畢業(yè)論文----雙軸拉伸試驗平臺的設(shè)計和實現(xiàn)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計論文</b></p><p>　　作 者： 學(xué) 號： </p><p>　　系 部： </p><p>　　專 業(yè)： 數(shù)控技術(shù) </p><p>　　題 目：雙軸拉伸

2、試驗平臺的設(shè)計和實現(xiàn) </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　評閱教師： </p><p><b>　　完成時間： </b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)中文摘要</p><p>　　雙軸拉伸試驗平臺的設(shè)

3、計和實現(xiàn)</p><p>　　摘要：材料試驗是產(chǎn)品設(shè)計及對其進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)，本文利用VC++6.0的動態(tài)鏈接庫技術(shù)，設(shè)計了一種基于NI-DAQ并且能對超彈性膜進(jìn)行等軸拉伸試驗的設(shè)備。采取行程等分定點觸發(fā)方式，完成了對一種超彈性膜材料雙向拉伸試驗的數(shù)據(jù)采集。本文分別從系統(tǒng)硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計兩方面介紹NI公司的PCI7340運動控制卡和PCI6221數(shù)據(jù)采集卡的基本結(jié)構(gòu)和功能、自夾緊夾頭等機(jī)械組件的設(shè)計，虛擬儀器

4、等控制系統(tǒng)軟件的介紹，以及本案關(guān)鍵的運動控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊兩大模塊在實際編制中的關(guān)鍵步驟。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器 雙軸拉伸 DAQ VC++</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文摘要</p><p>　　Title：The Design and Realization of the Biaxial Tensile Test Platf

5、orm </p><p>　　Abstract: The material testing is the product design and carries on optimized to it the foundation,this article uses VC++6.0 the dynamic link storehouse technology,and designed one kind to be a

6、ble to carry on the isometry pulling test based on NI-DAQ to the super-elasticity membrane the equipment.Adopts the traveling schedule division fixed point triggering way,has completed to one kind of super-elasticity mem

7、brane material bidirectional pulling test data acquisition.This article separately desi</p><p>　　Key word:Virtual Instruments Biaxial Tensile DAQ VC++</p><p><b>　　目 錄</b></

8、p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　2 雙軸拉伸試驗平臺整體方案設(shè)計1</p><p>　　2.1 雙軸拉伸試驗原理2</p><p>　　2.2 雙軸拉伸試驗平臺整體結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2.3 采集信號的觸發(fā)4</p><p>　

9、　2.4 采集數(shù)據(jù)的處理5</p><p>　　3 雙軸拉伸試驗平臺的硬件設(shè)計5</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6</p><p>　　3.2 運動控制卡及運動控制6</p><p>　　3.2.1 運動控制卡的選擇6</p><p>　　3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇7</p>

10、;<p>　　3.3 典型機(jī)構(gòu)設(shè)計9</p><p>　　3.3.1 對稱拉伸機(jī)構(gòu)設(shè)計10</p><p>　　3.3.2 自夾緊夾頭設(shè)計10</p><p>　　4 雙軸拉伸試驗平臺的軟件設(shè)計12</p><p>　　4.1 基于PC的虛擬儀器軟件12</p><p>　　4.2 利用VC++

11、設(shè)計雙軸拉伸試驗平臺的控制系統(tǒng)軟件13</p><p>　　4.3 運動控制模塊和數(shù)據(jù)采集控制模塊的關(guān)鍵步驟13</p><p>　　4.3.1 運動控制模塊的關(guān)鍵步驟14</p><p>　　4.3.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊的關(guān)鍵步驟15</p><p><b>　　結(jié) 論15</b></p>&l

12、t;p><b>　　致 謝16</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)16</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　電活性聚合物（Electroactive polymers,EAP）驅(qū)動材料是指能夠在電流、電壓或電場作用下產(chǎn)生物理形變的聚合物材料，其

13、顯著特征是能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能。EAP材料是廣泛用于機(jī)器人、機(jī)器昆蟲、人工假肢、人工機(jī)械手、發(fā)動機(jī)及醫(yī)療衛(wèi)生、電機(jī)械工業(yè)、軍事情報等高科技領(lǐng)域的智能材料，也稱“人工肌肉”（如圖1.1所示）。</p><p><b>　　圖1.1 人工肌肉</b></p><p>　　EAP驅(qū)動器一般是利用通電制動伸長來進(jìn)行工作的，因此研究超彈性膜受壓后的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對正確的設(shè)計驅(qū)動

14、器已進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化具有很重要的作用。而受壓實驗因?qū)嶋H加壓時在試樣和夾具之間存在摩擦，使試驗結(jié)果不精確。根據(jù)受力分析可知，單軸受壓與等軸拉伸等效，故設(shè)計一種等軸拉伸試驗儀器以確定受壓性能。</p><p>　　本文詳細(xì)介紹一種利用虛擬儀器組建的雙軸拉伸試驗平臺，通過檢測等軸拉伸力和位移之間的確定關(guān)系，能最終得到電活性聚合物膜材料的本構(gòu)關(guān)系,并驗證其精度。</p><p>　　2 雙軸拉伸試驗平

