分离脱落电连接器分离性能测试系统的机械结构设计毕设论文

本科生毕业论文（设计）题目分离脱落电连接器分离性能测试系统的机械结构设计Mechanicalstructuredesignofseparationperformancetestsystemofseparatedelectricalconnector姓名与学号指导教师年级与专业机械工程及自动化所在学院机械工程学系浙江大学本科生毕业论文（设计）诚信承诺书1.本人郑重地承诺所呈交的毕业论文（设计），是在指导教师的指导下严格按照学校和学院有关规定完成的。2.本人在毕业论文（设计）中引用他人的观点和参考资料均加以注释和说明。3.本人承诺在毕业论文（设计）选题和研究内容过程中没有抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。4.在毕业论文（设计）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。毕业论文（设计）作者签名：年月日本科生毕业论文（设计）任务书一、题目：分离脱落电连接器分离性能测试系统的机械结构设计二、指导教师对毕业论文（设计）的进度安排及任务要求：2012.12.25.——2013.03.15文献阅读与外文翻译1）查阅国内外论文、专利等文献30篇以上，其中英文文献5篇以上，具体要求为：电连接器性能研究及发展应用文献至少10篇，分离脱落电连接器分离性能测试系统测试单元及控制相关文献至少8篇，关键机构设计、原理及外形设计文献至少12篇。主要了解测试系统的整体要求，了解检测原理和机械结构；加深对毕业设计任务的理解。2）完成外文翻译一篇，译文字数不少于3000字。3）完成与分离脱落电连接器分离性能测试系统相关的文献综述，字数不少于4000字。2013.03.15.——2013.03.31方案设计与开题报告1）根据初步设想构思整体方案，包括大体机械结构及关键机械功能实现，了解测试单元的基本原理及控制系统流程，其中重点在于机构设计。2）熟悉相关绘图软件，为项目实施做准备。3）完成毕业设计开题报告，字数4000字以上，并与外文翻译和文献综述一起装订成册。2013.04.01——2013.04.30项目实施1）选择三维设计平台，对产品进行总体三维设计和总装配图设计。要求设计图纸量为A1图1张或以上。2）进行分离脱落电连接器分离性能测试系统的零部件设计，对机械分离执行单元、压力加载单元、高速摄像单元等进行设计。3）对测量和测试软件进行了解，包括高精度力传感器、高速摄像单元数据传输处理等。2013.05.01——2013.05.31项目完善1）对系统零件及装配进行细节完善，不足之处进行补充、改进，同时完善产品的总体结构设计；要求达到实现对分离脱落电连接器的分离特性的定量化测试，从而科学地评估分离脱落电连接器产品的分离质量，以保证电连接器产品的可靠性。2）外形优化：在满足各项功能要求的前提下，对产品外形设计进行优化，使产品更加美观。2013.06.01——2013.06.15毕业设计论文撰写并准备答辩1）完成毕业论文撰写及工程图绘制修改，其中：论文正文字数不少于1.5万,工程图工作量要求A1图2张及以上（其中：装配图1张及以上，装配图包含的零件个数大于30个）。2）制作PPT，准备毕业论文答辩。起讫日期200年月日至200年月日指导教师（签名）职称三、系或研究所审核意见:负责人（签名）年月日

目录摘要 .绪论1.1分离脱落电连接器测试现状分离脱落连接器常用于军用电子系统，以及各种电器、电子设备等系统之间的电气线路连接，以及其它工业设备的电连接器，并可作瞬间电磁分离和机械分离。连接方式为旋插及直插，分离方式为电磁和机械分离。它是分离电连接器和脱落电连接器的总称，在军工、航天航空弹射装备等领域中得到了广泛的应用。分离脱落电连接器是飞行器能否顺利和成功飞行的重要器件，它广泛应用于某些特定领域的众多型号上，同时，它也相应地被用在地面设备和相应的众多载体上。由于使用条件苛刻，耐环境性能要求高，可靠性要求高，且要求体积小、重量轻等，其研制生产需要较高的专业技术水平，各国对此类分离脱落电连接器的生产与研究均采取严格保密措施[1]。国内在电连接器上的研究起步较晚，且多数研究侧重在针对其连接可靠性等方面，并没有对其分离特性作深入的研究。分离脱落电连接器在分离过程中，分离端的脱落速度、轨迹或姿态，以及机械分离脱落方式下的拉力角度和临界拉力值等特性参数，都是评判分离脱落电连接器的质量与可靠性的重要指标。相对来说电连接器的性能指标及参数研究较为丰富，但测试技术、传感器技术等经过多年的发展也很先进，设计方法学及相关实例均可借鉴。国内分离性能测试研究尚处于起步阶段，尚没有标准的分离性能测试设备，只能进行小型的、非自动、功能单一的测试（如简单的测分离力），相离自动化、智能化差距较远，无法满足现阶段的测试要求。1.2测量技术的发展及现状测试系统的测量常用元件为传感器，它可定义为：一种以一定精确度把被测量（非电量）转换为预制有确定对应关系、便于应用的另一种量（一般为电量）的测试装置；由敏感元件、转换元件、转换电路组成。常规传感器有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电传感器、霍尔式传感器，新型传感器有激光传感器、光纤传感器、智能传感器等。传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器[2]。