专利名称：多类型带传动实验台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械设计实验设备技术领域，具体指多类型带传动综合性实验台。
背景技术：
带传动用于传递动力和运动，是机械传动中重要的传动形式，其最大特点是可以自由变速，远近传动，结构简单，成本低，无需润滑，具有缓冲吸振和过载保护的作用，是工业上应用最广泛的传动方法和技术之一，常用于机械、汽车、纺织、家电、轻工、农机等领域。因此，无论是机械类本科生的《机械设计》课程，还是近机械类本科生的《机械设计基础》课程，带传动都是非常重要的授课内容，包括课堂教学和实验教学。
国内开设的带传动实验教学内容仍然是普通V带传动一般传动性能的验证性实验。学生无法通过实验教学环节，学习或者了解多类型带传动的特点及应用。特别是，无法了解新原理的带传动技术和结构。在带传动的实验教学过程中，如果本科生不仅可以了解普通V带的结构和传动性能，还可以了解其它不同原理的带传动的结构和传动性能，甚至通过创新性的实验方案设计，本科生还可以自主地进行一些带传动方案创新设计实验和带传动结构创新设计实验，那么能大大提高本科生对带传动的认识和应用技能。本实用新型发明了一种多类型带传动综合性实验装置，该装置可在同一台实验装置上进行多种类型带传动的实验和教学。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种多类型带传动实验台，该实验台有简易拆装的带轮，可进行多种类型带传动的实验和教学，实验台可测定带传动过程中主从动轮的转矩和转速，亦可改变主动轮的转速、在从动轮上加载的转矩和传动带的张紧力大小，并自动保存每改变一次从动轮转矩并稳定后的数据，计算滑差率、传动效率和最大有效拉力，学生能够观察带的弹性滑动和打滑现象。本实用新型通过如下技术方案实现
多类型带传动实验台，由主机机械部分和测控系统部分构成，主机机械部分包括浮动
支座ll、固定支座17和底座20，测控系统部分包括测控电路18和计算机19，所述主机机械部分还包括直流调速电机5、带传动装置、磁粉制动器1和紧固螺栓14，所述带传动装置包括主动轮4、从动轮2和传动带3，直流调速电机5的输出轴与主动轮4采用锥度锁紧装配，直流调速电机5固定在浮动支座U上；从动轮2和磁粉制动器1用联轴器连接，从动轮2和联轴器上的轴采用锥度锁紧装配，磁粉制动器1和联轴器安装在固定支座17上；主动轮4和从动轮2上装配传动带；
测控部分是包括张紧力加载装置、两个拉力传感器13和15、两个光电转速传感器12和16、测控电路18和计算机19，所述张紧力加载装置步进电机9、牵引钢丝绳7、巻绳器8、拉簧6和位移传感器10构成，步进电机9的输出轴与绕有牵引钢丝绳7的巻绳器8配合，牵引钢丝绳7的一端缠绕在拉簧6的左端，拉黉6的右端钩在带有小钩的浮动支座11上，位移传感器10的滑臂固定在浮动支座11上，位移传感器10的电阻元件固定在底座19上，在张紧力加载装置加载完成后用紧固螺栓14锁紧浮动支座11;两个拉力传感器13和15采用悬臂梁式应变片分别贴于主动轮4和从动轮2的外缘；两个光电转速传感器12和16分别装于主动轮4和从动轮2背后的环形槽中。
上述的多类型带传动实验台，所述传动带为弹性啮合与摩擦耦合带、平带、V带、多楔带和永磁带轮式金属带。
上述的多类型带传动实验台，所述测控电路18包括变压器、直流调速电机驱动电路、磁粉制动器功率放大电路、放大整形滤波电路、张紧力加载控制电路、位移测量及反馈控制电路和变送器。
上述的多类型带传动实验台，所述测控电路18与两个拉力传感器13和15、两个光电转速传感器12和16、位移传感器10、直流调速电机5、磁粉制动器1连接。
上述的多类型带传动实验台，所述计算机19的主板插槽内含有数据采集卡和定时计数卡，计算机19和测控电路18连接。
