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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 湘潭大學(xué)（興湘學(xué)院） 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 萬能材料試驗機 學(xué) 院： 興湘學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 2008963119 姓 名： 張 杰 指導(dǎo)教師： 周后明 完成日期： 2012年5月 湘 潭 大 學(xué)（興湘學(xué)院） 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 論文（設(shè)計）題目： 萬能材料試驗機設(shè)計 學(xué)號： 2008963119 姓名： 張杰 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 周后明 系主任： 周友行 一、主要內(nèi)容及基本要求 設(shè)計萬能材料試驗機的機械部分。主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1、最大試驗力：100kN 2、橫梁速度范圍：0.005mm/min～500mm/min無級；任意設(shè)定 3、試驗空間寬度：600mm 4、外形尺寸（長×寬×高）：1520mm×840mm×2125mm 5、整機形式：立式 設(shè)計要求： 1、完成方案設(shè)計和選擇 2、繪制部件裝配圖和主要零件圖，圖紙總量折合成A0，不少于2張 3、撰寫設(shè)計說明書，關(guān)鍵零件應(yīng)進行強度和剛度計算，說明書字?jǐn)?shù)不少于1~5萬 4、完成資料查閱和3000字的文獻(xiàn)翻譯 二、重點研究的問題 材料實驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和相關(guān)強度校核計算。 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 查閱資料、調(diào)研 第1，2周 2 制訂設(shè)計方案 第3，4周 3 分析與計算 第5，6周 4 繪部件裝配圖 第7，8、9周 5 繪零件圖 第10，11周 6 撰寫設(shè)計說明書 第12，13周 7 準(zhǔn)備答辯材料 第14周 8 畢業(yè)答辯 第15周 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) 1、機械設(shè)計手冊 2、機械傳動設(shè)計手冊 3、揚樂民等，脆性材料實驗機機械傳動機構(gòu)設(shè)計，機械工程師，2008，4 4、李曉杰，CSS-2200系列電子萬能試驗機，試驗技術(shù)與試驗機，1996，36 5、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資信 湘 潭 大 學(xué)（興湘學(xué)院） 畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表 學(xué)號 2008963119 姓名 張杰 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 萬能材料試驗機設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 論文 （設(shè)計）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 作者的畢業(yè)設(shè)計為萬能材料實驗機的設(shè)計，論文選題符合培養(yǎng)目標(biāo)要求，能體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)特點，達(dá)到了綜合訓(xùn)練的目的。該生具有較強的文獻(xiàn)查閱、資料綜合歸納整理的能力，能在設(shè)計工作中較熟練運用所學(xué)知識，畢業(yè)設(shè)計技術(shù)方案可行，工作量適當(dāng)，設(shè)計思路較清晰，論文質(zhì)量較好，同意參加答辯。 評閱人： 2012年5月 日 湘 潭 大 學(xué)（興湘學(xué)院） 畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見 學(xué)號： 2008963119 姓名： 張杰 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 32 頁 圖 表 6 張 論文（設(shè)計）題目：標(biāo)題應(yīng)簡短、明確、有概括性（大致反映文章的內(nèi)容、專業(yè)的特點和學(xué)科的范疇）。字?jǐn)?shù)適當(dāng)，一般不超過20個字。 內(nèi)容提要： 試驗機是在各種條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結(jié)構(gòu)機械性能、工 藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗旋轉(zhuǎn)零部件動態(tài)不平衡量的精密測試儀器，可以對材料進行拉伸、壓縮、 彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗。近年來，試驗機行業(yè)技 術(shù)突飛猛進。試驗機向著兩個方向即超微外力檢測與超大外力檢測發(fā)展。高檢測精度、 高靈敏度、運動平穩(wěn)、易于操縱是目前試驗機的主要發(fā)展方向。 本文首先概述了試驗機的基本定義、分類與國內(nèi)外一些重要生產(chǎn)商的成果。第二部分論述了所 想到的四種方案并對這些方案優(yōu)缺點作了分析和對比。在彼此比較后決定選第一種方案。第三部分 則是說明了試驗機的主要機械傳動部分的設(shè)計以及對它們的校核過程。試驗機的傳動部分主要由蝸 輪蝸桿、皮帶、滾珠絲杠三部分組成。經(jīng)過校核后所有設(shè)計均符合要求。