拉伸试验机数控改造驱动电路的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 摘 要 . 2 第一章 概 述 . 4 伸试验机的应用 . 4 . 4 第二章 机械总体设计 . 6 . 6 构总体设计 . 8 参数的确定 . 9 电机的选择 . 10 第三章 机械部 分的设计计算 . 11 杠的选择 . 11 轴器的选择 机电液手册 . 14 速器的选择 . 17 轮传动的设计 . 18 步带的设计 . 23 第四章 控制部分硬件设计 . 27 控制器的 选择 . 27 储器扩展电路设计 . 31 （ 2）地址锁存器 74. 31 （ 3）程序存储器的扩展 . 31 片机应用系统中的地址译码 . 32 （ 1） 8155 引脚及说明 . 32 （ 2）工作方式的设定 . 32 （ 3）状态查询 . 33 （ 4）定时功能 . 33 （ 5） 8155 与 8031 的连接方法 . 33 （ 6） 8255A 可编程外围并行接口芯片引脚 . 33 动电路的设计 . 34 感器的选择 . 34 它辅助电路的设计 . 35 第五章 系统控制软件的设计 . 38 统软件设计包含内容 . 38 件的设计说明及程序清单： . 38 第六章 设计总结 . 40 参考书目 . 42 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 摘 要 本次毕业设计的题目是拉伸试验机系统改造。主要任务是在旧的拉伸试验机的基础上进行改造，采用数字控制方式，进行拉伸试验，这样既减少了工作人员的工作量，又可以更加精确的完成试验目的。 由于材料拉力试验机应用广泛，经过调查研究分析现有产品，决定设计和改造方案。在本次设计中，主要是设计拉伸试验机系统改造，在这个设计中共分两个部分设计：一部分是机械部分，另一个是控制部分。在机械设计里，主要设计夹具和丝杠以及传动部分，其主要要求是保证其精度。在控制部分的设计中，用 列 而控制丝杠转角及采集拉力。 关键词 拉伸试验机 精度 丝杠 可编程控制器 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 he of is is to in of It be of of is to by I of by of is is of In I is on of 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第一章 概 述 为了使我们把学到的知识能够灵活的运用，安排了此次机械工艺课程设计。目的是通过此次设计，能够为将来的工作打下一个良好的基础，我们尽力搞好此次设计。 但是，由于水平有限，缺乏实际经验，时间有限，知识掌握不够全面，因此此次设计中难免有许多不足之处，望老师见谅。当然本次设计更得到了李任江老师的悉心指导，还有其他老师同学的帮助，才的以顺利完成设计，在此对大家表示感谢！ 由于材料拉力试验机应用比较广泛，所以应该大量比较和分析现有产品，综合后，决定设计和改造方案。目前应用得试验机工作力在 100下的多采用机械传动。 100上的多采用液压式传动。现在本校试验室有两台液压式万能试验机。由于老式液压材料拉力试验机的功能和原理都差不多，所以将本校试验室的材料试验机作为改造和参考的对象。原机在拉伸（压缩）材料后能自动画出金属试验数据图。 伸试验机的应用 在各种材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究及教学试验中，都必须应用试验机进行力学性能测试。拉伸试验机在我国的钢铁、建材、冶金、化工等行业被广泛应用。目前，估计国内已拥有数万台国产及进口的各类试验机，大多数为手工控制、操作，主要 用于原材料检验、质量监督检验、质量控制及教学，担负着材料或产品的常规力学性能测试。所以，研制一台适用于设计要求，改造后的机床能自动输出相应数据。同时也为材料用户的数据共享提供一种经济、快捷的途径和手段，显得很必要，具有良好的经济效益和社会效益。 伸试验机采集系统的特点与要求 对于本次拉伸试验机的设计，必须配置电测传感器，通常有 3 种：用于测定力值的压力传感器或测力传感器；用于测定式样变形的变形传感器；用于测定机器横梁移动量的位移传感器。本文采集的主要是拉力数据的采集；因此，只使用了拉力传 感器。测试过程中，操作人员可以一边观察侧一边用拉力传感器反映的力值进行数据采集和处理测试结果。通过此次系统改造后的试验买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 机，相对来说，测量精度明显提高，并能自动记录被测试材料的最大拉力、钢材的屈服点参数等。 要求如下： 数字显示试验里及峰值等，示值精度为 并能方便验定； 实时记录曲线； 具有抗拉强度的峰值自动保存功能； 具有屈服强度等参数自动判断功能； 系统适合于长期连续运行； 测试数据及相关数据机内掉电保存，以备查用； 可单独使用，也可与上位联机使用。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 第二章 机械总体设计 方案的选择是为了更好的对拉伸实验机系统改造和设计，方案的选择将直接影响到设计的好坏。对此，我提出三种方案进行对比，以致于选出最好的方案，达到最佳的设计结果。 案列举 ： 方案一 ：采用齿轮丝杠传动，电机安装在底座箱体外面。 