機(jī)械畢業(yè)設(shè)計-1MN電動缸型材料試驗機(jī)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】
機(jī)械畢業(yè)設(shè)計-1MN電動缸型材料試驗機(jī)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,機(jī)械,畢業(yè)設(shè)計,MN,電動,材料,試驗,設(shè)計,CAD,圖紙,說明書
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）
中文題目： 1MN電動缸型材料試驗機(jī)設(shè)計
英文題目： Design of the 1MN electric cylinder-type
material testing machine
學(xué)生姓名
學(xué) 院
專 業(yè)
指導(dǎo)教師
0
目 錄
目 錄 2
第1章緒論 1
1.1 課題的提出 1
1.1.1 課題的研發(fā)背景 1
1.1.2 課題的意義 1
1.2 國內(nèi)外試驗機(jī)的動態(tài)和發(fā)展趨勢 2
1.2.1 國內(nèi)外試驗機(jī)的動態(tài) 2
1.2.2 國內(nèi)外各種試驗機(jī)的介紹 3
1.2.3 國內(nèi)外各種試驗機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3 電動缸的發(fā)展及應(yīng)用 4
1.3.1 電動缸的發(fā)展及應(yīng)用 4
1.3.2 電動缸的性能特點 5
1.4 課題的研究內(nèi)容及重點和難點 5
1.4.1 課題的研究內(nèi)容 5
1.4.2 課題的重點和難點 6
第2章 萬能材料試驗機(jī)總體設(shè)計 8
2.1 萬能材料試驗機(jī)加載方式比較 8
2.2 傳動方式 8
2.3 總體結(jié)構(gòu) 9
第3章 運動動力設(shè)計與校核 11
3.1 滾珠絲杠副的運動動力設(shè)計計算 11
3.1.1 靜載荷的計算 12
3.1.2 絲杠傳動效率計算 13
3.1.3 絲杠剛度校核 14
3.1.4 絲杠強(qiáng)度校核 16
3.1.5 絲杠穩(wěn)定性校核 17
3.1.6 絲杠的傳動功率 17
3.1.7 滾珠絲杠的幾何參數(shù) 18
3.2 伺服電機(jī)及減速機(jī)的選擇 20
3.2.1 減速機(jī)的選型 20
3.2.2 伺服電動機(jī)的選型 22
3.3 各軸功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的計算 23
3.4 齒輪傳動的設(shè)計計算 23
3.4.1 選擇齒輪的材料，熱處理方式，精度等級和齒輪齒數(shù) 24
3.4.2 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計 24
3.4.3 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 27
3.4.4 齒輪精度設(shè)計 28
3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及校核 29
3.5.1 推力球軸承的選擇及校核 30
3.5.2 深溝球軸承的選擇及校核 31
3.6 絲杠軸的設(shè)計及校核 32
3.6.1 絲杠軸的基本參數(shù) 32
3.6.2 選擇軸的材料 33
3.6.3 絲杠軸的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩的計算 33
3.6.4 初步估算絲杠軸的最小直徑及進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 33
3.6.5 按疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)進(jìn)行絲杠軸的校核 34
第4章 材料試驗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核 36
4.1 移動橫梁與筒形推桿聯(lián)結(jié)螺栓強(qiáng)度的校核 36
4.1.1承受工作拉力的螺栓連接的強(qiáng)度計算 37
4.1.2承受橫向剪力的螺栓連接的強(qiáng)度計算 38
4.2 筒形推桿的設(shè)計與校核 39
4.3 靜橫梁的校核 40
4.4 材料試驗機(jī)立柱的設(shè)計計算及校核 41
4.4.1 立柱螺紋部分計算及校核 41
4.4.2 確定立柱螺紋部分的直徑 42
4.4.3 立柱的穩(wěn)定性校核 42
4.4.4 材料試驗機(jī)扭轉(zhuǎn)時立柱校核 43
4.4.5 托架的設(shè)計及校核 45
總結(jié) 48
致謝 49
參考文獻(xiàn) 50
摘 要
本課題研究設(shè)計的是一種電動缸型材料試驗機(jī)。由于電動缸機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計，同時電動缸機(jī)構(gòu)具有定位精度高、傳動效率高、運動響應(yīng)快、承載能力大等優(yōu)點，可以取代以往蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠等傳動方式。同時以往的材料試驗機(jī)不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗，只能進(jìn)行壓縮、拉伸、彎曲的實驗。本課題設(shè)計的新型材料試驗機(jī)是通過電動缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，同時加入對試樣的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用傳感器對試樣軸向變形、徑向變形、扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行測量，通過計算機(jī)裝置顯示出實驗結(jié)果，創(chuàng)造出一種新型電動缸型萬能材料試驗機(jī)。
本文首先介紹了國內(nèi)外試驗機(jī)的發(fā)展歷程以及試驗機(jī)的發(fā)展趨勢、電動缸的發(fā)展?fàn)顩r以及優(yōu)缺點。第二部分闡述了所設(shè)計的電動型材料試驗機(jī)的傳動系統(tǒng)以及總體結(jié)構(gòu)。第三部分和第四部分則是主要進(jìn)行了材料試驗機(jī)的主要機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和材料試驗機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及校核。電動缸型材料試驗機(jī)的傳動部分主要由圓柱齒輪、滾珠絲杠、減速機(jī)等三部分組成。經(jīng)過校核所設(shè)計的傳動系統(tǒng)均符合要求。在文章的最后簡明的介紹了做本次畢業(yè)設(shè)計的一些心得體會。
關(guān)鍵詞： 電動缸 試驗機(jī) 扭轉(zhuǎn) 滾珠絲杠 齒輪
ABSTRACT
The research is designing an electric cylinder type material testing machine.The electric cylinder mechanism can replace the worm gear-worm fuzzy and the ball screw shaft and other transmission methods because of the electric cylinder mechanism can be designed according to the actual needs,while the electric cylinder mechanism has the advantage of the high positioning accuracy, high transmission efficiency, fast response, large carrying capacity and so on.While the conventional material testing machine can not be reverse experiment which only can do the compression, tension, bending experiment.Design of the project is a new material testing machine transmission through the electric cylinder bodies, while adding the sample twist mechanism, The specimen can be ameasuremented on the xial deformation, radial deformation, torsional deformation by the sensor .The computer device shows experimental results. The project create a new type of electric cylinder type universal material testing machine.
First,The paper describes the development process of the testing machine at board and abroad as well as the development trend of testing machines, as well as the development of electric cylinder advantages and disadvantages.The second part describes the design of the electric drive of the material testing machine and the overall structure.The third part and the fourth part is mainly designing and checking the material testing machine mechanical transmission mechanism and material testing machine structure.The electric cylinder type material testing machine is mainly composed of cylindrical gear transmission, ball screw shaft and reducer.The drive system is designed to meet the requirements after checking .Finally,I introduced some experience according to the graduation design.
