1、 毕业设计 1第 1 章 概述 .31.1 课题的提出 .31.1.1 课题产生的背景 .31.1.2 课题的意义 .31.2 国内外实验机研究的回顾、现状及发展趋势 .41.2.1 国内外试验机发展及其趋势 .41.2.1 国内外各种实验机的介绍 .51.3 课题的重点和难点： .8第 2 章 万能材料试验机总体设计 .122.1 加载方式 .122.1.1 液压式 .122.1.2 机械式 .122.2 传动方式 .122.3 总体结构 .13第 3 章 运动动力设计与验算 .163.1 滚珠丝杠副的运动动力设计计算 .163.1.1 静载荷条件 .173.1.2 丝杠寿命计算 .173.
2、1.3 丝杠强度计算 .183.1.4 丝杠的稳定性 .193.1.5 丝杠的刚度 .203.1.6 丝杠的传动效率功率 .223.1.7 滚珠丝杠几何参数 .223.2 电机的选择 .243.2.1 步进电机的选择 .243.2.2 导步电动机选择 .253.2.3 电动机的参数 .253.3 各轴功率，转速，转矩的计算 .253.4 各级传动的设计计算 .263.4.1 第一级带传动设计计算（同步） .263.4.2 第三级带传动 .293.4.3 蜗轮蜗杆减速器的计算 .313.5 支撑滚珠丝杠的轴承的选择及验算 .353.6 动静横梁变形的验算 .373.6.1 动横梁变形的验算 .3
3、73.6.2 静横梁变形的验算 .393.7 离合器的选择计算 .40第 4 章 轴类零件工艺分析 .42毕业设计 2第 5 章 蜗轮轴的有限元分析 .455.1 蜗轮轴的有限元分析 .455.1.1 建立蜗轮轴的三维模型 .455.1.2 添加蜗轮轴的材料属性 .455.1.3 进入 GPS 模块 .465.1.4 定义约束 .475.1.5 定义载荷 .475.1.6 求解蜗轮轴受载 .485.1.7 分析结果 .49第 6 章 使用说明 .51第七章 总结 .52毕业设计 3第 1 章 概述1.1 课题的提出1.1.1 课题产生的背景作为机械工程专业本科毕业生，为了能在走上工作岗位之后更
4、快地进入职业角色、我们需要在通过毕业设计这一环节初步地将自己在大学四年中所学习到的知识应用到实践中去。所以在指导老师的引导之下，我选择了万能材料试验机设计这个题目。1.1.2 课题的意义通常,把测定材料机械性能的仪器和设备称为材料试验机。但是，有些国家有时把测定材料物理性能（甚至化学性能）的仪器和设备也称为材料试验机。国外，在工业比较发达的国家中，对于试验机的研制和生产，都是比较重视的。这是因为，材料试验机作为一个基础工业部门，对于工业生产和科研工作有直接的不容忽视的影响。实际上，对于工业生产和各种工程设计来说，材料试验机是确保各种机器，车辆，船舶和结构物的合理设计与安全运行的重要测试设备。因
5、为，为了既经济又安全可靠地从事各种工程设计，必须根据材料的机械性能选取合适的材料。否则，可能造成浪费，或者导致发生严重的事故。而要获得准确的材料机械性能数据，只有使用材料试验机。在工业生产特别是军事工业生产中，为了保证产品质量，常常需要对各种材料和零部件或整机进行检定和测试。许多重要性的热处理零部件，如轧钢机的钢辊，机器的主轴和汽车的连杆等，都要百分之百的进行硬度检定。毕业设计 4在冶金工业生产中，随着科学技术的飞速发展，也提出了许多新问题。例如现代技术的发展，需要一些具有特殊性能的，能在高温，低温，高压，高速以及各种复杂条件下工作的材料，因此必须研制新型材料与合金。钢铁厂生的的钢材，也需要随
