电子万能试验机的技术设计 精品.doc

第1章 绪论第1节 试验机的定义 试验机是测试、评定和研究材料、零部件、整机（整车） 和类工程项目的物理性能、机械（力学） 性能、工艺性能、安全性能、舒适性能的试验仪器和设备，是科学仪器众多种类中很重要的一类测试仪器。试验机对材料及品、零部件、整机（整车）、工程项目的性能检测和试验、质量控制和质量保证起着不可替代的作用；对各类工程科学理论研究和工程项目的实施起着极其重要的保障作用；多数试验机产品还属于计量器具，对保证和维持我国长度、力值、硬度量值的准确和溯源具有举足轻重的作用。长期以来，试验机作为很重要的一类科学仪器， 被广泛地应用于冶金、建筑、航天、航空、机械、交通、国防军工、水利、电力、石油、化工、轻工、纺织等行业的国家重点实验室、工业实验室、计量室、质检机构和制造业的生产线及各类工程现场。科研院所、大专院校、质检计量机构、各类企业构成了试验机的用户群。按照GB/T 475420XX 国民经济行业分类的规定，试验机制造业属于仪器仪表行业的一个小类。试验机主要包括以下产品：金属材料试验机、非金属材料试验机力与变形检测仪器、动平衡机、振动台、冲击台与碰撞台、无损检测仪器摩擦、磨损、润滑与工艺试验机、包装件试验机、大型结构试验机、汽车专用试验设备、各种环境模拟试验装置及其功能附件等。试验机产品特点是多品种、小批量，用户个性化要求多。这是集机、光、电、液和计算机技术于一体的高技术产品，涉及到的学科范围非常广泛,下图为国产一款试验机。第2节 试验机行业发展简要回顾我国试验机制造业自建国以来，从无到有，不断发展壮大，已经走过了六十年的历程。（1）解放前的旧中国，几乎没有企业生产制造试验机产品，更谈不上形成一个产业。（2） 新中国建立后受到了以美国为首的西方国家经济技术的封锁。为摆脱西方国家的封锁，加快我国经济技术和国防工业发展的步伐， 1949 年10 月20 日，我国第一个试验机专业生产厂家长春仪器厂（长春材料试验机厂） 诞生，标志着中国试验机制造业的开始。1959 年3 月， 经国家有关部门批准，第一机械工业部材料试验机研究所在长春成立，标志着我国开始独立自主地开展试验机制造技术与产品的研发。到1979 年建国30 周年，长春、天水、济南、上海、莱州、汕头、丹东、苏州等地成为试验机的重点生产区域，主要生产企业约30 家左右，初步形成了一个试验机制造行业（3）改革开放后的30 年（197920XX），尤其是后20 年（ 1989 20XX），试验机行业同其他行业一样，发生了重大变化，取得了重大发展。重大发展是由于对外开放、计划经济向市场经济转变的重大变化而引起的。重大发展主要表现为： 人力作为可由市场配置的资源能够自由流动，使得科技、管理人才可以走出高等院校、研究院所、国有企业进入市场创办试验机民营生产企业。据不完全统计，1989 年，全国生产试验机的厂家接近50 家。 试验机生产企业的资本结构发生了根本性的变化。体制上的改变促使企业的运行机制更加适应市场经济发展的需要，促进生产规模的迅速扩大。统计资料显示， 我国试验机行业的工业总产值从1989 年的3 亿元RMB 左右上升到20XX 年的40 亿元RMB（76 家规模化以上企业的数据）。静态力学性能测试仪器的典型产品电子万能试验机、液压万能试验机的测量、控制技术实现了重大突破。力值、位移的测量技术全部由机械式改为电子式； 基于微处理器技术（含基于DSP 技术） 的国产控制器全面装备了电子万能试验机和液压万能试验机。在计算机被广泛用于试验机的同时，应用程序（试验软件）也得到了快速发展，并在不断改版升级和完善。大部分国产电子万能试验机和微机控制液压万能试验机的性能指标已和国际同类产品的性能指标接近，其中部分国内产品的性价比已优于国外产品。正因为如此，近几年来，国外同类产品的进口量在大幅度下降，且其价格也随之大幅下降。（4） 在此期间， 试验机行业工作取得了明显的进步。1980 年， 中国仪器仪表学会试验机分会宣告成立。试验机分会曾多次成功举办了试验机制造技术的学术交流活动，组织了对美、英、日、德等国同行的技术座谈和技术交流。试验机分会和长春试验机研究所合办出版的科技期刊工程与试验（原名曾为：材料试验机、试验技术与试验机） 成为试验机制造业和试验机用户进行学术交流的平台，有力地推动了试验机行业的技术进步。