【知识目标】

1.了解平面机构的动平衡原理与方法。

2.了解常用机械量(线位移、角位移、转速及加速度)的测试理论与方法。

3.了解传感器的工作原理。

【技能目标】

1.能根据给定机构参数,计算平衡块的质量和相位。

2.能正确使用实验设备测试机构的运动参数。

8.2.1　实验设备

①平面曲柄摇杆机构实验台。

②信号采集箱、计算机、信号采集及分析系统软件。

③平衡铁块、扳手。

8.2.2　实验内容

①测试曲柄摇杆机构摇杆的角位移。

②测试曲柄摇杆机构曲柄的角速度。

③测试平衡前和平衡后机座的振动加速度。

8.2.3　实验原理

(1)平面机构的平衡原理

当机构运动时,各运动构件所产生的惯性力可合成为一个通过机构质心的总惯性力和总惯性力矩,此总惯性力和力矩全部由基座承受。当机构运动时,随时变化的总惯性力和力矩使基座发生振动,欲消除基座的振动就必须设法平衡此总惯性力和力矩

要使机构的总惯性力FⅠ=-mas 为零,则必须使机构的加速度as 为零,即使机构的质心静止不动。

使机构质心静止不动的方法通常有两种:利用对称机构平衡和利用平衡质量平衡。本实验采用平衡质量来平衡机构。其平衡原理如图8.4 所示。

图8.4　机构的配重平衡

为了进行平衡,现将构件2 的质量m2 用分别集中于B,C 两点的两个集中质量m2B和m2C所代替

然后在构件1 的延长线上加一平衡质量mb1来平衡构件1 的质量m1 和m2B,使构件1 的质心移动到固定铰链A 处,平衡质量mb1的计算公式为

同理,在构件3 的延长线上加一平衡质量mb2,使构件3 的质心移动到固定铰链D 处,平衡质量mb2的计算公式为

加上质量应mb1和mb2后,机构的总质心应位于机架4 上某一固定点,此时as=0,则机构得到平衡。

(2)实验台的组成和工作原理

1)平面曲柄摇杆机构

如图8.5 所示,曲柄摇杆机构的原动件为曲柄,从动件为摇杆。构件3,4,5 上有若干转动副联接圆孔,其作用是使活动构件之间通过不同孔的联接,得到几组不同的机构运动学尺寸,还可使构件的质心位置相对运动副连线随之发生改变。

该机构中的两个平衡盘分别与曲柄、摇杆同步旋转。其功用是安装平衡铁块,即用螺栓将所需的平衡铁块固定在平衡盘的圆弧槽中,使机构惯性力得到不同程度的平衡。实验台机座放置在橡胶垫上,可近似认为它是具有两个振动自由度的弹性机座,故它的力学本质是一个两自由度的振动系统。

图8.5　曲柄摇杆实验台简图

1—机座;2,6—平衡盘;3—曲柄;4—连杆;5—摇杆

2)传感器工作原理

①光电编码器

光电编码器的结构如图8.6 所示。它主要由发光二极管、光栅和光电管组成。在光栅上有规则地刻有透光的线条,两侧安放发光二极管和光电管。当光栅旋转时,光电管接收的光通量随透光线条同步变化,光电管输出波形经过整形后变为脉冲输出。光栅上有与之转幅相应的标志,其每转一圈输出一个脉冲Z,用于校正光栅每转产生脉冲的数目。此外,为判断旋转方向,编码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号,如图8.7(b)所示。

图8.6　光电编码器结构简图

1—光栅;2—转幅标志;3—发光二极管;4—光电管

②压电加速度传感器

压电加速度传感器主要利用晶体的压电效应来工作。如图8.7 所示为压电加速度传感器结构简图。它主要由螺母、预压弹簧、质量块、压电元件、螺栓、磁性底座及外壳组成。整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定,基座通常用磁铁做成,直接吸附在被测物上。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,产生与加速度大小成正比的电荷,通过电荷放大与电路转换,就可测量出被测物的振动加速度大小。(www.daowen.com)

图8.7　压电加速度传感器简图

1—螺母;2—预压弹簧;3—质量块;4—压电元件;5—螺栓;6—外壳;7—磁性底座

8.2.4　实验步骤

(1)测量摇杆的角位移

①根据图8.8 进行测量系统的连接,注意角位移传送器的7 针插头与角位移变送器插座连接的方向性。

图8.8　测量摇杆角位移信号硬件联接示意图

②检查机构各运动副的联接是否可靠,信号线连接是否正确,并盖上安全罩。

③启动电机,开启角位移传送器电源,进入uTek 分析系统。先选择“机械故障诊断教学与试验”选项,再选择“曲柄摇杆机构摇杆角位移测量”的实验项目,进行相应操作。建议采样频率设为1 280 Hz。

④测试完成后关闭角位移传送器电源,关闭电机电源。

⑤根据得到的摇杆角位移数据及曲线,分析摇杆运动情况。

(2)测量曲柄转速

①根据图8.9 进行测量系统的连接。

②启动电机,打开信号采集箱电源,进入uTek 分析系统。先选择“机械故障诊断教学与试验”选项,再选择“曲柄机构转速测量”实验项目,进行相应的操作。建议采样频率设为12 800 Hz。

③测试完成后关闭角位移传送器电源,关闭电机电源。

④根据得到的曲柄转速数据及曲线,分析曲柄时域和频域下测量出的转速。

图8.9　测量曲柄转速信号硬件连接示意图

(3)测量机构未平衡时机座的振动加速度

①根据图8.10 进行测量系统的连接。

②启动电机,打开电荷放大器电源,进入uTek 分析系统。先选择“机械故障诊断教学与试验”选项,再选择“机构动平衡试验”实验项目,进行相应的操作。建议采样频率设为256 Hz或128 Hz。

③测试完成后,关闭电荷放大器电源,关闭电机电源。

④根据如图8.11、图8.12 所示的构件质量、质心位置、运动学尺寸以及平衡质量安装方向,对机构进行惯性力平衡。

⑤重复步骤②、③,再次测量机座振动加速度。

⑥对比两次测得的振动加速度曲线和加速度大小,观察机构平衡的程度。

图8.10　测量机架水平方向的振动加速度信号硬件连接示意图

图8.11　曲柄摇杆机构构件质量、质心位置及运动学尺寸

图8.12　平衡铁块的安装方向

⑦关闭电荷放大器电源,关闭电机电源,拆卸传感器信号线和平衡质量,实验结束。

8.2.5　注意事项

①传感器已安装在实验台上,未经指导教师许可,学生不得擅自拆卸。

②进行传感器信号线的连接与拆卸之前,务必切断外接电源后,方可进行操作。

③启动电机之前,必须检查机构各运动副的连接是否可靠,信号线连接是否正确,并盖上安全罩。

④为安全起见,接通仪器电源后尽快完成信号采集。信号采集完毕,请立即断开仪器和电机电源。

⑤在挪动压电加速度传感器时,切勿直接移动传感器,应移动磁性底座。

8.2.6　思考题

①机构平衡的目的是什么?

②常见的平面机构平衡有哪些?它们各有什么优缺点?

③采样频率的改变对摇杆的角位移曲线有无影响?为什么?