毕业设计（论文）-机电耦合环境下材料微观性能测试仪的设计分析与实验.doc

机电耦合环境下材料微观性能测试仪的设计分析与实验Design Analysis and Experiment of Material microcosmic performance tester under the electromechanical coupling environment全套图纸加扣 3012250582作者姓名：专业名称：机械工程及自动化指导教师：学位类别：论文答辩日期： 2015年 6 月 13 日授予学位日期： 2015年 月 日答辩委员会主席：论 文 评 阅 人：承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日摘要摘要材料科学伴随着科学与技术的不断前进而得到了高速的发展，各种新材料的合成和制造工艺水平的提高，使得被测样品的特征尺寸越来越小，传统的万能试验机已经明显不能满足测试小尺度材料的力学特性的需求，对材料的测试已经从宏观尺度下的测量向微纳米尺度等级的测量发展。本文主要从实际应用出发，在综合分析国内外现有微观尺度测试仪器的优点与不足的基础上，设计一台能够测试在电场与力场共同作用环境下材料所表现出来的微观性能的实验仪器，为测试材料的微观性能提供了一种手段，论文主要内容有：1、 通过对测试仪器的方案进行对比分析论证，选择单轴双向拉伸、三点弯曲，微纳米压痕三种力场加载，同时对试件施加电场，主要实现的测试功能有： 1、恒定电场强度作用下的材料的单一载荷以及复合载荷作用下的力学性能测试； 2、恒定力场作用下（可以是单一载荷，也可以是多个载荷叠加共同作用）的材料的电学性能（如电致疲劳，电致断裂等）测试； 3、力场（双向拉伸压缩，三点弯曲共同作用），电场共同作用下的微纳米压痕试验等方面的功能。二、结构进行设计分析与说明，对较关键环节电场的施加方法给出解决方案： 1、拉伸单元利用云母片进行夹具与试件的分离； 2、弯曲与压痕单元利用绝缘子进行压头与机体分离。三、对关键元器件进行选型、设计计算与校核。关键字：机电耦合 微观力学性能 三点弯曲 纳米压痕 双向拉伸 功能材料 AbstructAbstractWith the continuous advancement of science and technology, materials science has been rapid developed, Synthesis and improvement of the manufacturing process of various new materials, make the sample feature sizes getting smaller and smaller; Traditional universal testing machine has obviously can not meet the needs of small-scale testing of mechanical properties of materials. Material testing has evolved from macroscopic scales to measure micro and nano-scale level measurements.This paper mainly from the practical application，On the basis of comprehensive analysis of the advantages and disadvantages of existing micro-scale test equipment from domestic and international，Design a machine that can test the microscopic performance of the material under the action of the electric field and force field，which provides a means for the material micro - performance test. Mainly contains：A.Through the comparison of the test equipment，choose uniaxial tension, three point bending, micro-nano-indentation to load，At the same time, applying an electric field on