Keywords: electric cylinder testing machine orsion ball screw shaft gear
1
目 錄
目 錄 2
第1章緒論 1
1.1 課題的提出 1
1.1.1 課題的研發(fā)背景 1
1.1.2 課題的意義 1
1.2 國內(nèi)外試驗機(jī)的動態(tài)和發(fā)展趨勢 2
1.2.1 國內(nèi)外試驗機(jī)的動態(tài) 2
1.2.2 國內(nèi)外各種試驗機(jī)的介紹 3
1.2.3 國內(nèi)外各種試驗機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3 電動缸的發(fā)展及應(yīng)用 4
1.3.1 電動缸的發(fā)展及應(yīng)用 4
1.3.2 電動缸的性能特點 5
1.4 課題的研究內(nèi)容及重點和難點 5
1.4.1 課題的研究內(nèi)容 5
1.4.2 課題的重點和難點 6
第2章 萬能材料試驗機(jī)總體設(shè)計 8
2.1 萬能材料試驗機(jī)加載方式比較 8
2.2 傳動方式 8
2.3 總體結(jié)構(gòu) 9
第3章 運動動力設(shè)計與校核 11
3.1 滾珠絲杠副的運動動力設(shè)計計算 11
3.1.1 靜載荷的計算 12
3.1.2 絲杠傳動效率計算 13
3.1.3 絲杠剛度校核 14
3.1.4 絲杠強(qiáng)度校核 16
3.1.5 絲杠穩(wěn)定性校核 17
3.1.6 絲杠的傳動功率 17
3.1.7 滾珠絲杠的幾何參數(shù) 18
3.2 伺服電機(jī)及減速機(jī)的選擇 20
3.2.1 減速機(jī)的選型 20
3.2.2 伺服電動機(jī)的選型 22
3.3 各軸功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的計算 23
3.4 齒輪傳動的設(shè)計計算 23
3.4.1 選擇齒輪的材料，熱處理方式，精度等級和齒輪齒數(shù) 24
3.4.2 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計 24
3.4.3 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 27
3.4.4 齒輪精度設(shè)計 28
3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及校核 29
3.5.1 推力球軸承的選擇及校核 30
3.5.2 深溝球軸承的選擇及校核 31
3.6 絲杠軸的設(shè)計及校核 32
3.6.1 絲杠軸的基本參數(shù) 32
3.6.2 選擇軸的材料 33
3.6.3 絲杠軸的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩的計算 33
3.6.4 初步估算絲杠軸的最小直徑及進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 33
3.6.5 按疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)進(jìn)行絲杠軸的校核 34
第4章 材料試驗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核 36
4.1 移動橫梁與筒形推桿聯(lián)結(jié)螺栓強(qiáng)度的校核 36
4.1.1承受工作拉力的螺栓連接的強(qiáng)度計算 37
4.1.2承受橫向剪力的螺栓連接的強(qiáng)度計算 38
4.2 筒形推桿的設(shè)計與校核 39
4.3 靜橫梁的校核 40
4.4 材料試驗機(jī)立柱的設(shè)計計算及校核 41
4.4.1 立柱螺紋部分計算及校核 41
4.4.2 確定立柱螺紋部分的直徑 42
4.4.3 立柱的穩(wěn)定性校核 42
4.4.4 材料試驗機(jī)扭轉(zhuǎn)時立柱校核 43
4.4.5 托架的設(shè)計及校核 45
總結(jié) 48
致謝 49
參考文獻(xiàn) 50
摘 要
本課題研究設(shè)計的是一種電動缸型材料試驗機(jī)。由于電動缸機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計，同時電動缸機(jī)構(gòu)具有定位精度高、傳動效率高、運動響應(yīng)快、承載能力大等優(yōu)點，可以取代以往蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠等傳動方式。同時以往的材料試驗機(jī)不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗，只能進(jìn)行壓縮、拉伸、彎曲的實驗。本課題設(shè)計的新型材料試驗機(jī)是通過電動缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，同時加入對試樣的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用傳感器對試樣軸向變形、徑向變形、扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行測量，通過計算機(jī)裝置顯示出實驗結(jié)果，創(chuàng)造出一種新型電動缸型萬能材料試驗機(jī)。
本文首先介紹了國內(nèi)外試驗機(jī)的發(fā)展歷程以及試驗機(jī)的發(fā)展趨勢、電動缸的發(fā)展?fàn)顩r以及優(yōu)缺點。第二部分闡述了所設(shè)計的電動型材料試驗機(jī)的傳動系統(tǒng)以及總體結(jié)構(gòu)。第三部分和第四部分則是主要進(jìn)行了材料試驗機(jī)的主要機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和材料試驗機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及校核。電動缸型材料試驗機(jī)的傳動部分主要由圓柱齒輪、滾珠絲杠、減速機(jī)等三部分組成。經(jīng)過校核所設(shè)計的傳動系統(tǒng)均符合要求。在文章的最后簡明的介紹了做本次畢業(yè)設(shè)計的一些心得體會。
關(guān)鍵詞： 電動缸 試驗機(jī) 扭轉(zhuǎn) 滾珠絲杠 齒輪
ABSTRACT
The research is designing an electric cylinder type material testing machine.The electric cylinder mechanism can replace the worm gear-worm fuzzy and the ball screw shaft and other transmission methods because of the electric cylinder mechanism can be designed according to the actual needs,while the electric cylinder mechanism has the advantage of the high positioning accuracy, high transmission efficiency, fast response, large carrying capacity and so on.While the conventional material testing machine can not be reverse experiment which only can do the compression, tension, bending experiment.Design of the project is a new material testing machine transmission through the electric cylinder bodies, while adding the sample twist mechanism, The specimen can be ameasuremented on the xial deformation, radial deformation, torsional deformation by the sensor .The computer device shows experimental results. The project create a new type of electric cylinder type universal material testing machine.
First,The paper describes the development process of the testing machine at board and abroad as well as the development trend of testing machines, as well as the development of electric cylinder advantages and disadvantages.The second part describes the design of the electric drive of the material testing machine and the overall structure.The third part and the fourth part is mainly designing and checking the material testing machine mechanical transmission mechanism and material testing machine structure.The electric cylinder type material testing machine is mainly composed of cylindrical gear transmission, ball screw shaft and reducer.The drive system is designed to meet the requirements after checking .Finally,I introduced some experience according to the graduation design.
