【0207】7萬能材料試驗機CAD,0207,萬能,材料,試驗,實驗,cad 吉林大學本科畢業(yè)設計說明書 第1章 概述 3 1.1課題的提出 3 1.1.1課題產(chǎn)生的背景 3 1.1.2 課題的意義 3 1.2國內(nèi)外實驗機研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4 1.2.1國內(nèi)外試驗機發(fā)展及其趨勢 4 1.2.1國內(nèi)外各種實驗機的介紹 5 1.3課題的重點和難點： 8 第2章 萬能材料試驗機總體設計 12 2.1加載方式 12 2.1.1液壓式 12 2.1.2機械式 12 2.2傳動方式 12 2.3總體結(jié)構(gòu) 13 第3章 運動動力設計與驗算 16 3.1滾珠絲杠副的運動動力設計計算 16 3.1.1靜載荷條件 17 3.1.2絲杠壽命計算 17 3.1.3絲杠強度計算 18 3.1.4絲杠的穩(wěn)定性 19 3.1.5絲杠的剛度 20 3.1.6絲杠的傳動效率功率 22 3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù) 22 3.2電機的選擇 24 3.2.1步進電機的選擇 24 3.2.2導步電動機選擇 25 3.2.3電動機的參數(shù) 25 3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計算 25 3.4各級傳動的設計計算 26 3.4.1第一級帶傳動設計計算（同步） 26 3.4.2第三級帶傳動 29 3.4.3蝸輪蝸桿減速器的計算 31 3.5支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗算 35 3.6動靜橫梁變形的驗算 37 3.6.1動橫梁變形的驗算 37 3.6.2靜橫梁變形的驗算 39 3.7離合器的選擇計算 40 第4章 軸類零件工藝分析 42 第5章 蝸輪軸的有限元分析 45 5.1蝸輪軸的有限元分析 45 5.1.1建立蝸輪軸的三維模型 45 5.1.2添加蝸輪軸的材料屬性 45 5.1.3進入GPS模塊 46 5.1.4定義約束 47 5.1.5 定義載荷 47 5.1.6 求解蝸輪軸受載 48 5.1.7 分析結(jié)果 49 第6章 使用說明 51 第七章 總結(jié) 52 54 第1章 概述 1.1課題的提出 1.1.1課題產(chǎn)生的背景 作為機械工程專業(yè)本科畢業(yè)生，為了能在走上工作崗位之后更快地進入職業(yè)角色、我們需要在通過畢業(yè)設計這一環(huán)節(jié)初步地將自己在大學四年中所學習到的知識應用到實踐中去。所以在指導老師的引導之下，我選擇了萬能材料試驗機設計這個題目。 1.1.2 課題的意義 通常,把測定材料機械性能的儀器和設備稱為材料試驗機。但是，有些國家有時把測定材料物理性能（甚至化學性能）的儀器和設備也稱為材料試驗機。 國外，在工業(yè)比較發(fā)達的國家中，對于試驗機的研制和生產(chǎn)，都是比較重視的。這是因為，材料試驗機作為一個基礎工業(yè)部門，對于工業(yè)生產(chǎn)和科研工作有直接的不容忽視的影響。 實際上，對于工業(yè)生產(chǎn)和各種工程設計來說，材料試驗機是確保各種機器，車輛，船舶和結(jié)構(gòu)物的合理設計與安全運行的重要測試設備。因為，為了既經(jīng)濟又安全可靠地從事各種工程設計，必須根據(jù)材料的機械性能選取合適的材料。否則，可能造成浪費，或者導致發(fā)生嚴重的事故。而要獲得準確的材料機械性能數(shù)據(jù)，只有使用材料試驗機。 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，常常需要對各種材料和零部件或整機進行檢定和測試。許多重要性的熱處理零部件，如軋鋼機的鋼輥，機器的主軸和汽車的連桿等，都要百分之百的進行硬度檢定。 在冶金工業(yè)生產(chǎn)中，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，也提出了許多新問題。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。鋼鐵廠生的的鋼材，也需要隨時檢驗。顯而易見，所有這些研究和檢驗工作，離開材料試驗機是無法進行的。 上述幾點，已足以說明材料試驗機的發(fā)展對航空，冶金，機械，建筑和造船等工業(yè)部門，在合理設計工程結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進工藝和降低成本方面具有重要的意義。 另外，由于材料試驗機所涉及到的科學技術(shù)領域比較廣泛，如高溫技術(shù)，低溫技術(shù)，真空技術(shù)，液壓技術(shù)，光學技術(shù)，電子技術(shù)和激光技術(shù)等，并且還應用各種測試，記錄和顯示儀器，所以材料試驗機的技術(shù)發(fā)展，往往取決于很多科學技術(shù)領域的水平。 1.2國內(nèi)外實驗機研究的回顧、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1國內(nèi)外試驗機發(fā)展及其趨勢 近些年來，隨著航空，冶金，造船，化工和機械工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的迅速發(fā)展，對金屬材料試驗提出的要求也越來越高，許多產(chǎn)品的重要的零部件甚至整機，常常需要在各種復雜的情況下進行模擬試驗。