汽车保险杠强度耐久试验台设计

摘要汽车保险杠是汽车上一种常见并且重要的部件，在车辆发生碰撞时，保险杆能够有效减轻驾驶员的受伤程度。因其在制造的过程中，保险杠的强度可能会因为各种原因导致强度满足不了行业要求，所以要对其进行强度检测。保险杠静强度试验台，是基于传感器的一个检测系统，是利用控制移动机构来实现传感器的相对移动从而完成检测目的，整个检测系统的工作原理是通过X-Y工作台移动传感器，在移动到指定的位置后，传感器开始工作，再由电脑对力和变形进行数据处理，最后计算出静强度。所以为了满足要求，其主要的设计工作包含以下几个方面：1.设计总体方案的确定，要确保具体的思路以及工作流程，在此基础上要翻阅国内外关于保险杠静强度实验台的书籍，并结合客户的使用标准和使用现场加以分析，来确定该设备设计的总体方案。2.完成该设备机械工装部分的设计，主要从三个方向的移动进行详细的设计。3.外构件的选型，必须要结合该设备的工作使用要求，来进行选择。4.电动部分的设计，主要是指步进电动机选型的计算和伺服电机的选用，因为伺服电机是用脉冲时间的多少来决定转动幅度，并且运行十分流畅，而且在速度较小的时候也不会发生振动，所以采用伺服电机是合理的。当运动不要求特别高时候，为了降低生产成本，可以将伺服电动机改为步进电动机，比如X和Y方向的移动都是选择步进电动机。关键词保险杠、静强度、传感器、电动机abstractCarbumpersareacommonandimportantpartofacar.Whenavehiclecollides,thebumpercaneffectivelyreducethedriver'sinjury.Becauseofthestrengthofthebumperduringthemanufacturingprocess,thestrengthmaynotmeettherequirementsoftheindustryforvariousreasons,soitisnecessarytocheckthestrength.Thebumperstaticstrengthtestbenchisasensor-baseddetectionsystemthatusesthecontrolmovingmechanismtorealizetherelativemovementofthesensortocompletethedetectionpurpose.ThewholedetectionsystemworksbymovingthesensorthroughtheXYtableandmovingtothedesignatedAftertheposition,thesensorstartstowork,andthenthecomputerprocessestheforceanddeformation,andfinallycalculatesthestaticintensity.Soinordertomeettherequirements,itsmaindesignworkincludesthefollowingaspects:1.Todeterminetheoveralldesignofthedesign,toensurethespecificideasandworkprocesses,onthisbasis,wemustreadthedomesticandforeignbooksonthestaticstrengthofthebumper,andcombinethecustomer'susestandardsandtheuseofthesitetoanalyzetodeterminetheequipmentdesign.Theoverallplan.2.Completethedesignofthemechanicaltoolingpartoftheequipment,andcarryoutdetaileddesignmainlyfromthemovementinthreedirections.3.Theselectionofexternalcomponentsmustbecombinedwiththeworkingrequirementsoftheequipment.4.Thedesignoftheelectricpartmainlyreferstothecalculationoftheselectionofthesteppingmotorandtheselectionoftheservomotor,becausetheservomotorcontrolstherotationanglebycontrollingthelengthofthepulsetime,andtheoperationisverystable,evenatlowspeed.Vibrationoccurs,soitisreasonabletouseaservomotor.Whenthemovementisnotrequiredtobeparticularlyhigh,inordertoreducetheproductioncost,theservomotorcanbechangedtoasteppingmotor,forexample,themovementintheXandYdirectionsisasteppingmotor.Keywordsbumper,staticstrength,sensor,motor目录一前文 