1MN電動(dòng)缸型材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)【含7張CAD圖紙】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請(qǐng)放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問(wèn)可加】 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 翻譯資料 中文題目： 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī) 及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 英文題目： Prototype fretting-wear testing machine and some experimental results 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 摘要：一種新型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)被開發(fā)，并且其功能性已經(jīng)被評(píng)估。在該試驗(yàn)機(jī)中，是由計(jì)算機(jī)控制裝置驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷半導(dǎo)體致動(dòng)器控制球形試樣的振蕩。因此，一種任意輸入的波形，如正弦波、三角波等，可以容易地控制球狀試樣的振蕩。這就是該試驗(yàn)機(jī)的特殊功能。例如，使用平板式的鋼試樣和一個(gè)軸承鋼球試樣進(jìn)行微動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)壓電致動(dòng)器輸入一個(gè)正弦波形，邊界有微動(dòng)的幅度，超出該微動(dòng)幅度，試樣的磨損質(zhì)量或體積將突然增大。 1 簡(jiǎn)介 發(fā)生在往復(fù)運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)接觸面之間的小振幅微動(dòng)持續(xù)很多的周期，在接觸區(qū)域內(nèi)的滑動(dòng)幅度或微動(dòng)振幅比接觸面積的區(qū)域和磨屑小，所以微動(dòng)磨損現(xiàn)象比通常的磨損現(xiàn)象表面條件影響更為顯著?；旧弦郧拔?dòng)磨損的研究主要通過(guò)接觸區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布了解其特點(diǎn)。為了證實(shí)實(shí)際應(yīng)用中的各種工程材料的微動(dòng)磨損特性進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，被測(cè)試的材料包括軟鋼，過(guò)共析鋼，軸承鋼，不銹鋼，鉻鉬鋼，鋁合金，鈦和鎳合金以及強(qiáng)化復(fù)合材料。同時(shí)也研究了等離子或激光處理對(duì)表面氧化，潤(rùn)滑和表面完整性的影響。通過(guò)測(cè)量檢體的配置和試樣的擺動(dòng)的方式，已經(jīng)證實(shí)了下面的趨勢(shì)。迄今使用的試樣類型是：球面型、柱面型以及面面型。在球面、圓柱面，平面上的試驗(yàn)機(jī)上的球面，柱面和平面在某些情況下是振動(dòng)的，試樣振動(dòng)裝置是偏心凸輪機(jī)構(gòu)、液壓致動(dòng)器和電磁裝置。以此一種檢測(cè)環(huán)境參數(shù)的試驗(yàn)機(jī)也被構(gòu)造出來(lái)，在前人研究的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)和構(gòu)造了一種新的原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)。我們的測(cè)試設(shè)備是價(jià)格便宜的，而且可以輕易地改變?cè)囼?yàn)條件。同時(shí)在這里我們也將得出鋼球平坦的表面上的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī) 2.1 機(jī)械的構(gòu)造 微動(dòng)磨損在兩個(gè)表面之間往復(fù)滑動(dòng)幅度的范圍從幾微米到是十幾微米，微動(dòng)磨損受到往復(fù)滑動(dòng)振幅，法向力，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率，微動(dòng)周期數(shù)，環(huán)境和物理材料的影響，因此，微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的這些影響參數(shù)在很寬的范圍內(nèi)改變是容易的同時(shí)在實(shí)際的使用中是有利的。 在我們的原型微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)中，鉛鋯鈦酸半導(dǎo)體（PZT）的致動(dòng)器可以通過(guò)壓電產(chǎn)生一個(gè)小的往復(fù)位移，用來(lái)作為驅(qū)動(dòng)元件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)試樣。PZT致動(dòng)器是非常有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)橥鶑?fù)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的各種波形可以容易地通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的PZT執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，PZT致動(dòng)器的電動(dòng)和機(jī)械性能位于表1中。 我們的試驗(yàn)機(jī)采用的是球面和平面的試樣（球面型）的組合。 下文給出微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的草圖。由于每臺(tái)機(jī)器組成部分具有彈性變形，因此試驗(yàn)機(jī)必須具有剛性，以盡量減少由壓電陶瓷致動(dòng)器引起的小的往復(fù)滑動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，球形試樣直接連接到驅(qū)動(dòng)器的壓電陶瓷致動(dòng)器部分。出于這個(gè)原因，使用由軸承鋼制成的直徑20毫米的球面試樣，因此，一個(gè)大小不同的球狀試樣可容易地在測(cè)試設(shè)備沒有經(jīng)過(guò)任何改變的的情況下在本試驗(yàn)機(jī)中使用。為了使球形試樣方便夾持，將試樣夾持在兩個(gè)相同的平面標(biāo)本之間。通過(guò)引入這樣的結(jié)構(gòu)，作用在球形試樣之間的摩擦力片刻可以被消除，并且可以將球面試樣很牢固地保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。試?yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器和球形試樣被布置在垂直的方向上，因此試驗(yàn)機(jī)占用的空間較少。如圖2，運(yùn)動(dòng)元件被懸在兩套平行板簧之間。因此，壓電陶瓷致動(dòng)器的移動(dòng)方向平行于試樣之間的接觸表面。如圖1，靜負(fù)載加載在正常負(fù)載之上，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中負(fù)載可以保持恒定。 表一：壓電陶瓷致動(dòng)器的參數(shù) 相對(duì)介電常數(shù) 1800 損耗角正切 0.02 彈性模量 44GPa 居里點(diǎn) 230°C 制造者 日本電裝公司 尺寸大小 直徑 20mm 長(zhǎng)度 120mm 規(guī)格 最大位移 100um 最大驅(qū)動(dòng)力 2kN 最大工作頻率 100Hz 容許溫度上限 0-50°C 控制電壓 0-5 V 附一：損耗角正切（電容器的有功功率P與無(wú)功功率Q的比值稱做為該電容器的損耗角正切） 圖1 原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī) 通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)可以對(duì)PZT致動(dòng)器所產(chǎn)生的位移進(jìn)行控制，個(gè)人計(jì)算機(jī)控制電壓為0-5V，通過(guò)放大器放大120倍，之后，壓電陶瓷致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為0-600V。計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò)任意波形來(lái)驅(qū)動(dòng)的球形試樣。 兩個(gè)35平方毫米的平面試樣連接每一個(gè)階段，由于直線導(dǎo)軌可沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)。層次之間的線條通過(guò)滑輪進(jìn)行延伸，在階段之間存在著靜負(fù)載的拉伸力。球形試樣在兩個(gè)完全相同的平面式樣之間懸浮，在試樣之間加上恒定的力。用來(lái)測(cè)量試樣間往復(fù)滑移運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)板簧間的傳感器裝置安裝在階段上。在圖3中給出他們的結(jié)構(gòu)和尺寸。 通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)可以對(duì)PZT致動(dòng)器所產(chǎn)生的位移進(jìn)行控制，個(gè)人計(jì)算機(jī)控制電壓為0-5V，通過(guò)放大器放大120倍，之后，壓電陶瓷致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為0-600V。計(jì)算機(jī)控制的微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò)任意波形來(lái)驅(qū)動(dòng)的球形試樣。 兩個(gè)35平方毫米的平面試樣連接每一個(gè)階段，由于直線導(dǎo)軌可沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)。層次之間的線條通過(guò)滑輪進(jìn)行延伸，在階段之間存在著靜負(fù)載的拉伸力。球形試樣在兩個(gè)完全相同的平面式樣之間懸浮，在試樣之間加上恒定的力。用來(lái)測(cè)量試樣間往復(fù)滑移運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)板簧間的傳感器裝置安裝在階段上。在圖3中給出他們的結(jié)構(gòu)和尺寸。 圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)的式樣 圖3 鋼板彈簧傳感器來(lái)測(cè)量相對(duì)往復(fù)滑動(dòng) 每個(gè)傳感器都包括板簧和貼片。所述傳感器的貼片上被固定在階梯面上。板簧的前端被布置在球面試樣的上方。粘貼在板簧兩側(cè)的應(yīng)變儀測(cè)量壓電陶瓷致動(dòng)器的變形或是球形，扁平試樣之間的相對(duì)往復(fù)滑動(dòng)。為了降低噪聲，所有的導(dǎo)線都被安裝護(hù)套。兩個(gè)傳感器的校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果附在表4中。應(yīng)變儀的輸出電壓與相對(duì)性往復(fù)滑動(dòng)被證明具有良好的線性關(guān)系。輸出的噪聲約是0.01 MY，這相應(yīng)于0.5 FLM的往復(fù)滑動(dòng)位移。因此，試樣之間的相對(duì)往復(fù)滑動(dòng)可以由這些傳感器精確測(cè)量得到。 2.2 原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的性能 通過(guò)不同的校準(zhǔn)測(cè)試檢查原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的性能。首先，圖5給出了一個(gè)微動(dòng)幅度隨時(shí)間變化的示圖。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，壓電致動(dòng)器的輸入電壓的波形是正弦的，振幅和頻率分別是360 V和10HZ。在該圖中，球形的軸承鋼試樣和中碳鋼扁平試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示出在法向力的四個(gè)層次上。下文微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)中使用這種材料組合，在最初的2000個(gè)微動(dòng)周期內(nèi)，微動(dòng)幅度迅速減小。微動(dòng)振幅的遞減像正常力變大那樣顯著，在微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前用甲基醋酸清洗磨損試驗(yàn)的試樣表面使之脫脂。在初始階段微動(dòng)振幅的迅速下降，可誘導(dǎo)的表面氧化膜或潤(rùn)滑油膜略有變化。在這之后，微動(dòng)振幅的變化被記錄，直到微動(dòng)周期達(dá)到10^2。與微動(dòng)振幅有關(guān)的法向力的大小幾乎是恒定的。圖6中示出力從3000到10^4內(nèi)的微動(dòng)周期與微動(dòng)振幅的關(guān)系。微動(dòng)振幅隨著法向力的增加幾乎呈線性下降的趨勢(shì)，它們之間的關(guān)系可由（1）式確定： A=-0.24Fn + A0 （1） 式中：A是微動(dòng)振幅（FLM），F(xiàn)n表示的法向力（N）。A0 是微動(dòng)振幅，黨法鄉(xiāng)里為0時(shí)振幅為0。 當(dāng)法向力增大時(shí)，微動(dòng)幅度減小。因?yàn)樵嚇又g的摩擦作用力隨著法向力的增大而增大。因此，摩擦力可以由微動(dòng)振幅的大小來(lái)計(jì)算。然后，圖7給出了平均微動(dòng)幅度和輸入電壓的幅度之間的關(guān)系，恒定的輸入電壓的頻率為10HZ。在該圖中，其中給定的兩個(gè)級(jí)別的法向力0N和66 N。平均的微動(dòng)振幅與輸入電壓的幅度呈線性變化，表示它們之間的關(guān)系線彼此平行。微動(dòng)振幅的減少是由于摩擦力的效果不會(huì)受到輸入電壓幅度的影響。如圖7所示，當(dāng)法向力為0時(shí)，平均微動(dòng)幅度由式（2）表示。 A0 = 0.13Va - 15 （2） Va是PZT致動(dòng)器的輸入電壓的幅度（V），由方程（1）和（2），微動(dòng)振幅可以寫成如下： A = 0.13Va - 0.24Fn - 15 （3） 圖4 鋼板彈簧傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果 圖5 動(dòng)循環(huán)次數(shù)在輸入電壓幅值360 V，頻 率為10 Hz時(shí)微動(dòng)幅度的變化 最后，對(duì)輸入電壓頻率的進(jìn)行研究。