我国传感器行业总体技术水平相对比较落后，应用范围较窄，更多的应用仍然停留在工业测量与控制等基础应用领域，与国外发达国家相比仍有较大差距[3]：(1)核心制造技术严重滞后于国外，国内产品差强人意；(2)人才资源匮乏，产业发展不足；(3)统筹规划不足，投资力度不够。传感器的选用原则和指标依据主要有：静态特性和动态特性、测量对象与测量环境、灵敏度、频率响应特性、线性范围、稳定性、精度[4]。新型传感器发展的总趋势是微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化。为迎接国际化的挑战，我国传感器行业应加强具有自主知识产权的新型传感器的开发，加速现有科研成果的转化和产业化。1.3设计方法学发展及趋势“设计方法学”这一概念出自1962年召开的国际设计方法会议，可定义为：研究设计过程、规律、思维及工作方法的综合性学科[5][6]。经历了传统设计方法和现代设计方法两个阶段：传统设计方法包含直觉设计、经验设计、半理论半经验设计三个过程；现代设计较之更加动态化、智能化及数字化，具有代表性的有：创新设计、、虚拟设计、优化设计和并行设计等[7]。 18世纪第一次产业革命产生了“科学管理”的思想和理论，即所谓的“串行工程”，20世纪90年代中后期，随着竞争的日益激烈，串行方法弊端逐步显示。随后的一段时间里，人们相继开发了面向产品生命周期的设计DFX（早期的DFX包括：DFM、DFA、DFD等[8]，新的领域则包扩：面向供应链的设计、情感设计、包容性设计等[9]），质量功能展开QFD、产品数据管理PDM以及计算机辅助系统CAX等技术[10]。1988年美国国防分析研究所正式提出了“并行工程”的概念，之后，并行工程理论引起高度重视并逐渐发展起来。 现代设计理论和方法的使用，不仅有效地降低了设计成本、缩短了设计周期，而且有效提高了产品的精确度和可靠性，是发展的必然趋势[11]。现代机械设计方法领域又不断出现新名词,比如有：绿色设计、绿色创新设计、现代最优化方法等等[12]。随着科技的不断进步，现代机械设计方法有如下趋势[13]：（1）全球化：机械设计全面发展，在全球化的进程当中占据着非常重要的地位；（2）网络化：作为一个公众交流和讨论的平台，网络化这一议题愈发重要，机械设计的发展也能极大的从中得益；（3）虚拟化：设计不同于制造，是抽象的，带有虚拟色彩；（4）自动化与绿色化：设计人员应有效地利用此种理念，以达到提高效率降和低能耗的目的。可以看出，21世纪机械设计正朝着柔性化、灵捷化、智能化、信息化、网络化、绿色化的方向发展。1.4毕业设计的要求及主要内容1.4.1功能要求和技术指标分离脱落电连接器的分离性能测试系统，应具备的功能有：1）分离执行功能——能自动分离和手动分离，并模拟产品实际使用情况进行压力加载及拉力角度调节。①自动分离（电磁分离）功能：在收到对应分离触发信号后，控制分离机构各分离连接器按照设定延时时间分离，并测量记录各分离连接器分离完成时间，计算与触发信号之间的时间间隔，即响应时间；②手动分离（机械分离）功能：装置设置拉力角度调节手轮，面板设置手动分离按钮，系统具有一定的操作空间，先通过手轮手动调节拉力偏转角度，再通过按钮手动控制分离机构实现分离连接器分离，分离时拉力大小在一定范围内，力值精度需要有所保证，速度能够控制。2）分离性能测试功能——通过传感器、高速摄像及数据处理进行分离过程的记录和分析，以达到性能的测试的目的。拉力传感器测量和记录力的变化，高速摄像机将记录分离连接器在分离过程中影像，并采用图像处理技术来获得分离时间和距离。3）设置及显示功能——通过设置页面和控制面板实现。设置界面具备触摸屏，能够通过键盘对分离可靠性测试系统进行设置，设置多个分离连接器的分离时序和延时时间参数等；控制器面板包含电源开关、手动分离按钮、触发信号灯、电源指示灯等。技术指标如下：负荷加载最大200N分离触发信号：28V±3V脉冲，脉冲宽度不小于200ms响应时间：在设置延时为零的情况下，从系统收到触发信号到连接器完全分离，响应时间不大于15ms；最大操作空间长度：650mm试验拉力范围：5~500N试验力最小读数：0.1N力值精度：±1%可偏转角度±30°调速范围：0.05~500mm/min分离时间精度要求：同步分离时，各分离连接器分离时间不一致性不大于1ms；顺序分离时，各分离连接器分离时间误差不大于1ms；延时控制要求：从接收到触发信号到连接器分离的时间可以设定，设定范围0～2000ms，默认值为0ms；使用环境：室内环境，使用温度0～35℃，相对湿度不大于70%；供电电源：220VAC1.4.2毕业设计的主要内容毕业设计题为“分离脱落电连接器分离性能测试装置”机械设计，产品的设计过程大致可分为一下几个模块：概念设计、原理设计、模块设计、零件设计及造型设计等。按此思路，逐步完成各个设计步骤，其中涉及到关键机械的原理构思及选择，模块装置的相关计算机设计，零部件的选型及装配等。使用的三维造型软件为Solidworks，二维绘图软件为AutoCAD。2.Solidworks软件介绍及运用2.1Solidworks软件概况在总结和继承大型机械CAD软件的基础上，美国Solidworks公司于1995年研制成功Solidworks这样一个创新的基于特征的参数化实体建模的标准三维设计软件，它具有功能强大、易学易用等优点。它是基于Windows开发的三维CAD系统，有全面的实体造型功能，可快速生成完整的工程图纸,还可进行模具制造及计算机辅助分析[14]。在现代企业机械设计方面，Solidworks完全可以满足其要求，在当前各个机械设计及机械制造领域，已经得到极其广泛的应用和推广。