數(shù)控技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1、南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文作 者： 學(xué) 號(hào)： 系 部： 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè)： 數(shù)控技術(shù) 題 目：雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 指導(dǎo)教師： 評(píng)閱教師： 完成時(shí)間： 2009 年 5 月 18 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文摘要雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)摘要：材料試驗(yàn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)及對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)，本文利用vc+6.0的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于ni-daq并且能對(duì)超彈性膜進(jìn)行等軸拉伸試驗(yàn)的設(shè)備。采取行程等分定點(diǎn)觸發(fā)方式，完成了對(duì)一種超彈性膜材料雙向拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集。本文分別從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩方面介紹ni公司的pci7340運(yùn)動(dòng)控制卡和pci6221數(shù)據(jù)采集卡的基本結(jié)構(gòu)和功能、自

2、夾緊夾頭等機(jī)械組件的設(shè)計(jì)，虛擬儀器等控制系統(tǒng)軟件的介紹，以及本案關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊兩大模塊在實(shí)際編制中的關(guān)鍵步驟。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器 雙軸拉伸 daq vc+畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文摘要title：the design and realization of the biaxial tensile test platform abstract: the material testing is the product design and carries on optimized to it the foundation,this article uses vc+6.0 the dyna

3、mic link storehouse technology,and designed one kind to be able to carry on the isometry pulling test based on ni-daq to the super-elasticity membrane the equipment.adopts the traveling schedule division fixed point triggering way,has completed to one kind of super-elasticity membrane material bidir

4、ectional pulling test data acquisition.this article separately designs two aspects from the system hardware design and the system software to introduce ni corporation the pci7340 movement control card and the pci6221 data acquisition card basic structure and the function,from the clamp cartridge and

5、 so on the mechanical module design,control system software and so on hypothesized instrument introductions,as well as this case key movement control module and data acquisition module two big modules in actual establishment essential step.key word:virtual instruments biaxial tensile daq vc+目 錄1 引言1

6、2 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)12.1 雙軸拉伸試驗(yàn)原理22.2 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)22.3 采集信號(hào)的觸發(fā)42.4 采集數(shù)據(jù)的處理53 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)53.1 數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)63.2 運(yùn)動(dòng)控制卡及運(yùn)動(dòng)控制63.2.1 運(yùn)動(dòng)控制卡的選擇63.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇73.3 典型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)93.3.1 對(duì)稱拉伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)103.3.2 自?shī)A緊夾頭設(shè)計(jì)104 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)124.1 基于pc的虛擬儀器軟件124.2 利用vc+設(shè)計(jì)雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)軟件134.3 運(yùn)動(dòng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集控制模塊的關(guān)鍵步驟134.3.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊的關(guān)鍵步驟144.3

7、.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊的關(guān)鍵步驟15結(jié) 論15致 謝16參考文獻(xiàn)161 引言電活性聚合物（electroactive polymers,eap）驅(qū)動(dòng)材料是指能夠在電流、電壓或電場(chǎng)作用下產(chǎn)生物理形變的聚合物材料，其顯著特征是能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能。eap材料是廣泛用于機(jī)器人、機(jī)器昆蟲(chóng)、人工假肢、人工機(jī)械手、發(fā)動(dòng)機(jī)及醫(yī)療衛(wèi)生、電機(jī)械工業(yè)、軍事情報(bào)等高科技領(lǐng)域的智能材料，也稱“人工肌肉”（如圖1.1所示）。圖1.1 人工肌肉eap驅(qū)動(dòng)器一般是利用通電制動(dòng)伸長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行工作的，因此研究超彈性膜受壓后的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對(duì)正確的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器已進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化具有很重要的作用。而受壓實(shí)驗(yàn)因?qū)嶋H加壓時(shí)在試樣和夾具之間存在摩