6、时检验。显而易见，所有这些研究和检验工作，离开材料试验机是无法进行的。上述几点，已足以说明材料试验机的发展对航空，冶金，机械，建筑和造船等工业部门，在合理设计工程结构，节约材料，提高产品质量，改进工艺和降低成本方面具有重要的意义。另外，由于材料试验机所涉及到的科学技术领域比较广泛，如高温技术，低温技术，真空技术，液压技术，光学技术，电子技术和激光技术等，并且还应用各种测试，记录和显示仪器，所以材料试验机的技术发展，往往取决于很多科学技术领域的水平。1.2 国内外实验机研究的回顾、现状及发展趋势1.2.1 国内外试验机发展及其趋势近些年来，随着航空，冶金，造船，化工和机械工业生产技术水平的迅速发
7、展，对金属材料试验提出的要求也越来越高，许多产品的重要的零部件甚至整机，常常需要在各种复杂的情况下进行模拟试验。因此，在材料试验机中不断地采用了一些新技术，例如电液伺服系统，电子计算机等。所有这些新技术的应用，不仅使材料试验机的性能在为提高，而且使材料试验机的结构也随之发生了很大的变化。近来国外生产的一些万能试验机，由于应用了一些新技术，试验机的性能有所提高，应用范围也有所扩大。这种试验机除了能做拉压，弯，剪切等表态试验外，还可以做蠕变和松弛试验，有的还能做动态试验，测定材料的疲劳极限。毕业设计 5国外生产的万能试验机和拉力试验机，主要分为机械式，液压式和电子式三种。近来电液伺服系统万能试验机
8、后来居上。此外，有时又按其他特征分为高温，低温，大型，微型和自动试验机等。机械式万能试验机的加荷机械和测力机械一般采用机械传动装置。这种试验机具有足够的精度和稳定性。但负荷能力受到一定限制，最大负荷多在 10吨以下。因测力机械的惯性较大，加荷速度受到一定限制。所以，国外一些主要生产厂已经不再生产，有的仅放在次要的地位。液压万能试验机，应用液压传动加荷。范围一般为 10-200 吨。最大负荷高达 5500 吨。与机械万能试验机相比较，除负荷较大外，加荷平衡，加荷速度可自由调节。近些年来，各国都在大力发展电子万能试验机与电子拉力试验机。这是一种将电子技术应用于试验机负荷系统与变形系统中，精确地进行
9、测量和记录的新型材料试验机。1.2.1 国内外各种实验机的介绍试验机是用来进行材料力学性能指标测定的设备，在各类材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中都需要应用试验机来进行力学性能测试。而其中在静态万能材料试验机上的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验尤为广泛。我国静态万能试验机为数众多，遍布于全国各地，大部分不具备电测能力，以手动调整进、回油阀的方式运行，试验手段落后，有劳动量大和测试结果不准确等缺点。若对其指示、记录系统及控制系统进行适当的技术改造，则可以充分地发挥设备的潜能，大大提高其技术性能及使用价值，更好地为材料研究、质量控制和实验教学服务。 本系统将先进的虚拟仪器技
10、术、传感技术、测试技术和控制技术相结合并应用于静态试验机，来实现力学性能参数的自动检测，其中试验数据的实时采集、自动处理分析和试验中的加载速率控制是本系统研究的重点。 本系统在充分掌握大量试验机的动态信息的基毕业设计 6础上，采用虚拟仪器技术，进行了静态万能材料试验机数控化系统的硬件搭建及软件设计。下面对各种试验机作简单介绍：1液压万能材料试验机传统的材料试验机是液压式的, 这种材料试验机存在一些不足之处。它通过油泵向油缸输油加压, 由流量调节阀控制流量。油泵和测力油缸的液压系统容易发生故障, 不但影响试验机的运行和试验质量, 而且增加了维修工作量; 它的液压夹具的钳口座比较笨重, 容易损坏;
