基于機構(gòu)動態(tài)測試與設(shè)計實驗臺的機械原理實驗教學探討

摘要：將曲柄搖桿機構(gòu)動態(tài)測試與設(shè)計實驗臺引入“機械原理”的課程綜合實驗，設(shè)計的綜合實驗內(nèi)容涵蓋平面機構(gòu)運動分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械運轉(zhuǎn)及速度波動調(diào)節(jié)、機構(gòu)平衡等章節(jié)的知識。通過該實驗可以加深學生對機構(gòu)設(shè)計理論和機構(gòu)動態(tài)測試內(nèi)容的理解，同時也鍛煉了學生的動手能力和對現(xiàn)代測試手段靈活運用的能力。

關(guān)鍵詞：機械原理；綜合實驗；機構(gòu)動態(tài)測試與設(shè)計；曲柄搖桿機構(gòu)

作者簡介：盧秀泉（1981-），男，朝鮮族，吉林集安人，吉林大學機械科學與工程學院，講師；張小江（1979-），男，湖北隨州人，吉林大學機械科學與工程學院，講師。（吉林 長春 130022）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）32-0164-02

一、實驗課程背景介紹

“機械原理”是機械類工科學生接觸到的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在機械工程課程體系中占據(jù)著重要的基礎(chǔ)地位。基于“機械原理”的課程特點，在教學中注重理論與實踐相結(jié)合。結(jié)合“機械原理”教學中的知識重點，在貼近工程實際的同時，注重培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新意識及對現(xiàn)代虛擬設(shè)計和現(xiàn)代測試手段的靈活運用能力。為了實現(xiàn)以上教學目的，本文應(yīng)用曲柄搖桿機構(gòu)多媒體測試仿真設(shè)計實驗臺作為載體，設(shè)計了一項“機械原理”綜合性實驗。綜合實驗內(nèi)容涵蓋：平面機構(gòu)運動分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械運轉(zhuǎn)及速度波動調(diào)節(jié)、機構(gòu)平衡等章節(jié)。通過本項綜合實驗的學習使學生將理論課程中各章內(nèi)容串聯(lián)起來，掌握各章內(nèi)容在機構(gòu)設(shè)計中的內(nèi)在聯(lián)系和工程意義，加深對所學內(nèi)容的理解。本項綜合實驗是“機械原理”課程教學中一個重要的教學環(huán)節(jié)。[1] 學生通過本項綜合實驗，所需達到的具體要求有：

一是應(yīng)用動態(tài)測試與設(shè)計實驗臺，采集、處理平面機構(gòu)在運動過程中的動態(tài)參數(shù)，并擬合出實測的動態(tài)參數(shù)曲線。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用動力學仿真軟件對該平面機構(gòu)的運動進行仿真，提取相應(yīng)的動態(tài)參數(shù)變化曲線，實現(xiàn)實測曲線與理論計算曲線的對比，并對誤差原因進行簡單分析。

二是優(yōu)化平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，重新通過動態(tài)測試實驗臺測試與計算機仿真兩種方式對優(yōu)化后機構(gòu)的運動進行驗證和對比分析。

三是使學生利用動態(tài)測試與設(shè)計實驗臺掌握理論仿真與實際測試相結(jié)合的方法，在實驗臺軟件指導書的指導下，可以獨立地完成實驗。

二、相關(guān)機械原理教學內(nèi)容介紹

在進行本項綜合實驗前，應(yīng)要求學生對綜合實驗所涉及理論課中的各章知識點進行復習，指導教師需對相關(guān)理論知識做簡單的提示和講解。實驗所涉及的具體知識點包括三方面。

1.平面連桿機構(gòu)的傳動特點和設(shè)計方法

平面連桿機構(gòu)的運動副一般均為低副，所以也稱為低副機構(gòu)。其構(gòu)件多呈桿狀，通常按照機構(gòu)中包含的桿數(shù)來命名，比如四桿、六桿機構(gòu)等。平面連桿機構(gòu)在傳動時可以實現(xiàn)多種運動規(guī)律的變換，并且連桿曲線形狀豐富，以本實驗所設(shè)計的曲柄搖桿機構(gòu)為例，可以滿足不同軌跡的設(shè)計要求。

曲柄搖桿機構(gòu)在運動時，曲柄作為主動件勻速轉(zhuǎn)動，而從動件搖桿擺回的平均速度大于擺出的平均速度，具有急回特性。采用圖解法按照給定的行程速比系數(shù)K對該機構(gòu)進行設(shè)計。具體設(shè)計方法：依據(jù)K求出極位夾角θ，做出鉸鏈點A的軌跡圓，確定鉸鏈點A的位置后，利用機構(gòu)在極位的幾何關(guān)系求出曲柄的長度，從而設(shè)計出整個曲柄搖桿機構(gòu)。[2，3]