第3节 试验机行业发展展望 展望未来，在市场经济发展的进程中，我国试验机行业必将会有更大的作为。（1）对试验机制造企业而言，未来10 年20 年的发展关键取决于企业的自主创新能力的提升。试验机制造企业自身R&D 的战略目标、科技人员和科研经费的投入、科研手段的配备与提升必须落实。没有自主创新的独特技术就没有高端产品市场的话语权。在研究R&D 战略目标时，应注意解决好当前制约行业技术发展的几个问题： 变形测量技术是试验机行业技术发展的基础技术之一。国外一些同行在变形测量技术的研发上已经取得了新的明显的进展。试验机行业应尽快在非接触式变形测量技术和全自动变形测量技术上有所突破，这对促进试验机行业的技术发展是非常有意义的； 进一步提高动静态力学性能试验机控制器的技术性能， 使其数据采集、处理系统、闭环控制系统的性能完全达到或超过国外同类产品的性能，同时提高产品的工艺水平，保证整机的可靠性达到国外同类产品的水平； 充分重视并投入大量的人力、资金，大力加强试验机应用软件的开发、升级、创新，使国产应用软件的结构更加合理，功能更加强大， 操作更加方便，改版升级更加快捷，加快缩短同国外试验机应用软件的差距;（2） 试验机产品市场的空间还是很大的。多年来， 国内市场始终有近50%的份额被进口产品所占有，国外的市场容量也是很可观的，尤其是发展中国家的市场是很广阔的。这对于有自主创新能力、市场开拓能力、科学管理能力的制造企业而言，是会大有作为的。（3）随着市场经济的发展，在有序的竞争中，试验机制造企业的组织结构会产生一些积极的变化。名品会造就一批名企，假冒伪劣产品会使其制造者被淘汰出局，一个适度规模、发展有序的试验机行业会在竞争中形成。可以预测， 经过10 年20 年的努力，我国试验机行业在技术与产品的发展上可以基本满足国内市场的需求，并会有批量产品出口，基本赶上或在某些领域超过发达国家的技术水平。 第2章 1KN拉压试验机的设计概述第1节 总体设计参考试验机各种机型，以及设计要求，先应确定其传动原理，我设计的为小型试验机，最大的拉压力才为1KN，选用单空间结构原理，其工作原理为：电机通过带轮变速机构带动两平行的滚珠丝杠，从而驱动移动横梁来实现加载，被测试件夹在夹具上，而被测试件的负荷由传感器测量。如图第2节 部件设计2.1 变速箱的设计2.1.1 传动的选择由于，总的传动比为30，将其分配为4,3,2.5这三个等级满足要求，分级是利用电机的电调比来实现的因此，无需要离合器等零件，而因为试验机试验压力小1KN，因此不宜设计复杂的传动机构，以免产生不必要的能耗或误差，也减小了密封，润滑，维修等的压力，最终决定选用三级齿形带传动，如图所示左下角带轮连接电机输出轴所带的带轮，传动比为2.5上方的两个带轮主要其改变传动比的作用，传动比为3而中间套与轴上的两个带轮则分别连接左右两个丝杠下的带轮，以此带动丝杠传动而使横梁上下移动，从而施加拉或压力。同步带轮传动是由一根内周表面设有等间距齿的封闭环形胶带和相应的带轮所组成。运动时，带齿与带轮的齿槽相啮合传递运动和动力，是一种啮合传动，因而具有齿轮传动、链传动和平带传动的各种优点 。 同步带按材质可分为氯丁橡胶加纤维绳同步带，聚氨酯加钢丝同步带，按齿的形目前主要分为梯形齿和圆弧齿两大类，按带齿的排布面又可分为单面齿同步带和双面齿同步带。同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，可精密传动,传动平稳，能吸震，噪音小，传动速比范围大，一般可达110，允许线速度可达50m/s，传动效率高，一般可达9899。传递功率从几瓦到数百千瓦。结构紧凑还适用多轴传动，张紧力小，不需润滑，无污染，因而可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场合下正常工作。2.1.2 变速箱中张紧轮的设计因为为带传动，所以必须安装张紧轮，由于空间位置的限制，决定在此变速空间内安装上两个张紧轮，分别为第二级和第三级的一个带轮张紧，张紧轮的位置用螺栓调节，与带轮接触的面用两个轴承一个滚轮来施加压力并尽可能的减小阻力，如图设计上图为截面图 此图为俯视图由于变速箱内空间有限，且有其他的支撑结构，因此张紧轮的位置选择就非常的重要，否则，就会出现，装不进，卸不掉，螺钉无空间，与支撑结构重位等清况，为避免些情况的发生，张紧轮的位置选择如图所示两画圈处即是安装带轮之处。