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综合性实验指导书实 验 名 称： 机构动平衡与运动参数测定 实 验 简 介：通过本实验学生能够学习铰链四杆机构和 对心曲柄滑块机构实现动平衡的原理和常用方法，以及常 用机械量测试的基本原理和方法，传感器和测试仪器的工 作原理及使用方法，相关的测试分析理论与方法。
对一般 实验装置能够进行调试操作，具备对实验结果的数据处理 能力及其与理论计算结果的分析与比较的能力。
实 验 目 的： 掌握曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构实现动 A 平衡的原理和常用方法； 了解机构运动参数测试系统的基 B 本硬件组成；C 了解常用机械量（线位移、角位移、转速、 机座振动加速度）的测试方法；D 通过工程测试，定量了解 铰链四杆机构和对心曲柄滑块机构的运动特性； 了解传感 E 器的工作原理、用于信号采集和分析的专业软件。
适 用 课 程： 机械原理 面 向 专 业： 机械类 实验项目性质： 综合性实验（课内必做/课外开放） 计 划 学 时： 2 学时 实 验 要 求：A 预习《机械原理》《微机原理》及《测试 、 技术》等课程的相关知识点内容；B 预习《机械原理实验指 导书》中实验目的、原理、设备、操作步骤或说明，并写 出预习报告； 实验前没有预习报告者不能够进行实验； 进 C 行实验时衣着整齐，遵守实验室管理规定、学生实验守则、 仪器设备操作规定等相关规定，服从实验技术人员或实验 教师的指导与管理。
知 识 点：A 机构动平衡原理（平衡方法、平衡配重及 相位角计算） 机构运动参数测定方法（构件速度、振动 ；B 加速度、位移、角位移） 测试技术（测试系统、传感器、 ；C 信号放大、 数据采集） D 微机原理 ； （数据采集卡构成原理、 A/D、D/A 转换） E 操作技能（实验台机构及平衡配重块 ； 的安装、测试软件操作） F 实验分析技能（数据对比、 ；1误差分析） 。
开 放 地 点：教一楼——225 室（机构动平衡实验室） 开 放 办 法： 先登陆网站进行网上预约或到实验室 填写预约表进行预约，根据预约时间提前预习写出预习报 告、进行实验。
一、实验目的1.掌握曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构实现动平衡的原理和常用方法；2.了解机构运动参数测试系统的基本硬件组成；3.了解常用机械量（线位移、角位移、转速、机座振动加速度）的测试方法；4.通过工程测试，定量了解铰链四杆机构和对心曲柄滑块机构的运动特性；5.了解传感器的工作原理、用于信号采集和分析的专业软件。
二、实验设备1.曲柄滑块机构实验台、曲柄摇杆机构实验台；2.计算机，CRAS V5.1 随机信号振动分析软件；3.工具、平衡配重块。
三、实验内容1.根据给定的机构参数计算所要添加平衡块的质量和相位；2.安装平衡块，测试机构平衡后的机架水平方向振动加速度；3.不装平衡块或随意添加平衡块，测试机构不平衡时的机架水平方向振动加速度；4.测试曲柄转速、摇杆角位移或滑块线位移。
四、实验原理1.机构的平衡（1）利用平衡质量对曲柄滑块机构进行不完全平衡对于机构中作往复运动和平面复合运动的构件，在运动中产生的惯性力和惯性力矩不能在构件本身加以平衡，而必须对整个机构进行平衡，设法使各运动构件惯性力的合力以及合力偶达到完全的或部分的平衡。
平衡的方法：利用对称机构平衡、利用平衡质量平衡、利用非完全对称机构平衡、利用弹簧平衡等。
