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模具设计

毕业设计（论文）中文摘要

双轴拉伸试验平台的设计和实现

摘要：

材料试验是产品设计及对其进行优化的基础，本文利用VC++6.0的动态链接库技术，设计了一种基于NI-DAQ并且能对超弹性膜进行等轴拉伸试验的设备。

采取行程等分定点触发方式，完成了对一种超弹性膜材料双向拉伸试验的数据采集。

本文分别从系统硬件设计和系统软件设计两方面介绍NI公司的PCI7340运动控制卡和PCI6221数据采集卡的基本结构和功能、自夹紧夹头等机械组件的设计，虚拟仪器等控制系统软件的介绍，以及本案关键的运动控制模块和数据采集模块两大模块在实际编制中的关键步骤。

关键词：

虚拟仪器双轴拉伸DAQVC++

毕业设计（论文）外文摘要

Title：

TheDesignandRealizationoftheBiaxialTensileTestPlatform

Abstract:

Thematerialtestingistheproductdesignandcarriesonoptimizedtoitthefoundation,thisarticleusesVC++6.0thedynamiclinkstorehousetechnology,anddesignedonekindtobeabletocarryontheisometrypullingtestbasedonNI-DAQtothesuper-elasticitymembranetheequipment.Adoptsthetravelingscheduledivisionfixedpointtriggeringway,hascompletedtoonekindofsuper-elasticitymembranematerialbidirectionalpullingtestdataacquisition.ThisarticleseparatelydesignstwoaspectsfromthesystemhardwaredesignandthesystemsoftwaretointroduceNICorporationthePCI7340movementcontrolcardandthePCI6221dataacquisitioncardbasicstructureandthefunction,fromtheclampcartridgeandsoonthemechanicalmoduledesign,controlsystemsoftwareandsoonhypothesizedinstrumentintroductions,aswellasthiscasekeymovementcontrolmoduleanddataacquisitionmoduletwobigmodulesinactualestablishmentessentialstep.

Keyword:

VirtualInstrumentsBiaxialTensileDAQVC++

目录

1引言1

2双轴拉伸试验平台整体方案设计1

2.1双轴拉伸试验原理2

2.2双轴拉伸试验平台整体结构2

2.3采集信号的触发4

2.4采集数据的处理5

3双轴拉伸试验平台的硬件设计5

3.1数据采集卡及数据采集系统6

3.2运动控制卡及运动控制6

3.2.1运动控制卡的选择6

3.2.2步进电机的选择7

3.3典型机构设计9

3.3.1对称拉伸机构设计10

3.3.2自夹紧夹头设计10

4双轴拉伸试验平台的软件设计12

4.1基于PC的虚拟仪器软件12

4.2利用VC++设计双轴拉伸试验平台的控制系统软件13

4.3运动控制模块和数据采集控制模块的关键步骤13

4.3.1运动控制模块的关键步骤14

4.3.2数据采集控制模块的关键步骤15

结论15

致谢16

参考文献16

1引言

电活性聚合物（Electroactivepolymers,EAP）驱动材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料，其显著特征是能够将电能转化为机械能。

