机械系统设计课程试验指导书

1、机械系统设计课程实验指导书妙褊窿）索九学（机械系统设计课程组编制）2008 年实验一传动系统的空载功率测定（两学时）实验目的1, 了解传动系统空载功率损失在机床主电机功率中所占的比重。2, 了解机床传动系统的安排和结构设计对空载功率损耗的影响。3,掌握机床传动系统空载功率的测定方法和仪器的使用。二、实验内容1.测量机床电机空转时的空载功率。2,测量脱开主轴部件时，机床主变速系统各级主轴转速下的空载 功率。3,测量接通主轴部件时，机床主传动系统各级主轴转速下的空载 功率。4,测量包含进给传动系统在内的机床传动系统在各级主轴转速下的空载功率。三、实验原理机床传动系统电机输出功率 P除消耗于切削功率

2、Pc外，还消 耗于机床传动系统空载运转时的功率损耗 Pi和机床有了切削负载 以后所增加的机械摩擦所损耗的功率 Pao用公式表示为P=Pc+ Pi + Pa式中 P机床电机功率（kw）；Pc消耗于切肖加工的功率（kw）；Pi机床传动系统的空载功率（kw）；Pa载荷附加功率（kw）。消耗于切削加工的有效功率Pc,可根据已定的切削用量和有关 的切削条件从工艺手册中查到，或用简化后的切削力计算公式根 据切削用量进行计算求得。载荷附加功率是指增加切削载荷以后，所增加的传动件摩擦损 耗功率。它随切削功率的增加而增大。用公式表示为Pa =- Pc式中：-Z机床传动链的总机械效率。=%。2“3；口产2产2 为

3、主传动链内的各传动副的机械效率。机床传动系统的空载功率是指在无切削负荷时，主传动系统 中所有运动零件的机械摩擦损耗功率，包括1 .克服各种传动件和支承表面间的摩擦，如齿轮、传动带、轴承、 导轨、油封、摩擦离合器磨擦片等。2 .克服在机床零件的加工和装配中，由于几何形状误差和位置偏 差等所引起的附加摩擦。3 .传动件在油池中搅动润滑油所引起的功率损耗，它取决于传动 件的种类、尺寸大小、浸油深度、油的粘度、温度和传动件 的转速。4 .运动件的空气阻力及传动件上的动载荷和离心力等所需消耗的功率。如果机床的电机同时带动主传动系统和进给传动系统（如卧式 车床），则机床传动系统的总空载功率Pi = Pmi

4、 + Pji式中 Pi 机床传动系统总空载功率（kw）；P m i机床主传动系统空载功率（kw）；Pji 进给传动系统空载功率（kw）0由此可见，空载功率与传动系统中传动件的数量、 转速、结构、 装配质量和润滑油的性质等有关。即传动件越多、转速越高、带 和轴承等的预紧力越大、装配质量越差，则空载功率越大。机床空载功率Pi,可以用经验公式来计算，但需要设定一些条 件方可进行，而且计算较麻烦。本实验是通过测定方法对现有机 床直接确定其空载功率，准确可靠。四、实验设备和仪器1 .卧式车床一台（如CA6140型或C620 1型）。2 . WB 2P412R有功功率变送器一台。WB 2P412R有功功率

5、变送器为R型结构，交流V、I输入，05V绝对值输出的三相三线有功功率变送器。该变送器采用高速 数字采集和同步数据快速处理技术，保证了电流电压的有效值变 换、进而实现了有功功率的准确测量。变送器与现场信号完全隔 离，能适于复杂环境的有功功率的测量应用。1）变送器外形尺寸图（单位：mm）2）变送器的引脚定义及接线（俯视）输入的交流电压、电流信号经过端子110引脚输入，辅助电 源和输出经过端子1117连接，接线原理及信号定义见图二。图1-1 R型外型及安装尺寸Vl流电压输出花即（辅助电源地） 1+E （铺助电源）图1-2三相三线有功功率变送器接线3） 主要技术指标1 . 精度等级：0.52 .输入标

