3582 萬能材料試驗機設計,萬能,材料,試驗,實驗,設計 湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書湘潭大學（興湘學院）畢業(yè)設計說明書題 目： 萬能材料試驗機 學 院： 興湘學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化學 號： 2008963119 姓 名： 張 杰 指導教師： 周后明 完成日期： 2012 年 5 月 湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書湘 潭 大 學（興湘學院）畢業(yè)論文（設計）任務書論文（設計）題目： 萬能材料試驗機設計 學號： 2008963119 姓名： 張杰 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 周后明 系主任： 周友行 一、主要內容及基本要求設計萬能材料試驗機的機械部分。主要技術指標如下： 1、最大試驗力：100kN 2、橫梁速度范圍：0.005mm/min～500mm/min 無級；任意設定 3、試驗空間寬度：600mm 4、外形尺寸（長×寬×高）：1520mm×840mm×2125mm 5、整機形式：立式 設計要求： 1、完成方案設計和選擇 2、繪制部件裝配圖和主要零件圖，圖紙總量折合成 A0，不少于 2 張 3、撰寫設計說明書，關鍵零件應進行強度和剛度計算，說明書字數不少于 1~5 萬 4、完成資料查閱和 3000 字的文獻翻譯 二、重點研究的問題材料實驗機的結構設計和相關強度校核計算。 湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書三、進度安排序號 各階段完成的內容 完成時間1 查閱資料、調研 第 1，2 周2 制訂設計方案 第 3，4 周3 分析與計算 第 5，6 周4 繪部件裝配圖 第 7，8、9 周5 繪零件圖 第 10，11 周6 撰寫設計說明書 第 12，13 周7 準備答辯材料 第 14 周8 畢業(yè)答辯 第 15 周四、應收集的資料及主要參考文獻1、機械設計手冊 2、機械傳動設計手冊 3、揚樂民等，脆性材料實驗機機械傳動機構設計，機械工程師，2008，4 4、李曉杰，CSS-2200 系列電子萬能試驗機，試驗技術與試驗機， 1996，36 5、網絡相關資信 湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書湘 潭 大 學（興湘學院）畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 2008963119 姓名 張杰 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 萬能材料試驗機設計 評價項目 評 價 內 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評價作者的畢業(yè)設計為萬能材料實驗機的設計，論文選題符合培養(yǎng)目標要求，能體現學科專業(yè)特點，達到了綜合訓練的目的。該生具有較強的文獻查閱、資料綜合歸納整理的能力，能在設計工作中較熟練運用所學知識，畢業(yè)設計技術方案可行，工作量適當，設計思路較清晰，論文質量較好，同意參加答辯。評閱人： 2012 年 5 月 日湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書湘 潭 大 學（興湘學院）畢業(yè)論文（設計）鑒定意見學號： 2008963119 姓名： 張杰 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 32 頁 圖 表 6 張論文（設計）題目：標題應簡短、明確、有概括性（大致反映文章的內容、專業(yè)的特點和學科的范疇） 。字數適當，一般不超過 20 個字。 內容提要： 試驗機是在各種條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結構機械性能、工藝性能、內部缺陷和校驗旋轉零部件動態(tài)不平衡量的精密測試儀器，可以對材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗。近年來，試驗機行業(yè)技術突飛猛進。試驗機向著兩個方向即超微外力檢測與超大外力檢測發(fā)展。高檢測精度、高靈敏度、運動平穩(wěn)、易于操縱是目前試驗機的主要發(fā)展方向。本文首先概述了試驗機的基本定義、分類與國內外一些重要生產商的成果。第二部分論述了所想到的四種方案并對這些方案優(yōu)缺點作了分析和對比。在彼此比較后決定選第一種方案。第三部分則是說明了試驗機的主要機械傳動部分的設計以及對它們的校核過程。試驗機的傳動部分主要由蝸輪蝸桿、皮帶、滾珠絲杠三部分組成。經過校核后所有設計均符合要求。在文章的最后簡明的介紹了做本次畢業(yè)設計的一些心得體會。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書指導教師評語張杰同學在畢業(yè)設計過程中，態(tài)度認真，查閱了大量的相關中英文資料，并對設計任務作了認真的理解與分析，通過多種設計方案的比較，從中提出了一個可行的設計方案。在畢業(yè)設計期間，對萬能材料實驗機的的機械部分進行了結構設計及相關的設計計算。通過畢業(yè)設計張杰同學對機械設計的相關技巧、以及機械設制造相關領域的基礎知識的掌握有了較大的進步，初步掌握了相關制圖軟件在機械設計中的應用。論文立論正確，論述清楚，圖紙基本符合設計要求，論文達到畢業(yè)設計要求，同意參加答辯，推薦畢業(yè)設計成績?yōu)椤爸小?。指導教師： 2012 年 5 月 日答辯簡要情況及評語能夠較好的回答老師提出的問題。