目录 摘
要……………………………………………………………………………………………I
1 绪论.........................................................................................................................................4
1.1 虚拟仪器技术.............................................................................................................4
1.1.1 虚拟仪器的特点........................................................................................................4
1.1.2 虚拟仪器的软件平台................................................................................................5
1.2 研究的目的及意义.......................................................................................................5
1.3 课题主要研究内容.....................................................................................................6
2 带传动基本理论知识.............................................................................................................7
2.1 带传动的分类.............................................................................................................7
2.2 带传动中的作用力.....................................................................................................8
2.3 弹性滑动和打滑.......................................................................................................10
2.4 带传动实验的主要功用........................................................................................... 11
3. 测控系统硬件组成................................................................................................................12
3.1 典型的数据采集系统结构.......................................................................................12
3.2 实验台总体要求.......................................................................................................12
3.3 实验台总体设计方案...............................................................................................13
3.4 实验台本体结构.......................................................................................................14
3.4.1 初选滚动轴承...................................................................................................15
3.4.2电动机的选择....................................................................................................15
3.5 实验台的构造和工作原理.......................................................................................16
3.5.1 主机的结构.......................................................................................................15
3.5.2 测量系统...........................................................................................................16
3.5.3 电气装置...........................................................................................................17
4 装置说明...............................................................................................................................18
结束语.......................................................................................................................................21
参考文献...................................................................................................................................22
致谢...........................................................................................................................................20
带传动测试实验台机械结构设计
摘要: 带传动实验是工科学校《机械设计》课程的重要教学实验之一。实验室原有的带传动试验台由于试验精度低、效率差，已不能适应教学改革的需要。为此学校设立了基于虚拟仪器的带传动试验台的科研项目。本论文就是以此项目为研究课题，详细论述了整个试验台改造的总体方案和工作原理。在此基础上主要进行了机械结构的设计，进行了驱动电动机、支撑轴承等部件的选择，绘制了实验台总体装配图和零件图。
关键词：带传动试验台 机械结构 直流电动机
Structure Design of Belt Drive Test-Bed
Student: Hao-Cuiping Director: Song-Jian
Abstract: The belt drive experiment is very important to engineering students in learning the curricula of "machine design" . Through the experiment the students can comprehend the principle of the belt drive and understand the operate performance of the test-bed, creating good foundation of the application later. But the original belt drive test-bed in the laboratory don't adapt to the request of the reform in education for its inaccuracy and inefficiency, so the laboratory established the projects of
reforming the test-beds. The method and process of the reform are discussed in detail in this thesis which based on the projects. According to the current condition of the laboratory and the request of the projects, this paper analyses and contrasts some reform project, then using the microcomputer and single chip computer constitutes the two stage control system. The microcomputer is used to monitor the whole system and reprocess the data.
