机械毕业设计（论文）-螺栓组联接实验台改进设计【全套图纸】

螺栓组联接实验台改进设计 摘 要 螺栓联接是机械设计课程中重要的教学章节，是机械零部件联接中最常用的联接 方法。我校现有螺栓联接综合实验台由于误差大，均起不到验证理论的作用。为此， 结合实验教学，对我校现有的螺栓联接试验台结构给出改进设计方案.该方案实施后， 增加了螺栓联接实验内容，完善了整个实验过程，在提高试验台的效率和能力方面取 得了明显的效果。该实验台具有加载稳定准确、改变螺栓和被联接件刚度可靠、操作 方便、性能稳定、精度高的特点。还介绍了螺栓连接实验台的结构组成及测试原理， 测试系统的组成及各部分作用;进行了机械装置零部件的结构设计和强度计算;设计了 测试系统的硬件电路，包括应变仪的采样电路、A/D转换电路、键盘电路、显示电路等;分 析了数据采集系统的性能，数据传输的串行通讯原理、波特率、发送与接收、电平转 换等内容;讨论了键盘防抖原理和数码管的结构及非编码键盘的控制方式、中断查询等 问题;论文还对软件的实现和元器件的选择等做了详细的论述。 在本文中，还详细阐述虚拟式应变测试系统的逻辑结构和软硬件在螺栓联接实验 台上的应用，并以Visual C+软件为开发平台，运用面向对象（OOP）的软件设计方法， 构建出了图形逼真、功能强大的虚拟式应变测试仪系统。该应变测试系统的软件由主 控制模块、初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、图形显示模块、存储打印模 块和辅助功能模块七部分组成，实现了对应变信号进行采集、处理、分析和显示。系 统可对与应变测量有关的多类型参量进行实时测量，将信息的采集和处理一体化，数 据和结果实现可视化，其价格比传统应变测量仪器低廉，大大提高了工作效率。 关键词：螺栓,联接,试验台,改进 Bolt connection experimental design improvement ABSTRACT Bolt connection is important in mechanical design course teaching section, is the most commonly used mechanical components in the connection of the connection method. Our existing comprehensive test-bed bolt connection error, because both theoretical role play. Therefore, the combination of experimental teaching, our existing bolt-joint test design scheme is improved structure. The plan implementation, increase the bolt-joint experiment content, experiment process, perfect the test in improving the efficiency and ability has been achieved significant results. This experiment platform with loading stability accurate, change by coupling bolts and the stiffness of a reliable, easy operation, stable performance and high precision. Also introduced bolt connection experimental structure and the testing theory, the composition of the testing system and each part, The machinery spare parts of the structure design and calculation, The design of the hardware circuit testing system, including the strain gauge sampling circuit, A/D circuit, keyboard circuit, display circuit, etc. Analysis of the data acquisition system performance, data transmission of serial communication principle, baud rate, sending and receiving, etc; the level of conversion Discussed the principle and digital keyboard tube structure and the control mode, the keyboard coding issues; the interrupt inquires This paper also to the realization of software component selection and makes a detailed discussion. In this paper, also tells the virtual strain test system of logical structure and software and hardware in the experimental stage bolt connection with Visual c + +, and the application of software development platform for using object-oriented (OOP) software design method, and construct a graphical lifelike, powerful virtual strain tester system. This