在文章的最后簡明的介紹 了做本次畢業(yè)設(shè)計的一些心得體會。 指導(dǎo)教師評語 張杰同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計過程中，態(tài)度認(rèn)真，查閱了大量的相關(guān)中英文資料，并對設(shè)計任務(wù)作了認(rèn)真的理解與分析，通過多種設(shè)計方案的比較，從中提出了一個可行的設(shè)計方案。在畢業(yè)設(shè)計期間，對萬能材料實驗機的的機械部分進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)的設(shè)計計算。通過畢業(yè)設(shè)計張杰同學(xué)對機械設(shè)計的相關(guān)技巧、以及機械設(shè)制造相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識的掌握有了較大的進步，初步掌握了相關(guān)制圖軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用。論文立論正確，論述清楚，圖紙基本符合設(shè)計要求，論文達(dá)到畢業(yè)設(shè)計要求，同意參加答辯，推薦畢業(yè)設(shè)計成績?yōu)椤爸小薄? 指導(dǎo)教師： 2012年5月 日 答辯簡要情況及評語 能夠較好的回答老師提出的問題。 根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績評定為 。 答辯小組組長： 2012年5月 日 答辯委員會意見 經(jīng)答辯委員會討論，同意該畢業(yè)論文（設(shè)計）成績評定為 答辯委員會主任： 2012年5月 日 目錄 第1章 概述 1 1.1課題的提出 1 1.1.1課題產(chǎn)生的背景 1 1.1.2 課題的意義 1 1.2國內(nèi)外實驗機研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 1.2.1國內(nèi)外試驗機發(fā)展及其趨勢 2 1.2.1國內(nèi)外各種實驗機的介紹 5 1.3課題的內(nèi)容： 7 第2章 萬能材料試驗機總體設(shè)計 9 2.1加載方式 9 2.2 試驗機式樣的選擇 9 2.3傳動方式的對比與選擇 9 第3章 運動動力設(shè)計與驗算 14 3.1滾珠絲杠副的運動動力設(shè)計計算 14 3.1.1靜載荷條件 14 3.1.2絲杠壽命計算 15 3.1.3絲杠強度計算 15 3.1.4絲杠的穩(wěn)定性 16 3.1.5絲杠的剛度 17 3.1.6絲杠的傳動效率功率 19 3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù) 19 3.2電機的選擇 20 3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計算 21 3.4各級傳動的設(shè)計計算 21 3.4.1帶傳動設(shè)計計算（同步） 21 3.4.2蝸輪蝸桿減速器的計算 22 3.5支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗算 26 3.6動靜橫梁變形的驗算 28 3.6.1動橫梁變形的驗算 28 3.6.2靜橫梁變形的驗算 29 第4章 總結(jié) 31 參考文獻(xiàn)： 32 摘 要 試驗機是在各種條件、環(huán)境下測定金屬材料、非金屬材料、機械零件、工程結(jié)構(gòu)等的機械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗旋轉(zhuǎn)零部件動態(tài)不平衡量的精密測試儀器，可以對材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞、蠕變、持久、松弛、磨損、硬度等試驗。近年來，試驗機行業(yè)技術(shù)突飛猛進。試驗機向著兩個方向即超微外力檢測與超大外力檢測發(fā)展。高檢測精度、高靈敏度、運動平穩(wěn)、易于操縱是目前試驗機的主要發(fā)展方向。 本文首先概述了試驗機的基本定義、分類與國內(nèi)外一些重要生產(chǎn)商的成果。第二部分論述了所想到的四種方案并對這些方案優(yōu)缺點作了分析和對比。在彼此比較后決定選第一種方案。第三部分則是說明了試驗機的主要機械傳動部分的設(shè)計以及對它們的校核過程。試驗機的傳動部分主要由蝸輪蝸桿、皮帶、滾珠絲杠三部分組成。經(jīng)過校核后所有設(shè)計均符合要求。在文章的最后簡明的介紹了做本次畢業(yè)設(shè)計的一些心得體會。 關(guān)鍵詞 試驗機；蝸輪蝸桿；齒形帶；滾珠絲桿； ABSTRACT Test machine in various conditions and environment in metal materials, non-metallic materials, machinery accessory, engineering structures such as mechanical properties, technics performance, Internal defects and checking dynamic imbalance rotating parts of sophisticated testing equipment, such as materials tension, compression, bending, shear, reversing, impact, fatigue, creep, lasting and relaxation, wear, hardness tests. In recent years,the technic of the test machine industry advances rapidly. Test machine is the direction toward the development of the super-tiny force detection and the development of super-large external force testing. Detection of