Keywords: electric cylinder testing machine orsion ball screw shaft gear
第1章緒論
1.1 課題的提出
1.1.1 課題的研發(fā)背景
作為機(jī)械工程及自動化專業(yè)的本科畢業(yè)生，為了使自己能夠更快的適應(yīng)未來的工作生活，我們需要通過畢業(yè)設(shè)計來溫習(xí)四年所學(xué)到的知識，同時將自己四年所學(xué)的知識運用到社會實踐中去。畢業(yè)設(shè)計是對我們四年所學(xué)知識的檢驗，也是我們挑戰(zhàn)自己的一個新的開始。為了鍛煉和檢驗自己，在指導(dǎo)老師的引導(dǎo)之下，我選擇了1MN電動缸型萬能材料試驗機(jī)。
1.1.2 課題的意義
材料的性能決定材料的應(yīng)用范圍。通常，把測定材料機(jī)械性能的儀器和設(shè)備稱為材料試驗機(jī)。
材料試驗機(jī)是一個國家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，一個國家要想強(qiáng)大，就必須有強(qiáng)大的工業(yè)作為支柱，由于材料試驗機(jī)是工業(yè)的基礎(chǔ)部門，所以在工業(yè)和信息化發(fā)達(dá)的國家里，對于材料試驗機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)，都是非常重視的。
在各種科研實驗和工程建設(shè)上，材料試驗機(jī)是各種機(jī)械裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝置安全測試的重要設(shè)備。眾所周知，當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計時，如果強(qiáng)度不滿足，則需要增加結(jié)構(gòu)尺寸，但是盲目增加結(jié)構(gòu)尺寸會造成原材料的浪費，同時所設(shè)計的結(jié)構(gòu)不合理，會使其存在安全隱患。
國防工業(yè)是一個國家的重中之重，在軍工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的過程中，需要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，需要對所用的各種材料和機(jī)械部件的性能進(jìn)行檢測。需要在加工過程中對重要的零部件如齒輪、主軸，汽車驅(qū)動橋等進(jìn)行硬度檢測，使得材料性能等符合要求，確保產(chǎn)品的質(zhì)量。
現(xiàn)今，隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)τ谛率讲牧系囊笤絹碓礁?。例如，航天飛機(jī)的制造和研發(fā)需要一種特殊性能的材料使其能夠承受大氣層摩擦所產(chǎn)生的高溫，進(jìn)入太空所能承受的低溫以3及運行時的高速度等復(fù)雜環(huán)境條件?，F(xiàn)有的材料不能夠滿足其性能要求，故需要研制新型材料彌補(bǔ)現(xiàn)有材料的不足。例如，我國新式戰(zhàn)斗機(jī)J-20的隱形材料，在生產(chǎn)之前需要對其材料進(jìn)行反復(fù)檢驗，使其滿足要求。顯而易見，所有關(guān)于材料機(jī)械性能的測試，離開材料試驗機(jī)都是無法進(jìn)行的。
另外，由于材料試驗機(jī)所涉及的科技領(lǐng)域是范圍很廣，例如，材料試驗機(jī)的發(fā)展需要需要涉及到高溫、低溫、液壓、光學(xué)、電子等領(lǐng)域，同時需要應(yīng)用各種測試，記錄和顯示裝置。因此，材料試驗機(jī)的發(fā)展，取決于很多領(lǐng)域的發(fā)展水平。
現(xiàn)今，大多數(shù)試驗機(jī)是集機(jī)—光—電—液于一體的技術(shù)密集型高科技產(chǎn)品，其中多數(shù)產(chǎn)品屬于國家依法管理的計量儀器。廣泛應(yīng)用于機(jī)械、交通、運輸、質(zhì)檢、計量、教育、醫(yī)療等各行業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，試驗機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展日趨大型化、智能化、動靜態(tài)功能復(fù)合化。
1.2 國內(nèi)外試驗機(jī)的動態(tài)和發(fā)展趨勢
1.2.1 國內(nèi)外試驗機(jī)的動態(tài)
20世紀(jì)初，由于建筑工業(yè)和機(jī)械加工業(yè)的快速發(fā)展，促使材料的的試驗工作進(jìn)一步發(fā)展起來。隨著布氏硬度計的制成，洛氏硬度計和維氏硬度計及蠕變試驗機(jī)相繼問世。
第二次世界大戰(zhàn)后，由于航空工業(yè)的快速發(fā)展，使得新型材料的研發(fā)工作隨之發(fā)展起來。伴隨著新型材料的發(fā)展，一系列新型材料試驗機(jī)，如高溫材料試驗機(jī)，高速材料試驗機(jī)、低速材料試驗機(jī)和高頻材料試驗機(jī)等相繼出現(xiàn)，負(fù)荷測量系統(tǒng)和變形測量系統(tǒng)也有了新的發(fā)展。
20世紀(jì)50年代，電子式材料試驗機(jī)的出現(xiàn)，引起了試驗機(jī)領(lǐng)域的大改革，由于電子式試驗機(jī)相對于傳統(tǒng)試驗機(jī)有很大的優(yōu)勢，因此其很受試驗機(jī)行業(yè)的推崇，當(dāng)時的電子拉力和電子式萬能材料試驗機(jī)，在國外已經(jīng)成批生產(chǎn)并推廣使用，由于在材料試驗機(jī)的控制、測量和記錄系統(tǒng)中，廣泛采用電子技術(shù)，使得試驗機(jī)有了新的面貌。
20世紀(jì)60年代，試驗機(jī)又采用了電液伺服控制系統(tǒng)，使得材料試驗機(jī)的性能有了很大的提高。
近些年來，由于社會的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展，對金屬材料的性能提出了越來越高的要求，許多重要產(chǎn)品的零部件需要在各種復(fù)雜的情況下進(jìn)行模擬實驗。因此，材料試驗機(jī)中不斷地的采用了一些新的技術(shù)，例如電子計算機(jī)等。所有這些新型技術(shù)的應(yīng)用，不僅使材料試驗機(jī)的性能有所提高，同時也使材料試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生很大的變化。
我國的材料試驗機(jī)的發(fā)展歷程較為短暫：建國初期的材料試驗機(jī)主要是從戰(zhàn)略盟友蘇聯(lián)和捷克以及民主德國引進(jìn)的，60年代以仿制外國試驗機(jī)為主，70年代開始進(jìn)行批量生產(chǎn)，80年代進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)，90年代引進(jìn)外國先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。新中國材料料試驗機(jī)的研發(fā)是以長春材料試驗機(jī)研究所為源頭的，以此為基礎(chǔ)研發(fā)出各類型試驗機(jī)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測量儀器。由于歐美國家限制試驗機(jī)等尖端科技產(chǎn)品的出口，我國的國防工業(yè)和研究所不能直接引進(jìn)試驗機(jī)的關(guān)鍵零部件，因此，要發(fā)展中國的試驗機(jī)產(chǎn)業(yè)，就必須走自主創(chuàng)新的道路，在我國技術(shù)人員的努力攻關(guān)下，我國試驗機(jī)產(chǎn)業(yè)有了十足的發(fā)展，試驗機(jī)的技術(shù)水平與國外試驗機(jī)的技術(shù)差距正在減小。
近來，國外生產(chǎn)的一些萬能材料試驗機(jī)，由于采用了一些新型技術(shù)，材料試驗機(jī)機(jī)的應(yīng)用范圍有所擴(kuò)大。該試驗機(jī)除了能做拉壓，彎，剪切靜態(tài)試驗外，還能夠進(jìn)行蠕變和松弛試驗，，有的還能進(jìn)行動態(tài)試驗，測定材料的疲勞極限。
試驗機(jī)產(chǎn)品無論是拉力試驗機(jī)、壓力試驗機(jī)、萬能試驗機(jī)，扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)，沖擊試驗機(jī)還是疲勞試驗機(jī)，核心技術(shù)主要體現(xiàn)在測量元件。國內(nèi)外試驗機(jī)的發(fā)展動態(tài)是誰采用了新的測量元件，誰的產(chǎn)品就提升了檔次，誰就能以全新產(chǎn)品搶占市場。
1.2.2 國內(nèi)外各種試驗機(jī)的介紹
