万能试验机设计说明书

XX夭步

第1章概述

1.1试验机概&

材料试验机是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、

工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量

的精密测试仪器，可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲

劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。在研究探索新材料、新工艺、新

技术和新结构的过程中，试验机是一种不可缺少的重要测试仪器。广泛应用于

机械、冶金、石油、化工、建材、建工、航空航天、造船、交通运输、等工业

部门以及大专院校、科研院所的相关实验室C对有效使用材料、改进工艺、提

高产品质量、降低成本、保证产品安全可靠等都具有重要作用。

材料试验机的种类很多，有多种不同的分类方法。按加荷方法分类：静负

荷试验机（静态）和动负荷试验机（动态）。其中静态试验机一个主要组成部分。

万能试验机又可分为机械万能试验机、液压万能试验机、电液伺服万能试验机

和电子万能试验机。

1.2国内外研究现状

L21国内材料幡机的现状

我国计量检测事业的历史悠久，但试验机制造行业在旧中国是空白，中华

人民共和国成立后，党和政府十分重视计量检测技术的发展，采取了许多重要

措施来发展仪器仪表工业。经过五十多年的努力，我国万能材料试验机的制造，

从无到有、从小到大，从单参数到多参数，从静态到动态，逐步发展成初具规

模，具有能生产静负荷试验机（如拉、压万能试验机、扭转试验机、松弛试验

机、持久强渡试验机、蠕变试验机、复合应力试验机等）和动负荷试验机（如

冲击试验机和疲劳试验机等）的能力，有效地促进了国民经济建设和国防建设

的发展。我国万能材料试验机市场已形成一定的规模，试验机产品的发展日趋

大型化、智能化、动静态功能复合化，有的试验机产品已出口到国外，远销到

亚洲和欧美市场，具有一定的竞争能力。

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图IT电子万能材料试验机（双柱落地式）

上图1-1所示为电子万能材料试验机（双柱落地式），它主要用于金属、非金

属材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试和分析研究。可自动求取ReH、ReL、

Rp0.2、Fm、Rt0.5、RtO.6、Rt0.65、Rt0.7>Rm、E等试验参数，并可根据GB、

ISO、DIN、ASTM、JIS等国际标准进行试验和提供数据。

电子万能试验机（双柱落地式）性能特点：电子万能试验机（双柱落地式）采

用高强度光杠固定在上横梁和工作台面，使之构成高刚性的门式框架结构。采

用伺服电机驱动，伺服电机通过传动机构带动移动横梁上下移动，实现试验加载

过程.分为单空间和双空间两种机型。主本机采用先进的DSCC-1全数字闭环控制

系统进行控制及测量，采用计算机进行试验过程及试验曲线的动态显示，并进

行数据处理，试验结束后可通过图形处理模块对曲线放大进行数据再分析编辑，

产品性能达到国际先进水平。

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装

ffll-2液压万能试验机

上图1-2所示为液压万能试验机WAW-100型，它的程序采用开放的数据库结

订

构定义，符合标准GB228—87、GB/T228—2002.GB7314-87等试验方法，也可恨

据用户要求定制特殊的试验方法。测量方式采用的是高精度压力传感器、高精

度位移传感器、高线性低杂信的信号处理及放大模块，人机交互方式分析计算

线测试材料的机械性能指标，试验结束时自动计算弹性模量、屈服强度、非比例

延伸应力等，在自动分析的基础上，还可以人工修正分析结果提高分析的准确

性。

液压万能试验机可配置专用于材料试验机的闭环控制和数据采集的电液控

制器(可以根据客户要求配置进口控制器，如：DOLI),它具备强大的功能，叉

兼有十分优异的性能价格比。适用于科研单位、大专院校、质监部门及检测中

心进行检测、科研、仲裁及特殊试验的需要。

液压万能试验机WAW-100型的特点：

(1)控制模式：等速率活塞行程控制、等速率力控制、等速率应力控制、

等速率应变控制、力保持控制、定应力转定应变控制。

(2)试验力量程自动转换功能：若达到容量的90%自动转换到较大容量

(3)自动夹持：采用液压自动夹紧，夹持可靠，不打滑

(4)多重保护：具有软件、硬件过载和位置保护

(5)自动校准：负荷、变形、位移可按标准值自动校准

(6)自动停机：实验结束后活塞自动停止工作

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装

图1-3电液伺服万能试验机

上图1T所示为电液伺服万能试验机WAW-600L它主要用于预应力混凝土钢绞线的拉伸

试验，适用于冶金、建筑、轻工、航空、航天、材料、大专院校、科研单位等领域。试验

操作和数据处理符合GB/T5224T995《预应力混凝土钢绞线》的要求。

1.2.2国外材料试验机的现状

产品详细介绍：

下图所示为AG-IC系列立式电子万能试验机，它是日本岛津苏州工厂组