high-precision, high sensitivity, smooth motion, easily operated test machine is the main development direction presently. This paper first summarizes the test machine's basic definition, classification, and some important domestic and foreign manufacturers results. The second part, discussing about the experiences of the four projects as well as advantages and disadvantages of these projects are analyzed and compared . In comparison with each other decide the first option. The third part is the experiment, the major part of the mechanical drive design and the process of checking them. The main drive system of the test machine includes the worm, toothed belts, ball screw three components. After checking all the design had complied with the request. In the end concisely introduce the meeting and what had learned in the graduate design experiences. Keywords: Test Machine, Worm Gear & Worm，Toothed Belts，Ball Screws， 第1章 概述 1.1課題的提出 1.1.1課題產(chǎn)生的背景 作為機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)本科畢業(yè)生，為了能在走上工作崗位之后更快地進入職業(yè)角色、我們需要在通過畢業(yè)設(shè)計這一環(huán)節(jié)初步地將自己在大學(xué)四年中所學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用到實踐中去。所以在指導(dǎo)老師的引導(dǎo)之下，我選擇了萬能材料試驗機設(shè)計這個題目。 1.1.2 課題的意義 通常,把測定材料機械性能的儀器和設(shè)備稱為材料試驗機。但是，有些國家有時把測定材料物理性能（甚至化學(xué)性能）的儀器和設(shè)備也稱為材料試驗機。 國外，在工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家中，對于試驗機的研制和生產(chǎn)，都是比較重視的。這是因為，材料試驗機作為一個基礎(chǔ)工業(yè)部門，對于工業(yè)生產(chǎn)和科研工作有直接的不容忽視的影響。 實際上，對于工業(yè)生產(chǎn)和各種工程設(shè)計來說，材料試驗機是確保各種機器，車輛，船舶和結(jié)構(gòu)物的合理設(shè)計與安全運行的重要測試設(shè)備。因為，為了既經(jīng)濟又安全可靠地從事各種工程設(shè)計，必須根據(jù)材料的機械性能選取合適的材料。否則，可能造成浪費，或者導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的事故。而要獲得準(zhǔn)確的材料機械性能數(shù)據(jù)，只有使用材料試驗機。 在工業(yè)生產(chǎn)特別是軍事工業(yè)生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，常常需要對各種材料和零部件或整機進行檢定和測試。許多重要性的熱處理零部件，如軋鋼機的鋼輥，機器的主軸和汽車的連桿等，都要百分之百的進行硬度檢定。 在冶金工業(yè)生產(chǎn)中，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，也提出了許多新問題。例如現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，需要一些具有特殊性能的，能在高溫，低溫，高壓，高速以及各種復(fù)雜條件下工作的材料，因此必須研制新型材料與合金。鋼鐵廠生的鋼材，也需要隨時檢驗。顯而易見，所有這些研究和檢驗工作，離開材料試驗機是無法進行的。 上述幾點，已足以說明材料試驗機的發(fā)展對航空，冶金，機械，建筑和造船等工業(yè)部門，在合理設(shè)計工程結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進工藝和降低成本方面具有重要的意義。 另外，由于材料試驗機所涉及到的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域比較廣泛，如高溫技術(shù)，低溫技術(shù)，真空技術(shù)，液壓技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，電子技術(shù)和激光技術(shù)等，并且還應(yīng)用各種測試，記錄和顯示儀器，所以材料試驗機的技術(shù)發(fā)展，往往取決于很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的水平。 1.2國內(nèi)外實驗機研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1國內(nèi)外試驗機發(fā)展及其趨勢 伴隨著工業(yè)化的進程不斷深入，新材料的不斷涌現(xiàn)，這就迫切需要研制和生產(chǎn)相應(yīng)的材料試驗設(shè)備，以及研究材料的試驗方法。于是材料試驗機應(yīng)運而生，第一臺材料試驗機于1729年在法國問世，它是基于杠桿原理制成的。