機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)測定綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

付順玲，李允旺，程志紅

（中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位移、速度、加速度等參數(shù)，它們是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)直接反映了機(jī)器的工作性能［1］。通過位移分析，可以確定機(jī)構(gòu)的外廓尺寸、構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的空間與構(gòu)件位置的變化規(guī)律；通過速度分析，可以確定機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件的速度變化規(guī)律；通過加速度分析，可以確定機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件及構(gòu)件上某些點(diǎn)的加速度，從而了解機(jī)構(gòu)加速度的變化規(guī)律，為計(jì)算慣性力進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)構(gòu)動(dòng)力平衡分析，以及防止振動(dòng)與噪聲奠定了良好的基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開展機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)測定綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠加深對機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度以及轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)不均勻率等運(yùn)動(dòng)特性的了解與認(rèn)識，以及驗(yàn)證理論分析的正確性［2］。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成

基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上安裝了測量轉(zhuǎn)速、位移、加速度的傳感器，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，構(gòu)成了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測定的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）了解滑塊的位移、速度、加速度的測定以及轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)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(jī)械系統(tǒng)的功能。

（4）比較虛擬實(shí)驗(yàn)的理論運(yùn)動(dòng)線圖與實(shí)測運(yùn)動(dòng)線圖的差異，提高對虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的位移、速度、加速度、角速度、角加速度的感性認(rèn)識［3－4］。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，采用光電編碼器對曲柄的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，利用位移傳感器和加速度傳感器進(jìn)行滑塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測量，再利用安裝在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡，將采集的運(yùn)動(dòng)參數(shù)送到計(jì)算機(jī)內(nèi)，采用基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理與顯示，并可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果與報(bào)告的編輯與輸出。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、高精度光電旋轉(zhuǎn)編碼器、線位移傳感器與加速度傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、打印機(jī)等設(shè)備所組成。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要由基座、電機(jī)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)所組成，如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)

電機(jī)通過V形帶帶動(dòng)機(jī)構(gòu)的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)調(diào)速器可用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與設(shè)定。光電編碼器通過彈性聯(lián)軸器與曲柄旋轉(zhuǎn)軸同軸安裝，拉桿式位移傳感器外殼固定在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對滑塊位移的測量，進(jìn)而可以計(jì)算出滑塊的速度與加速度數(shù)值。為了能直接對滑塊的加速度進(jìn)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(zhuǎn)換成電信號。數(shù)據(jù)采集卡將采集的傳感器信號，通過10MB／100MB以太網(wǎng)RJ－45接口與計(jì)算機(jī)連接，采用TCP協(xié)議進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)中安裝了用LabVIEW編制的數(shù)據(jù)處理與顯示軟件，對測試參數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，并顯示各條運(yùn)動(dòng)曲線。也可將直接測量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和間接計(jì)算獲得的測試數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還配備了打印設(shè)備，測試完成后能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編輯與打印。

硬件測試系統(tǒng)的功能是測定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄轉(zhuǎn)速、滑塊的位移、加速度等信號，利用數(shù)據(jù)采集卡將運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集至上位機(jī)，上位機(jī)利用LabVIEW編制的虛擬采集儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，顯示運(yùn)動(dòng)曲線。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中，滑塊的往復(fù)移動(dòng)通過光電脈沖編碼器轉(zhuǎn)換輸出具有一定頻率、0～5V電平的2路脈沖，輸入數(shù)據(jù)采集卡，將滑塊位移轉(zhuǎn)換為電壓值，通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。

利用光電脈沖編碼器采樣功能，可獲得以機(jī)構(gòu)主軸角度變化為橫坐標(biāo)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)線圖。機(jī)構(gòu)的速度、加速度數(shù)值由位移經(jīng)數(shù)值微分和數(shù)字濾波得到，數(shù)據(jù)通過傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)串口送入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，形成運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的實(shí)測運(yùn)動(dòng)曲線，為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析提供了檢測方法與手段［5－6］。

