典型机械运动方案展示与分析及机构运动简图测绘

1.1 实验目的

通过对

(1) 测绘时使被测绘的机械缓慢地运动，从原动件开始仔细观察机构的运动，分清各个运动单元，从而确定组成机构的构件数目。

(2) 根据相互连接的两构件间的接触情况及相对运动的特点，确定各个运动副的类型。 (3) 在草稿纸上徒手按规定的符号及构件的连接顺序，从原动件开始，逐步画出机构运动简图的草图。用数字1、2、3、…分别标注各构件，用字母A、B、C、…分别标注各运动副。

(4) 仔细测量与机构运动有关的尺寸，即转动副间的中心距和移动副某点导路的方位线等，选定原动件的位置，并按下式选择一定的比例尺画出正式的机构运动简图。

比例尺l实际长度(m)图上长度(mm)

1.4 实验步骤和要求

1. 对于指定的几种机器或机构，要求其中至少有两种需按比例尺绘制机构运动简图，其余的可凭目测，使图与实物大致成比例，这种不按比例尺绘制的简图通常称为机构示意图。 2. 计算机构自由度，并将结果与实际机构的自由度对照，观察计算结果与实际是否相符。 3. 对上述机构进行结构分析（高副低代、分离杆组、确定杆组和机构级别等）。

1.5 思考题与实验报告

1. 思考题

(1) 通过本实验，阐述机构运动简图的内涵。机构运动简图应准确反映实际机构中的哪些项

目？

(2) 绘制机构运动简图时，原动件的位置为什么可以任意选择？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？机构具有确定运动的条件是什么？ (4) 对所测绘的机构能否改进和创意新的机构运动简图？

2. 实验报告基本内容 (1) 填写完成下表内容

实验1：典型机械运动方案展示与分析及机构运动简图测绘实验报告 学生姓名 实验日期 (1) 机构编号 学 号 成 绩 机构名称 组 别 指导教师 机构运动简图 比例尺l (m/mm) 机构运动尺寸： 所含杆组 机构自由度计算 (2) 机构编号 F 机构名称 机构级别 机构运动简图 比例尺l (m/mm) 机构运动尺寸： 所含杆组 机构自由度计算 (3) 机构编号 F 机构名称 机构级别 机构运动简图 比例尺l (m/mm) 机构运动尺寸： 所含杆组 机构自由度计算 (4) 机构编号 F 机构名称 机构级别 机构运动简图 比例尺l (m/mm) 机构运动尺寸： 所含杆组 机构自由度计算 F 机构级别 (2) 思考题讨论

(3) 实验心得和建议

实验2 齿轮传动效率测定与分析

2.1 实验目的

1. 了解机械传动效率的测定原理，掌握用扭矩仪测定传动效率的方法； 2. 测定齿轮传动的传递功率和传动效率； 3. 了解封闭加载原理。

2.2 实验设备和工具

1. 齿轮传动效率试验台； 2. 测力计；

3. 数据处理与分析软件； 4. 计算机、打印机。

2.3 实验原理和方法

1. 齿轮传动的效率及其测定方法

齿轮传动的功率损失主要在于：(1)啮合面的摩擦损失；(2)轮齿搅动润滑油时的油阻损失；(3)轮轴支承在轴承中和轴承内的摩擦损失。齿轮传动的效率即指一对齿轮的从动轮（轴）输出功率与主动轮（轴）输入功率之比。对于采用滚动轴承支承的齿轮传动，满负荷时计入上述损失后，平均效率如表3.1所示。

表2.1 齿轮传动的平均效率

传动类型 圆柱齿轮传动 圆锥齿轮传动 齿轮精度等级与结构型式 6、7级，闭式 0.98 0.97 8级，闭式 0.97 0.96 脂润滑，开式 0.95 0.94

测定效率的方式主要有两种：开放功率流式与封闭功率流式。前者借助一个加载装置（机械制动器、电磁测功器或磁粉制动器）来消耗齿轮传动所传递的能量。其优点是与实际工作情况一致，简单易行，实验装置安装方便；缺点是动力消耗大，对于需作较长时间试验的场合（如疲劳试验），消耗能力尤其严重。而后者采用输出功率反馈给输入的方式，电源只供给齿轮传动中摩擦阻力所消耗的功率，可以大大减小功耗，因此这种实验方案采用较多。 2. 封闭式试验台加载原理

图3.1表示一个加载系统，电机功率通过联轴器1传到齿轮2，带动齿轮3及同一轴上的齿轮6，齿轮6再带动齿轮5。齿轮5的轴与齿轮2的轴之间以一只特殊联轴器和加载器相联接。

设齿轮齿数z2z3,z5z6，齿轮5的转速为n5(r/min)、扭矩为M5(Nm)，则齿轮5处的功率为

N5M5n5 (kW) 9550M5n5 (kW)

