摘要汽車保險杠是汽車上一種常見并且重要的部件，在車輛發生碰撞時，保險桿能夠有效減輕駕駛員的受傷程度。因其在制造的過程中，保險杠的強度可能會因為各種原因導致強度滿足不了行業要求，所以要對其進行強度檢測。保險杠靜強度試驗臺，是基于傳感器的一個檢測系統，是利用控制移動機構來實現傳感器的相對移動從而完成檢測目的，整個檢測系統的工作原理是通過X-Y工作臺移動傳感器，在移動到指定的位置后，傳感器開始工作，再由電腦對力和變形進行數據處理，最后計算出靜強度。所以為了滿足要求，其主要的設計工作包含以下幾個方面：1.設計總體方案的確定，要確保具體的思路以及工作流程，在此基礎上要翻閱國內外關于保險杠靜強度實驗臺的書籍，并結合客戶的使用標準和使用現場加以分析，來確定該設備設計的總體方案。2.完成該設備機械工裝部分的設計，主要從三個方向的移動進行詳細的設計。3.外構件的選型，必須要結合該設備的工作使用要求，來進行選擇。4.電動部分的設計，主要是指步進電動機選型的計算和伺服電機的選用，因為伺服電機是用脈沖時間的多少來決定轉動幅度，并且運行十分流暢，而且在速度較小的時候也不會發生振動，所以采用伺服電機是合理的。當運動不要求特別高時候，為了降低生產成本，可以將伺服電動機改為步進電動機，比如X和Y方向的移動都是選擇步進電動機。關鍵詞保險杠、靜強度、傳感器、電動機abstractCarbumpersareacommonandimportantpartofacar.Whenavehiclecollides,thebumpercaneffectivelyreducethedriver'sinjury.Becauseofthestrengthofthebumperduringthemanufacturingprocess,thestrengthmaynotmeettherequirementsoftheindustryforvariousreasons,soitisnecessarytocheckthestrength.Thebumperstaticstrengthtestbenchisasensor-baseddetectionsystemthatusesthecontrolmovingmechanismtorealizetherelativemovementofthesensortocompletethedetectionpurpose.ThewholedetectionsystemworksbymovingthesensorthroughtheXYtableandmovingtothedesignatedAftertheposition,thesensorstartstowork,andthenthecomputerprocessestheforceanddeformation,andfinallycalculatesthestaticintensity.Soinordertomeettherequirements,itsmaindesignworkincludesthefollowingaspects:1.Todeterminetheoveralldesignofthedesign,toensurethespecificideasandworkprocesses,onthisbasis,wemustreadthedomesticandforeignbooksonthestaticstrengthofthebumper,andcombinethecustomer'susestandardsandtheuseofthesitetoanalyzetodeterminetheequipmentdesign.Theoverallplan.2.Completethedesignofthemechanicaltoolingpartoftheequipment,andcarryoutdetaileddesignmainlyfromthemovementinthreedirections.3.Theselectionofexternalcomponentsmustbecombinedwiththeworkingrequirementsoftheequipment.4.Thedesignoftheelectricpartmainlyreferstothecalculationoftheselectionofthesteppingmotorandtheselectionoftheservomotor,becausetheservomotorcontrolstherotationanglebycontrollingthelengthofthepulsetime,andtheoperationisverystable,evenatlowspeed.Vibrationoccurs,soitisreasonabletouseaservomotor.Whenthemovementisnotrequiredtobeparticularlyhigh,inordertoreducetheproductioncost,theservomotorcanbechangedtoasteppingmotor,forexample,themovementintheXandYdirectionsisasteppingmotor.Keywordsbumper,staticstrength,sensor,motor目錄一前文 