基于usb接口的钢绞线性能检测系统设计学士学位论文.docx

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基于usb接口的钢绞线性能检测系统设计学士学位论文

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，畅销国内外。

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。

目前国内的钢绞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，并以此作为控制张拉的一种手段，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设计内容

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，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，无污染、效率高，具有非常宽的调速范围和横梁移动距离，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A／D转换器ADS774片内自带精密基准源，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8.5μS。

A／D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。

A／D转换器的模拟输入信号幅度由跨接器JP1选择，A／D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）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电平规范。

（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、速度变化范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0.8～0.9。

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，电动机在短期内承受的高于额定功率若干倍的负载功率时仍可保证Qmax〈Qa，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

η1—同步带传动的效率，取0.96；

η2—直齿锥齿轮传动的效率，取0.95；

η3—丝杠传动的效率，取0.6；

η4—轴承（滚动轴承）的效率，取0.98；

2.1.4选用最小功率的电机

W

2.1.5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α=30°。

内外螺纹以锥面贴紧不易松动。

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［σ］=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N·mm。

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=49mm

P—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：

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;

[σ]－滑动丝杠螺母副的许用弯曲应力，单位为Mpa，查表5-13得，

[σb]=[σ]=225Mpa。

[τ]－滑动丝杠螺母副的许用剪切应力,单位为Mpa,查表5-13得，[τ]=0.6[σ]=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6x36GB1096－79.

平键联接强度校核计算

计算公式为：

式中：

T－传递的扭矩（T=Fxy=Fxd/2）,单位为N·mm；

k－键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的高度，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；

［σp］－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，［σp］=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51206GB/T301-95和深沟球轴承6006GB/T276-94配合使用。

2.3齿轮设计

2.3.1齿轮选型

1）本次试验机选用直齿锥齿轮

2）由于转速不高，故选用7级精度（GB10095－88）。

3）材料选择。

由表40－1选得大、小齿轮的材料均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为48～55HRC。

4）选小齿轮齿数z1=18,大齿轮齿数为z2=uz1=8/3x18=48.

2.3.2按齿面接触疲劳强度设计

1）确定公式内的各计算数值

（1）试选载荷系数Kt=1

（2）计算小齿轮传递的转矩

　　　　T2=T3/i=92825.112x3/7=39782.191N·mm

（3）选取齿宽系数φR=1/3

（4）由表10－6查得材料的弹性影响系数ZE=189.8

（5）由图10－21d按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=σHlim2=1100Mpa

（6）由式10－13计算应力循环次数

（7）由图10－19查得接触疲劳寿命系数　KHN1=0.98;KHN2=1.04

（8）计算接触疲劳许用应力

取失效概率为１％，安全系数S=1，由式（10－12）得

2）计算

（1）试算小齿轮分度圆直径d1t,代入［σH］中较小的值

（2）计算圆周速度v

（3）计算齿宽

b=φR·d1t=1/3x38.450=12.817mm

（4）计算齿宽与齿高之比b/h

模数　　mt=d1t/z1=38.450/18=2.136mm　

齿高　　h=2.2mt=2.2x2.136=4.699mm

b/h=12.817/4.699=2.728

（5）计算载荷系数

根据v=0.134m/s,7级精度，由图10－8查得动载系数Kv=1.04；由表10－3得KHα=KFα=1.1；查表10－2得KA=1.0；从表10－4中的硬齿面齿轮查得齿轮相对支承悬臂、6级精度。