Key words: Drive Test-Bed，Structure Design，DC motor
1 绪论
1.1 虚拟仪器技术
所谓虚拟仪器(VI, Virtual Instrument) 是指通过应用程序将通用计算机与功1986年美国国家仪器公司(NI, National Instrnunents) 首能化模块结合起来，用户可以利用计算机强大的数据处理、存储、图形环境和在线帮助功能，建立图形化界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、数据分析、存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能[1]。
1.1.1 虚拟仪器的特点
与传统仪器相比，虚拟仪器打破了传统仪器的“万能”功能概念，充分利用计算机技术；强调“软件就是仪器”的新概念，软件在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的硬件测试功能；仪器或系统的功能、规模可以由用户自己定义，虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使得组建系统变得更加灵活、简单。虚拟仪器是建立在当今世界最新的计算机和数据采集技术基础上的，技术更新很快。虚拟仪器具有以下性能优点：
1 软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件来实现的，所以美国国家仪器公司就曾提出一个著名的口号：软件就是仪器。
2 虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，而且，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，大大缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。另一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器更经济。
3 虚拟仪器的出现，缩短了仪器厂商与用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器的功能，利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。由于PC 机能提供远胜于仪器内部的处理能力，因此，借助于一台通用数据采集系统(或板卡) ，用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。
4 虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测控操作是通过计算机屏幕上的、与传统仪器面板相似的友好图形界面来实现的。
5 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力。如和总线或现场总线等的接口能力，此外，还可以将虚拟仪器接入网络，以实现对现场生产的监控和管理。
6 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投
资。
当然，虚拟仪器的特点还不止这些，作为新型仪器，还有许多传统仪器无法比拟的地方。这使得虚拟仪器的应用领域非常广泛[2]。
1.1.2 虚拟仪器的软件平台
虚拟仪器软件开发平台直接决定了虚拟仪器可实现的功能，开发方式，易用性和可扩充性。
虚拟仪器的开发软件通常可以分为通用软件和专用软件。通用软件就是我们常见的高级汇编语言，比如Visual C++，VB ，Delphi ，Java 等。使用通用软件进行开发具有较高的自由度，可以定义出具有独特个性的虚拟仪器，但是开发周期往往比较长，开发难度比较大。而专用软件一般是指专业的图形化编程软件，比如NI 公司的LabVIEW 、LabWindows/CVI或者HP 公司的VEE 等。它们都向开发者提供了友好图形化开发界面，并且提供了大量的控件和仪器驱动程序可使用。开发者甚至可以并不了解某种具体的开发语言就可以开发出一些简单的虚拟仪器。相对而言，使用专用软件开发虚拟仪器系统编程容易，开发周期短。
本课题选用的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Work Bench) 被称为“科学家与工程师的语言”，是直观的前面板与流程图式编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW 不仅为测试、测量以及过程控制领域提供了大量仪器面板对象，而且用户还可以方便地将现有的控制对象改成适合自己工作领域的控制对象。LabVIEW 基于数据流编译型图形编程环境，解决了其它按解释方式工作的图形编程环境速度慢的问题。LabVIEW 提供了功能强大的函数库，从低层的I/O接口控制子程序，到大量的仪器驱动程序，从基本的数学函数、字符串处理函数到高级的分析库，均可供用户直接调用。此外，LabVIEW 还支持Windows95/98/NT, Macintosh, HP等操作系统平台，在不同平台上开发的应用程序可直接进行移植；提供了DLL 接口和CIN 接口, 使用户在LabVIEW 平台上能调用其他软件平台编译的模块；提供对OLE 的支持[3]。
正是由于LabVIEW 的众多优点，使得它已经成为在数据采集、检测、数据分析等方面领先的开发平台，在世界范围内得到广泛应用。
1.2 研究的目的及意义
在工科院校中，实验是一种重要的教学手段。学生通过做试验，可以加深对所学知识的理解，增强学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力。大部分工科院校中的机械设计基础实验，所用的测试仪器、设备数量少，不能满足学生需要，且设备比较陈旧，更新慢。传统仪器下的实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。
带传动是机械传动中广泛使用的重要方式，也是工科院校机械设计课程中的基础实验之一。主要分析滑动率和传动效率随负载变化的情况，通常在保持主动轮转速和带预紧力不变的前提下，用逐渐加载的方法，不断增加带传动的有效拉力，使带在轮上的弹性滑动不断增加，传动效率也随之变化。传统的带传动实验方法多采用“传感器+二次仪表”的模式，靠人工测试和控制。这种仪器功能单一，只有测量显示数据功能，不能直接得到滑动率和传动效率随负载变化的特性曲线，需要自己根据记录下的数据手工描绘变化趋势；而且这些仪器功能模块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。
我校现用的带传动实验台是由单片机控制，LED 显示，数据经RS232串口传输到计算机进行数据处理得到特性曲线的实验系统，使得系统分别有一个独立的测控面板和一个数据处理面板。不仅交互性差，而且测量误差大，目前已经出现实验结果和理论相悖的情况。
所以有必要研制一种新的带传动实验台来替代原来的实验台。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在仪器仪表中的应用，仪器仪表结构将冲破传统思维模式，发生质的变化。电子测量仪器的发展在经历了模拟仪器；数字化仪器；智能仪器后，虚拟仪器（VI ，Virtual Instruments）成为测量仪器发展的最新阶段。虚拟仪器可视化的编程技术为人与试验台的交互开启了方便之门。把虚拟仪器技术用于带传动实验系统，我们所需要的只是一些必要的硬件加上通用计算机，利用软件就可以大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送和存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的使用效果，提高系统的自动化程度。我们还可以随心所欲地根据自己的要求设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。此外，该试验台的建成将较大程度地提高我系教学、科研的实验手段的现代化水平，能很好地为人才培养和科学研究服务。在新型的控制方案中将充分体现计算机资源和数字化技术的灵活运用。
1.3 课题主要研究内容
本课题将以应用研究为目的，针对带传动实验要求，对整个带传动测控系统进行软硬件设计与集成。
课题主要包括以下研究内容:
（1） 带传动主动轮转速的闭环控制；
（2）无级加载方式的选择与实现；
（3） 运动参数的实时测量方式的选择与实现；
（4）实验系统的软件设计与系统集成。
2 带传动基本理论知识
2.1 带传动的分类
带传动是通过中间挠性曳引元件传递运动和动力的一种机械传动。它使用的挠性曳引元件是各种有较大弹性的传动带。
按工作原理，带传动分为摩擦型普通带传动和啮合型同步带传动。普通带传动的主要优点是：有缓冲和吸振作用；运行平稳、噪声小；结构简单，制造成本低；可通过增减带长以适应不同的中心距要求。普通带传动过载时带会在带轮上打滑，对其他机件有保护作用。它的缺点是：传动带的寿命较短；传递相同圆周力时，外廓尺寸和作用在轴上的载荷比啮合传动大；带与带轮接触面间有相对滑动，不能保证准确的传动比。因而普通带传动一般仅用来传递动力。
同步带传动中带和带轮是靠啮合传动的，因而无相对滑动，能克服上述缺点，用来传递动力。但是同步带传动对制造安装要求较高[4]。
根据横截面形状，摩擦型普通带传动可分为平带传动，V 带传动和特殊截面带（如多楔带、圆带等）传动三大类，见图2.1。