15、臺整體方案設(shè)計</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，該雙軸拉伸試驗平臺要能夠完成對拉伸試樣進(jìn)行定點拉力數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　2.1 雙軸拉伸試驗原理</p><p>　　該雙軸拉伸試驗平臺主要是用于檢測超彈性膜材料在等軸拉伸時的力與應(yīng)變的關(guān)系，從而確定其本構(gòu)關(guān)系。</p><p>　　圖2.1 雙軸拉伸試驗原理圖</p>

16、<p>　　圖2.1表示了雙軸拉伸試驗平臺拉伸試驗原理。80*80*1mm的超彈性膜試樣被自緊均勻地夾持，由步進(jìn)電機(jī)（圖中未畫出）驅(qū)動圖中兩對反向梯形絲杠旋轉(zhuǎn)，從而分別帶動X與Y軸上的一對滑道分別沿圖示X、Y方向作等軸對稱慢速移動。為使受力均勻及防止超彈性膜材料雙向拉伸后變薄影響夾持，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了能自動調(diào)節(jié)壓力的自夾緊夾頭（見3.3.2所述），24個自緊夾頭均勻分布在X-、X+、Y-、Y+四個方向夾緊試樣進(jìn)行等速拉伸，

17、同時自緊夾頭隨其后面的軸承與滑輪在滑道上滾動。安裝在滑道一側(cè)的X、Y軸向測力傳感器對拉伸力進(jìn)行檢測，通過采集、記錄一定拉伸位移下的拉伸力，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，即可獲得材料的本構(gòu)關(guān)系。</p><p>　　2.2 雙軸拉伸試驗平臺整體方案</p><p>　　如上所述，雙軸拉伸試驗平臺除了拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行采集外還需要能對電機(jī)位移進(jìn)行控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和雙軸拉伸試驗臺的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。工作時

18、由計算機(jī)發(fā)指令控制X、Y軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給，與此同時X、Y軸力傳感器對拉伸過程中的拉力進(jìn)行檢測，并通過數(shù)據(jù)采集卡送入計算機(jī)進(jìn)行處理。步進(jìn)電機(jī)及力傳感器安裝在雙軸拉伸試驗臺（機(jī)構(gòu)本體）上。</p><p>　　圖2.2 雙軸拉伸機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（右側(cè)拉伸臺中存在問題同后）</p><p>　　2.3 雙軸拉伸試驗平臺整體機(jī)械結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙軸拉伸試驗平臺的機(jī)械本

19、體結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。在底板（25）上安放X、Y軸向兩對拉伸臺，在每向的一對反向絲杠通過聯(lián)軸器（20）聯(lián)結(jié)。在4個托板（6）上安裝交錯安裝有滑道組件（7、8等）。試樣（圖中未畫出）夾持在均布的24個自夾緊夾頭時，工作時通過步進(jìn)電機(jī)（1、22）帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動托板完成對試樣的等軸拉伸。</p><p>　　圖2.3 雙軸拉伸試驗平臺機(jī)械本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1-X軸步進(jìn)電機(jī)

20、2-試驗臺支板3-電機(jī)支板 4-連軸套 5-光桿 6-托板 7-自夾緊夾頭組件8-滑道 9- S型傳感器 10-長角型支架 11-懸臂梁型傳感器 12-上連接塊 13-下連接塊 14-絲杠 15-光桿支架 16-雙聯(lián)軸承座 17-墊板 18-長聯(lián)接板 19-單聯(lián)軸承座 20-聯(lián)軸器 21-角型支架 22- Y軸步進(jìn)電機(jī) 23-絲杠螺母 24-滑輪 25-底板</p><p>　?。?biāo)號不清楚，左平臺要拉長與電機(jī)支

21、板接觸）</p><p>　　2.4 采集信號的觸發(fā)</p><p>　　在實際使用中，觸發(fā)方式可以是多種多樣的，對信號采取合適的方式進(jìn)行觸發(fā)采集，是得到材料拉伸應(yīng)力與拉伸率之間關(guān)系的重要方面。利用軟件的強(qiáng)大功能選擇軟件觸發(fā)，使其具有更好的靈活性。從軟件實現(xiàn)上看，大致有3種最基本的觸發(fā)方式，即單點觸發(fā)，內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)。NI數(shù)據(jù)采集卡提供了若干觸發(fā)引腳，可以通過外部向其發(fā)送觸發(fā)信號實現(xiàn)觸發(fā)；

