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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
湘潭大學(xué)（興湘學(xué)院）
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目： 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)
學(xué) 院： 興湘學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 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(jì)）任務(wù)書(shū)
論文（設(shè)計(jì)）題目： 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： 2008963119 姓名： 張杰 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)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(jì)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械部分。主要技術(shù)指標(biāo)如下：
1、最大試驗(yàn)力：100kN
2、橫梁速度范圍：0.005mm/min～500mm/min無(wú)級(jí)；任意設(shè)定
3、試驗(yàn)空間寬度：600mm
4、外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：1520mm×840mm×2125mm
5、整機(jī)形式：立式
設(shè)計(jì)要求：
1、完成方案設(shè)計(jì)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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，關(guān)鍵零件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算，說(shuō)明書(shū)字?jǐn)?shù)不少于1~5萬(wàn)
4、完成資料查閱和3000字的文獻(xiàn)翻譯
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)強(qiáng)度校核計(jì)算。
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
查閱資料、調(diào)研
第1，2周
2
制訂設(shè)計(jì)方案
第3，4周
3
分析與計(jì)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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)
2、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)
3、揚(yáng)樂(lè)民等，脆性材料實(shí)驗(yàn)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械工程師，2008，4
4、李曉杰，CSS-2200系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，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(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 2008963119 姓名 張杰 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 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(diǎn)和教學(xué)計(jì)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(huì)等實(shí)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(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）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(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)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(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
作者的畢業(yè)設(shè)計(jì)為萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)，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(diǎn)，達(dá)到了綜合訓(xùn)練的目的。該生具有較強(qiáng)的文獻(xiàn)查閱、資料綜合歸納整理的能力，能在設(shè)計(jì)工作中較熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)方案可行，工作量適當(dāng)，設(shè)計(jì)思路較清晰，論文質(zhì)量較好，同意參加答辯。
評(píng)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(jì)）鑒定意見(jiàn)
學(xué)號(hào)： 2008963119 姓名： 張杰 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 32 頁(yè) 圖 表 6 張
論文（設(shè)計(jì)）題目：標(biāo)題應(yīng)簡(jiǎn)短、明確、有概括性（大致反映文章的內(nèi)容、專業(yè)的特點(diǎn)和學(xué)科的范疇）。字?jǐn)?shù)適當(dāng)，一般不超過(guò)20個(gè)字。
內(nèi)容提要：
試驗(yàn)機(jī)是在各種條件、環(huán)境下測(cè)定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)機(jī)械性能、工
藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零部件動(dòng)態(tài)不平衡量的精密測(cè)試儀器，可以對(duì)材料進(jìn)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(yàn)。近年來(lái)，試驗(yàn)機(jī)行業(yè)技
術(shù)突飛猛進(jìn)。試驗(yàn)機(jī)向著兩個(gè)方向即超微外力檢測(cè)與超大外力檢測(cè)發(fā)展。高檢測(cè)精度、
高靈敏度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、易于操縱是目前試驗(yàn)機(jī)的主要發(fā)展方向。
本文首先概述了試驗(yàn)機(jī)的基本定義、分類與國(guó)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(duì)這些方案優(yōu)缺點(diǎn)作了分析和對(duì)比。在彼此比較后決定選第一種方案。第三部分
則是說(shuō)明了試驗(yàn)機(jī)的主要機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)以及對(duì)它們的校核過(guò)程。試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)部分主要由蝸
輪蝸桿、皮帶、滾珠絲杠三部分組成。經(jīng)過(guò)校核后所有設(shè)計(jì)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)。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)
張杰同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，態(tài)度認(rèn)真，查閱了大量的相關(guān)中英文資料，并對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)作了認(rèn)真的理解與分析，通過(guò)多種設(shè)計(jì)方案的比較，從中提出了一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，對(duì)萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的的機(jī)械部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)張杰同學(xué)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)技巧、以及機(jī)械設(shè)制造相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)的掌握有了較大的進(jìn)步，初步掌握了相關(guān)制圖軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。論文立論正確，論述清楚，圖紙基本符合設(shè)計(jì)要求，論文達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，同意參加答辯，推薦畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?yōu)椤爸小薄?
