電子拉力彈簧試驗機的設計說明

1、 . PAGE24 / NUMPAGES29畢業(yè)設計題 目電子拉力彈簧試驗機的設計 摘 要電子拉力彈簧試驗機，主要用于測試彈簧或者其他彈性器件的受力與變形之間的量值關系，確定試件的品質，進而對試件的加工工藝、工序是否合理做出正確的判斷，為合理修正、提高工序能力提供科學依據(jù)。本產(chǎn)品主要應用于彈簧制造、低壓電器、家用電器、輕工紡織、軍工機械、科研、院校等部門。本電子拉力彈簧試驗機采用伺服電機作為動力源，為了增大傳動比，采用蝸輪蝸桿減速機減速，滾珠絲杠系統(tǒng)制造精密，穩(wěn)定可靠，用單片機實現(xiàn)對電機轉速的控制，可隨時控制壓盤上下移動的距離，能夠實現(xiàn)手動加載，具有超行程保護功能。整機框架采用封閉式結構，結構

2、緊密，造型美觀，安全可靠、操作方便。本次畢業(yè)設計在充分了解試驗機知識的基礎上，整合了電子拉力彈簧試驗機的優(yōu)點，對普遍存在的問題進行了改善，做了進一步提高。關鍵詞：試驗機；彈簧；單片機；伺服電機；ABSTRACTElectronic tensile spring testing machine,Mainly used to test the springs or other elastic devices between force and deformation value relationship，的determine the quality of the specimen,And then

3、 process the specimen, whether it is reasonable procedures to make the right judgments, reasonable amendments to improve the process capability to provide scientific evidence.This product is mainly used in spring manufacture, low-voltage electrical appliances, household appliances, light textile, mi

4、litary machinery, scientific research institutions and other departments.The electronic tensile test machine using servo motor as a power source，To increase the transmission ratio，Worm gear reducer used，Manufacture of precision ball screw systems，Stable and reliable，With MCU control of motor speed，C

5、ontrol the pressure plate can move up or down at any distance，Can be achieved manually loaded,With over-travel protection。Machine frame is made of closed-end structure，Compact, attractive appearance, safe, reliable, easy to operate.The graduation based on in the full knowledge and understanding of t

6、he test machine，The integration of electronic tensile test machine springs advantages，Issues of common improvements made to further improve.Keywords： testing machine; spring; SCM; servo motor;目 錄摘要. . = 1 * ROMAN IABSTRACT. = 2 * ROMAN II1 前言.11.1國外研究現(xiàn)狀、水平與存在的問題.11.2選題目的目的與意義.11.3 實施方案與主要研究方案.11.4課題

7、創(chuàng)新之處 .11.5預期研究成果 .22 整機傳動方案的確定.32.1 確定傳動方案.32.2 傳動方案布局.33電動機的選擇.43.1電動機的類型與結構.43.2初選電動機的容量.43.3電動機轉速確定.54設計計算.64.1蝸輪蝸桿的設計.64.2蝸桿軸的設計. .94.3絲杠螺母的設計.144.4電路部分設計. . .165 結論.17參考文獻.18致.19附錄. . . . .201前言1.1國外研究現(xiàn)狀、水平與存在的問題我國彈簧試驗機的生產(chǎn)，已有五十年歷史。國彈簧試驗機的發(fā)展現(xiàn)狀,早期生產(chǎn)的彈簧試驗機絕大多數(shù)領先機械傳遞、模擬測量，精度的提高受到限制。近些年來，隨著科技發(fā)展已開發(fā)出靜

8、態(tài)拉壓、靜態(tài)扭轉、高頻拉壓疲勞、低頻拉壓疲勞、扭轉疲勞、在線檢測等六種不同的檢測方式：機械式、電子式、電磁式、電液式、電氣式、電液伺服式等六種不同的加載方式；量程從1N-500KN不同規(guī)格的一百七十多種產(chǎn)品。1：彈簧拉壓試驗機的現(xiàn)狀：此類型的檢測設備幾年以前大多為手動加載、模擬式或單數(shù)顯式，近十年，雙數(shù)顯的測試設備已經(jīng)成為主流設備。2：彈簧試驗機的發(fā)展趨勢：小負荷的彈簧，尤其是大剛度精密彈簧的首要要設備的測試精度高，因為位移的微小變化，便會引起試驗力的較大變化，而保證試驗力的測試精度，是很容易的事情，但是要保證彈簧試驗機的另一參數(shù)位移的精度，是保證彈簧測試精度的關鍵，也是判斷彈簧試驗機精度高低