0;0=∑=∑I I M F 机构平衡的条件是：通过机构质心的总惯性力F I 和总惯性力偶矩M I 分别为零，即：m ′= m B L AB /r ——平衡m B 产生的离心惯性力F IB ；m 〞=k·m C L AB /r ——部分平衡m C 产生的往复惯性力F IC ！四、实验原理（2）利用平衡质量对曲柄摇杆机构进行完全平衡1.机构的平衡m′= (m2B L AB+m1L AS1)/r′使构件1的质心S1 移到固定轴A 处；m〞= m2L BS2/L BC使构件1的质心S1移到固定轴D处；此时，机构的总质心S应位于AD 线上一固定点，即：a s=0 机构的惯性力得到完全平衡。
实验四 机构运动学、动力学参数测试一、实验目的1. 以机构及系统设计为主线，以机构系统运动方案设计为重点，掌握机构运动参数测试的原理和方法;掌握利用运动学、动力学测试结果，重新调整、设计机构的原理和方法，从而培养学生设计、创新能力.2. 通过实验，深入了解机构结构参数及几何参数对机构运动及动力性能的影响，从而对机构运动学和动力学（机构平衡、机构真实运动规律，速度波动调节）有一个完整的认识.3. 利用计算机多媒体交互式教学方式，使学生在计算机多媒体教学课程的指导下，独立自主地进行实验内容的选择、实验台操作及虚拟仿真，培养学生综合分析能力及独立解决工程实际问题的能力，了解现代实验设计、现代测试手段。
二、实验设备1. ZNH-A1曲柄导杆滑块机构实验台;2. ZNH-A2曲柄摇杆机构实验台;3. ZNH-A3盘形凸轮机构实验台;4. 测试控制箱;5. 计算机及配套的设计分析和测试分析多媒体软件。
三、实验原理和内容平面机构多媒体测试、仿真设计综合实验系统该系统包括ZNH-A1曲柄导杆滑块机构实验台、ZNH-A2曲柄摇杆机构实验台、ZNH-A3盘形凸轮机构实验台以及配套的设计分析和测试分析多媒体软件。
功能及特点：1.整个实验台机构安装在一个可水平方向自己移动的单自由度震动系统。
2．实验机构由带行星减速器的直流伺服电机驱动，配有直流调速电源。
3．构件杆长可调，平衡质量大小、位置可调，使机构的运动达最佳状态。
4．利用计算机对平面机构动态参数进行采集、处理，做出实测的动态参数曲线，并通过计算机对该平面机构的运动进行数模仿真，做出仿真的动态参数曲线，从而实现理论与实际的紧密结合。
5．实验台的平面机构中各活动构件杆长和移动件位置可调节，平衡质量及位置可调节，飞轮转动惯量可调节，结合计算机软件进行优化设计，然后，通过计算机对该平面机构运动进行仿真和测试分析，从而实现计算机辅助设计与计算机仿真和测试分析有效的结合。
6．利用计算机的人机交互功能，使学生可在软件界面说明文件的指导下，独立的进行实验。
物理实验技术中运动学参数的测量与计算在物理学领域中，运动学是研究物体运动以及与之相关的位置、速度、加速度等运动参数的学科。
在进行物理实验时，准确测量和计算这些运动学参数非常重要，因为它们能够提供对物体运动规律的深入理解。
一、测量运动学参数中的长度在测量物体运动时，输入的第一个参数是长度。
测量长度可以通过使用直尺、卡尺或其他测量器具来实现。
直尺是最常见的测量工具之一，可以用于测量较小的长度，如表面上的线段和间隔。
而卡尺则可以测量更精确和细小的长度，如机械零件的尺寸。
此外，对于较大范围的长度测量，可以使用测量仪器，如测距仪或激光测距仪。
这些仪器可以通过测量传感器和计算机算法来测量物体的位置和距离。
二、测量运动学参数中的时间另一个重要的运动学参数是时间。
准确测量时间对于计算速度和加速度等参数至关重要。
在过去，我们使用简单的手表或挂钟来测量时间。
然而，现代科技已经使得时间测量器具更加准确和精细。
例如，原子钟是一种非常准确的时间测量器具，它利用原子的振荡来计量时间。
这些钟具有极高的精度，能够测量到纳秒级别的时间。
在物理实验中，原子钟常常被用作参考时间，以确保实验的准确性和一致性。
三、计算速度和加速度测量了长度和时间后，我们可以计算物体的速度和加速度。
速度是物体在某一时间内移动的距离与时间的比率，用于描述物体的移动快慢。
同样，加速度是物体在单位时间内速度变化的比率。
根据物理定律，我们可以使用简单的数学公式来计算速度和加速度。