9550 若齿轮2、5的轴不作封闭联接，则电机的功率为

N1N5/式中为传动系统的效率。

而当封闭加载时，在M5不变的情况下，齿轮2、3、6、5形成的封闭系统的内力产生封闭力矩M4(Nm)，其封闭功率为

N4M4n4 (kW) 9550该功率不需全部由电机提供，此时电机提供的功率仅为

N4/N4 (kW) N1N1，若95%，则封闭式加载的功率消耗仅为开放式加载功率的 由此可见，N11/20。

图2.1 加载系统 图2.2 试验台结构

3. 效率计算

要计算效率，应先决定被试齿轮2处于主动还是被动。在齿轮传动中，主动轮的转向与轮齿啮合作用力形成的扭矩方向相反，而从动轮的转向则与轮齿啮合作用力形成的扭矩方向相同。如图3.1所示，由电机联轴器1决定的方向与齿轮2所受扭矩方向相反，所以持论2为主动轮。设齿轮2、3间的传动效率为23，齿轮6、5间的传动效率为65（均含支承轴承效率及搅油损失，以便于计算），则电机供给功率可计算如下

N1电机力矩

N42365M1N4 (kW) M42365M4

当设2365平均效率时，由上式可得

M4

M4M1 若电机转向与图3.1中所示的由联轴器力矩1表示的方向相反（本实验所采用的试验台便是这种情况），砝码形成的负荷将保持捏合面不变。从齿轮2的转向来判断，转向与所承受轮齿啮合力的扭矩方向相同，所以齿轮2即为被动轮，而齿轮3和5就成为主动轮，功率流的方向变为5→6→3→2。此时功率流功率N4大于传出的功率，则电机供给的摩擦功率为

N1N4N43256N4(13256)N4(12)

所以 M1M4(1) 则平均效率为

2M4M1

M4 4. 试验台结构

试验台结构如图3.2所示。其中电机1悬挂式安装，2是重锤式测力计，3是两套相同传动比的齿轮减速器，通过联轴器和加载器4组成封闭加载回路，5是机架，6是电器控制箱。

若测力计的读数为f(mN)，测力矩臂长为l=195mm，则功耗力矩为

lf0.1953f0.19510f (Nm) 210001000 减速器采用了螺旋槽加载机构，如图3.3所示。其螺旋角11.14。当砝码1的重量

MfG(N)经动滑轮2施加于滑架3时，滑架即在滑轨4上移动。由于螺旋槽的作用，此时销轴5不动，而槽体产生旋转，带动轴6旋转而产生加载力。加载受力情况如图3.3的上图所示。Q为螺旋槽压在销轴上的载荷，其分力Q与加载砝码重量相平衡，即Q2G；分力Q则为圆周力，它乘以作用半径r即为作用在封闭系统内的封闭力矩MB。

图2.3 螺旋槽加载机构

QQ/tg MB2Gr (Nm)

tg11.141000当r21.5mm时，MB0.22G(Nm)。 测力计的结构和作用原理见实验12。

2.4 实验步骤和要求

1. 脱开测力计挂钩并调零。判断电机转向应为测力杆向下回转。

2. 卸去所有砝码，使加载器销轴处于轴向移动起点附近约2~3mm处。 3. 手扶测力杆，启动电机，空转一分钟。

4. 将测力杆挂上测力计挂钩，读出空载下功耗力矩的力。（该力矩是与载荷无关的因素所引起的损失，如轴承的空载阻力，密封件阻力，箱体内的搅油损失等）。

5. 逐步加载到砝码重250N，每次加载后运转5~10min使趋于稳定状态，记录砝码重及测力计读数，同时注意此两数之间是否大致保持相应关系。如有明显不正常，则应查明原因采取措施后重做一遍。数据正常则停机。

6. 将数据输入计算机，打印出加载力矩MB、功耗力矩Mf及传动效率诸值，并作出

MfMB曲线和MB曲线图。

2.5 思考题与实验报告

1. 思考题

(1) 为什么MfMB基本为直线关系，而MB则为曲线关系？ (2) 油温对传动效率将有何影响？

(3) 加载力矩的测量值介入了哪些误差？

2. 实验报告基本内容 (1) 填写完成下表内容

实验2：齿轮传动效率测定与分析实验报告

学生姓名 实验日期 学 号 成 绩 测力计型号 及规格 润滑油种类 组 别 指导教师 实验台型号及规格 齿轮箱传动比： 齿轮模数： 加载轴转速： r/min 加载力矩范围： Nm 加载轴电机功率： W 加 载 温度 C 功 耗 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

G(N) MB(Nm) f(mN) Mf(Nm) (%)

实验3 典型机械结构展示及拆装与测绘

3.1 实验目的

1. 了解典型机械的功用和传动机构的组成情况以及运动、动力的传递路线和变换形式； 2. 了解典型机械中各零部件的结构特点、装配关系及其调整方法； 3. 通过拆装进一步熟悉和掌握典型机械零部件结构设计的一般原则； 4. 了解零部件的测绘方法，培养机械结构设计和反求设计的能力。

3.2 实验设备和工具

1. 各种典型传动装置；

2. 各种常用拆装工具和测量工具。

3.3 实验步骤和要求

1. 打开传动装置的机盖，仔细观察传动装置的运动与动力输入、输出件、传递路线和变换

2. 3. 4. 5.

