機械畢業(yè)設計（論文）-振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā)【全套圖紙】

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1、振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā)振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 目錄目錄 畢業(yè)論文任務書 開題報告 指導教師審查意見 評閱老師評語 答辯會議記錄 中文摘要 外文摘要 前言 1 1 概述1 1.1 國內(nèi)外振動臺的現(xiàn)狀1 1.2 振動臺的發(fā)展趨勢及研究主攻方向1 1.3 振動量測試的發(fā)展趨勢及研究主攻方向2 2 2 總體方案設計4 3 3 主機結(jié)構(gòu)設計5 3.1 電動機的確定5 3.1.1 電動機的分類5 3.1.2 電動機的選擇7 3.2 傳動機構(gòu)的確定7 3.2.1 傳動機構(gòu)的分類7 3.2.2 傳動機構(gòu)的選擇8 3.2.3 帶的選擇及計算1

2、1 3.3 振動源的設計11 3.3.1 產(chǎn)生正玄波位移的凸輪的設計12 3.3.2 產(chǎn)生三角形波位移的凸輪的設計13 3.4 振動臺臺架的設計13 3.5 校核13 3.5.1 計算懸臂梁受的力14 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 3.5.2 校核頂桿的強度15 4 4 測試系統(tǒng)方案設計15 4.1 測試系統(tǒng)的構(gòu)成15 4.2 測試系統(tǒng)的設計步驟15 4.3 傳感器的確定15 4.3.1 傳感器分類17 4.3.2 傳感器選擇20 4.4 A/D 轉(zhuǎn)換器的確定20 4.4.1 A/D 轉(zhuǎn)換器的分類20 4.4.2 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇22 5 5 測試軟件開發(fā)22 5.

3、1 Microsoft Visual Basic 6.0 簡介22 5.1.1 Visual Basic 集成開發(fā)環(huán)境22 5.2 設計 VB 應用程序的步驟25 5.2.1 設計用戶界面25 5.2.2 設置屬性25 5.2.3 編寫代碼26 5.2.4 保存和運行調(diào)試工程、生成 EXE 文件26 5.3 振動臺性能曲線測試系統(tǒng)軟件開發(fā)26 5.3.1 軟件簡介26 5.3.2 特點26 5.3.3 系統(tǒng)要求27 5.3.4 運行界面介紹27 6 6 設計小結(jié)32 參考文獻33 致謝34 附錄35 附錄一35 附錄二36 附錄三38 附錄四45 附錄五55 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第

4、 頁 共 75 頁 附錄六62 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā)振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 摘要摘要 這篇文章介紹了振動實驗臺的設計及其測試系統(tǒng)開發(fā)。振動實驗臺就是用來 做振動試驗的一種裝置。本文對振動實驗臺的國內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢和這次所設 計的機械振動實驗臺的整個過程都作了詳細的論述。這次設計分為機械設計和測試 系統(tǒng)開發(fā)兩個部分。本次設計主要是爭對教學實驗的設計，所以在機械設計部分中 的傳動機構(gòu)的設計，激振裝置的設計，以及臺架的設計都經(jīng)過方案的篩選。最后選 用懸臂梁機械振動臺，其激振裝置是設計了一個能產(chǎn)生正玄波位移的凸輪和一個能 產(chǎn)生三角波位移的凸輪。在測試系統(tǒng)開發(fā)部分根據(jù)需要選擇了一些

5、先進的測試儀器， 比如位移傳感器和速度傳感器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器，并且基于用 VB 語言編寫程序所實現(xiàn) 的測試軟件的開發(fā)以便得到激振裝置所產(chǎn)生的位移和速度曲線，然后得到振動臺的 振動規(guī)律。 關鍵詞關鍵詞 振動實驗臺 懸臂梁 振動測量 傳感器 測試系統(tǒng) 程序 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 The Design of The Shake Testing Table and Tested Systematic Development AbstractThis article has introduced the design of

6、 the shake testing table and tested systematic development. The shake testing table is a kind of device that is used for doing shake testing . This article make detailed argumentation to domestic and international current situation with development trend and the whole course of designing mechanical

7、shake testing table . This design is divided into two parts which is mechanical design and tested systematic development. The design is mainly design that contends for experimenting to the teaching, so the design of transmission organization , the design of device to defy shake and the design of a s

8、helf in the machinery all pass the screening of the scheme. So in tested systematic development choose some advanced testers according to the need, for example moves to spread the feeling machine and speeds to spread the feeling machine and the A/ D conversion machines and also on the basis of progr

9、amming with VB which is realized the development of a testing software, in order to be arouse to flap to equip the produce to move and the speed curve, then get the vibration regulation of vibrate the pedestal. Key wordsshake testing table Hang the arm beam shake measure sensor testing system progra