22、也可以通過向采集卡發(fā)送開始采集的命令實現(xiàn)。</p><p>　　因為行程與拉伸力之間要求嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，由于所測力與位移有一定的對應(yīng)關(guān)系，因此數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)是根據(jù)電機(jī)的位移量來實現(xiàn)的。本案采用按照行程分割得到時間點來發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令的，通過在操作面板上輸入采集點數(shù)（圖4.1），根據(jù)設(shè)置的速度和拉伸行程的關(guān)系即確定了信號采集點。本案采用的是等距離發(fā)送采集數(shù)據(jù)的方法，即根據(jù)總拉伸行程及數(shù)據(jù)采集量確定數(shù)據(jù)采集點，由上位

23、機(jī)定時發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令。因為數(shù)據(jù)采集頻率很高，拉力是漸變的，因此可將經(jīng)過軟件濾波的拉力值作為此點處的拉力值。</p><p>　　2.5 采集數(shù)據(jù)的處理</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集過程中，拉伸力和位移的關(guān)系并不是平滑的直線，而是上下波動的曲線，主要是受到其他電信號干擾所造成。這時就需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，常見的有軟件濾波和硬件濾波形式。軟件濾波具有經(jīng)濟(jì)性好、實時性和安全性高、靈活

24、方便等特點，在本設(shè)計中采用的是軟件濾波。常見的軟件濾波的方法有以下10種：1.限幅濾波 2.中位值濾波法 3.算術(shù)平均濾波法 4.遞推平均濾波法 5.中位值平均濾波法 6.限幅平均濾波法 7.一階滯后濾波法 8.加權(quán)遞推平均濾波法 9.消抖濾波法 10.限幅消抖濾波法。</p><p>　　根據(jù)前述的信號觸發(fā)方式，本案的數(shù)據(jù)處理采取的是第三種-算術(shù)平均濾波法。算術(shù)平均濾波法的方法：連續(xù)取N個采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運算

25、，N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低，N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高。N值的選取：一般流量，N=12；壓力：N=4。</p><p>　　算術(shù)平均濾波的優(yōu)點：適用于對一般具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波。這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動。缺點：對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費RAM。</p><p>　　3 雙軸拉伸試驗

26、平臺的硬件設(shè)計</p><p>　　雙軸拉伸試驗平臺采用NI公司PCI7340運動控制卡進(jìn)行運動控制，采用NI公司的PCI6221的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。分別采用NI公司的BNC2110連接器和 UMI7764通用運動接口板作為數(shù)據(jù)采集卡與力傳感器信號電壓、運動控制卡與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器之間的連接器。PCI6221、PCI7340通過計算機(jī)的PCI插槽與計算機(jī)相聯(lián)，圖2.3所示即為這種上、下微機(jī)結(jié)構(gòu)形式的測控系統(tǒng)。

27、計算機(jī)作為人機(jī)界面接口的上位機(jī)，負(fù)責(zé)任務(wù)管理、發(fā)送命令、初始參數(shù)輸入、結(jié)果顯示等非實時功能；PCI6221、PCI7340作為下位機(jī)，根據(jù)上位機(jī)命令直接控制相應(yīng)設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運動控制等實時性強(qiáng)的任務(wù)。</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)</p><p>　　數(shù)據(jù)采集是對一個或多個信號獲取對象信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動

28、采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集卡是一種具有實驗室或現(xiàn)場進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、自動存儲記錄、信號預(yù)處理、即時顯示、即時狀態(tài)分析、自動傳輸?shù)裙δ艿淖詣踊O(shè)備。</p><p>　　圖3.1 NI PCI6221(37針)數(shù)據(jù)采集卡DAQ卡</p><p>　　本文中設(shè)計的雙軸拉伸

29、試驗平臺的數(shù)據(jù)采集是利用NI公司生產(chǎn)的PCI6221數(shù)據(jù)采集卡（如圖3.1所示）完成的。NI PCI6221（37針）數(shù)據(jù)采集卡具有以下構(gòu)造：16路帶37針D-Sub連接器的模擬輸入、2路16位模擬輸出（833ks/s）、10條數(shù)字I/O線、32位計數(shù)器、采用數(shù)字觸發(fā)、關(guān)聯(lián)DIO（2條時鐘線，1MHz）、另有5倍采樣速率的高速M系列和4倍分辨率的高精度M系列可供選擇并且包括NI-DAQmx、VILogger Lite數(shù)據(jù)記錄軟件和其他測

30、量服務(wù)。</p><p>　　3.2 運動控制卡及運動控制</p><p>　　NI的運動控制是NI公司在工業(yè)自動化領(lǐng)域的擴(kuò)展，NI的運動控制就是我們常說的開放式數(shù)控，專用數(shù)控系統(tǒng)國內(nèi)比較常見的是西門子和FUNUC產(chǎn)品。數(shù)控系統(tǒng)的是由運動控制卡、驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)）、反饋（編碼器），所以運動控制卡對一個數(shù)控系統(tǒng)而言是非常重要的組成部分。</p><p>　　3.

