3586 微動跳躍彈性開關動態(tài)特性測試儀的結(jié)構設計
3586 微動跳躍彈性開關動態(tài)特性測試儀的結(jié)構設計,微動,跳躍,彈性,開關,動態(tài),特性,測試儀,結(jié)構設計
本科學生畢業(yè)設計微動跳躍彈性開關動態(tài)特性測試儀的結(jié)構設計 系部名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級： 機械設計制造及其自動化 08-13 班 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 黑 龍 江 工 程 學 院二○一二年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeFretting jump flexible switching dynamic test instrument design Candidate： Specialty：Construction MachineryClass： Supervisor:2012-06·I摘 要測試儀裝置是為了能夠?qū)ξ娱_關的動態(tài)特性進行檢驗的平臺，進而來提高開關的性能，保證其質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)效率，也是現(xiàn)代檢測技術的基本要求?；跈z測儀設計的理論，根據(jù)已有檢測儀的結(jié)構和設計經(jīng)驗和工作原理，即電動機作為工作機構的動力源，將其主軸的旋轉(zhuǎn)動動經(jīng)帶輪，圓柱導軌變?yōu)橥鶑椭本€運動，并同時產(chǎn)生一作用力，傳給傳感器，由傳感器記錄。對測試儀的動力學參數(shù)進行分析，確定測試儀裝置的結(jié)構與技術參數(shù)，從而給出了微動開關動態(tài)特性測試儀的本體結(jié)構設計方案。根據(jù)測試儀的結(jié)構設計方案，論述了微動開關動態(tài)特性測試儀的結(jié)構設計，闡述了微動跳躍彈性開關動態(tài)特性測試儀的結(jié)構原理。本文主要論述了測試儀的測試過程，其主要包括測試儀的主要結(jié)構和儀器的組成，檢測跳躍彈性開關的力傳感器和位移特性。通過設計進而提高儀器的性能，保證儀器的工作質(zhì)量，這也是現(xiàn)代檢測技術的基本要求。關鍵詞：測試儀；動態(tài)；傳感器；結(jié)構；微動IIABSTRACTTester device is in order to be able to micro-switches the dynamic characteristics of the test platform, and then switch to improve performance, guarantee its quality, raise labor productivity, as well as modern detection techniques basic requirements. Detector design based on the theory that, on the basis of the detector structure and design experience and the work principle that the electrical work as the power source, its spindle rotary dynamic drive pulley, cylindrical guide into reciprocating linear motion. and at the same time produce a force, transmission sensors, recorded by the sensor. Tester of the kinetic parameters for analysis, the tester device structure and technical parameters, which gives a micro-switch tester dynamic characteristics of the bulk structure design. According to the test instrument design case will, of fretting Switch Tester dynamic characteristics of structural design, Fretting expounded jump flexible switching dynamic characteristics tester principle of the structure. This paper mainly discusses the tester testing process, including its main tester of the main structural components and equipment, Detection Switch jump flexibility and displacement sensor characteristics. Through the design of equipment to further enhance the performance of the equipment to ensure the quality of their work, this is also a modern detection techniques basic requirements. Key words：Tester; Dynamic; Sensor; Structure; Fretting目 錄摘要 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????IABSTRACT ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????II第 1 章 緒論??