平带的横截面为扁平矩形，其工作面是与轮面相接触的内表面。V 带的横截面为等腰梯形，其工作面是与轮槽相接触的两侧面，带与轮槽底面不接触。由于轮槽的楔形效应，预拉力相同时，V 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，故具有较大的牵引能力，在一般机械传动中应用最广。多楔带是平带和V 带的组合结构，其楔形部分嵌入带轮上的楔形槽内，靠楔面摩擦工作，摩擦力和横向刚度较大，兼有平带和V 带的优点，常用于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，也可用于载荷变动较大或有冲击载荷的传动。圆带的牵引能力小，一般用于轻、小型机械，如缝纫机等。
a) 平带 b) V带 c) 多楔带 d) 圆带
图2.1 带横截面形状
根据带的布置型式可分为开口传动（两轴平行，同向回转）、交叉传动（两轴平行，反向回转）和半交叉传动（两轴交错，不能逆转），见图2.2。
a) 开口传动 b) 交叉传动
图2.2 带布置形式
考虑到制造和安装等要求，本实验系统采用普通平带开口传动方式。
2.2 带传动中的作用力
带传动有主动轮、从动轮和传动带组成。安装时，应给传动带施加一定的初拉力，靠带与带轮间的摩擦力来传递运动和动力。
带在工作前张紧，其两边拉力均为F 0（图2.3a ），F 0称为初拉力。工作时，由于要克服工作阻力，带在绕上主动轮的一边被进一步拉紧，其拉力F 0增大到F 1，F 1称为紧边拉力；带的另一边被放松，其拉力由F 0减小到F 2，F 2称为松边拉力（图2.3b ）。
a) b)
图2.3 带的两边拉力
带的两边拉力之差，称为带传动的有效拉力F ，即
F= F1－F 2 (2-1)
有效拉力F （N ）与带传动传递的功率P （KW ）及带速v （m/s）的关系为
Fv P (2-2) 1000
该式说明，带速一定时，有效拉力越大，则带传动传递的功率也越大，即带传动的工作能力越强[5]。
带的有效拉力等于带轮接触弧上摩擦力的总和。在一定条件下，摩擦力有一极限值，当需要传递的有效拉力超过该值时，带就会在轮面上打滑。打滑是带传动的主要失效形式之一。带工作时松、紧边拉力不等，但总长度不变，故紧边增加的长度与松边减少的长度相等，假设带的材料服从胡克定律，则紧边增加的拉力与松边减少的拉力相等。即
F 1－F 0 =F0－F
2
F 1+F2 =2F0
(2-3)
图2.4带的受力分析
取一微带段dl （上图2.4），带上各力的平衡条件为垂直方向
da da v 2
F sin +(F +dF ) sin -dF N =qdl 22R
中，dF 是紧边拉力增量；dF N 为带轮给微带段的正压力；q 为带的线质量。
da da 取dl=Rda,sin ≈, 略去二阶无穷小，上式为 22
Fda -dF N =qv 2da
水平方向
(F +dF ) cos da da -F cos -μdF N =0 22
中，μ为带与带轮间的摩擦因子。
da 取cos ≈1，得 2dF =μdF N
dF =μ(F -qv 2) da
在摩擦力的极限状态即将要打滑时，积分上式，得
a dF =μda 2⎰0F -qv ⎰F 1
F 2
F 1-qv 2μa (2-4) =e 2F 2-qv
中，a 为包角，即带与带轮接触弧所对应的中心角；e 为自然对数的底[6]。
若带速v
联立式2-1、2-3和2-4，可得反映带传动工作能力的最大有效拉力为Fmax ，即
F max =2(F 0-qv 2)(1-
2) (2-5) μa e +1
该式说明：
1）最大有效拉力与初拉力F 0成正比。控制初拉力对带传动的设计和使用是很重要的。F 0过小不能传递所需载荷，而且容易颤动；F 0过大使带的磨损增加，寿命减短。
2）最大的有效拉力随包角a 、摩擦因子 （与带、带轮的材料及工况有关）的增大而增大，通常设计时要求a ≥1200，本系统a ＝1800。
3）离心力qv 2使最大有效拉力减小[7]，本系统由于带速v
2.3 弹性滑动和打滑
带是弹性体，在拉力作用下会产生弹性伸长。由于紧边拉力大于松边拉力，所以紧边的弹性伸长量必然大于松边的弹性伸长量。如图2.5所示，带在A 1点绕上主动轮到B 1点离开的过程中，带所受拉力由F 1逐渐降至F 2，其弹性伸长量也随之减小，带在带轮上微微向后收缩，而主动轮的圆周速度v 1保持不变，所以带的速度逐渐落后于主动轮的圆周速度，从绕上主动轮时的速度v 1逐渐降至v 2，在带和主动轮之间局部出现相对滑动。这种现象亦发生在从动轮上，当带在A 2点绕上从动轮到B 2点离开的过程中，带以速度v 2绕上从动轮时，使从动轮以圆周速度v 2转动，由于带从松边过渡到紧边，弹性伸长量逐渐增大，使带微微向前拉伸，即带的速度超前于从动轮的圆周速度，带和从动轮之间局部出现相对滑动。这种因带的两边拉力不等而使带弹性变形量不等，引起带与带轮之间局部微小的相对滑动称为弹性滑动[9]。
由于带传动工作时，紧边和松边的拉力不等，所以弹性滑动是不可避免的。
带在带轮上相对滑动的方向
图2.5 带传动的弹性滑动
弹性滑动除造成功率损失和带的磨损外，还导致从动轮的圆周速度v 2低于主动
轮的圆周速度v 1，其降低程度用滑动率ε表示
ε=
v 1-v 2
(2-6) v 1
考虑弹性滑动影响的传动比为
i =
n 1d 2
(2-7) =
n 2d 1(1-ε)
其中，n 1、n 2为主、从动轮的转速；d 1、d 2为主、从动轮直径。 滑动率ε反映了弹性滑动的大小，而弹性滑动的大小与传递载荷的大小及带的结构、材料等因素有关，通常不能得到恒定的ε值，一般可取1%～2%，粗略计算时可忽略不计。实际传动比不是常数。
弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念。弹性滑动是由带工作时紧边和松边存在拉力差，使带的两边弹性变形量不相等，从而引起的带与轮之间局部而微小的相对滑动，这是带传动在正常工作时固有的特性，因而是不可避免的。打滑则是由于过载引起的带在带轮上的全面滑动。打滑时带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低甚至停止运动，致使传动失效。打滑是不希望产生的[10]。
2.4 带传动实验的主要功用
在带传动实验中，当负载达到或超过临界承载能力时，则带与带轮间就发生显著的相对滑动，即产生打滑。打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低，甚至使传动失效。因此，在实际生产中，必须明确带传动在什么状况下会产生打滑。那么，通过带传动实验系统准确测出打滑时的速度及载荷，则是关键所在。本实验系统就是分析带传动过程中的弹性滑动和打滑现象；掌握滑动率和机械效率的测试原理和方法；了解改变预紧力对带传动能力的影响。
其中滑动率由（2-6）式得出：
n 1D 1-n 2D 2n
⨯100%=(1-2) ⨯100% (2-8) n 1n 1
ε=
为了方便制造安装和计算，取主、从动轮直径相等。 传动效率
η=
P 2T 2n 2
=⨯100% (2-9) P T n 111
P 1、P 2—主动轮、从动轮的功率；T 1、T 2—主、从动轮的转矩；n 1、n 2—主、从动轮的转速。
因此，只需测试主、从动轮的转速，转矩就可以计算出滑动率ε和传动效率
η。事实上，带传动的滑动率和传动效率并不是常数，而是随传递功率大小的改
变而变化。为寻求其变化规律，通常在保持主动轮转速和带预紧力不变的前提下，用逐渐加载的方法，不断增加带传动的有效拉力，使带在轮上的弹性滑动不断增加，从动轮的转速不断降低，传动效率也随之变化[11]。
3 测控系统硬件组成
3.1 典型的数据采集系统结构
基于节约成本，高性价比、灵活通用性强，本系统选择DAQ 系统为测试系统的主框架。在一个实际的数据采集系统中，要用计算机来监控现场的各种参数，首先就要用传感器把各种物理信号测量出来，且转换成电信号，再经过A/D转换，送入计算机中进行分析处理，其系统结构如图3.1。
图3.1 模拟输入输出通道系统
传感器：将各种现场物理量测量出来并转换成电信号(模拟电压或电流) 。 放大器：把传感器输出的信号放大到ADC 所需的量程范围。 低通滤波器：用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比。
多路开关：在实际应用中，常常要对多个模拟量进行转换，而现场信号的变化通常比较缓慢，没有必要对每个通道单独配置一个A/D转换器。这时可以采用一个多路开关，通过计算机控制，把多个现场信号分时地切换到A/D转换器上，达到共享A/D转换器以节省硬件的目的。
采样保持器：对高速变化的信号进行A/D转换时，为了保证转换的精度，需要使用采样保持器。周期性的采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变。
A/D转换器：将模拟信号转换成数字信号的芯片[12]。
3.2 实验台总体要求
无论是传动试验或实验室中未知因素的探索试验还是已知因素的验证试验，都应该使试验条件与传动的实际工作条件一致，而工作条件中主要是载荷和速度。因此试验若是在规定的载荷和速度下，传动件象工作时那样转动，即在运转情况下试验则最符合实际。
试验台应该满足下面的主要要求：
1 能研究和试验比较多的影响因素，能适应试验目的和要求，尽可能做到一机多能；
2 要有适宜的准确度。试验台的载荷、速度和各种测量应有足够的准确度。准确度应与试验目的相适应，脱离实际的过高的准确度也是不合适的；
3 要尽量符合传动实验的实际工作情况，真实性好； 4 要有足够的强度和刚度，使用性能好；
5 要节省人力物力，经济性好。试验台的成本应在满足试验要求下尽量降低。试件的拆换，各个参数的测量、试验台的维护等等要省力方便，且节约动力消耗。
实验台的测控应满足以下几个条件： 1 采样精度高，数据准确；
2 采样范围宽，能实现不同频率下的采样；
