机械传动创意组合实验指导书.doc

机械传动创意组合综合实验

一、 实验目的
1、 结识组成机械系统常用的零部件及安装方式。
2、 根据传动系统的形式设计不同传动比、不同传动途径的传动系统方案， 并对系统方案进行评价。
3、 组合装配机械系统。
4、 运用检测系统检测实际传动系统的传动比和机械系统效率。
5、 对机械系统输入、输出的传动速度变化及系统效率变化进行分析。
6、 对机械零部件进行精度测量。

二、 实验原理
1、 机械系统的组成：
机械系统重要由动力部分、传动部分和执行部分三部分组成。
现代机械系统除了涉及上述三部分外，常带有控制-操纵单元和辅助单元。实验台提供了电机转速控制、负载控制部分及系统参数检测部分。
2、 机械系统方案设计：
机械设计的一般程序可分四个阶段
A 可行性研究 通过调研，确立任务规定，提出功能性重要设计参数，作成本和效益的估算，提出可行性设计方案。
B 方案设计 根据产品的功能需求确立设计目的，通过选择相应的传动部件，组装传动系统。
C 技术设计 按设计方案的目的，完毕总体设计及零、部件的结构设计。
D 改善设计 根据加工制造、样机实验、技术检测产品检定分析和市场反馈等环节对产品做设计修改。完善设计中的局限性。
3 、机械传动系统的结构及性能结识：
动力部分 ：直流电机
传动部分：①离合器 ②联轴器 ③减速器 ④ 带传动 ⑤链传动
执行部分：制动器 （负载）
4、 系统方案的评价准则：
评价准则的建立涉及三方面的内容：技术评价、经济评价、社会评价。
（1）技术评价 对设计方案实现规定功能技术先进性也许性的评价，涉及设计原理、技术参数、关键问题、成功率和应用效益的估计等。技术评价应以提出的方案能否实现规定的功能为中心目的，其中重要有保证功能实现限度（产品的性能、质量、寿命等）、可靠性、安全保证限度、操纵方便限度，以及安全系统的协调性等等。
（2）经济评价 经济评价是指设计方案的实行费用与也许取得的效益的比较，最后表现为产品寿命同期成本的减少限度。进行经济评价时，一方面应当估算出各方案的成本，然后进行比较。进行经济评价前，应当明确下列因素：公司经营因素、技术因素、市场因素、经济因素、时间因素等等。
（3）社会评价 社会评价是指对新产品也许产生的社会效益的评价，其中重要有推动技术进步、发展社会生产力、削减环境污染、改善生态平衡、增进社会福利、保证安全防火、有助于身心健康等等。

三、实验内容
（一）机械系统组合搭接
按下列提供的传动方案或自已设计的方案进行机械系统组合搭接：
1、 驱动源→带传动→电磁离合器→圆柱齿轮减速器→联轴器（弹性柱销、挠性爪型、滚子链）→链传动→负载装置
2、 驱动源→带传动→电磁离合器→摆线针轮减速器→联轴器（弹性柱销、挠性爪型、滚子链）→链传动→负载装置
3、驱动源→带传动→电磁离合器→蜗轮减速器→联轴器（弹性柱销、挠性爪型、滚子链）→链传动→负载装置
4、驱动源→带传动→圆柱齿轮减速器→链传动→负载装置
5、驱动源→带传动→摆线针轮减速器→链传动→负载装置
6、驱动源→带传动→蜗轮减速器→链传动→负载装置
7、驱动源→带传动→飞轮调节→负载装置
8、驱动源→带传动→开式圆柱直齿轮减速器→链传动→负载装置
9、驱动源→带传动→开式圆柱斜齿轮减速器→链传动→负载装置
10、驱动源→带传动→开式蜗轮减速器→链传动→负载装置
11、驱动源→带传动→开式圆锥齿轮减速器→链传动→负载装置
（二）零部件精度测量
1、测量轴承外径与轴承座孔的配合尺寸；
2、测量轴承内径与轴的配合尺寸；
3、测量圆柱齿轮减速器中心距；
4、测量减速器中心高；
5、测量减速器输出轴圆跳动；

