电子拉力弹簧试验机的设计—-毕业论文设计.doc

济南大学毕业设计毕业设计题 目 电子拉力弹簧试验机的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0711 学 生 郝付臣 学 号 20070405031 指导教师 杨可森 二一一年 五 月 三十 日- 1 -济南大学毕业设计摘 要电子拉力弹簧试验机，主要用于测试弹簧或者其他弹性器件的受力与变形之间的量值关系，确定试件的品质，进而对试件的加工工艺、工序是否合理做出正确的判断，为合理修正、提高工序能力提供科学依据。本产品主要应用于弹簧制造、低压电器、家用电器、轻工纺织、军工机械、科研、院校等部门。本电子拉力弹簧试验机采用伺服电机作为动力源，为了增大传动比，采用蜗轮蜗杆减速机减速，滚珠丝杠系统制造精密，稳定可靠，用单片机实现对电机转速的控制，可随时控制压盘上下移动的距离，能够实现手动加载，具有超行程保护功能。整机框架采用封闭式结构，结构紧密，造型美观，安全可靠、操作方便。本次毕业设计在充分了解试验机知识的基础上，整合了电子拉力弹簧试验机的优点，对普遍存在的问题进行了改善，做了进一步提高。关键词：试验机；弹簧；单片机；伺服电机；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 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, military 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，Control 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 the test machine，The integration of electronic tensile test machine springs advantages，Issues of common improvements made to further improve.Key words： testing machine; spring; SCM; servo motor; 目 录摘要. .IABSTRACT.II1 前言.11.1国内外研究现状、水平及存在的问题.11.2选题目的目的及意义.11.3 实施方案及主要研究方案.11.4课题创新之处. . .11.5预期研究成果. . .22 整机传动方案的确定.32.1 确定传动方案.32.2 传动方案布局.33电动机的选择.43.1电动机的类型及结构. .43.2初选电动机的容量. .43.3电动机转速确定. . .54设计计算.64.1蜗轮蜗杆的设计. .64.2蜗杆轴的设计. .94.3丝杠螺母的设计. .144.4电路部分设计. . . .165 结论.17参考文献.18致谢.19附录. . . . .20- 20 -1 前言1.1 国内外研究现状、水平及存在的问题我国弹簧试验机的生产，已有五十年历史。国内弹簧试验机的发展现状,早期生产的弹簧试验机绝大多数领先机械传递、模拟测量，精度的提高受到限制。近些年来，随着科技发展已开发出静态拉压、静态扭转、高频拉压疲劳、低频拉压疲劳、扭转疲劳、在线检测等六种不同的检测方式：机械式、电子式、电磁式、电液式、电气式、电液伺服式等六种不同的加载方式；量程从1N-500KN不同规格的一百七十多种产品。1：弹簧拉压试验机的现状：此类型的检测设备几年以前大多为手动加载、模拟式或单数显式，近十年，双数显的测试设备已经成为主流设备。2：弹簧试验机的发展趋势：小负荷的弹簧，尤其是大刚度精密弹簧的首要要求是设备的测试精度高，因为位移的微小变化，便会引起试验力的较大变化，而保证试验力的测试精度，是很容易的事情，但是要保证弹簧试验机的另一参数位移的精度，是保证弹簧测试精度的关键，也是判断弹簧试验机精度高低的标准。因此，越来越多的使用者，都把位移测试精度的高低当做衡量试验机水平高低的标准。缺陷：目前国内外弹簧试验机主要以手动为主，自动式弹簧试验机占有少量的市场。