31、2.1 運動控制卡的選擇</p><p>　　NI的運動控制卡分為高中低檔，每個檔位又包括2軸、4軸、6軸和8軸，支持PCI和PXI兩類總線。</p><p>　　圖3.2 NI PCI7340系列運動控制卡</p><p>　　雙軸拉伸試驗平臺采用NI PCI7340運動控制卡（如圖3.2所示），PCI7340運動控制卡既可以控制伺服電機(jī)又可以控制步進(jìn)電機(jī)，支持P

32、CI,PXI和緊湊行PCI總線。NI PCI7340系列運動控制卡是中價位控制器，可進(jìn)行4軸步進(jìn)或伺服運動控制，與其他NI硬件緊密集成，都帶有易用的LabVIEW驅(qū)動軟件，模擬輸出至伺服驅(qū)動器控制電機(jī)，伺服驅(qū)動器的編碼仿真輸出接到運動控制卡上，以及包括圓周插值和線性插值等高級特性。</p><p>　　3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM）,反應(yīng)式（

33、VR）和混合式（HB）。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5°或15°；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為15º，但噪聲和振動都很大；混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式優(yōu)點，它又分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1.8°而五相步進(jìn)角一般為0.72°。</p><p>　　電動機(jī)的主要指標(biāo)有功率P（kw）、轉(zhuǎn)矩T（N&

34、#183;m）和轉(zhuǎn)速n（r/min）。在選擇電機(jī)時，電動機(jī)要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時，電動機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時過載能力。下文將通過以上幾方面的計算來選出合適的電動機(jī)：</p><p>　　1. 拉伸負(fù)載力矩 (Fa實測為10N；效率η見后計算，取0.2；因為電機(jī)與負(fù)載直接連

35、結(jié)，故L為絲杠螺距5mm) ，計算后Tc=39.8×10-3N·m </p><p>　　2. 圓柱導(dǎo)軌上的摩擦力距Mf </p><p>　　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）(未考慮螺紋孔臺階等重量) </p><p>　　2）安裝平板重量：G2=（10*8.7*1.

36、6-2*1*1*1.6/2）*2.7=6123.5（g）(未考慮安裝螺紋孔臺階等減輕重量) </p><p>　　3）拉桿滑道G3=35*（2.5*2.5-1.5*0.95-0.9*0.45）*2.7=167.75（g）(未考慮端頭重，長度為350mm) </p><p>　　4)L型拉板架（按大的算）G4=（12.5*5*1+4*1*5）*2.7=865.90（g）</p>

37、<p>　　總重量為：ΣGi=9346.55g,考慮夾頭、傳感器重量等最后重量可圓整為10Kg即G=100N。平臺的摩擦力為0.08N（滾動摩擦系數(shù)取0.004）摩擦負(fù)載力矩（空載時）計算后得Mf=1.59×10-2N·m</p><p>　　因為一個電機(jī)要帶動兩端，故可取為3.18×10-2N·m。</p><p>　　3. 傳動效率：

38、=22.81% 取螺旋升角2.733º（即2º44′）,滑動摩擦系數(shù)0.16，摩擦角為9.09º。</p><p>　　試取總傳動效率為0.2。</p><p>　　4. 電機(jī)力矩：考慮傳動帶動兩端，故電機(jī)總傳動力矩為86×10-3N·m?？蛇x57BYGH303混合式高轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動機(jī)，其電壓為8.6V、步距角1.8º、最大靜轉(zhuǎn)矩

39、150×10-3N·m、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為4.6×10-5Kg·m2。</p><p>　　5. 等效轉(zhuǎn)矩慣量計算：電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 Jm=0.46Kg·cm2</p><p>　　絲杠轉(zhuǎn)動慣量 Js=0.78*1.64*48*10-3=0.2454 Kg.cm2。絲杠直徑1.6cm，長度48cm。</p><p>　　移動

40、部件慣量 G=20N。</p><p>　　20/9.8*（L/2pi）=0.1624 Kg.cm2</p><p>　　總的轉(zhuǎn)動慣量為 Jz=0.46+2*0.2454+2*0.1624=0.8156Kg.cm2 </p><p>　　電機(jī)所占總慣量比為：56.4%，適合，應(yīng)選此種慣量的電機(jī)。</p><p>　　6. 計算快速空載起動力矩

41、Mamax</p><p><b>　　1）加速度力矩</b></p><p>　　按常規(guī)起動加速時間為30ms，取nmax為60rpm(實際工作為24rpm)角加速度為</p><p>　?。↗Σ折算到電機(jī)軸上的總慣量Kg·cm2,ta取30ms）</p><p>　　Mamax=J*2*pi*nmax/60

42、/t*10-2=3.024*2*3.14*100/60/0.03=6.71N·cm=0.067N·m=67×10-3N·m</p><p>　　2)折算到電機(jī)軸上摩擦力矩Mf 見前述計算Mf=3.18×10-2N·m</p><p>　　3)折算到電機(jī)軸上附加摩擦力矩M0 </p><p>　　附加摩擦力

