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1、 . . . 毕业设计题 目 基于USB接口的 钢绞线性能检测系统设计 . . . . 1 前言1.1 选题背景1.11 我国钢绞线试验机的现状 我国钢绞线专用试验机的生产和研发已经达到较高的水平，产品类型多种多样，畅销国外。目前，钢绞线专用试验机可以对钢绞线的多种性能进行检测，特别是一些电子电气元件的出现以及电脑控制技术的发展，使钢绞线性能被测量的更精确，但是，钢绞线试验机仍有很多可提高的地方，许多技术还需要改善。1.12 选此课题的意义 随着现代预应力的技术不断发展，在高层建筑、涵洞、桥梁、核电站等大型现代化建筑结构中，钢绞线的应用越来越广泛，尤其是在预应力混凝土结构中的应用。目前国的钢绞
2、线预应力施工都是用生产厂家或检测单位提供的数据来进行理论计算的，并以此作为控制拉的一种手段，因此生产厂家或检测单位如何精确有效的测定钢绞线的力学性能参数有着重要的实际意义。1.2 方案论证基于USB接口的钢绞线性能检测系统设计主要检测钢绞线的拉伸性能，就是钢绞线的受力与伸长量之间的关系，其设计过程可以分成两部分，机械部分设计与电路部分设计。1.2.1 设计容用微机测量的技术，控制一定速度，对钢绞线施加一定拉力，检测拉力和变形这两路参数，通过数据的处理，计算出弹性模量、非比例应力、强度、延伸率等特征参数。主要技术指标：最大试验力： 300KN， 实时显示 000.00KN最大变形量： 10mm
3、， 实时显示 00.00mm横梁移动速度： 0.1-200mm/min两路传感器信号（力值由负荷传感器传递，变形由引伸计传递），通过放大，接入中泰公司生产的USB7310板卡进行A/D转换，然后通过USB接口与计算机实时处理，并在屏幕上实时显示实际测量值。整个试验过程结束后，由计算机进行分析计算，最后得出相关结果。由USB7310直接输出电压值，给相应的控制器去控制直流调速电机，通过同步带带动丝杠转动，直接传递给中横梁进行上下移动。 计算机系统经过控制器，经调速系统控制直流调速电机转动，经减速系统减速后通过精密丝杠副带动移动横梁上升、下降，完成试样的拉伸、压缩、弯曲、等多种力学性能试验，噪音低
4、，无污染、效率高，具有非常宽的调速围和横梁移动距离，另外配置种类繁多的试验附具，在金属、非金属、复合材料及制品的力学性能试验方面，具有非常广阔的应用前景。USB7310 模入接口模块允许采用16路单端输入方式或8路双端输入方式。用户可根据需要选择测量单极性信号或双极性信号。其输入的模拟信号由模块的25芯D型插头直接接入。USB7310 模入接口模块主要由模拟多路开关选通电路、差分放大电路、模数转换电路、开关量输入输出电路和接口控制逻辑电路组成。(1) 模拟多路开关选通电路： 模拟通道开关由2片ADG508（或同类产品）及跨接器JP3组成，可以从16路单端信号或8路双端信号中任选一路，送入差分放
5、大器。(2)差分放大器电路： 差分放大器由1个运算放大器AD620以及相关的电阻组成一个标准的仪用差分放大器，用以对通道开关选中的模拟信号进行变换处理。(3)模数转换电路：12位逐次逼近式AD转换器ADS774片自带精密基准源，并经激光修调，具有较高的转换速率和转换精度，其转换时间仅为 8.5S。AD转换器由程序启动，其转换状态的结束可由程序查询读出或产生结束中断申请。AD转换器的模拟输入信号幅度由跨接器JP1 选择， AD 转换后的输出代码形式由跨接器JP2选择，可分别输出二进制原码或双极性偏移二进制码。电位器W1 用于单极性零点调节，W2 用于满量程增益调节,W3 用于双极性偏移调节。(4
6、)开关量输入输出电路：本模块还提供了各8路的开关量输入输出信号通道。使用中需注意对这些信号的要求应严格符合TTL 电平规。(5) 接口电路：接口电路用来将USB总线控制逻辑转换成与各种操作相关的控制信号。2 .机械部分设计试验机机械部分的设计包括电机的选择，丝杠、齿轮、同步带传动的设计计算。2.1 电机的选择2.1.1 选择电机应考虑的问题（1）根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、正反转、调速等要求，选择电动机类型。（2）负载转矩、速度变化围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.