圖8示出在66 N的正常力的情況下，PZT致動(dòng)器的輸入電壓為600 V。直到頻率為20HZ時(shí)，平均微動(dòng)幅度幾乎是恒定的。高于這個(gè)頻率，微動(dòng)振幅隨著輸入電壓的頻率增加而降低。從結(jié)果中，得出微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的限制輸入電壓頻率大約是20赫茲。 圖 6 當(dāng)輸入電壓為360 V，頻率為10 Hz 圖7 壓電致動(dòng)器微動(dòng)幅度在輸入電壓頻率時(shí)，法向力對(duì)微動(dòng)幅度的影響 為10 Hz時(shí)輸入電壓幅值的變化 2.3 摩擦力的估算 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)未裝配用來(lái)測(cè)量摩擦力傳感器，摩擦力的大小可以近似地用如下公式估算。如圖6所示，摩擦力用當(dāng)法向力為0時(shí)的微動(dòng)幅度A0和施加力時(shí)的微動(dòng)振幅A的差值進(jìn)行計(jì)算。如圖9所示為力的作用示意圖，如圖所示為球體試樣的滑動(dòng)方向沿M方向，球體試樣上向下的摩擦力2Q，平面試樣上和階面向上的摩擦力Q。在這個(gè)方向上驅(qū)動(dòng)元件的剛性系數(shù)被設(shè)定為Rd和階面上的摩擦系數(shù)Rs，由于摩擦力的變化影響微動(dòng)幅度的變化ΔX可由下式計(jì)算： 2Q/Rd + Q/Rs =ΔX （4） 剛性系數(shù)由下式進(jìn)行計(jì)算：驅(qū)動(dòng)元件上所附的球體試樣的一部分由彈簧拉著，球體試樣的位移由千分表讀取，如圖10所示。由拉力和位移計(jì)算驅(qū)動(dòng)元件的剛性系數(shù)Rd，通過(guò)相同的方法獲得階面上的剛性系數(shù)Rs，因此，驅(qū)動(dòng)元件的剛性系數(shù)Rd=16.54N/um，階面的剛性系數(shù)Rs=8.7N/um，由方程（4）式得摩擦力計(jì)算公式，如下式： Q = 4.24 ΔX （ 5） 摩擦系數(shù)也可由力Fn除以摩擦力得到，如圖11，摩擦系數(shù)的變化可由這個(gè)過(guò)程計(jì)算。計(jì)算中，輸入電壓的頻率是10HZ，其電壓幅值為480V，施加的法向力為66 N。除了微動(dòng)周期的初始階段，穩(wěn)定時(shí)期的摩擦系數(shù)可從圖中查得。 圖 8 微動(dòng)振幅在法向力為66 N和輸入電壓為600V 時(shí)，對(duì)壓電致動(dòng)器的輸入電壓頻率的影響 圖9 試樣上的摩擦力 圖10 驅(qū)動(dòng)單元的剛度 圖11 法向力為66N，輸入電壓幅度480V，頻率為10 Hz的摩擦系數(shù)估算 2.4 磨損量的估算 圖12示出了軸承鋼的球體試樣和中碳鋼扁平試樣在以下情況下微動(dòng)磨損的硬度。由表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)得表面粗糙度，在這里，所施加的法向力是66 N，輸入電壓的頻率為20Hz，在微動(dòng)振幅35 um和微動(dòng)周期數(shù)是105。 表2 試樣的化學(xué)成分和維氏硬度 化學(xué)成分（%） 維氏硬度 C Si Mn Cu Ni Cr p S Hv 中碳鋼 0.55 0.23 0.75 0.05 0.15 0.12 0.02 0.02 235 軸承鋼 1.05 0.15 0.20 0.12 0.15 1.48 0.01 0.01 850 圖12 在法向力為66N時(shí)，微動(dòng)頻率為20HZ，微動(dòng)振幅位移 35 um，微動(dòng)周期為105微動(dòng)磨痕的測(cè)量 扁平試樣上的磨損痕跡具有圓錐形狀，它的半徑大約是600um，深度為約14 um。磨痕的中心有一個(gè)小的高坡，其半徑和深度約占磨損部分的三分之一。在這附近，沿著磨痕邊緣有一個(gè)2.5um高和100um寬的駝峰。另一方面，球體上試樣的磨痕是略小于扁平試樣的磨痕。它的半徑約為570um，類似于扁平式樣在中心的高坡上。除了中央的高坡，其他表面的磨痕幾乎是光滑的。許多文獻(xiàn)講述過(guò)的微動(dòng)磨痕與其相似。通過(guò)微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的觀察到的磨損現(xiàn)象被認(rèn)為是微動(dòng)磨損。由平均磨痕半徑r和瘢痕深度d計(jì)算出微動(dòng)磨損的體積，這很容易由面粗糙度測(cè)試儀測(cè)出。假設(shè)該形狀可以被視為一個(gè)球體，磨損體積Vr可由下式計(jì)算： Vr= d/6（3r^3+d^3) （6） 在球體試樣表面粗糙度曲線上測(cè)得磨痕深度d是極其困難的。所以，磨痕表面的曲率半徑大約可視為球面試樣的半徑，磨痕深度可由公式（7）計(jì)算。球面試樣的磨損體積可由公式（6）、（7）計(jì)算： （7） 其中，R和r分別代表球體試樣半徑和的平均磨損傷痕半徑。 3 鋼試樣的實(shí)驗(yàn)分析 用軸承鋼球試樣和中碳鋼扁平試樣進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)，確定設(shè)備的有效性。試樣的化學(xué)成分和維氏硬度列于表2中，球形試樣的半徑為20mm，扁平試樣是一個(gè)正方形板，板厚10mm，長(zhǎng)40毫米。微動(dòng)磨損試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行不同的一些參數(shù)影響的微動(dòng)磨損特性。 3.1 微動(dòng)循環(huán)次數(shù)的影響數(shù) 檢查周期數(shù)對(duì)微動(dòng)的影響，不同的微動(dòng)的循環(huán)數(shù)在103和106之間變化，恒定的法向力為66N，微動(dòng)振幅的位移為35um，頻率為20HZ。圖13是試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。球體試樣和扁平式樣的微動(dòng)磨損率可以通過(guò)上文提到的磨損體積來(lái)轉(zhuǎn)換計(jì)算。微動(dòng)磨損率定義為單位滑動(dòng)磨損體積的微動(dòng)位移和法向力的乘積。在不同的微動(dòng)磨損的條件下定量比較磨損，磨損率的概念是很重要的。球形試樣和扁平試樣的磨損率的大小接近，在該圖中可以清楚地看出，與微動(dòng)的循環(huán)數(shù)的增加，磨損率變小。磨損率與微動(dòng)循環(huán)次數(shù)之間呈線性關(guān)系。關(guān)系如下： （8） 圖13 微動(dòng)磨損率在法向力66N,頻率為20HZ，微動(dòng)振幅為35um時(shí)的的影響 4 通過(guò)電子掃描顯微鏡觀察磨痕 在前面的討論中，在扁平式樣中有一個(gè)邊界振幅。通過(guò)電子顯微鏡觀察磨痕表面，微動(dòng)磨損機(jī)理被認(rèn)為與微動(dòng)振幅上的應(yīng)力有關(guān)系。 5 結(jié)論 本文評(píng)價(jià)了原型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)的性能和構(gòu)造，其中一個(gè)球體試樣是由壓電陶瓷致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。此試驗(yàn)機(jī)最有利的特征是試樣的往復(fù)滑動(dòng)位移是由個(gè)人計(jì)算機(jī)控制的壓電陶瓷致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，該試驗(yàn)機(jī)最有利的特征是往復(fù)滑動(dòng)位移的正弦波，三角波或其他的可以容易的實(shí)現(xiàn)。壓電陶瓷致動(dòng)器的性能可以由的實(shí)驗(yàn)條件和微動(dòng)振幅的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的闡述。利用這個(gè)關(guān)系，可以對(duì)試樣上的摩擦力或摩擦系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，本試驗(yàn)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的最大輸入電壓的頻率為20 Hz。例如，進(jìn)行球形軸承鋼試樣和中碳鋼扁平試樣的磨損測(cè)試，同時(shí)控制由正弦波控制的球形試樣。證實(shí)有一個(gè)邊界放大器使扁平式樣的微動(dòng)磨損體積急劇增加。邊界幅度的變化誘導(dǎo)微動(dòng)磨損機(jī)制變化，通過(guò)電子掃描顯微鏡觀察磨痕可以確定。在后續(xù)的研究中，我們計(jì)劃在微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)中研究各種先進(jìn)工程材料試樣的微動(dòng)磨損特性。 參考文獻(xiàn) 【1】 巴徹勒 《工程摩擦學(xué)》 1993 【2】 S. Faanes, Int. J. 《固體結(jié)構(gòu)學(xué)》 1996 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 中文題目： 1MN電動(dòng)缸型材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì) 英文題目： Design of the 1MN electric cylinder-type material testing machine 學(xué)生姓名 學(xué) 院 專 業(yè) 指導(dǎo)教師 0 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 開 題 報(bào) 告 一 課題介紹 1 課題名稱： 1MN電動(dòng)缸型材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì) 2 課題背景： 2.1 材料試驗(yàn)機(jī)的介紹 材料試驗(yàn)機(jī)是測(cè)試金屬材料力學(xué)性能的一個(gè)加載測(cè)試平臺(tái)，按照加載方式和控制方式區(qū)分，有三代產(chǎn)品：機(jī)械式加載試驗(yàn)機(jī)，液壓式加載試驗(yàn)機(jī)，微機(jī)控制的電控試驗(yàn)機(jī)。前兩代產(chǎn)品幾本上是人控方式，可稱為傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)。 ⑴ 機(jī)械式加載試驗(yàn)機(jī)，主要是普通電動(dòng)機(jī)、齒輪、絲杠式傳動(dòng)加載及重錘杠桿式加載。其缺點(diǎn)是調(diào)整、控制加載速率十分困難，而且要求試驗(yàn)機(jī)承力結(jié)構(gòu)抵抗變形的剛度非常大。 ⑵ 液壓式加載試驗(yàn)機(jī)使人工調(diào)整，控制加載速率變得較為容易，加載能力也得到極大地加強(qiáng)，而且對(duì)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)剛度要求下降，特別是易于實(shí)現(xiàn)雙向、三向加載，這是機(jī)械加載方式難以實(shí)現(xiàn)的。 ⑶ 微機(jī)控制的電控試驗(yàn)機(jī)是在普通電動(dòng)機(jī)、齒輪、絲杠式傳動(dòng)加載的基礎(chǔ)上改以采用便于自動(dòng)控制的伺服電機(jī)，或者是在液壓加載方式的基礎(chǔ)上采用電液伺服閥或比例閥，配上微機(jī)控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)，使得試驗(yàn)機(jī)的性能發(fā)生了革命性的變化。電動(dòng)缸是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的一種裝置，是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)的全新革命性產(chǎn)品。 2.2 電動(dòng)缸的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn) 電動(dòng)缸能夠把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，是一種響應(yīng)高、壽命長(zhǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前在鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，主要用于原料碼頭、原料場(chǎng)、燒結(jié)廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠等工作場(chǎng)所的卸料、卸煤、卸礦、卸灰、皮帶運(yùn)輸機(jī)、除塵器等設(shè)備上。和其他裝置上采用液壓或氣壓作為驅(qū)動(dòng)源的系統(tǒng)相比，電動(dòng)缸直接由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，不再需要油、氣等傳遞動(dòng)力，可以避免因漏油、漏氣致使系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)傳動(dòng)不準(zhǔn)確、使用不方便，所以電動(dòng)控制系統(tǒng)比液壓系統(tǒng)具有更為優(yōu)越的控制特性。。電動(dòng)缸具有著獨(dú)特的性能特點(diǎn)，相比于液壓和氣壓系統(tǒng)有明顯的優(yōu)越性。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ⑴ 定位精確。如果采用伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，伺服控制系統(tǒng)精度高，它與高精度的傳動(dòng)件配合可以使電動(dòng)缸的控制精度得到大大的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)0.01mm左右的精確定位。 ⑵ 傳動(dòng)效率高。如果采用滾珠絲桿副作為傳動(dòng)件以實(shí)現(xiàn)直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減少往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦，傳動(dòng)效率可達(dá)90%以上，比液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高出大約15%左右。 ⑶ 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快。 直線的運(yùn)動(dòng)速度范圍可達(dá)到55mm/s ,而液壓缸只能達(dá)到35mm/s。 ⑷ 承載范圍廣。可以實(shí)現(xiàn)從幾十公斤到上百噸的承載范圍。 ⑸ 使用壽命長(zhǎng)，如果采用滾珠絲桿等高精度傳動(dòng)件，在減少摩擦的同時(shí)也可以提高電動(dòng)缸的使用壽命。 ⑹ 結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用空間。電動(dòng)缸是一種非標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品，可以按照所使用的環(huán)境充分考慮空間而進(jìn)行設(shè)計(jì)。 ⑺ 環(huán)境適用能力強(qiáng)?？梢栽诟稍铩⒏邷?、風(fēng)雨等惡劣環(huán)境下適用，不同液壓和氣壓系統(tǒng)要充分考慮環(huán)境等因素。 3 工作內(nèi)容與要求： 任務(wù)：設(shè)計(jì)一種電動(dòng)缸型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行主機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)。機(jī)器應(yīng)在對(duì)材料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)施加軸向載荷、扭轉(zhuǎn)載荷?？梢宰詣?dòng)檢測(cè)軸向位移、軸向力、軸向變形、徑向變形和扭矩。 要求：基本參數(shù)如下：1 額定軸向載荷：1MN； 2 最大行程600mm；3 工作空間：高*寬=600mm*700mm；4 位移分辨率 0.1um； 5 滿載最大速度 200mm/min，空載速度300mm/min;6 最大扭矩 100Nm；7 最大回轉(zhuǎn)角度 180°。 本課題研究設(shè)計(jì)的一種電動(dòng)缸型材料試驗(yàn)機(jī)，由于電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)具有定位精度高、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，可以取代以往蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠等傳動(dòng)方式。同時(shí)以往的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，只能進(jìn)行壓縮、拉伸、彎曲的實(shí)驗(yàn)。本課題設(shè)計(jì)的新型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，同時(shí)加入對(duì)試樣的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用傳感器對(duì)試樣軸向變形、徑向變形、扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)計(jì)算機(jī)裝置顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)造出一種新型電動(dòng)缸型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。本課題中為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度加入現(xiàn)代技術(shù)使該試驗(yàn)機(jī)成為既可靠又有技術(shù)含量的現(xiàn)代產(chǎn)品，其中新的思想很重要，但完全脫離現(xiàn)有產(chǎn)品也是不切實(shí)際的，要把握一個(gè)度的問(wèn)題。 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)總共由五部分組成，即主機(jī)，力發(fā)生裝置，控制器和工作儀表以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中主機(jī)包括機(jī)架（機(jī)器的結(jié)構(gòu)主體），驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（用以實(shí)現(xiàn)粗加載的傳動(dòng)系統(tǒng)），控制器，工作儀表等。 4 課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)： 本課題研究設(shè)計(jì)一種電動(dòng)缸型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，由于電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)具有定位精度高、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，可以取代以往蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠等傳動(dòng)方式。同時(shí)以往萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，只能進(jìn)行壓縮、拉伸、彎曲的實(shí)驗(yàn)。本課題設(shè)計(jì)的新型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，同時(shí)加入對(duì)試樣的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用傳感器對(duì)試樣軸向變形、徑向變形、扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)計(jì)算機(jī)裝置顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)造出一種新型電動(dòng)缸型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。本課題中為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度加入現(xiàn)代技術(shù)使該試驗(yàn)機(jī)成為既可靠又有技術(shù)含量的現(xiàn)代產(chǎn)品，其中新的思想很重要，但完全脫離現(xiàn)有產(chǎn)品也是不切實(shí)際的，要把握一個(gè)度的問(wèn)題。設(shè)計(jì)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)可能會(huì)用到的知識(shí)包括一些基礎(chǔ)知識(shí)材料力學(xué)，理論力學(xué)等，電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，同時(shí)也有計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)，繪圖，工程軟件等。 本課題中需要著重計(jì)算和校核以下幾個(gè)部分： ⑴ 橫梁的剛度及聯(lián)桿的剛度 如果過(guò)高的要求橫梁及聯(lián)桿的剛度，則會(huì)造成材料的浪費(fèi)，造成成本增加。只有在進(jìn)行撓性測(cè)試時(shí)橫梁的剛度才會(huì)顯得極為重要。 ⑵ 電動(dòng)缸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速裝置、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等四大部分。電動(dòng)缸的設(shè)計(jì)方案是多種多樣的，最重要的是設(shè)計(jì)一個(gè)滿足功能要求、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)保并且管理維護(hù)方便的電動(dòng)缸。 ⑶ 扭轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)安裝 扭轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)前提是保證立柱不受扭矩的影響，從而保證測(cè)量結(jié)果精確。 ⑷ 底座的設(shè)計(jì) 試驗(yàn)機(jī)的底座需保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)合理，在保證滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)約材料，從而降低成本。 5 可能運(yùn)用的知識(shí)和技能： 課題研究過(guò)程中，需要運(yùn)用到大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)，例如計(jì)算螺栓強(qiáng)度就需要機(jī)械設(shè)計(jì)的一些方法，梁和套筒的校核就需要運(yùn)用到材料力學(xué)的知識(shí)，同時(shí)在繪制裝配圖和零件圖的過(guò)程中需要應(yīng)用工程制圖和CAD的知識(shí)，同時(shí)要具備查詢機(jī)械手冊(cè)的能力，綜合運(yùn)用大學(xué)所學(xué)的知識(shí)。 6 需要自學(xué)的知識(shí)和技能： 能夠熟練運(yùn)用CAD進(jìn)行二維制圖，同時(shí)能夠熟練掌握工程制圖的制圖方法，能夠綜合運(yùn)用大學(xué)四年所學(xué)過(guò)的知識(shí)，將機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、機(jī)械原理的的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)自己的運(yùn)用知識(shí)去解決問(wèn)題的能力，為以后的工作生活打下基礎(chǔ)。 二 工作計(jì)劃 工作內(nèi)容：包括資料查詢，查找與試驗(yàn)機(jī)相關(guān)的新技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)狀，國(guó)外試驗(yàn)機(jī)發(fā)展情況以及對(duì)未來(lái)幾年內(nèi)試驗(yàn)機(jī)可能的發(fā)展方向。根據(jù)所掌握的最新資料確定幾個(gè)可能的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的方案方向，再進(jìn)一步考察，從實(shí)際出發(fā)，確定方案的可行性。接下來(lái)進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)，并時(shí)刻考慮新技術(shù)的加入，已經(jīng)成熟的技術(shù)是相對(duì)穩(wěn)定的，兩方面結(jié)合起來(lái)才能更大的提高試驗(yàn)機(jī)的穩(wěn)定性和技術(shù)含量。制定主機(jī)設(shè)計(jì)方案，總體方案確定后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，其中有些要計(jì)算，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算，有些要用到軟件分析，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，保證更高的效率和成功率。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)反復(fù)，在不斷改進(jìn)中提高系統(tǒng)的性能。其中要查看許多標(biāo)準(zhǔn)，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)計(jì)算。一些常用結(jié)構(gòu)最好用現(xiàn)在應(yīng)用比較成熟的，確保系統(tǒng)穩(wěn)定，最后繪制裝配草圖；進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力核算，繪制總裝配圖、零部件工作圖。包括建立零部件的三維模型，作機(jī)器工作的運(yùn)動(dòng)仿真；進(jìn)行主要構(gòu)件工程力學(xué)分析計(jì)算。 工作量： A0圖紙三張，設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書一份； 時(shí)間安排：2013年3月至畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束。其中兩周進(jìn)行調(diào)研實(shí)習(xí)，三周做方案、繪制草圖、進(jìn)行計(jì)算，其余時(shí)間完成其他工作。 三 參考資料 1.機(jī)械設(shè)計(jì)/譚慶昌，趙洪志主編.－北京：高等教育出版社，2004.7 2.材料力學(xué)/聶毓琴，孟廣偉主編.－北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.2 3.工程分析及電子樣機(jī)模擬：CATIA V5在工程實(shí)踐中的應(yīng)用/高秀華等編著.－北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.8 4.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)/侯洪生 主編-北京；科學(xué)出版社，2005.8 5.測(cè)力硬度計(jì)量簡(jiǎn)明手冊(cè) 周兆豐 主編 國(guó)防大學(xué)出版社，1987.8 6.