3 自动处理分析数据，得出分析结果。能够在线实时控制转速、负载的变化，响应速度快，抗干扰能力强；
4 操作方便，易于控制[13]。
3.3 实验台总体设计方案
本实验台主要用于科研和教学。主动轮由直流电机驱动，采用PWM （脉宽调速）系统实现无级调速；从动轮经磁粉制动器实现无级加载。光电脉冲传感器测量转速，为了得到0～5V 的脉冲信号，使用放大整形电路对波形进行整改。拉力传感器间接测量转矩，由于拉力传感器信号微小，使用变送器对其进行放大。信号进入计算机前经过滤波电路消除干扰影响。数据采集卡和定时计数卡把采集到的信号送计算机，并把计算机发出的控制信号经过驱动电路对电机进行闭环控制，对磁粉制动器进行开环控制。整个过程由软件控制[14]。总体方案图见图3.2。
3.4 实验台本体结构
实验台本体结构如图3.3所示。主动轮安装在直流电机主轴上，从动轮安装在磁粉制动器主轴上。其中主动轮的机座设计成浮动结构，安装在滑动导轨上，与牵引钢丝绳、定滑轮、砝码一起组成带传动预紧力调节机构，改变砝码大小，即可准确地预定带传动的预紧力。直流电动机和磁粉制动器均为悬挂支撑，当传递载荷时，作用于电机和制动器定子上的力矩迫使拉钩作用于拉力传感器（序号13），使传感器输出按一定比例变化的电信号。转速传感器（光电传感器）分别装在主、从动轮背后的环形槽（本图未表示出）中，当带轮转动时由此产生脉冲信号[15]。
图3.2 系统总体方案图
图3.3 带传动实验台
3.4.1 初选滚动轴承
滚动轴承的类型应根据所受载荷的大小、性质、方向，轴的转速及其工作要求进行选择。若只受径向载荷或主要是径向载荷而轴向载荷较小，轴的转速较高，则选择深沟球轴承。若轴承承受径向力和较大的轴向力或需要 调整传动件（如锥齿轮、蜗杆蜗轮）的轴向位置，则应选择角接触球轴承或者圆锥滚子轴承。由于圆锥滚子轴承装拆调整方便，价格较低，故应用最多。在本设计中考虑到轴上零件的定位和固定选用的轴承类型是6210[16]。
3.4.2电动机的选择
Y 系列电动机为全封闭自扇冷式笼形三项异步电动机，使按照国际电工委员
会标准设计的，具有国际互换性的特点。用于空气不含易燃、易炸或腐蚀性气体的场所。在本设计中考虑到额定功率、满载转速和所设计的尺寸，选用的电动机型号为Y100L2-4。
3.5 实验台的构造和工作原理
3.5.1 主机的结构
主机是一个装有平带的传动结构装置。
主电机是直流电动机装在滑坐上，可沿滑座滑动，电机轴上装有主动轮，通过平带带动从动轮 ，从动轮装在直流发电机的轴上。在直流发电机的输出之路上，并联了八个灯泡，每个四十瓦，作为传动的加载装置。砝码通过钢丝绳，定滑轮拉进滑座，从而使带张紧，并保证一定的初拉力。开启灯泡，以改变发电机的负载电阻，随着开灯泡的增多，发电机的负载增大，带的受力增大，带的弹性滑动逐步增加。当带断传递的载荷刚好达到所能传递的最大有效圆周率时，带开始打滑，当负载继续增加时则完全打滑。
3.5.2 测量系统
测量系统有点转速测定装置和电机的侧扭矩装置两部分组成 1. 光电测转速装置
在主动轮和从动轮的轴上分别安装一同步转盘，在转盘的统一半径上钻有一小孔，在小孔的一侧固定有光电传感器，并使传感器的侧头正对小孔。待轮转动时，就可在数码管上直接读出带轮的转速
2．扭矩测量装置
主动轮的扭矩和从动轮的扭矩均通过电机外科来测量测定。
电动机和发电机的外壳制成在制作的滚动轴承中，并可以绕与转子向重合的轴线摆动。当发电机启动和发电机负载后，由于定子磁场和转子磁场的相互作用，电动机的外壳将向转子旋转的同向倾倒，它们的倾倒力矩可分别通过固定在定子外壳上的测力计所得的力矩来平衡[17]。
3.5.3 电气装置
转速装置有两部分组成：一部分为脉冲宽度调制原理所设计的支流电机
调速电源；另一部分为电动机和发电机各自的转速测量电路及显示电路以及各自的红外传感器电路。调速电源能输出电动机和发电机励磁电压，还能输出电动机所需的电枢电压，调节面板上“调速“旋钮，即可获得不同的电枢电压，也就改变了电动机的转速，通过皮带的作用，也就同时改变了发电机的转速，使发电机输出不同的功率。发电机的电枢端最多可接八个40瓦灯泡作为负载，改变面板上的开关状态，既可改变发电机的负载量。
4 装置说明
此次设计的试验机装置，主机主要是一个平带的传动装置。主电机是直流电动机装在滑坐31上，可沿滑杆32滑动，电机轴上装有主动轮，通过平带带动从动轮 ，从动轮装在直流发电机的轴上。在直流发电机的输出之路上，并联了八个灯泡，每个四十瓦，作为传动的加载装置。砝码26通过钢丝绳，定滑轮10和11拉进滑座31，从而使带张紧，并保证一定的初拉力。开启灯泡，以改变发电机的负载电阻，随着开灯泡的增多，发电机的负载增大，带的受力增大，带的弹性滑动逐步增加。当带断传递的载荷刚好达到所能传递的最大有效圆周率时，
带开始打滑，当负载继续增加时则完全打滑当负载继续增加时则完全打滑[18]。
4.1装配图主视图
装置的设计简单，总体框架是有25 mm的等边角钢24焊接而成。其设计成本大为减少，而且能够满足刚度要求。电机5选择Y100L2-4。4为测力计和减震装置，其检测带传动的张紧力，减震装置可以有效的减少冲击冲击力，使检测数据更为精确。四个支座为铸造件其内孔先粗镗在精镗，加工精度必须按照图纸要求加工以保证其传动的精度。皮带轮的设计应根据其标准尺寸设计，传动比为1：1决定了两个带论轮的尺寸的一致。待轮的固定有阶梯轴和挡板来完成，挡板用螺栓来固定。轴承的选型非常重要必须用高精度等级的轴承，可以选择单列向心球轴承也可以选择深沟滚动球轴承。此装置选择精度等级为IT6的6205。计数脉冲产生器通过检测带孔圆盘19的圆孔经过红外线的次数来检测其电动机和发电机的转速以此判定是否有打滑现象的发生[19]。
滑动装置也是此次设计的关键环节，一方面要把发电机固定在上面，另一方面还要求其滑动并且不产生偏转倾斜的现象。为了完成上述要求采用两个滑杆两端用滑杆固定
4.2装配图左视图
4.3装配图俯视图
支座固定在结构框架上，移动滑杆支座一端固定在滑杆上另一端固定在滑板上，固定支座和移动支座都用四个这样就不会产生偏转倾斜现象。滑板上再固定发电机和力检测装置。
结束语
本文综合运用计算机软硬件技术、信号传感技术和白动控制技术，对带传动实验系统进行了研究。带传动实验系统的研制对T 改善实验教学，提高教学效果具有重要意义。本课题取得以下成果:
1利用PID 算法实现了转速的白动控制。
2利用磁粉制动器，实现了带轮无级白动加载，解决了日前绝人多数实验台只能进行恒定载荷加载或简单的程序控制阶梯加载的灵活性低问题。
3采用模块化设计的思想，以LabVIEW 为软件平台进行了软件开发和调试。在软件中采用了先进的多线程技术，使得多任务系统得以高效率和高可靠的实现，增强了土控界面的实时操作性。
基于虚拟仪器的带传动实验和PID 调速实验系统用计算机虚拟仪器技术传统的电子测量仪器，增强了系统的扩展能力，缩短了开发周期，降低了硬件费用。经过实验验证，系统能准确测定带传动的滑动率和传动效率曲线，以及电机的动特性曲线，达到了预期的结果。该系统工作良好，性能稳定可靠。
参考文献
[1]路林吉, 饶家明. 虚拟仪器概论[M].电子技术.2000.1:35-40
[2]徐虹. 基于面向对象技术的虚拟仪器系统的研究与开发[D]. 江西师范大学.2003.
[3]杜金榜, 王跃科. 仪器仪表技术的发展趋向[R]. 仪器仪表学报.2002.
[4]刘道玉, 迟毅林. 基于PC 的虚拟仪器及其技术研究[R]. 国外电子测量技术.2004
[5]林正盛. 虚拟仪器技术及其发展[R]. 国外电子测量技术.1997
[6]邓振杰, 齐建玲, 李广川等. 基于LabVIEW 构建虚拟仪器系统[R]. 华北航大工业学院学报，2001
[7]李刚, 林凌.LabVIEW 一易学易用的计算机图形化编程语言[M]. 北京:北京航空航大大学出
版社，2001:20-23
[8]杨乐平, 李海涛, 肖相生等.LabVIEW 程序设计与应用[M]. 北京:电子I 一业出版社.2001:40-45
[9〕陈隆道, 周箭, 许吕. 虚拟仪器一测试技术的新领域[R]. 科技通报.1999
[10]明刘勇求, 赵望达, 贺毅. 虚拟仪器技术应用现状及发展趋势[R]. 白动化博览.2004,5
[11]陆萍.V 带传动性能参数白动测试系统的研制[R]. 农业机械学报.2001
[12]张光国. 机电一体化综合测试实验台[M]. 机电一体化.2004,5:54-56
[13]朱文星, 于瑞玲, 贾磊. 基于虚拟仪器机械动力参数白动测试系统的开发[M]. 微计算机信
息.2003,5:12-26
[14]陈秀宁, 叶宗兴, 林世雄等. 机械设计基础[M]. 浙江人学出版社.1994,3:25-33
[15]张永才. 实验设备和技术[M]. 西安:西北工业大学出版社，1988,5:43-51
[16]吴守簇,fib, 英杰, 熊小林. 电气传动的脉宽调制控制技术[M]. 北京:机械工业出版社.1998,6:36-42
[18]雷振.LabVIEW 7 Express实用教程[M]. 中国铁道出版社.2004.6:56-69
[19]杨乐平, 李海涛, 赵勇等.LabVIEW 高级程序设计[M]. 北京:清华人学出版社.2003,5:36-39
致谢
时光飞逝，一转眼两年的大学生涯即将结束。在这一段特殊的求学生涯，我不但增长了知识，开阔了视野，还提高了白己的动手能力以及分析问题解决问题的能力。所有的这些收获都离不开老师和同学们对我的帮助。
首先要感谢我尊敬的指导老师宋健老师。宋老师不但在科研上无私指导我们，给我们提供良好的实验条件。他胸怀坦荡、为人师表，给我留下了深刻的印象。在课题的研究及论文编写过程中，宋老师对存在的问题及设计思想给与了细心分析和指导，使本文的研究得以顺利完成。他对工作一丝不苟，精益求精的精神将是我一生学习和追逐的目标。在过去的岁月里，他不光教会我怎样更好的做
事，还教会我怎样更好地做人。
另外，宋老师为我的论文提出建设性的建议，并为我提供便利的实验条件。张斌在论文撰写方面给予帮助。在此特表示衷心的感谢!