多类型带传动实验台由安装成一个整体的主机机械和测控系统两部分组成
主机机械部分是由一台直流调速电机、 一套简易的可拆装带传动装置、 一台磁粉制动器、紧固螺栓、浮动支座、固定支座、底座所构成。直流调速电机的输出轴与主动轮采用锥度锁紧原理装配，直流调速电机固定在浮动支座上；从动轮和磁粉制动器用联轴器连接，从动轮和联轴器上的轴亦采用锥度锁紧原理装配，磁粉制动器和联轴器安装在固定支座上；装配上不同类型的带轮及对应的传动带，可进行不同类型的带传动实验。
测控部分是由一套张紧力加载装置、两个拉力传感器、两个光电转速传感器、测控电路、计算机及控制软件所构成。张紧力加载装置由步进电机的输出轴与绕有牵引钢丝绳的巻绳器配合，牵引钢丝绳的一端缠绕在拉簧的左端，拉簧的右端钩在带有小钩的浮动支座上，位移传感器的滑臂固定在浮动支座上，位移传感器的电阻元件固定在底座上，张紧力加载完成后用紧固螺栓锁紧浮动支座；拉力传感器采用悬臂梁式应变片贴于主动轮和从动轮的外缘；光电转速传感器分别安装在主动轮和从动轮背后的环形槽中；测控电路包括.-变压器、直流调速电机驱动电路、磁粉制动器控制电路、放大整形滤波电路、张紧力加载控制电路、位移测量及反馈控制电路、变送器，其集成在一张PCB板上，安装于底座的背面；计算机主板的插槽中含有数据釆集卡和定时计数卡，计算机和测控电路连接。
张紧力加载装置在一定精度范围内控制张紧力无极加载。步进电机正转一步可换算为牵引钢丝绳末端的位移，即拉簧的一端若为固定端，另一端的位移X。由公式F=KX，可知步进电机正转一步对传动带施加的张紧力，在一定精度范围内，可认为此张紧力是连续变化的。在系统的控制软件中输入所需张紧力的大小，通过计算机输入给张紧力加载控制电路，自动转换为步进电机需要正转的步数S1;考虑浮动支座的位移使弹簧有一定量的缩短，用位移传感器及位移测量电路测出此縮短量，需要补偿的縮短量通过反馈控制电路控制步进电机继续正转步数S2;此次步进电机的正转亦使浮动支座有一定的位移，弹簧亦有一定的縮短量，亦用位移传感器进行测量并再次补偿；依次类推，至位移传感器测得的位移量小于设定的值。若装置需要使张紧力归零，则只需软件控制步进电机反转原先正转了的步数Sl+S2+…。
计算机把直流调速电机的转速和磁粉制动器需要施加的转矩大小通过数据采集卡分别把信号输入给直流调速电机PWM驱动电路和功率放大电路，控制直流调速电机的转速(即控制主动轮的转速)和磁粉制动器给从动轮施加的转矩大小。
拉力传感器间接测量主动轮和从动轮的转矩。拉力传感器的信号经变送器放大、提高信噪比后进入数据采集卡传输给计算机。根据力矩T、力F和力臂L的关系T=FL，计算机就可以得到主动轮和从动轮的转矩。
光电转速传感器直接测量主动轮和从动轮的转速。光电转速传感器的信号经放大整形滤波电路后进入定时计数卡，计算机就直接读出主动轮和从动轮的转速。
进行某一种带传动实验步骤设计首先利用锥度锁紧原理安装上定制的主动轮和从动轮，浮动支座在导轨上可移动，完成传动带的安装；接着开启计算机和实验台电源，在计算机软件界面上输入需要的张紧力，张紧力加载装置给出相应的张紧力，张紧力施加完毕后拧紧紧固螺栓，防止浮动支座移动；然后在计算机软件界面上给定一个直流电机的空载转速，按下软件界面上的启动键，直流电机能够输出给定的空载转速；在实验台带传动装置运行的过程中，可利用软件使磁粉制动器对从动轮逐级施加负载转矩，直至带传动出现打滑现象；计算机自动保存每次改变磁粉制动器施加的转矩并且装置稳定后，测得的主动轮和从动轮的转矩和转速，软件系统亦自动计算并保存打滑时传动带的最大有效拉力； 一次实验完成后，计算并绘制相应的滑差率和传动效率与从动轮转矩的关系曲线图；改变传动带张紧力可获得不同的实验结果，多次实验结果可进行对比，最后由软件系统自动绘制和输出张紧力与最大有效拉力的关系曲线图。
