机械设计综合性创新性实验研究与探索

收稿日期:2004-02-14

作者简介:杨　洋(1962—

),男,副教授,实验中心主任1机械设计综合性创新性实验研究与探索

杨　洋,李晓利,焦洪杰

(北京航空航天大学机械基础公共教学实验中心,北京　100083)

摘　要:本文针对高等工科院校的机械设计系列课程的实验教学环节,考虑如何培养学生机

械设计的综合能力和创新能力方面,探索和研究开设相应的机械设计的综合与创新实验和构

筑实验平台。本文详细地探讨了机械系统综合性能测试实验平台和机械模块化交互创意实

验平台的构筑、原理及实验内容。

关键词:机械设计综合性;创新性实验;机械性能测试;模块化设计;交互创新

中图分类号:G 421　文献标识码:B 文章编号:1002-4956(2004)06-0029-05

1　机械设计课程开设综合性创新性实验的必要性

目前,随着高等工科学校教育改革的深入,根据建设工程型、研究型大学的需要,以及社会对培养现代化的高级人才的要求,学生在大学里在学习技术基础课程、掌握基本技能和知识的同时,要求当代的工程型、研究型人才具有工程设计的综合能力和创新能力。为此,作为将来从事机械产品的设计、制造以及与此相关的工程技术人员,在掌握机械设计方法、理论的同时,通过较完整的实验教学的训练,使学生掌握机械产品的性能测试的综合能力,从而使学生学会应对分析工程问题、解决问题的能力。同时,学会掌握各种现代化的测试手段,构筑进行机械产品研制开发所必需的工程思维。另外,学生在学习理论课程的基础上,针对实际机器和机械系统进行性能的综合分析和评估。

机械系统是一个较复杂的系统,主要由驱动部分、传动部分、执行部分和连接部分构成。现代机械工业的发展为了提高效率、减少设计和制造周期,大部分产品已基本成为模块化。在原动机方面电动机、气缸、液压缸等已实现了模块化;而传动部分也以所谓的减速器的形式作为模块早已进入市场,当然也包括近年来出现的各种各样的新型减速器、增速器;作为连接使用的模块有连轴器、离合器等也已模块化;还有支撑零件如滚动轴承等。因此,可以这样讲,构成机器或机械系统的主要部件大都已经模块化,于是,机械设计的任务就是根据给定的具体功能要求,通过这些模块的有机组合(设计)构成具有一定目的的系统。因此,基于各种机械模块,进行系统的创意设计就作为我们开发创新性实验平台的构筑依据。

本文拟从构筑机械系统的综合性能测试平台和机械模块化创新设计平台进行探索性的研究。

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2中国科技论文统计源期刊 实　验　技　术　与　管　理 Vol 121　No 16　2004　

2　机械系统综合性能测试实验的开发

(1)实验目标　通过实验使学生熟悉影响机械传动参数和机构运动参数及机构动平衡等的因素,掌握他们的测试方案构筑的方法,达到强化工程意识、培养学生动手能力和创新意识以及独立分析解决工程实际问题的能力,提高学生综合素质的目的。

(2)实验台的组成　该实验台以工程实际中最常用的机器系统框架包括驱动系统、传动系统、执行机构及相关的测试传感系统等部分构成,如图1所示。传动系统是齿轮减速器、蜗杆减速器、摆线减速器、链传动、带传动等或者他们的有机组合。该系统从动力产生、动力的传递最后到达执行机构。执行机构可以设计几种典型的机构如连杆机构、凸轮机构简单模型,或者采用一些常用的组合机构的实际结构等,完成一定的功能要求

。

图1　机械系统实验流程图

(3)实验平台构筑思路　以市面上的传动性能综合测试实验台如图3所示为基础,在输出部分增加执行机构,实现一定的功能动作。并增加相应的传感部分,构成一个融驱动、机械传动、执行机构、综合性能测试为一体的一个机械系统。

(4)测试项目和方法　力、力矩、转速、振动、机构的震动力、机构运动参数效率等。a 1传动部分的动力参数和效率的测试:在减速器的输入端和输出端安装转矩和转速传感器,如图1所示,通过数据采集卡获得的数据,然后将这些数据传送到计算机(或工控机),通过专门的软件进行数据处理,取得输入、输出轴的转矩和转速随时间变化的曲线。接着,根据机械效率的含义,由输入、输出轴的转矩和转速计算出传动效率。

b 1机构运动参数的测定:在执行机构的执行构件的转动轴上,安装光电编码器用于测试输出构件的转角(即角位移)。将该信号经过数模转换卡(A/D )转变成数字信号,或者直接采用数字光电编码器直接取得数字信号。将数字信号送入计算机进行采样,取得执行构件随时间的运动位移曲线。接着利用速度与位移、加速度与速度的微分关系,采用数值方法求出对应的速度、加速度曲线。从而获得执行构件的运动参数。这里,需要进一步说明的是,当执行构件作直线运动时,采用直线位移测量计可以直接测出,但是由于其价格较高,所以一般采用间接测量的方法。现加以介绍,其原理如图2所示,这里,增加一个齿轮齿条机构,让齿条与移动构件固连。这样,移动运动就转换为齿条的转动运动,然后,在齿轮轴上安装一旋转编码器。测试过程与转动构件原理相同。

03实　验　技　术　与　管　理

图2　执行构件作直线运动时

运动参数的间接测量法

c 1振动力和振动力矩的测试:根据所测试的机构执行构件的角加速度或加速度,考虑执行构件的转动惯量和质量,就可以确定出执行构件的惯性力矩或惯性力曲线。根据机构动平衡理论和方法,可以进行机构的惯性力或力矩的平衡。

(5)实验原理　给出执行机构的工作要求和一定的约束,由学生自己设计运动方案,然后用计算机软件进行仿真,确定方案的可行性,再用可装拆的连杆机构、齿轮机构、凸轮机构等部件组合成执行机构,实现所要求的运动,第二步根据运动转换的要求、原动件的情况、力、力矩、转速、效率等指标设计机械传动方案,

然后学生利用已有的皮带传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等装置进行搭接,组成所需的传动方案,最终实现整个机械装置的方案。

学生可以在其上按照以上所属的测试方法测试力、力矩、转速、振动、效率等物理量并进行数据分析,还可进行动力学试验和振动分析。这样学生通过这一个实验,在机械设计、机构、传动、检测等方面就得到了一个实在的综合性创新的训练机会。

图3　机械传动系统布置总体图

(6)实验内容　面向全校机械类专业学生,可以进行如下实验:

机械传动系统综合测试实验:通过实验台提供的测试手段,测量给定传动的输入/输出转矩和转速,确定其各种机械传动的效率、扭矩、转速等动力学参数。

机构运动参数分析测定实验:通过位移传感器获得的执行机构的运动参数,可以进行其速度、加速度等运动参数的测定,并将结果输出。

机构动平衡实验:由加速度获得的输出,分析机构的动不平衡引起的原因。进一步可以使用机械原理所介绍的几种机构动平衡的方法,再进行测试实验而取得动平衡后的效果。

3　机械模块化交互创新设计实验的开发

(1)实验目标　全面培养学生的现代工业工程实际创新综合能力。本实验包括了机械设计的五大传动(皮带、齿轮、蜗杆、链、摩擦)和所有常用的机械作业的实现过程。为工

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