51.1研究意義及目的 51.2國內外發展現狀及發展趨勢 6二總體方案設計 82.1設計任務 82.2設計參數的給定 92.3總體設計 9三保險杠靜強度試驗臺的機械結構設計 113.1水平移動方向機械結構設計 113.1.1導軌的選型與計算 113.1.2電動機的選型與計算 133.1.3齒條的計算 143.1.4減速機構的設計 143.2豎直移動方向機械結構設計 153.2.1導軌的計算與選型 153.2.2步進電動機的計算與選型 163.2.3絲杠的選型 183.3加載機構的設計 193.3.1導向機構設計 193.3.2滾珠絲桿的選型與計算 193.3.3電動機的選型與計算 223.4框架支撐系統設計 233.5傳感器的選型 243.6操縱控制系統的設計 253.8控制系統設計 263.9本章小結 29四綜合評價 304.1技術評價 304.2經濟評價 314.3項目管理 324.4環境影響和能耗分析 334.5社會影響 33參考文獻 34謝辭 35一前文1.1研究意義及目的汽車保險杠可以降低外界沖擊力，并且可以起到保護車輛駕駛人員的作用。在上個世紀，車輛的安全保險杠主要是通過把鐵板沖壓，然后將車身橫梁進行焊接在一塊，并且和車體框架有著挺大的縫隙值，這就導致從外觀上看上去不是多么好看。目前，車輛行業的快速發展與許多種類塑料在車輛行業的多處使用，汽車保險杠作為一款十分重要的保護設施也因此開始有了更多的創新。今天的汽車的保險杠步進保持著原來的保護車輛的作用，而且還想著如何看起來更加美觀漂亮，與車輛達成渾然一體的感覺，力求自身的簡單化。車輛的保險杠幾乎是由塑料加工做出來的，因此人們大多叫做塑料保險杠。一般汽車的塑料保險杠是有外板、緩沖材料以及橫梁這三個部件組裝而成。其中外板以及緩沖材料大多是用塑料加工而成，橫梁則是不同方法；外板和緩沖材料附著在橫梁。保險杠實物圖汽車保險杠（防撞梁），位于汽車前方和后方的大部分區域，表面上被設計于避免車輛外部損壞對車輛安全系統造成的影響，他們具有在較高速度碰撞時降低司機和乘客損傷的作用，但是目前來看，越來越多的保險杠則是本著減少路人受傷的目的。保險杠的安全防護方案：（1）用轉角指示柱判斷保險杠的位置保險杠拐角的地方有一個痕跡為指示柱，部分企業生產的汽車中存在跟隨電動機旋轉自主伸縮的特點。這種拐角指示柱，能夠準確地指出保險杠拐角所在的方位，這樣就可以保護車輛在泊車發生碰撞，對于新手更為重要。對于不會側方停車以及倒車入庫的司機，可以裝上這種保險杠，可以減少車輛的摩擦。這是因為通過轉角標示柱，司機就能夠準確知道保險杠所處的方位，十分簡答快捷。（2）安裝拐角橡膠可減輕保險杠受損保險杠的邊緣位置是車輛整體中最容易被刮傷的位置，對于新手來說，停車時碰傷邊角是十分常見的，因此需要經常補漆。可以有效防護邊角地方的就是拐角橡膠，只要安裝在保險杠的拐角處就可以，與此同時安裝十分容易。這個方案能夠有效降低保險杠摩擦的程度。并且，橡膠假如被損壞，司機可以自己重新裝置新的就可以以。但是，拐角橡膠是一個尺寸很大的物體，裝在保險杠的拐角地方，假如想讓自己的愛車看起來十分好看，其實就需要噴上漆，稍微增加了成本。《車輛保險杠》企業標準需要符合國家法律法規和標準的要求，比方說，對車輛的碰撞要求，該標準符合GB173521998的相關要求等。并且，這個要求在符合中國確保車輛安全的強制性法律的基礎之上，還對車輛保險杠的用料、加工方案、作用等地方給了一個判斷準則，還重點給出實驗方法科學檢驗的方案。例如，車輛都會存在掉漆的這個麻煩的問題，然后給出了鍍層附著力實驗的方案；因為車輛用品的屬性，對于不好保險杠比較容易掉落、松動等其他毛病，方案列舉了耐振動特性要求，準確要求裝置支架、添加加強板和保護杠杠應該不會有斷裂、脫焊以及松動等這些問題；根據實際情況的變化，也能夠用這個方案要求機械結構符合國家統一的要求，就是說應該對車輛整體進行有限元分析在保險杠安裝后不會增多過多的車輛的空氣阻力等。《車輛保險杠》標準對車輛的保險杠的作用定位、選材、安全性能、檢驗方案、加工工藝以及安裝要求等各個地方進行了十分嚴厲的要求，給定了很多有用的準則。該標準發布生效后可以通過三種途徑啟動對產品的檢查程序：第一，消費者遇到產品質量問題后，能夠讓國家的安全單位對偽劣產品進行檢驗。二是中國安全單位應該按照法律不定時檢驗信譽不好的產品；三是工程或者消費者實名舉報假冒偽劣的保險杠。經過國家有關單位的質檢，針對那些達不到《車輛保險杠》行業標準要求的保險杠所造成的損害后果依法由生產企業和銷售商承擔。1.2國內外發展現狀及發展趨勢中國汽車工業的不斷前進，車輛生產量不斷增多，因此產生的安全問題一直受廣大人民群眾的擔心。