材料試驗(yàn)機(jī)樣本 機(jī)械工業(yè)出版社 1972.10 5 目 錄 目 錄 2 第1章緒論 1 1.1 課題的提出 1 1.1.1 課題的研發(fā)背景 1 1.1.2 課題的意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì) 2 1.2.1 國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài) 2 1.2.2 國(guó)內(nèi)外各種試驗(yàn)機(jī)的介紹 3 1.2.3 國(guó)內(nèi)外各種試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.3 電動(dòng)缸的發(fā)展及應(yīng)用 4 1.3.1 電動(dòng)缸的發(fā)展及應(yīng)用 4 1.3.2 電動(dòng)缸的性能特點(diǎn) 5 1.4 課題的研究?jī)?nèi)容及重點(diǎn)和難點(diǎn) 5 1.4.1 課題的研究?jī)?nèi)容 5 1.4.2 課題的重點(diǎn)和難點(diǎn) 6 第2章 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì) 8 2.1 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加載方式比較 8 2.2 傳動(dòng)方式 8 2.3 總體結(jié)構(gòu) 9 第3章 運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)與校核 11 3.1 滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算 11 3.1.1 靜載荷的計(jì)算 12 3.1.2 絲杠傳動(dòng)效率計(jì)算 13 3.1.3 絲杠剛度校核 14 3.1.4 絲杠強(qiáng)度校核 16 3.1.5 絲杠穩(wěn)定性校核 17 3.1.6 絲杠的傳動(dòng)功率 17 3.1.7 滾珠絲杠的幾何參數(shù) 18 3.2 伺服電機(jī)及減速機(jī)的選擇 20 3.2.1 減速機(jī)的選型 20 3.2.2 伺服電動(dòng)機(jī)的選型 22 3.3 各軸功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的計(jì)算 23 3.4 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 3.4.1 選擇齒輪的材料，熱處理方式，精度等級(jí)和齒輪齒數(shù) 24 3.4.2 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 24 3.4.3 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 27 3.4.4 齒輪精度設(shè)計(jì) 28 3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及校核 29 3.5.1 推力球軸承的選擇及校核 30 3.5.2 深溝球軸承的選擇及校核 31 3.6 絲杠軸的設(shè)計(jì)及校核 32 3.6.1 絲杠軸的基本參數(shù) 32 3.6.2 選擇軸的材料 33 3.6.3 絲杠軸的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩的計(jì)算 33 3.6.4 初步估算絲杠軸的最小直徑及進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 3.6.5 按疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)進(jìn)行絲杠軸的校核 34 第4章 材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核 36 4.1 移動(dòng)橫梁與筒形推桿聯(lián)結(jié)螺栓強(qiáng)度的校核 36 4.1.1承受工作拉力的螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算 37 4.1.2承受橫向剪力的螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算 38 4.2 筒形推桿的設(shè)計(jì)與校核 39 4.3 靜橫梁的校核 40 4.4 材料試驗(yàn)機(jī)立柱的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 41 4.4.1 立柱螺紋部分計(jì)算及校核 41 4.4.2 確定立柱螺紋部分的直徑 42 4.4.3 立柱的穩(wěn)定性校核 42 4.4.4 材料試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)時(shí)立柱校核 43 4.4.5 托架的設(shè)計(jì)及校核 45 總結(jié) 48 致謝 49 參考文獻(xiàn) 50 摘 要 本課題研究設(shè)計(jì)的是一種電動(dòng)缸型材料試驗(yàn)機(jī)。由于電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)具有定位精度高、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，可以取代以往蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠等傳動(dòng)方式。同時(shí)以往的材料試驗(yàn)機(jī)不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，只能進(jìn)行壓縮、拉伸、彎曲的實(shí)驗(yàn)。本課題設(shè)計(jì)的新型材料試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，同時(shí)加入對(duì)試樣的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用傳感器對(duì)試樣軸向變形、徑向變形、扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)計(jì)算機(jī)裝置顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)造出一種新型電動(dòng)缸型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。 本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展歷程以及試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)、電動(dòng)缸的發(fā)展?fàn)顩r以及優(yōu)缺點(diǎn)。第二部分闡述了所設(shè)計(jì)的電動(dòng)型材料試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)以及總體結(jié)構(gòu)。第三部分和第四部分則是主要進(jìn)行了材料試驗(yàn)機(jī)的主要機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及校核。電動(dòng)缸型材料試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)部分主要由圓柱齒輪、滾珠絲杠、減速機(jī)等三部分組成。經(jīng)過(guò)校核所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)均符合要求。在文章的最后簡(jiǎn)明的介紹了做本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的一些心得體會(huì)。 關(guān)鍵詞： 電動(dòng)缸 試驗(yàn)機(jī) 扭轉(zhuǎn) 滾珠絲杠 齒輪 ABSTRACT The research is designing an electric cylinder type material testing machine.The electric cylinder mechanism can replace the worm gear-worm fuzzy and the ball screw shaft and other transmission methods because of the electric cylinder mechanism can be designed according to the actual needs,while the electric cylinder mechanism has the advantage of the high positioning accuracy, high transmission efficiency, fast response, large carrying capacity and so on.While the conventional material testing machine can not be reverse experiment which only can do the compression, tension, bending experiment.Design of the project is a new material testing machine transmission through the electric cylinder bodies, while adding the sample twist mechanism, The specimen can be ameasuremented on the xial deformation, radial deformation, torsional deformation by the sensor .The computer device shows experimental results. The project create a new type of electric cylinder type universal material testing machine. First,The paper describes the development process of the testing machine at board and abroad as well as the development trend of testing machines, as well as the development of electric cylinder advantages and disadvantages.The second part describes the design of the electric drive of the material testing machine and the overall structure.The third part and the fourth part is mainly designing and checking the material testing machine mechanical transmission mechanism and material testing machine structure.The electric cylinder type material testing machine is mainly composed of cylindrical gear transmission, ball screw shaft and reducer.The drive system is designed to meet the requirements after checking .Finally,I introduced some experience according to the graduation design. Keywords: electric cylinder testing machine orsion ball screw shaft gear 第1章緒論 1.1 課題的提出 1.1.1 課題的研發(fā)背景 作為機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的本科畢業(yè)生，為了使自己能夠更快的適應(yīng)未來(lái)的工作生活，我們需要通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)來(lái)溫習(xí)四年所學(xué)到的知識(shí)，同時(shí)將自己四年所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到社會(huì)實(shí)踐中去。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們四年所學(xué)知識(shí)的檢驗(yàn)，也是我們挑戰(zhàn)自己的一個(gè)新的開始。為了鍛煉和檢驗(yàn)自己，在指導(dǎo)老師的引導(dǎo)之下，我選擇了1MN電動(dòng)缸型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。 1.1.2 課題的意義 材料的性能決定材料的應(yīng)用范圍。通常，把測(cè)定材料機(jī)械性能的儀器和設(shè)備稱為材料試驗(yàn)機(jī)。 材料試驗(yàn)機(jī)是一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，一個(gè)國(guó)家要想強(qiáng)大，就必須有強(qiáng)大的工業(yè)作為支柱，由于材料試驗(yàn)機(jī)是工業(yè)的基礎(chǔ)部門，所以在工業(yè)和信息化發(fā)達(dá)的國(guó)家里，對(duì)于材料試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)，都是非常重視的。 在各種科研實(shí)驗(yàn)和工程建設(shè)上，材料試驗(yàn)機(jī)是各種機(jī)械裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝置安全測(cè)試的重要設(shè)備。眾所周知，當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，如果強(qiáng)度不滿足，則需要增加結(jié)構(gòu)尺寸，但是盲目增加結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)造成原材料的浪費(fèi)，同時(shí)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不合理，會(huì)使其存在安全隱患。 國(guó)防工業(yè)是一個(gè)國(guó)家的重中之重，在軍工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的過(guò)程中，需要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，需要對(duì)所用的各種材料和機(jī)械部件的性能進(jìn)行檢測(cè)。需要在加工過(guò)程中對(duì)重要的零部件如齒輪、主軸，汽車驅(qū)動(dòng)橋等進(jìn)行硬度檢測(cè)，使得材料性能等符合要求，確保產(chǎn)品的質(zhì)量。 現(xiàn)今，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)τ谛率讲牧系囊笤絹?lái)越高。例如，航天飛機(jī)的制造和研發(fā)需要一種特殊性能的材料使其能夠承受大氣層摩擦所產(chǎn)生的高溫，進(jìn)入太空所能承受的低溫以3及運(yùn)行時(shí)的高速度等復(fù)雜環(huán)境條件?，F(xiàn)有的材料不能夠滿足其性能要求，故需要研制新型材料彌補(bǔ)現(xiàn)有材料的不足。例如，我國(guó)新式戰(zhàn)斗機(jī)J-20的隱形材料，在生產(chǎn)之前需要對(duì)其材料進(jìn)行反復(fù)檢驗(yàn)，使其滿足要求。顯而易見，所有關(guān)于材料機(jī)械性能的測(cè)試，離開材料試驗(yàn)機(jī)都是無(wú)法進(jìn)行的。 另外，由于材料試驗(yàn)機(jī)所涉及的科技領(lǐng)域是范圍很廣，例如，材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展需要需要涉及到高溫、低溫、液壓、光學(xué)、電子等領(lǐng)域，同時(shí)需要應(yīng)用各種測(cè)試，記錄和顯示裝置。