同时，感谢实验室全体成员对我的关怀，和大家在一起我度过了非常美好的一段时光。祝愿大家在今后的学习、生活中更上一层楼。
再次感谢所有曾帮助过我的老师、同学和朋友。
感谢所有审阅论文的老师，你们的意见将是极其宝贵的。
由于作者水平有限，论文难免存在不足之处，恳请批评指正。
目录 摘
要……………………………………………………………………………………………I
1 绪论.........................................................................................................................................4
1.1 虚拟仪器技术.............................................................................................................4
1.1.1 虚拟仪器的特点........................................................................................................4
1.1.2 虚拟仪器的软件平台................................................................................................5
1.2 研究的目的及意义.......................................................................................................5
1.3 课题主要研究内容.....................................................................................................6
2 带传动基本理论知识.............................................................................................................7
2.1 带传动的分类.............................................................................................................7
2.2 带传动中的作用力.....................................................................................................8
2.3 弹性滑动和打滑.......................................................................................................10
2.4 带传动实验的主要功用........................................................................................... 11
3. 测控系统硬件组成................................................................................................................12
3.1 典型的数据采集系统结构.......................................................................................12
3.2 实验台总体要求.......................................................................................................12
3.3 实验台总体设计方案...............................................................................................13
3.4 实验台本体结构.......................................................................................................14
3.4.1 初选滚动轴承...................................................................................................15
3.4.2电动机的选择....................................................................................................15
3.5 实验台的构造和工作原理.......................................................................................16
3.5.1 主机的结构.......................................................................................................15
3.5.2 测量系统...........................................................................................................16
3.5.3 电气装置...........................................................................................................17
4 装置说明...............................................................................................................................18
结束语.......................................................................................................................................21
参考文献...................................................................................................................................22
致谢...........................................................................................................................................20
带传动测试实验台机械结构设计
摘要: 带传动实验是工科学校《机械设计》课程的重要教学实验之一。实验室原有的带传动试验台由于试验精度低、效率差，已不能适应教学改革的需要。为此学校设立了基于虚拟仪器的带传动试验台的科研项目。本论文就是以此项目为研究课题，详细论述了整个试验台改造的总体方案和工作原理。在此基础上主要进行了机械结构的设计，进行了驱动电动机、支撑轴承等部件的选择，绘制了实验台总体装配图和零件图。
关键词：带传动试验台 机械结构 直流电动机
Structure Design of Belt Drive Test-Bed
Student: Hao-Cuiping Director: Song-Jian
Abstract: The belt drive experiment is very important to engineering students in learning the curricula of "machine design" . Through the experiment the students can comprehend the principle of the belt drive and understand the operate performance of the test-bed, creating good foundation of the application later. But the original belt drive test-bed in the laboratory don't adapt to the request of the reform in education for its inaccuracy and inefficiency, so the laboratory established the projects of
reforming the test-beds. The method and process of the reform are discussed in detail in this thesis which based on the projects. According to the current condition of the laboratory and the request of the projects, this paper analyses and contrasts some reform project, then using the microcomputer and single chip computer constitutes the two stage control system. The microcomputer is used to monitor the whole system and reprocess the data.