到十八世紀(jì)中葉，材料試驗機逐漸地有了較大的改進，例如在加載機構(gòu)中采用了刀口結(jié)構(gòu)等。十九世紀(jì)初，液壓技術(shù)的進步促進了液壓材料試驗機的研究與應(yīng)用。第一臺液壓材料試驗機于1827年制成，采用杠桿原理測量載荷。在上個世紀(jì)五十年代，出現(xiàn)了電子式材料試驗機，它是試驗機歷史上的一次革命，得益于方興未艾的電子技術(shù)大量應(yīng)用于材料試驗機的控制、測量和記錄系統(tǒng)中，使材料試驗機的整體性能得到很大提高。隨著機械設(shè)計的進步和微電子伺服控制技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代靜態(tài)試驗機已經(jīng)把拉、壓、彎、剪等集合于一身，稱之為電子萬能試驗機，它通過變換夾具、附件和改變試驗機運行參數(shù)就能自動完成材料試驗，并將試驗結(jié)果以數(shù)據(jù)打印和曲線描繪的方式輸出，電子萬能試驗機已經(jīng)成為世界上目前應(yīng)用最廣、最普遍的機種之一，基本取代了傳統(tǒng)的老式機械拉力試驗機、壓力試驗機和專用的彎曲試驗機。 目前國際上公認(rèn)的電子萬能材料試驗機有美國的INSTRON、美國的MTS和日本的島津。這些國際知名廠家都開發(fā)了諸多系列的材料試驗機，電子萬能材料試驗機是應(yīng)用最廣的一種，這些試驗機基本上可劃分為立柱式（單立柱、雙立柱）、臺式、臥式等，并依據(jù)加載負(fù)荷的大小來分檔使之成為一個能滿足不同需求的系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品基本上代表這材料試驗機領(lǐng)域的先進水平,其中較具代表性的產(chǎn)品如圖 1-1 和圖 1-2 所示,在這些系列的試驗機的技術(shù)指標(biāo)中，負(fù)荷精度能達(dá)到指示值的±0.5(或每級量程的士0.25%)，橫梁速度控精度達(dá) 0.1%試驗機學(xué)會第二屆學(xué)術(shù)年會論文集. 中國儀器儀表學(xué)會試驗機學(xué)會編, 1988:5~32 。 與國外相比，國內(nèi)的電子式萬能試驗機的發(fā)展雖然起步較晚，但發(fā)展也較為迅速。國內(nèi)最早的一款電子式萬能試驗機是由長春試驗機研究所開發(fā)的定型產(chǎn)品WD系列。近幾年以來，國內(nèi)在試驗機方面研究的廠家也很多，涌現(xiàn)了諸如深圳新三思公司和濟南試金集團等生產(chǎn)多種類型的成套試驗設(shè)備的生產(chǎn)商，國產(chǎn)電子萬能試驗機的典型代表如圖 1-3 所示。 與國際產(chǎn)品相比，國產(chǎn)品牌憑借其相對低廉的價格和售后服務(wù)的優(yōu)勢，產(chǎn)品的認(rèn)可度在不斷的提高但是，國產(chǎn)試驗機與國外試驗機在精度和可靠性方面還存在一定差距，尤其是與國外高端試驗機產(chǎn)品方面仍有較大的差距?？陀^來說，國內(nèi)試驗機行業(yè)還處在一個仿制為主和創(chuàng)新研發(fā)為輔的階段，鑒于試驗機行業(yè)不可限量的市場前景和在整個國家工業(yè)體系中的特殊地位，國產(chǎn)試驗機還是大有可為的。 現(xiàn)代電子萬能材料試驗機的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面： ( 1 ) 高精度 試驗機對載荷、加載速率、狀態(tài)控制精度要求越來越高；對如載荷傳感器等各種傳感器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性等要求也越來越高。 ( 2 ) 智能化 實時的數(shù)據(jù)測量與記錄，便捷的試驗結(jié)果顯示和打印輸出，借助如工業(yè) CT 技術(shù)、PDA 等更前沿的檢測手段和儀器，使試驗機的操作和應(yīng)用更簡便自如。 ( 3 ) 模塊化、組合式 萬能試驗機上帶有各種自動控制和自動測量裝置,大都采用組件形式，可以隨意增加以擴大試驗機的使用范圍和功用。 ( 4 ) 通用性、專門化 通用性質(zhì)的試驗機功能會更強大，各種原理相通功能近似的試驗機會相會整合和趨同，同時滿足最大多數(shù)的需求是其發(fā)展方向；與此相對，試驗機的專門化也是一個很重要的趨勢，有些應(yīng)用場合在精度、試驗條件、功能、專業(yè)化方面都有別于一般的試驗機，這就對試驗機的專門化提出了要求；更專業(yè)、更高端的試驗機在一些諸如國防、新材料研究等領(lǐng)域的需求也是很急迫的。 ( 5 ) 現(xiàn)場化 傳統(tǒng)試驗機的常規(guī)應(yīng)用方式是在實驗室條件來測試試樣的性能。但這種檢測方式并不能完全反映常常作為一個構(gòu)件使用的材料的某些性能。為了彌補這種先天的缺憾，很多試驗機會采用諸多手段來模擬現(xiàn)場以實現(xiàn)在線測試和試驗，目前很多這方面的技術(shù)還處于探索和研究階段，離真正實現(xiàn)現(xiàn)場測試還有很大的距離。 1.2.1國內(nèi)外各種實驗機的介紹 試驗機是用來進行材料力學(xué)性能指標(biāo)測定的設(shè)備，在各類材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、材料科學(xué)研究和教學(xué)試驗中都需要應(yīng)用試驗機來進行力學(xué)性能測試。而其中在靜態(tài)萬能材料試驗機上的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗尤為廣泛。我國靜態(tài)萬能試驗機為數(shù)眾多，遍布于全國各地，大部分不具備電測能力，以手動調(diào)整進、回油閥的方式運行，試驗手段落后，有勞動量大和測試結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點。若對其指示、記錄系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造，則可以充分地發(fā)揮設(shè)備的潛能，大大提高其技術(shù)性能及使用價值，更好地為材料研究、質(zhì)量控制和實驗教學(xué)服務(wù)。 