仿真和设计实验指导

5.1.1 实验目的

(1) 利用计算机对平面机构动态参数进行采集、处理，得到实测的动态参数曲线，并且通过计算机对该平面机构的运动进行数模仿真，做出相应的动态参数曲线，实现理论与实际相结合。

(2) 利用计算机对平面机构结构参数进行优化设计，通过计算机对该平面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的有效结合，培养创新意识。

(3) 利用计算机的人机交互功能，在软件界面说明文件的指导下，独立自主地进行实验，培养动手能力。

5.1.2 实验设备和工具

(1) ZNH A/1曲柄导杆滑块机构多媒体测试、仿真和设计综合试验台。 本试验台可搭接为如图5-- 1所示的曲柄导杆滑块机构或如图5-- 2所示的曲柄滑块机构两种形式，其主要技术参数分别见表5- 1和表5- 2。

(2) 活扳手、呆扳手、内六角扳手、一字起子、十字起子等。

图5-- 1 曲柄导杆滑块机构

图5-- 2 曲柄滑块机构

表5- 1 曲柄导杆滑块机构主要技术参数

表5- 2 曲柄滑块机构主要技术参数

5.1.3 实验内容

1) 曲柄导杆滑块机构实验内容

(1) 曲柄运动仿真和实测。 通过数模计算得出曲柄的真实运动规律，做出曲柄角速度线图和角加速度线图;通过曲柄上的角位移传感器和A/D转换板进行采集、转换和处理，并输入计算机，显示出实测的曲柄角速度线图和角加速度线图。 通过分析比较，了解机构结构对曲柄的速度波动的影响。

(2) 滑块运动仿真和实测。 通过数模计算得出滑块的真实运动规律，做出滑块相对曲柄转角的速度线图和加速度线图;通过滑块上的位移传感器、曲柄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，并输入计算机，显示出实测的滑块相对曲柄转角的速度线图和加速度线图。 通过分析比较，了解机构结构对滑块的速度波动和急回特性的影响。

(3) 机架振动仿真和实测。 通过模数计算，先得出机构质心(即激振源)的位移及速度，并做出激振源在设定方向上的速度线图和激振力线图(即不平衡惯性力)。 通过机座上可调节加速度传感器和A/D转换板进行数据采集、转换和处理，并输入计算机，显示出实测的机架振动在指定方向上的速度线图和加速度线图。 通过分析比较，了解激振力对机架振动的影响。

2) 曲柄滑块机构实验内容

(1) 曲柄滑块机构设计。 采用计算机辅助设计来实现，包括按行程速比系数设计和连杆运动轨迹设计两种方法。 连杆运动轨迹就是通过计算机进行虚拟仿真实验给出连杆上不同点的运动轨迹。 根据工作要求，选择合适的轨迹曲线及相应的曲柄滑块机构，为按运动轨迹设计曲柄滑块机构提供方便快捷的试验设计方法。

(2) 曲柄运动仿真和实测。 通过数模计算得出曲柄的真实运动规律，做出曲柄角速度线图和角加速度线图，进行速度波动调节计算;通过曲柄上的角位移传感器和A/D转换板进行采集、转换和处理，并输入计算机，显示出实测的曲柄角速度线图和角加速度线图。 通过分析比较，了解机构结构对曲柄的速度波动的影响。

(3) 滑块运动仿真和实测。 通过数模计算得出滑块的真实运动规律，做出滑块相对曲柄转角的速度线图和加速度线图;通过滑块上的线位移传感器、曲柄上的角位移传感器和A/D转换板进行数据采集、转换和处理，并输入计算机，显示出实测的滑块相对曲柄转角的速度线图和加速度线图。 通过分析比较，了解机构结构对滑块的速度波动和急回特性的影响。

(4) 机架振动仿真和实测。 通过模数计算，先得出机构质心(即激振源)的位移，并做出激振源在设定方向上的速度线图和激振力线图(即不平衡惯性力)，并指出需加平衡质量。 通过机座上可调节加速度传感器和A/D转换板进行数据采集、转换和处理，并输入计算机，显示出实测的机架振动指定方向上的速度线图和加速度线图。 通过分析比较，了解激振力对机架振动的影响。

5.1.4 实验步骤

1) 曲柄导杆滑块机构实验步骤

(1) 启动计算机，在桌面上双击“导杆滑块”图标，进入曲柄导杆滑块机构运动测试、设计和仿真综合试验台软件系统的封面。 单击封面，进入如图5-- 3所示的曲柄导杆滑块机构动画演示界面。 在此界面上，若单击“上一帧”按钮，则窗体显示该曲柄导杆滑块机构的三维画面的上一帧;若单击“下一帧”按钮，则窗体显示该曲柄导杆滑块机构的三维画面的下一帧;若单击“继续”按钮，则窗体显示该曲柄导杆滑块机构的三维动画，同时“继续”按钮变为“暂停”按钮;反之，若单击“暂停”按钮，则三维动画停止，“暂停”按钮变为“继续”按钮。

图5-- 3 曲柄导杆滑块机构动画演示界面

(2) 在曲柄导杆滑块机构动画演示界面上单击“导杆滑块机构”按钮，则进入如图5-- 4所示的曲柄导杆滑块机构原始参数输入界面。

图5-- 4 曲柄导杆滑块机构原始参数输入界面

(3) 在曲柄导杆滑块机构原始参数输入界面上，将设计好的曲柄导杆滑块机构的参数填写在参数输入界面对应的参数框内，然后按设计的参数调整曲柄导杆滑块机构各构件的长度。