strain of software testing system by the master control module, initialization module, the data acquisition module, data processing module, the graphic display module, the storage and the auxiliary function module type module seven parts, realize the strain signal acquisition, processing, analysis and display. System can be mixed with strain. Key words: bolts, Connection, Test-beds, improved 目 录 中文摘要I 英文摘要.II 第 1 章 绪 论.1 1.1 螺栓组联接试验台的应用背景 1 1.2 螺栓组联接实验台的实验内容及其性能特点 1 1.2.1 实验内容 2 1.2.2 性能特点2 1.3 本课题的意义与研究内容2 第 2 章螺栓联接实验台的结构设计3 2.1 螺栓联结部分 .3 2.1.1 螺栓组结构设计 .3 2.1.2 螺栓组联接的受力分析3 2.1.3 螺栓联接的强度计算7 2.1.4 确定螺栓直径 13 2.1.5 校核螺栓所受的预紧力.15 2.2 加载装置部分17 2.3 测试仪器部分 17 2.3.1 电阻应变片的测试.17 2.3.2 电桥.18 2.3.3 压力传感器.19 2.4 本章小结20 第 3 章 螺栓测量装置的设计21 3.1 测量装置的需求分析 .21 3.2 测量装置的总体方案确定 .21 3.3 测量装置的硬件实现 .22 3.3.1 采样电路 22 3.3.2 采样电路 30 3.3.3 串行通信 .37 3.4 测量装置的软件实现42 3.4.1 流程控制44 3.4.2 传感器校正44 3.4.3 数据管理45 3.4.4 数据评价 46 3.4.5 用户接口程序 47 3.5 本章小结47 第 4 章 虚拟图像显示仪的设计48 4.1 引言48 4.2 系统的总体设计48 4.2.1 系统的组成49 4.2.2 系统软件的总体设计 .49 4.2.3 系统软件开发平台的选择 .50 4.3 系统的硬件设计 51 4.3.1 电阻应变片的选择 .51 4.3.2 应变放大器的选用.52 4.3.3 数据采集卡的选用.55 4.4 系统的软件设计原则55 4.5 系统软件开发流程.55 4.5.1 仪器功能定制 .56 4.5.2 功能模块开发 56 4.5.3 仪器集成测试 57 4.6 软件功能总体设计.57 4.7 主控制模块58 4.8 初始画模块59 4.8.1 测试对象参数设置 59 4.8.2 传感器、放大器的参数设置59 4.9 数据采集模块 59 4.9.1 采样界面操作 59 4.9.2 采样方程的类型 60 4.9.3 本系统的采样程序 62 4.10 数据处理模块62 4.10.1 数据处理概述.62 4.10.2 数字滤波 .63 4.10.3 标度变换 .65 4.10.4 数据二次处理 .66 4.11 图形显示模块.67 4.12 存储模块.69 4.13 本章小结.70 致谢.71 参考文献.72 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 螺栓组联接实验台改进设计1 第 1 章 绪 论 1.1 螺栓组联接试验台的应用背景 我国高等工程教育改革的一项重要任务是在培养学生具有扎实的理论基础的同时， 加强对学生创新意识和创新能力的培养，其中实验教学是一个重要的环节实验课程 教学质量的优劣不仅对本课程有影响，而且对学生的实践能力的培养也会起到潜移默 化的作用,而实验课程的指导思想和教学内容的制定，实验方法和手段的采用又不可避 免地要受到实验装置的制约和影响为造就面向2I世纪经济建设的优秀人才，实验课 程的改革已迫在眉睫因此必须在实验中引入现代计算机技术和先进电子技术，培养 学生掌握先进的实验方法和检测技术 螺栓组联接实验台装置是用于工科院校“机械设计” 、 “机械设计基础”课程教学 的实验设备,现有的实验装置大多是在静态轴向工作载荷情况下,电测螺栓与被联接件 之间的变形协调关系,而无法反映动态轴向工作载荷作用下螺栓与被联接件之间的变形 协调、位移、应力关系。学生只能凭借书本及课堂理论予以理解,满足不了现代教学的 需要。而且传统的“螺栓组联接中螺栓的受力和相对刚度系数”实验及“单个紧螺栓 联接中螺栓的相对刚度系数和动载荷特性实验”在我校普遍采用的南京金陵机械厂生 产的DLS-I 型螺栓实验台。通过动静态应变仪来测量应变量，再由学生手工处理数据 并绘制螺栓受力图的。这种测量方式手段陈旧、仪器精度难以满足要求。另外，数据 处理手段的落后，使实验不仅耗时，而且难以激发学生的学习热情，也难以提高实验 的水平和深度。因此，在这种情况下必须对原有的实验台装置进行改进，才能够满足 现有的实践教学要求，加深学生对机械设计基础知识的理解。经过改进后该实验装置 结构简单,性能稳定。由于用两种测试方法,即计算机数据采集和静动态电阻应变仪测 量,所以该装置使用时灵活性好,测试手段新颖,测量精度高,便于学生掌握。该装置台 式化设计,积体小,成本低,便于学生实验时多组同时进行。 1.2 螺栓组联接实验台的实验内容及其性能特点 1.2.1 实验内容 本试验装置可完成下述试验项目, 并给出定性或定量结果 （1）完成不同初拉力的联接件和被联接件的受力变形规律研究 （2）实现螺栓组应力分布规律研究 （3）对初压力的螺栓动态变化规律进行参数可视化分析 （4）测定螺栓联接系统的相对刚度 （5）了解和部分掌握电阻应变片技术、计算机技术在力测量中的应用。从而验证螺栓组联接受 陕西科技大学毕业设计说明书2 力分析理论和现代测量技术在机械设计中的应用。 1.2.2 性能特点 （1）可完成螺栓组在受倾覆静态力矩作用下的受力变形规律的分析 （2）可对螺栓受力变形规律进行分析 （3）实现了加载与检测的数字化分析 （4）利用软件平台实现了机械参数的可视化分析 1.3 本课题的意义与研究内容 该实验装置的研制对教学实验的改造、开展计算机辅助测试的研究工作具有很重 要的意义。