机 械 工 程 学 院

《 机 械 原 理 》

实   验   指   导   书

机械基础教研室    编写

适 用 专 业 :

机械设计及自动化、机械制造及自动化、机械电子工程、车辆工程、农业机械、过程控制等机械类专业。

贵州大学

二○##年八月

目   录

1、实验一：机构运动简图的测绘与分析………………………………………2

2、实验二：渐开线齿轮加工原理………………………………………………8

3、实验三：渐开线齿轮基本参数的测定………………………………………14

4、 实验四：盘形凸轮廓线的测绘……………………………………………… 20

5、 实验五： 基于机构组成原理的拼装设计……………………………………28

6、 实验六：刚性转子的动平衡实验…………………………………………… 43

前   言

《机械原理》课程是高等工业学校本科机械类专业教学计划中必修的技术基础课。本课程主要研究各种机械的一般共性问题，即机构的组成原理、运动学及机器动力学和常用机构的分析与设计，以及机械传动系统方案设计等问题。内容包括机构的结构分析、平面机构的运动分析与力分析、机械效率和自锁、机械的平衡、机械的运转及其速度波动的调节、平面连杆机构及设计、凸轮机构及其设计、齿轮机构及其设计、齿轮系及其设计、其它常用机构和机械传动系统方案的设计等。

通过本课程的学习应使学生掌握机械中有关机构的结构学和运动学及动力学方面的基本理论、基本知识和基本技能，并具有初步确定机械运动方案、分析和综合常用机构的能力。

通过实验教学,应达到以下目标:

1） 初步掌握测绘机构运动简图的技能，验证和巩固机构自由度的计算,并明确自由度数与原动件数的关系。

2） 加深对机构组成原理的认识,进一步了解机构组成及其运动特性，提高工程实践动手能力，增强创新意识及综合设计的能力。 通过创意方案的组合设计，启发创造性思维和培养动手能力。

3） 加深对回转构件平衡原理的理解,初步掌握动平衡实验的基本方法和了解动平衡机的原理结构。

4）掌握齿轮范成加工原理和齿轮参数的测量方法。

5）掌握典型连杆机构运动参数的测量方法,了解测量原理，学会使用一种信号采集及信号分析专业软件，分析所测量的有关运动参数,由此了解典型连杆机构的运动特性。

实 验 一：机构运动简图的测绘与分析

实验学时： 2学时

实验类型： 综合性

实验要求： 必修

一、实验目的：

1、了解生产中实际使用的机器的用途、工作原理、运动传递过程、机构组成情况和机构的结构分类。

2、初步掌握根据实际使用的机器进行机构运动简图测绘的基本方法、步骤和注意事项。

 3、加强理论实际的联系，验算机构自由度、进一步了解机构具有确定运动的条件和有关机构结构分析的知识。
二、实验内容：

根据实物和模型,进行机构运动简图的测绘和分析。本实验涉及“机构自由度的计算”、 “机构组成原理”、“测绘机构运动简图技能”等知识点。

三、实验原理、方法和手段

从运动学观点来看机构的运动仅与组成机构的构件和运动副的数目、种类以及它们之间的相互位置有关，而与构件的复杂外形、断面大小、运动副的构造无关，为了简单明了的表示一个机构的运动情况、可以不考虑那些与运动无关的因素(机构外形，断面尺寸、运动副的结构)。而用一些简单的线条和所规定的符号表示构件和运动副(规定符号见教材表1-1)并按一定的比例表示各运动副的相对位置，以表明机构的运动特性。

1、缓慢转动被测机构的原动件、找出从原动件到工作部分的机构传动路线。

    2、由机构的传动路线找出构件数目、运动副的种类和数目。

    3、合理选择投影平面，选择原则：对平面机构运动平面即为投影平面。对其它机构选择大多数构件运动的平面作为投影平面。

    4、在草稿纸上徒手按规定的符号及构件的联接顺序。 逐步画出机构运动简图的草图，然后用数字标注各构件的序号，用英文字母标注各运动副。

5、仔细测量机构的运动学尺寸、如回转副的中心距和移动副导路间的相对位置、标注在草图上。
    6、在图纸上任意确定原动件的位置、选择合适的比例尺把草图画成正规的运动简图。比例尺的选定如下：        