在車輛被動安全方案給定過程中，乘客安全一直是車輛被動安全方案的主要內容。經過數十年的不斷研究，汽車的安全性逐漸提高，乘客保護方案目前有了不小的改善。安全帶、安全氣囊、安全車身等被動安全設施和防抱死制動系統（ABS）、電子穩定性控制系統（ESC）等主動安全設施的安裝不斷受到更多的重視。汽車保護方面的要求法律也不停更新，這讓司機在安全事故中的生存可能性、受傷程度得到很大改善。相比之下，汽車的行人安全技術卻發展較慢，人與車碰撞事故已成為全世界相關研究人員共同關注的問題。據統計，在歐洲交通事故死亡者中12%為行人，在美國為11%，中國則超過50%。在交通事故中，處于弱勢群體的行人，更需要得到更多重視。行人碰撞保安全的概念，最早出現于20世紀60年代，由歐洲和其他一些發達國家的研究人員提出。然而因為缺少數據以及研究方案，過程十分慢，進展不大；20世紀80年代，美國、韓國等國家和地區在這個方案上面不斷進行了很多的科學保護嘗試。1994年行人安全保護的檢查方案和碰撞模擬器在歐洲推出，即EEVCWG10，用模型的實驗方法來進行對汽車行人碰撞保護性能實驗。1998年，EEVC/WG17制定了行人碰撞安全實驗草案，該草案成也是歐盟、ISO、全球統一技術法規（GTR）、日本等制定行人碰撞保護試驗標準的參考。2003年，歐洲新車評價規程（EuroNCAP）和澳大利亞新車評價規程（ANCAP）將行人碰撞保護加入新車評價規程。汽車工業發達國家至今已擁有一整套詳盡的汽車安全法規。行人碰撞保護方面的法規具有代表性的為歐洲、日本和全球技術法規。歐洲經濟共同體（EEC）EEC74/483法律是最初的行人碰撞保護法規，這條法律在1998年開始執行，指定在新車定型實驗，從2001年10月起用在所有行駛的汽車。這條法律包括檢查車輛前面的行人安全保護的方案準則，指出檢查所有參與汽車以及行人之間相互作用的裝置。比如說：小腿沖擊撞擊保護的實驗；大腿沖擊撞擊發動機蓋前緣試驗；成人及兒童頭部沖擊撞擊發動機蓋上表面試驗。歐盟2003年頒布了EC102/2003指令，該指令分兩階段執行。第一階段開始于2005年10月1日，第二階段開始于2010年9月1日，歐盟成員國所有新生產的乘用車都要配備行人碰撞保護系統。兩個階段都包括頭部試驗、大腿試驗和小腿試驗，其中第一階段的頭部對擋風玻璃的碰撞及大腿試驗屬監測范圍，非強制執行。從2005年10月開始的第一階段，所有在歐盟銷售的新車必須符合新的行人碰撞法規。質量在2.5t或小于2.5t的所有乘用車和輕型廂式車必須通過三項試驗，以滿足車輛前部碰撞時保護行人免受頭部和腿部傷害的法規要求。2009年1月，依據前期運行情況，歐盟發布了EC78/2009，替代了之前的EC102/2003指令，對標準執行時間表、部分標準限值和試驗方法進行了修改。另外，EuroNCAP在2003年就把行人碰撞保護列為新車星級評定的一項內容。EuroNCAP行人碰撞保護碰撞試驗并不是嚴格按照歐洲法規的要求來進行的，而是有自己的一套評價體系，其行人腿部試驗是按照EC102/2003指令第二階段的條件和要求進行，但是頭部試驗與EC102/2003不盡相同，EuroNCAP的實驗要求更是繁多，實驗汽車的速度由法律給的35km/h增加到40km/h，頭部種類同時也和EC102/2003指令的要求不一樣，然而行人頭受傷的標準還是一樣的，這樣就極大提高了要求。EuroNCAP是現在全球對路人碰撞安全實驗最為嚴格的制定方案。韓國于2004年制定實施了TRIAS63《行人頭部安全要求》，指出車輛要整備行人碰撞保護設施，而且在2005年陸續學習美國法律對行人碰撞保護進行JNCAP的實驗。韓國的TRIAS63《行人頭部安全要求》法規是與JNCAP幾乎都是一樣的。行人碰撞安全是韓國JNCAP中一個獨立的測試要求，它在2003年正式開展，是參照美國行人碰撞安全法律給定的，然而其評價體系與美國的略有不同，韓國的JNCAP只評價行人的頭部傷害。行人保護性也被加入第一批要求的15項GTR項目，在WP29被動安全工作組（GRSP）內建立了專門起草制定行人安全性GTR的非正式工作組，即行人安全性GTR非正式工作組，專門負責該法規的起草制定工作。行人安全性GTR非正式工作組成立后，在2003年提交了第一份工作報告，內容主要為起草制定該法規的基礎和依據，包括在各種交通事故中行人死傷的總體情況，不同受傷情況的分布，以及碰撞的速度等。GTR《全球技術法規關于機動車碰撞時對行人及弱勢道路使用者加強保護和減輕嚴重傷害的認證統一規定》（2008年版）已發布實施。在中國，GB/T24550－2009《汽車對行人的碰撞保護》于2010年9月25日公布，并在2011年8月15日正式上線。GB/T24550－2009《汽車對行人的碰撞保護》修改采用了GTR9《關于機動車碰撞時對行人及弱勢道路使用者加強保護和減輕嚴重傷害的認證統一規定》。2013年發布了汽車行業標準QC/T938－2013《汽車對行人的碰撞保護試驗規程》，2014年實施。