根據答辯情況，答辯小組同意其成績評定為 。答辯小組組長： 2012 年 5 月 日答辯委員會意見經答辯委員會討論，同意該畢業(yè)論文（設計）成績評定為答辯委員會主任： 2012 年 5 月 日湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書目錄第 1 章 概述 ....................................................................................................................................................11.1 課題的提出 ................................................................................................................................................11.1.1 課題產生的背景 .............................................................................................................................11.1.2 課題的意義 ....................................................................................................................................11.2 國內外實驗機研究的回顧、現狀及發(fā)展趨勢 ........................................................................................21.2.1 國內外試驗機發(fā)展及其趨勢 .........................................................................................................21.2.1 國內外各種實驗機的介紹 .............................................................................................................51.3 課題的內容： ............................................................................................................................................7第 2 章 萬能材料試驗機總體設計 ................................................................................................................92.1 加載方式 .....................................................................................................................................92.2 試驗機式樣的選擇 ...................................................................................................................................92.3 傳動方式的對比與選擇 ............................................................................................................................9第 3 章 運動動力設計與驗算 ....................................................................................................................143.1 滾珠絲杠副的運動動力設計計算 ..........................................................................................................143.1.1 靜載荷條件 ...................................................................................................................................143.1.2 絲杠壽命計算 ...............................................................................................................................153.1.3 絲杠強度計算 ...............................................................................................................................153.1.4 絲杠的穩(wěn)定性 ...............................................................................................................................163.1.5 絲杠的剛度 ...................................................................................................................................173.1.6 絲杠的傳動效率功率 ...................................................................................................................193.1.7 滾珠絲杠幾何參數 .......................................................................................................................193.2 電機的選擇 ..............................................................................................................................................203.3 各軸功率，轉速，轉矩的計算 ..............................................................................................................213.4 各級傳動的設計計算 ..............................................................................................................................213.4.1 帶傳動設計計算（同步） ...........................................................................................................213.4.2 蝸輪蝸桿減速器的計算 ...............................................................................................................223.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗算 ......................................................................................................263.6 動靜橫梁變形的驗算 ..............................................................................................................................283.6.1 動橫梁變形的驗算 .......................................................................................................................283.6.2 靜橫梁變形的驗算 .......................................................................................................................29第 4 章 總結 ................................................................................................................................................31參考文獻： ....................................................................................................................................................32湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書摘 要試驗機是在各種條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結構等的機械性能、工藝性能、內部缺陷和校驗旋轉零部件動態(tài)不平衡量的精密測試儀器，可以對材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗。近年來，試驗機行業(yè)技術突飛猛進。試驗機向著兩個方向即超微外力檢測與超大外力檢測發(fā)展。高檢測精度、高靈敏度、運動平穩(wěn)、易于操縱是目前試驗機的主要發(fā)展方向。本文首先概述了試驗機的基本定義、分類與國內外一些重要生產商的成果。第二部分論述了所想到的四種方案并對這些方案優(yōu)缺點作了分析和對比。在彼此比較后決定選第一種方案。第三部分則是說明了試驗機的主要機械傳動部分的設計以及對它們的校核過程。