萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)（優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)）,萬(wàn)能,試驗(yàn),實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì),優(yōu)秀,優(yōu)良,畢業(yè)設(shè)計(jì) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ XX 大 學(xué) 第1章 概述 1.1 試驗(yàn)機(jī)概念 材料試驗(yàn)機(jī)是在各種條件、環(huán)境下測(cè)定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)等的機(jī)械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零部件動(dòng)態(tài)不平衡量的精密測(cè)試儀器，可以對(duì)材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗(yàn)。在研究探索新材料、新工藝、新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，試驗(yàn)機(jī)是一種不可缺少的重要測(cè)試儀器。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、建材、建工、航空航天、造船、交通運(yùn)輸、等工業(yè)部門(mén)以及大專院校、科研院所的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室。對(duì)有效使用材料、改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、保證產(chǎn)品安全可靠等都具有重要作用。 材料試驗(yàn)機(jī)的種類很多，有多種不同的分類方法。按加荷方法分類: 靜負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)(靜態(tài))和動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)(動(dòng)態(tài))。其中靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)一個(gè)主要組成部分。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)又可分為機(jī)械萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)內(nèi)材料試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)狀 我國(guó)計(jì)量檢測(cè)事業(yè)的歷史悠久，但試驗(yàn)機(jī)制造行業(yè)在舊中國(guó)是空白，中華人民共和國(guó)成立后，黨和政府十分重視計(jì)量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，采取了許多重要措施來(lái)發(fā)展儀器儀表工業(yè)。經(jīng)過(guò)五十多年的努力，我國(guó)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的制造，從無(wú)到有、從小到大，從單參數(shù)到多參數(shù)，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，逐步發(fā)展成初具規(guī)模，具有能生產(chǎn)靜負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)（如拉、壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、松弛試驗(yàn)機(jī)、持久強(qiáng)渡試驗(yàn)機(jī)、蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)、復(fù)合應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)等）和動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)（如沖擊試驗(yàn)機(jī)和疲勞試驗(yàn)機(jī)等）的能力，有效地促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)的發(fā)展。我國(guó)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)市場(chǎng)已形成一定的規(guī)模，試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展日趨大型化、智能化、動(dòng)靜態(tài)功能復(fù)合化，有的試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品已出口到國(guó)外，遠(yuǎn)銷(xiāo)到 亞洲和歐美市場(chǎng)，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)能力。 圖1-1 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(雙柱落地式) 上圖1-1所示為電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(雙柱落地式)，它主要用于金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能測(cè)試和分析研究?？勺詣?dòng)求取ReH、ReL、Rp0.2、Fm、Rt0.5、Rt0.6、Rt0.65、Rt0.7、Rm、E等試驗(yàn)參數(shù)，并可根據(jù)GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)和提供數(shù)據(jù)。 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(雙柱落地式)性能特點(diǎn)：電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(雙柱落地式)采用高強(qiáng)度光杠固定在上橫梁和工作臺(tái)面，使之構(gòu)成高剛性的門(mén)式框架結(jié)構(gòu)。采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),伺服電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)移動(dòng)橫梁上下移動(dòng),實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)加載過(guò)程.分為單空間和雙空間兩種機(jī)型。主本機(jī)采用先進(jìn)的DSCC-1全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制及測(cè)量，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)曲線的動(dòng)態(tài)顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)結(jié)束后可通過(guò)圖形處理模塊對(duì)曲線放大進(jìn)行數(shù)據(jù)再分析編輯，產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 圖1-2 液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 上圖1-2所示為液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WAW-100型，它的程序采用開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)定義，符合標(biāo)準(zhǔn)GB228—87、GB/T228—2002、GB7314-87等試驗(yàn)方法，也可恨據(jù)用戶要求定制特殊的試驗(yàn)方法。測(cè)量方式采用的是高精度壓力傳感器、高精度位移傳感器、高線性低雜信的信號(hào)處理及放大模塊，人機(jī)交互方式分析計(jì)算測(cè)試材料的機(jī)械性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)自動(dòng)計(jì)算彈性模量、屈服強(qiáng)度、非比例延伸應(yīng)力等，在自動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，還可以人工修正分析結(jié)果提高分析的準(zhǔn)確性。 液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)可配置專用于材料試驗(yàn)機(jī)的閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)采集的電液控制器(可以根據(jù)客戶要求配置進(jìn)口控制器，如：DOLI)，它具備強(qiáng)大的功能，叉兼有十分優(yōu)異的性能價(jià)格比。適用于科研單位、大專院校、質(zhì)監(jiān)部門(mén)及檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)、科研、仲裁及特殊試驗(yàn)的需要。 