usb拔插可靠性機械課程設(shè)計

中國計量學(xué)院機械課程設(shè)計（論文）USB插拔可靠性測試裝置設(shè)計學(xué)生姓名符少君學(xué)號0900602136學(xué)生專業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量工程班級09質(zhì)量1二級學(xué)院質(zhì)量與安全工程指導(dǎo)教師孫長敬中國計量學(xué)院2011年11月USB插拔可靠性測試裝置設(shè)計摘要：本報告是關(guān)于USB插拔可靠性測試裝置設(shè)計的具體方案，包括相關(guān)領(lǐng)域所做的工作和研究的概況，此項目的背景，設(shè)計此方案目的，總體方案設(shè)計，設(shè)計過程裝置工作原理及草圖，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計等。使用學(xué)習(xí)過的機械設(shè)計基礎(chǔ)學(xué)科中學(xué)到過的知識融于實際例子，過程中使用PROE軟件來完成整個裝置的零件圖、裝配圖的設(shè)計，以及運動曲線圖的繪制等。關(guān)鍵詞：USB；插拔可靠性；PROE；零件圖；裝配圖目次TOC\o"1-5"\h\z摘要I1前言1\o"CurrentDocument"1.1選題的背景與意義11.1.1課題的研究背景1\o"CurrentDocument"1.1.2課題研究的意義22設(shè)計概要42.1設(shè)計目的42.2設(shè)計題目介紹錯誤！未定義書簽。\o"CurrentDocument"2.3設(shè)計條件及設(shè)計要求43運動方案設(shè)計63.1裝置預(yù)期的功能要求63.2裝置原理設(shè)計6\o"CurrentDocument"3.3運動規(guī)律設(shè)計73.3.1研零件結(jié)構(gòu)分解73.3.2運動方案選擇113.3.3執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖及運動曲線11\o"CurrentDocument"4應(yīng)用前景13\o"CurrentDocument"5個人小結(jié)15\o"CurrentDocument"參考文獻171前言1.1選題的背景與意義1.1.1課題的研究背景眾所周知，隨著電腦應(yīng)用的拓展，PC機的外設(shè)越來越多，機箱后的插口也形形色色：并行口、串行口、鍵盤口、鼠標(biāo)口、游戲手柄接口、音頻輸入輸出口、視頻輸出口等等。而按常規(guī)，用戶為PC增加一個新的外設(shè)卻有一套復(fù)雜的操作，至少需要作以下的工作：首先打開音箱，安裝新外設(shè)的接口插卡；其次，為了避免資源占用沖突，用戶必須設(shè)置跳線為新的外設(shè)插卡選擇合適的IRQ,DMA和I/O口地址，然后安裝外設(shè)的驅(qū)動程序。然而，上述工作的問題是：PC有限的I/O插槽無法滿足日益增加的外設(shè)需要；不具備專業(yè)知識的普通用戶難于選擇合適的資源和完成復(fù)雜的安裝工作。因此，簡化外設(shè)補充方法，使之方便易行便成為各個PC廠家面臨的重大研究課題。而且目前各種總線有著這樣那樣不足，有的是占用內(nèi)存過多，有的是速度不夠快。在1996年召開的面向PC機硬件技術(shù)工作者會議上，Compaq,Intel和Microsoft三家廠商提出了設(shè)備插架（DeviceBay）概念，USB就是設(shè)備插架的一種規(guī)范。用戶只需花費很少的時間對USB設(shè)備進行安裝和配置，就可以使用；另外，它還提供即插即用功能，用戶可以在不斷電的情況下直接把設(shè)備插在USB插口上，從而使連接到PC機上外設(shè)的連接和配置變得很容易。現(xiàn)在USB外設(shè)得到了更新更快的發(fā)展。存儲器方面，以前的4兆，8兆的OnlyDisk（優(yōu)盤），還有USB接口的讀寫卡，現(xiàn)在的10G，20G的USB移動式硬盤，而且可以根據(jù)需要自己給生產(chǎn)廠家說明生產(chǎn)要求，需要多大的硬盤就生產(chǎn)出多大的硬盤；速度方面，由于USB2.0規(guī)范的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸越來越快，以前的電腦眼實時傳輸數(shù)據(jù)，還會出現(xiàn)一幀一幀的跳動，現(xiàn)在的數(shù)碼相機，網(wǎng)上聊天攝像機等等，真正做到了實時傳輸；在辦公用品方面，掃描儀，打印機等都出現(xiàn)了USB接口的產(chǎn)品，使得人們的工作和生活方便了許多?