径（mm）：Φ260
⑶ 两支承间距离（mm）：50~400
⑷ 支承轴径范围（mm）：Φ3~30
⑸ 圈带传动处轴径范围（mm）：Φ25~80
⑹ 电机功率（kw）：0.12
⑺ 平衡转速：约1200转/分,2500转/分两档
⑻ 最小可达残余不平衡量≤0.3g mm/kg
⑼ 一次减低率：≥90%
⑽ 测量时间：最长3s
4．软件界面和操作
操作重要集中在软件界面上，软件不仅能找到偏心的位置和偏心量的大小，并且可演示整个检测解决过程。下面将对软件界面和操作进行介绍。
图6-4 系统主界面
（一）系统主界面（图6-4)
⑴ 测试结果显示区域：涉及左右不平衡量显示、转子转速显示、不平衡方位显示；
⑵ 转子结构显示区：可以通过双击当前显示的转子结构图，直接进入转子结构选择图，选择需要的转子结构；
⑶ 转子参数输入区域：在进行计算偏心位置和偏心量时，需要输入当前转子的各种尺寸，如图上所示的尺寸，在图上没有标出的尺寸是转子半径，输入数值均是以毫米（mm）为单位的；
⑷ 原始数据显示区：该区域是用来显示当前采集的数据或者调入的数据的原始曲线，在该曲线上，可以看出机械振动的大约情况，根据转子偏心的大小，在原始曲线上可以看出一些周期性的振动情况；
⑸ 数据分析曲线显示按钮：通过该按钮可以进入具体曲线显示窗口，可以通过具体曲线显示窗口看到整个分析过程；
⑹ 指示出检测后的辊子的状态：灰色为没有达成平衡，蓝色为已经达成平衡状态。平衡状态的标准通过“允许不平衡质量”栏设定；
⑺ 左右两面不平衡量角度指示图：指针指示的方位为偏重的位置角度；
⑻ 自动采集按钮：为连续动态采集方式，直到停止按钮按下为止；假如要单次采集，可按单次采集按钮。
⑼ 复位按钮：清除数据及曲线，重新进行测试；
⑽工件几何尺寸保存按钮开关：点击该开关可以保存设立数据（重新开机数据不变）。
（2）模式设立界面（图6-5）
图6-5模式设立界面
界面上有六种一般转子结构图，通过鼠标可以选择相应的转子结构来进行实验。每一种结构相应了一个计算模型，选择了转子结构同时也选择了该结构的计算方法。

图6-6 采集器标定窗口
（三）采集器标定窗口（图6-6）

进行标定的前提是有一个已经平衡了的转子，在已经平衡了的转子上的A，B两面加上偏心重量，所加的重量（不平衡量）及偏角（方位角）从“标定数据输入窗口”输入，启动装置后，通过点击“开始标定采集”来开始标定的第一步，需要注意的是所有的操作是针对
同一结构的转子进行标定的，以后进行转子动平衡时应当是同一结构的转子，假如转子的结构不同则需要重新标定。“测试次数”由用户自己设定，次数越多标定的时间越长，一般5~10次。“测试原始数据”栏只是观测数据栏，只要有数据表达正常，反之为不正常。“具体曲线显示”可观测标定过程中数据的动态变化过程，来判断标定数据的准确性。
在数据采集完毕后，计算机采集并计算的结果位于第二行的显示区域，可以将手工添加的实际不平衡量和实际的不平衡位置填入第三行的输入框中，输入完毕并按“保存标定结果”按钮，“退出标定”完毕该次标定。
（四）数据分析窗口（图6-7）
图6-7 数据分析窗口
按“数据分析曲线”键，得如下窗口，可具体了解数据分析过程。
⑴ 滤波后的曲线（滤波器窗口）：显示滤波后的曲线，横坐标为离散点，纵坐标为幅值；
⑵ 频谱分析图：显示FFT变换左右支撑振动信号的幅值谱，横坐标为频率，纵坐标为幅值；
⑶ 实际偏心量分布图：自动检测时，动态显示每次测试的偏心量的变化情况。横坐标为测量点数，纵坐标为幅值；
⑷ 实际相位分布图：自动检测时，动态显示每次测试的偏相位角的变化情况。横坐标为测量点数，纵坐标为偏心角度；
⑸ 指示栏：指示出每次测量时转速、偏心量、偏心角的数值。
四、实验方法和环节
1．平衡件模式选择
点击“动平衡实验系统”, 出现“动平衡实验系统”的虚拟仪器操作前面板，点击左上“设立”菜单功能键的“模式设立”功能，屏幕上出现模型ABCDEF六种模型。根据动平衡元件的形状，选择其模型格式。选中的模型右上角的指示灯变红,点击“拟定”,回到虚拟仪器操作前面扳。在前面扳右上角就会显示所选定的模型形态。量出你所要平衡器件的具体尺寸，并根据图示平衡件的具体尺寸，将数字输入相应的A、B、C、框内。点击“保存当前配置”键，仪器就能记录、保存这批数据，作为平衡件相应平衡公式的基本数据。只要不重新输入新的数据，此格式及相关数据不管计算机是否关机或运营其它程序，始终保持不变。