液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WAW-100型的特點(diǎn)： （1）控制模式：等速率活塞行程控制、等速率力控制、等速率應(yīng)力控制、等速率應(yīng)變控制、力保持控制、定應(yīng)力轉(zhuǎn)定應(yīng)變控制。 （2）試驗(yàn)力量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能：若達(dá)到容量的90%自動(dòng)轉(zhuǎn)換到較大容量 （3）自動(dòng)夾持：采用液壓自動(dòng)夾緊，夾持可靠，不打滑 （4）多重保護(hù)：具有軟件、硬件過(guò)載和位置保護(hù) （5）自動(dòng)校準(zhǔn)：負(fù)荷、變形、位移可按標(biāo)準(zhǔn)值自動(dòng)校準(zhǔn) （6）自動(dòng)停機(jī)：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后活塞自動(dòng)停止工作 圖1-3 電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 上圖1-3所示為電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WAW-600L，它主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線的拉伸試驗(yàn)，適用于冶金、建筑、輕工、航空、航天、材料、大專院校、科研單位等領(lǐng)域。試驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理符合GB/T5224-1995《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線》的要求。 1.2.2 國(guó)外材料試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)狀 產(chǎn)品詳細(xì)介紹： 下圖1-4所示為AG-IC系列立式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，它是日本島津蘇州工廠組裝的最先進(jìn)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)的機(jī)械、電子、大學(xué)、研究院所等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。該系列立式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)取得國(guó)際CE認(rèn)證。 (1)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn): 1）簡(jiǎn)便直觀的中文試驗(yàn)軟件。 2）具有2.5ms采樣間隔的高速度數(shù)據(jù)采集，適合各種特性材料的測(cè)試數(shù)據(jù) 的真實(shí)性。 3)高速返回原點(diǎn)功能，縮短下次試驗(yàn)的準(zhǔn)備時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。 4)擁有多種完善的試驗(yàn)夾具，適合多種樣品的試驗(yàn)要求。 (2)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的用途 1)各種金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)、壓縮、彎曲試驗(yàn) 2）機(jī)械部件、電子部件的拉伸、剝離、焊接強(qiáng)度試驗(yàn) 3）控制或循環(huán)試驗(yàn) 4）應(yīng)力松弛或蠕變?cè)囼?yàn) 圖1-4 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 下圖1-5所示為島津液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)UH-I系列，它是以電子控制液壓驅(qū)動(dòng)的伺服式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)載荷采用高精度壓力傳感器，被廣泛的應(yīng)用在鋼鐵、建材等行業(yè)。 (3)島津液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的用途 1）各種金屬材料的拉伸試驗(yàn)、壓縮、彎曲試驗(yàn) 2）木材、纖維板的壓縮、彎曲試驗(yàn) 3）上述材料的載荷保持試驗(yàn) 4）瀝青、混凝土的壓縮試驗(yàn) (4)島津液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn) 1）采用大形LCD輕觸屏，可以顯示試驗(yàn)曲線，操作方便、可視性好。 2）豐富的自動(dòng)控制程序?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)配置。 3）可以選擇模擬指針式度盤(pán)顯示器。 4)通過(guò)試驗(yàn)軟件，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。 圖1-5 液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 1.3 本論文研究?jī)?nèi)容 以往，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)主要包括:機(jī)械式、液壓式和電子式三種。七十年代初期又發(fā)展了電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。機(jī)械式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是應(yīng)用較久的一種萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。其研究的具體內(nèi)容：一是明確材料試驗(yàn)機(jī)的改造思路；二是硬件部分設(shè)計(jì)；三是軟件部分設(shè)計(jì)。 本論文主要研究萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)部分。材料試驗(yàn)機(jī)裝置包括機(jī)身、橫梁、齒輪、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、夾具等。其中機(jī)身、橫梁及支撐裝置只需滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求即可, 而齒輪、傳動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)等則是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵裝置和部件。因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)盡量解決試驗(yàn)機(jī)內(nèi)機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)，材料方面的選擇，加工精度等諸多科學(xué)問(wèn)題。 通過(guò)各方面的考慮以及計(jì)算設(shè)計(jì)出一款實(shí)用、精度適中、效率較高、經(jīng)濟(jì)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)部分。 第2章 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 本章主要描述四種萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)方案，以及每個(gè)方案的特點(diǎn)，從而在這四種方案中選取最佳的那個(gè)方案為本論文的研究方案。 2.1 方案簡(jiǎn)述 （1）方案一 ：錐齒輪傳動(dòng) 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力后通過(guò)減速箱，再經(jīng)過(guò)渦輪蝸桿的傳動(dòng)，帶動(dòng)圓錐齒輪運(yùn)動(dòng)，由圓錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)與絲杠配合的絲杠螺母則帶動(dòng)上橫梁上下運(yùn)動(dòng)。上夾具固定在上橫梁上，而下夾具則是通過(guò)離合器與減速箱電動(dòng)機(jī)連在一起產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，至此完成試驗(yàn)。如圖2-1所示： 圖2-1 方案一示意圖 （2）方案二：鏈輪傳動(dòng) 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力后輸出到減速器，然后進(jìn)入渦輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)一步減速并改變運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向后，通過(guò)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到絲杠。由鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)與絲杠配合的絲杠螺母則帶動(dòng)上橫梁上下運(yùn)動(dòng)，上夾具固定在上橫梁上，下夾具則通過(guò)離合器與減速箱電動(dòng)機(jī)連在一起產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，至此完成試驗(yàn)。