機械運動參數(shù)測定綜合實驗的設(shè)計

付順玲，李允旺，程志紅

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

機械運動參數(shù)是指運動構(gòu)件的位移、速度、加速度等參數(shù)，它們是機械設(shè)計的重要技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)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(gòu)的外廓尺寸、構(gòu)件運動所需的空間與構(gòu)件位置的變化規(guī)律；通過速度分析，可以確定機構(gòu)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(gòu)中各構(gòu)件及構(gòu)件上某些點的加速度，從而了解機構(gòu)加速度的變化規(guī)律，為計算慣性力進行動力學(xué)分析、機構(gòu)動力平衡分析，以及防止振動與噪聲奠定了良好的基礎(chǔ)。在實驗教學(xué)中，開展機械運動參數(shù)測定綜合實驗，學(xué)生能夠加深對機構(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(gòu)成

基于曲柄滑塊機構(gòu)運動平臺上安裝了測量轉(zhuǎn)速、位移、加速度的傳感器，通過計算機進行數(shù)據(jù)采集，采用基于LabVIEW的虛擬實驗系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析、處理，構(gòu)成了機構(gòu)運動參數(shù)測定的綜合實驗系統(tǒng)。

1.1 實驗?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械系統(tǒng)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(gòu)的運動平臺上，采用光電編碼器對曲柄的轉(zhuǎn)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(shù)測量，再利用安裝在計算機中的數(shù)據(jù)采集卡，將采集的運動參數(shù)送到計算機內(nèi)，采用基于LabVIEW的虛擬實驗系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行采集、處理與顯示，并可進行實驗結(jié)果與報告的編輯與輸出。實驗系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)是由曲柄滑塊機構(gòu)運動平臺、高精度光電旋轉(zhuǎn)編碼器、線位移傳感器與加速度傳感器、計算機、數(shù)據(jù)采集卡、打印機等設(shè)備所組成。曲柄滑塊機構(gòu)運動平臺主要由基座、電機、曲柄滑塊機構(gòu)所組成，如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)

電機通過V形帶帶動機構(gòu)的曲柄轉(zhuǎn)動，電機調(diào)速器可用于電機轉(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構(gòu)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(fù)運動，實現(xiàn)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(shù)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(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接口與計算機連接，采用TCP協(xié)議進行通信。計算機中安裝了用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(shù)和間接計算獲得的測試數(shù)據(jù)與運動曲線進行比較。實驗系統(tǒng)中還配備了打印設(shè)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(tǒng)的功能是測定曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄轉(zhuǎn)速、滑塊的位移、加速度等信號，利用數(shù)據(jù)采集卡將運動參數(shù)采集至上位機，上位機利用LabVIEW編制的虛擬采集儀器進行數(shù)據(jù)采集、處理，顯示運動曲線。在機構(gòu)運動中，滑塊的往復(fù)移動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，可獲得以機構(gòu)主軸角度變化為橫坐標(biāo)的機構(gòu)運動線圖。機構(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)將機構(gòu)的運動數(shù)據(jù)通過計算機串口送入計算機內(nèi)進行處理，形成運動構(gòu)件的實測運動曲線，為機構(gòu)運動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

軟件分析系統(tǒng)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(gòu)尺寸一致的曲柄滑塊機構(gòu)的構(gòu)件運動曲線，以便進行運動曲線的比較，能夠讓學(xué)生了解理論與實際運動線圖的差異，以及機構(gòu)幾何參數(shù)對機構(gòu)運動性能的影響，利用LabVIEW建立曲柄滑塊機構(gòu)的幾何模型運動仿真，形成并打印出實驗數(shù)據(jù)與曲線的實驗報告［7－8］。軟件分析系統(tǒng)如圖3所示，它包括了“文件”，“實驗內(nèi)容”，“常用四桿機構(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）“實驗內(nèi)容”下拉選單包括實驗指導(dǎo)書、實驗錄像、實測、仿真、實驗結(jié)果等子選單。

（3）“四桿機構(gòu)動畫”下拉選單包括常用平面機構(gòu)動畫與視頻子選單。

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

圖3 軟件分析系統(tǒng)界面

4 實驗測量內(nèi)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(guān)啟動機構(gòu)，順時針調(diào)節(jié)電位器以增大轉(zhuǎn)速，等待機構(gòu)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始采樣，采樣結(jié)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(shù)測定綜合實驗”圖標(biāo)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(gòu)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，在軟件界面中輸入有關(guān)提示參數(shù)。

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

（6）實驗結(jié)束，將電機速度調(diào)零，關(guān)閉電機電源，點擊“退出”命令，則退出實驗系統(tǒng)［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(gòu)的運動測試。點擊“采樣”進行數(shù)據(jù)測試，點擊“仿真”進行理論數(shù)據(jù)分析。計算機對該機構(gòu)進行數(shù)碼仿真，顯示出對應(yīng)的動態(tài)參數(shù)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(shù)波形圖。

5 結(jié)束語

“機械運動參數(shù)測定綜合實驗系統(tǒng)”可以進一步擴展，能夠完成四桿機構(gòu)、滑塊機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、間歇運動等機構(gòu)的拼裝與設(shè)計，以及機械運動參數(shù)測試與分析，成為機械運動參數(shù)測定的綜合實驗系統(tǒng)［11］。機械運動參數(shù)實時實驗、測試操作、數(shù)據(jù)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本實驗設(shè)計改進了實驗手段，提高了教學(xué)效果，有利于學(xué)生創(chuàng)新與實踐能力的培養(yǎng)［12］。

（References）

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