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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 压力式毛细管流变仪的研究摘要20世纪60年代以来，随着新型高分子材料不断涌现，高分子材料的应用越来越广泛，它涉及到化学、机械、轻工、国防、汽车、食品、医用、航天等许多个重要的工业门类。新型高分子材料的研究和性能测试显得十分重要，而流变仪正是进行高分子材料性能测试的仪器。常用的流变仪主要包括毛细管流变仪、转子型流变仪、混炼型转矩流变仪和振荡流变仪。毛细管流变仪与多数加工成型过程中物料流动形式相仿，它不仅可以测量物料的粘度，还可以对挤出行为进行研究和讨论物料的弹性，因而其应用较为广泛。目前毛细管流变仪主要用于研究部门和工厂实验室等，是进行科学研究和工厂应用研究的重要仪器，在国外毛细管流变仪有几家很出名的生产厂家，而国内仅有哈斯特公司生产的转矩式毛细管流变仪一种形式。转矩式毛细管流变仪在测试材料性能过程中用料较多，不适合昂贵材料的测试，本文针对其这一特点进行了压力式毛细管流变仪研究。压力式毛细管流变仪是在物料加热到粘流态时进行材料性能测试。测试实验中，通过调节电机的转速而控制柱塞的移动速度，在柱塞高压的作用下使物料从毛细管中强迫挤出，得到所需的检测量，进而获得物料的流变性能。本仪器由机械系统和控制系统两部分组成，其中机械系统用来完成动力源到执行机构的运动转换，使得柱塞在料筒内完成直线往复运动，保证物料在料筒内所要求的压强和从毛细管中流出的流量；而控制系统则用于控制和调整柱塞的移动速度和料筒电加热器的加热温度，及检测料筒内物料的压力和加热温度，进而实现在线自动检测控制，同时记录有关的数据参数，并实现显示、记录和存储等。本文结合国内外应用现状，提出一种经济实用的压力式毛细管流变仪的设计方案，它具有测试材料用量少、操作简单、测量准确、测量范围广阔等特点。该仪器不仅填补国内相关领域的空白，而且应使其达到国际同类产品的技术要求，具有广阔的应用前景。关键词毛细管；流变仪；UG；ANSYSResearch of the Pressure Capillary RheometerAbstractSince the 1960s,with appearance of new polymer materials continuously, polymer materials are more and more widely used in industries such as chemistry, mechanical, light industry, national defense, automobile, food and medical, space etc. It is obviously important to research and test new polymer materials, the capillary rheometer is just a instrument that can test polymer material.The common used rheometers are capillary rheometer、rotor rheometer、 mixing torque rheometer and oscillator rheometer etc. The capillary rheometer has the similar flow form with that of the process of material machine-shaping，and can be used not only to measure material viscosity but also to research the extrude behavior and elasticity of polymer materials. Now capillary rheometer is wide used in research department and factory laboratory, and is an important instrument of science and factory application research. In foreign countries there are several famous companies, but in our country there is only the HRBHUST company that produces the torque rheometer. The torque rheometer usess more material in testing, so it is not suitable for expensive materials. Based on this