10、mme 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 1 1 概述概述 1.11.1 國內(nèi)外振動臺的現(xiàn)狀國內(nèi)外振動臺的現(xiàn)狀 對許多人來說，振動試驗臺是一個冷僻的專業(yè)詞匯，恐怕大部分人不知其為何 物。實際上，振動試驗臺應用范圍極廣，大到火箭制造，小到餅干的生產(chǎn)，都需要 做振動試驗。這樣一種被廣泛使用的關鍵設備，過去很長一段時間，由于受多種技 術(shù)的制約，我國所使用的振動試驗臺大多一直依靠國外進口。 20世紀70年代，在國內(nèi)，振動試驗臺有“1噸推力1噸金”之說，進口1臺1噸級的 振動試驗臺需要花費價值1噸黃金的代價。而且，歐美等發(fā)達國家長期以來都對中國 實行中高端技術(shù)與產(chǎn)品的禁運。以前，這些

11、國家對中國禁運1噸以上的電動振動臺， 時至今日，5噸以上推力的電動振動臺仍被禁止運到中國銷售，不僅振動臺的心臟部 件不允許進入中國，哪怕一個光標都不允許中國進口。 近年來，我國有關部門完全擺脫了模仿、消化、吸收等傳統(tǒng)模式，大膽采用新 工藝、新技術(shù)、新材料，用全新的創(chuàng)造、最優(yōu)化的設計、完全自主獨立的知識產(chǎn)權(quán) 開發(fā)電動振動試驗系列產(chǎn)品，形成了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；蛧H化的特色。近3年來，蘇 州東菱連創(chuàng)國內(nèi)新高：開發(fā)設計成功的6噸風冷電動振動臺，填補了我國大推力風冷 式電動振動臺的空白。在此產(chǎn)品的基礎上又擴展出國際上最大推力的7噸風冷式電動 臺。今年4月，企業(yè)研制成功了我國最大的16噸水冷式電動振動臺，性

12、能指標全面趕 超世界先進水平，標志著我國研制大推力電動振動試驗系統(tǒng)的能力和水平躋身國際 先進行列。 1.21.2 振動臺的發(fā)展趨勢及研究主攻方向振動臺的發(fā)展趨勢及研究主攻方向 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 當前，我國工業(yè)生產(chǎn)的特點是產(chǎn)品品種多、更新快和市場競爭激烈。由于電子、 電工及材料技術(shù)的提高和機械設計方法的改進，為振動試驗系統(tǒng)的發(fā)展提供了機遇， 而且隨著技術(shù)投入的加大，將會為振動試驗提供更可靠、高效率、低成本的設備。 因此，振動實驗臺的發(fā)展的趨勢是非常明顯的。60年代，為滿足航天產(chǎn)品振動試驗 的需要，開始了振動試驗系統(tǒng)的研制，包括推力10N至100kN的振動臺及各

13、種振動測 量儀表和傳感器。目前，振動試驗設備不僅在航天領域而且在其他行業(yè)發(fā)揮著作用， 成為一項重要民品。用于振動試驗的振動臺系統(tǒng)從其激振方式上可分為三類：機械 式振動臺、電液式振動臺和電動式振動臺。從振動臺的激振方向，即工作臺面的運 動軌跡來分，可分為單向(單自由度)和多向(多自由度)振動臺系統(tǒng)。從振動臺的功能 來分，可分為單一的正弦振動試驗臺和可完成正弦、隨機、正弦加隨機等振動試驗 和沖擊試驗的振動臺系統(tǒng)。 (1) 機械式振動臺 由于其性能的局限，今后用量會越來越小。 (2) 電液式振動臺 因其大推力、大位移可以彌補電動振動臺的不足，在未來振 動試驗中仍將發(fā)揮作用，尤其是在船舶和汽車行業(yè)會有

14、一定市場。 (3) 電動振動臺 將是未來振動試驗的主要設備，其制造技術(shù)會在兩個方面有 所發(fā)展。一是新材料的應用，隨著大型磁性材料成本的降低，大型的永磁振動臺將 成為可能，這種振動臺結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約能源，且有高可靠性。功率放大器會采用更 多的數(shù)字化和模塊化的電路，體積越來越小，效率越來越高。二是新方法的應用， 隨著有限元方法的推廣，復雜結(jié)構(gòu)的動力特性可以準確、快速的計算出來。因為振 動臺跟汽車等產(chǎn)品相比用戶是很少的，只能進行小批量生產(chǎn)，這就便于對不同的用 戶、不同的試件進行專門設計，實現(xiàn)運動部件與夾具的一體化設計，使每一個實驗 系統(tǒng)都達到最佳性能。 (4) 多向振動臺 許多試驗件，尤其是航空航天和