2.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，當驅(qū)動功等于阻抗功時，在公共周期內(nèi)等效構(gòu)件的角速度會發(fā)生周期性的波動，從而引起機械系統(tǒng)周期性的速度波動。為了對機械的周期性速度波動進行描述和分析，提出了速度不均勻系數(shù)δ和平均角速度ωm。機械運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的速度波動不僅會降低機械工作的質(zhì)量，而且會減小機械的效率和壽命。因此，必須控制和調(diào)節(jié)周期性速度波動，將其限制在許用的范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)方法是在機械中安裝具有大轉(zhuǎn)動慣量的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件——飛輪。[2，3]

3.機構(gòu)的平衡

重點掌握剛性轉(zhuǎn)子的靜平衡和動平衡計算。

機械中軸向尺寸比較小的盤狀轉(zhuǎn)子（砂輪、齒輪等），可近似認為其質(zhì)量分布在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。這種轉(zhuǎn)子的不平衡現(xiàn)象在轉(zhuǎn)子靜態(tài)時就可表現(xiàn)出來，所以稱為靜不平衡轉(zhuǎn)子。剛性轉(zhuǎn)子靜平衡的條件是：在同一回轉(zhuǎn)平面添加或減少平衡質(zhì)量后，轉(zhuǎn)子中各個偏心質(zhì)量的慣性力的矢量和為零。

而對于軸向尺寸較大的轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量分布在不同的回轉(zhuǎn)平面內(nèi)。即使偏心質(zhì)量引起的慣性力達到了平衡，但慣性力偶的作用方位隨轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化，所以這種不平衡只有在轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時才能體現(xiàn)出來，稱其為動不平衡轉(zhuǎn)子。剛性轉(zhuǎn)子動平衡的條件是：選取轉(zhuǎn)子的兩個平衡基面，分別在這兩個平衡基面上添加或除去相應(yīng)的平衡質(zhì)量。最終在運轉(zhuǎn)時，使轉(zhuǎn)子各偏心質(zhì)量所引起的慣性力和慣性力偶同時得到平衡。[2，3]

三、實驗臺及操作軟件簡介

本項機械原理綜合實驗應(yīng)用的曲柄搖桿機構(gòu)動態(tài)測試與仿真設(shè)計綜合實驗臺，如圖1所示。該綜合實驗臺具有的功能特點有：可以測量曲柄搖桿機構(gòu)中曲柄、搖桿兩構(gòu)件的運動學參數(shù)及機架的振動參數(shù)，這一系列的參數(shù)變化可以通過計算機多媒體虛擬儀表顯示出來，有效表達出其速度和加速度波形圖；可通過計算機動力學仿真軟件，對曲柄、搖桿兩構(gòu)件的真實運動規(guī)律和機架振動規(guī)律進行仿真，將提取出的速度和加速度波形圖與實測曲線對比分析；學生可以在專用多媒體教學軟件的說明文件指導下，有步驟地獨立自主完成實驗；自帶的多媒體動力學軟件還可以實現(xiàn)對曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計和連桿曲線運動圖的繪制，從而有效將測試、仿真與設(shè)計分析幾部分內(nèi)容結(jié)合起來；實驗臺機構(gòu)中活動構(gòu)件桿長可以依據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整而做相應(yīng)的調(diào)節(jié)，同樣平衡質(zhì)量的大小、位置和飛輪轉(zhuǎn)動慣量均可調(diào)節(jié)，以滿足機構(gòu)運動特性最優(yōu)化的要求。

軟件操作界面由曲柄搖桿機構(gòu)動畫演示界面、曲柄搖桿機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面、曲柄運動仿真測試分析界面、搖桿運動仿真與測試分析界面、機架振動仿真與測試分析界面和連桿運動軌跡界面組成。

四、實驗內(nèi)容

1.曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計

采用按行程速比系數(shù)和連桿運動軌跡兩種設(shè)計方法對曲柄搖桿機構(gòu)進行設(shè)計，均通過計算機輔助設(shè)計來完成。通過計算機虛擬仿真實驗的方法對連桿運動軌跡進行計算，給出連桿上不同點的運動軌跡，根據(jù)工作要求，選擇適合的軌跡曲線及相應(yīng)曲柄搖桿機構(gòu)。從而為按運動軌跡設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)提供方便快捷的試驗設(shè)計方法。