Key words: Drive Test-Bed，Structure Design，DC motor
1 绪论
1.1 虚拟仪器技术
所谓虚拟仪器(VI, Virtual Instrument) 是指通过应用程序将通用计算机与功1986年美国国家仪器公司(NI, National Instrnunents) 首能化模块结合起来，用户可以利用计算机强大的数据处理、存储、图形环境和在线帮助功能，建立图形化界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制、数据分析、存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能[1]。
1.1.1 虚拟仪器的特点
与传统仪器相比，虚拟仪器打破了传统仪器的“万能”功能概念，充分利用计算机技术；强调“软件就是仪器”的新概念，软件在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的硬件测试功能；仪器或系统的功能、规模可以由用户自己定义，虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使得组建系统变得更加灵活、简单。虚拟仪器是建立在当今世界最新的计算机和数据采集技术基础上的，技术更新很快。虚拟仪器具有以下性能优点：
1 软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的硬件确立后，它的功能主要是通过软件来实现的，所以美国国家仪器公司就曾提出一个著名的口号：软件就是仪器。
2 虚拟仪器的性价比高。一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，而且，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，大大缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期。另一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系统的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，因此，使用虚拟仪器比传统仪器更经济。
3 虚拟仪器的出现，缩短了仪器厂商与用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器的功能，利用虚拟仪器，用户可以组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。由于PC 机能提供远胜于仪器内部的处理能力，因此，借助于一台通用数据采集系统(或板卡) ，用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器。
4 虚拟仪器具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测控操作是通过计算机屏幕上的、与传统仪器面板相似的友好图形界面来实现的。
5 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力。如和总线或现场总线等的接口能力，此外，还可以将虚拟仪器接入网络，以实现对现场生产的监控和管理。
6 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投
资。
当然，虚拟仪器的特点还不止这些，作为新型仪器，还有许多传统仪器无法比拟的地方。这使得虚拟仪器的应用领域非常广泛[2]。
1.1.2 虚拟仪器的软件平台
虚拟仪器软件开发平台直接决定了虚拟仪器可实现的功能，开发方式，易用性和可扩充性。
虚拟仪器的开发软件通常可以分为通用软件和专用软件。通用软件就是我们常见的高级汇编语言，比如Visual C++，VB ，Delphi ，Java 等。使用通用软件进行开发具有较高的自由度，可以定义出具有独特个性的虚拟仪器，但是开发周期往往比较长，开发难度比较大。而专用软件一般是指专业的图形化编程软件，比如NI 公司的LabVIEW 、LabWindows/CVI或者HP 公司的VEE 等。它们都向开发者提供了友好图形化开发界面，并且提供了大量的控件和仪器驱动程序可使用。开发者甚至可以并不了解某种具体的开发语言就可以开发出一些简单的虚拟仪器。相对而言，使用专用软件开发虚拟仪器系统编程容易，开发周期短。
本课题选用的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Work Bench) 被称为“科学家与工程师的语言”，是直观的前面板与流程图式编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW 不仅为测试、测量以及过程控制领域提供了大量仪器面板对象，而且用户还可以方便地将现有的控制对象改成适合自己工作领域的控制对象。LabVIEW 基于数据流编译型图形编程环境，解决了其它按解释方式工作的图形编程环境速度慢的问题。LabVIEW 提供了功能强大的函数库，从低层的I/O接口控制子程序，到大量的仪器驱动程序，从基本的数学函数、字符串处理函数到高级的分析库，均可供用户直接调用。此外，LabVIEW 还支持Windows95/98/NT, Macintosh, HP等操作系统平台，在不同平台上开发的应用程序可直接进行移植；提供了DLL 接口和CIN 接口, 使用户在LabVIEW 平台上能调用其他软件平台编译的模块；提供对OLE 的支持[3]。
正是由于LabVIEW 的众多优点，使得它已经成为在数据采集、检测、数据分析等方面领先的开发平台，在世界范围内得到广泛应用。
1.2 研究的目的及意义
在工科院校中，实验是一种重要的教学手段。学生通过做试验，可以加深对所学知识的理解，增强学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力。大部分工科院校中的机械设计基础实验，所用的测试仪器、设备数量少，不能满足学生需要，且设备比较陈旧，更新慢。传统仪器下的实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。
带传动是机械传动中广泛使用的重要方式，也是工科院校机械设计课程中的基础实验之一。主要分析滑动率和传动效率随负载变化的情况，通常在保持主动轮转速和带预紧力不变的前提下，用逐渐加载的方法，不断增加带传动的有效拉力，使带在轮上的弹性滑动不断增加，传动效率也随之变化。传统的带传动实验方法多采用“传感器+二次仪表”的模式，靠人工测试和控制。这种仪器功能单一，只有测量显示数据功能，不能直接得到滑动率和传动效率随负载变化的特性曲线，需要自己根据记录下的数据手工描绘变化趋势；而且这些仪器功能模块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。
我校现用的带传动实验台是由单片机控制，LED 显示，数据经RS232串口传输到计算机进行数据处理得到特性曲线的实验系统，使得系统分别有一个独立的测控面板和一个数据处理面板。不仅交互性差，而且测量误差大，目前已经出现实验结果和理论相悖的情况。
所以有必要研制一种新的带传动实验台来替代原来的实验台。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在仪器仪表中的应用，仪器仪表结构将冲破传统思维模式，发生质的变化。电子测量仪器的发展在经历了模拟仪器；数字化仪器；智能仪器后，虚拟仪器（VI ，Virtual Instruments）成为测量仪器发展的最新阶段。虚拟仪器可视化的编程技术为人与试验台的交互开启了方便之门。把虚拟仪器技术用于带传动实验系统，我们所需要的只是一些必要的硬件加上通用计算机，利用软件就可以大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送和存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的使用效果，提高系统的自动化程度。我们还可以随心所欲地根据自己的要求设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。此外，该试验台的建成将较大程度地提高我系教学、科研的实验手段的现代化水平，能很好地为人才培养和科学研究服务。在新型的控制方案中将充分体现计算机资源和数字化技术的灵活运用。
1.3 课题主要研究内容
本课题将以应用研究为目的，针对带传动实验要求，对整个带传动测控系统进行软硬件设计与集成。
课题主要包括以下研究内容:
（1） 带传动主动轮转速的闭环控制；
（2）无级加载方式的选择与实现；
（3） 运动参数的实时测量方式的选择与实现；
（4）实验系统的软件设计与系统集成。
2 带传动基本理论知识
2.1 带传动的分类
带传动是通过中间挠性曳引元件传递运动和动力的一种机械传动。它使用的挠性曳引元件是各种有较大弹性的传动带。
按工作原理，带传动分为摩擦型普通带传动和啮合型同步带传动。普通带传动的主要优点是：有缓冲和吸振作用；运行平稳、噪声小；结构简单，制造成本低；可通过增减带长以适应不同的中心距要求。普通带传动过载时带会在带轮上打滑，对其他机件有保护作用。它的缺点是：传动带的寿命较短；传递相同圆周力时，外廓尺寸和作用在轴上的载荷比啮合传动大；带与带轮接触面间有相对滑动，不能保证准确的传动比。因而普通带传动一般仅用来传递动力。