the specimen；The main test functions are: 1.Under the action of constant electric field, test the mechanical properties of the materials under the action of the single load and the composite loads; 2.Under constant force fields (can be a single load, it can also be superimposed on a plurality of load interaction)，test the electrical properties of materials (such as electrochromic fatigue, electric fracture, etc.) ; 3.Micro-nano-indentation test under the combined effect of an electric field and force field (biaxially oriented compression, three-point bending interaction).B. Structural design analysis and explanation, as for the critical aspects - the applied electric field method gives solutions: 1.Stretch separation unit uses mica to separate fixture and specimen; 2.Bending and indentation unit uses insulators to separate pressure head and body.C. Type selection, design calculation and checking of the key element. Keywords：Electromechanical coupling，The micro mechanical properties，Three point bending，Nano indentation，Two-way stretch，Functional materials目录目录第1章 绪论11.1 背景及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 材料微观性能测试技术发展与研究现状11.2.2 多场耦合环境材料微观性能测试研究现状2第2章 设计内容与方案论证52.1 设计主要研究内容52.2 方案论证52.2.1驱动方式，传动形式的选择52.2.2载荷加载方式的确定72.2.3结构的合理布局72.2.4电场的施加与屏蔽82.2.5仪器精度的保证8第3章 结构设计与分析93.1 单轴拉伸单元结构设计与说明93.2 夹具结构设计与分析103.3 三点弯曲单元结构设计与分析113.4 微纳米压痕单元结构设计与分析12第4章 关键件的设计计算选型与校核154.1 丝杠设计计算及校核154.1.1 单轴双向拉伸单元154.1.2 弯曲单元丝杠校核214.1.3 压痕部分丝杠224.2 导轨设计计算及校核234.3 电机以及减速器的选择254.3.1 拉伸弯曲单元254.3.2 压痕单元264.4 轴承的选用与校核284.5 紧固件的选型与校核304.6 定位销的校核314.7 传感器的选型32第5章 整机结构与原理335.1 总体结构与功能介绍33 5.2 关键件有限元分析34第6章 总结与展望416.1 总结416.2 展望41致谢43参考文献45I第1章 绪论第1章 绪论1.1 背景及意义材料，在人类生活的方方面面都扮演着至关重要的角色。作为人类社会文明的三大支柱之一，材料科学伴随着科学与技术的不断前进而得到了高速的发展，伴随着人们对材料多样化的需求不断的提升而随之出现的，是越来越多的新兴材料被人们所认知，人们对于材料的探索也越来越深入，越来越向着更加微观的方向探索。对关键材料的保证能力是各个国家国民经济发展的重要保障，以前，由于受限于技术的，环境等因素，人们在利用材料的过程中主要参考的因素是其表象特性，并不能对材料的微观尺度下呈现出来的特性进行研究，然而，由于对材料的微观层面的认识不够充分，造成了数不胜数的由于材料的失效而引起的事故1,2，正是因为如此，激发了人们对于深入研究材料内部结构，微观特性的兴趣，通过无数前辈的不断努力，人们了解了材料的微观形态和材料所表现出来的力学特性是密不可分的，随着材料尺寸的减小，在影响力学性能方面，起到主导作用的由宏观形貌变成了微观特性，有些材料的力学性能甚至可能出现与宏观尺度下不同，相反的特性3。