，F(xiàn)行的USB總線技術(shù)滿足了外設(shè)與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸率更高的要求。它的優(yōu)點有：使用方便。連接外設(shè)不必再打開機箱；允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機電源。速度快。USB支持三種設(shè)備傳輸速率：1.5Mbs、12Mbs、480Mbs。獨立供電。USB接口提供了內(nèi)置電源。連接靈活。一個USB口理論上可以連接127個USB設(shè)備，連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器Hub，把多個設(shè)備連接在一起，再同PC機得USB口相接。5成本低?，F(xiàn)在滿足USB要求的外設(shè)有：調(diào)制解調(diào)器，鍵盤，鼠標(biāo)，光驅(qū)，游戲手柄，軟驅(qū)，掃描儀，音箱等。USB總線標(biāo)準(zhǔn)由1.1版升到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了480Mbps，更換介質(zhì)后連接距離由原來的5米增加到近百米。基于這點，USB也可以做生產(chǎn)ISDN以及基于視頻的產(chǎn)品。USB總線結(jié)構(gòu)簡單，信號定義僅由2條電源線，2條信號線組成?，F(xiàn)行的USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，登時傳輸，中斷數(shù)據(jù)傳輸，同步數(shù)據(jù)傳輸。不同的傳輸類型有著各自不同的用途和類型。1.1.2課題研究的意義可靠性試驗是對產(chǎn)品進行可靠性調(diào)查、分析和評價的一種手段。試驗結(jié)果為故障分析、研究采取的糾正措施、判斷產(chǎn)品是否達到指標(biāo)要求提供依據(jù)。根據(jù)可靠性統(tǒng)計試驗所采用的方法和目的，可靠性統(tǒng)計試驗可以分為可靠性驗證試驗和可靠性測定試驗?？煽啃詼y定試驗是為測定可靠性特性或其量值而做的試驗，通常用來提供可靠性數(shù)據(jù)?？煽啃则炞C試驗是用來驗證設(shè)備的可靠性特征值是否符合其規(guī)定的可靠性要求的試驗，一般將可靠性鑒定和驗收試驗統(tǒng)稱為可靠性驗證試驗。USB為計算機外設(shè)輸入輸出提供了新的接口標(biāo)準(zhǔn)，它使設(shè)備具有熱插拔，即插即用，自動配置的能力，并標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備連接。所以USB端口插拔可靠性是需要保證的，而我們小組的USB插拔可靠性裝置設(shè)計的研究意圖就在于此。我們設(shè)計的裝置為曲柄滑塊機構(gòu)，由電機驅(qū)動給予曲柄一個繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動力，在該力的驅(qū)使下帶動連桿及裝有USB的滑塊左右來回滑動，每一次插入和拔出為一次的檢測周期。使用該裝置在常溫環(huán)境下插拔USB接口3000次，觀察I/O接口有無損壞，功能是否正常等等。我們預(yù)期的效果是通過PROE軟件繪畫出零件圖、裝配圖，力求美觀整潔，然后對裝置進行運動仿真，更好得展現(xiàn)出該曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計原理和運動規(guī)律。2設(shè)計概要2.1設(shè)計目的機械設(shè)計是根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸等進行構(gòu)思、分析和計算，并將其轉(zhuǎn)化為制造依據(jù)的工作過程。機械設(shè)計是機械工程的重要組成部分，也是機械產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步，是決定機械產(chǎn)品性能的最主要環(huán)節(jié)，整個過程蘊涵著創(chuàng)新和發(fā)明。