point, we work on the research of pressure capillary rheometer.When material is heated to certain temperature, the pressure capillary rheometer begins measuring materials. In measuring experiments, it controls motors rotational speed in order to control piston speed. Under the function of high pressure, material will be extruded from the capillary then the parameters will be got, therefore material flow-shape performance will be got. The instrument includes mechanical system and control system. Among them the mechanical system is used to finish motion change from power source to acting mechanism, then make the piston complete straight reciprocating motion in barrel and guarantee the pressure in barrel and flow from capillary .The control system is used to control, measure the pressure and temperature, then to realize online measurement and adjustment. At the same time, it records, displays and storages the corresponding data.In this thesis, according to present conditions at home and abroad, the pressure capillary rheometer is put forward. It has characteristics of simple operation，accurate measurement and vast measuring scope. The instrument can not only fill up the blank of local related realm, but also reach the requirement of the same instrument abroad, so the application area is very wide.Keywords capillary；rheometer；UG；ANSYS不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 毛细管流变仪的国内外现状21.3 毛细管流变仪的研究目的和意义31.4 本文研究的主要内容4第2章 流变机理与总体设计52.1 流变学的概念及流变机理52.1.1 流变学的概念52.1.2 高分子粘流态特征及流变机理52.2 基本理论72.3 总体设计92.3.1 毛细管流变仪的工作原理92.3.2 仪器的总体构成102.4 毛细管流变仪机械系统的设计102.4.1 组成及工作原理102.4.2 运动与动力计算112.4.3 主要零部件的选择与计算132.5 本章小结16第3章 UG的应用173.1 Unigraphics 软件介绍173.2 Unigraphics 软件的特点173.3 基于UG的零件建模183.3.1 基于特征的零件建模183.3.2 标准库的导入203.4 流变仪的虚拟装配213.4.1 虚拟装配的概述213.4.2 装配的方法223.4.3 装配爆炸视图253.5 运动的仿真及实现273.5.1 运动仿真的概述273.5.2 运动仿真的过程273.6 本章小结29第4章 料筒加热的有限元分析304.1 有限元方法的概述304.2 有限元的核心304.3 ANSYS软件的概述324.3.1 有限元软件ANSYS的简介324.3.2 ANSYS的使用环境334.3.3 ANSYS的模块及功能334.4 料筒内温度场内的有限元分析364.4.1 数学模型的建立364.4.2 ANSYS仿真流程374.4.3 流变仪料筒内温度场的计算机仿真384.5 仿真结果分析424.6 本章小结43第5章 控制系统的设计445.1 单片机的简介445.2 硬件设计455.3 主要元件的选择465.3.1 MSP430单片机465.3.2 RS485通讯485.4 软件设计495.4.1 MCS-51汇编语言简介495.4.2 控制流程图495.4.3 部分程序525.5 本章小结55结论56参考文献57攻读学位期间发表的学术论文60致谢61千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景20世纪60年代，高分子科学和工艺的开始发展，现在在国民经济和人民日常生活的各个领域得到了日益广泛的应用1。