經過最近這些年的開展，現在中國的車輛行業也知道了車輛行人碰撞安全的重要性，還已經把標準的方案準則作為車輛方案設計，中國的車輛對行人碰撞安全技術水平有了跨越式的發展，但標準仍為推薦性標準，對于促進我國汽車行人碰撞保護技術的提高推動力仍顯不足。二總體方案設計2.1設計任務利用solidworks等軟件完成汽車保險杠靜強度試驗臺的機械結構設計并完成三維建模，機械結構包括檢測部分的兩個反向的行走機構，完成主要部件的機械結構設計、強度校核以及氣壓部分設計。靜態實驗的目的是了解保險杠在典型的實際碰撞作用下的應力分布情況，確定這些應力分布是否符合設計目標值，并對實際使用條件下的強度、剛度進行研究。2.2設計參數的給定（1）最大加載力：300kN，負荷測量精度：±0.5%F·S。（2）位移測量范圍：0~600mm，測量準確度：±0.5%F·S。（3）加載速度可調，不大于13mm/s。（4）水平調節范圍0~2000mm，垂直調節范圍：0~800mm2.3總體設計被檢驗零件三維圖被測的汽車保險杠如圖所示，要檢測保險杠是否符合國家的行業標準，其應力分布是否科學，在發生碰撞時候是否能很好的進行減振，所以需要用到電動缸來給保險杠施加外力，用位移傳感器來檢測保險杠發生的位移。由下面公式可以知道，力與正應力之間關系。σ公式中：σ——正應力，單位PaE——彈性模量，沒有量綱，數值由材料本身特性決定ε——保險杠發生的變形F——保險杠承受的外力A——保險杠受力面積通過上面公式可以明顯看出，變形與外力有著很大關系，通過力與變形之間的關系，就可以知道保險杠的強度問題。主要有以下兩種方案：（1）保險杠不動、施加力的電動缸進行移動；（2）其他不動，進行對保險杠移動。第一種方案比較合理，因為保險杠是一個不太規則的物體，不容易卡緊，而且比較重，不太適合做為移動，所以選擇第二種方案作為我們的最終方案。豎直方向移動采取用步進電動機連接蝸輪蝸桿，把旋轉改成了直線，然后運動通過上述傳動裝置后，利用導軌滑塊來進行豎直方向移動。水平方向采取步進電動機連接齒輪齒條裝置，通過齒輪齒條將旋轉運動變為直線運動，然后再齒條平行線上放置兩個導軌，降低水平方向的誤差。控制系統采用PLC進行控制，因為保險杠的靜強度試驗臺主要在工廠上使用，工廠環境比較復雜，容易有很多干擾設備，PLC其中一個很大的特點就是抗干擾能力強。因為一方面要進行移動，另一方面要施加外力，所以控制模式要有兩種模式，分別是力控制模式和位移控制模式。機械框架為設備主體支撐框架，采用焊接結構并去應力處理。用于連接伺服電動缸，并與鐵地板進行安裝固定。平臺采取用鑄鐵，因為鑄鐵減振效果好。去應力是要防止設備發生變形，導致位移傳感器測量的結果不準確。在電動缸加載頭與安裝框架間安裝4根導向桿，導向桿直徑80mm，要求當伺服電動缸加載頭完全伸出后，對其施加50kN的側向力，卸載后伺服電動缸可正常收縮，功能無異常。靜強度實驗臺機械結構圖三保險杠靜強度試驗臺的結構設計3.1水平移動方向3.1.1導軌的選型最下層的導軌需要承載整個行走機構的重量，所以它的負載就是它之上的行動部件的總重量，所以要對這個重量進行估算。包括工作臺、托板、電動機、蝸輪蝸桿副、直線滾動導軌副等等，估計重量約為3000N。滑塊能夠承受的工作外力是決定直線滾動導軌副選用條件的第一位，本測量系統中使用直線為水平布置，采用兩個直線導軌、四個滑塊的支撐形式。由于本工作臺用于檢測，所以只考慮移動部件重量即可。直接考慮最極端的情況，即所有移動部件的重量產生的工作負載全部都由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的垂直方向的最大負載為P得出最大負載后，只要選擇工作外力大于最大負載的直線導軌副即可，初選直線滾動導軌副的型號為HGH65HA（中國臺灣省大銀微系統股份有限公司），其額定動載荷為，額定靜載荷為。圖3.1導軌副尺寸規格圖x-y工作臺預計行程范圍0-2000mm，考慮工作行程留有一定余量，選取導軌長度為2800mm。前文中選則的型號為HGH65HA的導軌副滾道硬度為HRC70，工作溫度最大不能超過110℃，每根導軌上都配有兩個滑塊，本身檢測系統負載就不高，經過平分后，工作載荷更低，而且工作速度也較低，所以不必擔心溫度和硬度不夠的問題。為了計算導軌的使用壽命，先取硬度系數為，溫度系數為，接觸系數，精度系數，載荷系數，可以得出導軌能行進的總壽命為得出的結果遠遠大于設定的期望值100km，所以直線滾動導軌副的額定距離壽命足以滿足檢測系統。直線導軌有以下好處：（1）、定位精度高采用線性滑軌當做整體零件的導引作用，因為線性滑軌的摩擦方法是滾動摩擦，不但摩擦系數只有滑動的五十分之一。所以當整臺設備工作的時候，打滑這種問題不會產生，因此能夠有μm級的定位精度。（2）、安裝方便且能夠更換由于導軌是外購件，精度很高，在安裝時候，有一套標準的方案，一般都是用螺紋固定在臺面上，所以安裝很方便，不需要專業人員來進行安裝。降低了安裝費用，提高了企業的效益。所以很多時候都會優先選擇滑軌。并且當滑軌出現問題的時候，只需要買同款的產品進行更換就好，有著十分優秀的互換性，所以維修十分方便。