機械設(shè)計的目標(biāo)是在各種限定的條件下設(shè)計出最好的機械，即作出優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計需要綜合地考慮許多要求。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、最低消耗和最少環(huán)境污染。而在本次的機械設(shè)計中，我們也把節(jié)省材料考慮在內(nèi)，盡量美觀簡潔又經(jīng)濟。綜上本次設(shè)計的目的在于綜合運用機械原理課程的理論知識，分析和解決與本課程有關(guān)的實際問題，使所學(xué)知識進一步鞏固和加深，同時也給自己的實際生活帶來便捷。2.2設(shè)計題目介紹課程設(shè)計名為USB插拔可靠性測試裝置設(shè)計。該測試裝置原理是運用簡單的曲柄滑塊機構(gòu)，其中電機與曲柄固接，驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)運動，這是使其能夠自動往返運動的動力。曲柄與連桿鉸接，其中連桿的另一端裝上了滑塊，滑塊上是自行設(shè)計的帶有燈泡的特殊USB裝置，為的是可以讓感光計數(shù)器來檢測USB內(nèi)部電源是否連接成功。設(shè)計底座的最右邊是一個帶有電源的插入口，設(shè)計時與裝有USB的滑塊高度保持一致。2.3設(shè)計條件及設(shè)計要求首先確定整個裝置的運動原理，一開始有多個方案，我們認(rèn)為最終要的是簡潔與可行性。我們查閱了相關(guān)資料，通過精確的計算，在完成基礎(chǔ)任務(wù)上對項目進行創(chuàng)新設(shè)計，確定后便著手確定參數(shù)，畫出草圖。最后就是用軟件PROE軟件來完成整個裝配圖，并進行運動仿真。3運動方案設(shè)計3.1裝置預(yù)期的功能要求通過電機的驅(qū)動作用，給予曲柄一個繞定軸旋轉(zhuǎn)的主動力，在該力的驅(qū)使下帶動連桿及相連接的USB裝置，通過滑塊的往復(fù)直線運動，使USB端口插入拔出于電源口。再利用感光元件和單片機計數(shù)裝置構(gòu)成的系統(tǒng)對插拔次數(shù)進行計數(shù)，測試完成后與規(guī)定次數(shù)比較，判斷出該USB是否穩(wěn)定可靠（當(dāng)USB良好接觸時，USB上的小燈會發(fā)亮，可被感光元件檢測出來）。3.2功能原理設(shè)計最開始經(jīng)過大家的討論，有多個備選機構(gòu)方案，比如偏心輪機構(gòu)，雙曲柄機構(gòu)，縫紉機下針機構(gòu)等。但最后決定使用曲柄滑塊機構(gòu)，并且是側(cè)面滑塊機構(gòu)。通常情況下，一部機器需要通過電機帶動一系列復(fù)雜的機構(gòu)使其正常運轉(zhuǎn)，這其中涉及到很多簡單且基本的機械機構(gòu)。當(dāng)然，也可以直接通過電機帶動整部機器的運轉(zhuǎn)，這完全取決于機器所需完成的工作以及設(shè)計該機器時所面臨的種種實際情況。常用的功能原理有：摩擦傳動原理，流體傳動原理，電磁傳動原理，機械推拉原理，材料變形原理，光電原理等。在此我們所運用到的就是機械推拉原理。針對該USB拔插可靠性測試裝置，我們就是需要它能夠測試其拔插的可靠性，并且在滑塊往復(fù)許多次的情況下運動流暢，且不會出現(xiàn)死點，操作起來方便可行又節(jié)省材料。在設(shè)計中，我們想到兩種驅(qū)動方法：由電機帶動曲柄滑塊機構(gòu)和由氣缸直接驅(qū)動。在電機驅(qū)動中，曲柄滑塊的工作尤為重要。首先，來看一下曲柄滑塊機構(gòu)是如何工作的。圖1曲柄滑塊機構(gòu)運動簡圖在平面連桿機構(gòu)中，能繞定軸或定點作整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件被稱為曲柄。而通過改變平面四桿機構(gòu)中構(gòu)件的形狀和運動尺寸能將其演化為不同的機構(gòu)形式，就曲柄滑塊機構(gòu)而言，它是通過增加鉸鏈四桿機構(gòu)中搖桿的長度至無窮大而演變過來的。如圖1所示該機構(gòu)實際上是由一曲柄一端鉸接在機架上，另一端鉸接一連桿，連桿的另一端聯(lián)結(jié)一滑塊，在曲柄為主動件運動時帶動連桿，連桿又帶動滑塊，使其在平面某一范圍內(nèi)做直線往復(fù)運動。