試驗機的傳動部分主要由蝸輪蝸桿、皮帶、滾珠絲杠三部分組成。經過校核后所有設計均符合要求。在文章的最后簡明的介紹了做本次畢業(yè)設計的一些心得體會。關鍵詞 試驗機；蝸輪蝸桿；齒形帶；滾珠絲桿；湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書ABSTRACTTest machine in various conditions and environment in metal materials, non-metallic materials, machinery accessory, engineering structures such as mechanical properties, technics performance, Internal defects and checking dynamic imbalance rotating parts of sophisticated testing equipment, such as materials tension, compression, bending, shear, reversing, impact, fatigue, creep, lasting and relaxation, wear, hardness tests. In recent years,the technic of the test machine industry advances rapidly. Test machine is the direction toward the development of the super-tiny force detection and the development of super-large external force testing. Detection of high-precision, high sensitivity, smooth motion, easily operated test machine is the main development direction presently.This paper first summarizes the test machine's basic definition, classification, and some important domestic and foreign manufacturers results. The second part, discussing about the experiences of the four projects as well as advantages and disadvantages of these projects are analyzed and compared . In comparison with each other decide the first option. The third part is the experiment, the major part of the mechanical drive design and the process of checking them. The main drive system of the test machine includes the worm, toothed belts, ball screw three components. After checking all the design had complied with the request. In the end concisely introduce the meeting and what had learned in the graduate design experiences. Keywords: Test Machine, Worm Gear & Worm， Toothed Belts，Ball Screws ，湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書1第 1 章 概述1.1 課題的提出1.1.1 課題產生的背景作為機械設計制造及其自動化專業(yè)本科畢業(yè)生，為了能在走上工作崗位之后更快地進入職業(yè)角色、我們需要在通過畢業(yè)設計這一環(huán)節(jié)初步地將自己在大學四年中所學習到的知識應用到實踐中去。所以在指導老師的引導之下，我選擇了萬能材料試驗機設計這個題目。1.1.2 課題的意義通常,把測定材料機械性能的儀器和設備稱為材料試驗機。但是，有些國家有時把測定材料物理性能（甚至化學性能）的儀器和設備也稱為材料試驗機。國外，在工業(yè)比較發(fā)達的國家中，對于試驗機的研制和生產，都是比較重視的。這是因為，材料試驗機作為一個基礎工業(yè)部門，對于工業(yè)生產和科研工作有直接的不容忽視的影響。實際上，對于工業(yè)生產和各種工程設計來說，材料試驗機是確保各種機器，車輛，船舶和結構物的合理設計與安全運行的重要測試設備。因為，為了既經濟又安全可靠地從事各種工程設計，必須根據材料的機械性能選取合適的材料。否則，可能造成浪費，或者導致發(fā)生嚴重的事故。而要獲得準確的材料機械性能數據，只有使用材料試驗機。在工業(yè)生產特別是軍事工業(yè)生產中，為了保證產品質量，常常需要對各種材料和零部件或整機進行檢定和測試。許多重要性的熱處理零部件，如軋鋼機的鋼輥，機器的主軸和汽車的連桿等，都要百分之百的進行硬度檢定。在冶金工業(yè)生產中，隨著科學技術的飛速發(fā)展，也提出了許多新問題。例如現代技術的發(fā)展，需要一些具有特殊性能的，能在高溫，低溫，高壓，高速以及各種復雜條件下工作的材料，因此必須研制新型材料與合金。鋼鐵廠生的鋼材，也需要隨時檢驗。