15、船舶行業(yè)的試驗件，所處的 振動環(huán)境并不是單自由度，而是多自由度的，顯然用目前常用的單方向激振的振動 臺無法實現(xiàn)真實的振動環(huán)境。為了更真實的模擬振動環(huán)境，在 60 年代初期，美國就 開始了三向振動臺的研制，到 70 年代已成功的研制了工作頻率較高、失真度較小的 三向振動系統(tǒng)。80 年代，702 所也開始了這方面的研究。多向振動臺有電動式和液 壓式，電動式可以實現(xiàn)高的工作頻率和低的波形失真，而液壓式適合于低頻工作， 容易實現(xiàn)大激振力。目前三向及多向振動系統(tǒng)在美、日等國家應用較多，在我國使 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 用還很少。但隨著技術(shù)的日益成熟，多向振動臺將以其自身的性

16、能優(yōu)勢和高的工作 效率得以推廣。 1.31.3振動量測試的發(fā)展趨勢及研究主攻方向振動量測試的發(fā)展趨勢及研究主攻方向 振動量測技術(shù)的發(fā)展是于整個工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展密切相關的.18世紀,隨著世界工 業(yè)革命的興起,生產(chǎn)迅速發(fā)展.在工業(yè)廠房,機器基礎,橋梁等領域中,由于機械轉(zhuǎn)速的 增大,車輛運載能力,運行速度的提高,經(jīng)典的結(jié)構(gòu)靜力學已不能適應,振動理論這門 新的分支應運而生. 實際工程中的振動問題是復雜的,單靠理論分析具有其局限性.由于不熟悉結(jié)構(gòu) 在新條件下的工作性能,由振動引起的工程倒塌事件大量出現(xiàn),促使人們設法進行振 動試驗來驗證讓結(jié)構(gòu)可靠程度,并尋求結(jié)構(gòu)工作的內(nèi)在規(guī)律為建立新的結(jié)構(gòu)計算理論 奠定基礎

17、.為此測試設備也隨之發(fā)展.早期的振動測量儀是機械式的.此外還有多簧式 頻率計. 在40年代,使用叫多的仍然是機械式測試儀,有手持測振儀及蓋格爾萬能測振儀 等. 在40年代,電阻應變儀研制成功,其適用范圍由靜應變測量,逐步發(fā)展到動應變測 量和振動測量. 隨著電子技術(shù)的發(fā)展,測振用的傳感器發(fā)展很快.按被測參數(shù)來分:有唯一,速度, 加速度傳感器等;按傳感器敏感元件工作特點來分:有電動式,磁電式,壓電式,壓阻式,差 容式,應變電阻式等. 測試方法上也發(fā)展較快.有相位共振發(fā),矢量分析法.附加質(zhì)量法,附加剛度法,復 數(shù)功率法,多點激振法,機械阻抗法等. 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁

18、 2 2 總體方案設計總體方案設計 下圖是一般的測試框圖（圖 1） ，整個測試過程大體上可分為 5 個基本環(huán)節(jié)。 （1）測試對象 也稱為試驗模型，它是測試的主體。在工程上它通常是承受動 載荷的動力結(jié)構(gòu)。測試對象既可以是實際結(jié)構(gòu)原型，也可以是按一定相似關系制作 的比例模型。在這里選用的是實際結(jié)構(gòu)原型。 （2）激勵環(huán)節(jié) 為了獲得測試所需的結(jié)構(gòu)振動響應，必須對結(jié)構(gòu)施加一定形式 的激勵。按試驗的要求不同，有多種激勵方式和設備可供選用。在這里選用的是懸 臂梁機械振動臺。 （3）測量環(huán)節(jié) 測量環(huán)節(jié)包括有傳感器及配套的測量電路所組成的傳感器測量 系統(tǒng)。傳感器測量系統(tǒng)在整個測試過程中擔當了將機械振動量轉(zhuǎn)換為電

19、信號的重任， 它直接關系到試驗的成敗和精度。因此，在任何測試場合，首先要保證這一環(huán)節(jié)的 可靠性。應根據(jù)試驗所要求的頻率范圍，幅值量級，測量參數(shù)（振動位移，速度， 加速度，力和應變等）及試驗模型的條件選擇合適的傳感器測量系統(tǒng)。 （4）分析環(huán)節(jié) 分析環(huán)節(jié)的作用是對來自傳感器測量系統(tǒng)的原始振動信號進行 波形分析，變換等處理，以給出試驗所要求的結(jié)果。隨著試驗研究的深入和測試技 術(shù)的發(fā)展，分析的內(nèi)容也在不斷地充實與發(fā)展。用于分析的儀器，種類越來越多， 功能也越來越強。 （5）檢測環(huán)節(jié) 測試的最后結(jié)果通過檢測環(huán)節(jié)以數(shù)據(jù)和圖表形式提供出來，它 包括多種用于顯示，記錄和繪圖的儀器，比如幅值和相位檢測儀器，電子