装的最先进的电子万能试验机，现已在国内的机械、电子、大学、研究院所等

行业得到广泛的应用。该系列立式电子万能试验机已经取得国际CE认证。

（1）电子万能试验机的特点：

1）简便直观的中文试验软件。

2）具有2.5ms采样间隔的高速度数据采集，适合各种特性材料的测试数据

的真实性。

3）高速返回原点功能，缩短下次试验的准备时间，提高试验效率。

4）拥有多种完善的试验夹具，适合多种样品的试验要求。

（2）电子万能试验机的用途

1）各种金属材料、非金属材料、复合材料的拉伸试验、压缩、弯曲试验

2）机械部件、电子部件的拉伸、剥离、焊接强度试验

3）控制或循环试验

4）应力松弛或蠕变试验

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图1-4电子万能试验机

下图1-5所示为岛津液压万能试验机UH-I系列，它是以电子控制液压驱动

的伺服式万能试验机，试验载荷采用高精度压力传感器，被广泛的应用在钢铁、

建材等行业。

（3）岛津液压万能试验机的用途

1）各种金属材料的拉伸试验、压缩、弯曲试验

2）木材、纤维板的压缩、弯曲试验

3）上述材料的载荷保持试验

4）沥青、混凝土的压缩试验

（4）岛津液压万能试验机的特点

1）采用大形LCD轻触屏，可以显示试验曲线，操作方便、可视性好。

2）丰富的自动控制程序为标准配置。

3）可以选择模拟指针式度盘显示器。

4）通过试验软件，实现高速数据采集。

图1-5液压万能试验机

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1.3本论文研究内容

以往，国内外生产的万能试验机主要包括：机械式、液压式和电子式三种。

七十年代初期又发展了电液伺服万能试验机。机械式万能试验机是应用较久的

一种万能试验机。其研究的具体内容：一是明确材料试验机的改造思路；二是

硬件部分设计；三是软件部分设计。

本论文主要研究万能材料试验机的机械传动部分。材料试验机装置包括机

身、横梁、齿轮、电动机、传动轴、夹具等.其中机身、横梁及支撑装置只需

满足强度、刚度和稳定性要求即可，而齿轮、传动轴、电动机等则是试验机的

关键装置和部件。因此在设计的过程中应尽量解决试验机内机构之间的传动，

材料方面的选择，加.工精度等诸多科学问题。

通过各方面的考虑以及计算设计出一款实用、精度适中、效率较高、经济

的万能材料试验机的传动部分。

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第2章电子万能试验机传动方案设计

本章主要描述四种万能材料试验机的传动方案，以及每个方案的特点，从

而在这四种方案中选取最佳的那个方案为本论文的研究方案。

2.1方案简述

(1)方案一：锥齿轮传动

电动机产生动力后通过减速箱，再经过涡轮蜗杆的传动，带动圆锥齿轮运

动，由圆锥齿轮的转动带动丝杠转动。与此同时与丝杠配合的丝杠螺母则带动

上横梁上下运动。上夹具固定在上横梁上，而下夹具则是通过离合器与减速箱

电动机连在一起产生扭转运动，至此完成试验。如图2T所示：

(2)方案二：链轮传动

电动机产生动力后输出到减速器，然后进入涡轮蜗杆传动系统，迸一步减

速并改变运动旋转方向后，通过链传动系统传递到丝杠。由链轮的转动带动丝

杠转动。与此同时与丝杠配合的丝杠螺母则带动上横梁上下运动，上夹具固定

在上横梁上，下夹具则通过离合器与减速箱电动机连在一起产生扭转运动，至

此完成试验。如图2-2所示：

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(3)方案三：丝杠传动

电动机产生动力后输出到减速器，然后由涡轮带动丝杠转动。丝杠转动同

时两个丝杠螺母同步背向或相向运动，两个连杆同时远离或靠近。这就使下夹

具所在试验台向上或向下运动。上面横梁可以固定，也可以在液压、丝杠等外

力驱动下上下运动，至此完成试验。如图2-3所示：

图2-3方案三不意图

(4)方案四：液压传动

本方案与上述三种文件有所不同，本方案是由油泵驱动油缸里的活塞提供

外部试验力。油泵输出油经进油管达到液压缸，然后经回油管路流回回油缸再

次利用。液压系统带动上横梁上下运动。下夹具通过离合器与减速箱电动机连

在一起产生扭转运动，而上夹具则是固定在上横梁上。此方案要求液压系统要

有较精确的控制阀的配合才能实现试验目的。如图2-4所示：

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（5）方案五：同步带传动

电动机产生动力后愉出到同一级步带减速，然后进入二级同步带减速，进

一步减速后，仍然通过同步带传动系统传递到丝杠。由同步带轮的转动带动丝

杠转动。与此同时与丝杠配合的丝杠螺母则带动中间横梁上下运动，上夹具固

定在上横梁上，下夹具则固定在中间横梁上，下试验台还安装了三点试验台，

在中间横梁下移的过程中完成拉伸和压缩试验。如图2-5所示：

2.2各种方案分析

各种方案的特点如下：

（1）方案一

1）传动精度高，运动平稳，无爬行现象滚动丝杠传动基本上是滚动摩擦,

摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关，这样就可以保证运动

的平稳性，且不会出现爬行现象（其静摩擦系数与动摩擦系数相差极小）；