指導(dǎo)教師：
2012年5月 日
答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)
能夠較好的回答老師提出的問(wèn)題。
根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績(jī)?cè)u(píng)定為 。
答辯小組組長(zhǎng)：
2012年5月 日
答辯委員會(huì)意見(jiàn)
經(jīng)答辯委員會(huì)討論，同意該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定為
答辯委員會(huì)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(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)機(jī)研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2
1.2.1國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)發(fā)展及其趨勢(shì) 2
1.2.1國(guó)內(nèi)外各種實(shí)驗(yàn)機(jī)的介紹 5
1.3課題的內(nèi)容： 7
第2章 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì) 9
2.1加載方式 9
2.2 試驗(yàn)機(jī)式樣的選擇 9
2.3傳動(dòng)方式的對(duì)比與選擇 9
第3章 運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)與驗(yàn)算 14
3.1滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.1.1靜載荷條件 14
3.1.2絲杠壽命計(jì)算 15
3.1.3絲杠強(qiáng)度計(jì)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(dòng)效率功率 19
3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù) 19
3.2電機(jī)的選擇 20
3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 21
3.4各級(jí)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.4.1帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算（同步） 21
3.4.2蝸輪蝸桿減速器的計(jì)算 22
3.5支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗(yàn)算 26
3.6動(dòng)靜橫梁變形的驗(yàn)算 28
3.6.1動(dòng)橫梁變形的驗(yàn)算 28
3.6.2靜橫梁變形的驗(yàn)算 29
第4章 總結(jié) 31
參考文獻(xiàn)： 32
摘 要
試驗(yàn)機(jī)是在各種條件、環(huán)境下測(cè)定金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)等的機(jī)械性能、工藝性能、內(nèi)部缺陷和校驗(yàn)旋轉(zhuǎn)零部件動(dòng)態(tài)不平衡量的精密測(cè)試儀器，可以對(duì)材料進(jìn)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(yàn)。近年來(lái)，試驗(yàn)機(jī)行業(yè)技術(shù)突飛猛進(jìn)。試驗(yàn)機(jī)向著兩個(gè)方向即超微外力檢測(cè)與超大外力檢測(cè)發(fā)展。高檢測(cè)精度、高靈敏度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、易于操縱是目前試驗(yàn)機(jī)的主要發(fā)展方向。
本文首先概述了試驗(yàn)機(jī)的基本定義、分類與國(guó)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(duì)這些方案優(yōu)缺點(diǎn)作了分析和對(duì)比。在彼此比較后決定選第一種方案。第三部分則是說(shuō)明了試驗(yàn)機(jī)的主要機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)以及對(duì)它們的校核過(guò)程。試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)部分主要由蝸輪蝸桿、皮帶、滾珠絲杠三部分組成。經(jīng)過(guò)校核后所有設(shè)計(jì)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 試驗(yàn)機(jī)；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(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)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(jìn)入職業(yè)角色、我們需要在通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中去。所以在指導(dǎo)老師的引導(dǎo)之下，我選擇了萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)這個(gè)題目。
1.1.2 課題的意義
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)。但是，有些國(guó)家有時(shí)把測(cè)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(yàn)機(jī)。
國(guó)外，在工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家中，對(duì)于試驗(yàn)機(jī)的研制和生產(chǎn)，都是比較重視的。這是因?yàn)椋牧显囼?yàn)機(jī)作為一個(gè)基礎(chǔ)工業(yè)部門(mén)，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和科研工作有直接的不容忽視的影響。
實(shí)際上，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和各種工程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，材料試驗(yàn)機(jī)是確保各種機(jī)器，車輛，船舶和結(jié)構(gòu)物的合理設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行的重要測(cè)試設(shè)備。因?yàn)?，為了既?jīng)濟(jì)又安全可靠地從事各種工程設(shè)計(jì)，必須根據(jù)材料的機(jī)械性能選取合適的材料。否則，可能造成浪費(fèi)，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(jī)械性能數(shù)據(jù)，只有使用材料試驗(yàn)機(jī)。