       式中   ——比例尺(单位：米／毫米)

——构件的实际长度(单位：米)

——图纸上表示构件的长度(单位：毫米)

四、实验组织运行要求：

      采用集中授课，分组训练的形式。

五、实验条件：

1、各种机器实物如：缝纫机、发动机、插齿机和各种机构模型等。

2、钢板尺、卷尺、卡尺、角度尺。

 3、铅笔、橡皮、三角板、圆规及草稿纸(此项自带)。

六、实验步骤：

（1）在草稿纸上绘制教师所指定的几个机构运动简图，对其中规定必须按比例尺做正规的机构运动简图的机构应仔细测绘其有关运动学尺寸。对其余机构，为了节约时间，可以不进行测量。但应凭目测使图和实物大致成比例。（尽量不要使二构件互相重迭）。

（2）计算各机构的自由度数，并将结果与实际机构对照，观察是否相等。

（3）对上述机构进行结构分析（拆分杆组，确定机构的级别）。

七、思考题

1.一个正确的“机构运动简图”应能说明哪些内容？

2.绘制机构运动简图时，原动件的位置为什么可以任意确定？会不会影响简图的正确性？

3.机构自由度的计算对测绘机构运动简图有何帮助？

贵 州 大 学 实 验 报 告

学 院：                     专 业：                    班 级：

实验六：刚性转子的动平衡实验

实验学时： 2学时

实验类型：  设计性

实验要求：  必修

一、实验目的：

通过本实验，掌握在基于虚拟测试技术的智能化动平衡实验系统中进行回转件平衡的基本技术。使学生加深对动平衡基本概念和方法的理解；了解动平衡设计与动平衡试验之间的关系。