2）有可逆性滚珠丝杠摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也

可以从直线运动转换为旋转运动；

3）但是采用了蜗杆传动和圆锥齿轮传动，可以实现丝杆自锁（蜗杆传动有

两个输出轴，并且转向相同，所以丝杆螺纹旋向要相反，才能使丝杆螺母运

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图2・5方案五示意图

动方向一致）；

4）成本高滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也较

高，故制造成本高。

（2）方案一

1）传动精度高，运动平稳，无爬行现象滚动丝杠传动基本上是滚动摩擦,

摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关，这样就可以保证运动

的平稳性，且不会出现爬行现象（其静摩擦系数与动摩擦系数相差极小）；

2）有可逆性滚珠丝杠摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也

可以从直线运动转换为旋转运动；

3）成本高滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也较

高，故制造成本高；

4）不能自锁特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，运动部件在运动

停止后不能自锁，需加制动装置；

5）链传动的制造与安装精度要求较低，成本也低。远距离传动时，其结构

比齿轮传动轻便得多；

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XX丈当

6）只能实现平行轴间链轮的同向传动；运转时不能保持恒定的瞬时传动比；

7）磨损后易发生调齿；工作时有噪声、振动冲击。

（3）方案三

1）丝杠水平放置利于自锁。水平状态下不受自重惯性力，故运动停止较为

容易；

2）采用涡轮驱动丝杠，由于涡轮尤其是单头涡轮传动效率低，传动精确度

也较差。同时涡轮一般采用较为贵重的减摩材料（如青铜）制造，从而增加了

制造成本；

3）工作台有两个连杆驱动所承受力较小c在较大试验力时，连杆安全性降

低，必须增大连杆尺寸，这就使得试验机所需较大的外功率来驱动。

（4）方案四

由于采用了液压驱动，故有以下特点：

1）液压传动能够实现无级变速，工作平稳；同功率时液压装置体积小、质

量轻；

2）液体为工作介质易泄露，造成污染；油液可压缩故传动比不准确；传动

过程中损失较大，效率较低；

3）液压传动对油温和负载变化极为敏感，对外部环境要求较高；

4）液压元件精度高，造价高；

5）液压传动一旦出现故障时不易追查原因，不易迅速排除。

（5）方案五

1）传动精度高，运动平稳，无爬行现象滚动丝杠传动基本生是滚动摩擦

摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关，这样就可以保证运动

的平稳性，旦不会出现爬行现象（其静摩擦系数与动摩擦系数相差极小）；

2）有可逆性滚珠丝杠摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也

可以从直线运动转换为旋转运动；

3）不能自锁特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，运动部件在运动

停止后不能自锁，需加制动装置；

4）成本高滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也较

高，故制造成本高。

综合上述四种方案的优缺点以及目前市场上主流试验机形式，最后决定选

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XX之名

择第五种方案为本设计所采取的最终方案。

2.3万能材料试验机传动部分设计

装

订

线

带轮2和带轮4和

齿型带8齿型带6上刑带5

齿型带3凶型市）

图23传动部分设计

动力由电动机1传出，带轮1安装于电机轴上，通过齿形带3传递动力到带轮

2,与带轮2同轴的带轮4通过齿形带5将动力传送到下一根轴，轴上安装的带轮7

将动力通过齿形带8向左传送到带轮9,通过齿形带10向右将动力传送到帝轮15。

带轮9和带轮15连接在左右两根滚珠丝杠上，滚珠丝杠的螺母又连接了中间一块

横梁，从而把动力从电动机传送到中间横梁使得中间横梁带动夹具体上下移动。

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第3章电子万能试验机总体结构设计

电子万能试验机总体结构如图3.1所示:

带轮9和带轮?和带轮2和帚轮4和

齿型布8暂型锦6齿型带3齿型用5

图3-1电子万能试验机总体结构

3.1主要零部件及其工作测试过程如下

(1)将材料加工成为标准试样，准备对材料的应力与应变之间的关系进行测

试。

(2)将加工好的标准试样紧固在上夹头1()和下夹头11之间，准备进行测试。

(3)接通电源，直流电动机1开始运转，通过齿型带3把运动传递给带轮

2o

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XX幺岁

(4)带轮2和带轮4同轴，通过带轮5,把运动传给带轮7.

