凸轮机构动态测试实验台在机械原理综合实验教学中的应用

卢秀泉，才委，张小江，董景石，张起勋

摘要：在《机械原理》课程教学中，对凸轮机构注重图解法设计凸轮廓线方法的讲授，而凸轮机构在满足从动件运动规律要求的同时，必须满足机构动态测试的要求。本文引入凸轮机构动态测试实验台作为《机械原理》综合实验的平台，使学生着重掌握凸轮具体的结构参数对凸轮机构动态特性的影响。该实验台在《机械原理》综合实验教学中的应用，可以加深学生对凸轮机构设计的全面理解，很好的培养学生的动手能力和创新意识。

关键词：机械原理课程综合实验；凸轮机构；机构动态测试实验台

中图分类号：G642.0？摇 文献标志码：A？摇 文章编号：1674-9324（2014）10-0225-03

一、前言

《机械原理》是机械类工科学生必修的一门专业基础课，具有很深厚的工程背景。所以在《机械原理》教学中，更需注重对学生进行理论与实践相结合的教学方式。课堂教学中在强化常用机构基本原理、结构和设计方法的同时，还需对机构在工程实际中的设计与应用有所渗透，使学生对常用机构有更全面的理解和把握。为了实现以上教学目的，本文引入了凸轮机构动态测试实验台作为平台，设计了一项《机械原理》课程综合性实验。通过本项综合实验对凸轮机构的设计和动态测试，使学生将理论课程中所学的各章内容串联起来，掌握各章内容在机构设计中的内在联系和工程意义，加深了对所学内容的理解，它是《机械原理》课程教学中一个必不可少的重要教学环节。本文引入凸轮机构动态测试实验台作为《机械原理》综合实验的平台，使学生着重掌握凸轮具体的结构参数对凸轮机构动态特性的影响。该实验台在《机械原理》课程教学中的应用，可以加深对凸轮机构设计的全面理解，很好的培养学生的动手能力和创新意识。

学生通过本项综合实验，所需达到的具体要求有：

1.利用计算机对凸轮机构动态参数进行采集、处理，作出实测的动态参数曲线，并通过计算机对该机构的运动进行数模仿真，作出相应的动态参数曲线，从而实现理论与实际的紧密结合。

2.利用计算机对凸轮机构结构参数进行优化设计，然后，通过计算机对凸轮机构的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，培养学生的创新意识。

3.利用计算机的人机交互性能，使学生可在软件界面说明文件的指导下，独立自主地进行实验，培养学生的动手能力。

二、机械原理教学内容

在完成本项综合实验前，应要求学生对综合实验所涉及到的《机械原理》理论课中所学的各章知识进行复习。在进行本次综合实验前，指导教师需对相关理论知识做简单的提示和讲解。具体内容包括：

（一）凸轮机构从动件运动规律及基本尺寸

凸轮机构常用的从动件运动规律有四种：等速运动规律、等加速等减速运动规律、余弦加速度运动规律和正弦加速度运动规律。其中等速运动规律在运动的起始和终了点加速度有无限量的突变，存在刚性冲击。对于等加速等减速运动规律和余弦加速度运动规律，从动件在运动的起始和终了点处加速度存在有限量的突变，所以有柔性冲击。而对于正弦加速度运动规律的加速度方程是整周期的正弦曲线，加速度曲线连续从动件运动无冲击。特别对于余弦加速度运动规律而言，如果从动件运动形式采用升-降型，并均采用余弦加速度运动规律，加速度曲线也是连续从动件运动也是无冲击的。具体选择时，应根据具体工况的运动特点和要求，合理的选择从动件运动规律。

在确定凸轮机构基本尺寸时，在偏心距e一定、从动件运动规律已知的条件下，加大基圆半径r0，可以减少压力角α，从而改善机构的传力特性。但同时，会增大凸轮机构的尺寸。所以凸轮基圆半径r0确定的原则是：应在满足αmax≤[α]的条件下，合理地确定凸轮的基圆半径r0，使凸轮机构的尺寸不至过大。一般，先按满足推程压力角αmax≤[α]的条件来确定基圆半径r0。