早在二十世纪九十年代初，塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和。在化学、机械、轻工、国防、汽车、食品、医用、航天仪表、汽车和航天航空等领域，塑料已成为金属的良好代用材料，出现了金属材料塑料化的趋势。据统计，我国2000年汽车产量200多万辆，车用塑料达138万吨。从国内外汽车塑料应用的情况看，汽车塑料的用量现已成为衡量汽车生产技术水平的标志之一。另据统计，在电缆绝缘方面也是一个最重要的应用，近年来电缆产品是我国机械工业中产值比重很大的产品，年产值可达到500亿元2。 高分子材料研究的一项中心任务是要对高分子材料的流动性有根本的了解和认识，流变仪正是测定高分子材料流变性能的仪器。流变仪通过模拟实际工艺过程和生产坏境，测定分析被测高分子材料的流变性能。通过流变仪测量得到的数据可直接用于高分子材料的生产加工。聚合物特殊的化学、物理性能使其可能具有各种广泛的实际应用，在聚合物生产的大多数产品中的基本方式是采用单螺杆挤出。在挤出过程中，工艺条件（包括温度、螺杆转速、和模具选择）对制品的产量和质量影响很大，特别是塑化过程，更能直接影响制品的物理机械性能和外观质量。聚合物加工工程师们只有在充分了解材料的可加工性的条件下，才能确定聚合物加工的工艺条件、及设计合适的机头和模具。聚合物的可加工性与其在熔融状态时的流变性能是紧密相关的。有两个与聚合物加工有重要关系的基本的流变性能，它们是材料的粘性与弹性。除其它因素外，这些流变性能还取决于聚合物的分子结构、分子量大小、和分子量分布，也决定于加工条件，如熔体温度、压力和流速等。因此，较好的理解流变性能和分子特性之间以及流变形能和加工条件之间的相互关系，对材料的的可加工性做出评定标准是很重要的。例如，它可以帮助人们确定产品尽量达到所希望的一些特定的力学性能的聚合物共混体的配方，也可以帮助人们选择合适的加工设备3。为了在生产前确定合适的工艺条件以节省材料、提高效率，就须在生产前用实验的方法来测量聚合物的可加工性已确定合适的工艺条件，而且要求实验结构与实际生产相关联。另外，在解决工程实际的运算中，例如，在计算挤出机产量，研究聚合物的性能和机头设计计算等需要用到聚合物的表观粘度，由于在理论上用公式计算不同情况的表观粘度比较困难，因此，一般采用实验的方法测试。测试的实验设备主要是各种各样的流变仪，其中以毛细管流变仪应用最为普遍和广泛。毛细管流变仪广泛由于研究部门、工厂和实验室，是进行科学研究和工厂应用的重要仪器，主要优点在于：操作简单、测量准确、测量范围广阔，另外毛细管中物料的流动与某些加工成型过程中物料流动形式相仿，因而具有实用价值。使用毛细管流变仪不仅能测量物料的剪切粘度，还可以对挤出行为的研究，讨论物料的弹性行为等4。过去的流变仪无论在系统结构复杂度上，还是在数据处理能力方面都不能满足材料开发和加工的要求。计算机的出现及一些计算机辅助设计软件的应用，为研制新型的毛细管流变仪提供了硬件和软件基础。充分利用计算机强大的计算能力和数据文件处理能力，并结合当代新的仪器技术，不但能使整个系统结构简单、控制功能强大和易于维护，而且还能为实验数据提供强大的管理和处理能力，同时可以大大节省实验时间，缩短开发周期，提高效率。1.2 毛细管流变仪的国内外现状流变仪是一种对材料的流变特性进行测定的仪器。流变仪通过模拟实际的生产过程和生产工艺，测定分析测定材料的流变性能，通过流变仪测量出的数据可直接用于材料的生产加工5。1国内现状 高聚物的发展对我国的经济建设是极其重要的，它涉及到化学，机械，轻工，国防，汽车等多个工业门类。发展高聚物制品，首先，离不开对其特性的研究，尤其是对新型材料的研究和开发。而研究高聚物，最常见的就是关注其流变性能，而流变仪就是进行此类研究时必不可少的工具。在我国随着高聚物的发展，流变仪开始使用，但是基本上是引进国外设备。目前国内，仅有哈尔滨理工大学研制的旋转式毛细管流变仪，但是它有个缺点，即用量大，对于一些昂贵的材料，不太适合，本课题正是基于此目的，并且在听取了客户使用后的意见和借鉴国外同类产品技术的基础上进行的压力式毛细管流变仪的研究。对于我国来说，流变仪的研制开发很重要而且也是势之所趋。不仅可以满足相应行业进行流变性能测试的需要，而且可以减轻经济负担6 7。2国外现状 国外毛细管流变仪的发展要早于我国，早在1962年，德国GEOTTFERT公司就研制出来世界上第一台毛细管流变仪。随着第一台毛细管流变仪的出现，许多国家也都进行了这方面的研制与开发。