1.2选题的目的意义随着科学技术发展，近几年，铁路系统客车提速、弹簧标准修改，原来试验机的测量精度、测量方式及缺少的数据处理功能已不适应新标准的要求。电子式及微机控制式的试验机，已经在有些厂家作为主要科研项目，而且已经投入生产。进行这个课题的学习和设计为了更好掌握这方面的技术和技能，同时真正掌握电子式弹簧试验机的结构，并能够掌握电路设计及在设计中应注意的问题，切身体会设计一台机器的艰辛过程和掌握方法。为今后的工作打下了基础。1.3实施方案及主要研究手段该测试系统的执行机构为一立式的能拉能压的机械装置，其传动丝杠由伺服电机进行驱动，实现拉压的操作。这种测试系统的一切操作都可由普通的电脑装上控制软件之后执行，这就需要一种可视化的操作软件，能对执行机构进行一切正确的控制和操作。为此，我们选择了目前较为常用的VB编程软件进行可视化操作系统的开发。但普通的电脑不能直接输入各种不同类型的模拟信号，因此，同时需要再扩展以8031单片机为核心的外接电板。1.4选题的创新之处该课题采用了手动与自动相结合的设计构想，通过巧妙的蜗杆设计，将手动与自动简单结合在一起，操作简单，使用方便。此电子式弹簧试验机既可以进行拉伸试验，也可以压缩试验。1.5预期研究成果：通过这次设计，掌握电子式弹簧试验机的结构，并能够掌握机械系统设计的基本原则和方法。能够基本掌握传动机构在实际系统中的应用。通过这段时间的实习，对本课题设计的研究成果有了初步的认识。比如，由试验机厂开发的类似产品，其采用了键盘控制技术，用光电管将各种测试结果显示出来，这套装置具有很多以前的测试所不具有的性能，但这套装置控制的检测装置，只要给任何一台电脑装上这种由我们所开发的软件，然后接上插头都能对检测装置进行控制。在电脑普及极其迅速的今天，我们的课题研究无疑具有十分广阔的市场。并且对我们的汽车行业的振兴有一定的促进意义！2 整机传动方案的确定2.1 确定传动方案 电子拉力弹簧试验机，最终实现的是挂钩及压盘的上下移动，完成对试件的拉压实验。能够实现直线动传的机构有：曲柄滑块结构、液压缸活塞的运动、丝杠螺母副的运动、齿轮齿条等。液压传动对系统的维护要求较高,液压元件制造精度要求高,工艺复杂，传动效率低。考虑弹簧试验机的使用环境，综合比较以上传动机构，最终选用丝杠螺母传动副来实现执行部件的上下移动。试验机的动力源由伺服电动机实现，为了增大传动比采用蜗轮蜗杆减速装置将传递到丝杠螺母副，用蜗轮蜗杆减速还可以实现电动机到丝杠运动方向的转换。2.2 传动方案的布局电动机通过联轴器将运动传递给蜗轮蜗杆减速机，蜗轮蜗杆将转速降低及运动转向后进一步将运动传递到丝杠螺母副，实现压盘上下移动，总体布局如图1.1所示。1、丝杠 2、螺母 3、电动机 4、联轴器 5、滚动轴承 6、蜗轮 7、蜗杆图1.1 电子拉力弹簧试验机的传动方案3 电动机的选择3.1电动机的类型及结构的选择根据电动机的电源、工作条件及载荷特点选择电动机的类型和结构形式。电子拉力弹簧试验机对电动机有伺服控制的要求，选用交流伺服电机。3.2初选电动机容量 标准电动机的容量由额定功率表示，所选电动机的额定功率应该稍大于工作要求的功率。如果容量小于工作要求，则不能保证试验机的正常工作，可能会导致电动机长期过载、发热过大而过早损坏；容量过大会导致成本增加，并且因功率及功率因数过低而造成浪费。 电动机的容量主要有运动时发热条件限定，在不变或变化很小的载荷下运行的机械，只要电动机的负载不超过额定值，则电动机不会发热，所以不必校验发热和启动力矩。电动机的功率为： （3.1）式中：Pd工作机实际需要的电动机的输出功率，KW： Pw工作机所需输入功率： 电动机至工作机之间传动装置的效率。工作机所需功率Pw由机器工作阻力和运功参数计算求得： (3.2) 式中：F工作机的阻力，N（F=5000N）; V工作机的线速度，m/s（V=0.033 m/s）; 工作机的效率，总效率： （3.3）。则：初选伺服电机额定功率为0.75KW。3.3电动机转速的确定同一类型的电动机，相同的额定功率有多种转速可供选择。如果选用低速电机，因级数较多而外形轮廓尺寸及重量较大，故价格较高，但可以使传动装置总传动比减小选用高速电机则相反。电子拉力弹簧试验机采用蜗轮蜗杆减速传动，本身的传动比很大，为了满足经济性要求选用额定转速为1500r/min。