(5)带轮7通齿形带8和6传递给带轮9和15上。而9和15分别带动了

滚珠丝杠14转动。

(6)通过丝杠的转动，把旋转运动变为横梁13的上下运动。从而完成对试

样的测试。

(7)由压力传感器12测试出的大小，进而转化为数字信号，显示出来。

3.2主机及附件的功能

电子万能试验机具有高科技特点，其设计方法是模块化的。它有效地利用

了微计算机功能对各种附件及功能单元进行组合管理、控制，实现多种功能试

验。对测量系统，计算机可以对其进行自动调零、自动标定、自动换档，从而

保证了测量系统的稳定可靠性，并大大地提高了工作效率。在控制方面，通过

整机控制系统和传动机构与计算机结合，加上必要的应用软件，实现多种功能

试验的设定与控制，如常规拉伸、压缩等。在试验数据处理方面，可以按国家

标准试验方法，根据用户要求以曲线形式通过打印机打出。该系统主要由主机、

控制传动系统、测量系统、计算机控制系统、位置保护等组成。

主tn结构及其工作原理

主机是负荷机架与机械传动系统的结合体，在横梁位移控制系统的驱动下，

配合相应的附件，可以使试样品产生应力应变。经过测量数据收集，处理给出

所需要的数据报告供设计使用。总之，主机是材料力学性能试验机测试的执行

机构。

电子万能试验机工作时，又通过LASER-500主控计算机，排丽解的或的

用管理，控制，并利用主机与附件的功能搭配组合完成多种功能试验可根据

具体的情况再增加必要的测量或是控制功能模块和相应的附件，进而达到扩展高

试验功能的目的。

主机的结构组成主要有负荷机架，传动系统，夹持系统和位置保持系统。

负荷机架由四个立柱支撑上横梁与工作台板构成的门式框架，两丝杠穿过动横

梁两端。并安装在横梁与工作台板之间。工作台板由支撑脚支撑在底板上，且

机械传动减速器也固定在工作台上。工作时，伺服电动机驱动机械传动减速器

t3),进而带动丝杠传动，驱动横梁上下移动。试验过程中，力在门式负荷框架

内得到平衡。

电子万能试验机的传动丝杠是用带有消除间隙结构的滚珠丝杠Lab螺母和

丝杠的预紧度已在出厂前调好。

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XXdV

传感器安装动横梁上，万向连轴及拉伸夹具安装在负荷传感器上，另外

的一只夹具安装在工作台板上。如果做压缩或弯曲等试验时，仅用动横梁的下

面夹头及下板的试验台即可完成。如做拉伸试验时，仅用上支架的夹头与动横

梁上面的夹头即可完成。工作时，只安装上样品，通主控计算机启动动横梁

驱动系统及测量系统即可完成全部试验。

上横梁，动横梁及工作台板均采用高强技术，由钢板焊接而成，结果使其

负荷机架重量轻而R刚度高.尤其以四立柱构成的K方体力系框架,保证了整

个机器运行平稳，可靠。

3.2.2控制传动系统

控制传动系统是用于驱动试验机中横梁产生位移，进而成为所给试样品加

荷的动力系统。

本试验机传动系统是由数字式脉宽调制直流伺服系统减速装先和传动带轮

等组成，执行单元采用了国产型号为J1102YXO2A系列人永磁直流伺服电动机，

其特点是响应快，力矩波动小，寿命长，可靠性高，噪音低，而且该电动机具

有高转距和良好的转速性能，由与电动机同步的高性能光电编码器ts5-m作为位

置反馈元件，从而使动横梁获得正确而稳定的速度。

减速装置由圆弧齿同步胶带与带轮构成。减速装置的结构简单，维护及更

换齿型胶带也很方便，圆弧齿同步带均采用宁波同步带总厂生产的各种型号的

产品。

323测喊统

测量系统包括以下三部分：

(1)负荷测量

(2)试样变形的测量

(3)位移测量

动横梁位移行程限位保护装置由导杆，上下限位环以及限位开关组成，安

装在负荷机架上的左侧前方。调整上下限位环可以预先设定动横梁上下运动的

极限位置，即保证了当动横梁运行到极限位置时，碰到了限位环，进而带动了

导杆操纵限位开关常闭触头切断驱动电源。动横梁立即停止运动。

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XX大老

第4章主要部件的结构设计

4.1标准件的选取

4.1.1滚珠丝杠的选择

(1)工作压强计算

1)螺母的轴向位移：

/■於.■册(4-1)

2r2JT

6：螺杆转角，rad;s:导程，mm

式中.

