usb拔插可靠性机械课程设计

中国计量学院机械课程设计（论文）USB插拔可靠性测试装置设计学生姓名符少君学号0900602136学生专业产品质量工程班级09质量1二级学院质量与安全工程指导教师孙长敬中国计量学院2011年11月USB插拔可靠性测试装置设计摘要：本报告是关于USB插拔可靠性测试装置设计的具体方案，包括相关领域所做的工作和研究的概况，此项目的背景，设计此方案目的，总体方案设计，设计过程装置工作原理及草图，零件结构设计等。使用学习过的机械设计基础学科中学到过的知识融于实际例子，过程中使用PROE软件来完成整个装置的零件图、装配图的设计，以及运动曲线图的绘制等。关键词：USB；插拔可靠性；PROE；零件图；装配图目次TOC\o"1-5"\h\z摘要I1前言1\o"CurrentDocument"1.1选题的背景与意义11.1.1课题的研究背景1\o"CurrentDocument"1.1.2课题研究的意义22设计概要42.1设计目的42.2设计题目介绍错误！未定义书签。\o"CurrentDocument"2.3设计条件及设计要求43运动方案设计63.1装置预期的功能要求63.2装置原理设计6\o"CurrentDocument"3.3运动规律设计73.3.1研零件结构分解73.3.2运动方案选择113.3.3执行系统运动简图及运动曲线11\o"CurrentDocument"4应用前景13\o"CurrentDocument"5个人小结15\o"CurrentDocument"参考文献171前言1.1选题的背景与意义1.1.1课题的研究背景众所周知，随着电脑应用的拓展，PC机的外设越来越多，机箱后的插口也形形色色：并行口、串行口、键盘口、鼠标口、游戏手柄接口、音频输入输出口、视频输出口等等。而按常规，用户为PC增加一个新的外设却有一套复杂的操作，至少需要作以下的工作：首先打开音箱，安装新外设的接口插卡；其次，为了避免资源占用冲突，用户必须设置跳线为新的外设插卡选择合适的IRQ,DMA和I/O口地址，然后安装外设的驱动程序。然而，上述工作的问题是：PC有限的I/O插槽无法满足日益增加的外设需要；不具备专业知识的普通用户难于选择合适的资源和完成复杂的安装工作。因此，简化外设补充方法，使之方便易行便成为各个PC厂家面临的重大研究课题。而且目前各种总线有着这样那样不足，有的是占用内存过多，有的是速度不够快。在1996年召开的面向PC机硬件技术工作者会议上，Compaq,Intel和Microsoft三家厂商提出了设备插架（DeviceBay）概念，USB就是设备插架的一种规范。用户只需花费很少的时间对USB设备进行安装和配置，就可以使用；另外，它还提供即插即用功能，用户可以在不断电的情况下直接把设备插在USB插口上，从而使连接到PC机上外设的连接和配置变得很容易。现在USB外设得到了更新更快的发展。存储器方面，以前的4兆，8兆的OnlyDisk（优盘），还有USB接口的读写卡，现在的10G，20G的USB移动式硬盘，而且可以根据需要自己给生产厂家说明生产要求，需要多大的硬盘就生产出多大的硬盘；速度方面，由于USB2.0规范的出现，数据传输越来越快，以前的电脑眼实时传输数据，还会出现一帧一帧的跳动，现在的数码相机，网上聊天摄像机等等，真正做到了实时传输；在办公用品方面，扫描仪，打印机等都出现了USB接口的产品，使得人们的工作和生活方便了许多。现行的USB总线技术满足了外设与主机之间的数据传输率更高的要求。它的优点有：使用方便。连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。速度快。USB支持三种设备传输速率：1.5Mbs、12Mbs、480Mbs。独立供电。USB接口提供了内置电源。连接灵活。一个USB口理论上可以连接127个USB设备，连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器Hub，把多个设备连接在一起，再同PC机得USB口相接。