由以上设计计算选择松下交流伺服电机110MB075D-001000。安装尺寸如图3.1。图3.1交流伺服电机安装尺寸（L=211mm）4 设计计算4.1蜗轮蜗杆的设计电子拉力弹簧试验机使用的是闭式蜗轮蜗杆传动，联轴器的效率定为0.98，蜗杆的输入功率为,蜗杆转速为，传动比=30，试验机工作载荷稳定，有不大的冲击，所以寿命Lh设为12000h。4.1.1选择蜗杆的传动类型根据GB/T100851988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。4.1.2选择材料及加工精度考虑到蜗杆传递的功率不大，转速不高，蜗杆材料选用常用的45钢，要求传递效率尽量高，耐磨性好，蜗杆齿面渗碳淬火，HRC45HRC；蜗轮选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1，金属膜铸造；加工精度8级。4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计（1）初选几何参数。=30时，选Z1=1，Z2=Z1i=30*1=30.（2）粗算蜗轮输出转矩T2粗算传动效率： （4.1）蜗杆轴的输入功率P1=0.735KW，蜗轮的输出功率为： （4.2）(3)确定载荷系数。因工作载荷比较稳定，故取载荷不均匀系数=1;由附表1选取使用系数=1.15;由于转速不高，冲击不大;可取动载系数Kv=1.05，则：（4）确定弹性影响系数。因为选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配合，故（5）确定需用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属膜铸造，蜗杆齿面硬度45HRC，从附表2查得蜗轮的基本许用应力=268MPa。应力循环系数： （4.3）寿命系数: （4.4）则：(6)计算中心距： （4.5）取中心距a=80mm。4.1.4蜗轮、蜗杆的主要参数与几何尺寸中心距a=80mm，取模数m=4。（1）蜗杆 直径系数q=10，分度圆直径=40，蜗杆头数=1，分度圆导程角，齿顶圆直径，齿根圆直径，轴向齿距，轴向齿厚。蜗杆螺纹部分长度，取L=63mm。（2）蜗轮齿数，变位系数；分度圆直径；蜗轮喉圆直径；蜗轮齿根圆直径；蜗轮咽喉母圆直径。验算传动比，传动比误差为，在允许的范围内。4.1.5校核齿根弯曲疲劳强度按下式进行校核：当量齿数： （4.6） 根据，差得齿形系数螺旋角系数：许用弯曲应力：蜗轮材料为ZCuSn10P1制造，其基本许用应力。寿命系数： (4.7) 弯曲强度满足要求。4.2蜗杆轴的设计4.2.1蜗杆轴的功率、转速和转矩功率：=0.735KW，转速：=1500r/min转矩： (4.8)4.2.2作用在蜗杆轴上的力4.2.3初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径，已选用的蜗轮材料为45钢，调制处理，由附表3差得=112，计算轴的最小直径： (4.9)最小直径处安装联轴器，为了使电动机输出轴与蜗杆轴、联轴器孔径相配合，首先选择联轴器，联轴器选用刚性套筒联轴器（GB/T 11841996），联轴器尺寸为，对称度选取8级。4.2.4轴的结构设计 （1）拟定轴上零件的装配方案选用图4.1所示的装配方案。（2）根据轴的定位要求确定轴的各段直径及长度 半联轴器与轴配合的毂孔长度为30mm，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故;初选滚动轴承，轴承要同时承受径向力和轴向力，所以选用角接触球轴承。参照工作要求，根据，初选0基本游隙，标准精度等级的7005C型角接触球轴承(GB/T 292-1994)，尺寸为,所以，由结构需要取；为了满足轴承的定位，取，；。4.2.5蜗杆轴上零件的周向定位 联轴器的周向定位由平键链接保证，查手册选用平键（GB/T 1096），同时为了保证联轴器与轴的联接，联轴器与轴的配合选用H7/k6；滚动轴承的周向定位是靠过渡配合来实现的，轴的直径公差为j5。