目前Solidworks软件已成为三维机械设计软件的标准。毕业设计采用的软件版本为Solidworks2010，相比更早的版本而言，大幅改善了工程图绘制功能，尺寸标注的操作更为简洁。在装配图中，此版本提供了零部件详细信息的可视化功能，重量、材质、是否外购件、价格等参数还可直接导入Excel进行输出。3D建模工具中增加了盆腔中段平面和相切平面的草图绘制功能，简化了高复杂度模型设计。装配环境下允许进行零部件的精确镜面复制、运动干涉检查和参数化应力分析。此外，对直接导入的实体模型进行编辑是一个非常重要的新特性，大幅减少调用旧有设计时的工作量。编辑工具将修改产生的新特征记录于特征树中，因此能轻而易举地将导入模型恢复成原始状态。2.2Solidworks软件特点2.2.1基于特征及参数化的造型方法Solidworks装配体由零件组成，而零件由特征(例如凸台、螺纹孔、筋板、剪切体、圆角、倒角等)组成。这种特征造型方法,直观地展示人们所熟悉的三维物体,体现设计者的设计意图。Solidworks中的特征可以分为草图特征和直接生成特征。其中草图特征：基于二维草图的特征——通常该草图可以通过拉伸、旋转、扫描或放样转换为实体。直接生成特征：直接创建在实体模型上的特征——圆角和倒角就属于这类特征。参数化：创建特征的尺寸与关系可以捕捉并存于模型中，以达到捕捉设计意图及快速而容易地修改模型的目的。驱动尺寸：指创建特征时所用的尺寸，包括与草图几何体相关的尺寸和与特征自身相关的尺寸；例如：圆柱凸台特征，凸台的直径由草图圆的直径来控制，凸台的高度由创建特征时拉伸的深度决定。关联：关联是指平行、相切、同心等信息，以前这类信息是通过特征控制符号在工程图中表示的；而Solidworks创作过程包含三维与二维交替的过程,因此完整的设计文件包括零件文件、装配文件和二者的工程图文件，成功的处理了创作过程中存在多重关联性,使得设计过程顺畅、简单及准确。2.2.2功能强大、易学易用运用Solidworks软件可进行零件设计、装配设计、动画模型制作及色彩渲染，并有各种标准零件库支持，功能强大且完善[15]。Solidworks软件易于使用者学习,便于使用者进行设计、制造和交流。熟悉Windows系统的人基本上都可以运用其进行设计,且软件图标的设计简单明了,帮助文件详细,自带教程丰富,易学易懂。零件设计界面具有众多实用的工具栏，诸如草图工具栏、焊接工具栏等等，每个工具栏又包括许多实用的具体命令；充分利用这些工具栏及其相应的命令，设计者在进行机械零件设计时，可选择一种既适宜又合理的设计方法，对各种机械零件进行既高效快捷、又直观方便的设计。装配体设计技术有自下而上和自上而下设计两种方法：自下而上的方法是指各个零件先在零件文件中设计完成,再插入到装配体中,根据设计要求组装配合零件；各个零件之间相互独立，重建方便，但尺寸配合无关联性，装配步骤较多。自上而下设计法是从装配体中开始设计工作,采用该方法,直接在装配体文件内建立各零件；构建零件时可互相参考外形，省去草图绘制及装配的一些步骤，但配合关系无法改变完全限制。这两种方法可单独或结合使用,灵活应用。三维动画演示、渲染图像均可以通过Solidworks实现：它能完成从产品概念到装配模型设计等一系列过程，以及三维产品的固有特征体；对于产品设计的相关过程，诸如模拟装配过程、模拟拆装过程等等，可以进行及时的录制和保存。色彩渲染方面：借助图形灯光控制的增强实现对于视觉效果的增强；对于高质量动画效果的形成，通过控制专业灯光和结合零件特点来对材质进行增加来实现；利用通过变化缤纷的背景库、庞大的材质以及纹理，来达到视觉冲击力增强的效果。有关装配设计所需的各种标准零件设计库，都可在Solidworks软件中找到，诸如链轮和齿轮的动力传动作、螺栓垫片、各种型材结构件、螺母、锚钉及轴承等，需要时可直接调用，也可进行修改其尺寸或者形状，大大节省模型设计及重建所需时间。2.3Solidworks软件运用2.3.1常用建模方法在Solidworks三维造型设计中，用特征来描述产品的信息。具体的零件特征关系及分类如下图所示：图2-1零件形状特征分类Solidworks中简单造型可直接通过草图、特征建立实现；而对于复杂的产品，一般先将其分解为一些单一特征，其中最重要或最大的部分视为基本特征，完成基本特征的造型后，再进行一些细小特征的添加，如倒角、倒圆和孔等等，最后得到较为完善的产品模型。Solidworks对于一个零件的基本特征建模方法思想就是从二维到三维的延伸。首先应该对于一个特征进行分析后，选定一个合适的平面作为二维CAD草图的绘制平面，这个平面虽然不会对特征建模的结果产生影响，但是它影响了这个特征的空间分布和视觉效果。这个效果等特征增多之后，会体现出来。所以一个好的设计者必须在对基本特征建模前就应考虑好整个零件的放置，选定草图的绘制平面。选定平面之后，Solidworks提供了一整套完整而丰富的二维CAD绘制命令，在比如AutoCAD等一些传统二维CAD绘制软件中所用到的命令，基本在Solidworks中都能相应的找到。当然，除你自己进行重新设计，在Solidworks草图环境下进行一笔一划的描绘之外，如果你已经有了二维的CAD草图，Solidworks也支持导入这类草图。鉴于Solidworks对于多种CAD文件格式的支持，选择Solidworks的文件打开功能，相应的选择DWG格式的文件，就能把已有的二维CAD文件导入Solidworks中，使之成为一幅草图。