特别是为机械基础系列课程中实验教学从传统的验证型、演示性实验向综 合性、研究型转变的改革打下良好的基础。同时，也为培养学生独立分析问题、解决 问题的能力，培养动手能力、科学研究能力、创新能力发挥了积极的作用。另外，也 提高了实验技术人员的科研能力。 本文主要的研究内容: (1)螺栓轴向力矩的测试方法及原理; (2)机械装置结构设计及强度计算; (3)测量装置采样电路、人机接口、数据传输等硬件的实现; (4)数据管理、评价、流程控制等软件的实现。 (5)虚拟应变图像显示界面的设计 螺栓组联接实验台改进设计3 第二章 螺栓联接实验台的结构设计 螺栓联接综合实验台的结构主要由：螺栓联接部分、加载装置部分、测试仪器部分 等三部分组成。该实验台具有加载稳定准确、改变螺栓和被联接件刚度可靠、操作方 便、性能稳定、精度高的特点。 2.1 螺栓联接部分 设计步骤： 1)螺栓组结构设计 2)螺栓受力分析 3)螺栓联接的强度计算 4)确定螺栓直径 5)校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺 寸，可根据底板的厚度，螺栓在托架上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 2.1.1 螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓 的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时 应综合考虑以下几方面的问题： （a）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形，环形，矩 形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的 对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 （b）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理，当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的 位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。如果同时承受轴向载荷和较大 的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧 力及其结构尺寸。 （c）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机 体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。 （d）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成 4，6，8，10 等偶数，以便在圆周上钻孔 时分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。 （e）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在 工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。 陕西科技大学毕业设计说明书4 2.1.2 螺栓组联接的受力分析 （a）受横向载荷的螺栓组联接 图2-1所示为一由2个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。横向载荷的作用线与 螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对称中心。当采用螺栓杆与孔壁间留有间隙的普通螺 栓联接时，靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷，假设在横向总载 荷 F=1500的作用下，各螺栓所承担的工作载荷是均等的。 图2-1 受横向载荷的螺栓组联接 (2-1) Z F F 式中 z 为螺栓联接数目（本设计 Z=10） 对于普通螺栓联接，应保证联接预紧后，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等 于横向载荷。假设各螺栓所需要的预紧力均为 Qp，螺栓数目为 z，则其平衡条件为 (2-2) FKzifQ sp 式中： f接合面间的摩擦系数，见下表2-1； i接合面数（图中，i=2） ； Ks防滑系数，Ks=1.11.3. 所以螺栓所受到的预紧力为： N fzi FK Q s p 600 21015 . 0 15002 . 1 表 2-1 被联接件接合面的表面状态摩擦系数 f 螺栓组联接实验台改进设计5 干燥的加工表面010-0.16钢或铸铁零件 有油的加工表面006-010 轧制表面，钢丝刷清理浮锈030-035 涂富锌漆035-040 钢结构 喷砂处理045-055 钢铁对砖料，混凝土或木材干燥表面040-045 (b)轴向载荷 F的螺栓组联接 F与螺栓轴线平行，且过螺栓组联接形心 O。计算时，认为各螺栓平均受载。则 每个螺栓所受轴向工作载荷为 z F F (c)受转矩的螺栓组联接 如下图2-2所示，转矩 T 作用在联接接合面内，在转拒 T 的作用下，底板将绕通过螺栓 组对称中心 O 并与接合面相垂直的轴线转动。为了防止底板转动，可以采用普通螺栓 联接，也可以采用铰制孔用螺栓联接。其传力方式和受横向载荷的螺栓组联接相同。 (a) (b) (c) 图2-2 采用普通螺栓联接时，靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩 T。假 设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为 Qp，则各螺栓联接处产生的摩擦力 陕西科技大学毕业设计说明书6 均相等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。 