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 論文研究的背景及意義 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 研究現(xiàn)狀 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.3 本論文研究的主要內(nèi)容 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4第 2 章 測試原理及測試平臺的構架 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.1 測試原理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.1.1 微動跳躍彈性開關工作過程分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52.1.2 測試參數(shù)的確定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.2 測試平臺的構架 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.2.1 懸臂梁壓力式傳感器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62.2.2 測試平臺的機械構架 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????72.3 本章小結(jié) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8第 3 章 測試系統(tǒng)設計與研制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????93.1 測試系統(tǒng)的總體設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????93.2 測試系統(tǒng)的硬件設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????93.2.1 步進電機的控制原理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????93.2.2 測試儀器的硬件連接 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????113.3 測試儀器的組成和位移的完成 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????113.4 測試儀的結(jié)構和主要特點 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.5 試系統(tǒng)軟件設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.6 試系統(tǒng)控制程序 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.7 本章小結(jié) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13第 4 章 測試儀的傳動系統(tǒng)設計4.1 電動機規(guī)格的選取 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????144.2 帶傳動設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????144.3 聯(lián)軸器的選用 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.4 傳動軸的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????164.5 芯軸的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????184.6 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18第 5 章 主要領部件的設計????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????195.1 軸承的設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????195.2 鍵連接的設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????195.3 本章小結(jié) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20結(jié)論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21參考文獻????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????241.第 1 章 緒 論1.1 論文研究的背景及意義目前對微動跳躍彈性開關的動態(tài)性能的測試技術，國內(nèi)很少有人研究，尚未形成具有自己知識產(chǎn)權的整套技術理論，在實際生產(chǎn)中要制造出合格的微動開關開關除了利用從國外引進的檢測設備（未提供檢測技術）進行檢測，在很大程度上還要依靠專家的實際經(jīng)驗和嚴格的工藝制度保證，不僅沒有嚴格標準也影響了生產(chǎn)效率。