一般而言，草图中所绘制的特征截形线必须是封闭的，而且不能够自相穿越，否则将不能通过这些截形线完成三维实体特征的生成。另外一般按照严谨科学的设计方法，我们就应对于这幅草图进行定义，使之在二维平面状态下位置的唯一性，这样会使得以后的数值改变以及参数化提供很大的方便。SolidWork要求对于草图所有的实线（不包括构造线和点）进行的定义，为此提供了详尽的约束指令，比如重合、中点、共线、水平、竖直、垂直等，另外还有尺寸的定义方法。在完成了三维实体模型的整个造型工作之后，还可以通过修改对某一特征的截形线或轨迹线的尺寸和几何约束来自动地对整个模型进行修改。这种功能大大提高了设计的效率。2.3.2大型装配优化设计在完成了各个零部件的设计后，需要进行装配设计，在装配体设计中配合是最重要的因素。在Solidworks装配体文件中，虽然它里面包含了很多的零部件，但是它本身只是这些零部件的名称、数量和它们之间次序的一个信息合集，它并不包含零部件的模型文件，所以一般装配体的文件所占计算机空间都比较小。因此，任何一个零部件的改动都能影响最后的装配体的形成。装配体中的零件有3种状态：还原状态、压缩状态和轻化状态。还原状态下所有零件的数据均装入内存；而轻化状态时，零件数据根据需要决定是否装入内存，这样可以提高装配速度及显示性能。如果设计用到众多的零件，若把所有的零件都装入到同一个文件中，对装配体的任何修改都会相当困难，因此可按照产品的功能划分为若干个子装配体，之后进行分别装配，最后再对子装配体进行总装。所有的编辑和修改都在子装配体中进行，如此一来，既改善了机器的性能，零件编辑和修改时也更加方便。此外，大型装配环境下Solidworks可对图像品质进行优化，它也具备干涉检查、间隙验证、空对其、测量功能，能够评估产品的质量属性、剖面属性等，并能插入传感器、设计算例等，以保证最终装配体的可靠性。正如前文提到，装配设计有自下而上和自上而下两种方法，可以结合使用，以达到最优的结果。3.需求分析与原理设计产品概念设计是从客户需求开始，进行产品功能分解、原理求解、零部件构形、装配布局和概念产品评价的过程[16]。需求分析与原理设计都是概念设计的一部分。概念设计处于产品设计的早期,目的是提供产品方案，对产品设计的成功与否有着决定性的影响。从设计过程看,概念设计具有创新性、多样性和递归性的特点；从设计对象看,概念设计又具有层次性和残缺性的特点[17]。3.1需求分析3.1.1功能——机构框架根据前文所提的“分离脱落电联及其分离性能测试系统”功能要求中列出的几项：分离执行功能、分离性能性能功能、设置及显示功能，补充基本功能；并对每个功能进行相应的分解。得出功能——结构的框架列表如下：

表3.1-1“功能—机构”机械部分框架功能模块结构基本功能底座外形分离脱落电连接器模块分离执行功能实况模拟压力加载模块实施拉力驱动模块角度调整拉力角度调节模块分离性能测试功能拉力记录、分析拉力传感模块分离姿态记录高速摄像模块设置及显示功能设置及显示屏设计包含综合与评价两个基本过程。综合是指由设计要求推理而生成的多个方案,是个发散过程；评价则从方案集中择出最优,是个收敛过程。这一原则在接下来的原理设计、模块设计等均有用到，首先列出多个可能解，之后进行分析并确定一个最终方案。3.1.2空间需求分析装置内从左到右依次为：控制器、固定端夹具、分离脱落电连接器（上有高速摄像单元，近距离有压力加载机构）、保护托盘机构、机械分离执行单元（上为机械拉力角度调整单元，下为拉力传感器及拉力加载机构），操作及显示屏安装在装置外形左上方。1.压力加载、高速摄像及电连接器固定模块 电连接器长度为200mm左右；固定于夹具（左）上，保护托盘机构（右）进行分离保护；整体长度500mm左右。压力加载机构加载压力与电连接器上方或侧方；高速摄像模块在它们上方空间工作。2.机械分离执行及拉力传感、动力模块纵向最低高度为：650mm*tan30°,180°内旋转，故前后宽度至少需大于2*650mm*tan30°约为751mm。但加上操作手轮的高度约100mm，以及旋转平台距离轴中心有一定距离，前后宽度应至少大于1050mm。旋转轴固定于底座上，需要安装蜗轮，长度无特定要求。拉力传感器及动力装置安装于旋转轴下方，预留高度400mm足够。图3-1整体布局示意图3.整体尺寸计算长：控制部分+电连接器部分+操作空间+方向调整机构+空间余度=300+300+650＋500＋200＝2000mm；宽：方向调整机构+可调宽度＝1300mm；高：方向调整机构+人理想操作高度＝1700mm。3.2原理设计对提出的方案需要进行评估并最优化。本章对需要实现的几个关键原理进行了构思、分析和选择，其中包括：拉力分离时角度调整原理；压力加载原理及压力计同步原理；高速摄像方向调节原理。3.2.1拉力分离角度调整原理设计分离脱落电连接器在使用时，拉力的角度并不是恒定的，在一定范围内变化，因此要设计一个机构对其进行调整。可供选择的方案有：丝杠滑块机构：滑轮固定于滑块，通过丝杆旋转驱动滑块运动以带动滑轮的移动，实现拉绳的方向改变；曲柄滑块机构：滑轮固定于滑块，通过曲柄运动驱动滑块运动以带动滑轮的移动，实现拉绳的方向改变；蜗轮蜗杆机构：滑轮固定于蜗杆，通过蜗轮旋转驱动蜗杆运动以带动滑轮的移动，实现拉绳的方向改变；气缸活塞机构：滑轮固定于气缸，通过气缸驱动活塞运动以带动滑轮的移动，实现拉绳的方向改变；从简便易行的角度考虑，曲柄滑块机构设计较为复杂，气缸活塞机构需要气源较为麻烦；从功能实现角度考虑，以上任一个机构都只能实现二维角度转变，如果想要实现三维角度调节，可采用两个机构相结合，选用丝杆机构配合蜗轮蜗杆旋转平台：a.