（二）机械运转及速度波动调节

机械在稳定运转阶段，当等效力矩和等效转动惯量变化的公共周期内，当驱动功等于阻抗功时，等效构件的角速度在此公共周期内将呈现周期性的波动，从而机械会产生周期性的速度波动。为了对这种机械的周期性速度波动进行描述和分析，提出了平均角速度ωm和速度不均匀系数δ。机械运转的速度波动对机械的工作不利，它不仅将影响机械的工作质量，而且会影响到机械的效率和寿命。所以必须对周期性速度波动加以控制和调节，将其限制在许可的范围内。具体方法是在机械中设计安装具有大转动惯量的旋转构件——飞轮。

三、实验台及操作软件界面简介

本项机械原理综合实验采用凸轮机构动态测试实验台，如图1所示。该实验台可以分别对两种结构形式的凸轮机构—盘型凸轮机构和圆柱凸轮机构进行动态测试。

该综合实验台具有的功能特点有：（1）可测量凸轮、推杆的运动学参数，并通过计算机多媒体虚拟仪表显示其速度、加速度波形图；（2）可通过计算机多媒体数据、仿真软件计算凸轮，推杆的真实运动规律，并显示其速度，加速度波形图，可与实测曲线比较分析；（3）配有专用的多媒体教学软件，学生可在软件前面说明文件的指导下，独立自主地进行实验；（4）盘形凸轮机构可拆装为圆柱凸轮机构，因而可作两种凸轮机构的实验；（5）盘形凸轮机构配有四个（共包含八种运动规律）凸轮，一种推杆，圆柱凸轮机构配一个凸轮；（6）盘形凸轮机构的偏距可调节，飞轮质量可调节，使机构运动特性达到最佳。图2为实验台软件操作界面的切换流程图。

软件操作界面由盘型凸轮机构综合实验模块和圆柱凸轮机构综合实验模块两部分组成。

两部分实验模块依据综合实验的内容和步骤，均是由凸轮机构动画演示界面（图3）、凸轮机构原始参数输入界面（图4）、凸轮运动仿真与测试分析界面（图5）和推杆运动仿真与测试分析界面组成（图6）。此部分，要求学生在实验过程中熟悉掌握。

四、实验内容endprint

1.凸轮运动仿真和实测。能通过数模计算得出凸轮的真实运动规律，作出凸轮角速度线图和角加速度线图，并进行速度波动调节计算。通过凸轮上的角位移传感器和A/D转换器进行采集，转换和处理，并输入计算机显示出实测的凸轮角速度图和角加速度线图。通过分析比较，使学生了解机构结构对凸轮的速度波动的影响。

2.推杆运动仿真和实测。通过数模计算得出推杆的真实运动规律，作出推杆相对凸轮转角和速度线图，加速度线图。通过推杆上的位移传感器，凸轮上的同步转角传感器和A/D转换板进行数据采集，转换和处理，输入计算机，显示出实测的推杆相对凸轮转角的速度线图和加速度线图。通过分析比较，使学生了解机构结构及加工质量对推杆的速度波动的影响。

五、实验步骤

1.打开计算机，单击“凸轮机构”图标，进入凸轮机构运动测试设计仿真综合试验台软件系统的封面。单击左键，进入盘形（圆柱）凸轮机构动画演示界面。

2.在盘形（圆柱）凸轮机构动画演示界面左下方单击“盘形（圆柱）凸轮机构”键，进入盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面。

3.在盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面的左下方单击“凸轮机构设计”键，弹出凸轮机构设计对话框；输入必要的原始参数，单击“设计”键，弹出一个“选择运动规律”对话框；选定推程和回程运动规律，在该界面上，单击“确定”键，返回凸轮机构设计对话框；待计算结果出来后，在该界面上，单击“确定”键，计算机自动将设计好的盘形（圆柱）凸轮机构的尺寸填写在参数输入界面的对应的参数框内。也可以自行设计，然后按设计的尺寸调整推杆偏距。

4.启动实验台的电动机，待盘形（圆柱）凸轮机构运转平稳后，测定电动机的功率，填入参数输入界面的对应参数框内。

5.在盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面左下方单击选定的实验内容（凸轮运动仿真，推杆运动仿真），进入选定实验的界面。

6.在选定的实验内容的界面左下方单击“仿真”，动态显示机构即时位置和动态的速度，加速度曲线图。单击“实测”，进行数据采集和传输，显示实测的速度，加速度曲线图。若动态参数不满足要求或速度波动过大，有关实验界面均会弹出提示“不满足！”及有关参数的修正值。

