1、中國計量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告學(xué)生姓名： 丁建斌 學(xué) 號： 1230117131 專 業(yè)： 機械電子工程專業(yè) 班 級： 機電121 設(shè)計（論文）題目： 萬能材料試驗機CAD 指導(dǎo)教師： 系 ： 機電工程系 2016年 3月 22 日萬能材料試驗機CAD1.1.11第1章 概述1.1課題的提出1.1. 1.1.1課題產(chǎn)生的背景作為機械電子工程本科畢業(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(shè)計這一環(huán)節(jié)初步地將自己在大學(xué)四年中所學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用到實踐中去。所以在指導(dǎo)老師的引導(dǎo)之下，我選擇了萬能材料試驗機設(shè)計這個題目。1.2. 1.1.2 課題的意義通常,

2、把測定材料機械性能的儀器和設(shè)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(xué)性能）的儀器和設(shè)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(chǔ)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(shè)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(shè)計與安全運行的重要測試設(shè)備。因為，為了既經(jīng)濟又安全可靠地從事各種工程設(shè)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(dǎo)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

3、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(xué)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(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(shè)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

4、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(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(xué)技術(shù)領(lǐng)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(fù)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(yīng)用

5、，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(yīng)用了一些新技術(shù)，試驗機的性能有所提高，應(yīng)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

6、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(yīng)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(yīng)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。1.3. 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(xué)性能指標測定的設(shè)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(xué)研究和教學(xué)試驗中都需要應(yīng)用試驗機來進行力學(xué)性能測試。而其中在靜態(tài)

7、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(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)性能及使用價值，更好地為材料研究、質(zhì)量控制和實驗教學(xué)服務(wù)。 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(yīng)用于靜態(tài)試驗機，來實現(xiàn)力學(xué)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(chǔ)上，采用虛擬

8、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(shè)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(yīng)力、應(yīng)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

9、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(shè)計成的大型精密測試儀器，它具有高科技特點，其設(shè)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

10、機可完成試驗階段的設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)力分析技術(shù)通過電阻、電橋、應(yīng)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

11、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(yīng)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(yīng)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

12、置和材料延伸率, 精度達到±011m, 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s、彈性模量E、硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r等參數(shù)。事實上, 多功能材料試驗機、萬能材料試驗機等, 其實驗原理與當(dāng)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。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(shè)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(xué)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(shè)計圖冊，成大先 編，化學(xué)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