二、实验内容：

1．确定待平衡转子的不平衡质量的大小和方位，确定平衡质量的大小和加在平衡基面的位置。

2．根据余振，求出残余振幅。

三、实验原理、方法和手段

1、主要特点

        该设备是一种创新的基于虚拟测试技术的智能化动平衡实验系统，能在一个硬支承

的机架上不经调整即可实现硬支承动平衡的A，B，C尺寸法解算和软支承的影响系数法

解算，既可进行动平衡校正亦可进行静平衡校正，本系统利用高精度的压电晶体传感器

进行测量，采用先进的计算机虚拟测试技术、数字信号处理技术和小信号提取方法，达

到智能化检测目的。本系统不但能得出实验结果，而且通过动态实时检测曲线了解实验

的过程，通过人机对话的方式生动、形象地完成检测过程。从而非常适用于教学动平衡

实验。

2、工作原理及系统组成

    转子动平衡检测是一般用于轴向宽度B与直径D的比值大于0.2的转子（小于0.2的转

子适用于静平衡）。转子动平衡检测时，必须同时考虑其惯性力和惯性力偶的平衡，即

Pi=0，Mi=0。如图2-9-1所示，设一回转构件的偏心重Q1及Q2分别位于平面1和平面2

内，r1及r2为其回转半径。当回转体以等角速度回转时，它们将产生离心惯性力P1及P2，

形成一空间力系。

1、光电传感器       2、被试转子      3、硬支承摆架组件

4、压力传感器       5、减振底座      6、传动带    

7、电动机           8、零位标志

   由理论力学可知，一个力可以分解为与它平行的两个分力。因此可以根据该

回转体的结构，选定两个平衡基面I和II作为安装配重的平面。将上述离心惯性力

分别分解到平面I和II内，即将力P1及P2分解为P1I及P2I（在平面I内）及P1II及P2II

（在平面II内）。这样就可以把空间力系的平衡问题转化为两个平面汇交力系的平

衡问题了。显然，只要在平面I和II内各加入一个合适的配重QI和QII，使两平面内

的惯性力之和均等于零，构件也就平衡了。

         DPH－I型智能动平衡机结构如图二所示。测试系统由计算机、数据采集器、高

灵敏度有源压电力传感器和光电相位传感器等组成。如图二，当被测转子在部件

上被拖动旋转后，由于转子的中心惯性主轴与其旋转轴线存在偏移而产生不平衡

离心力，迫使支承做强迫震动，安装在左右两个硬支撑机架上的两个有源压电力

传感器感受此力而发生机电换能，产生两路包含有不平衡信息的电信号输出到数

据采集装置的两个信号输入端；与此同时，安装在转子上方的光电相位传感器产

生与转子旋转同频同相的参考信号，通过数据采集器输入到计算机。

   计算机通过采集器采集此三路信号，由虚拟仪器进行前置处理，跟踪滤波，

幅度调整，相关处理，FFT变换，校正面之间的分离解算，最小二乘加权处理等。

最终算出左右两面的不平衡量（克），校正角（度），以及实测转速（转/分）。

        与此同时，给出实验过程的数据处理方法，FFT方法的处理过程，曲线的变化

过程，使同学们加深印象，一目了然。

● 系统主界面介绍

   系统进入所需要的时间由计算机系统的配置而定，计算机系统的配置越好，软件的启动速度

越快，启动进度由上面绿色滚动条指示。通过点击启动界面可进入系统主界面。

1、  测试结果显示区域，包括左右不平衡量显示、转子转速显示、不平衡方位显示。

2、  转子结构显示区，用户可以通过双击当前显示的转子结构图，直接进入转子结构选择图，选择

需要的转子结构。

3、 转子参数输入区域，在进行计算偏心位置和偏心量时，需要用户输入当前转子的各种尺寸，如

图上所示的尺寸，在图上没有标出的尺寸是转子半径，输入数值均是以毫米（mm）为单位的。

4、 原始数据显示区，该区域是用来显示当前采集的数据或者调入的数据的原始曲线，在该曲线上

用户可以看出机械振动的大概情况，根据转子偏心的大小，在原始曲线上用户可以看出一些周

期性的振动情况。

5、数据分析曲线显示按钮：通过该按钮可以进入详细曲线显示窗口，可以通过详细曲线显示窗口

看到整个分析过程。

6、指示出检测后的辊子的状态，灰色为没有达到平衡，蓝色为已经达到平衡状态。平衡状态的标

准通过“允许不平衡质量”栏由用户设定。

7、左右两面不平衡量角度指示图，指针指示的方位为偏重的位置角度。

8、自动采集按钮，为连续动态采集方式，直到停止按钮按下为止。

9、单次采集按钮。

10、复位按钮，清除数据及曲线，重新进行测试。

11、工件几何尺寸保存按钮开关，点击该开关可以保存设置数据（重新开机数据不变）。

● 模式设置界面

如上图所示，图上罗列了一般转子的结构图，用户可以通过鼠标来选择相应的转子结构来进行实验。每一种结构对应了一个计算模型，用户选择了转子结构同时也选择了该结构的计算方法。

