机械传动实验指导书

机械设计制造及自动化专业实验机械传动系统方案设计和性能测试实验指导书机械工程学院实践技能及培训中心2012-10-10 目录一、实验目的1二、实验设备介绍1三、实验任务3四、实验台的使用与操作31实验台各部分的安装连线42实验前的准备及实验操作4五 、实验步骤.5六、测试软件介绍61界面总览6数据操作面板6电机控制操作面板6下拉菜单7附录1机械传动方案设计和性能测试综合实验报告14附录2实验系统各模块展示15附录3转矩转速传感器介绍16附录4实验注意事项25一、实验目的1. 掌握机械传动合理布置的基本要求，机械传动方案设计的一般方法，并利用机械传动综合实验台对机械传动系统组成方案的性能进行测试，分析组成方案的特点；2. 通过实验掌握机械传动性能综合测试的工作原理和方法，掌握计算机辅助实验的新方法。3. 测试常用机械传动装置（如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等）在传递运动与动力过程中的参数曲线(速度曲线、转矩曲线、传动比曲线、功率曲线及效率曲线等)，加深对常见机械传动性能的认识和理解；二、实验设备介绍1 实验台系统组成“机械传动性能综合测试实验台”由机械传动装置、联轴器、变频电机、加载装置和工控机几个模块组成，另外还有实验软件支持。系统性能参数的测量通过测试软件控制，安装在工控机主板上的两块转矩转速测试卡和转矩转速传感器联接，如图1和图2所示。ZJ扭矩传感器负载被试传动机构ZJ扭矩传感器变频电机 扭矩测量卡扭矩测量卡 D/A转换卡转速调节负载调节工控机 图1 机械传动测试系统组成示意图1-变频调速电机 2-联轴器 3-转矩转速传感器 4-实验传动装置5-加载与制动装置 6-工控机 7-电器控制柜 8-台座图2 实验台机构布局实验台组成部件的主要技术参数如表1所示。表1 组 成 部 件技 术 参 数备 注变频调速电机550W，同步转速1500 r/minZJ型转矩转速传感器.规格 10N.m ;输出讯号幅度不小于100mV.规格 50N.m;输出讯号幅度不小于100mV机械传动装置(试件)直齿圆柱齿轮减速器 i=5蜗杆减速器 i=10V型带传动齿形带传动 Pb=9.525 Zb=80套筒滚子链传动 Z1=17 Z2=25摆线针轮减速器 i=91台WPA50-1/10O型带3根1根08A型3根磁粉制动器额定制动转矩: 50 N.m激磁电流: 2A允许滑差功率: 1.1Kw加载装置工控机IPC-810B控制电机和负载采集数据打印曲线三、实验任务在“机械传动性能综合测试实验台”上能开展典型机械传动装置性能测试、组合传动系统布置优化和新型机械传动性能测试三类实验。学生根据实验任务自主设计实验方案和写出实验方案书，搭接传动系统进行测试，分析传动系统设计方案，写出实验报告。实验方案书内容包括已知条件、实验目的、机械传动系统运动参数和组成方案设计、机械传动系统性能测试原理、实验步骤和注意事项。在实验中观察测试系统运行情况，采集传动性能数据，测绘实验系统。实验报告内容包括测试系统平面布置图、实验曲线和分析结果等。四、实验台的使用与操作图3 实验控制台背面接口示意图1 实验台各部分的安装连线（1） 先接好工控机、显示器、键盘和鼠标之间的连线、显示器的电源线接在工控机上、工控机的电源线插在电源插座上。（2） 将主电机、主电机风扇、磁粉制动器、ZJ10传感器（辅助）电机、ZJ50传感器（辅助）电机与控制台连接，其插座位置在控制台背面右上方（见图3）。（3） 输入端ZJ10传感器的信号口、接入工控机内卡TC-1（300H）信号口、(见图4)。 输出端ZJ50传感器的信号口、接入工控机内卡TC-1（340H）信号口、(见图4)。