光电译码器图 案二 ： 采用单丝杠 传动，用电机直接驱动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 应变片图 案三 ： 采用同步齿形带传动，动力源为直流伺服电机，由于它的低速性不好，所以要加减速装置。 光电译码器拉力传感器图 各方案总体分析 方案一 ： 优点是两丝杠旋向相反，可消除扭转力的副作用，但左旋丝杠的加工困难造价较高。又由于减速部分采用多级齿轮传动，使得 成本增加。为了安装方便放在下边的旋转编码器应改在上边，除丝杠外又增加了两个光杠，使得成本增加，所以不合理。 方案二 ： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 由于电机只带动一个丝杠，横梁还需严另一个光杠上下移动。这样增加了扭转力矩，相应就要增加电机的功率。造成浪费，而且应变片贴在试样上，操作不方便且试样断裂后对应变片可能有损伤，所以不合理。 方案三 ： 为了降低成本，克服液压系统的缺点，更为了提高系统的操作自动化程度，将系统定为电气控制，且是机械传动。此方案克服前两个方案的缺点，且结构简单，成本低，所以较合理。 工作过程及机械原理如下： 由电机带动一级减速器，再经过一级传动带带动两根丝杠。此处选择减速器是为了减少设计量。用带传动是为了降低成本。保证两根丝杠同步，传送带选用齿形带。丝杠带动螺母，落幕固定在横梁上，从而使横梁一起运动。横梁又带动夹头。由于上下夹头间夹着材料试棒，所以一起运动而上夹头与工件下部不动，因此试棒就被拉断。 在丝杠的顶端装有光电偏码器，通过测量丝杠的转动计算出工件的伸长量，从而使系统达到半闭环控制，上夹头端部装有拉力传感器，可直接测量作用在工件上的力。 定方案 由以上分析，可知方案三为最 佳方案。 决问题 虽然反感确定了，但软，硬件控制尚需选定，编程，各部分的尺寸尚需确定，丝杠部件的连接方式的选择，材料，型号的选择。 构总体设计 采用同步齿形带传动，动力源为直流伺服电机，要安装减速器，因为直流伺服电机的低速性不好。利用同步带传动，它兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点。平均传动准确，精度高，且适于低速传动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 图 参数的确定 1 半闭环系统的执行元件：采用直流伺服电机。 2 检测及反馈元件的选择：半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器。选择圆形的角位移传感器，如光电脉冲编码器，圆感应同步器，旋转变压器，码盘等。根据需要选择光电脉冲编码器。 3 机械系统与控制系统方案的确定：由执行元件通过减速器和滚动丝杠螺母机构，驱动工作台运动。 4 伺服电机动力参数确定：由拉伸试验机，属于一般的直流伺服系统，故根据各种直流伺服电机的特性，选择电磁式直流电机。它具有体积小、重量轻、力能指标高、产品的结构 牢固。机构特性和调节特性的线性度较好的特点。故选择直流永磁电动机。 5 试验机的参数：最大拉力 0 ，最大拉伸空间 700属试买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 样加工范围 55 ，其精度等级： 1 级。 电机的选择 （ 1 ） 初选电机 拉伸工件时所需的最大功率 3 电丝 /PP d 电 其中 321 查机械原理一书知 电根据机电一体化系统设计手册 初选电机 90表 1数据参数如下： 转矩为： 10 ） 转速： 1500r/率为： 80W 电压为： 220V 外形为： 8/90 长： 181 重量为： 2）验算所选电机的转矩是否符合要求丝杠转矩 T 0 t a n ( )2m 其中 为 当量摩擦角。取 =则 08 40 33 0 0 6 . 3 1 02 . 5 1 0 t a n ( 2 5 3 8 4 0 )2T = m L 2 1. 5 9 0 . 2 7 7J 0 . 9 9 0 . 9 6 0 . 5 4 8 3 0 0T 电 T = m 所选电机合理 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 第三章 机械部分的设计计算 杠的选择 根据机电一体化设计基础 ，选 r/r/杠的长度 L=1330命 1500h, 传动精度 = . (1) 求计算载荷02 5 0 0 查表 2 K ；查表 2 K ；查表 2 D 级精度；查表 2 F 。 （ 2）计算额定动载荷 3 43 500021030 =36690N （ 3）根据择滚珠丝杠副 假设选用滚珠丝杠符的额定动载荷C 的原则，查表 2以下型号规格：1 6776N 表 2丝杠副数据： 公称直径0D=60程 P=10，螺旋角为 3520 ，滚珠直径0d=表 2尺寸公式计算： 滚道半径 R=心距 8 3 丝杠内径 8 4）稳定性的验算 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 由于丝杠在工作时可能回发生失稳和共振两种情况，所以下面对其分别进行验算。 第一种情况：失稳 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失 稳，所以在设计时应该验算其安全系数 S，其值应大于丝杠副传动结构允许的安全系数 S。 