2.1.3 变速箱支撑结构的选择支撑结构在变速箱中起着非常重要的作用，是整个机构能正常运行的保证，尤其对强度，刚度等的影响，更会直接关系到实验机的精度问题。此变速箱中，由于有带轮，张紧轮已经它们所附带的轴，轴承，套等零件，一方面要尽量压缩支撑结构的空间，另一方面又要增强支撑结构在强度，刚度方面的承受能力，所以，我用双层结构设计，且此双层结构是由螺钉，螺栓，焊接等有效的，保证精度的链接在一起的，大致的结构可以由如图看出左侧底面与上台板底面用螺栓链接，增加链接强度，保证支撑起整个变速箱的重量，以及传动时所带来的附加力的影响，第二层结构与第一层的面板用立柱相连，一方面保证了其强度要求，另一方面立柱的加工更精细，比螺钉，螺栓等更能保证两板间的平行度，以便于轴孔很好的对位，从而保证轴的正确安装，立柱与中间板面的链接用焊接，增强可靠性及精度。机构的强度由立柱的数量来保证，为了确保我总共使用了9个立柱。经过粗略的估算，符合要求。2.2带轮的设计2.2.1 带轮的结构设计为了保证传动的稳定，减少震动带轮的固定，定位就非常的重要，因为此变速箱的整体结构是朝下的，因此带轮是平置着的，首先应想到带也是平置，为了防止掉带，必须设计挡边。如图所示上面几个图是不同的几个带轮其的挡边。2.2.2 带轮的定位与固定由于带轮水平，所以所设计的带轮固定装置不仅需要有定位功能，还必须能承受带轮的重量，以及运动过程中的附加力，考虑到这种因素，大带轮的设计为可以看出，下方由垫片和双圆螺母来定位和固定，上方用轴套，以确保支撑力足够，以及避免出现掉轮，晃动的情况。而小带轮的设计为如图，用螺钉和垫圈来定位和固定。2.3 丝杠的定位与固定 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械下载！该已经通过答辩滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将从滑动动作变成滚动动作。由于具有很小的，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点，在试验机中，丝杠的作用是最重要的部件，其可外购，但定位必须好，以便横梁能顺利的移动。如图设计：图中可知，丝杠套是利用螺栓固定在台面板底面上，为了保证其稳定性，共采用了六个螺栓。2.4 光杠的固定与丝杠情况相似，因此，光杠的固定件也与丝杠的相似，如图所示在装配图中的情况是2.5 夹具的设计过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。又称。从广义上说，在中的任何，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如、检验夹具、装配夹具、夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具 。在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的、几何形状以及与其他表面的相互等技术要求 ，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。夹具通常由定位（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置 、引导元件(确定与工件的相对位置或导引刀具方向)、（使工件在一次安装中能完成数个的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。此试验机中，因为要求的最大拉压力仅为1KN，且没有扭转的功能，因此夹具可以在保证相应的同轴度，及对称位置的情况下，尽量简化，甚至可以在加紧部分购买成品。如图设计，此图为上横梁上的夹具此图为面板台上用的夹具第3章 尺寸设计第1节 驱动电机参数选择1.1 技术指标（主机设计有关指标）最大负荷 10KN动横梁移动速度 0.05-500mm/min1.2 传动比的确定及分配 a.传动比的确定本机调速系统初步采用宽调速锁相控制系统，其电调比1:10000，转速范围0.15-1500r/min。