因此通過對本課題的研究，研制出完整的微動跳躍彈性開關動態(tài)特性測試系統(tǒng)，并通過對實驗數(shù)據(jù)的分析來評定微動跳躍彈性開關的質(zhì)量，為微動跳躍彈性開關生產(chǎn)的國產(chǎn)化，并建立自己的質(zhì)量評定標準奠定了基礎；此外，隨著科學技術的發(fā)展，加工工藝水平也不斷提高，對彈性元件的應用日益廣泛，質(zhì)量要求也不斷提高，而我國的工藝生產(chǎn)水平十分落后，彈性元件的生產(chǎn)質(zhì)量較國外有著很大的差距。隨著大規(guī)模集成電路制造技術和信息處理技術的發(fā)展，測試儀已經(jīng)成為國民經(jīng)濟不可缺少的基礎，在汽車、船舶、航天航空、開關等領域發(fā)揮著極其重要的作用。近年來，我國開關測試儀的生產(chǎn)廠家逐漸增多，設備數(shù)量日趨龐大，著重開發(fā)各類開關的動態(tài)特性的測試。世界檢測業(yè)正像網(wǎng)絡化測試儀器發(fā)展?，F(xiàn)代檢測技術是人們認識和改造自然的重要手段，也是衡量一個國家科學技術水平的重要標志之一。隨著檢測技術的進步，測試儀器必將在網(wǎng)絡時代發(fā)生革命性的變化，21 世紀的儀器概念將會是一個開放的系統(tǒng)概念。以 PC 機或工作站為基礎，通過網(wǎng)絡來構成實用的測控系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率，共享資源，將成為儀器技術發(fā)展的方向，網(wǎng)絡化儀器將是今后測試儀器發(fā)展的必然。正是由于人們已經(jīng)認識到科學儀器的重要作用和地位,美、日、歐共體等發(fā)達國家均把科學儀器列為國家重點支持的關鍵技術。我國的科學儀器產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比,技術差距越來越大,主要產(chǎn)品市場都被外商占領,形勢極為嚴重。1.2 研究現(xiàn)狀動態(tài)測試在國際學術組織:國際計量局(BIPM)、國際電工委員會(IEC ),國際標準化組織(ISO)和國際法制計量組織(OIML)聯(lián)合制定的《國際通用計量學基本名詞》中的定義為:量的瞬時值以及它隨時間而變化的值的確定。換言之，它指的是被測之量為變量的連續(xù)側(cè)量過程。在動態(tài)測試中，測量過程處于不斷變化狀態(tài)，引起動測試誤差的因素比靜態(tài)測量2更多、更復雜，這就與傳統(tǒng)的被測之量為常量的靜態(tài)測試有所不同，即以往適用于靜態(tài)測試的成套經(jīng)典數(shù)據(jù)處理方法及測試誤差分析與估算方法，不完全適用于動態(tài)測試。在動態(tài)測試中，要考慮到被測變量的變化規(guī)律及特點、測試系統(tǒng)的動態(tài)特性(與測試速度、加速度、慣性、阻尼，以及沖擊、振動等動態(tài)因素有關)、以及外界擾動(包括環(huán)境條件的變動、干擾、噪聲等種種因素)等影響。動態(tài)測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)為測試時間的函數(shù)，一般由三部分組成:被測變量、系統(tǒng)誤差和隨機誤差。動態(tài)測試數(shù)據(jù)的基本特點首先是由其定義所決定的，動態(tài)測試所測量的是隨測試時間而變化的量，盡管被測量本身未必都是時間的某種函數(shù)，但其總是表現(xiàn)為隨測試時間而變化的某種函數(shù)，可簡稱為時變性。由于測試過程中難免存在隨機誤差或千擾噪聲等，因而動態(tài)測試數(shù)據(jù)也象常量的靜態(tài)測試數(shù)據(jù)一樣具有隨機性，可見，動態(tài)測試數(shù)據(jù)的另一基本特點是既含有確定性變化部分，又含有隨機性變化部分，即總是表現(xiàn)為測試時間的隨機函數(shù)，即隨機過程，可簡稱之為隨機性。相鄰時間的信號之間具有統(tǒng)計相關性，正是這種相關性才是動態(tài)測試數(shù)據(jù)所具有的一種基本特性，而靜態(tài)測試數(shù)據(jù)之間則應是統(tǒng)計獨立或不相關的。由于動態(tài)測試系統(tǒng)在測試被測變量過程中，處于不斷變化的運動狀態(tài)，需用微分方程來描述動態(tài)測試系統(tǒng)的輸入被測變量，與其輸出即顯示的動態(tài)測試數(shù)據(jù)之間的關系，或以其離散化的差分方程，或以系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)方程等形式來描述，以反映出其動態(tài)特性。綜上所述，動態(tài)測試數(shù)據(jù)具有上述的時變性、隨機性、相關性基本特點。這些特性集中在一起就構成了它的動態(tài)特性。動態(tài)測試數(shù)據(jù)處理的基本任務為:1)確定合乎實際的動態(tài)測試數(shù)據(jù)及其測量結(jié)果的數(shù)學模型；2)合理規(guī)定動態(tài)測試誤差的評定指標，且要求能較全面而客觀地反映其方面特性；3)識別并提取動態(tài)測試數(shù)據(jù)中的各項非周期和周期的確定性變化成分，并擬出其 適用性判別或顯著性檢驗的驗證方法；4)從所提取的確定性成分中借助實驗測定或輔以數(shù)據(jù)處理，盡量分離出測試的系統(tǒng)誤差；5)表述與分解動態(tài)測試數(shù)據(jù)中的隨機性成分，盡量通過分解而分離或抑制測試的 3隨機誤差，并有助于分析其起因。實踐經(jīng)驗表明，通常動態(tài)測試數(shù)據(jù)處理宜分為三個階段:預處理;成分與結(jié)果表示。主要處理階段是成分分離。它可劃分為兩部分:識別、提取確定性成分和表述、分解隨機性成分。