摘 要

在实际的工作生活中，能够产生大变形的高分子材料将会受到多种载荷的复合作用,双轴向的拉伸变形占比最高。单轴向的应力测试数据不能够真实地体现材料在力学方面的特性，而双轴向的应力状态可以弥补这一点，它的力学特性能够真实的反映出材料的具体性质。但现有双轴拉伸测试装置也存在体积较大，不利于同显微成像装置进行集成的问题，导致有关双轴拉伸原位测试技术的研究开展的较少。国外虽然已有商业化的小型双轴拉伸原位测试装置出现，但功能较为单一，价格昂贵，且不易引进。国内在双轴拉伸原位测试方面发展较晚，还没有成熟的商业化产品出现。因此，开发具有自主知识产权的双轴拉伸力学原位测试装置，对于推动我国的接近服役条件下材料的微观破坏机理的研究具有重大意义。为此需要设计一种双轴材料拉伸机，完成拉伸机基本机械结构设计及系统控制方案。双轴材料拉伸机主要用于对材料的张拉强度、最大力、延伸效率、弹性模量等力学性质进行测试。通过伺服电机对材料施加4个方向的外部拉力，以及用传感器在具体测试实验时的外部拉力，了解了材料在双轴拉伸试验时的真实性质。

关键词：双轴拉伸；材料；力学特性

Biaxial tensile machine design

ABSTRACT

In the actual work life, can produce large deformation of the composite of polymer materials will be a variety of load effect, the biaxial tensile deformation of the highest. Uniaxial stress test data can not truly reflect the nature of materials in terms of mechanics, and biaxial stress states can make up for it, its mechanical properties can be real reflect the specific properties of the material. But the current biaxial tensile testing device is large, is not conducive to integrated with microscopic imaging device, leading to the biaxial tensile testing technology research carried out in situ. Abroad while existing commercial small biaxial stretching in situ testing device, but the function is relatively single, expensive, and not easy to introduce. Domestic development relatively late in biaxial stretching in situ test, is not mature in the commercialization of the products. Therefore, developed with independent intellectual property rights of biaxial stretching mechanics in situ testing device, for promote our country closer to the service conditions of material micro failure mechanism of the research is of great significance. Therefore need to design a kind of biaxial tensile machine, complete drawing machine basic mechanical structure design and system control scheme. Biaxial tensile machine is mainly used for the tensile strength of material, the most energetically, extending efficiency, mechanical properties such as modulus of elasticity test. By applying four servo motor on the material direction of external force, and with the sensor in the concrete test experiment, the external strain of understanding the true nature of the material at the time of biaxial tensile test.

Keyword： Biaxially stretched; Material; Mechanical properties;

目 录

1 绪论 1

1.1 选题背景与研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 双轴拉伸力学测试装置与研究进展 2

2 双轴材料拉伸机方案设计 6

2.1 设计任务 6

2.1.1 课题分析 6

2.1.2 任务书 6

2.2 总体方案确定 6

2.2.1确定方案 7

2.2.2 参数选择 7

2.2.3 运动方式 8

2.2.4 总体结构 8

2.2.5 小结 9

3 伺服电机的确定 11

3.1 初选伺服电机参数 11

3.2 机电领域中伺服电机的选择原则 11

3.2.1 传统的选择方法 11

3.2.2 新的选择方法 12

3.3 一般伺服电机选择考虑的问题 12

3.3.1 电机的最高转速 13

3.3.2 惯量匹配问题及计算负载惯量 13

3.3.3 空载加速转矩 13

3.3.4 切削负载转矩 13

3.3.5 连续过载时间 14

3.4 根据负载转矩选择伺服电机 14

3.5 根据负载惯量选择伺服电机 14

3.6 电机加减速时的转矩 16

3.6.1 按线性加减速时加速转矩 16

3.6.2 按指数曲线加速 17

3.7 根据电机转矩均方根值选择电机 18

3.8 伺服电机选择的步骤、方法以及公式 19

3.8.1 决定运行方式 19

3.8.2 计算负载换算到电机轴上的转动惯量GD² 19

3.8.3 初选电机 20

3.8.4 核算加减速时间或加减速功率 20

3.8.5 考虑工作循环与占空因素的实效转矩计算 20

4 双轴材料拉伸机的确定 22

4.1 工作台外形尺寸及重量估算 22

4.2 滚珠丝杆的选用 22

4.2.1静载荷条件 23

4.2.2 丝杠寿命计算 23

4.2.3 丝杠强度计算 24

4.2.4 丝杠的稳定性 25

4.2.5 丝杠的刚度 25

4.2.6 丝杠的传动效率功率 27

4.2.7 滚珠丝杠几何参数 27

4.2.8 注意问题 28

4.3 滚动导轨的选用 31

4.4 移动部分各部件的重量计算 32

4.5 支撑滚珠丝杠的轴承的选择及验算 33

4.5.1 动横梁变形的验算 35

4.5.2 静横梁变形的验算 36

4.6 联轴器的选择计算 37

4.7 转动部件的等效转动惯量计算 38

4.8 移动部件的等效转动惯量的计算 40

4.9 检验传动刚度引起的定位误差 40

结论 41

致谢 42

参考文献 43

1 绪论

1.1 选题背景与研究意义

材料对人类社会的发展至关重要，决定了现代制造业所能够达到的程度。一种新材料的发明，甚至可以促进一种新型产业的兴起^[4]，一项材料功能的新发现，或许就可以革新制造技术。

材料技术也变成我国工业发展的支柱型技术。但是，因为材料测试技术没有显著性提高，对典型材料的破坏机理缺乏研究，限制了我们材料科技与制造业的现代化发展。每年因为材料失效所引发的安全事故危害巨大，生产制造特别浪费，损失了大量国民经济甚至威胁到了人民的生命和财富，材料测试技术已经成为我国发展先进制造业以及振兴经济的重中之重。如图1.1，为材料在实际工况下的失效形式及原因