3 軟件分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件分析系統(tǒng)是用LabVIEW仿真軟件包測量理論運(yùn)動(dòng)線圖，利用LabVIEW建立的仿真模型，仿真出與機(jī)構(gòu)尺寸一致的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的構(gòu)件運(yùn)動(dòng)曲線，以便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)曲線的比較，能夠讓學(xué)生了解理論與實(shí)際運(yùn)動(dòng)線圖的差異，以及機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的影響，利用LabVIEW建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的幾何模型運(yùn)動(dòng)仿真，形成并打印出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與曲線的實(shí)驗(yàn)報(bào)告［7－8］。軟件分析系統(tǒng)如圖3所示，它包括了“文件”，“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”，“常用四桿機(jī)構(gòu)”，“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(shí)驗(yàn)內(nèi)容”下拉選單包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)錄像、實(shí)測、仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等子選單。

（3）“四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)畫”下拉選單包括常用平面機(jī)構(gòu)動(dòng)畫與視頻子選單。

（4）“四桿機(jī)構(gòu)簡圖”下拉選單包括以 Web形式顯示各種平面機(jī)構(gòu)的計(jì)算公式與可動(dòng)的運(yùn)動(dòng)簡圖子選單。

圖3 軟件分析系統(tǒng)界面

4 實(shí)驗(yàn)測量內(nèi)容

4.1 滑塊位移、速度、加速度的實(shí)際運(yùn)動(dòng)線圖的測量

（1）打開電源開關(guān)啟動(dòng)機(jī)構(gòu)，順時(shí)針調(diào)節(jié)電位器以增大轉(zhuǎn)速，等待機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始采樣，采樣結(jié)束后，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示位移變化曲線。

（2）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面上的“機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)測定綜合實(shí)驗(yàn)”圖標(biāo)運(yùn)行測試軟件，進(jìn)入測試主界面。

（3）開啟實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)，等待機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，在軟件界面中輸入有關(guān)提示參數(shù)。

（4）點(diǎn)擊界面中的“測試”命令，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，顯示對應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)波形圖。

（5）點(diǎn)擊該實(shí)驗(yàn)界面中的“打印”命令，可打印出實(shí)測的動(dòng)態(tài)參數(shù)波形圖。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將電機(jī)速度調(diào)零，關(guān)閉電機(jī)電源，點(diǎn)擊“退出”命令，則退出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［9－10］。

4.2 滑塊位移、速度、加速度理論仿真運(yùn)動(dòng)線圖的測量

（1）在“仿真測試”選單中選擇“運(yùn)動(dòng)仿真與測試”完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)測試。點(diǎn)擊“采樣”進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，點(diǎn)擊“仿真”進(jìn)行理論數(shù)據(jù)分析。計(jì)算機(jī)對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)碼仿真，顯示出對應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)理論波形圖。

（2）點(diǎn)擊該實(shí)驗(yàn)界面中的“打印”選單，可打印出理論的動(dòng)態(tài)參數(shù)波形圖。

5 結(jié)束語

“機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)測定綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”可以進(jìn)一步擴(kuò)展，能夠完成四桿機(jī)構(gòu)、滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動(dòng)等機(jī)構(gòu)的拼裝與設(shè)計(jì)，以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)測試與分析，成為機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)測定的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［11］。機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)、測試操作、數(shù)據(jù)與圖形處理可以使得實(shí)驗(yàn)更加新穎、更具有吸引力，能夠大大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)手段，提高了教學(xué)效果，有利于學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力的培養(yǎng)［12］。

（References）

［1］陳亞琴，孟梓琴，楊夢晨.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

［2］羅亞林.機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)測定與分析的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2003，20（1）：46－48.

［3］孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［4］朱文堅(jiān)，謝小鵬，黃鎮(zhèn)昌.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［5］王國強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［6］鄭建榮.ADAMS：虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［7］古天龍.構(gòu)建面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教育體系［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（12）：7－8.

［8］楊元兆，唐浙東，胡培鈞，等.機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)測定綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，1992，11（3）：72－75.

［9］楊昂岳.毛笠泓.夏宏玉，等.實(shí)用機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，2009.

［10］鄒旻，祝海林，胡愛萍，等.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)與思考［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（7）：110－111.

［11］徐濤，王力，丁穎，等.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心運(yùn)行機(jī)制與管理模式［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（6）：141－142.

［12］劉映琦，劉肅，李建，等.提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的創(chuàng)新實(shí)踐與探索［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8（3）：54－57.