如圖2-2所示： 圖2-2 方案二示意圖 （3）方案三：絲杠傳動(dòng) 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力后輸出到減速器，然后由渦輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)兩個(gè)絲杠螺母同步背向或相向運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)連桿同時(shí)遠(yuǎn)離或靠近。這就使下夾具所在試驗(yàn)臺(tái)向上或向下運(yùn)動(dòng)。上面橫梁可以固定，也可以在液壓、絲杠等外力驅(qū)動(dòng)下上下運(yùn)動(dòng)，至此完成試驗(yàn)。如圖2-3所示： 圖2-3 方案三示意圖 （4）方案四：液壓傳動(dòng) 本方案與上述三種文件有所不同，本方案是由油泵驅(qū)動(dòng)油缸里的活塞提供外部試驗(yàn)力。油泵輸出油經(jīng)進(jìn)油管達(dá)到液壓缸，然后經(jīng)回油管路流回回油缸再次利用。液壓系統(tǒng)帶動(dòng)上橫梁上下運(yùn)動(dòng)。下夾具通過(guò)離合器與減速箱電動(dòng)機(jī)連在一起產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而上夾具則是固定在上橫梁上。此方案要求液壓系統(tǒng)要有較精確的控制閥的配合才能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康?。如圖2-4所示： 圖2-4 方案四示意圖 （5）方案五：同步帶傳動(dòng) 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力后輸出到同一級(jí)步帶減速，然后進(jìn)入二級(jí)同步帶減速，進(jìn)一步減速后，仍然通過(guò)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到絲杠。由同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)與絲杠配合的絲杠螺母則帶動(dòng)中間橫梁上下運(yùn)動(dòng)，上夾具固定在上橫梁上，下夾具則固定在中間橫梁上，下試驗(yàn)臺(tái)還安裝了三點(diǎn)試驗(yàn)臺(tái)，在中間橫梁下移的過(guò)程中完成拉伸和壓縮試驗(yàn)。如圖2-5所示： 2.2 各種方案分析 各種方案的特點(diǎn)如下： （1）方案一 1）傳動(dòng)精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象 滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)基本上是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎與運(yùn)動(dòng)速度完全無(wú)關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，且不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象（其靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)相差極小）； 2）有可逆性 滾珠絲杠摩擦損失小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 3）但是采用了蝸桿傳動(dòng)和圓錐齒輪傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)絲桿自鎖（蝸桿傳動(dòng)有兩個(gè)輸出軸，并且轉(zhuǎn)向相同，所以絲桿螺紋旋向要相反，才能使絲桿螺母運(yùn) 圖2-5 方案五示意圖 動(dòng)方向一致）； 4）成本高 滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也較高，故制造成本高。 （2）方案二 1）傳動(dòng)精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象 滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)基本上是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎與運(yùn)動(dòng)速度完全無(wú)關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，且不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象（其靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)相差極?。? 2）有可逆性 滾珠絲杠摩擦損失小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 3）成本高 滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也較高，故制造成本高； 4）不能自鎖 特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關(guān)系，運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)停止后不能自鎖，需加制動(dòng)裝置； 5）鏈傳動(dòng)的制造與安裝精度要求較低，成本也低。遠(yuǎn)距離傳動(dòng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動(dòng)輕便得多； 6）只能實(shí)現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動(dòng)；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比； 7）磨損后易發(fā)生調(diào)齒；工作時(shí)有噪聲、振動(dòng)沖擊。 （3） 方案三 1）絲杠水平放置利于自鎖。水平狀態(tài)下不受自重慣性力，故運(yùn)動(dòng)停止較為容易； 2）采用渦輪驅(qū)動(dòng)絲杠，由于渦輪尤其是單頭渦輪傳動(dòng)效率低，傳動(dòng)精確度也較差。同時(shí)渦輪一般采用較為貴重的減摩材料（如青銅）制造，從而增加了制造成本； 3）工作臺(tái)有兩個(gè)連桿驅(qū)動(dòng)所承受力較小。在較大試驗(yàn)力時(shí)，連桿安全性降低，必須增大連桿尺寸，這就使得試驗(yàn)機(jī)所需較大的外功率來(lái)驅(qū)動(dòng)。 （4）方案四 由于采用了液壓驅(qū)動(dòng)，故有以下特點(diǎn)： 1）液壓傳動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)變速，工作平穩(wěn)；同功率時(shí)液壓裝置體積小、質(zhì)量輕； 2）液體為工作介質(zhì)易泄露，造成污染；油液可壓縮故傳動(dòng)比不準(zhǔn)確；傳動(dòng)過(guò)程中損失較大，效率較低； 3）液壓傳動(dòng)對(duì)油溫和負(fù)載變化極為敏感，對(duì)外部環(huán)境要求較高； 4）液壓元件精度高，造價(jià)高； 5）液壓傳動(dòng)一旦出現(xiàn)故障時(shí)不易追查原因，不易迅速排除。 （5） 方案五 1）傳動(dòng)精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象 滾動(dòng)絲杠傳動(dòng)基本上是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎與運(yùn)動(dòng)速度完全無(wú)關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，且不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象（其靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)相差極?。? 2）有可逆性 滾珠絲杠摩擦損失小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 3）不能自鎖 特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關(guān)系，運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)停止后不能自鎖，需加制動(dòng)裝置； 4）成本高 滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也較高，故制造成本高。 綜合上述四種方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及目前市場(chǎng)上主流試驗(yàn)機(jī)形式，最后決定選擇第五種方案為本設(shè)計(jì)所采取的最終方案。 2.3 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)如下圖2-6所示： 圖2-6 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)1傳出，帶輪1安裝于電機(jī)軸上，通過(guò)齒形帶3傳遞動(dòng)力到帶輪2，與帶輪2同軸的帶輪4通過(guò)齒形帶5將動(dòng)力傳送到下一根軸，軸上安裝的帶輪7將動(dòng)力通過(guò)齒形帶8向左傳送到帶輪9，通過(guò)齒形帶10向右將動(dòng)力傳送到帶輪15。