例如，速度可以通过将位移除以时间得到。
如果物体的位移为d，时间为t，则速度v = d / t。
同样，加速度可以通过将速度的变化量除以时间得到。
如果物体的速度从v1变化为v2，时间为t，则加速度a = (v2 - v1) / t。
四、使用传感器和计算机技术进行测量除了传统的测量仪器外，现代物理实验技术还采用了传感器和计算机技术来测量和计算运动学参数。
传感器可以将物体的位置、速度和加速度等数据转换为电信号，并传输给计算机进行处理。
实验11机械运动方案创新设计及运动参数测试与分析11.1实验目的1•培养创造性思维，加深对机构组成原理的理解，为机构运动方案创新设计奠定良好的基础；2•根据设计要求，利用若干杆组，拼接各种不同的平面机构，以培养用实验方法构思、验证、确定机械运动方案的初步能力以及机构运动创新设计意识和综合设计能力；3. 了解FPCJ型机构运动参数采集分析系统的工作原理，掌握机构位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度测试数据的采集和处理方法；4. 通过比较机构理论运动线图和实际运动线图的差异、分析其原因，增加对速度、角速度，特别是加速度、角加速度的感性认识。
5 •训练工程实践动手能力。
11.2实验设备及工具1 •机构运动方案创新设计实验台零件及主要功用（参看表11-1机构运动创新方案实验台组件”）1# 凸轮和高副锁紧弹簧：凸轮基圆半径为18mm，从动推杆的行程为30mm。
从动件的位移曲线是升一回型，且为正弦加速度运动；凸轮与从动件的高副形成是依靠弹簧力的锁合。
2# 齿轮：模数2,压力角20°，齿数34或42,两齿轮中心距为76mm。
3# 齿条：模数2,压力角20°，单根齿条全长为422mm。
4# 槽轮拔盘：两个主动销。
5#槽轮：四槽。
6# 主动轴：动力输入用轴，轴上有平键槽。
7# 转动副轴（或滑块）一3:主要用于跨层面（即：非相邻平面）的转动副或移动副的形成。
8# 扁头轴：又称从动轴，轴上无键槽，主要起支撑及传递运动的作用。
9# 主动滑块插件：与主动滑块座配用，形成主动滑块。
10# 主动滑块座与直线电机齿条固连形成主动件，且随直线电机齿条作往复直线运动。
11# 连杆（或滑块导向杆）：其长槽与滑块形成移动副，其圆孔与轴形成转动副。
11# 压紧连杆用特制垫片：固定连杆时用。
13# 转动副轴（或滑块）—2：与固下转轴块（20#）配用时，可在连杆长槽的某一选定位置形成转动副。
14# 转动副轴（或滑块）—1：用于两构件形成转动副。
实验20机械运动参数测定实验“机械运动参数测定” MEC—B型机械动态参数测试仪是国内一种新型的机械动态参数测试分析仪器。该测试仪微处理器作中央处理单元，具有4路模拟传感器和4路数字传感器输入通道同步采样，5英寸CRT显示器，四色绘图打印机和磁带记录仪，提供三种数据及图形输出方式。要紧测试参数为：位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、转速、回转不均率、静动态力、压力、张力等。因此，本实验确实是利用机械动态参数测试仪测试曲柄滑块机构〔或曲柄导杆机构〕的位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度。 一、实验目的 1．通过实验了解位移、速度、加速度、位移、角速度、角加速度测定方法。 2．通过实验初步了解〝MEC—B机械动态参数测定试仪〞即光电脉冲编码器、同步脉冲发生器〔或称角度传感器〕的差不多原理，并把握它们的使用方法。 3．通过实验曲线和理论曲线的比较，分析产生差异的缘故，增加对速度、角速度、专门是加速度、角加速度的感性认识。 二、设备和工具
