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计算机测量综合性实验设计

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摘要:

为了提高学生的动手能力和综合能力,高校的实验教学正从演示性实验向综合性和设计性实验发展。加工过程中的振动给加工过程带来许多不利的影响,为使学生对振动现象有直观认识和了解,设计了机床振动测量的综合性实验,对实验目的、实验内容和实验方式等进行了介绍,对实验效果进行了分析,并提过了实验下一步计划。

关键词:

机械制造技术基础;振动;综合性实验

机械加工中的振动是一种十分有害的现象,因为振动对于加工质量和加工生产效率都有很大影响。在加工过程中通过测量机床的振动情况,对于及时了解加工状况,进而采取有效措施减轻或消除振动的影响是十分必要的。在高校工科机械类专业中,《机械制造技术基础》课程是一门非常重要的专业基础课。因此,机床振动的测量无论是在实际生产还是在教学科研中都具有很强的实用性,《机床振动的计算机测量》实验作为《机械制造技术基础》中一个传统的重要实验,对于学生结合实际,更加深刻的理解课堂知识,具有重要意义。传统的演示性实验方式在实际的实验教学中已经不能满足高校学生的需求,学生的主观能动性不能很好的调动起来,实验效果差,同时也不能培养学生的动手能力和创新能力,为了培养学生综合运用知识的能力,提高学生的实验兴趣,结合当今的计算机和测量技术设计了综合性实验-《机床振动的计算机测量》。

1实验目的

1.1认识机床振动现象及振动对机床和机械加工过程质量的影响。

1.2熟悉测量机床振动所使用的仪器及使用方法;

1.3掌握对振动信号频谱分析的初步方法,并通过对现场测量振动信号的分析结果,初步了解机床空运转条件下引起振动的不同原因。

1.4了解计算机测量系统的主要组成部分及测量原理。

1.5学习了解信号处理的方法和应用,主要了解频谱分析在振动信号分析中的应用。

1.6通过自己动手实验,加深对课本知识的理解,加强动手能力的培养。

2实验原理及实验设备

本实验综合了传感技术,计算机技术,信号处理技术,组成了计算机数据处理系统,实验原理如图1所示。实验系统由工件、夹具、刀架、数据采集卡、三轴加速计,涡流传感器,霍尔元件和计算机处理系统组成。传感器采集振动信号,然后将采集到的振动信号经过信号预处理后(信号放大和滤波),进行A/D转换,送给数据采集,然后经过USB数据传输处理,最后传输给计算机。实验设备如下:(1)数控车床及其加工工件;(2)数据预处理电路板(自己设计制造);(3)数据采集卡(阿尔泰usb2851);(4)三轴加速计(GY521mpu-6050);(5)涡流位移传感器(CWY-DO-504);(6)霍尔元件(ACS758LCB-050B-PFF)。

3实验方式

为了拓宽学生的知识面,提高学生综合运用知识和实际动手能力,改变传统的演示性实验方式,具体措施如下:

3.1教师结合实验设备进行多学科知识点的拓展讲解:除了《机械制造技术基础》课堂上讲授的机床振动的相关知识外,介绍如下相关知识点:3.1.1数控机床相关知识学习:通过现场的数控机床,学生可以进一步加深对数控机床结构,组成及原理等相关知识的理解。

3.1.2传感器相关知识学习:通过对实验中使用的三轴加速计传感器,涡流位移传感器和霍尔测速传感器的学习,加深对传感器测量原理的理解,对传感器在机械加工过程中的应用有进一步的认识和理解。

3.1.3计算机测量系统知识:针对现场的机床振动计算机测量系统,讲解机械加工过程中如果利用计算机技术构建机床的检测系统。

3.2学生结合实验设备的自主学习和实验设计

3.2.1为了锻炼学生自主学习和实践动手的能力,提高学生实验的主观能动性,采取分组的方式,让学生提前对实验方案和实验方法进行设计,让学生自己考虑如何设计实验对机床的振动进行测量。

3.2.2实验现场,每组学生在教师指导下,根据自己的实验方案进行实验前准备,主要包括传感器的安装,仪器设备的接线和测量软件的使用等。同时,给予学生一定的自主时间针对实验设备进一步的认知和学习。

4实验内容及实验步骤

学生设计的实验方案主要能完成如下实验:

4.1数控车床主轴箱绝对振动信号的测量及其振动信号的频谱分析。可以测量数控车床整体在X、Y、Z三个方向上的振动位移,通过对振动信号的频谱分析可以查找振动源。

4.2数控车床工件与刀架相对振动信号的测量和振动信号的频谱分析。可以测量装夹在主轴三爪卡盘上的工件与车刀刀尖之间沿Y方向上的相对振动。工件与刀尖之间的相对振动会在工件表面上留下波纹,影响被加工工件的形状精度和表面粗糙度。

4.3测量数控车床主轴的转数。开动车床使其主轴转速从低到高,分别测量其绝对振动和相对振动量,可以获得车床空运转条件下,车床振动量与主轴转速之间关系的规律。

4.4振动信号分析通过实验测量的不同转速下的振动信号,利用频谱分析方法分析振动信号的频谱,确定振动的性质,进一步分析查找振动来源。

5实验总结及下一步计划

5.1实验总结在天津工业大学机械工程学院机械制造及其自动化专业10个班的机械制造技术基础课程中,自2014年开设了机床振动测量实验的选做实验,经过了2届学生共200余人的实验,从如下几个方面对学生的实验情况分析:

5.1.1学生的主观能动性大大增强:虽然是选修实验,还是吸引了众多学生(约1/3)进行实验。实验过程中,对于自己动手进行实验的准备部分,学生反映认知度很高,学生一致认为这是吸引他们进行实验的主要原因。

5.1.2实验效果好:实验过程中,学生和教师之间的交流和互动大大增加,改变了原有演示实验过程中比较沉默的现象。学生普遍反映对于振动的认识大大增强了,对于计算机测量系统在机械制造中的作用应用方法有了直观的认识,对于自己以后的工作和学习都有很大的启发和引导作用。

5.1.3现有实验设备不能保证学生实验学时现有的一套机床振动测量系统,每次只能保证一组6个学生的实验,对于总共300人的实验需求远远不够。

5.2实验下一步计划:通过2届学生的选做实验检验后,制定了实验的下一步计划:

5.2.1增加振动测量的实验设备为了保证学生的实验课时,争取把振动测量的实验设备增加到4-5套,可以同时满足1个班的实验需求。

5.2.2把实验面向全校开放,学生通过预约可以随时到实验室进行机床振动测量的相关实验,进一步增加实验设备的利用率,为更多的学生提供相关的实验条件。

6结论

设计了机床振动测量的综合性实验,对实验目的,实验设备,实验方式,实验内容等进行了介绍,通过2届学生的实验检验,证明了此综合性实验对于提高学生的实验兴趣,增强学生综合能力具有较好的效果。

参考文献

[1]韩志华,罗学科.机床加工过程中的振动实验研究[J].机床与液压2007,35(2):76-79.

[2]唐一科,蒋刘义,陈国聪.机床振动测试分析系统开发[J].重庆科技学院学报(自然科学版)2011,13(2):113-118.

[3]刘业颜,郑文.数控机床振动测试系统的研究及应用[J].机电工程技术2010,39(2):23-25.

[4]孙伟.振动在数控机床故障诊断中的应用机械研究与应用[J].2004,17(3):31-32.

作者:彭军强 于鸿彬 靳晓曙 单位:天津工业大学 机械工程学院 天津市现代机电装备技术重点实验室

计算机测量综合性实验设计责任编辑:杨雪    阅读:人次