6、称（AC）: VW500V、K5A3 . 输出标称（DC）: Vz= 0-5V4 . 输入频响：40HZ-70HZ5 . 响应时间： 399ms6 .线性范围：7 . V: 20%125% 标称值8 . I : 1%125% 标称值9 . C: 0.1 （滞后）10.1 （超前）10 .负载能力：5mA11 .输入阻抗：Vx10 Ri=VxX 1KQ/V Ix-012 .短时输入过载能力：电压 2倍标称值电流10倍标称值13 .辅助电源：R1:+12V/R4 : +2414 .静态功耗：600mw15 .隔离耐压：2500VDC/1分钟16 .温度漂移：0.2% （额定输出）4） 注意事项1

7、.变送器的辅助电源等级和极性切不可插错，否则将损坏变送器。2 .变送器为一体化结构、 配套标定不可拆卸交换，同时应避免碰撞,跌落。3 .变送器必须严格按照引脚定义使用、其他引脚不能作它用。4 .本产品内部未设置防雷电路，当传感器的输出、输入导线暴露于 室外环境时，请注意采取防雷措施。五、实验的步骤、方法和注意事项1.实验前的准备工作为了保证人身、设备安全和实验顺利地进行，实验前应作如下准备工作：(1)熟悉机床传动系统和操纵手柄的位置与作用，掌握机床的操作方法。(2) 了解仪器的性能及使用方法，检查仪器量程是否满足要求。(3)作好实验人员的分工、各负其责。2 .实验步骤、方法(1)接线 根据实验

8、设备，按照接线图进行接线。(2)阅读电机空载功率(Pe)的仪表指示。测量时，在切断电源的情况 下，先将电机上的 v带全部卸下，再启动电机运转。待仪表指针稳 定后，读取电动机空载运转时的仪表指示格数。(3)空运转 装上电机至主轴箱的所有 V带，让机床主传动系统空运转1020min后，再进行测量。(4)由高至低适级改变主轴转速，每换一次转速测量如下三个数值，并分别记在实验报告中。a)测量机床传动系统总空载功率(Pi)的仪表指示数。此时进给系统选取一般进给中较高一级进给量的传动路线。b)测量机床主传动系统空载功率 (Pm)的仪表指示数。在主轴箱内断开进给 路线。c)测量脱开主轴时主变速系统空载功率(

9、Pd)的仪表指示数。测量时，应在主传动系统中距主轴最近处脱开传动联系，使主轴部件停止运动。由于本实验选用 CA61 40型卧式车床，主轴转速共 24级，因此需共测 24组上述三个数值。3 .实验中应注意事项(1)接线和拆线时，必须先将电源刀闸拉开，切断机床总电源，以保证人身安全。(2)接好线后，必须反复检查有无导线虚接或接错现象，确实无误后，方可接通电源进行实验。(3)测量仪器必须预先调整好足够的量程范围。在进行读数时，力求每次在相同情况下读取(即在指针稳定后读数。若不可能稳定也应该选取一定的平土值读数)。六、实验数据的处理根据实验记录，应完成下列实验数据处理的工作：1 将上述测量的相应空载功

10、率，即：电机空载功率Pe(kw)；主变速系统空载功率Pd(kw)；主传动系统空载功率Pm(kw)；机床传动系统空载功率Pi(kw),分别记入表中。由于主轴转速共24级，故测出的Pm、Pd、Pi(kw) 也为24组数据。2 对每组经换算的空载功率作下列计算，并记入表 1-2中：(1)计算主轴部件在各级主轴转速下的空载功率Pf=Pm Pd。(2)计算进给系统在各级主轴转速下的空载功率Pj = Pi Pm。3 对每组经换算的空载功率，作下列百分比计算，并记入表中：(1)用(P%j)父100%计算各级主轴转速下主轴部件空载功率所占百分数。(2)用(%叼00%计算各级主轴转速下进给系统空载功率所占百分数

11、。七、思考题根据转速图、传动系统图，对所画曲线和数据进行分析和思考：1.为什么该机床主传动系统的空载功率曲线会出现不连续(分段)的现象？空载功率随主轴转速升高呈什么趋势？为什么。2,断开主轴与接通主轴，为什么空载功率的差值较大 ？3.进给传动系统空载功率占机床传动系统空载功率的比例情况如何？说明了什么问题？八、实验报告实验名称：传动系统的空载功率测定班级姓名实验日期1 .根据表1-1实验读数，认真填写实验报告表1-2中的各项内容。表1-1 空载功率测定仪表指示读数记录机床型号电机器速(r/mln)电机型校功率仪表注触;主相弗速 (f/tnjti)帙遇进时的机乐传堂系饿接通主轴的生梅动系统脱开主