5成本低。现在满足USB要求的外设有：调制解调器，键盘，鼠标，光驱，游戏手柄，软驱，扫描仪，音箱等。USB总线标准由1.1版升到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了480Mbps，更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。基于这点，USB也可以做生产ISDN以及基于视频的产品。USB总线结构简单，信号定义仅由2条电源线，2条信号线组成。现行的USB支持四种基本的数据传输模式：控制传输，登时传输，中断数据传输，同步数据传输。不同的传输类型有着各自不同的用途和类型。1.1.2课题研究的意义可靠性试验是对产品进行可靠性调查、分析和评价的一种手段。试验结果为故障分析、研究采取的纠正措施、判断产品是否达到指标要求提供依据。根据可靠性统计试验所采用的方法和目的，可靠性统计试验可以分为可靠性验证试验和可靠性测定试验。可靠性测定试验是为测定可靠性特性或其量值而做的试验，通常用来提供可靠性数据。可靠性验证试验是用来验证设备的可靠性特征值是否符合其规定的可靠性要求的试验，一般将可靠性鉴定和验收试验统称为可靠性验证试验。USB为计算机外设输入输出提供了新的接口标准，它使设备具有热插拔，即插即用，自动配置的能力，并标准化设备连接。所以USB端口插拔可靠性是需要保证的，而我们小组的USB插拔可靠性装置设计的研究意图就在于此。我们设计的装置为曲柄滑块机构，由电机驱动给予曲柄一个绕定轴旋转的主动力，在该力的驱使下带动连杆及装有USB的滑块左右来回滑动，每一次插入和拔出为一次的检测周期。使用该装置在常温环境下插拔USB接口3000次，观察I/O接口有无损坏，功能是否正常等等。我们预期的效果是通过PROE软件绘画出零件图、装配图，力求美观整洁，然后对装置进行运动仿真，更好得展现出该曲柄滑块机构的设计原理和运动规律。2设计概要2.1设计目的机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成部分，也是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。机械设计的目标是在各种限定的条件下设计出最好的机械，即作出优化设计。优化设计需要综合地考虑许多要求。一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠、最低消耗和最少环境污染。而在本次的机械设计中，我们也把节省材料考虑在内，尽量美观简洁又经济。综上本次设计的目的在于综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，同时也给自己的实际生活带来便捷。2.2设计题目介绍课程设计名为USB插拔可靠性测试装置设计。该测试装置原理是运用简单的曲柄滑块机构，其中电机与曲柄固接，驱动曲柄滑块机构运动，这是使其能够自动往返运动的动力。曲柄与连杆铰接，其中连杆的另一端装上了滑块，滑块上是自行设计的带有灯泡的特殊USB装置，为的是可以让感光计数器来检测USB内部电源是否连接成功。设计底座的最右边是一个带有电源的插入口，设计时与装有USB的滑块高度保持一致。2.3设计条件及设计要求首先确定整个装置的运动原理，一开始有多个方案，我们认为最终要的是简洁与可行性。我们查阅了相关资料，通过精确的计算，在完成基础任务上对项目进行创新设计，确定后便着手确定参数，画出草图。最后就是用软件PROE软件来完成整个装配图，并进行运动仿真。3运动方案设计3.1装置预期的功能要求通过电机的驱动作用，给予曲柄一个绕定轴旋转的主动力，在该力的驱使下带动连杆及相连接的USB装置，通过滑块的往复直线运动，使USB端口插入拔出于电源口。再利用感光元件和单片机计数装置构成的系统对插拔次数进行计数，测试完成后与规定次数比较，判断出该USB是否稳定可靠（当USB良好接触时，USB上的小灯会发亮，可被感光元件检测出来）。