由上式可得各螺栓所需的预紧力为： （2-3） 式中：f接合面的摩擦系数，见表2-1； ri第 i 个螺栓的轴线到螺栓组对称中心 O 的距离； z螺栓数目； Ks防滑系数，Ks=1.11.3. 采用配合螺栓联接时，在转矩 T 的作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用，各螺栓 所受的横向工作剪力和各该螺栓轴线到螺栓组对称中心 O 的连线（即力臂 r。 ）相垂直 （图 b） 。为了求得各螺栓的工作剪力的大小，计算时假定底板为刚体，受载后接合面 仍保持为平面。则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心 O 的距离成 正比。即距螺栓组对称中心 O 越远，螺栓的剪切变形量越大。如果各螺栓的剪切刚度 相同，则螺栓的剪切变形量越大时，其所受的工作剪力也越大。如图 b 所示，用 ri、rmax 分别表示第 i 个螺栓和受力最大螺栓的轴线到螺栓组对称中心 O 的距离； Fi、Fmax。分别表示第 i 个螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，则得 (2-4） max max r r FF i 根据作用在底板上的力矩平衡的条件得 即 （2-5）TrF i ii 1 联解式（2-3）及（2-4） ，可求得受力最大的螺栓的工作剪力为 ： 螺栓组联接实验台改进设计7 （2-6） 1 2 max max i i r Tr F 2.1.3螺栓联接的强度计算 (a) 承受预紧力的紧螺栓联接 图2-3 承受预紧力的紧螺栓联接 紧螺栓联接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩作用下，螺栓除受预紧力的拉伸 而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩 T 的扭转而产生扭转切应力，使螺栓处于拉伸 和扭转的复合应力状态下。因此，进行强度计算时，应综合考虑拉伸应力和扭转切应 力的作用。 螺栓危险截面的拉伸应力为： (2-7) 2 1 0 4 d F 陕西科技大学毕业设计说明书8 所以 N d F 65.174 )46.10( 4 15000 4 22 1 0 螺栓危险截面的扭转切应力为： (2-8) 2 1 0 1 2 3 1 2 0 4 . 2 . 1 16 2 d F d d tgtg tgtg d d tgF v v v 对于 M10M68的钢制螺栓，可取 N tg d d tg v 32.875 . 0 05 . 0 ,08 . 1 04 . 1 ,17 . 0 1 2 由于螺栓材料是塑性的，可根据第四强度理论，求出螺栓预紧状态下的计算应力为： =227.03N3 . 15 . 033 2 222 ca 由此可见，对于 M10M68 普通螺纹的钢制紧螺栓联接，在拧紧时虽同时承受 拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可只按拉伸强度计算，并将所受的拉力（预紧 力）增大 30%来考虑扭转的影响。 当普通螺栓联接承受横向载荷时，由于预紧力的作用，将在接合面间产生摩擦力 来抵抗工作载荷。这时，螺栓仅承受预紧力的作用，而且，预紧力不受工作载荷的影 响，在承受工作载荷后仍保持不变。预紧力的大小，根据接合面不产生相对滑移的条 件确定。 螺栓危险截面的拉伸强度条件式为： (2-9) 2 1 0 4 3 . 1 d F ca 这种靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓联接，要求保持较大的预紧力，结果必然使 螺栓的结构尺寸增加。此外，在振动、冲击或变载荷下，由于摩擦系数的变动，将使 联接的可靠性降低，有可能出现松脱。为避免上述缺陷，可用各种减载零件来承担横 向工作载荷，螺栓联接只保证联接，不再承受工作载荷，因此预紧力不必很大。 (b) 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接 这种紧螺栓联接承受轴向拉伸载荷后，由于螺栓和被联接件的弹性变形，螺栓所受 螺栓组联接实验台改进设计9 的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。根据理论分析，螺栓的总拉力除和预紧力、 工作拉力 F 有关外，还受到螺栓刚度 C 和被联接件刚度 C 等因素影响 图2-4承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接 图2-5 陕西科技大学毕业设计说明书10 FFF 12 为保证联接的紧密性，防止联接受载后接合面间产生缝隙，有紧密性要求的0 1 F 联接，F1 =（1.51.8）F；一般联接，工作载荷稳定时， F1 =（0.20.6）F；工作载 荷不稳定时， F1=（0.61.0）F ；地脚螺栓，F1F。 F CC C FF CC C FF F CC C F C C tg tg FF F FFFF mb m mb b mb b m b m b 110 11 )1 ( )( 螺栓的总拉力为： F CC C FF FFF mb b 02 02 式中： -螺栓相对刚度，其大小与螺栓和被联接件的结构尺寸、材料及垫片、 mb b CC C 工作载荷的作用位置等因素有关。其值在01之间变化。 设计时，根据联接的受载情况求出螺栓的工作拉力 F再根据联接的工作要求选 取 F1计算螺栓的总拉力 F2进行强度计算。螺栓危险截面的拉伸强度条件为： (2-10) 2 1 2 1 2 3 . 14 4 3 . 1F d d F ca 或 表2-2 螺栓的相对刚度 Cb/(Cb+Cm) 被联接钢板间所用垫片类别 Cb/(Cb+Cm) 金属垫片（或无垫片）020.3 皮革垫片 0.7 铜皮石棉垫片 0.8 橡胶垫片 0.9 螺栓组联接实验台改进设计11 (c) 受轴向变工作拉力的紧螺栓联接 除按上式作静强度计算外，还需对螺栓的疲劳强度作精确校核。当工作拉力在 0F 之 间变化时，螺栓总拉力将在 F0F2之间变化。 