顯而易見，所有這些研究和檢驗工作，離開材料試驗機是無法進行的。上述幾點，已足以說明材料試驗機的發(fā)展對航空，冶金，機械，建筑和造船等工業(yè)部門，在合理設計工程結構，節(jié)約材料，提高產品質量，改進工藝和降低成本方面具有重要的意義。另外，由于材料試驗機所涉及到的科學技術領域比較廣泛，如高溫技術，低溫技湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書2術，真空技術，液壓技術，光學技術，電子技術和激光技術等，并且還應用各種測試，記錄和顯示儀器，所以材料試驗機的技術發(fā)展，往往取決于很多科學技術領域的水平。1.2 國內外實驗機研究的回顧、現狀及發(fā)展趨勢1.2.1 國內外試驗機發(fā)展及其趨勢伴隨著工業(yè)化的進程不斷深入，新材料的不斷涌現，這就迫切需要研制和生產相應的材料試驗設備，以及研究材料的試驗方法。于是材料試驗機應運而生，第一臺材料試驗機于 1729 年在法國問世，它是基于杠桿原理制成的。到十八世紀中葉，材料試驗機逐漸地有了較大的改進，例如在加載機構中采用了刀口結構等。十九世紀初，液壓技術的進步促進了液壓材料試驗機的研究與應用。第一臺液壓材料試驗機于 1827 年制成，采用杠桿原理測量載荷。在上個世紀五十年代，出現了電子式材料試驗機，它是試驗機歷史上的一次革命，得益于方興未艾的電子技術大量應用于材料試驗機的控制、測量和記錄系統(tǒng)中，使材料試驗機的整體性能得到很大提高。隨著機械設計的進步和微電子伺服控制技術的應用，現代靜態(tài)試驗機已經把拉、壓、彎、剪等集合于一身，稱之為電子萬能試驗機，它通過變換夾具、附件和改變試驗機運行參數就能自動完成材料試驗，并將試驗結果以數據打印和曲線描繪的方式輸出，電子萬能試驗機已經成為世界上目前應用最廣、最普遍的機種之一，基本取代了傳統(tǒng)的老式機械拉力試驗機、壓力試驗機和專用的彎曲試驗機。目前國際上公認的電子萬能材料試驗機有美國的 INSTRON、美國的 MTS 和日本的島津。這些國際知名廠家都開發(fā)了諸多系列的材料試驗機，電子萬能材料試驗機是應用最廣的一種，這些試驗機基本上可劃分為立柱式（單立柱、雙立柱） 、臺式、臥式等，并依據加載負荷的大小來分檔使之成為一個能滿足不同需求的系列產品，這些產品基本上代表這材料試驗機領域的先進水平,其中較具代表性的產品如圖 1-1 和圖 1-2 所示,在這些系列的試驗機的技術指標中，負荷精度能達到指示值的±0.5(或每級量程的士 0.25%)，橫梁速度控精度達 0.1%i。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書3與國外相比，國內的電子式萬能試驗機的發(fā)展雖然起步較晚，但發(fā)展也較為迅速。國內最早的一款電子式萬能試驗機是由長春試驗機研究所開發(fā)的定型產品 WD 系列。近幾年以來，國內在試驗機方面研究的廠家也很多，涌現了諸如深圳新三思公司和濟南試金集團等生產多種類型的成套試驗設備的生產商，國產電子萬能試驗機的典型代表如圖 1-3 所示。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書4與國際產品相比，國產品牌憑借其相對低廉的價格和售后服務的優(yōu)勢，產品的認可度在不斷的提高但是，國產試驗機與國外試驗機在精度和可靠性方面還存在一定差距，尤其是與國外高端試驗機產品方面仍有較大的差距?？陀^來說，國內試驗機行業(yè)還處在一個仿制為主和創(chuàng)新研發(fā)為輔的階段，鑒于試驗機行業(yè)不可限量的市場前景和在整個國家工業(yè)體系中的特殊地位，國產試驗機還是大有可為的?，F代電子萬能材料試驗機的發(fā)展趨勢體現在以下幾個方面：( 1 ) 高精度 試驗機對載荷、加載速率、狀態(tài)控制精度要求越來越高；對如載荷傳感器等各種傳感器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性等要求也越來越高。( 2 ) 智能化 實時的數據測量與記錄，便捷的試驗結果顯示和打印輸出，借助如工業(yè) CT 技術、PDA 等更前沿的檢測手段和儀器，使試驗機的操作和應用更簡便自如。( 3 ) 模塊化、組合式 萬能試驗機上帶有各種自動控制和自動測量裝置,大都采用組件形式，可以隨意增加以擴大試驗機的使用范圍和功用。( 4 ) 通用性、專門化 通用性質的試驗機功能會更強大，各種原理相通功能近似的試驗機會相會整合和趨同，同時滿足最大多數的需求是其發(fā)展方向；與此相對，試驗機的專門化也是一個很重要的趨勢，有些應用場合在精度、試驗條件、功能、專業(yè)化方面都有別于一般的試驗機，這就對試驗機的專門化提出了要求；更專業(yè)、更高端的試驗機在一些諸如國防、新材料研究等領域的需求也是很急迫的。( 5 ) 現場化 傳統(tǒng)試驗機的常規(guī)應用方式是在實驗室條件來測試試樣的性能。但這種檢測方式并不能完全反映常常作為一個構件使用的材料的某些性能。為了彌補這種先天的缺憾，很多試驗機會采用諸多手段來模擬現場以實現在線測試和試驗，目前很多這方面的技術還處于探索和研究階段，離真正實現現場測試還有很大的距離。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書51.2.1 國內外各種實驗機的介紹試驗機是用來進行材料力學性能指標測定的設備，在各類材料的產品質量檢驗、生產過程質量控制、材料科學研究和教學試驗中都需要應用試驗機來進行力學性能測試。而其中在靜態(tài)萬能材料試驗機上的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗尤為廣泛。我國靜態(tài)萬能試驗機為數眾多，遍布于全國各地，大部分不具備電測能力，以手動調整進、回油閥的方式運行，試驗手段落后，有勞動量大和測試結果不準確等缺點。