51.1研究意义及目的 51.2国内外发展现状及发展趋势 6二总体方案设计 82.1设计任务 82.2设计参数的给定 92.3总体设计 9三保险杠静强度试验台的机械结构设计 113.1水平移动方向机械结构设计 113.1.1导轨的选型与计算 113.1.2电动机的选型与计算 133.1.3齿条的计算 143.1.4减速机构的设计 143.2竖直移动方向机械结构设计 153.2.1导轨的计算与选型 153.2.2步进电动机的计算与选型 163.2.3丝杠的选型 183.3加载机构的设计 193.3.1导向机构设计 193.3.2滚珠丝杆的选型与计算 193.3.3电动机的选型与计算 223.4框架支撑系统设计 233.5传感器的选型 243.6操纵控制系统的设计 253.8控制系统设计 263.9本章小结 29四综合评价 304.1技术评价 304.2经济评价 314.3项目管理 324.4环境影响和能耗分析 334.5社会影响 33参考文献 34谢辞 35一前文1.1研究意义及目的汽车保险杠可以降低外界冲击力，并且可以起到保护车辆驾驶人员的作用。在上个世纪，车辆的安全保险杠主要是通过把铁板冲压，然后将车身横梁进行焊接在一块，并且和车体框架有着挺大的缝隙值，这就导致从外观上看上去不是多么好看。目前，车辆行业的快速发展与许多种类塑料在车辆行业的多处使用，汽车保险杠作为一款十分重要的保护设施也因此开始有了更多的创新。今天的汽车的保险杠步进保持着原来的保护车辆的作用，而且还想着如何看起来更加美观漂亮，与车辆达成浑然一体的感觉，力求自身的简单化。车辆的保险杠几乎是由塑料加工做出来的，因此人们大多叫做塑料保险杠。一般汽车的塑料保险杠是有外板、缓冲材料以及横梁这三个部件组装而成。其中外板以及缓冲材料大多是用塑料加工而成，横梁则是不同方法；外板和缓冲材料附着在横梁。保险杠实物图汽车保险杠（防撞梁），位于汽车前方和后方的大部分区域，表面上被设计于避免车辆外部损坏对车辆安全系统造成的影响，他们具有在较高速度碰撞时降低司机和乘客损伤的作用，但是目前来看，越来越多的保险杠则是本着减少路人受伤的目的。保险杠的安全防护方案：（1）用转角指示柱判断保险杠的位置保险杠拐角的地方有一个痕迹为指示柱，部分企业生产的汽车中存在跟随电动机旋转自主伸缩的特点。这种拐角指示柱，能够准确地指出保险杠拐角所在的方位，这样就可以保护车辆在泊车发生碰撞，对于新手更为重要。对于不会侧方停车以及倒车入库的司机，可以装上这种保险杠，可以减少车辆的摩擦。这是因为通过转角标示柱，司机就能够准确知道保险杠所处的方位，十分简答快捷。（2）安装拐角橡胶可减轻保险杠受损保险杠的边缘位置是车辆整体中最容易被刮伤的位置，对于新手来说，停车时碰伤边角是十分常见的，因此需要经常补漆。可以有效防护边角地方的就是拐角橡胶，只要安装在保险杠的拐角处就可以，与此同时安装十分容易。这个方案能够有效降低保险杠摩擦的程度。并且，橡胶假如被损坏，司机可以自己重新装置新的就可以以。但是，拐角橡胶是一个尺寸很大的物体，装在保险杠的拐角地方，假如想让自己的爱车看起来十分好看，其实就需要喷上漆，稍微增加了成本。《车辆保险杠》企业标准需要符合国家法律法规和标准的要求，比方说，对车辆的碰撞要求，该标准符合GB173521998的相关要求等。并且，这个要求在符合中国确保车辆安全的强制性法律的基础之上，还对车辆保险杠的用料、加工方案、作用等地方给了一个判断准则，还重点给出实验方法科学检验的方案。例如，车辆都会存在掉漆的这个麻烦的问题，然后给出了镀层附着力实验的方案；因为车辆用品的属性，对于不好保险杠比较容易掉落、松动等其他毛病，方案列举了耐振动特性要求，准确要求装置支架、添加加强板和保护杠杠应该不会有断裂、脱焊以及松动等这些问题；根据实际情况的变化，也能够用这个方案要求机械结构符合国家统一的要求，就是说应该对车辆整体进行有限元分析在保险杠安装后不会增多过多的车辆的空气阻力等。《车辆保险杠》标准对车辆的保险杠的作用定位、选材、安全性能、检验方案、加工工艺以及安装要求等各个地方进行了十分严厉的要求，给定了很多有用的准则。该标准发布生效后可以通过三种途径启动对产品的检查程序：第一，消费者遇到产品质量问题后，能够让国家的安全单位对伪劣产品进行检验。二是中国安全单位应该按照法律不定时检验信誉不好的产品；三是工程或者消费者实名举报假冒伪劣的保险杠。经过国家有关单位的质检，针对那些达不到《车辆保险杠》行业标准要求的保险杠所造成的损害后果依法由生产企业和销售商承担。1.2国内外发展现状及发展趋势中国汽车工业的不断前进，车辆生产量不断增多，因此产生的安全问题一直受广大人民群众的担心。