.P：螺距，mmx:螺纹线数

令该螺纹为单线螺纹。则x=l

由于试验机的整体高度为2125mm,故取丝杠带动横梁的移动距离为800mm,

又要留下一定的余量，可令螺纹长度L=1100mm;

设计使螺纹移动l=800mm时，手轮转动80圈，即

(p=2兀*80=160rad

P

I60X

由此可知:

S=px=10^1=10mm

2)查询《滚动螺旋传动设计基础》，螺纹中径应满足:

螺纹中径：其中y=2,pp=10

式中：T是螺母形式参数，整体式螺母取1.2-2.5,分体式螺母取

2.5-3.5,取P=2

P是螺纹副许用压强，N/mm2,可取小二10;

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XX大学

带入数据，有

由表可知，取dz=63mm,根据《滚动螺旋传动设计基原步择液档

珠丝杆的材料为CrWMn,热处理为整淬；螺母的材料为GAVMm）热处理为淬火。

3）螺母高度:

H=wd2=2x63=126mm

4）旋和圈数:

IT-----12.€,在(12〜16)之间,符合要

D10

5）基本牙型高度:

H1=0.5p=0.5x10=5nun

6）工作压强:

IxIO5

■8.0246

xdihm3.14x63x5x12.6

工作压强满足要求。

7）查表得其摩擦系数f为0.08^0.10

为了保证自锁，螺纹升角入W4.57,在比取X=2。54'

8）螺纹牙根部的宽度：b=0.65P=0.65X10=6.5mm

（2）静载荷计算

查《滚动螺旋传动设计基础》知基本额定静载荷特性值K0计算公式:

式中巳、P2、P2、&2为接触点处钢球和滚道表面的主要曲率

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XX大老

月产外工二・033

27.74

4I.41A/Pa

式中：Di-----钢球直径，取D2=6mm;

r;—螺杆滚道曲率半径，取r;=3.3mm;

P—接触角，取8=45°;

dw-----滚动螺旋公称直径，取dm=8mm。

基本额定静载荷

33

Co=K0iDsinp=41.41x10x3x6xsin45°=527.1x10N

静载荷条件

C>K,KiF=1.2x1.67x100x1(P=200x1(PN

条件满足，故合格。

(3)螺杆的强度计算

则根据第四强度理论：

r=・9”・If・043，50.1■80996、•即

▼即4奈八兴蜀，4喘％”(离

螺杆最大弯曲应力，琳可知［。］,却〜60MFh故螺杆强度合格。

(4)寿命计算

其计算公式为：

C.4K湛内F(4-3)

确定上式参数如卜.:

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1）螺母接触系数:

九=殳=0.76

2）螺杆接触系数:

=&=0.81

4

3）寿命系数:

4）转速系数:

5）寿命条件:

C•4

&1«—xlJxL67xl.06xl00xltf

161

^lO.SxKFN^S^MN（查表可知）

：式中:K—载荷系数；

K硬度影响系数；

K,短行程系数；

F——试验机工作力，No

故满足条件合格。采用固定式内循环如图47所示，图4-2为滚珠丝杆副

的组成

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XX上名

装

图47固定式内循环示意图

1-滚珠；2-丝杆；3-反向器；4-螺母

订

线

接触角:

a=45°

钢球直径:

D~0.6xP=6mm

螺纹滚道曲率半径:

rs(x)=0.55D=3.3mir)

偏心距:

“0.707亿-争・0212・

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XX上名

螺纹升角：

▼»arctan«Z54

螺杆大径：

d=d0-(0.2〜0.25)Di=61.8

螺杆小径：

d-d0+2e-2r5-56.8mm

螺杆接触点直径：

dx=d0-Dicosa=58.757mm

螺杆牙顶圆角半径：

r=(0.1-0.15)D=0.6mm

螺母螺纹大径：

d=d0-2e+2rx=69.175mm

螺母小径：

d=d()+O.5(do-d螺杆大径)=63.6mm

4.1.2伺服电机E勺选择

(1)电动机的选择

由设计要求可知，试验机横梁最大设计速度为500mm/min,试验机所施加的

最大试验力为100KN。故

P=FV=J00^300/(1000^6)=500W

式中：F—试验机输出力，N;V—丝杠速度，m/s;P—有效功率。

电机功率在传递过程中必然有一定的损失。参阅机械设计手册可知，丝杠

与丝杠螺母间传动效率(0.92-0.96,在这里取0.94)为0.94,同步带之间传

动效率为0.98,其他联结件传动效率为0.9。故

7a=7t?7:727:7式他=0.94*0.98*0.98*0.98*0.9=0.796

故

p500

p..=—==62SF=0.628KIF

2%0.796

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XX大老

上式中P—试验机有效功率；

ng-试验机总效率；

P机一试验机所需功率。

查阅电机手册结合实际情况选择选择电动机额定功率Pm=O.75KWo为了

试验机的传动比不至于太大，故选择初步选拦同步转速为1000r/min的电动机，

所以电动机的型号为：Y90S-6三相异步电动机，其技术参数如下所示：

额定功率PHFO.75KW

同步转速1000i7min

满载转速910r/min

额定转矩2.0

最大转矩2.0

(2)传动装置总传动比的计算及其分配

查询机械设计手册，选择螺距为10nlm的普通丝杆

已知横梁的最大速度为300mm/min,则求得此时,的丝杠转速M

n=V1p=300/l0=30r/min

式中：V丝杠速度，mm/min;