本系統(tǒng)將先進的虛擬儀器技術(shù)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于靜態(tài)試驗機，來實現(xiàn)力學(xué)性能參數(shù)的自動檢測，其中試驗數(shù)據(jù)的實時采集、自動處理分析和試驗中的加載速率控制是本系統(tǒng)研究的重點。 本系統(tǒng)在充分掌握大量試驗機的動態(tài)信息的基礎(chǔ)上，采用虛擬儀器技術(shù)，進行了靜態(tài)萬能材料試驗機數(shù)控化系統(tǒng)的硬件搭建及軟件設(shè)計。下面對各種試驗機作簡單介紹： 1．液壓萬能材料試驗機 傳統(tǒng)的材料試驗機是液壓式的, 這種材料試驗機存在一些不足之處。它通過油泵向油缸輸油加壓, 由流量調(diào)節(jié)閥控制流量。油泵和測力油缸的液壓系統(tǒng)容易發(fā)生故障, 不但影響試驗機的運行和試驗質(zhì)量, 而且增加了維修工作量; 它的液壓夾具的鉗口座比較笨重, 容易損壞; 采用擺錘測力計測量試驗力,擺錘的慣性大, 對載荷的測量精度低, 且量程范圍小。 2．電子萬能試驗機 電子材料試驗機的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移的閉環(huán)控制; 試驗中無須選擇量程, 可實行全過程自動控制; 裝卸夾具和附件方便; 軟件包功能強大, 用戶通過PC 可直接存儲數(shù)據(jù)、計算并輸入測試結(jié)果和打印試驗報告。計算機控制整個試驗過程, 保證了試驗的質(zhì)量。 電子萬能試驗機是先進的機械技術(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、電技術(shù)各自特長而設(shè)計成的大型精密測試儀器，它具有高科技特點，其設(shè)計方法是模塊化的。采用集散技術(shù)，有效地利用了微機功能對各種附件和功能單元進行組合管理、控制、實現(xiàn)多種功能試驗。 材料試驗機測試裝置包括機身、橫梁及其支撐部件、鉗口和引伸計等。其中機身、橫梁及支撐裝置只需滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求即可, 而引伸計和試驗鉗口則是試驗機的關(guān)鍵測量裝置和部件。 電子材料試驗機由計算機控制系統(tǒng)進行自動控制。首先, 通過計算機可完成試驗階段的設(shè)置。對于金屬材料的常規(guī)拉伸試驗, 通常劃分為三個階段, 即彈性階段、屈服階段和強化階段。在三個試驗階段設(shè)置中, 均要選擇速率控制類型和最大存儲頻率等主要參數(shù)值。同時, 計算機可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲, 并由計算軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理, 給出檢測結(jié)果,最后, 完成試驗報告的打印。 3．?dāng)U大試驗機試驗噸位的機械增力裝置 該裝置屬于材料試驗設(shè)備，能在一定的試驗條件下解決小噸位高頻拉壓試驗機不能進行大噸位試驗的問題。它利用彈性內(nèi)封閉力系的原理，通過改變裝置系統(tǒng)內(nèi)部的約束尺寸來實現(xiàn)增力，運用實驗應(yīng)力分析技術(shù)通過電阻、電橋、應(yīng)變儀、指示器、光標(biāo)及“動態(tài)靜標(biāo)法”來實現(xiàn)檢測。該裝置能確保原試驗機的各項性能指標(biāo)及使用壽命，能達(dá)到“以小改大、一機多用”的目的，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡單、測試精確、使用方便等優(yōu)點。 4．機械式帶傳動萬能材料試驗機 　　基于主機架采用門式結(jié)構(gòu)，使得造型勻稱美觀大方結(jié)構(gòu)簡單、成本低。尤其配以滾珠絲杠與同步齒型帶的傳動系統(tǒng)，使得整機運行平穩(wěn)，響應(yīng)快、噪聲低、效率高。對測量系統(tǒng)，微機可以對其進行自動調(diào)零，自動標(biāo)定、自動換檔，從而保證了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，并大大地提高了工作效率。 通過對傳統(tǒng)材料試驗機的分析, 發(fā)現(xiàn)其不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面: (1) 無法保證角度及位移測量的精度。現(xiàn)代位移測量系統(tǒng)普遍采用光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、球柵和容柵等柵式測量系統(tǒng), 利用增量測量方法來確定位、置和材料延伸率δ, 精度達(dá)到±011μm, 速度可達(dá)16m / s ; 傳統(tǒng)試驗機多通過游標(biāo)卡尺人工測量, 無法滿足這一要求。 (2) 數(shù)據(jù)人工生成。采用人工讀取的形式獲得數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)無法即時匯總和分析。 (3) 速度調(diào)節(jié)為機械的有級調(diào)速, 速度控制為開環(huán)控制, 不能構(gòu)建轉(zhuǎn)速閉環(huán)。 (4) 不能測量材料的屈服強度σs、彈性模量E、硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r等參數(shù)。事實上, 多功能材料試驗機、萬能材料試驗機等, 其實驗原理與當(dāng)前主流的計算機控制材料試驗機并沒有實質(zhì)性的變化, 其被控對象都比較相似, 對控制效果的要求也相似。計算機控制材料試驗機主要是在控制系統(tǒng)上引入了CAT (Computer Aided Test, 計算機輔助測試) , 具有液壓伺服或者交直流電機伺服驅(qū)動、高精度的位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制裝置等。 