EAP材料是广泛用于机器人、机器昆虫、人工假肢、人工机械手、发动机及医疗卫生、电机械工业、军事情报等高科技领域的智能材料，也称“人工肌肉”（如图1.1所示）。

图1.1人工肌肉

EAP驱动器一般是利用通电制动伸长来进行工作的，因此研究超弹性膜受压后的应力应变状态对正确的设计驱动器已进行相应优化具有很重要的作用。

而受压实验因实际加压时在试样和夹具之间存在摩擦，使试验结果不精确。

根据受力分析可知，单轴受压与等轴拉伸等效，故设计一种等轴拉伸试验仪器以确定受压性能。

本文详细介绍一种利用虚拟仪器组建的双轴拉伸试验平台，通过检测等轴拉伸力和位移之间的确定关系，能最终得到电活性聚合物膜材料的本构关系,并验证其精度。

2双轴拉伸试验平台整体方案设计

根据设计要求，该双轴拉伸试验平台要能够完成对拉伸试样进行定点拉力数据采集。

2.1双轴拉伸试验原理

该双轴拉伸试验平台主要是用于检测超弹性膜材料在等轴拉伸时的力与应变的关系，从而确定其本构关系。

图2.1双轴拉伸试验原理图

图2.1表示了双轴拉伸试验平台拉伸试验原理。

80*80*1mm的超弹性膜试样被自紧均匀地夹持，由步进电机（图中未画出）驱动图中两对反向梯形丝杠旋转，从而分别带动X与Y轴上的一对滑道分别沿图示X、Y方向作等轴对称慢速移动。

为使受力均匀及防止超弹性膜材料双向拉伸后变薄影响夹持，在结构设计中采用了能自动调节压力的自夹紧夹头（见3.3.2所述），24个自紧夹头均匀分布在X-、X+、Y-、Y+四个方向夹紧试样进行等速拉伸，同时自紧夹头随其后面的轴承与滑轮在滑道上滚动。

安装在滑道一侧的X、Y轴向测力传感器对拉伸力进行检测，通过采集、记录一定拉伸位移下的拉伸力，对数据进行处理后，即可获得材料的本构关系。

2.2双轴拉伸试验平台整体方案

如上所述，双轴拉伸试验平台除了拉伸数据进行采集外还需要能对电机位移进行控制，系统结构框图和双轴拉伸试验台的结构框图如图2.2所示。

工作时由计算机发指令控制X、Y轴步进电机进给，与此同时X、Y轴力传感器对拉伸过程中的拉力进行检测，并通过数据采集卡送入计算机进行处理。

步进电机及力传感器安装在双轴拉伸试验台（机构本体）上。

图2.2双轴拉伸机系统结构框图（右侧拉伸台中存在问题同后）

2.3双轴拉伸试验平台整体机械结构

双轴拉伸试验平台的机械本体结构图如图2.3所示。

在底板（25）上安放X、Y轴向两对拉伸台，在每向的一对反向丝杠通过联轴器（20）联结。

在4个托板（6）上安装交错安装有滑道组件（7、8等）。

试样（图中未画出）夹持在均布的24个自夹紧夹头时，工作时通过步进电机（1、22）带动丝杠旋转，从而驱动托板完成对试样的等轴拉伸。

图2.3双轴拉伸试验平台机械本结构图

1-X轴步进电机2-试验台支板3-电机支板4-连轴套5-光杆6-托板7-自夹紧夹头组件8-滑道9-S型传感器10-长角型支架11-悬臂梁型传感器12-上连接块13-下连接块14-丝杠15-光杆支架16-双联轴承座17-垫板18-长联接板19-单联轴承座20-联轴器21-角型支架22-Y轴步进电机23-丝杠螺母24-滑轮25-底板

