（机械制造及其自动化专业论文）挠性驱动盘疲劳试验台的研制.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明i y 17 4 10 0 3 i i i p i i iiti ii l lii i 1 1 111iii i 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，挠性驱动盘疲劳试验台的研制 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：址 导师签名： 地咝l 年上a 止n 丝蛑月角 直接影响车辆的 ，研究开发了挠 案，设计了机电 台的试验方案、 机械构造、电控系统及工控机控制部分四个方面对试验台进行了详细的设计。通过试 验，试验结果满足了企业的需求，解决了挠性盘不能进行出厂前疲劳试验的问题。同 时，该试验台改变传统的一个变量检测方式，采用对弯矩和变形量两个变量同时检测 的方式，增强试验台的工作可靠性。 由于本文论述的试验台是针对汽车上的挠性驱动盘开发的，具有极其重大的现实 意义，为其它挠性驱动盘的疲劳试验的研究积累了经验。 关键词：挠性盘回转挠曲疲劳试验工控机 s i m i l a rd o m e s t i ca n do v e l s e s $ e x p e r i e n c e s u s i n gm o d e m d e s i g nt h e o r y , t h em a i nt e s tp r o g r a mo nt h et e s t r i g ，m e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o n ，e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m sa n di n d u s t r i a lc o m p u t e rc o n t r o lo fp a r to ft h ef o u r a s p e c t so f t h et e s tr i gi nd e t a i ld e s i g n i ti sm a i n l ya c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t er e q u e s to fb u s i n e s se n t e r p r i s e t ow o r kp i e c et e a ta n de x p a n d i n gm a l l e a b l ed e s i g np r i n c i p l e ，t h r e ep a r st ot e a tt h es t a n dc a l l r i e do na d e t a i l e d d e s i g n ：m e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o n e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ma n di n d u s t r i a tc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m p a s st h et e s tt ot h et e a ts t a n d ，e x a m i n e dt os a t i s f i e dt h en e e do ft h eb u s i n e s se n t e r p r i s ea sar e s u l t ， s o l v e dt h ef l e x i b l ed r i v i n gp l a t ec l u t c hi n c a p a b i l i t yb e f o r ec a r r y i n go nap l a n tt h ep r o b l e mo ff a t i g u e t e s t a tt h es a m et i m e ，t h et e a tav a r i a b l ee x a m i n a t i o nm e t h o do fs t a n dc h a n g et r a d i t i o n ，a d o p t i o nt o f l e x u r et h em o m e n ta n ds t r a i nm e a s u r et w ov a r i a b l e st oe x a m i n ea tt h es a m et i m eo fw a y , i n t e n s i f yt h e o p e r a t er e l i a b i l i t yo f t e a ts t a n d b e c a u s et h i st e x td i s c u s s e so fe x a m i n eas t a n di sa i ma tt h ef l e x i b l ed r i v i n gp l a t ec