至于采用的具體處理方法，則取決于動態(tài)測試數(shù)據(jù)處理的實際要求及設定的數(shù)學模型。以識別、提取確定性成分為主的處理方法可分為兩類:以解析式或多項式擬合的方法和以函數(shù)值序列表示的濾波或平滑方法，分別簡稱擬合法和濾波法。表述、分解隨機性成分的方法也有多種，司一歸納為兩個方面:在時域上的相關分析和在頻域上的譜分析。人們借助測試系統(tǒng)檢測表現(xiàn)事物不斷運動著的物理信號，通過分析和處理獲取事物運動的狀態(tài)信息及其量值。隨著現(xiàn)代科學和社會生產(chǎn)的飛速發(fā)展，隨著快速傅立葉變換(FFT)理論的產(chǎn)生，隨著微電子技術的發(fā)展，信號分析和處理的高速器件的生產(chǎn)及其算法的不斷完善，已建立了較為成熟的動態(tài)測試理論和應用技術?，F(xiàn)代動態(tài)測試技術是應用現(xiàn)代科學技術，研究動態(tài)信號采集、變換、傳輸和實時處理的技術學科。它結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術、微電子技術、計算機技術、信號分析與處理技術等技術學科并應用于測試系統(tǒng)和測試過程。現(xiàn)代動態(tài)測試技術與傳統(tǒng)測量技術比較有很大不同。傳統(tǒng)的測量技術局限與簡單的測量比較，而現(xiàn)代動態(tài)測試技術通常以微型計算機為核心構成數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，由傳感器、信號調(diào)理電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及顯示器、打印機等外部設備組成。它帶來的變革主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1、傳統(tǒng)測量的目的局限于以測量系統(tǒng)的輸出量來評價被測量，而動態(tài)測試于傳統(tǒng)的靜態(tài)測量不同，它測量的是隨時間不斷變化的量，重點研究測試系統(tǒng)的動態(tài)特性；2、動態(tài)測試不同于傳統(tǒng)測試中輸出與輸入量之間簡單的數(shù)值對應關系，而是輸出信號與輸入信號之間的對應關系。動態(tài)測試中要求輸出信號的波形可以不失真的復現(xiàn)輸入信號的波形；3、現(xiàn)代動態(tài)測試技術的目的是要解決測試系統(tǒng)工作過程中遇到的具體技術問題，如信號的獲取、處理與分析、信號的顯示與記錄等及它們之間的禍合關系。4、現(xiàn)代動態(tài)測試系統(tǒng)的復雜性決定其組成之后動態(tài)性能未必符合預先提出的要求，但是這種“缺陷”可以通過動態(tài)數(shù)學模型研究及應用適當?shù)臑V波器等手段改進系統(tǒng)的動態(tài)特性來彌補，從而實現(xiàn)了動態(tài)測試技術的靈活性。 4現(xiàn)代測試平臺動態(tài)測試系統(tǒng)的研究，即以虛擬儀器技術為軟件核心，針對硬件測試對象:振動臺，利用一系列的必要硬件工具，結(jié)合動態(tài)測試理論，建立起一套完整的動態(tài)測試系統(tǒng)，并利用這一系統(tǒng)進行信號的采集與分析處理。該動態(tài)測試系統(tǒng)的測試內(nèi)容主要為振動信號的測試，希望通過利用虛擬儀器技術對振動信號進行時域和頻域上的動態(tài)測試及分析，從而得到所需要的信息。 1.3 本論文研究的主要內(nèi)容本文主要論述了測試儀的測試過程，其主要包括測試儀的主要結(jié)構和儀器的組成，檢測跳躍彈性開關的力傳感器和位移特性。通過設計進而提高儀器的性能，保證儀器的工作質(zhì)量，這也是現(xiàn)代檢測技術的基本要求。5第 2 章 測試原理及測試平臺的構架2.1 測試原理2.1.1 微動跳躍彈性開關工作過程分析本課題測試的為微動跳躍彈性開關的動態(tài)特性。其中，微動跳躍彈性開關由弓簧系統(tǒng)構成，主要包括：舌片、弓簧、動簧片、動觸頭和靜觸頭五個部分，如圖 2-1 所示。其工作過程簡述如下，當制冷家用電器內(nèi)部溫度升高時，波紋管內(nèi)所充滿的飽和蒸汽壓力變大，使波紋管產(chǎn)生變形位移，推動推桿移動，推桿的運動使舌片產(chǎn)生彈性變形，同時弓簧也被向內(nèi)側(cè)的壓縮而增大其反力，當弓簧的兩個支點運動到動簧片的平面內(nèi)時，弓簧變形最大，弓簧處于一個極不穩(wěn)定的狀態(tài)，當推桿再有極微量運動時，弓簧立即翻轉(zhuǎn)（此時推桿所受彈力迅速減?。?，拉動動簧片運動并與靜簧片接觸，此時電路接通，壓縮機開始工作，降低制冷家用電器內(nèi)部溫度，使其達到預設的溫度，由此可知溫度與跳變點的力值相對應，跳變點的力值即為測試與分析的重點；當內(nèi)部溫度降低時，波紋管內(nèi)飽和蒸汽壓力變小，波紋管產(chǎn)生反向變形位移，拉動推桿后移，舌片變形減小逐漸返回原狀態(tài)，當弓簧的兩個支點再次處于靜觸頭所確定的動簧片平面內(nèi)時，又翻回到原狀態(tài)（此時推桿所受彈力迅速增大） ，使動觸點離開靜觸點，其工作過程示意圖如圖 2.1 所示。圖 2.1 微動跳躍彈性開關示意圖2.1.2 測試參數(shù)的確定在本課題中，微動跳躍彈性開關的動態(tài)特性是指微動跳躍彈性開關在工作過程6中，位移與彈性應力的關系。因此本課題所要設計并研制的壓力式溫控器開關動態(tài)特性測試系統(tǒng)的目的就是要獲得輸入的位移信號和相應位移所產(chǎn)生的彈性應力信號。測試系統(tǒng)的測試及精度要求為：（1） 測力的量程為 1000gf（10N） ，測力的分辨值為 1gf（0.01N） ，測力精度為 1%；（2） 位移的最小分辨值為 0.01mm。2.2 測試平臺的構架測試微動跳躍彈性開關的動態(tài)特性，我們需要獲得表征其動態(tài)特性的主要參數(shù)，即力信號和位移信號。