整理机械系统设计课程实验指导书.docx
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整理机械系统设计课程实验指导书
1.环境的概念
2.环境影响报告表的内容
通过安全预评价形成的安全预评价报告，作为项目前期报批或备案的文件之一，在向政府安全管理部门提供的同时，也提供给建设单位、设计单位、业主，作为项目最终设计的重要依据文件之一。
（2）列出有关的法律、法规、规章、标准、规范和评价对象被批准设立的相关文件及其他有关参考资料等安全预评价的依据。
一、环境影响评价的发展与管理体系、相关法律法规体系和技术导则的应用
三、安全预评价报告的基本内容
（2）是否符合国家产业政策和清洁生产标准或要求。
（3）专项规划环境影响报告书的内容。
除包括上述内容外，还应当包括环境影响评价结论。
主要包括规划草案的环境合理性和可行性，预防或者减轻不良环境影响的对策和措施的合理性与有效性，以及规划草案的调整建议。
（四）环境价值评价方法
安全评价是落实“安全第一，预防为主，综合治理”方针的重要技术保障，是安全生产监督管理的重要手段。
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
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）；
Pc——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
式中：
——机床传动链的总机械效率。
…;
——为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+Pji
式中Pi——机床传动系统总空载功率（kw）；
Pmi——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.WB2P412R有功功率变送器一台。
WB2P412R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。
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：
0.5
2.输入标称（AC）：
V≤500V、I≤5A
3.输出标称（DC）：
Vz=0~5V
4.输入频响：
40HZ~70HZ
5.响应时间：
<399ms
6.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：
5mA
11.输入阻抗：
VX≥10Ri=VXⅹ1KΩ/VIX≈0
12.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：
+24
14.静态功耗：
600mw
15.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。
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CA6l40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、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
计算各级主轴转速下主轴部件空载功率所占百分数。
（2）用
计算各级主轴转速下进给系统空载功率所占百分数。
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
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）×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）。
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。
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（T1＞T2），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
BF≈CE+
BC≈EF
式中
——纵向热膨胀量。
故
所以，热变形弯曲量为
因
式中
-——温升（℃）；
a——--线膨胀系数（℃-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2—2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）。
4．检验棒一根。
5．凡具有红外热相仪的院校可用该设备进行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
●每个传感器仅有唯一一个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-55℃—+125℃（-67℉—+257℉）
●-10℃—+85℃时精确度为±0.5℃
●温度分辨率选择范围为9—12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DS1822软件相兼容
●应用在温度控制、工业系统、温度计和一些温度敏感系统中
图2-3外形及引脚说明
DS18B20数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。
DS18B20可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-55℃—+125℃，-10℃—+85℃时精确度为±0.5℃。
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DS18B20有唯一的64位序列码，通过序列码可以用一条总线控制多个DS18B20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。
表2-1详细引脚说明
8-PINSOIC*
TO-92
符号
说明
5
1
GND
接地
4
2
DQ
数据输入/输出引脚。
一条引脚，当使用寄生电源时，也给设备供电。
3
3
VDD
VDD选择外接电源引脚。
在寄生电源时，VDD必须接地。
图2-4DS18B20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的主要功能是直接数字温度传感器。
64位ROM储存唯一的序列码。
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℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。
通电后缺省分辨率为12位。
TH、TL和配置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。
DS18B20使用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中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的另一个特征是不需外接电源。
上拉电阻处于高电位通过DQ引线提供电源。
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”。
DS18B20也可以由外部电源通过Vss口供电。
图2-5有外接电源时连线接法
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℃
距离系数
8：
1
温度范围
-18～275℃
精度
-1～275℃，±2%或±2℃
-18～-1℃，±3℃
重复性
读数的±2%或±2℃
响应时间
500毫秒
工作环温范围
0～50℃
尺寸/重量
152×101×38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2—5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”，再移动溜板，将千分表移至另一端测量b、d点，并记下读数，然后移开溜板。
4.记录室温，打开主轴箱盖，用红外测温仪顺次测量各热源（主轴前后轴承、摩擦离合器、油泵、油池、大齿轮套、刹车轮等）的初始温度。
再测出油池的油面高度。
均记入表2—2内。
5.主轴以最高转速空车运转。
6.每隔半小时（最初几次可每隔l0min），停车后打开箱盖，测量各热源的温度（要求每次测量的顺序和测量点的位置力求一致）。
将测量结果记入实验报告表2—2内。
7.经过连续五次测温后停车，将主轴转到原始位置，并将溜板左移至a、c及b，d位置，记下各点千分表表针读数。
8.如用非接触式测微仪传感器时，其测头位置与用千分表测量相同，主轴空转时，测微仪断电，测量过程中可不移开溜板。
其测量精度高，并可自动记录。
9.测量主轴箱及床身的温度场，测点布置按图2-8所示。
六、实验数据处理
1.以时间为横坐标，温升为纵坐标，做出各热源的时间与温度关系曲线。
2.以检验棒两测量点轴向位置为横坐标，检验棒测量点的偏移量为纵坐标，画出主轴中心线偏移后在两个平面内位置变化图。
3.根据转速图和传动系统图，对实验结果的各种曲线和数据进行分析，写出实验报告书。
4.观察应用红外热相仪进行机床温度场分析的方法，写出体会。
图2-8温度场测点布置图
七、思考题
1.对实验结果分析一下为什么主轴轴线会出现这样的偏移?
对机床加工精度有何影响？
箱体哪个尺寸对主轴轴线向前偏移影响最大？
2.本车床变速箱中的主要热源是什么？
哪一部分产生的热量最多？
3.本实验在测量方法中可能有哪些误差？
如何减小这些误差?
4.应用红外热相仪进行机床温度场分析是应用什么原理？
这种方法测量与其它方法比较有什么优越性？
八、实验报告
实验名称：
温度对机械系统的影响
班级姓名实验日期
1．实验记录表
表2-2车床主轴箱热频温升测量记录表
2.以时间为横坐标轴，温升为纵坐标，作出各热源的时间与温度关系曲线图（用坐标纸绘出粘在下面）。
3.
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