試驗機(jī)是用來進(jìn)行材料力學(xué)性能指標(biāo)測試的機(jī)械儀器，材料的質(zhì)量檢測和力學(xué)性能的測試都需要通過材料試驗機(jī)來進(jìn)行，試驗機(jī)在科學(xué)研究和各類材料試驗中是不可缺少的，材料試驗機(jī)是各類科學(xué)研究的基礎(chǔ)，離開試驗機(jī)各類科學(xué)研究與實驗都無法進(jìn)行。我國的萬能材料試驗機(jī)品種較多，分布于各類科研單位和生產(chǎn)工廠，但是我國的試驗機(jī)大多數(shù)以手動調(diào)節(jié)為主，大部分測試裝置為杠桿式測量裝置，測試設(shè)備老化。同時測試時進(jìn)給調(diào)節(jié)以手動調(diào)整為主，勞動量較大，同時實驗測量顯示裝置一般為儀表式裝置，測量設(shè)備老化，造成測量裝置測試結(jié)果不精確。如果與國際技術(shù)相接軌，采用新型傳感設(shè)備以及計算機(jī)測控系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)則能使試驗機(jī)的性能大大的提高，從而發(fā)揮出試驗機(jī)的最大機(jī)能，使其能夠更好地為科研和教學(xué)服務(wù)。本課題所研制的試驗機(jī)，采用國際上最為先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)、控制技術(shù)、電動缸、傳感技術(shù)。使得本試驗機(jī)的性能大大提高。同時應(yīng)用計算機(jī)對測試裝置所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集和處理，將所記錄的結(jié)果反映到顯示器上。本課題所設(shè)計的試驗機(jī)的前提需要掌握大量的動態(tài)信息，采用虛擬技術(shù)進(jìn)行材料試驗機(jī)的軟件設(shè)計和模擬分析，然后在機(jī)構(gòu)分析合理之后，進(jìn)行實物設(shè)計，制造出全新的材料試驗機(jī)。然而，在我國各類科研單位所使用的液壓式和機(jī)械式材料試驗機(jī)依舊很多。因此，新式試驗機(jī)的發(fā)展還需經(jīng)歷漫長的歷程。
下面對現(xiàn)今市場上的各種萬能材料試驗機(jī)作簡要的介紹：
⑴ 液壓萬能材料試驗機(jī)
傳統(tǒng)的材料試驗機(jī)是液壓式的, 它 液壓材料試驗機(jī)的液壓傳動系統(tǒng)容易發(fā)生故障，油泵和油缸等液壓驅(qū)動以及傳動裝置的損壞會造成試驗機(jī)測量結(jié)果的不精確，同時液壓試驗機(jī)的夾具較為笨重，容易發(fā)生破壞，液壓系統(tǒng)的較大故障頻率會加大儀器的維修量。同時液壓材料試驗機(jī)采用擺錘進(jìn)行力的測量，擺錘具有較大的慣性，致使測量結(jié)果不精確，同時，該種測量裝置的測量范圍較小。
⑵ 電子萬能試驗機(jī)
電子萬能材料試驗機(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)各自特長而設(shè)計而成的大型精密測試儀器，它具有高科技的特點，而且其設(shè)計方法是模塊化的。采用集散技術(shù)，有效地利用微機(jī)的功能對各種附件和功能單元進(jìn)行管理和控制，以實現(xiàn)多種功能的試驗。
電子材料試驗機(jī)由計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。材料試驗機(jī)的總體結(jié)構(gòu)包括底座、移動橫梁、電動缸及其支撐結(jié)構(gòu)、鉗口和應(yīng)變片等裝置。其中底座、動靜橫梁及支撐結(jié)構(gòu)只需滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求即可,而應(yīng)變片和試驗機(jī)的鉗口則是試驗機(jī)的關(guān)鍵測量裝置和部件。
⑶ 機(jī)械式萬能材料試驗機(jī)
基于主機(jī)架采用門式結(jié)構(gòu)，使得試驗機(jī)的造型勻稱美觀且結(jié)構(gòu)簡單、成本低。尤其配以滾珠絲杠的傳動系統(tǒng)，使得整機(jī)運行平穩(wěn)，響應(yīng)快、噪聲低、效率高。對測量系統(tǒng)，微機(jī)可以對其進(jìn)行自動調(diào)零，自動標(biāo)定、自動換檔，從而保證了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，同時大大地提高了工作效率。
1.2.3 國內(nèi)外各種試驗機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)今的萬能試驗機(jī)主要分為機(jī)械式，液壓式和電子式三種。近來電液伺服控制系統(tǒng)的萬能材料試驗機(jī)后來者居上。
機(jī)械式萬能材料試驗機(jī)的加荷裝置和測力裝置一般采用機(jī)械傳動。這種試驗機(jī)具有足夠的精度和穩(wěn)定性。但載荷承受能力被限制在一定的范圍內(nèi)，材料試驗的最大工作載荷多在10噸以下。因測力裝置的所產(chǎn)生的慣性較大，加荷速度受到一定限制。因此，國外一些知名生產(chǎn)廠廠商已經(jīng)不再生產(chǎn)該類型材料試驗機(jī)。
液壓式萬能材料試驗機(jī)，利用液壓傳動裝置進(jìn)行加荷。加荷范圍一般為10-200噸之間。最大負(fù)荷能高達(dá)5500噸。與機(jī)械式萬能材料試驗機(jī)相比，其加載負(fù)荷較大，且加荷速度可自由調(diào)節(jié)。
近些年來，各國都在大力發(fā)展電子式萬能材料試驗機(jī)。這是一種將電子技術(shù)應(yīng)用于試驗機(jī)負(fù)荷系統(tǒng)與變形系統(tǒng)中，能夠精確地進(jìn)行測量和記錄的新型材料試驗機(jī)。
1.3 電動缸的發(fā)展及應(yīng)用
1.3.1 電動缸的發(fā)展及應(yīng)用
電動缸是將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的一種裝置，是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度直線運動的全新革命性產(chǎn)品。
隨著工廠自動化的要求越來越高，電動缸應(yīng)用越來越廣。電動缸能夠把電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，是一種響應(yīng)高、壽命長的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前在鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用，主要用于原料碼頭、原料場、燒結(jié)廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠等工作場所的卸料、卸煤、卸礦、卸灰、皮帶運輸機(jī)、除塵器等設(shè)備上。和其他裝置上采用液壓或氣壓作為驅(qū)動源的系統(tǒng)相比，電動缸直接由電動機(jī)進(jìn)行控制，不再需要油、氣等傳遞動力，可以避免因漏油、漏氣致使系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)傳動不準(zhǔn)確、使用不方便，所以電動控制系統(tǒng)比液壓系統(tǒng)具有更為優(yōu)越的控制特性，由于滾珠絲杠的成功運用使得電動缸裝置電具有更高的機(jī)械剛性，同時相對于其他裝置具有更長的使用壽命和更高的抗沖擊能力。具有很高傳動效率的的滾珠絲桿傳動裝置適合做精確的定位和長距離的往復(fù)運動，適合大軸向載荷的往復(fù)運動，同時滾珠絲杠傳動副具有更高的可靠性和更長的使用壽命。
1.3.2 電動缸的性能特點
電動缸具有著獨特的性能特點，相比于液壓和氣壓系統(tǒng)有明顯的優(yōu)越性。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
⑴ 定位精確。如果采用伺服電動機(jī)作為驅(qū)動裝置，伺服控制系統(tǒng)精度高，它與高精度的傳動件配合可以使電動缸的控制精度得到大大的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)0.01mm左右的精確定位。
⑵ 傳動效率高。如果采用滾珠絲桿副作為傳動件以實現(xiàn)直線的往復(fù)運動，減少往復(fù)運動時所產(chǎn)生的摩擦，傳動效率可達(dá)90%以上，比液壓傳動系統(tǒng)的傳動效率高出大約15%左右。
⑶ 運動響應(yīng)快。 直線的運動速度范圍可達(dá)到55mm/s ,而液壓缸只能達(dá)到35mm/s。
⑷ 承載范圍廣?？梢詫崿F(xiàn)從幾十公斤到上百噸的承載范圍。
⑸ 使用壽命長，如果采用滾珠絲桿等高精度傳動件，在減少摩擦的同時也可以提高電動缸的使用壽命。