測試系統(tǒng)的測試過程就是模擬制冷家用電器中微動跳躍彈性開關的工作過程，即逐步對微動跳躍彈性開關施加位移信號觀察其產(chǎn)生的力信號。由于預設溫度與跳變點的力值對應，所以跳變點力值的測量精度可反應出被測開關在溫控器中的控溫精度，所以在動態(tài)特性測試過程中，主要的被測參數(shù)是微動跳躍彈性開關所產(chǎn)生的力信號。為了獲取所需要的力信號和位移信號，測試系統(tǒng)中的主要測量器件是用于測量力信號的壓力式傳感器和用于提供位移信號的步進電機。2.2.1 懸臂梁壓力式傳感器壓力傳感器的種類繁多，主要有電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器。其中應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，因為它具有較低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。壓阻式壓力傳感器的傳感器件是電阻應變片，它是一種將被測件上的應變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。使用時將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。電阻應變片的結(jié)構如圖 2.2 所示。圖 2.2 電阻應變片的結(jié)構電阻應變片電阻值的變化可由公式（2.1）得到：7（2.1）式中 R ——電阻應變片的電阻值（Ω） ；ρ ——電阻應變片的電阻率（ Ωm） ；L ——電阻應變片的長度（m） ；S ——電阻應變片的截面積（m2）通過比較分析各種壓力式傳感器的性能和特點，我們根據(jù)本課題所需要的測試系統(tǒng)的設計要求和精度要求，訂制了懸臂梁壓阻式壓力傳感器，其結(jié)構如圖 2-3 所示。其中，圖 2-3-a)為其正視圖，圖 2-2-b)為其左視圖。圖 2.3 懸臂梁壓力傳感器結(jié)構圖該傳感器的主要技術指標如下：量程為 10N；精度為 0.077%；非線性為 0.08%FS。2.2.2 測試平臺的機械構架為了使測試系統(tǒng)的每個器件正常工作，我們需要設計并制作測試平臺將各個器件搭建在一起，測試平臺的結(jié)構如圖 2-3 所示。圖 2.4 測試平臺結(jié)構圖測試平臺主要由底座、傳感器支架、測桿、卡具及固定在平臺上的傳感器、步8進電機和工作臺組成。其中，工作臺使用南京工藝裝備制造廠生產(chǎn)的 DZH50-P 型精密工作臺，它是一個以絲杠作為傳動件的直線傳動機構，絲杠的導程為 4mm，當步進電機旋轉(zhuǎn)一周時，絲杠前后移動一個導程的位移，若步進電機工作在半步方式，則工作臺的最小位移量 s 可由式（2.2）求出：s=2mm式中 l——絲杠的導程（mm） ；s——步進位移量（mm） 。由上述計算可得，工作臺的位移進給量滿足測試系統(tǒng)的位移分辨力要求。測試系統(tǒng)機械平臺在設計過程中需要注意的問題敘述如下：(1) 步進電機工作時會產(chǎn)生振動，為保證測試系統(tǒng)具有抗震性，以減小測試時的干擾，平臺底座材料是 45 號鋼并具有一定的厚度，使其具有良好的抗震性；(2) 由于測力最大值為 10N（較?。?，平臺的測桿、支架和卡具使用合金鋁材料即可滿足剛度和強度要求，同時也減小了步進電機的載荷；(3) 為避免浪費材料，支架和底座分別加工并采用螺紋連接，螺紋的設計采用國家標準；(4) 為保證測試過程能真實地模擬實際工作過程，測頭使用了壓力式溫控器中的原件測頭；(5) 電機安裝時用電機前端蓋安裝止口定位，采取公差配合，保證了電機軸與負載軸的同心度。測試平臺工作時，步進電機旋轉(zhuǎn)帶動工作臺前后移動，測頭與測試件相互作用并使測試件發(fā)生彈性變形，產(chǎn)生的彈力可通過傳感器測出。所以此測試平臺可以提供測試所需要的位移信號和力信號2.3 本章小結(jié)本章分析了微動跳躍彈性開關的工作過程，得出了測試其動態(tài)特性所需要的兩個參數(shù)力和位移；本章介紹了測試其動態(tài)特性所需要的測量器件傳感器和步進電機的工作原理和特點，并選擇了適合本課題設計需要的相應器件；本章介紹了測試平臺的設計過程和注意事項。9第 3 章 測試系統(tǒng)設計與研制3.1 測試系統(tǒng)的總體設計基于 PC 機的微動跳躍彈性開關動態(tài)特性測試系統(tǒng)的總體結(jié)構框圖如圖 3.1 所示。圖 3.1 測試系統(tǒng)框圖測試系統(tǒng)的工作過程為：啟動計算機并運行所編制的控制軟件，接通步進電機驅(qū)動電路、濾波電路及傳感器的電源。控制軟件使計算機通過 ISA 接口控制步進電機控制卡輸出步進電機工作所需要的脈沖信號及方向信號，這兩路信號再通過步進電機驅(qū)動電路控制步進電機工作并帶動工作臺向前運動，當安裝在工作臺上的壓力式溫控器開關與壓力式傳感器的測頭接觸并相互作用時，壓力傳感器將開關件的彈力值轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)過放大電路和濾波電路輸入到 A/D 采集卡，再通過 ISA 接口傳送給計算機，此時控制軟件開始記錄位移值和力值。當壓力式溫控器開關出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)后，步進電機開始反向旋轉(zhuǎn)，帶動工作臺向后運動。當壓力式溫控器開關與傳感器測頭脫離時，停止記錄數(shù)據(jù)。利用控制軟件所記錄的數(shù)據(jù)可以畫出壓力式溫控器開關工作過程中的動態(tài)曲線（力和位移的關系曲線） ，并進一步分析其動態(tài)特性。3.2 測試系統(tǒng)的硬件設計3.2.1 步進電機的控制原理步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的機電元件。