欲进行另一种传动带实验，带轮的简易拆装就可实现不同类型的带传动实验要求。
本实用新型与现有带传动实验台相比较有如下优点
1、 带轮实现了简易拆装，使得一个实验台能够进行多种类型的带传动实验；
2、 磁粉制动器实现了平滑连续加载和自动加载，有利于控制系统的控制处理；
3、 张紧力加载装置在一定精度范围内实现了无极加载；
4、 拉力传感器和光电转速传感器都可较精确地测量出转矩和转速，使得实验数据准确；
5、 整套系统的数据完全由计算机测量和控制，减少了人为误差；
6、 计算机保存所有的实验数据，能够自动计算并画出滑差率和传动效率的曲线图，张紧力和最大有效拉力关系曲线图。
图1为多类型带传动实验台结构示意图；1磁粉制动器2从动轮3传动带4主动轮5直流调速电机6拉簧7牵引钢丝绳8巻绳器9步进电机 10位移传感器11浮动支座12光电转速传感器1 13拉力传感器1 14紧固螺栓15拉力传感器2 16光电转速传感器2 17固定支座18测控电路 19计算机 20底座
图2为多类型带传动实验台测控系统的结构图；具体实施方式
如图1所示的多类型带传动实验台是由安装成一个整体的主机机械和测控系统两部分组成。
多类型带传动实验台，由主机机械部分和测控系统部分构成，主机机械部分包括浮动支座11、固定支座17和底座20，测控系统部分包括测控电路18和计算机19;
所述主机机械部分还包括直流调速电机5、带传动装置、磁粉制动器1和紧固螺栓14，所述带传动装置包括主动轮4、从动轮2和传动带3，直流调速电机5的输出轴与主动轮4采用锥度锁紧装配，直流调速电机5固定在浮动支座11上；从动轮2和磁粉制动器1用联轴器连接，从动轮2和联轴器上的轴釆用锥度锁紧装配，磁粉制动器1和联轴器安装在固定支座17上；主动轮4和从动轮2上装配传动带；
测控部分是包括张紧力加载装置、两个拉力传感器13和15、两个光电转速传感器12和16、测控电路18和计算机19，所述张紧力加载装置步进电机9、牵引钢丝绳7、巻绳器8、拉簧6和位移传感器10构成，步进电机9的输出轴与绕有牵引钢丝绳7的巻绳器8配合，牵引钢丝绳7的一端缠绕在拉簧6的左端，拉簧6的右端钩在带有小钩的浮动支座11上，位移传感器10的滑臂固定在浮动支座11上，位移传感器10的电阻元件固定在底座19上，在张紧力加载装置加载完成后用紧固螺栓14锁紧浮动支座11;两个拉力传感器13和15采用悬臂梁式应变片分别贴于主动轮4和从动轮2的外缘；两个光电转速传感器12和16分别安装在主动轮4和从动轮2背后的环形槽中。
如图2所示，测控电路18包括变压器、直流调速电机驱动电路、磁粉制动器功率放大电路、放大整形滤波电路、张紧力加载控制电路、位移测量及反馈控制电路和变送器。所述测控电路18与两个拉力传感器13和15、两个光电转速传感器12和16、位移传感器10、直流调速电机5、磁粉制动器l连接。计算机19的主板插槽内含有数据采集卡和定时计数卡，计算机19和测控电路18连接。
本实验台可对主从动轮实行简易的装拆，可进行多种类型的带传动实验。进行某一种带传动实验，利用锥度锁紧原理安装上合适的主动轮和从动轮，应用浮动支座导轨的平移装配上相应的传动带；在计算机软件界面上输入需要的张紧力，张紧力加载装置就能给出相应的张紧力；张紧力加载完成后用紧固螺栓锁紧浮动支座；在计算机软件界面上输入需要的直流调速电机的空载转速，直流调速电机能够输出给定的空载转速；在带传动装置运行的过程中，可利用软件使磁粉制动器逐渐施加负载转矩，直至带传动出现打滑现象；主从动轮转矩、转速完全由传感器通过测控电路传输给计算机，计算机自动保存每改变一次磁粉制动器转矩，装置稳定后对应的主动轮和从动轮的转矩和转速、打滑时带的最大有效拉力，计算并画出从动轮转矩与滑差率、传动效率的曲线图，张紧力和最大有效拉力关系曲线图。