由于理论和技术的巨大进步，一大批价格昂贵、构造复杂的流变仪问世并得到推广应用，同时开发出若干多功能、高精度、使用方便的流变仪计算软件与之配合，方便了人们的测量。目前，英国的Bohlin 、Instron 及德国的 GEOTTFERT公司、HAAKE公司、意大利的CEAST公司等已经研制和开发了不同规格的流变仪，而且在精度方面已经达到了很高的要求，其控制部分也采用了全PC 机自动监测和控制，并利用Winrheo软件进行实时的图形绘制和分析8 910。综上所述，针对我国企业的实际情况，引进国外先进技术，开发压力式毛细管流变仪是一项具有很大开发潜力的项目，能够产生可观的经济效益和社会效益作为测试流组件的一个重要仪器。该仪器的主要性能和要求都不仅能达到国际先进水平，而且填补了国内相关领域的空白。1.3 毛细管流变仪的研究目的和意义经调查，这类仪器在国际上不多见，而且价格昂贵，而国内尚无压力式毛细管流变仪，并且国外同类产品的单价一般在80万元以上，给一些研究机构和一些要进行聚合物流变性能测定的单位或部门，都造成一些经济负担。而我们此次对于毛细管的研制正是以此为出发点，研制造价低，精度适当的经济实用型毛细管流变仪，该仪器的初步估算在20到30万之间，差不多是国外同类产品的四分之一左右，因而有十分广阔应用前景。除此之外，参考其它一些比较先进毛细管流变仪的仪器，如国外GEAST公司、Instron公司的毛细管流变仪，本仪器结合了它们的一些优点，例如采用了美观的柜式结构；选用了精度高的传感器，及一些检测装置；而且还考虑了入口压力降对对分析流变性的影响；系统采用了计算机控制并自动采集数据（温度、压力），以实现精确控制；配套有一系列与监测和数据处理的相关软件等。另外，我们还考虑了温度场的分析、结构设计的人性化等设计思想。因此，这台机电一体化的仪器可以说不仅处于国际先进水平，而且弥补了国内相关领域的空白，达到国际领先的水平11 1213。通过设计的高压毛细管流变仪可以对表征高分子材料的物理参数进行科学测量，获取材料的真实的粘弹性变化规律及材料结构参数的内在联系，控制产品的质量，理解加工性能的适用范围，评价和应用新型材料,由此检验本构方程的优劣，指导本构方程理论的发展。利用材料流动过程中粘弹性质的变化，进而可以指导高分子材料的加工工艺14。1.4 本文研究的主要内容高压毛细管流变仪是哈尔滨理工大学哈斯特公司开发研制的新产品。根据对转矩式流变仪的改进，并结合了一些新技术和客户的意见，进行了该系统的研制。所作的工作主要有以下几方面：1通过广泛的查阅和调研，深入了解了目前毛细管流变仪的发展趋势，并结合当前成熟的毛细管流变仪的一些优点，提出了毛细管流变仪的总体设计方案。2对机械系统的主要零、部件进行必要的分析和计算，并进行了主要零、部件的选择。3为了缩短开发周期和节省实验时间，利用计算机辅助设计技术UG进行设计，并在此平台上进行了实体的建模、整机的装配仿真和运动仿真。4根据流变仪中料筒内温度场的特殊要求，采用有限元分析软件对其料筒内的温度场进行仿真和分析5根据流变仪的工作特点，及其在线检测和控制要求，设计构建整体的控制框架。 第2章 流变机理与总体设计2.1 流变学的概念及流变机理2.1.1 流变学的概念流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学。高分子材料流变学测试研究高分子熔体、高分子溶液，在流动状态下的非线性的粘弹行为，以及这种行为与材料结构及其它物理、化学性质的关系15。很久以来，流动与变性是属于两个范畴的概念，流动是液体材料的属性，液体流动时，表现出粘性行为，产生永久变形，形变不可恢复并耗散掉部分能量。通常液体流动是遵从牛顿流动定律，材料所受的剪切应力与剪切速率之比，且流动过程是一个时间过程，只有在一段有限时间内才能观察到材料的流动。而变性是固体材料的属性，在固体变形时，表现出弹性行为，其产生的弹性行变在外力撤销时能够恢复，且产生形变时储存能量，材料具有弹性记忆效应，一般固体变形时遵从胡克定律材料所受的应力与形变量成正比，其应力、应变之间的响应为瞬时响应16。通常称遵从牛顿流动定律的液体称为牛顿流体，遵从胡克定律的固体称为胡克弹性体。牛顿流体与胡克弹性体是两类性质被简化的抽象物体，实际材料往往表现出远为复杂的力学性质。如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、食品、化工原材料、泥石流、地壳，尤其是高分子材料和制品，他们既流动、有能变形：既有粘性。又有弹性；变形中会有粘性损耗，流动时又有弹性记忆效应，粘、弹性结合，流、变性并存。对于这类材料，仅用牛顿流动定律或胡克定律已无法全面描述其复杂力学响应规律，必须发展一门新学科流变学对其研究。所谓的流变“实质就是”固液两相性，是一种“粘弹性”表现。但这种粘弹性不是在小变形下的线性粘弹性，而是材料在大变形、长时间应力作用下呈现的非线性粘弹性17。