电子拉力弹簧试验机的设计说明书

- I -摘 要电子拉力弹簧试验机，主要用于测试弹簧或者其他弹性器件的受力与变形之间的量值关系，确定试件的品质，进而对试件的加工工艺、工序是否合理做出正确的判断，为合理修正、提高工序能力提供科学依据。本产品主要应用于弹簧制造、低压电器、家用电器、轻工纺织、军工机械、科研、院校等部门。本电子拉力弹簧试验机采用伺服电机作为动力源，为了增大传动比，采用蜗轮蜗杆减速机减速，滚珠丝杠系统制造精密，稳定可靠，用单片机实现对电机转速的控制，可随时控制压盘上下移动的距离，能够实现手动加载，具有超行程保护功能。整机框架采用封闭式结构，结构紧密，造型美观，安全可靠、操作方便。本次毕业设计在充分了解试验机知识的基础上，整合了电子拉力弹簧试验机的优点，对普遍存在的问题进行了改善，做了进一步提高。关键词：试验机；弹簧；单片机；伺服电机；- II -ABSTRACTElectronic tensile spring testing machine,Mainly used to test the springs or other elastic devices between force and deformation value relationship，的 determine the quality of the specimen,And then process the specimen, whether it is reasonable procedures to make the right judgments, reasonable amendments to improve the process capability to provide scientific evidence.This product is mainly used in spring manufacture, low-voltage electrical appliances, household appliances, light textile, military machinery, scientific research institutions and other departments.The electronic tensile test machine using servo motor as a power source，To increase the transmission ratio，Worm gear reducer used，Manufacture of precision ball screw systems，Stable and reliable，With MCU control of motor speed， ，Control the pressure plate can move up or down at any distance， ，Can be achieved manually loaded,With over-travel protection。Machine frame is made of closed-end structure，Compact, attractive appearance, safe, reliable, easy to operate.The graduation based on in the full knowledge and understanding of the test machine，The integration of electronic tensile test machine springs advantages，Issues of common improvements made to further improve.Key words： testing machine; spring; SCM; servo motor; - III -目 录摘要. .IABSTRACT.II1 前言.11.1 国内外研究现状、水平及存在的问题. .11.2 选题目的目的及意义. .11.3 实施方案及主要研究方案.11.4 课题创新之处. . .11.5 预期研究成果. . .22 整机传动方案的确定.32.1 确定传动方案 .32.2 传动方案布局. .33 电动机的选择. .43.1 电动机的类型及结构. . .43.2 初选电动机的容量. . .43.3 电动机转速确定. . .54 设计计算. .64.1 蜗轮蜗杆的设计. . .64.2 蜗杆轴的设计. . .94.3 丝杠螺母的设计. . .144.4 电路部分设计. . . .165 结论.17参考文献.18致谢.19附录. . . . .20- 1 -1 前言1.1 国内外研究现状、水平及存在的问题我国弹簧试验机的生产，已有五十年历史。