机械系统设计课程实验指导书.doc

机 械 系 统 设 计课程实验指导书(机械系统设计 课程组编制)2008 年机械系统设计 课程实验指导书1实验一 传动系统的空载功率测定（两学时）一、 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 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 Pa用公式表示为P=Pc + Pi + Pa 式中 P——机床电机功率 (kw)；机械系统设计 课程实验指导书2Pc——消耗于切削加工的功率(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cPa式中： ——机床传动链的总机械效率 … ; , , 32112—— 为主传动链内的各传动副的机械效率2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(如卧式机械系统设计 课程实验指导书3车床)，则机床传动系统的总空载功率Pi = P mi + 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) 。

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 有功功率变送器为 R 型结构，交流 V、I 输入，0~5V 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 1~10 引脚输入，辅助电源和输出经过端子 11~17 连接，接线原理及信号定义见图二机械系统设计 课程实验指导书410035884-3.51811110图 1-1 R 型外型及安装尺寸图 1-2 三相三线有功功率变送器接线机械系统设计 课程实验指导书53) 主要技术指标1. 精度等级：0.52. 输入标称（AC）：V≤500V、I≤5A3. 输出标称（DC）：V z= 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） ~ 1~0.1（超前）10. 负载能力：5mA11. 输入阻抗：V X≥10 Ri=VXⅹ1K Ω/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． 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机械系统设计 课程实验指导书6五、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10~20min 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(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 CA6l 40 型卧式车床，主轴转速共 24 级，因此需共测机械系统设计 课程实验指导书724 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均值读数)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、P i(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＝P m—Pd。

2) 计算进给系统在各级主轴转速下的空载功率 Pj＝P i—Pm3 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 计算各级主轴转速下主轴部件空载功率()10%Pfi机械系统设计 课程实验指导书8所占百分数2) 用 计算各级主轴转速下进给系统空载功率()10%jPi所占百分数七、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械系统设计 课程实验指导书9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主轴转速（r/min ） Pi(kw) Pm(kw) Pd(kw) Pf=Pm-Pd(kw)Pj=Pi-Pm(kw)(Pf/Pi)×100%(Pj/Pi)×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表示） 。

机械系统设计 课程实验指导书10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？机械系统设计 课程实验指导书1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机械系统设计 课程实验指导书2传导)向外传热，使机床各部件产生温升，形成温度差以后，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 = ƒ（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 = ƒ（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，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(T 1＞T 2)，变形后的形状如虚线所示伸长虽很小，可以近似地认为CE≈CD机械系统设计 课程实验指导书3BF≈CE+ 2LBC≈EF式。