因此，在材料試驗機中不斷地采用了一些新技術(shù)，例如電液伺服系統(tǒng)，電子計算機等。所有這些新技術(shù)的應用，不僅使材料試驗機的性能在為提高，而且使材料試驗機的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了很大的變化。 近來國外生產(chǎn)的一些萬能試驗機，由于應用了一些新技術(shù)，試驗機的性能有所提高，應用范圍也有所擴大。這種試驗機除了能做拉壓，彎，剪切等表態(tài)試驗外，還可以做蠕變和松弛試驗，有的還能做動態(tài)試驗，測定材料的疲勞極限。 國外生產(chǎn)的萬能試驗機和拉力試驗機，主要分為機械式，液壓式和電子式三種。近來電液伺服系統(tǒng)萬能試驗機后來居上。此外，有時又按其他特征分為高溫，低溫，大型，微型和自動試驗機等。 機械式萬能試驗機的加荷機械和測力機械一般采用機械傳動裝置。這種試驗機具有足夠的精度和穩(wěn)定性。但負荷能力受到一定限制，最大負荷多在10噸以下。因測力機械的慣性較大，加荷速度受到一定限制。所以，國外一些主要生產(chǎn)廠已經(jīng)不再生產(chǎn)，有的僅放在次要的地位。 液壓萬能試驗機，應用液壓傳動加荷。范圍一般為10-200噸。最大負荷高達5500噸。與機械萬能試驗機相比較，除負荷較大外，加荷平衡，加荷速度可自由調(diào)節(jié)。 近些年來，各國都在大力發(fā)展電子萬能試驗機與電子拉力試驗機。這是一種將電子技術(shù)應用于試驗機負荷系統(tǒng)與變形系統(tǒng)中，精確地進行測量和記錄的新型材料試驗機。 1.2.1國內(nèi)外各種實驗機的介紹 試驗機是用來進行材料力學性能指標測定的設備，在各類材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、材料科學研究和教學試驗中都需要應用試驗機來進行力學性能測試。而其中在靜態(tài)萬能材料試驗機上的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗尤為廣泛。我國靜態(tài)萬能試驗機為數(shù)眾多，遍布于全國各地，大部分不具備電測能力，以手動調(diào)整進、回油閥的方式運行，試驗手段落后，有勞動量大和測試結(jié)果不準確等缺點。若對其指示、記錄系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行適當?shù)募夹g(shù)改造，則可以充分地發(fā)揮設備的潛能，大大提高其技術(shù)性能及使用價值，更好地為材料研究、質(zhì)量控制和實驗教學服務。 本系統(tǒng)將先進的虛擬儀器技術(shù)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合并應用于靜態(tài)試驗機，來實現(xiàn)力學性能參數(shù)的自動檢測，其中試驗數(shù)據(jù)的實時采集、自動處理分析和試驗中的加載速率控制是本系統(tǒng)研究的重點。 本系統(tǒng)在充分掌握大量試驗機的動態(tài)信息的基礎上，采用虛擬儀器技術(shù)，進行了靜態(tài)萬能材料試驗機數(shù)控化系統(tǒng)的硬件搭建及軟件設計。下面對各種試驗機作簡單介紹： 1．液壓萬能材料試驗機 傳統(tǒng)的材料試驗機是液壓式的, 這種材料試驗機存在一些不足之處。它通過油泵向油缸輸油加壓, 由流量調(diào)節(jié)閥控制流量。油泵和測力油缸的液壓系統(tǒng)容易發(fā)生故障, 不但影響試驗機的運行和試驗質(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; 采用擺錘測力計測量試驗力,擺錘的慣性大, 對載荷的測量精度低, 且量程范圍小。 　　2．電子萬能試驗機 電子材料試驗機的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)應力、應變、位移的閉環(huán)控制; 試驗中無須選擇量程, 可實行全過程自動控制; 裝卸夾具和附件方便; 軟件包功能強大, 用戶通過PC 可直接存儲數(shù)據(jù)、計算并輸入測試結(jié)果和打印試驗報告。計算機控制整個試驗過程, 保證了試驗的質(zhì)量。 電子萬能試驗機是先進的機械技術(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、電技術(shù)各自特長而設計成的大型精密測試儀器，它具有高科技特點，其設計方法是模塊化的。采用集散技術(shù)，有效地利用了微機功能對各種附件和功能單元進行組合管理、控制、實現(xiàn)多種功能試驗。 材料試驗機測試裝置包括機身、橫梁及其支撐部件、鉗口和引伸計等。其中機身、橫梁及支撐裝置只需滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求即可, 而引伸計和試驗鉗口則是試驗機的關(guān)鍵測量裝置和部件。 電子材料試驗機由計算機控制系統(tǒng)進行自動控制。首先, 通過計算機可完成試驗階段的設置。對于金屬材料的常規(guī)拉伸試驗, 通常劃分為三個階段, 即彈性階段、屈服階段和強化階段。在三個試驗階段設置中, 均要選擇速率控制類型和最大存儲頻率等主要參數(shù)值。同時, 計算機可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲, 并由計算軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理, 給出檢測結(jié)果,最后, 完成試驗報告的打印。 