9、的標準。因此，越來越多的使用者，都把位移測試精度的高低當做衡量試驗機水平高低的標準。缺陷：目前國外彈簧試驗機主要以手動為主，自動式彈簧試驗機占有少量的市場。1.2選題的目的意義隨著科學技術發(fā)展，近幾年，鐵路系統(tǒng)客車提速、彈簧標準修改，原來試驗機的測量精度、測量方式與缺少的數(shù)據(jù)處理功能已不適應新標準的要求。電子式與微機控制式的試驗機，已經(jīng)在有些廠家作為主要科研項目，而且已經(jīng)投入生產(chǎn)。進行這個課題的學習和設計為了更好掌握這方面的技術和技能，同時真正掌握電子式彈簧試驗機的結構，并能夠掌握電路設計與在設計中應注意的問題，切身體會設計一臺機器的艱辛過程和掌握方法。為今后的工作打下了基礎。1.3實施方案與

10、主要研究手段該測試系統(tǒng)的執(zhí)行機構為一立式的能拉能壓的機械裝置，其傳動絲杠由伺服電機進行驅動，實現(xiàn)拉壓的操作。這種測試系統(tǒng)的一切操作都可由普通的電腦裝上控制軟件之后執(zhí)行，這就需要一種可視化的操作軟件，能對執(zhí)行機構進行一切正確的控制和操作。為此，我們選擇了目前較為常用的VB編程軟件進行可視化操作系統(tǒng)的開發(fā)。但普通的電腦不能直接輸入各種不同類型的模擬信號，因此，同時需要再擴展以8031單片機為核心的外接電板。1.4選題的創(chuàng)新之處該課題采用了手動與自動相結合的設計構想，通過巧妙的蝸桿設計，將手動與自動簡單結合在一起，操作簡單，使用方便。此電子式彈簧試驗機既可以進行拉伸試驗，也可以壓縮試驗。1.5預期研

11、究成果：通過這次設計，掌握電子式彈簧試驗機的結構，并能夠掌握機械系統(tǒng)設計的基本原則和方法。能夠基本掌握傳動機構在實際系統(tǒng)中的應用。通過這段時間的實習，對本課題設計的研究成果有了初步的認識。比如，由試驗機廠開發(fā)的類似產(chǎn)品，其采用了鍵盤控制技術，用光電管將各種測試結果顯示出來，這套裝置具有很多以前的測試所不具有的性能，但這套裝置控制的檢測裝置，只要給任何一臺電腦裝上這種由我們所開發(fā)的軟件，然后接上插頭都能對檢測裝置進行控制。在電腦普與極其迅速的今天，我們的課題研究無疑具有十分廣闊的市場。并且對我們的汽車行業(yè)的振興有一定的促進意義！2 整機傳動方案的確定2.1確定傳動方案電子拉力彈簧試驗機，最終實現(xiàn)

12、的是掛鉤與壓盤的上下移動，完成對試件的拉壓實驗。能夠實現(xiàn)直線動傳的機構有：曲柄滑塊結構、液壓缸活塞的運動、絲杠螺母副的運動、齒輪齒條等。液壓傳動對系統(tǒng)的維護要求較高,液壓元件制造精度要求高,工藝復雜，傳動效率低?？紤]彈簧試驗機的使用環(huán)境，綜合比較以上傳動機構，最終選用絲杠螺母傳動副來實現(xiàn)執(zhí)行部件的上下移動。試驗機的動力源由伺服電動機實現(xiàn)，為了增大傳動比采用蝸輪蝸桿減速裝置將傳遞到絲杠螺母副，用蝸輪蝸桿減速還可以實現(xiàn)電動機到絲杠運動方向的轉換。2.2傳動方案的布局電動機通過聯(lián)軸器將運動傳遞給蝸輪蝸桿減速機，蝸輪蝸桿將轉速降低與運動轉向后進一步將運動傳遞到絲杠螺母副，實現(xiàn)壓盤上下移動，總體布局如圖

13、1.1所示。1、絲杠 2、螺母 3、電動機 4、聯(lián)軸器 5、滾動軸承 6、蝸輪 7、蝸桿圖1.1 電子拉力彈簧試驗機的傳動方案3 電動機的選擇3.1電動機的類型與結構的選擇根據(jù)電動機的電源、工作條件與載荷特點選擇電動機的類型和結構形式。電子拉力彈簧試驗機對電動機有伺服控制的要求，選用交流伺服電機。3.2初選電動機容量 標準電動機的容量由額定功率表示，所選電動機的額定功率應該稍大于工作要求的功率。如果容量小于工作要求，則不能保證試驗機的正常工作，可能會導致電動機長期過載、發(fā)熱過大而過早損壞；容量過大會導致成本增加，并且因功率與功率因數(shù)過低而造成浪費。 電動機的容量主要有運動時發(fā)熱條件限定，在不變