在车辆被动安全方案给定过程中，乘客安全一直是车辆被动安全方案的主要内容。经过数十年的不断研究，汽车的安全性逐渐提高，乘客保护方案目前有了不小的改善。安全带、安全气囊、安全车身等被动安全设施和防抱死制动系统（ABS）、电子稳定性控制系统（ESC）等主动安全设施的安装不断受到更多的重视。汽车保护方面的要求法律也不停更新，这让司机在安全事故中的生存可能性、受伤程度得到很大改善。相比之下，汽车的行人安全技术却发展较慢，人与车碰撞事故已成为全世界相关研究人员共同关注的问题。据统计，在欧洲交通事故死亡者中12%为行人，在美国为11%，中国则超过50%。在交通事故中，处于弱势群体的行人，更需要得到更多重视。行人碰撞保安全的概念，最早出现于20世纪60年代，由欧洲和其他一些发达国家的研究人员提出。然而因为缺少数据以及研究方案，过程十分慢，进展不大；20世纪80年代，美国、韩国等国家和地区在这个方案上面不断进行了很多的科学保护尝试。1994年行人安全保护的检查方案和碰撞模拟器在欧洲推出，即EEVCWG10，用模型的实验方法来进行对汽车行人碰撞保护性能实验。1998年，EEVC/WG17制定了行人碰撞安全实验草案，该草案成也是欧盟、ISO、全球统一技术法规（GTR）、日本等制定行人碰撞保护试验标准的参考。2003年，欧洲新车评价规程（EuroNCAP）和澳大利亚新车评价规程（ANCAP）将行人碰撞保护加入新车评价规程。汽车工业发达国家至今已拥有一整套详尽的汽车安全法规。行人碰撞保护方面的法规具有代表性的为欧洲、日本和全球技术法规。欧洲经济共同体（EEC）EEC74/483法律是最初的行人碰撞保护法规，这条法律在1998年开始执行，指定在新车定型实验，从2001年10月起用在所有行驶的汽车。这条法律包括检查车辆前面的行人安全保护的方案准则，指出检查所有参与汽车以及行人之间相互作用的装置。比如说：小腿冲击撞击保护的实验；大腿冲击撞击发动机盖前缘试验；成人及儿童头部冲击撞击发动机盖上表面试验。欧盟2003年颁布了EC102/2003指令，该指令分两阶段执行。第一阶段开始于2005年10月1日，第二阶段开始于2010年9月1日，欧盟成员国所有新生产的乘用车都要配备行人碰撞保护系统。两个阶段都包括头部试验、大腿试验和小腿试验，其中第一阶段的头部对挡风玻璃的碰撞及大腿试验属监测范围，非强制执行。从2005年10月开始的第一阶段，所有在欧盟销售的新车必须符合新的行人碰撞法规。质量在2.5t或小于2.5t的所有乘用车和轻型厢式车必须通过三项试验，以满足车辆前部碰撞时保护行人免受头部和腿部伤害的法规要求。2009年1月，依据前期运行情况，欧盟发布了EC78/2009，替代了之前的EC102/2003指令，对标准执行时间表、部分标准限值和试验方法进行了修改。另外，EuroNCAP在2003年就把行人碰撞保护列为新车星级评定的一项内容。EuroNCAP行人碰撞保护碰撞试验并不是严格按照欧洲法规的要求来进行的，而是有自己的一套评价体系，其行人腿部试验是按照EC102/2003指令第二阶段的条件和要求进行，但是头部试验与EC102/2003不尽相同，EuroNCAP的实验要求更是繁多，实验汽车的速度由法律给的35km/h增加到40km/h，头部种类同时也和EC102/2003指令的要求不一样，然而行人头受伤的标准还是一样的，这样就极大提高了要求。EuroNCAP是现在全球对路人碰撞安全实验最为严格的制定方案。韩国于2004年制定实施了TRIAS63《行人头部安全要求》，指出车辆要整备行人碰撞保护设施，而且在2005年陆续学习美国法律对行人碰撞保护进行JNCAP的实验。韩国的TRIAS63《行人头部安全要求》法规是与JNCAP几乎都是一样的。行人碰撞安全是韩国JNCAP中一个独立的测试要求，它在2003年正式开展，是参照美国行人碰撞安全法律给定的，然而其评价体系与美国的略有不同，韩国的JNCAP只评价行人的头部伤害。行人保护性也被加入第一批要求的15项GTR项目，在WP29被动安全工作组（GRSP）内建立了专门起草制定行人安全性GTR的非正式工作组，即行人安全性GTR非正式工作组，专门负责该法规的起草制定工作。行人安全性GTR非正式工作组成立后，在2003年提交了第一份工作报告，内容主要为起草制定该法规的基础和依据，包括在各种交通事故中行人死伤的总体情况，不同受伤情况的分布，以及碰撞的速度等。GTR《全球技术法规关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护和减轻严重伤害的认证统一规定》（2008年版）已发布实施。在中国，GB/T24550－2009《汽车对行人的碰撞保护》于2010年9月25日公布，并在2011年8月15日正式上线。GB/T24550－2009《汽车对行人的碰撞保护》修改采用了GTR9《关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护和减轻严重伤害的认证统一规定》。