3．擴大試驗機試驗噸位的機械增力裝置 該裝置屬于材料試驗設備，能在一定的試驗條件下解決小噸位高頻拉壓試驗機不能進行大噸位試驗的問題。它利用彈性內(nèi)封閉力系的原理，通過改變裝置系統(tǒng)內(nèi)部的約束尺寸來實現(xiàn)增力，運用實驗應力分析技術(shù)通過電阻、電橋、應變儀、指示器、光標及“動態(tài)靜標法”來實現(xiàn)檢測。該裝置能確保原試驗機的各項性能指標及使用壽命，能達到“以小改大、一機多用”的目的，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡單、測試精確、使用方便等優(yōu)點。 　　4．機械式帶傳動萬能材料試驗機 　　基于主機架采用門式結(jié)構(gòu)，使得造型勻稱美觀大方結(jié)構(gòu)簡單、成本低。尤其配以滾珠絲杠與同步齒型膠帶的傳動系統(tǒng)，使得整機運行平穩(wěn)，響應快、噪聲低、效率高。對測量系統(tǒng)，微機可以對其進行自動調(diào)零，自動標定、自動換檔，從而保證了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，并大大地提高了工作效率。 通過對傳統(tǒng)材料試驗機的分析, 發(fā)現(xiàn)其不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面: (1) 無法保證角度及位移測量的精度。現(xiàn)代位移測量系統(tǒng)普遍采用光柵、磁柵、感應同步器、球柵和容柵等柵式測量系統(tǒng), 利用增量測量方法來確定位 置和材料延伸率δ, 精度達到±011μm, 速度可達16m / s ; 傳統(tǒng)試驗機多通過游標卡尺人工測量, 無法滿足這一要求。 (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)無法即時匯總和分析。 (3) 速度調(diào)節(jié)為機械的有級調(diào)速, 速度控制為開環(huán)控制, 不能構(gòu)建轉(zhuǎn)速閉環(huán)。 (4) 不能測量材料的屈服強度σs、彈性模量E、硬化指數(shù)n和塑性應變比r等參數(shù)。事實上, 多功能材料試驗機、萬能材料試驗機等, 其實驗原理與當前主流的計算機控制材料試驗機并沒有實質(zhì)性的變化, 其被控對象都比較相似, 對控制效果的要求也相似。計算機控制材料試驗機主要是在控制系統(tǒng)上引入了CAT (Computer Aided Test, 計算機輔助測試) , 具有液壓伺服或者交直流電機伺服驅(qū)動、高精度的位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制裝置等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。 1.3課題的重點和難點： 方案的確定，傳動系統(tǒng)設計、計算； 材料試驗機( 泛指壓力試驗機、拉力試驗機及萬能試驗機等試驗機) 廣泛地用于建筑、建材、公路橋梁、機械加工, 檢測、質(zhì)檢等行業(yè)或機構(gòu); 在這些行業(yè)或機構(gòu)中, 材料試驗機一般均是用來對材料或產(chǎn)品的機械性能進行檢測, 通過檢測所得到的數(shù)據(jù)來判定所購買的或生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量, 通過優(yōu)化組合進而達到對生產(chǎn)質(zhì)量的過程控制; 另一方面, 許多質(zhì)檢機構(gòu)或檢測公司都是以材料試驗機試驗所得到的數(shù)據(jù)來進行質(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機, 如何正確地評定材料試驗機的檢定結(jié)果, 特別是如何正確地評定測量結(jié)果中示值誤差的不確定度就顯得特別重要。 材料試驗機示值誤差不確定度最主要的來源是標準測力儀、檢測時數(shù)據(jù)的不重復性、指示裝置的分辨率等三項, 而溫度波動、溫度修正系數(shù)、溫度計讀數(shù)誤差等三項相比而言屬于高階無窮小, 可以忽略不計。另外, 在確定不確定度來源時本文沒有考慮示值進程誤差和零點相對誤差所帶來的影響, 一方面因為材料試驗機主要是使用進程示值, 因此考慮此誤差意義不大, 另一方面零點相對誤差主要是衡量回零點的情況, 而回零點的好壞情況間接地包含在了重復性誤差中, 因此若再考慮零點相對誤差就會在不確定度來源上導致重復。 對于材料試驗機要關(guān)注以下一些性能參數(shù)： 1） 承載能力與尺寸 這些指標對選擇萬能材料試驗機至關(guān)重要。承載能力的選定，要根據(jù)所測試的材料被拉斷所需的最大力來決定。 對尺寸來說，要求測試時存在可用的足夠空間，包括橫向與縱向的空間都應該合適。一些材料，試驗時延伸得較長，所以試驗機垂直的尺寸必須有足夠的長度，以滿足材料延伸的需要。另外還應考慮特殊的夾具，固定裝置和環(huán)境箱所占據(jù)的空間。 2） 橫梁的剛性 這個指標往往被過高的要求了。只有在使用十字頭運動作為引伸計或進行撓性測試時橫梁的剛度才會顯得極為重要。用于評價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。