l u t c ho na u t o c a r d r i v ed e v e l o p m e n t ，h a v et h er e a l i s t i cm e a n i n go fv e r yg r a v e n e s s ，i so t h e rf l e x i b l ed r i v i n gp l a t ec l u t c ho f t h er e s e a r c hb a c k l o go f f a t i g u et e s te x p e r i e n c e k e yw o r d s ：f e x i b l ep l a t ec l u t c h ，t u r nr o u n df l e x u r ef a t i g u et e s t ，i n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r i i 2 1 挠性驱动盘的加工工艺6 2 2 试验要求6 2 3 挠性驱动盘力学模型分析6 2 4 方案设计9 第三章机械系统设计1 0 3 1 工件夹具设计1 0 3 2 弯矩加载机构，1 0 3 3 加载力矩的调整1 1 3 4 传动系统设计1 2 3 5 试验台总体结构1 3 第四章控制系统设计1 5 4 1 控制系统分析1 5 4 2 传感部分设计1 7 4 2 1 传感器的选择1 7 4 2 2a d 转换卡的原理及选择2 1 4 3 控制部分设计2 2 4 3 1 d a 转换原理2 2 4 3 2 弯矩加载的控制2 3 4 4 电路部分设计2 4 4 5 计算机软件控制设计2 6 4 5 1 软件系统概述i 2 6 4 5 2 软件功能设计2 6 第五章试验台的试验操作和数据分析2 8 5 1 传感器的标定2 8 5 2 系统的试验方法和步骤2 9 5 3 数据采集与分析3 5 第六章全文总结4 1 参考文献：4 2 致谢4 4 i i i i i i 1 1 1 4 6 i i i 其真实或者有效寿命，保证 以及材料的选择起到决定性 的作用，从而降低生产过程中的废品率，提高产品质量和生产效率，适应科学技术的 发展速度，所以我们就必须根除旧的生产理念，通过提高产品的科技含量及可靠度来 发展企业。 目前，在驱动盘生产加工后，大多数厂家还是根据所使用材料的性能来从理论上 估算驱动盘的寿命，随之带来驱动盘寿命不准确，应用到实际后出现了许多质量上的 问题，为了提高生产加工质量和驱动盘的可靠性，就必须对驱动盘在出厂前对其使用 寿命进行检测，所以就需要一台寿命检测设备，也就是本文研制的疲劳试验台。 驱动盘又是汽车变速箱传动过程不可缺少的机件，它的质量和性能会直接影响到 整车的质量和安全系数，如果驱动盘的疲劳强度不够，那么在车辆行驶到一定公里数 后驱动盘就会发生疲劳损坏，严重时还会给人的生命安全带来不可控的因素。因此， 研究开发一台挠性盘疲劳试验台是相当有必要的，在驱动盘装配之前，在工厂内部对 其进行疲劳试验，对其性能和可靠性进行检测。目的是模拟工件实际工况，来对工件 的各种性能进行试验，提高试验的准确度。 试验的研制还可以给生产企业产生一定的经济效益。如果没有试验台，在工件应 用到汽车上时，出现质量问题，工件的生产；a u - r 企业不但会受到质量信誉的影响，而 且，如果汽车因为工件的质量问题造成财产损失，生产力n - - r _ 企业还会面临高额的赔偿， 这样以来就会因工件的质量问题给企业带来一定的被动局面。应用试验台后，生产加 工企业可以在工件装配使用前对其强度进行检验，不仅可以对工件的加工质量和寿命 进行把关，而且通过实验结果和工件试验过程中的损坏程度，还可以为生产加工企业 对生产原料的选择以及加工工艺的改进等方面提供科学有利的依据，直到达到最佳的 效果。 1 2 试验台的国内外发展现状 r ； i - 有许多生产加工试验机的公司，比如美国的m t s 和n s t r o n 、德国的z w i c k 和t i r a 有限公司、日本的岛津公司和瑞士的w + b 公司等都是一些的老的生产厂家， 他们的产品也越来越广泛，并应用到不同的试验领域。t i r a 有限公司生产的电磁式振 动台，推力范围9n 一3 0 0k n ，专业的振动软件控制系统，包括正弦、随机、冲击 和混合模式。气囊隔离减震装置使振动台无需专用地基，安装移动方便，而且避免自 然界低频( 3 5 h z ) 的干扰，使得试验频率范围非常宽。美国v r8 5 0 0 振动控制器包 含i b mp ca t 兼容计算机。振动控制设备的插件包括标准的数字信号处理面板，模 拟数字和数字模拟转换软件，处理所有振动和冲击控制模式的标准软件。根据应用要 求，确定性能和输入信道的数量，以最低的费用，非常灵活配置系统。 美特斯工业系统( 中国) 有限公司是m t s 系统公司在中国的全资子公司。m t s 系统公司是全球最大的高性能和高精度力学性能测试、模拟系统和位移传感器的制造 商。自上世纪七十年代后期进入中国市场以来，中国许多顶级的国家科研机构、重点 高校和大型企事业单位就引进了许多m t s 测试和模拟系统、软件，如中科院的许多科 研所、航空航天研究所、清华大学、上海交通大学、同济大学等国内外知名科研机构 在改革开放的初期就与m t s 建立了合作关系。