丝杠、导轨、滑块机构实现竖直方向的角度变化，要求可变角度为0°~30°，滑块上安装定滑轮组、手轮控制丝杆旋转实现滑块的竖直方向移动，以此改变拉力绳与电连接器的角度；b.旋转平台实现180°旋转，采用蜗轮蜗杆机构，将蜗杆安装在旋转轴上，手轮控制蜗杆旋转，带动蜗轮旋转并进一步带动旋转平台旋转。3.2.2压力加载原理及压力计同步原理设计为了模拟分离脱落电连接器的实际使用情况，需要对分离脱落电连接器进行力加载，使用压力传感器，从法向方向给连接器施加一个压力，大小通过手动调节。压力计的原理类似于弹簧测力计，通过变形量的大小反映压力的大小。手动调节如何实现是一个关键问题。首先，技术要求为：提供最大为200N的力；所选择的的压力加载及测量计的原理类似弹簧，可通过行程的改变来改变力的大小：可供选择的方案有螺纹进给、连杆机构、丝杆进给等，综合比较，所需力较小，无其他要求，直线采用螺钉螺母即可。可选择较长螺钉和螺母组合，当螺钉旋进时压力计与接触表面距离变小，力变大，当螺钉旋出时，压力计与解除标明距离变大，力变小。以此方法，结构简单，调节方便，可行性较高。压力计同步方面需要实现的功能为：脱落端与固定端分离时，压力加载机构随着脱落端一起直线运动。而理论上分离瞬间及之后小段时间（即数据记录阶段）分离端为水平运动。因此可采用直线导轨实现同步运动：将压力加载机构安装在直线导轨上，直线导轨固定于立柱上。导轨有矩形导轨、圆形导轨、三角形导轨、燕尾形导轨可供选择，其中矩形导轨具有结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面宽,承载力大,刚度高的优点，符合要求。固定可移动固定可移动图3-2压力加载原理示意图分离脱落电连接器分离脱落电连接器固定端脱落端压力加载机构脱落端压力加载机构分离方向直线导轨图3-3压力加载同步原理示意图3.2.3高速摄像头三维调节原理设计为了能获得真实的图像信息、及较高的测量精度，同时为实现不同规格的连接器的检测，高速摄像头应安装在调节机构上，以便实现精确成像。需要竖直方向以及X方向的直线运动，采用简单实用可行的机构：调节螺母及横梁来实现手动调节。其中托板调节螺母用于对托板进行调整以实现包括环形光源、光圈和高速摄像机在竖直方向上的距离调整；高速摄像机安装在调节托板中部的横梁上，可沿横梁滑动来进行X向的位置微调。分离脱落电连接器分离脱落电连接器固定端脱落端固定端脱落端摄像头XYZY向调节X向微调图3-4摄像头调节原理示意图3.2.4动力加载及复原原理设计动力源可有多种选择，如步进电机、伺服电机等。拉动线缆机构也有多种，此处主要比较两种可行方案：丝杆滑块及线轮机构。1.丝杆滑块机构绳子末端固定于滑块上的支座上，滑块移动即可带动绳子的移动；电机启动，丝杆旋转，滑块即可向给定的方向移动。一次分离结束，电机反转，滑块向相反方向移动，绳子末端位置可回到原处，但此时面临一个问题：线缆为柔性物质，非刚性，缺乏拉力导致线缆整条不能回复至原状，甚至会出现打结状态，需要配合人工同时拉动线缆的另一端，才可能避免出现这一问题。2.线轮机构绳子末端固定于线轮表面，线轮的旋转即可改变绳子的作用长短，当拉力加载时，电机启动，线轮旋转改变线缆的作用长度，达到脱落端从固定端脱落的目的。一次实验结束，脱离电机与线轮，手拉动线缆即可保证绳子绷直被拉回所需要的长度，进行下一次实验。两种方案均具有一定的可行性，从拉线角度分析，两者均无明显优势或劣势；但从复原角度分析，方案2相比方案1更优一点。最后需要结合具体计算结果进行选择。4.模块设计与零件设计4.1分离脱落电连接器模块 此模块共包含分离脱落电连接器、固定端夹具（包括夹具安装块）及分离端保护机构三个部分。12341234图4-1分离脱落电连接器模块装配图1.分离脱落电连接器2.固定端夹具3.夹具安装块4.分离端保护机构4.1.1分离脱落电连接器 分离脱落电连接器有多种型号，最后设计出的系统需要符合不同的规格要求。此次毕业设计参考JF21-168T2/TD2绘制电连接器三维图。图4-2分离脱落电连接器三维图 如图所示，分离脱落电连接器由固定端和脱落端组成，固定端通过安装孔固定在夹具上；分离端（或称之为脱落端）可通过电磁分离或机械分离的方法与固定端分开。两部分均有出线孔与控制部分进行电连接，分离端上有拉环可与线缆相连实现拉力分离。261435261435图4-3分离脱落电连接器前视图1.分离端2.固定端安装块3.固定端4.固定端出线口5.分离端出线口6.拉环4.1.2固定端夹具1 如上文提到，固定端通过安装孔固定在夹具上，而夹具安装在底板安装块上。可根据不同的连接器选择不同的夹具。122图4-4固定端夹具三维图1.安装孔一2.安装孔二 其中，安装孔一用于夹具与分离脱落电连接器的固定，安装孔二用于夹具与底座夹具安装块的固定。4.1.3分离端保护机构实验时，分离端从固定端脱落下来，若无保护机构，脱落端将直接掉落至系统底座，对系统以及连接器本身都会造成较大的冲击力，随之而来产生一些问题。因此，需要设计一个分离端保护机构，分离后对冲力进行缓冲，以达到保护底座及电连接器的目的。此机构名称定为：弧形缓冲罩。图4-5弧形缓冲罩三维示意图采用弹性材料制作而成，下端固定在装置底座。机械分离时线缆与分离脱落电连接器角度有一定范围，因此右端开孔以供机械分线缆通过。4.2压力加载模块 压力加载模块包括：推压力计，推压力计夹具，力大小调节机构，直线导轨及滑块，夹具组合，固定悬臂梁。