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(duì)各種材料和零部件或整機(jī)進(jìn)行檢定和測(cè)試。許多重要性的熱處理零部件，如軋鋼機(jī)的鋼輥，機(jī)器的主軸和汽車的連桿等，都要百分之百的進(jìn)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(wèn)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(shí)檢驗(yàn)。顯而易見(jiàn)，所有這些研究和檢驗(yàn)工作，離開(kāi)材料試驗(yàn)機(jī)是無(wú)法進(jìn)行的。
上述幾點(diǎn)，已足以說(shuō)明材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展對(duì)航空，冶金，機(jī)械，建筑和造船等工業(yè)部門(mén)，在合理設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)工藝和降低成本方面具有重要的意義。
另外，由于材料試驗(yàn)機(jī)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(cè)試，記錄和顯示儀器，所以材料試驗(yàn)機(jī)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(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)機(jī)研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)發(fā)展及其趨勢(shì)
伴隨著工業(yè)化的進(jìn)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(yàn)設(shè)備，以及研究材料的試驗(yàn)方法。于是材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，第一臺(tái)材料試驗(yàn)機(jī)于1729年在法國(guó)問(wèn)世，它是基于杠桿原理制成的。到十八世紀(jì)中葉，材料試驗(yàn)機(jī)逐漸地有了較大的改進(jìn)，例如在加載機(jī)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(jìn)步促進(jìn)了液壓材料試驗(yàn)機(jī)的研究與應(yīng)用。第一臺(tái)液壓材料試驗(yàn)機(jī)于1827年制成，采用杠桿原理測(cè)量載荷。在上個(gè)世紀(jì)五十年代，出現(xiàn)了電子式材料試驗(yàn)機(jī)，它是試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的控制、測(cè)量和記錄系統(tǒng)中，使材料試驗(yàn)機(jī)的整體性能得到很大提高。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)步和微電子伺服控制技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)把拉、壓、彎、剪等集合于一身，稱之為電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，它通過(guò)變換夾具、附件和改變?cè)囼?yàn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)就能自動(dòng)完成材料試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果以數(shù)據(jù)打印和曲線描繪的方式輸出，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)成為世界上目前應(yīng)用最廣、最普遍的機(jī)種之一，基本取代了傳統(tǒng)的老式機(jī)械拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)和專用的彎曲試驗(yàn)機(jī)。
目前國(guó)際上公認(rèn)的電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)有美國(guó)的INSTRON、美國(guó)的MTS和日本的島津。這些國(guó)際知名廠家都開(kāi)發(fā)了諸多系列的材料試驗(yàn)機(jī)，電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)是應(yīng)用最廣的一種，這些試驗(yàn)機(jī)基本上可劃分為立柱式（單立柱、雙立柱）、臺(tái)式、臥式等，并依據(jù)加載負(fù)荷的大小來(lái)分檔使之成為一個(gè)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(yàn)機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)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(yàn)機(jī)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(jí)量程的士0.25%)，橫梁速度控精度達(dá) 0.1%試驗(yàn)機(jī)學(xué)會(huì)第二屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)試驗(yàn)機(jī)學(xué)會(huì)編, 1988:5~32
。
與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展雖然起步較晚，但發(fā)展也較為迅速。國(guó)內(nèi)最早的一款電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是由長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所開(kāi)發(fā)的定型產(chǎn)品WD系列。近幾年以來(lái)，國(guó)內(nèi)在試驗(yàn)機(jī)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(jì)南試金集團(tuán)等生產(chǎn)多種類型的成套試驗(yàn)設(shè)備的生產(chǎn)商，國(guó)產(chǎn)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的典型代表如圖 1-3 所示。
與國(guó)際產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)品牌憑借其相對(duì)低廉的價(jià)格和售后服務(wù)的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品的認(rèn)可度在不斷的提高但是，國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)機(jī)與國(guó)外試驗(yàn)機(jī)在精度和可靠性方面還存在一定差距，尤其是與國(guó)外高端試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品方面仍有較大的差距?？陀^來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)行業(yè)還處在一個(gè)仿制為主和創(chuàng)新研發(fā)為輔的階段，鑒于試驗(yàn)機(jī)行業(yè)不可限量的市場(chǎng)前景和在整個(gè)國(guó)家工業(yè)體系中的特殊地位，國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)機(jī)還是大有可為的。