14、或變化很小的載荷下運行的機械，只要電動機的負載不超過額定值，則電動機不會發(fā)熱，所以不必校驗發(fā)熱和啟動力矩。電動機的功率為： （3.1）式中：Pd工作機實際需要的電動機的輸出功率，KW： Pw工作機所需輸入功率：電動機至工作機之間傳動裝置的效率。工作機所需功率Pw由機器工作阻力和運功參數(shù)計算求得： (3.2) 式中：F工作機的阻力，N（F=5000N）; V工作機的線速度，m/s（V=0.033 m/s）;工作機的效率，總效率： （3.3）。則：初選伺服電機額定功率為0.75KW。3.3電動機轉速的確定同一類型的電動機，一樣的額定功率有多種轉速可供選擇。如果選用低速電機，因級數(shù)較多而外形輪廓尺寸

15、與重量較大，故價格較高，但可以使傳動裝置總傳動比減小選用高速電機則相反。電子拉力彈簧試驗機采用蝸輪蝸桿減速傳動，本身的傳動比很大，為了滿足經(jīng)濟性要求選用額定轉速為1500r/min。由以上設計計算選擇松下交流伺服電機110MB075D-001000。安裝尺寸如圖3.1。圖3.1交流伺服電機安裝尺寸（L=211mm）4 設計計算4.1蝸輪蝸桿的設計電子拉力彈簧試驗機使用的是閉式蝸輪蝸桿傳動，聯(lián)軸器的效率定為0.98，蝸桿的輸入功率為,蝸桿轉速為，傳動比=30，試驗機工作載荷穩(wěn)定，有不大的沖擊，所以壽命Lh設為12000h。4.1.1選擇蝸桿的傳動類型根據(jù)GB/T100851988的推薦，采用漸開

16、線蝸桿（ZI）。4.1.2選擇材料與加工精度考慮到蝸桿傳遞的功率不大，轉速不高，蝸桿材料選用常用的45鋼，要求傳遞效率盡量高，耐磨性好，蝸桿齒面滲碳淬火，HRC45HRC；蝸輪選用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1，金屬膜鑄造；加工精度8級。4.1.3按齒面接觸疲勞強度進行設計（1）初選幾何參數(shù)。=30時，選Z1=1，Z2=Z1i=30*1=30.（2）粗算蝸輪輸出轉矩T2粗算傳動效率： （4.1）蝸桿軸的輸入功率P1=0.735KW，蝸輪的輸出功率為： （4.2）(3)確定載荷系數(shù)。因工作載荷比較穩(wěn)定，故取載荷不均勻系數(shù)=1;由附表1選取使用系數(shù)=1.15;由于轉速不高，沖擊不大;可取動載系數(shù)Kv

17、=1.05，則：（4）確定彈性影響系數(shù)。因為選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配合，故（5）確定需用接觸應力根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅，金屬膜鑄造，蝸桿齒面硬度45HRC，從附表2查得蝸輪的基本許用應力=268MPa。應力循環(huán)系數(shù)： （4.3）壽命系數(shù): （4.4）則：(6)計算中心距： （4.5）取中心距a=80mm。4.1.4蝸輪、蝸桿的主要參數(shù)與幾何尺寸中心距a=80mm，取模數(shù)m=4。（1）蝸桿 直徑系數(shù)q=10，分度圓直徑=40，蝸桿頭數(shù)=1，分度圓導程角，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，軸向齒距，軸向齒厚。蝸桿螺紋部分長度，取L=63mm。（2）蝸輪齒數(shù)，變位系數(shù)；分度圓直徑；蝸輪喉圓直徑；蝸

18、輪齒根圓直徑；蝸輪咽喉母圓直徑。驗算傳動比，傳動比誤差為，在允許的圍。4.1.5校核齒根彎曲疲勞強度按下式進行校核：當量齒數(shù)： （4.6） 根據(jù)，差得齒形系數(shù)螺旋角系數(shù)：許用彎曲應力：蝸輪材料為ZCuSn10P1制造，其基本許用應力。壽命系數(shù)： (4.7)彎曲強度滿足要求。4.2蝸桿軸的設計4.2.1蝸桿軸的功率、轉速和轉矩功率：=0.735KW，轉速：=1500r/min轉矩： (4.8)4.2.2作用在蝸桿軸上的力4.2.3初步確定軸的最小直徑初步確定軸的最小直徑，已選用的蝸輪材料為45鋼，調制處理，由附表3差得=112，計算軸的最小直徑： (4.9)最小直徑處安裝聯(lián)軸器，為了使電動機輸出