11、 采用摆锤测力计测量试验力,摆锤的惯性大, 对载荷的测量精度低, 且量程范围小。2电子万能试验机电子材料试验机的特点是能够实现应力、应变、位移的闭环控制; 试验中无须选择量程, 可实行全过程自动控制 ; 装卸夹具和附件方便 ; 软件包功能强大, 用户通过 PC 可直接存储数据、计算并输入测试结果和打印试验报告。计算机控制整个试验过程, 保证了试验的质量。电子万能试验机是先进的机械技术与现代的电子技术相结合的产物，是充分发挥了机、电技术各自特长而设计成的大型精密测试仪器，它具有高科技特点，其设计方法是模块化的。采用集散技术，有效地利用了微机功能对各种附件和功能单元进行组合管理、控制、实现多种功能
12、试验。材料试验机测试装置包括机身、横梁及其支撑部件、钳口和引伸计等。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, 而引伸计和试验钳口则是试验机的关键测量装置和部件。电子材料试验机由计算机控制系统进行自动控制。首先, 通过计算机可完成试验阶段的设置。对于金属材料的常规拉伸试验, 通常划分为三个阶段, 即弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。在三个试验阶段设置中, 均要选择速率控制类型和最大存储频率等主要参数值。同时, 计算机可实现测量数据的存储, 并由计算软件对试验数据进行处理, 给出检测结果,最后, 完成试验报告的打印。毕业设计 73扩大试验机试验吨位的机械增力装置该装置属于材料试验设
13、备，能在一定的试验条件下解决小吨位高频拉压试验机不能进行大吨位试验的问题。它利用弹性内封闭力系的原理，通过改变装置系统内部的约束尺寸来实现增力，运用实验应力分析技术通过电阻、电桥、应变仪、指示器、光标及“动态静标法”来实现检测。该装置能确保原试验机的各项性能指标及使用寿命，能达到“以小改大、一机多用”的目的，具有结构紧凑、工艺简单、测试精确、使用方便等优点。4机械式带传动万能材料试验机 基于主机架采用门式结构，使得造型匀称美观大方结构简单、成本低。尤其配以滚珠丝杠与同步齿型胶带的传动系统，使得整机运行平稳，响应快、噪声低、效率高。对测量系统，微机可以对其进行自动调零，自动标定、自动换档，从而保
14、证了测量系统的稳定可靠性，并大大地提高了工作效率。通过对传统材料试验机的分析, 发现其不足主要表现在以下几个方面:(1) 无法保证角度及位移测量的精度。现代位移测量系统普遍采用光栅、磁栅、感应同步器、球栅和容栅等栅式测量系统, 利用增量测量方法来确定位置和材料延伸率 , 精度达到011m, 速度可达 16m / s ; 传统试验机多通过游标卡尺人工测量, 无法满足这一要求。(2) 数据人工生成。采用人工读取的形式获得数据, 数据无法即时汇总和分析。(3) 速度调节为机械的有级调速 , 速度控制为开环控制 , 不能构建转速闭环。(4) 不能测量材料的屈服强度 s、弹性模量 E、硬化指数 n 和塑
15、性应变比 r 等参数。事实上, 多功能材料试验机、万能材料试验机等, 其实验原理与当前主流的计算机控制材料试验机并没有实质性的变化, 其被控对象都比较相毕业设计 8似, 对控制效果的要求也相似。计算机控制材料试验机主要是在控制系统上引入了 CAT (Computer Aided Test, 计算机辅助测试) , 具有液压伺服或者交直流电机伺服驱动、高精度的位移传感器、数据采集与控制装置等。系统结构如图所示。1.3 课题的重点和难点：方案的确定，传动系统设计、计算；材料试验机( 泛指压力试验机、拉力试验机及万能试验机等试验机) 广泛地用于建筑、建材、公路桥梁、机械加工, 检测、质检等行业或机构;