●     采集器标定窗口

    用户进行标定的前提是有一个已经平衡了的转子，在已经平衡了的转子上的A，B两面加上偏心

重量，所加的重量（不平衡量）及偏角（方位角）用户从“标定数据输入窗口”输入，启动装置后，

用户通过点击“开始标定采集”来开始标定的第一步，这里需要注意的是所有的这些操作是针对

同一结构的转子进行标定的，以后进行转子动平衡时应该是同一结构的转子，如果转子的结构不同

则需要重新标定。“测试次数”由用户自己设定，次数越多标定的时间越长，一般5~10次。“测试

原始数据”栏只是用户观察数据栏，只要有数据表示正常，反之为不正常。“详细曲线显示”用户

可观察标定过程中数据的动态变化过程，来判断标定数据的准确性。

    在数据采集完成后，计算机采集并计算的结果位于第二行的显示区域，用户可以将手工添加的

实际不平衡量和实际的不平衡位置填入第三行的输入框中，输入完成并按“保存标定结果”按钮，

“退出标定”完成该次标定。

● 数据分析窗口

按“数据分析曲线”键，得如下窗口，可详细了解数据分析过程。

        ※滤波器窗口：显示加窗滤波后的曲线，横坐标为离散点，纵坐标为幅值。

        ※频谱分析图：显示FFT变换左右支撑振动信号的幅值谱，横坐标为频率，纵坐标为幅值。

        ※实际偏心量分布图：自动检测时，动态显示每次测试的偏心量的变化情况。横坐标为测量                

            点数，纵坐标为幅值。

        ※实际相位分布图：自动检测时，动态显示每次测试的偏相位角的变化情况。横坐标为测量

            点数，纵坐标为偏心角度。

        ※最下端指示栏指示出每次测量时转速、偏心量、偏心角的数值。

四、主要技术性能与参数

1. 主要技术性能

        1)虚拟智能化测试，仪器界面

        2)硬支承动平衡采用A、B、C尺寸解算，永久定标具有六种支承方式

        3)运行状态实时提示

        4)具有剩余不平衡量允差设置功能，自动提示合格

2. 主要技术参数

        1)工件质量范围（kg）：0.1~5

        2)工件最大外径（mm）：Φ260

        3)两支承间距离（mm）：50~400

        4)支承轴径范围（mm）：Φ3~30

        5)圈带传动处轴径范围（mm）：Φ25~80

        6)电机功率（kw）：0.12

        7)平衡转速：约1200转/分,2500转/分两档

        8)最小可达残余不平衡量≤0.3g mm/kg

        9)一次减低率：≥90%

      10)     测量时间：最长3s

五、实验组织运行要求：

      采用集中授课，分组训练的形式。

六、实验条件：

DPH－I型 智能动平衡机

六、实验步骤：

1. 平衡件模式选择

    点击“动平衡实验系统”, 出现“动平衡实验系统”的虚拟仪器操作前面板，点击左上“设

置”菜单功能键的“模式设置”功能，屏幕上出现模型ABCDEF六种模型。根据动平衡元件的形状，

选择其模型格式。选中的模型右上角的指示灯变红,点击“确定”,回到虚拟仪器操作前面扳。在

前面扳右上角就会显示所选定的模型形态。量出你所要平衡器件的具体尺寸，并根据图示平衡件

的具体尺寸，将数字输入相应的A、B、C、框内。点击“保存当前配置”键，仪器就能记录、保存这批数据，作为平衡件相应平衡公式的基本数据。只要不重新输入新的数据，此格式及相关数据

不管计算机是否关机或运行其它程序，始终保持不变。

2. 系统标定    

    1） 点击“设置”框的“系统标定”功能键，屏幕上出现仪器标定窗口。将两块2克重的磁铁

分别放置在标准转子左右两侧的零度位置上，在标定数据输入窗口框内，将相应的数值分别输入

“左不平衡量”、“左方位”；“右不平衡量”及“右方位”的数据框内（按以上操作，左、右

不平衡量均为2 克，左、右方位均是零度），启动动平衡试验机，待转子转速平稳运转后，点击

“开始标定采集”，下方的红色进度条会作相应变化，上方显示框显示当前转速，及正在标定的

次数，标定值是多次测试的平均值。

    2）平均次数可以在“测量次数”框内人工输入，一般默认的次数为10次。标定结束后应按

“保存标定结果”键，完成标定过程后，按“退出标定”键，即可进入转子的动平衡实际检测。

标定测试时，在仪器标定窗口“测试原始数据”框内显示的四组数据，是左右两个支撑输出的原

始数据。如在转子左右两侧，同一角度，加入同样重量的不平衡块，而显示的两组数据相差甚远，

应适当调整两面支撑传感器的顶紧螺丝，可减少测试的误差。

3. 动平衡测试

    1）手动(单次)