（3）、摩擦小，不會降低精度過去的滑動引導設備，肯定會出現潤滑油倒流的現象，進而導致整臺設備的工作精度不達標，還有工作時潤滑油流出去，潤滑油減少，這就會導致導軌出現大的摩擦，會對精度產生很大的副作用。并且滾動的摩擦力特別小，所以整臺設備工作很長時間后依然會保持很高的精度。（4）、可以降低所需電動機的功率由上面分析可以知道，導軌的摩擦力特別低，就算整臺設備很重，但是乘以很低的摩擦系數之后，所需的外力就需要很低了，我們就可以選擇低功率的電動機，不需要大功率的電動機，降低了能耗，電動機的發熱問題也很好的解決了。S（5）、能夠承受任意方位的外載因為線性滑軌的精心設計，所以不會出現普通導軌不能夠承受橫向的外載，當有一點橫向外載時候，精度就會大大降低，而這款導軌在這方面進行了很大的改善。3.1.2電動機的選型與計算考慮到要精準控制傳感器的位置，所以選擇步進電動機作為動力裝置。因為步進電動機比較容易控制而且精度比較高。步進電動機的力矩選擇由摩擦力計算公式F式中：Ffμ——摩擦系數G——物體總重力求得轉矩：M步進電動機的慣量匹配計算J式中：JLWD——齒輪直徑n——轉速比JJ所以選擇110BYG型步進電動機（北京森創電機技術有限公司）。型號步距角（°）相數保持轉矩（N·m）電壓（V）定位轉矩（N·m）轉動慣量（Kg·cm2）110BYG1.82101100.35.6步進電動機重要參數表步進電動機三維圖3.1.3齒條的計算根據要求，水平調節方向的調整范圍為0～2000mm，為了留足足夠預留量，所以齒條長度選擇2300mm，選擇的型號是2.5M20PA25FW（聯合精工）。齒條三維圖3.1.4減速機構的設計由于步進電動機的扭矩較小，轉速較快，通常不能直接和執行機構之間相連，這就需要設計減速器。通過減速器，可以把轉速降低，扭矩增大。考慮到齒條的布置情況，因為齒條是豎直放置的，所以齒輪必須水平放置，但是電動機我們選擇的布置方式也是水平布置，所以我們需要通過減速器把旋轉方向進行90度的改變。能夠進行90度改變的減速器有蝸桿減速機和錐齒輪減速器。但是錐齒輪減速器相比較而言，體積比較大，所以不予采用。RV系列渦輪減速機滿足我國準則GB10085-88基本特性上，借鑒全球最發達的先進技術，首次設計和制造出“方方正正”的造型，采用上等鋁合金加工出來的、整體看起來十分漂亮，所以擁有六大優點：（1）、結構簡單，采用渦輪蝸桿形式，即使很大的傳動比，體積也是小巧玲瓏；（2）、散熱特性好，所以工作時候的溫度不會過高，導致潤滑效果不好；（3）、安裝比較容易，減速效果好，效率高；（4）、能夠承受的載荷比較大，不會輕易發生強度問題；（5）工作過程產生的噪音小，而且流暢，不卡頓；（6）、能夠廣泛運用在各種場合，安全度大，有效保證機器順暢工作。渦輪減速器三維圖3.2豎直移動方向機械結構設計3.2.1導軌的計算與選型由于靜壓強度試驗臺工作時候需要檢測整個保險杠，所以需要進行兩個方向的移動，Z軸的方向運動在這里依然選擇一個直線導軌，由步進電動機進行驅動。Z軸方向移動的摩擦力幾乎可以忽略不計，因此選擇和X軸方向移動的同類型導軌肯定可以滿足工作需要。高度根據保險杠高度為560mm，所以為了能夠有一定的預量，所以直線導軌的長度選擇為1560mm。在這里選擇HGH55HA型號的直線導軌。直線導軌實物圖3.2.2步進電動機的計算與選型考慮到要精準控制傳感器的位置，所以選擇步進電動機作為動力裝置。因為步進電動機比較容易控制而且精度比較高。步進電動機選取森創110BYG型，它的額定功率：110W,額定轉矩：0.637N.m,電機轉動慣量為JM：0.0017Kg.m2單軸的滑臺的總重量預算應該是10Kg左右。外部負荷的轉動慣量：絲桿產生的轉動慣量：（3-1）外部負荷的負荷轉動慣量：（3-2）則有：加在電機上的轉動慣量：（3-3）②外部負荷產生的摩擦扭矩：（3-4）式中： ——滾珠絲桿副的導程——未經預緊的滾珠絲杠副效率（2級精度=0.9）——外加軸向載荷，其中含有導軌摩擦力緊力產生的摩擦扭矩：（3-5）式中：——滾珠絲桿副間的預緊力，④加速度產生的負荷扭矩：由整臺設備條件可以知道：水平方向的移速是v=10mm/s，所以電機大小為=60rpm，那么加速度的數值就應該是a=40mm/s2,那么設備的移速從0加速到10mm/s需要的時間就是：s（3-6）當伺服電動機由靜止提升至轉速=150rpm的時后，它的負荷扭矩為（3-7）⑤電機總扭矩：（3-8）因此采用的電機額定扭矩大小是0.637N.m，超過了我們上面計算的數值的一倍半還多。因此采用的這款電機能夠滿足設備的工作要求。下圖為所選電機的具體尺寸圖：圖3.5電機規格圖3.2.3絲杠的選型絲杠通常有以下五大優點：（1）摩擦損失小、傳動效率高因為絲杠是滾動摩擦，所以比滑動摩擦要小的多。并且因為絲杠是精密儀器，表面粗糙度低，所以滾珠和絲杠之間的摩擦會更加小。由于摩擦系數較小，所以功率損失就會低，所以傳動效率自然就會比較高，好的絲杠甚至可以達到0.99的效率。