（标号不清楚，左平台要拉长与电机支板接触）

2.4采集信号的触发

在实际使用中，触发方式可以是多种多样的，对信号采取合适的方式进行触发采集，是得到材料拉伸应力与拉伸率之间关系的重要方面。

利用软件的强大功能选择软件触发，使其具有更好的灵活性。

从软件实现上看，大致有3种最基本的触发方式，即单点触发，内触发和外触发。

NI数据采集卡提供了若干触发引脚，可以通过外部向其发送触发信号实现触发；也可以通过向采集卡发送开始采集的命令实现。

因为行程与拉伸力之间要求严格的对应关系，由于所测力与位移有一定的对应关系，因此数据采集的触发是根据电机的位移量来实现的。

本案采用按照行程分割得到时间点来发送数据采集命令的，通过在操作面板上输入采集点数（图4.1），根据设置的速度和拉伸行程的关系即确定了信号采集点。

本案采用的是等距离发送采集数据的方法，即根据总拉伸行程及数据采集量确定数据采集点，由上位机定时发送数据采集命令。

因为数据采集频率很高，拉力是渐变的，因此可将经过软件滤波的拉力值作为此点处的拉力值。

2.5采集数据的处理

在数据采集过程中，拉伸力和位移的关系并不是平滑的直线，而是上下波动的曲线，主要是受到其他电信号干扰所造成。

这时就需要对采集的数据进行滤波处理，常见的有软件滤波和硬件滤波形式。

软件滤波具有经济性好、实时性和安全性高、灵活方便等特点，在本设计中采用的是软件滤波。

常见的软件滤波的方法有以下10种：

1.限幅滤波2.中位值滤波法3.算术平均滤波法4.递推平均滤波法5.中位值平均滤波法6.限幅平均滤波法7.一阶滞后滤波法8.加权递推平均滤波法9.消抖滤波法10.限幅消抖滤波法。

根据前述的信号触发方式，本案的数据处理采取的是第三种-算术平均滤波法。

算术平均滤波法的方法：

连续取N个采样值进行算术平均运算，N值较大时：

信号平滑度较高，但灵敏度较低，N值较小时：

信号平滑度较低，但灵敏度较高。

N值的选取：

一般流量，N=12；压力：

N=4。

算术平均滤波的优点：

适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。

这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。

缺点：

对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM。

3双轴拉伸试验平台的硬件设计

双轴拉伸试验平台采用NI公司PCI7340运动控制卡进行运动控制，采用NI公司的PCI6221的数据采集卡进行数据采集。

分别采用NI公司的BNC2110连接器和UMI7764通用运动接口板作为数据采集卡与力传感器信号电压、运动控制卡与步进电机驱动器之间的连接器。

PCI6221、PCI7340通过计算机的PCI插槽与计算机相联，图2.3所示即为这种上、下微机结构形式的测控系统。

计算机作为人机界面接口的上位机，负责任务管理、发送命令、初始参数输入、结果显示等非实时功能；PCI6221、PCI7340作为下位机，根据上位机命令直接控制相应设备，进行数据采集和运动控制等实时性强的任务。

3.1数据采集卡及数据采集系统

数据采集是对一个或多个信号获取对象信息的过程。

数据采集系统是指从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。

数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

数据采集卡是一种具有实验室或现场进行实时数据采集、自动存储记录、信号预处理、即时显示、即时状态分析、自动传输等功能的自动化设备。

图3.1NIPCI6221（37针）数据采集卡DAQ卡

本文中设计的双轴拉伸试验平台的数据采集是利用NI公司生产的PCI6221数据采集卡（如图3.1所示）完成的。

NIPCI6221（37针）数据采集卡具有以下构造：

16路带37针D-Sub连接器的模拟输入、2路16位模拟输出（833ks/s）、10条数字I/O线、32位计数器、采用数字触发、关联DIO（2条时钟线，1MHz）、另有5倍采样速率的高速M系列和4倍分辨率的高精度M系列可供选择并且包括NI-DAQmx、VILoggerLite数据记录软件和其他测量服务。

3.2运动控制卡及运动控制

NI的运动控制是NI公司在工业自动化领域的扩展，NI的运动控制就是我们常说的开放式数控，专用数控系统国内比较常见的是西门子和FUNUC产品。

数控系统的是由运动控制卡、驱动器、执行机构（电机）、反馈（编码器），所以运动控制卡对一个数控系统而言是非常重要的组成部分。

3.2.1运动控制卡的选择

NI的运动控制卡分为高中低档，每个档位又包括2轴、4轴、6轴和8轴，支持PCI和PXI两类总线。

图3.2NIPCI7340系列运动控制卡

双轴拉伸试验平台采用NIPCI7340运动控制卡（如图3.2所示），PCI7340运动控制卡既可以控制伺服电机又可以控制步进电机，支持PCI,PXI和紧凑行PCI总线。