丝杠螺距，mnio

根据上面所选定的电动机，按照电动机的满载转速nm及试验机工作部分转

速nw,可计算出传动装置的总传动比。

ig=nm/n=910/30~30.33

ig-1213

再按照常用传动叽构性能及适用范围，初步选择各个传动部分传动比如下：

igi=3,ig2=2,ig3=5o

4.1.3同步带的选择

各级带传动的设计计算

(1)各轴功率，转速“算:

共37页第22页

XX大学

一轴名义功率甲o.98p机=0.735KW

一轴转速立=n=1000r/min

二轴名义功率P2=0.98Pl=0.72KW

二轴转速口2=n/ig=333.3r/min

三轴名义功率P3=0.98P2=0.7KW

三轴转速i13=n2/igz=164.8r/min

⑵第一级带传动设计计算

选用弧齿同步带，结构工作面有圆弧齿，承载层为玻璃纤维或纤维绳芯的

环形带，基本定为氯化丁橡胶。受载后的应力分布状态较好，提高了承或能力，

降低振动与噪声。

设计功率内1＜区

K4为工况系数，查表K4=KO+KI+K2=1.2+0.1+04=1.7

R为同步带传动的名义功率(KW),为已知

P=K4R=1.7*0.735=1.25KW

在《数控技术课程设计》中查表选出同步带的型号为L型，再查表得到对

应节距P=9.525mm,基准宽度为25.4mm

确定带轮齿数Z与直径d由表可以查得小带轮的最少许用齿数为12,确定小

带轮齿数，大带轮齿数，小带轮直径，大带轮直径如下：

小带轮齿数存20

大带轮齿数4=20*3=60

小带轮直径di=RZ1Ji=9.525*20/3.14=60.67mm

大带轮直径dz坏2Z2/n=9.525*60/3.14=182mm

选择同步带长度Lp：

根据初选中心计算同步带长度Lp

初选中心距A=211mm

/2f(4-4)

2180

共37页第23页

XX上老

3.14(182.60.67)3」4・16+8。-60.67)

2180

=405.65+190.49+33.86

=630mm

根据查表可得同步带长度L,-619.13mm,同步带型号为244L,齿数为65。

计算实际传动中心距A：

根据所选择的标准带长求出实际中心距鼠

—M+(4-5)

其中，”=4(Z-Z1-ZJ・^^(2,65-20-«0)，59.5X

20

/■S953+$953；・:[^^彳-)=21135…

选择带宽b,:

选择带宽的目的是限制作用在同步带整个宽度上的拉力，以保证同步带的强度

和使用寿命，使其在工作时不发生时效。计算步骤如下。

根据带型、小带轮齿数及转速由表查得对应同步带基准宽度b-25.4iwn及

基准额定功率Po=0.77kwo

计算同步带传动的啮合齿数Z:

找净-孙喏口•器嘉产动

Zm=8.17o

计算啮合齿数系数K2:

当ZmN6时,有心=1,

的定的施系数J偿)；

此时，带宽b,尚未确定，由该式可建立带宽与基准带宽的关系。

确定额定功率P：

共37页第24页

XX大学

P^K2K4P,

选择带宽b：

根据设计要求，同步带传动的设计功率应小于所选带型的额定功率，并且要考

虑标准带宽的值应大于计算带宽的值。带宽b,的计算公式如下：

，U悬）"="儒「=2408675“

根据查表选择标准带宽25.40n叫代号100。

一级同步带传动设计计算的主要结果构成：

同步带型号为L,节距P,=9.525mm,齿数z,二65,带长L,=619.13mm代号244L;

带轮：齿数Zi=20,Z2=60,直径di=60.67mm,d2=182mm;

中心距A=21135mm。

按照相同的计算方法可得二、三级同步带传动设计的主要结果构成如下：

二级同步带传动设计计算的主要结果构成：

同步带：型号为L,节距P二9.525mm,齿数z=98,带长Lp=933.45mm,代

号367L;

带轮：齿数Zi=20,Z2=40,直径di=60.67mm,d2=121.34mm;

中心距A=338mm。

三级同步带传动设”计算的主要结果构成：

同步带：型号为L,节距P=9.525mm,齿数z°=132,带长L=1257.30mm,代

号495L;

带轮：齿数Zi=20,Z2=100,直径山=60.67mm,d2=303.34mm;