現(xiàn)代電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
( 1 ) 高精度 試驗(yàn)機(jī)對(duì)載荷、加載速率、狀態(tài)控制精度要求越來(lái)越高；對(duì)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(lái)越高。
( 2 ) 智能化 實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)量與記錄，便捷的試驗(yàn)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(cè)手段和儀器，使試驗(yàn)機(jī)的操作和應(yīng)用更簡(jiǎn)便自如。
( 3 ) 模塊化、組合式 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上帶有各種自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量裝置,大都采用組件形式，可以隨意增加以擴(kuò)大試驗(yàn)機(jī)的使用范圍和功用。
( 4 ) 通用性、專門(mén)化 通用性質(zhì)的試驗(yàn)機(jī)功能會(huì)更強(qiáng)大，各種原理相通功能近似的試驗(yàn)機(jī)會(huì)相會(huì)整合和趨同，同時(shí)滿足最大多數(shù)的需求是其發(fā)展方向；與此相對(duì)，試驗(yàn)機(jī)的專門(mén)化也是一個(gè)很重要的趨勢(shì)，有些應(yīng)用場(chǎng)合在精度、試驗(yàn)條件、功能、專業(yè)化方面都有別于一般的試驗(yàn)機(jī)，這就對(duì)試驗(yàn)機(jī)的專門(mén)化提出了要求；更專業(yè)、更高端的試驗(yàn)機(jī)在一些諸如國(guó)防、新材料研究等領(lǐng)域的需求也是很急迫的。
( 5 ) 現(xiàn)場(chǎng)化 傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的常規(guī)應(yīng)用方式是在實(shí)驗(yàn)室條件來(lái)測(cè)試試樣的性能。但這種檢測(cè)方式并不能完全反映常常作為一個(gè)構(gòu)件使用的材料的某些性能。為了彌補(bǔ)這種先天的缺憾，很多試驗(yàn)機(jī)會(huì)采用諸多手段來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試和試驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試還有很大的距離。
1.2.1國(guó)內(nèi)外各種實(shí)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)定的設(shè)備，在各類材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制、材料科學(xué)研究和教學(xué)試驗(yàn)中都需要應(yīng)用試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。而其中在靜態(tài)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗(yàn)尤為廣泛。我國(guó)靜態(tài)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為數(shù)眾多，遍布于全國(guó)各地，大部分不具備電測(cè)能力，以手動(dòng)調(diào)整進(jìn)、回油閥的方式運(yùn)行，試驗(yàn)手段落后，有勞動(dòng)量大和測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。若對(duì)其指示、記錄系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)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(jià)值，更好地為材料研究、質(zhì)量控制和實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。 本系統(tǒng)將先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、自動(dòng)處理分析和試驗(yàn)中的加載速率控制是本系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。 本系統(tǒng)在充分掌握大量試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)信息的基礎(chǔ)上，采用虛擬儀器技術(shù)，進(jìn)行了靜態(tài)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)數(shù)控化系統(tǒng)的硬件搭建及軟件設(shè)計(jì)。下面對(duì)各種試驗(yàn)機(jī)作簡(jiǎn)單介紹：
1．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, 這種材料試驗(yàn)機(jī)存在一些不足之處。它通過(guò)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(cè)力油缸的液壓系統(tǒng)容易發(fā)生故障, 不但影響試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行和試驗(yàn)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(cè)力計(jì)測(cè)量試驗(yàn)力,擺錘的慣性大, 對(duì)載荷的測(cè)量精度低, 且量程范圍小。
2．電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)
電子材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移的閉環(huán)控制; 試驗(yàn)中無(wú)須選擇量程, 可實(shí)行全過(guò)程自動(dòng)控制; 裝卸夾具和附件方便; 軟件包功能強(qiáng)大, 用戶通過(guò)PC 可直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、計(jì)算并輸入測(cè)試結(jié)果和打印試驗(yàn)報(bào)告。計(jì)算機(jī)控制整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程, 保證了試驗(yàn)的質(zhì)量。
電子萬(wàn)能試驗(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)成的大型精密測(cè)試儀器，它具有高科技特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方法是模塊化的。采用集散技術(shù)，有效地利用了微機(jī)功能對(duì)各種附件和功能單元進(jìn)行組合管理、控制、實(shí)現(xiàn)多種功能試驗(yàn)。