8、擦，使試驗(yàn)結(jié)果不精確。根據(jù)受力分析可知，單軸受壓與等軸拉伸等效，故設(shè)計(jì)一種等軸拉伸試驗(yàn)儀器以確定受壓性能。本文詳細(xì)介紹一種利用虛擬儀器組建的雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)檢測(cè)等軸拉伸力和位移之間的確定關(guān)系，能最終得到電活性聚合物膜材料的本構(gòu)關(guān)系,并驗(yàn)證其精度。2 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)要能夠完成對(duì)拉伸試樣進(jìn)行定點(diǎn)拉力數(shù)據(jù)采集。2.1 雙軸拉伸試驗(yàn)原理該雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)主要是用于檢測(cè)超彈性膜材料在等軸拉伸時(shí)的力與應(yīng)變的關(guān)系，從而確定其本構(gòu)關(guān)系。圖2.1 雙軸拉伸試驗(yàn)原理圖圖2.1表示了雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)拉伸試驗(yàn)原理。80*80*1mm的超彈性膜試樣被自緊均勻地夾持，由

9、步進(jìn)電機(jī)（圖中未畫出）驅(qū)動(dòng)圖中兩對(duì)反向梯形絲杠旋轉(zhuǎn)，從而分別帶動(dòng)x與y軸上的一對(duì)滑道分別沿圖示x、y方向作等軸對(duì)稱慢速移動(dòng)。為使受力均勻及防止超彈性膜材料雙向拉伸后變薄影響夾持，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了能自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力的自?shī)A緊夾頭（見(jiàn)3.3.2所述），24個(gè)自緊夾頭均勻分布在x-、x+、y-、y+四個(gè)方向夾緊試樣進(jìn)行等速拉伸，同時(shí)自緊夾頭隨其后面的軸承與滑輪在滑道上滾動(dòng)。安裝在滑道一側(cè)的x、y軸向測(cè)力傳感器對(duì)拉伸力進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)采集、記錄一定拉伸位移下的拉伸力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，即可獲得材料的本構(gòu)關(guān)系。2.2 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)整體方案如上所述，雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)除了拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行采集外還需要能對(duì)電機(jī)位移進(jìn)

10、行控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和雙軸拉伸試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。工作時(shí)由計(jì)算機(jī)發(fā)指令控制x、y軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給，與此同時(shí)x、y軸力傳感器對(duì)拉伸過(guò)程中的拉力進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。步進(jìn)電機(jī)及力傳感器安裝在雙軸拉伸試驗(yàn)臺(tái)（機(jī)構(gòu)本體）上。圖2.2 雙軸拉伸機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（右側(cè)拉伸臺(tái)中存在問(wèn)題同后）2.3 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。在底板（25）上安放x、y軸向兩對(duì)拉伸臺(tái)，在每向的一對(duì)反向絲杠通過(guò)聯(lián)軸器（20）聯(lián)結(jié)。在4個(gè)托板（6）上安裝交錯(cuò)安裝有滑道組件（7、8等）。試樣（圖中未畫出）夾持在均布的24個(gè)自?shī)A緊夾頭時(shí)，工作時(shí)通過(guò)步進(jìn)電

11、機(jī)（1、22）帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)托板完成對(duì)試樣的等軸拉伸。圖2.3 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械本結(jié)構(gòu)圖1-x軸步進(jìn)電機(jī) 2-試驗(yàn)臺(tái)支板3-電機(jī)支板 4-連軸套 5-光桿 6-托板 7-自?shī)A緊夾頭組件8-滑道 9- s型傳感器 10-長(zhǎng)角型支架 11-懸臂梁型傳感器 12-上連接塊 13-下連接塊 14-絲杠 15-光桿支架 16-雙聯(lián)軸承座 17-墊板 18-長(zhǎng)聯(lián)接板 19-單聯(lián)軸承座 20-聯(lián)軸器 21-角型支架 22- y軸步進(jìn)電機(jī) 23-絲杠螺母 24-滑輪 25-底板（標(biāo)號(hào)不清楚，左平臺(tái)要拉長(zhǎng)與電機(jī)支板接觸）2.4 采集信號(hào)的觸發(fā)在實(shí)際使用中，觸發(fā)方式可以是多種多樣的，對(duì)信號(hào)采取合適的方