国内弹簧试验机的发展现状,早期生产的弹簧试验机绝大多数领先机械传递、模拟测量，精度的提高受到限制。近些年来，随着科技发展已开发出静态拉压、静态扭转、高频拉压疲劳、低频拉压疲劳、扭转疲劳、在线检测等六种不同的检测方式：机械式、电子式、电磁式、电液式、电气式、电液伺服式等六种不同的加载方式；量程从 1N-500KN 不同规格的一百七十多种产品。1：弹簧拉压试验机的现状：此类型的检测设备几年以前大多为手动加载、模拟式或单数显式，近十年，双数显的测试设备已经成为主流设备。2：弹簧试验机的发展趋势：小负荷的弹簧，尤其是大刚度精密弹簧的首要要求是设备的测试精度高，因为位移的微小变化，便会引起试验力的较大变化，而保证试验力的测试精度，是很容易的事情，但是要保证弹簧试验机的另一参数位移的精度，是保证弹簧测试精度的关键，也是判断弹簧试验机精度高低的标准。因此，越来越多的使用者，都把位移测试精度的高低当做衡量试验机水平高低的标准。缺陷：目前国内外弹簧试验机主要以手动为主，自动式弹簧试验机占有少量的市场。1.2 选题的目的意义随着科学技术发展，近几年，铁路系统客车提速、弹簧标准修改，原来试验机的测量精度、测量方式及缺少的数据处理功能已不适应新标准的要求。电子式及微机控制式的试验机，已经在有些厂家作为主要科研项目，而且已经投入生产。进行这个课题的学习和设计为了更好掌握这方面的技术和技能，同时真正掌握电子式弹簧试验机的结构，并能够掌握电路设计及在设计中应注意的问题，切身体会设计一台机器的艰辛过程和掌握方法。为今后的工作打下了基础。1.3 实施方案及主要研究手段该测试系统的执行机构为一立式的能拉能压的机械装置，其传动丝杠由伺服电机进行驱动，实现拉压的操作。这种测试系统的一切操作都可由普通的电脑装上控制软件之后执行，这就需要一种可视化的操作软件，能对执行机构进行一切正确的控制和操作。为此，我们选择了目前较为常用的 VB 编程软件进行可视化操作系统的开发。但普通的电脑不能直接输入各种不同类型的模拟信号，因此，同时需要再扩展以 8031 单片机为核心的外接电板。1.4 选题的创新之处- 2 -该课题采用了手动与自动相结合的设计构想，通过巧妙的蜗杆设计，将手动与自动简单结合在一起，操作简单，使用方便。此电子式弹簧试验机既可以进行拉伸试验，也可以压缩试验。1.5 预期研究成果：通过这次设计，掌握电子式弹簧试验机的结构，并能够掌握机械系统设计的基本原则和方法。能够基本掌握传动机构在实际系统中的应用。通过这段时间的实习，对本课题设计的研究成果有了初步的认识。比如，由试验机厂开发的类似产品，其采用了键盘控制技术，用光电管将各种测试结果显示出来，这套装置具有很多以前的测试所不具有的性能，但这套装置控制的检测装置，只要给任何一台电脑装上这种由我们所开发的软件，然后接上插头都能对检测装置进行控制。在电脑普及极其迅速的今天，我们的课题研究无疑具有十分广阔的市场。并且对我们的汽车行业的振兴有一定的促进意义！- 3 -2 整机传动方案的确定2.1 确定传动方案 电子拉力弹簧试验机，最终实现的是挂钩及压盘的上下移动，完成对试件的拉压实验。能够实现直线动传的机构有：曲柄滑块结构、液压缸活塞的运动、丝杠螺母副的运动、齿轮齿条等。液压传动对系统的维护要求较高,液压元件制造精度要求高,工艺复杂，传动效率低。考虑弹簧试验机的使用环境，综合比较以上传动机构，最终选用丝杠螺母传动副来实现执行部件的上下移动。试验机的动力源由伺服电动机实现，为了增大传动比采用蜗轮蜗杆减速装置将传递到丝杠螺母副，用蜗轮蜗杆减速还可以实现电动机到丝杠运动方向的转换。2.2 传动方案的布局电动机通过联轴器将运动传递给蜗轮蜗杆减速机，蜗轮蜗杆将转速降低及运动转向后进一步将运动传递到丝杠螺母副，实现压盘上下移动，总体布局如图 1.1 所示。