图2-6 如果不考虑螺纹摩擦力矩的扭转作用，则螺栓危险截面的最大拉应力为： 2 1 2 max 4 d F 最小拉应力为： 2 1 0 min 4 d F 应力幅为： 2 1 minmax 2 . 2d F CC C mb b a 螺栓的最大应力计算安全系数为： S K K S a tc ca min min1 2 )(2 式中：-1tc螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限，MPa。 试件的材料特性，对碳钢，=0.10.2，对合金钢， =0.20.3。 K拉压疲劳强度综合影响系数，忽略加工方法的影响，则， K=k/。 S安全系数。见表 2-3 表2-3 螺纹联接的安全系数 S 受载类型 静载荷变载荷 松螺栓联接 1.21.7 陕西科技大学毕业设计说明书12 M6M16M16M 30 M30M 60 M6M16M16M 30 M30M 60 碳钢 5442.52.52 碳钢 12.58. 5 8.58.51 2.5 不考虑预紧 力的简化计 算 合金钢 5.7553.43.43 合金 钢 106.86.86.81 0 受轴向及 横向载荷 的普通螺 栓联接 考虑预紧力 的简化计算 1.21.51.21.5(Sa=2.54) 紧 螺 栓 联 接 铰制孔用 螺栓联接 钢：Sr=2.5,Sp1.25 铸铁： Sp=2.02.5 钢：Sr=3.55,Sp1.5 铸铁：Sp=2.53.0 (d) 承受工作剪力的紧螺栓联接,见图2-7 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 （2-11） p o p Ld F min 螺栓杆的剪切强度条件为 （2-12） 4 2 o d F 式中：F 螺栓所受的工作剪力/N； do螺栓剪切面的直径（可取为螺栓孔的直径）/mm； Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度/mm，设计时应使 Lmin1.25d0； p螺栓或孔壁材料的许用挤压应力/MPa ； 螺栓材料的许用切应力/MPa . 螺栓组联接实验台改进设计13 图2-7 承受工作剪力的紧螺栓联接 2.1.4确定螺栓直径 首先选择螺栓材料，确定其性能等级，查出其材料的屈服极限，并查出安全系数， 计算出螺栓材料的许用应力= s/S。适合制造螺栓联接件的材料品种很多，常用 材料有低碳钢 Q215、10号钢和中碳钢 Q235、35、45号钢。对于承受冲击、振动或变载 荷的螺纹联接件，可采用低合金钢、合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnsi 等。对于特殊 用途（如防锈蚀、防磁、导电或耐高温等）的螺纹联接件，可采用特种钢或铜合金、 铝合金等。根据表2-6选择螺栓的性能等级 表2-6 螺栓的性能等级 性能等级（标记） 3.64.64.85.65.86.88.89.820.912.9 抗拉强度极限（MPa) minB 33040042050052060080090010401220 屈服极限(MPa) mins 1902403403004204806407209401100 硬度 HBSmin 90109113134140181232269312365 推荐材料 低 碳 钢 低碳钢或中碳钢 中碳钢， 淬火并回 火 中碳 钢, 合金 钢 合金 钢 陕西科技大学毕业设计说明书14 表2-7 螺母的性能等级 性能等级 4 5 6 8 9 10 12 拉抗强度 极限 510（d 16 39) 520(d 34 600 800 900 1040 1150 推荐材料 易切削钢低碳钢低碳钢、低中碳合金钢、淬火并回火 相配螺栓 的性能等 级 3.6、4.6 、4.8（d 16) 3.6、4.6 、4.8（d 16);5.6 6.8 8.88.8(d16 39);9.8(d 16) 10.912.9 因为成人 NFF NFkgF 1500075 200,25 0 max 所以当采用4.8级螺栓时，其直径为： mm F d MPa S s 46.10 6667.226 150002 . 52 . 5 6667.226 5 . 1 340 0 1 12012865780 8 . 412012 ,46.1073.11,12 11 MGB AM mmdmmdM 国标标注： 级精度，六角螺栓级，不经表面处理，螺栓，公称长度 强度满足， 2.1.5校核螺栓所需的预紧力 采用公式为： 碳素钢螺栓 1 )7 . 06 . 0(AQ sp 合金钢螺栓 1 )6 . 015 . 0 (AQ sp 式中：螺栓材料的屈服极限 s A1螺栓危险截面的面积 对一般联接用的钢制螺栓联接的预紧力 QP，拧紧力矩 T=T1+T2，由图2-8可知 螺栓组联接实验台改进设计15 图2-8 2 0 2 0 3 0 3 0 20 2 0 2 0 3 0 3 0 0 2 021 2 0 2 0 3 0 3 0 02 2 01 . 3 2 . 2 1 . 3 1 2 ).(. 3 1 2 ).(. dD dD fdtgF dD dD Ff d tgFTTT dD dD FfT d tgFT cv cv c v dFT fffarctg dDdddd cv .2 . 0 15 . 0 , 2 . 01 . 0,155 . 1 ,7 . 1,1 . 1,9 . 0,23421 0 002 00 对一定直径的螺栓，当 F0已知时，可由上式求出 T 由图 2-9 可知，假设标准扳手 L=15d，拧紧力 F，T=FL ，成人 FF dFdFFLT 75 .2 . 015. 0 0 NFF NFkgF 1500075 200,25 0 max 所以对于 。钢；钢；钢 拉力为：的螺栓，拉断螺杆时的 NNNA M 17892451590035119283 12 陕西科技大学毕业设计说明书16 图2-9 2.2 加载装置部分 加载装置主要有加载手柄、加载丝杆、推力轴承等组成，主要作用是给螺栓提供一个 轴向压力 P,由 M=PL 求出联接受到的翻转力矩，其中 P 为作用在传感器上的载荷。其主 要结构如图2-10所示 图2-10 2.3 测试仪器部分 测试仪器部分主要由电阻应变片、电桥盒、压力传感器组成。 