（2）精度高滾珠絲桿最大的特點就是精度很高，但是在保證精度高的同時，對其他要求也比較高，比如設備的工作溫度，環境濕度是否達標。而且在組裝的時候，不能有灰塵掉入。（3）高速進給和微進給可能滾珠絲杠可以在很低的速度也可以很平穩的運行，不會出現所謂的失步的現象。這一點特別重要，因為倘若出現這種情況，就會導致位移變大，進而強度變低，并不符合保險杠的實際強度。（4）軸向剛度高（5）不能自鎖、具有傳動的可逆性絲杠選擇型號為Tr32x8L（上銀科技股份有限公司），導程為20mm。絲杠示意圖3.3加載機構的設計3.3.1導向機構設計在電動缸加載頭與安裝框架間安裝4根導向桿，導向桿直徑80mm，要求當伺服電動缸加載頭完全伸出后，對其施加50kN的側向力，卸載后伺服電動缸可正常收縮，功能無異常。選擇的型號是CF80CC（聯合精工）。3.3.2滾珠絲桿的選型與計算滾珠絲杠和其他傳動方案對比，有下面九大性質：（1）傳動效率比較高，可以達到0.99，是其他機構很難達到的；（2）精度好，比其他傳動方式好很多；（3）運動平穩，不會出現失步的問題；（4）使用時間長，不會出現故障；（5）定位精度好，對于精密儀器來說是首選；（6）自鎖不行，可以來回運動；（7）由于精度好，所以兩款滾珠絲杠可以做到同步運行；（8）可靠性高，放心選用，通常不會出現問題；（9）造價比較高，維護成本也不低。（1）確定滾珠絲杠副的導程大部分伺服電機的額定轉速都為3000rpm，由于檢測系統所需要的檢測系統不高，設定工作臺工作時行走速度為10mm/s，兩個數據確定后便可以計算絲杠的最低導程。Y向運動的驅動電機選擇松下，電機額定轉速為3000rpm。電機通過同步帶直接與滾珠絲杠相連，傳動比是1。單軸方向的最大進給速度為10mm/s，所以是600mm/min。那么計算絲杠需要的最低行程是：（3-9）于是決定選擇Ph=20mm，（2）滾珠絲杠副的載荷及轉速計算直線滾動導軌工作時承受的最大滑動摩擦系數約為0.004，靜摩擦系數與滑動摩擦系數相差不是很大，此處計算取靜摩擦系數為0.006。則計算導軌的摩擦力：（3-10）式中：——工件、夾具及工作臺質量，經計算約為20kg。——導軌滑塊密封阻力，按4個滑塊，每個滑塊密封阻力6N。由于本機構是檢測系統而且本身重量也不是很大，絲杠工作時不像機床絲杠那樣承受切削力，基本是勻速進給，其收到的阻力主要來自于機構重量賦予直線滾動導軌副的摩擦里。則有：（3-11）滾珠絲杠副的當量載荷：（3-12）滾珠絲杠副的當量轉速：（3-13）（3）滾珠絲杠副預期額定動載荷1）按滾珠絲杠副的預期工作時間計算：（3-14）式中：——當量轉速，rpm——預記得工作壽命，檢測用的機床15000h——負荷系數，平穩無沖擊選擇=1——精度系數，2級精度選擇=1——可靠性系數，一般選擇=12）按照計算的滾珠絲杠副的運行距離壽命：（3-15）式中：——預期運行距離，一般選擇3）按照計算的滾珠絲杠副的預計的最大軸向負載：式中：——預加負荷系數，輕預載時，選擇=6.7——絲杠副最大載荷4）預記滾珠絲杠在工作時的最大軸向變形量算m重復定位精度單軸運動滑臺對重復定位精度要求最低為0.01mm，則mm（3-16）（4）選擇滾珠絲杠的型號絲杠采用內循環雙螺母式滾珠絲桿，代碼是SFU2010-2，精度是2級。絲桿基本導程Ph=10mm，公稱直Xd0=20mm，總長500mm，珠徑3.175mm螺母外徑36mm，循環滾珠3圈一列，額定動載荷Ca=8.35KN＞Cam，額定靜載荷Cao=16.8KN。下圖為滾珠絲杠副的詳細尺寸圖。（包括兩端尺寸和絲杠螺母尺寸）圖3.2滾珠絲杠副尺寸圖3.3.3電動機的選型與計算V式中：VJn——伺服電動機的轉速n1——齒輪1n2——齒輪2PhJ由JM=1-4J名稱參數齒輪1齒輪2絲杠n/(r·mm-1)720360360J/(Kg·m2)0.160.160.012重要參數表根據以上計算，可以初選伺服電動機SGM7J-04AFC6S。型號額定輸出（W）額定轉矩（N·m）額定電流（A）額定轉速（rpm）轉子轉動慣量（Kg·SGM7J-04AFC6S400252.530000.004TJ=2TT通過以上計算可以確定，初選的電動機適合本機構，能夠滿足我們工作需要。3.4框架支撐系統設計加工設備中用于組裝其他部位的一個裝置，一般有基礎件和支撐構件。他的主要作用有以下四點，分別是：（1）支撐和安裝機械系統中的其他系統；（2）承受各種方向的外載荷；（3）確保各個系統之間的相對位置和相對速度；（4）內部還可以布置其他裝置。框架支撐系統是機械系統的一個重要組成部分，很有可能會對機械設備的精度、振動性以及安全性。因此，準確布置支撐部件，對于減少質量、省材、減少加工費用、增加使用時間等十分影響大。因此對他們提出的準則是：（1）強度要大，不能出現斷裂等問題；剛度也要大。不能出現變形問題。（2）動態特性要達標；（3）產生熱的時候，不能有過大的變形；（4）結構工藝要科學，在加工時候容易，降低成本。通過上面要求，我們可以如下進行框架設計。機械框架為設備主體支撐框架，采用焊接結構并去應力處理。用于連接伺服電動缸，并與鐵地板進行安裝固定。