因此，材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展，取決于很多領(lǐng)域的發(fā)展水平。 現(xiàn)今，大多數(shù)試驗(yàn)機(jī)是集機(jī)—光—電—液于一體的技術(shù)密集型高科技產(chǎn)品，其中多數(shù)產(chǎn)品屬于國(guó)家依法管理的計(jì)量?jī)x器。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、交通、運(yùn)輸、質(zhì)檢、計(jì)量、教育、醫(yī)療等各行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展日趨大型化、智能化、動(dòng)靜態(tài)功能復(fù)合化。 1.2 國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài) 20世紀(jì)初，由于建筑工業(yè)和機(jī)械加工業(yè)的快速發(fā)展，促使材料的的試驗(yàn)工作進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)。隨著布氏硬度計(jì)的制成，洛氏硬度計(jì)和維氏硬度計(jì)及蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)相繼問(wèn)世。 第二次世界大戰(zhàn)后，由于航空工業(yè)的快速發(fā)展，使得新型材料的研發(fā)工作隨之發(fā)展起來(lái)。伴隨著新型材料的發(fā)展，一系列新型材料試驗(yàn)機(jī)，如高溫材料試驗(yàn)機(jī)，高速材料試驗(yàn)機(jī)、低速材料試驗(yàn)機(jī)和高頻材料試驗(yàn)機(jī)等相繼出現(xiàn)，負(fù)荷測(cè)量系統(tǒng)和變形測(cè)量系統(tǒng)也有了新的發(fā)展。 20世紀(jì)50年代，電子式材料試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)，引起了試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域的大改革，由于電子式試驗(yàn)機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)，因此其很受試驗(yàn)機(jī)行業(yè)的推崇，當(dāng)時(shí)的電子拉力和電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，在國(guó)外已經(jīng)成批生產(chǎn)并推廣使用，由于在材料試驗(yàn)機(jī)的控制、測(cè)量和記錄系統(tǒng)中，廣泛采用電子技術(shù)，使得試驗(yàn)機(jī)有了新的面貌。 20世紀(jì)60年代，試驗(yàn)機(jī)又采用了電液伺服控制系統(tǒng)，使得材料試驗(yàn)機(jī)的性能有了很大的提高。 近些年來(lái)，由于社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了越來(lái)越高的要求，許多重要產(chǎn)品的零部件需要在各種復(fù)雜的情況下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。因此，材料試驗(yàn)機(jī)中不斷地的采用了一些新的技術(shù)，例如電子計(jì)算機(jī)等。所有這些新型技術(shù)的應(yīng)用，不僅使材料試驗(yàn)機(jī)的性能有所提高，同時(shí)也使材料試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生很大的變化。 我國(guó)的材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展歷程較為短暫：建國(guó)初期的材料試驗(yàn)機(jī)主要是從戰(zhàn)略盟友蘇聯(lián)和捷克以及民主德國(guó)引進(jìn)的，60年代以仿制外國(guó)試驗(yàn)機(jī)為主，70年代開始進(jìn)行批量生產(chǎn)，80年代進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)，90年代引進(jìn)外國(guó)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。新中國(guó)材料料試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)是以長(zhǎng)春材料試驗(yàn)機(jī)研究所為源頭的，以此為基礎(chǔ)研發(fā)出各類型試驗(yàn)機(jī)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器。由于歐美國(guó)家限制試驗(yàn)機(jī)等尖端科技產(chǎn)品的出口，我國(guó)的國(guó)防工業(yè)和研究所不能直接引進(jìn)試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵零部件，因此，要發(fā)展中國(guó)的試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)業(yè)，就必須走自主創(chuàng)新的道路，在我國(guó)技術(shù)人員的努力攻關(guān)下，我國(guó)試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)業(yè)有了十足的發(fā)展，試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)水平與國(guó)外試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)差距正在減小。 近來(lái)，國(guó)外生產(chǎn)的一些萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，由于采用了一些新型技術(shù)，材料試驗(yàn)機(jī)機(jī)的應(yīng)用范圍有所擴(kuò)大。該試驗(yàn)機(jī)除了能做拉壓，彎，剪切靜態(tài)試驗(yàn)外，還能夠進(jìn)行蠕變和松弛試驗(yàn)，，有的還能進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，測(cè)定材料的疲勞極限。 試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品無(wú)論是拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，沖擊試驗(yàn)機(jī)還是疲勞試驗(yàn)機(jī)，核心技術(shù)主要體現(xiàn)在測(cè)量元件。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)是誰(shuí)采用了新的測(cè)量元件，誰(shuí)的產(chǎn)品就提升了檔次，誰(shuí)就能以全新產(chǎn)品搶占市場(chǎng)。 1.2.2 國(guó)內(nèi)外各種試驗(yàn)機(jī)的介紹 試驗(yàn)機(jī)是用來(lái)進(jìn)行材料力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試的機(jī)械儀器，材料的質(zhì)量檢測(cè)和力學(xué)性能的測(cè)試都需要通過(guò)材料試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)在科學(xué)研究和各類材料試驗(yàn)中是不可缺少的，材料試驗(yàn)機(jī)是各類科學(xué)研究的基礎(chǔ)，離開試驗(yàn)機(jī)各類科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)都無(wú)法進(jìn)行。我國(guó)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)品種較多，分布于各類科研單位和生產(chǎn)工廠，但是我國(guó)的試驗(yàn)機(jī)大多數(shù)以手動(dòng)調(diào)節(jié)為主，大部分測(cè)試裝置為杠桿式測(cè)量裝置，測(cè)試設(shè)備老化。同時(shí)測(cè)試時(shí)進(jìn)給調(diào)節(jié)以手動(dòng)調(diào)整為主，勞動(dòng)量較大，同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示裝置一般為儀表式裝置，測(cè)量設(shè)備老化，造成測(cè)量裝置測(cè)試結(jié)果不精確。如果與國(guó)際技術(shù)相接軌，采用新型傳感設(shè)備以及計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)則能使試驗(yàn)機(jī)的性能大大的提高，從而發(fā)揮出試驗(yàn)機(jī)的最大機(jī)能，使其能夠更好地為科研和教學(xué)服務(wù)。本課題所研制的試驗(yàn)機(jī)，采用國(guó)際上最為先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)、控制技術(shù)、電動(dòng)缸、傳感技術(shù)。使得本試驗(yàn)機(jī)的性能大大提高。同時(shí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試裝置所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，將所記錄的結(jié)果反映到顯示器上。本課題所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)的前提需要掌握大量的動(dòng)態(tài)信息，采用虛擬技術(shù)進(jìn)行材料試驗(yàn)機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和模擬分析，然后在機(jī)構(gòu)分析合理之后，進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)，制造出全新的材料試驗(yàn)機(jī)。然而，在我國(guó)各類科研單位所使用的液壓式和機(jī)械式材料試驗(yàn)機(jī)依舊很多。因此，新式試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展還需經(jīng)歷漫長(zhǎng)的歷程。 下面對(duì)現(xiàn)今市場(chǎng)上的各種萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)作簡(jiǎn)要的介紹： ⑴ 液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) 傳統(tǒng)的材料試驗(yàn)機(jī)是液壓式的, 它 液壓材料試驗(yàn)機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)容易發(fā)生故障，油泵和油缸等液壓驅(qū)動(dòng)以及傳動(dòng)裝置的損壞會(huì)造成試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果的不精確，同時(shí)液壓試驗(yàn)機(jī)的夾具較為笨重，容易發(fā)生破壞，液壓系統(tǒng)的較大故障頻率會(huì)加大儀器的維修量。同時(shí)液壓材料試驗(yàn)機(jī)采用擺錘進(jìn)行力的測(cè)量，擺錘具有較大的慣性，致使測(cè)量結(jié)果不精確，同時(shí)，該種測(cè)量裝置的測(cè)量范圍較小。 ⑵ 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)是先進(jìn)的機(jī)械技術(shù)與現(xiàn)代的電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是充分發(fā)揮了機(jī)、電技術(shù)各自特長(zhǎng)而設(shè)計(jì)而成的大型精密測(cè)試儀器，它具有高科技的特點(diǎn)，而且其設(shè)計(jì)方法是模塊化的。采用集散技術(shù)，有效地利用微機(jī)的功能對(duì)各種附件和功能單元進(jìn)行管理和控制，以實(shí)現(xiàn)多種功能的試驗(yàn)。 電子材料試驗(yàn)機(jī)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。材料試驗(yàn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)包括底座、移動(dòng)橫梁、電動(dòng)缸及其支撐結(jié)構(gòu)、鉗口和應(yīng)變片等裝置。其中底座、動(dòng)靜橫梁及支撐結(jié)構(gòu)只需滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求即可,而應(yīng)變片和試驗(yàn)機(jī)的鉗口則是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵測(cè)量裝置和部件。 ⑶ 機(jī)械式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) 　　基于主機(jī)架采用門式結(jié)構(gòu)，使得試驗(yàn)機(jī)的造型勻稱美觀且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。尤其配以滾珠絲杠的傳動(dòng)系統(tǒng)，使得整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)快、噪聲低、效率高。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，微機(jī)可以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零，自動(dòng)標(biāo)定、自動(dòng)換檔，從而保證了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，同時(shí)大大地提高了工作效率。 1.2.3 國(guó)內(nèi)外各種試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)今的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)主要分為機(jī)械式，液壓式和電子式三種。近來(lái)電液伺服控制系統(tǒng)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)后來(lái)者居上。 機(jī)械式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的加荷裝置和測(cè)力裝置一般采用機(jī)械傳動(dòng)。這種試驗(yàn)機(jī)具有足夠的精度和穩(wěn)定性。