20、示波儀， 光線示波儀，x-y 函數(shù)記錄儀，電平記錄儀，數(shù)字繪圖儀，打印機和用于存儲分析結(jié) 果的磁盤驅(qū)動器等。 圖圖 1 測試框圖測試框圖 振動臺 位移傳感器 器 速度傳感器 振動信號 分析設備 顯示，記錄， 繪圖設備 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 3 3 主機結(jié)構(gòu)設計主機結(jié)構(gòu)設計 3.13.1 電動機的確定電動機的確定 3.1.13.1.1、電動機的分類、電動機的分類（圖 2） 圖圖 2 2 電動機分類電動機分類 3.1.23.1.2、電動機的選擇、電動機的選擇 在這里選用的是 SZ 系列的寬調(diào)速直流伺服電動機。 (1)結(jié)構(gòu)特點 寬調(diào)速直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)特點是激磁便于

21、調(diào)整，易于安排補償繞組和換向 極，電機的換向性能得到改善，成本低，可以在較寬的速度范圍內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)速特性。 電機定子（磁鋼）采用矯頑力高，不易去磁的永磁材料（鐵氧體永久磁鐵） ，轉(zhuǎn) 子（電樞）直徑大并且有槽，因而熱容量大，結(jié)構(gòu)上又采用了通常凸極式和隱極式 永磁電機磁路的組合，提高了電動機氣隙磁密。同時，在電機尾部裝有高精度低紋 波的測速發(fā)電機并可加裝光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器及制動器為速度環(huán)提供了較高的 增量，能獲得優(yōu)良的低速剛度和動態(tài)性能。因此，寬調(diào)速直流伺復電機是目前機電 電 動 機 按 電 流 類 型 按 容 量 或 尺 寸 直流電動機 交流電動機 同步電動機 異步電動機 鼠籠型電動 機 繞線

22、型電動 機 按 轉(zhuǎn) 子 結(jié) 構(gòu) 按 相 數(shù) 單相電動機 多相電動機 大型電動機 中型電動機 小型電動機 小功率電動 機 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 一體化閉環(huán)伺復系統(tǒng)中應用較廣泛的一種控制電機。 其主要特點是調(diào)速范圍寬，低速運行平穩(wěn)；負載特性硬，過載能力強，在一定 的速度范圍內(nèi)可以做到恒力矩輸出。反映速度快，動態(tài)響應特性好。當然，寬調(diào)速 直流伺復電機體積較大，其電刷易磨損，壽命受到一定限制。 (2)型號及參數(shù)（表 1） 型號轉(zhuǎn)矩 mN.M 轉(zhuǎn)速 r/min 功率 KW 電壓 電樞/激 磁 V 電流 電樞/ 激磁 A 允許順逆 轉(zhuǎn)速差 r/min 轉(zhuǎn)動慣量 (不大于 k

23、g.m 55SZ0943100000.481100.66/0.0 9 40015 表表 1 1 電動機的型號及參數(shù)電動機的型號及參數(shù) (3)外形與尺寸（表 2） （圖 3） 以下是端改凸緣安裝型式的 SZ 系列伺復電動機的外形及安裝尺寸. (mm) Nh2h3MPSD1LDE H7-h120.15-h6- 4242.548584.560101512 L4FGdD2E2L12F1G2D2 -+0.005 -0.015 h11H11h6-+0.005 -0.015 h11H11 13.523.3741213.5光軸 表表 2 2 電動機的外形與尺寸電動機的外形與尺寸 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā)

24、 第 頁 共 75 頁 P M M LP 圖圖 3 3 電動機的外形圖電動機的外形圖 3.23.2傳動機構(gòu)的確定傳動機構(gòu)的確定 3.2.13.2.1、傳動機構(gòu)的分類傳動機構(gòu)的分類（圖 4） 圖圖 4 4 傳動機構(gòu)的分類傳動機構(gòu)的分類 3.2.23.2.2、傳動機構(gòu)的選擇傳動機構(gòu)的選擇 在選擇傳動類型時所應根據(jù)的主要指標是：效率高，外廓尺寸小，質(zhì)量小，運 機 械 傳 動 摩擦傳動 嚙合傳動 定傳動比 傳動 變傳動比 傳動 摩擦輪傳動 帶傳動 齒輪，蝸桿 及螺旋傳動 同步帶傳動 鏈傳動 動 力 方 式 分 改 變 傳 動 比 分 有級變速 傳動 無級變速 傳動 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第

25、頁 共 75 頁 動性能良好及符合生產(chǎn)條件（生產(chǎn)的可能性，預期的生產(chǎn)率及生產(chǎn)成本）等。在這 里選用了同步帶傳動。 帶傳動（圖 5）是有固聯(lián)于主動軸上的帶輪 1（主動輪） ，固聯(lián)于從動軸上的帶 輪 3（從動輪）和緊套在兩輪上的傳動帶 2 組成的 （如下圖所示） 。當原動機驅(qū)動 主動輪轉(zhuǎn)動時，由于帶和帶輪間的摩擦（或嚙合） ，便拖動從動輪一起轉(zhuǎn)動，并傳遞 一定動力。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，造價低廉以及緩沖吸振等特點，在近 代機械中被廣泛應用。 圖圖 5 5 帶傳動示意圖帶傳動示意圖 3.2.33.2.3、帶的選擇及計算帶的選擇及計算 選擇同步帶傳動，電動機型號為 55SZ09，最大轉(zhuǎn)速 n1