1、丝杠 2、螺母 3、电动机 4、联轴器 5、滚动轴承 6、蜗轮 7、蜗杆图 1.1 电子拉力弹簧试验机的传动方案- 4 -3 电动机的选择3.1 电动机的类型及结构的选择根据电动机的电源、工作条件及载荷特点选择电动机的类型和结构形式。电子拉力弹簧试验机对电动机有伺服控制的要求，选用交流伺服电机。3.2 初选电动机容量 标准电动机的容量由额定功率表示，所选电动机的额定功率应该稍大于工作要求的功率。如果容量小于工作要求，则不能保证试验机的正常工作，可能会导致电动机长期过载、发热过大而过早损坏；容量过大会导致成本增加，并且因功率及功率因数过低而造成浪费。电动机的容量主要有运动时发热条件限定，在不变或变化很小的载荷下运行的机械，只要电动机的负载不超过额定值，则电动机不会发热，所以不必校验发热和启动力矩。电动机的功率为：（3.1）KWPwd式中：Pd工作机实际需要的电动机的输出功率，KW：Pw工作机所需输入功率：电动机至工作机之间传动装置的效率。工作机所需功率 Pw 由机器工作阻力和运功参数计算求得：(3.2) KWFvw10式中：F工作机的阻力，N（F=5000N）;V工作机的线速度，m/s（V=0.033 m/s）;工作机的效率，w- 5 -KWFvw18.094.1035总效率： 654321（3.3）。则：94.0,.,9.0,.,8.0,9. 654321 .8.KWPwd36.049.1初选伺服电机额定功率为 0.75KW。3.3 电动机转速的确定同一类型的电动机，相同的额定功率有多种转速可供选择。如果选用低速电机，因级数较多而外形轮廓尺寸及重量较大，故价格较高，但可以使传动装置总传动比减小选用高速电机则相反。电子拉力弹簧试验机采用蜗轮蜗杆减速传动，本身的传动比很大，为了满足经济性要求选用额定转速为 1500r/min。由以上设计计算选择松下交流伺服电机 110MB075D-001000。安装尺寸如图 3.1。- 6 -图 3.1 交流伺服电机安装尺寸（L=211mm）4 设计计算4.1 蜗轮蜗杆的设计电子拉力弹簧试验机使用的是闭式蜗轮蜗杆传动，联轴器的效率定为 0.98，蜗杆的输入功率为 ,蜗杆转速为 ，传动比)(735.0.9801KWP min/150rn=30，试验机工作载荷稳定，有不大的冲击，所以寿命 Lh 设为 12000h。i4.1.1 选择蜗杆的传动类型根据 GB/T100851988 的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI） 。4.1.2 选择材料及加工精度考虑到蜗杆传递的功率不大，转速不高，蜗杆材料选用常用的 45 钢，要求传递效率尽量高，耐磨性好，蜗杆齿面渗碳淬火，HRC45HRC；蜗轮选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1，金属膜铸造；加工精度 8 级。4.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计（1）初选几何参数。 =30 时，选 Z1=1，Z 2= Z1i=30*1=30.i 3011i（2）粗算蜗轮输出转矩 T2粗算传动效率：%83.0)5.310()%5.310( i（4.1）蜗杆轴的输入功率 P1=0.735KW，蜗轮的输出功率为：- 7 -)(47.1315038.952NniPT（4.2）(3)确定载荷系数。因工作载荷比较稳定，故取载荷不均匀系数 =1;由附表 1K选取使用系数 =1.15;由于转速不高，冲击不大;可取动载系数 Kv=1.05，则：AK21.05.1.KvA（4）确定弹性影响系数。因为选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配合，故 2160MpaZE（5）确定需用接触应力 h根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属膜铸造，蜗杆齿面硬度45HRC，从附表 2 查得蜗轮的基本许用应力 =268MPa。h应力循环系数： 72 106.3120560hLjnN（4.3）寿命系数: 52.106.31087989NKH（4.4）则： )(0.46285.1 aHNH MPK- 8 -(6)计算中心距：)(29.5)406.21(371)32mZKTaHE（4.5）取中心距 a=80mm。