（4） 将控制台37芯插头与工控机连接、即将实验台背面右上方标明为工控机的插座与工控机内D/A控制卡相连(见图3、图4)。图4 工控机插卡示意图2 实验前的准备及实验操作(1) 搭接实验装置前、应仔细阅读本实验台的使用说明书，熟悉各主要设备的性能、参数及使用方法，正确使用仪器设备及测试软件。(2) 搭接实验装置时，由于电动机、被测传动装置、传感器、加载器的中心高均不一致，组装、搭接时应选择合适的垫板、支承板、联轴器，调整好设备的安装精度、以使测量的数据精确。各主要搭接件中心高及轴径尺寸如下:变频电机 中心高80mm 轴径19ZJ10转矩转速传感器 中心高60mm 轴径14ZJ50转矩转速传感器 中心高70mm 轴径25FZ-5法兰式磁粉制动器 最大直径220mm 轴径25WPA50-1/10蜗轮减速器 输入轴中心高 轴径12 输出轴中心高 轴径17齿轮减速箱 中心高120mm 轴径18 中心距85.5mm轴承支承 中心高120mm 轴径(a) 18轴径(b) 14、 18(3) 在有带、链传动的实验装置中，为防止压轴力直接作用在传感器上、影响传感器测试精度，一定要安装本实验台的专用轴承支承座。(4) 在搭接好实验装置后，用手驱动电机轴，如果装置运转自如，即可接通电源，开启电源进入实验操作。否则，重调各连接轴的中心高、同轴度，以免损坏转矩转速传感器。(5) 本实验台可进行手动及自动操作，手动操作可通过按动实验台正面控制面板上的按钮(见图5)、即可完成实验全过程。控制面板中：电源： 接通、断开电源及主电机冷却风扇自动手动： 选择操作方式主电机： 开启、关闭变频电机正转： 输入端ZJ10型传感器电机正向转动的开启、关闭反转： 输入端ZJ10型传感器电机反向转动的开启、关闭正转： 输出端ZJ50型传感器电机正向转动的开启、关闭反转： 输出端ZJ50型传感器电机反向转动的开启、关闭电流粗调： FZ5型磁粉制动器加载粗调电流微调： FZ5型磁粉制动器加载微调 图5 实验台操作面板五、测试软件介绍1测试软件界面总览图6 主界面数据操作面板用于对被测参数数据库和测试记录数据库进行操作。电机、负载控制操作面板（1）电机转速调节框:通过调节此框内数值可改变变频器频率，进而调节电机转速，变频器最高频率由变频器设置。（2）被测参数装入按钮:根据被试件参数数据库表格中的“实验编号”，装入与编号相符的实验数据，并在下面表格中显示。（3）测试参数自动采样按钮:试验台开始运行后，由计算机自动进行采样并记录下采样点的各参数，按下此按钮后，用户对数据的采样无须干预。(4)停止采样按钮:按下此按钮，计算机停止对试验数据进行采样。(5)手动采样按钮:如果用户选择手动采样方式，那么在整个试验期间，用户必须在认为需要采集数据的时刻按下此按钮，计算机会将该时刻采集的试验数据填入下面表格中显示并等待用户进行下一个采样点的采样。(6)主电机电源开关:按下此按钮可以打开关闭主电机电源，并且通过图象显示当前电机电源状态。（由于此开关影响继电器寿命，故现为虚设，主电机电源开关现设置于工作台控制面板上。）(7)电机负载调节框:控制此调节框，计算机将控制电机负载的大小（磁粉制动器）。调节框数值为0-100可调，负载满度由后面的满度调节滑竿控制。在调节框里输入负载后，点击“调载”后，计算机立即自动调节磁粉制动器的大小。下拉菜单（1）设置菜单设置菜单对本实验台有效的菜单项包括“基本试验参数”，“选择测试参数”，“设定转矩转速传感器参数”。 图7 “设置”下拉菜单图8 基本实验参数图9 选择测试参数图10 扭矩传感器参数设置界面设置报警对话框可取默认值。设置扭矩传感器对话框中有传感器参数、传感器转速设置和扭矩调零。传感器参数可从传感器铭牌上找到。