则b.传动比的分配传动比分配时要充分考虑到各级传动的合理性，以及带轮的结构尺寸，要做到结构合理。传动装置分为三级，传动比分配为i=30=2.534。各级均为同步齿形带传动，具有传动比准确、结构紧凑，传动比范围大以及在低速下传递动力等优点。另外由于两对滚珠丝杠副的存在，其中第三级传动包括两组同步带传动。1.3 驱动电机的选择根据试验机输出载荷与加荷速度，折算到驱动电机所需功率，选择驱动电机。整机传动系统采用滚珠丝杠副（导程s=10），同步齿形带传动，传动总效率=0.7-0.8。则功率式中：F输出载荷，； v加荷速度。0.5m/min；代入数据得 。选取宽调速永磁直流伺服电动机，技术参数见表2-1表2-1 70SYX宽调速永磁直流伺服电机技术参数规格型号额定功率额定转矩最高转速70SYX0.05KW0.33N.M2000r/min额定电压最高电流允许转速差 10%转动惯量 48V4A200564Kg.cm.s2该电机具有精度高，响应快，调速范围宽（电调比1:10000），力矩波动小，线性度好，过载能力强等特点。1.4 传动装置的运动及动力参数设电机输出轴为1轴，然后各级依次为2、3、4轴。对应转速为n1，n2，n3；对应功率为P1，P2，P3；对应转矩为T1，T2，T3。为计算方便，各级传动效率取=0.9。a.各轴转速b.各轴功率c.各轴转矩具体计算结果填入表2-2中供设计计算使用。表2-2 传动装置运动和动力参数计算结果1轴2轴3轴4轴转速150060020050功率0.0140.01260.01130.005转矩0.0890.2000.5400.955传动比i2.534第2节 零部件尺寸设计2.1 带轮的设计2.1.1 第一级同步齿形带传动设计（1）确定计算功率式中：工作情况系数；1.2 增速比系数； 0代入数值得：（2）模数 由以及查表，取（3）选择带轮、查表得小带轮最小齿数 ，取 ，则 带速 （4）确定中心距a及带长初选 初定胶带节线长度查表取 中心距 （5）确定带宽单位带宽的离心拉力小带轮啮合齿数带宽式中：单位宽度的许用拉力，0.4Kg/mm 啮合齿数系数， 代入数据得 ，圆整，取(6)计算带轮几何尺寸齿形角 顶圆直径 式中：节线到齿根间距离，0.375mm代入数值得 ，同理 齿槽深 式中：齿高， 0.9mm 径向间隙，0.55mm代入数据得 根圆直径 ，同理 带轮齿宽 2.1.2 第二级同步齿形带传动设计（1）确定计算功率式中：工作情况系数；1.2 增速比系数； 0代入数值得：（2）模数 由以及查表，取（3）选择带轮、查表得小带轮最小齿数 ，取 ，则 带速 （4）确定中心距a及带长初选 初定胶带节线长度查表取 中心距 （5）确定带宽单位带宽的离心拉力小带轮啮合齿数带宽式中：单位宽度的许用拉力，0.6Kg/mm 啮合齿数系数， 1代入数据得 ，圆整，取(6)计算带轮几何尺寸齿形角 顶圆直径 式中：节线到齿根间距离，0.50mm代入数值得 ，同理 齿槽深 式中：齿高， 1.2mm 径向间隙，0.69mm代入数据得根圆直径 ，同理 带轮齿宽 2.1.3 第三级同步齿形带传动设计（1）确定计算功率式中：工作情况系数；1.2 增速比系数； 0代入数值得：（2）模数 由以及查表，取（3）选择带轮、查表得小带轮最小齿数 ，取 ，则 带速 （4）确定中心距a及带长对于此级第一组带轮，初选 初定胶带节线长度查表取 中心距 对于第2组带轮，初选 初定胶带节线长度查表取 中心距 （5）确定带宽单位带宽的离心拉力小带轮啮合齿数带宽式中：单位宽度的许用拉力，1.0Kg/mm 啮合齿数系数， 1代入数据得 ，圆整，取(6)计算带轮几何尺寸齿形角 顶圆直径 式中：节线到齿根间距离，0.75mm代入数值得 ，同理 齿槽深 式中：齿高， 1.8mm 径向间隙，0.82mm代入数据得根圆直径 ，同理 带轮齿宽 2.2 轴的设计轴的结构取决于受力情况、轴上零件的的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输安装等条件。轴的结构应该使轴受力合理，避免或减轻应力集中，有良好的工艺性，并使轴上零件定位可靠、装配方便。对于要求刚度较大的轴，还应从结构上考虑轴。的变形。此次设计1轴为电机输出轴，结构尺寸参照电机结构，这里便不