帶輪9和帶輪15連接在左右兩根滾珠絲杠上，滾珠絲杠的螺母又連接了中間一塊橫梁，從而把動(dòng)力從電動(dòng)機(jī)傳送到中間橫梁使得中間橫梁帶動(dòng)夾具體上下移動(dòng)。 第3章 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示： 圖3-1電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu) 3.1 主要零部件及其工作測(cè)試過(guò)程如下 (1) 將材料加工成為標(biāo)準(zhǔn)試樣，準(zhǔn)備對(duì)材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)試。 (2) 將加工好的標(biāo)準(zhǔn)試樣緊固在上夾頭10和下夾頭11之間，準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)試。 (3) 接通電源，直流電動(dòng)機(jī)1開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)齒型帶3把運(yùn)動(dòng)傳遞給帶輪2。 (4) 帶輪2和帶輪4同軸，通過(guò)帶輪5，把運(yùn)動(dòng)傳給帶輪7. (5) 帶輪7通齒形帶8和6 傳遞給帶輪9和15 上。而9和15 分別帶動(dòng)了滾珠絲杠14轉(zhuǎn)動(dòng)。 (6) 通過(guò)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闄M梁13的上下運(yùn)動(dòng)。從而完成對(duì)試樣的測(cè)試。 (7) 由壓力傳感器12測(cè)試出的大小，進(jìn)而 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，顯示出來(lái)。 3.2 主機(jī)及附件的功能 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)具有高科技特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方法是模塊化的。它有效地利用了微計(jì)算機(jī)功能對(duì)各種附件及功能單元進(jìn)行組合管理、控制，實(shí)現(xiàn)多種功能試驗(yàn)。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)可以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)換檔，從而保證了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，并大大地提高了工作效率。在控制方面，通過(guò)整機(jī)控制系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與計(jì)算機(jī)結(jié)合，加上必要的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)多種功能試驗(yàn)的設(shè)定與控制，如常規(guī)拉伸、壓縮等。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面，可以按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，根據(jù)用戶要求以曲線形式通過(guò)打印機(jī)打出。該系統(tǒng)主要由主機(jī)、控制傳動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、位置保護(hù)等組成。 3.2.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理 主機(jī)是負(fù)荷機(jī)架與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)合體，在橫梁位移控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，配合相應(yīng)的附件，可以使試樣品產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。經(jīng)過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)收集，處理給出所需要的數(shù)據(jù)報(bào)告供設(shè)計(jì)使用?？傊鳈C(jī)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，又通過(guò)LASER-500主控計(jì)算機(jī),控制功能函數(shù)的調(diào)用管理，控制，并利用主機(jī)與附件的功能搭配組合完成多種功能試驗(yàn)。可根據(jù)具體的情況再增加必要的測(cè)量或是控制功能模塊和相應(yīng)的附件，進(jìn)而達(dá)到擴(kuò)展試驗(yàn)功能的目的。 主機(jī)的結(jié)構(gòu)組成主要有負(fù)荷機(jī)架，傳動(dòng)系統(tǒng)，夾持系統(tǒng)和位置保持系統(tǒng)。負(fù)荷機(jī)架由四個(gè)立柱支撐上橫梁與工作臺(tái)板構(gòu)成的門(mén)式框架，兩絲杠穿過(guò)動(dòng)橫梁兩端。并安裝在橫梁與工作臺(tái)板之間。工作臺(tái)板由支撐腳支撐在底板上，且機(jī)械傳動(dòng)減速器也固定在工作臺(tái)上。工作時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)減速器【3】，進(jìn)而帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)橫梁上下移動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中，力在門(mén)式負(fù)荷框架內(nèi)得到平衡。 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)絲杠是用帶有消除間隙結(jié)構(gòu)的滾珠絲杠【4】。螺母和絲杠的預(yù)緊度已在出廠前調(diào)好。 傳感器安裝動(dòng)橫梁上，萬(wàn)向連軸及拉伸夾具安裝在負(fù)荷傳感器上，另外的一只夾具安裝在工作臺(tái)板上。如果做壓縮或彎曲等試驗(yàn)時(shí)，僅用動(dòng)橫梁的下面夾頭及下板的試驗(yàn)臺(tái)即可完成。如做拉伸試驗(yàn)時(shí)，僅用上支架的夾頭與動(dòng)橫梁上面的夾頭即可完成。工作時(shí)，只安裝上樣品，通主控計(jì)算機(jī)啟動(dòng)動(dòng)橫梁 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)即可完成全部試驗(yàn)。 上橫梁，動(dòng)橫梁及工作臺(tái)板均采用高強(qiáng)技術(shù)，由鋼板焊接而成，結(jié)果使其負(fù)荷機(jī)架重量輕而且剛度高。尤其以四立柱構(gòu)成的長(zhǎng)方體力系框架，保證了整個(gè)機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)，可靠。 3.2.2 控制傳動(dòng)系統(tǒng) 控制傳動(dòng)系統(tǒng)是用于驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)中橫梁產(chǎn)生位移，進(jìn)而成為所給試樣品加荷的動(dòng)力系統(tǒng)。 本試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是由數(shù)字式脈寬調(diào)制直流伺服系統(tǒng)減速裝置和傳動(dòng)帶輪等組成，執(zhí)行單元采用了國(guó)產(chǎn)型號(hào)為J1102YX02A系列人永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)，其特點(diǎn)是響應(yīng)快，力矩波動(dòng)小，壽命長(zhǎng)，可靠性高，噪音低，而且該電動(dòng)機(jī)具有高轉(zhuǎn)距和良好的轉(zhuǎn)速性能，由與電動(dòng)機(jī)同步的高性能光電編碼器【5】-【7】作為位置反饋元件，從而使動(dòng)橫梁獲得正確而穩(wěn)定的速度。 減速裝置由圓弧齒同步膠帶與帶輪構(gòu)成。減速裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)及更換齒型膠帶也很方便，圓弧齒同步帶均采用寧波同步帶總廠生產(chǎn)的各種型號(hào)的產(chǎn)品。 3.2.3 測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)量系統(tǒng)包括以下三部分： (1) 負(fù)荷測(cè)量 (2) 試樣變形的測(cè)量 (3) 位移測(cè)量 3.2.4 動(dòng)橫梁位移行程限位保護(hù)裝置 動(dòng)橫梁位移行程限位保護(hù)裝置由導(dǎo)桿，上下限位環(huán)以及限位開(kāi)關(guān)組成，安裝在負(fù)荷機(jī)架上的左側(cè)前方。調(diào)整上下限位環(huán)可以預(yù)先設(shè)定動(dòng)橫梁上下運(yùn)動(dòng)的極限位置，即保證了當(dāng)動(dòng)橫梁運(yùn)行到極限位置時(shí)，碰到了限位環(huán)，進(jìn)而帶動(dòng)了導(dǎo)桿操縱限位開(kāi)關(guān)常閉觸頭切斷驅(qū)動(dòng)電源。動(dòng)橫梁立即停止運(yùn)動(dòng)。 