3.2功能原理设计最开始经过大家的讨论，有多个备选机构方案，比如偏心轮机构，双曲柄机构，缝纫机下针机构等。但最后决定使用曲柄滑块机构，并且是侧面滑块机构。通常情况下，一部机器需要通过电机带动一系列复杂的机构使其正常运转，这其中涉及到很多简单且基本的机械机构。当然，也可以直接通过电机带动整部机器的运转，这完全取决于机器所需完成的工作以及设计该机器时所面临的种种实际情况。常用的功能原理有：摩擦传动原理，流体传动原理，电磁传动原理，机械推拉原理，材料变形原理，光电原理等。在此我们所运用到的就是机械推拉原理。针对该USB拔插可靠性测试装置，我们就是需要它能够测试其拔插的可靠性，并且在滑块往复许多次的情况下运动流畅，且不会出现死点，操作起来方便可行又节省材料。在设计中，我们想到两种驱动方法：由电机带动曲柄滑块机构和由气缸直接驱动。在电机驱动中，曲柄滑块的工作尤为重要。首先，来看一下曲柄滑块机构是如何工作的。图1曲柄滑块机构运动简图在平面连杆机构中，能绕定轴或定点作整周回转的构件被称为曲柄。而通过改变平面四杆机构中构件的形状和运动尺寸能将其演化为不同的机构形式，就曲柄滑块机构而言，它是通过增加铰链四杆机构中摇杆的长度至无穷大而演变过来的。如图1所示该机构实际上是由一曲柄一端铰接在机架上，另一端铰接一连杆，连杆的另一端联结一滑块，在曲柄为主动件运动时带动连杆，连杆又带动滑块，使其在平面某一范围内做直线往复运动。而就采用气缸驱动而言，将压缩空气压力能转换为机械能，驱动机构作旋转运动，形式简单、结构简便，从机械设计角度而言讲究尽量采用基本机构，设计的机构要简单、可靠。而气缸则融会了上述的某些优点，它由驱动机构直接带动滑块，避免了两者间的连接机构，精简了构件之间的连接。但选择气缸是个问题，应根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力，由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。所以综上我们选择了由电机驱动曲柄滑块机构作为我们的可靠性测试装置。3.3运动规律设计3.3.1零件结构分解首先，我们基于曲柄滑块机构的原理启示，就让左端支架突出一个小圆柱，以此达到螺栓的作用，使其作为一个固定点，让曲柄绕其转动，尽量使整个装置看起来简单美观。随后是曲柄和一个连杆的灵活连接，连杆的右端连接着可插入特制USB端口的滑块，上面设计了两颗螺钉可以用来紧固USB端口，以免USB端口因为滑动而落出。接着，模型最右端是一个可拆卸的接通电源的插入口。此外，我们采用的是侧面滑块模式，这样就不会出现死点或者卡主的情况。在此设计中，滑块是重要的一环，起着连接连杆和装载USB端口的作用。如图2所示，就是滑块的三视图。图2滑块三视图另外，带有USB端口的电源块也是十分重要的一个零件，它是使USB插拔有效的关键。如图3所示就是此电源块的三视图。还有一个必不可少的零件，那就是底座。底座起着支承与连接各零件的作用。如图4所示就是底座的三视图。另外几个比较简单的零件就不在此画出三视图了。最后，我们来看一下由各个零件组装而成的装配图，如图5所示。（除了以上零件，我们还设想了一个检光计数器来测试USB插拔的可靠性：当USB有效

插入时，USB上得小灯就会亮起来，那么感光元件就能检测到了。）图3带USB端口的电源块的三视图图4底座的三视图±DIVU.V9I?1LI.D-I1llliiM1NMK114.t■■，亡RHyruTHLilI.NI3.3.2运动方案选择上面所设计的曲柄滑块移动过程都是在理想的情况下，很多实际因素都没有考虑进去：如空气的阻力是否会影响滑块的运动，材料间摩擦力的大小（滑块与滑槽之间产生的摩擦力会不会阻碍运动），材料对运动的影响，曲柄和连杆的质量，还有电机的功率、转动速度，支架能否承受电机的重力，感光计数器能否完全发挥它的作用。如果选择气缸，那么它的推程大小、自重，所需气包的容量及连接方式等等。现在我们结合两者的利弊，着重分析一下各自的优缺点，来抉择选用哪个方案。