12、式進(jìn)行觸發(fā)采集，是得到材料拉伸應(yīng)力與拉伸率之間關(guān)系的重要方面。利用軟件的強(qiáng)大功能選擇軟件觸發(fā)，使其具有更好的靈活性。從軟件實(shí)現(xiàn)上看，大致有3種最基本的觸發(fā)方式，即單點(diǎn)觸發(fā)，內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)。ni數(shù)據(jù)采集卡提供了若干觸發(fā)引腳，可以通過(guò)外部向其發(fā)送觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)；也可以通過(guò)向采集卡發(fā)送開(kāi)始采集的命令實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樾谐膛c拉伸力之間要求嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于所測(cè)力與位移有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)是根據(jù)電機(jī)的位移量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本案采用按照行程分割得到時(shí)間點(diǎn)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令的，通過(guò)在操作面板上輸入采集點(diǎn)數(shù)（圖4.1），根據(jù)設(shè)置的速度和拉伸行程的關(guān)系即確定了信號(hào)采集點(diǎn)。本案采用的是等距離發(fā)送采集數(shù)據(jù)的方

13、法，即根據(jù)總拉伸行程及數(shù)據(jù)采集量確定數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，由上位機(jī)定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令。因?yàn)閿?shù)據(jù)采集頻率很高，拉力是漸變的，因此可將經(jīng)過(guò)軟件濾波的拉力值作為此點(diǎn)處的拉力值。2.5 采集數(shù)據(jù)的處理在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，拉伸力和位移的關(guān)系并不是平滑的直線，而是上下波動(dòng)的曲線，主要是受到其他電信號(hào)干擾所造成。這時(shí)就需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，常見(jiàn)的有軟件濾波和硬件濾波形式。軟件濾波具有經(jīng)濟(jì)性好、實(shí)時(shí)性和安全性高、靈活方便等特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中采用的是軟件濾波。常見(jiàn)的軟件濾波的方法有以下10種：1.限幅濾波 2.中位值濾波法 3.算術(shù)平均濾波法 4.遞推平均濾波法 5.中位值平均濾波法 6.限幅平均濾波法 7.一階滯

14、后濾波法 8.加權(quán)遞推平均濾波法 9.消抖濾波法 10.限幅消抖濾波法。根據(jù)前述的信號(hào)觸發(fā)方式，本案的數(shù)據(jù)處理采取的是第三種-算術(shù)平均濾波法。算術(shù)平均濾波法的方法：連續(xù)取n個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，n值較大時(shí)：信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低，n值較小時(shí)：信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。n值的選?。阂话懔髁?，n=12；壓力：n=4。算術(shù)平均濾波的優(yōu)點(diǎn)：適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)。缺點(diǎn)：對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用，比較浪費(fèi)ram。3 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)采用ni公司pci7340

15、運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，采用ni公司的pci6221的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。分別采用ni公司的bnc2110連接器和 umi7764通用運(yùn)動(dòng)接口板作為數(shù)據(jù)采集卡與力傳感器信號(hào)電壓、運(yùn)動(dòng)控制卡與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的連接器。pci6221、pci7340通過(guò)計(jì)算機(jī)的pci插槽與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，圖2.3所示即為這種上、下微機(jī)結(jié)構(gòu)形式的測(cè)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)作為人機(jī)界面接口的上位機(jī)，負(fù)責(zé)任務(wù)管理、發(fā)送命令、初始參數(shù)輸入、結(jié)果顯示等非實(shí)時(shí)功能；pci6221、pci7340作為下位機(jī)，根據(jù)上位機(jī)命令直接控制相應(yīng)設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的任務(wù)。3.1 數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是對(duì)一個(gè)或多個(gè)信

16、號(hào)獲取對(duì)象信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡是一種具有實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)記錄、信號(hào)預(yù)處理、即時(shí)顯示、即時(shí)狀態(tài)分析、自動(dòng)傳輸?shù)裙δ艿淖詣?dòng)化設(shè)備。圖3.1 ni pci6221(37針)數(shù)據(jù)采集卡daq卡本文中設(shè)計(jì)的雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集是利用ni公司生產(chǎn)的pci6221數(shù)據(jù)采集卡（如圖3.1所示）完成的。ni pci6221（37針）數(shù)據(jù)采集卡具有以下構(gòu)造：16路帶37針d-sub連接器的模擬輸入、2路16位模擬輸出（833k