中心距A=3345mm。

4.2非标准件的设计

421轴的选用

本设计中总共涉及到两根轴的选用，在实验机传动系统中主要承受径向力，

即主要受弯扭作用经过校核之后均满足条件。

共37页第25页

XX人当

4.2.2机架零件的选择

机器的全部重量将通过机架传至基础上，机架还具有承载机器工作时的作

用力和使用机器稳定在基础上的作用。

对机架提出下列基本要求：

(1)足够的强度和刚度。本试验机就是用角钢和槽钢通过焊接在一起而构

成基本骨架的。

(2)形状简单，便于制造。

(3)便于在机架上安装附件等。对于带有箱体、导轨的机架零件，还应有

良好的耐磨性，以保证机器零件有足够的使用寿命，当然，对于高速机器的机

架零件还应满足振动稳定性的要求。刚度和强度是评定机器零件的工作能力的

基本准则。机架零件由于它形状复杂，受外界因素的影响有很多，因此很难用

数学分析方法准碓计算机架中的应力和变形，在设计时通常都先根据机器工作

要求和类似相近的机器拟订机架结构和尺寸。

第5章电子万能试验机控制系统设计

5.1微机测控集散系统

电子万能试验机控制系统，由载荷测量系统、光电测量系统、标距变形测

量系统、智能伺服系统和万比一的高精度锁相环数字调速系统组成，整个系统

由5个8031单片机和1台系统计算机组成，使系统有测量速度快、自动化程度

高、高度智能化且具有无限的静态和准静态试验功能等特点。

5.1.1系统结构

系统总框图如图5.1,其中P代表载荷，L——代表试样变形，D代

表横梁位移，S——代表伺服系统的运行速度。在试验过程中，系统必须对上述

变量进行不断地采集，分析，缩减，并及时显示和打印试验结果。为了探求材

料的正确试验数据，系统还必须为试验过程造就合适的试验条件，也就是对6

个量(P,L,D,丝冬之)加以定值和定界控制，为了使载荷、变形、

小言小击di

拉移按照给定的规律变化，要求伺服系统有函数的设定、产生和伺服的功能。

为了提高系统的可靠性，系统计算机与各子系统之间的通讯采用串行通讯。

如图所示，机械部分山上下夹具体、移动横梁、传动滚珠丝杠、减速器、

共37页第26页

XX文名

伺服电机、机架等部分组成，电气系统包括测力系统P,变形测量系统L,位移

测量系统D,和伺服系统S,通讯接DC以及1台系统计算机LASER-500组成

集散系统，小型绘图机和显示器等外部设备，P,L,D均有模拟量输出，可以

接到X-Y函数记录仪上，系统计算机LASER-500通过通讯DC与各分机相联

结。

装

订

线

系统硬件结构

（1）载荷测量系统

如图5.2所示为载荷测量系统，精密的应变式载荷传感器，由精度达万分之一的

交流电源供电，传感器的输出信号输入到用坡莫合金制成的精密仪表输入变压

器，将微弱的输入信号电压升压近10倍，经过精心设计的高度精密的仪表放大

器放大后再经过相敏整流和滤波而得到5V的标准电压，这个电压将送到4个不

同的电子部件去进行控制和处理。

1）经衰减器送入模拟记录仪进行曲线描绘；

2）通过电压跟随器送到伺服系统去进行速度控制；

3）送到称为破断检器的电子线路，能在试样破断时产生逻辑信号；

4）送到13位的精密A/D变换器AD7550,将模拟信号及时转换为数字信

号，通过接口电路8155进入8031的数据总线。

8031单片机有4KB的EPROM以存储处理程序，用8位的数码显示器显示

共37页第27页

XX丈昔

载荷的即时数值和有关的字符，5位数码显示器显示和保留载荷的最大值，串行

通讯□连入通讯总线，若干按键和开关，一个有发出各种操作命令和设置运行

状态。此外，8155还有来自传感器的代码，让8031能自动识别用户现在使用的

是什么容量的传感器。

装

订

线

串行总战

图5.2载荷测量系统

（2）变形测量系统

如图5.3标距变形测量系统，在原理上与载荷测量系统基本相似，不同之处

在于：

1）变形测量系统没有检测试样断裂的破断检测器；

2）没有最大值存储利显示电路；

3）输入传感器不是测力传感器，而是一种反映试样标距变形的应变计式引

伸计。

共37页第28页

XX文号

交靖犯H流

装

订

图5.3变形测量系

(3)光电位移测量系统

线如图5.4光电位移测量系统，为了测量横梁移动的距离，广泛使用安装在滚

珠丝杠上的光电脉冲发生器来连续测量丝杠的转角以间接测量横梁位移，它是

在一片圆形玻璃片上，按其圆周方向刻上1000条刻线，当有光线由上向下通过

时，会在下面的光栏板上产生明暗条纹：当圆片转动时，会使安装在其上的光