第4章 主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 標(biāo)準(zhǔn)件的選取 4.1.1 滾珠絲杠的選擇 （1）工作壓強(qiáng)計(jì)算 1）螺母的軸向位移： (4-1) 式中： 令該螺紋為單線螺紋。則x＝1 由于試驗(yàn)機(jī)的整體高度為2125mm，故取絲杠帶動(dòng)橫梁的移動(dòng)距離為800mm，又要留下一定的余量，可令螺紋長(zhǎng)度L＝1100mm； 設(shè)計(jì)使螺紋移動(dòng)mm時(shí)，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)80圈，即 rad 由此可知： 2）查詢《滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，螺紋中徑應(yīng)滿足： 螺紋中徑： ， 其中 式中： Ψ是螺母形式參數(shù)，整體式螺母取1.2-2.5，分體式螺母取2.5-3.5,取Ψ=2 pp是螺紋副許用壓強(qiáng)，N/mm2,可取pp =10； 帶入數(shù)據(jù)，有 由表可知，取 ，根據(jù)《滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表1-5選擇滾珠絲桿的材料為，熱處理為整淬；螺母的材料為，熱處理為淬火。 3）螺母高度： 4）旋和圈數(shù)： ，符合要求 5）基本牙型高度： 6）工作壓強(qiáng)： 工作壓強(qiáng)滿足要求。 7）查表得其摩擦系數(shù)f為0.08~0.10 為了保證自鎖，螺紋升角 8）螺紋牙根部的寬度： （2） 靜載荷計(jì)算 查《滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》知基本額定靜載荷特性值K0計(jì)算公式： (4-2) 式中為接觸點(diǎn)處鋼球和滾道表面的主要曲率 式中：——鋼球直徑，取； ——螺桿滾道曲率半徑，?。? ——接觸角，取； ——滾動(dòng)螺旋公稱直徑，取。 基本額定靜載荷 靜載荷條件 條件滿足，故合格。 （3）螺桿的強(qiáng)度計(jì)算 則根據(jù)第四強(qiáng)度理論： 螺桿最大彎曲應(yīng)力，查表可知 故螺桿強(qiáng)度合格。 （4）壽命計(jì)算 其計(jì)算公式為： (4-3) 確定上式參數(shù)如下： 1）螺母接觸系數(shù)： 2）螺桿接觸系數(shù)： 3）壽命系數(shù)： 4）轉(zhuǎn)速系數(shù)： 5）壽命條件： 式中： ——載荷系數(shù)； ——硬度影響系數(shù)； ——短行程系數(shù)； F——試驗(yàn)機(jī)工作力，N。 故滿足條件合格。采用固定式內(nèi)循環(huán)如圖4-1所示，圖4-2為滾珠絲桿副的組成 圖4-1 固定式內(nèi)循環(huán)示意圖 1-滾珠；2-絲桿；3-反向器；4-螺母 圖4-2 滾珠絲桿副的組成 接觸角： 鋼球直徑： mm 螺紋滾道曲率半徑： mm 偏心距： mm 螺紋升角： 螺桿大徑： 螺桿小徑： 螺桿接觸點(diǎn)直徑： 螺桿牙頂圓角半徑： 螺母螺紋大徑： 螺母小徑： 4.1.2 伺服電機(jī)的選擇 （1）電動(dòng)機(jī)的選擇 由設(shè)計(jì)要求可知，試驗(yàn)機(jī)橫梁最大設(shè)計(jì)速度為500mm/min，試驗(yàn)機(jī)所施加的最大試驗(yàn)力為100KN。故 式中：F—試驗(yàn)機(jī)輸出力，N；V—絲杠速度，m/s；P—有效功率。 電機(jī)功率在傳遞過(guò)程中必然有一定的損失。參閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，絲杠與絲杠螺母間傳動(dòng)效率（0.92—0.96，在這里取0.94）為0.94，同步帶之間傳動(dòng)效率為0.98，其他聯(lián)結(jié)件傳動(dòng)效率為0.9。故 故 上式中 P —試驗(yàn)機(jī)有效功率； —試驗(yàn)機(jī)總效率； —試驗(yàn)機(jī)所需功率。 查閱電機(jī)手冊(cè)結(jié)合實(shí)際情況選擇選擇電動(dòng)機(jī)額定功率。為了試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)比不至于太大，故選擇初步選擇同步轉(zhuǎn)速為1000r/min的電動(dòng)機(jī)，所以電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為：Y90S-6三相異步電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下所示： 額定功率 同步轉(zhuǎn)速1000r/min 滿載轉(zhuǎn)速910r/min 額定轉(zhuǎn)矩2.0 最大轉(zhuǎn)矩2.0 （2）傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比的計(jì)算及其分配 查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇螺距為10mm的普通絲桿 已知橫梁的最大速度為300mm/min，則求得此時(shí)的絲杠轉(zhuǎn)速 式中： V——絲杠速度，mm/min； P——絲杠螺距，mm。 根據(jù)上面所選定的電動(dòng)機(jī)，按照電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)機(jī)工作部分轉(zhuǎn) 速，可計(jì)算出傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比。 再按照常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能及適用范圍，初步選擇各個(gè)傳動(dòng)部分傳動(dòng)比如下：。 4.1.3 同步帶的選擇 各級(jí)帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)各軸功率，轉(zhuǎn)速計(jì)算： 一軸名義功率 一軸轉(zhuǎn)速 二軸名義功率 二軸轉(zhuǎn)速 三軸名義功率 三軸轉(zhuǎn)速 (2)第一級(jí)帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 選用弧齒同步帶，結(jié)構(gòu)工作面有圓弧齒，承載層為玻璃纖維或纖維繩芯的環(huán)形帶，基本定為氯化丁橡膠。受載后的應(yīng)力分布狀態(tài)較好，提高了承載能力，降低振動(dòng)與噪聲。 設(shè)計(jì)功率 為工況系數(shù)，查表 為同步帶傳動(dòng)的名義功率（KW），為已知 =1.7*0.735=1.25KW 在《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)》中查表選出同步帶的型號(hào)為L(zhǎng)型，再查表得到對(duì)應(yīng)節(jié)距=9.525mm，基準(zhǔn)寬度為25.4mm 確定帶輪齒數(shù)Z與直徑d由表可以查得小帶輪的最少許用齒數(shù)為12,確定小帶輪齒數(shù)，大帶輪齒數(shù)，小帶輪直徑，大帶輪直徑如下： 小帶輪齒數(shù)=20 大帶輪齒數(shù)=20*3=60 小帶輪直徑 大帶輪直徑 選擇同步帶長(zhǎng)度： 根據(jù)初選中心距A計(jì)算同步帶長(zhǎng)度 初選中心距A=211mm (4-4) =405.65+190.49+33.86 =630mm 根據(jù)查表可得同步帶長(zhǎng)度=619.13mm，同步帶型號(hào)為244L,齒數(shù)為65。 計(jì)算實(shí)際傳動(dòng)中心距A： 根據(jù)所選擇的標(biāo)準(zhǔn)帶長(zhǎng)求出實(shí)際中心距A。 (4-5) 其中， 選擇帶寬： 選擇帶寬的目的是限制作用在同步帶整個(gè)寬度上的拉力，以保證同步帶的強(qiáng)度和使用壽命，使其在工作時(shí)不發(fā)生時(shí)效。計(jì)算步驟如下。 根據(jù)帶型、小帶輪齒數(shù)及轉(zhuǎn)速由表查得對(duì)應(yīng)同步帶基準(zhǔn)寬度=25.4mm及基準(zhǔn)額定功率=0.77kw。 計(jì)算同步帶傳動(dòng)的嚙合齒數(shù)： 。 計(jì)算嚙合齒數(shù)系數(shù)： 當(dāng)時(shí)，有， 確定齒寬系數(shù)； 此時(shí)，帶寬尚未確定，由該式可建立帶寬與基準(zhǔn)帶寬的關(guān)系。 確定額定功率P： ， 選擇帶寬： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率應(yīng)小于所選帶型的額定功率，并且要考慮標(biāo)準(zhǔn)帶寬的值應(yīng)大于計(jì)算帶寬的值。帶寬的計(jì)算公式如下： mm 根據(jù)查表選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬25.40mm，代號(hào)100。 一級(jí)同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要結(jié)果構(gòu)成： 同步帶：型號(hào)為L(zhǎng)，節(jié)距，齒數(shù)，帶長(zhǎng)=619.13mm代號(hào)244L； 帶輪：齒數(shù)=20，=60，直徑60.67mm，182mm； 中心距A=211.35mm。 按照相同的計(jì)算方法可得二、三級(jí)同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要結(jié)果構(gòu)成如下： 二級(jí)同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要結(jié)果構(gòu)成： 同步帶：型號(hào)為L(zhǎng)，節(jié)距，齒數(shù)，帶長(zhǎng)=933.45mm，代號(hào)367L； 帶輪：齒數(shù)=20，=40，直徑60.67mm，121.34mm； 中心距A=338mm。 