图4-6压力加载模块整体三维示意图4.2.1压力加载感应装置：推压力计力指示器和压力加载器需要实现：负荷加载最大200N，并且能够自主控制随时显示，自动记录,可选用量程大于200N的推拉力计，较多种类可供选择，如NK系列推拉力计，SKN系列推拉力计，SL系列推拉力计，SN指针式系列推拉力计,HP数显式系列推拉力计，HG系列数显式推拉力计。主要可分为两大类：指针式和数显式相比，相比较而言，前者精度不如后者。结合技术要求，选择数显推压力计HP-300N。HP系列数显推拉力计是一种高精度小型便携式拉力、压力测试仪器。 具有如下功能及特点：高精度高分辨率,准确度0.5级，最小读数达0.001N;峰值保持功能。保持峰值显示直至手动清零;峰值自动解除功能，保持显示峰值1至9秒后自动解除；N（牛顿）、kgf（公斤）、lbf（磅）三种单位可供选择、并相互换算；重力加速度设置功能；比较功能，上下限偏差值自由设定，红绿指示灯及蜂鸣器自动声光报警设置；特大记忆储存功能——888个测试值存储；感应式背光灯，开启关闭可自由设定；LCD液晶屏显示方向可翻转；绿色环保，环保省电及保护本机设计，关机时间（10~90分钟）自由设定；可设定上下限及比较值做统计分析。超过比较值蜂鸣报警；2套安装尺寸；按键配置及操作简单明了使用方便；RS-232C串口输出功能,搭配免费赠送的配套同步软件，可将测试数据通过数据线输入电脑得到测试曲线图，并可导出做各种详细的分析。表4-1推压力计HP-300规格参数最大负荷分度值传感器精度外形尺寸300N0.01N内置+-0.05230x66x36mm图4-7推压力计产品尺寸规格标注23231图4-8推压力计三维示意图1.操作按钮2.显示屏3.工作头推压力计自带按钮及显示屏，可直接进行各项操作；同样可连接电脑进行测试，电脑上同步显示测试力曲线图及测试过程中详细的测试力的记录，并可保存、打印，做各种分析。工作头有多种规格可供选择，可根据所测物体距离选取合适长度。推压力计背面有安装孔，可根据孔的规格设计相应夹具。4.2.2推压力计夹具及力大小调节机构 通过推压力计工作头与分离脱落电连接器的接触进行压力加载，通过其背部安装孔进行固定，考虑到最大拉力只需要达到200N，直接通过螺丝旋转调节推拉力计的运动实现力大小的手动调节。123方向二：侧表面加载方向一：上表面加载123方向二：侧表面加载方向一：上表面加载图4-9推压力计夹具等示意图1.推压力计2.推压力计夹具3.螺钉为了上表面以及侧面都能实现压力加载，设计组合式固定件。夹具一与滑块相连，夹具二承载推压力计，通过连接件一/连接件二实现双方向加载。21214343图4-10组合夹具示意图1.夹具一2.连接件一3.夹具二4.连接件二4.2.3固定横梁及直线导轨滑块部分 横梁与底座侧板焊接起固定支撑作用；直线导轨固定于横梁上，实现压力计与脱落端的同步运动。直线导轨有多种规格可供选择，最终参考BRH35A导轨滑块绘制，具有精度高，低摩擦系数，低维修成本，低噪音，全密封式油封，可互换设计等优点。直线导轨有效行程为200mm。图4-11横梁、直线导轨、滑块及夹具4.3驱动模块4.3.1方案比较驱动模块包含，驱动电机及驱动机构。前文中提到，有两种可行方案：控制电机可主要分为步进电动机和伺服电动机。需要满足技术要求为：速度0.05-500mm/min。原理设计部分已介绍了两个方案工作流程，本部分主要参考相关技术参数进行计算。备选方案一：电机+丝杆组成拉线转置。线缆夹具固定于滑块上，丝杆旋转带动滑块拉动线缆，计算如下：1）转速：假设丝杆导程为D(单位：mm)，电机转速为n（单位：rpm），则线速度V=n*D（单位：mm/min），假设选取导程D=5mm的丝杆，电机转速范围为0.01-100rpm；2）扭矩：由于此时线缆的力平行于导轨方向，所以扭矩要求不高，一般即可符合要求（或需要进一步计算）；3）结论：仅从技术要求出发，本组合可以符合要求，直接选用步进电机即可。图4-12备选方案一结构示意备选方案二：电机+线轮组成拉线装置。线缆夹具固定于线轮上，线轮旋转拉动线缆，计算如下：1）转速：假设线轮半径为R(单位：mm)，转速为n（单位：rpm），则线速度V=2*pi*n*R（单位：mm/min），即：n=V/(2*pi*R)；2）扭矩：M=F*R,假设R取较小值，如R=20mm,则Mmax=500N*20mm=10N*m，此扭矩要求较大，一般电机仍然无法满足，需要选用减速器。假设减速比为E,此时再取R=100mm,则M=500N*100mm=50N.m；选取E=40，则电机扭矩满足1.25N.m即可，nmax=E*V/(2*pi*R)≈40rpm转速完全可以满足要求。从成本上对比方案一比方案二更加适用，结构的复杂程度两者不相上下。但前文已经提到，从结构的合理性以及拉力分离后复原方便性角度考虑，方案二更优，最后选择方案二作为确定方案。4.3.2电机、减速器及线轮线轮半径为：100mm，周长约为628mm，线缆末端固定于线轮表面。伺服电机选型为：57系列无刷伺服电机，型号为60JSF4030DF,额定扭矩为1.3N.m。无刷电机具有如下优点：无刷伺服电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。减速器根据电机型号选型，如：可选TF60-40-P2-S1/60JSF4030DF。其中TF为减速机系列，60为减速机型号，40为减速机减速比。12341234图4-13电机、减速器及线轮示意图1.伺服电机2.电机座3.减速器4.