26、=10000r/min，額定功率 P=400w，減速傳動比 i=10000/6000=1.7，每天工作10 小時。 此小節(jié)所查參數(shù)表都是來源于楊黎明 主編，王智相 副主編， 機電一體化 系統(tǒng)設計手冊 ，國防工業(yè)出版社（北京） (1) 計算功率 工作情況系數(shù) KA 由表 2.113 查得 KA=1.2 計算功率 Pd=KA*P=1.2*400=480w (2) 選定帶型和節(jié)距 根據(jù) Pd 和 n1 由圖 2.13 選定帶型 L 型。 由表 2.12 選定帶節(jié)距 Pd=9.525mm (3) 帶輪齒數(shù) Z1 v v 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 根據(jù)帶型和 n1 由表 2.

27、114 查得 Zmin=18，取 Z1=20 (4) 帶輪節(jié)圓直徑 d1 d1=Z1*Pb/=20*9.525/=60.67mm (5) 小帶輪的外徑 da1 由表 2.17 查得 da1=59.88mm (6) 大帶輪齒數(shù) Z2 Z2=I*Z1=1.7*20=34 (7) 大帶輪節(jié)圓直徑 d2 d2=Z2*Pb/=34*9.525/=103.14mm (8) 大帶輪外徑 da2 由表 2.17 查得 da2=108.39mm (9) 帶速 v v=*d1*n1/60000=*60.67*10000/60000=31.7m/s35m/s，合格 (10) 初定軸間距 a0 根據(jù)推薦范圍：0.7*

28、（d1+d2）a02*（d1+d2） 即 114.67mma0327.62mm，所以初取 a0=220mm (11) 帶長 L0 及齒數(shù) Z L0=2*a0+/2*（d1+d2）+（d2-d1）/（4*a0） =2*220+/2*（60.67+103.14）+（103.14-60.67）/（4*220） =440+257.18+2.05 =699.23mm 由表 2.13 選用帶長代號為 270 的 L 型同步帶，其節(jié)線長為 Lp=685.80mm，帶齒數(shù) Z=72 (12) 實際軸間距 a a=a0+（Lp-L0）/2=220+（685.80-699.23）/2=213.29mm (13)

29、小帶輪嚙合齒數(shù) Zm Zm1/2-（d2-d1）/（6*a）*Z1=1/2-（103.14-60.67） /（6*213.29）*20 =9.34 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 取整 Zm=9 (14) 基本額定功率 P0 由表 2.116 查出 Ta=245N，m=0.096Kg/m 則 P0=（Ta-mv）*v/1000=（245-0.096*31.7）/1000=4.7KW (15) 寬 bs 由表 2.115 查得 L 型帶的 bs0=25.4 mm 因為 Zm=96，所以 Kz=1 則 bs=bs0*=25.4* 14 . 1 )0*(PKzPd 14 . 1

30、 )7 . 4*1 ()001 . 0 *48( =24.9mm 由表 2.18 查得應選帶寬代號為 100 的 L 型帶 標準帶寬 bs=25.4mm (16) 帶作用在軸上的里 Fr Fr=1000*Pd/v=1000*4.8/31.7=151.42N (17) 帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸（圖 6） （圖 7） 由表 2.16，2.17，2.18，2.19 查得帶輪尺寸如下所示： 直邊齒同步帶帶輪的尺寸和公差：（表 3） 圖圖 6 6 帶輪輪齒示意圖帶輪輪齒示意圖 齒槽 底 寬 齒高槽半 角 齒跟圓 角半 徑 齒頂圓 角半 徑 節(jié)頂 距 外圓 直 徑 外圓 節(jié) 距 跟圓節(jié) 距 bwhg 1. 5 Rf

31、ra 2 daPadfL 型 3.05 0.1 0 2.67201.191.170.762da=d- 2 Pa= *d a/Z df=da-2hg 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 表表 3 3 帶輪的尺寸及公差帶輪的尺寸及公差 d D l L P 圖圖 7 7 帶輪的結(jié)構(gòu)示意圖帶輪的結(jié)構(gòu)示意圖 3.33.3 振動源的設計振動源的設計 3.3.13.3.1、產(chǎn)生正玄波位移的凸輪的設計、產(chǎn)生正玄波位移的凸輪的設計 偏心輪機械振動臺的工作原理是當偏心輪 w 中心 O1 繞著轉(zhuǎn)軸中心 O 點轉(zhuǎn)動時， 振動臺面就發(fā)生上下往復振動。 方案 1：令凸輪（圖 8）圓心為 K，轉(zhuǎn)軸圓心為