材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試裝置包括機(jī)身、橫梁及其支撐部件、鉗口和引伸計(jì)等。其中機(jī)身、橫梁及支撐裝置只需滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求即可, 而引伸計(jì)和試驗(yàn)鉗口則是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵測(cè)量裝置和部件。
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。首先, 通過(guò)計(jì)算機(jī)可完成試驗(yàn)階段的設(shè)置。對(duì)于金屬材料的常規(guī)拉伸試驗(yàn), 通常劃分為三個(gè)階段, 即彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段。在三個(gè)試驗(yàn)階段設(shè)置中, 均要選擇速率控制類型和最大存儲(chǔ)頻率等主要參數(shù)值。同時(shí), 計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ), 并由計(jì)算軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 給出檢測(cè)結(jié)果,最后, 完成試驗(yàn)報(bào)告的打印。
3．?dāng)U大試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)噸位的機(jī)械增力裝置
該裝置屬于材料試驗(yàn)設(shè)備，能在一定的試驗(yàn)條件下解決小噸位高頻拉壓試驗(yàn)機(jī)不能進(jìn)行大噸位試驗(yàn)的問(wèn)題。它利用彈性內(nèi)封閉力系的原理，通過(guò)改變裝置系統(tǒng)內(nèi)部的約束尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)增力，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析技術(shù)通過(guò)電阻、電橋、應(yīng)變儀、指示器、光標(biāo)及“動(dòng)態(tài)靜標(biāo)法”來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。該裝置能確保原試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)及使用壽命，能達(dá)到“以小改大、一機(jī)多用”的目的，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡(jiǎn)單、測(cè)試精確、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
4．機(jī)械式帶傳動(dòng)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)
基于主機(jī)架采用門(mén)式結(jié)構(gòu)，使得造型勻稱美觀大方結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。尤其配以滾珠絲杠與同步齒型帶的傳動(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，并大大地提高了工作效率。
通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)材料試驗(yàn)機(jī)的分析, 發(fā)現(xiàn)其不足主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1) 無(wú)法保證角度及位移測(cè)量的精度?，F(xiàn)代位移測(cè)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(cè)量系統(tǒng), 利用增量測(cè)量方法來(lái)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(yàn)機(jī)多通過(guò)游標(biāo)卡尺人工測(cè)量, 無(wú)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(wú)法即時(shí)匯總和分析。
(3) 速度調(diào)節(jié)為機(jī)械的有級(jí)調(diào)速, 速度控制為開(kāi)環(huán)控制, 不能構(gòu)建轉(zhuǎn)速閉環(huán)。
(4) 不能測(cè)量材料的屈服強(qiáng)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(shí)上, 多功能材料試驗(yàn)機(jī)、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)等, 其實(shí)驗(yàn)原理與當(dāng)前主流的計(jì)算機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī)并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的變化, 其被控對(duì)象都比較相似, 對(duì)控制效果的要求也相似。計(jì)算機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī)主要是在控制系統(tǒng)上引入了CAT (Computer Aided Test, 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試) , 具有液壓伺服或者交直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)、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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算；
材料試驗(yàn)機(jī)( 泛指壓力試驗(yàn)機(jī)、拉力試驗(yàn)機(jī)及萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等試驗(yàn)機(jī)) 廣泛地用于建筑、建材、公路橋梁、機(jī)械加工,檢測(cè)、質(zhì)檢等行業(yè)或機(jī)構(gòu)；在這些行業(yè)或機(jī)構(gòu)中, 材料試驗(yàn)機(jī)一般均是用來(lái)對(duì)材料或產(chǎn)品的機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)檢測(cè)所得到的數(shù)據(jù)來(lái)判定所購(gòu)買(mǎi)的或生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量,通過(guò)優(yōu)化組合進(jìn)而達(dá)到對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量的過(guò)程控制；另一方面,許多質(zhì)檢機(jī)構(gòu)或檢測(cè)公司都是以材料試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)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(yàn)機(jī), 如何正確地評(píng)定材料試驗(yàn)機(jī)的檢定結(jié)果,特別是如何正確地評(píng)定測(cè)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(yàn)機(jī)示值誤差不確定度最主要的來(lái)源是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀、檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)的不重復(fù)性、指示裝置的分辨率等三項(xiàng),而溫度波動(dòng)、溫度修正系數(shù)、溫度計(jì)讀數(shù)誤差等三項(xiàng)相比而言屬于高階無(wú)窮小,可以忽略不計(jì)。