在工业界，宝钢、上海大众、上海通用、 一汽集团、二汽集团、奇瑞等知名企业也早已成为m t s 的重要用户，可见m t s 公司 在试验机领域技术比较先进的。 国内在扭转试验机方面，在借鉴国外技术的基础上，不断进行改进。如国内某公 司研制生产的微机控制材料扭转试验机是由加载系统、传动系统、计算机测量控制显 示系统等组成，适用于对金属材料静态检测及动态疲劳力学性能的试验。该机采用卧 式结构。计算机屏幕显示，a d 6 0 0 双通道数字式数据采集卡和全数字交流伺服系统组 成闭环控制。采用行星摆线针轮减速器传动，具有加载均匀、稳定、无冲击现象、数 据采集控制准确的特点。适用于对金属材料静态及动态疲劳力学性能的试验。整机利 用全数字交流伺服控制系统及计算机数据采集处理系统，光电编码器采集试样的扭转 角度及扭转次数，可以设置试样的扭转角度及扭转次数实现自动停机功能，可以打印 试验数据及静态( 扭矩t - 一扭转角度0 曲线) 和动态( 扭矩t - 一时间t 曲线) 等。 在控制系统的采用方面，近几年来，国内外试验机厂商纷纷推出试验机双操作系 统，一种操作是运行于w i n d o w s 的p c 控制系统，一种是定制的小型面板控制系统。 不禁叫人眼前一亮，但由于种种原因，小型面板控制系统并没有达到预期的使用效果， 用户还是乐于接受传统的p c 控制系统。 为什么小型面板控制系统没有得到广泛应用? 试验机控制与数据处理两大功能的 混淆，或者足区分不清，正是造成小型面板控制系统没有得到广泛应用的主要原因。 小型面板控制系统的优势在于对试验机的控制，能够以小巧的身躯完成控制功能而放 弃p c 的连接，对于设备而言，试验机自身有了大脑，外形设计更加整合，而没有必 要与p c 为伍。这当然足从控制自身进行的一厢情愿的分析，一方面，用户存在着没 有p c 就不够高档的心态，另一方面，厂家存在着没有p c 就没法控僚l 的思维，虽然他 们也研制了各种各样的小型面板控制系统，从故障概率分析，功能越单一，系统越可 靠。小型面板控制系统的职责就是让设备高效地运转起来，而侧重于图形、娱乐与网 络的w i n d o w s 就显得负担过重。很多应用计算机技术的设备并没有选择p c ，而是选 择了工业控制计算机，主要原因就是可靠、易用、简单。或许这样一种模式可以考虑， 2 试验机使用小型面板控制系统进行控制与原始数据的采集，完成一般要求的实验，试 验机厂商的工作就是提供高可靠性的设备控制；更高要求的用户则使用其它软件完成 后期处理，试验机厂商的工作则是提供高灵活性的数据接口。 目前，几乎所有的试验机都机电一体化的产品，都是通过微机对运动操作进行控 制，并对各传感器的数据进行采集、做出判断，然后再告诉执行机构该做什么这样一 个闭环控制原理。也就是机电一体技术和试验机的发展是息息相关的。 “机电一体化( m e c h a t r o n i c s ) 一词起源于日本，是由机械和电子两英文单词 ( m e c h a n i s m ) 和( e l e c t r o n i c s ) 合成的一个新的专用名词。顾名思义，机电一体技 术的目标就是将机械技术与电子技术相结合，充分发挥各自的长处，弥补各项技术的 不足。 2 0 世纪9 0 年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一 体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技 术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一 方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展 趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域 取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电 一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。 我国是从2 0 世纪8 0 年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体 化领导小组并将该技术列为“8 6 3 计划 中。在制定“九五 规划和2 0 1 0 年发展纲要 时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大 专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，不断 取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。 机电一体化是集机械、电子、光学、控制j 计算机、信息为一体的多学科的交叉 综合技术，它的主要发展方向体现在以下几个方面。 ( 1 ) 智能化趋势。智能化是2 1 世纪机电一体化技术发展的一个重要方向，即， 要求机电产品具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。