2013年发布了汽车行业标准QC/T938－2013《汽车对行人的碰撞保护试验规程》，2014年实施。经过最近这些年的开展，现在中国的车辆行业也知道了车辆行人碰撞安全的重要性，还已经把标准的方案准则作为车辆方案设计，中国的车辆对行人碰撞安全技术水平有了跨越式的发展，但标准仍为推荐性标准，对于促进我国汽车行人碰撞保护技术的提高推动力仍显不足。二总体方案设计2.1设计任务利用solidworks等软件完成汽车保险杠静强度试验台的机械结构设计并完成三维建模，机械结构包括检测部分的两个反向的行走机构，完成主要部件的机械结构设计、强度校核以及气压部分设计。静态实验的目的是了解保险杠在典型的实际碰撞作用下的应力分布情况，确定这些应力分布是否符合设计目标值，并对实际使用条件下的强度、刚度进行研究。2.2设计参数的给定（1）最大加载力：300kN，负荷测量精度：±0.5%F·S。（2）位移测量范围：0~600mm，测量准确度：±0.5%F·S。（3）加载速度可调，不大于13mm/s。（4）水平调节范围0~2000mm，垂直调节范围：0~800mm2.3总体设计被检验零件三维图被测的汽车保险杠如图所示，要检测保险杠是否符合国家的行业标准，其应力分布是否科学，在发生碰撞时候是否能很好的进行减振，所以需要用到电动缸来给保险杠施加外力，用位移传感器来检测保险杠发生的位移。由下面公式可以知道，力与正应力之间关系。σ公式中：σ——正应力，单位PaE——弹性模量，没有量纲，数值由材料本身特性决定ε——保险杠发生的变形F——保险杠承受的外力A——保险杠受力面积通过上面公式可以明显看出，变形与外力有着很大关系，通过力与变形之间的关系，就可以知道保险杠的强度问题。主要有以下两种方案：（1）保险杠不动、施加力的电动缸进行移动；（2）其他不动，进行对保险杠移动。第一种方案比较合理，因为保险杠是一个不太规则的物体，不容易卡紧，而且比较重，不太适合做为移动，所以选择第二种方案作为我们的最终方案。竖直方向移动采取用步进电动机连接蜗轮蜗杆，把旋转改成了直线，然后运动通过上述传动装置后，利用导轨滑块来进行竖直方向移动。水平方向采取步进电动机连接齿轮齿条装置，通过齿轮齿条将旋转运动变为直线运动，然后再齿条平行线上放置两个导轨，降低水平方向的误差。控制系统采用PLC进行控制，因为保险杠的静强度试验台主要在工厂上使用，工厂环境比较复杂，容易有很多干扰设备，PLC其中一个很大的特点就是抗干扰能力强。因为一方面要进行移动，另一方面要施加外力，所以控制模式要有两种模式，分别是力控制模式和位移控制模式。机械框架为设备主体支撑框架，采用焊接结构并去应力处理。用于连接伺服电动缸，并与铁地板进行安装固定。平台采取用铸铁，因为铸铁减振效果好。去应力是要防止设备发生变形，导致位移传感器测量的结果不准确。在电动缸加载头与安装框架间安装4根导向杆，导向杆直径80mm，要求当伺服电动缸加载头完全伸出后，对其施加50kN的侧向力，卸载后伺服电动缸可正常收缩，功能无异常。静强度实验台机械结构图三保险杠静强度试验台的结构设计3.1水平移动方向3.1.1导轨的选型最下层的导轨需要承载整个行走机构的重量，所以它的负载就是它之上的行动部件的总重量，所以要对这个重量进行估算。包括工作台、托板、电动机、蜗轮蜗杆副、直线滚动导轨副等等，估计重量约为3000N。滑块能够承受的工作外力是决定直线滚动导轨副选用条件的第一位，本测量系统中使用直线为水平布置，采用两个直线导轨、四个滑块的支撑形式。由于本工作台用于检测，所以只考虑移动部件重量即可。直接考虑最极端的情况，即所有移动部件的重量产生的工作负载全部都由一个滑块承担，则单滑块所受的垂直方向的最大负载为P得出最大负载后，只要选择工作外力大于最大负载的直线导轨副即可，初选直线滚动导轨副的型号为HGH65HA（中国台湾省大银微系统股份有限公司），其额定动载荷为，额定静载荷为。图3.1导轨副尺寸规格图x-y工作台预计行程范围0-2000mm，考虑工作行程留有一定余量，选取导轨长度为2800mm。前文中选则的型号为HGH65HA的导轨副滚道硬度为HRC70，工作温度最大不能超过110℃，每根导轨上都配有两个滑块，本身检测系统负载就不高，经过平分后，工作载荷更低，而且工作速度也较低，所以不必担心温度和硬度不够的问题。为了计算导轨的使用寿命，先取硬度系数为，温度系数为，接触系数，精度系数，载荷系数，可以得出导轨能行进的总寿命为得出的结果远远大于设定的期望值100km，所以直线滚动导轨副的额定距离寿命足以满足检测系统。直线导轨有以下好处：（1）、定位精度高采用线性滑轨当做整体零件的导引作用，因为线性滑轨的摩擦方法是滚动摩擦，不但摩擦系数只有滑动的五十分之一。所以当整台设备工作的时候，打滑这种问题不会产生，因此能够有μm级的定位精度。（2）、安装方便且能够更换由于导轨是外购件，精度很高，在安装时候，有一套标准的方案，一般都是用螺纹固定在台面上，所以安装很方便，不需要专业人员来进行安装。降低了安装费用，提高了企业的效益。所以很多时候都会优先选择滑轨。