查表 2用一端固定，一端游动（ S=3, 32( 为长度系数 )，界转速系数， 查得 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷 22 其中 E：弹性模量，对于钢 E=206 丝杠工作长度 杠危险界面的周惯性矩 其中 6441 =64 =710 m 取 32则 267921 3 3 610 安全系数 S 3 6 查表 2S=3， , 既 丝杠时安全的，不会失稳。 第二种情况： 高速长丝杠在工作时可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 转速 临界转速 要求丝杠的最大转速 临界转速r/按下式计算得： 2129910= =9970r/ 除以上两种情况以外，滚珠丝杠副还受常要求：m 07 40 n 。 m i n/107m i n/3 0 0m i n/560 40 n 所以该丝杠副工作稳定。 （ 5）刚度验算 计算最大导程误差m a x 104 3 =13.3 m 通常要求丝杠的导程误差应小于传动精度的21，即： a x 所以该丝杠的导程误差满足要求，所以刚度合格。 （ 6）效率验算 滚珠丝杠副的传动效率 为： 48352t a n( )352t a n(t a n t a n 000 要求在 90%95%之间，所以丝杠副合格。 （ 7）验算寿命 测试机械寿命 h 为 15000h 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 额定寿命计算公式如下： 3a 其中： L 额定寿命 610 基本额定动载荷 F 转向载荷 在实际中选用 n 1 5 0 0 01 5 1 4 6560106010 66 所以 符合要求。 （ 8）验算自锁 丝杠停转时，丝杠螺母可能会因受力过大而轻松下落，此时必须考虑自锁问题。 受力简图如下： 图 防止上述现象发生，产生自锁，则必须有 ;既： 螺 旋升角； 摩擦角 由图可知： 即 能够产生自锁。 轴器的选择 机电液手册 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 凸缘联轴器是应用最广泛的一种固定式刚性联轴器，它结构简单，工作可靠 ，传递转矩大，装拆方便，可以连接不同直径的两轴，采用铰制孔螺栓对中，这种螺栓联接是依靠螺栓与螺栓孔壁之间挤压来传递转矩的，不但减轻了螺栓的预紧力，而且还能提高传递转矩的能力，同时装拆时不需要沿轴向移动。 (1) 联轴器的选择计算 计算转矩 中： 计算转矩 KN m K 工作情况系数 T 理论转矩 驱动功率 n 电机转速 1500r/i 减速器公称传动比 i=50 公称转矩 查表 19 K= 32501500 择 联轴器，额定转矩为 40 )(，许用转速（钢）为 9500r/8 ，轴孔长度 30=10001 ,螺栓 83 M ，质量为 动惯量为 (2) 联轴器的强度校核 普通螺栓联接的受力和强度计算 满足传递转矩所需的螺栓预紧力 F F C 14其中 联轴器的计算转矩 D 半联轴器凸缘的外径 1D 两半联轴器凸缘端面接触处的直径 摩擦系数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 n 螺栓数目 0 404 螺栓联接的强度条件 1 d F 22 /0 09 其中 螺栓材料 的许用应力，对 45 钢控制的预紧力时，可取 =240N/ 2不控制预紧力时可取 2/120 ，这里为 45 号钢控制， 2/240 2/2 4 00 0 9 3.0 即 满足强度条件。 铰制孔螺栓联接的受力和强度计算 每一螺栓所受的剪切力S 02 02 螺栓的剪切力强度条件 20/ S 螺栓联接的挤压强度条件 20/2200 0 7 3.0 所以满足强度要求。 (1) 键的强度校核 由于联轴器利用键与电机，减速器相联接。根据电机轴径 8 ，选择普通平键相联接，靠侧面传递转矩，对中性良好，结构简单，装拆方便，选择 的应力集中小。 查机电液手册表 6式如下： 键联接工作面挤压应力 2其中 T 传递的转矩 d 轴的直径 L 键的工作长度 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 K 键与轮毂之间的接触高度 数据列表如下： d b h l 8 2 2 12 14 5 5 20 表 表 6，联接钢，轻微冲击， 40p， d=8=12 校核 8 由表 6 000=0 即 所以符合要求。 键的剪切强度校核 0 02 所以键的剪切强度符合要求。 校核 18 Pd k l T 002 0 00 002 0 00 键的剪切强度和挤压强度均合格。 综合上述计算结果得知，对于 8 及 18 两径上的键，无论是挤压强度还是剪切强度均符合要求，可按全工作。 速器的选择 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 查机电液手册，选择减速器。计算载荷如下： 111 C 43211 t C 43222 t 式中 1P 螺杠输入各功率 工况系数 查表 20K 1f 启 动 率 系 查表 20得 11f 2f 小时负载率系数 查表 20 2f =f 环境温度系数 查表 20 13 减速器型号系数 查表 20 得 14 f 把查得的数据代入式中，得： 2 0合要求的减速器为 F，传动比 i=50。 