信息技术的发展依托于微机电技术，对于微机电系统，为了满足整体结构小的要求，其中大量的智能元器件都是由压电或者是铁电等材料制成，尺寸非常小，且多数都工作在电场，力场，温度场，磁场等多个场的共同作用下，其发生变形与破坏的原因不能仅仅考虑单一载荷或者是单一场，而是在多个场共同作用下产生的4；因此，在多类不同的力场中同时表达多个场（如电场、温度场、磁场等）之间的耦合作用，研究功能材料在这样的耦合场中产生的破环机制，如电致断裂，电致疲劳等是非常有必要的5，然而传统材料力学性能测试仪器都是在较为理想的环境下对材料的性能进行测试，无法准确地表征材料在真实服役条件（多载荷多物理场综合作用）下所表现的力学性能。因此，为了达到另材料及其制品在实际使用过程中能保持长期稳定性、耐久性和可靠性的目的，较真实地模拟材料在真实服役过程中所处的工作环境，研制开发能够对材料微观力学行为进行精确测试的，并且能够在多种载荷、多物理场共同作用下对材料的变形及损伤机制进行有效评估的仪器装备是十分重要的。1.2 国内外研究现状表征材料性能的参量有以下几项：分别是弹性模量6、切变模量7、伸长率8、强度极限9、屈服极限10等。传统的测试材料力学性能的方法主要是利用万能材料试验机进行测量，近年来，伴随着精密与超精密加工技术11-13、微电子技术的飞速发展，各种新材料的合成和制造工艺水平的提高，被测样品的特征尺寸越来越小，传统的万能试验机已经明显不能满足测试小尺度材料的力学特性的需求，对材料的测试已经从宏观尺度下的测量向微纳米尺度等级的测量发展，随着这种趋势而产生的，是微纳米压痕测试技术等新型测试方法。1.2.1 材料微观性能测试技术发展与研究现状 美国、德国等西方国家的起步要更早一些，上个世纪六十年代初期，Stillwell和Tabor14 两人，便利用压头，通过检测压入材料后材料的弹性恢复来确定材料的力学性能。现如今市场上的比较成型的商品化压痕仪，大多数都是采用Oliver和Pharr15所使用的用幂函数进行拟合去处理压痕实验过程中产生的卸载曲线，而不是用线性拟合的方法，这种幂函数的拟合方法将压痕实验的理论基础加以补充，为后续的纳米压痕的发展奠定了坚实的基础；在我国，对于纳米压痕的研究相对较晚，国内比较典型的研究纳米压痕的代表人物是清华大学的院士温诗铸16和中科院的研究员张泰华17；西安交通大学的教授蒋庄德团队研制出了一台能实现不同压深范围的测试仪器，并能将图像显示在计算机上18。除此之外，西安交通大学制作成功一台微机械力学性能测试仪，将纳米压入和微梁弯曲两种加载方式进行了整合是这台仪器的一大特点,通过加载等一系列相关的操作，能够得到量程大，分辨率高的位移-载荷曲线，另外，该测试仪的加载方式也比较特别，采用的是两级整体式加载，测量精度非常高，位移与载荷分辨率可以分别达到10nm与20LN，足以满足对MEMS系统的材料性能测试的要求19；针对 MEMS 领域中典型的多场耦合问题，西北工业大学实验室的苑伟政等对陀螺中的静电结构耦合问题进行了针对性的分析，其所采用的方法为半解析分析法20。目前，一些进行材料微观性能测试商业化的产品已经问世，比较典型的有德国Kammrath & Weiss21（图1.1a）、英国Deben22 （图1.1b） 美国Hysitron 公司的 Triboindenter23 （图1.1c）。 （a）三点弯曲测试仪 （b）拉伸试验机 （c）纳米压痕仪图1.1典型材料微观性能测试仪1.2.2 多场耦合环境材料微观性能测试研究现状在多载荷多物理场环境下对材料的微观性能进行测试，能更好的模拟材料在真实服役状态下说表现出来的性能，具有重要的实际意义。温州大学薛 伟教授等人用自制的微拉伸装置,通过观察直径为20 m的316L微构件在不同强度的电流作用下的拉伸试验，提出在拉伸载荷的作用下，微构件会出现比较明显的塑性变形的结论;在微观尺度的力学性能与宏观性能有很大的不同,出现了小尺寸效应;得出不同电流作用下,微构件的拉伸强度和弹性模量会随着电流的增大反而降低的理论24；于泽军，方岱宁等人研究制作了“力-电-磁”多场耦合微纳米鼓泡仪，并用之探索微纳米尺度下功能薄膜在多场耦合环境中的力学/物理新效应及微观机制25； G. S. Palani 和Nagesh R. Iyer研究了加筋板在拉伸、弯曲、剪切复合载荷作用下的断裂行为，通过分析计算拟合出加强筋的最合适位置，为配置加强筋提供了参考4； V. Koval等人利用导电压头，对压痕试验过程中压电材料的电流感应特性进行了测试，但仪器的不足之处是没有对实验条件提供外加电场或磁场26；方岱宁教授带领的团队自行制作成功力场-电场、力场-磁场进行耦合的加载设备,并进行多场耦合的相关实验，试验所用仪器如图1.2，部分实验结果如图1.3; 研究了在多个场耦合的作用下压电/铁电材料存在的本构关系,为消除内偏场提出了一种方式-冲击极化27。