17、s/s）、10條數(shù)字i/o線、32位計(jì)數(shù)器、采用數(shù)字觸發(fā)、關(guān)聯(lián)dio（2條時(shí)鐘線，1mhz）、另有5倍采樣速率的高速m系列和4倍分辨率的高精度m系列可供選擇并且包括ni-daqmx、vilogger lite數(shù)據(jù)記錄軟件和其他測(cè)量服務(wù)。3.2 運(yùn)動(dòng)控制卡及運(yùn)動(dòng)控制ni的運(yùn)動(dòng)控制是ni公司在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的擴(kuò)展，ni的運(yùn)動(dòng)控制就是我們常說(shuō)的開(kāi)放式數(shù)控，專用數(shù)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的是西門子和funuc產(chǎn)品。數(shù)控系統(tǒng)的是由運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)）、反饋（編碼器），所以運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)而言是非常重要的組成部分。3.2.1 運(yùn)動(dòng)控制卡的選擇ni的運(yùn)動(dòng)控制卡分為高中低檔，每個(gè)檔位又包括2

18、軸、4軸、6軸和8軸，支持pci和pxi兩類總線。圖3.2 ni pci7340系列運(yùn)動(dòng)控制卡雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)采用ni pci7340運(yùn)動(dòng)控制卡（如圖3.2所示），pci7340運(yùn)動(dòng)控制卡既可以控制伺服電機(jī)又可以控制步進(jìn)電機(jī)，支持pci,pxi和緊湊行pci總線。ni pci7340系列運(yùn)動(dòng)控制卡是中價(jià)位控制器，可進(jìn)行4軸步進(jìn)或伺服運(yùn)動(dòng)控制，與其他ni硬件緊密集成，都帶有易用的labview驅(qū)動(dòng)軟件，模擬輸出至伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼仿真輸出接到運(yùn)動(dòng)控制卡上，以及包括圓周插值和線性插值等高級(jí)特性。3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（pm）,反應(yīng)式（vr）和混合式（hb

19、）。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5或15；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為15，但噪聲和振動(dòng)都很大；混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1.8而五相步進(jìn)角一般為0.72。電動(dòng)機(jī)的主要指標(biāo)有功率p（kw）、轉(zhuǎn)矩t（nm）和轉(zhuǎn)速n（r/min）。在選擇電機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過(guò)載能力。下文將通過(guò)以上幾方面的計(jì)算來(lái)選出合適的電動(dòng)

20、機(jī)：1. 拉伸負(fù)載力矩 (fa實(shí)測(cè)為10n；效率見(jiàn)后計(jì)算，取0.2；因?yàn)殡姍C(jī)與負(fù)載直接連結(jié)，故l為絲杠螺距5mm) ，計(jì)算后tc=39.810-3nm 2. 圓柱導(dǎo)軌上的摩擦力距mf 1）托板重量：g1=3.2*（10*9-2*pi*1.4-2*5.4*2.5/2）*2.7=2189.4（g）(未考慮螺紋孔臺(tái)階等重量) 2）安裝平板重量：g2=（10*8.7*1.6-2*1*1*1.6/2）*2.7=6123.5（g）(未考慮安裝螺紋孔臺(tái)階等減輕重量) 3）拉桿滑道g3=35*（2.5*2.5-1.5*0.95-0.9*0.45）*2.7=167.75（g）(未考慮端頭重，長(zhǎng)度為350mm)

21、4)l型拉板架（按大的算）g4=（12.5*5*1+4*1*5）*2.7=865.90（g）總重量為：gi=9346.55g,考慮夾頭、傳感器重量等最后重量可圓整為10kg即g=100n。平臺(tái)的摩擦力為0.08n（滾動(dòng)摩擦系數(shù)取0.004）摩擦負(fù)載力矩（空載時(shí)）計(jì)算后得mf=1.5910-2nm因?yàn)橐粋€(gè)電機(jī)要帶動(dòng)兩端，故可取為3.1810-2nm。3. 傳動(dòng)效率：=22.81% 取螺旋升角2.733（即244）,滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.16，摩擦角為9.09。試取總傳動(dòng)效率為0.2。4. 電機(jī)力矩：考慮傳動(dòng)帶動(dòng)兩端，故電機(jī)總傳動(dòng)力矩為8610-3nm。可選57bygh303混合式高轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其電