1.3課題的內(nèi)容： 方案的確定，傳動系統(tǒng)設(shè)計、計算； 材料試驗機( 泛指壓力試驗機、拉力試驗機及萬能試驗機等試驗機) 廣泛地用于建筑、建材、公路橋梁、機械加工,檢測、質(zhì)檢等行業(yè)或機構(gòu)；在這些行業(yè)或機構(gòu)中, 材料試驗機一般均是用來對材料或產(chǎn)品的機械性能進行檢測,通過檢測所得到的數(shù)據(jù)來判定所購買的或生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量,通過優(yōu)化組合進而達(dá)到對生產(chǎn)質(zhì)量的過程控制；另一方面,許多質(zhì)檢機構(gòu)或檢測公司都是以材料試驗機試驗所得到的數(shù)據(jù)來進行質(zhì)量判別和質(zhì)量監(jiān)督的。因此如何正確地使用材料試驗機, 如何正確地評定材料試驗機的檢定結(jié)果,特別是如何正確地評定測量結(jié)果中示值誤差的不確定度就顯得特別重要。 材料試驗機示值誤差不確定度最主要的來源是標(biāo)準(zhǔn)測力儀、檢測時數(shù)據(jù)的不重復(fù)性、指示裝置的分辨率等三項,而溫度波動、溫度修正系數(shù)、溫度計讀數(shù)誤差等三項相比而言屬于高階無窮小,可以忽略不計。另外,在確定不確定度來源時本文沒有考慮示值進程誤差和零點相對誤差所帶來的影響,一方面因為材料試驗機主要是使用進程示值,因此考慮此誤差意義不大,另一方面零點相對誤差主要是衡量回零點的情況,而回零點的好壞情況間接地包含在了重復(fù)性誤差中,因此若再考慮零點相對誤差就會在不確定度來源上導(dǎo)致重復(fù)。 對于材料試驗機要關(guān)注以下一些性能參數(shù)： 1 承載能力與尺寸 這些指標(biāo)對選擇萬能材料試驗機至關(guān)重要。承載能力的選定，要根據(jù)所測試的材料被拉斷所需的最大力來決定。 對尺寸來說，要求測試時存在可用的足夠空間，包括橫向與縱向的空間都應(yīng)該合適。一些材料，試驗時延伸得較長，所以試驗機垂直的尺寸必須有足夠的長度，以滿足材料延伸的需要。另外還應(yīng)考慮特殊的夾具，固定裝置和環(huán)境箱所占據(jù)的空間。 2 橫梁的剛性 這個指標(biāo)往往被過高的要求了。只有在使用十字頭運動作為引伸計或進行撓性測試時橫梁的剛度才會顯得極為重要。用于評價橫梁剛度的因素很多，可以總結(jié)為以下幾條：絲杠直徑，圓螺母的匹配，絲杠軸承的匹配等。一些低剛度的機械制造商提供標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，數(shù)據(jù)采集和程序直接測試應(yīng)變和撓度的機器。實際上，如果承載橫梁用作撓度測試時，這個方法可以用來校正測試結(jié)果。 3 滿載的最大速度 對于一臺試驗機的評價首先是仔細(xì)地評價機器在特定要求下的特性和指標(biāo)。在不同應(yīng)用方面要求也會有所不同。一臺萬能材料試驗機最重要的是應(yīng)該符合應(yīng)用需要和標(biāo)準(zhǔn)要求，對一些特別的和華而不實的指標(biāo)將不可避免地使價格升高。 下面介紹該萬能材料試驗機的運行原理： 萬能材料試驗機的工作原理：利用力源對串聯(lián)同軸安裝的標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢試件施加載荷，從而測定試件的各方面力學(xué)性能。顯然作為承載和測力元件的傳感器受到的負(fù)荷是彈性力，而傳感器和被檢試件，加載系統(tǒng)都可分別看作彈性元件，因此可簡化為一彈性系統(tǒng)。力源施加裝置由粗加載和精密加載有機部分組成。粗加載系統(tǒng)是采用普通機械或液壓傳動方式產(chǎn)生位移對測力系統(tǒng)施加負(fù)荷的裝置，精密加載則由壓電陶瓷力發(fā)生裝置完成。壓電陶瓷力發(fā)生裝置是根據(jù)物理學(xué)中的逆壓電效應(yīng)原理，運用壓電陶瓷材料，使用專門的工藝方法制作成的施力裝置，作為力值精密調(diào)節(jié)器，壓電陶瓷力發(fā)生裝置與標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測試件一起串聯(lián)安裝于測力系統(tǒng)中，當(dāng)試驗機工作時，在施加粗負(fù)荷后，通過特殊研制的控制裝置控制施加于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場強度，改變它產(chǎn)生的微小變形量，從而達(dá)到精密調(diào)節(jié)力值的目的?？刂蒲b置運用微型計算機和微電子控制技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)測力儀的輸出作為反饋信號，實現(xiàn)對施加負(fù)荷和力值穩(wěn)定調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制和工作過程自動化。 萬能材料試驗機共由五部分組成，即主機，壓電陶瓷力發(fā)生裝置，控制器和工作儀表以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中主機包括機架（機器的結(jié)構(gòu)主體），驅(qū)動機構(gòu)（用以實現(xiàn)粗加載的傳動系統(tǒng)），控制器，工作儀表。 第2章 萬能材料試驗機總體設(shè)計 2.1加載方式 萬能材料試驗機的加載方式有機械式和液壓式，它們各有優(yōu)缺點。 2.1.1液壓式 優(yōu)點： 手動容易。 易于實現(xiàn)大的力值，加載平衡，加載速度方便調(diào)節(jié)。 缺點： 難于實現(xiàn)自動控制，微小距離難于實現(xiàn)。 易造成環(huán)境污染。 2.1.2機械式 優(yōu)點： 易于實現(xiàn)自動控制。 無污染。 缺點： 大力值難于實現(xiàn)，一般僅適用于小于1000kN的力。 對比上面兩種加載方式，由于本設(shè)計的規(guī)格為100kN，故決定采用機械式加載方式。 2.2 試驗機式樣的選擇 通常，電子萬能試驗機大多是落地雙立柱立式，所以我選擇落地雙立柱立式。 2.3傳動方式的對比與選擇 萬能材料試驗機的傳動方式有單絲杠式，雙絲杠式，多絲杠式。單絲杠式難于保證精度（加載時，易偏離中心線），而多絲杠式結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，故采用單絲杠傳動方式，結(jié)構(gòu)相對簡單，能保證本試驗機對精度的要求。 