一些低剛度的機械制造商提供標準設備，數(shù)據(jù)采集和程序直接測試應變和撓度的機器。實際上，如果承載橫梁用作撓度測試時，這個方法可以用來校正測試結(jié)果。 3） 驅(qū)動系統(tǒng)的指標 這些指標是重要的，它用以保證系統(tǒng)是否按有關(guān)國際標準來進行試驗。 4） 滿載的最大速度 5） 電控系統(tǒng) 6） 數(shù)據(jù)記錄速度和帶寬 7） 測力系統(tǒng) 系統(tǒng)必須精確并要求重復性好，精確度在0.5%-0.01%范圍內(nèi)。0.25%的讀數(shù)重復性要求95%符合，在同一系統(tǒng)中自標定的載荷碼要比其他載荷碼方便。 8） 應變測量系統(tǒng) 對于一臺試驗機的評價首先是仔細地評價機器在特定要求下的特性和指標。在不同應用方面要求也會有所不同。一臺萬能材料試驗機最重要的是應該符合應用需要和標準要求，對一些特別的和華而不實的指標將不可避免地使價格升高。 下面介紹該萬能材料試驗機的運行原理， 萬能材料試驗機的工作原理：利用力源對串聯(lián)同軸安裝的標準傳感器和被檢試件施加載荷，從而測定試件的各方面力學性能。顯然作為承載和測力元件的傳感器受到的負荷是彈性力，而傳感器和被檢試件，加載系統(tǒng)都可分別看作彈性元件，因此可簡化為一彈性系統(tǒng)，。力源施加裝置由粗加載和精密加載兩面三刀個有機部分組成。粗加載系統(tǒng)是采用普通機械或液壓傳動方式產(chǎn)生位移對測力系統(tǒng)施加負荷的裝置，精密加載則由壓電陶瓷力發(fā)生裝置完成。壓電陶瓷發(fā)生裝置是根據(jù)物理學中的逆壓電效應原理，運用壓電陶瓷材料，使用專門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)生裝置與標準傳感器和被測試件一起串聯(lián)安裝于測力系統(tǒng)中，當試驗機工作時，在施加粗負荷后，通過特殊研制的控制裝置控制施加于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場強度，改變它產(chǎn)生的微小變形量，從而達到精密調(diào)節(jié)力值的目的?？刂蒲b置運用微型計算機和微電子控制技術(shù)，以標準測力儀的輸出作為反饋信號，實現(xiàn)對施加負荷和力值穩(wěn)定調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制和工作過程自動化。 萬能材料試驗機共由五部分組成，即主機，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)。其中主機包括機架（機器的結(jié)構(gòu)主體），驅(qū)動機構(gòu)（用以實現(xiàn)粗加載的傳動系統(tǒng)），控制器，工作儀表。 第2章 萬能材料試驗機總體設計 2.1加載方式 萬能材料試驗機的加載方式有機械式和液壓式，它們各有優(yōu)缺點。 2.1.1液壓式 優(yōu)點： 2 手動容易 2 易于實現(xiàn)大的力值，加荷平衡，加荷速度可自由調(diào)節(jié)。 缺點： 2 難于實現(xiàn)自動控制，微小距離難于實現(xiàn) 2 易造成環(huán)境污染 2.1.2機械式 優(yōu)點： 2 易于實現(xiàn)自動控制 2 無污染 缺點： 2 大力值難于實現(xiàn)，一般僅適用于小于1000kN的力 對比上面兩種加載方式，由于本設計的規(guī)格為100kN，故決定采用機械式加載方式。 2.2傳動方式 萬能材料試驗機的傳動方式有單絲杠式，雙絲杠式，多絲杠式。單絲杠式難于保證精度（加載時，易偏離中心線），而多絲杠式結(jié)構(gòu)過于復雜，故采用單絲杠傳動方式，結(jié)構(gòu)相對簡單，能保證本試驗機對精度的要求。 本試驗機的傳動主要為螺旋傳動和同步帶傳動。同步齒形帶的傳動必須考慮帶的張緊，可通過調(diào)整其中一張緊輪的位置而達到張緊的目的。至于另兩級帶傳動，由于結(jié)構(gòu)的限制，可采用電機張緊方式張緊。螺旋傳動有蝸輪蝸桿傳動和滾珠絲杠副縣長的傳動。蝸輪蝸桿具有自鎖性能，在裝配時必須注意其旋轉(zhuǎn)方向。滾珠絲杠采用墊片式消隙和預緊方式，可通過調(diào)整預緊力來改變其松緊程度，以便使用權(quán)絲杠運轉(zhuǎn)自如。 2.3總體結(jié)構(gòu) 萬能材料試驗機的傳動系統(tǒng)原理圖如下頁圖一所示： 考慮到成本等方面的因素，決定采用雙電機工作方式，因為如果采用單電機工作方式，單電機為飼服電機，其價格較高。而采用雙電機，其一為異步電機，其二為步進電機，其造價較低且其結(jié)構(gòu)也不是很復雜。加載時，絲桿的轉(zhuǎn)速低，其運動速度慢，當兩元件的距離較遠時，如不采用快進機構(gòu)則其效率較低。因此，因此決定在快進時采用導步電機驅(qū)動，而工進時采用步進電機驅(qū)動。由原理圖上可知，當快進時，如不把步進電機隔離，則步進電機將被被動帶動轉(zhuǎn)動，且其轉(zhuǎn)達速進十分高，易把步進電機燒壞，因些在其上面加一分離機構(gòu)（離合器）。而工進時，傳達到導步電機的轉(zhuǎn)速已十分低，對于異步電機的影響不大。因此，在工進時，異步電機被動轉(zhuǎn)動，步進電機轉(zhuǎn)動。在快進時，異步電機驅(qū)動，而步進電機不工作，即轉(zhuǎn)速為零。 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）來實現(xiàn)其自鎖。 