4.1.4 蜗轮、蜗杆的主要参数与几何尺寸中心距 a=80mm， ，取模数 m=4。30i（1）蜗杆 直径系数 q=10，分度圆直径 =40，蜗杆头数 =1，分度圆导程角 ，1d1z 38425齿顶圆直径 ，齿根圆直径 ，轴向齿距 ，轴向mda481mf4.30mpa6.1齿厚 。蜗杆螺纹部分长度sa2.6，取 L=63mm。zL.9106.08（2）蜗轮齿数 ，变位系数 ；分度圆直径 ；31z5.2x mzmd124322蜗轮喉圆直径 ；蜗轮齿根圆直径hdaa 13412；蜗轮咽喉母圆直径hdff .42。验算传动比 ，传动比误差为marg 13280122 3112zi，在允许的范围内。3.04.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度按下式进行校核： FFaFYmdKT2153.当量齿数：- 9 -47.318425cos32zv（4.6） 根据 ， 5.02x，差得齿形系数47.312vz 25.3FaY螺旋角系数： 96.014382Y许用弯曲应力： FNFK蜗轮材料为 ZCuSn10P1 制造，其基本许用应力 。MPaF56寿命系数：(4.7)67.01.396FNKMPa.5F 42.396.02341207.3弯曲强度满足要求。4.2 蜗杆轴的设计4.2.1 蜗杆轴的功率 、转速 和转矩1P1n1T功率： =0.735KW，转速： =1500r/min1转矩：(4.8)MNnPT50.467913.0950114.2.2 作用在蜗杆轴上的力 NdTFt 7.23405.67921- 10 -NFntr 58.3425cos0tan97.23cosata 6.t.4.2.3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径，已选用的蜗轮材料为 45 钢，调制处理，由附表 3 差得=112，计算轴的最小直径：0A(4.9)mnPAd83.1507.23310最小直径处安装联轴器，为了使电动机输出轴与蜗杆轴、联轴器孔径相配合，首先选择联轴器，联轴器选用刚性套筒联轴器（GB/T 11841996） ，联轴器尺寸为，对称度选取 8 级。)(602mld4.2.4 轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案选用图 4.1 所示的装配方案。（2）根据轴的定位要求确定轴的各段直径及长度半联轴器与轴配合的毂孔长度为 30mm，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故 ;初选滚动轴承，轴承要同时mdLVIVI 20,28承受径向力和轴向力，所以选用角接触球轴承。参照工作要求，根据，初选 0 基本游隙，标准精度等级的 7005C 型角接触球轴承(GB/T mdVI20292-1994)，尺寸为 ,所以 ，由结构需要12475BDddVII25取 ；为了满足轴承的定位，取 ，LLVII,7 mVII8； 。mVII65,0I mLI504.2.5 蜗杆轴上零件的周向定位联轴器的周向定位由平键链接保证， ，查手册选dVIVI 20,28用平键（GB/T 1096） ，同时为了保证联轴器与轴的联lhb166接，联轴器与轴的配合选用 H7/k6；滚动轴承的周向定位是靠过渡配合来实现的，轴的直径公差为 j5。- 11 -4.2.6 轴上的载荷首先根据蜗杆轴的结构简图，画出蜗杆轴的计算简图,见图 4.2.差得 7005C 型角接触球轴承的 a 值为 10.8mm,因此作为简支梁的跨距，根据蜗杆轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩mL4.1872.65图,图 4.3。图 4.1 蜗杆轴的结构图- 12 -图 4.2 蜗杆轴的计算简图及弯矩和扭矩图从图 4.2 蜗杆轴的弯矩图和扭矩图可以看出截面 C 为轴的危险截面。