图20-1 机构运动参数测定实验系统 如图20-1所示 ，机构运动参数实验系统由如下设备组成： 1．机械运动参数测试实验机构。 2．MEC—B机械动态参数测试仪。 3．PP—40四色绘图仪。 4．磁带记录仪〔一般家用录音机〕 5．光电脉冲编码器〔也可采纳其他各种数字或模拟式传感器〕 6．同步脉冲发生器〔或称角位移传感器〕 三、实验原理 1．实验机构 目前配套的为曲柄滑块机构及曲柄导杆机构〔也可采纳其它各种实验机构〕，机械原动力采纳直流调速电机，电机转速可在0—3600转/分范畴内作无级调速。经蜗轮蜗杆减速器减速，机构的曲柄转速为0~120转/分。 图20-2所示为实验机构简图。它利用作往复运动的滑块，推动光电脉冲编码器，输出与滑块位移相当的脉冲信号，经测试仪处理后即可得到滑块的位移、速度和加速度。图20-2a为曲柄滑块机构，图20-2b为曲柄导杆机构，后者是前者通过简单的改装得到的，在本装置中已配有必备的零件。
实验机构
光电脉冲编码器 同步脉冲发生器 MEC-B机械动态参数测试仪
磁带记录仪 CRT显示器 四色绘图机 〔a〕曲柄滑块机构简图
〔b〕曲柄导杆机构简图 1、同步发生器 2、蜗轮减速器 3、曲柄 4、连杆 5、电机 6、滑块 7、齿轮 8、光电脉冲编码器 9、导块 10、导杆 图20-2 机构简图 2．MEC—B机械动态参数测试仪 MEC—B 机械动态参数测试仪外型结构如图20-3所示。
1 2 3 4 5 6 7 1 8 10 9
1 2 3 5 4 6
7 8 9 12 13 14 10 15 11 图20-3〔a〕测试仪面板布置 1．电源开关 2．四路模拟传感器输入口，通道号1—4 3．四路数字传感器输入口，通道号5—8 4．转角兼同步传感器入口，通道号9
5．外触发信号输入插口1J
6．同步信号输入插口2J 7．键盘 8．磁带信息输入主机插口3J〔接录音机ERA〕
9．主机信息储存磁带插口4J〔接录音机MCR〕 10．六位LED数码显示器 11．亮度调剂 12．对比调剂 13．帧频调剂 14．行频调剂 15．5英寸CRT显示器
图20-3〔b〕测试仪后板布置 1．冷却风扇 5．冷却风扇开关
2．电源插座 6．外接CRT插口5J 3．保险插座 7．PP—40打印机接口 4．CRT电源开关
1 2 3 4 5 6 7 图20-4 MEC—B 机械动态参数测试实验系统工作原理框图 在实验机构的运动过程中，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—5V电平的两路脉冲，接入测试数字量通道有计数器计数，也可采纳模拟传感器，将滑块位移转换为电压值，接入测试器模拟通道，通过A/D转换口转变为数字量。 测试仪具有内触发和外触发两种采样方式。当采纳内触发方式时，可编程定时器按操作者所置入的采样周期要求输出定时触发脉冲。同时微处理器输出相应的切换操纵信号，通过电子开关对锁存器或采样保持器发出定时触发信号，将当前计数器的计数值或模拟传感器的输出电压值保持。通过一定延时，由可编程并行口或A/D转换读入微处理器中，并按一定格式储备在机内RAM区中。假设采纳外触发采样方式，可通过同步脉冲发生器将机构从动曲柄的角位移〔2°、4°、6°、8°、10°〕信号转换为相应的触发脉冲，并通过电子开关怀换发出采样触发信号。利用测试仪的外触发采样功能，可获得以机构主轴角度变化为横坐标机构运动线图，也可分析主轴作为非匀速转动机构的运动规律提供了方便。 机构的速度、加速度数值由位移经数值微分数字滤波得到。与传统的R—C电路测试法〔或分别采纳位移、速度、加速度的测量仪器的系统〕相比，具有测试系统简单，性能稳固、可靠、附加相位差小动态响应好等优点。 本测试系统测试结果不但能够由曲线形式输出，还能够直截了当打印出个点数值，克服了以往测试方法所在的须对记录曲线进行人工标定和数据处理，从而带来较大幅值和相位误差等问题。
锁存器 A/D转换器 CRT操纵器 磁带机操纵电路 可编程并行口 可编程并行口 微 处 理 器 键盘
切换操纵信号
电子开关 内触发 可编程定时器