并且当滑轨出现问题的时候，只需要买同款的产品进行更换就好，有着十分优秀的互换性，所以维修十分方便。（3）、摩擦小，不会降低精度过去的滑动引导设备，肯定会出现润滑油倒流的现象，进而导致整台设备的工作精度不达标，还有工作时润滑油流出去，润滑油减少，这就会导致导轨出现大的摩擦，会对精度产生很大的副作用。并且滚动的摩擦力特别小，所以整台设备工作很长时间后依然会保持很高的精度。（4）、可以降低所需电动机的功率由上面分析可以知道，导轨的摩擦力特别低，就算整台设备很重，但是乘以很低的摩擦系数之后，所需的外力就需要很低了，我们就可以选择低功率的电动机，不需要大功率的电动机，降低了能耗，电动机的发热问题也很好的解决了。S（5）、能够承受任意方位的外载因为线性滑轨的精心设计，所以不会出现普通导轨不能够承受横向的外载，当有一点横向外载时候，精度就会大大降低，而这款导轨在这方面进行了很大的改善。3.1.2电动机的选型与计算考虑到要精准控制传感器的位置，所以选择步进电动机作为动力装置。因为步进电动机比较容易控制而且精度比较高。步进电动机的力矩选择由摩擦力计算公式F式中：Ffμ——摩擦系数G——物体总重力求得转矩：M步进电动机的惯量匹配计算J式中：JLWD——齿轮直径n——转速比JJ所以选择110BYG型步进电动机（北京森创电机技术有限公司）。型号步距角（°）相数保持转矩（N·m）电压（V）定位转矩（N·m）转动惯量（Kg·cm2）110BYG1.82101100.35.6步进电动机重要参数表步进电动机三维图3.1.3齿条的计算根据要求，水平调节方向的调整范围为0～2000mm，为了留足足够预留量，所以齿条长度选择2300mm，选择的型号是2.5M20PA25FW（联合精工）。齿条三维图3.1.4减速机构的设计由于步进电动机的扭矩较小，转速较快，通常不能直接和执行机构之间相连，这就需要设计减速器。通过减速器，可以把转速降低，扭矩增大。考虑到齿条的布置情况，因为齿条是竖直放置的，所以齿轮必须水平放置，但是电动机我们选择的布置方式也是水平布置，所以我们需要通过减速器把旋转方向进行90度的改变。能够进行90度改变的减速器有蜗杆减速机和锥齿轮减速器。但是锥齿轮减速器相比较而言，体积比较大，所以不予采用。RV系列涡轮减速机满足我国准则GB10085-88基本特性上，借鉴全球最发达的先进技术，首次设计和制造出“方方正正”的造型，采用上等铝合金加工出来的、整体看起来十分漂亮，所以拥有六大优点：（1）、结构简单，采用涡轮蜗杆形式，即使很大的传动比，体积也是小巧玲珑；（2）、散热特性好，所以工作时候的温度不会过高，导致润滑效果不好；（3）、安装比较容易，减速效果好，效率高；（4）、能够承受的载荷比较大，不会轻易发生强度问题；（5）工作过程产生的噪音小，而且流畅，不卡顿；（6）、能够广泛运用在各种场合，安全度大，有效保证机器顺畅工作。涡轮减速器三维图3.2竖直移动方向机械结构设计3.2.1导轨的计算与选型由于静压强度试验台工作时候需要检测整个保险杠，所以需要进行两个方向的移动，Z轴的方向运动在这里依然选择一个直线导轨，由步进电动机进行驱动。Z轴方向移动的摩擦力几乎可以忽略不计，因此选择和X轴方向移动的同类型导轨肯定可以满足工作需要。高度根据保险杠高度为560mm，所以为了能够有一定的预量，所以直线导轨的长度选择为1560mm。在这里选择HGH55HA型号的直线导轨。直线导轨实物图3.2.2步进电动机的计算与选型考虑到要精准控制传感器的位置，所以选择步进电动机作为动力装置。因为步进电动机比较容易控制而且精度比较高。步进电动机选取森创110BYG型，它的额定功率：110W,额定转矩：0.637N.m,电机转动惯量为JM：0.0017Kg.m2单轴的滑台的总重量预算应该是10Kg左右。外部负荷的转动惯量：丝杆产生的转动惯量：（3-1）外部负荷的负荷转动惯量：（3-2）则有：加在电机上的转动惯量：（3-3）②外部负荷产生的摩擦扭矩：（3-4）式中： ——滚珠丝杆副的导程——未经预紧的滚珠丝杠副效率（2级精度=0.9）——外加轴向载荷，其中含有导轨摩擦力紧力产生的摩擦扭矩：（3-5）式中：——滚珠丝杆副间的预紧力，④加速度产生的负荷扭矩：由整台设备条件可以知道：水平方向的移速是v=10mm/s，所以电机大小为=60rpm，那么加速度的数值就应该是a=40mm/s2,那么设备的移速从0加速到10mm/s需要的时间就是：s（3-6）当伺服电动机由静止提升至转速=150rpm的时后，它的负荷扭矩为（3-7）⑤电机总扭矩：（3-8）因此采用的电机额定扭矩大小是0.637N.m，超过了我们上面计算的数值的一倍半还多。因此采用的这款电机能够满足设备的工作要求。下图为所选电机的具体尺寸图：图3.5电机规格图3.2.3丝杠的选型丝杠通常有以下五大优点：（1）摩擦损失小、传动效率高因为丝杠是滚动摩擦，所以比滑动摩擦要小的多。并且因为丝杠是精密仪器，表面粗糙度低，所以滚珠和丝杠之间的摩擦会更加小。由于摩擦系数较小，所以功率损失就会低，所以传动效率自然就会比较高，好的丝杠甚至可以达到0.99的效率。