       手动测试为单次检测，检测一次系统自动停止，并显示测试结果。

    2）自动（循环）

       自动测试为多次循环测试，操作者可以看到系统动态变化。按“数据分析曲线”键，可

以看到测试曲线变化情况。需要注意的是：要进行加重平衡时，在停止转子运转前，必须先按

“停止测试”键，使软件系统停止运行，否则会出现异常。

4. 实验曲线分析

    在数据采集过程中，或在停止测试时，都可在前面板区按“数据分析曲线”键，计算机屏幕

会切换到“采集数据分析窗口”，该窗口有四个图形显示区和5个数字显示窗口，它们分别是“滤

波后曲线”、“频谱分析图”、“实际偏心量分布图”和“实际相位分布图”四个图形显示区和

转速，左右偏心量及偏心角五个数字显示窗口，该分析窗口的功能主要是将实验数据的整个处理

过程，详细的展示在学生面前，使学生进一步认识到如何从一个混杂着许多干扰信号的原始信号

中，通过数字滤波、FFT信号频谱分析等数学手段提取有用的信息，该窗口不仅显示了处理的结

果，还交代了信号处理的演变过程，这对培养学生解决问题、分析问题的能力是很有意义的。在

自动测试情况下（即多次循环测试），从“实际偏心量分布图”和“实际相位分布图”可以看到

每次测试过程当中的偏心量和相位角的动态变化，曲线变化波动较大说明系统不稳定要进行调整，

调整的方法详见“常见问题”。

5. 平衡过程

    本实验装置在做动平衡实验时，为了方便起见一般是用永久磁铁配重，作加重平衡实验，根

据左、右不平衡量显示值（显示值为去重值），加重时根据左、右相位角显示位置，在对应其相

位180度的位置，添置相应数量的永久磁铁，使不平衡的转子达到动态平衡的目的。在自动检测

状态时，先在主面板按“停止测试”键，待自动检测进度条停止后，关停动平衡实验台转子，根

据实验转子所标刻度，按左、右不平衡量显示值，添加平衡块，其质量可等于或略小于面板显示

的不平衡量，然后，启动实验装置，待转速稳定后，再按“自动测试”，进行第二次动平衡检测，

如此反复多次，系统提供的转子一般可以将左、右不平衡量控制中0.1克以内。在主界面中的“允

许偏心量”栏中输入实验要求偏心量（一般要求大于0.05克）。当“转子平衡状态”指示灯由灰

色变蓝色时，说明转子已经达到了所要求的平衡状态。

    由于动平衡数学模型计算理论的抽象理想化和实际动平衡器件及其所加平衡块的参数多样化

的区别，因此动平衡实验的过程是个逐步逼近的过程。

6. 动平衡实验操作示例1.接通实验台和计算机USB通信线，并装上密码狗，（此时应关闭实验台电源）

2.打开“测试程序界面”，然后打开实验台电源开关，并打开电机电源开关，点击开始测试。

  这时应看到绿、白、蓝三路信号曲线。如没有应检查传感器的位置是否放好。

3.三路信号正常后点击退出测试，退出“测试程序”。然后双击“动平衡实验系统界面”进

  入实验状态。

4.测量A、B、C及转子半径尺寸输入各自窗口，然后点击“设置”窗口进入“系统标定”界面

  在标定数据输入窗口输入左、右不平衡量及左右方位度数（一般以我们给的最大重量磁钢

  2g作标定，方位放在O度），数据输入后点击“开始标定采集”窗口开始采集。这时可以点

  击“详细曲线显示”窗口，显示曲线动态过程。等测试十次后自动停止测试。点击“保存

  标定结果”窗口，回到原始实验界面，开始实验。

5.点击“自动采集”窗口，采集35次数据比较稳定后点击“停止测试”窗口，以左右放1.2克

  为例，左边放在0度，右边放在270度。这时数据显示为：

       左                右

然后在左边180度处放1.2克，在右边280度对面（280+180360=100）100度处放1.2克，点击

“自动采集”。开始采集35次后点击停止测试。这时数据为：

      左                右 

若我们设定左、右不平衡量≤0.3克时即为达到平衡要求。这时左边还没平衡右边已平衡。在

左边283度对面103度处放0.4克，点击自动采集，采集35次后数据为：

这时两边都≤0.3克，“滚子平衡状态”窗口出现红色标志，点击“停止测试”。

打开“打印试验结果”窗口，出现“动平衡试验报表”，可以看到整个实验结果，结束实验。

七、思考题

（1）对动不平衡刚性转子，为什么可以在所选定的两个平面上，通过加重或去重的方法实现刚性转子的动平衡。

（2）经过上述动平衡实验的回转构件是否达到绝对平衡，试分析造成误差的原因。

贵 州 大 学 实 验 报 告

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