6.

3.4 思考题与实验报告

1. 思考题

(1) 传动装置中为实现零部件周向和轴向定位与固定采用了哪些方法？

(2) 传动装置中哪些零件需要对安装间隙进行调整，采用什么方法进行调整？ (3) 机械结构设计时应注意和考虑哪些问题？

(4) 结构测绘时如何才能获得较为精确的测量结果？

2. 实验报告基本内容 (1) 填写完成下表内容

实验4：典型机械结构展示及拆装与测绘实验报告 学生姓名 实验日期 学 号 成 绩 组 别 指导教师 形式，分析其功用和所含传动机构类型，绘制传动系统示意图。

观察各零部件的结构特点、装配关系及其调整方法，用手感觉配合松紧程度和间隙大小，考虑合理的拆装顺序。

按顺序拆下各零部件并作记录，将拆下的零部件按一定顺序放置，以免丢失、损坏，以便于装配。

选择其中的代表性结构（如轴系）徒手绘制其装配草图。

选择2个关键零件，绘制其结构草图，并通过实测，标注全部尺寸，推测配合处的配合制、名义尺寸和配合精度等级与公差，从功能要求考虑，选择合理的形位公差和表面粗糙度。

将传动装置按一定顺序安装并调整好，使其运转灵活。

传动装置名称：

所含传动机构类型及名称：

传动系统示意图：

装配结构草图：

零件结构草图：

(2) 思考题讨论

(3) 实验心得和建议

实验4 渐开线直齿圆柱齿轮几何参数测定与分析

4.1 实验目的

1. 掌握运用游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法；

2. 通过测量和计算，熟练掌握齿轮各参数之间的相互关系和渐开线性质。

4.2 实验设备和工具

1. 一对齿轮（齿数为奇数和偶数的各一个）； 2. 游标卡尺（游标读数值不大于0.05mm）； 3. 渐开线函数表、计算工具（学生自备）。

4.3 实验原理和方法

 单个渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数有：齿数z、模数m、压力角、齿顶高系数ha、顶隙系数c、变位系数x；一对渐开线直齿圆柱齿轮啮合的基本参数有：啮合角、中心距a。

本实验用游标卡尺来测量轮齿，并通过计算得出一对直齿圆柱齿轮的基本参数。其原理如下：

1. 确定齿轮的模数和压力角

图4.1 齿法线长度的测量

标准直齿圆柱齿法线长度的计算如下：如图7.1所示，若卡尺跨n个齿，其公法线长度为

ln(n1)pbsb 同理，若卡尺跨n1个齿，其公法线长度则应为

ln1npbsb

所以 ln1lnpb (4.1) 又因pbpcosmcos

pb (4.2)

cos式中pb为齿轮基圆齿距，它由测量得到的公法线长度ln和ln1代入式(7.1)求得。可能是

所以 m15，也可能是20，故分别用15和20代入式(7.2)算出模数，取模数最接近标准值的一组m和，即为所求齿轮的模数和压力角。

为了使卡尺的两个卡脚能保证与齿廓的渐开线部分相切，所需的跨齿数n按下式计算 n或直接由表7.1查出。

表4.1 跨齿数 180z0.5 (4.3)

z n 12~18 2 19~27 3 28~36 4 37~45 5 46~ 6 55~63 7 ~72 8

2. 确定齿轮的变位系数 根据齿轮的齿厚公式

sbscos2rbinvm(/22xtg)cos2rbinv

sbzinv得 xmcos2 (4.4)

2tg式中sb可由以上公法线长度公式求得，即

sbln1npb (4.5) 将式(7.5)代入式(7.4)即可求出变位系数x。 3. 确定齿轮的齿顶高系数和顶隙系数

根据齿轮齿根高的计算公式 hfmzdf2又 hfm(hacx) (4.6a)

式(7.6)中齿根圆直径df可用游标卡尺测定，因此可求出齿根高hf。在式(7.6a)中仅ha和c短齿制ha0.8、c0.3两组标准值代入，符合式(7.6a)的一组即为所求的值。

(4.6)

未知，由于不同齿制的ha和c均为已知标准值，故分别用正常齿制ha1、c0.25和

4. 确定一对互相啮合的齿轮的啮合角和中心距 一对互相啮合的齿轮，用上述方法分别确定其模数m、压力角和变位系数x1、x2后，可用下式计算啮合角和中心距a：

2(x1x2)tginv (4.7)

z1z2mcos a(z1z2) (4.8)