（2）精度高滚珠丝杆最大的特点就是精度很高，但是在保证精度高的同时，对其他要求也比较高，比如设备的工作温度，环境湿度是否达标。而且在组装的时候，不能有灰尘掉入。（3）高速进给和微进给可能滚珠丝杠可以在很低的速度也可以很平稳的运行，不会出现所谓的失步的现象。这一点特别重要，因为倘若出现这种情况，就会导致位移变大，进而强度变低，并不符合保险杠的实际强度。（4）轴向刚度高（5）不能自锁、具有传动的可逆性丝杠选择型号为Tr32x8L（上银科技股份有限公司），导程为20mm。丝杠示意图3.3加载机构的设计3.3.1导向机构设计在电动缸加载头与安装框架间安装4根导向杆，导向杆直径80mm，要求当伺服电动缸加载头完全伸出后，对其施加50kN的侧向力，卸载后伺服电动缸可正常收缩，功能无异常。选择的型号是CF80CC（联合精工）。3.3.2滚珠丝杆的选型与计算滚珠丝杠和其他传动方案对比，有下面九大性质：（1）传动效率比较高，可以达到0.99，是其他机构很难达到的；（2）精度好，比其他传动方式好很多；（3）运动平稳，不会出现失步的问题；（4）使用时间长，不会出现故障；（5）定位精度好，对于精密仪器来说是首选；（6）自锁不行，可以来回运动；（7）由于精度好，所以两款滚珠丝杠可以做到同步运行；（8）可靠性高，放心选用，通常不会出现问题；（9）造价比较高，维护成本也不低。（1）确定滚珠丝杠副的导程大部分伺服电机的额定转速都为3000rpm，由于检测系统所需要的检测系统不高，设定工作台工作时行走速度为10mm/s，两个数据确定后便可以计算丝杠的最低导程。Y向运动的驱动电机选择松下，电机额定转速为3000rpm。电机通过同步带直接与滚珠丝杠相连，传动比是1。单轴方向的最大进给速度为10mm/s，所以是600mm/min。那么计算丝杠需要的最低行程是：（3-9）于是决定选择Ph=20mm，（2）滚珠丝杠副的载荷及转速计算直线滚动导轨工作时承受的最大滑动摩擦系数约为0.004，静摩擦系数与滑动摩擦系数相差不是很大，此处计算取静摩擦系数为0.006。则计算导轨的摩擦力：（3-10）式中：——工件、夹具及工作台质量，经计算约为20kg。——导轨滑块密封阻力，按4个滑块，每个滑块密封阻力6N。由于本机构是检测系统而且本身重量也不是很大，丝杠工作时不像机床丝杠那样承受切削力，基本是匀速进给，其收到的阻力主要来自于机构重量赋予直线滚动导轨副的摩擦里。则有：（3-11）滚珠丝杠副的当量载荷：（3-12）滚珠丝杠副的当量转速：（3-13）（3）滚珠丝杠副预期额定动载荷1）按滚珠丝杠副的预期工作时间计算：（3-14）式中：——当量转速，rpm——预记得工作寿命，检测用的机床15000h——负荷系数，平稳无冲击选择=1——精度系数，2级精度选择=1——可靠性系数，一般选择=12）按照计算的滚珠丝杠副的运行距离寿命：（3-15）式中：——预期运行距离，一般选择3）按照计算的滚珠丝杠副的预计的最大轴向负载：式中：——预加负荷系数，轻预载时，选择=6.7——丝杠副最大载荷4）预记滚珠丝杠在工作时的最大轴向变形量算m重复定位精度单轴运动滑台对重复定位精度要求最低为0.01mm，则mm（3-16）（4）选择滚珠丝杠的型号丝杠采用内循环双螺母式滚珠丝杆，代码是SFU2010-2，精度是2级。丝杆基本导程Ph=10mm，公称直Xd0=20mm，总长500mm，珠径3.175mm螺母外径36mm，循环滚珠3圈一列，额定动载荷Ca=8.35KN＞Cam，额定静载荷Cao=16.8KN。下图为滚珠丝杠副的详细尺寸图。（包括两端尺寸和丝杠螺母尺寸）图3.2滚珠丝杠副尺寸图3.3.3电动机的选型与计算V式中：VJn——伺服电动机的转速n1——齿轮1n2——齿轮2PhJ由JM=1-4J名称参数齿轮1齿轮2丝杠n/(r·mm-1)720360360J/(Kg·m2)0.160.160.012重要参数表根据以上计算，可以初选伺服电动机SGM7J-04AFC6S。型号额定输出（W）额定转矩（N·m）额定电流（A）额定转速（rpm）转子转动惯量（Kg·SGM7J-04AFC6S400252.530000.004TJ=2TT通过以上计算可以确定，初选的电动机适合本机构，能够满足我们工作需要。3.4框架支撑系统设计加工设备中用于组装其他部位的一个装置，一般有基础件和支撑构件。他的主要作用有以下四点，分别是：（1）支撑和安装机械系统中的其他系统；（2）承受各种方向的外载荷；（3）确保各个系统之间的相对位置和相对速度；（4）内部还可以布置其他装置。框架支撑系统是机械系统的一个重要组成部分，很有可能会对机械设备的精度、振动性以及安全性。因此，准确布置支撑部件，对于减少质量、省材、减少加工费用、增加使用时间等十分影响大。因此对他们提出的准则是：（1）强度要大，不能出现断裂等问题；刚度也要大。不能出现变形问题。（2）动态特性要达标；（3）产生热的时候，不能有过大的变形；（4）结构工艺要科学，在加工时候容易，降低成本。通过上面要求，我们可以如下进行框架设计。