當給步進電機每輸入一相控制信號時，步進電機內(nèi)部會有相應的繞組通電產(chǎn)生磁場，利用其定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度。步進電機不能直接接到普10通的交直流電源上工作，必須使用專用設備—步進電機驅(qū)動器。因此，步進電機控制系統(tǒng)可包括三部分：脈沖信號源、步進電機驅(qū)動器和步進電機。其結(jié)構如圖 3.2 所示。圖 3.2 步進電機控制系統(tǒng)框圖在步進電機控制系統(tǒng)中，脈沖頻率決定了步進電機轉(zhuǎn)速，脈沖個數(shù)決定了步進電機旋轉(zhuǎn)的步距角數(shù)。步進電機驅(qū)動器要求的脈沖信號一般為 TTL 電平兼容的方波信號，而步距角選擇和電機使能信號為 TTL 電平信號。用普通脈沖頻率發(fā)生器可以對步進電機速度控制，但它不能精確控制所輸出的脈沖數(shù)，也就不能精確控制步進電機的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)測試系統(tǒng)的需要，我們使用嘉志 6020 系列全數(shù)字步進電機控制卡作為控制步進電機的脈沖信號源。嘉志 6020 步進電機控制卡采用 ISA 總線與 PC 機通信，脈沖頻率最高可達 200 000Hz，高電平為 4.5-5V，驅(qū)動電流最大為 50mA。在安裝控制卡前，要正確設置好板地址和板上跳線，6020 控制卡的默認板地址為 300H，占用 300H-30FH 的 PC 機 IO 地址，在設置板地址時要參考 PC 機 IO 地址圖，利用其中的空閑部分，并注意不要與其它板卡的地址相沖突。6020 控制卡通過板卡上的跳線設置可有兩種脈沖輸出方式：CW（正轉(zhuǎn)）+CCW（反轉(zhuǎn)）或 CW（正轉(zhuǎn)）+方向控制信號。若設為前者，則當方向信號為高電平時，CW 信號端有脈沖輸出，CCW 信號端無脈沖輸出；當方向信號為低電平時，CW 信號端無脈沖輸出，CCW 信號端有脈沖輸出。若設為后者，無論方向信號為高電平還是低電平，CW 信號端均有脈沖輸出，而 CCW 信號端均無脈沖輸出。根據(jù)后續(xù)所設計的步進電機驅(qū)動器的需要，我們讓 6020 控制卡以 CW+方向控制信號方式輸出控制脈沖。113.2.2 測試儀器的硬件連接圖 3.3 儀器的硬件連接圖儀器的硬件聯(lián)接如圖 3.3 所示微處理器發(fā)出脈沖信號經(jīng)驅(qū)動器和功率放大后輸洽步進電機，步進電機經(jīng)千分螺桿驅(qū)動被測開關，并將力信號傳給力平衡傳感器。傳感器的輸出經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器處理后輸給微處理器。步進電機、傳感器、千分螺桿、測桿共同組成儀器的測試臺，被測開關盒置千分螺桿的螺毋(工作臺)上，螺桿只轉(zhuǎn)動不移動，螺母只做軸向移動。3.3 測試儀器的組成和位移的完成測試儀器要完成的功能有：力 Fs 的測試，舌形簧片的位移 S 的測試 Fs=f(S)函教曲線的繪制。其系統(tǒng)框圖如圖 3.4 所示。將被測開關置于執(zhí)行機構的工作臺上，工作臺由一個千分螺桿驅(qū)動，千分螺桿山步進電機帶動。來自微處理器的脈沖信號摳功步進電機，則工作的位移(也是開關整體的位移) S=pn/360°Φ，式中 P 為螺桿螺距， n 為脈沖數(shù)， Φ 為步進角。12圖 3.4 測試儀的原理框圖儀器采用力平衡傳感器來測試，它的框圖如圖 3.5 所示。在測試過程中，用一測桿連接開關(將測桿一端置于舌形簧片的方孔中)和力平衡傳感器(測桿另一端與感應式位移傳感器的動磁鐵連接)。在工作臺帶動開關盒運動時，測桿將力 Fs 傳給位移傳感器，它將由于力 Fs 使動磁鐵產(chǎn)生的位移處理為與 Fs.成正比的電壓 v，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后輸給微處理器。與此同時，輸出電壓廠經(jīng)力發(fā)生器轉(zhuǎn)換后得一平衡力 Fp，反饋給位移傳感器，使其動磁鐵受一反向力而重新平衡于初始位置。此時可以認為測桿插入動磁鐵的一端是不動的。那么，它插入舌簧方孔內(nèi)的另一端也將是不動的。故工作臺帶動開關盒運動的位移量實際上就是舌形簧片點(方孔處)的位移量 S。采用相對位移法來獲得位移和測試位移是本儀器的一個特點。圖 3.5 力平衡傳感器3.4 測試儀的結(jié)構和主要特點測試儀器主要結(jié)構由硬件構成,并以相對固定形式確定下來,所實現(xiàn)測試功能較單一。用戶使用過程中難以對其功能進行改變。通常情況下,它具有輸入信號接口(有些特殊儀器設備還具有信號輸出接口)、內(nèi)部處理電路和實時顯示部分。對于一些儀器功能(如自調(diào)零、自校準、自動調(diào)節(jié)量程等)的設置是由用戶在儀器設備面板上手工完成。測試儀器主要特點是自成體系,自我包容,用戶無法改變其內(nèi)容。133.5 測試系統(tǒng)的軟件設計本測試系統(tǒng)中使用 Visual Basic 6.0 編制的控制軟件所實現(xiàn)的功能是：通過人機界面的控制按鈕產(chǎn)生步進電機運行的脈沖信號及方向信號；控制 A/D 采集卡采集傳感器的輸出信號；記錄步進電機的位移值和溫控器開關的彈力值并保存成數(shù)據(jù)文件，準備后續(xù)分析；畫出測試過程中的力與位移關系曲線，并保存圖形文件。3.6 測試系統(tǒng)控制程序控制程序所要實現(xiàn)的功能有：驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)，帶動工作臺移動；采集壓力式溫控器開關的彈力信號，當彈力值大于設定的閾值 Threshold1 時，記錄彈力值和位移，當壓力式溫控器開關出現(xiàn)跳變，即前后采集的兩個彈力值的差大于設定閾值 Threshold2 時，步進電機反向旋轉(zhuǎn)，帶動工作臺反向移動；畫出力與位移的關系曲線，保存數(shù)據(jù)及圖像。