2.1.2 高分子粘流态特征及流变机理高分子材料的加工多在粘流态下进行，所谓的粘流态是指高分子材料在温度处于流动温度（Tf）和分解温度（Td）之间的一种凝聚态。从宏观上看，粘流态的主要特征是在外力场的作用下，高分子溶体产生不可逆的永久变形（流动）。从微观上看，处于粘流态时大分子链能产生重心位移的整链运动。考察无定型高分子材料在确定外力下的形变温度曲线如图2-1。可以看到随温度的升高，材料从坚硬的玻璃台，逐渐转变到可以发生大变形的高弹态和粘流态。在高弹态下，大分子链段解冻，可以发生运动，然而这种运动并没有使分子整链的重心相对位移，因此形变可以恢复。温度继续升高，到粘流态时，分子热运动强烈到足以使分子链间的缠解开始松弛，分子整链发生相对滑移。曲线上高弹平台消失，材料发生不可逆形变和流动。注意此时材料的形变除有不可逆的流动成分外，还保留部分可逆的弹性形变成分，因此其流动可成为“弹性流动”或“类橡胶液体流动”，这是高分子材料粘流态的重要特征之一。图2-1 无定形高分子材料的形变-温度曲线Fig.2-1 Shape-temperature curve of unfixed form polymer material绝大多数线形高分子材料具有粘流态。对无定型聚合物而言，温度高于流动温度即进入粘流态。对结晶型聚合物而言，分子量低时，温度高于熔点即进入粘流态；分子量高到一定程度时，熔融后可能存在高弹性，因此要在温度继续升高，高于流动温度后才进入粘流态（见图2-2）。交联高分子材料合体型高分子材料不具有粘流态，如硫化橡胶及酚醛树脂，环氧树脂、聚酯等热固性树脂，分子链间有化学键联系，不破坏这些联系，分子链就无法相对移动。某些刚性分子量聚合物，分子链间存在相互作用，其分解温度低于流动温度，因而不存在粘流态。图2-2 结晶高分子材料的熔融-流动曲线Fig.2-2 Melt-flow curve of crystallize polymer material研究表明，粘流态下大分子流动的基本结构单元不是大分子整链，而是链段，分子链段的引动实际上通过链段的相继运动实现的。研究高分子材料粘流化学能时发现，当溶体分子量很低时，活化能随分子量的增大而增大。分子量达到一定之后，活化能趋于恒定，不再增加，与该恒定值对应的最低分子量相当于由2030个原子组成的链段的大小。这说明溶体流动的基本结构单元是链段18。2.2 基本理论毛细管流变仪的是测量的高分子材料流变性能的仪器，不仅可以测量物料的剪切粘度，还可以讨论物料的弹性行为。由于有物料的粘弹性不能直接测量，只能通过一些可直接测量的参量通过以下的数学关系来求解19。物料流经毛细管的剪切速率可表示为 （2-1)其剪切应力为 （2-2）高分子材料的表观粘度为 （2-3）涨大比可描述为 （2-4）式中 为剪切应力(MPa)；为剪切速率(l/s)；毛细管的内孔半径(mm)；材料流经毛细管的压力差(MPa)；毛细管的长度(mm)； 为挤出流量(mm3/s)； 为测得的直径(mm)； 口模直径(mm)物料在毛细管中流动时，毛细管壁处的切变速率最大，而流速却为零。图2-3的给出了物料在毛细管粘度计内的流动特征，图中的实线表示牛顿流体，虚线表示典型的聚合物非牛顿流体9。图2-3 毛细管流变仪的特征Fig.2-3 Characteristic of capillary rheometer由图2-3可以看出，毛细管流变仪存在一个缺点，切变速率不是均一的，而是沿毛细管的径向发生变化。因此为了得到聚合物流体正确的粘度数据，通常需要对毛细管法测得的枯度数据进行两项改正。1用Rabinowitsch方程对非牛顿流体的毛细管壁处的切变速率进行改正，改正后的式（2-1）变成 （2-5） （2-6）对于牛顿流体n=1.0。对于非牛顿流体，如果它符合幂律，即切应力和Y的n次方成正比，则n为常数；否则是切变速率的函数。2Bagley改正它考虑了毛细管入口处粘性和弹性效应所产生的非理想情况的影响，这种影响所产生的效果相当于毛细管的有效长度要比它的实际长度长。考虑到这项改正式（2-2）中的管壁切应力就变成为 （2-7）Bagley改正因子e应该和毛细管的长度无关，但由于聚合物熔体有弹性，因而e通常随L/R有变化。Bagley改正因子的测定方法如图2-4所示。在恒定的切变速率下测定几种不同长度毛细管的压降P，然后把PLR曲线外推至压降为零，便可得到e值。式(2-7) 中的P0相当于治定切变通率下，当毛细管长度为零时的压降20。 图2-4 毛细管流变仪的Bagley改正Fig.2-4 Bagley correction of capillary rheometer2.3 总体设计2.3.1 毛细管流变仪的工作原理毛细管流变仪的工作原理如图2-5所示，其核心部分有以下几部分组成，具有不同的长径比（通常L/D=10/1,20/1,30/1,40/1）的一套精致的毛细管口模，用于装载物料的料筒，料筒外的恒温加热器；料筒上部经动力驱动的柱塞等21 22。其工作过程为：当物料经电热线圈加热到一定温度变为熔体后，电动机驱动柱塞以一定的速度向下运动，在柱塞高压作用下，强迫物料从毛细管挤出，由此测量物料的粘弹性。