16、 在这些行业或机构中, 材料试验机一般均是用来对材料或产品的机械性能进行检测, 通过检测所得到的数据来判定所购买的或生产的产品的质量, 通过优化组合进而达到对生产质量的过程控制; 另一方面, 许多质检机构或检测公司都是以材料试验机试验所得到的数据来进行质量判别和质量监督的。因此如何正确地使用材料试验机, 如何正确地评定材料试验机的检定结果, 特别是如何正确地评定测量结果中示值误差的不确定度就显得特别重要。材料试验机示值误差不确定度最主要的来源是标准测力仪、检测时数据的不重复性、指示装置的分辨率等三项, 而温度波动、温度修正系数、温度计读数误差等三项相比而言属于高阶无穷小, 可以忽略不计。另外,
17、 在确定不确定毕业设计 9度来源时本文没有考虑示值进程误差和零点相对误差所带来的影响, 一方面因为材料试验机主要是使用进程示值, 因此考虑此误差意义不大, 另一方面零点相对误差主要是衡量回零点的情况, 而回零点的好坏情况间接地包含在了重复性误差中, 因此若再考虑零点相对误差就会在不确定度来源上导致重复。对于材料试验机要关注以下一些性能参数：1）承载能力与尺寸这些指标对选择万能材料试验机至关重要。承载能力的选定，要根据所测试的材料被拉断所需的最大力来决定。对尺寸来说，要求测试时存在可用的足够空间，包括横向与纵向的空间都应该合适。一些材料，试验时延伸得较长，所以试验机垂直的尺寸必须有足够的长度，以
18、满足材料延伸的需要。另外还应考虑特殊的夹具，固定装置和环境箱所占据的空间。2）横梁的刚性这个指标往往被过高的要求了。只有在使用十字头运动作为引伸计或进行挠性测试时横梁的刚度才会显得极为重要。用于评价横梁刚度的因素很多，可以总结为以下几条：丝杠直径，圆螺母的匹配，丝杠轴承的匹配等。一些低刚度的机械制造商提供标准设备，数据采集和程序直接测试应变和挠度的机器。实际上，如果承载横梁用作挠度测试时，这个方法可以用来校正测试结果。3）驱动系统的指标这些指标是重要的，它用以保证系统是否按有关国际标准来进行试验。4）满载的最大速度5）电控系统6）数据记录速度和带宽毕业设计 107）测力系统系统必须精确并要求重
19、复性好，精确度在 0.5%-0.01%范围内。0.25%的读数重复性要求 95%符合，在同一系统中自标定的载荷码要比其他载荷码方便。8）应变测量系统对于一台试验机的评价首先是仔细地评价机器在特定要求下的特性和指标。在不同应用方面要求也会有所不同。一台万能材料试验机最重要的是应该符合应用需要和标准要求，对一些特别的和华而不实的指标将不可避免地使价格升高。下面介绍该万能材料试验机的运行原理，万能材料试验机的工作原理：利用力源对串联同轴安装的标准传感器和被检试件施加载荷，从而测定试件的各方面力学性能。显然作为承载和测力元件的传感器受到的负荷是弹性力，而传感器和被检试件，加载系统都可分别看作弹性元件，
20、因此可简化为一弹性系统， 。力源施加装置由粗加载和精密加载两面三刀个有机部分组成。粗加载系统是采用普通机械或液压传动方式产生位移对测力系统施加负荷的装置，精密加载则由压电陶瓷力发生装置完成。压电陶瓷发生装置是根据物理学中的逆压电效应原理，运用压电陶瓷材料，使用专门的工艺方法制作成的施力装置，作为力值精密调节器，压电陶瓷力发生装置与标准传感器和被测试件一起串联安装于测力系统中，当试验机工作时，在施加粗负荷后，通过特殊研制的控制装置控制施加于压电陶瓷力发生装置上的电场强度，改变它产生的微小变形量，从而达到精密调节力值的目的。控制装置运用微型计算机和微电子控制技术，以标准测力仪的输出作为反馈信号，实现对施加负荷和力值稳定调节的闭环控制和工作过程自动化。万能材料试验机共由五部分组成，即主机，压电陶瓷力发生装置，控制器和工作仪表以及数据处理系统。其中主机包括机架（机器的结构主体） ，驱动机构（用以实现粗加载的传动系统） ，控制器，工作仪表。