若對其指示、記錄系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行適當的技術改造，則可以充分地發(fā)揮設備的潛能，大大提高其技術性能及使用價值，更好地為材料研究、質量控制和實驗教學服務。 本系統(tǒng)將先進的虛擬儀器技術、傳感技術、測試技術和控制技術相結合并應用于靜態(tài)試驗機，來實現力學性能參數的自動檢測，其中試驗數據的實時采集、自動處理分析和試驗中的加載速率控制是本系統(tǒng)研究的重點。 本系統(tǒng)在充分掌握大量試驗機的動態(tài)信息的基礎上，采用虛擬儀器技術，進行了靜態(tài)萬能材料試驗機數控化系統(tǒng)的硬件搭建及軟件設計。下面對各種試驗機作簡單介紹：1．液壓萬能材料試驗機傳統(tǒng)的材料試驗機是液壓式的, 這種材料試驗機存在一些不足之處。它通過油泵向油缸輸油加壓, 由流量調節(jié)閥控制流量。油泵和測力油缸的液壓系統(tǒng)容易發(fā)生故障, 不但影響試驗機的運行和試驗質量, 而且增加了維修工作量; 它的液壓夾具的鉗口座比較笨重, 容易損壞; 采用擺錘測力計測量試驗力,擺錘的慣性大, 對載荷的測量精度低, 且量程范圍小。2．電子萬能試驗機電子材料試驗機的特點是能夠實現應力、應變、位移的閉環(huán)控制; 試驗中無須選擇量程, 可實行全過程自動控制; 裝卸夾具和附件方便; 軟件包功能強大, 用戶通過PC 可直接存儲數據、計算并輸入測試結果和打印試驗報告。計算機控制整個試驗過程, 保證了試驗的質量。電子萬能試驗機是先進的機械技術與現代的電子技術相結合的產物，是充分發(fā)揮了機、電技術各自特長而設計成的大型精密測試儀器，它具有高科技特點，其設計方法是模塊化的。采用集散技術，有效地利用了微機功能對各種附件和功能單元進行組合管理、控制、實現多種功能試驗。材料試驗機測試裝置包括機身、橫梁及其支撐部件、鉗口和引伸計等。其中機身、橫梁及支撐裝置只需滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求即可, 而引伸計和試驗鉗口則是試驗機的關鍵測量裝置和部件。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書6電子材料試驗機由計算機控制系統(tǒng)進行自動控制。首先, 通過計算機可完成試驗階段的設置。對于金屬材料的常規(guī)拉伸試驗, 通常劃分為三個階段, 即彈性階段、屈服階段和強化階段。在三個試驗階段設置中, 均要選擇速率控制類型和最大存儲頻率等主要參數值。同時, 計算機可實現測量數據的存儲, 并由計算軟件對試驗數據進行處理, 給出檢測結果,最后, 完成試驗報告的打印。3．擴大試驗機試驗噸位的機械增力裝置該裝置屬于材料試驗設備，能在一定的試驗條件下解決小噸位高頻拉壓試驗機不能進行大噸位試驗的問題。它利用彈性內封閉力系的原理，通過改變裝置系統(tǒng)內部的約束尺寸來實現增力，運用實驗應力分析技術通過電阻、電橋、應變儀、指示器、光標及“動態(tài)靜標法”來實現檢測。該裝置能確保原試驗機的各項性能指標及使用壽命，能達到“以小改大、一機多用”的目的，具有結構緊湊、工藝簡單、測試精確、使用方便等優(yōu)點。4．機械式帶傳動萬能材料試驗機 基于主機架采用門式結構，使得造型勻稱美觀大方結構簡單、成本低。尤其配以滾珠絲杠與同步齒型帶的傳動系統(tǒng)，使得整機運行平穩(wěn)，響應快、噪聲低、效率高。對測量系統(tǒng)，微機可以對其進行自動調零，自動標定、自動換檔，從而保證了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，并大大地提高了工作效率。通過對傳統(tǒng)材料試驗機的分析, 發(fā)現其不足主要表現在以下幾個方面:(1) 無法保證角度及位移測量的精度?，F代位移測量系統(tǒng)普遍采用光柵、磁柵、感應同步器、球柵和容柵等柵式測量系統(tǒng), 利用增量測量方法來確定位、置和材料延伸率 δ, 精度達到±011μm, 速度可達 16m / s ; 傳統(tǒng)試驗機多通過游標卡尺人工測量, 無法滿足這一要求。(2) 數據人工生成。采用人工讀取的形式獲得數據, 數據無法即時匯總和分析。(3) 速度調節(jié)為機械的有級調速, 速度控制為開環(huán)控制, 不能構建轉速閉環(huán)。(4) 不能測量材料的屈服強度 σ s、彈性模量 E、硬化指數 n 和塑性應變比 r 等參數。事實上, 多功能材料試驗機、萬能材料試驗機等, 其實驗原理與當前主流的計算機控制材料試驗機并沒有實質性的變化, 其被控對象都比較相似, 對控制效果的要求也相似。計算機控制材料試驗機主要是在控制系統(tǒng)上引入了 CAT (Computer Aided Test, 計算機輔助測試) , 具有液壓伺服或者交直流電機伺服驅動、高精度的位移傳感器、數據采集與控制裝置等。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書71.3 課題的內容：方案的確定，傳動系統(tǒng)設計、計算；材料試驗機( 泛指壓力試驗機、拉力試驗機及萬能試驗機等試驗機) 廣泛地用于建筑、建材、公路橋梁、機械加工,檢測、質檢等行業(yè)或機構；在這些行業(yè)或機構中, 材料試驗機一般均是用來對材料或產品的機械性能進行檢測,通過檢測所得到的數據來判定所購買的或生產的產品的質量,通過優(yōu)化組合進而達到對生產質量的過程控制；另一方面,許多質檢機構或檢測公司都是以材料試驗機試驗所得到的數據來進行質量判別和質量監(jiān)督的。因此如何正確地使用材料試驗機, 如何正確地評定材料試驗機的檢定結果,特別是如何正確地評定測量結果中示值誤差的不確定度就顯得特別重要。材料試驗機示值誤差不確定度最主要的來源是標準測力儀、檢測時數據的不重復性、指示裝置的分辨率等三項,而溫度波動、溫度修正系數、溫度計讀數誤差等三項相比而言屬于高階無窮小,可以忽略不計。