但載荷承受能力被限制在一定的范圍內(nèi)，材料試驗(yàn)的最大工作載荷多在10噸以下。因測(cè)力裝置的所產(chǎn)生的慣性較大，加荷速度受到一定限制。因此，國(guó)外一些知名生產(chǎn)廠廠商已經(jīng)不再生產(chǎn)該類型材料試驗(yàn)機(jī)。 液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，利用液壓傳動(dòng)裝置進(jìn)行加荷。加荷范圍一般為10-200噸之間。最大負(fù)荷能高達(dá)5500噸。與機(jī)械式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)相比，其加載負(fù)荷較大，且加荷速度可自由調(diào)節(jié)。 近些年來(lái)，各國(guó)都在大力發(fā)展電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。這是一種將電子技術(shù)應(yīng)用于試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷系統(tǒng)與變形系統(tǒng)中，能夠精確地進(jìn)行測(cè)量和記錄的新型材料試驗(yàn)機(jī)。 1.3 電動(dòng)缸的發(fā)展及應(yīng)用 1.3.1 電動(dòng)缸的發(fā)展及應(yīng)用 電動(dòng)缸是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的一種裝置，是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)的全新革命性產(chǎn)品。 隨著工廠自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，電動(dòng)缸應(yīng)用越來(lái)越廣。電動(dòng)缸能夠把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，是一種響應(yīng)高、壽命長(zhǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前在鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，主要用于原料碼頭、原料場(chǎng)、燒結(jié)廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠等工作場(chǎng)所的卸料、卸煤、卸礦、卸灰、皮帶運(yùn)輸機(jī)、除塵器等設(shè)備上。和其他裝置上采用液壓或氣壓作為驅(qū)動(dòng)源的系統(tǒng)相比，電動(dòng)缸直接由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，不再需要油、氣等傳遞動(dòng)力，可以避免因漏油、漏氣致使系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)傳動(dòng)不準(zhǔn)確、使用不方便，所以電動(dòng)控制系統(tǒng)比液壓系統(tǒng)具有更為優(yōu)越的控制特性，由于滾珠絲杠的成功運(yùn)用使得電動(dòng)缸裝置電具有更高的機(jī)械剛性，同時(shí)相對(duì)于其他裝置具有更長(zhǎng)的使用壽命和更高的抗沖擊能力。具有很高傳動(dòng)效率的的滾珠絲桿傳動(dòng)裝置適合做精確的定位和長(zhǎng)距離的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，適合大軸向載荷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滾珠絲杠傳動(dòng)副具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。 1.3.2 電動(dòng)缸的性能特點(diǎn) 電動(dòng)缸具有著獨(dú)特的性能特點(diǎn)，相比于液壓和氣壓系統(tǒng)有明顯的優(yōu)越性。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ⑴ 定位精確。如果采用伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，伺服控制系統(tǒng)精度高，它與高精度的傳動(dòng)件配合可以使電動(dòng)缸的控制精度得到大大的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)0.01mm左右的精確定位。 ⑵ 傳動(dòng)效率高。如果采用滾珠絲桿副作為傳動(dòng)件以實(shí)現(xiàn)直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減少往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦，傳動(dòng)效率可達(dá)90%以上，比液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高出大約15%左右。 ⑶ 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快。 直線的運(yùn)動(dòng)速度范圍可達(dá)到55mm/s ,而液壓缸只能達(dá)到35mm/s。 ⑷ 承載范圍廣。可以實(shí)現(xiàn)從幾十公斤到上百噸的承載范圍。 ⑸ 使用壽命長(zhǎng)，如果采用滾珠絲桿等高精度傳動(dòng)件，在減少摩擦的同時(shí)也可以提高電動(dòng)缸的使用壽命。 ⑹ 結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用空間。電動(dòng)缸是一種非標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品，可以按照所使用的環(huán)境充分考慮空間而進(jìn)行設(shè)計(jì)。 ⑺ 環(huán)境適用能力強(qiáng)。可以在干燥、高溫、風(fēng)雨等惡劣環(huán)境下適用，不同液壓和氣壓系統(tǒng)要充分考慮環(huán)境等因素。 1.4 課題的研究?jī)?nèi)容及重點(diǎn)和難點(diǎn) 1.4.1 課題的研究?jī)?nèi)容 本課題研究設(shè)計(jì)的一種電動(dòng)缸型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，由于電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)具有定位精度高、傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快、承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，可以取代以往蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠等傳動(dòng)方式。同時(shí)以往的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，只能進(jìn)行壓縮、拉伸、彎曲的實(shí)驗(yàn)。本課題設(shè)計(jì)的新型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，同時(shí)加入對(duì)試樣的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用傳感器對(duì)試樣軸向變形、徑向變形、扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)計(jì)算機(jī)裝置顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)造出一種新型電動(dòng)缸型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。本課題中為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度加入現(xiàn)代技術(shù)使該試驗(yàn)機(jī)成為既可靠又有技術(shù)含量的現(xiàn)代產(chǎn)品，其中新的思想很重要，但完全脫離現(xiàn)有產(chǎn)品也是不切實(shí)際的，要把握一個(gè)度的問(wèn)題。 1.4.2 課題的重點(diǎn)和難點(diǎn) 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算；試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算； ⑴ 橫梁的剛度及聯(lián)桿的剛度 如果過(guò)高的要求橫梁及聯(lián)桿的剛度，則會(huì)造成材料的浪費(fèi)，造成成本增加。只有在進(jìn)行撓性測(cè)試時(shí)橫梁的剛度才會(huì)顯得極為重要。在試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，聯(lián)桿的剛度和強(qiáng)度必須滿足要求，同時(shí)設(shè)計(jì)之后要對(duì)其剛度和強(qiáng)度機(jī)型校核，剛度不滿足則會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的精確性，而強(qiáng)度不滿足則會(huì)對(duì)危害人機(jī)安全，因此，在設(shè)計(jì)橫梁和聯(lián)桿時(shí)，必須對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。 ⑵ 電動(dòng)缸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速裝置、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等四大部分。電動(dòng)缸的設(shè)計(jì)方案是多種多樣的，最重要的是設(shè)計(jì)一個(gè)滿足功能要求、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)保并且管理維護(hù)方便的電動(dòng)缸。 ⑶ 測(cè)力系統(tǒng) 測(cè)力系統(tǒng)必須精確而且要求重復(fù)精度較高，精確度保持在0.5%-0.01%范圍內(nèi)。 ⑷ 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng) 對(duì)于一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的評(píng)價(jià)的好壞，最為直接的觀察是在試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)其所測(cè)得的數(shù)據(jù)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)最為能反映實(shí)驗(yàn)機(jī)的功用特性和其性能指標(biāo)，一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)需要符合所制定試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，從而避免精度過(guò)低不能滿足使用要求或是精度要求過(guò)高造成成本浪費(fèi)。 ⑸ 扭轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)安裝 扭轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)前提是保證立柱不受扭矩的影響，從而保證測(cè)量結(jié)果精確。 ⑹ 底座的設(shè)計(jì) 試驗(yàn)機(jī)的底座需保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)合理，在保證滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)約材料，從而降低成本。 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)總共由五部分組成，即主機(jī)，力發(fā)生裝置，控制器和工作儀表以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中主機(jī)包括機(jī)架（機(jī)器的結(jié)構(gòu)主體），驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（用以實(shí)現(xiàn)粗加載的傳動(dòng)系統(tǒng)），控制器，工作儀表等。 如下圖所示，為所設(shè)計(jì)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的的總體結(jié)構(gòu)： 圖1-1 材料試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu) 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)總共由五部分組成，即主機(jī)，力發(fā)生裝置，控制器和工作儀表以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中主機(jī)包括機(jī)架（機(jī)器的結(jié)構(gòu)主體），驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（用以實(shí)現(xiàn)粗加載的傳動(dòng)系統(tǒng)），控制器，工作儀表等。 第2章 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì) 2.1 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加載方式比較 現(xiàn)今，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的加載方式主要有機(jī)械式和液壓式，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面比較一下兩種加載方式： 優(yōu)缺點(diǎn) 加載方式 機(jī)械式 液壓式 優(yōu)點(diǎn) 1. 易于實(shí)現(xiàn)且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 2. 無(wú)污染 1. 手動(dòng)操作容易 2. 