43、矩M0是為了防止傳動間隙而對絲杠進(jìn)行的預(yù)緊措施，預(yù)緊力一般為軸向負(fù)載力的三分之一。</p><p>　　Fp0——絲杠預(yù)緊力，一般為軸向負(fù)載力的三分之一（N）</p><p>　　L0——絲杠導(dǎo)程（cm）</p><p>　　η0——絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取η0=0.2（網(wǎng)上查到）</p><p>　　經(jīng)計算得：M0=12.73

44、5;10-3 N·m</p><p>　　上述三項合計M起=2×Σmi=0.223 N·m</p><p>　　7. 計算快速移動所需力矩M快</p><p>　　M快=Mf+M0<Mamax</p><p>　　8. 計算最大切削負(fù)載所需力矩M切</p><p>　　M切=Mf+M

45、0+Fc=2Mf+2M0+2Tc</p><p>　　經(jīng)計算得：M切=136.86×10-3 N·m=0.137 N·m</p><p>　　從上述計算可知，快速空載起動所需力矩最大，故以此作為初選電機(jī)的依據(jù)。</p><p>　　9. 空載起動頻率fk和工作頻率fe計算</p><p>　　脈沖當(dāng)量 經(jīng)計算得

46、: =0.025mm</p><p>　　νmax按600mm/min 經(jīng)計算得：fk =400Hz</p><p>　　νs按120mm/min 經(jīng)計算得：fe =80Hz</p><p>　　最后選擇57BYGH303混合式高轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)。</p><p><b>　　3.3典型機(jī)構(gòu)設(shè)計</b></p>

47、<p>　　雙軸拉伸試驗平臺整體機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計主要包括對稱拉伸機(jī)構(gòu)（組件）、梯形絲杠、自夾緊夾頭（組件）、聯(lián)軸器、傳感器支架組件、及采用標(biāo)準(zhǔn)（外購）光桿來組裝的導(dǎo)軌部件等組成。X、Y軸方向拉伸采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，X、Y方向的每對反向梯形絲杠旋轉(zhuǎn)拉伸試樣，由自夾緊夾頭夾緊試樣，并由安裝在X、Y軸另一端的力傳感器測出拉伸力。以下就對稱拉伸機(jī)構(gòu)、自夾緊夾頭的設(shè)計進(jìn)行介紹。</p><p>　　3.3.1 對

48、稱拉伸機(jī)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　對稱的拉伸機(jī)構(gòu)主要采用一對空間正交交錯安裝的滑道，對超彈性膜材料進(jìn)行等軸拉伸。為了使超彈性膜材料在拉伸時X+、X-、Y+、Y-四個方向均勻拉伸，分別在每個滑道中布置6個能沿滑道滑動的自夾緊夾頭，對試樣均布夾持。</p><p>　　其對稱拉伸是由在X軸與Y軸方向上采用一對反向梯形絲桿實現(xiàn)的，一對反向絲杠之間用聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)結(jié)，形成對稱的拉伸機(jī)構(gòu)。因為每對絲

49、桿中都是采用一個左旋、一個右旋，所以當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠運動時同一軸上的雙桿會向著相反的方向拉伸超彈性膜材料。</p><p>　　圖3.3所示的對稱拉伸機(jī)構(gòu)及主要由X軸測力傳感器、Y軸測力傳感器、24個自夾緊夾頭、4個滑道、24個滑輪組成。滑輪被安裝在滑道中，自夾緊夾頭通過軸承隨滑輪在滑道中滑動；X、Y軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠運動，從而帶動兩對滑道運動并拉伸試樣；然后由X、Y軸的測力傳感器測出拉伸力與位移的關(guān)系。&l

50、t;/p><p>　　圖3.3 對稱拉伸機(jī)構(gòu)（圖有些不太清晰，電機(jī)、軸承標(biāo)的不對，</p><p>　　X、Y軸電機(jī)應(yīng)為角型支架，把x、y軸拉伸方向標(biāo)出來）</p><p>　　3.3.2 自夾緊夾頭設(shè)計</p><p>　　由于超彈性膜材料在受到四個方向的拉伸力作用下，膜材料會被拉薄并且很容易從平臺上脫落，因此采用能夠自動調(diào)節(jié)夾緊力的自夾緊夾頭

51、（如圖3.5所示）。自夾緊夾頭主要有以下幾部分構(gòu)成：偏心輪、上壓板、下壓板、夾頭底座定位銷等。</p><p>　　帶有偏心輪的自夾緊夾頭是由偏心輪或輪的自鎖性能來實現(xiàn)夾緊作用的夾緊裝置。夾緊動作迅速，特別適用于尺寸偏差較小、夾緊力不大及很少振動情況下的成批大量生產(chǎn)。</p><p>　　圓偏心輪在任何位置都能自鎖的條件是：2e/D≤f</p><p>　　式中D—