32、O1，則偏距 r=KO1，振動位移 x 為 x=r*sinwt。由此可知：振幅由偏心距 r 決定，頻率由直流電動機的轉(zhuǎn)速決定。 理論上，這種振動臺在一定的偏心距下其振幅不隨試件的質(zhì)量和使用頻率而變化。 為了便于調(diào)節(jié)偏心距，可采用方案 2。 圖圖 8 8 偏心凸輪裝置示意圖偏心凸輪裝置示意圖 方案 2：此方案采用的是雙凸輪裝置（圖 9） ，內(nèi)凸輪固定在轉(zhuǎn)軸上，外凸輪套 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 在內(nèi)凸輪上，內(nèi)，外兩凸輪的相對位置是可調(diào)節(jié)的。當兩個凸輪的圓心 O2，O3 和轉(zhuǎn) 軸 O1 的位置如圖所示時，整個凸輪機構(gòu)的偏心距 e3=e1+e2，e1 表示內(nèi)吐露以內(nèi)的 偏

33、心距，e2 表示外凸輪的偏心距。如果將外凸輪相對內(nèi)凸輪旋轉(zhuǎn) 180，而且如果 e1=e2=c，則外凸輪的圓心 O3 和軸心 O1 重合，即 e0=e2-e1=0。于是通過改變兩個 凸輪的相對位置，振動臺的振幅既可在 0-2c 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 圖圖 9 9 雙凸輪裝置示意圖雙凸輪裝置示意圖 3.3.23.3.2、產(chǎn)生三角形波位移的凸輪的設計、產(chǎn)生三角形波位移的凸輪的設計 根據(jù)要求所要設計的是一頂尖對心直動從動件盤狀凸輪機構(gòu)，其凸輪廓線是根 據(jù)圖 10（左）所示的從動件位移線圖 s- 設計而成的。當凸輪以角速度 w 繞其軸心 O 順時針等速轉(zhuǎn)速度，從動件的高副元素（頂尖）將沿凸輪的高副元素（廓線）作

34、 相對運動，顯然，從動件一定能夠再現(xiàn)圖 10（左）所示的 s- 位移線圖。為了使凸 輪保持靜止，可虛擬地給整個機構(gòu)加上一個繞凸輪轉(zhuǎn)動軸心 O 反轉(zhuǎn)的公共角速度（- w） 。顯然，這時凸輪與從動件之間的相對運動并沒有改變，但凸輪將保持靜止，而 從動件則一方面連同其導軌一起以角速度（-w）繞凸輪軸心 O 轉(zhuǎn)動，同時又在其導 軌內(nèi)移動，再現(xiàn)圖 10（左）所示的位移圖。顯然，從動件在上述復合運動中其頂尖 的運動軌跡即為凸輪的輪廓曲線。 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 x 圖圖 1010 三角凸輪示意圖三角凸輪示意圖 3.43.4 振動臺臺架的設計振動臺臺架的設計 振動臺臺架的結(jié)構(gòu)

35、形狀和尺寸大小，決定于安裝在它內(nèi)部或外部的零件和部件 的形狀和尺寸及其相互配置，受力與運動情況等。臺架的一些結(jié)構(gòu)尺寸，如壁厚， 凸緣寬度，肋板厚度等，對抬架的工作能力，材料消耗，質(zhì)量和成本，均有重大的 影響。但是由于這些部位形狀的不規(guī)則和應力分布的復雜性，按照經(jīng)驗公式，經(jīng)驗 數(shù)據(jù)或比照現(xiàn)用的類似裝置進行設計，而略去強度和剛度等的分析與校核。 （尺寸如 副圖） 3.5 校核校核 3.5.13.5.1 計算懸臂梁受的力計算懸臂梁受的力 (1)位移為負時 由此可知: RB=-P,MB=-PL,QX=-PX,MX=-PX 撓度 fx=-PL/(6EI)(2-3+) 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第

36、頁 共 75 頁 fA=-PL/(3EI) 則 P=-fA(3EI)/L 取 fA=-10mm,E=210GPa，L=400mm,I=bh/12=50mm（5mm）/12， 則 P=-10mm3210GPa50mm（5mm）/12（400mm）=51.3N （2）位移為正時同理 3.5.23.5.2 校核頂桿的強度校核頂桿的強度 頂桿允許的最大軸力為 NmaxA 頂桿的材料是鋼，取=60MPa，直徑 D=15mm 則 Nmax60MPa（15mm）/4=10.6KN 而 P10.6KN，合格 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 4 4 測試系統(tǒng)方案設計測試系統(tǒng)方案設計 4.1

37、4.1 測試系統(tǒng)的構(gòu)成測試系統(tǒng)的構(gòu)成 振動測試系統(tǒng)是只測定振動量的總有效值或峰值的儀器或系統(tǒng)。通常它是由傳 感器，信號放大器，衰減和檢測指示裝置，信號變換器（線性-對數(shù)轉(zhuǎn)換）等組成。 4.24.2 測試系統(tǒng)的設計步驟測試系統(tǒng)的設計步驟 (1) 根據(jù)設計要求可知需要測量的振動信號的位移為正玄波和三角形波兩種， 信號的幅值范圍為 0-10mm，頻率分布范圍為 1-100HZ。根據(jù)這些基本情況，選擇合 適的傳感器，放大器及記錄設備。若現(xiàn)場需要進行數(shù)據(jù)處理分析，還要確定對所測 量的信號進行何種數(shù)據(jù)處理，依此選擇數(shù)據(jù)處理器。 (2) 測試之前對測試所用的傳感器要進行性能指標的檢查，校準。對整套測試 系統(tǒng)