就采用气缸驱动而言，它使由汽油和空气的混合气体进行燃烧释放热能，并将热能转变成机械能，形式简单、结构简便，从机械设计角度而言讲究尽量采用基本机构，设计的机构要简单、可靠。而气缸则融会了上述的某些优点，它由驱动机构直接带动滑块，避免了两者间的连接机构，精简了构件之间的连接。但却会对空气造成污染，因为是利用汽油产生的热能转变成机械能，对于这种简单小型的装置来说，有些大材小用了。就采用电机带动动曲柄滑块结构而言，其中的曲柄滑块机构属于平面连杆机构，具有结构简单、制造方便、运动副为低副，能承受较大载荷；但平衡困难，不易用于高速。我们设计的机构是由电机经减速直接驱动的，和利用气动原理相比它多了一套传动和连接机构，但该机构运用的原理简单，设计合理，可行性大，性价比高，而且USB端口只是个很小巧的装置，不需要汽缸所产生的相对电机来说那么的大力，除此之外，将我们在上学期中所学到的知识融于此，更能突出我们机械课程设计的精髓。综上所述，我们还是选取了电机带动曲柄滑块机构作为USB插拔可靠性测试装置设计的最终运动方案。3.3.3执行系统运动简图及运动曲线

图6机构运动简图自由度F的计算:n=3Pl=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3X3-(2X4-0)=1在此，我们选取长杆右端点来看一下他的运动曲线图。其速度-时间曲线图如图7所示；其加速度-时间曲线图如图8所示，从曲线形态可知，各个波峰高度间有明显差异，且呈周期性变化，波峰相对较高时刻点反应了曲柄滑块机构的急回特性，运用这一特性，可以大大缩短USB拔出来后插进去这一动作时间，提高效率。波峰较低时刻是USB接口完成插入电源块这一动作的过程。所用时间相对较长，使USB能够有相对足够的时间进行检测。长杆右端点加速度-时间曲线图4.0225842433.5225842433.0225842432.5225842432.0225842431.5225842431.0225842430.5225842430.022584243图8长杆右端点加速度-时间曲线图4应用前景USB插拔可靠性测试装置的应用前景与设计：通用串行总线（USB）是一种新兴的计算机外围串行通信接口标准它克服传统计算机串/并口的缺陷，具有热插拔，即插即用，数据传输可靠，扩展方便，低成本等优点，已经成为当前计算机必备的接口之一，同时也被广泛地应用于嵌入式系统设计中。USB是如此的重要，因此，为了让USB正常使用，测试其插拔可靠性的装置是必不可少的。虽然我们已经设计出了测试装置的结构，但是如果将我们设计出来的装置投入实际使用还有待改进和考虑更多的实际因素，不得不说，我们的设计简单中透露着不简单。5个人小结这次的机械课程设计，开始并不知道课程设计主要是做什么的，只知道就是要设计一个东西，能完成一定的功能。我们看着22个题目，犹豫不决，有一些题目是做可靠性设计的，一些是做检测的，都与我们的专业——产品质量工程息息相关，但我们都不能真正理解机械课程设计的目的，把一些简单化的东西想得特别复杂，并且还脱离了机械设计的宗旨，比如说可靠性检测装置，我们想的不是怎样设计这个装置，而是想到了电子电路设计方向。后来，在孙老师的指点下，我们才把思路收回到机械设计这个主要的方向。我们小组在选题上经过了不少坎坷，由于题目和另一小组有冲突，我们不得不另外选题，直达第三天才确定下了我们的题目——USB插拔可靠性装置。这个装置设计方案是我提出的，根据我们上学期学过的机械设计基础这门课程，要完成USB插拔这一动作，我立刻想到了是曲柄滑块这一四杆机构，四杆机构是许多运动过程的基础，虽然很简单，但要灵活的应用到实际，都要经过精心的构思和设计。我们使用的设计软件是pro/e，这个软件对于我们每个人来说都是陌生的，之前根本没接触过，我们都必须从零学起。我们小组8个人都来到了图书馆，寻找资料，一起设计尺寸，零件类型，零件外观，同时熟悉pro/e的使用。在纸质草图画好了后，我们便开始在软件上练习操作，首先是要学会如何安装软件，接着要熟悉