四、 实验设备及装配说明
实验设备：机械系统创意组合及参数可视化分析实验台
实验台的机械结构：

从图片上可知，该实验台重要由底座(安装平台)、驱动源、模拟负载、离合器部件以及减速器、联轴器、传动带、链轮库等组成。可根据需要按一定的形式组合成不同的机械传动系统。其布置形式可呈平面和空间两种形式。
其中底座(安装平台)、驱动源、模拟负载、离合器部件为整体结构。底座(安装平台)的滑槽可根据安装需要布置。减速器有蜗轮减速器、园柱齿轮减速器、摆线针轮减速器等三种。联轴器有弹性柱销联轴器、挠性爪型联轴器、滚子链联轴器、双叉铰链联轴器（双万向联轴器）、单叉铰链联轴器（十字轴万向联轴器）等五种。其布置形式可呈平面和空间两种形式。

1、 底座(安装平台)的组成：
图一、安装平台的结构

1、水平安装板 2、垂直安装板 3、加强支撑 4、内六角圆柱头螺钉M8×20 5、滑槽螺母 6、滑槽

该底座(安装平台)重要由水平安装板(1)、垂直安装板(2)、滑槽(6)、滑槽螺母(5)等组成。其作用是固定安装驱动源、模拟负载、中间传动链中的有关零部件等，滑槽螺母(5)可在滑槽(6)内移动，滑槽(6)可根据组合的来规定拟定相应长度的滑槽，并用内六角圆柱头螺钉M8×20(4)固定在水平安装板(1) 的相应位置上。
2、 驱动源的组成：

图二、驱动源的结构
1、 测力传感器 2、电机固定板 3、左支撑座 4、连接轴 5、轴承 6、固定法兰
7、直流电机 8、测力压头 9、右支撑座 10、接头 11、传感器座 12、光栅角位移传感器
驱动源重要由固定在电机固定板(2)的测力传感器(1)、左支撑座(3)、右支撑座(9)，直流电机(7)通过固定其上的固定法兰(6)通过轴承(5)分别与左支撑座(3)、右支撑座(9)连接，直流电机(7)壳体可绕其轴线摆动，连接轴(4)、接头(10)通过键分别与直流电机(7)的左右轴伸联接, 连接轴(4)可根据安装规定装配联轴器、链轮、带轮等，光栅角位移传感器(12)固定在传感器座(11)上并与接头(10)联接。
其功能为：当直流电机(7)得电后，将带动固定在其左右轴伸上的连接轴(4)、接头(10)旋转，通过光栅角位移传感器(12)可检测出电机的实时转速。通过联接在电机外壳的测力压头(8)作用于测力传感器(1),通过测力传感器(1)可检测出电驱的反作用力,该值与力臂的乘积即为反力矩，根据平衡原理可得出电机的实时转矩。电机的转向应为测力压头(8)紧压测力传感器(1)为准。
3、离合器部件的组成：
图三、离合器部件

1、离合器固定板 2、轴承座 3、传动轴 4、轴承 5、电刷
6、牙嵌式电磁离合器 7、皮带轮 8、轴承A 9、螺钉

离合器部件由离合器固定板(1)、两个轴承座(2)、传动轴(3)、牙嵌式电磁离合器(6)、皮带轮(7)等零部件通过相应的方式联接而成。其功能为在传动中起离、合作用。当电刷(5)得电后牙嵌式电磁离合器(6)的定圈电磁力将定圈吸合使其端面的牙嵌互相啮合,当皮带轮(7)旋转时通过牙嵌啮合或者脱开,从而带动传动轴(3)的运动或者静止。传动轴(3)的两端可根据传动需要装配带轮、链轮、联轴器等零部件。更换皮带的方法:拧松固定两个轴承座(2)上的螺钉9放入所需的皮带再拧紧螺钉,此时用手转动传动轴(3)应灵活自如否则需重新调整。
※特别提醒： 1、接合时最高转速：50rpm。2、电刷磨损要更换。