KHβ<=1.34时，

所以，

考虑齿轮为7级精度，取KHβ=1.11，由b/h=2.728,KHβ=1.11，

查图10－13得KFβ=1.106

K=KAKvKHαKHβ=1.0x1.04x1.1x1.11=1.230

（6）载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式10-10a得

（7）计算模数m

m=d1/z1=41.197/18=2.289mm

2.3.2按齿根弯曲强度设计

弯曲强度的设计公式为：

1）确定公式内的各计算公式

（1）由图10－20d查得齿轮的弯曲疲劳强度极限　σFE1=σFE2=620Mpa；

（2）由图10－18查得弯曲疲劳寿命系数　KFN1=1.0，KFN2=1.03；

（3）计算弯曲疲劳许用应力

取弯曲疲劳安全系数　S=1.4，由式10－12得

（4）计算载荷系数K

K=KAKvKFαKFβ=1.0x1.04x1.1x1.106=1.265

（5）查取齿形系数

齿轮的当量齿数为：

由表10－5查得YFa1=2.80,YFa2=2.17

（6）查取应力校正系数

由表10－5查得YSa1=1.55,YSa2=1.80

（7）计算大、小齿轮的

并加以比较

小齿轮的数值大。

2）设计计算

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m小于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，所以，取齿根弯曲疲劳强度计算的模数m=2.18,圆整为标准值　m=3mm。

2.3.4几何尺寸计算

（1）计算分度圆直径

　d1=z1m=18x3=54mm

d2=z2m=48x3=144mm

（2）计算齿轮宽

b=φRd1=1/3x54=18mm

圆整后取　b=20mm

以上所查表及图均查自机械设计课本。

2.4同步带传动设计计算

为防止发生皮带打滑现象，本试验仪器的带传动采用同步带传动。

带轮转速：

n2=200/7x7/3=66.667r/min,减速比i=2/5；

小带轮转速：

n=n2/i=66.667x5/2=166.667r/min,

电机转矩为：

Tn=Tx3/7x2/5=92825.112x3/7x2/5=15912.876N·mm

传递功率：

P=Tn/9550=15912.876x166.667/9550=277.712W。

2.4.1功率设计

Pc=KgP

Kg—工作情况系数，查机械设计手册第二版上册表10-26可得KA=1.0

所以Pc=1.0×277.712=277.712（W）

2.4.2模数m

查机械设计手册第二版上册图10-10，确定同步带轮的模数为m=2.5。

2.4.3同步带轮齿数

之前的传动比计算时已经确定，Z1=18,Z2=54

2.4.4带轮园直径

d1=mZ1=2.5x18=45mm，d2=mZ2=2.5x54=135mm

2.4.5带速

2.4.6初定中心距

要满足0.7（d1+d2）<

<2（d1+d2）

0.7（d1+d2）=0.7（45+135）=126mm

2（d1+d2）=2（45+135）=360mm

初定

=350（mm）

2.4.7初定带的节线长度

及齿数

=

=988.529mm

2.4.8实际中心距a

2.4.9小带轮啮合齿数

2.4.10单位带宽的离心拉力

查机械设计手册第二版第上册表10－29得，q=3.0kg/mm,

所以，

2.4.11带宽b

式中KZ—小带轮啮合齿数系数，取KZ=1.00

Ki—传动比系数，　查机械设计手册第二版第上册表10－28得，Ki=0.90；

Fp－单位宽度的许用拉力，查机械设计手册第二版第上册表10－29得，

Fp=20x10³N/m。

取b=40mm

2.4.12作用在轴上的力Q

Q=Pc/v=277.712/0.392=708.449N

3电路部分设计

3.1传感器的选择

传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。

在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。

  具体地说传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。

如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现，即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息（或转换可靠的数据），不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。

、

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

　　在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到nm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

　　传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

本次试验机选用负荷传感器，负荷传感器是传感器的一种，在力的测量，传递，校准和称重技术中有着广泛的应用。

例如，在国内外的各种力标准机的力值对比中用负荷传感器可以使比对精度由

提高到

量级。

因此，稳定性高，糯变小的负荷传感器已成为力值传递不可缺少的手段。

同样，在各种称量技术中也大量的使用负荷传感器。

例如：

导弹，卫星，火箭的称重，飞机，火车，汽车的称重，钢铁，矿石，煤炭的称重，各种工业原料，材料，成品的称重，各种农副产品，粮食，石油，蔬菜，水果等物体的称重，所有这些称重正在与日俱增的采用负荷传感器，以便提高精度，实现自动测量，显示与控制，因此可以说，在整个测力与称量技术中，负荷传感器几乎涉及到它的每一个部门。