19、軸與蝸桿軸、聯(lián)軸器孔徑相配合，首先選擇聯(lián)軸器，聯(lián)軸器選用剛性套筒聯(lián)軸器（GB/T 11841996），聯(lián)軸器尺寸為，對稱度選取8級。4.2.4軸的結構設計（1）擬定軸上零件的裝配方案選用圖4.1所示的裝配方案。（2）根據(jù)軸的定位要求確定軸的各段直徑與長度 半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為30mm，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故;初選滾動軸承，軸承要同時承受徑向力和軸向力，所以選用角接觸球軸承。參照工作要求，根據(jù)，初選0基本游隙，標準精度等級的7005C型角接觸球軸承(GB/T 292-1994)，尺寸為,所以，由結構需要??；為了滿足軸承的定位，取，；。4.2.5蝸桿軸上零件

20、的周向定位 聯(lián)軸器的周向定位由平鍵保證，查手冊選用平鍵（GB/T 1096），同時為了保證聯(lián)軸器與軸的聯(lián)接，聯(lián)軸器與軸的配合選用H7/k6；滾動軸承的周向定位是靠過渡配合來實現(xiàn)的，軸的直徑公差為j5。4.2.6軸上的載荷首先根據(jù)蝸桿軸的結構簡圖，畫出蝸桿軸的計算簡圖,見圖4.2.差得7005C型角接觸球軸承的a值為10.8mm,因此作為簡支梁的跨距，根據(jù)蝸桿軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖,圖4.3。圖4.1蝸桿軸的結構圖圖4.2 蝸桿軸的計算簡圖與彎矩和扭矩圖從圖4.2蝸桿軸的彎矩圖和扭矩圖可以看出截面C為軸的危險截面。截面C處的、與值:表4.1、與值載荷水平面H垂直面V支反力F彎矩M總彎

21、矩扭矩T4.2.7按彎扭合成應力校核蝸桿軸的強度已知軸的彎矩與扭矩，按第三強度理論，計算應力： (4.10) 式中：軸的計算應力，；軸所受的彎矩，；軸所受的扭矩；軸的抗彎截面系數(shù)，；對稱循環(huán)應力時軸的許用彎曲應力，蝸桿軸的材料為45鋼，調制處理，所以=60。取=0.6，滿足要求。4.3絲杠螺母的設計4.3.1絲杠螺母傳動副的運動形式與結構的選擇 絲杠螺母傳動是一種利用螺旋斜面原理進行傳動的機構，用來將螺旋運動轉變?yōu)橹本€運動。通過對結構特點與經(jīng)濟型的考慮，滾珠絲杠螺母副摩擦損失小，傳動效率高，預緊后可以消除間隙，提高傳動剛度和精度。 4.3.2滾動絲杠螺母副的設計（1）計算最大動載荷 （4.11

22、） （4.12） （4.13）式中：滾珠絲杠導程，初選=8mm；最高進給速度的（1/2-1/3）；使用壽命，按12000h；運轉系數(shù)，按一般運轉取=1.2-1.5；壽命，以轉為1單位。；。（2）由以上計算，選擇型1列3.5圈外循環(huán)螺紋調整預緊的不帶襯套的雙螺母滾珠絲杠副，其額定動載荷為31200，名義直徑60mm4.3.3傳動效率的計算； (4.14)式中： 螺旋升角，=；摩擦角，?。?.3.5絲杠軸的結構設計 （1）蝸輪寬度，取=30mm，所以取。 （2）選取滾動軸承。 絲杠采用一端固定，一端游動的安裝方式，固定端選用圓錐滾子軸承（GB/T 297-1994），初選30209型圓錐滾子軸承，

23、尺寸為,所以，；自由端選用型號為6009的深溝球軸承，尺寸為;同時選用圓螺母(GB/T812-1988)，同取，,取。自由端選用型號為6009的深溝球軸承（GB/T 276-1994），尺寸為。 （3）零件的周向定位 蝸輪的軸向定位采用平鍵聯(lián)接，根據(jù)，B=36mm，選用平鍵尺寸為(GB/T 1096)；滾動軸承的軸向定位借助過渡配合保證。4.4電路設計部分負荷放大電路圖4.1 負荷放大電路5 結 論本次畢業(yè)設計是在對試驗機進行了參觀實習的基礎上進行的，因此對試驗機有了進一步的了解，通過以上的設計與計算，整個畢業(yè)設計已基本完成。本電子拉力彈簧試驗機主要用于測試彈簧或其他彈性材料受力與變形量之間的