12、敕的主变速乐联制删牖解表17机底件动索跳空费功聿计,败耦机床塞称电动机辞号机乐型号电动机策定动事0期)次哥名称龟证礼翻走转速(r/iriin)投西里寻电动机空H功率CtW)M 讳 算 触 第主轴转速（r/min）接通 进给接通主轴脱开主轴主轴部件进给系统主轴所占 百分比进给所占 百分比Pi(kw)Pm(kw)Pd(kw)Pf=Pm-Pd (kw)Pj=Pi-Pm (kw)(Pf/Pi) x 100%(Pj/Pi) x 100%备注2 .以主轴转速为横坐标（用转速的对数分格），分别以主传动系 统、机床传动系统、主轴部件和进给系统的空载功率为纵坐标 在图1-3中画出四条关系曲线（分别用四种不同颜色

13、表示）。*樽_*_ 工*k*JH I *，*主轴转速Ign图1-3主轴转速与空载功率关系曲线3.通过实验、分析、归纳影响空载功率的主要因素有哪些方面?对机床传动系统的设计有哪些指导意义？实验二温度对机械系统的影响（两学时）一、实验目的1 .通过实验了解、分析机床的热态特性，即受热后温升和热变形 的情况，以及分析各热源对加工精度的影响。2 . 了解、分析减少机床热变形的措施。3 .熟悉掌握测定机床温度场分布和热变形的方法。4 . 了解现代测试仪器在机床温度场测定中的应用和对所测数据 的处理方法。二、实验内容1 .测定卧式车床主轴箱温升后主轴中心线在空间位置的变化。2 .测定主轴箱及床身的温度场。

14、3 .观察应用红外热相仪如何测试机床温度场和对所测数据的处理方法。三、实验原理机床的温升和热变形是由各种热源引起的。工艺系统的热源可 以分为两大类：即内部热源和外部热源。其中内部热源包括机床 的传动件（如电动机、轴承、齿轮副、离合器、导轨副和液压系统 等）运转时所产生的“摩擦热”和机床加工工件过程中所产生的“切 削热”；外部热源包括环境温度（如气温、冷热风气流、地基温度等） 的变化和各种热辐射（如阳光、照明灯、暖气设备、人体等）的影响。但热源的热量本身并不直接产生变形，只有当热源的热通过 热传导、对流和辐射等传热方式（在机床上，传热的主要方式是热 传导）向外传热，使机床各部件产生温升，形成温度

15、差以后，才会出现热变形现象。机床在内外热源影响下，各部分的温度将发生变化。由于热 源分布的不均和机床结构的复杂性，机床上各部分的温度不是一 个恒定的数值，在一般情况下，温度是时间和空间的函数。可表 示为T = ? (x, y, z, t)这种随时间而变的温度场，称为不稳定温度场。如果机床上 各点的温度都不随时间而变，则此温度场称为稳定温度场。可表 示为T = ? (x, y, z,)机床上一般为不稳定温度场。机床热变形的影响，主要有以下几方面：由于机床各热源的分 布及其所产生的热量都是不均匀的，因此机床各个零部件的温升 和热膨胀也就不均匀，从而改变了各运动部件的相对位置及其位 移的轨迹，因此，

16、影响加工精度；改变滑移面的间隙，降低油膜 的承载能力，恶化机床的工作条件；由于工件升温，与测量工具 的温度不同，影响了测量精度。热变形对自动机床和自动线以及 高精度机床的影响更为严重。不均匀的温度场将引起热变形，现以床身为例，如图 2-1所 示，说明其变形量。假定床身沿纵长 L方向的温度是均匀的，而 上、下部的温度不均匀，呈线性分布。温升前，该件形状如图中 实线所示。温升后，床身顶部温度高于底都(TiT2),变形后的形 状如虚线所示。伸长虽很 小，可以近似地认为CE=CDLBF = CE+一BO EF式中 L 纵向热膨胀量。故BC -EF =4DF BCCD AB所以，热变形弯曲量为L ：LC