机械框架为设备主体支撑框架，采用焊接结构并去应力处理。用于连接伺服电动缸，并与铁地板进行安装固定。当伺服电动缸活塞处于位移量+300mm（即活塞完全缩回）位置处时，要求机械框架在X方向（X方向为加载方向）的外廓尺寸不能超过电动缸缸体。当伺服电动缸加载中心处于Y向水平方向及Z向垂直方向调整中间位置处，位移模式控制伺服电动缸加载至最大载荷时，在X方向上伺服电动缸缸体相对地面的变形量不能超过1.5mm。机械框架与安装地板间除了已有的连接件，在调整好设备位置后使用螺钉进行加强固定。支撑件主要有六种材料，分别是铸铁支撑件、焊接支撑件、铸钢支撑件、轻合金支撑件、混凝土支撑件以及天然岩石及陶瓷支撑件。他们有各自的优点以及缺点，所以我们要选择正确的材料，才能够设计出更好的支撑件。支撑件在铸造或焊接过程中所产生的残余应力，必须予以消除、以免在使用过程中因为残余应力重新分布或逐渐消失而产生变形。普通精度的支撑件，安排一次失效处理即可。精密支撑件则常在粗加工前后各安排一次失效处理。至于高精度支撑件，除进行两次时效处理外，还应将支撑件胚件放在露天一年左右，以进行自然失效处理。底座选择用铸铁材料，铸铁的铸造性能好，易于铸造结构复杂的支撑件，并具有良好的减震性和耐磨性，价格便宜。在加工完成后，还需去除残余应力。竖版选择用易于焊接的材料，比如16Mn，这种结构壁厚薄，重量轻，固有频率高，并能通过有效措施提高抗震性，且能缩短生产周期。3.5传感器的选型在第二节的叙述中，可以知道静强度试验台的工作主要通过力和位移来测量出保险杠的静强度。而力和位移的大小的测量一般都是通过传感器来进行测量的。对于传感器的要求一般有以下三点：（1）在运动部件移动范围内，能满足精度和速度的要求；（2）可以可靠地工作，受温度影响小；（3）使用、维护简单，成本低。基于以上原则，对传感器进行选择，大致结果如下：序号产品名称型号规格数量生产厂家1折返式伺服电动缸(增量编码器)BUM-300300kN，±300mm1台新联机电2轮辐式力传感器DBSL-SJ30T±300kN，测量精度：≤±0.5%F•S1件美国传力（transcell）3轮辐式力传感器DBSL-SJ10T±100kN，测量精度：≤±0.5%F•S1件美国传力（transcell）4位移传感器RLC50D650mm，测量精度：≤±0.2%F•S1件长春荣德5电子尺TR-005050mm1件novo6拉绳式位移传感器RLC40D300mm，测量精度：≤±0.2%F•S1件长春荣德7拉绳式位移传感器RLC40D400mm，测量精度：≤±0.2%F•S1件长春荣德选择的传感器种类拉绳式位移传感器主要是测量保险杠的变形，轮辐式力传感器主要测量施加给保险杠的力。这两个传感器就可以测量出汽车保险的强度问题。3.6操纵控制系统的设计把人和设备通过一种方法建立起来关系，使设备听从人的想法，这就是操作系统。经过试验证明，好的操纵系统会减少事故的发生，对于保证工人的人身安全至关重要，对于本设计，最大加载可达到300KN，这么大的力很可能会导致工人受伤。因此设计操纵系统一定要有以下特点：（1）容易操纵，工人可以省力，减轻工人的劳动强度；（2）位置要固定，不能出现松动问题；（3）按下按钮，机器就要迅速做出反应；（4）在合适高度布置。站立时的手臂活动范围一般坐姿操纵的工作范围和势力范围根据上面的两个图，我们可以确定机械总体结构的大小，符合人体美学，让现场工人易操作，减少事故的发生。设备配置有以下安全防护软件及硬件：设备急停按钮；安全警告标志。对下列情况提供保护并采取相应措施：电源漏电、短路、过载等；传感器短线、损坏、超量程等；无授权操作、参数设置超范围等；力/位移超限保护。设备外观：线缆走线美观，设备机械部分喷涂灰白漆，加载部分喷涂黄色漆。3.8控制系统设计为了降低企业的人力和物力，现代工厂在设计设备的时候，往往都会选择自动化产品。而实现自动化的方式大多数都是选择用PLC来控制整个系统的运行。不只是降低了企业的用人成本，同时也大大提高了非标设备的精确度和准确度。因此在设计汽车保险杠的静强度试验台的时候，也需要设计PLC程序，来对整台设备进行有效地控制。PLC控制系统，可编程逻辑控制器，专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。其优点有以下几点：可靠性高，抗干扰能力强。由于企业内部有大量其他设备，所以会出现各种信号，容易互相干扰。这就要求我们控制核心要有一定的抗干扰能力，不能频繁出现各种问题。比如说单片机虽然很便宜，但是却很少在工厂中使用，其原因就是他的抗干扰能力不行，会经常出现程序错误问题。配套齐全，功能完善，适用性强。由于时代的发展，PLC经过这么多年的发展，已经有了庞大的家族，不同型号的应有尽有。不同价位的也有，所以可供选择的种类特别多。易学易用，深受工程技术人员欢迎。编程很简单，上手快，一周就可以快速了解如何编程。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。