4.2.6轴上的载荷首先根据蜗杆轴的结构简图，画出蜗杆轴的计算简图,见图4.2.差得7005C型角接触球轴承的a值为10.8mm,因此作为简支梁的跨距，根据蜗杆轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图,图4.3。图4.1蜗杆轴的结构图图4.2 蜗杆轴的计算简图及弯矩和扭矩图从图4.2蜗杆轴的弯矩图和扭矩图可以看出截面C为轴的危险截面。截面C处的、及值:表4.1、及值载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T4.2.7按弯扭合成应力校核蜗杆轴的强度 已知轴的弯矩及扭矩，按第三强度理论，计算应力： (4.10) 式中：轴的计算应力，； 轴所受的弯矩，； 轴所受的扭矩； 轴的抗弯截面系数，； 对称循环应力时轴的许用弯曲应力，蜗杆轴的材料为45钢，调制处理，所以=60。取=0.6，满足要求。4.3丝杠螺母的设计4.3.1丝杠螺母传动副的运动形式及结构的选择 丝杠螺母传动是一种利用螺旋斜面原理进行传动的机构，用来将螺旋运动转变为直线运动。通过对结构特点及经济型的考虑，滚珠丝杠螺母副摩擦损失小，传动效率高，预紧后可以消除间隙，提高传动刚度和精度。 4.3.2滚动丝杠螺母副的设计（1）计算最大动载荷 （4.11） （4.12） （4.13）式中：滚珠丝杠导程，初选=8mm；最高进给速度的（1/2-1/3）；使用寿命，按12000h；运转系数，按一般运转取=1.2-1.5；寿命，以转为1单位。；。（2）由以上计算，选择型1列3.5圈外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副，其额定动载荷为31200，名义直径60mm4.3.3传动效率的计算 ； (4.14)式中： 螺旋升角，=；摩擦角，取；4.3.5丝杠轴的结构设计 （1）蜗轮宽度，取=30mm，所以取。 （2）选取滚动轴承。 丝杠采用一端固定，一端游动的安装方式，固定端选用圆锥滚子轴承（GB/T 297-1994），初选30209型圆锥滚子轴承，尺寸为,所以，；自由端选用型号为6009的深沟球轴承，尺寸为;同时选用圆螺母(GB/T812-1988)，同取，,取。自由端选用型号为6009的深沟球轴承（GB/T 276-1994），尺寸为。 （3）零件的周向定位 蜗轮的轴向定位采用平键联接，根据，B=36mm，选用平键尺寸为(GB/T 1096)；滚动轴承的轴向定位借助过渡配合保证。4.4电路设计部分负荷放大电路图4.1 负荷放大电路5 结 论本次毕业设计是在对试验机进行了参观实习的基础上进行的，因此对试验机有了进一步的了解，通过以上的设计及计算，整个毕业设计已基本完成。本电子拉力弹簧试验机主要用于测试弹簧或其他弹性材料受力与变形量之间的两只关系，以确定材料的品质，进而对其加工工艺、工序能力做出调整，为提高产品的性能提供科学的依据。主要特点：（1）采用伺服电机驱动、伺服电机通过传动系统控制压盘上下移动，实现试验机的工作。（2）高精度滚珠丝杠，提高了传动效率和精度，横梁级工作台用整体钢板和高强度合金光杠固定，构成高精度的封闭式框架结构。（3）采用交流伺服控制器和伺服电机，控制精确、响应频率高，具有精密的蜗轮蜗杆减速机，确保传动系统效率高，噪音低、传动平稳。（4）可实现手动加载，具有超行程保护功能。主要技术参数：（1）最大试验力：5000N；试验力示值精度：20FS起1；（2）最大试验力空间：200mm；（3）工作台移动范围：1mm/min2000mm/min；位移示值精度：0.5FS。 参 考 文 献1杨可森，车忠远，陈楠，于梅松. PWS-500型电液伺服动静万能试验机的研制J . 试验技术试验机. 2001,41(3):60-652杨可森，席中慧，李宏伟，程永全. 电液伺服动静万能试验机液压系统设计的一些原则c . 工程设计学报，2002，43王亮.电子拉力试验机横梁高速移动故障的维修J.理化检验- 物理分册,2007,43(8):67-734 刘智涛.MTS - Q T/ 25 电子拉力试验机的一种示值误差校正方法J . 计量与测试技术，2002, 56（1）：18-235杨其华.