17、D BC 2 T L :L 、=df =AB H 8H因.：L = L a . Ta L2 ；：T8H式中AT-温升（C）；a-线膨胀系数（C -1）上述计算中，假设床身为等断面均匀平板件。由于床身实际形 状变化较大，床身在主轴箱下部和导轨处的温度分布不同，主轴 箱体也有热变形，因此，主轴中心经与床身导轨间热变形量是很 难用计算法求出的。图2-1热变形弯曲量计算图本实验是在车床主轴箱空运转条件下进行车床热变形和温度 场的测试。车床温升后，主轴中心线在空间的位置产生位移变化 其主要原因是：1 .主轴前后轴承的发热量不同，前端箱壁的热膨胀量大于后 端的热膨胀量，使主轴中心线在垂直面内，以主轴箱垂直

18、方向的 定位面为基准，倾斜地向上升高。在水平面内以主轴箱侧向定位 面为基准，向前偏移。2 .主轴箱内润滑油吸收了传动件运转时的摩擦热量，并经飞 溅搅拌后，形成一个热源，通过箱体底部传给床身，床身受热后 变形，产生翘曲，使主轴箱在床身上的垂直方向定位基面和侧向 定位基面的位置发生改变，如图 22所示。本实验是采用相对测量法，测量主轴中心线相对于床身导轨的 综合变形量。图2-2车床热变形示意图四、实验用设备和仪器1 .卧式车床一台。2 .红外测温仪一台及DALLAS18B20数个。3 .千分表两只（也可用非接触式电容测微仪或涡流测微仪）04 .检验棒一根。5 .凡具有红外热相仪的院校可用该设备进行

19、测试并为学生演示教学。仪器工作原则简介如下:(1) DALLAS18B20特性:只需一个端口引线每个传感器仅有唯个64位序列码储存在ROM中 不需扩展外部设备可从数据线获得电源，电压范围为 3.0v-5.5v测量温度范围-55C +125c (-67 F +257F)-10C +85c时精确度为 0.5 C温度分辨率选择范围为912位将温度模拟量转变为数字量所需时间仅为12ms报警温度可自行设定利用其报警功能，可以辨识出超过温度范围的设备与DS182激件相兼容应用在温度控制、工业系统、温度计和一些温度敏感系统中引脚分配图 ALLAS 1SB20廿口口 O口口 DALLAS1崽0 NC NC N

20、C GNDR-pin 150-mil SOIC(DS18B20Z) o 口(从底部看)10-92引脚说明GND -搂地-数据情人/输出DD -电源NC -不连接图2-3外形及引脚说明DS18B20t字温度计所测量的摄氏温度分辨率是 9到12位,具有报警功能,用户可以自行设定高、低温度触发点。DS18B20T通过一条总线交换信息，即只需要一条数据线与微处理器相连。测温范围为-55C +125C, -10C +85c时精确度为土 0.5 C。另 外，DS18B20能够从数据线获得电源（寄生电源），不需要外接电 源。每个DS18B20t唯一的64位序列码，通过序列码可以用一条 总线控制多个DS18B

21、20传感器，可以使用一个微处理器控制多个分布在不同地点的DS18B20这一特性有助于环境控制，建筑、装备或机器的温度管理系统以及工艺管理和控制系统DQGND内部如5寄生供电电路64&RCK和一嵬端口O存储器控制建崔中间铝果暂存鹘DS18B20温度楮感器岛昌报警触玄点TH苗有酢（EEFEOIj任讯IF警融理点（TU 看春器（EEPOD电源棱测B佗匚fit生锯表2-1 详细引脚说明_ _*8-PIN SOICTO-92符号说明51GND接地42DQ数据入/输出引脚。 一条引脚，当使用寄 生电源时，也给设备 供电。33VddVdd选择外接电源引 脚。在寄生电源时， Vdd必须接地。图2-4 DS18