图2-5 毛细管流变仪结构示意图 Fig.2-5 Construction sketch of capillary rheometer2.3.2 仪器的总体构成毛细管流变仪的总体构成分为机械系统和控制系统两部分，其中机械系统用来完成动力源到执行机构（柱塞）的运动的转换，使得柱塞在料筒内完成直线往复运动，保证物料在料筒内所要求的压强和从毛细管中流出的流量；而控制系统则用于控制和调整柱塞的移动速度、料筒外电加热器的加热温度、以及检测料筒内物料的压力和加热温度等，进而实现在线检测、调整和控制，同时记录有关的数据参数，并进行数据的处理，实现显示、记录和存储等。2.4 毛细管流变仪机械系统的设计2.4.1 组成及工作原理本设计在总体配置形式上参考了Ceast、Bohlin等公司的产品，由于立式落地时占用空间小、外形美观等优点，因而采用立式落地结构形式23。压力式毛细管流变仪的传动系统如图2-6所示，该传动系统由电动机、减速器、齿形带、丝杠副、柱塞、支承、导向机构等部分组成。电动机用于提供柱塞所需的运动和动力，同时可以调节其输出的运动速度；同步齿形带传动可以防止传动环节发生打滑现象，保证传动速度的准确；丝杠副用来完成回转运动与直线运动的运动转换；通过导向机构保证柱塞直线运动的位置精度。 图2-6 传动系统示意图Fig.2-6 Sketch of mechanical system2.4.2 运动与动力计算根据流变仪的实际测量需求及性能的要求，其基本参数确定如下：速度：0.03-300mm/min；最大载荷：50 KN； 料筒直径；9.55mm 、12mm 、15mm；料筒长度:290mm根据传动中的有关计算,可以按一些公式进行电机的选择与传动比的计算与分配24。1柱塞所需的有效功率Nmax=FmaxVmax=0.25 ，(kw) （2-8）2总传动效率 （2-9）式中 减速器传动效率，0.97；联轴器效率，0.99；带传动效率，0.96；滚动轴承效率（一对），0.98；螺旋传动效率，0.4；导轨传动效率，0.98将以上参数带入式（2-9）可得= 0.317 3动力源功率N电=0.789 ，（kw） （2-10）即选用动力源的功率应不小于0.789kw。4传动比计算 设大齿型带轮的转速为n带，驱动螺母的转速为n螺，柱塞的移动速度V，丝杠的导程为p，减速器和齿型带副传动比分别为i减和i带，其总传动比为i总，并初设电动机最高转速n电=3000r/min，根据毛细管流变仪的传动系统图可知n带= n螺 （2-11），（r/min） （2-12） 选取 （2-13）又由于 （2-14）综合考虑各方面影响因素，进行传动比的分配分别选定为减速器传动比 i减=35 齿型带副传动比 i带=2 2.4.3 主要零部件的选择与计算2.4.3.1 电机的选择 SANYO三洋交流伺服驱动系统以其卓越的性能、高速、精确、灵活使用寿命长、性价比高特点闻名于世，广泛应用于冶金高炉、印刷机械、纺织机械、塑胶机械、医疗设备、自动化生产领域。因此选用三洋交流伺服电机25。根据运动和动力计算的结果，选择三洋p1系列 P10B13100B（1.0kw）型伺服电机，其额定转速P0 =2000r/min，最高转速Pmax=3000r/min。2.4.3.2 减速器的选择 减速器是一种有封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮蜗杆传动组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置；减速器由于结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单，并可成批生产，故在现代机器中应用很广。根据运动和动力计算的结果，减速器的传动比为35，在这一要求下，选取了摆线针轮减速器，又根据安装的特点选取直联型机型号为3的功率为1.1kw的一级减速器。2.4.3.3 同步齿形带的计算 带传动时两个或多个带轮之间用带作为挠性拉曳零件的传动，工作时借助零件之间的摩擦（或啮合）来传递运动和动力。根据截面形状不同，可分为平带传动、V带传动、同步带传动、多楔带传动等。由于同步带的工作面上有齿，带轮的轮缘表面制有相应得齿槽，带与带轮依靠牙齿间的啮合进行传动，因而传动比恒定。故选用同步齿形带传动。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为承载层，氯丁橡胶或聚氨酯为基体。这种带薄而且轻，故可用于较高精度传动。传动时线速度可达50m/s,传动比可达10，效率可达98%，所以同步带的应用日益广泛。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。根据运动和动力计算可知：n螺=42.86 ，（r/min） （2-15）n带= n螺 （2-16）1计算功率Pc 由于载荷平稳，每天工作小时数不超过10小时，所以选, ，（kw） （2-17）式中 P电机的功率（kw）2带型和节距 根据式（2-17）的结果，选用H 型齿型带，其节距为 p =12.7mm。