截面 C 处的 、 及 值:HMV NFLFtN 179.234.18721 - 13 -NFLFtNH 179.234.18712 MMNH06.21 Da1756. NLFraNV 42.8.9312 NVr521MMV 41237.9NLFN122 VH 036221 16489522 MNT.473表 4.1 、 及 值HV载荷 水平面 H 垂直面 V支反力 F FNH17,172NFNV42,1弯矩 M 0936 M3954231总弯矩 M68,1扭矩 T T794.2.7 按弯扭合成应力校核蜗杆轴的强度已知轴的弯矩及扭矩，按第三强度理论，计算应力：(4.10)122WTMca式中： 轴的计算应力， ；caaP轴所受的弯矩， ；MN- 14 -轴所受的扭矩 ；TMN轴的抗弯截面系数， ；W3m对称循环应力时轴的许用弯曲应力，蜗杆轴的材料为 45 钢，调制处1理，所以 =60 。aP取 =0.6，132232222 46.01.79671.0 aca MPdTMWT满足要求。4.3 丝杠螺母的设计4.3.1 丝杠螺母传动副的运动形式及结构的选择丝杠螺母传动是一种利用螺旋斜面原理进行传动的机构，用来将螺旋运动转变为直线运动。通过对结构特点及经济型的考虑，滚珠丝杠螺母副摩擦损失小，传动效率高，预紧后可以消除间隙，提高传动刚度和精度。 4.3.2 滚动丝杠螺母副的设计（1）计算最大动载荷mwFfLC3（4.11）610Tn（4.12）0Lvns（4.13）式中： 滚珠丝杠导程，初选 =8mm；0L0L- 15 -最高进给速度的（1/2-1/3） ；sv使用寿命，按 12000h；T运转系数，按一般运转取 =1.2-1.5；wf wf寿命，以 转为 1 单位。L60；min/125800 rLvns；90616T。NFfCmw285.933 （2）由以上计算，选择 型 1 列 3.5 圈外循环螺纹调整预紧的不带衬套6081LW的双螺母滚珠丝杠副，其额定动载荷为 31200 ，名义直径 60mm4.3.3 传动效率的计算； (4.14)tan式中： 螺旋升角， ， = ；6081LW26摩擦角，取 ；9358.0126tanta4.3.5 丝杠轴的结构设计（1）蜗轮宽度 ， ，取 =30mm，所mdBa34875.0.1dB.2以 取 。,30mdILI（2）选取滚动轴承。丝杠采用一端固定，一端游动的安装方式，固定端选用圆锥滚子轴承（GB/T 297-1994） ，初选 30209 型圆锥滚子轴承，尺寸为 ,所以19854TDd， ；自由端选用型号为 6009 的深沟球轴承，尺寸为dVI45LVI53- 16 -;同时选用圆螺母(GB/T812-1988)16754BDd， ，同取 ，0498,.139mdMk mdIV39 mdIXV30, 取 。自由端选用型号为 6009 的深沟球轴VI ,3VILIX57承（GB/T 276-1994） ，尺寸为 。164BD（3）零件的周向定位蜗轮的轴向定位采用平键联接，根据 ，B=36mm，选用平键尺寸为mdI30(GB/T 1096) ；滚动轴承的轴向定位借助过渡配合保证。2078lhb4.4 电路设计部分负荷放大电路- 17 -图 4.1 负荷放大电路5 结 论本次毕业设计是在对试验机进行了参观实习的基础上进行的，因此对试验机有了进一步的了解，通过以上的设计及计算，整个毕业设计已基本完成。本电子拉力弹簧试验机主要用于测试弹簧或其他弹性材料受力与变形量之间的两只关系，以确定材料的品质，进而对其加工工艺、工序能力做出调整，为提高产- 18 -品的性能提供科学的依据。主要特点：（1）采用伺服电机驱动、伺服电机通过传动系统控制压盘上下移动，实现试验机的工作。（2）高精度滚珠丝杠，提高了传动效率和精度，横梁级工作台用整体钢板和高强度合金光杠固定，构成高精度的封闭式框架结构。（3）采用交流伺服控制器和伺服电机，控制精确、响应频率高，具有精密的蜗轮蜗杆减速机，确保传动系统效率高，噪音低、传动平稳。（4）可实现手动加载，具有超行程保护功能。主要技术参数：（1）最大试验力：5000N；试验力示值精度：20FS 起1；（2）最大试验力空间：200mm；（3）工作台移动范围：1mm/min2000mm/min；位移示值精度：0.5FS。 参 考 文 献1杨可森，车忠远，陈楠，于梅松. 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