2cos 实验时，可用游标卡尺直接测定这对齿轮的中心距a，测定方法如图7.2所示。首先使该对齿轮作无齿侧间隙啮合，然后分别测量齿轮的孔径dk1、dk2及尺寸b，由此得

ab(dk1dk2)/2 （4.9)

inv图4.2 中心距的测量

4.4 实验步骤和要求

1. 数出齿轮的齿数z。

2. 由式(7.3)计算或查表确定跨齿数n。

3. 测量公法线长度ln和ln1及齿根圆直径df、中心距a，读数精度至0.01mm。注意，每个尺寸应测量三次，记入实验报告附表，取其平均值作为测量结果。

4. 逐个计算齿轮的参数，记入实验报告附表。最后将计算的中心距与实测中心距进行比较。

4.5 思考题与实验报告

1. 思考题

(1) 通过两个齿轮的参数测定，试判别该对齿轮能否互相啮合。如能，则进一步判别其传动

类型是什么？

(2) 在测量齿根圆直径df时，对齿数为偶数和奇数的齿轮在测量方法上有何不同？ (3) 公法线长度的测量是根据渐开线的什么性质？ (4) 如何分析跨齿数n的计算公式(7.3)？

2. 实验报告基本内容 (1) 填写完成下表内容

实验4：渐开线直齿圆柱齿轮几何参数测定与分析实验报告 学生姓名 实验日期 齿数z 跨齿数n 1 学 号 成 绩 组 别 指导教师 齿轮编号 测 量 数 据 测量次数 2 3 平均值 1 2 3 平均值 n齿公法线长度ln n1齿公法线长度ln1 孔径dk 尺寸b 中心距a 基圆齿距模数m pb 压力角 计 齿顶高系数ha 算 顶隙系数c 数 基圆齿厚sb 分度圆直径d 据 变位系数x 啮合角 中心距a 中心距相对误差 aa a

(2) 思考题讨论

(3) 实验心得和建议

实验5 渐开线直齿圆柱齿轮范成

5.1 实验目的

1. 通过实验掌握用范成法制造渐开线齿轮齿廓的基本原理； 2. 了解渐开线齿轮产生根切现象的原因和避免根切的方法； 3. 分析比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。

5.2 实验设备和工具

1. 齿轮范成仪；

2. 圆规、三角尺、绘图纸、剪刀、两支不同颜色的铅笔或圆珠笔（学生自备）； 3. “齿轮范成实验”电教片、放像机。

5.3 实验原理和方法

范成法是利用一对齿轮（或齿轮齿条）互相啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来加工轮齿的一种方法。加工时，其中一齿轮（或齿条）为刀具，另一轮为轮坯，二者对滚，同时刀具还沿轮坯的轴向作切削运动，最后轮坯上被加工出来的齿廓就是刀具刀刃在各个位置的包络线，其过程好像一对齿轮（或齿轮齿条）作无齿侧间隙啮合传动一样。为了看清楚齿廓形成的过程，可以用图纸做轮坯。在不考虑切削和让刀运动的情况下，刀具与轮坯对滚时，刀刃在图纸上所印出的各个位置的包络线，就是被加工齿轮的齿廓曲线。

图8.1所示齿轮范成仪，圆盘2（相当于待切齿轮）绕固定于机架1上的轴心O转动，在圆盘的周缘刻有凹槽，槽内嵌两根钢丝3，其中心线（图中圆盘2上虚线为钢丝3的中心线）形成的圆相当于被加工齿轮的分度圆。两根钢丝的一端分别固定在圆盘2上B、B，另一端分别固定在拖板4的A、A处，拖板在机架上沿水平方向移动时，钢丝便拖动圆盘转动。这与被加工齿轮相对于齿条刀具的运动相同。

图5.1 齿轮范成仪

在拖板4上还装有带齿条刀具6的小拖板5，转动螺旋7可使其相对于拖板4垂直移动，从而可调节齿条刀具中线至轮坯中心的距离。

在齿轮范成仪中，已知的齿条刀具参数为：压力角；齿顶高系数ha；径向间隙系数c；模数m；被加工齿轮的分度圆直径d(mz)。



5.4 实验步骤和要求

1. 根据已知的刀具参数和被加工齿轮分度圆直径，计算被加工齿轮的基圆、不发生根切的最小变位系数与最小变位量、标准齿轮的齿顶圆与齿根圆直径以及变位齿轮的齿顶圆与齿根圆直径。然后根据计算数据将上述六个圆画在同一张纸上，并沿最大圆的圆周剪成圆形纸片，作为本实验用的“轮坯”。

2. 把“轮坯”安装到范成仪的圆盘上，必须注意对准中心。

3. 调节齿条刀具中线，使其与被加工齿轮分度圆相切。刀具处于切制标准齿轮时的安装位置上。

4. “切制”齿廓时，先把刀具移向一端，使刀具的齿廓退出轮坯中标准齿轮的齿顶圆；然后每当刀具向另一端移动2~3mm距离时，描下刀刃在图纸轮坯上的位置，直到形成两个完整的轮齿齿廓曲线为止。此时应注意轮坯上齿廓的形成过程。

