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实验20 机构运动参数测定实验
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。主要测试参数为：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，本实验就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）的基本原理，并掌握它们的使用方法。
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。
二、设备和工具
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

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（普通家用录音机）
5． 光电脉冲编码器（也可采用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（也可采用其它各种实验机构），机械原动力采用直流调速电机，电机转速可在0—3600转/分范围内作无级调速。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，后者是前者经过简单的改装得到的，在本装置中已配有必备的零件。
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（a）曲柄滑块机构简图
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（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。
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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
6． 同步信号输入插口
7． 键盘
8． 磁带信息输入主机插口（接录音机ERA）
9． 主机信息储存磁带插口（接录音机MCR）
10．六位LED数码显示器
11．亮度调节
12．对比调节
13．帧频调节
14．行频调节
15．5英寸CRT显示器

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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
3．保险插座 7．PP—40打印机接口
4．CRT电源开关

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

可编程并行口
微 处 理 器
键盘
切换控制信号
A/D转换器
锁存器

CRT控制器
可编程并行口
磁带机控制电路

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，也可采用模拟传感器，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。当采用内触发方式时，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控制信号，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。经过一定延时，由可编程并行口或A/D转换读入微处理器中，并按一定格式存储在机内RAM区中。若采用外触发采样方式，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，并通过电子开关切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（或分别采用位移、速度、加速度的测量仪器的系统）相比，具有测试系统简单，性能稳定、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可以由曲线形式输出，还可以直接打印出个点数值，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。
MEC—B 机械动态参数测试仪由于采用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，操作命令采用代码和专用键相结合，操作灵活方便，实验准备工作非常简单，并且在学生进行实验时稍作讲解学生即可使用。
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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，它是采用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）相对于光敏管位置的角位移。

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20-6 数字电路框图
d
d’
B
A
e
f
g
g’

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。若环境温度超过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）闪烁一次，而红灯每转一圈闪烁一次。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0055T T（T T0.1mg即代表采样周期，TT为01—99间任一整数）。若采用外触发（即定角度）采样方式，则键入0455 T（T=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。采样结束后在CRT显示器上显示位移变化曲线。采样结束后关闭电机，按MON键，退出采样状态。
注意：若实验机构为调速电机、需在低速当启动，再逐渐加速至所需值。
（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。
脉冲当量计算式：
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、加速度计算
键入 505n 按EXEC键
n—表示采样位移曲线周期数，一般为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，待处理结束后，在CRT上显示器上显示位移、速度、加速度变化曲线及有关特征数据。
（7）、打印
按PRINT键，即可将屏幕内容由PP40打印机输出到打印纸上。
如需要打印数据区数据表格，则先按MON键，然后在LED显示器键入：
99CDEF 再按PRINT键，
CD—起始组号，01—80
EF—打印组号，01—80
每组包含三个采样点的信号数据，一次最多打印240点数据，打印结速后按MON键，退出当前状态。
2.角位移、角速度、角加速度测量
(1)同步脉冲发生器调整
方法同上
(2)将同步脉冲发生器的5芯航空插头插入测试仪第6通道，键入0055 TT（定义同上）后按EXEC键
采样结束后CRT显示采样位移曲线。按MON键退出采样
注：采用上述方法测从动曲柄角位移时，无外触发采样功能。
（3）脉冲当量设定
键入4050.05（2.0表示每个脉冲当量为2°）
（4）角位移、角速度、角加速度计算
键入516n 按EXEC
n—意义同前，此时取值与从动曲柄转速和采样周期有关，应加以计算确定。一般可预置一个估计值计算后看一下角速度变化周期数，然后再重新计算即可。若采样时 TT与滑块运动规律测试时相同则n值也同样。
（5）打印
同上一节
3.转速与回转不均匀率测试
（1）同1、2将同步脉冲发生器调好，并将芯航空插头插入9通道。
（2）转速测量
键入指令300N EXEC
量程0.5-60r/m n=0
量程60-10000r/m n=1
该指令执行后，在LED显示器上 不断间隔显示被测轴当时的平均转速。按RESET键，结束测速过程，返回等待状态“P”。
（3）回转不均匀率测试
键入指令3199 T EXEC
角度代码T
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分度角
2°
4°
6°
8°
10°
转速范围（r/m）
2~400
3~600
4~800
6~1600
7~7000
如上表，若键入T=1则表示每隔2°触发采样一次转速值，所测各点速度值即为采样瞬时被测轴转过2°的平均值；若键入T=5，则表示为每转过10°的平均值。显而易见，对同一被测轴，若存在回转不均问题，则键入T=1与T=5所得结果是有差别的。被测轴回转越不稳定，它们差别一般越大。T应取多少，由具体情况而定。在允许范围内T应取尽可能小。
测试结束后，在CRT上显示回转不均率动态曲线及特征值。
打印：按PRINT键即可。
五、思考题
1.分析曲柄导杆机构机架长度及滑块偏值尺寸对运动参数的影响。
2.测绘出曲柄滑块机构（或曲柄导杆机构）简图尺寸，利用计算机求出相应的运动参数，绘出运动线图，与实测曲线相对比，并分析产生差异的原因。
3.了解其它实验手段测定机械运动参数方法，并进行比较。
六、实验报告要求
1.计算曲柄滑块机构中滑块的速度、加速度、角速度和角加速度的理论值，绘制速度、加速度、角速度和角加速度实验记录曲线与理论计算曲线，并进行比较分析。
2.曲柄导杆机构中导杆的速度、加速度、角速度和角加速度的理论值，绘制速度、加速度、角速度和角加速度实验记录曲线与理论计算曲线，并进行比较分析。