⑹ 結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用空間。電動缸是一種非標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品，可以按照所使用的環(huán)境充分考慮空間而進(jìn)行設(shè)計。
⑺ 環(huán)境適用能力強(qiáng)?？梢栽诟稍?、高溫、風(fēng)雨等惡劣環(huán)境下適用，不同液壓和氣壓系統(tǒng)要充分考慮環(huán)境等因素。
1.4 課題的研究內(nèi)容及重點和難點
1.4.1 課題的研究內(nèi)容
本課題研究設(shè)計的一種電動缸型萬能試驗機(jī)，由于電動缸機(jī)構(gòu)可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計，同時電動缸機(jī)構(gòu)具有定位精度高、傳動效率高、運動響應(yīng)快、承載能力大等優(yōu)點，可以取代以往蝸輪蝸桿以及滾珠絲杠等傳動方式。同時以往的萬能材料試驗機(jī)不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗，只能進(jìn)行壓縮、拉伸、彎曲的實驗。本課題設(shè)計的新型萬能試驗機(jī)是通過電動缸機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，同時加入對試樣的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用傳感器對試樣軸向變形、徑向變形、扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行測量，通過計算機(jī)裝置顯示出實驗結(jié)果，創(chuàng)造出一種新型電動缸型萬能試驗機(jī)。本課題中為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度加入現(xiàn)代技術(shù)使該試驗機(jī)成為既可靠又有技術(shù)含量的現(xiàn)代產(chǎn)品，其中新的思想很重要，但完全脫離現(xiàn)有產(chǎn)品也是不切實際的，要把握一個度的問題。
1.4.2 課題的重點和難點
傳動系統(tǒng)的設(shè)計及計算；試驗機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及參數(shù)計算；
⑴ 橫梁的剛度及聯(lián)桿的剛度
如果過高的要求橫梁及聯(lián)桿的剛度，則會造成材料的浪費，造成成本增加。只有在進(jìn)行撓性測試時橫梁的剛度才會顯得極為重要。在試驗機(jī)進(jìn)行加載試驗時，聯(lián)桿的剛度和強(qiáng)度必須滿足要求，同時設(shè)計之后要對其剛度和強(qiáng)度機(jī)型校核，剛度不滿足則會影響實驗的精確性，而強(qiáng)度不滿足則會對危害人機(jī)安全，因此，在設(shè)計橫梁和聯(lián)桿時，必須對其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。
⑵ 電動缸傳動系統(tǒng)的設(shè)計
電動缸的結(jié)構(gòu)相對簡單，主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、減速裝置、直線傳動機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等四大部分。電動缸的設(shè)計方案是多種多樣的，最重要的是設(shè)計一個滿足功能要求、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、環(huán)保并且管理維護(hù)方便的電動缸。
⑶ 測力系統(tǒng)
測力系統(tǒng)必須精確而且要求重復(fù)精度較高，精確度保持在0.5%-0.01%范圍內(nèi)。
⑷ 應(yīng)變測量系統(tǒng)
對于一臺試驗機(jī)的評價的好壞，最為直接的觀察是在試驗機(jī)進(jìn)行試驗時其所測得的數(shù)據(jù)，所測得的數(shù)據(jù)最為能反映實驗機(jī)的功用特性和其性能指標(biāo)，一臺試驗機(jī)的應(yīng)變測量系統(tǒng)需要符合所制定試驗機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，從而避免精度過低不能滿足使用要求或是精度要求過高造成成本浪費。
⑸ 扭轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計安裝
扭轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計前提是保證立柱不受扭矩的影響，從而保證測量結(jié)果精確。
⑹ 底座的設(shè)計
試驗機(jī)的底座需保證具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時保證結(jié)構(gòu)合理，在保證滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)約材料，從而降低成本。
萬能材料試驗機(jī)總共由五部分組成，即主機(jī)，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)動機(jī)構(gòu)（用以實現(xiàn)粗加載的傳動系統(tǒng)），控制器，工作儀表等。
如下圖所示，為所設(shè)計萬能材料試驗機(jī)的的總體結(jié)構(gòu)：
圖1-1 材料試驗機(jī)總體結(jié)構(gòu)
萬能材料試驗機(jī)總共由五部分組成，即主機(jī)，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)動機(jī)構(gòu)（用以實現(xiàn)粗加載的傳動系統(tǒng)），控制器，工作儀表等。
第2章 萬能材料試驗機(jī)總體設(shè)計
2.1 萬能材料試驗機(jī)加載方式比較
現(xiàn)今，萬能材料試驗機(jī)的加載方式主要有機(jī)械式和液壓式，他們各有優(yōu)缺點，下面比較一下兩種加載方式：
優(yōu)缺點
加載方式
機(jī)械式
液壓式
優(yōu)點
1. 易于實現(xiàn)且容易實現(xiàn)自動控制
2. 無污染
1. 手動操作容易
2. 能夠?qū)崿F(xiàn)較大的力，加荷速度可以自由調(diào)節(jié)
缺點
大載荷難于實現(xiàn)，一般僅適用于小于1000kN的力
難以實現(xiàn)自動控制，小距離操作難以實現(xiàn)，且容易對環(huán)境造成污染
表2-1：加載方式優(yōu)缺點比較
本課題所設(shè)計的的載荷規(guī)格為1MN，且能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制，故以上兩種加載方式均不滿足，因此需選用一種全新的加載方式，利用電動缸進(jìn)行加載，電動缸加載方式具有傳動效率高、運動響應(yīng)快、承載范圍廣、環(huán)境適用能力強(qiáng)、定位精確等優(yōu)點，在滿足載荷要求的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行自動控制，且傳動效率高，故本課題采用電動缸加載。
2.2 傳動方式
本課題所設(shè)計的萬能材料試驗機(jī)采用電動缸進(jìn)行加載，故試驗機(jī)的主要傳動機(jī)構(gòu)位于電動缸中，電動缸可以依據(jù)不同的載荷要求自行設(shè)計，電動缸的主要傳動為螺旋傳動和齒輪傳動，螺旋傳動采用滾珠絲杠副傳動，滾珠絲杠副采用墊片式消隙和預(yù)緊方式，可通過調(diào)整預(yù)緊力來改變其松緊程度，以便使絲杠能夠正常運行。齒輪傳動采用一級圓柱齒輪減速，將減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速降到絲杠所需要的額定轉(zhuǎn)速。
2.3 總體結(jié)構(gòu)
萬能材料試驗機(jī)的傳動系統(tǒng)圖以及電動缸原理圖如圖所示
1-筒形推桿 2-滾珠絲杠副 3-裝置下部分總為電動缸
圖2-1 材料試驗機(jī)傳動系統(tǒng)圖
萬能材料試驗機(jī)采用電動缸進(jìn)行加載，電動缸采用伺服電機(jī)驅(qū)動，伺服電機(jī)連接減速機(jī)進(jìn)行降速同時增大扭矩，減速機(jī)通過一級圓柱齒輪減速與滾珠絲杠連接，通過驅(qū)動滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，與絲杠連接的絲杠螺母推動移動橫梁進(jìn)行縱向進(jìn)給，同時扭轉(zhuǎn)電機(jī)帶動減速機(jī)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗。