圖像如圖 3.6 所示。圖 3.6 力—行程特性圖3.7 本章小結(jié)本章分析了為動跳躍彈性開關的動態(tài)特性。確定采用相對位移法來獲得了位移和測試位移，得 S=pn/360°Φ。分析后使用嘉志 6020 系列全數(shù)字步進電機控制卡作為控制步進電機的脈沖信號源。14第四章 測試儀的傳動系統(tǒng)設計4.1 電動機規(guī)格的選取根據(jù)本測試儀的測試要求，選定 0.025 千瓦 Z 型并勵直流電動機 Z25-220：功率 P=0.025KW 轉(zhuǎn)速 n=2000r/min 額定轉(zhuǎn)矩 T0 =0.12N﹒m 額定電壓 V=220V因為傳動軸 1 與電機軸是同步傳動，所以，傳動軸的轉(zhuǎn)速、功率與電機規(guī)格完全一致。即：P =0.025KW 轉(zhuǎn)速 n =2000r/min T =9.55×P / n =1194N﹒mm0 000帶傳動傳動比取 i=1 ；0 軸：0 軸即電動機軸；P0=Pr=0.025Kw ；n0=2000 r/min ；T0=0.025×P0/n0=1194N﹒mm；Ⅰ軸：Ⅰ軸即傳動軸 2；P1=P0×η01=P0×η 帶 =0.025×0.99=0.025Kwn1=n0/i01=n0/ i 帶 =2000/1=2000 r/min；T1=9.55P1/ n1=9.55×0.025×103/2000=1194 N·mm；4.2 帶傳動設計⒈ 確定計算功率 Pc（KW）由表 12-10 查得工作情況系數(shù) KA=1.0； 故 Pc=KA P=1×0.025KW=0.025KW；⒉ 選擇帶型根據(jù) Pc=0.025Kw，n 1=2000r/min,由 [1]初步選用普通 L 帶 Z 型⒊ 確定帶輪的基準直徑 D1、 D2 ⑴ 初選小帶輪的基準直徑 D1 根據(jù) L 帶截型，選取 D1≥Dmin。 為了提高Ｖ帶的壽命，宜選取較大的直徑。選取主動輪基準直徑 D1=48mm，從動輪基準直徑 D2 = i1D1= 1×48=48mm，選取基準直徑系列值 D2=48mm15⑵ 驗算帶的速度帶速太高則離心力大，減小帶與帶輪間的壓力，易打滑；帶速太低，要求傳遞的圓周力大，故 V 應在 5～25mm/s 之內(nèi)。若 V 超此范圍可調(diào)整小帶輪基準直徑 D1 或轉(zhuǎn)速。帶速計算式為：V=πD 1n1/（60×1000）所以 V=π×48×2000/（60×1000）=5.024m/s帶的速度合適。⒋ 確定中心距 a 和帶的基準長度 Ld帶傳動中心距不宜過大，否則將由于載荷變化引起帶的顫動。中心距也不宜過小否則帶短饒轉(zhuǎn)次數(shù)多，會降低帶的使用壽命，同時也使 a1 減小，降低傳動能力。所以，對于帶傳動，中心距 a0 一般可取為：0.7（ D1+ D2） ≤a0≤2（ D1+ D2） ，將 D1、 D2 代入 初選中心距 a0 =150mm帶長 Ldo=2a0+π（D 1+ D2）/2+( D2- D1)2/4ao=2×150+π×96/2+(48-48)2/（1×150）=451 mm選取 A 型帶的標準基準長度 Ld=450mm實際中心距 a={2 Ld-π（D 1+ D2）+√[2 Ld-π（D 1+ D2）] 2-8(D2- D1)2}/8={2×450- 96π+√[2×450- 96π]2-8×0 }/8=149.5 mm 取 a=148 mm⒌ 驗算小帶輪上的包角 α1α1=180o- (D2- D1) ×57.3o/a=180o-0×57.3o/148=180o＞120 o 故包角合適。6. 確定帶的初拉力 F0初拉力的大小是保證帶傳動正常工作的重要因素。初拉力過小，摩擦力小，容易打滑；初拉力過大，帶的壽命低，軸和軸的承受力大。同步帶張緊后的初拉力 F0 為：F0=500 Pca ×(2.5/Ka—1)+qv2 取 q=0.10 kg·m-1F0=500×0.025×(2.5/1.0—1)+0.1×52=21.25 N⒏ 計算帶傳動作用在軸上的力（壓軸力）Q為了設計安裝帶輪的軸和軸系，必須計算同步帶傳動作用在軸上的力 Q，它等于兩邊拉力的合力，該力可近似按下式計算： 16Q=2zF0sin(a1/2)=2×1×21.25×sin（180 o/2） =42.5 N⒐ 帶輪結(jié)構設計⑴ 對同步帶輪的設計的主要要求設計同步帶輪的一般要求為：質(zhì)量小；結(jié)構工藝性好；無過大的鑄造應力；質(zhì)量分布均勻；與帶接觸的工作面要精細加工（表面粗糙度一般為Ｒa0.8um),以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度都應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻。⑵ 帶輪材料由帶速 v=5 m/s≤30 m/s,用 45 號鋼。⑶結(jié)構尺寸鑄鋼制的同步帶輪采用實心式結(jié)構。根據(jù)帶輪截型確定輪槽尺寸，其余尺寸按經(jīng)驗公式計算確定。按帶輪的各部分尺寸，繪制出零件圖。4.3 聯(lián)軸器的選用根據(jù)微動跳躍彈性開關動態(tài)特性測試儀的結(jié)構，應選用彈性聯(lián)軸器。本設計選用波紋管小型彈性聯(lián)軸器 GH5-16。此聯(lián)軸器彈性好、緩沖減振能力強、工作可靠、徑向尺寸小、有較好的補償綜合位移能力，且耐久，承載能力高。主要用于載荷較平穩(wěn)的中、高速傳動。4.4 傳動軸的設計⒈ 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算 [12]由 d≥A03√P/N 得 選材 45 鋼因 P=0.025Kw；n=2000r/min根據(jù)實際需要取 A0=120 代入上式得 d=3mm考慮到有鍵槽 d 應擴大 7%-10%，取 d=3mm⒉ 按彎扭合成強度條件計算傳動軸上的作用力主要是同步帶作用力由同步帶輪設計可知，同步帶對軸的作用力 Q=42.5 N。