进行某一种带传动实验，测控系统是首先控制张紧力加载装置对带施加的张紧力，开启计算机进行实验测控的过程中，不允许改变张紧力的大小。带轮的简易拆装可实现不同类型的带传动实验要求。 一
在一定精度范围内控制张紧力无极加载。步进电机正转一步可换算为牵引钢丝绳末端的位移，即拉簧的一端若为固定端，另一端的位移X。由公式F=KX，可知步进电机IH转一步对传动带施加的张紧力，在一定精度范围内，可认为此张紧力是连续变化的。在系统的控制软件中输入所需张紧力的大小，通过计算机输入给张紧力加载控制电路，自动转换为步进电机需要正转的步数S1;考虑浮动支座的位移使弹簧有一定量的縮短，用位移传感器及位移测量电路测出此縮短量，需要补偿的縮短量通过反馈控制电路控制步进电机继续正转步数S2;此次步进电机的正转亦使浮动支座有一定的位移，弹簧亦有一定的縮短量，亦用位移传感器进行测量并再次补偿；依次类推，至位移传感器测得的位移量小于设定的值。若装置需要使张紧力归零，则只需软件控制步进电机反转原先正转了的步数Sl+S2+…。
下面结合具体参数进一步说明。
机械部分
采用永磁直流调速电机作为实验台的动力源，主要参数转矩1.58N.M，转速1500r/min，功率245W;可拆装的简易带轮是利用锥度锁紧原理的锥套带轮结构；普通V带的带轮基准直径D二80mm，带基准长度L=900mm，带轮中心距324.4mm;磁粉制动器的主要参数扭矩2N.M，允许滑差功率200W;浮动支座由导轨作为支撑件；导轨的可移动范围是0-40mm。
测控部分
张紧力加载装置的步进电机步进角为0.9°，定制的巻绳器滚筒直径52mrn，拉簧的K=500，即步进电机正转一步施加的张紧力为0.2042N，可认为张紧力加载装置在0.2N精度范围内是无极加载的(误差为2.1%)，这样实际施加的张紧力比理论值大，设定位移传感器测出的浮动支座的位移小于0.6mm即停止步进电机的运行，使得张紧力比理论值小0.3N，两者恰能够相互弥补不足之处；拉力传感器主要参数量程10kg，供桥电压10V，输出范围为0 20mV，灵敏度2.003 mV/V;变送器主要参数输入范围0 20mV，输出范围0 10V;光电转速传感器主要参数输出脉冲数60脉冲/转，输出波形为方波输出，测速范围20 3000r/min;定时计数卡的主要参数定时/计数器通道3路，长度16位，内部时钟频率2MHz，外部时钟输入频率0 1 MHz， 24路数字量输入/输出通道(双向可编程)，输入/输出频率0-l MHz，中断允许由软件控制；数据采集卡的主要参数16路单端/8路双端模拟量输入，软件触发切换通道，4路模拟输出通道，8路数字量输入通道，8路数字量输出通道。
进行弹性啮合与摩擦耦合带传动实验的步骤首先利用锥度锁紧原理安装上定做好的
主动轮和从动轮，由浮动支座导轨的平移，装配上相应的弹性啮合与摩擦耦合带；接着开
启计算机和实验台电源，在计算机软件界面上输入需要的张紧力20N，张紧力加载装置给
出相应的张紧力；张紧力加载完成后，用紧固螺栓锁紧浮动支座；然后在计算机软件界面
上给定一个直流调速电机的空载转速750r/min、磁粉制动器的负载转矩ON.M，按下软件上的启动键，直流调速电机能够输出给定的空载转速750r/min、磁粉制动器暂不施加负载转矩；在实验台传动带运行的过程中，可利用软件从零开始以O.l N.M的大小逐级增加磁粉制动器施加给从动轮的负载转矩，直至带传动出现打滑现象(磁粉制动器施加的最大转矩为2N.M)，计算机自动保存在每改变一次磁粉制动器转矩，装置稳定后对应的主动轮和从动轮的转矩和转速，计算并画出相应的滑差率和传动效率的曲线图；计算机也自动保存带传动打滑时带的最大有效拉力。 一组实验做完后，可不改变直流电机的转速，重新设定张紧力的大小，磁粉制动器的负载转矩仍然为ON.M，在实验台传动带运行的过程中，依然利用软件从零开始以0.1 N.M的大小逐级增加磁粉制动器施加给从动轮的负载转矩，直至带传动出现打滑现象。依此类推，可以做出弹性啮合与摩擦耦合带传动在750r/min固定的的直流电机转速和不同的张紧力下，逐级增加从动轮的转矩的不同的滑差率和传动效率的曲线图、张紧力和最大有效拉力的关系曲线图。