所谓的“智能化 是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、 模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，以求得 到更高的控制目标。 ( 2 ) 网络化趋势。随着网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未 艾。远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，虽然现场总线和局域网技术使家 用电器网络化成为可能，但利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的集 成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处已成现实，因此， 机电一体化产品已朝着网络化方向发展。 ( 3 ) 微型化趋势。微型化是指机电一体化向微型机器和微观领域方向发展。微机 电一体化产品具有体积小、耗能低等优点，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可 比拟的优势。 ( 4 ) 模块化趋势。机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机 械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂的系统工程。如， 研制具有集减速、变频调速功能为一体的电机动力驱动单元，具有视觉、图像处理、 识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些 标准模块化单元迅速开发出新的产品。 ( 5 ) 带源化。带源化是指机电一体化产品自身带有能源如，太阳能电池、燃料电 池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而，对于运动的机电一体化产品， 自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。 ( 6 ) 系统化。系统化的表现特征：一是系统体系结构进一步采用开放式和模式化 的总线结构。系统可以进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合 管理。二是通信功能的大大加强。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电 一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感显得越来 越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。 ( 7 ) 绿色化。科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化在物质丰富的同时也带 来了资源的浪费、生态环境的恶化等问题。所以，人们呼唤保护环境、回归自然、实 现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、 低污染、舒适、协调和可再生利用的产品。在设计、制造等方面应符合环保和人类健 康的要求，使用时不污染生态环境，产品可分解和再生利用。 综上所述，机电一体化是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶 段的必然要求。随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电 一体化技术的前景也将越来越光明。 挠性盘回转弯曲疲劳试验台是对机电一体化技术的充分运用，目前国内外在疲劳 试验方法的研究方面，大多数是采用伺服电机和液压伺服机构作为动力装置，通过控 制系统对各传感器进行控制。而国内在对回转弯曲疲劳试验台的研制过程中，大都采 集一个数据作为试验数据，这就有可能对试验数据的准确性产生误差，从而也间接影 响到试验台的可靠性。本试验台在设计时考虑到了这种不利因素，所以在设计时采用 弯曲变形量和弯矩两个参数作为试验参考数据，从而直观地显示加载力矩与变形量之 间的关系。 1 3 本文研究的主要内容 挠性驱动盘回转挠曲疲劳试验台主要用于对各种规格的挠性驱动盘进行回转挠曲 疲劳试验，在特定的加载弯矩、振幅和加载时间的情况下，检验工件质量是否符合工 况要求，提高工件的可靠度，节省了多数重复性工作。针对自动换挡变速箱挠性盘产 品设计一台弯曲疲劳试验台，用于检测工件的可靠性，主要对自动换挡变速箱挠性盘 4 回转弯曲疲劳试验进行研究，主要包括： ( 1 ) 自动换挡变速箱挠性盘回转弯曲疲劳试验台机械系统设计。通过离心质量块 带动心杆产生弯矩，通过弯矩传感器加载到试验工件上，通过改变离心质量块的大小 可以改变产生的弯矩；通过改变适配件的尺寸，可以应用到多个不同规格的的工件。 本试验台的驱动采用了伺服电机做为动力源，负责给离心质量块产生转速，而且可以 根据实际情况来改变伺服电机的转速，从而改变了产生弯矩的大小。 ( 2 ) 自动换挡变速箱挠性盘回转弯曲疲劳试验台控制系统设计。