本文主要考慮了兩種傳動方案，即直線式傳動方案（圖2-1）和U型傳動方案（圖2-2），對兩種傳動方案，對比其優(yōu)缺點參見表2-1。 圖2-1直線式傳動方案 對于圖 2-1 所示的傳動方案，其最大的特點就是輸入端直接與減速機的輸出端連接，這樣整體機構(gòu)傳動會比較緊湊，傳動穩(wěn)定精確，軸系承載的扭矩相對較小，但這樣的結(jié)構(gòu)壓頭會偏置于系統(tǒng)的一側(cè)，會對加載的穩(wěn)定性和精度帶來影響，并且由于直線形傳動方案的傳動機構(gòu)在運動方向跨度過長，對試樣的放置和整體外觀的協(xié)調(diào)帶來問題，不方便立式系統(tǒng)的總體設(shè)計。 圖2-2 U型傳動方案 圖 2-2 所示的傳動方案中引入同步帶傳動，通過改變傳動方向來實現(xiàn)統(tǒng)的小型化，且機構(gòu)本身保證了加載壓頭始終位于傳動機構(gòu)的中心優(yōu)化設(shè)計和誤差核算，U 型傳動方案也很好的滿足了測量要求。綜合述兩種傳動方案，最后還是確定選用圖 2-2 所示的 U 型傳動方案。 表 2-1 傳動方案對比 方案 優(yōu)點 缺點 直線式傳動 結(jié)構(gòu)簡單 傳動穩(wěn)定 壓頭偏置受力不好 跨度太大布局空難 外觀不夠美觀 U型傳動 結(jié)構(gòu)對稱受力情況好 組合方便便于擴展 整體布局美觀大方 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 對部分加工件要求高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降 本試驗機的傳動主要為螺旋傳動和同步帶傳動。同步齒形帶的傳動必須考慮帶的張緊，可通過調(diào)整其中一張緊輪的位置而達(dá)到張緊的目的。至于另兩級帶傳動，由于結(jié)構(gòu)的限制，可采用電機張緊方式張緊。螺旋傳動有蝸輪蝸桿傳動和滾珠絲杠副縣長的傳動。蝸輪蝸桿具有自鎖性能，在裝配時必須注意其旋轉(zhuǎn)方向。滾珠絲杠采用墊片式消隙和預(yù)緊方式，可通過調(diào)整預(yù)緊力來改變其松緊程度，以便使用權(quán)絲杠運轉(zhuǎn)自如。 圖2-3 雙電機傳動設(shè)計方案 如果為了設(shè)計成本低廉方便，可以采用雙電機工作方式，其一為異步電機，其二為步進電機，即使用伺服電動機，方案原理圖為上圖2-3。 考慮到精度等方面的因素，決定采用單電機工作方式，因為如果采用雙電機工作方式，其造價較雖低但其結(jié)構(gòu)較單電機方案復(fù)雜且精度稍低。單電機為伺服電機，其結(jié)構(gòu)簡單精度高。 圖2-4 單電機傳動設(shè)計方案 所采用的絲杠為滾珠絲杠，滾珠絲杠必須考慮自鎖，其自鎖方式有多種，本系統(tǒng)中利用蝸輪蝸桿（降速比較大）來實現(xiàn)其自鎖。萬能材料試驗機主機部分是它的主體結(jié)構(gòu)，其所占空間與試驗場地有密切聯(lián)系，因此，在設(shè)計時必須考慮其體積及所需要占用的空間位置。且應(yīng)使其便于安裝和運輸。 螺紋聯(lián)接的防松，在沖擊，振動或變載荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能減小或瞬間消失，重復(fù)后，就可能使用聯(lián)接松動，甚至松脫。因此必須采取防松措施。本試驗機中采用的防松措施為：雙螺母防松（即在螺母上再加一個螺母）和墊片防松。 圖2-5 工作示意圖(1) 圖2-6 工作示意圖(2) 本試驗機使用的潤滑方式為脂潤滑。因此應(yīng)該根據(jù)實際情況定時加一定的潤滑脂，以保證機構(gòu)的運轉(zhuǎn)良好。軸承的預(yù)緊情況將直接影響其運轉(zhuǎn)性能。如過松，易使機構(gòu)失效，且易產(chǎn)生振動。如過緊，則又使機構(gòu)運轉(zhuǎn)不良。本試驗機中多采用了焊接連接方式。因此，焊接的方法，質(zhì)量就直接影響試驗機的整機性能和壽命。 第3章 運動動力設(shè)計與驗算 3.1滾珠絲杠副的運動動力設(shè)計計算 消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方式，采用雙螺母,通過兩螺母間的軸向位置，以消除軸向間隙，并進行預(yù)緊,提高傳動的定位精度，重復(fù)定位精度及軸向剛度，預(yù)緊力一般為最大軸向載荷的1/3。預(yù)緊方式采用墊片式。 滾珠絲杠的承載能力取決于其抗疲勞能力，故應(yīng)首先按壽命條件和額定動載荷選擇和校驗其基本參數(shù)。同時檢驗其載荷是否超過額定靜載荷（低速）。強度，剛度，穩(wěn)定性也需要進行驗證。 采用內(nèi)循環(huán)方式，墊片式消隙和預(yù)緊。 預(yù)緊參數(shù)—雙圓弧 　　 接觸角 　　 比　值 　　　滾道圓弧偏心距 絲杠參數(shù)—公稱直徑50mm　 導(dǎo)程　 右旋　 精度等級三級　 鋼球直徑　 圈數(shù)jk列數(shù)=　 承載能力系數(shù) 滾珠螺旋傳動由于精度要求較高，比較復(fù)雜，所以一般均由專業(yè)廠生產(chǎn)。轉(zhuǎn)速很低時可僅按額定靜載荷確定或校核其尺寸。 3.1.1靜載荷條件 —載荷系數(shù) 查表6.2-11，=，取= —靜載荷硬度影響系數(shù) 查表， —絲杠載荷加余量 計算= 即絲杠滿足靜載荷條件。 3.1.2絲杠壽命計算 —工作壽命 查表， —壽命系數(shù) = —載荷系數(shù) 查表，= —動載荷硬度影響系數(shù) 查表， —短行程系數(shù) 查表， —轉(zhuǎn)速系數(shù) 工作轉(zhuǎn)速（） ，加載時，則 計算 即絲杠壽命符合條件。 3.1.3絲杠強度計算 絲杠轉(zhuǎn)矩： （） —當(dāng)量摩角 =，取 —絲杠公稱直徑 —絲杠螺旋角 計算（） 采用預(yù)緊，因此預(yù)緊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也要計算，預(yù)緊力為最大軸向力的1/3，則 絲杠合轉(zhuǎn)矩 當(dāng)量應(yīng)力 —絲杠螺紋底徑 計算 查表，， 根據(jù)強度條件，即 絲杠滿足強度條件。 