图1.2 试验仪器图1.3 实验结果47第2章 设计内容与方案论证第2章 设计内容与方案论证2.1 设计主要研究内容毕业设计内容为机电耦合环境下材料微观性能测试仪的设计分析与实验。首先，查阅相关文献并进行调研分析，形成总体的设计目标目标和方案，在此基础上，进行方案的详细设计，包括对关键机械元器件进行设计计算及校核、对机电元器件进行选型，最终形成设计图纸，研制仪器，对典型的功能材料微观性能进行测试分析。本次毕业设计在力场方面主要考虑有单轴双向拉伸，三点弯曲，微纳米压痕，进行力场与电场共同作用下的材料微观性能测试仪的研制，设计参数如下：对于单轴双向拉伸单元，最大轴向力为7500N，试件运动速度为，三点弯曲单元最大轴向力为7500N，微纳米压痕单元最大压力为1N，主要实现的测试功能有：（1）、恒定电场强度作用下的材料的单一载荷以及复合载荷作用下的力学性能测试，（2）、恒定力场作用下（可以是单一载荷，也可以是多个载荷叠加共同作用）的材料的电学性能（如电致疲劳，电致断裂等）测试，（3）、力场（双向拉伸压缩，三点弯曲共同作用），电场共同作用下的微纳米压痕试验等方面的功能。2.2 方案论证 对于设计者来说，一台完整的测试仪器，从最初的选题，构思，拟定方案，再到对几种不同的方案进行对比分析，考虑结构合理性，在满足设计要求的前提下的经济效益的最大化等多方面因素考量出发，最终决定一种最适合于选题的方案，是必不可少的一项环节。本章将针对本次毕业设计-机电耦合环境下材料微观性能测试仪的设计分析与实验的具体要求，从几个不同方面进行方案的对比分析与选择，主要有以下几方面：2.2.1驱动方式，传动形式的选择1、驱动方式：经过查阅文献，经常用到的的驱动方式有以下三种： （1）、液压驱动，液压驱动的优点在于能够平稳的输出动力，调速范围大，容易进行无级调速，稳定性高，液压驱动能输出的动力更大，比较适用于需要大的输出力矩的场合；液压驱动的缺点也有很多，由于液压驱动的“核心”是液压油，因此，对油液的清洁度，温度的变化要求很高，一旦油液中掺入杂质，将造成传动的不准确，对于一些高精度的液压元件，甚至有可能会因为其中的液压油的原因造成损坏，而且一般这些高精密的液压元器件都是高度集成的，一旦出现故障，便无法再次使用，即使强行地进行拆卸检查装配，也很难保证使用的精度与可靠性；液压油的温度变化是液压传动的很严重的一个问题，液压油温度的变化将造成传动比的准确度下降，继而整个传动系统的传动精度，传动要求都会受到影响；另外，液压驱动的外部油路环节一般都很复杂，对仪器的空间利用有一定的要求，不利于对仪器进行合理的空间布局，且复杂的油路环节对故障检修造成了很大的障碍，不能及时的找到故障出现的具体位置，影响仪器的使用，造成时间的浪费。 （2）、气压驱动，对于气压驱动，主要优势在于可以进行比较远距离的输送，对主要的工作介质-空气没有很高的要求，但与液压驱动一样，由于空气可以被压缩，尤其在重载的条件下，空气被压缩而产生的传动比，传动精度的下降是不可以被忽略的，另外，因为气压驱动的相关组件会有磨损，而空气对于这些组件没有相应的润滑功能，因此，应用气压驱动作为整个传动系统的动力源，需要另外布置一整套能够对气压传动相关组件进行润滑的装置，占用空间较大，整体方案偏向于复杂；除了以上液压驱动的几项不足之外，气压驱动噪声很大，传动也不够平稳，对于对试件进行准静态条件下的加载过程很难保证，因此，综合考虑以上因素，利用气压驱动测试仪对试件进行加载较难实现； （3）、电机驱动，随着精密控制技术的不断创新进步与发展，伺服驱动系统受到越来越多的关注，也成为更多的精密驱动控制系统的首选驱动装置，伺服电机的控制方式是属于闭环控制，能实时地将输出端的信号反馈回来，并迅速做出反应，及时调整输入端与输出端产生的误差，进而实现电机对输出信号的动态响应与控制，反应速度快，灵敏度高是伺服电机的一大特点，除此之外，通过选取不同型号的伺服电机，可实现不同输出功率的需求；与液压驱动与气压驱动相比较，电机驱动更加小巧，对空间的要求较低，污染小，安装与调试都较为方便；在对以上三种驱动方式的优缺点进行综合考虑之后，发现在偏小型的测试仪器这个领域，电机驱动的优势相较于另外两种驱动方式优势更加明显，另外，通过实际的参观与调研，发现对于这种轴向拉伸，三点弯曲的试验力不大的试验用仪器，大多数的驱动方式选择都是电机驱动，整体外形相较于液压驱动的试验机更小，更整洁；因此，在驱动方式的选择上选择电机驱动整个传动系统，进而实现试验机的完整的功能。