能夠?qū)崿F(xiàn)較大的力，加荷速度可以自由調(diào)節(jié) 缺點(diǎn) 大載荷難于實(shí)現(xiàn)，一般僅適用于小于1000kN的力 難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，小距離操作難以實(shí)現(xiàn)，且容易對(duì)環(huán)境造成污染 表2-1：加載方式優(yōu)缺點(diǎn)比較 本課題所設(shè)計(jì)的的載荷規(guī)格為1MN，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，故以上兩種加載方式均不滿足，因此需選用一種全新的加載方式，利用電動(dòng)缸進(jìn)行加載，電動(dòng)缸加載方式具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快、承載范圍廣、環(huán)境適用能力強(qiáng)、定位精確等優(yōu)點(diǎn)，在滿足載荷要求的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行自動(dòng)控制，且傳動(dòng)效率高，故本課題采用電動(dòng)缸加載。 2.2 傳動(dòng)方式 本課題所設(shè)計(jì)的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)采用電動(dòng)缸進(jìn)行加載，故試驗(yàn)機(jī)的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于電動(dòng)缸中，電動(dòng)缸可以依據(jù)不同的載荷要求自行設(shè)計(jì)，電動(dòng)缸的主要傳動(dòng)為螺旋傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，螺旋傳動(dòng)采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，滾珠絲杠副采用墊片式消隙和預(yù)緊方式，可通過(guò)調(diào)整預(yù)緊力來(lái)改變其松緊程度，以便使絲杠能夠正常運(yùn)行。齒輪傳動(dòng)采用一級(jí)圓柱齒輪減速，將減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速降到絲杠所需要的額定轉(zhuǎn)速。 2.3 總體結(jié)構(gòu) 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)圖以及電動(dòng)缸原理圖如圖所示 1-筒形推桿 2-滾珠絲杠副 3-裝置下部分總為電動(dòng)缸 圖2-1 材料試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)采用電動(dòng)缸進(jìn)行加載，電動(dòng)缸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)連接減速機(jī)進(jìn)行降速同時(shí)增大扭矩，減速機(jī)通過(guò)一級(jí)圓柱齒輪減速與滾珠絲杠連接，通過(guò)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，與絲杠連接的絲杠螺母推動(dòng)移動(dòng)橫梁進(jìn)行縱向進(jìn)給，同時(shí)扭轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。 電動(dòng)缸原理圖如下圖所示： 電動(dòng)缸的主要結(jié)構(gòu)為：圓筒形推桿、滾珠絲杠螺母副、齒輪、減速機(jī)、伺服電機(jī)、底座、齒輪箱等。滾珠螺母與筒形推桿相聯(lián)結(jié), 套在滾珠絲杠之上, 由于滾珠絲杠的正反轉(zhuǎn), 使得滾珠螺母和筒形推桿作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本課題中所設(shè)計(jì)的電動(dòng)缸由于采用滾動(dòng)螺旋副，摩擦力很小,且機(jī)械效率高,節(jié)省電能, 結(jié)構(gòu)就小巧。為了保證絲杠的定位精度，本課題除了考慮絲杠剛度和強(qiáng)度外，還應(yīng)該在結(jié)構(gòu)的整體布局上盡可能使用螺母和絲杠承受同樣的拉和壓，以使兩者在軸向變形方向上一致，從而減少螺母與絲杠之間的變形量之差。由于滾珠絲杠副不能自鎖, 所以本電動(dòng)缸采用了制動(dòng)電機(jī), 以防止電機(jī)停機(jī)時(shí)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。制動(dòng)電機(jī)是由伺服電動(dòng)機(jī)和電磁摩擦制動(dòng)裝置兩部分構(gòu)成。當(dāng)電源接通后, 制動(dòng)器所產(chǎn)生的電磁吸力克服彈簧的作用力, 使摩擦部分脫離, 于是電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電源切后, 電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和制動(dòng)器的電磁吸力便同時(shí)消失。電磁鐵在彈簧力的作用下便產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力矩, 電機(jī)在0.15s-0.5s的極短的時(shí)間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。本試驗(yàn)機(jī)是采用垂直方向安裝的滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫落以致發(fā)生事故，因此，在課題設(shè)計(jì)時(shí)采用限位擋塊以保證其安全運(yùn)行。 1 筒形推桿 2 滾珠絲杠 3 滾珠螺母 4 減速齒輪 5減速機(jī)底座 圖2-2 電動(dòng)缸傳動(dòng)原理圖 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的主體部分是它的主體結(jié)構(gòu)，所占用的空間與工作空間以及試驗(yàn)場(chǎng)地等有著密切的聯(lián)系，因此，在進(jìn)行主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮其體積和其占用的空間，同時(shí)需要滿足安裝和運(yùn)輸?shù)姆奖阈?。本試?yàn)機(jī)采用脂潤(rùn)滑。因此應(yīng)保證在一定的情況下進(jìn)行脂潤(rùn)滑，以保證機(jī)器運(yùn)行良好，同時(shí)在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行軸承預(yù)緊，如果不進(jìn)行預(yù)緊，則機(jī)構(gòu)容易松動(dòng)從而引起振動(dòng)。綜上，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮各種因素對(duì)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。 第3章 運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)與校核 3.1 滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠副是絲杠和螺母的滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋之間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。它的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠體沿著螺紋滾到移動(dòng)，螺母的槽兩端裝有回程裝置，滾珠通過(guò)此裝置自動(dòng)返回入口，滾珠絲杠副如下圖所示： 圖3-1 滾珠絲杠副 為提高滾珠絲杠副傳動(dòng)的定位精度、重復(fù)定位精度及軸向剛度，絲杠和螺母之間需要進(jìn)行預(yù)緊，采用墊片式預(yù)緊，預(yù)緊力一般為最大軸向載荷的1/3。 滾珠絲杠副的承載能力取決于它的抗疲勞能力，因此選擇滾珠絲杠的型號(hào)前需按壽命條件和額定動(dòng)載荷和校驗(yàn)其基本參數(shù)，由于試驗(yàn)機(jī)工進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)速很低，因此可僅按額定靜載荷確定和校核其尺寸。同時(shí)檢驗(yàn)載荷是否超過(guò)額定靜載荷，絲杠的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性也需要進(jìn)行驗(yàn)證校核。 采用外循環(huán)，墊片式預(yù)緊。 接觸角= 比值 滾道圓弧偏心距 滾珠絲杠副最大工作載荷為1MN，最大動(dòng)載荷 式中： —最大動(dòng)載荷 —滾珠絲杠副的壽命 —硬度系數(shù) 查表得 —載荷系數(shù) 查表得 式中： 單位r 設(shè) n 為絲杠每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù) 橫梁移動(dòng)速度 選取 絲杠轉(zhuǎn)速 則 則 3.1.1 靜載荷的計(jì)算 當(dāng)時(shí)，滾珠絲杠副承受工作載荷可按靜載荷確定和用靜載荷校核滾珠絲杠的尺寸。 (3.1) 其中： — 載荷系數(shù) 查表得 ,取 — 靜載荷硬度影響系數(shù) 查表得 — 絲杠載荷加20%的余量 由公式（3.1）計(jì)算得： 初選滾珠絲杠的型號(hào)： 由于 ，同時(shí)靜載荷要求 根據(jù)額定動(dòng)載荷及額定靜載荷，初選滾珠絲杠副的規(guī)格型號(hào)和有關(guān)參數(shù)。（選取時(shí)應(yīng)該注意公稱直徑和導(dǎo)程盡量首選優(yōu)先組合。） 選取型滾珠絲杠副，其基本參數(shù)如下： 公稱直徑 導(dǎo)程 回路數(shù)（圈數(shù)列數(shù)） 2.53 鋼球直徑 剛度 3.1.2 絲杠傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率一般在0.8-0.9之間，可由下式進(jìn)行計(jì)算： （3.2） 其中： — 絲杠的螺旋升角，由進(jìn)行計(jì)算。 — 摩擦角，一般取為。 計(jì)算絲杠的螺旋升角： 則： 3.1.3 絲杠剛度校核 ⑴ 滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量，在總變形量中所占有的比例較大，可由下式進(jìn)行計(jì)算： （3.3） 式中： — 絲杠的最大工作載荷。 — 絲杠兩端支撐間的距離，單位為mm，取=1400mm。 — 絲杠材料的彈性模量。鋼的彈性模量 — 絲杠按底徑確定的截面積。單位為。 — 轉(zhuǎn)矩 單位為 — 絲杠按底徑確定的截面慣性矩 單位為 經(jīng)過(guò)計(jì)算得： 由于較小，可以忽略不計(jì)。 代入公式（3.3）得： ⑵ 滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形量，可從產(chǎn)品型號(hào)中選擇出來(lái)。 無(wú)預(yù)緊時(shí) 有預(yù)緊時(shí) — 滾珠的直徑。 單位為 mm。 — 滾珠的總數(shù)量 — 單圈滾珠數(shù) — 預(yù)緊力 單位 當(dāng)滾珠絲杠螺母副有預(yù)緊時(shí)，而且預(yù)緊力到達(dá)軸向工作載荷時(shí)，的值可以減小一半。 滾珠 （單圈滾珠數(shù)） 代入公式得 當(dāng)進(jìn)行軸向預(yù)緊時(shí)，軸向的預(yù)緊力 滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形為： 絲杠的總變形量 一般滾珠絲桿的總變形量不應(yīng)該大于機(jī)器所規(guī)定的定位精度的一半，也可以由絲杠精度等級(jí)查出其基準(zhǔn)長(zhǎng)度的行程偏差 ，則 故 。 絲杠剛度符合要求。 3.1.4 絲杠強(qiáng)度校核 絲杠轉(zhuǎn)矩計(jì)算： （3.4） — 當(dāng)量摩擦角 — 絲杠公稱直徑 — 絲杠螺旋升角 且 由公式（3.4）計(jì)算得 采用墊片式預(yù)緊，因此絲杠進(jìn)行預(yù)緊時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也需要進(jìn)行計(jì)算，預(yù)緊力是最大軸向力的1/3，則 滾珠絲杠總轉(zhuǎn)矩： 當(dāng)量應(yīng)力： — 滾珠絲杠螺紋底徑 單位mm 查表得： 根據(jù)強(qiáng)度條件得出： 則滾珠絲杠滿足強(qiáng)度要求。 3.1.5 絲杠穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠屬于承受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，如果軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷應(yīng)滿足： （3.5） — 臨界載荷，單位為。 — 絲杠支撐系數(shù)， — 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.5- 4，垂直安裝時(shí)取最 小值，取 — 絲杠兩端支承間的距離，單位為mm，取 故滿足要求。 3.1.6 絲杠的傳動(dòng)功率 滾珠絲杠由轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng)： 滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)功率： 故滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)功率為 3.1.7 滾珠絲杠的幾何參數(shù) 滾珠絲杠的公稱直徑及外徑和底徑及螺旋升角等如下圖所示： 公稱直徑 導(dǎo)程 圖3-2 滾珠絲杠副螺旋升角及導(dǎo)程 圖3-3 滾珠絲杠副徑向尺寸 螺旋升角 滾珠直徑 額定靜載荷 滾道圓弧偏心距 螺紋滾道曲率半徑 滾珠絲杠的螺紋底徑 滾珠絲杠螺紋大徑 滾珠絲杠螺紋螺紋長(zhǎng)度由其所在的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行確定 滾珠絲杠軸頸根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定 滾珠螺母的螺紋底徑 滾珠螺母的螺紋小徑 滾珠螺母外徑 滾珠螺母全長(zhǎng) 每圈中的鋼球數(shù) 工作中滾珠螺母中的滾珠總數(shù) 滾珠絲杠副在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意如下問(wèn)題： ⑴ 受力合理 為了保證絲杠的定位精度，本課題除了考慮絲杠剛度和強(qiáng)度外，還應(yīng)該在結(jié)構(gòu)的整體布局上盡可能使用螺母和絲杠承受同樣的拉和壓，以使兩者在軸向變形方向上一致，從而減少螺母與絲杠之間的變形量之差。此外，滾珠螺旋傳動(dòng)應(yīng)盡量避免徑向的載荷，避免使絲杠產(chǎn)生撓度，絲杠上的齒輪是產(chǎn)生徑向載荷的零件，應(yīng)該使其盡可能的靠近絲杠徑向的軸承端。除此之外，要盡可能的減少絲杠，螺母所受到的傾覆力矩，盡量使部件所受到的移動(dòng)阻力的合力在絲杠的軸線上。由于本試驗(yàn)機(jī)采用的是電動(dòng)缸內(nèi)單絲杠，故其阻力一定通過(guò)絲杠的中心線，同時(shí)要確保立柱、徑橫梁以及底座加工的尺寸精度。 ⑵ 防止絲杠逆轉(zhuǎn) 滾珠絲杠傳動(dòng)的反向行程不能自鎖，為了使用滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)受到軸向力后不產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)，在此試驗(yàn)機(jī)中采用了制動(dòng)電機(jī)，該制動(dòng)電機(jī)通過(guò)電磁摩擦制動(dòng)裝置防止絲杠逆轉(zhuǎn)。 ⑶ 安全裝置 本試驗(yàn)機(jī)是采用垂直方向安裝的滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫落以致發(fā)生事故，因此，在課題設(shè)計(jì)時(shí)采用限位擋塊以保證其安全運(yùn)行。 ⑷ 密封與潤(rùn)滑 為了防止灰塵和污物物進(jìn)入螺紋滾道，以致妨礙鋼球在螺母副中運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢性，同時(shí)加快鋼球與滾道之間的磨損，設(shè)計(jì)中一定采取防護(hù)措施，進(jìn)行密封。此試驗(yàn)機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用上端防塵罩密封以及低端利用端蓋密封底座。由于絲杠轉(zhuǎn)速較慢，試驗(yàn)機(jī)裝置采用高粘度潤(rùn)滑劑進(jìn)行脂潤(rùn)滑。 3.2 伺服電機(jī)及減速機(jī)的選擇 3.2.1 減速機(jī)的選型 ⑴ 電動(dòng)缸所用伺服減速機(jī)選型 橫梁滿載時(shí)的最大移動(dòng)速度為，實(shí)驗(yàn)中所需施加的外力為，滿載時(shí)絲杠的總轉(zhuǎn)矩為： 且絲杠的轉(zhuǎn)速為： 由式 由此選取上海楓信傳動(dòng)有限公司生產(chǎn)的KN系列減速機(jī)KN280 額定輸出轉(zhuǎn)矩 最大輸出轉(zhuǎn)矩 額定輸入轉(zhuǎn)數(shù) 最大輸入轉(zhuǎn)數(shù) 效率 90% 重量 142kg 環(huán)境溫度 負(fù)載類型 （小時(shí)次數(shù)，使用系數(shù)) 計(jì)算得： 減速機(jī)設(shè)計(jì)尺寸： 圖3-4 KL280減速機(jī)示意圖 ⑵ 扭轉(zhuǎn)所用伺服減速機(jī)選型 進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，所施加的最大扭矩為，最大回轉(zhuǎn)角為。 所選試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)夾頭轉(zhuǎn)速為，即 ，。 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)所需功率 由此選取上海楓信傳動(dòng)有限公司生產(chǎn)的KBR系列減速機(jī)KBR90 額定輸出轉(zhuǎn)矩 傳動(dòng)比 最大輸出轉(zhuǎn)矩 額定輸入轉(zhuǎn)數(shù) 最大輸入轉(zhuǎn)數(shù) 效率 90% 重量 125kg 環(huán)境溫度 負(fù)載類型 （小時(shí)次數(shù)，使用系數(shù)) 減速機(jī)設(shè)計(jì)尺寸： 圖3-5 KBR90減速機(jī)示意圖 3.2.2 伺服電動(dòng)機(jī)的選型 根據(jù)裝置所選用的減速機(jī)計(jì)算并選擇伺服電動(dòng)機(jī)，故選擇施耐德電氣公司所生產(chǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)。 所選電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下表： 絲杠伺服電機(jī)： 型號(hào) 電壓 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 最大速度 頻率 4FC018E 380v 18.5KW 61.4Nm 3000r/min 5000r/min 50HZ 表3-1 絲杠伺服電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 電壓 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 最大速度 慣量 BCH1303M 380v 0.9KW 8.59Nm 2000r/min 1000r/min 11.18 表3-2 扭轉(zhuǎn)伺服電機(jī)參數(shù) 3.3 各軸功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的計(jì)算 工進(jìn)時(shí)，絲杠軸的轉(zhuǎn)速為，功率，轉(zhuǎn)矩。 則齒輪1軸轉(zhuǎn)速 功率在傳遞的過(guò)程中存在功率損失，滾珠絲杠的傳遞效率為0.956，圓柱齒輪的傳遞效率為0.96，其他聯(lián)結(jié)部分的傳遞效率為0.9。故： 所以1軸功率 1軸轉(zhuǎn)矩 3.4 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 本課題采用閉式單級(jí)直齒圓柱齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，小齒輪輸入功率, 轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比為i=2.4，原動(dòng)機(jī)輕微振動(dòng)，工作機(jī)載荷均勻平穩(wěn)，額定工作使用壽命為10000小時(shí)。 3.4.1 選擇齒輪的材料，熱處理方式，精度等級(jí)和齒輪齒數(shù) 考慮到齒輪傳遞的功率較大，且使用壽命較長(zhǎng)，查表得，選大、小齒輪的材料選用40鋼，表面進(jìn)行淬火處理，齒面硬度為HRC，熱處理質(zhì)量級(jí)別 Q=ML，而且齒面嚙合類型為硬齒面，大齒輪和小齒輪結(jié)構(gòu)的布置形式均為對(duì)稱布置，大小齒輪的精度均選為7級(jí)精度。 選小齒輪齒數(shù)， 取，傳動(dòng)比 3.4.2 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)，承載能力一般取決于彎曲疲勞強(qiáng)度，因此先按照彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)算接觸強(qiáng)度。由公式得 （3.6） 確定式中所給出的各項(xiàng)的數(shù)值 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的載荷為均勻平穩(wěn)，查機(jī)械設(shè)計(jì)表6-3查得,因此初選載荷系數(shù)為。 式中： — 端面重合度 — 分度圓螺旋角，對(duì)直齒輪，。 將，代入上式中，計(jì)算端面重合度； 式中： — 重合度系數(shù) 將代入式中； 有手冊(cè)中表6-6，選取 ； 式中： — 齒寬系數(shù) 由手冊(cè)圖6-19、6-20查得 式中： — 齒形系數(shù) — 應(yīng)力修正系數(shù) （3.7） 式中：N — 齒輪工作應(yīng)力的循環(huán)次數(shù) n — 齒輪轉(zhuǎn)速，r/min； J — 齒輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)同一齒面嚙合的次數(shù)； — 齒輪的工作壽命，單位為h； 代入式中計(jì)算得： 由手冊(cè)圖6-21查得，， 式中： — 彎曲強(qiáng)度的壽命系數(shù) 取 由手冊(cè)中圖6-22d按齒面硬度均值為51HRC，在ML線上查得 式中 — 齒輪的彎曲疲勞極限 取 ，設(shè)計(jì)齒輪模數(shù)； 將所確定的各項(xiàng)數(shù)值代入（3.6）設(shè)計(jì)公式，求得： 修正： 由手冊(cè)圖6-7查得； 由手冊(cè)圖6-10查得； 由手冊(cè)表6-4查得； 式中： — 動(dòng)載系數(shù) — 齒向載荷分布系數(shù) — 齒向載荷分配系數(shù) 則 由手冊(cè)表6-1，選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 。 +齒輪的主要的幾何尺寸： ； ； ； ；取 3.4.3 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 （3.8） 由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得； 由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得； 由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得； 由設(shè)計(jì)手冊(cè)，按不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕，查得； 由設(shè)計(jì)手冊(cè)，按齒面硬度均值51HRC，在MQ和ML線中間查出 ； ??； 將確定出的各項(xiàng)數(shù)值代入接觸強(qiáng)度校核公式，得 接觸強(qiáng)度滿足。 3.4.4 齒輪精度設(shè)計(jì) 按齒輪選擇7級(jí)精度，查課程設(shè)計(jì)手冊(cè)齒輪公差表得 齒輪1齒距累積公差 Fp1=0.07129 齒輪1齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr1=0.05004 　　齒輪1公法線長(zhǎng)度變動(dòng)公差 Fw1=0.03648 　　齒輪1齒距極限偏差 fpt(±)1=0.01795 　　齒輪1齒形公差 ff1=0.01445 　　齒輪1一齒切向綜合公差 fi'1=0.01944 　　齒輪1一齒徑向綜合公差 fi''1=0.02538 　　齒輪1齒向公差 Fβ1=0.01782 　　齒輪1切向綜合公差 Fi'1=0.08574 　　齒輪1徑向綜合公差 Fi''1=0.07006 　　齒輪1基節(jié)極限偏差 fpb(±)1=0.01687 　　齒輪1螺旋線波度公差 ffβ1=0.01944 　　齒輪1軸向齒距極限偏差 Fpx(±)1=0.01782 　　齒輪1齒向公差 Fb1=0.01782 　　齒輪1x方向軸向平行度公差 fx1=0.01782 　　齒輪1y方向軸向平行度公差 fy1=0.00891 　　齒輪1齒厚上偏差 Eup1=-0.07180 　　齒輪1齒厚下偏差 Edn1=-0.28720 　　齒輪2齒距累積公差 Fp2=0.10566 　　齒輪2齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr2=0.06518 　　齒輪2公法線長(zhǎng)度變動(dòng)公差 Fw2=0.04591 　　齒輪2齒距極限偏差 fpt(±)2=0.01969 　　齒輪2齒形公差 ff2=0.01790 　　齒輪2一齒切向綜合公差 fi'2=0.02255 　　齒輪2一齒徑向綜合公差 fi''2=0.02779 　　齒輪2齒向公差 Fβ2=0.00630 　　齒輪2切向綜合公差 Fi'2=0.12356 　　齒輪2徑向綜合公差 Fi''2=0.09125 　　齒輪2基節(jié)極限偏差 fpb(±)2=0.01850 　　齒輪2螺旋線波度公差 ffβ2=0.02255 　　齒輪2軸向齒距極限偏差 Fpx(±)2=0.00630 　　齒輪2齒向公差 Fb2=0.00630 　　齒輪2x方向軸向平行度公差 fx2=0.00630 　　齒輪2y方向軸向平行度公差 fy2=0.00315 　　齒輪2齒厚上偏差 Eup2=-0.07875 　　齒輪2齒厚下偏差 Edn2=-0.31501 　　中心距極限偏差 fa(±)=0.04139 如下圖所示為齒輪設(shè)計(jì)： 圖3-6 大齒輪 3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及校核 對(duì)于轉(zhuǎn)速很低的軸承（n< 10r/min）一般不會(huì)出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕，但是在很大的靜載荷和沖擊載荷的作用下會(huì)使?jié)L動(dòng)體內(nèi)外圓滾道接觸處出現(xiàn)不均勻的塑性變形，從而使軸承在運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和噪聲致使軸承不能正常工作，對(duì)于試驗(yàn)機(jī)重載、低速，針對(duì)塑性變形，進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。 滾珠絲杠多采用滾動(dòng)軸承進(jìn)行支撐，由于其既承受軸向力，同時(shí)又承受徑向力，故采用兩套深溝球軸承和推力球軸承的組合，該組合設(shè)計(jì)常用于轉(zhuǎn)速很低的立軸。 圖3-7 軸承組合設(shè)計(jì) 3.5.1 推力球軸承的選擇及校核 對(duì)于推力球軸承，所受的軸向當(dāng)量載荷按下式進(jìn)行計(jì)算： （3.9） 式中： — 軸承所受的軸向載荷 — 軸承所受的徑向載荷 由于， 則； 基本額定靜載荷指的是受到載荷載荷最大的滾動(dòng)體與滾到接觸中心處所引起的接觸應(yīng)力達(dá)到一定值的載荷，用表示，基本額定靜載荷是用來(lái)限制軸承發(fā)生塑性變形的極限載荷，對(duì)于推力球軸承指的是中心軸向靜載荷（），依據(jù)基本額定靜載荷選擇軸承的公式為： （3.10） 式中： — 基本額定靜載荷，單位為N； — 當(dāng)量靜載荷，單位為N； — 靜強(qiáng)度安全系數(shù)，選?。? 計(jì)算得： 推力球軸承壽命的計(jì)算： — 壽命系數(shù)； 計(jì)算得： 選擇軸承的型號(hào)為51234 圖3-8 推力球軸承 基本尺寸/mm 安裝尺寸/mm 其他尺寸/mm 額定靜載荷 170 240 55 198 212 1.5 173 237 1.5 915 表3-3 推力球軸承參數(shù) 附： 軸向當(dāng)量動(dòng)載荷 軸向當(dāng)量靜載荷 軸向最小載荷 3.5.2 深溝球軸承的選擇及校核 深溝球軸承徑向當(dāng)量靜載荷取 （可忽略） （3.11） 則： 基本尺寸/mm 安裝尺寸/mm 其他尺寸/mm 額定靜載荷 160 290 48 174 276 2.5 203 246.9 1.5 218 表3-4 深溝球軸承參數(shù) 圖3-9 深溝球軸承 3.6 絲杠軸的設(shè)計(jì)及校核 3.6.1 絲杠軸的基本參數(shù) 滾珠絲杠副的基本尺寸，扭轉(zhuǎn)電機(jī)扭轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠絲杠所受到的轉(zhuǎn)矩為，故所產(chǎn)生的功率為 所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 式中： — 軸的抗扭截面系數(shù) 3.6.2 選擇軸的材料 軸的材料選用 （，，A的取值為） 絲杠軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其