应用应变测量技术，测 量构件表面的应变及应力，对于分析与研究零件、机构或结构的受力情况及工作状态 的可靠性程度，验证设计计算结果的正确性，对于发展机械设计理论，研究机械工程 中某些物理现象的机理及实现机械运行自动化，都具有十分重要的意义。应变测量作 为一种有效的测试与转换技术，还可以用于多种物理量的检测与计量，实现生产过程 或科学实验的测量与控制。 螺栓组联接实验台改进设计17 2.3.1 电阻应变片的测试 用应变片测量螺栓受力应变时，将应变片粘贴于各个螺栓表面上，并焊接上引线。 在外力作用下，螺栓表面产生微小机械变形时，应变片也随同变形，其电阻值发生相应 变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据式 oO K l l K R R 其中称金属电阻的灵敏系数，=2.0k0k 可以得到被测对象的应变值，而根据引力应变关系： E 式中：测试的应力； E材料弹性模量。 可以测得应力值。通过弹性敏感元件， 、力、力矩、压力等物理量转换为应变，因此 可以用应变片测量上述各量，从而可做成各种应变式传感器。 2.3.2电桥 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变成电压或电流输出的一种测量电路， 其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。桥式测量电路简单， 并具有较高精确度盒灵敏度，因此在测量装置中广泛应用。电桥电路如图2-11所示 图2-11 测量电路有多种，最常用的是桥式测量电路。R1、R2、R3、R4四个电阻依次接在 A、B、C、D （或1、2、3、4）之间，构成电桥的四桥臂。电桥的对角 AC 接电源，电 源电压为E；对角 BD 为电桥的输出端，其输出电压用 UDB表示。电桥的组合方式如表 2-8所示 表2-8 电桥的组合 陕西科技大学毕业设计说明书18 组桥方式输出电压 UDB桥臂系数 B温度补偿 单臂测量)( 4 21 S K E 1 BC 臂需接一枚补偿片R 半桥测量 )( 4 21 S K E 1=-2时 B=2 不需接补偿片温度影响 自动消除 对臂测量 )( 4 31 S K E 1=3时 B=2非工作对臂接补偿片 全桥测量 )( 4 3131 S K E 1=-2=3=- 4时 B=4 不接补偿片,温度影响可 自动消除 串联测量 1 1 4R RE B=1 阻值与工作片相会地补 偿片串联后接 BC 臂 根据实验需要由表2-8选择相应的电桥组合方式，并通过电桥盒把相应的应变输入 到所设置的电阻应变仪中。 2.3.2 压力传感器 设计综合测试试验台，通过测量加载丝杆所承受的轴向压力信号，测出作用在压 力传感器上的载荷Q，通过M=QL计算出联接受到的翻转力矩M ，并作出是否合格的判断。 此过程测量力大，测试规格范围广， 试验数据准确，测量精度高，测量快速方便，劳 动强度低 。 根据GB/1231-2002的规定，螺栓测试时的预拉力，M12螺栓为119178Nk，拟选用杭 州永正电子有限公司生产的电阻应变式YZ363YSO型压式负荷传感器，见图2-12，测量 范围0490Nk ，技术参数见表2-8。 图2-12 压力传感器 表 2-8 压式负荷传感器技术数据 螺栓组联接实验台改进设计19 型 号 YZ363Y/50 最大压力 KN500 灵敏度 mV/V21% 零位输出 mV/V02% 温度对灵敏度的影响 %ofCn/k250VDC 正常工作温度范围C F -10-+4015-+105 安全极限载荷 %ofCn150 2.4 本章小结 本章主要进行机械装置的结构设计，对工作台的组成部件，螺栓联接的受力、强度 进行了设计计算，对电阻应变片的安装、工作原理进行了说明，并对压力传感器的选 择做了简单分析。 第三章 螺栓测量装置的设计 3.1 测量装置的需求分析 对于螺栓测量装置的用户与制造商来说，一般有三方面的需求:功能需求、造价需 求和其他需求。首先，装置的功能应当满足力矩系数计算和传感器参数调整这些基本 陕西科技大学毕业设计说明书20 需要，同时，还应该有便于管理环境的数据上传功能、方便快捷的人机交互等。其次， 装置的造价是需要考虑的另一个问题。 3.2 测量装置的总体方案确定 测量装置部分和机械部分一起构成了螺栓扭矩测量系统。基于上边对于测量装置的 需求的分析，可以得出装置的总体框架如图 3-1 所示: 图 3-l 测量装置总体框图 图 3-1 左半部分主要是测量系统的信号输入部分:主要包括传感器与数据采集器。 传感器有一个:压力传感器检测加载装置的压力;电阻应变片检测螺栓加载后产生变形 后的应变。它们的输出信号经过接口电路的放大调整后，达到与参考电压相匹配的状 态，然后接入数据采集器。 图 3-1 中间部分的处理器和数据存储器构成了整个测量系统的运算处理单元。 图 3-1 右边部分主要是测量系统的人机接口和数据接口。人机接口包括键盘与显示 单元。数据接口设定为串行通讯口，用于将数据备份到其他设备。纵观上图，测量装 置方案设计的核心是传感器与处理器的选择。这两者确定下来以后，其他的都是细节 问题。因为对于传感器，首先，只有选择了某种类型的传感器，才能考虑和数据采集 器接口的问题。传感器的接口电路很多人都讨论过，是比较成熟的东西。而传感器的 选择方案比较多，可以用贴片的方式，也可以用压-压传感器的组合方式或者压-扭传 感器的组合方式;其次，传感器还与机械部分相连，需要考虑机械连接部分的造价和装 配等问题;最后，要考虑传感器精度及精度损失的问题。所以，传感器的选择对最终方 案有决定性的影响。对于处理器，与传感器一样也存在一个接口问题，同时选择不同 的处理器对于测量装置功能的强弱有很大影响，还影响到软件设计开发的效率，以及 日后升级换代的代价。因此，处理器与传感器的选择是首先和重点要考虑的问题。压 力传感器的选择已在第二章中讨论过了，因此，这里只介绍处理器的选择。 处理器方案有两个:32 位的 ARM7 系列和 8 位的 MCS51 系列。目前，嵌入式处理器 螺栓组联接实验台改进设计21 市场，32 位 ARM 产品随着日渐增长的高性能新应用，包括信息家电、汽车电子、电子 玩具市场则促进 32 位 ARM 产品需求的增长。32 位的 ARM 系列 MCU 可以满足更宽的寻址 范围需求的增长，提供在时钟速度方面更多原始 CPU 能力、以及嵌入式应用需要的网 络连接、USB 通信接口等;且 32 位的 ARM7 系列 MCU 可以更好地对 TROS 进行支持，满足 迅速开发软件的需求。