7、80.9。过大的备用功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验的强度和生产的机械造价提高。（3）根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。（4）根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。（5）根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。 除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程
8、中前后期电动机功率变化关系等各种因素。 试验机设计要求选用直流调速电机。正确选择电机相当重要，的选择主要是电机容量的选择。如果容量小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低；另一方面电机经常在过载下运行，则会使其过早损坏，同时还可能出现启动困难，经受不起冲击，若电动机容量选大了，则不仅使设备投资费用增大，而且由于电动机经常在过载下运行，运行效率和功率因数则下降。选择容量的基本原则：1、发热 电动机早运行时，必须保证电动机的实际最高Qmax等于或略小于电动机绝缘的允许最高工作温度Qa;2、过载能力 电动机在运行时，必须保证有一定的过载能力，特别是在短期工作时，由于电动机的惯性很大，电
9、动机在短期承受的高于额定功率若干倍的负载功率时仍可保证QmaxQa，故此时，决定电动机容量的主要因素，不是发热能力而是电动机的过载能力，既所需的电动机的最大转矩Tmax或最大允许电流Imax必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩Tmax和最大负载电流Imax； 3、启动能力 除了正确选择容量外，还需根据生产机械的要求，技术经济指标以及工作环境等条件来正确选择电动机种类、电压、转速、电动机的结构形式。2.1.2 定传动路线 电机2.1.3 各传动部分效率1同步带传动的效率，取0.96；2直齿锥齿轮传动的效率，取0.95；3丝杠传动的效率，取0.6；4轴承（滚动轴承）的效率，取0.98；2.1.
10、4 选用最小功率的电机 W2.1.5 确定传动比 横梁的最大移动速度是200mm/min,丝杠的导程=8mm,采用直流调速电机，计算传动比为： 传动比较大，所以采用两级降速： 所以，同步带轮，=18，;锥齿轮，=18，=48。2.2 丝杠的设计 初步确定实验仪器最大拉力为300KN最大传动速度为200mm/ min，初选丝杠的最大直径d=60mm，最小直径d1=54mm，螺距P=8mm.。由于该实验仪采用双丝杠传动，所以每根丝杠所承受的最大载荷为150KN,由于最大传动速度为200mm/min，是低速传动，所以选定丝杠螺母副材料为中碳钢，牙型为等腰梯形，牙型角=30。外螺纹以锥面贴紧不易松动。
11、与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。查表5-12滑动螺旋副材料的许用压力p及摩擦系数f得，许用压力为7.5-13MPa取p=13MPa摩擦系数f为0.11-0.17取f=0.11。滚珠丝杠选用之后, 不能盲目的进行安装使用,否则会出现一些意想不到的事故和现象。因此, 为保证机床安装调试后能正常运转和工作, 必须对滚珠丝杠进行一系列的校核和验算2.2.1 自锁性校核 满足了自锁性的要求2.2.2 丝杠螺纹的强度校核 查材料手册得，滑动螺母副材料的许用应力=225Mpa。 丝杠的强度校核公式为： 式中： 丝杠的抗扭截面系数；，单位是； 丝杠的
12、小径，单位是； 丝杠的危险截面 面积 ；，单位是 F丝杠所受的轴向压力（或拉力），单位为N； T丝杠所受的最大扭矩， 单位是Nmm。 满足强度要求2.2.3 丝杠耐磨性校核 校核公式： 式中F丝杠的轴向力（单位为N）; A丝杠工作面积（单位为）；H丝杠螺母副高度（单位为mm），H=49mmP丝杠螺纹螺距（单位为mm），P=8mm；d2丝杠螺纹中径（单位为mm）；h丝杠螺纹工作高度（单位为mm），h=3.5mm；满足耐磨性。2.2.4 丝杠螺母副纹牙的强度校核 纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度，螺纹牙的危险截面在牙根部。 螺纹牙的弯曲强度校核公式为：
13、 螺纹牙的剪切强度校核公式为： 式中：b丝杠螺母副螺纹牙根部的厚度，单位为mm，b=0.65P=4.55mm;l弯曲离臂，单位为mm，l=(D-D2)/2; 滑动丝杠螺母副的许用弯曲应力，单位为Mpa，查表5-13得，b=225Mpa。滑动丝杠螺母副的许用剪切应力,单位为Mpa,查表5-13得，=0.6=135Mpa；弯曲强度校核:满足要求。 剪切强度校核： 满足要求。2.2.5 键的选择选择圆头平键，即：键 6 x 36 GB 109679.平键联接强度校核计算计算公式为：式中：T传递的扭矩(T=F x y=F x d/2),单位为Nmm；k键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的
14、高度，单位为mm；l键的工作长度，单位为mm，圆头平键l=L-b=36-6=30mm，这里L为键的公称长度，单位为mm,b为键的宽度，单位为mm；d轴的直径，单位为mm；p键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压力，单位为Mpa.查表6-2得，p=120Mpa。满足键连接强度要求。2.2.6 丝杠螺母副的选择 整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的的磨损，避免反向传导时的空行程，常采用组合螺母或剖分螺母，本试验系统要求精度比较高，且需要双向传导，所以丝杠螺母副采用剖分螺母。2.2.7 轴承选择 采用推力球轴承 51206 GB/T 301-95