22、B20内部结构示意图其外型及管脚见图2-1所示，其内部机构示意图见图2-4,其 管脚说明见表2-1,其与引脚连接方式如图2-5、2-6。DS18B20勺主要功能是直接数字温度传感器。64位ROM1存 唯一的序列码。可擦写存储器包括 2字节温度寄存器，温度寄存 器用来储存温度传感器的数字输出。另外，中间结果暂存提供1字节高、低温度触发寄存器（Th和Tl）和1字节配置寄存器。配置 寄存器允许使用者设置温度到数字转化的分辨率，分别为9、10、11和12位，由使用者调节，相对应的最小温度转化量为0.5 C、0.25 C、0.125 Cft 0.0625 C。通电后缺省分辨率为 12位。Th Tl和配置

23、寄存器都是非易失性寄存器（EEPROM当关闭电源后， 数据仍旧保存。DS18B208用Dallas专用的单总线协议，使用一个控制信号执 行总线联络。由于所有传感器通过一个三态或开路漏极端口 （DS18B20 DQ指针）与总线相连，控制线需要一个上拉电阻。 在这个总线系统中，微处理器（主设备）使用传感器唯一的序列 码辨别传感器，并分配地址。DS18B20勺另一个特征是不需外接电源。上拉电阻处于高电位 通过DC8I线提供电源。总线上的高电位信号也控制内部电容（Cpp）, 当总线为低电位时，它向设备供电。这种从单总线中获得电源的 方法就是提到的“寄生电源” 。DS18B2他可以由外部电源通过 Vss

24、 口供电。微处理器单息线DSI8B20G&D 凶 VDDVUL)(外接电源)接其它单总战过备图2-5有外接电源时连线接法接其它单前城设备图2-6 无外接电源时连线接法(2)红外测温仪1 .工作原理红外测温仪测量物体表面温度，测温仪的光学元件将发射的、 反射的以及透过的能量会聚到探测器上。测温仪的电子元件将此 信息转换成温度读数并显示在测温仪的显示面板上。2 .操作方法要测量温度，请将测温仪对准物体并扣动扳机。务必考虑距 离与测量点的比例和视场。如果测温仪装有激光，则激光仅用于 瞄准。3 .显示面板带背景的LCD显示当前的摄氏或华氏温度，在释放扳机后，英文字母HOLD出现，且测温仪将保留读数 7

25、秒种。如果出现电 池图标，则表示电池电压低。4 .注意事项测温仪均需避免以下情况：电焊和感应加热器引起的电磁场（EMF）静电热冲击（由于环境温度变化太大或突然变化引起，使用前测温仪需要30分钟的时间进行恒定）不要将测温仪靠近或放在高温物体上MT系列红外测温仪主要性能参数型号MT4发射率预置0.95温度分辨率0.2 C距离系数8: 1温度范围-18 275 c精度-1275 C,立或C-18 -1C, 土 3c重复性读数的2%或竺C响应时间500毫秒工作环温范围050 c尺寸/重量152X101X38 毫米/ 227 克五、实验步骤、方法及注意事项车床温升后，主轴中心线在空间的位置发生了变化，为

26、了测 出主轴中心线的偏移量，在检验棒上选取近轴点和远轴点，以测 定主轴中心线在其垂直面内和水平面内的偏移量。因此应在机床 空运转前和空运转一段时间后，用两个千分表如图2-7所示的安装 位置，在检验棒上进行测量。两次千分表所测得的读数差就是中心线的偏移量图2-7检验棒和千分表安装位置为了测量准确，消除主轴锥孔中心线的径向跳动和检验棒本 身的误差对测量结果的影响，必须要求两次测量中检验捧相对于 主轴中心孔的位置不变，而主轴本身也必须转到开始测量时的相 同位置。注意在主轴端与检验棒上应作出符号标记。具体实验步骤如下：1 .擦净检验棒和主轴锥孔，将检验棒紧密地插入锥孔中，并作符 号标记记出两者原始的位置。2 .将磁力千分表座固定于机床溜板上，在水平和垂直位置分别装 好千分表，如图25所示。3 .将溜板移至测量位置（近轴点和远轴点），千分表触头要靠紧检 验棒a、c点，然后将表针对“ 0”，冉移动溜板，将千分表移 至另一端测量b、d点，并记下读