再加上生产工艺的进步使得 32 位产品在整体成本上与 16 位产 品相差无几。因此 32 位产品在 MCU 市场上呈持续上升的发展势头。8 位 MCU 主要功能 是作控制，大部分应用在通信产品、PC 外围设备、消费类电子以及一般通用型产品之 中。8 位产品具有低廉的生产成本、巨大的整体出货量、简洁的程序代码等优势，因此 设计人员在综合考虑成本、效能、设计时效等因素之后大部分愿意选择 8 位微控制器 产品。在市场上 8 位微控制器应用依然占据微处理器市场近六成以上的市场份额，并 且还在不断增长之中。要求低成本和小尺寸器件的嵌入式应用是使 8 位 MCU 仍然是应 用主流的主要因素。出于在满足基本功能的基础上尽量节省成本的考虑，决定使用 8 位 MCU。又由于 MCS51 系列 MCU 应用广泛，技术成熟，市场出货量大。经过上边的分析， 最终我们的方案确定为:处理器选择 AT89C52。 3.3 测量装置的硬件实现 测量装置的硬件电路主要有四部分构成:采样电路、人机接口电路、串行通讯和其 他控制电路。 3.3.1 采样电路 1)概述 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过 程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来超重要的作用。然 而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度、压力、位 移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散 化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。 数据采样就是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(可以是物理量，也可以是 化学量、生物量等)通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采集、量化、编 码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。用于数据采样的 成套设备称为数据采样系统(DataAqcuisitionSysetm)。数据采样系统是计算机与外部 世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采样技术是信息科学的重要组成部分， 已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，数据采样 技术具有广阔的发展前景。数据采样系统追求的最主要目标有两个:一是精度，二是速 度。对任何目的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义;提高数据采样 的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采样系统的适用范围，便于实 陕西科技大学毕业设计说明书22 现动态测试。 2)基本组成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。 图 4-2 是数据采集系统硬件基本组成示意图。 传感器的作用是把非电的物理量转变成 模拟电量(如电压、电流或频率)。通常把传感器输出到 AD/转换器输出的这一段信号通 道称为模拟通道。 放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，因此，需要以放大。 以满足大多数 AD/转换器的满量程输入 410v 的要求。 图 3-2 数据采集系统组成 在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通 过多路模拟开关来实现。模拟开关之后是模拟通道的转换部分,它包括采样/保持和 A/D 转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅 值恒定，以提高 A/D 转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前 (每道一个)。还可实现对瞬时信号进行同时采样。采样/保持器输出的信号送至模数转 换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对 分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同。目前普遍采用单片集成电路，有的单 片 A/D 转换器内部还包含有采样/保持电路、基准电源和接口电路。这为系统设计提供 了较大方便。本设计采用的 TLC2543 采集芯片即是此种类型。A/D 转换的结果要送给计 算机。有的则采用并行码输出，有的则采用串行码输出。使用串行输出结果的方式对 长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。并且能够节省单片机系统的资源。 3)性能指标 对数据采集系统的性能要求和具体应用目的与应用环境有密切关系，对应不同的情 况往往有不同的要求。以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义。 系统分辨率:是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位 值(ILSB)占系统满度信号的百分比表示。表 3-l 示出了满度值为 10v 时数据采集系统 的分辨率。 表 3-l 数据采集系统的分辨率 位数 级数 1LBS 1LBS 螺栓组联接实验台改进设计23 （满度值的百分数） （10V 满度） 8 256 0.391% 39.1mv 12 4096 0.0244% 2.44mv 16 65536 0.0015% 0.15mv 20 1048576 0.000095% 9.53uv 24 16777216 0.0000060% 0.50uv 系统精度:是指当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。