控制部分以高端 工业控制计算机为核心，对试验过程实现自动控制及数据采集、处理与存储的自动化。 实时显示试验曲线。以表格形式输出各项性能参数。采用全数字电路，实现零点调节、 增益调节、参数设定、传感器标定软件化。系统设置安全防护措施和自动报警功能。 ( 3 ) 自动换挡变速箱挠性盘回转弯曲疲劳试验台控制软件的编写。以中文 w i n d o w s x p 为平台，应用系统软件开发虚拟仪器操控界面。将以抽象动画、跳变参数、 时间历程曲线等多种形式实时显示工作状态。软件系统建立数据库，用于存储历史试 验数据。便于检索及以后处理。 课题最终要达到如下目的： ( 1 ) 研究出适用于该类工件的回转弯曲试验台，达到自动对实验数据进行处理， 实现了制式表格输出，既降低了人工出现差错率，同时也使试验数据的采集更加可靠， 提高了工作效率，满足企业的需求，对产品的质量负责，为企业下一步决策提供有利 的依据。 ( 2 ) 从思想、创新的角度对自身专业能力有个全面的提升。 第二章扭转疲劳试验台的总体设计方案 2 1 挠性驱动盘的加工工艺 挠性驱动盘的生产加工工艺大体可以分为以下几个过程，即下料、锻造、毛坯淬 火、粗精车、制齿、调质、磨齿、表面淬火，在这几个过程中，直接能够改变工件原 有疲劳强度的过程就是淬火这个环节，应该按照工件的实际工况要求，选择不同的材 料和不同的淬火方式，这样才能达到预期的疲劳强度。因为挠性驱动盘在受扭转和弯 曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦 的场合，表面层还不断地被磨损，因此对挠性驱动盘表面层提出高强度、高硬度、高 耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。目前，淬火后疲劳强 度只能根据工件的材料和淬火的方式从理论上估算出其疲劳强度，要想真j 下得到挠性 驱动盘的疲劳强度就必须通过试验的方式时行测得。因此，就要求研制一台试验台来 对挠性盘疲劳强度进行真实的检测。 2 2 试验要求 根据企业的要求及被试验工件的工艺要求，该试验台主要用于对各种规格的挠性 驱动盘进行d a e w o om o t o r 公司的e d s t 2 2 3 9 自动换挡变速箱挠性盘疲劳试验，并 可实现试验的自动控制，同时可兼做其它挠性盘的扭转疲劳寿命的试验。试验要求如 下 ( 1 ) 最大加载弯矩：5k n m ，1 ( 短时间允许超载2 0 0 ) ；挠曲变形量极限值： 2 0 m m ；弯矩加载频率：2 5 h z ；加载力臂：6 8 0m m 。 ( 2 ) 试验过程基本实现自动化，工件安装完成，进行基本条件的设置，试验过程不 需要人为干预，自动实现数据的采集、处理以及存储和打印试验结果，当达到规定的 试验次数后，自动停止试验。 ( 3 ) 试验台有具有通用性，可以应用到不同规格的挠性盘试验。结构设计合理，同 时要考虑到试验台的性价比和上用空间。 ( 4 ) 试验台要有足够的强度，在长时间的振动过程中不会产生损坏。 ( 5 ) 试验台在软件系统设计方面，要达到操作简单实用，界面友好，符合人的常规 习惯。 2 3 挠性驱动盘力学模型分析 如图2 1 所示，将工件视为膜片弹簧，刚度为g ，加载轴为一个质量 6 工件下沿平面上o 点的转动惯量为i 。在偏心块离心力作用下发生偏离工件轴线的运 动。假设工件在结构上是极对称的，则加载轴的轴线在一个锥面内与离心块做同步运 动。对着y 轴观察，加载轴在x o z 平面内作往复摆动。同时，只要0 不为零，加载轴 同样有向外的离心力。因为加载轴对0 点的转动惯量为i ，则它在x 轴上的当量质量为 m 2 = i l 2 ，则加载轴在x 方向的离心力为f 。= m 2 ( i ) 2 r 。，r ：= 0l ，m 2 = i l 2 ，则f 。= 10 ( i ) 2 l ，f ： 对0 点的力矩为m 2 = 10 ( - ) 2 所以加载轴摆动方程可表示为：10 + g0 一10 ( i ) 2 - - m ( i ) 2 r l c o s ( ( i ) t ) ( 2 1 ) 其中0 一加载轴摆动角 i 一摆动体转动惯量( k g m 2 ) 卜工件弯曲刚度( n m r a d ) l l r 激振块质量( k g ) l 激振块加载力臂( m ) r _ 激振块回转半径( m ) ( i ) 一激振块角速度( r a d s ) 直接观察可知，摆动角0 是一个角频率为的谐波变量。设加载轴最大摆动角为0 。， 则有： 0 = 0o c o s ( ( i ) t ) 代入微分方程可得： 0 。= m ( 1 ) 2 r l ( g 一2 i ( ) 2 ) 所以加载轴对工件的加载弯矩幅值为： m = g0 。= m o ( 1 - - 2 ( ) 2 ( ) 。2 )( 2 2 ) 其中m o - - m 2 r l 为偏心块加载力矩幅值，我们称之为“表观加载弯矩。 ( - ) 。2 = g i ，二阶环节谐振频率 把m o = m ( i ) 2 r l 代入整理得： 1 ( i ) 2 = m r l m + 2 ( 1 ) 。2 假设m 存在无穷大值，那m r l m 就趋于o ，所以有： 1 ( i ) 2 = 2 ( i ) 0 2即( i ) = 0 7 0 7 ( i ) o 可见，当= 0 7 0 7 。