而就采用氣缸驅(qū)動而言，將壓縮空氣壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動機構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運動，形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機械設(shè)計角度而言講究盡量采用基本機構(gòu)，設(shè)計的機構(gòu)要簡單、可靠。而氣缸則融會了上述的某些優(yōu)點，它由驅(qū)動機構(gòu)直接帶動滑塊，避免了兩者間的連接機構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的連接。但選擇氣缸是個問題，應(yīng)根據(jù)工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力，由此來選擇氣缸時應(yīng)使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過大，不僅使設(shè)備笨重、成本高，同時耗氣量增大，造成能源浪費。所以綜上我們選擇了由電機驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)作為我們的可靠性測試裝置。3.3運動規(guī)律設(shè)計3.3.1零件結(jié)構(gòu)分解首先，我們基于曲柄滑塊機構(gòu)的原理啟示，就讓左端支架突出一個小圓柱，以此達到螺栓的作用，使其作為一個固定點，讓曲柄繞其轉(zhuǎn)動，盡量使整個裝置看起來簡單美觀。隨后是曲柄和一個連桿的靈活連接，連桿的右端連接著可插入特制USB端口的滑塊，上面設(shè)計了兩顆螺釘可以用來緊固USB端口，以免USB端口因為滑動而落出。接著，模型最右端是一個可拆卸的接通電源的插入口。此外，我們采用的是側(cè)面滑塊模式，這樣就不會出現(xiàn)死點或者卡主的情況。在此設(shè)計中，滑塊是重要的一環(huán)，起著連接連桿和裝載USB端口的作用。如圖2所示，就是滑塊的三視圖。圖2滑塊三視圖另外，帶有USB端口的電源塊也是十分重要的一個零件，它是使USB插拔有效的關(guān)鍵。如圖3所示就是此電源塊的三視圖。還有一個必不可少的零件，那就是底座。底座起著支承與連接各零件的作用。如圖4所示就是底座的三視圖。另外幾個比較簡單的零件就不在此畫出三視圖了。最后，我們來看一下由各個零件組裝而成的裝配圖，如圖5所示。（除了以上零件，我們還設(shè)想了一個檢光計數(shù)器來測試USB插拔的可靠性：當(dāng)USB有效

插入時，USB上得小燈就會亮起來，那么感光元件就能檢測到了。）圖3帶USB端口的電源塊的三視圖圖4底座的三視圖±DIVU.V9I?1LI.D-I1llliiM1NMK114.t■■，亡RHyruTHLilI.NI3.3.2運動方案選擇上面所設(shè)計的曲柄滑塊移動過程都是在理想的情況下，很多實際因素都沒有考慮進去：如空氣的阻力是否會影響滑塊的運動，材料間摩擦力的大?。ɑ瑝K與滑槽之間產(chǎn)生的摩擦力會不會阻礙運動），材料對運動的影響，曲柄和連桿的質(zhì)量，還有電機的功率、轉(zhuǎn)動速度，支架能否承受電機的重力，感光計數(shù)器能否完全發(fā)揮它的作用。如果選擇氣缸，那么它的推程大小、自重，所需氣包的容量及連接方式等等?，F(xiàn)在我們結(jié)合兩者的利弊，著重分析一下各自的優(yōu)缺點，來抉擇選用哪個方案。就采用氣缸驅(qū)動而言，它使由汽油和空氣的混合氣體進行燃燒釋放熱能，并將熱能轉(zhuǎn)變成機械能，形式簡單、結(jié)構(gòu)簡便，從機械設(shè)計角度而言講究盡量采用基本機構(gòu)，設(shè)計的機構(gòu)要簡單、可靠。而氣缸則融會了上述的某些優(yōu)點，它由驅(qū)動機構(gòu)直接帶動滑塊，避免了兩者間的連接機構(gòu)，精簡了構(gòu)件之間的連接。但卻會對空氣造成污染，因為是利用汽油產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成機械能，對于這種簡單小型的裝置來說，有些大材小用了。