模数转换 器的精度是系统精度的极限值。通常表示为满度值的百分数。 采集速率:又称为系统通过速率、吞吐率等，是指在满足系统精度指标的前提下，系 统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数，或者说是系统每个通道、每秒钟 可采集的子样数目。它表征了系统每采集一个有效数据所需的时间。 动态范围:是指某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小 幅值之比的分贝数。数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值 VmaX 与最小幅值 Vmin 之比的分贝数，即 min max lg20 v V I 非线性失真:也称谐波失真。当给系统输人一个频率为 f 的正弦波时，其输出中出现 很多频率为 kf(k 为正整数)的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐波失真系数 用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通常用下式表示: %100 2 3 2 2 2 1 2 3 2 2 AAA AA H 式中 A 一基波振幅 AK 一第 K 次谐波的振幅。 4)数据采集器 TLC2543 TLC2543 是 12 位开关电容逐次逼近模数转换器。每个器件有三个片选(瓦)，输入/ 输出时钟(1/0CLOCK)以及地址输入端(DATA 可以通过一个串行的 3 态输出端(DATAOUT) 与主处理器或其外围的输出转换结果。本器件可以从主机高速传输数据。除了高速的 转换器和通用的控制能力外，TLC2543 有一个片内的器可以在 n 个输入通道或 3 个内部 自测试电压中任采样一保持是自动。在转换结束时， “转换结束”(EOC)输出端变高成。 本器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有转换、刻度以及模拟 电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。 陕西科技大学毕业设计说明书24 TLC2543 特点 TLC2543 模块使用开关电容逐次逼近技术完成 AD/转换过程。样速率 66KsPs，供电电流 仅需 lmA。由于是串行输入结构，能够节省机 I/O 资源，且价格适中，大约为 40 元左 右。其特点有: 12 位分辨率 A/D 转换器 n 个模拟输入通道 3 路内置自测试方式 固有的采样与保持 线性误差 ILSBMxa 片内系统时钟 转换结束(End 一 of 一 Conversion，EOC)输出 单极性或双极性输出 可编程的 MBS 或 LBS 前导 可编程的输出数据长度 采用 CMOS 技术 TLC2543C 的工作温度为 O-75;TLC2543I 的工作温度为 40-85;TLC254M3 的工作温度为 55-125。 表 3-2TLC2543 的引脚说明 引脚号名称I/ 0 说 明 19、11、AINOAII 模拟量输入端。11 路输入信号由内部多路器选通。对于 4.1MHz 的 I/0 CLocK，驱动源阻抗必须小于或等于 50。 ，而且用 螺栓组联接实验台改进设计25 12N160pF 电容来限制模拟输入电压的斜率 15 _ CSI 片选端。在端由高变低时，内部计数器复位。由低变高，在 _ CS 设定时间内禁止 DATA INPUT 和 1/0 CLOCK 17DATA INPUT I串行数据输入端。由 4 位的串行地址输入来选择模拟量输入 通道 16 DATA OUTO A/D 转换结果的三态串行输出端.为高时处于高阻抗状态， _ CS 为低时处于激活状态 _ CS 19EOCO转换结束端。在最后的 1/0 CLOCK 下降沿之后，EOC 从高电 平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止 10GNDGND 是内部电路的地回路端。除另有说明外，所有电压 测量都相对 GND 而言 18 I/O CLOCKI 输入/输出时钟端。I/0 CLOKC 接收串行输入信号并完成以下四 个功能:(1)在 I/0 CLocK 的前 8 个上升沿，8 位输入数据存入输 入数据寄存器。(2)在 1/0 CLOCK 的第 4 个下降沿，被选通的模 拟输入电压开始向电容器充电，直到 I/0 CLOCK 的最后一个下 降沿为止。(3)将前一次转换数据的其余 11 位输出到 DATAO 盯 端，在 I/0CLOCK 的下降沿时数据开始变化。(4)1/0 CLOCK 的最 后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位 14REF+I正基准电压端。基准电压的正端(通常为 Vcc）被加到 REF+， 最大的输入电压范围由加于本端与 REF-端的电压差决定 13REF-I负基准电压端。基准电压的低端(通常为地)被加到 REF 20Vcc电源 TLC2543 的引脚排列及说明 TLC2543 有两种封装形式:DB、DW 或 N 封装以及 NF 封装，这两种封装的引脚 排列如图 3-3，引脚说明见表 3-2。 陕西科技大学毕业设计说明书26 图 3-3 TLc2543 的两种封装引脚排列 接口时序 可以用四种传输方法使 TLC2543 得到全 12 位分辩率，每次转换和数据传递可以使 用 12 或 16 个时钟周期。一个片选(瓦)脉冲要插到每次转换的开始处，或是在转换时 序的开始处变化一次后保持瓦为低，直到时序结束。 图 3-4 显示每次转换和数据传递使用 16 个时钟周期和在每次传递周期之间插入厉的时 序，图 3-5 显示每次转换和数据传递使用 16 个时钟周期，仅在每次换序列开始处插入 一次时序。 图 3-4 16 时钟传送时序图(使用，MSB 在前) _ CS 螺栓组联接实验台改进设计27 图 3-5 16 时钟传送时序图(不使用，MBS 在前) _ CS 串行外设接口 SP 在 TLC2543 与微处理器之间传送数据最快地方式是串行外设