3齿数 选定主动带轮齿数齿，则被动带轮齿数为 ，（齿） （2-18）4带轮节圆直径，（mm） ，（mm） （2-19） ，（m/s） （2-20）式中 带轮的最大速度，H型 m/s根据公式（2-20）计算，带轮满足验算公式。5初定中心距 取 ，（mm） （2-21）6带长L0及齿数Z （2-22），（mm） ，（mm） （2-23）数据代入公式（2-22）可得L0=667.86 mm选取标准节线长度Lp=685.80 mm及其齿数Z=54齿。7实际中心距，（mm） （2-24）8基本额定功率 ，（kw） （2-25）式中 Fa可查为2100（N）；Q质量0.448 （kg/m）带入上式可得P0=2.45kw。9带宽，（mm） （2-26）根据以上参数的计算就可以选择带宽代号为200的H型带，其b0=50.8 mm。2.4.3.4 丝杠螺母的计算 螺旋传动主要用以变回转运动为直线运动，同时传递能量和力，也可用以调整零件的相互位置，有时兼有几种作用。其应用很广，如螺旋千斤顶、螺旋丝杠、螺旋压力机等。根据螺纹副的磨擦情况，可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。静压螺旋实际上是采用静压流体润滑的滑动螺旋。滑动螺旋构造简单、加工方便、易于自锁，但摩擦大、效率低（一般为30%40%）、磨损快、低速时可能爬行，定位精度和轴向刚度较差。滚动螺旋和静压螺旋没有这些缺点，前者效率在90%以上，后者效率可达99%；但构造较复杂，加工不便。静压螺旋还需要供油系统。综合螺旋传动和实际的要求，选用滑动螺旋传动。 在设计时，根据对螺旋传动的要求，进行必要的计算。考虑到螺杆受力情况复杂并有刚度和稳定性的问题，计算其螺纹部分的强度和刚度时，截面的面积和惯性矩等可按螺纹内径计算26。根据传动精度的要求，螺杆选用45钢，而螺母选用35钢，在设计时，根据螺旋传动的要求，需要进行一些必要的计算。1螺纹副耐磨性计算 磨损多发生在螺母，把螺纹压展直后相当于一根悬臂梁。耐磨性的计算在于限制螺纹副的压强。根据滑动速度和螺旋副材料选取许用压强=1820 MPa （2-27）式中 F是轴向力（N）；p螺距（mm）；螺母整体，磨损后间隙不能调整时，取=1.22.5；h螺纹工作高度，梯形h=0.5p（mm）为了满足式（2-27），选取d2=36.5 mm的标准梯形螺纹,相应得d=40 mm,d3=32 mm。2螺纹牙强度计算 螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。根据手册可查=3040MPa,=4060MPa 。 (2-28) （2-29）式中 d 螺母螺纹大径（mm）；,其中(mm)根据计算结果，可知满足螺纹牙强度要求。3螺杆强度计算 螺杆受有压力F和扭矩T，其强度条件为 （2-30）其中可查=4060MPa,带入式（2-30），可知满足螺杆强度要求。4螺杆稳定性计算 螺杆受压时的稳定性验算式为 2.54 （2-31）式中 Fcr螺杆的稳定临界载荷；E螺杆材料的弹性模量；I螺杆危险截面的轴惯性矩；，当两端铰支，或一端固定、一端移动时为1；一端固定、一端自由，或一端铰支、一端移动时为2：两端固定时1/2。 把数据带入上式，可知螺杆满足稳定性的要求。根据相关的计算选取Tr407-7H/7e 。2.5 本章小结本章在介绍了毛细管流变仪的基本理论的基础上，结合当前比较先进的同类产品，提出了流变仪器的总体设计方案，确定了系统的组成，并对每一部分的功用进行了介绍。重点对机械结构系统进行了总体传动方案的确定并介绍了总体的工作原理，同时，根据一些特定的参数对重要的零部件进行了选择和计算。第3章 UG的应用3.1 Unigraphics 软件介绍UG全称为Unigraphics，是一套集CAD / CAM / CAE的功能于一体的三维参数化软件。它以参数化实体(Parasolid)为结构，拥有广泛的兼容性与强大的功能;它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著地改进汽车、航天、航空、机械、消费产品、医疗仪器具等的生产。其实体特征(Form Feature)、自由曲面(Free Form Feature)与CAM更是世界知名的航天、汽车业所器重之利器27。应用UG的建模功能，设计工程师可快速进行概念设计和详细设计，交互建立和编辑各种复杂的零部件模型。根据已建立的三维零件模型，UG的各种应用功能既可对模型进行装配操作、创建二维工程图，也可对模型进行机构运动学、动力学分析和有限元分析，进行设计评估和优化。同时，还可根据模型设计、装夹具、进行加工处理，直接生成数控程序，用于产品的加工。总之，使用UG可以为各种规模的企业带来显而易见的价值:更快地递交产品到市场:使复杂产品的设计简化:减少产品成本和增加企业的竞争实力。