时，系统发生谐振，加载弯矩为无穷大，试验台振动比较 明显，容易损坏弯矩传感器和机件。因此，试验时应当快速越过谐振区，减少振动和 机件的损坏，保证试验工作的稳定性。当 。时m 却很小，离心力加不到工件上。 当= 6 0o 时，m = 一m o ，对工件的加载力矩等于表观加载力矩，但符号相反。因此为了 系统不发生谐振，在试验时应尽量避免( ) = o 7 0 7 ( ) 。同时加载频率不能过大，过大时 离心力又加不到杆上，最合适的频率就是= 。如果试验工件不发生变化，那么。 是个定量，只要对伺服电机的频率进行控制就可以了。 工件所受弯矩m 随加载频率的变化规律如图2 2 所示。 7 if 、j f nj ) 7 0 7 c 0 0二 、 少 ， 厂 m 为加载弯矩，为表观弯矩 图2 2 加载弯矩随加载频率的变化规律 8 轴；。 椭惜 劁沩 删域图 r 戢磕瀛懦 氖鼽嚣峨概蜥蝴 贼胤张 虢獭 蜥嗍图 fffffff_ 2 4 方案设计 根据企业提供的基本信息及试验台的功能需求，考虑到各种因素对试验结果的影 响展开系统设计。主要从驱动系统、传动系统、操作系统、控制系统、执行系统几个 方面进行设计，最后得出整体设计方案。 根据给定的初始数据和对挠性驱动盘的力学分析，考虑到试验要求的精度，采用 交流伺服电机作为动力输出装置，通过交流伺服电机的转速可变性来模仿发动机主轴 的转速，使试验更趋逼真，得到的试验结果更加精确。利用交流伺服电机带动偏心质 量块旋转产生挠曲弯矩，并可以通过改变偏心块质量，从而改变产生的挠性弯矩。利 用偏移量传感器和应变片传感器来监测挠曲变形量，通过工业控制计算机和a d 卡对 数据进行采集处理。通过伺服电机控制器对伺服电机的转速进行控制，达到试验的要 求。以中文w i n d o w s x p 为平台，应用系统软件开发虚拟仪器操控界面。将以抽象动画、 跳变参数、时间历程曲线等多种形式实时显示工作状态，实现各种实验功能上的自动 化以及数据的存储报表的生成。该试验台的原理框图如图2 3 所示： 图2 3 弯曲疲劳试验台原理示意图 9 第三章机械系统设计 3 1 工件夹具设计 采用工件固定安装，离心力回转施加弯矩载荷的基本方案。工件夹具1 1 按实际变 矩器壳体连接尺寸加工工件的安装尺寸。适配件1 4 上端面按实际发动机曲轴连接尺寸 加工工件安装尺寸。工作台上中央位置固定有对开挡板1 3 ，用于托住套筒轴。完成工 件安装后它与传感器上法兰下沿之间有5 m m 间隙，故不影响工件的受力。维修时取下 两块挡板以便将套筒轴总成从工作台上方吊出。 3 2 弯矩加载机构 如图3 1 所示，弯矩疲劳试验加载方式是采用交流伺服电机驱动的偏心块加载方 案。用偏心块l 旋转时产生的离心力对工件施加回转弯矩。通过更换偏心块可以有级 改变弯矩大小，通过调节电机转速无级调节弯矩的大小。电机通过前端面的法兰盘安 装在电机支架3 上。电机支架上通过轴承安装一个导向驱动盘3 ，电机轴与导向驱动盘 平键联接，轴与孔间隙配合，从而可以保证电机轴不会承受轴向力和径向力。导向驱 动盘通过杆件2 或7 驱动回转轴旋转同时保证加载轴不产生横向位移。 1 偏心块2 力加载螺杆3 导向驱动盘4 轴承座安装盘 5 加载轴6 锁紧螺母7 力加载螺杆 图3 1 弯矩偏移量加载机构示意图 1 0 3 3 加载力矩的调整 技术要求回转弯曲加载力矩连续可调。按图2 1 、3 1 所示加载方案，加载弯矩 有两种调节方式：改变偏心质量实施有级调节，改变主轴转速实施无级调节。该试验 台配备6 片偏心块，厚度1 0h i m ，内径1 6 5m m ，外径为8 0i n i n ，每片质量0 3 7 6k g 。 6 片共2 2 6 k g 。每个锁紧螺母厚度8 m m ，重0 0 2 k g 。如图3 4 所示，当右端只有两个 锁紧螺母而转速1 5 0 0 r m i n 时离心力为3 7 0 n ，左端只有一个锁紧螺母而转速1 5 0 0 r m i n 时离心力为6 2 7 n ，差值2 5 7 n 。 为补偿不足，在右端再装上1 个外径5 5 m m ，内径1 7 m m 的重块和1 个锁紧螺母， 使右端离心力也达到6 2 7 n ，两端离心力相等，表观加载力矩为o n m 。在此基础上增加 配重可实现表观加载力矩m 1 如表3 - 1 所列。 表3 - 1 不同偏心质量的表观加载力矩m 1 ( n m ) ，转速1 5 0 0 r m i n 序偏心重回转半径离心力表观力矩m 1 号 片数 k g m mnn m 1空杆带一个螺母o0 2增加1 个螺母0 0 21 2 96 44 3 3增加2 个螺母0 0 41 3 31 3 18 9 4l 0 3 7 6 1 3 41 3 8 89 4 4 52 0 7 5 21 3 92 7 3 4 1 8 5 9 63 1 1 2 81 4 44 1 7 32 8 3 7 741 5 0 41 4 95 7 0 43 8 7 9 851 8 8 01 5 47 3 2 94 9 8 3 96 2 2 5 61 5 99 0 5 36 1 5 8 注：4 号及以下离心力和表观力矩计入了螺杆和螺母的效应 3 4 传动系统设计 图3 2 改变偏心块有级调节加载力矩示意图 机械传动利用机械方式传递动力和运动的传动。