传感器转速设置时，主电机静止，启动传感器上小电机，按下小电机旁的齿轮按钮，计算机自动检测小电机转速并填入框内。图11 扭矩传感器自动调零设置界面每次实验台重新安装时需要扭矩调零。扭矩调零时，启动小电机，按下钥匙按钮（输入扭矩调零/输出扭矩调零）便可进入自动调零界面。注意小电机转向要求和主电机相反。保证小电机转向和主电机转向相反的步骤：在试验菜单上选择主电机电源和输入端小电机正转电源，在主电机控制操作面板上加速，如显示面板上的转速增加，说明此时的输入端小电机转向和主电机转向相反。进入自动调零界面后，先点击“清楚所有零点”按钮，然后点击“自动调零”按钮，稍等片刻后，计算机即可自动调零并显示相应数据，最后点击“OK”按钮保存数据并推出调零界面。（2）试验菜单图12 试验菜单这里的命令和电机控制操作面板上的按钮等效。（3）分析菜单图13 分析菜单用户可根据实验需要，选择要绘制的曲线并打印结果。图14 绘制曲线选项六、实验步骤1、 设计机械传动系统方案2、 根据设计方案安装被测实验装置，注意选用合适的调整垫块，确保传动轴之间的同轴度要求3、 调试实验设备，对测试设备进行调零，以保证测量精度；（1）保证小电机的转向和主轴的转动方向相反选择图12实验菜单上的“输入端小电机P正转电源”和“输出端小电机r反转电源”，然后将图10中输入端小电机和输出端小电机转速都置为零（直接删除即可）。再点击主界面上的测试参数自动采样按钮，此时转速面板上显示出来的转速为小电机转速。接着在电机转速调节框里输入一个转速值（如500r/min），让电机转动起来，此时如果转速面板的输入端转速n1和n2都增加，则表示传感器上的小电机转向和主轴转动的方向相反，如哪一个减小，则表示转向相同，此时就需要重新设置小电机的转向。（2）对两端传感器进行调零点击图7 “设置”下拉菜单中的“设置转速转矩传感器参数”菜单，进入如图10 扭矩传感器参数设置界面，对两端的传感器进行调零。其中文本框的传感器参数可以从传感器铭牌上找到，并将其输入到文本框。首先点击齿轮状的按钮测试出小电机转速，然后分别点击“输入扭矩调零”和“输出扭矩调零”进入调零界面。进入后点击“清除所有零点”按钮将原有所有零点清除，然后再点击“自动调零按钮”让软件自行调零，最后点击“OK”按钮退出调零界面。（3）温度系数的修正传感器调零后，回到扭矩传感器参数设置界面，如果实验时的环境温度不等于传感器标定时的温度，则需要对其进行修正。用温度计测试出实验时的环境温度，然后将其输入到测量时的环境温度文本框里最后保存退出。4、 设置实验参数键入实验教学信息标：实验类型、实验编号、小组编号、实验人员、指导老师、实验日期等；点击“设置”确定实验测试参数：转速n1、n2 扭矩M1、M2等；5、 加载实验 实验时，在电机转速调节框里输入一个转速（如1000r/min），并使电动机转速加快至接近同步转速后，再进行加载实验。加载时要缓慢平稳，否则会影响采样的测试精度；待数据显示稳定后，即可进行数据采样。分级加载，分级采样，采集数据15组左右即可，注意在加载时不要让电机超载；6、 分析实验结果，从“分析”中调看参数曲线，确认实验结果。7、 结束测试。注意逐步卸载，关闭电源开关。29附录1 机械传动方案设计和性能测试综合实验报告1 实验目的2 实验台主要仪器及设备3 实验原理4 实验步骤5 实验数据及曲线列出实验数据表和绘制传动系统特性曲线6 实验分析和结论7 实验总结总结经验教训，提出合理化建议。