2．系统标定
⑴ 点击“设立”框的“系统标定”功能键，屏幕上出现仪器标定窗口。将两块2克重的磁铁分别放置在标准转子左右两侧的零度位置上，在标定数据输入窗口框内，将相应的数值分别输入“左不平衡量”、“左方位”；“右不平衡量”及“右方位”的数据框内（按以上操作，左、右不平衡量均为2 克，左、右方位均是零度），启动动平衡实验机，待转子转速平稳运转后，点击“开始标定采集”，下方的红色进度条会作相应变化，上方显示框显示当前转速，及正在标定的次数，标定值是多次测试的平均值。
⑵ 平均次数可以在“测量次数”框内人工输入，一般默认的次数为10次。标定结束后应按“保存标定结果”键，完毕标定过程后，按“退出标定”键，即可进入转子的动平衡实际检测。标定测试时，在仪器标定窗口“测试原始数据”框内显示的四组数据，是左右两个支撑输出的原始数据。如在转子左右两侧，同一角度，加入同样重量的不平衡块，而显示的两组数据相差甚远，应适当调整两面支撑传感器的顶紧螺丝，可减少测试的误差。
3．动平衡测试
⑴ 手动（单次）：手动测试为单次检测，检测一次系统自动停止，并显示测试结果。
⑵ 自动（循环）：自动测试为多次循环测试，操作者可以看到系统动态变化。按“数据分析曲线”键，可以看到测试曲线变化情况。
需要注意的是：要进行加重平衡时，在停止转子运转前，必须先按“停止测试”键，使软件系统停止运营，否则会出现异常。
4．实验曲线分析
在数据采集过程中，或在停止测试时，都可在前面板区按“数据分析曲线”键，计算机屏幕会切换到“采集数据分析窗口”，该窗口有四个图形显示区和5个数字显示窗口，它们分别是“滤波后曲线”、“频谱分析图”、“实际偏心量分布图”和“实际相位分布图”四个图形显示区和转速，左右偏心量及偏心角五个数字显示窗口，该分析窗口的功能重要是展示实验数据的整个解决过程，通过数字滤波、FFT信号频谱分析等数学手段提取有用的信息，该窗口不仅显示了解决的结果，还交代了信号解决的演变过程。在自动测试情况下（即多次循环测试），从“实际偏心量分布图”和“实际相位分布图”可以看到每次测试过程当中的偏心量和相位角的动态变化，曲线变化波动较大说明系统不稳定要进行调整，调整方法详见“常见问题”。
5．平衡过程
为方便起见，一般是用永久磁铁配重，作加重平衡实验，根据左、右不平衡量显示值（显示值为去重值），加重时根据左、右相位角显示位置，在相应其相位180度的位置，添置相应数量的永久磁铁，使不平衡的转子达成动态平衡的目的。在自动检测状态时，先在主面板按“停止测试”键，待自动检测进度条停止后，关停动平衡实验台转子，根据实验转子所标刻度，按左、右不平衡量显示值，添加平衡块，其质量可等于或略小于面板显示的不平衡量，然后，启动实验装置，待转速稳定后，再按“自动测试”，进行第二次动平衡检测，如此反复多次，系统提供的转子一般可以将左、右不平衡量控制中0.1克以内。在主界面中的“允许偏心量”栏中输入实验规定偏心量（一般规定大于0.05克）。当“转子平衡状态”指示灯由灰色变蓝色时，说明转子已经达成了所规定的平衡状态。
由于动平衡数学模型计算理论的抽象抱负化和实际动平衡器件及其所加平衡块的参数多样化的区别，因此动平衡实验的过程是个逐步逼近的过程。
6．动平衡实验操作示例
⑴ 接通实验台和计算机USB通信线，并装上密码狗，（此时应关闭实验台电源）；
⑵ 打开“测试程序界面”，然后打开实验台电源开关，并打开电机电源开关，点击开始测试。这时应看到绿、白、蓝三路信号曲线。如没有应检查传感器的位置是否放好；
⑶ 三路信号正常后点击退出测试，退出“测试程序”。然后双击“动平衡实验系统界面”进入实验状态；
⑷ 测量A、B、C及转子半径尺寸输入各自窗口，然后点击“设立”窗口进入“系统标定”界面。在标定数据输入窗口输入左、右不平衡量及左右方位度数（一般以我们给的最大重量磁钢2g作标定，方位放在O度），数据输入后点击“开始标定采集”窗口开始采集。这时可以点击“具体曲线显示”窗口，显示曲线动态过程。等测试十次后自动停止测试。点击“保存标定结果”窗口，回到原始实验界面，开始实验；
⑸ 点击“自动采集”窗口，采集35次数据比较稳定后点击“停止测试”窗口，以左右放1.2克为例，左边放在0度，右边放在270度。这时数据显示为：
左 右