同步带传动中带和带轮是靠啮合传动的，因而无相对滑动，能克服上述缺点，用来传递动力。但是同步带传动对制造安装要求较高[4]。
根据横截面形状，摩擦型普通带传动可分为平带传动，V 带传动和特殊截面带（如多楔带、圆带等）传动三大类，见图2.1。
平带的横截面为扁平矩形，其工作面是与轮面相接触的内表面。V 带的横截面为等腰梯形，其工作面是与轮槽相接触的两侧面，带与轮槽底面不接触。由于轮槽的楔形效应，预拉力相同时，V 带传动较平带传动能产生更大的摩擦力，故具有较大的牵引能力，在一般机械传动中应用最广。多楔带是平带和V 带的组合结构，其楔形部分嵌入带轮上的楔形槽内，靠楔面摩擦工作，摩擦力和横向刚度较大，兼有平带和V 带的优点，常用于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，也可用于载荷变动较大或有冲击载荷的传动。圆带的牵引能力小，一般用于轻、小型机械，如缝纫机等。
a) 平带 b) V带 c) 多楔带 d) 圆带
图2.1 带横截面形状
根据带的布置型式可分为开口传动（两轴平行，同向回转）、交叉传动（两轴平行，反向回转）和半交叉传动（两轴交错，不能逆转），见图2.2。
a) 开口传动 b) 交叉传动
图2.2 带布置形式
考虑到制造和安装等要求，本实验系统采用普通平带开口传动方式。
2.2 带传动中的作用力
带传动有主动轮、从动轮和传动带组成。安装时，应给传动带施加一定的初拉力，靠带与带轮间的摩擦力来传递运动和动力。
带在工作前张紧，其两边拉力均为F 0（图2.3a ），F 0称为初拉力。工作时，由于要克服工作阻力，带在绕上主动轮的一边被进一步拉紧，其拉力F 0增大到F 1，F 1称为紧边拉力；带的另一边被放松，其拉力由F 0减小到F 2，F 2称为松边拉力（图2.3b ）。
a) b)
图2.3 带的两边拉力
带的两边拉力之差，称为带传动的有效拉力F ，即
F= F1－F 2 (2-1)
有效拉力F （N ）与带传动传递的功率P （KW ）及带速v （m/s）的关系为
Fv P (2-2) 1000
该式说明，带速一定时，有效拉力越大，则带传动传递的功率也越大，即带传动的工作能力越强[5]。
带的有效拉力等于带轮接触弧上摩擦力的总和。在一定条件下，摩擦力有一极限值，当需要传递的有效拉力超过该值时，带就会在轮面上打滑。打滑是带传动的主要失效形式之一。带工作时松、紧边拉力不等，但总长度不变，故紧边增加的长度与松边减少的长度相等，假设带的材料服从胡克定律，则紧边增加的拉力与松边减少的拉力相等。即
F 1－F 0 =F0－F
2
F 1+F2 =2F0
(2-3)
图2.4带的受力分析
取一微带段dl （上图2.4），带上各力的平衡条件为垂直方向
da da v 2
F sin +(F +dF ) sin -dF N =qdl 22R
中，dF 是紧边拉力增量；dF N 为带轮给微带段的正压力；q 为带的线质量。
da da 取dl=Rda,sin ≈, 略去二阶无穷小，上式为 22
Fda -dF N =qv 2da
水平方向
(F +dF ) cos da da -F cos -μdF N =0 22
中，μ为带与带轮间的摩擦因子。
da 取cos ≈1，得 2dF =μdF N
dF =μ(F -qv 2) da
在摩擦力的极限状态即将要打滑时，积分上式，得
a dF =μda 2⎰0F -qv ⎰F 1
F 2
F 1-qv 2μa (2-4) =e 2F 2-qv
中，a 为包角，即带与带轮接触弧所对应的中心角；e 为自然对数的底[6]。
若带速v
联立式2-1、2-3和2-4，可得反映带传动工作能力的最大有效拉力为Fmax ，即
F max =2(F 0-qv 2)(1-
2) (2-5) μa e +1
该式说明：
1）最大有效拉力与初拉力F 0成正比。控制初拉力对带传动的设计和使用是很重要的。F 0过小不能传递所需载荷，而且容易颤动；F 0过大使带的磨损增加，寿命减短。
2）最大的有效拉力随包角a 、摩擦因子 （与带、带轮的材料及工况有关）的增大而增大，通常设计时要求a ≥1200，本系统a ＝1800。
3）离心力qv 2使最大有效拉力减小[7]，本系统由于带速v
2.3 弹性滑动和打滑
带是弹性体，在拉力作用下会产生弹性伸长。由于紧边拉力大于松边拉力，所以紧边的弹性伸长量必然大于松边的弹性伸长量。如图2.5所示，带在A 1点绕上主动轮到B 1点离开的过程中，带所受拉力由F 1逐渐降至F 2，其弹性伸长量也随之减小，带在带轮上微微向后收缩，而主动轮的圆周速度v 1保持不变，所以带的速度逐渐落后于主动轮的圆周速度，从绕上主动轮时的速度v 1逐渐降至v 2，在带和主动轮之间局部出现相对滑动。这种现象亦发生在从动轮上，当带在A 2点绕上从动轮到B 2点离开的过程中，带以速度v 2绕上从动轮时，使从动轮以圆周速度v 2转动，由于带从松边过渡到紧边，弹性伸长量逐渐增大，使带微微向前拉伸，即带的速度超前于从动轮的圆周速度，带和从动轮之间局部出现相对滑动。这种因带的两边拉力不等而使带弹性变形量不等，引起带与带轮之间局部微小的相对滑动称为弹性滑动[9]。
由于带传动工作时，紧边和松边的拉力不等，所以弹性滑动是不可避免的。
带在带轮上相对滑动的方向
图2.5 带传动的弹性滑动
弹性滑动除造成功率损失和带的磨损外，还导致从动轮的圆周速度v 2低于主动
轮的圆周速度v 1，其降低程度用滑动率ε表示
ε=
v 1-v 2
(2-6) v 1
考虑弹性滑动影响的传动比为
i =
n 1d 2
(2-7) =
n 2d 1(1-ε)
其中，n 1、n 2为主、从动轮的转速；d 1、d 2为主、从动轮直径。 滑动率ε反映了弹性滑动的大小，而弹性滑动的大小与传递载荷的大小及带的结构、材料等因素有关，通常不能得到恒定的ε值，一般可取1%～2%，粗略计算时可忽略不计。实际传动比不是常数。
弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念。弹性滑动是由带工作时紧边和松边存在拉力差，使带的两边弹性变形量不相等，从而引起的带与轮之间局部而微小的相对滑动，这是带传动在正常工作时固有的特性，因而是不可避免的。打滑则是由于过载引起的带在带轮上的全面滑动。打滑时带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低甚至停止运动，致使传动失效。打滑是不希望产生的[10]。
2.4 带传动实验的主要功用
在带传动实验中，当负载达到或超过临界承载能力时，则带与带轮间就发生显著的相对滑动，即产生打滑。打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低，甚至使传动失效。因此，在实际生产中，必须明确带传动在什么状况下会产生打滑。那么，通过带传动实验系统准确测出打滑时的速度及载荷，则是关键所在。本实验系统就是分析带传动过程中的弹性滑动和打滑现象；掌握滑动率和机械效率的测试原理和方法；了解改变预紧力对带传动能力的影响。
其中滑动率由（2-6）式得出：
n 1D 1-n 2D 2n
⨯100%=(1-2) ⨯100% (2-8) n 1n 1
ε=
为了方便制造安装和计算，取主、从动轮直径相等。 传动效率
η=
P 2T 2n 2
=⨯100% (2-9) P T n 111
P 1、P 2—主动轮、从动轮的功率；T 1、T 2—主、从动轮的转矩；n 1、n 2—主、从动轮的转速。
因此，只需测试主、从动轮的转速，转矩就可以计算出滑动率ε和传动效率
η。事实上，带传动的滑动率和传动效率并不是常数，而是随传递功率大小的改
变而变化。为寻求其变化规律，通常在保持主动轮转速和带预紧力不变的前提下，用逐渐加载的方法，不断增加带传动的有效拉力，使带在轮上的弹性滑动不断增加，从动轮的转速不断降低，传动效率也随之变化[11]。
3 测控系统硬件组成
3.1 典型的数据采集系统结构
基于节约成本，高性价比、灵活通用性强，本系统选择DAQ 系统为测试系统的主框架。在一个实际的数据采集系统中，要用计算机来监控现场的各种参数，首先就要用传感器把各种物理信号测量出来，且转换成电信号，再经过A/D转换，送入计算机中进行分析处理，其系统结构如图3.1。
图3.1 模拟输入输出通道系统
传感器：将各种现场物理量测量出来并转换成电信号(模拟电压或电流) 。 放大器：把传感器输出的信号放大到ADC 所需的量程范围。 低通滤波器：用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比。
多路开关：在实际应用中，常常要对多个模拟量进行转换，而现场信号的变化通常比较缓慢，没有必要对每个通道单独配置一个A/D转换器。这时可以采用一个多路开关，通过计算机控制，把多个现场信号分时地切换到A/D转换器上，达到共享A/D转换器以节省硬件的目的。
采样保持器：对高速变化的信号进行A/D转换时，为了保证转换的精度，需要使用采样保持器。周期性的采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变。
A/D转换器：将模拟信号转换成数字信号的芯片[12]。
3.2 实验台总体要求
无论是传动试验或实验室中未知因素的探索试验还是已知因素的验证试验，都应该使试验条件与传动的实际工作条件一致，而工作条件中主要是载荷和速度。因此试验若是在规定的载荷和速度下，传动件象工作时那样转动，即在运转情况下试验则最符合实际。
试验台应该满足下面的主要要求：
1 能研究和试验比较多的影响因素，能适应试验目的和要求，尽可能做到一机多能；
2 要有适宜的准确度。试验台的载荷、速度和各种测量应有足够的准确度。准确度应与试验目的相适应，脱离实际的过高的准确度也是不合适的；
3 要尽量符合传动实验的实际工作情况，真实性好； 4 要有足够的强度和刚度，使用性能好；
5 要节省人力物力，经济性好。试验台的成本应在满足试验要求下尽量降低。试件的拆换，各个参数的测量、试验台的维护等等要省力方便，且节约动力消耗。
实验台的测控应满足以下几个条件： 1 采样精度高，数据准确；
2 采样范围宽，能实现不同频率下的采样；
3 自动处理分析数据，得出分析结果。能够在线实时控制转速、负载的变化，响应速度快，抗干扰能力强；