可不改变张紧力大小，而改变直流电动机的转速，逐级增加磁粉制动器施加给从动轮的负载转矩，来做出其他组的对比实验。
更换不同定制好的带轮和传动带(如永磁带轮式金属带、普通V带)，按上述的方法，可得出多类型带传动实验的数据结果。
权利要求1、多类型带传动实验台，由主机机械部分和测控系统部分构成，主机机械部分包括浮动支座(11)、固定支座(17)和底座(20)，测控系统部分包括测控电路(18)和计算机(19)，其特征在于主机机械部分还包括直流调速电机(5)、带传动装置、磁粉制动器(1)和紧固螺栓(14)，所述带传动装置包括主动轮(4)、从动轮(2)和传动带(3)，直流调速电机(5)的输出轴与主动轮(4)采用锥度锁紧装配，直流调速电机(5)固定在浮动支座(11)上，从动轮(2)和磁粉制动器(1)用联轴器连接，从动轮(2)和联轴器上的轴采用锥度锁紧装配，磁粉制动器(1)和联轴器安装在固定支座(17)上，主动轮(4)和从动轮(2)上装配传动带；测控部分还包括张紧力加载装置、两个拉力传感器(13、15)、两个光电转速传感器(12、16)，所述张紧力加载装置由步进电机(9)、牵引钢丝绳(7)、卷绳器(8)、拉簧(6)和位移传感器(10)构成，步进电机(9)的输出轴与绕有牵引钢丝绳(7)的卷绳器(8)配合，牵引钢丝绳(7)的一端缠绕在拉簧(6)的左端，拉簧(6)的右端钩在带有小钩的浮动支座(11)上，位移传感器(10)的滑臂固定在浮动支座(11)上，位移传感器(10)的电阻元件固定在底座(19)上，在张紧力加载装置加载完成后用紧固螺栓(14)锁紧浮动支座(11)；两个拉力传感器(13、15)采用悬臂梁式应变片分别贴于主动轮(4)和从动轮(2)的外缘；两个光电转速传感器(12、16)分别安装在主动轮(4)和从动轮(2)背后的环形槽中。
2、 根据权利要求l所述的多类型带传动实验台，其特征在于所述传动带为弹性啮合与 摩擦耦合带、平带、V带、多楔带、永磁带轮式金属带。
3、 根据权利要求l所述的多类型带传动实验台，其特征在于所述测控电路(18)包括 变压器、直流调速电机驱动电路、磁粉制动器功率放大电路、放大整形滤波电路、张紧力 加载控制电路、位移测量及反馈控制电路和变送器。
4、 根据权利要求3所述的多类型带传动实验台，其特征在于测控电路(18)与两个拉 力传感器(13、 15)、两个光电转速传感器(12、 16)、位移传感器(10)、直流调速电机(5)、 磁粉制动器(1)连接。
5、 根据权利要求1 4任一项所述的多类型带传动实验台，其特征在于计算机(19) 的主板插槽内含有数据采集卡和定时计数卡，计算机(19)和测控电路(18)连接。
专利摘要本实用新型提供一种多类型带传动实验台。它由安装成一体的主机机械、测控系统两部分组成。主机机械部分包括底座、浮动支座、固定支座、直流调速电机、磁粉制动器、带传动装置、紧固螺栓等；测控系统包括拉力传感器、光速传感器、张紧力加载装置、测控电路、计算机、测控软件等。本实验台是一种可对多种类型的带传动进行实验的装置，在进行某种带轮的传动实验前，对带轮的简易结构进行拆装，之后可实行计算机控制。适合于高等院校机械设计带传动课程的教学和实验。
文档编号G09B25/00GK201307368SQ20082020427
公开日2009年9月9日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者剑 肖, 强 胡, 陈扬枝 申请人:华南理工大学