電動缸原理圖如下圖所示：
電動缸的主要結(jié)構(gòu)為：圓筒形推桿、滾珠絲杠螺母副、齒輪、減速機(jī)、伺服電機(jī)、底座、齒輪箱等。滾珠螺母與筒形推桿相聯(lián)結(jié), 套在滾珠絲杠之上, 由于滾珠絲杠的正反轉(zhuǎn), 使得滾珠螺母和筒形推桿作直線往復(fù)運動。本課題中所設(shè)計的電動缸由于采用滾動螺旋副，摩擦力很小,且機(jī)械效率高,節(jié)省電能, 結(jié)構(gòu)就小巧。為了保證絲杠的定位精度，本課題除了考慮絲杠剛度和強(qiáng)度外，還應(yīng)該在結(jié)構(gòu)的整體布局上盡可能使用螺母和絲杠承受同樣的拉和壓，以使兩者在軸向變形方向上一致，從而減少螺母與絲杠之間的變形量之差。由于滾珠絲杠副不能自鎖, 所以本電動缸采用了制動電機(jī), 以防止電機(jī)停機(jī)時發(fā)生逆轉(zhuǎn)。制動電機(jī)是由伺服電動機(jī)和電磁摩擦制動裝置兩部分構(gòu)成。當(dāng)電源接通后, 制動器所產(chǎn)生的電磁吸力克服彈簧的作用力, 使摩擦部分脫離, 于是電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)電源切后, 電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場和制動器的電磁吸力便同時消失。電磁鐵在彈簧力的作用下便產(chǎn)生摩擦制動力矩, 電機(jī)在0.15s-0.5s的極短的時間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動。本試驗機(jī)是采用垂直方向安裝的滾珠絲杠進(jìn)行傳動，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫落以致發(fā)生事故，因此，在課題設(shè)計時采用限位擋塊以保證其安全運行。
1 筒形推桿 2 滾珠絲杠 3 滾珠螺母 4 減速齒輪 5減速機(jī)底座
圖2-2 電動缸傳動原理圖
萬能材料試驗機(jī)的主體部分是它的主體結(jié)構(gòu)，所占用的空間與工作空間以及試驗場地等有著密切的聯(lián)系，因此，在進(jìn)行主機(jī)設(shè)計時，要充分考慮其體積和其占用的空間，同時需要滿足安裝和運輸?shù)姆奖阈?。本試驗機(jī)采用脂潤滑。因此應(yīng)保證在一定的情況下進(jìn)行脂潤滑，以保證機(jī)器運行良好，同時在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)同時進(jìn)行軸承預(yù)緊，如果不進(jìn)行預(yù)緊，則機(jī)構(gòu)容易松動從而引起振動。綜上，在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮各種因素對試驗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。
第3章 運動動力設(shè)計與校核
3.1 滾珠絲杠副的運動動力設(shè)計計算
滾珠絲杠副是絲杠和螺母的滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋之間產(chǎn)生滾動摩擦。它的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為直線運動。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠體沿著螺紋滾到移動，螺母的槽兩端裝有回程裝置，滾珠通過此裝置自動返回入口，滾珠絲杠副如下圖所示：
圖3-1 滾珠絲杠副
為提高滾珠絲杠副傳動的定位精度、重復(fù)定位精度及軸向剛度，絲杠和螺母之間需要進(jìn)行預(yù)緊，采用墊片式預(yù)緊，預(yù)緊力一般為最大軸向載荷的1/3。
滾珠絲杠副的承載能力取決于它的抗疲勞能力，因此選擇滾珠絲杠的型號前需按壽命條件和額定動載荷和校驗其基本參數(shù)，由于試驗機(jī)工進(jìn)時，轉(zhuǎn)速很低，因此可僅按額定靜載荷確定和校核其尺寸。同時檢驗載荷是否超過額定靜載荷，絲杠的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性也需要進(jìn)行驗證校核。
采用外循環(huán)，墊片式預(yù)緊。
接觸角= 比值
滾道圓弧偏心距
滾珠絲杠副最大工作載荷為1MN，最大動載荷
式中： —最大動載荷
—滾珠絲杠副的壽命
—硬度系數(shù) 查表得
—載荷系數(shù) 查表得
式中： 單位r
設(shè) n 為絲杠每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)
橫梁移動速度 選取
絲杠轉(zhuǎn)速
則
則
3.1.1 靜載荷的計算
當(dāng)時，滾珠絲杠副承受工作載荷可按靜載荷確定和用靜載荷校核滾珠絲杠的尺寸。
(3.1)
其中： — 載荷系數(shù) 查表得 ,取
— 靜載荷硬度影響系數(shù) 查表得
— 絲杠載荷加20%的余量
由公式（3.1）計算得：
初選滾珠絲杠的型號：
由于 ，同時靜載荷要求
根據(jù)額定動載荷及額定靜載荷，初選滾珠絲杠副的規(guī)格型號和有關(guān)參數(shù)。（選取時應(yīng)該注意公稱直徑和導(dǎo)程盡量首選優(yōu)先組合。）
選取型滾珠絲杠副，其基本參數(shù)如下：
公稱直徑 導(dǎo)程
回路數(shù)（圈數(shù)列數(shù)） 2.53
鋼球直徑
剛度
3.1.2 絲杠傳動效率計算
滾珠絲杠副的傳動效率一般在0.8-0.9之間，可由下式進(jìn)行計算：
（3.2）
其中： — 絲杠的螺旋升角，由進(jìn)行計算。
— 摩擦角，一般取為。
計算絲杠的螺旋升角：
則：
3.1.3 絲杠剛度校核
⑴ 滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量，在總變形量中所占有的比例較大，可由下式進(jìn)行計算：
（3.3）
式中： — 絲杠的最大工作載荷。
— 絲杠兩端支撐間的距離，單位為mm，取=1400mm。
— 絲杠材料的彈性模量。鋼的彈性模量
— 絲杠按底徑確定的截面積。單位為。
— 轉(zhuǎn)矩 單位為
— 絲杠按底徑確定的截面慣性矩
單位為
經(jīng)過計算得：
由于較小，可以忽略不計。
代入公式（3.3）得：
⑵ 滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形量，可從產(chǎn)品型號中選擇出來。
無預(yù)緊時
有預(yù)緊時
— 滾珠的直徑。 單位為 mm。
— 滾珠的總數(shù)量
— 單圈滾珠數(shù) — 預(yù)緊力 單位
當(dāng)滾珠絲杠螺母副有預(yù)緊時，而且預(yù)緊力到達(dá)軸向工作載荷時，的值可以減小一半。
滾珠
（單圈滾珠數(shù)）
代入公式得
當(dāng)進(jìn)行軸向預(yù)緊時，軸向的預(yù)緊力
滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形為：
絲杠的總變形量
一般滾珠絲桿的總變形量不應(yīng)該大于機(jī)器所規(guī)定的定位精度的一半，也可以由絲杠精度等級查出其基準(zhǔn)長度的行程偏差 ，則
故 。
絲杠剛度符合要求。
3.1.4 絲杠強(qiáng)度校核
絲杠轉(zhuǎn)矩計算：
（3.4）
— 當(dāng)量摩擦角
— 絲杠公稱直徑
— 絲杠螺旋升角 且
由公式（3.4）計算得
采用墊片式預(yù)緊，因此絲杠進(jìn)行預(yù)緊時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也需要進(jìn)行計算，預(yù)緊力是最大軸向力的1/3，則
滾珠絲杠總轉(zhuǎn)矩：
當(dāng)量應(yīng)力：
— 滾珠絲杠螺紋底徑 單位mm
查表得：
根據(jù)強(qiáng)度條件得出：
則滾珠絲杠滿足強(qiáng)度要求。
3.1.5 絲杠穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠屬于承受軸向力的細(xì)長桿，如果軸向負(fù)載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷應(yīng)滿足：
（3.5）
— 臨界載荷，單位為。 — 絲杠支撐系數(shù)，
— 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.5- 4，垂直安裝時取最
小值，取
— 絲杠兩端支承間的距離，單位為mm，取
故滿足要求。
3.1.6 絲杠的傳動功率
滾珠絲杠由轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿樱?