5. 观察根切现象（用标准渐开线齿廓检验所绘得的渐开线齿廓或观察刀具的齿顶线是否超过被加工齿轮的极限点）。

6. 重新调整刀具，使刀具中线远离轮坯中心，移动距离为避免根切的最小变位量，再“切制”齿廓。此时也就是刀具齿顶线与变位齿轮的根圆相切。按照上述的操作过程，同样可以“切制”得到两个完整的正变位齿轮的齿廓曲线。为便于比较，此齿廓可用另一种颜色的笔画出。

5.5 思考题与实验报告

1. 思考题

(1) 实验得到的标准齿轮齿廓与正变位齿轮齿廓（如图8.2所示）形状是否相同？为什么？ (2) 通过实验，你所观察到的根切现象发生在基圆之内还是基圆之外？是什么原因引起的？

如何避免根切？

(3) 比较用同一齿条刀具加工出的标准齿轮和正变位齿轮的以下参数尺寸：m、、r、rb、

ha、hf、h、p、s、sa、，其中哪些变了？哪些没有变？为什么？

(4) 通过实验对范成齿廓和变位齿廓的创意有何体会？

2. 实验报告基本内容 (1) 填写完成下表内容

实验5：渐开线直齿圆柱齿轮范成实验报告 学生姓名 实验日期 学 号 成 绩 组 别 指导教师 齿条：模数m mm；压力角 ； 原始数据 齿顶高系数ha= ； 径向间隙系数c= 。 齿轮几何尺寸计算

名 称 符 号 计算公式 计算结果 被加工齿轮： 分度圆半径r mm。 标准齿轮 齿数 最小变位系数 变位齿轮 z z2r/m xha xmin rb ra rf zminz zmin基圆半径 齿顶圆半径 齿根圆半径 (2) 思考题讨论

(3) 实验心得和建议

rbrcos rarhamxm rfr(hac)mxm

图5.2 标准齿轮齿廓和正变位齿轮齿廓

实验6 带传动特性

6.1 实验目的

1. 了解带传动中的弹性滑动现象、打滑现象及其与带传动工作能力的关系。通过实验，测出带传动的弹性滑动系数、传动效率与带传动预紧拉力之间的关系曲线。 2. 了解实验台的结构原理，掌握扭矩、转速、转速差、效率的测试方法。

6.2 实验设备和工具

1. 带传动特性实验台； 2. 计算工具（学生自备）。

6.3 实验原理和方法

1. 带传动的弹性滑动和传动效率

带传动是靠摩擦力作用而工作的，其主要失效形式是带的磨损、疲劳损坏和打滑。带的磨损是由于带与带轮之间的相对滑动引起，是不可避免的；带的疲劳破坏是由于带传动中交变应力引起，与带传动的载荷大小、运行时间、工作状况、带轮直径等有关，它也是不可避免的；带的打滑是由于载荷超过带的传动能力而产生，是可以避免的。 由于带在传动运动过程中，紧边和松边的拉力不同，使得带在紧边的弹性变形大于松边的弹性变形，在带绕过带轮时，由于摩擦力的存在，在主动轮上出现轮的线速度大于带的线速度，在从动轮上出现轮的线速度小于带的线速度的现象，这种现象就是带的弹性滑动。 弹性滑动是带传动主、从动轮产生速度差的主要原因，是带传动效率降低以及带磨损的主要原因，也是带传动的主要特点。

弹性滑动通常以滑动系数来衡量，其定义为

v1v2n1D1n2D2 (9.1) v1n1D1 这里v1、v2分别为主、从动轮的转动线速度；n1、n2分别为主、从动轮的转速；D1、D2分别为主、从动轮的直径。

一般带传动的滑动系数为（1~2）%。

带传动的效率是指从动轮输出功率P2与主动轮输入功率P1的比值，即

P2M2n2 (9.2) P1M1n1式中，M1、M2分别为主、从动轮的转矩。

因此，只要测得带传动主、从动轮的转速和转矩，就可以获得带传动的转速差、弹性滑动系数和传动效率。在本实验中，我们采用转矩转速传感器来测量两轴的转速和扭矩。

2 实验原理

在图9.1中，电机轴经过联轴器与转矩转速传感器联结，传感器与主动轮联结；主动轮通过带将动力传递到从动轮，从动轮再经过传感器、联轴器与发电机相联。这样，通过两个

转速转矩传感器，就可以分析测量主、从动轮轴的转速和转矩，从而对带的传动特性进行计算。

电机 变频器 发电机 转矩转速传感器 电阻丝 主动轮 带 从动轮

图9.1 带传动特性实验台结构原理图

为了调节主动轮的转速，本实验采用变频器调节三相交流电机的转速；而载荷的调节，则采用调节发电机励磁电流，使发电电压增加，从而增大电阻消耗的方法。

另外，还可以通过调节张紧轮位置，改变带传动的包角大小（这只是包角调节的一种方法，改变方向带轮直径也可以改变包角）；通过调节张紧弹簧位置改变初始预紧力。 转速转矩采用光电传感器测量，其结构如图9.2。