38、要進行標定，并作詳細的記錄，包括儀器各旋鈕的位置。 (3) 測試之前要根據(jù)對時域信號的要求，確定好記錄標記的方案，測試系統(tǒng)和 結(jié)構(gòu)的同步方案。 (4) 作好傳感器的安裝和保護的準備工作。 (5) 仔細確定安裝傳感器的測點位置，要選擇能代表被測對象特征的安裝位置， 并盡量減少附加質(zhì)量對被測結(jié)構(gòu)動態(tài)響應的影響。 (6) 根據(jù)測試目的和要求，準備好現(xiàn)場測試記錄分析表格。主要內(nèi)容包括：時 間，實驗地點，氣候條件，測試對象名稱，測試條件，測試參數(shù)，測試情況等。 (7) 現(xiàn)場安裝固定好傳感器，并布線連接整套測試系統(tǒng)。然后對測試系統(tǒng)進行 測前檢查。 (8) 對初次測試的信號要進行信號的重放和直觀分析工作，檢

39、查測得的信號是 否正常。 (9) 對整個測試過程要認真仔細地作好記錄以便在以后的數(shù)據(jù)處理和分析中進 行查閱。 4.34.3 傳感器的確定傳感器的確定 4.3.14.3.1、傳感器分類、傳感器分類 將各種非電量變換為電量的裝置就是傳感器 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進 行精確可靠的測量，那么無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或都最佳數(shù)據(jù)的顯示與控制 都是不可能實現(xiàn)的。 分類：（表 4） 傳感器分類 轉(zhuǎn)換形式中間參量 轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應用 移動電位器角點改變電阻電位器傳感器位移 改變電阻絲或片的尺寸 電阻絲應

40、變傳感器、 半導體應變傳感器 微應變、力、 負荷 熱絲傳感器 氣流速度、 液體流量 電阻溫度傳感器 溫度、輻射 熱 利用電阻的溫度效應（電阻 的溫度系數(shù)） 熱敏電阻傳感器溫度 利用電阻的光敏效應光敏電陰傳感器 光強 電阻 利用電阻的濕度效應濕敏電阻濕度 改變電容的幾何尺寸 力、壓力、 負荷、位移 電容 改變電容的介電常數(shù) 電容傳感器 液位、厚度、 含水量 改變磁路幾何尺寸、導磁體 位置 電感傳感器位移 渦流去磁效應渦流傳感器 位移、厚度、 含水量 利用壓磁效應壓磁傳感器力、壓力 差動變壓器位移 自速角機位移 電感 改變互感 旋轉(zhuǎn)變壓器位移 振弦式傳感器壓力、力 振筒式傳感器氣壓頻率改變諧振回路

41、中的固有參數(shù) 石英諧振傳感器力、溫度等 利用莫爾條紋光柵 改變互感感應同步器 電參數(shù) 計數(shù) 利用拾磁信號磁柵 大角位移、 大直線位移 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 數(shù)字利用數(shù)字編碼角度編碼器大角位移 溫差電動勢熱電偶溫度熱流 霍爾效應霍樂傳感器磁通、電流 電磁感應磁電傳感器 速度、加速 度 電動勢 光電效應光電池光強 輻射電離電離室 離子計數(shù)、 放射性強度 電能量 電荷 壓電效應壓電傳感器 表表 4 4 傳感器分類傳感器分類 4.3.24.3.2、傳感器的選擇、傳感器的選擇 (1) 位移傳感器 在這里選用的是差動變壓器式高精度位移傳感器（Linear variable

42、differential transformer displacement transducer） 。 用途及特點 差動變壓器式（LVDT）位移傳感器具有良好的環(huán)境適應性、使用壽命長、靈敏 度和分辨率高的特點。使用時只要把 LVDT 的殼體夾固在參照物上，其測桿頂（或夾 固）在被測點上，就可以直接測量物體間的相對變位。廣泛用于測量預先被變成位 移的各種物理量。 把 LVDT 的電測線路采用微電子技術(shù)全部封裝入 LVDT 的殼體內(nèi)。輸入電壓 9V15V，輸出信號5V 或 05V 或 010V 或 420mA 的信號，可與四位半數(shù) 顯表配合使用，該儀器便于攜帶和在無交流電源的環(huán)境中使用。DCLVD