实用拉力试验机微机测控系统的研制J. 中国计量学院学报,1998,23(1):35-386刘健,姜伟,罗斌.全自动拉力试验机系统J.液压与气动，2002,31(8):40-437 曾春年，程昌良，陆丰奎.模糊控制在电子拉力试验机等应变控制中的应用J.试验技术与试验，1997,37(3):51-558 郑军平.拉力试验机的拉力变形监控系统J.焊管，2001,24(5):35-379 曾和平，蔡西洋.拉力试验机的故障故障分析与处理特钢技术J.特钢技术，2007,13(51):52-5510 王亮.电子拉力试验机位移系统异常的维修J.仪器仪表标准化与计量，2007,15(3):48-5111 张欣，孙宏昌，尹霞. 单片机原理与C51程序设计基础教程M. 第2版.北京:清华大学出版社,2010.3：213-35512 邵健. MCS-51单片机汇编语言浅谈(二) 单片机汇编语言浅谈(二) J.电子制作.2001，368（7）:25-3113孙振华. MCS51单片机汇编语言设计技巧J.西安航空技术高等专科学校学报.2005,65(5):40-4314 Jae-Yong and Kyung-Ho YOON.Finite Element Analysis of Optimized Shape Sping in a NuclearFuel Space Grid by using Contact DefinitionJ.Journal of Power and Energy System，2008,2(1):39-4515 Jovan Neovi. DESIGN AND CALCULATION OF RING SPRINGS AS SPRING ELEMENTS OF THE WAGON BUFFERJ.Mechanical Engineering，2002,62(43):1127-1131致 谢时光如梭，四年的大学生活随着毕业设计的完成走到了终点，大学是我们每个人重要的人生转折点，对于以后的工作、学习生活打下坚实的基础，是辉煌人生的起点，在此衷心感谢在四年的大学学习、生活中给予我帮助的老师、同学。毕业设计作为大学生活的最后一个环节，是四年专业理论知识学习的一次梳理、总结，渗透着老师、同学们的帮助和协作，凝聚着每个人的心血，是对每个学生独立分析问题、解决问题能力的一次历练，需要我们综合运用所学知识，同时要不断地查阅相关资料，请教老师，解决在设计过程中可能遇到的所有问题，不断优化设计方案，最终交上一份合格的答卷。我的毕业设计是电子拉力弹簧试验机，这个设计题目对我来说是比较陌生的，缺乏试验机方面的知识，对此，杨老师对每个人的毕业设计题目，带领我们参观相关的试验机厂，对课题组每个人的题目做出了针对性的讲解，使我们尽快的融入进设计题目中，尤其对试验机、液压系统巧妙地运用我们学过的理论知识讲解，是四年理论学习的一次在现。毕业实习是我大学所学知识的一次有效实践运用，学会了解决实际问题的方法、步骤，对整个设计过程有了一个整体、宏观的把握。同时杨老师，将自己在教学、工作过程中积累的经验，用幽默巧妙的语言传授给我们，让我们学到了书本中无法学到的知识和经验，使我受益匪浅。能够顺利地完成毕业设计得益于杨老师耐心细致的指导，同时在设计过程中暴漏了我基础知识不牢固、缺乏经验等不足，在理论知识和实际问题的结合上有所欠缺，着对我以后的工作敲响了警钟，我会不断学习，努力提高自己的整体素质。在此对各位老师的帮助表示衷心的感谢。附录附表1使用系数工作类型IIIIII载荷性质均匀、无冲击不均匀、小冲击不均匀、大冲击每小时启动数50启动载荷小较大大11.151.2附表2蜗轮需用接触应力蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋齿面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属膜铸造220128铸锡锌铅青铜砂模铸造113135金属膜铸造128140附表3常见几种材料的及值材料Q235、204540Cr、35SiMn、38SiMnMo、3Cr13Q275、35152525453555203514912612610311297135112