如今UG在全球己拥有17000多个客户，成为世界上最优秀公司广泛使用的系统28。3.2 Unigraphics 软件的特点UG软件的主要特点是：提供了一个基于过程的虚拟产品开发设计坏境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造；实现了知识驱动型自动化和利用知识库进行建模，同时能自上而下进行设计已确定子系统和接口，实现完整的系统库建模。UG软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且在设计工程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高了设计得可靠性。同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型的数控机床。另外，它所提供的二次开发语言UG/Open GRIP、UG/Open API 简单易学，实现功能多，便于用户开发专用的CAD系统。具体来说，该软件具有以下特点29：1集成的产品开发环境；2产品设计相关性与并行协作；3基于知识的工程管理；4设计的客户化；5采用复杂的复合建模技术，可将各种建模技术融为一体；6用基于特征的参数驱动建模和编辑方法作为实体造型基础；7便捷的复杂曲面设计能力；8强大的工程图功能，增强了绘制工程图的实用性；9提供了丰富的二次开发工具。3.3 基于UG的零件建模零件建模模块。用于产品部件的三维实体特征建模，也是Drafting, Manufacturing, Assemblies, Structures, Motion, Photo 等其它模块的工作基础。该模块支持实体建模（Solid Modeling），特征建模（Feature Modeling）,自由形状建模（Free-Form Modeling），钣金特征建模（Sheet Metal Modeling）和用户自定义特征（User-Defined Features）等子模块。结合本课题，主要涉及的是基于特征的零件建模和标准库的导入。3.3.1 基于特征的零件建模Unigraphics基于特征的零件建模过程也就是仿真零件的加工过程，即各特征的建立顺序应尽可能与零件的加工顺序一致。一般零件建模的方法就采用以上介绍的建模方法，建模过程如下: 1根据零部件的结构特点，先建立一个基本体素或扫描特征作为零件的毛坯； 2再参照零件的粗加工过程逐步创建零件的孔、键槽、型腔、凸台、凸垫及用户定义等特征；3最后参照零件的精加工过程创建倒圆、倒角、螺纹、修剪和阵列等特征。整个过程的建模部件导航器的顺序如图4-1所示。图3-1 基于特征的建模过程Fig.3-1 Building mold process based on characteristic在本课题零件的建模中，大多数零件的建模多是基于特征的实体建模，例如在本次设计中，轴法兰套体及上支板的建模都是这种建模法，其建立的模型如图3-2，图3-3所示。图3-2 轴法兰套体Fig.3-2 Axial flange bush图3-3 上支板Fig.3-3 Top holding board3.3.2 标准库的导入对于一些标准化的零件如螺柱、螺钉、螺母、垫圈、挡圈、销钉等，有标准的零件库可以直接导入，免去了一些建模过程，节省了时间，提高了效率。建模的过程分为以下几步组成。1装载标准库，一次装载后，以后直接导入就行了；2在UG软件的环境下，导入标准库如图3-4所示，具体步骤为launch UG,VIEW-toolbars-customize-user tools-load-选c:usrstd_lib user_toolstool.utd，导入标准库； 3选择自己所需的标准件。在本课题的设计中，也多次用到了标准库的导入，其典型的标准件销、轴承、螺钉、螺母、如图3-4、图3-5、图3-6、图3-7、图3-8、图3-9所示。 图3-4 标准库菜单 图3-5 销 图3-6 轴承Fig.3-4 Standard storage menu Fig.3-5 Pin Fig.3-6 Bearing 图3-7 螺钉 图3-8 螺母 图3-9 圆头螺钉Fig.3-7 Bolt Fig.3-8 Nut Fig.3-9 Fillister head bolt3.4 流变仪的虚拟装配3.4.1 虚拟装配的概述在实际的产品开发中有一个把零件装配成部件(子装配)，再把部件装配成产品的过程。UG的装配过程是通过装配模块快速将零部件组合成产品，在装配中建立部件之间的链接关系。通过配对条件在部件之间建立约束关系来确定部件在产品中的空间位置，零件的几何体被装配引用。无论如何编辑零件，整个装配部件都保持关联性，当某零件被修改后，则引用它的装配部件自动更新。在装配中可以采用自底向上或自顶向下的装配建模方法。在UG中采用虚拟装配进行装配建模，虚拟装配是管理几何体，而不是生成几何体。它通过使用指针，而不是用零件中的实际几何体，这样可以保持主模型和其它应用之间的关联性，允许向任何