轮传动的设计 轮的几何尺寸的计算 查机电液手册，有关于直齿锥齿轮传动的几何尺寸的计算如下： 齿数比 u 312 端分度圆直径 401 1202 确定齿数 1Z 2Z 查图 1622 m 6632212 确定大端模数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 准的 75.1020 ， 1* 1 2 分锥角 当 090 时， 0111 ct ct 102 （ 6）外锥矩宽 b、齿宽系数 R 8s 11 e 平均分度圆直径 52 中锥矩、平均模数 RR m m 切、径向变位系数X 由图 0 1 1 取 21 齿顶高根高纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 11 C 由表 C 齿顶圆直径隙 C o o o o o 大端分度圆厚 S、大端分度圆弦齿厚 S 111 t = e 2261 端分度圆弦齿高 量齿数 o o o o 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 2 0 o o o o sc o 面重合度v t a nt a nt a nt a 2211 001111 0c o r c c o o sa r c c o s o r c c o o sa r c c o s 02222 所以 0000 20t a a a a v= 校核键的强度 锥齿轮联接的键的强度计算如下： p 2000= 2000= 键的剪切强度和挤压强度均满足要求，可以安全工作。 齿轮传动的校核计算 齿面接触疲劳强度的校核 根据机电 液手册，查得： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 1式中： 使用系数 查表 101.6 载荷系数 查表得： 0 1 9 1 8 1 向载荷分布系数K 5.1支承情况系数，查表 12： K 齿间载荷分配系数2， 1 节点区域系数 查图 得 弹性系数 查表 10， 接触疲劳强度计算的重合度和螺旋角系数 8 8 锥齿轮系数 许用接触应力Z =1 v m i nl i m= H 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 所以齿轮的 许用接触应力满足要求，可以安全使用。 齿轮的弯曲疲劳强度的校核 弯曲疲劳强度的计算公式如下： 1 合齿型系数082 2曲强度计算的重合度与螺旋角系数 Y 许用弯曲应力 XR S m 式中： 齿轮材料的弯曲疲劳强度基本值 查图得 =630 寿命系数 相对齿根圆角敏感系数 见表 10Y 尺寸系数 见表 10 齿根弯曲强度的最小安全系数 系数代入公式中： 1 F 齿轮的弯曲疲劳强度满足需求。 步带的设计 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 24 1. 有关数据的计算： 功率： 6 传动工况系数 查表取 K P 带传动的功率 选择带型： 根据，查图 8用 H 型， 选择小齿轮齿数 1Z 根据 Z 的原则，查表 814Z 取 191 Z 小带轮节径 1d 、大带轮节径 2d b b 大带轮齿数 2Z 3819222 （ 6）带速 V： 1 初定中心距0680 选用带长及齿数 02122100 422 a = 0 05 6 84 822 按表 8 1524 代号 600 。 带上齿数 120。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 25 = 本额定功率 100020 式中： 同 步 带 的 基 准 宽 度 查 表 8， ， 0 0 0 020 带宽 用于轴上的力 1 按表 8取标准带宽 代号 V R 1 7 2 0 01 0 0 0 适当的张紧力是保证传动正常工作的重要因素。张紧力不足，带将在带轮上打滑，使带急剧磨损，张紧力过大，则会使带的寿命降低，轴和轴承上的作用力 增大。张紧力通常是通过在带与带轮两切点 A、 ，使其产生规定的挠度 计算挠度的公式如下： 使切边中点产生挠度： 1006.1 从而可知载荷为： 160 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 26 式中： 0F 同步带合适的张紧力 l 切边长度 带节线长 Y 修正系数 查表 8： ,43,1 6 6 80 入公式： 3161431 1 5 4 8 8 综合以上分析计算，为了达到张紧的目的，本设计采用张紧轮的装置。张紧轮一般应改放在松边的内侧，使带只受单向弯曲。同时张紧轮还应尽量靠近大带轮，以免影响带在小轮上的包角。张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相 同，且直径应小于带轮的直径。 故选择张紧轮的直径为 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 27 第四章 控制部分硬件设计 构成微机控制部分的硬件电路概括起来由以下四个部分组成： （ 1）主控制器 即中央处理单元 用 51列的单片机 （ 2）总线 包括数据总线（ 地址总线（ 控制总线（ （ 3）存储器 包括可编成存储器 随机读写数据存储器 4） 口电路及伺服电机电路、检测电路等外