4、模拟负载（磁粉制动器）的组成：
磁粉制动器是运用电磁效应下的磁粉来传递转矩的，具有激磁电流和传递转矩基成线性关系、响应速度快、结构简朴、无冲击、无振动、无噪音、无污染等优点，是一种多用途性能优越的自动控制元件，广泛应用于各种行业中机械的加载、制动以及卷绕系统中收卷和放卷的张力控制。
　 磁粉制动器是以磁粉（软磁材料）为介质传递转矩的一种电磁制动器。它能在同步、滑差状态下工作。其工作原理如图所示，积极转子和从动转子（均为软磁材料）间的工作间隙中填充磁粉，当电流通过激磁线圈时，产生垂直于工作间隙的磁通，使磁粉聚集而形成磁粉链。在电磁效应作用下使积极转子产生制动力矩，当激磁电流消失时，磁粉处在自由松散状态，制动力矩消失。
5、联轴器的类型及结构
本实验台采用了弹性柱销联轴器、挠性爪型联轴器、滚子链联轴器、单叉铰链联轴器（十字轴万向联轴器）、双叉铰链联轴器（双万向联轴器）等四类五种联轴器。
5.1弹性柱销联轴器的结构：

图五、弹性柱销联轴器
1、挡板 2、半联轴器 3、柱销

5.2挠性爪型联轴器的结构：

图六、挠性爪型联轴器
1、半联轴器 2、滑块
5.3滚子链联轴器的结构：(见图七)
5.4单叉铰链联轴器的结构：(见图八)
5.5双叉铰链联轴器的结构：(见图九)

图七、滚子链联轴器
1、半联轴器 2、双排滚子链

图八、单叉铰链联轴器（十字轴万向联轴器）
1、单叉 2、销杆 3、套筒 4、十字块 5、塞销

图九、双叉铰链联轴器（双万向联轴器）
1、单叉 2、销杆 3、套筒 4、十字块 5、塞销 6.双叉

6、过渡接的使用方法：(见图十)
说明：a、φ=φ28、φ18、φ14、φ12、φ10 根据不同轴伸选取尺寸的过渡节(2)
b、被联接件(1)可以是带轮、链轮、联轴器等
c、螺钉(3)应根据被联接件(1)的厚度选取合适长度，以不超过端面为宜。