NIPCI7340系列运动控制卡是中价位控制器，可进行4轴步进或伺服运动控制，与其他NI硬件紧密集成，都带有易用的LabVIEW驱动软件，模拟输出至伺服驱动器控制电机，伺服驱动器的编码仿真输出接到运动控制卡上，以及包括圆周插值和线性插值等高级特性。

3.2.2步进电机的选择

步进电机分三种：

永磁式（PM）,反应式（VR）和混合式（HB）。

永磁式步进电机一般为三相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5°或15°；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为15º，但噪声和振动都很大；混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式优点，它又分为两相和五相，两相步进角一般为1.8°而五相步进角一般为0.72°。

电动机的主要指标有功率P（kw）、转矩T（N·m）和转速n（r/min）。

在选择电机时，电动机要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。

应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。

下文将通过以上几方面的计算来选出合适的电动机：

1.拉伸负载力矩

（Fa实测为10N；效率η见后计算，取0.2；因为电机与负载直接连结，故L为丝杠螺距5mm），计算后Tc=39.8×10-3N·m

2.圆柱导轨上的摩擦力距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）（未考虑螺纹孔台阶等重量）

2）安装平板重量：

G2=（10*8.7*1.6-2*1*1*1.6/2）*2.7=6123.5（g）（未考虑安装螺纹孔台阶等减轻重量）

3）拉杆滑道G3=35*（2.5*2.5-1.5*0.95-0.9*0.45）*2.7=167.75（g）（未考虑端头重，长度为350mm）

4）L型拉板架（按大的算）G4=（12.5*5*1+4*1*5）*2.7=865.90（g）

总重量为：

ΣGi=9346.55g,考虑夹头、传感器重量等最后重量可圆整为10Kg即G=100N。

平台的摩擦力为0.08N（滚动摩擦系数取0.004）摩擦负载力矩（空载时）

计算后得Mf=1.59×10-2N·m

因为一个电机要带动两端，故可取为3.18×10-2N·m。

3.传动效率：

=22.81%取螺旋升角2.733º（即2º44′）,滑动摩擦系数0.16，摩擦角为9.09º。

试取总传动效率为0.2。

4.电机力矩：

考虑传动带动两端，故电机总传动力矩为86×10-3N·m。

可选57BYGH303混合式高转矩步进电动机，其电压为8.6V、步距角1.8º、最大静转矩150×10-3N·m、转子转动惯量为4.6×10-5Kg·m2。

5.等效转矩惯量计算：

电机转动惯量Jm=0.46Kg·cm2

丝杠转动惯量Js=0.78*1.64*48*10-3=0.2454Kg.cm2。

丝杠直径1.6cm，长度48cm。

移动部件惯量G=20N。

20/9.8*（L/2pi）=0.1624Kg.cm2

总的转动惯量为Jz=0.46+2*0.2454+2*0.1624=0.8156Kg.cm2

电机所占总惯量比为：

56.4%，适合，应选此种惯量的电机。

6.计算快速空载起动力矩Mamax

1）加速度力矩

按常规起动加速时间为30ms，取nmax为60rpm（实际工作为24rpm）角加速度为

（JΣ折算到电机轴上的总惯量Kg·cm2,ta取30ms）

Mamax=J*2*pi*nmax/60/t*10-2=3.024*2*3.14*100/60/0.03=6.71N·cm=0.067N·m=67×10-3N·m