萬能材料試驗機主機部分是它的主體結(jié)構(gòu)，其所占空間與試驗場地有密切聯(lián)系，因此，在設計時必須考慮其體積及所需要占用的空間位置。且應使其便于安裝和運輸。 圖2-2 工作示意圖（1） 螺紋聯(lián)接的防松，在沖擊，振動或變載荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能減小或瞬間消失，重復后，就可能使用聯(lián)接松動，甚至松脫。因此必須采取防松措施。本試驗機中采用的防松措施為：雙螺母防松（即在螺母上再加一個螺母）和墊片防松。 圖2-3 工作示意圖（2） 本試驗機使用的潤滑方式為脂潤滑。因此應該根據(jù)實際情況定時加一定的潤滑脂，以保證機構(gòu)的運轉(zhuǎn)良好。軸承的預緊情況將直接影響其運轉(zhuǎn)性能。如過松，易使機構(gòu)失效，且易產(chǎn)生振動。如過緊，則又使機構(gòu)運轉(zhuǎn)不良。本試驗機中多采用了焊接連接方式。因此，焊接的方法，質(zhì)量就直接影響試驗機的整機性能和壽命。 第3章 運動動力設計與驗算 3.1滾珠絲杠副的運動動力設計計算 消除軸向間隙的調(diào)整預緊方式，采用雙螺母,通過兩螺母間的軸向位置，以消除軸向間隙，并進行預緊,提高傳動的定位精度，重復定位精度及軸向剛度，預緊力一般為最大軸向載荷的1/3。預緊方式采用墊片式。 滾珠絲杠的承載能力取決于其抗疲勞能力，故應首先按壽命條件和額定動載荷選擇和校驗其基本參數(shù)。同時檢驗其載荷是否超過額定靜載荷（低速）。強度，剛度，穩(wěn)定性也需要進行驗證。 采用內(nèi)循環(huán)方式，墊片式消隙和預緊。 預緊參數(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　 導程　 右旋　 精度等級三級　 鋼球直徑　 圈數(shù)jk列數(shù)=　 承載能力系數(shù) 滾珠螺旋傳動由于精度要求較高，比較復雜，所以一般均由專業(yè)廠生產(chǎn)。轉(zhuǎn)速很低時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 計算= 即絲杠滿足靜載荷條件。 3.1.2絲杠壽命計算 —工作壽命 查表， —壽命系數(shù) = —載荷系數(shù) 查表，= —動載荷硬度影響系數(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，則 計算 即絲杠壽命符合條件。 3.1.3絲杠強度計算 絲杠轉(zhuǎn)矩： （） —當量摩角 =，取 —絲杠公稱直徑 —絲杠螺旋角 計算（） 采用預緊，因此預緊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也要計算，預緊力為最大軸向力的1/3，則 絲杠合轉(zhuǎn)矩 當量應力 —絲杠螺紋底徑 計算 查表，， 根據(jù)強度條件，即 絲杠滿足強度條件。 3.1.4絲杠的穩(wěn)定性 柔度計算 —長度系數(shù) 查表， —絲杠最大工作長度 —臨界載荷 計算 時， —彈性模量 —絲杠的危險截面面積 計算 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: —絲杠的計算長度，指F和T作用處到固定支撐端的距離， —絲杠材料彈性模量， —絲杠的計算截面面積，，直徑 計算 轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的軸向變形: —絲杠的螺紋導程， —絲杠材料的切變模量， — 計算= 軸向載茶F使鋼球與螺紋流道貌岸然產(chǎn)生的軸向變形量: （有預緊） —鋼球直徑， —工作臺螺母中的鋼球數(shù)， —載荷分布不均勻系數(shù)，取 —預緊力（N），取 計算 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)， —軸承有效長度， 計算 有預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絲杠的傳動效率功率 由轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿? 見圖， 絲杠的驅(qū)動功率: 3.1.7滾珠絲杠幾何參數(shù) 公稱直徑 導 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) 滾珠絲杠設計中應該注意的一些問題： 1）受力合理 為了保證定位精度，除考慮絲杠剛度外，還應在結(jié)構(gòu)布軒上盡可能使用權(quán)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程式變形量之差。此外，滾珠螺旋傳動應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，力求部件移動阻力的合力通過絲杠軸線。由于本試驗機采用雙絲杠，其阻力通過兩絲杠中心線，這要靠定位安裝及加工的尺寸精度。 2）防止逆轉(zhuǎn) 滾珠絲杠傳動反行程不能自鎖，為了使用權(quán)螺旋傳動受軸向中力后不發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在此試驗機中采用了輪蝸桿的傳動比，這種傳動比的蝸輪蝸桿可以起到自鎖作用。 3）安全裝置 本試驗機是采用垂直安裝的滾珠絲杠傳動，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫出而造成事故，因此，在設計時采用限位擋塊以保證安全運行。 