3.1.4絲杠的穩(wěn)定性 柔度計算 —長度系數(shù) 查表， —絲杠最大工作長度 —臨界載荷 計算 時， —彈性模量 —絲杠的危險截面面積 計算 穩(wěn)定的合格條件 絲杠符合穩(wěn)定性條件。 3.1.5絲杠的剛度 軸向載荷產(chǎn)生的軸向變形量: —絲杠的計算長度，指F和T作用處到固定支撐端的距離， —絲杠材料彈性模量， —絲杠的計算截面面積，，直徑 計算 轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的軸向變形: —絲杠的螺紋導(dǎo)程， —絲杠材料的切變模量， — 計算= 軸向載荷F使鋼球與螺紋滾道間產(chǎn)生的軸向變形量: （有預(yù)緊） —鋼球直徑， —工作臺螺母中的鋼球數(shù)， —載荷分布不均勻系數(shù)，取 —預(yù)緊力（N），取 計算 支撐滾珠絲杠的軸承的軸軸向變形: 圓錐滾子軸承的軸向變形量為： —軸承接觸角， —軸承軸向載荷 —軸承滾去體數(shù)， —軸承有效長度， 計算 有預(yù)緊情況下軸向變形為接觸變形的1/2，即 總的軸向變形: ， 絲杠剛度符合條件。 3.1.6絲杠的傳動效率功率 由轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿? 見圖， 絲杠的驅(qū)動功率: 3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù) 公稱直徑 導(dǎo) 程 螺 旋 角 珠直徑 循環(huán)列數(shù)圈數(shù) 額定靜載荷 滾珠絲杠螺紋外徑 滾珠絲杠累紋底徑 滾珠絲杠軸頸直徑由結(jié)構(gòu)確定 滾珠絲杠螺紋長度由結(jié)構(gòu)確定 滾珠螺母螺紋底徑， 滾珠螺母螺紋內(nèi)徑 滾珠螺母外徑具體螺母確定 每圈中的鋼球數(shù) 工作螺母中的鋼球總數(shù) 滾珠絲杠設(shè)計中應(yīng)該注意的一些問題： 1）受力合理 為了保證定位精度，除考慮絲杠剛度外，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)布杠上盡可能使用圓螺母和絲杠同樣受拉或受壓，以使兩者軸向變形方向一致減少螺母與絲杠之間的導(dǎo)程式變形量之差。此外，滾珠螺旋傳動應(yīng)盡量避免隨徑向載荷，以免使絲杠彎曲，若絲杠上有齒輪等產(chǎn)生徑向載荷的元件，則應(yīng)使其盡可能靠近絲杠的徑向軸承處。另外，要盡量減少絲杠，螺母所受的傾覆力矩，力求部件移動阻力的合力通過絲杠軸線。由于本試驗機采用雙絲杠，其阻力通過兩絲杠中心線，這要靠定位安裝及加工的尺寸精度。 2）防止逆轉(zhuǎn) 滾珠絲杠傳動反行程不能自鎖，為了使用權(quán)螺旋傳動受軸向中力后不發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在此試驗機中采用了輪蝸桿的傳動比，這種傳動比的蝸輪蝸桿可以起到自鎖作用。 3）安全裝置 本試驗機是采用垂直安裝的滾珠絲杠傳動，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫出而造成事故，因此，在設(shè)計時采用限位擋塊以保證安全運行。 4）密封與潤滑 為防止塵埃和污物進入螺紋滾道，妨礙鋼球運轉(zhuǎn)的流暢性并且加速鋼球與滾道的磨損，設(shè)計中必須考慮防護設(shè)施與密封。此試驗機根據(jù)結(jié)構(gòu)特點采用防塵罩密封。由于轉(zhuǎn)速較慢，采用高壓的高粘度潤滑劑進行脂潤滑。 3.2電機的選擇 由設(shè)計要求及已知條件可知，假設(shè)試驗機橫梁設(shè)計速度為180mm/min，試驗機所施加的外力為100KN。故 式中：F——試驗機輸出力，N；V——絲杠速度，m/s。 電機功率在傳遞過程中必然有一定的損失。參閱機械工程手冊可知，絲杠與絲杠螺母間傳動效率為0.9，錐齒輪之間傳動效率為0.97，渦輪蝸桿間傳動效率為0.7，其他聯(lián)結(jié)件傳動效率為0.91。故 所以 上式中 P ——試驗機有效功率； ——試驗機總效率。 查閱電機手冊結(jié)合實際情況選擇合適型號為Y801-4，它的額定功率為0.55KW、滿載轉(zhuǎn)速為1390r/min。 3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計算 工進時，絲杠杠的轉(zhuǎn)速，功率， 二軸轉(zhuǎn)速 二軸功率 二軸轉(zhuǎn)矩 同理可得其它軸上的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和功率 一軸（電動機軸）： 3.4各級傳動的設(shè)計計算 3.4.1帶傳動設(shè)計計算（同步） 同步帶傳動利用帶與帶輪上齒之間的嚙合進行傳動。由于帶的抗拉強度高，受載后變形小，能保持齒的節(jié)距不變，所以傳動比較準(zhǔn)確，傳動平穩(wěn)，速度高，噪聲小，且無需潤滑清潔，維護簡單。適用速度范圍寬，傳動比可到10，功率由幾十瓦到幾百千瓦，結(jié)構(gòu)緊湊，效率可達(dá)98%99%，張緊力和壓軸力小。 此設(shè)計選用弧齒同步帶，受載后的應(yīng)力分布狀態(tài)較好，提高了承載能力，防止帶齒與輪齒的干涉，降低振動與噪聲。 設(shè)計功率: —工況系數(shù) 查表，= —帶傳遞的功率 計算 選帶型: 根據(jù)和同圖選取型帶，節(jié)距。 小帶輪節(jié)圓直徑 大帶輪齒數(shù) 大帶輪直徑 驗證帶速： 帶速 查表得, 計算軸力： 小于帶所能承受的力，符合條件。 各軸直徑的計算： 一軸 （其中為電動機軸直徑） 3.4.2蝸輪蝸桿減速器的計算 選取傳動比（自鎖），蝸桿頭數(shù)，蝸桿分度圓直徑，蝸輪齒數(shù)，變位系數(shù)，模數(shù)，中心距。 計算得蝸輪蝸桿以下數(shù)據(jù): 蝸輪分度圓直徑 齒頂圓直徑 蝸牛桿齒根圓直徑 蝸桿齒根高 蝸牛桿齒頂高 蝸桿軸向齒距 蝸桿導(dǎo)程角: ，， 蝸桿寬度 蝸輪齒頂高 蝸輪齒高 蝸輪齒根高 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪齒寬 蝸輪齒寬角 材料選擇：表面淬火，鋼，硬度HRC5055。 齒面接觸強度計算： —材料彈性系數(shù)，表， —接觸系數(shù)，根據(jù)蝸桿的類型及蝸桿分度圓直徑與中心距比 值查圖，