附录2 实验系统各模块展示1、 工作台和控制柜实验平台总图实验台平面图2、 工控机3、 三相变频调速电机和输入端转矩转速传感器转矩转速传感器结构图ZJ5转矩转速传感器中心高H=80，轴径D=14mm，最大测量转矩=5N.m底座高度 90mm4、 磁粉制动器和输出端转矩转速传感器FZ-5发兰式磁粉制动器 最大直径220mm 轴径25 转矩50N.mZJ50转矩转速传感器中心高H=70，轴径D=25mm，最大测量转矩=50N.m底座高度 100mm5、 机械传动装置直齿圆柱齿轮减速器 中心距90mm 中心高 120mmWPA50-1/10蜗轮减速器 中心高 100mm 底座高度 120mmV带轮 直径为：70 、76、88、115、145O型V带 内周带长：630、900链轮 齿数为： 17、25滚子链 08A-171、08A-153同步带轮 齿数：18、25L型同步带 31680半联轴器 126830、146828、178840、186840、188840、188845、196840、258845、258857支承 4套 中心高 120mm支承底座 3块 高度 50mm7、联接件T型螺栓M1040，25个六角螺栓M1030，15个平垫圈GB95-85-10，40个柱销L=26,29，各20根8、辅助工具开口扳手活动扳手一字起和十字起内六角扳手拉马机油壶附录3 转矩转速传感器介绍.概述ZJ型转矩转速传感器(简称传感器)是根据磁电转换和相位差原理，将转矩，转速机械量转换成两路有一定相位电压讯号的一种精密仪器，它一般与转矩转速(简称测量仪)配套使用，能直接测量各种动力机械的转矩与转速(即机械功率)，具有测量精度高，操作简便，显示直观，测量范围广等优点，可以测量轴静止状态至额定转速范围的转矩，广泛应用于：A各种发动机的台架试验；B各种电机的转矩、转速及功率测试；C各种不同类型水泵、液压泵的转矩、转速及功率测试；D各种类型的风机的转矩、转速及功率测试；E各种减速器、变速器的转矩、转速及功率测试；F各种家用电器设备旋转轴的转矩、转速及功率测试。G各种旋转机械的转矩、转速及功率测试。2结构原理转矩传感器主要由扭力轴、磁检测器、转筒及壳体等四部分组成。磁检测器包括配对的两组内外齿轮、永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装在扭力轴测量段的两端；内齿轮安装在转筒内，和外齿轮相对，永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内。永久磁钢、内外齿轮构成环状闭合磁路，感应线圈固定在壳体的两端盖内。在驱动电机带动下，内齿轮随同转筒旋转。内外齿轮是变位齿轮，并不啮合，齿顶间存在工作气隙，内外齿轮的齿顶相对时气隙最窄，齿顶和齿槽相对时，气隙最宽。内外齿轮在相对旋转运动时，齿顶与齿槽交替相对，相对转动一个齿位时，工作气隙发生一个周期的变化，磁路的磁阻和磁通随之相应作周期变化，因此线圈中感应出近似正弦波的电压讯号,讯号电压瞬时值的变化和内外齿轮的相对位置的变化是一致的。如果两组检测器的齿轮的投影互相重合时，两组电压讯号的相位差为零。安装时，两只内齿轮的投影是重合的。而扭力轴上的两只外齿轮是按错动半个齿安装的。因此，两个电压讯号具有半个周期的初始相位差，即初始相位差为=180。若齿轮为120齿，分度角为3，相位差为180时，相应外齿轮错动1.5。当扭力轴受到扭矩作用时，产生扭角，两只外齿轮的错位角变为1.5，两个电压讯号的相差角相应变为：=120 （1.5）=180120。 扭角和扭矩是成正比例的,因此扭角的变化和扭矩成正比,即相位差角的变化。式中K1为相位差角和扭矩的比例系数，K=120K1，“”另表示转动方向。设扭力轴测量段的直径为d，长度为L，扭力轴材料的剪切弹性模为G，则。将传感器的两个电压讯号输入ZJ转矩转速功率测量仪，经过仪表将电压讯号进行放大、整形、检相、变换成计数脉冲，然后计数和显示，便可直接