7.如果要打印仿真和实测的速度，加速度曲线图，在选定的实验内容的界面下方单击“打印”键，打印机自动打印出仿真和实测的速度，加速度曲线图。

8.如果要做其他实验，或动态参数不满足要求，在选定的实验内容的界面下方单击“返回”，返回盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入面，校对所有参数并修改有关参数，单击选定的实验内容键，进入有关实验界面。以下步骤同前。

9.如果实验结束，单击“退出”，返回Windows界面。

六、结语

综上所述，学生通过本次机械原理综合实验，以凸轮机构动态测试实验台作为载体，有效的将机械原理课程中凸轮机构及其设计和机械运转及速度波动调节两个章节的内容串联起来。在掌握常用的凸轮从动件运动规律和凸轮廓线设计的基础上，重点了解凸轮结构参数对从动件及凸轮速度波动的影响规律。该实验台在综合实验教学中的应用，可以有效激发学生的学习兴趣和潜能，变被动学习为主动学习，学生通过亲自动手操作实践可以系统学习和掌握相关的机械原理知识，开拓学生的思路，激发学生的创造力，进一步提高学生的综合素质和综合创新能力，满足现代工业企业对综合技能人才需求。

参考文献：

[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]崔可维，熊健.机械原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2011.endprint

1.凸轮运动仿真和实测。能通过数模计算得出凸轮的真实运动规律，作出凸轮角速度线图和角加速度线图，并进行速度波动调节计算。通过凸轮上的角位移传感器和A/D转换器进行采集，转换和处理，并输入计算机显示出实测的凸轮角速度图和角加速度线图。通过分析比较，使学生了解机构结构对凸轮的速度波动的影响。

2.推杆运动仿真和实测。通过数模计算得出推杆的真实运动规律，作出推杆相对凸轮转角和速度线图，加速度线图。通过推杆上的位移传感器，凸轮上的同步转角传感器和A/D转换板进行数据采集，转换和处理，输入计算机，显示出实测的推杆相对凸轮转角的速度线图和加速度线图。通过分析比较，使学生了解机构结构及加工质量对推杆的速度波动的影响。

五、实验步骤

1.打开计算机，单击“凸轮机构”图标，进入凸轮机构运动测试设计仿真综合试验台软件系统的封面。单击左键，进入盘形（圆柱）凸轮机构动画演示界面。

2.在盘形（圆柱）凸轮机构动画演示界面左下方单击“盘形（圆柱）凸轮机构”键，进入盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面。

3.在盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面的左下方单击“凸轮机构设计”键，弹出凸轮机构设计对话框；输入必要的原始参数，单击“设计”键，弹出一个“选择运动规律”对话框；选定推程和回程运动规律，在该界面上，单击“确定”键，返回凸轮机构设计对话框；待计算结果出来后，在该界面上，单击“确定”键，计算机自动将设计好的盘形（圆柱）凸轮机构的尺寸填写在参数输入界面的对应的参数框内。也可以自行设计，然后按设计的尺寸调整推杆偏距。

4.启动实验台的电动机，待盘形（圆柱）凸轮机构运转平稳后，测定电动机的功率，填入参数输入界面的对应参数框内。

5.在盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面左下方单击选定的实验内容（凸轮运动仿真，推杆运动仿真），进入选定实验的界面。

6.在选定的实验内容的界面左下方单击“仿真”，动态显示机构即时位置和动态的速度，加速度曲线图。单击“实测”，进行数据采集和传输，显示实测的速度，加速度曲线图。若动态参数不满足要求或速度波动过大，有关实验界面均会弹出提示“不满足！”及有关参数的修正值。

7.如果要打印仿真和实测的速度，加速度曲线图，在选定的实验内容的界面下方单击“打印”键，打印机自动打印出仿真和实测的速度，加速度曲线图。

8.如果要做其他实验，或动态参数不满足要求，在选定的实验内容的界面下方单击“返回”，返回盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入面，校对所有参数并修改有关参数，单击选定的实验内容键，进入有关实验界面。以下步骤同前。