2、传动形式的选择 电机通过中间传动装置将输出传递给后面的执行单元，最终实现拉伸，弯曲的实验要求的加载过程（压痕单元电机驱动带动整体压痕单元轴向移动，但最终的压入过程并不是通过电机进行加载的，而是有专门的驱动元件对压痕单元的加载过程（即压入过程）进行驱动，详细的对于压痕单元驱动装置的介绍，参考第三章压痕单元结构设计及说明），由于驱动装置选择了电机驱动，因此，对于移动端的传动装置，按照常规选择，由滚珠丝杠螺母副带动执行机构进行传动，滚之丝杠螺母副具有以下优点：（a）、与以往的滑动丝杠不同，滚珠丝杠中丝杠与丝母之间通过钢球的滚动而实现丝杠与螺母的相对运动，众所周知，滚动相比于滑动来说，需要的启动转矩更小，因此，钢珠转动不容易出现滑动丝杠中经常出现的“粘性滑动”的现象，能够实现非常微量的进给，完全适用于本设计所要求的对于拉伸与三点弯曲过程接近准静态加载的要求；（b）、滚珠丝杠一般都可以接受预压措施，通过对滚之丝杠螺母副进行预压处理，便可以将丝杠与丝母之间存在的轴向间隙降低，甚至到零以下，就本设计而言，三点弯曲与压痕单元对轴向间隙的要求都很严格，通过选择带有预压措施的滚珠丝杠螺母副作为传动件，满足了设计所要求的精度与刚度的要求；滚之丝杠螺母副的主要不足之处在于其自身不能实现“自锁”功能，尤其当滚珠丝杠螺母副被布置于垂直方向使用时，由于工作台等执行单元的自重的原因，会带动螺母（以丝杠固定旋转，螺母在丝杠上进行轴向直线移动为例进行说明）向下运动，这在任何一种机械装置中都是绝对不允许存在的，不仅会造成仪器设备的损坏，对人身安全等方面都有很大的威胁，因此，当滚珠丝杠螺母副在垂直方向使用时，在整个传动系统中加入自锁装置是非常有必要的；对于驱动单元电机与滚珠丝杠螺母副之间的传动方案的选择，比较常见的有下面几种： 方案一：电机通过带轮传动或链条传动，带动滚珠丝杠螺母进行每个输出端的运动，无论是带轮传动还是链条传动，由于其使用条件的限制，都不能有很大的降速比，因为一旦降速比过大，势必会造成传动精度下降，影响仪器的使用性能，对于本设计，因为输出端的移动速度都很慢，势必需要进行大传动比的降速传动，因此，带传动或者链传动都不能满足实际的使用要求。 方案二：电机连接蜗杆，蜗杆传动蜗轮，蜗轮连接在丝杠端，实现运动的传递，前文中提到，滚珠丝杠螺母副被利用在垂直方向上使用时，在整个传动系统中的某一环节必须设有能够自锁的装置，蜗轮蜗杆提供了一种很好的选择，而且，蜗轮蜗杆最显著的特点就是能够进行大范围的降速，传动比非常大，但其加工制作成本很高，且安装定位不容易保证精度。 在本设计中，单轴双向拉伸单元虽然被布置在垂直方向上工作，但并没有选择蜗轮蜗杆作为中间传动机构进行减速与传动，因为本设计中将丝杠加工成两端旋向不同的双向丝杠，可以在同一个驱动电机的驱动下，让滚珠丝杠上的螺母进行双向的移动，从而实现双向拉伸，便于试验进行原位监测（具体介绍参考第三章拉伸单元结构设计与说明）。2.2.2载荷加载方式的确定 在有多个载荷叠加作用的系统中，载荷的加载顺序，各加载模块的驱动方式以及传动形式对实验结果的准确性都有着非常重要的影响，另外，根据具体实验要模拟的试验环境的不同，载荷的加载形式也会有所改变，有的实验要模拟的实际使用工况可能只是单向拉伸，有的在实际使用过程中只受弯曲载荷的作用，有的可能同时受到几个不同大小，不同方向的力的共同作用，因此，对试验机提出了载荷加载方式的要求，即要求试验机所提供的各载荷既能单独进行加载，又能同时作用于试件，模拟实际使用过程中受到复合载荷作用的弓箭或者材料，因此，为了实现试验机的加载模式的要求，考虑将各个加载单元进行分离，分别独立成块，进行模块化设计，每一种载荷的加载都有其对应的独立的驱动装置进行驱动，这样的驱动方式，对于液压驱动来说，是很难实现的，因此，驱动单元选择用电机进行驱动是合理的；这种模块化设计，相较于其他的由同一的驱动单元进行驱动来说，使用更加灵活，便于对每个模块进行拆卸与安装，而且，对于试验机整体的安装于调试也具有一定的优势，这样进行模块化的设计，不仅可以减少各个载荷在加载过程中受到来自于其他载荷的干扰，提高测试的整体精度，同时，可以适应于模拟更多接近服役条件下的材料测试的测试条件的材料微观性能的试验与研究。2.2.3结构的合理布局 相比较于传统的只能同时进行单一载荷加载的仪器，多个载荷复合加载的施加力的模式给仪器的设计带来了更高的要求，为此，如何合理的布置各个加载模块的空间位置，以确保任何一种载荷在加载过程中，都不会对其他载荷的加载过程产生干扰，同时，也不会受到其它载荷加载过程的阻碍，除此之外，要求施加的力场的几个独立的模块要能与电场施加模块实现完美的兼容，这需要对结构进行优化设计，以确定在力场与电场共同作用下测试仪结构的最合理布局。