43、T 具有較強 的抗干擾能力，可在潮濕，大電流或強磁場等惡劣環(huán)境下工作，適宜遙測。 工作原理 LVDT 位移傳感器由同心分布在線圈骨架上一初級線圈 P，二個級線圈 S1 和 S2 組成，線圈組件內(nèi)有一個可自由移動的桿裝磁芯（鐵芯） ，當鐵芯在線圈內(nèi)移動時， 改變了空間的磁場分布，從而改變了初次級線圈之間的互感量 M，當初級線圈供給 一定頻率的交變電壓時，次級線圈就產(chǎn)生了感應電動勢，隨著鐵芯的位置不同，次 級產(chǎn)生的感應電動勢也不同，這樣，就將鐵芯的位移量變成了電壓信號輸出。為了 提高傳感器靈敏度改善線性度，實際工作時是將兩個次級線圈反串接，故兩個次級 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 7

44、5 頁 電纜 線夾測頭測桿導向殼 體 傳感器外型示意圖 線圈電壓極性相反，于是，傳感器的輸出是兩個次級線圈電壓之差，其電壓差值與 位移量成線性關系。原理圖（圖 11）如下： 圖圖 1111 位移傳感器的原理圖位移傳感器的原理圖 外形圖及尺寸（圖 12） 圖圖 1212 位移傳感器的外形圖位移傳感器的外形圖 主要技術(shù)指標（表 5） 表表 5 5 位移傳感器的技術(shù)指標位移傳感器的技術(shù)指標 使用注意事項 a 傳感器測桿應與被測物垂直接觸。 b 請別讓活動的鐵芯和測桿受大的側(cè)向力而造成變形彎曲，否則會嚴重影 響測桿的活動靈活性。傳感器不可敲打、跌落。 直流差動變壓器參 型 數(shù) 號 測量范圍(mm) 線

45、性度 (%) 靈敏度 (mV/mm) 外形尺寸(mm) 重量(g) DA 一 55(010) 0.05100019021.4 220 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 c 避免所有引線在焊接處和電纜的夾固處斷線。 d 夾持傳感器殼體時應避免松動，但也不可用力太大、太猛。 f 安裝傳感器時應調(diào)節(jié)（挪動）傳感器的夾持位置，使其位移變化不超出 測量范圍，既通過觀測位移讀數(shù)，使位移在預定的變化內(nèi)，信號輸出不 超出額定范圍。 g 接線圖（圖 13）如下： 圖圖 1313 位移傳感器的接線圖位移傳感器的接線圖 (2) 速度傳感器 在這里選用的是 SD-F 系列的線速度傳感器。 用途及特

46、點 它是用來測量直線運動速度的傳感器，它可以將直線運動的速度轉(zhuǎn)換成電壓輸 出，并保持線性關系，從而達到自動控制或測量直線運動的目的。廣泛應用于航空， 機械，冶金，兵器，儀器儀表，石油，地質(zhì)等部門。 主要技術(shù)參數(shù)（表 6） 表表 6 6 速度傳感器的技術(shù)參數(shù)速度傳感器的技術(shù)參數(shù) 參 型 數(shù) 號 工作行 程 (mm) 線性 度 (%) 測量速 度范圍 （m/s） 外形 尺寸 (mm) 工作 溫度 （C） 輸入 電壓 （V） 輸出 電壓 （V） SD-F-25 250.50-105026 -20-652200-5 + 12 V （紅色） O V （黃色） 輸出信號(高) （白色） 輸出信號（低） （

47、蘭色） 12 V （綠色） 屏蔽層 振動實驗臺的設計及測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 4.44.4A/DA/D 轉(zhuǎn)換器的確定轉(zhuǎn)換器的確定 4.4.14.4.1、A/DA/D 轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類（圖 14） 圖圖 1414 A/DA/D 轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類 4.4.24.4.2、A/DA/D 轉(zhuǎn)換器的選擇轉(zhuǎn)換器的選擇（圖 15） 在這里選用的是 12 位 32 路 100KHz 轉(zhuǎn)換率 A/D 轉(zhuǎn)換，16 路開關量輸入輸出板。 圖圖 1515 A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 （1）基本功能 PCI-7422 是 12 位 32 路 A/D 轉(zhuǎn)換接口板，采用 PCI 標準總線（+5V）

48、 ，可插入 工業(yè) PC 機或兼容機 PCI 插槽中。該接口板電路簡單可靠，價格低廉， A/D 轉(zhuǎn)換芯 片采用 100KHz AD1674(或 BB774)，輸入量范圍程多。板上有 16 路開關量 TTL 電平 輸入、16 路 TTL 電平開關量輸出。A/D 信號由 37 芯 D 型孔頭接入，開關量信號由 40 芯 IDC 接入接出。 A/D 轉(zhuǎn)換器 積分型 逐次逼近型 并行比較型/ 串并行型 - 調(diào)制 型 電容陣列逐 次比較型 壓頻變換型 振動實驗臺的設計以測試系統(tǒng)開發(fā) 第 頁 共 75 頁 （2）性能特點 A/D DI/DO 性能 通道數(shù)： 單端 32 路 輸入電壓：05V，010V，2.5V