2）折算到电机轴上摩擦力矩Mf见前述计算Mf=3.18×10-2N·m

3）折算到电机轴上附加摩擦力矩M0

附加摩擦力矩M0是为了防止传动间隙而对丝杠进行的预紧措施，预紧力一般为轴向负载力的三分之一。

Fp0——丝杠预紧力，一般为轴向负载力的三分之一（N）

L0——丝杠导程（cm）

η0——丝杠未预紧时的传动效率，一般取η0=0.2（网上查到）

经计算得：

M0=12.73×10-3N·m

上述三项合计M起=2×Σmi=0.223N·m

7.计算快速移动所需力矩M快

M快=Mf+M0

8.计算最大切削负载所需力矩M切

M切=Mf+M0+Fc=2Mf+2M0+2Tc

经计算得：

M切=136.86×10-3N·m=0.137N·m

从上述计算可知，快速空载起动所需力矩最大，故以此作为初选电机的依据。

9.空载起动频率fk和工作频率fe计算

脉冲当量

经计算得:

=0.025mm

νmax按600mm/min经计算得：

fk=400Hz

νs按120mm/min经计算得：

fe=80Hz

最后选择57BYGH303混合式高转矩步进电机。

3.3典型机构设计

双轴拉伸试验平台整体机构的机械设计主要包括对称拉伸机构（组件）、梯形丝杠、自夹紧夹头（组件）、联轴器、传感器支架组件、及采用标准（外购）光杆来组装的导轨部件等组成。

X、Y轴方向拉伸采用步进电机驱动，X、Y方向的每对反向梯形丝杠旋转拉伸试样，由自夹紧夹头夹紧试样，并由安装在X、Y轴另一端的力传感器测出拉伸力。

以下就对称拉伸机构、自夹紧夹头的设计进行介绍。

3.3.1对称拉伸机构设计

对称的拉伸机构主要采用一对空间正交交错安装的滑道，对超弹性膜材料进行等轴拉伸。

为了使超弹性膜材料在拉伸时X+、X-、Y+、Y-四个方向均匀拉伸，分别在每个滑道中布置6个能沿滑道滑动的自夹紧夹头，对试样均布夹持。

其对称拉伸是由在X轴与Y轴方向上采用一对反向梯形丝杆实现的，一对反向丝杠之间用联轴器进行联结，形成对称的拉伸机构。

因为每对丝杆中都是采用一个左旋、一个右旋，所以当步进电机驱动丝杠运动时同一轴上的双杆会向着相反的方向拉伸超弹性膜材料。

图3.3所示的对称拉伸机构及主要由X轴测力传感器、Y轴测力传感器、24个自夹紧夹头、4个滑道、24个滑轮组成。

滑轮被安装在滑道中，自夹紧夹头通过轴承随滑轮在滑道中滑动；X、Y轴的步进电机驱动丝杠运动，从而带动两对滑道运动并拉伸试样；然后由X、Y轴的测力传感器测出拉伸力与位移的关系。