传统的试验机的布置形式无非有两种，卧式与立式，对于立式试验机，可以有效的保证试件在实验的过程中，始终保持其关于自己的几何中心对称，可以消除由于试件对中性的问题而给实验结果带来的额外的误差，造成实验结果准确度的下降。卧式试验机在安装调整方面相较于立式试验机要更有优势一些，因此，对于本设计，采用将单轴双向拉伸单元布置于垂直方向的支板上，而将三点弯曲单元，微纳米压痕单元布置于水平放置的支板上，这样既可以保证试件在拉伸过程中的始终对中性，同时，对于三点弯曲单元与压痕单元，由于都是模块化的设计，放置于水平支板上更有利于安装调试与拆卸。2.2.4电场的施加与屏蔽由于该材料微观性能试验机要求试件在电场环境下进行试验，因此如何对试件施加电场是设计中的一个关键点，施加给试件的电场的形式也是问题之一；此外，由于仪器整体结构均采用金属材料制作，在模拟电场环境时，对被测试件施加电场，如果不采取屏蔽措施，外加电场的作用会导通整个仪器，对传感器等元件造成不可逆的损坏，因此，如何进行电场的屏蔽处理，防电流击穿，是仪器能否正常工作的最重要的条件之一。1、 电场的施加方法。电场的施加方法主要有两种，一种是在试件的两端附上金属电极，通过外部设备直接对试件进行直/交流电供给，另外一种方法是主要针对三点弯曲单元和微纳米压痕单元所采用的施加电场的方式，即对压头进行通电，通过压头与试件接触从而使试件带电，模拟在电场中的情况，对于此种施加电场的方式，首先对于压头的连接方式就比较难以实现，而且通过这种方式施加的电场具有分布不均匀性，与压头接触的部分和其他边缘部分会产生电场分布不均，影响测试结果，因此，采用第一种电场施加方法，即通过外部电源直接对试件电极通电，对试件通以直流电是为试验条件提供一个恒定的电场环境，用以实现在恒定电场环境下材料微观力学性能的测量；对试件通以交流电，并对试件施加恒定的载荷作用，用以实现材料在恒定载荷作用环境下的电学性能的测试，如电致断裂，电致疲劳等现象；2、 电场的屏蔽方式。为了避免给试件施加的电场对仪器的其他元件产生影响甚至是损坏，与试件直接接触的元件与试件之间需要装有绝缘装置，保证电场仅仅只作用在试件本身，而对仪器的其他部分不产生影响。对于拉伸单元，直接与试件接触的是夹具，因此，在夹具处应添加绝缘的元件，该绝缘元件必须保证在不影响夹紧的前提下对电场起到屏蔽作用，具体绝缘方式参考第三章拉伸单元结构设计与说明；对于三点弯曲单元与微纳米压痕单元，直接与试件接触的部分是压头，因此，采用绝缘器件实现压头与运动组件的连接，该绝缘器件必须保证有足够的刚度，本能在测试过程中产生过大的变形，对实验的测试精度产生影响，具体方式参见第三章相关内容。2.2.5仪器精度的保证 保证实验仪器的测试精度是进行准确实验、得到精确实验数据的基础，只有测试过程有足够的精度，测量结果才具有实际意义，对实际应用才有指导作用。因此，传感器的选择与合理布置，对测试精度影响很大。某一种加载状况下传感器的测试数据必然会受到其他载荷加载的影响，而且因为电场环境的存在，使得某些结构元件在电场环境中会发生变形、振动和失稳，这势必会给测量精度带来影响，如何尽量减小这种影响是相关设计中必须要考虑的重要环节，具体的传感器的选型与介绍参考第四章。第3章 结构设计与分析第3章 结构设计与分析在上一章节确定了系统的整体方案以后，本章将重点介绍测试仪器的结构特点、功能特点、设计要点，各个独立单元的传动形式，设计仪器总体的工作方式，分为四个部分进行介绍，分别是单轴拉伸单元结构设计与说明，夹具结构设计与说明，三点弯曲单元结构设计与说明，微纳米压痕单元结构设计说明（本章中各个小节的数字标注仅代表对应小节的相应元件，不适用于其他小节）。3.1 单轴拉伸单元结构设计与说明拉伸单元结构如下图所示，结构说明如下：电机组件1由电机支座2固定，通过联轴器3与滚珠丝杠16连接，带动滚珠丝杠进行旋转；滚珠丝杠利用两端的支撑座4、10与底板14连接；夹具6通过螺母座5、7固定在滚珠丝杠螺母8、15上，同时又与滚动直线导轨11、13通过面接触实现定位，由紧固螺栓进行连接，通过螺栓连接到底板14上；力传感器组件9通过紧固螺栓一端安装在夹具6的夹具体支架上，另一端通过螺栓安装在夹具6的夹具体上。