敏元件产生电脉冲，利用8031产生中断来进行计数，这样就能记卜.丝杠连续转

过的角度，从而得知横梁移动的距离。

不过，实际的系统要比上述说明的复杂得多，为了辨别丝杠的旋转方向，

玻璃盘上有两圈互相相差四分之一节距的刻线(电气上相差90度)，送到8031

的是两列互相相差90度的电脉冲，分别称为正弦脉冲和余弦脉冲，依靠判别两

者的相位差是正90度还是负90度，就可以判别丝杠是在作顺时针方向旋转还

是反方向旋转，8031就根据这些信号，进行一系列的逻辑运算，准确得到横梁

的当前位置的。

位移系统有一片4KB的EPROM用来存储程序；有1片ADC1210再将数

字变换为模拟电压，以供X-Y记录仪进行曲线描绘；此外还有1个8位的数码

显示器，显示位移的及时值和一些有关的信息；还有若干按钮和开关，用以接

收操作者的命令和设置机器的工作状态；还有通讯线接至通信总线。

共37页第29页

XX大学

装

图5.4光电位移测量系统

订

（4）智能伺服系统

智能伺服系统是整个运动系统的指导中心，对于系统的综合性能起着决定

线性的作用。在集散系统中，它是除计算机外的第二个主设备、除CPU8031和

4KB的EPROM以外还有下列部件：

1）数字函数发生器

利用CPU的定时中断，产生数字时间函数f（t）,再通过DAC1210,将它

变换为成比例的模拟电压去控制锁相环伺服系统，这样就可以使系统的载荷或

变形按照给定的规律变化。

2）速度控制接口

一片8155送出21条控制线送到锁相环的数字输入端，以控制马达的转速

为Irpm到lOOOrpm,调速范围是10000:1,并指挥它的正转、反转和停止。

3）定界控制部分

两组长5位的十进制拨码开关，一组用于MAX定值控制，一组用于MIN

定值控制，再通过开关选择P,L,D以决定是对P,或L,或D进行定界。

4）速度给定部件

3组3位的拨码开关A,B,C分别用作3位有效数字的低，中，高三种预

选速度，以等待操作者随时使用。

5）键盘和功能选择开关

用8个质地优良的按键，6个用来控制A,B,C三种速度的上下运行，一

个用作停止操作，还有1个称为“保持”的按钮，用以快速将载荷或变形保持在

一固定的数值上。用一个8位的琴键开关选择整个系统的特定功能。用一个3

共37页第30页

XX幺步

位的琴键开关选择dP/dt,dL/dt或dD/dt以造就一种特定的试验环境。

循环计数系统

一个4位的显示器，用以显示低周循环的次数。

6)故障检测和报警系统

为保证操作利系统的安全，我们按照有限自动机(FAM)的原理，利用8031

的定时器1设计了故障检测和报警系统，它每100ms循检一次系统故障和临界

状态，并在显示器上显示出来，如闪动的OrP表示测力系统过量程，而GP则

表示传感器过载，Ud表示横梁运动达到上限，dd表示横梁运动已到达下限等等，

任何时刻一旦检出故障或临界状态，喇叭会发出“的一的一的”的叫声，以提醒

操作者。

7)通讯诊断系统

在功能键上有“INTST”的键，可以再通过MAX开关选择，在循环计数器.上显

示P,L,D的即时数值，如果通讯有什么问题，会显示出来相应的错误代码，

如ErC2表示“呼叫目标失败"，而ErC3则表示“对方回答非法口令”等。系统

如图5.5所示；

图5.5智能伺服系统

(5)智能通讯接口

如图5.6智能通讯接口，由于LASER-500没有串行口，因此需要有特别的

通讯口，与LASER-500进行并行通讯，而与系统的串行总线进行串行通讯，如

图所示，一片8031CPU和2KB的EPROM带有8155的接口芯片和总线驱

动电路，还有2个LED显示总线的忙闲状态各数据线状态，由于有8031和

EPROM,就可以设计成智能通讯口。

共37页第31页

XX大学

装

图5.6智能通讯接口

：(6)锁相环数字调整系统

iT加载系统有2.2KW的高性能直流伺服电机。三相电源通过整流器和滤波器

：变为平稳的直流电压，用4组大功率三极管控制马达的旋转方向和速度，有旋

:转变压器，其两相定子绕组通以固定频率的互相相差90度的正余弦电流，从而

;产生旋转磁场，其转子与电机的主轴同步旋转，因此只有旋转磁场的矢向与电

k机主轴的矢向完全相同时，锁相电路才没有输出，只要有微小的相位差，就会

；迫使系统产生强大的校正作用，以减少这个相位差，因此不仅电机的转速不能

;变化连相位也不能变化，这样就可以达到高精度和深调速的目的。

i锁相电路的输出，可以断开而转接