遮光盘 光孔

发光管 接收管 弹性轴

图6.2 转速转矩传感器

图中两遮光盘被固定在弹性轴的两端，两盘上的透光孔位置一致，光电开关分别被固定在两个遮光盘附近。每个光孔经过光电传感器时，电信号就会有变化。因此电信号可以反映光孔的位置。另外，电信号的变化次数（频率）又反映了遮光盘转过的圈数即转速。 若遮光盘上的透光孔数为k，则电信号的频率F与转速n的关系为：

Fkn/60 (9.3)

因此，通过测量光电传感器的频率，即可获得被测轴的转速。 假设在没有载荷时，两个光电传感器的电信号的相位差为零（可以通过机械加工保证），在有载荷后，弹性轴将发生扭转变形，从而使得电信号产生相位差。假设弹性轴的长度为L，剪切模量为G，截面极惯矩为J，负载扭矩为M，则电信号相位差为：

LkM (9.4) GJ 从而通过测量两个光电传感器的电信号的相位角，即可得到被测轴传递的扭矩。

6.4 实验步骤和要求

1. 将张紧轮调整到不起作用的位置，这时候包角为180o；将预紧弹簧完全放松，压紧主动

轮浮动机构。

2. 将变频器转速旋钮逆时针旋转到底，将测控仪面板负载旋钮逆时针旋转到底。（否则易

有危险）

3. 打开测量仪表电源，这时变频器和测控仪都会有响声。

4. 轻触测控仪面板的 启动/停止 按钮，测控仪开始显示数据。

5. 按一下变频器 启动/停止 按钮，微微旋转变频器转速调节旋钮，至其显示器显示1.0，

这时记下测控仪显示的主、从动轮的转速和转矩数据，作为静态无载荷时的数据。 6. 调节变频器转速旋钮，直到其显示40.0。

7. 将负载旋钮缓慢旋转，没旋转20o，记录一组主从动轮的数据，直到旋转到底。 8. 将负载控制旋钮和变频器转速调节旋钮旋转到零位（逆时针到底）。

9. 不改变张紧轮位置，只改变张紧弹簧并固定，使预紧力增大 ，重复步骤1~8。 10. 不改变张紧弹簧的力，只改变张紧轮位置，使包角变小，重复步骤1~8。

6.5 思考题与实验报告

1. 思考题

(1) 带传动的效率与哪些因素有关？为什么？ (2) 带的滑动系数与哪些因素有关？为什么？ (3) 如何使仪器测量的零点得到自动校准？ (4) 试考虑扭矩的其他测量方法。

2. 实验报告基本内容 (1) 填写完成下表内容

实验6：带传动特性实验报告 学生姓名 实验日期 学 号 成 绩 组 别 指导教师 包角=1800，张紧力小时的数据 1 2 3 4 5 6 7 8 v1 M1 v2 M2 v   v1 M1 v2 M2 包角=1800，张紧力大时的数据 v   1 2 3 4 5 6 7 8 v1 M1 v2 M2 包角<1800，张紧力小时的数据 1 2 3 4 5 6 7 8 v   v1 M1 v2 M2 包角<1800，张紧力大时的数据 1 2 3 4 5 6 7 8 v   (2) 思考题讨论

(3) 实验心得和建议

实验7 回转件动平衡

7.1 实验目的

1. 巩固和验证刚性回转件动平衡理论和方法； 2. 掌握动平衡实验台的工作原理和操作方法； 3. 掌握平衡精度的基本概念。

7.2 实验设备和工具

1. 通用电测回转件动平衡机；

2. 试件（在校正平面上具有校正孔的转子）；

3. 平衡质量（与校正孔相应的螺钉、螺母和垫圈以及适量橡皮泥）； 4. 普通天平；

5. 外卡尺、钢皮尺； 6. 活动扳手。

7.3 实验原理和方法

质量分布不在同一回转面内的回转构件，其不平衡都可以认为是在两个任选回转面内、

和m0产生。因此，只需针对m0和m0进行由矢量半径分别为r0和r0的两个不平衡质量m0平衡就可以达到回转构件动平衡的目的。本实验就是使用通用电测回转件动平衡机，分别测

r0的大小和相位，并加以校正，最后达r0和m0定所选平衡校正面内相应的不平衡质径积m0到所要求的动平衡。

通用电测回转件动平衡机适用面广，能对各种不同机械结构的回转件进行动平衡测量，同时也能用于现场动平衡。其工作原理如下：

图7.1 通用电测回转件动平衡机的结构组成

如图13.1所示，动平衡机主要由机架、试件架、驱动机构和测量系统四部分组成。试件架通过一对弹性构件悬挂（或支撑）在机架上，能在垂直于试件转动轴线的水平方向自由摆动。实验时试件的两个轴颈安放在试件架上的两个滚动轴承上，通过联轴器、传动带由电机驱动作自由转动。此时试件的不平衡质径积所产生的离心惯性力就迫使试件架往复摆动。传感器（磁电式）直接安装在试件架上，当试件架往复摆动时，传感器就输出一周期性信号，此信号送入测量系统进行测量。