PP-40四色绘图仪 CRT显示器 磁带机〔家用录音机〕 LED显示器
曲柄滑块机构或曲柄导杆机构 数字传感器光电编码器 同步脉冲发生器 计数器 模拟传感器 采样保持器 采样保持触发信号 外触发 MEC—B 机械动态参数测试仪由于采纳微机及相应的外围设备，因此在数据处理的灵活性和结果显示、记录、打印的便利、清晰、直观等方面明显优于非微机化的同类仪器。另外，操作命令采纳代码和专用键相结合，操作灵活方便，实验预备工作专门简单，同时在学生进行实验时稍作讲解学生即可使用。 3、光电脉冲编码器
1、灯泡 2、聚光镜 3、光电盘 4、光拦板 5、主轴 图20-5 光点脉冲编码器结构原理图 光电脉冲编码器又称增量式光电编码器，它是采纳圆光栅通过光电转换将轴转角位转换成电脉冲信号的器件。它由灯泡、聚光透镜、光电盘、光栏板、光敏管和光电整形放大电路组成。光电盘和光栏板是用玻璃材料经研磨，抛光制成。在光盘上用照相机腐蚀制成有一组径向光栅，而光栏板上有两组透光条纹，每组透光条纹后都装有一个光敏管，它们与电盘透光条纹的重合相差1/4周期。光源发出的光线经聚光镜聚光后，发出平行光。当主轴带动光盘一起转动时，光敏管就接收到光线亮、暗变化的信号，引起光敏管所通过的电流发生变化，输出两路相位差90°的近似正弦波信号，它们经放大、整形后得到两路相位差90°的主波d和d’。d路信号经微分后加到两个与非门输入端作为触发信号，d’路经反相器得到两个相位相反的方波信号，分别送到与非门剩下的两个输入端作为与非门控信号，与非门的输出端即为光电脉冲编码器的输出信号端，可与双时钟可逆计数的加、减触发端相接。当编码器转向为正时〔如顺时针〕，微分器取出d的前沿A，与非门1打开，输出一负脉冲，计数器作加计数；当转向为负时，微分器取出d的另一前沿B，与非门2打开，输出一负脉冲，计数器作减计数。某一时刻计数器的计数值即表示该时刻的光电盘〔即主轴〕相关于光敏管位置的角位移。
图20-6 数字电路框图
1 2 3 4 5
光敏管1 均衡放大器 整形电路 与非门2 光敏管2 均衡放大器 整形电路 与非门1 微分器 反向器 图10-7 输出波形 四、实验步骤 1.滑块位移、速度、加速度测量 (1)将PP—40四色绘图仪接入测试仪后板插座，打开CRT电源开关，启动面板电源开关，数码管显示〝P〞，适当调整CRT亮度与对比度。假设环境温度超过30°C应打开风扇开关。 (2)调整同步脉冲发生器与分度盘位置，使分度盘插入同步脉冲发生器探头的槽内。拨动带轮使分度盘转动，探头上的绿色指示灯每转2°〔即一个光栅〕闪耀一次，而红灯每转一圈闪耀一次。9即分度盘上同步长光栅进入探头槽内红灯不亮，其余位置都亮〕 (3)将光电编码器输出5芯插头和同步脉冲发生器输出插头分别插入测试器5通道一 9通道插
座，在LED数码显示器上键入0055T1 T2〔T1 T20.1mg即代表采样周期，T1T2为01—99间任一
整数〕。假设采纳外触发〔即定角度〕采样方式，那么键入0455 T1〔T1=1—5分别表示触发角为 2°、4°、6°、8°、10°〕。 〔4〕启动机构，待机构运转正常后，按EXEC键，仪器进入采样状态。采样终止后在CRT显示器上显示位移变化曲线。采样终止后关闭电机，按MON键，退出采样状态。 注意：假设实验机构为调速电机、需在低速当启动，再逐步加速至所需值。 〔5〕脉冲当量设定 键入4050.1后按EXEC键〔0.1为光电脉冲编码器脉冲当量〕然后按MON键。 脉冲当量运算式：
C=D/N 其中：C—脉冲当量 D—槽轮槽底圆直径〔现配D=28.7mm〕 N—光电脉冲编码器每周脉冲数，〔现配N=900〕 〔6〕位移、速度、加速度运算 键入 505n 按EXEC键 n—表示采样位移曲线周期数，一样为2—3 仪器对通道已采集的位移数据进行数值微分、滤波、标定等处理，待处理终止后，在CRT上显示器上显示位移、速度、加速度变化曲线及有关特点数据。 〔7〕、打印
d d’ B A
e
f
g g’