欧姆龙PLC实物图序号产品名称型号规格数量生产厂家16控制柜G2.684219寸1套深圳图腾17外置数据采集及电机控制器及软件FM37001通道伺服控制，3通道编码器采集，4通道±10v模拟量采集1套北京润城，新联机电18限位开关IM30-15PNP2个Sick19遥控器F24-12SDC24V供电1套禹鼎20层灯XVGB3SM红黄绿颜色1套施耐德21配电附件——漏电保护器，线槽端子开关电源灯1套施耐德22按钮SB2系列急停启动蜂鸣器灯1套施耐德23工业控制计算机研华610Cpu2.7G/内存4G/硬盘256G1套研华24显示器E970SWN518.5寸1套AOC25PLCCP1EDC24V供电漏型1套Omron控制系统组成部分3.9本章小结到此，静强度检测系统包括的所有机构设计完毕，其中包括二维工作台、X轴方向移动机构、Y轴方向移动机构、Z轴方向移动机构以及传感器的选型这几个主要部分，其中主要的计算部分是选用二维工作台及Z轴机构所需的滚珠丝杠副、电机及导轨副的计算。工作的实现主要通过传感器的测量结果计算。整个机构中大部分主要零件是通过直接选型的方式，但是也有一部分是由我自己设计的，如底座、减速器等。完成所有的部件设计后我开始学习如何用SolidWorks软件进行装配，并把所有部件装配到一起，装配完成后的三维轴测图如下：静强度实台机构总图四综合评价综合评价是对筛选后少数有价值的备选方案同时从技术、经济和社会各方面进行整体评价，确定准备实施的最优方案。评价的方法有加权评分法、连乘评分法、评分定量表法、FD加权评分法、DARE加权评分法和技术经济评分法等。4.1技术评价序号接近理想状态的程序标准评分1理想状态42较好33一般24勉强15不能满足要求0评分标准计算方案的总技术评价值（X）：X=式中：X——技术评价值；F1Fmax控制系统选择用PLC，效果很好，能够很好达到预想的要求，可以得4分；框架部分选择也很合理，但是在焊接时候，会产生一些应力，所以有可能会降低精确度，可以得三分；水平移动机构，采用锥齿轮降速，然后再搭配齿条变为直线运动，经济上合理，但是精度不是特别高，所以得3分；竖直移动机构用步进电动机蜗轮蜗杆，效果特别好，可以得4分；加载机构用伺服电动机驱动滚珠丝杆，精度高，效果好，可以得4分。因此：X=一般来说，X<0.6方案是不合要求的，X=0.7左右，是好的，X>0.8方案是最好的。所以这个方案从技术上来说是非常好的。4.2经济评价对方案的经济评价，采用制造费用比较法，既把产品制造费用作为主要评价要素来选择最优方案。技术经济优化是利用“技术经济对比关系图”，如下图所示，使方案的技术价值与经济价值达到最优的组合。技术经济对比关系图下面将配件价格进行调研，如下所示：序号产品名称型号规格数量价格1折返式伺服电动缸(增量编码器)BUM-300300kN，±300mm1台56002轮辐式力传感器DBSL-SJ30T±300kN，测量精度：≤±0.5%F•S1件32003轮辐式力传感器DBSL-SJ10T±100kN，测量精度：≤±0.5%F•S1件21004位移传感器RLC50D650mm，测量精度：≤±0.2%F•S1件5605电子尺TR-005050mm1件7406拉绳式位移传感器RLC40D300mm，测量精度：≤±0.2%F•S1件6007拉绳式位移传感器RLC40D400mm，测量精度：≤±0.2%F•S1件7508导向轴及导向套CF80CC——1套4809水平方向导轨HGH65HA2800mm2件196010垂直方向导轨HGH55HA1560mm2件108011位置调整电机及其驱动器110BYG110两相2台290012垂直调整梯形丝杠及轴承座Tr32x8L导程20mm1套57013水平调整齿轮齿条机构2.5M20PA25FW长度2300mm1套45014机械标准件——若干1套150015机械焊接框架——若干1套500所以最后机械方面造价总共是22990元，可以看做是23000元。同等精度，市场上最便宜的是25400元，单台加工件成本降低了2400元；年节约额为2400×35=84000元，产值利润提高到23%。此外，经有关部门和专家鉴定，结论是该静强度试验台结构布局合理，造型美观，工作精度性能等技术指标符合标准要求，经济效益显著，达到了国内先进水平。并在企业已经生产一台，运行效果达到了目标定位。4.3项目管理在进行非标准机械设计的过程当中，我们一定要注意项目管理。一个好的项目管理可以帮助我们合理制定工作计划，这样就可以从容面对各种突发情况，比如外购件在邮递时候速度太慢，导致后期的装配时间紧张；结构设计时间用时过多等这些问题。我们可以拟定一个项目实践计划表，根据这个计划表，我们进行一个合理的分配时间，这样就可以保证我们从容不乱的去完成我们的工作，避免一些突发情况的出现。下图将列出我们的时间计划表。时间计划表项目工作工作进度3月20-6月206月22-7月207月22-8月158月20-12月1012月15-3月15保险杠强度试验台设计设计图纸自制件加工标准件购买外购件购买装配装备调试装备检验装备验收由表中可以看出，把每个时间