滾珠絲杠的驅(qū)動功率：
故滾珠絲杠的驅(qū)動功率為
3.1.7 滾珠絲杠的幾何參數(shù)
滾珠絲杠的公稱直徑及外徑和底徑及螺旋升角等如下圖所示：
公稱直徑 導(dǎo)程
圖3-2 滾珠絲杠副螺旋升角及導(dǎo)程
圖3-3 滾珠絲杠副徑向尺寸
螺旋升角 滾珠直徑
額定靜載荷
滾道圓弧偏心距
螺紋滾道曲率半徑
滾珠絲杠的螺紋底徑
滾珠絲杠螺紋大徑
滾珠絲杠螺紋螺紋長度由其所在的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行確定
滾珠絲杠軸頸根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定
滾珠螺母的螺紋底徑
滾珠螺母的螺紋小徑
滾珠螺母外徑 滾珠螺母全長
每圈中的鋼球數(shù)
工作中滾珠螺母中的滾珠總數(shù)
滾珠絲杠副在課程設(shè)計中應(yīng)注意如下問題：
⑴ 受力合理
為了保證絲杠的定位精度，本課題除了考慮絲杠剛度和強(qiáng)度外，還應(yīng)該在結(jié)構(gòu)的整體布局上盡可能使用螺母和絲杠承受同樣的拉和壓，以使兩者在軸向變形方向上一致，從而減少螺母與絲杠之間的變形量之差。此外，滾珠螺旋傳動應(yīng)盡量避免徑向的載荷，避免使絲杠產(chǎn)生撓度，絲杠上的齒輪是產(chǎn)生徑向載荷的零件，應(yīng)該使其盡可能的靠近絲杠徑向的軸承端。除此之外，要盡可能的減少絲杠，螺母所受到的傾覆力矩，盡量使部件所受到的移動阻力的合力在絲杠的軸線上。由于本試驗機(jī)采用的是電動缸內(nèi)單絲杠，故其阻力一定通過絲杠的中心線，同時要確保立柱、徑橫梁以及底座加工的尺寸精度。
⑵ 防止絲杠逆轉(zhuǎn)
滾珠絲杠傳動的反向行程不能自鎖，為了使用滾動螺旋傳動受到軸向力后不產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)，在此試驗機(jī)中采用了制動電機(jī)，該制動電機(jī)通過電磁摩擦制動裝置防止絲杠逆轉(zhuǎn)。
⑶ 安全裝置
本試驗機(jī)是采用垂直方向安裝的滾珠絲杠進(jìn)行傳動，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫落以致發(fā)生事故，因此，在課題設(shè)計時采用限位擋塊以保證其安全運行。
⑷ 密封與潤滑
為了防止灰塵和污物物進(jìn)入螺紋滾道，以致妨礙鋼球在螺母副中運轉(zhuǎn)的流暢性，同時加快鋼球與滾道之間的磨損，設(shè)計中一定采取防護(hù)措施，進(jìn)行密封。此試驗機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點采用上端防塵罩密封以及低端利用端蓋密封底座。由于絲杠轉(zhuǎn)速較慢，試驗機(jī)裝置采用高粘度潤滑劑進(jìn)行脂潤滑。
3.2 伺服電機(jī)及減速機(jī)的選擇
3.2.1 減速機(jī)的選型
⑴ 電動缸所用伺服減速機(jī)選型
橫梁滿載時的最大移動速度為，實驗中所需施加的外力為，滿載時絲杠的總轉(zhuǎn)矩為：
且絲杠的轉(zhuǎn)速為：
由式
由此選取上海楓信傳動有限公司生產(chǎn)的KN系列減速機(jī)KN280
額定輸出轉(zhuǎn)矩
最大輸出轉(zhuǎn)矩
額定輸入轉(zhuǎn)數(shù) 最大輸入轉(zhuǎn)數(shù)
效率 90% 重量 142kg 環(huán)境溫度
負(fù)載類型 （小時次數(shù)，使用系數(shù))
計算得：
減速機(jī)設(shè)計尺寸：
圖3-4 KL280減速機(jī)示意圖
⑵ 扭轉(zhuǎn)所用伺服減速機(jī)選型
進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗時，所施加的最大扭矩為，最大回轉(zhuǎn)角為。
所選試驗機(jī)扭轉(zhuǎn)夾頭轉(zhuǎn)速為，即 ，。
扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)所需功率
由此選取上海楓信傳動有限公司生產(chǎn)的KBR系列減速機(jī)KBR90
額定輸出轉(zhuǎn)矩 傳動比
最大輸出轉(zhuǎn)矩
額定輸入轉(zhuǎn)數(shù) 最大輸入轉(zhuǎn)數(shù)
效率 90% 重量 125kg 環(huán)境溫度
負(fù)載類型 （小時次數(shù)，使用系數(shù))
減速機(jī)設(shè)計尺寸：
圖3-5 KBR90減速機(jī)示意圖
3.2.2 伺服電動機(jī)的選型
根據(jù)裝置所選用的減速機(jī)計算并選擇伺服電動機(jī)，故選擇施耐德電氣公司所生產(chǎn)的伺服電動機(jī)。
所選電動機(jī)的參數(shù)如下表：
絲杠伺服電機(jī)：
型號
電壓
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)速
最大速度
頻率
4FC018E
380v
18.5KW
61.4Nm
3000r/min
5000r/min
50HZ
表3-1 絲杠伺服電機(jī)參數(shù)
型號
電壓
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)速
最大速度
慣量
BCH1303M
380v
0.9KW
8.59Nm
2000r/min
1000r/min
11.18
表3-2 扭轉(zhuǎn)伺服電機(jī)參數(shù)
3.3 各軸功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的計算
工進(jìn)時，絲杠軸的轉(zhuǎn)速為，功率，轉(zhuǎn)矩。
則齒輪1軸轉(zhuǎn)速
功率在傳遞的過程中存在功率損失，滾珠絲杠的傳遞效率為0.956，圓柱齒輪的傳遞效率為0.96，其他聯(lián)結(jié)部分的傳遞效率為0.9。故：
所以1軸功率
1軸轉(zhuǎn)矩
3.4 齒輪傳動的設(shè)計計算
本課題采用閉式單級直齒圓柱齒輪進(jìn)行傳動，小齒輪輸入功率,
轉(zhuǎn)速，傳動比為i=2.4，原動機(jī)輕微振動，工作機(jī)載荷均勻平穩(wěn)，額定工作使用壽命為10000小時。
3.4.1 選擇齒輪的材料，熱處理方式，精度等級和齒輪齒數(shù)
考慮到齒輪傳遞的功率較大，且使用壽命較長，查表得，選大、小齒輪的材料選用40鋼，表面進(jìn)行淬火處理，齒面硬度為HRC，熱處理質(zhì)量級別 Q=ML，而且齒面嚙合類型為硬齒面，大齒輪和小齒輪結(jié)構(gòu)的布置形式均為對稱布置，大小齒輪的精度均選為7級精度。
選小齒輪齒數(shù)，
取，傳動比
3.4.2 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計
閉式硬齒面齒輪傳動，承載能力一般取決于彎曲疲勞強(qiáng)度，因此先按照彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，驗算接觸強(qiáng)度。由公式得
（3.6）
確定式中所給出的各項的數(shù)值