2.曲柄運動仿真和實測

通過仿真計算可以求出曲柄真實的運動規(guī)律，從而提取曲柄的角速度和角加速度曲線圖，并以此作為進行速度波動調(diào)節(jié)計算的依據(jù)。另一方面，通過安裝在曲柄上的角位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和處理，在計算機中可以擬合并顯示出實測的曲柄角速度和角加速度曲線圖。通過分析比較，使學生了解機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對曲柄速度波動的影響。

3.搖桿運動仿真和實測

通過仿真計算可以求出搖桿真實的運動規(guī)律，從而提取搖桿相對曲柄轉(zhuǎn)角的角速度和角加速度曲線圖。通過安裝在搖桿上的角位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和處理，在計算機中可以擬合并顯示出實測的搖桿相對曲柄轉(zhuǎn)角的角速度和角加速度曲線圖。通過分析比較，使學生了解機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對搖桿的速度波動和急回特性的影響。

4.機架振動的仿真和實測

通過仿真計算，首先求出機構(gòu)質(zhì)心（即激振源）的位移，擬合出在設(shè)定方向上激振源的速度曲線圖和激振力曲線圖（即不平衡慣性力），并給出需添加平衡質(zhì)量的大小和方位。通過機座上可調(diào)節(jié)加速度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換板，進行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和處理，在計算機中顯示出在機架振動指定方向上實測速度和加速度曲線圖。通過分析比較，使學生了解激振力對機架振動的影響。

五、實驗步驟

第一，打開計算機，單擊“曲柄搖桿機構(gòu)”圖標，進入綜合試驗臺軟件系統(tǒng)的封面。單擊左鍵，進入曲柄搖桿機構(gòu)動畫演示界面。

第二，在曲柄搖桿機構(gòu)動畫演示界面左下方單擊“曲柄搖桿機構(gòu)”鍵，可以切入到曲柄搖桿機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面。

第三，單擊在曲柄搖桿機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面左下方的“曲柄搖桿設(shè)計”鍵，彈出設(shè)計方法選框，單擊所選定的“設(shè)計方法一、二、三”，彈出設(shè)計對話框，輸入行程速比系數(shù)、搖桿擺角等原始參數(shù)，待計算結(jié)果出來后，單擊“確定”，自動將計算結(jié)果原始參數(shù)填寫在參數(shù)輸入界面對應(yīng)的參數(shù)框內(nèi)；單擊“連桿運動軌跡”進入連桿運動軌跡界面，給出連桿上不同點的運動軌跡，根據(jù)工作要求，選擇適合的軌跡曲線及相應(yīng)曲柄搖桿機構(gòu)；也可以按使用者自己設(shè)計的曲柄搖桿機構(gòu)尺寸填寫在參數(shù)輸入界面的對應(yīng)的參數(shù)框內(nèi)，然后按設(shè)計的尺寸調(diào)整曲柄搖桿機構(gòu)各尺寸長度。

第四，啟動動態(tài)測試實驗臺的電動機，觀察曲柄搖桿機構(gòu)的運轉(zhuǎn)情況，待機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，測定電動機的功率，并將功率值填入到參數(shù)輸入界面的對應(yīng)參數(shù)框內(nèi)。

第五，單擊曲柄搖桿機構(gòu)原始參數(shù)輸入界面左下方的選定實驗內(nèi)容鍵（曲柄運動仿真、搖桿運動仿真、機架振動仿真），進入選定實驗的界面。

第六，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)位置、動態(tài)的速度和加速度曲線圖。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。

第七，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。

第八，如果要做其他實驗或動態(tài)參數(shù)不滿足要求時，可在選定的實驗內(nèi)容的界面下方單擊“返回”，返回曲柄搖桿機構(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。

第九，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，以曲柄搖桿機構(gòu)動態(tài)測試與設(shè)計實驗臺作為載體，有效將機械原理課程中平面機構(gòu)運動分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械運轉(zhuǎn)及速度波動調(diào)節(jié)及機構(gòu)平衡等各章節(jié)內(nèi)容串聯(lián)起來。在掌握平面連桿機構(gòu)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，通過不斷調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，從而滿足不同連桿軌跡的設(shè)計要求。同時，滿足機構(gòu)平衡計算和速度波動調(diào)節(jié)的要求。該實驗臺在綜合實驗教學中的應(yīng)用，可以有效激發(fā)學生的學習興趣和潛能，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，進一步提高綜合素質(zhì)和綜合創(chuàng)新能力，滿足現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對綜合技能人才的需求。

參考文獻：

[1]王春義，李進新.加強實驗教學，提高學生的創(chuàng)新能力[J].實驗技術(shù)與管理，2002，19（3）：129-131.

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

[3]崔可維，熊健.機械原理[M].第二版.北京：高等教育出版社，

2011.