24、兩只關系，以確定材料的品質，進而對其加工工藝、工序能力做出調整，為提高產(chǎn)品的性能提供科學的依據(jù)。主要特點：（1）采用伺服電機驅動、伺服電機通過傳動系統(tǒng)控制壓盤上下移動，實現(xiàn)試驗機的工作。（2）高精度滾珠絲杠，提高了傳動效率和精度，橫梁級工作臺用整體鋼板和高強度合金光杠固定，構成高精度的封閉式框架結構。（3）采用交流伺服控制器和伺服電機，控制精確、響應頻率高，具有精密的蝸輪蝸桿減速機，確保傳動系統(tǒng)效率高，噪音低、傳動平穩(wěn)。（4）可實現(xiàn)手動加載，具有超行程保護功能。主要技術參數(shù)：（1）最大試驗力：5000N；試驗力示值精度：20FS起1；（2）最大試驗力空間：200mm；（3）工作臺移動圍：1mm

25、/min2000mm/min；位移示值精度：0.5FS。 參 考 文 獻1可森，車忠遠，楠，于梅松. PWS-500型電液伺服動靜萬能試驗機的研制J . HYPERLINK :/ t _blank 試驗技術試驗機. 2001,41(3):60-652 HYPERLINK :/ t result2 可森， HYPERLINK :/ t result2 席中慧， HYPERLINK :/ t result2 宏偉， HYPERLINK :/ t result2 程永全. HYPERLINK :/ t NewBriefDetail 電液伺服動靜萬能試驗機液壓系統(tǒng)設計的一些原則c .工程設計學報，20

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29、OF THE WAGON BUFFERJ.Mechanical Engineering，2002,62(43):1127-1131致 時光如梭，四年的大學生活隨著畢業(yè)設計的完成走到了終點，大學是我們每個人重要的人生轉折點，對于以后的工作、學習生活打下堅實的基礎，是輝煌人生的起點，在此衷心感在四年的大學學習、生活中給予我?guī)椭睦蠋煛⑼瑢W。畢業(yè)設計作為大學生活的最后一個環(huán)節(jié)，是四年專業(yè)理論知識學習的一次梳理、總結，滲透著老師、同學們的幫助和協(xié)作，凝聚著每個人的心血，是對每個學生獨立分析問題、解決問題能力的一次歷練，需要我們綜合運用所學知識，同時要不斷地查閱相關資料，請教老師，解決在設計過程中可能遇

30、到的所有問題，不斷優(yōu)化設計方案，最終交上一份合格的答卷。我的畢業(yè)設計是電子拉力彈簧試驗機，這個設計題目對我來說是比較陌生的，缺乏試驗機方面的知識，對此，老師對每個人的畢業(yè)設計題目，帶領我們參觀相關的試驗機廠，對課題組每個人的題目做出了針對性的講解，使我們盡快的融入進設計題目中，尤其對試驗機、液壓系統(tǒng)巧妙地運用我們學過的理論知識講解，是四年理論學習的一次在現(xiàn)。畢業(yè)實習是我大學所學知識的一次有效實踐運用，學會了解決實際問題的方法、步驟，對整個設計過程有了一個整體、宏觀的把握。同時老師，將自己在教學、工作過程中積累的經(jīng)驗，用幽默巧妙的語言傳授給我們，讓我們學到了書本中無法學到的知識和經(jīng)驗，使我受益匪

31、淺。能夠順利地完成畢業(yè)設計得益于老師耐心細致的指導，同時在設計過程中暴漏了我基礎知識不牢固、缺乏經(jīng)驗等不足，在理論知識和實際問題的結合上有所欠缺，著對我以后的工作敲響了警鐘，我會不斷學習，努力提高自己的整體素質。在此對各位老師的幫助表示衷心的感。附錄附表1使用系數(shù)工作類型IIIIII載荷性質均勻、無沖擊不均勻、小沖擊不均勻、大沖擊每小時啟動數(shù)50啟動載荷小較大大11.151.2附表2蝸輪需用接觸應力蝸輪材料鑄造方法蝸桿螺旋齒面的硬度45HRC45HRC鑄錫磷青銅ZCuSn10P1砂模鑄造150180金屬膜鑄造220128鑄錫鋅鉛青銅砂模鑄造113135金屬膜鑄造128140附表3常見幾種材料的與值材料Q235、204540Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr13Q275、35152525453555203514912612610311297135112畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與