另外,在確定不確定度來(lái)源時(shí)本文沒(méi)有考慮示值進(jìn)程誤差和零點(diǎn)相對(duì)誤差所帶來(lái)的影響,一方面因?yàn)椴牧显囼?yàn)機(jī)主要是使用進(jìn)程示值,因此考慮此誤差意義不大,另一方面零點(diǎn)相對(duì)誤差主要是衡量回零點(diǎn)的情況,而回零點(diǎn)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(diǎn)相對(duì)誤差就會(huì)在不確定度來(lái)源上導(dǎo)致重復(fù)。
對(duì)于材料試驗(yàn)機(jī)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(duì)選擇萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)至關(guān)重要。承載能力的選定，要根據(jù)所測(cè)試的材料被拉斷所需的最大力來(lái)決定。
對(duì)尺寸來(lái)說(shuō)，要求測(cè)試時(shí)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(yàn)時(shí)延伸得較長(zhǎng)，所以試驗(yàn)機(jī)垂直的尺寸必須有足夠的長(zhǎng)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(gè)指標(biāo)往往被過(guò)高的要求了。只有在使用十字頭運(yùn)動(dòng)作為引伸計(jì)或進(jìn)行撓性測(cè)試時(shí)橫梁的剛度才會(huì)顯得極為重要。用于評(píng)價(jià)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(jī)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(cè)試應(yīng)變和撓度的機(jī)器。實(shí)際上，如果承載橫梁用作撓度測(cè)試時(shí)，這個(gè)方法可以用來(lái)校正測(cè)試結(jié)果。
3 滿載的最大速度
對(duì)于一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的評(píng)價(jià)首先是仔細(xì)地評(píng)價(jià)機(jī)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(huì)有所不同。一臺(tái)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)最重要的是應(yīng)該符合應(yīng)用需要和標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)一些特別的和華而不實(shí)的指標(biāo)將不可避免地使價(jià)格升高。
下面介紹該萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行原理：
萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的工作原理：利用力源對(duì)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(cè)定試件的各方面力學(xué)性能。顯然作為承載和測(cè)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(jiǎn)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(jī)部分組成。粗加載系統(tǒng)是采用普通機(jī)械或液壓傳動(dòng)方式產(chǎn)生位移對(duì)測(cè)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(yùn)用壓電陶瓷材料，使用專門(mén)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(cè)試件一起串聯(lián)安裝于測(cè)力系統(tǒng)中，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，在施加粗負(fù)荷后，通過(guò)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(chǎng)強(qiáng)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(yùn)用微型計(jì)算機(jī)和微電子控制技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的輸出作為反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程自動(dòng)化。
萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)共由五部分組成，即主機(jī)，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(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。
第2章 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)
2.1加載方式
萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的加載方式有機(jī)械式和液壓式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。
2.1.1液壓式
優(yōu)點(diǎn)：
手動(dòng)容易。
易于實(shí)現(xiàn)大的力值，加載平衡，加載速度方便調(diào)節(jié)。
缺點(diǎn)：
難于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，微小距離難于實(shí)現(xiàn)。
易造成環(huán)境污染。
2.1.2機(jī)械式
優(yōu)點(diǎn)：
易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
無(wú)污染。
缺點(diǎn)：
大力值難于實(shí)現(xiàn)，一般僅適用于小于1000kN的力。
對(duì)比上面兩種加載方式，由于本設(shè)計(jì)的規(guī)格為100kN，故決定采用機(jī)械式加載方式。
2.2 試驗(yàn)機(jī)式樣的選擇
通常，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)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(dòng)方式的對(duì)比與選擇
萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)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(shí)，易偏離中心線），而多絲杠式結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，故采用單絲杠傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能保證本試驗(yàn)機(jī)對(duì)精度的要求。
本文主要考慮了兩種傳動(dòng)方案，即直線式傳動(dòng)方案（圖2-1）和U型傳動(dòng)方案（圖2-2），對(duì)兩種傳動(dòng)方案，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)參見(jiàn)表2-1。
圖2-1直線式傳動(dòng)方案
對(duì)于圖 2-1 所示的傳動(dòng)方案，其最大的特點(diǎn)就是輸入端直接與減速機(jī)的輸出端連接，這樣整體機(jī)構(gòu)傳動(dòng)會(huì)比較緊湊，傳動(dòng)穩(wěn)定精確，軸系承載的扭矩相對(duì)較小，但這樣的結(jié)構(gòu)壓頭會(huì)偏置于系統(tǒng)的一側(cè)，會(huì)對(duì)加載的穩(wěn)定性和精度帶來(lái)影響，并且由于直線形傳動(dòng)方案的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)方向跨度過(guò)長(zhǎng)，對(duì)試樣的放置和整體外觀的協(xié)調(diào)帶來(lái)問(wèn)題，不方便立式系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。
圖2-2 U型傳動(dòng)方案
圖 2-2 所示的傳動(dòng)方案中引入同步帶傳動(dòng)，通過(guò)改變傳動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)的小型化，且機(jī)構(gòu)本身保證了加載壓頭始終位于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的中心優(yōu)化設(shè)計(jì)和誤差核算，U 型傳動(dòng)方案也很好的滿足了測(cè)量要求。綜合述兩種傳動(dòng)方案，最后還是確定選用圖 2-2 所示的 U 型傳動(dòng)方案。
表 2-1 傳動(dòng)方案對(duì)比
方案
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
直線式傳動(dòng)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單
傳動(dòng)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(dòng)
結(jié)構(gòu)對(duì)稱受力情況好
組合方便便于擴(kuò)展
整體布局美觀大方
結(jié)構(gòu)較復(fù)雜
對(duì)部分加工件要求高
系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降
本試驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)主要為螺旋傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。同步齒形帶的傳動(dòng)必須考慮帶的張緊，可通過(guò)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(jí)帶傳動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)的限制，可采用電機(jī)張緊方式張緊。螺旋傳動(dòng)有蝸輪蝸桿傳動(dòng)和滾珠絲杠副縣長(zhǎng)的傳動(dòng)。蝸輪蝸桿具有自鎖性能，在裝配時(shí)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(guò)調(diào)整預(yù)緊力來(lái)改變其松緊程度，以便使用權(quán)絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)自如。
圖2-3 雙電機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案
如果為了設(shè)計(jì)成本低廉方便，可以采用雙電機(jī)工作方式，其一為異步電機(jī)，其二為步進(jìn)電機(jī)，即使用伺服電動(dòng)機(jī)，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(jī)工作方式，因?yàn)槿绻捎秒p電機(jī)工作方式，其造價(jià)較雖低但其結(jié)構(gòu)較單電機(jī)方案復(fù)雜且精度稍低。單電機(jī)為伺服電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精度高。
圖2-4 單電機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)其自鎖。萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)主機(jī)部分是它的主體結(jié)構(gòu)，其所占空間與試驗(yàn)場(chǎng)地有密切聯(lián)系，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)輸。
螺紋聯(lián)接的防松，在沖擊，振動(dòng)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(dòng)，甚至松脫。因此必須采取防松措施。本試驗(yàn)機(jī)中采用的防松措施為：雙螺母防松（即在螺母上再加一個(gè)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(yàn)機(jī)使用的潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑。因此應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況定時(shí)加一定的潤(rùn)滑脂，以保證機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)良好。軸承的預(yù)緊情況將直接影響其運(yùn)轉(zhuǎn)性能。如過(guò)松，易使機(jī)構(gòu)失效，且易產(chǎn)生振動(dòng)。如過(guò)緊，則又使機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)不良。本試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的整機(jī)性能和壽命。
第3章 運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)與驗(yàn)算
3.1滾珠絲杠副的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算
消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方式，采用雙螺母,通過(guò)兩螺母間的軸向位置，以消除軸向間隙，并進(jìn)行預(yù)緊,提高傳動(dòng)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(dòng)載荷選擇和校驗(yàn)其基本參數(shù)。同時(shí)檢驗(yàn)其載荷是否超過(guò)額定靜載荷（低速）。強(qiáng)度，剛度，穩(wěn)定性也需要進(jìn)行驗(yàn)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(jí)三級(jí)