线轮4.4拉力角度调整模块本模块包含：角度调整部分一（升降调整手轮、垂直丝杠、导轨、滑台、旋转平台）、角度调整部分二（旋转轴、蜗轮蜗杆、轴上零件等）、支架、定滑轮组及固定件、线缆等。4.4.1角度调整部分一此部分实现线缆一个方向的角度变化，主要由升降调整手轮、垂直丝杠、导轨、滑台、旋转平台。升降调整手轮手动控制丝杆转动，以达到垂直角度调整的目的。设计时主要考虑如下因素：1）负载：最大分离力为500N、最大调整角度为30°，可知：垂直丝杆方向受力Fmax<=500N，平行丝杆方向受力Fmax≤500N*sin30°=250N；利用两根光杆和丝杆共同工作，分担垂直方向的负载。2）自锁功能：螺纹升角小于静摩擦角，具有自锁功能，选用较常见的梯形丝杆。3）尺寸：参考已有的直线运动平台，选用丝杆公称直径以及光杆直径均为16mm。4）行程要求>650mm*tan30°约为375.3mm，故可取有效行程为400mm,旋转平台高度450--500mm。图4-14角度调整部分一4.4.2角度调整部分二此部分实现线缆三维空间的角度变化，包含旋转轴、蜗轮蜗杆、轴上零件等。蜗轮蜗杆机构用于旋转平台实现空间180°旋转，将蜗杆安装在旋转轴上，手轮控制蜗杆旋转，带动蜗轮旋转并进一步带动旋转平台旋转。蜗轮蜗杆具有如下优点：1）传动比大，结构紧凑。当功率很小、主要用来传递运动时，传动能达到1000；2）传动平稳，噪声小；3）可以实现自锁（要求螺旋升角小于齿面间的当量摩擦角）。旋转轴两端通过轴承安装在底座箱体上，需要设计轴肩进行定位。蜗轮安装于旋转轴上，通过键进行周向固定；轴向无负载，受力较小，可通过轴肩、套筒定位。轴设计为阶梯轴，具体尺寸可参见二维图。由于此轴输出功率无要求，只需在需要调整角度时手动旋转即可。可选择较大的传动比，为使得轴旋转角度较小时，手轮旋转的角度仍能与轴旋转的角度较明显的对应，取传动比为120（例如：需要轴角度变化15°时，手轮旋转5圈即可）。拟定z1=1;z2=120；取模数m=2。查询GB/T10085-1988，选择d1=22.4，最后计算得出数据如下：表4-2蜗杆传动几何尺寸[18]名称符号蜗杆蜗轮分度圆直径dd1=22.4d2=240中心距aa=0.5(d1+d2)=131.2齿顶圆直径dada1=26.4da2=244齿根圆直径dfdf1=17.6df2=235.2蜗轮最大外圆直径de2de2=246蜗轮齿顶圆弧半径Ra2Ra2=9.2蜗轮齿根圆弧半径Rf2Rf2=13.6蜗轮轮缘宽度bz1≤3时，b≤0.75*da1=19.8蜗杆螺旋部分长度Lz1=1、2时，L≥(11+0.06*z2)*m=36.4磨削蜗杆加长量：m<10（mm）时，加长25（mm）轴肩定位高度计算：定位轴肩要求h≥0.07d，非定位轴肩无具体要求，取轴肩为7mm。键的选择：轴的直径>95-110，b*h==28*16，其中高度轴t=10，毂t1=6.4参考轮缘宽度，选择普通平头键，长度规格为32，具体参见二维图。轴承选择：轴：深沟球轴承GB276-946220D=180，d=100，B=34；蜗杆轴承：深沟球轴承GB276-946201D=32，d=12，B=10。4.4.3旋转轴和旋转平台连接方案一：旋转支架和旋转轴焊接。优点：简化了加工与装配的工序，生产周期短，效率高；结构强度高，接头稳定性好；缺点：旋转轴安装时需要考虑因素较多；结论：具有可行性。方案二：直接螺纹连接。螺纹连接是一种广泛使用的可拆卸的固定连接，优点：结构简单、连接可靠、装拆方便等；缺点：旋转轴直接较大，较难加工，且若为螺纹连接要求旋转平台具有一定厚度，必定增大重量和体积，而且本结构需要实现轴+平台的空间双向旋转运动，螺纹连接可靠性低非较优方案；结论：不具有可行性。方案三：旋转轴及旋转平台分别通过螺丝与连接件相连，如下图所示，以达到两者相连接的目的。连接件一侧连接旋转平台，另一侧同时连接重块以达到重力平衡的作用。从装配的便利性及可拆卸角度分析，方案三明显更优，作为最终选择。图4-15连接件23412341图4-16旋转轴&平台连接示意图1.旋转平台2.连接件3.旋转轴4.重块4.4.4支座支座安装于系统底座，旋转轴及蜗杆轴承均固定于支座上，对整个旋转平台起到支撑作用。轴承等均固定在支座上。4.5拉力传感器模块4.5.1拉力传感器高精度拉力传感器在机械分离时对拉力进行实时测量并记录，主要的技术要求参数有：1）试验拉力范围：5N-500N；2）试验力最小读数：0.1N；3）力值精度：±1%。据这几点要求，选用较为常用的S型拉力传感器（100KG）。图4-17拉力传感器结构图表4-3外形尺寸量程MWHB100KgM12706420表4-4技术指标参数单位技术指标灵敏度mV/V2.0±0.01非线性≤%F·S±0.02滞后≤%F·S±0.02重复性≤%F·S±0.01蠕变≤%F·S/30min±0.02零点输出≤%F·S±1零点温度系数≤%F·S/10℃±0.02灵敏度温度系数≤%F·S/10℃±0.02工作温度范围℃-20℃~+80℃输入电阻Ω380±2Ω输出电阻Ω350±2Ω安全过载%F·S150%F·S绝缘电阻MΩ≥5000MΩ（50VDC）推荐激励电压V10V~15V图4-18拉力传感器三维造型4.5.2拉力传感器运动机构 拉力加载时，脱落端被拉动与固定端分离，线缆会被拉动一段距离，此时，拉力传感器需要和线缆一起运动。图4-19拉力传感器运动机构可将拉力传感器放置于直线导轨滑块上，当受力时，由滑块带动一起运动，两端安装行程限位开关，达到一定行程时控制系统拉力停止加载，以防意外。为和线轮的切线方向保持水平，直线导轨并未直接安装在底座上，而是安装在有一定高度的底部安装块上。