22、壓為8.6v、步距角1.8、最大靜轉(zhuǎn)矩15010-3nm、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為4.610-5kgm2。5. 等效轉(zhuǎn)矩慣量計(jì)算：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 jm=0.46kgcm2絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 js=0.78*1.64*48*10-3=0.2454 kg.cm2。絲杠直徑1.6cm，長(zhǎng)度48cm。移動(dòng)部件慣量 g=20n。20/9.8*（l/2pi）=0.1624 kg.cm2總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 jz=0.46+2*0.2454+2*0.1624=0.8156kg.cm2 電機(jī)所占總慣量比為：56.4%，適合，應(yīng)選此種慣量的電機(jī)。6. 計(jì)算快速空載起動(dòng)力矩mamax1）加速度力矩按常規(guī)起動(dòng)加速時(shí)間為30ms，取nmax

23、為60rpm(實(shí)際工作為24rpm)角加速度為（j折算到電機(jī)軸上的總慣量kgcm2,ta取30ms）mamax=j*2*pi*nmax/60/t*10-2=3.024*2*3.14*100/60/0.03=6.71ncm=0.067nm=6710-3nm2)折算到電機(jī)軸上摩擦力矩mf 見(jiàn)前述計(jì)算mf=3.1810-2nm3)折算到電機(jī)軸上附加摩擦力矩m0 附加摩擦力矩m0是為了防止傳動(dòng)間隙而對(duì)絲杠進(jìn)行的預(yù)緊措施，預(yù)緊力一般為軸向負(fù)載力的三分之一。fp0絲杠預(yù)緊力，一般為軸向負(fù)載力的三分之一（n）l0絲杠導(dǎo)程（cm）0絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取0=0.2（網(wǎng)上查到）經(jīng)計(jì)算得：m0=12.73

24、10-3 nm上述三項(xiàng)合計(jì)m起=2mi=0.223 nm7. 計(jì)算快速移動(dòng)所需力矩m快m快=mf+m0mamax8. 計(jì)算最大切削負(fù)載所需力矩m切m切=mf+m0+fc=2mf+2m0+2tc經(jīng)計(jì)算得：m切=136.8610-3 nm=0.137 nm從上述計(jì)算可知，快速空載起動(dòng)所需力矩最大，故以此作為初選電機(jī)的依據(jù)。9. 空載起動(dòng)頻率fk和工作頻率fe計(jì)算脈沖當(dāng)量 經(jīng)計(jì)算得: =0.025mmmax按600mm/min 經(jīng)計(jì)算得：fk =400hz s按120mm/min 經(jīng)計(jì)算得：fe =80hz最后選擇57bygh303混合式高轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)。3.3典型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)整體機(jī)構(gòu)的機(jī)

25、械設(shè)計(jì)主要包括對(duì)稱拉伸機(jī)構(gòu)（組件）、梯形絲杠、自?shī)A緊夾頭（組件）、聯(lián)軸器、傳感器支架組件、及采用標(biāo)準(zhǔn)（外購(gòu)）光桿來(lái)組裝的導(dǎo)軌部件等組成。x、y軸方向拉伸采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，x、y方向的每對(duì)反向梯形絲杠旋轉(zhuǎn)拉伸試樣，由自?shī)A緊夾頭夾緊試樣，并由安裝在x、y軸另一端的力傳感器測(cè)出拉伸力。以下就對(duì)稱拉伸機(jī)構(gòu)、自?shī)A緊夾頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。3.3.1 對(duì)稱拉伸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)稱的拉伸機(jī)構(gòu)主要采用一對(duì)空間正交交錯(cuò)安裝的滑道，對(duì)超彈性膜材料進(jìn)行等軸拉伸。為了使超彈性膜材料在拉伸時(shí)x+、x-、y+、y-四個(gè)方向均勻拉伸，分別在每個(gè)滑道中布置6個(gè)能沿滑道滑動(dòng)的自?shī)A緊夾頭，對(duì)試樣均布夾持。其對(duì)稱拉伸是由在x軸與y軸方向上采用