9.如果实验结束，单击“退出”，返回Windows界面。

六、结语

综上所述，学生通过本次机械原理综合实验，以凸轮机构动态测试实验台作为载体，有效的将机械原理课程中凸轮机构及其设计和机械运转及速度波动调节两个章节的内容串联起来。在掌握常用的凸轮从动件运动规律和凸轮廓线设计的基础上，重点了解凸轮结构参数对从动件及凸轮速度波动的影响规律。该实验台在综合实验教学中的应用，可以有效激发学生的学习兴趣和潜能，变被动学习为主动学习，学生通过亲自动手操作实践可以系统学习和掌握相关的机械原理知识，开拓学生的思路，激发学生的创造力，进一步提高学生的综合素质和综合创新能力，满足现代工业企业对综合技能人才需求。

参考文献：

[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]崔可维，熊健.机械原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2011.endprint

1.凸轮运动仿真和实测。能通过数模计算得出凸轮的真实运动规律，作出凸轮角速度线图和角加速度线图，并进行速度波动调节计算。通过凸轮上的角位移传感器和A/D转换器进行采集，转换和处理，并输入计算机显示出实测的凸轮角速度图和角加速度线图。通过分析比较，使学生了解机构结构对凸轮的速度波动的影响。

2.推杆运动仿真和实测。通过数模计算得出推杆的真实运动规律，作出推杆相对凸轮转角和速度线图，加速度线图。通过推杆上的位移传感器，凸轮上的同步转角传感器和A/D转换板进行数据采集，转换和处理，输入计算机，显示出实测的推杆相对凸轮转角的速度线图和加速度线图。通过分析比较，使学生了解机构结构及加工质量对推杆的速度波动的影响。

五、实验步骤

1.打开计算机，单击“凸轮机构”图标，进入凸轮机构运动测试设计仿真综合试验台软件系统的封面。单击左键，进入盘形（圆柱）凸轮机构动画演示界面。

2.在盘形（圆柱）凸轮机构动画演示界面左下方单击“盘形（圆柱）凸轮机构”键，进入盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面。

3.在盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面的左下方单击“凸轮机构设计”键，弹出凸轮机构设计对话框；输入必要的原始参数，单击“设计”键，弹出一个“选择运动规律”对话框；选定推程和回程运动规律，在该界面上，单击“确定”键，返回凸轮机构设计对话框；待计算结果出来后，在该界面上，单击“确定”键，计算机自动将设计好的盘形（圆柱）凸轮机构的尺寸填写在参数输入界面的对应的参数框内。也可以自行设计，然后按设计的尺寸调整推杆偏距。

4.启动实验台的电动机，待盘形（圆柱）凸轮机构运转平稳后，测定电动机的功率，填入参数输入界面的对应参数框内。

5.在盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入界面左下方单击选定的实验内容（凸轮运动仿真，推杆运动仿真），进入选定实验的界面。

6.在选定的实验内容的界面左下方单击“仿真”，动态显示机构即时位置和动态的速度，加速度曲线图。单击“实测”，进行数据采集和传输，显示实测的速度，加速度曲线图。若动态参数不满足要求或速度波动过大，有关实验界面均会弹出提示“不满足！”及有关参数的修正值。

7.如果要打印仿真和实测的速度，加速度曲线图，在选定的实验内容的界面下方单击“打印”键，打印机自动打印出仿真和实测的速度，加速度曲线图。

8.如果要做其他实验，或动态参数不满足要求，在选定的实验内容的界面下方单击“返回”，返回盘形（圆柱）凸轮机构原始参数输入面，校对所有参数并修改有关参数，单击选定的实验内容键，进入有关实验界面。以下步骤同前。

9.如果实验结束，单击“退出”，返回Windows界面。

六、结语

综上所述，学生通过本次机械原理综合实验，以凸轮机构动态测试实验台作为载体，有效的将机械原理课程中凸轮机构及其设计和机械运转及速度波动调节两个章节的内容串联起来。在掌握常用的凸轮从动件运动规律和凸轮廓线设计的基础上，重点了解凸轮结构参数对从动件及凸轮速度波动的影响规律。该实验台在综合实验教学中的应用，可以有效激发学生的学习兴趣和潜能，变被动学习为主动学习，学生通过亲自动手操作实践可以系统学习和掌握相关的机械原理知识，开拓学生的思路，激发学生的创造力，进一步提高学生的综合素质和综合创新能力，满足现代工业企业对综合技能人才需求。

参考文献：

[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]崔可维，熊健.机械原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2011.endprint