另外,在確定不確定度來源時本文沒有考慮示值進程誤差和零點相對誤差所帶來的影響,一方面因為材料試驗機主要是使用進程示值,因此考慮此誤差意義不大,另一方面零點相對誤差主要是衡量回零點的情況,而回零點的好壞情況間接地包含在了重復性誤差中,因此若再考慮零點相對誤差就會在不確定度來源上導致重復。對于材料試驗機要關注以下一些性能參數：1 承載能力與尺寸這些指標對選擇萬能材料試驗機至關重要。承載能力的選定，要根據所測試的材料被拉斷所需的最大力來決定。對尺寸來說，要求測試時存在可用的足夠空間，包括橫向與縱向的空間都應該合適。一些材料，試驗時延伸得較長，所以試驗機垂直的尺寸必須有足夠的長度，以滿足材料延伸的需要。另外還應考慮特殊的夾具，固定裝置和環(huán)境箱所占據的空間。2 橫梁的剛性這個指標往往被過高的要求了。只有在使用十字頭運動作為引伸計或進行撓性測試時橫梁的剛度才會顯得極為重要。用于評價橫梁剛度的因素很多，可以總結為以下幾條：絲杠直徑，圓螺母的匹配，絲杠軸承的匹配等。一些低剛度的機械制造商提供標準設備，數據采集和程序直接測試應變和撓度的機器。實際上，如果承載橫梁用作撓度測試時，這個方法可以用來校正測試結果。3 滿載的最大速度湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書8對于一臺試驗機的評價首先是仔細地評價機器在特定要求下的特性和指標。在不同應用方面要求也會有所不同。一臺萬能材料試驗機最重要的是應該符合應用需要和標準要求，對一些特別的和華而不實的指標將不可避免地使價格升高。下面介紹該萬能材料試驗機的運行原理：萬能材料試驗機的工作原理：利用力源對串聯同軸安裝的標準傳感器和被檢試件施加載荷，從而測定試件的各方面力學性能。顯然作為承載和測力元件的傳感器受到的負荷是彈性力，而傳感器和被檢試件，加載系統(tǒng)都可分別看作彈性元件，因此可簡化為一彈性系統(tǒng)。力源施加裝置由粗加載和精密加載有機部分組成。粗加載系統(tǒng)是采用普通機械或液壓傳動方式產生位移對測力系統(tǒng)施加負荷的裝置，精密加載則由壓電陶瓷力發(fā)生裝置完成。壓電陶瓷力發(fā)生裝置是根據物理學中的逆壓電效應原理，運用壓電陶瓷材料，使用專門的工藝方法制作成的施力裝置，作為力值精密調節(jié)器，壓電陶瓷力發(fā)生裝置與標準傳感器和被測試件一起串聯安裝于測力系統(tǒng)中，當試驗機工作時，在施加粗負荷后，通過特殊研制的控制裝置控制施加于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場強度，改變它產生的微小變形量，從而達到精密調節(jié)力值的目的?？刂蒲b置運用微型計算機和微電子控制技術，以標準測力儀的輸出作為反饋信號，實現對施加負荷和力值穩(wěn)定調節(jié)的閉環(huán)控制和工作過程自動化。萬能材料試驗機共由五部分組成，即主機，壓電陶瓷力發(fā)生裝置，控制器和工作儀表以及數據處理系統(tǒng)。其中主機包括機架（機器的結構主體） ，驅動機構（用以實現粗加載的傳動系統(tǒng)） ，控制器，工作儀表。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書9第 2 章 萬能材料試驗機總體設計2.1 加載方式萬能材料試驗機的加載方式有機械式和液壓式，它們各有優(yōu)缺點。2.1.1 液壓式優(yōu)點：手動容易。易于實現大的力值，加載平衡，加載速度方便調節(jié)。缺點：難于實現自動控制，微小距離難于實現。易造成環(huán)境污染。2.1.2 機械式優(yōu)點：易于實現自動控制。無污染。缺點：大力值難于實現，一般僅適用于小于 1000kN 的力。對比上面兩種加載方式，由于本設計的規(guī)格為 100kN，故決定采用機械式加載方式。2.2 試驗機式樣的選擇通常，電子萬能試驗機大多是落地雙立柱立式，所以我選擇落地雙立柱立式。2.3 傳動方式的對比與選擇萬能材料試驗機的傳動方式有單絲杠式，雙絲杠式，多絲杠式。單絲杠式難于保證精度（加載時，易偏離中心線） ，而多絲杠式結構過于復雜，故采用單絲杠傳動方式，結構相對簡單，能保證本試驗機對精度的要求。本文主要考慮了兩種傳動方案，即直線式傳動方案（圖 2-1）和 U 型傳動方案（圖 2-2） ，對兩種傳動方案，對比其優(yōu)缺點參見表 2-1。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書10圖 2-1 直線式傳動方案對于圖 2-1 所示的傳動方案，其最大的特點就是輸入端直接與減速機的輸出端連接，這樣整體機構傳動會比較緊湊，傳動穩(wěn)定精確，軸系承載的扭矩相對較小，但這樣的結構壓頭會偏置于系統(tǒng)的一側，會對加載的穩(wěn)定性和精度帶來影響，并且由于直線形傳動方案的傳動機構在運動方向跨度過長，對試樣的放置和整體外觀的協調帶來問題，不方便立式系統(tǒng)的總體設計。圖 2-2 U 型傳動方案圖 2-2 所示的傳動方案中引入同步帶傳動，通過改變傳動方向來實現統(tǒng)的小型化，且機構本身保證了加載壓頭始終位于傳動機構的中心優(yōu)化設計和誤差核算，U 型傳動方案也很好的滿足了測量要求。綜合述兩種傳動方案，最后還是確定選用圖 2-2 所示的 U 型傳動方案。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書11表 2-1 傳動方案對比方案 優(yōu)點 缺點直線式傳動結構簡單傳動穩(wěn)定壓頭偏置受力不好跨度太大布局空難外觀不夠美觀U 型傳動結構對稱受力情況好組合方便便于擴展整體布局美觀大方結構較復雜對部分加工件要求高系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降本試驗機的傳動主要為螺旋傳動和同步帶傳動。