1、 电机+减速器2、电机支架3、联轴器4、滚珠丝杠固定端支座5、螺母座 6、夹具7、螺母座8、滚珠丝杠螺母9、力传感器组件10、滚珠丝杠支撑端支座11、滚动直线导轨12、底板13、滚动直线导轨 14、底板 15、滚珠丝杠螺母 16、滚珠丝杠图3.1 单轴双向拉伸单元结构图对于单轴双向拉伸的实现方式，有如下说明：首先，滚珠丝杠16是被加工成两端旋向相反的螺纹，在滚珠丝杠上安装有两个相同精度等级与型号的滚珠丝杠螺母8、15，当伺服电机1带动滚珠丝杠16进行旋转时，由于旋向的不同，两个滚珠丝杠螺母8、15会向相反的方向进行横向直线移动，从而带动夹具6的两端向相向的方向进行运动，从而实现对试件的双向拉伸；首先，这种单轴双向拉伸的模式，使试件的中心点始终在同一个位置不变，非常适用于对试件拉伸过程实时动态的进行观察与监测，了解试件在受到拉伸载荷的过程中各个方面的具体变化情况，对人们充分了解材料的微观性能，揭开材料在微观层面上的真正形态都具有传统的单向拉伸所不能做到的效果；其次，由于是在同一个滚珠丝杠上运动的两个滚珠丝杠螺母，很容易保证两边的行走速度保持一致，且只要保证滚珠丝杠的直线度，即可轻松的保证对试件的双向拉伸作用在同一条直线上，而不用考虑在安装过程中由于定位不准确而造成的夹具在试件两端产生的同轴度上的误差；这种在同一根丝杠上加工出两端不同旋向的螺纹的方法，还有一个优点就是虽然本设计的单轴拉伸单元被安装在垂直支板上进行拉伸载荷的加载，且没有对滚珠丝杠进行安装专门的制动措施，原因就是即使在电机断电的情况下，虽然执行部分有自重的作用，但是由于在滚珠丝杠上两端螺纹的旋向是不同的，且分别装有两个相同的滚珠丝杠螺母，因此，并不会造成执行部分带动滚珠丝杠逆运动而下坠，可以自行实现单轴拉伸单元的自锁，为了更好的实现自锁的功能，在选择电机上选择带有抱闸（即制动）的伺服电机。3.2 夹具结构设计与分析夹具组件结构如下图所示；结构说明如下：云母片垫板7、13分别装在夹具体2、12的凹槽内，试件6同样被安装在夹具体凹槽2、12内，试件6的另一个表面被云母片套5、10所包裹，压板4、9通过紧固螺栓与夹具体2、12连接，实现对试件6的夹紧，并连同上述夹具体2、12，试件6安装在夹具体连接块1、8内，通过紧固螺栓进行固定，夹具体支撑板3、11用于对整个夹具组件进行支撑，同时实现与滚珠丝杠螺母的连接以及与滚动直线导轨的定位与连接。1、夹具体连接块 2、夹具体 3、夹具体支撑板 4、压板 5、云母片套 6、试件7、云母片垫板8、夹具体连接块9、压板10、云母片套11、夹具体支撑板12、夹具体13云母片垫板 图3.2 夹具组件结构图由于所选试件6属于扁平状的，对于试件的夹紧考虑选择用面进行夹紧，但由于施加给试件的载荷中，有轴向拉伸力的作用，通过查阅有关于夹具夹紧方式的文献后了解到，仅仅靠试件6表面与夹具体2、12与压板4、9之间的摩擦力来克服试件6在轴向拉伸过程中产生的轴向力是不可靠的，为此，在夹具体2、12上加工出来与所用试件端部形状相同，尺寸也一样的凹槽形结构，通过凹槽前端的实体结构来克服轴向拉伸力，这种方式相较于上面的仅有摩擦力来克服轴向拉伸所产生的拉力要可靠的多；同时，夹具体2、12与夹具体连接块1、8之间也是通过面接触来传递力，夹具体组件与支板3、11之间的定位靠在夹具体支撑板3、11上加工的凸台来定位，可以很好的保证两端夹具体组件的对中性的问题；另外，因为实验条件要求有电场的作用，夹具作为与试件直接接触的组件，想办法对电场进行屏蔽与隔离是必不可少的，了解到云母片对于电场的隔离会起到很明显的效果，选择用云母片对试件6与夹具体2、12与压板4、9之间进行隔离，来达到对电场进行隔离与屏蔽的效果，因为试件整体都带电，所以将云母片加工成两部分，一部分为凹槽形结构，与试件6的两端部形状相同，另一部分加工成与夹具体2、12上的凹槽形状相同的平板，安装在夹具体的凹槽内。3.3 三点弯曲单元结构设计与分析三点弯曲单元结构如下图所示。结构说明如下：电机组件1通过紧固螺栓固定在电机支座2上，经由联轴器3与滚珠丝杠5连接，带动滚珠丝杠进行旋转；滚珠丝杠利用两端的支撑座4、9与底板14连接；压头组件支撑板8通过螺母座6连接到滚珠丝杠螺母7上，同时两端通过定位面与滚动直线导轨13进行定位，由紧固螺栓与滚动直线导轨13进行连接，最终安装于底板14上；三点弯曲用压头12通过绝缘子11与力传感器10进行连接，力传感器10另一端安装在压头组件支撑板8上，实现三点弯曲的弯曲载荷的加载功能。1、电机+减速器2、电机支座3、联轴器4、滚珠丝杠固定端支座5、滚珠丝杠6、螺母座7、滚之丝杠螺母8、压头组件支撑板9、滚珠丝杠支撑端支座10、力传感器11、绝缘子12、压头13、滚动直线导轨14、底板图3.3 三点弯曲单元结构图三点弯曲单元主体传动结构与单轴双向拉伸单元相同，只是三点弯曲单元的整根滚珠丝杠都5加工成相同旋向的螺纹，滚珠丝杠上只连接一个滚珠丝杠螺母带动工作台进行移动，而不是像单轴双向拉伸单元的两个滚珠丝杠螺母，向相反的方向分别带动两个工作台进行相向的拉伸；对于传动组件的其他设计上的关键点，与单轴双向拉伸单元的主要传动单元基本相同；三点弯曲单元主要需要考虑的问题是压头12与三点弯曲主体之间的绝缘问题，采用绝缘子11进行电场的隔离是一个比较理想的选择，绝缘子11一端连接三点弯曲用压头12，另一端连接力传感器10，由于绝缘子11具有足够的刚性来克服三点弯曲单元的7500N的轴向载荷的作用，对减小因为额外增加的绝缘装置产生的变形对实验结果产生的影响的效果比较显著。