三級(jí)同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要結(jié)果構(gòu)成： 同步帶：型號(hào)為L(zhǎng)，節(jié)距，齒數(shù)，帶長(zhǎng)=1257.30mm，代號(hào)495L； 帶輪：齒數(shù)=20，=100，直徑60.67mm，303.34mm； 中心距A=334.5mm。 4.2 非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì) 4.2.1 軸的選用 本設(shè)計(jì)中總共涉及到兩根軸的選用，在實(shí)驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中主要承受徑向力，即主要受彎扭作用經(jīng)過(guò)校核之后均滿足條件。 4.2.2 機(jī)架零件的選擇 機(jī)器的全部重量將通過(guò)機(jī)架傳至基礎(chǔ)上，機(jī)架還具有承載機(jī)器工作時(shí)的作用力和使用機(jī)器穩(wěn)定在基礎(chǔ)上的作用。 對(duì)機(jī)架提出下列基本要求： (1) 足夠的強(qiáng)度和剛度。本試驗(yàn)機(jī)就是用角鋼和槽鋼通過(guò)焊接在一起而構(gòu)成基本骨架的。 (2) 形狀簡(jiǎn)單，便于制造。 (3) 便于在機(jī)架上安裝附件等。對(duì)于帶有箱體、導(dǎo)軌的機(jī)架零件，還應(yīng)有良好的耐磨性，以保證機(jī)器零件有足夠的使用壽命，當(dāng)然，對(duì)于高速機(jī)器的機(jī)架零件還應(yīng)滿足振動(dòng)穩(wěn)定性的要求。剛度和強(qiáng)度是評(píng)定機(jī)器零件的工作能力的基本準(zhǔn)則。機(jī)架零件由于它形狀復(fù)雜，受外界因素的影響有很多，因此很難用數(shù)學(xué)分析方法準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)架中的應(yīng)力和變形，在設(shè)計(jì)時(shí)通常都先根據(jù)機(jī)器工作要求和類似相近的機(jī)器擬訂機(jī)架結(jié)構(gòu)和尺寸。 第5章 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 微機(jī)測(cè)控集散系統(tǒng) 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)，由載荷測(cè)量系統(tǒng)、光電測(cè)量系統(tǒng)、標(biāo)距變形測(cè)量系統(tǒng)、智能伺服系統(tǒng)和萬(wàn)比一的高精度鎖相環(huán)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)組成，整個(gè)系統(tǒng)由5個(gè)8031單片機(jī)和1臺(tái)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成，使系統(tǒng)有測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高、高度智能化且具有無(wú)限的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)功能等特點(diǎn)。 5.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)總框圖如圖5.1，其中P——代表載荷，L——代表試樣變形，D——代表橫梁位移，S——代表伺服系統(tǒng)的運(yùn)行速度。在試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)必須對(duì)上述變量進(jìn)行不斷地采集，分析，縮減，并及時(shí)顯示和打印試驗(yàn)結(jié)果。為了探求材料的正確試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還必須為試驗(yàn)過(guò)程造就合適的試驗(yàn)條件，也就是對(duì)6個(gè)量（P，L，D，，，）加以定值和定界控制，為了使載荷、變形、拉移按照給定的規(guī)律變化，要求伺服系統(tǒng)有函數(shù)的設(shè)定、產(chǎn)生和伺服的功能。 為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)與各子系統(tǒng)之間的通訊采用串行通訊。 如圖所示，機(jī)械部分由上下夾具體、移動(dòng)橫梁、傳動(dòng)滾珠絲杠、減速器、伺服電機(jī)、機(jī)架等部分組成，電氣系統(tǒng)包括測(cè)力系統(tǒng)P，變形測(cè)量系統(tǒng)L，位移測(cè)量系統(tǒng)D，和伺服系統(tǒng)S，通訊接口C以及1臺(tái)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)LASER-500組成集散系統(tǒng)，小型繪圖機(jī)和顯示器等外部設(shè)備，P，L，D均有模擬量輸出，可以接到X-Y函數(shù)記錄儀上，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)LASER-500通過(guò)通訊口C與各分機(jī)相聯(lián)結(jié)。 圖5.1 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)總框圖 5.1.2 各子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) (1) 載荷測(cè)量系統(tǒng) 如圖5.2所示為載荷測(cè)量系統(tǒng)，精密的應(yīng)變式載荷傳感器，由精度達(dá)萬(wàn)分之一的交流電源供電，傳感器的輸出信號(hào)輸入到用坡莫合金制成的精密儀表輸入變壓器，將微弱的輸入信號(hào)電壓升壓近10倍，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的高度精密的儀表放大器放大后再經(jīng)過(guò)相敏整流和濾波而得到5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，這個(gè)電壓將送到4個(gè)不同的電子部件去進(jìn)行控制和處理。 1) 經(jīng)衰減器送入模擬記錄儀進(jìn)行曲線描繪； 2) 通過(guò)電壓跟隨器送到伺服系統(tǒng)去進(jìn)行速度控制； 3) 送到稱為破斷檢器的電子線路，能在試樣破斷時(shí)產(chǎn)生邏輯信號(hào)； 4) 送到13位的精密A/D變換器AD7550，將模擬信號(hào)及時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)，通過(guò)接口電路8155進(jìn)入8031的數(shù)據(jù)總線。 8031單片機(jī)有4KB的EPROM以存儲(chǔ)處理程序，用8位的數(shù)碼顯示器顯示載荷的即時(shí)數(shù)值和有關(guān)的字符，5位數(shù)碼顯示器顯示和保留載荷的最大值，串行通訊口連入通訊總線，若干按鍵和開(kāi)關(guān)，一個(gè)有發(fā)出各種操作命令和設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)。此外，8155還有來(lái)自傳感器的代碼，讓8031能自動(dòng)識(shí)別用戶現(xiàn)在使用的是什么容量的傳感器。 圖5.2 載荷測(cè)量系統(tǒng) （2） 變形測(cè)量系統(tǒng) 如圖5.3標(biāo)距變形測(cè)量系統(tǒng)，在原理上與載荷測(cè)量系統(tǒng)基本相似，不同之處在于： 1）變形測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)試樣斷裂的破斷檢測(cè)器； 2）沒(méi)有最大值存儲(chǔ)和顯示電路； 3）輸入傳感器不是測(cè)力傳感器，而是一種反映試樣標(biāo)距變形的應(yīng)變計(jì)式引伸計(jì)。 圖5.3 變形測(cè)量系 （3） 光電位移測(cè)量系統(tǒng) 如圖5.4光電位移測(cè)量系統(tǒng)，為了測(cè)量橫梁移動(dòng)的距離，廣泛使用安裝在滾珠絲杠上的光電脈沖發(fā)生器來(lái)連續(xù)測(cè)量絲杠的轉(zhuǎn)角以間接測(cè)量橫梁位移，它是在一片圓形玻璃片上，按其圓周方向刻上1000條刻線，當(dāng)有光線由上向下通過(guò)時(shí)，會(huì)在下面的光欄板上產(chǎn)生明暗條紋；當(dāng)圓片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使安裝在其上的光敏元件產(chǎn)生電脈沖，利用8031產(chǎn)生中斷來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就能記下絲杠連續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，從而得知橫梁移動(dòng)的距離。 不過(guò)，實(shí)際的系統(tǒng)要比上述說(shuō)明的復(fù)雜得多，為了辨別絲杠的旋轉(zhuǎn)方向，玻璃盤(pán)上有兩圈互相相差四分之一節(jié)距的刻線（電氣上相差90度），送到8031的是兩列互相相差90度的電脈沖，分別稱為正弦脈沖和余弦脈沖，依靠判別兩者的相位差是正90度還是負(fù)90度，就可以判別絲杠是在作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)還是反方向旋轉(zhuǎn)，8031就根據(jù)這些信號(hào)，進(jìn)行一系列的邏輯運(yùn)算，準(zhǔn)確得到橫梁的當(dāng)前位置的。 