鋼球直徑
圈數(shù)jk列數(shù)=
承載能力系數(shù)
滾珠螺旋傳動(dòng)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(shí)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(jì)算=
即絲杠滿足靜載荷條件。
3.1.2絲杠壽命計(jì)算
—工作壽命 查表，
—壽命系數(shù) =
—載荷系數(shù) 查表，=
—?jiǎng)虞d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(shí)，則
計(jì)算
即絲杠壽命符合條件。
3.1.3絲杠強(qiáng)度計(jì)算
絲杠轉(zhuǎn)矩：
（）
—當(dāng)量摩角 =，取
—絲杠公稱直徑
—絲杠螺旋角
計(jì)算（）
采用預(yù)緊，因此預(yù)緊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也要計(jì)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(jì)算
查表，，
根據(jù)強(qiáng)度條件，即
絲杠滿足強(qiáng)度條件。
3.1.4絲杠的穩(wěn)定性
柔度計(jì)算
—長(zhǎng)度系數(shù) 查表，
—絲杠最大工作長(zhǎng)度
—臨界載荷
計(jì)算
時(shí)，
—彈性模量
—絲杠的危險(xiǎn)截面面積
計(jì)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(jì)算長(zhǎng)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(jì)算截面面積，，直徑
計(jì)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(jì)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(tái)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(jì)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(zhǎng)度，
計(jì)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(dòng)效率功率
由轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橐苿?dòng):
見(jiàn)圖，
絲杠的驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(jì)中應(yīng)該注意的一些問(wèn)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(dòng)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(dòng)阻力的合力通過(guò)絲杠軸線。由于本試驗(yàn)機(jī)采用雙絲杠，其阻力通過(guò)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(dòng)反行程不能自鎖，為了使用權(quán)螺旋傳動(dòng)受軸向中力后不發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在此試驗(yàn)機(jī)中采用了輪蝸桿的傳動(dòng)比，這種傳動(dòng)比的蝸輪蝸桿可以起到自鎖作用。
3）安全裝置
本試驗(yàn)機(jī)是采用垂直安裝的滾珠絲杠傳動(dòng)，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(jì)時(shí)采用限位擋塊以保證安全運(yùn)行。
4）密封與潤(rùn)滑
為防止塵埃和污物進(jìn)入螺紋滾道，妨礙鋼球運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢性并且加速鋼球與滾道的磨損，設(shè)計(jì)中必須考慮防護(hù)設(shè)施與密封。此試驗(yàn)機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用防塵罩密封。由于轉(zhuǎn)速較慢，采用高壓的高粘度潤(rùn)滑劑進(jìn)行脂潤(rùn)滑。
3.2電機(jī)的選擇
由設(shè)計(jì)要求及已知條件可知，假設(shè)試驗(yàn)機(jī)橫梁設(shè)計(jì)速度為180mm/min，試驗(yàn)機(jī)所施加的外力為100KN。故
式中：F——試驗(yàn)機(jī)輸出力，N；V——絲杠速度，m/s。
電機(jī)功率在傳遞過(guò)程中必然有一定的損失。參閱機(jī)械工程手冊(cè)可知，絲杠與絲杠螺母間傳動(dòng)效率為0.9，錐齒輪之間傳動(dòng)效率為0.97，渦輪蝸桿間傳動(dòng)效率為0.7，其他聯(lián)結(jié)件傳動(dòng)效率為0.91。故
所以
上式中 P ——試驗(yàn)機(jī)有效功率；
——試驗(yàn)機(jī)總效率。
查閱電機(jī)手冊(cè)結(jié)合實(shí)際情況選擇合適型號(hào)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(jì)算
工進(jìn)時(shí)，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(dòng)機(jī)軸）：
3.4各級(jí)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算（同步）
同步帶傳動(dòng)利用帶與帶輪上齒之間的嚙合進(jìn)行傳動(dòng)。由于帶的抗拉強(qiáng)度高，受載后變形小，能保持齒的節(jié)距不變，所以傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，傳動(dòng)平穩(wěn)，速度高，噪聲小，且無(wú)需潤(rùn)滑清潔，維護(hù)簡(jiǎn)單。適用速度范圍寬，傳動(dòng)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(jì)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(dòng)與噪聲。
設(shè)計(jì)功率:
—工況系數(shù) 查表，=
—帶傳遞的功率
計(jì)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(yàn)證帶速：
帶速
查表得,
計(jì)算軸力：
小于帶所能承受的力，符合條件。
各軸直徑的計(jì)算：
一軸
（其中為電動(dòng)機(jī)軸直徑）
3.4.2蝸輪蝸桿減速器的計(jì)算
選取傳動(dòng)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(jì)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(qiáng)度計(jì)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，