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摘要：

為了提高學生的動手能力和綜合能力，高校的實驗教學正從演示性實驗向綜合性和設計性實驗發展。加工過程中的振動給加工過程帶來許多不利的影響，為使學生對振動現象有直觀認識和了解，設計了機床振動測量的綜合性實驗，對實驗目的、實驗內容和實驗方式等進行了介紹，對實驗效果進行了分析，并提過了實驗下一步計劃。

關鍵詞：

機械制造技術基礎；振動；綜合性實驗

機械加工中的振動是一種十分有害的現象，因為振動對于加工質量和加工生產效率都有很大影響。在加工過程中通過測量機床的振動情況，對于及時了解加工狀況，進而采取有效措施減輕或消除振動的影響是十分必要的。在高校工科機械類專業中，《機械制造技術基礎》課程是一門非常重要的專業基礎課。因此，機床振動的測量無論是在實際生產還是在教學科研中都具有很強的實用性，《機床振動的計算機測量》實驗作為《機械制造技術基礎》中一個傳統的重要實驗，對于學生結合實際，更加深刻的理解課堂知識，具有重要意義。傳統的演示性實驗方式在實際的實驗教學中已經不能滿足高校學生的需求，學生的主觀能動性不能很好的調動起來，實驗效果差，同時也不能培養學生的動手能力和創新能力，為了培養學生綜合運用知識的能力，提高學生的實驗興趣，結合當今的計算機和測量技術設計了綜合性實驗-《機床振動的計算機測量》。

1實驗目的

1.1認識機床振動現象及振動對機床和機械加工過程質量的影響。

1.2熟悉測量機床振動所使用的儀器及使用方法；

1.3掌握對振動信號頻譜分析的初步方法，并通過對現場測量振動信號的分析結果，初步了解機床空運轉條件下引起振動的不同原因。

1.4了解計算機測量系統的主要組成部分及測量原理。

1.5學習了解信號處理的方法和應用，主要了解頻譜分析在振動信號分析中的應用。

1.6通過自己動手實驗，加深對課本知識的理解，加強動手能力的培養。

2實驗原理及實驗設備

本實驗綜合了傳感技術，計算機技術，信號處理技術，組成了計算機數據處理系統，實驗原理如圖1所示。實驗系統由工件、夾具、刀架、數據采集卡、三軸加速計，渦流傳感器，霍爾元件和計算機處理系統組成。傳感器采集振動信號，然后將采集到的振動信號經過信號預處理后（信號放大和濾波），進行A/D轉換，送給數據采集，然后經過USB數據傳輸處理，最后傳輸給計算機。實驗設備如下：（1）數控車床及其加工工件；（2）數據預處理電路板（自己設計制造）；（3）數據采集卡（阿爾泰usb2851）；（4）三軸加速計（GY521mpu-6050）；（5）渦流位移傳感器（CWY-DO-504）；（6）霍爾元件（ACS758LCB-050B-PFF）。

3實驗方式

為了拓寬學生的知識面，提高學生綜合運用知識和實際動手能力，改變傳統的演示性實驗方式，具體措施如下：

3.1教師結合實驗設備進行多學科知識點的拓展講解：除了《機械制造技術基礎》課堂上講授的機床振動的相關知識外，介紹如下相關知識點：3.1.1數控機床相關知識學習：通過現場的數控機床，學生可以進一步加深對數控機床結構，組成及原理等相關知識的理解。

3.1.2傳感器相關知識學習：通過對實驗中使用的三軸加速計傳感器，渦流位移傳感器和霍爾測速傳感器的學習，加深對傳感器測量原理的理解，對傳感器在機械加工過程中的應用有進一步的認識和理解。

3.1.3計算機測量系統知識：針對現場的機床振動計算機測量系統，講解機械加工過程中如果利用計算機技術構建機床的檢測系統。

3.2學生結合實驗設備的自主學習和實驗設計

3.2.1為了鍛煉學生自主學習和實踐動手的能力，提高學生實驗的主觀能動性，采取分組的方式，讓學生提前對實驗方案和實驗方法進行設計，讓學生自己考慮如何設計實驗對機床的振動進行測量。

3.2.2實驗現場，每組學生在教師指導下，根據自己的實驗方案進行實驗前準備，主要包括傳感器的安裝，儀器設備的接線和測量軟件的使用等。同時，給予學生一定的自主時間針對實驗設備進一步的認知和學習。

4實驗內容及實驗步驟

學生設計的實驗方案主要能完成如下實驗：

4.1數控車床主軸箱絕對振動信號的測量及其振動信號的頻譜分析。可以測量數控車床整體在X、Y、Z三個方向上的振動位移，通過對振動信號的頻譜分析可以查找振動源。

4.2數控車床工件與刀架相對振動信號的測量和振動信號的頻譜分析。可以測量裝夾在主軸三爪卡盤上的工件與車刀刀尖之間沿Y方向上的相對振動。工件與刀尖之間的相對振動會在工件表面上留下波紋，影響被加工工件的形狀精度和表面粗糙度。

4.3測量數控車床主軸的轉數。開動車床使其主軸轉速從低到高，分別測量其絕對振動和相對振動量，可以獲得車床空運轉條件下，車床振動量與主軸轉速之間關系的規律。

4.4振動信號分析通過實驗測量的不同轉速下的振動信號，利用頻譜分析方法分析振動信號的頻譜，確定振動的性質，進一步分析查找振動來源。

5實驗總結及下一步計劃

5.1實驗總結在天津工業大學機械工程學院機械制造及其自動化專業10個班的機械制造技術基礎課程中，自2014年開設了機床振動測量實驗的選做實驗，經過了2屆學生共200余人的實驗，從如下幾個方面對學生的實驗情況分析：

5.1.1學生的主觀能動性大大增強：雖然是選修實驗，還是吸引了眾多學生（約1/3）進行實驗。實驗過程中，對于自己動手進行實驗的準備部分，學生反映認知度很高，學生一致認為這是吸引他們進行實驗的主要原因。

5.1.2實驗效果好：實驗過程中，學生和教師之間的交流和互動大大增加，改變了原有演示實驗過程中比較沉默的現象。學生普遍反映對于振動的認識大大增強了，對于計算機測量系統在機械制造中的作用應用方法有了直觀的認識，對于自己以后的工作和學習都有很大的啟發和引導作用。

5.1.3現有實驗設備不能保證學生實驗學時現有的一套機床振動測量系統，每次只能保證一組6個學生的實驗，對于總共300人的實驗需求遠遠不夠。

5.2實驗下一步計劃:通過2屆學生的選做實驗檢驗后，制定了實驗的下一步計劃：

5.2.1增加振動測量的實驗設備為了保證學生的實驗課時，爭取把振動測量的實驗設備增加到4-5套，可以同時滿足1個班的實驗需求。

5.2.2把實驗面向全校開放，學生通過預約可以隨時到實驗室進行機床振動測量的相關實驗，進一步增加實驗設備的利用率，為更多的學生提供相關的實驗條件。

6結論

設計了機床振動測量的綜合性實驗，對實驗目的，實驗設備，實驗方式，實驗內容等進行了介紹，通過2屆學生的實驗檢驗，證明了此綜合性實驗對于提高學生的實驗興趣，增強學生綜合能力具有較好的效果。

參考文獻

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作者：彭軍強 于鴻彬 靳曉曙 單位：天津工業大學 機械工程學院 天津市現代機電裝備技術重點實驗室