26、一對(duì)反向梯形絲桿實(shí)現(xiàn)的，一對(duì)反向絲杠之間用聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)結(jié)，形成對(duì)稱的拉伸機(jī)構(gòu)。因?yàn)槊繉?duì)絲桿中都是采用一個(gè)左旋、一個(gè)右旋，所以當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)同一軸上的雙桿會(huì)向著相反的方向拉伸超彈性膜材料。圖3.3所示的對(duì)稱拉伸機(jī)構(gòu)及主要由x軸測(cè)力傳感器、y軸測(cè)力傳感器、24個(gè)自?shī)A緊夾頭、4個(gè)滑道、24個(gè)滑輪組成?；啽话惭b在滑道中，自?shī)A緊夾頭通過(guò)軸承隨滑輪在滑道中滑動(dòng)；x、y軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)兩對(duì)滑道運(yùn)動(dòng)并拉伸試樣；然后由x、y軸的測(cè)力傳感器測(cè)出拉伸力與位移的關(guān)系。圖3.3 對(duì)稱拉伸機(jī)構(gòu)（圖有些不太清晰，電機(jī)、軸承標(biāo)的不對(duì)，1. x、y軸電機(jī)應(yīng)為角型支架，把x、y軸拉伸方向標(biāo)出來(lái)）3.

27、3.2 自?shī)A緊夾頭設(shè)計(jì)由于超彈性膜材料在受到四個(gè)方向的拉伸力作用下，膜材料會(huì)被拉薄并且很容易從平臺(tái)上脫落，因此采用能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)夾緊力的自?shī)A緊夾頭（如圖3.5所示）。自?shī)A緊夾頭主要有以下幾部分構(gòu)成：偏心輪、上壓板、下壓板、夾頭底座定位銷等。帶有偏心輪的自?shī)A緊夾頭是由偏心輪或輪的自鎖性能來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊作用的夾緊裝置。夾緊動(dòng)作迅速，特別適用于尺寸偏差較小、夾緊力不大及很少振動(dòng)情況下的成批大量生產(chǎn)。圓偏心輪在任何位置都能自鎖的條件是：2e/df式中d圓偏心輪直徑（d=2r）；f圓偏心輪與零件摩擦系數(shù)一般取0.10.15。生產(chǎn)中多采用f=0.15，此時(shí)偏心距應(yīng)為e0.075d。圖3.4 偏心輪本案采用偏心距

28、為0.8mm（如圖3.4所示）。行程最大為13.5mm，對(duì)應(yīng)偏心夾緊量為1.14mm左右。1.偏心輪 2.上壓板 3.下壓板 4.底座5.凸輪軸 6.螺母 7.連接軸 8.軸承 9.柱銷圖3.5 自?shī)A緊夾頭超彈性膜材料被夾在上壓板2與下壓板3之間。當(dāng)膜材料受到拉伸力的作用，會(huì)有向拉伸力的反方向運(yùn)動(dòng)的傾向，并且2與3也會(huì)隨著膜材料運(yùn)動(dòng)。這時(shí)膜材料與2、3之間產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)偏心輪1做輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)，而且隨著摩擦力的增強(qiáng)，會(huì)使1壓在2與3上的力越來(lái)越大，2、3夾著膜材料也會(huì)越來(lái)越緊。每個(gè)自?shī)A緊夾頭組件配裝在滑道的滑輪上，工作時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)自?shī)A緊夾頭之間的距離，使膜材料能夠等軸對(duì)稱慢速被拉伸。4 雙軸

29、拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)4.1 基于pc的虛擬儀器軟件虛擬儀器是儀器儀表領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、儀器儀表技術(shù)相融合的產(chǎn)物。它以軟件為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和圖形處理功能，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)的分析處理和顯示。虛擬儀器最大的特點(diǎn)是由用戶自己定義，儀器的功能在用戶級(jí)上產(chǎn)生，不再由儀器生產(chǎn)廠家定義，用戶可以根據(jù)需要，通過(guò)增加或修改軟件，滿足自己的特殊需求。1985年，ni公司推出labview流程圖編程風(fēng)格的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行程序平臺(tái)，開(kāi)啟了虛擬儀器的先河。目前，虛擬儀器的編程平臺(tái)主要有通用編程語(yǔ)言和圖形編程語(yǔ)言兩種。通用編程語(yǔ)言例如c語(yǔ)

30、言在早期的虛擬儀器的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用，vc、vb等語(yǔ)言也可以用于虛擬儀器的開(kāi)發(fā)。使用的編程語(yǔ)言，國(guó)外的有ni公司的labwindows/cvi、labview,hp公司的vee；國(guó)內(nèi)的有東方震動(dòng)和噪聲研究所dasp開(kāi)發(fā)軟件。labwindows/cvi是ni公司推出的半圖形化編程工具，它支持標(biāo)準(zhǔn)c和c+編程，因此可以平穩(wěn)地運(yùn)行于視窗操作系統(tǒng)下。cvi編程語(yǔ)言適合較大型測(cè)控程序的編寫，在實(shí)際的測(cè)控儀器的中有著廣泛的應(yīng)用。labview是圖形化編程語(yǔ)言，這種編程語(yǔ)言和人的思維習(xí)慣相符，初學(xué)者很容易掌握，適合儀器專業(yè)的初次接觸使用和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)使用，該軟件自帶了ni公司和大部分知名公司的硬件驅(qū)動(dòng)，所以也在普