同步齒形帶的傳動必須考慮帶的張緊，可通過調整其中一張緊輪的位置而達到張緊的目的。至于另兩級帶傳動，由于結構的限制，可采用電機張緊方式張緊。螺旋傳動有蝸輪蝸桿傳動和滾珠絲杠副縣長的傳動。蝸輪蝸桿具有自鎖性能，在裝配時必須注意其旋轉方向。滾珠絲杠采用墊片式消隙和預緊方式，可通過調整預緊力來改變其松緊程度，以便使用權絲杠運轉自如。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書12圖 2-3 雙電機傳動設計方案如果為了設計成本低廉方便，可以采用雙電機工作方式，其一為異步電機，其二為步進電機，即使用伺服電動機，方案原理圖為上圖 2-3?？紤]到精度等方面的因素，決定采用單電機工作方式，因為如果采用雙電機工作方式，其造價較雖低但其結構較單電機方案復雜且精度稍低。單電機為伺服電機，其結構簡單精度高。圖 2-4 單電機傳動設計方案所采用的絲杠為滾珠絲杠，滾珠絲杠必須考慮自鎖，其自鎖方式有多種，本系統(tǒng)中利用蝸輪蝸桿（降速比較大）來實現其自鎖。萬能材料試驗機主機部分是它的主體結構，其所占空間與試驗場地有密切聯系，因此，在設計時必須考慮其體積及所需要占用的空間位置。且應使其便于安裝和運輸。螺紋聯接的防松，在沖擊，振動或變載荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能減小或瞬間消失，重復后，就可能使用聯接松動，甚至松脫。因此必須采取防松措施。本試驗機中采用的防松措施為：雙螺母防松（即在螺母上再加一個螺母）和墊片防松。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書13圖 2-5 工作示意圖(1)圖 2-6 工作示意圖(2)本試驗機使用的潤滑方式為脂潤滑。因此應該根據實際情況定時加一定的潤滑脂，以保證機構的運轉良好。軸承的預緊情況將直接影響其運轉性能。如過松，易使機構失效，且易產生振動。如過緊，則又使機構運轉不良。本試驗機中多采用了焊接連接方式。因此，焊接的方法，質量就直接影響試驗機的整機性能和壽命。湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書14第 3 章 運動動力設計與驗算3.1 滾珠絲杠副的運動動力設計計算消除軸向間隙的調整預緊方式，采用雙螺母,通過兩螺母間的軸向位置，以消除軸向間隙，并進行預緊,提高傳動的定位精度，重復定位精度及軸向剛度，預緊力一般為最大軸向載荷的 1/3。預緊方式采用墊片式。滾珠絲杠的承載能力取決于其抗疲勞能力，故應首先按壽命條件和額定動載荷選擇和校驗其基本參數。同時檢驗其載荷是否超過額定靜載荷（低速） 。強度，剛度，穩(wěn)定性也需要進行驗證。采用內循環(huán)方式，墊片式消隙和預緊。預緊參數—雙圓弧接觸角 45???比　值 /0.2nWrD滾道圓弧偏心距 (/)sinsWer??絲杠參數—公稱直徑 50mm　 導程 　10hom??右旋　 精度等級三級　 鋼球直徑 　5.93(1/64)minWD?圈數 j k 列數= 　 ?0.2.0.2.9sr??'217???承載能力系數 51aCN30CoaN滾珠螺旋傳動由于精度要求較高，比較復雜，所以一般均由專業(yè)廠生產。轉速很低時可僅按額定靜載荷確定或校核其尺寸。3.1.1 靜載荷條件'oaFHCK?—載荷系數 查表 6.2-11， = ，取 =FK1.25:FK1.2—靜載荷硬度影響系數 查表 ，' 64?'H1.0?—絲杠載荷加 余量 %00N?湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書15計算 ='oaFHCK?1.20140N??73?N即絲杠滿足靜載荷條件。3.1.2 絲杠壽命計算 hFHLanKC?—工作壽命 查表 ，h6.210?50hL?—壽命系數 =hK/3().72—載荷系數 查表 ， =FK.F—動載荷硬度影響系數 查表 ，H 6.14?HK.0?—短行程系數 查表 ，L.25L—轉速系數 nK1/3().8nK?工作轉速（ ） ，加載時 ，則n/mir0.5/msn06.3/minr??計算hFHLanCK?3.172.1.64148N??510a?N即絲杠壽命符合條件。3.1.3 絲杠強度計算絲杠轉矩：（ ）1T/Nm0tan()/2TFd????—當量摩角 = ，取TT10'34':T?17'?—絲杠公稱直徑 0 5dm湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書16—絲杠螺旋角 ?217'???計算 （ ）1T/Nm0tan()/TFd???125t('')/3412/Nm??采用預緊，因此預緊產生的轉矩也要計算，預緊力為最大軸向力的 1/3，則2201/3()/()904/TTFdNm???????絲杠合轉矩 123)1436/N??當量應力2234()()0.Td???—絲杠螺紋底徑 220sder???5.8423.096?3976m計算223410146()()3.976.97??????.aMp查表 ， ，6.15?4805sap??:??(0.23)s??:9615?:aMp根據強度條件 ，即???絲杠滿足強度條件。3.1.4 絲杠的穩(wěn)定性柔度計算/rLi????—長度系數 查表 ，6.17??0.?—絲杠最大工作長度 ? 5Lm?2/43.97.94id??湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書17—臨界載荷0F計算 /rLi????.715/.945.??時，859r?:20rEA??—彈性模量—絲杠的危險截面面積 22/4158.7dm?計算 20/rFEA???39N穩(wěn)定的合格條件0/.54?:398/605.7??絲杠符合穩(wěn)定性條件。3.1.5 絲杠的剛度軸向載荷產生的軸向變形量:jFLEA??—