當伺服電動缸活塞處于位移量+300mm（即活塞完全縮回）位置處時，要求機械框架在X方向（X方向為加載方向）的外廓尺寸不能超過電動缸缸體。當伺服電動缸加載中心處于Y向水平方向及Z向垂直方向調整中間位置處，位移模式控制伺服電動缸加載至最大載荷時，在X方向上伺服電動缸缸體相對地面的變形量不能超過1.5mm。機械框架與安裝地板間除了已有的連接件，在調整好設備位置后使用螺釘進行加強固定。支撐件主要有六種材料，分別是鑄鐵支撐件、焊接支撐件、鑄鋼支撐件、輕合金支撐件、混凝土支撐件以及天然巖石及陶瓷支撐件。他們有各自的優點以及缺點，所以我們要選擇正確的材料，才能夠設計出更好的支撐件。支撐件在鑄造或焊接過程中所產生的殘余應力，必須予以消除、以免在使用過程中因為殘余應力重新分布或逐漸消失而產生變形。普通精度的支撐件，安排一次失效處理即可。精密支撐件則常在粗加工前后各安排一次失效處理。至于高精度支撐件，除進行兩次時效處理外，還應將支撐件胚件放在露天一年左右，以進行自然失效處理。底座選擇用鑄鐵材料，鑄鐵的鑄造性能好，易于鑄造結構復雜的支撐件，并具有良好的減震性和耐磨性，價格便宜。在加工完成后，還需去除殘余應力。豎版選擇用易于焊接的材料，比如16Mn，這種結構壁厚薄，重量輕，固有頻率高，并能通過有效措施提高抗震性，且能縮短生產周期。3.5傳感器的選型在第二節的敘述中，可以知道靜強度試驗臺的工作主要通過力和位移來測量出保險杠的靜強度。而力和位移的大小的測量一般都是通過傳感器來進行測量的。對于傳感器的要求一般有以下三點：（1）在運動部件移動范圍內，能滿足精度和速度的要求；（2）可以可靠地工作，受溫度影響小；（3）使用、維護簡單，成本低。基于以上原則，對傳感器進行選擇，大致結果如下：序號產品名稱型號規格數量生產廠家1折返式伺服電動缸(增量編碼器)BUM-300300kN，±300mm1臺新聯機電2輪輻式力傳感器DBSL-SJ30T±300kN，測量精度：≤±0.5%F?S1件美國傳力（transcell）3輪輻式力傳感器DBSL-SJ10T±100kN，測量精度：≤±0.5%F?S1件美國傳力（transcell）4位移傳感器RLC50D650mm，測量精度：≤±0.2%F?S1件長春榮德5電子尺TR-005050mm1件novo6拉繩式位移傳感器RLC40D300mm，測量精度：≤±0.2%F?S1件長春榮德7拉繩式位移傳感器RLC40D400mm，測量精度：≤±0.2%F?S1件長春榮德選擇的傳感器種類拉繩式位移傳感器主要是測量保險杠的變形，輪輻式力傳感器主要測量施加給保險杠的力。這兩個傳感器就可以測量出汽車保險的強度問題。3.6操縱控制系統的設計把人和設備通過一種方法建立起來關系，使設備聽從人的想法，這就是操作系統。經過試驗證明，好的操縱系統會減少事故的發生，對于保證工人的人身安全至關重要，對于本設計，最大加載可達到300KN，這么大的力很可能會導致工人受傷。因此設計操縱系統一定要有以下特點：（1）容易操縱，工人可以省力，減輕工人的勞動強度；（2）位置要固定，不能出現松動問題；（3）按下按鈕，機器就要迅速做出反應；（4）在合適高度布置。站立時的手臂活動范圍一般坐姿操縱的工作范圍和勢力范圍根據上面的兩個圖，我們可以確定機械總體結構的大小，符合人體美學，讓現場工人易操作，減少事故的發生。設備配置有以下安全防護軟件及硬件：設備急停按鈕；安全警告標志。對下列情況提供保護并采取相應措施：電源漏電、短路、過載等；傳感器短線、損壞、超量程等；無授權操作、參數設置超范圍等；力/位移超限保護。設備外觀：線纜走線美觀，設備機械部分噴涂灰白漆，加載部分噴涂黃色漆。3.8控制系統設計為了降低企業的人力和物力，現代工廠在設計設備的時候，往往都會選擇自動化產品。而實現自動化的方式大多數都是選擇用PLC來控制整個系統的運行。不只是降低了企業的用人成本，同時也大大提高了非標設備的精確度和準確度。因此在設計汽車保險杠的靜強度試驗臺的時候，也需要設計PLC程序，來對整臺設備進行有效地控制。PLC控制系統，可編程邏輯控制器，專為工業生產設計的一種數字運算操作的電子裝置，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程，是工業控制的核心部分。其優點有以下幾點：可靠性高，抗干擾能力強。由于企業內部有大量其他設備，所以會出現各種信號，容易互相干擾。這就要求我們控制核心要有一定的抗干擾能力，不能頻繁出現各種問題。比如說單片機雖然很便宜，但是卻很少在工廠中使用，其原因就是他的抗干擾能力不行，會經常出現程序錯誤問題。配套齊全，功能完善，適用性強。由于時代的發展，PLC經過這么多年的發展，已經有了龐大的家族，不同型號的應有盡有。不同價位的也有，所以可供選擇的種類特別多。易學易用，深受工程技術人員歡迎。編程很簡單，上手快，一周就可以快速了解如何編程。（4）系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。