31、通測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)中有著廣泛的使用。matlab編程語(yǔ)言有著演算紙語(yǔ)言的美譽(yù)，它有著強(qiáng)大的矩陣計(jì)算能力和豐富的功能包。matlab和labview界面開(kāi)發(fā)、硬件控制、遠(yuǎn)程通訊的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，可以開(kāi)發(fā)出功能更強(qiáng)大的程序。鑒于兩者的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)vi的編程平臺(tái)會(huì)向matlab和labview混合編程的方向發(fā)展。4.2 利用vc+設(shè)計(jì)雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)軟件ni-daq mx是美國(guó)國(guó)家儀器公司daq硬件的驅(qū)動(dòng)軟件，包括一個(gè)龐大的函數(shù)庫(kù)和vi庫(kù)。通過(guò)一些應(yīng)用軟件，如labview或者labwindowscvi中可以調(diào)用這些庫(kù)來(lái)編程，實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量設(shè)備的所有特性。ni-daqmx測(cè)量服務(wù)軟件，除了具備數(shù)據(jù)采

32、集（daq）驅(qū)動(dòng)的基本功能之外，還具備更高工作效率，更高性能優(yōu)勢(shì)。ni正是憑借這一點(diǎn)，得以在虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域以及基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方面保持行業(yè)領(lǐng)先地位！其驅(qū)動(dòng)軟件提供應(yīng)用程序編程接口，該接口是一個(gè)包含各種vi、函數(shù)、類、屬性和特性的庫(kù)，為設(shè)備創(chuàng)建應(yīng)用程序。隨pci-7340運(yùn)動(dòng)控制卡同時(shí)提供的驅(qū)動(dòng)軟件及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)，也可以很方便地幫助用戶建立應(yīng)用程序。本案的系統(tǒng)軟件采用 vc+6.0編制，利用其強(qiáng)大的圖形功能創(chuàng)建可視化的虛擬儀器控制面板（見(jiàn)圖4.1），通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集及運(yùn)動(dòng)控制。圖4.1 雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)控制面板4.3 運(yùn)動(dòng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集控制模塊的關(guān)鍵

33、步驟根據(jù)雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，采取模塊化設(shè)計(jì)思想，該系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、手動(dòng)調(diào)整（控制）模塊等。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊是本案的關(guān)鍵，實(shí)際調(diào)試中往往因?yàn)樵O(shè)置步驟不正確而導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不能正常進(jìn)行，如下介紹上述兩模塊的編制步驟：4.3.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊的關(guān)鍵步驟通過(guò)調(diào)用pci7340隨機(jī)附帶的驅(qū)動(dòng)中的一些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(flexmotion32.dll)函數(shù)，可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,如下是具體步驟（僅說(shuō)明主要函數(shù)參數(shù)含義）：(1)首先需對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行初始化：flex_initialize_controller(boardid, null)

34、;(2)因?yàn)槭菍?duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，需要對(duì)每圈的脈沖數(shù)進(jìn)行設(shè)置，分別對(duì)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行設(shè)置：flex_load_counts_steps_rev(boardid, 1, nimc_steps, 400);flex_load_counts_steps_rev(boardid, 2, nimc_steps, 400);400為每圈的脈沖數(shù)。(3)對(duì)于聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，需配置向量空間，將運(yùn)動(dòng)卡控制軸分配到向量空間：flex_config_vect_spc(boardid,nimc_vector_space1,1,2,3);(4)設(shè)置電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模塊，由于本拉伸平臺(tái)需檢測(cè)在不同拉伸率情況下的拉力，為方便編程可選用相對(duì)