位移系統(tǒng)有一片4KB的EPROM用來(lái)存儲(chǔ)程序；有1片ADC1210再將數(shù)字變換為模擬電壓，以供X-Y記錄儀進(jìn)行曲線描繪；此外還有1個(gè)8位的數(shù)碼顯示器，顯示位移的及時(shí)值和一些有關(guān)的信息；還有若干按鈕和開(kāi)關(guān)，用以接收操作者的命令和設(shè)置機(jī)器的工作狀態(tài)；還有通訊線接至通信總線。 圖5.4 光電位移測(cè)量系統(tǒng) （4） 智能伺服系統(tǒng) 智能伺服系統(tǒng)是整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的指導(dǎo)中心，對(duì)于系統(tǒng)的綜合性能起著決定性的作用。在集散系統(tǒng)中，它是除計(jì)算機(jī)外的第二個(gè)主設(shè)備、除CPU 8031 和 4KB的EPROM以外還有下列部件： 1)數(shù)字函數(shù)發(fā)生器 利用CPU的定時(shí)中斷，產(chǎn)生數(shù)字時(shí)間函數(shù)f（t），再通過(guò)DAC1210，將它變換為成比例的模擬電壓去控制鎖相環(huán)伺服系統(tǒng)，這樣就可以使系統(tǒng)的載荷或變形按照給定的規(guī)律變化。 2）速度控制接口 一片8155送出21條控制線送到鎖相環(huán)的數(shù)字輸入端，以控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為1rpm到1000rpm，調(diào)速范圍是10000：1，并指揮它的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。 3）定界控制部分 兩組長(zhǎng)5位的十進(jìn)制撥碼開(kāi)關(guān)，一組用于MAX定值控制，一組用于MIN定值控制，再通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇P，L，D以決定是對(duì)P，或L，或D進(jìn)行定界。 4）速度給定部件 3組3位的撥碼開(kāi)關(guān)A，B，C分別用作3位有效數(shù)字的低，中，高三種預(yù)選速度，以等待操作者隨時(shí)使用。 5）鍵盤(pán)和功能選擇開(kāi)關(guān) 用8個(gè)質(zhì)地優(yōu)良的按鍵，6個(gè)用來(lái)控制A，B，C三種速度的上下運(yùn)行，一個(gè)用作停止操作，還有1個(gè)稱為“保持”的按鈕，用以快速將載荷或變形保持在一固定的數(shù)值上。用一個(gè)8位的琴鍵開(kāi)關(guān)選擇整個(gè)系統(tǒng)的特定功能。用一個(gè)3位的琴鍵開(kāi)關(guān)選擇dP/dt，dL/dt或dD/dt以造就一種特定的試驗(yàn)環(huán)境。 循環(huán)計(jì)數(shù)系統(tǒng) 一個(gè)4位的顯示器，用以顯示低周循環(huán)的次數(shù)。 6) 故障檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng) 為保證操作和系統(tǒng)的安全，我們按照有限自動(dòng)機(jī)（FAM）的原理，利用8031的定時(shí)器1設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，它每100ms循檢一次系統(tǒng)故障和臨界狀態(tài)，并在顯示器上顯示出來(lái)，如閃動(dòng)的OrP表示測(cè)力系統(tǒng)過(guò)量程，而GP則表示傳感器過(guò)載，Ud表示橫梁運(yùn)動(dòng)達(dá)到上限，dd表示橫梁運(yùn)動(dòng)已到達(dá)下限等等，任何時(shí)刻一旦檢出故障或臨界狀態(tài)，喇叭會(huì)發(fā)出“的—的—的”的叫聲，以提醒操作者。 7) 通訊診斷系統(tǒng) 在功能鍵上有“INTST”的鍵，可以再通過(guò)MAX開(kāi)關(guān)選擇，在循環(huán)計(jì)數(shù)器上顯示P，L，D的即時(shí)數(shù)值，如果通訊有什么問(wèn)題，會(huì)顯示出來(lái)相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼，如ErC2表示“呼叫目標(biāo)失敗”，而ErC3則表示“對(duì)方回答非法口令”等。系統(tǒng)如圖5.5所示： 圖5.5智能伺服系統(tǒng) （5） 智能通訊接口 如圖5.6智能通訊接口，由于LASER-500沒(méi)有串行口，因此需要有特別的通訊口，與LASER-500進(jìn)行并行通訊，而與系統(tǒng)的串行總線進(jìn)行串行通訊，如圖 所示，一片8031 CPU 和2KB的EPROM帶有8155的接口芯片和總線驅(qū)動(dòng)電路，還有2個(gè)LED顯示總線的忙閑狀態(tài)各數(shù)據(jù)線狀態(tài)，由于有8031和EPROM，就可以設(shè)計(jì)成智能通訊口。 圖5.6智能通訊接口 （6） 鎖相環(huán)數(shù)字調(diào)整系統(tǒng) 加載系統(tǒng)有2.2KW的高性能直流伺服電機(jī)。三相電源通過(guò)整流器和濾波器變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電壓，用4組大功率三極管控制馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，有旋轉(zhuǎn)變壓器，其兩相定子繞組通以固定頻率的互相相差90度的正余弦電流，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)的主軸同步旋轉(zhuǎn)，因此只有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的矢向與電機(jī)主軸的矢向完全相同時(shí)，鎖相電路才沒(méi)有輸出，只要有微小的相位差，就會(huì)迫使系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)大的校正作用，以減少這個(gè)相位差，因此不僅電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能變化連相位也不能變化，這樣就可以達(dá)到高精度和深調(diào)速的目的。 鎖相電路的輸出，可以斷開(kāi)而轉(zhuǎn)接到函數(shù)發(fā)生器f（t）與載荷或變形比較后的模擬誤差信號(hào)上來(lái)，這樣就可以使試驗(yàn)過(guò)程中的載荷或變形要按給定的f（t）進(jìn)行變化了。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5.7所示 以上各系統(tǒng)都有各自的軟件系統(tǒng)，它們具有如下共同點(diǎn)： 1) 直讀數(shù)字化，力值以10N位單位，變形或位移以mm為單位； 2) 通訊過(guò)程以二進(jìn)制代碼進(jìn)行，采用187.5kbps的速率，一個(gè)通訊過(guò)程僅需50us的時(shí)間； 3) 充分利用8031的中斷資源，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和并行性； 4) 完整的診斷和報(bào)警系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的可靠性； 5) LASER-500的BASIC用2KB的機(jī)器碼進(jìn)行改造，有180多條擴(kuò)展命令供用戶使用，使用戶只需用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程。 共 37 頁(yè) 第 37 頁(yè) 圖5.7 鎖相環(huán)數(shù)字調(diào)整系統(tǒng) 5.2 測(cè)量控制器 該試驗(yàn)機(jī)采用PSC2A 測(cè)量控制器，它能對(duì)試驗(yàn)機(jī)的力、變形、位移或其他輸入量進(jìn)行測(cè)量和做各種閉環(huán)控制;可以實(shí)現(xiàn)各種閉環(huán)控制下的正弦波、三角波、梯形波或任意組合波形。它在秉承計(jì)算機(jī)的高速、穩(wěn)定和成熟的軟硬件資源基礎(chǔ)上,硬件上率先采用先進(jìn)的即插即用特性的PCI 總線板卡結(jié)構(gòu)和大規(guī)?？删幊藽PLD 電路,軟件采用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)相配合,形成了測(cè)量精確、控制穩(wěn)定、界面友好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、高速運(yùn)算和高速傳輸?shù)男乱淮臏y(cè)量控制器。PSC2A測(cè)量控制器有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)。 (1) 運(yùn)算速度快 由于該控制器和計(jì)算機(jī)共享CPU 資源,因此計(jì)算機(jī)的CPU 就是PSC2A 控制器的CPU ,這樣的速度可以充分保證控制器在進(jìn)行測(cè)量和伺服控制時(shí)的精確、高速與高效。 (2) 傳輸、采樣速率快 PCI 總線的峰值采樣速率是132M/ s ,由于該控制器采用PCI 總線技術(shù),使控制器具有傳輸速率高和采樣速率高的特點(diǎn),這使得試驗(yàn)機(jī)在保證200000碼高分辨率的同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的采集。