图十、过渡接
1、 被联接件 2、过渡节 3、螺钉
7 、中心高的调整方式：

图十一、调整垫
最后一级若采用联轴器(铰链联轴器除外)与模拟负载直联，此时应以模拟负载中心高为基准与前一级比较，中心高差采用调整垫进行补偿。调整垫厚度B有0.2、0.5、1.5、2.5、5、10、13.5、20、40等九种。其中0.2、0.5重要用于补偿系统组合中的积累误差。
组合装配说明：
基本环节：根据所提供的组合型式安装尺寸图在图一中的水平安装(1)
上拟定相应的螺孔，根据组合型式图中所示拟定滑槽的长度和滑槽螺母的数量并固定滑槽。
基本组合型式的装配说明：(见图十二)
1.1、根据基本环节的规定拟定长度L=682滑槽四件，其中装模拟负载的两根滑槽中各放入五件滑槽螺母，其余两根各放入四件滑槽螺母并用内六角圆柱头螺钉M8×20固定。
1.2、按图十三(减速器底板)所示选定该零件(2件),将圆柱齿轮减速器、 图十一所示δ=2.5(4件) 调整垫用M8×30的螺栓固定，并将小带轮(节圆直径d=φ80)或者链轮(Z=20)与图十五所示衬套(L=14) 或者(L=26)与输出轴联接。同时将摆线针轮减速器、图十一所示δ=5、10(各4件) 调整垫用M8×35的螺栓固定。
1.3、分别选定滚子链联轴器(图七)、弹性柱销联轴器(图五)、挠性爪型联轴器(图六)即图十二中的4、6、9件。
1.4、分别选定图十所示的过渡接其中φ分别为φ18(2件)、φ12、φ10、φ14、φ28按基本组合型式图中所士位置采用相应长度的内六角螺钉与联轴器相连。
1.5、将中间传动轴部件用内六角圆柱头螺钉M6X16(4件)与中间传动轴部件底板固定。并将大带轮(节圆直径d=φ120)或者大链轮(Z=25)与衬套(L=14) 或者(L=26)与输入轴端(非轴承盖端)联接。
1.6、将以上组件按图十二所示的位置按规定将相应轴与联轴器上的过渡接联接并拧紧紧定螺钉。同时用相应长度的螺栓(钉)固定在滑槽。组合后按同轴、等高、平齐的规定检查安装是否对的。若中心高偏差过大则采用图十一所示调整垫(B=0.2、0.5)作适当的调整。
最后用手转动驱动源感觉灵活自如无卡滞现象后方可进行各种测试。

图十二、基本组合型式
1、 水平安装板 2、滑槽 3、模拟负载 4、滚子链联轴器 5、摆线针轮减速器部件
6、弹性柱销联轴器 7、中间传动轴部件 8、驱动源 9、挠性爪型联轴器
10、园柱齿轮减速器部件 11、带(链)传动

五、 检测分析系统使用
实验台运用测力传感器，与光电测速传感器检测机械系统的输入及输出的转速和转矩，并通过数据采集箱进行采集解决，数据通过串口通讯输入至计算机，形成可视化的适时变化曲线。

其原理框图如下：

AD转换
　单片微计算机
角位移传感器
计数器
RS232接口
微机接口

微计算机

采集分析打印

机械系统创意
通道选择

压力传感器
放大

图十三 实验台检测系统框图

测速原理：本实验台采用光栅角位移传感器采集转速信号，其原理是运用光栅发出的脉冲信号进行解决得到转速信号。转速=脉冲总数/采样时间。
测量转矩原理：如结构图，由于力矩使拉杆质点受力 ，采集系统采集测力传感器的信号，将其测量值乘以质点到转动中心的距离，即得到转矩值。以上计算均在计算机内自动完毕。
数据控制面板图如下：

图 十四
1、电源开关 2、液晶显示屏 3、复位 4、上下键 5、左右键 6拟定键
7、菜单键 8、停止 9、电流表 10、离合器开关

打开电源开关（1）后按菜单键（7）可进入图十五所示：

图十五
通过上下键选择所需的项目，然后按OK键（6）。选择1、设定电机转速可进入图十六所示：

图十六
通过图十六中数字区可输入电机转速级数（共80级=800r/min），设定好级数后按OK键（6），电机就可以转动了。
按菜单键（7）可返回图十五所示，通过上下键（4）选择2、设立励磁电流，按OK键（6）进入图十七所示：

图十七
通过图十四中数字区可输入励磁电流级数（共100级≈0.4A，一般最高加到70级≈0.2A），设定好级数后按OK键（6）加载。注：当装配方案中没有通过减速器，直接由联轴器联接的加载必须一级一级加载，不能开始就输入很大的级数，那样会由于负载电流过大导致电机停止。
负载加好后会回到图十五菜单，选择实验项目选择，可进入图十八所示：

图十八
选择1、传动效率测试进入图十九所示：

图十九
此时可显示实测的输入、输出转速；输入输出转矩；效率及速比。
此时按数字1键后可通过“上下键”调速；按数字2键后可通过“上下键”调节励磁电流大小；按数字3键可清零；按数字4键可恢复初始值。
返回 “选择实验项目”选择“2、动态负载测试”进入图二十所示：