动平衡机的电路结构框图如图13.2所示。由磁电式速度传感器获得的振动信号经放大、

积分后转换成振动位移信号，再经跟踪滤波器滤波后，去掉干扰信号，取出振动信号。经放大、检波后输出给模拟表头指示出振幅。振动信号经放大整形后输入到单片微机的一个接口，而基准信号通过整形电路后输入到单片微机的另一个接口，单片微机通过比较基准信号与振动信号之间的相位差，来确定不平衡量所在的相位，然后通过软件送出不平衡量的相位值，用数码管显示出来。

图72 动平衡机的电路结构框图

7.4 实验步骤和要求

1. 左、右输入信号插入插孔，接上基准信号，“转速，相位”开关放在相位一边，共测量三次，第一次不加重，第二次加左面，第三次加右面。 2. 启动电机，“左，右”开关放在左，记录下振幅和相位值；“左，右”开关放在右，记录下振幅和相位值；关闭电机。

3. 左面加一已知重量，记录下重量和安装相位角；启动电机，“左，右”开关放在左，记录下振幅和相位值；“左，右”开关放在右，记录下振幅和相位值；关闭电机。 4. 右面加一已知重量，记录下重量和安装相位角；启动电机，“左，右”开关放在左，记录下振幅和相位值；“左，右”开关放在右，记录下振幅和相位值；关闭电机。 记录下计算机解算软件所需要的数据，填满实验报告中的记录表格即可。表中各栏为计算机软件所需数据，当运行解算软件时，计算机会给出所需符号及数据，让你填入。当数据添完后，不平衡量大小G1（左）、G2（右）及相位C1（左）、C2（右）数据会自动解算出来。

7.5 思考题与实验报告

1. 思考题

(1) 哪些类型的试件需要进行动平衡试验？试验的理论依据是什么？试件经动平衡后是否

还需要进行静平衡？

(2) 指出影响动平衡精度的一些因素。

2. 实验报告基本内容 (1) 填写完成下表内容

实验7：回转件动平衡实验报告 学生姓名 实验日期 试加重(克) 第一次 第一次 第二次 学 号 成 绩 试加重相位 “左，右”开关 左 左 右 右 左 左 右 右 左 左 右 右 左 右 组 别 指导教师 衰减开关 幅值 相位(度) A0 CA0 B0 CB0 P1 克 CP1 A1 CA1 第二次 P1 克 CP1 B1 CB1 第三次 P2 克 CP2 A2 CA2 第三次 P2 克 CP2 B2 CB2 C1 C2 G1 G2 结果

(2) 思考题讨论

(3) 实验心得和建议

实验8 机电系统创意组装实验

8.1、实验目的

利用慧鱼创意组合模型搭接机电一体化产品模型。 了解顺序控制过程所需的基本组合件。 根据提供的机械组件，搭制可实现一定相关动作的装置，并根据一定的动作要求在合适的位置安放传感器，最终编制PLC控制软件实现装置的顺序控制。 8.2、实验器材

计算机技术组合包，传感技术组合包机械元件有：齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆、带、链、万向联轴节、连杆、凸轮、弹簧、曲轴、铰链、底座、减速器。电气元件有：直流电机、可调直流变压器、传感器、红外线发射装置、发光器件、接口电路板。气动元件有：储气罐、气缸、活塞、手动气阀、电磁气阀、气管等。 8.3、实验原理

组合模型提供各种高度块以调节个组件的相对位置，各组件的组合方式采用燕尾槽嵌合和圆柱销插接。位置传感器类似于限位开关，具有常开常闭两种形式，可根据具体要求加以选择。将位置开关与PLC相接时，开关的两引线，应分别与PLC的公共点和输入点（XOX1等）相连。为实现运动件位置控制可将相应的传感器的输出信号送至PLC，并由PLC控制电机的开关。

8.4、实验步骤

1、根据图例或自行构思一种运动装置，要求有三种以上的运动。

2、根据不同要求通过基本的机构元件及传感器库自行创意并搭建机电一体化产品模型。 3、用手运动各可动部件，保证它们能正常动作。 4、安装电动机。

5、编制PLC控制软件。

6、用编制的软件进行实现模型装置的顺序控制运转。 下面举例说明几种机器人的具体实验过程。

1、三自由度机器人，它的功能是能够实现搬运工件的作用，包括腰部大臂以及夹钳。腰部能够实现左右旋转运动，大臂能够实现上下的俯仰运动，夹钳则能够实现夹取物体。 该三自由度机器人总共涉及到6个行程开关以及3个电动机，其中驱动腰部旋转，驱动大臂俯仰，驱动夹钳的开闭是利用三个电动机来实现的。其中用于限定夹钳的开闭位置，用于对腰部旋转进行计数，限定了大臂仰起后的极限位置，用于对夹钳的驱动州旋转的次数进行计数，对大臂处的蜗杆旋转次数进行统计以及腰部旋转的极限位置是利用6个行程开关来实现的。