因為實驗中的載荷為均勻平穩(wěn)，查機(jī)械設(shè)計表6-3查得,因此初選載荷系數(shù)為。
式中： — 端面重合度 — 分度圓螺旋角，對直齒輪，。
將，代入上式中，計算端面重合度；
式中： — 重合度系數(shù) 將代入式中；
有手冊中表6-6，選取 ；
式中： — 齒寬系數(shù)
由手冊圖6-19、6-20查得
式中： — 齒形系數(shù) — 應(yīng)力修正系數(shù)
（3.7）
式中：N — 齒輪工作應(yīng)力的循環(huán)次數(shù) n — 齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；
J — 齒輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)同一齒面嚙合的次數(shù)；
— 齒輪的工作壽命，單位為h；
代入式中計算得：
由手冊圖6-21查得，，
式中： — 彎曲強(qiáng)度的壽命系數(shù)
取
由手冊中圖6-22d按齒面硬度均值為51HRC，在ML線上查得
式中 — 齒輪的彎曲疲勞極限
取 ，設(shè)計齒輪模數(shù)；
將所確定的各項數(shù)值代入（3.6）設(shè)計公式，求得：
修正：
由手冊圖6-7查得；
由手冊圖6-10查得；
由手冊表6-4查得；
式中： — 動載系數(shù)
— 齒向載荷分布系數(shù)
— 齒向載荷分配系數(shù)
則
由手冊表6-1，選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 。
+齒輪的主要的幾何尺寸：
；
；
；
；取
3.4.3 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
（3.8）
由設(shè)計手冊查得；
由設(shè)計手冊查得；
由設(shè)計手冊查得；
由設(shè)計手冊，按不允許出現(xiàn)點蝕，查得；
由設(shè)計手冊，按齒面硬度均值51HRC，在MQ和ML線中間查出
；
取；
將確定出的各項數(shù)值代入接觸強(qiáng)度校核公式，得
接觸強(qiáng)度滿足。
3.4.4 齒輪精度設(shè)計
按齒輪選擇7級精度，查課程設(shè)計手冊齒輪公差表得
齒輪1齒距累積公差 Fp1=0.07129
齒輪1齒圈徑向跳動公差 Fr1=0.05004
齒輪1公法線長度變動公差 Fw1=0.03648
齒輪1齒距極限偏差 fpt(±)1=0.01795
齒輪1齒形公差 ff1=0.01445
齒輪1一齒切向綜合公差 fi'1=0.01944
齒輪1一齒徑向綜合公差 fi''1=0.02538
齒輪1齒向公差 Fβ1=0.01782
齒輪1切向綜合公差 Fi'1=0.08574
齒輪1徑向綜合公差 Fi''1=0.07006
齒輪1基節(jié)極限偏差 fpb(±)1=0.01687
齒輪1螺旋線波度公差 ffβ1=0.01944
齒輪1軸向齒距極限偏差 Fpx(±)1=0.01782
齒輪1齒向公差 Fb1=0.01782
齒輪1x方向軸向平行度公差 fx1=0.01782
齒輪1y方向軸向平行度公差 fy1=0.00891
齒輪1齒厚上偏差 Eup1=-0.07180
齒輪1齒厚下偏差 Edn1=-0.28720
齒輪2齒距累積公差 Fp2=0.10566
齒輪2齒圈徑向跳動公差 Fr2=0.06518
齒輪2公法線長度變動公差 Fw2=0.04591
齒輪2齒距極限偏差 fpt(±)2=0.01969
齒輪2齒形公差 ff2=0.01790
齒輪2一齒切向綜合公差 fi'2=0.02255
齒輪2一齒徑向綜合公差 fi''2=0.02779
齒輪2齒向公差 Fβ2=0.00630
齒輪2切向綜合公差 Fi'2=0.12356
齒輪2徑向綜合公差 Fi''2=0.09125
齒輪2基節(jié)極限偏差 fpb(±)2=0.01850
齒輪2螺旋線波度公差 ffβ2=0.02255
齒輪2軸向齒距極限偏差 Fpx(±)2=0.00630
齒輪2齒向公差 Fb2=0.00630
齒輪2x方向軸向平行度公差 fx2=0.00630
齒輪2y方向軸向平行度公差 fy2=0.00315
齒輪2齒厚上偏差 Eup2=-0.07875
齒輪2齒厚下偏差 Edn2=-0.31501
中心距極限偏差 fa(±)=0.04139
如下圖所示為齒輪設(shè)計：
圖3-6 大齒輪
3.5 支撐滾珠絲杠的軸承的選擇及校核
對于轉(zhuǎn)速很低的軸承（n< 10r/min）一般不會出現(xiàn)疲勞點蝕，但是在很大的靜載荷和沖擊載荷的作用下會使?jié)L動體內(nèi)外圓滾道接觸處出現(xiàn)不均勻的塑性變形，從而使軸承在運動運動過程中產(chǎn)生劇烈振動和噪聲致使軸承不能正常工作，對于試驗機(jī)重載、低速，針對塑性變形，進(jìn)行靜強(qiáng)度計算。
滾珠絲杠多采用滾動軸承進(jìn)行支撐，由于其既承受軸向力，同時又承受徑向力，故采用兩套深溝球軸承和推力球軸承的組合，該組合設(shè)計常用于轉(zhuǎn)速很低的立軸。
圖3-7 軸承組合設(shè)計
3.5.1 推力球軸承的選擇及校核
對于推力球軸承，所受的軸向當(dāng)量載荷按下式進(jìn)行計算：
（3.9）
式中： — 軸承所受的軸向載荷
— 軸承所受的徑向載荷
由于， 則；
基本額定靜載荷指的是受到載荷載荷最大的滾動體與滾到接觸中心處所引起的接觸應(yīng)力達(dá)到一定值的載荷，用表示，基本額定靜載荷是用來限制軸承發(fā)生塑性變形的極限載荷，對于推力球軸承指的是中心軸向靜載荷（），依據(jù)基本額定靜載荷選擇軸承的公式為：
（3.10）
式中： — 基本額定靜載荷，單位為N；
— 當(dāng)量靜載荷，單位為N；
— 靜強(qiáng)度安全系數(shù)，選??；
計算得：
推力球軸承壽命的計算：
— 壽命系數(shù)；
計算得：
選擇軸承的型號為51234
圖3-8 推力球軸承
基本尺寸/mm
安裝尺寸/mm
其他尺寸/mm
額定靜載荷
170
240
55
198
212
1.5
173
237
1.5
915
表3-3 推力球軸承參數(shù)
附： 軸向當(dāng)量動載荷 軸向當(dāng)量靜載荷
軸向最小載荷
3.5.2 深溝球軸承的選擇及校核
深溝球軸承徑向當(dāng)量靜載荷取
（可忽略） （3.11）
則：
基本尺寸/mm
安裝尺寸/mm
其他尺寸/mm
額定靜載荷
160
290
48
174
276
2.5
203
246.9
1.5
218
表3-4 深溝球軸承參數(shù)
圖3-9 深溝球軸承
3.6 絲杠軸的設(shè)計及校核
3.6.1 絲杠軸的基本參數(shù)
滾珠絲杠副的基本尺寸，扭轉(zhuǎn)電機(jī)扭轉(zhuǎn)時，滾珠絲杠所受到的轉(zhuǎn)矩為，故所產(chǎn)生的功率為
所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為
式中： — 軸的抗扭截面系數(shù)
3.6.2 選擇軸的材料
軸的材料選用 （，，A的取值為）
絲杠軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其
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