图二十
可显示曲线的波动情况，按数字键5可使曲线停止。
返回菜单界面选择“设定按键声音”可设有声音或无声音：

图二十一

传感器信号将由控制箱背面的接口输入，“输入转速”、“输出转速”接口分别插电机上的光栅角位移传感器和负载上的光栅角位移传感器；“输入转矩”、“输出转矩”分别插测电机的压力传感器和测磁粉制动器的压力传感器；“串口通信”是与电脑连接的接口；“电机”接口是连接电机电源线的接口；“励磁”接口是连接磁粉制动器电源线的接口；“220V~”接口是总电源线接口。

2、电磁离合器控制系统
机罩侧面有2根引线，一根220V电源线和一个自锁按纽开关。它提供了24V直流电源，可控制电磁离合器开合。
3、传感器的分类及原理：
ａ．应变式测力传感器
导体和半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值亦将发生变化，这种现象称为电组应变效应。根据这种效应可将应变片粘贴于被测材料上，这样被测材料受到外力作用产生的应变就会传到应变片上，使应变片的电阻值发生变化，通过测量应变片的电阻值的变化就可得知被测量的大小。应变式测力传感器正是根据这种原理来检测物体受力的大小。
ｂ．光栅角位移传感器
光栅位移传感器是运用光栅和光电变换器来实现将位移量变换成电量，然后通过电量的测定再得到位移值。
4、软件结构及操作
软件平台它是数据解决、分析以及教学演示的平台，本软件以ＶＢ为开发平台，以串口通讯为原始数据来源。运用此平台可进行数据分析解决，实时曲线显示、采集，发送控制命令等。

配套软件： 软件界面操作说明如下：
I、 点击该可执行文献就会进入主界面

主界面涉及五个菜单: 动态负载测试 ,效率测试、打开、系统原理和退出。点击“退出”可以终止程序的运营。
点击“系统原理”可以了解实验原理。
点击“打开”可以打开以前所保存的文献。
点击“动态负载测试”、“效率测试”菜单分别可以进入相应的实测窗体。
点可进入以下界面：

1、实测窗体有“文献（F）”、“实验项目（P）”、“调速（D）”、“操作（O）”、“工具（T）”和“帮助（H）”菜单。
（1）“文献（F）”下有“新建、打开、保存、打印、退出”五个子菜单，它们分别有“新建一个文献、打开一个已保存文献和退出此测试界面的功能。
（2）“实验项目（P）”有“动态负载测试”、“效率测试”，分别点击可以进入相应的实测窗体，通过它们来实现实测窗体之间的转换。
（3）“调速（D）”有“加速”、“减速”、“停机”、“自定义电机转速级数”菜
单，分别具有让电机加速、减速、停止、自定义电机转速级数的功能。自定义电机转速级数下图所示。
注：80级≈800r/min。
（4）“负载调节（L）”有“增长励磁电流”、“减小励磁电流”、“清零励磁电流”、“自定义励磁电流级数”菜单，分别有让磁粉制动器增长励磁电流、减小励磁电流、清零励磁电流、自定义励磁电流的功能。自定义励磁电流级数下图所示。
注意：100级≈0.4A，一般不超过70级≈0.2A，在传动方案中假如没有减速器，不能用自定义励磁电流级数，应一级一级加。

（5）“操作（O）”下有“采集”、“停止采集”、“重建通讯连接”、“清零”、“恢复原始数据”菜单，分别有采集信号、停止采集信号、重新建立连接、清除初始值、恢复原始数据的功能。
（6）“工具（T）”下有“选项”子菜单、生成当前曲线EXCEL文献、生成所有曲线EXCEL文献，点击“选项”，可以通过选择“纵坐标缩放”、“转矩”、“转速”、“滤波系数”对实测窗体进行相关的设立。