4）密封與潤滑 為防止塵埃和污物進入螺紋滾道，妨礙鋼球運轉(zhuǎn)的流暢性并且加速鋼球與滾道的磨損，設計中必須考慮防護設施與密封。此試驗機根據(jù)結(jié)構(gòu)特點采用防塵罩密封。由于轉(zhuǎn)速較慢，采用高壓的高粘度潤滑劑進行脂潤滑。 3.2電機的選擇 3.2.1步進電機的選擇 初取各級傳動比 第一級帶傳動 蝸輪蝸桿傳動 第二級帶傳動 總傳動比 總的傳動效率 —絲杠傳動效率 —各軸承傳動效率 —同步弧齒帶傳動效率 —自鎖蝸輪蝸桿傳動效率 —離合器傳動效率 步進電機 3.2.2導步電動機選擇 由于變速范圍為 絲杠最大轉(zhuǎn)速成 導步電動機轉(zhuǎn)速 3.2.3電動機的參數(shù) 步進電機 型號 電壓 頻率 轉(zhuǎn)速 輸入電流 110TD-1 220V 50HZ 60r/min 0.6A 輸入功率 轉(zhuǎn)矩 外形尺寸 110W 2.92Nm 導步電機 型號 額定功率 額定電流 額定轉(zhuǎn)速 效率 Y2-631-2 0.18kW 0.53A 2720r/min 65% 功率因數(shù) 最大轉(zhuǎn)矩 外形尺寸 極數(shù) 電壓 0.80 2.2Nm 2 380V 3.3各軸功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩的計算 工進時，絲杠杠的轉(zhuǎn)速，功率， 三軸轉(zhuǎn)速 三軸功率 三軸轉(zhuǎn)矩 同理可得其它軸上的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和功率 二軸： 一軸（電動機軸）： 3.4各級傳動的設計計算 3.4.1第一級帶傳動設計計算（同步） 同步帶傳動利用帶與帶輪上齒之間的嚙合進行傳動。由于帶的抗拉強度高，受載后變形小，能保持齒的節(jié)距不變，所以傳動比較準確，傳動平穩(wěn)，速度高，噪聲小，且無需潤滑清潔，維護簡單。適用速度范圍寬，傳動比可到10，協(xié)率由幾十瓦到幾百千瓦，結(jié)構(gòu)緊湊，效率可達98%99%，張緊力和壓軸力小。 此設計選用弧齒同步帶，受載后的應力分布狀態(tài)較好，提高了承載能力，防止帶齒與輪齒的干涉，降低振動與噪聲。 2 設計功率： 工況系數(shù) 查表，= 一帶傳遞的功率 計算 2 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 2 驗證帶速： 帶速 查表得, 第一級帶帶速滿足條件。 2 初定中心距： 取 取 2 帶長及齒數(shù)： (其中) 查選取標準值及其齒數(shù)， 實際中心距，中心距可調(diào)， 2 小帶輪嚙合齒數(shù)： 2 計算帶寬系數(shù)： —設計功率， —基準帶寬為時，同步帶的基本額定功率，見 表， —小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，見表， —帶長系數(shù)，見表， 計算，查表，帶寬代號9，帶寬 2 計算軸力： 小于帶所能承受的力，符合條件。 3.4.2第三級帶傳動 2 設計功率: —工況系數(shù) 查表，= —帶傳遞的功率 計算 2 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 2 驗證帶速： 帶速 查表得, 第三級帶帶速滿足條件。 2 初定中心距： 取 取 2 帶長及齒數(shù)： (其中) 查表選取標準值及其齒數(shù)， 實際中心距，中心距可調(diào)， 2 小帶輪嚙合齒數(shù)： 2 計算帶寬系數(shù)： —設計功率， —基準帶寬為時，同步帶的基本額定功率，見 表， —小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，見表， —帶長系數(shù)，見表， 計算，查表，帶寬代號20，帶寬 2 計算軸力： 小于帶所能承受的力，符合條件。 2 各軸直徑的計算： 一軸 二軸 三軸（其中為電動機軸直徑） 3.4.3蝸輪蝸桿減速器的計算 選取傳動比（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。 2 計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。 2 齒面接觸強度計算： —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， —嚙合中心距， —蝸牛輪矩， — 使用系數(shù)，查表， —使用接觸應力 —蝸牛輪輪齒材料接觸疲勞極限，查表2.5-1， —壽命系數(shù)，,取 —轉(zhuǎn)速系數(shù)， —最小安全系數(shù)，，取 計算 即,齒面接觸強度符合條件。 2 蝸輪輪齒的彎曲強度計算: 由于蝸牛輪輪齒的齒形比較復雜，要精確計算比較困難，實踐經(jīng)驗證明，齒根彎曲強度主要與模數(shù)m和齒寬這兩個主要的幾何參數(shù)有關(guān)，故可用簡單條件計算法來校核。 —蝸輪的圓周力， —使用系數(shù)， —蝸桿軸向模數(shù)， —蝸輪齒寬， —許用系數(shù) —輪齒彎曲計算時的極限U系數(shù)，查表25-1, —彎曲強度的最小安全系數(shù)，取,取 計算 可見，蝸輪輪齒彎曲強度條件符合。 2 蝸桿軸的剛度計算 剛度不足會導致蝸桿副的不常嚙合，造成偏載，加劇磨損，故應驗算蝸桿軸的剛度。 