歐姆龍PLC實物圖序號產品名稱型號規格數量生產廠家16控制柜G2.684219寸1套深圳圖騰17外置數據采集及電機控制器及軟件FM37001通道伺服控制，3通道編碼器采集，4通道±10v模擬量采集1套北京潤城，新聯機電18限位開關IM30-15PNP2個Sick19遙控器F24-12SDC24V供電1套禹鼎20層燈XVGB3SM紅黃綠顏色1套施耐德21配電附件——漏電保護器，線槽端子開關電源燈1套施耐德22按鈕SB2系列急停啟動蜂鳴器燈1套施耐德23工業控制計算機研華610Cpu2.7G/內存4G/硬盤256G1套研華24顯示器E970SWN518.5寸1套AOC25PLCCP1EDC24V供電漏型1套Omron控制系統組成部分3.9本章小結到此，靜強度檢測系統包括的所有機構設計完畢，其中包括二維工作臺、X軸方向移動機構、Y軸方向移動機構、Z軸方向移動機構以及傳感器的選型這幾個主要部分，其中主要的計算部分是選用二維工作臺及Z軸機構所需的滾珠絲杠副、電機及導軌副的計算。工作的實現主要通過傳感器的測量結果計算。整個機構中大部分主要零件是通過直接選型的方式，但是也有一部分是由我自己設計的，如底座、減速器等。完成所有的部件設計后我開始學習如何用SolidWorks軟件進行裝配，并把所有部件裝配到一起，裝配完成后的三維軸測圖如下：靜強度實臺機構總圖四綜合評價綜合評價是對篩選后少數有價值的備選方案同時從技術、經濟和社會各方面進行整體評價，確定準備實施的最優方案。評價的方法有加權評分法、連乘評分法、評分定量表法、FD加權評分法、DARE加權評分法和技術經濟評分法等。4.1技術評價序號接近理想狀態的程序標準評分1理想狀態42較好33一般24勉強15不能滿足要求0評分標準計算方案的總技術評價值（X）：X=式中：X——技術評價值；F1Fmax控制系統選擇用PLC，效果很好，能夠很好達到預想的要求，可以得4分；框架部分選擇也很合理，但是在焊接時候，會產生一些應力，所以有可能會降低精確度，可以得三分；水平移動機構，采用錐齒輪降速，然后再搭配齒條變為直線運動，經濟上合理，但是精度不是特別高，所以得3分；豎直移動機構用步進電動機蝸輪蝸桿，效果特別好，可以得4分；加載機構用伺服電動機驅動滾珠絲桿，精度高，效果好，可以得4分。因此：X=一般來說，X<0.6方案是不合要求的，X=0.7左右，是好的，X>0.8方案是最好的。所以這個方案從技術上來說是非常好的。4.2經濟評價對方案的經濟評價，采用制造費用比較法，既把產品制造費用作為主要評價要素來選擇最優方案。技術經濟優化是利用“技術經濟對比關系圖”，如下圖所示，使方案的技術價值與經濟價值達到最優的組合。技術經濟對比關系圖下面將配件價格進行調研，如下所示：序號產品名稱型號規格數量價格1折返式伺服電動缸(增量編碼器)BUM-300300kN，±300mm1臺56002輪輻式力傳感器DBSL-SJ30T±300kN，測量精度：≤±0.5%F?S1件32003輪輻式力傳感器DBSL-SJ10T±100kN，測量精度：≤±0.5%F?S1件21004位移傳感器RLC50D650mm，測量精度：≤±0.2%F?S1件5605電子尺TR-005050mm1件7406拉繩式位移傳感器RLC40D300mm，測量精度：≤±0.2%F?S1件6007拉繩式位移傳感器RLC40D400mm，測量精度：≤±0.2%F?S1件7508導向軸及導向套CF80CC——1套4809水平方向導軌HGH65HA2800mm2件196010垂直方向導軌HGH55HA1560mm2件108011位置調整電機及其驅動器110BYG110兩相2臺290012垂直調整梯形絲杠及軸承座Tr32x8L導程20mm1套57013水平調整齒輪齒條機構2.5M20PA25FW長度2300mm1套45014機械標準件——若干1套150015機械焊接框架——若干1套500所以最后機械方面造價總共是22990元，可以看做是23000元。同等精度，市場上最便宜的是25400元，單臺加工件成本降低了2400元；年節約額為2400×35=84000元，產值利潤提高到23%。此外，經有關部門和專家鑒定，結論是該靜強度試驗臺結構布局合理，造型美觀，工作精度性能等技術指標符合標準要求，經濟效益顯著，達到了國內先進水平。并在企業已經生產一臺，運行效果達到了目標定位。4.3項目管理在進行非標準機械設計的過程當中，我們一定要注意項目管理。一個好的項目管理可以幫助我們合理制定工作計劃，這樣就可以從容面對各種突發情況，比如外購件在郵遞時候速度太慢，導致后期的裝配時間緊張；結構設計時間用時過多等這些問題。我們可以擬定一個項目實踐計劃表，根據這個計劃表，我們進行一個合理的分配時間，這樣就可以保證我們從容不亂的去完成我們的工作，避免一些突發情況的出現。下圖將列出我們的時間計劃表。時間計劃表項目工作工作進度3月20-6月206月22-7月207月22-8月158月20-12月1012月15-3月15保險杠強度試驗臺設計設計圖紙自制件加工標準件購買外購件購買裝配裝備調試裝備檢驗裝備驗收由表中可以看出，把每個時間