（7）“实验分析（A）”下有“负载特性分析”和“系统机械特性分析”
①负载特性分析下图所示：

可自行设立数据分析范围、坐标调整。还可打印分析出来的曲线。
②系统机械特性分析下图所示：

可自行设立数据分析范围、坐标调整。还可打印分析出来的曲线。
2、在菜单栏的下面有工具栏，工具栏上有很多的快捷图标，只要把鼠标停
留在快捷图标上，系统会自动提醒它相应的功能。通过快捷图标可以实现菜
单栏里的所有功能。
六、操作过程
１、根据需要和功能涉及机械传动系统。
如：ａ、静负载方案
　　ｂ、动态负载方案
　　ｃ、指定传动比方案
２、根据设计或选择方案选择传动零部件，并进行装配，可参考产品的装配图。
３、对装配的机械系统进行调整，并用手拨动电机进行试运营，以保证系统的能正常工作。
４、将电源线与电源接口（220V~）接上。
５、通电低速运营，观测其运营状态，找出装配不合理的地方进行分析调整。
６、连接相关传感器，并使数据采集箱与ＰＣ机运营软件对系统进行数据分析。
７、根据分析结构与设计目的的差异对系统进行设计，再调整。
８、对已完毕系统进行评估。（功能目的结构优劣、动力学、运动学特性等）
９、完毕实验报告。
七、实验环节
1、根据设备提供的零部件清单，结识了解不同的零部件。
2、根据实物了解实验台的结构和装配方式。
3、运用产品提供的装配简图和装配图或自己设计机械系统方案，找到装配系统所需的零部件。
4、安装系统
①一方面安装动力部件，将垫条固定在所需的位置上，再将动力装置安装在其上，位置和中心高均可调节。
②试安装负载，以与上述同样的方式安装，
③安装中间传动部件
④根据需要调速各部件位置及中心高（用垫片调整）
⑤确认系统安装对的后。将电机引线与数据采集箱电机连线相连，同时将电机及负载的测速、测力传感器分别接至数据采集接口上。

⑥接通电源，调节控制面板上的调速按纽（增速、减速），试运营系统，观测其运营情况，并作适当调整。此时从数据采集箱面板上可采集到有关参数。（假如装有电磁离合器，可将引线分别接于离合器接线端和机座，用按扭控制开合）。
5、数据采集箱与计算机相连，进行输入实验台相关软件，即可观测n1、n2 、M1、 M2的适时变化曲线。
6、打印相关曲线，编写实验报告。
八、实验结果分析及实验结果分析
a) 按国标规定的机构运动简图符号绘制机械传动系统简图；
b) 记录系统动力参数、运动参数及负载变化；
c) 打印n1、n2、M1、M2、η的变化曲线（最大负载）；
d) 分析上述曲线变化的因素；
e) 评价所搭接的机械传动系统；
f) 记录零部件精度测量结果并进行分析评价。
对实验报告的规定：
第一部分
实验预习报告（以下1、2、3项同学可以参看说明书完毕）
1、实验目的、意义
2、实验基本原理与方法
3、重要仪器设备及耗材
4、实验方案与技术路线
1）选择至少两种传动方案、其中一种具有开式传动减速装置；
2）按规定的符号画出所选择方案的机械运动简图；
3）对完毕指导书规定的检测项目，拟定需要选择哪些量具？
第二部分
1、纪录搭接传动系统所需零部件及工具（零部件及工具名称、数量）；
2、记录零部件参数测量（传动零部件的重要技术参数和规定的测量项目）数据；
3、记录安装调整过程中，发生的问题和现象；
4、记录对已经完毕装配的传动系统检查结果（对系统搭接后的结构情况，
实验提出的特别注意事项）；
5、记录手动试运转情况：
6、记录设立参数；
7、开机运转及操作安全纪录；
8、记录系统运营参数（i、M1、M2、n1、n2、η）
第三部分
结果与讨论（学生自己完毕）