52、—圓偏心輪直徑（D=2R）；</p><p>　　f——圓偏心輪與零件摩擦系數(shù)一般取0.1～0.15。</p><p>　　生產(chǎn)中多采用f=0.15，此時偏心距應(yīng)為e<0.075D。</p><p><b>　　圖3.4 偏心輪</b></p><p>　　本案采用偏心距為0.8mm（如圖3.4所示）。行程最大為1

53、3.5mm，對應(yīng)偏心夾緊量為1.14mm左右。</p><p>　　1.偏心輪 2.上壓板 3.下壓板 4.底座</p><p>　　5.凸輪軸 6.螺母 7.連接軸 8.軸承 9.柱銷</p><p>　　圖3.5 自夾緊夾頭</p><p>　　超彈性膜材料被夾在上壓板2與下壓板3之間。當(dāng)膜材料受到拉伸力的作用，會有向拉伸力的反方向運動的

54、傾向，并且2與3也會隨著膜材料運動。這時膜材料與2、3之間產(chǎn)生的摩擦力帶動偏心輪1做輕微的轉(zhuǎn)動，而且隨著摩擦力的增強(qiáng)，會使1壓在2與3上的力越來越大，2、3夾著膜材料也會越來越緊。每個自夾緊夾頭組件配裝在滑道的滑輪上，工作時會自動調(diào)節(jié)每個自夾緊夾頭之間的距離，使膜材料能夠等軸對稱慢速被拉伸。</p><p>　　4 雙軸拉伸試驗平臺的軟件設(shè)計</p><p>　　4.1 基于PC的虛擬儀器

55、軟件</p><p>　　虛擬儀器是儀器儀表領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、儀器儀表技術(shù)相融合的產(chǎn)物。它以軟件為核心，充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力和圖形處理功能，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)的分析處理和顯示。虛擬儀器最大的特點是由用戶自己定義，儀器的功能在用戶級上產(chǎn)生，不再由儀器生產(chǎn)廠家定義，用戶可以根據(jù)需要，通過增加或修改軟件，滿足自己的特殊需求。</p>

56、<p>　　1985年，NI公司推出LabVIEW流程圖編程風(fēng)格的開發(fā)和運行程序平臺，開啟了虛擬儀器的先河。目前，虛擬儀器的編程平臺主要有通用編程語言和圖形編程語言兩種。通用編程語言例如C語言在早期的虛擬儀器的開發(fā)中應(yīng)用，VC、VB等語言也可以用于虛擬儀器的開發(fā)。使用的編程語言，國外的有NI公司的LabWindows/CVI、LabVIEW,HP公司的VEE；國內(nèi)的有東方震動和噪聲研究所DASP開發(fā)軟件。</p>

57、;<p>　　LabWindows/CVI是NI公司推出的半圖形化編程工具，它支持標(biāo)準(zhǔn)C和C++編程，因此可以平穩(wěn)地運行于視窗操作系統(tǒng)下。CVI編程語言適合較大型測控程序的編寫，在實際的測控儀器的中有著廣泛的應(yīng)用。LabVIEW是圖形化編程語言，這種編程語言和人的思維習(xí)慣相符，初學(xué)者很容易掌握，適合儀器專業(yè)的初次接觸使用和實驗室試驗使用，該軟件自帶了NI公司和大部分知名公司的硬件驅(qū)動，所以也在普通測控儀器的開發(fā)中有著廣泛的

58、使用。</p><p>　　MATLAB編程語言有著演算紙語言的美譽，它有著強(qiáng)大的矩陣計算能力和豐富的功能包。MATLAB和LabVIEW界面開發(fā)、硬件控制、遠(yuǎn)程通訊的優(yōu)點相結(jié)合，可以開發(fā)出功能更強(qiáng)大的程序。鑒于兩者的優(yōu)點，未來VI的編程平臺會向MATLAB和LabVIEW混合編程的方向發(fā)展。</p><p>　　4.2 利用VC++設(shè)計雙軸拉伸試驗平臺的控制系統(tǒng)軟件</p>

59、<p>　　NI-DAQ mx是美國國家儀器公司DAQ硬件的驅(qū)動軟件，包括一個龐大的函數(shù)庫和VI庫。通過一些應(yīng)用軟件，如LabVIEW或者LabWindows／CVI中可以調(diào)用這些庫來編程，實現(xiàn)儀器測量設(shè)備的所有特性。NI-DAQmx測量服務(wù)軟件，除了具備數(shù)據(jù)采集（DAQ）驅(qū)動的基本功能之外，還具備更高工作效率，更高性能優(yōu)勢。NI正是憑借這一點，得以在虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域以及基于計算機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方面保持行業(yè)領(lǐng)先地位！其驅(qū)動軟