(4) 启动试验台的电动机，待曲柄导杆滑块机构运转平稳后，测定电动机的功率，填入参数输入界面的对应参数框内。

(5) 在曲柄导杆滑块机构原始参数输入界面上，若单击位于右侧的“曲柄运动仿真”按钮，则进入如图5-- 5所示的曲柄运动仿真与测试分析界面;若单击位于右侧的“滑块运动仿真”按钮，则进入如图5-- 6所示的滑块运动仿真与测试分析界面;若单击位于右下角的“机架振动仿真”按钮，则进入如图5-- 7所示的机架振动仿真与测试分析界面。

图5-- 5 曲柄运动仿真与测试分析界面(曲柄导杆滑块机构)

图5-- 6 滑块运动仿真与测试分析界面(曲柄导杆滑块机构)

图5-- 7 机架振动仿真与测试分析界面(曲柄导杆滑块机构)

(6) 在上述的仿真与测试分析界面(曲柄运动仿真、滑块运动仿真、机架振动仿真)上，若单击“仿真”按钮，则动态显示机构即时位置和动态的速度、加速度曲线图;若单击“实测”按钮，则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，在上述有关的仿真与测试分析界面上单击“打印”按钮，则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，在上述的仿真与测试分析界面上单击“返回”按钮，则返回到曲柄导杆滑块机构原始参数输入界面，校对所有参数并修改有关参数，再单击选定的实验内容，进入有关实验界面。 接着步骤同前。

(9) 如果实验结束，单击“退出”按钮，返回Windows界面。

2) 曲柄滑块机构实验步骤

(1) 启动计算机，在桌面上双击“导杆滑块”图标，进入曲柄导杆滑块机构运动测试、设计和仿真综合试验台软件系统的封面。 单击封面，进入如图5-- 3所示的曲柄导杆滑块机构动画演示界面。

(2) 在曲柄导杆滑块机构动画演示界面右下方，单击“曲柄滑块机构”按钮，则进入如图5-- 8所示的曲柄滑块机构动画演示界面。 在此界面上，若单击“上一帧”按钮，则窗体显示该曲柄滑块机构的三维画面的上一帧;若单击“下一帧”按钮，则窗体显示该曲柄滑块机构的三维画面的下一帧;若单击“继续”按钮，则窗体显示该曲柄滑块机构的三维动画，同时“继续”按钮变为“暂停”按钮;反之，若单击“暂停”按钮，则三维动画停止，“暂停”按钮变为“继续”按钮。

图5-- 8 曲柄滑块机构动画演示界面

(3) 在曲柄滑块机构动画演示界面右下方，若单击“曲柄滑块机构”按钮，则进入如图5-- 9所示的曲柄滑块机构原始参数输入界面。

(4) 在曲柄滑块机构原始参数输入界面右下方，若单击“滑块机构设计”按钮，则弹出设计方法选择框;根据需要，可单击“设计方法一”或“设计方法二”按钮，弹出设计对话框，输入行程速比系数、滑块行程等原始参数，待计算结果出来后，单击“确定”按钮，计算机自动将计算结果原始参数填写在参数输入界面对应的参数框内;单击“连杆运动轨迹”按钮，则进入如图5-- 10所示的连杆运动轨迹界面，给出连杆上不同点的运动轨迹。 根据工作要求，选择适合的轨迹曲线及相应曲柄滑块机构;也可以按使用者自己设计的曲柄滑块机构的尺寸填写在参数输入界面对应的参数框内，然后按设计的尺寸调整曲柄滑块机构各尺寸。

(5) 启动试验台的电动机，待曲柄滑块机构运转平稳后，测定电动机的功率，填入参数输入界面的对应参数框内。

(6) 在曲柄滑块机构原始参数输入界面右侧，若单击“曲柄运动仿真”按钮，则进入如图5-- 11所示的曲柄运动仿真与测试分析界面;若单击“滑块运动仿真”按钮，则进入如图5-- 12所示的滑块运动仿真与测试分析界面;若单击“机架振动仿真”按钮，则进入如图5-- 13所示的机架振动仿真与测试分析界面。

图5-- 9 曲柄滑块机构原始参数输入界面

图5-- 10 连杆运动轨迹界面

(7) 在上述实验内容的界面(曲柄运动仿真、滑块运动仿真、机架振动仿真)右下方，若单击“仿真”按钮，则动态显示机构即时位置和动态的速度、加速度曲线图;若单击“实测”按钮，则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。

(8) 如果要打印仿真和实测的速度、加速度曲线图，在选定的实验内容界面下方，单击“打印”按钮，则打印机自动打印出仿真和实测的速度和加速度曲线图。

图5-- 11 曲柄运动仿真与测试分析界面(曲柄滑块机构)

图5-- 12 滑块运动仿真与测试分析界面(曲柄滑块机构)

(9) 如果要做其他实验或动态参数不满足要求，在选定的实验内容界面下方，单击“返回”按钮，则返回曲柄滑块机构原始参数输入界面，校对所有参数并修改有关参数，单击选定的实验内容按钮，进入有关实验界面。 接着步骤同前。

图5-- 13 机架振动仿真与测试分析界面(曲柄滑块机构)

(10) 如果实验结束，单击“退出”按钮，返回Windows界面。

5.1.5 思考题

(1) 原动件曲柄的运动为什么不是匀速的？

(2) 试比较一个构件的运动仿真与实测曲线，分析造成其差异的原因。

(3) 对测试机构采取什么措施可减小其振动、保持良好的机械性能？