蝸桿軸的最大撓度（） —蝸桿圓周力（N）， —蝸桿徑向力（N）， —蝸桿材料的彈性模量，對于鋼 —蝸桿危險截面處的慣性矩， —蝸桿軸承間的跨距，計算時可以取，取1.3 —極限撓度，淬硬蝸桿 計算 蝸桿剛度條件符合。 3.5支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及驗算 滾珠絲杠多采用滾動軸承支承，既承受徑向力又承受軸向力，且其力值較大，故采用圓錐滾子軸承。 對于轉(zhuǎn)速極低的軸承，其失效形式是滾動體內(nèi)外圓滾道貌岸然接觸處出現(xiàn)不均勻塑性變形凹坑，使軸承在運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)振動和噪音而不能正常工作。此時應該按軸承的靜載茶計算。 軸承反安裝，其內(nèi)部軸向力: 判斷軸向力方向: 即 計算并與比較: 靜載荷計算: 動載荷計算: 驗證額定靜載荷: —基本額定靜載荷， —靜強度安全系數(shù)，取 —當量靜載荷， 計算 軸承符合靜載荷要求。 壽命計算: —基本額定壽命（） —基本額定動載荷（N） —當量動載荷（N） —壽命系數(shù)（滾子軸承） —軸承轉(zhuǎn)速（） 計算> 軸承壽命符合條件。 3.6動靜橫梁變形的驗算 3.6.1動橫梁變形的驗算 動橫梁在粗加載過程中會產(chǎn)生一定的變形量，其大小將直接影響試驗的精確性。因此對其剛度的驗算是十分必髯的。對于100kN的萬能材料試驗機，其許用變形量為 動橫梁在加載過程中的受力變形，可簡化為兩端固定，而中心受力的簡支梁結(jié)構(gòu)，其簡化圖見圖四： 圖3-1 動橫梁受力簡圖 由材料力學的知識可知，變形量最大的地方是其中點，其最大變形公式為： —最大載荷， —梁的跨距， —材料的彈性模量， —梁截面的慣性矩， 而梁的截面形式為： 圖3-2 動橫梁截面形式 計算 因此： 所以動橫梁的剛度合格。 3.6.2靜橫梁變形的驗算 靜橫梁的變形也影響其精度。其受力情況可簡化為如圖所示的結(jié)構(gòu)： 圖3-3 靜橫梁受力簡圖 其許用變形量，其變形公式可按下式驗算： 靜橫梁截面形式為： 圖3-4 靜橫梁截面形式 其中I的計算過程為： 由材料力學的知識可知，圖形的形心必然在對稱軸上，為了確定，取參考系見圖： 所以 而用變形量，所以靜橫梁滿足條件。 3.7離合器的選擇計算 在設計和選擇離合器時，應該考慮影響離合器工作性能的各因素。包括原動機特性，負載特性，結(jié)構(gòu)因素，操作方式等，由于本實驗機對離合器的負載較小，以下將通過計算選擇合適的轉(zhuǎn)矩。離合器為剛性接合元件，大都具有相當硬度和強度的金屬件，因此在接合瞬時，嚙合主，從動件之間產(chǎn)生相當大的沖擊載荷 ，易損壞接合元件，并引起機械沖擊和噪聲。柔性接合，主要靠接合元件的相互壓緊，利用壓緊后產(chǎn)生的磨擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，并允許在接合過程中稍有打滑。能夠使從動部分的轉(zhuǎn)速較緩慢地上升，減小機械沖擊，使機器的工作狀態(tài)比較平穩(wěn)。根據(jù)試驗機對平穩(wěn)噪聲等要求，在此選擇柔性離合器。 操作方式的不同也會影響離合器的工作性能，因此操作方便的電磁離合器成了最好的選擇。 總之對離合器的其本要求是接合平穩(wěn)，分離徹底，動作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，外形尺寸小和從動部分慣性小，操作省力，對接合元件壓緊力能達到內(nèi)力平衡，使用壽命長。 —計算轉(zhuǎn)矩 —理論轉(zhuǎn)矩， —儲備系數(shù)，見表，取 計算 計算轉(zhuǎn)矩應該小于離合器的許用轉(zhuǎn)矩。對以上的選擇作一下說明，在設計中所取過小，將延長接合時間，使磨擦元件過熱，加速磨損。而過大，則會使離合器接合剛度增大，操縱功增加。一般選取值時，對沖擊載荷小，接合較平穩(wěn)的離合器，宜取較小值；對于沖擊大，或要求接合迅速的離合器，應取較大值。本試驗機離合時無工作載荷，因此取較小值。 根據(jù)以上分析和計算選擇離合器DLD5-20，其參數(shù)如下表所示： 型號 摩擦扭矩（） 功率 最高轉(zhuǎn)速 激勵電壓 動扭矩（） 靜扭矩（） （） （） （） DLD5-20 20 22 24 20 5000 第4章 軸類零件工藝分析 軸類零件中工藝規(guī)程的制訂，直接關(guān)系到工件質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益。 零件圖工藝分析中，需理解零件結(jié)構(gòu)特點、精度、材質(zhì)、熱處理等技術(shù)要求，且要研究產(chǎn)品裝配圖，部件裝配圖及驗收標準。滲碳件加工工藝路線一般為：下料→鍛造→正火→粗加工→半精加工→滲碳→去碳加工（對不需提高硬度部分）→淬火→車螺紋、鉆孔或銑槽→粗磨→低溫時效→半精磨→低溫時效→精磨。粗基準選擇：有非加工表面，應選非加工表面作為粗基準。對所有表面都需加工的鑄件軸，根據(jù)加工余量最小表面找正。且選擇平整光滑表面，讓開澆口處。選牢固可靠表面為粗基準，同時，粗基準不可重復使用。精基準選擇：要符合基準重合原則，盡可能選設計基準或裝配基準作為定位基準。符合基準統(tǒng)一原則。盡可能在多數(shù)工序中用同一個定位基準。盡可能使定位基準與測量基準重合。選擇精度高、安裝穩(wěn)定可靠表面為精基準。 