一应变式负荷传感器

利用应变的变化进行负荷测量的传感器。

目前这种传感器占负荷传感器95%以上，因此是我们校准的重点，应变式传感器和其他类型的传感器相比有以下特点：

（1）测量范围广目前测力范围已达0.05N—

N;

（2）测量精度高单项指标已达

量级；

（3）性能稳定工作可靠；

（4）适应性好能在各种环境条件下工作。

这类传感器可在大加速度和振动条件下工作，只要进行适当的结构设计及选用合适的材料，应变式负荷传感器能在高低温，强腐蚀及辐射等条件下可靠的工作。

二压电式负荷传感器

压电效应—某些电介质物质，在沿一定方向受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。

这种将机械能转变成电能的现象，称为“顺压电效应”。

相反，在电介质的极化方向上施加电场，他会产生机械变形。

这种将电能转换成机械能的现象称为“逆压电小型”。

具有压电效应的电介质称为压电材料。

在自然界中，石英等几十种晶体的压电效应比较强，可使用与实际测量中。

压电式传感器的测量见图：

压电式传感器的信号较小，内阻抗相当高，因此，要求用低噪声的电缆线传输信号，电荷放大器的输入阻抗要足够高。

测量仪器一般用峰值电压表或峰值指示器。

压电式传感器的特点：

固有频率高（30—60KHZ），上升时间短（7—20us）;

频率特性好，能测量从准静态力到疲劳力，冲击力等高速动态力。

此外，这种传感器还具有结构坚持，体积小，质量轻，使用寿命长等优点。

3.2引伸计

引伸计（extensometer）是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。

传感器直接和被测构件接触。

构件上被测的两点之间的距离kg2kg2为标距,标距的变化kg1kg2（伸长或缩短）为线变形。

构件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大。

记录器（或读数器）将放大后的信号直接显示或自动记录下来。

引伸计是感受试件变形的传感器，应变计式的引伸计由于原理简单、安装方便，目前是广泛使用的一种类型。

引伸计按测量对象，可分为轴向引伸计、横向引伸计、夹式引伸计。

径向引伸计：

用于检测标准试件径向收缩变形，它与轴向引伸计配合用来测定泊松比μ，它将径向变形（或横向某一方向的变形）变换成电量，再通过二次仪表测量、记录或控制另一设备。

夹式引伸计：

用于检测裂纹张开位移。

夹式引伸计是断裂力学实验中最常用的仪器之一，它较多用在测定材料断裂韧性实验中。

精度高，安装方便、操作简单。

试件断裂时引伸计能自动脱离试件，适合静、动变形测量。

一、引伸计结构及工作原理：

 应变片、变形传递杆、弹性元件、限位标距杆、刀刃和夹紧弹簧等。

测量变形时,将引伸计装卡于试件上,刀刃与试件接触而感受两刀刃间距内的伸长,通过变形杆使弹性元件产生应变,应变片将其转换为电阻变化量,再用适当的测量放大电路转换为电压信号。

二、引伸计规格：

距－两刀口初始间距

量程－最大伸长量

WDW-100引伸计：

标距＝50mm,量程＝10mm（20%）

CSS-2210引伸计：

标距＝50mm,量程＝5mm（10%）

三、引伸计使用方法

1、对于WDW－100配引伸计，首先将标距卡插入到限位杆和变形传递杆之间；对于CSS2210配引伸计，首先将定位销插入定位孔内；

2、用两个手指夹住引伸计上下端部，将上下刀口中点接触试件（试件测量部位），用弹簧卡或皮筋分别将引伸计的上下刀口固定在试