图3.3对称拉伸机构（图有些不太清晰，电机、轴承标的不对，

1.X、Y轴电机应为角型支架，把x、y轴拉伸方向标出来）

3.3.2自夹紧夹头设计

由于超弹性膜材料在受到四个方向的拉伸力作用下，膜材料会被拉薄并且很容易从平台上脱落，因此采用能够自动调节夹紧力的自夹紧夹头（如图3.5所示）。

自夹紧夹头主要有以下几部分构成：

偏心轮、上压板、下压板、夹头底座定位销等。

带有偏心轮的自夹紧夹头是由偏心轮或轮的自锁性能来实现夹紧作用的夹紧装置。

夹紧动作迅速，特别适用于尺寸偏差较小、夹紧力不大及很少振动情况下的成批大量生产。

圆偏心轮在任何位置都能自锁的条件是：

2e/D≤f

式中D——圆偏心轮直径（D=2R）；

f——圆偏心轮与零件摩擦系数一般取0.1～0.15。

生产中多采用f=0.15，此时偏心距应为e<0.075D。

图3.4偏心轮

本案采用偏心距为0.8mm（如图3.4所示）。

行程最大为13.5mm，对应偏心夹紧量为1.14mm左右。

1.偏心轮2.上压板3.下压板4.底座

5.凸轮轴6.螺母7.连接轴8.轴承9.柱销

图3.5自夹紧夹头

超弹性膜材料被夹在上压板2与下压板3之间。

当膜材料受到拉伸力的作用，会有向拉伸力的反方向运动的倾向，并且2与3也会随着膜材料运动。

这时膜材料与2、3之间产生的摩擦力带动偏心轮1做轻微的转动，而且随着摩擦力的增强，会使1压在2与3上的力越来越大，2、3夹着膜材料也会越来越紧。

每个自夹紧夹头组件配装在滑道的滑轮上，工作时会自动调节每个自夹紧夹头之间的距离，使膜材料能够等轴对称慢速被拉伸。

4双轴拉伸试验平台的软件设计

4.1基于PC的虚拟仪器软件

虚拟仪器是仪器仪表领域的一种新兴技术，是现代计算机技术、数字信号处理技术、仪器仪表技术相融合的产物。

它以软件为核心，充分利用计算机强大的计算能力和图形处理功能，建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据的分析处理和显示。

虚拟仪器最大的特点是由用户自己定义，仪器的功能在用户级上产生，不再由仪器生产厂家定义，用户可以根据需要，通过增加或修改软件，满足自己的特殊需求。

1985年，NI公司推出LabVIEW流程图编程风格的开发和运行程序平台，开启了虚拟仪器的先河。

目前，虚拟仪器的编程平台主要有通用编程语言和图形编程语言两种。

通用编程语言例如C语言在早期的虚拟仪器的开发中应用，VC、VB等语言也可以用于虚拟仪器的开发。

使用的编程语言，国外的有NI公司的LabWindows/CVI、LabVIEW,HP公司的VEE；国内的有东方震动和噪声研究所DASP开发软件。

LabWindows/CVI是NI公司推出的半图形化编程工具，它支持标准C和C++编程，因此可以平稳地运行于视窗操作系统下。

CVI编程语言适合较大型测控程序的编写，在实际的测控仪器的中有着广泛的应用。

LabVIEW是图形化编程语言，这种编程语言和人的思维习惯相符，初学者很容易掌握，适合仪器专业的初次接触使用和实验室试验使用，该软件自带了NI公司和大部分知名公司的硬件驱动，所以也在普通测控仪器的开发中有着广泛的使用。

MATLAB编程语言有着演算纸语言的美誉，它有着强大的矩阵计算能力和丰富的功能包。

MATLAB和LabVIEW界面开发、硬件控制、远程通讯的优点相结合，可以开发出功能更强大的程序。

鉴于两者的优点，未来VI的编程平台会向MATLAB和LabVIEW混合编程的方向发展。

4.2利用VC++设计双轴拉伸试验平台的控制系统软件

NI-DAQmx是美国国家仪器公司DAQ硬件的驱动软件，包括一个庞大的函数库和VI库。

通过一些应用软件，如LabVIEW或者LabWindows／CVI中可以调用这些库来编程，实现仪器测量设备的所有特性。

NI-DAQmx测量服务软件，除了具备数据采集（DAQ）驱动的基本功能之外，还具备更高工作效率，更高性能优势。

NI正是凭借这一点，得以在虚拟仪器技术领域以及基于计算机技术的数据采集方面保持行业领先地位！

其驱动软件提供应用程序编程接口，该接口是一个包含各种VI、函数、类、属性和特性的库，为设备创建应用程序。

随PCI-7340运动控制卡同时提供的驱动软件及动态链接库函数，也可以很方便地帮助用户建立应用程序。

本案的系统软件采用VC++6.0编制，利用其强大的图形功能创建可视化的虚拟仪器控制面板（见图4.1），通过调用相应的动态链接库函数进行相关的数据采集及运动控制。

图4.1双轴拉伸试验平台控制面板

4.3运动控制模块和数据采集控制模块的关键步骤

根据双轴拉伸试验平台的设计要求，采取模块化设计思想，该系统软件主要包括系统初始化模块、运动控制