蝸輪軸加工工藝過程: 工序號 工種 工序內(nèi)容 加工簡圖 設備 1 下料 48X320 2 車 三爪卡盤夾持工件,車端面見平,鉆中心孔,用尾架頂住,粗車臺階,直徑,長度均留余量2mm 調(diào)頭,三爪卡盤夾持工件另一端,車端面保證總長213鉆中心孔,用尾架頂尖頂住,粗車另外臺階,直徑,長度均留余量2mm 3 調(diào)質(zhì) 調(diào)質(zhì)處理HRC24-38 4 鉗 修研兩端中心孔 車床 5 車 雙頂尖裝夾。半精車臺階，螺紋大徑車到36mm，其余直徑上留余量0.5mm,車槽一個，導角兩個 調(diào)頭，雙頂尖裝夾，半精車余下的表面，直徑40的車到余量為0.5mm 6 車 雙頂尖裝夾，車螺紋M36X1.5 7 鉗 劃鍵槽 8 銑 銑兩個鍵槽，鍵槽深度比圖紙規(guī)定尺寸多銑0.25mm，作為磨削的余量 鍵槽銑床或立銑床 9 鉗 修研兩端中心孔 車床 10 磨 磨外圓Q，并用砂輪端面靠磨H。調(diào)頭，磨外圓M 檢 檢驗 第5章 蝸輪軸的有限元分析 5.1蝸輪軸的有限元分析 5.1.1建立蝸輪軸的三維模型 圖5-1 蝸輪軸的三維模型 5.1.2添加蝸輪軸的材料屬性 圖5-2 填加材料屬性 在樹形圖的材料圖標上單擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Properties，出現(xiàn)材料屬性對話框，更改材料屬性。下面是添加完材料后的蝸輪軸： 圖5-3 添加完材料屬性后的輸入軸模型 5.1.3進入GPS模塊 圖5-4 進入GPS分析模塊 當進入到GPS后，程序自動賦予了輸出軸單元類型和單元屬性。往往需要修改以適合零件分析所要達到的要求,在Size內(nèi)輸入5mm，在Absolute sag中輸入1mm，選擇linear作為當前的單元類型。 圖5-5 修改單元類型和單元屬性 5.1.4定義約束 圖5-6 定義約束 5.1.5 定義載荷 在輸入軸的有限元分析過程中，我們把作用在花鍵上的轉(zhuǎn)矩簡化為作用在每一個花鍵側(cè)面的均勻分布的壓力來進行分析。 圖5-7 定義載荷 5.1.6 求解蝸輪軸受載 單擊求解按扭，彈出如圖4-8所示的對話框，在對話框中進行求解設置，單擊OK，對施加完載荷、約束后的有限元模型進行求解。 圖5-8 選擇求解對象 5.1.7 分析結(jié)果 待分析完畢，得出以下結(jié)果： 圖5-9 靜力變形圖 圖5-10 等效應力云圖 圖5-11 位移圖 綜合以上分析結(jié)果：取材料為45鋼，受載產(chǎn)生應力最大值遠小于材料的屈服強度。由此得出：所設計的結(jié)構(gòu)符合強度要求。 第6章 使用說明 使用說明: 1．在機器的運輸，安裝等過程中，應避免碰傷，刮傷，以免機器因其而生銹。 2．在機器的安裝中，必須做主靜橫梁的上表面水平，可通過調(diào)整四個腳上的支承螺釘來達到水平要求。 3．在安裝中，一定要保證動橫梁下表面，靜橫梁上表面的平等度在一米范圍內(nèi)不超過0.02mm。且必須保證其上安裝陶瓷力發(fā)生裝置的孔，與動橫梁上的孔的同軸度為0.05mm。 常見故障 ： 度盤指針靈敏性差，卸荷后有中途停止現(xiàn)象，或者零點位置經(jīng)常變動。此種現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是多方面的。 1 . 齒桿上的滑輪及其道軌灰塵過多、銹蝕。此時需要卸下清洗干凈，再加少許鐘表油。 2 . 指針轉(zhuǎn)動軸臟，應清洗。 3. 齒桿壓片和齒桿之間有接觸，應調(diào)松。 4 . 潤滑情況不良，應加以調(diào)整或清洗。 第七章 總結(jié) 經(jīng)過兩三個月的時間，我們的畢業(yè)設計完成了。這段時間里，我們付出了很多，也收獲了很多，我們遇到了很多困難，也得到了很多幫助，大學就這樣要過去了，我們能有這樣的付出和收獲，我們感到滿足。經(jīng)過這次畢業(yè)設計，使大學四年里學到的東西重新得到鞏固并在一些方面有了更新的認識。剛拿到這個題目時不知道這是什么，只記得以前做實驗時用過，也沒注意具體是什么結(jié)構(gòu)。經(jīng)過開始一段時間的調(diào)研，上網(wǎng)查找，到實驗室實地觀察，請教老師，一系列問題得到解決，具體方案越來越清晰。到最后各結(jié)構(gòu)的設計等，這些將以前學過的東西全都融合起來，使我們對所接觸到的知識的理解更加深入。 在畢業(yè)設計過程中，老師和同學們給了很大的幫助，很多以前自己忽略的東西經(jīng)過老師，同學的提示有了新的體會，使所學知識更加鞏固。畢業(yè)后就要參加工作，應該會遇到更多的困難，我們相信在大學里學到的這些知識，能夠使我們更容易接受新的知識，學習新的技能，更快的適應新的工作，新的環(huán)境。 感謝學院各位老師的培養(yǎng)，感謝老師的評閱。 參考文獻： [1]現(xiàn)代機械傳動手冊，機械工業(yè)出版社。 [2]機械設計，潭慶昌 編，高等教育出版社。 [3]全國最新機電產(chǎn)品大全，北京笠學技術(shù)出版社。 [4]常用軸承技術(shù)手冊，卜炎 編，機械工業(yè)出版社。 [5]機械設計圖冊，成大先 編，化學工業(yè)出版社。 [6]滾動軸承產(chǎn)品樣本，中國工業(yè)出版社。 [7]中國機電產(chǎn)品目錄，國家機械工業(yè)局 編，機械工業(yè)出版社。 [8]材料力學，吉林科學出版社。 [9]機械設計手冊，機械工業(yè)出版式社。 [10]機械設計/譚慶昌，趙洪志主編.－北京：高等教育出版社，2004.7 [11]材料力學/聶毓琴，孟廣偉主編.－北京：機械工業(yè)出版社，2004.2 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