4.6高速摄像模块 需要实现高速摄像头X方向及Y方向的移动，其中，X方向通过丝杆滑块来实现，Y方向通过沿横梁移动实现。光源及支架横梁均安装于托板上，高速摄像头通过可移动摄像头座安装在支架横梁上，托板置于丝杆螺母，旋转螺母以达到托板X方向的运动改变。可移动摄像头座可沿支架横梁滑动，实现Y方向的运动。32143214图4-20高速摄像模块1.高速摄像头2.支架横梁3.托板4.可移动摄像头座4.7基本功能4.7.1底座、外形当今社会科技飞速发展、市场竞争日趋激烈，产品的创新性、外观造型、个性化等因素愈发受到重视，在竞争中占据显要地位[19]。可以在产品的形态、色彩等方面进行创新，以彰显美感；同时结合人机工程，使设计出来的产品更人性化。形态方面主要遵循简洁、均衡和稳定三个原则。简洁：对其形体设计应用一些基本的几何体，或一些较为简单的曲线、曲面，采用封闭式造型设计；均衡：一种不对称的平衡，达到丰富、多变的视觉效果；稳定：使得测试设备的实际重心下移，形成上轻下重的视觉效果。图4-21底座、外形整体示意图色彩方面，遵循单纯、简洁、明快并富于装饰性的原则。采用明度较高、纯度较低的中性或偏暖的色彩为主色调，如淡雅的绿色、浅蓝色、奶白色、淡黄色等；采用两色或三色配合，上明下暗；突出主色调并且强调重点部位配色以及警戒用色，对于手柄、按钮等操作部件则宜采用对比色，以易于识别，又不眩目。人性化设计方面:工作台的高度、工作区间设计等从人的尺寸参数出发，合理设置相关参数；操作部分应放置于有效视野及最佳视觉区内，考虑人右手使用习惯，保证操作方便；显示系统放置于正常视距范围内，易于观察；防护和安全保障应包括人和设备两个方面，人为主要保护对象，充分考虑到各种故障或操作失误可能带来的后果。总之，是要进行以人为本的人性化设计。参考前人的设计经验，如上图所示。形体方面：基本采用简单线条，下半部分装置底座均为直线；前表面有一些简单的曲线修饰。色彩方面：装置下半部分颜色较深，以深灰色为主，底座门为深蓝色，给人以稳重而不单调的感觉；上半部分以乳白色为主，左半部分按钮增加颜色修饰，一来起警醒作用，二来丰富视觉效果；中间部分外壳为透明材料，方便观察实验效果，同时增添装置的美感。人性化设计方面：装置底座高度约为900mm,符合人体参数，手轮等操作部分均在人能便利接触范围。4.7.2元件电线布局分离脱落电连接器固定端、分离端；数显式推压力计；S型拉力传感器；驱动电机均等通过电线与控制主机相连。控制主机放置于整个系统左下方，所有电线均从元器件往控制部分走向布局。4.7.3设置、显示模块布局显示屏及操作屏安装于系统左方外壳，与控制主机相连接。设置部分具备各种功能按钮，如电分离执行，机械分离执行等。321321图4-22设置显示模块1.显示屏2.操作面板3.快捷按钮5.装配及精度设计设计产品的装配精度，不仅仅取决于零件的精度，很大程度上也取决于装配方法。很多情况下，由于实际零件存在形位误差，装配的结果并不能如设计所预计的那样符合要求，有时甚至无法装配。因此，合理运用公差原则，对各配合零件给出合理的形位公差值，以保证零件的装配精度，非常重要。本段对毕业设计“分离脱落电连接器的分离性能测试系统”关键装配关系进行阐述，以期在具体装配时能够顺利操作。同时对关键机构，如角度调节部分精度进行计算。5.1装配精度设计中公差原则公差原则可分为独立原则和相关要求。5.1.1独立原则独立原则指的是：给定的尺寸公差和形状、位置公差相互独立，各自满足要求的公差原则[20]。5.1.2相关要求相关要求指的是：给定的尺寸公差和形状、位置公差不相互独立，而是相互有关的。分为包容要求和最大实体要求[20]。1.包容要求包容原则要求只适用于单一尺寸要素（圆柱面，两反向的平行平面）的尺寸公差与形位公差之间的关系。采用包容要求的尺寸要素,其实际轮廓应遵守最大实体边界，即其体外作用尺寸不超出其最大实体尺寸（对孔不小于，对轴不大于），且局部实际尺寸不超出其最小实体尺寸。2.最大实体要求应用于被测要素时，被测要素的实际轮廓应遵守实效边界，即在给定尺寸上处处不超出实效边界。其体外作用尺寸不得超出其最大实体实效尺寸。如被测要素偏离最大实体尺寸时，形位公差值允许增大，其最大增大量为该要素的尺寸公差。5.2模块装配及精度设计各个模块装配如下图所示，分离脱落电连接器分为固定端和分离端，其中固定端安装于固定夹具上，通过6个螺纹孔进行定位及固定；固定夹具安装于底座上，同样通过螺纹孔进行定位及固定。悬臂梁直接焊接在底座侧面进行完全定位，与底座安装板距离为300mm，直线导轨通过螺钉固定在横梁上，压力计对电连接器表面施加压力。高速摄像模块安装在分离脱落电连接器正上方，对准分离端与脱落端连接处。电连接器拉环与滑块组二在高度上平行。其中心轴线与底座安装版的平行度要求为0.05mm。滑轮组4和拉力传感器以及线轮在高度上一致。可操作空间计电连接器拉环与滑轮组一的距离为650mm，装配公差要求控制在±0.1mm以内，旋转平台与底座安装版的垂直度误差在0.05mm以内。23412341图5-1模块装配示意图1.滑轮组一2.滑轮组二3.滑轮组三4.滑轮组四角度调整部分一假设丝杆导程为s，手轮刻度细分为n1，则控制精度能达到：s/n1（单位：mm）。精度要求为0.01mm，此时可选择s=4mm，n1=400。手轮转动一周，滑块移动4mm；手轮转动一个刻度，滑块移动0.01mm。角度调整部分二蜗轮蜗杆传动比为120，假设手轮刻度细分为n2，控制精度能达到n2*(120∕360)=n2/3（单位：°