另外，三点弯曲单元的两端的支撑由夹具单元配合完成，夹具在对试件进行对中夹紧的同时，同样作为三点弯曲单元的支撑组件，为三点弯曲单元提供必要的支撑，使弯曲载荷的施加更为可靠，以满足三点弯曲试验的基本要求。3.4 微纳米压痕单元结构设计与分析微纳米压痕单元的结构如下图所示；结构说明如下：步进电机13通过紧固螺栓固定在电机支座12上，通过弹性联轴器11，与滚珠丝杠9连接，带动滚珠丝杠9进行旋转；滚珠丝杠9利用两端的支撑座10、16与底板连接；微纳米压痕单元支撑板8通过螺母座17固定在滚珠丝杠螺母18上，同时又与滚动直线导轨15通过面接触实现定位，由紧固螺栓进行连接，通过螺栓连接到底板14上；柔性铰链6通过紧固螺栓安装在支撑板8上，压电叠堆4则安装在柔性铰链6上加工的槽内，对于位移传感器组件，位移传感器挡板1安装在力传感器22的一侧，位移传感器2通过位移传感器连接件3安装在位移传感器支撑板5上，位移传感器支撑板5通过紧固螺栓安装在粗调位移传感器装置7上，粗调位移传感器装置7通过紧固螺栓固定在支撑板8上；压头组件，纳米压痕用压头19通过压头连接件20安装在绝缘子21的一端，绝缘子21的另一端安装力传感器22，力传感器22的另一侧则安装在柔性铰链6的输出端。1、 位移传感器挡板2、位移传感器3、位移传感器连接件4、压电叠堆5、位移传感器支撑板6、柔性铰链7、粗调位移传感器装置8、支撑板9、滚珠丝杠10、滚珠丝杠固定端支座11、联轴器12、电机支座13、步进电机14、底板15、滚动直线导轨16、滚珠丝杠支撑端支座17、螺母座18、滚珠丝杠螺母19、压头20、压头连接件21、绝缘子22、力传感器图3.4 微纳米压痕单元结构图由于微纳米压痕单元的电机驱动的作用与单轴双向拉伸单元、三点弯曲单元的作用不同，前面提到的两个单元的电机驱动是最终驱动执行装置实现相关的功能，而微纳米压痕单元的电机驱动只是用来实现整体压痕单元的轴线方向的移动，而最终压头的加载则通过压电叠堆，柔性铰链进行驱动，因此用步进电机进行驱动，微纳米压痕作为一种微纳米级的实验，对于压入深度的精确测量对实验结果有着重要的影响，为此，专门增加了用于粗调位移传感器的装置，来增加位移传感器测量的准确性；采用压电叠堆进行驱动，使加载过程更为平稳，适用于纳米压痕这种高精度，小载荷的实验条件的要求。第4章 关键件的设计计算选型与校核第4章 关键件的设计计算选型与校核4.1 丝杠设计计算及校核28,294.1.1 单轴双向拉伸单元 已知参数如下：拉伸过程中丝杠承受最大轴向拉力为7500 N，试件工作速度。 根据机械系统设计滚珠丝杠副设计选用步骤和方法，对于低速运转（）的滚珠丝杠，按照以下公式初选滚珠丝杠副的型号和有关参数： （4.1.1）由于该试验机属于精密试验机，对试件的加载接近于准静态加载，因此，应该选择高精度，小导程的丝杠，另外，拉伸过程的最大轴向力为7500 N，需要选择的轴颈较大，对比THK公司的丝杠轴外径与导程的标准组合（精密滚珠丝杠）表，可以选择的组合有14-4，20-5,25-5,32-5，考虑加载力的大小以及工作的可靠性等方面的综合因素，初选轴径为32mm，导程5mm，精度为c1级的精密滚珠丝杠；参照THK公司产品介绍手册，初步选择精密滚珠丝杠DIK3205-6型，基本参数如下：钢球中心直径，沟槽谷径，负载圈数列圈=31，基本额定载荷，刚性，丝杠轴惯性力矩为，螺母质量0.66kg，丝杠轴质量为5.86kg/m丝杠最大制造长度标准值为1900mm。支撑方式的选择：丝杠支承方式有以下三种，分别是固定-固定、固定-支撑、固定-自由，考虑转速以及精度等方面的因素，选择适用于中等转速、高精度的固定-支撑的支撑方式。1、根据试件工作速度以及丝杠导程计算丝杠转速范围如下： （4.1.2） （4.1.3）为了满足设计要求，丝杠的转速应该在之间。 2、容许轴向负荷的探讨（1）、最大轴向负荷的计算 工作台+工件质量按计算 最大速度 重力加速度 加速时间按 导向面的阻力（无负荷时） 最大轴向载荷 由此计算轴向载荷如下（以上升为拉伸作用方向为例）： 加速度 （4.1.4） 上升加速时（4.1.5） 上升等速时 （4.1.6） 上升减速时（4.1.7） 下降加速时 （4.1.8） 下降等速时 （4.1.9） 下降减速时 （4.1.10） 作用于滚珠丝杠轴上的最大轴向载荷 取安全系数为2进行计算校核，则 计算导程角： （4.1.11） 其中，：导程角