60、件提供應(yīng)用程序編程接口，該接口是一個包含各種VI、函數(shù)、類、屬性和特性的庫，為設(shè)備創(chuàng)建應(yīng)用程序。隨PCI-7340運動控制卡同時提供的驅(qū)動軟件及動態(tài)鏈接庫函數(shù)，也可以很方便地幫助用戶建立應(yīng)用程序。</p><p>　　本案的系統(tǒng)軟件采用 VC++6.0編制，利用其強(qiáng)大的圖形功能創(chuàng)建可視化的虛擬儀器控制面板（見圖4.1），通過調(diào)用相應(yīng)的動態(tài)鏈接庫函數(shù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集及運動控制。</p><p&

61、gt;　　圖4.1 雙軸拉伸試驗平臺控制面板</p><p>　　4.3 運動控制模塊和數(shù)據(jù)采集控制模塊的關(guān)鍵步驟</p><p>　　根據(jù)雙軸拉伸試驗平臺的設(shè)計要求，采取模塊化設(shè)計思想，該系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化模塊、運動控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、手動調(diào)整（控制）模塊等。因為運動控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊是本案的關(guān)鍵，實際調(diào)試中往往因為設(shè)置步驟不正確而導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不能正常進(jìn)行，

62、如下介紹上述兩模塊的編制步驟：</p><p>　　4.3.1 運動控制模塊的關(guān)鍵步驟</p><p>　　通過調(diào)用PCI7340隨機(jī)附帶的驅(qū)動中的一些動態(tài)鏈接庫(Flexmotion32.dll)函數(shù)，可對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,如下是具體步驟（僅說明主要函數(shù)參數(shù)含義）：</p><p>　　(1)首先需對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行初始化：</p><p>　

63、　flex_initialize_controller(boardID, NULL);</p><p>　　(2)因為是對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，需要對每圈的脈沖數(shù)進(jìn)行設(shè)置，分別對兩個電機(jī)進(jìn)行設(shè)置：</p><p>　　flex_load_counts_steps_rev(boardID, 1, NIMC_STEPS, 400);</p><p>　　flex_load_

64、counts_steps_rev(boardID, 2, NIMC_STEPS, 400);</p><p>　　400為每圈的脈沖數(shù)。</p><p>　　(3)對于聯(lián)動系統(tǒng)，需配置向量空間，將運動卡控制軸分配到向量空間：</p><p>　　flex_config_vect_spc(boardID,NIMC_VECTOR_SPACE1,1,2,3);</p

65、><p>　　(4)設(shè)置電機(jī)的運動模塊，由于本拉伸平臺需檢測在不同拉伸率情況下的拉力，為方便編程可選用相對模式：</p><p>　　flex_set_op_mode(boardID,NIMC_VECTOR_SPACE1,NIMC_RELATIVE_POSITION);</p><p>　　注意：由于此操作影響目標(biāo)點及速度值的確定，必須安排在軌跡參數(shù)加載之前。</

66、p><p>　　(5)確定電機(jī)速度（按rpm即按每分轉(zhuǎn)單位設(shè)置）：</p><p>　　flex_load_rpm(boardID,NIMC_VECTOR_SPACE1,dRPM,0xFF);</p><p>　　其中dRPM即是根據(jù)控制面板上設(shè)置的速度經(jīng)換算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）：</p><p>　　(6)為向量空間加載最大加速度/減速度的

67、值：</p><p>　　flex_load_rpsps(boardID,NIMC_VECTOR_SPACE1,NIMC_BOTH,5000,0xFF);</p><p>　　(7)加載空間坐標(biāo)位置，根據(jù)采集點數(shù)確定的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)點：</p><p>　　flex_load_vs_pos(boardID,NIMC_VECTOR_SPACE1,xPosition,vP

68、osition,0,0xFF);</p><p>　　(8)發(fā)命令啟動電機(jī)：</p><p>　　flex_start(boardID,NIMC_VECTOR_SPACE1,0);</p><p>　　(9)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后關(guān)閉電機(jī)：</p><p>　　flex_stop_motion(boardID,NIMC_VECTOR_SPACE1,N

69、IMC_DECEL_STOP,0);</p><p>　　4.3.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊的關(guān)鍵步驟</p><p>　　通過調(diào)用隨NI-DAQ mx附帶的動態(tài)鏈接庫函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（僅說明主要函數(shù)參數(shù)含義）：</p><p>　?。?）創(chuàng)建任務(wù) DAQmxCreateTask(“”,&taskHandle);</p><p>　?。?

