凸輪機構動態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，對凸輪機構注重圖解法設計凸輪廓線方法的講授，而凸輪機構在滿足從動件運動規律要求的同時，必須滿足機構動態測試的要求。本文引入凸輪機構動態測試實驗臺作為《機械原理》綜合實驗的平臺，使學生著重掌握凸輪具體的結構參數對凸輪機構動態特性的影響。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設計的全面理解，很好的培養學生的動手能力和創新意識。

關鍵詞：機械原理課程綜合實驗；凸輪機構；機構動態測試實驗臺

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合的教學方式。課堂教學中在強化常用機構基本原理、結構和設計方法的同時，還需對機構在工程實際中的設計與應用有所滲透，使學生對常用機構有更全面的理解和把握。為了實現以上教學目的，本文引入了凸輪機構動態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的設計和動態測試，使學生將理論課程中所學的各章內容串聯起來，掌握各章內容在機構設計中的內在聯系和工程意義，加深了對所學內容的理解，它是《機械原理》課程教學中一個必不可少的重要教學環節。本文引入凸輪機構動態測試實驗臺作為《機械原理》綜合實驗的平臺，使學生著重掌握凸輪具體的結構參數對凸輪機構動態特性的影響。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設計的全面理解，很好的培養學生的動手能力和創新意識。

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動態參數進行采集、處理，作出實測的動態參數曲線，并通過計算機對該機構的運動進行數模仿真，作出相應的動態參數曲線，從而實現理論與實際的緊密結合。

2.利用計算機對凸輪機構結構參數進行優化設計，然后，通過計算機對凸輪機構的運動進行仿真和測試分析，從而實現計算機輔助設計與計算機仿真和測試分析有效的結合，培養學生的創新意識。

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，培養學生的動手能力。

二、機械原理教學內容

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，指導教師需對相關理論知識做簡單的提示和講解。具體內容包括：

（一）凸輪機構從動件運動規律及基本尺寸

凸輪機構常用的從動件運動規律有四種：等速運動規律、等加速等減速運動規律、余弦加速度運動規律和正弦加速度運動規律。其中等速運動規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律和余弦加速度運動規律，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律的加速度方程是整周期的正弦曲線，加速度曲線連續從動件運動無沖擊。特別對于余弦加速度運動規律而言，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律，加速度曲線也是連續從動件運動也是無沖擊的。具體選擇時，應根據具體工況的運動特點和要求，合理的選擇從動件運動規律。

在確定凸輪機構基本尺寸時，在偏心距e一定、從動件運動規律已知的條件下，加大基圓半徑r0，可以減少壓力角α，從而改善機構的傳力特性。但同時，會增大凸輪機構的尺寸。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）機械運轉及速度波動調節

機械在穩定運轉階段，當等效力矩和等效轉動慣量變化的公共周期內，當驅動功等于阻抗功時，等效構件的角速度在此公共周期內將呈現周期性的波動，從而機械會產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δ。機械運轉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節，將其限制在許可的范圍內。具體方法是在機械中設計安裝具有大轉動慣量的旋轉構件——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動態測試實驗臺，如圖1所示。該實驗臺可以分別對兩種結構形式的凸輪機構—盤型凸輪機構和圓柱凸輪機構進行動態測試。

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，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據、仿真軟件計算凸輪，推桿的真實運動規律，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）盤形凸輪機構可拆裝為圓柱凸輪機構，因而可作兩種凸輪機構的實驗；（5）盤形凸輪機構配有四個（共包含八種運動規律）凸輪，一種推桿，圓柱凸輪機構配一個凸輪；（6）盤形凸輪機構的偏距可調節，飛輪質量可調節，使機構運動特性達到最佳。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綜合實驗模塊和圓柱凸輪機構綜合實驗模塊兩部分組成。

兩部分實驗模塊依據綜合實驗的內容和步驟，均是由凸輪機構動畫演示界面（圖3）、凸輪機構原始參數輸入界面（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、實驗內容endprint

1.凸輪運動仿真和實測。能通過數模計算得出凸輪的真實運動規律，作出凸輪角速度線圖和角加速度線圖，并進行速度波動調節計算。通過凸輪上的角位移傳感器和A/D轉換器進行采集，轉換和處理，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，使學生了解機構結構對凸輪的速度波動的影響。

2.推桿運動仿真和實測。通過數模計算得出推桿的真實運動規律，作出推桿相對凸輪轉角和速度線圖，加速度線圖。通過推桿上的位移傳感器，凸輪上的同步轉角傳感器和A/D轉換板進行數據采集，轉換和處理，輸入計算機，顯示出實測的推桿相對凸輪轉角的速度線圖和加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構結構及加工質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”圖標，進入凸輪機構運動測試設計仿真綜合試驗臺軟件系統的封面。單擊左鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構動畫演示界面。

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

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

4.啟動實驗臺的電動機，待盤形（圓柱）凸輪機構運轉平穩后，測定電動機的功率，填入參數輸入界面的對應參數框內。

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

6.在選定的實驗內容的界面左下方單擊“仿真”，動態顯示機構即時位置和動態的速度，加速度曲線圖。單擊“實測”，進行數據采集和傳輸，顯示實測的速度，加速度曲線圖。若動態參數不滿足要求或速度波動過大，有關實驗界面均會彈出提示“不滿足！”及有關參數的修正值。

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，或動態參數不滿足要求，在選定的實驗內容的界面下方單擊“返回”，返回盤形（圓柱）凸輪機構原始參數輸入面，校對所有參數并修改有關參數，單擊選定的實驗內容鍵，進入有關實驗界面。以下步驟同前。