軸的受力情況如（圖 4.1） ，圖中 R1 和 R2 是支座反力。17MnwⅠⅠ R21支 承支 承 皮 帶 作 用 力QⅠ ⅠⅠ Ⅰ圖4.1 傳動軸受力分析圖由于截面Ⅰ-Ⅰ的彎矩和扭矩最大，所以此截面最危險。下面核算Ⅰ-Ⅰ截面的強度， 其中:Mw=42.5×96/2=2040N.mm由表 18-3 選取軸的許用彎曲應力[σ]=110MPad≥3√10√Mw2+(aT1)2/[σ]式中 a 是考慮彎距和轉(zhuǎn)距所產(chǎn)生的應力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數(shù)。選取a=1代入計算 得d≥3√10×√(2040)2+(1194)2 /110 =5.98mm圓整后，取 d=6mm⒋ 核算軸的疲勞強度安全系數(shù)由于Ⅱ-Ⅱ截面有臺階，應力集中現(xiàn)象比較嚴重，且直徑較?。╠ Ⅱ =6 mm）,扭矩又比較大，扭矩和其它截面相同彎矩 MW =2040N.mm，所以核算此截面的疲勞強度。由表 18.3 得：σ -1 =65MPa， 由表 5.1 得 τ1=30 MPa；取 ψσ=0.05，ψ τ=0；由表 6-4 查得：圓角處的 Kσ =1.3，Kτ =1.0；由表 6-14 查得：β=0.8；又因為 σm=0, σα=σw=MW/（0.1 d Ⅱ 3）=2040/（0.1×6 3）≈9.4 N/mm 2；18τm=τα=τ n/2= T/(2×0.2 dⅡ 3)=1194/(2×0.2×63)≈13.8 N/mm2；所 以 僅 考 慮 彎 曲 應 力 時 的 安 全 系 數(shù) 為 ：Sσ=σ-1/(Kσσa+ψσσm)=65/(1.3×9.4+0.05×0) ≈5.3僅考慮扭轉(zhuǎn)應力時的安全系數(shù)為：S τ=τ－1 /(Kττa +ψττm)=30/(1.9×1.0+0×1.9)≈1.6Ⅱ-Ⅱ截面的安全系數(shù)為：S=S σSτ/√Sσ2+Sτ2 =5.3×1.6/√5.3 2+1.62 ≈1.5 ＞ [n]=1.1～1.3 所以軸安全 [12].。4.5 芯軸的設計芯軸選用 45 號鋼，設計中芯軸主要承受軸向力作用，所受扭矩和轉(zhuǎn)矩相對傳動軸較小，故軸的扭轉(zhuǎn)強度、抗彎強度符合要求。4.6 本章小結(jié)本章對傳動部件進行設計和選取，并進行了強度校核。電動機選定 0.025 千瓦Z 型并勵直流電動機 Z25-220。聯(lián)軸器選用波紋管小型彈性聯(lián)軸器 GH5-16。芯軸選用45 號鋼。19第五章 主要領部件的設計5.1 軸承的設計傳動軸上滾動軸承的設計由表 5-27 查得 CN=0.5，負荷性質(zhì)為中等沖擊，由表 5-24 查得 fd=1.8。傳動軸轉(zhuǎn)速 n=2000/1=2000r/min由“傳動軸 ”計算可知，皮帶作用力 Q=42.5N ,根據(jù)各支點的彎矩等于零得，即：W1=0 ,42Q—95R2=0 ，求得 R2≈19 NW2=0 ,53Q—95R2=0 ，求得 R1≈24N由表 9-4.1 選定軸承型號為 6000 滾動軸承，該軸承的參數(shù)為：Cr=4.58kN , CO=1.98 kN 。要求壽命大于 20000 小時⑴ 核算軸承的壽命計算實際負荷每個軸承承受的實際徑向負荷為：Fr=R1=24N因軸承軸向力 Fa 較小計算當量動載荷Fa/Fr＜e=0.38,查表 20-6 得 X=1, Y=0, X0=0.6,Y0=0.5在此情況下徑向當量動載荷為：Pr=Fr=24 N,因為是滾動軸承，取 ε=3.3。計算軸承壽命Lh=106/(60n)(Cr/P)ε=106/(60×2000)×(4.58×103/24)3≈2.8×108h ,此值大于要求壽命 20000h，壽命符合要求。⑵ 校核軸承的靜載荷滾動軸承的徑向當量靜載荷為：P0=XOFr+ YOFa=0.6×24+0=14.4 N20由表 5-21 查得安全系數(shù) So=1.5 故 SoP0=1.5×14.4=21.6 N＜ CO=1080 N，所以靜負荷也符合要求。5.2 鍵連接的設計傳動軸與運動臺之間用圓頭普通平鍵連接 [20]（圖 5.2） 。hDbl'圖5.2 平鍵軸的直徑 D=6 mm, 從標準中查出鍵的截面尺寸 b×h =2×1.8mm,t1=0.9 mm；初步擬定鍵長 l=22 mm,對于圓頭普通平鍵，因為兩端的圓頭部分與輪轂上的鍵槽不接觸，所以：l ' =l－b=22－2=20 mm；平鍵連接所需傳遞的扭矩 T=1.19 N·m 平鍵材料為 45 號鋼按表 4-23 查得：[σp]=200～250 MPa普通平鍵工作時，受到擠壓和剪切，但其主要失效形式是因擠壓而造成的壓潰破壞，所以應驗算擠壓強度。受壓表面的擠壓應力 σp=2T/(Dt1l')=2×1.19×103/(6×0.9×22）≈20 MPa＜[σp]=200～250 MPa故：強度符合要求 [12]。5.3 本章小結(jié)本章對主要零部件進行了設計，通過對其進行的載荷計算使運動更加合理。選定軸承型號為 6000 滾動軸承，使用壽命能達到 2000 小時。傳動軸與運動臺之間用圓頭21普通平鍵連接。結(jié) 論本設計是在充分復習大學四年知識的基礎上，來完成的本次畢業(yè)設計，主要進行了微動跳躍彈性開關動態(tài)特性測試儀的結(jié)構總體設計和零件設計。并通過 AutoCAD軟件畫出圖紙?，F(xiàn)代測試平臺動態(tài)測試系統(tǒng)的研究，我以虛擬儀器技術為軟件核心，針對硬件測試對象:振動臺，利用一系列的必要硬件工具，結(jié)合動態(tài)測試理論，建立起一套完整的動態(tài)測試系統(tǒng)，并利用這一系統(tǒng)進行信號的采集與分析處理。該動態(tài)測試系統(tǒng)的測試內(nèi)容主要為振動信號的測試，通過利用虛擬儀器技術對振動信號
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