机械传动在机械工程中应用非常 广泛，有多种形式，主要可分为以下几种形式： 1 带传动 中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，传动平稳，噪音小，能缓冲吸振， 有过载保护作用，结构简单，成本低，安装要求不高。 2 链传动 中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，在高温、油、酸等恶劣条件下能可 靠工作，轴和轴承上的作用力小虽然平均速比恒定，但运转时瞬时速度不均匀，有冲 击、振动和噪音，寿命较低( 一般为5 0 0 0 h - - - - 1 5 0 0 0 h ) 3 齿轮传动 外廓尺寸小，效率高，传动比恒定，圆周速度及功率范围广，应用最广，制造和 安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护作用，有噪音 4 蜗杆传动 结构紧凑，外廓尺寸小，传动比大，传动比恒定，传动平稳，无噪音，可做成自 锁机构，效率低，传递功率不宜过大，中高速需用价贵的青铜，制造精度要求高，刀 具费用高。 机械传动有其特有的选择原则，大体从以下几个方面考虑： 1 当动力机的功率、转速或运动形式完全符合工作机构的工况要求时，可将动力 机的输出轴与工作机的输入轴用联轴器直接联接。这种直接联接方式不公结构最简单， 而且传动效率也最高。但是，当动力机的输出轴与工作机构的输入轴不在同一轴线上 时，如两辆平行、相交或交错，也需要采用一定的机械传动装置。 2 在一般情况下，尽管动力机的输出功率满足工作机构的要求，但输出的转速、 转矩或运动形式很符合工作机构的多种需要。这时就需要彩某种机械传动装置，这是 绝大多数机器设计的共同特点。 1 2 3 在固定传动比传动系统中，当输入轴的转速保持不变时，其输出的转速也是不 变的。在这种情况下，如动力机可调速而工作机构的载荷又变化不大，或者工作机构 的调速要求与动力机的调整范围相适应，可采用固定传动比传动装置。 4 当工作机构要求的调速范围较大，或用动力机调速的机械特性不能满足要求时， 可采用可调传动比传动装置。在可调传动比传动中，无级变速传动结构复杂，造价较 高。因而，在满足工作要求的前提下应尽量采用有级变速传动。 在本试验台的设计过程中，传动系统又是整个试验台的重要组成部分，它的性能 和效率直接影响到试验结果。依据上述传动方式和选择原则，本试验台为了实现从电 机转速到回转弯矩的转换，还必须要达到弯矩变化的可调节性，即无级调节和有级调 节，因此，在试验的设计中采用了在伺服电机上通过平键联接导向盘，导向盘带动安 装有偏心质量块的拔杆旋转产生离心力，拔杆通过轴承座带动心轴，从而对工件产生 一定的弯矩，通过改变伺服电机的转速和偏心质量块的来达到无级调节和有级调节， 从而实现从转速到弯矩的加载过程。 3 5 试验台总体结构 该试验台结构简单，方便实用，整体结构外形呈圆柱体，上下表面采用厚钢板， 柱面采用薄壁钢板，焊接而成，构成整个壳体结构，即美观又防尘；同时为了维护设 备方便，在圆柱面上开有对开门，用于日常设备维护和检修。在底面下方设计有减震 胶垫，用以减少试验产生的振动，也是为了减少机体振动对试验结果的影响；在底面 上方设计了伺服电机支架，用于安装伺服电机。伺服电机上安装有导向架，导向架带 动装有偏心质量块的拨杆旋转，拨杆通过螺纹安装在套筒轴底端的轴承支架上，形成 了通过伺服电机的旋转运动到套筒轴产生弯矩的转化过程，从而对试验工件加载应有 的弯矩。在套筒轴上方安装有适配件，用以安装不同尺寸的工件，以达到一台多用的 效果。在上端面开有圆孔，安装有对开挡板，用于维护过程中取出套筒轴和当工件试 验失效后托住套筒轴的功用，完成工件安装后它与传感器上法兰下沿之间有5 咖间隙， 故不影响工件的受力。工件上安装有夹具，用以固定工件，防止工件旋转。以上就整 个试验台机械部分的结构及原理。 1 0 1 21 5 4 151 6 1 减震胶垫2 台体3 电机支架4 交流伺服电机5 偏心块离心力加载机构6 偏移量发生盘 7 设定偏移量加载机构8 照明灯9 偏移量光电传感器1 0 工作台1 1 夹具( 变矩器壳体) 1 2 被试验工件1 3 对开式挡板1 4 适配件( 发动机曲轴) 1 5 双向弯矩传感器1 6 套筒轴 图3 3 弯曲疲劳试验台机械总成图 1 4 ，使之 控制的 备的工 似于人 对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但控制系统 的设计原则是相同的。应该具有可靠性高，操作性能好，实时性强，通用性好，灵活 性好等特点。 一是可靠性要高。系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规 定功能的能力。对工业控制的计算机系统最基本的要求是可靠性高。否则，一旦系统 出现故障，将造成整个控制过程的混乱，会引起严重的后果，由此造成的损失往往大 大超出计算机控制系统本身的价值。在工业生产过程中，特别是在一些连续生产过程 的企业中，是不允许故障率高的设备存在的。 二是操作性能要好，其中包括两个含义，即使用方便和维护容易。首先是使用方 便。