（1）按照装配图组装出机器人（参使用说明书）。 （2）按照连线图将机器人各部分与计算机数据线连好。

（3）用计算机中的软件（LLWIN）对机器人进行控制操作。 （4）对软件进行改编，使机器人实现更多的功能。

2、跟踪光源移动机器人，它的功能是能够跟踪光源而运动。跟踪光源移动机器人由驱动部分，控制部分及接口电路组成。驱动部分由电动机及减速器组成，主要提供动力。控制部分则由多个传感器组成，用于提供反馈信号。接口电路是为了和计算机连接而专门制作的。跟踪光源移动机器人共总使用了4个行程开关，2个电动机以及两个光电传感器。其中Power

on/off是电源开关。其中计算右驱动轮的转数的，给左驱动轮的转数计数是利用两个行程开关控制的。当利用传感器来控制，光线照到它们时，会产生电信号。它们一左一右，用来辨别光源的位置。利用两个电机来驱动左、右轮的正反转。

（1）按照装配图搭接出跟踪光源移动机器人（参使用说明书）

此机器人主要依靠齿轮传动，因此装配精度要求较高，这是传动平稳的保证。由于需要用到计数开关，脉冲轮的装配一定要合适。装配过程中可以用手转动脉冲轮，当计数开关发出均匀的“哒，哒”声，表示记数开关可以正常工作。

（2）照连线图将机器人各部分的电缆与接口板及计算机连接好。 （3）各个部件进行检测。 类打孔机器人简图所示。

本方案中机器人的工作原理为：气缸将工件8送到转盘6上，转盘在电动机4的带动下，将工件送到传感器5下。传感器对工件作出判断，决定它是否需要进行打孔操作。如果需要，转盘将工件送到气缸3下。打孔气缸带动打孔头对工件进行打孔操作。然后转盘继续转动，将工件送到盛放打孔件的容器的位置。取物气缸2将工件送入容器中。反之，如果工件不需要进行打孔操作，转盘将工件直接送到盛放非打孔件的容器位置，取物气缸将工件送入容器。转盘转动的角度是通过转盘上的连杆与行程开关的协调来实现的。 （1）气源的组装

在实验中，传动的主要方式是气压传动。气源是一个气动系统的重要组成部分，它在整个系统中起着提供压缩气体的作用。由自组的装置提供压缩气体，它的实物图可参考说明书。 原理：电机轴上装有一小带轮，大带轮上装有一个曲柄结构，曲柄带动气缸的活塞作往复运动。图（2-21）中大容器是储气罐，它在压气部分中起的作用是平衡系统压力，消除气缸输出气体的脉动性。它在执行元件动作时还起提供大流量气体的作用。 （2）分类打孔机器人的组装 组装步骤：见设备说明书。

8.5、实验报告

1、实验项目基本原理

2、实验项目的仪器设备组成情况

3、实验项目的主要结论

4、思考题：

1）通过组合模型组装过程，你有何改进创意？ 2）指出在编程过程中的多种选择方案 5、心得和建议

实验9现代机械系统认知及结构分析

9.1实验目的

通过对柔性加工系统的认识与结构分析，了解现代机械的特点及发展趋向。掌握柔性加工系统中的车床、铣床及搬运机器人及材料质量检测系统的构成特点，既掌握驱动系统、传动系统、执行系统和控制系统的组成及结构特点。 9.2实验器材 柔性加工系统 9.3实验原理

由德国SL-Automatisierungstechnik股份有限公司制造的柔性制造系统由PLC主控制系统，数字控制加工设备（卧式车削加工中心、立式铣削加工中心），物料储运系统（桁道式立体仓库、工业搬运机器人、有轨无人输送台车运输系统），信息控制系统组成（物料识别检测系统、材料检测系统和回转式机器人、尺寸检测系统和回转式机器人）系统组成。

毛坯或工件先由人工装入托盘上的夹具中，并储存在自动仓库中的区域内的任何位置，然后由自动搬运系统机器手根据物料管理PLC可编程控制器的指令送到的指定工位。固定轨道式台车携带毛坯或工件在控制器的指令下沿着轨道移动到第一个图象检测工作站，图象检测系统对毛坯或工件轮廓的尺寸和形状提取特征进行判断，并将判断结果告知主控制系统；之后固定轨道式台车启动移动到第二个工作站，接到主控制系统的指令的工业机器人计算机控制工业搬运机器人完成待加工毛坯的装卸和传送到相应的数控机床。加工后的工件送到材料检测系统、尺寸检测系统进行自动检测。检测后的工件送到桁道式立体仓库。

管理由西门子公司生产的S4型PLC对整个FMS实行集中管理和监控，协调各控制装置之间的动作。它能根据制造任务或生产环境变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产，实现加工过程的自动化。

9.4实验步骤

观察柔性加工系统的工作过程，了解系统中各构成部分的结构特点及工作原理。 9.5实验报告

1、柔性加工系统的功用、特点

2、柔性加工系统的组成部分及各部分完成的功能。

3、说明六自由度搬运机器人的工作原理，驱动系统、传动系统、执行系统和控制系统的构成及工作原理。

4、心得和建议