4 操作方便，易于控制[13]。
3.3 实验台总体设计方案
本实验台主要用于科研和教学。主动轮由直流电机驱动，采用PWM （脉宽调速）系统实现无级调速；从动轮经磁粉制动器实现无级加载。光电脉冲传感器测量转速，为了得到0～5V 的脉冲信号，使用放大整形电路对波形进行整改。拉力传感器间接测量转矩，由于拉力传感器信号微小，使用变送器对其进行放大。信号进入计算机前经过滤波电路消除干扰影响。数据采集卡和定时计数卡把采集到的信号送计算机，并把计算机发出的控制信号经过驱动电路对电机进行闭环控制，对磁粉制动器进行开环控制。整个过程由软件控制[14]。总体方案图见图3.2。
3.4 实验台本体结构
实验台本体结构如图3.3所示。主动轮安装在直流电机主轴上，从动轮安装在磁粉制动器主轴上。其中主动轮的机座设计成浮动结构，安装在滑动导轨上，与牵引钢丝绳、定滑轮、砝码一起组成带传动预紧力调节机构，改变砝码大小，即可准确地预定带传动的预紧力。直流电动机和磁粉制动器均为悬挂支撑，当传递载荷时，作用于电机和制动器定子上的力矩迫使拉钩作用于拉力传感器（序号13），使传感器输出按一定比例变化的电信号。转速传感器（光电传感器）分别装在主、从动轮背后的环形槽（本图未表示出）中，当带轮转动时由此产生脉冲信号[15]。
图3.2 系统总体方案图
图3.3 带传动实验台
3.4.1 初选滚动轴承
滚动轴承的类型应根据所受载荷的大小、性质、方向，轴的转速及其工作要求进行选择。若只受径向载荷或主要是径向载荷而轴向载荷较小，轴的转速较高，则选择深沟球轴承。若轴承承受径向力和较大的轴向力或需要 调整传动件（如锥齿轮、蜗杆蜗轮）的轴向位置，则应选择角接触球轴承或者圆锥滚子轴承。由于圆锥滚子轴承装拆调整方便，价格较低，故应用最多。在本设计中考虑到轴上零件的定位和固定选用的轴承类型是6210[16]。
3.4.2电动机的选择
Y 系列电动机为全封闭自扇冷式笼形三项异步电动机，使按照国际电工委员
会标准设计的，具有国际互换性的特点。用于空气不含易燃、易炸或腐蚀性气体的场所。在本设计中考虑到额定功率、满载转速和所设计的尺寸，选用的电动机型号为Y100L2-4。
3.5 实验台的构造和工作原理
3.5.1 主机的结构
主机是一个装有平带的传动结构装置。
主电机是直流电动机装在滑坐上，可沿滑座滑动，电机轴上装有主动轮，通过平带带动从动轮 ，从动轮装在直流发电机的轴上。在直流发电机的输出之路上，并联了八个灯泡，每个四十瓦，作为传动的加载装置。砝码通过钢丝绳，定滑轮拉进滑座，从而使带张紧，并保证一定的初拉力。开启灯泡，以改变发电机的负载电阻，随着开灯泡的增多，发电机的负载增大，带的受力增大，带的弹性滑动逐步增加。当带断传递的载荷刚好达到所能传递的最大有效圆周率时，带开始打滑，当负载继续增加时则完全打滑。
3.5.2 测量系统
测量系统有点转速测定装置和电机的侧扭矩装置两部分组成 1. 光电测转速装置
在主动轮和从动轮的轴上分别安装一同步转盘，在转盘的统一半径上钻有一小孔，在小孔的一侧固定有光电传感器，并使传感器的侧头正对小孔。待轮转动时，就可在数码管上直接读出带轮的转速
2．扭矩测量装置
主动轮的扭矩和从动轮的扭矩均通过电机外科来测量测定。
电动机和发电机的外壳制成在制作的滚动轴承中，并可以绕与转子向重合的轴线摆动。当发电机启动和发电机负载后，由于定子磁场和转子磁场的相互作用，电动机的外壳将向转子旋转的同向倾倒，它们的倾倒力矩可分别通过固定在定子外壳上的测力计所得的力矩来平衡[17]。
3.5.3 电气装置
转速装置有两部分组成：一部分为脉冲宽度调制原理所设计的支流电机
调速电源；另一部分为电动机和发电机各自的转速测量电路及显示电路以及各自的红外传感器电路。调速电源能输出电动机和发电机励磁电压，还能输出电动机所需的电枢电压，调节面板上“调速“旋钮，即可获得不同的电枢电压，也就改变了电动机的转速，通过皮带的作用，也就同时改变了发电机的转速，使发电机输出不同的功率。发电机的电枢端最多可接八个40瓦灯泡作为负载，改变面板上的开关状态，既可改变发电机的负载量。
4 装置说明
此次设计的试验机装置，主机主要是一个平带的传动装置。主电机是直流电动机装在滑坐31上，可沿滑杆32滑动，电机轴上装有主动轮，通过平带带动从动轮 ，从动轮装在直流发电机的轴上。在直流发电机的输出之路上，并联了八个灯泡，每个四十瓦，作为传动的加载装置。砝码26通过钢丝绳，定滑轮10和11拉进滑座31，从而使带张紧，并保证一定的初拉力。开启灯泡，以改变发电机的负载电阻，随着开灯泡的增多，发电机的负载增大，带的受力增大，带的弹性滑动逐步增加。当带断传递的载荷刚好达到所能传递的最大有效圆周率时，
带开始打滑，当负载继续增加时则完全打滑当负载继续增加时则完全打滑[18]。
4.1装配图主视图
装置的设计简单，总体框架是有25 mm的等边角钢24焊接而成。其设计成本大为减少，而且能够满足刚度要求。电机5选择Y100L2-4。4为测力计和减震装置，其检测带传动的张紧力，减震装置可以有效的减少冲击冲击力，使检测数据更为精确。四个支座为铸造件其内孔先粗镗在精镗，加工精度必须按照图纸要求加工以保证其传动的精度。皮带轮的设计应根据其标准尺寸设计，传动比为1：1决定了两个带论轮的尺寸的一致。待轮的固定有阶梯轴和挡板来完成，挡板用螺栓来固定。轴承的选型非常重要必须用高精度等级的轴承，可以选择单列向心球轴承也可以选择深沟滚动球轴承。此装置选择精度等级为IT6的6205。计数脉冲产生器通过检测带孔圆盘19的圆孔经过红外线的次数来检测其电动机和发电机的转速以此判定是否有打滑现象的发生[19]。
滑动装置也是此次设计的关键环节，一方面要把发电机固定在上面，另一方面还要求其滑动并且不产生偏转倾斜的现象。为了完成上述要求采用两个滑杆两端用滑杆固定
4.2装配图左视图
4.3装配图俯视图
支座固定在结构框架上，移动滑杆支座一端固定在滑杆上另一端固定在滑板上，固定支座和移动支座都用四个这样就不会产生偏转倾斜现象。滑板上再固定发电机和力检测装置。
结束语
本文综合运用计算机软硬件技术、信号传感技术和白动控制技术，对带传动实验系统进行了研究。带传动实验系统的研制对T 改善实验教学，提高教学效果具有重要意义。本课题取得以下成果:
1利用PID 算法实现了转速的白动控制。
2利用磁粉制动器，实现了带轮无级白动加载，解决了日前绝人多数实验台只能进行恒定载荷加载或简单的程序控制阶梯加载的灵活性低问题。
3采用模块化设计的思想，以LabVIEW 为软件平台进行了软件开发和调试。在软件中采用了先进的多线程技术，使得多任务系统得以高效率和高可靠的实现，增强了土控界面的实时操作性。
基于虚拟仪器的带传动实验和PID 调速实验系统用计算机虚拟仪器技术传统的电子测量仪器，增强了系统的扩展能力，缩短了开发周期，降低了硬件费用。经过实验验证，系统能准确测定带传动的滑动率和传动效率曲线，以及电机的动特性曲线，达到了预期的结果。该系统工作良好，性能稳定可靠。
参考文献
[1]路林吉, 饶家明. 虚拟仪器概论[M].电子技术.2000.1:35-40
[2]徐虹. 基于面向对象技术的虚拟仪器系统的研究与开发[D]. 江西师范大学.2003.
[3]杜金榜, 王跃科. 仪器仪表技术的发展趋向[R]. 仪器仪表学报.2002.
[4]刘道玉, 迟毅林. 基于PC 的虚拟仪器及其技术研究[R]. 国外电子测量技术.2004
[5]林正盛. 虚拟仪器技术及其发展[R]. 国外电子测量技术.1997
[6]邓振杰, 齐建玲, 李广川等. 基于LabVIEW 构建虚拟仪器系统[R]. 华北航大工业学院学报，2001
[7]李刚, 林凌.LabVIEW 一易学易用的计算机图形化编程语言[M]. 北京:北京航空航大大学出
版社，2001:20-23
[8]杨乐平, 李海涛, 肖相生等.LabVIEW 程序设计与应用[M]. 北京:电子I 一业出版社.2001:40-45
[9〕陈隆道, 周箭, 许吕. 虚拟仪器一测试技术的新领域[R]. 科技通报.1999
[10]明刘勇求, 赵望达, 贺毅. 虚拟仪器技术应用现状及发展趋势[R]. 白动化博览.2004,5
[11]陆萍.V 带传动性能参数白动测试系统的研制[R]. 农业机械学报.2001
[12]张光国. 机电一体化综合测试实验台[M]. 机电一体化.2004,5:54-56
[13]朱文星, 于瑞玲, 贾磊. 基于虚拟仪器机械动力参数白动测试系统的开发[M]. 微计算机信
息.2003,5:12-26
[14]陈秀宁, 叶宗兴, 林世雄等. 机械设计基础[M]. 浙江人学出版社.1994,3:25-33
[15]张永才. 实验设备和技术[M]. 西安:西北工业大学出版社，1988,5:43-51
[16]吴守簇,fib, 英杰, 熊小林. 电气传动的脉宽调制控制技术[M]. 北京:机械工业出版社.1998,6:36-42
[18]雷振.LabVIEW 7 Express实用教程[M]. 中国铁道出版社.2004.6:56-69
[19]杨乐平, 李海涛, 赵勇等.LabVIEW 高级程序设计[M]. 北京:清华人学出版社.2003,5:36-39
致谢
时光飞逝，一转眼两年的大学生涯即将结束。在这一段特殊的求学生涯，我不但增长了知识，开阔了视野，还提高了白己的动手能力以及分析问题解决问题的能力。所有的这些收获都离不开老师和同学们对我的帮助。
首先要感谢我尊敬的指导老师宋健老师。宋老师不但在科研上无私指导我们，给我们提供良好的实验条件。他胸怀坦荡、为人师表，给我留下了深刻的印象。在课题的研究及论文编写过程中，宋老师对存在的问题及设计思想给与了细心分析和指导，使本文的研究得以顺利完成。他对工作一丝不苟，精益求精的精神将是我一生学习和追逐的目标。在过去的岁月里，他不光教会我怎样更好的做
事，还教会我怎样更好地做人。
另外，宋老师为我的论文提出建设性的建议，并为我提供便利的实验条件。张斌在论文撰写方面给予帮助。在此特表示衷心的感谢!
同时，感谢实验室全体成员对我的关怀，和大家在一起我度过了非常美好的一段时光。祝愿大家在今后的学习、生活中更上一层楼。
再次感谢所有曾帮助过我的老师、同学和朋友。
感谢所有审阅论文的老师，你们的意见将是极其宝贵的。
由于作者水平有限，论文难免存在不足之处，恳请批评指正。