9.如果實驗結束，單擊“退出”，返回Windows界面。

六、結語

綜上所述，學生通過本次機械原理綜合實驗，以凸輪機構動態測試實驗臺作為載體，有效的將機械原理課程中凸輪機構及其設計和機械運轉及速度波動調節兩個章節的內容串聯起來。在掌握常用的凸輪從動件運動規律和凸輪廓線設計的基礎上，重點了解凸輪結構參數對從動件及凸輪速度波動的影響規律。該實驗臺在綜合實驗教學中的應用，可以有效激發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學習和掌握相關的機械原理知識，開拓學生的思路，激發學生的創造力，進一步提高學生的綜合素質和綜合創新能力，滿足現代工業企業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。能通過數模計算得出凸輪的真實運動規律，作出凸輪角速度線圖和角加速度線圖，并進行速度波動調節計算。通過凸輪上的角位移傳感器和A/D轉換器進行采集，轉換和處理，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，使學生了解機構結構對凸輪的速度波動的影響。

2.推桿運動仿真和實測。通過數模計算得出推桿的真實運動規律，作出推桿相對凸輪轉角和速度線圖，加速度線圖。通過推桿上的位移傳感器，凸輪上的同步轉角傳感器和A/D轉換板進行數據采集，轉換和處理，輸入計算機，顯示出實測的推桿相對凸輪轉角的速度線圖和加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構結構及加工質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”圖標，進入凸輪機構運動測試設計仿真綜合試驗臺軟件系統的封面。單擊左鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構動畫演示界面。

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

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

4.啟動實驗臺的電動機，待盤形（圓柱）凸輪機構運轉平穩后，測定電動機的功率，填入參數輸入界面的對應參數框內。

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

6.在選定的實驗內容的界面左下方單擊“仿真”，動態顯示機構即時位置和動態的速度，加速度曲線圖。單擊“實測”，進行數據采集和傳輸，顯示實測的速度，加速度曲線圖。若動態參數不滿足要求或速度波動過大，有關實驗界面均會彈出提示“不滿足！”及有關參數的修正值。

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，或動態參數不滿足要求，在選定的實驗內容的界面下方單擊“返回”，返回盤形（圓柱）凸輪機構原始參數輸入面，校對所有參數并修改有關參數，單擊選定的實驗內容鍵，進入有關實驗界面。以下步驟同前。

9.如果實驗結束，單擊“退出”，返回Windows界面。

六、結語

綜上所述，學生通過本次機械原理綜合實驗，以凸輪機構動態測試實驗臺作為載體，有效的將機械原理課程中凸輪機構及其設計和機械運轉及速度波動調節兩個章節的內容串聯起來。在掌握常用的凸輪從動件運動規律和凸輪廓線設計的基礎上，重點了解凸輪結構參數對從動件及凸輪速度波動的影響規律。該實驗臺在綜合實驗教學中的應用，可以有效激發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學習和掌握相關的機械原理知識，開拓學生的思路，激發學生的創造力，進一步提高學生的綜合素質和綜合創新能力，滿足現代工業企業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。能通過數模計算得出凸輪的真實運動規律，作出凸輪角速度線圖和角加速度線圖，并進行速度波動調節計算。通過凸輪上的角位移傳感器和A/D轉換器進行采集，轉換和處理，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，使學生了解機構結構對凸輪的速度波動的影響。

2.推桿運動仿真和實測。通過數模計算得出推桿的真實運動規律，作出推桿相對凸輪轉角和速度線圖，加速度線圖。通過推桿上的位移傳感器，凸輪上的同步轉角傳感器和A/D轉換板進行數據采集，轉換和處理，輸入計算機，顯示出實測的推桿相對凸輪轉角的速度線圖和加速度線圖。通過分析比較，使學生了解機構結構及加工質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”圖標，進入凸輪機構運動測試設計仿真綜合試驗臺軟件系統的封面。單擊左鍵，進入盤形（圓柱）凸輪機構動畫演示界面。

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

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

4.啟動實驗臺的電動機，待盤形（圓柱）凸輪機構運轉平穩后，測定電動機的功率，填入參數輸入界面的對應參數框內。

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

6.在選定的實驗內容的界面左下方單擊“仿真”，動態顯示機構即時位置和動態的速度，加速度曲線圖。單擊“實測”，進行數據采集和傳輸，顯示實測的速度，加速度曲線圖。若動態參數不滿足要求或速度波動過大，有關實驗界面均會彈出提示“不滿足！”及有關參數的修正值。

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，或動態參數不滿足要求，在選定的實驗內容的界面下方單擊“返回”，返回盤形（圓柱）凸輪機構原始參數輸入面，校對所有參數并修改有關參數，單擊選定的實驗內容鍵，進入有關實驗界面。以下步驟同前。

9.如果實驗結束，單擊“退出”，返回Windows界面。

六、結語

綜上所述，學生通過本次機械原理綜合實驗，以凸輪機構動態測試實驗臺作為載體，有效的將機械原理課程中凸輪機構及其設計和機械運轉及速度波動調節兩個章節的內容串聯起來。在掌握常用的凸輪從動件運動規律和凸輪廓線設計的基礎上，重點了解凸輪結構參數對從動件及凸輪速度波動的影響規律。該實驗臺在綜合實驗教學中的應用，可以有效激發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學習和掌握相關的機械原理知識，開拓學生的思路，激發學生的創造力，進一步提高學生的綜合素質和綜合創新能力，滿足現代工業企業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