系统设计时要尽量考虑用户的方便使用，尤其是操作面板的设计，即要体现操作 的先进性，又要兼顾原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复杂，尽量降低对使用 人员专业知识的要求，使操作人员能够在短时间内熟悉和掌握操作。其次是维修容易， 即一旦发生故障，易于查找和排除。在硬件方面，从零部件的排列位置，标准化的模 板结构，以及能否带电插拔等要通盘考虑；从软件角度而言，要配置查错程序和诊断 程序，以便在故障发生时使用程序能够查找故障发生的部位，从而缩短排除故障的时 间。 三是实时性要强。计算机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地 响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两 类，一类是定时事件，如数据的定时采集，运算控制等，对此系统应设置时钟，保证 定时处理；另一类事件是随机事件，如事故报警等，对此系统应设置中断，并根据故 障的轻重缓急预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。 四是通用性要好。工业控制的对象千差万别，而计算机控制系统的研制开发又需 要一定的投资和周期。一般来说，不可能为一台装置或一个生产过程研制一台专用计 算机，常常是设计或选用通用性好的计算机控制装置灵活地构成系统，当设备和控制 对象有所变更进或者再设计另外一个控制系统时，通用性好的系统一般稍作理性或扩 充就可以适应。 五是灵活性要好。计算机控制系统的通用灵活性体现在两个方面：一是硬件设计 方面。首先应采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板或功能模块，以便在需要 扩充时，只要啬相应板、块就能实现。其次，在系统设计时，各设计指标要留有一定 的余量，如输入输出通道指标、内存容量、电源功率等。二是软件方面，应采用标准 模块结构，尽量不进行二次开发，主要按需求选择各种软件功能模块，灵活地进行控 制组成。 综合以上各种因素的考虑，加之控制系统是每个试验台的核心部分，控制系统设 计是否合理会直接影响到试验结果的准确程度。针对本试验台而言，要求对工件的弯 曲应力和弯曲变形量两个参数进行检测，同时要对伺服电机的转速进行控制，在借鉴 同类试验台的基础上，试验工件的弯曲应力由双向弯矩传感器测量，由计算机经a d 卡进行数据采集。试验工件的弯曲偏移量由偏移量光电传感器( 视觉传感器) 测量， 由安装在计算机上的视频采集卡进行数据采集，伺服电机的转速由d a 卡通过伺服电 机控制器进行控制。 控制系统功能负责试验数据的采集和输出，实现从机件的运动到电信号的产生， 对试验台要求的输出和输入数据进行分析处理，采集产生的电信号，根据试验要求再发 出相应的试验指令，各部分要合理的进行设计，才能发挥试验台的最好试验效果，同 时也能够提高试验的自动化程度。因此，为了更加完善试验台的整体设计，那么就必须 对控制系统进行设计，基本由计算机、传咸器、相应转换卡和打印机等组成。 图4 1 微机测控系统方框图 为实现试验过程的自动化操作，该试验台采用了以研华p 工业控制计算机为核心 的微机测控系统。图4 1 所示为微机测控系统的职能方框图。 ( 1 ) 系统中微机的控制对象有： 系统能够检测的信号一般只有两种可能，一种是电信号，一种是模拟信号，也就 是我们常说的数字信号和模拟信号。对数字信号而言，直观形象的表达就是开与关或 者0 和1 的问题，当状态处于0 时，就表示没有信号输入，当信号表示为1 时，就表 示有信号输入，也就是我们所说的高电平与低电平的问题，对于此类信号，我们要做 的就是要把其信号进行放大和整形后，就可以直接被计算机所识别。所谓的模拟量信 号就是指连续变化的信号，这种信号在不同时间有不同的意义。所以，对于此类信号 我们需要做相应的转换才能被计算机所识别，在转换过程中还要考虑到各种环境因素 的影响，但这类信号在日常应用中是很常见的，也是非常普遍的一种信号。本文的控 制系统中即有数字信号，也存在模拟信号，因此，就要合理地对其进行优化设计。 4 2 1 传感器的选择 对传感器的选择方面，我们知道任何一种机电一体化的设备都离不开各种传感器， 传感器的选择是否正确直接关系到整个系统的运行状态，也就直接影响到试验的的整 体试验效果。因此，对传感器的j 下确选择是相当重要的。这是因为在机电一体化设计 方面，我们所要监测的对象是各种运动的变量，而并非计算机能够直接接收的电信号。 因此，我们必须利用一种中介，即传感器将运动的参量转变为电信号使之能够被计算 机所读取，从而实现对机件运动的控制。在传感器的选择方面，我们要根据实际被测 量数据的要求和传感器的特点进行选择。在选择传感器时我们必须要考虑到几个因素， 例如灵敏度系数、灵敏度阈值、线形度、迟滞性、稳定性等方面，综合所有性能和我 们实际的需要，选择性价比即要高，而且还能够满足我们实际需求的传感器，这就要 求我们要对所选择的传感器进行同类对比，最后找到一款最合适的应用到我们实际当 中。下面就本试验系统所用到传感器进行逐一的选择。 弯矩传感器的选择： 我们从传感器性能指标和性价比两方面因素考虑，选用了很薄的铜镍合金箔片电 阻应变式传感器测量弯曲应力。它具有灵敏度高、稳定性好、输出电压大的优点。电 阻应变片的结构如图4 2 所示，一般由敏感栅( 金属