就采用電機帶動動曲柄滑塊結(jié)構(gòu)而言，其中的曲柄滑塊機構(gòu)屬于平面連桿機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運動副為低副，能承受較大載荷；但平衡困難，不易用于高速。我們設(shè)計的機構(gòu)是由電機經(jīng)減速直接驅(qū)動的，和利用氣動原理相比它多了一套傳動和連接機構(gòu)，但該機構(gòu)運用的原理簡單，設(shè)計合理，可行性大，性價比高，而且USB端口只是個很小巧的裝置，不需要汽缸所產(chǎn)生的相對電機來說那么的大力，除此之外，將我們在上學(xué)期中所學(xué)到的知識融于此，更能突出我們機械課程設(shè)計的精髓。綜上所述，我們還是選取了電機帶動曲柄滑塊機構(gòu)作為USB插拔可靠性測試裝置設(shè)計的最終運動方案。3.3.3執(zhí)行系統(tǒng)運動簡圖及運動曲線

圖6機構(gòu)運動簡圖自由度F的計算:n=3Pl=4Ph=0F=3n-(2Pl+Ph)=3X3-(2X4-0)=1在此，我們選取長桿右端點來看一下他的運動曲線圖。其速度-時間曲線圖如圖7所示；其加速度-時間曲線圖如圖8所示，從曲線形態(tài)可知，各個波峰高度間有明顯差異，且呈周期性變化，波峰相對較高時刻點反應(yīng)了曲柄滑塊機構(gòu)的急回特性，運用這一特性，可以大大縮短USB拔出來后插進去這一動作時間，提高效率。波峰較低時刻是USB接口完成插入電源塊這一動作的過程。所用時間相對較長，使USB能夠有相對足夠的時間進行檢測。長桿右端點加速度-時間曲線圖4.0225842433.5225842433.0225842432.5225842432.0225842431.5225842431.0225842430.5225842430.022584243圖8長桿右端點加速度-時間曲線圖4應(yīng)用前景USB插拔可靠性測試裝置的應(yīng)用前景與設(shè)計：通用串行總線（USB）是一種新興的計算機外圍串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)它克服傳統(tǒng)計算機串/并口的缺陷，具有熱插拔，即插即用，數(shù)據(jù)傳輸可靠，擴展方便，低成本等優(yōu)點，已經(jīng)成為當(dāng)前計算機必備的接口之一，同時也被廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中。USB是如此的重要，因此，為了讓USB正常使用，測試其插拔可靠性的裝置是必不可少的。雖然我們已經(jīng)設(shè)計出了測試裝置的結(jié)構(gòu)，但是如果將我們設(shè)計出來的裝置投入實際使用還有待改進和考慮更多的實際因素，不得不說，我們的設(shè)計簡單中透露著不簡單。5個人小結(jié)這次的機械課程設(shè)計，開始并不知道課程設(shè)計主要是做什么的，只知道就是要設(shè)計一個東西，能完成一定的功能。我們看著22個題目，猶豫不決，有一些題目是做可靠性設(shè)計的，一些是做檢測的，都與我們的專業(yè)——產(chǎn)品質(zhì)量工程息息相關(guān)，但我們都不能真正理解機械課程設(shè)計的目的，把一些簡單化的東西想得特別復(fù)雜，并且還脫離了機械設(shè)計的宗旨，比如說可靠性檢測裝置，我們想的不是怎樣設(shè)計這個裝置，而是想到了電子電路設(shè)計方向。后來，在孫老師的指點下，我們才把思路收回到機械設(shè)計這個主要的方向。我們小組在選題上經(jīng)過了不少坎坷，由于題目和另一小組有沖突，我們不得不另外選題，直達第三天才確定下了我們的題目——USB插拔可靠性裝置。這個裝置設(shè)計方案是我提出的，根據(jù)我們上學(xué)期學(xué)過的機械設(shè)計基礎(chǔ)這門課程，要完成USB插拔這一動作，我立刻想到了是曲柄滑塊這一四桿機構(gòu)，四桿機構(gòu)是許多運動過程的基礎(chǔ)，雖然很簡單，但要靈活的應(yīng)用到實際，都要經(jīng)過精心的構(gòu)思和設(shè)計。我們使用的設(shè)計軟件是pro/e，這個軟件對于我們每個人來說都是陌生的，之前根本沒接觸過，我們都必須從零學(xué)起。我們小組8個人都來到了圖書館，尋找資料，一起設(shè)計尺寸，零件類型，零件外觀，同時熟悉pro/e的使用。在紙質(zhì)草圖畫好了后，我們便開始在軟件上練習(xí)操作，首先是要學(xué)會如何安裝軟件，接著要熟悉