目前試驗(yàn)軟件最終采樣速率可以達(dá)到400 點(diǎn)/ s , 可以充分滿足用戶高速采樣的個(gè)性需要。 (3) 擴(kuò)展性強(qiáng) 該控制器最多可以擴(kuò)充11 個(gè)通道的模擬或數(shù)字通道信號(hào), 每個(gè)通道可以插任意多個(gè)傳感器,使試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用范圍有了非常大的提高。 (4) 傳感器即插即用技術(shù) 這包括兩方面獨(dú)有技術(shù): 1）在用戶擁有多個(gè)傳感器的時(shí)候,經(jīng)常需要更換傳感器,如果不具備傳感器自動(dòng)識(shí)別技術(shù),用戶容易因疏忽損壞傳感器。PSC2A 控制器獨(dú)具的傳感器自動(dòng)識(shí)別技術(shù),在傳感器插上后就可以自動(dòng)識(shí)別新插的傳感器,無(wú)需任何其他設(shè)置,可以100 %的消除這種隱患。 2）傳感器在經(jīng)過(guò)一次標(biāo)定后,可以插在任何一路放大器板上立即使用,無(wú)需重新標(biāo)定,真正實(shí)現(xiàn)了即插即用的功能。 (5) 非線性校正技術(shù) 采用非線性校正技術(shù),使得該控制器不僅對(duì)線性良好的傳感器能精確測(cè)量,而且對(duì)在量程的1 %處有比較明顯非線性誤差的液壓傳感器和引伸計(jì)也能精確測(cè)量,使傳感器在小量程的測(cè)試精度有了很大提高。 (6)“一鍵飛梭”結(jié)構(gòu) 手動(dòng)盒上獨(dú)具特色的“一鍵飛梭”結(jié)構(gòu),可以在一個(gè)手輪飛梭上實(shí)現(xiàn)加速、減速、急停功能,使用戶對(duì)試驗(yàn)機(jī)的操作非常方便,“升”“降”鍵具有從低至高4 級(jí)變速功能。 (7) 高分辨率的放大器 由于采用了24 位AD 轉(zhuǎn)換芯片,并采用了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的交流放大核心測(cè)量技術(shù),使負(fù)荷、變形的測(cè)量結(jié)果達(dá)到了±200 000 碼的分辨率。 (8) 功能強(qiáng)大的ADJ UST 軟件 參數(shù)化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的ADJ UST 調(diào)試軟件將電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的所有傳感器參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、控制參數(shù)、PID 參數(shù)的設(shè)置、修改、存儲(chǔ)融于一身,并結(jié)合功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)曲線繪制,輕松的實(shí)時(shí)調(diào)試、修改PID 參數(shù),并可以對(duì)負(fù)荷、變形、位移等傳感器進(jìn)行標(biāo)定。 (9) 模糊控制技術(shù)與增量式雙閉環(huán)控制技術(shù) 在經(jīng)典的PID 控制基礎(chǔ)上,融合了模糊控制技術(shù),在試驗(yàn)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)力、變形、位移三閉環(huán)控制量的穩(wěn)定控制和相互平滑過(guò)渡。 (10) 開(kāi)機(jī)自診斷系統(tǒng)和完善的軟硬件保護(hù)功能 能自動(dòng)對(duì)PSC2A 控制器內(nèi)的硬件和軟件參數(shù)進(jìn)行診斷, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制器問(wèn)題, 保證控制器穩(wěn)定運(yùn)行。并可以提供驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過(guò)流、整機(jī)超載、破斷停機(jī)、動(dòng)橫梁位置極限保護(hù)、實(shí)時(shí)電路保護(hù)以及超控制偏差保護(hù)等。 結(jié) 論 此次設(shè)計(jì)是電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)。首先針對(duì)于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的概述查閱的大量的有關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出國(guó)內(nèi)外電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)以及電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)與分類。并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)要求制定出電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案和一些主要零部件的初步選擇。其次通過(guò)對(duì)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)部分的總體設(shè)計(jì)計(jì)算，特別是傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算以及電動(dòng)機(jī)選用和零部件符合要求的驗(yàn)算，完成了電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，并繪制出一張A0電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)總裝圖、一張A0下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖、一張A0控制系統(tǒng)圖等共三張0號(hào)圖紙和三張2號(hào)圖紙。最后通過(guò)一系列的設(shè)計(jì)，滿足了試驗(yàn)力測(cè)量范圍0-100KN，試驗(yàn)速度0.06-300mm/min，最大量程800mm，速度精度±0.5%等設(shè)計(jì)要求，并且整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程比較平穩(wěn)，且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、拆裝方便、維修容易且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 致 謝 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)把大學(xué)三年來(lái)的理論知識(shí)復(fù)習(xí)、總結(jié)并應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，讓我對(duì)工程機(jī)械特別是電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)有了更深入的了解，從整體結(jié)構(gòu)到各個(gè)部件都有了一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。此次設(shè)計(jì)不但是對(duì)我們以前學(xué)習(xí)的一種深入，更是我們今后工作的一種理論基礎(chǔ)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，得到了侯越謙老師的耐心指導(dǎo)和大力幫助，導(dǎo)師為論文課題的研究提出了許多指導(dǎo)性的意見(jiàn)，為論文的撰寫(xiě)、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。在老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、不斷探索的科研作風(fēng)，敏銳深邃的學(xué)術(shù)洞察力，孜孜不倦的敬業(yè)精神，特別是老師教導(dǎo)我們“有個(gè)正確的選擇”給我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文結(jié)束之際，特向我敬愛(ài)的導(dǎo)師致以最崇高的敬禮和深深的感謝！ 在我撰寫(xiě)論文期間，得到了學(xué)院多位老師和同學(xué)的幫助，給予我專業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)，而且教給我學(xué)習(xí)的方法和思路，使我在論文寫(xiě)作過(guò)程中不斷有新的認(rèn)識(shí)和提高，這使我意識(shí)到團(tuán)隊(duì)精神不管是在現(xiàn)在還是在將來(lái)都是十分重要的。 在此，衷心的感謝給予建議和幫助的各位老師和同學(xué)！以及感謝百忙中抽空指導(dǎo)評(píng)審本論文的評(píng)閱老師和答辯委員會(huì)的老師！ 參考文獻(xiàn) [1] 譚慶昌 趙洪志主編.機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社.2004.7 [2] 聶毓琴 孟廣偉主編.材料力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2004.2 [3] 孫桓 陳作模 葛文杰主編.機(jī)械原理.北京：高等教育出版社出版.2005.12 [4] 鄧星鐘主編.機(jī)電傳動(dòng)控制.武漢 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