35、模式：flex_set_op_mode(boardid,nimc_vector_space1,nimc_relative_position);注意：由于此操作影響目標(biāo)點(diǎn)及速度值的確定，必須安排在軌跡參數(shù)加載之前。(5)確定電機(jī)速度（按rpm即按每分轉(zhuǎn)單位設(shè)置）：flex_load_rpm(boardid,nimc_vector_space1,drpm,0xff);其中drpm即是根據(jù)控制面板上設(shè)置的速度經(jīng)換算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）：(6)為向量空間加載最大加速度/減速度的值：flex_load_rpsps(boardid,nimc_vector_space1,nimc_both,5000,0

36、xff);(7)加載空間坐標(biāo)位置，根據(jù)采集點(diǎn)數(shù)確定的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)點(diǎn)：flex_load_vs_pos(boardid,nimc_vector_space1,xposition,vposition,0,0xff);(8)發(fā)命令啟動(dòng)電機(jī)：flex_start(boardid,nimc_vector_space1,0);(9)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后關(guān)閉電機(jī)：flex_stop_motion(boardid,nimc_vector_space1,nimc_decel_stop,0);4.3.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊的關(guān)鍵步驟通過(guò)調(diào)用隨ni-daq mx附帶的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（僅說(shuō)明主要函數(shù)參數(shù)含義）：

37、（1）創(chuàng)建任務(wù) daqmxcreatetask(“”,&taskhandle);（2）創(chuàng)建兩個(gè)通道分別測(cè)量x、y軸的壓力信號(hào)并加入到創(chuàng)建的任務(wù)中，并規(guī)定所測(cè)經(jīng)過(guò)變送器調(diào)理后的電壓范圍為-10v10v：daqmxcreateaivoltagechan(taskhandle,“dev1/ai0:1”“”，daqmx_val_cfg_default,-10,10,daqmx_val_volts,null);（3）設(shè)置采樣時(shí)鐘頻率為1000hz及所需（產(chǎn)生）的采樣數(shù)50個(gè)：daqmxcfgsampclktiming(taskhandle,“”,1000.0,daqmx_val_rising,daqmx

38、_val_finitesamps,50);（4）經(jīng)過(guò)上述設(shè)置后即可開(kāi)始任務(wù)，準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)：daqmxstarttask(taskhandle);（5）讀取數(shù)據(jù)到數(shù)組，以備后續(xù)顯示及存檔：daqmxreadanalogf64(taskhandle,50,0.1,daqmx_val_groupbyscannumber,data,10000,&read,null);（6）數(shù)據(jù)讀取后即可停止任務(wù)，并清除任務(wù)：daqmxstoptask(taskhandle);daqmxcleartask(taskhandle);結(jié) 論此篇論文利用高級(jí)語(yǔ)言vc+封裝的mfc類進(jìn)行虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)

39、據(jù)采集卡隨機(jī)附帶的dll對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集控制。利用vc+6.0的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于ni-daq的雙軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)。采取行程等分定點(diǎn)觸發(fā)方式，完成了對(duì)一種超彈性膜材料雙向拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，并較詳細(xì)地介紹了對(duì)ni運(yùn)動(dòng)控制卡及數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵步驟。本文開(kāi)發(fā)的基于ni-daq的虛擬儀器系統(tǒng)，完全能滿足測(cè)試性能要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活方便、性能價(jià)格比高。致 謝畢業(yè)論文正代表大學(xué)的終結(jié)，完成它既有收獲感，又有一種失落，但它代表著我三年的努力，代表了我三年的歷程。這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，并非我一人之功勞。我要感謝我的指導(dǎo)老師羅華安老師和潘紅恩老師，他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。感謝他們?cè)诎倜χ袨槲姨峁┝嗽S多的幫助和指導(dǎo)，在多次的郵件、電話和面談中，我學(xué)到了很多書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到的一些高科技知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容。他們的指導(dǎo)和幫助，也直接啟發(fā)了我進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究的興趣。感謝在大學(xué)學(xué)習(xí)的三年中給我們授課的老師們。從他們的授課中，我收獲了許多的只是和啟發(fā)，學(xué)習(xí)了完善的數(shù)控技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，以及學(xué)習(xí)和研究問(wèn)題的方法。感謝學(xué)校各部門的領(lǐng)導(dǎo)和工作人員，使我能有三年充實(shí)愉快的學(xué)習(xí)生活。尤其是學(xué)院圖書(shū)館，讓我有充足的空間去查閱論文所需要