70、）創(chuàng)建兩個通道分別測量X、Y軸的壓力信號并加入到創(chuàng)建的任務(wù)中，并規(guī)定所測經(jīng)過變送器調(diào)理后的電壓范圍為-10V～10V：</p><p>　　DAQmxCreateAIVoltageChan(taskHandle,“Dev1/ai0:1”“”，DAQmx_Val_Cfg_Default,-10,10,DAQmx_Val_Volts,NULL);</p><p>　?。?）設(shè)置采樣時鐘頻率為1

71、000Hz及所需（產(chǎn)生）的采樣數(shù)50個：</p><p>　　DAQmxCfgSampClkTiming(taskHandle,“”,1000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_FiniteSamps,50);</p><p>　?。?）經(jīng)過上述設(shè)置后即可開始任務(wù)，準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)：</p><p>　　DAQmxStartTask(taskHa

72、ndle);</p><p>　?。?）讀取數(shù)據(jù)到數(shù)組，以備后續(xù)顯示及存檔：</p><p>　　DAQmxReadAnalogF64(taskHandle,50,0.1,DAQmx_Val_GroupByScanNumber,data,10000,&read,NULL);</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)讀取后即可停止任務(wù)，并清除任務(wù)：</p>

73、<p>　　DAQmxStopTask(taskHandle);</p><p>　　DAQmxClearTask(taskHandle);</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　此篇論文利用高級語言VC++封裝的MFC類進(jìn)行虛擬儀器開發(fā)工具，通過調(diào)用運動控制卡和數(shù)據(jù)采集卡隨機(jī)附帶的DLL對其進(jìn)行運動控制和

74、數(shù)據(jù)采集控制。利用VC++6.0的動態(tài)鏈接庫技術(shù)，設(shè)計了一種基于NI-DAQ的雙軸拉伸試驗平臺。采取行程等分定點觸發(fā)方式，完成了對一種超彈性膜材料雙向拉伸試驗的數(shù)據(jù)采集，并較詳細(xì)地介紹了對NI運動控制卡及數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行運動控制和數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵步驟。</p><p>　　本文開發(fā)的基于NI-DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)，完全能滿足測試性能要求，結(jié)構(gòu)簡單、靈活方便、性能價格比高。</p><p>&l

75、t;b>　　致 謝</b></p><p>　　畢業(yè)論文正代表大學(xué)的終結(jié)，完成它既有收獲感，又有一種失落，但它代表著我三年的努力，代表了我三年的歷程。</p><p>　　這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，并非我一人之功勞。我要感謝我的指導(dǎo)老師***老師，他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。感謝他們在百忙之中為我提供了許多的幫助和指導(dǎo)，在多次的郵件、電話和面談

76、中，我學(xué)到了很多書本上所沒有學(xué)到的一些高科技知識和實踐內(nèi)容。他們的指導(dǎo)和幫助，也直接啟發(fā)了我進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究的興趣。</p><p>　　感謝在大學(xué)學(xué)習(xí)的三年中給我們授課的老師們。從他們的授課中，我收獲了許多的只是和啟發(fā)，學(xué)習(xí)了完善的數(shù)控技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識，以及學(xué)習(xí)和研究問題的方法。</p><p>　　感謝學(xué)校各部門的領(lǐng)導(dǎo)和工作人員，使我能有三年充實愉快的學(xué)習(xí)生活。尤其是學(xué)院圖書館，讓我

77、有充足的空間去查閱論文所需要的材料！</p><p>　　感謝身邊所有的朋友與同學(xué)，謝謝你們?nèi)陙淼年P(guān)照與寬容，與你們一起走過的繽紛時代，將會使我一生最珍貴的回憶。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　陳進(jìn)光（編譯），人工肌肉，現(xiàn)代科技譯叢（哈爾濱），2005年4期.</p><p>　　N

78、ational Instruments Corp, Motion Control, National Instruments 7340 User Manual November 2003 Edition, Part Number 370838A-01.</p><p>　　National Instruments Corp, NI-Motion User Manual, November 2005, 371242

79、B-01.</p><p>　　National Instruments Corp, NI-DAQ?mx C Reference Help, September 2005 Edition, Part Number 370471F-01.</p><p>　　National Instruments Corp, NI-Motion? Function Help, November 2005,

80、 370538E-01.</p><p>　　閆宏偉，潘宏俠，基于NI-DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，《PLC&FA》，2004年8月.</p><p>　　劉繼超，劉云，基于NI采集卡的虛擬示波器的開發(fā)實現(xiàn)，《青島科技大學(xué)學(xué)報》，2008年8月.</p><p>　　王琳，商周，王學(xué)偉，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，cnki:ISSN:1001-1390.0

81、，2004年8月1日.</p><p>　　馬宏偉，姜俊英，魏巍，用VC++組建基于PC-DAQ的虛擬儀器，西安科技學(xué)院學(xué)報，2001年6月第21卷第2期.</p><p>　　Michacel Wisslera,Edoardo Mazza,Modeling of a pre-strained circular actuator made of dielectric elastomers,

82、Sensors and Actuators A 120(2005)184-192.</p><p>　　Day,J.R.and Miller,K.A.”Equibiaxial Stretching of Elastomeric Sheets,An Analytical Verification of Experimental Technique”ABAQUS2000 User’s Conference Proce

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