機械畢業(yè)設計（論文）-螺栓組聯接實驗臺改進設計【全套圖紙】

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1、螺栓組聯接實驗臺改進設計 摘 要 螺栓聯接是機械設計課程中重要的教學章節(jié)，是機械零部件聯接中最常用的聯接 方法。我?，F有螺栓聯接綜合實驗臺由于誤差大，均起不到驗證理論的作用。為此， 結合實驗教學，對我?，F有的螺栓聯接試驗臺結構給出改進設計方案.該方案實施后， 增加了螺栓聯接實驗內容，完善了整個實驗過程，在提高試驗臺的效率和能力方面取 得了明顯的效果。該實驗臺具有加載穩(wěn)定準確、改變螺栓和被聯接件剛度可靠、操作 方便、性能穩(wěn)定、精度高的特點。還介紹了螺栓連接實驗臺的結構組成及測試原理， 測試系統(tǒng)的組成及各部分作用;進行了機械裝置零部件的結構設計和強度計算;設計了 測試系統(tǒng)的硬件電路，包括應變儀的采

2、樣電路、A/D轉換電路、鍵盤電路、顯示電路等;分 析了數據采集系統(tǒng)的性能，數據傳輸的串行通訊原理、波特率、發(fā)送與接收、電平轉 換等內容;討論了鍵盤防抖原理和數碼管的結構及非編碼鍵盤的控制方式、中斷查詢等 問題;論文還對軟件的實現和元器件的選擇等做了詳細的論述。 在本文中，還詳細闡述虛擬式應變測試系統(tǒng)的邏輯結構和軟硬件在螺栓聯接實驗 臺上的應用，并以Visual C+軟件為開發(fā)平臺，運用面向對象（OOP）的軟件設計方法， 構建出了圖形逼真、功能強大的虛擬式應變測試儀系統(tǒng)。該應變測試系統(tǒng)的軟件由主 控制模塊、初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、圖形顯示模塊、存儲打印模 塊和輔助功能模塊七部分組

3、成，實現了對應變信號進行采集、處理、分析和顯示。系 統(tǒng)可對與應變測量有關的多類型參量進行實時測量，將信息的采集和處理一體化，數 據和結果實現可視化，其價格比傳統(tǒng)應變測量儀器低廉，大大提高了工作效率。 關鍵詞：螺栓,聯接,試驗臺,改進 Bolt connection experimental design improvement ABSTRACT Bolt connection is important in mechanical design course teaching section, is the most commonly used mechanical components in

4、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-jo

5、int 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

6、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 cir

7、cuit, 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 cont

8、rol 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 conn

9、ection 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

10、, 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,

11、 improved 目 錄 中文摘要I 英文摘要.II 第 1 章 緒 論.1 1.1 螺栓組聯接試驗臺的應用背景 1 1.2 螺栓組聯接實驗臺的實驗內容及其性能特點 1 1.2.1 實驗內容 2 1.2.2 性能特點2 1.3 本課題的意義與研究內容2 第 2 章螺栓聯接實驗臺的結構設計3 2.1 螺栓聯結部分 .3 2.1.1 螺栓組結構設計 .3 2.1.2 螺栓組聯接的受力分析3 2.1.3 螺栓聯接的強度計算7 2.1.4 確定螺栓直徑 13 2.1.5 校核螺栓所受的預緊力.15 2.2 加載裝置部分17 2.3 測試儀器部分 17 2.3.1 電阻應變片的測試.17 2.3.2

12、電橋.18 2.3.3 壓力傳感器.19 2.4 本章小結20 第 3 章 螺栓測量裝置的設計21 3.1 測量裝置的需求分析 .21 3.2 測量裝置的總體方案確定 .21 3.3 測量裝置的硬件實現 .22 3.3.1 采樣電路 22 3.3.2 采樣電路 30 3.3.3 串行通信 .37 3.4 測量裝置的軟件實現42 3.4.1 流程控制44 3.4.2 傳感器校正44 3.4.3 數據管理45 3.4.4 數據評價 46 3.4.5 用戶接口程序 47 3.5 本章小結47 第 4 章 虛擬圖像顯示儀的設計48 4.1 引言48 4.2 系統(tǒng)的總體設計48 4.2.1 系統(tǒng)的組成4

13、9 4.2.2 系統(tǒng)軟件的總體設計 .49 4.2.3 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的選擇 .50 4.3 系統(tǒng)的硬件設計 51 4.3.1 電阻應變片的選擇 .51 4.3.2 應變放大器的選用.52 4.3.3 數據采集卡的選用.55 4.4 系統(tǒng)的軟件設計原則55 4.5 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程.55 4.5.1 儀器功能定制 .56 4.5.2 功能模塊開發(fā) 56 4.5.3 儀器集成測試 57 4.6 軟件功能總體設計.57 4.7 主控制模塊58 4.8 初始畫模塊59 4.8.1 測試對象參數設置 59 4.8.2 傳感器、放大器的參數設置59 4.9 數據采集模塊 59 4.9.1 采樣界面操作

14、 59 4.9.2 采樣方程的類型 60 4.9.3 本系統(tǒng)的采樣程序 62 4.10 數據處理模塊62 4.10.1 數據處理概述.62 4.10.2 數字濾波 .63 4.10.3 標度變換 .65 4.10.4 數據二次處理 .66 4.11 圖形顯示模塊.67 4.12 存儲模塊.69 4.13 本章小結.70 致謝.71 參考文獻.72 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706153893706 螺栓組聯接實驗臺改進設計1 第 1 章 緒 論 1.1 螺栓組聯接試驗臺的應用背景 我國高等工程教育改革的一項重要任務是在培養(yǎng)學生具有扎實的理論基礎的同時， 加強對學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力

15、的培養(yǎng)，其中實驗教學是一個重要的環(huán)節(jié)實驗課程 教學質量的優(yōu)劣不僅對本課程有影響，而且對學生的實踐能力的培養(yǎng)也會起到潛移默 化的作用,而實驗課程的指導思想和教學內容的制定，實驗方法和手段的采用又不可避 免地要受到實驗裝置的制約和影響為造就面向2I世紀經濟建設的優(yōu)秀人才，實驗課 程的改革已迫在眉睫因此必須在實驗中引入現代計算機技術和先進電子技術，培養(yǎng) 學生掌握先進的實驗方法和檢測技術 螺栓組聯接實驗臺裝置是用于工科院?！皺C械設計” 、 “機械設計基礎”課程教學 的實驗設備,現有的實驗裝置大多是在靜態(tài)軸向工作載荷情況下,電測螺栓與被聯接件 之間的變形協調關系,而無法反映動態(tài)軸向工作載荷作用下螺栓與被

16、聯接件之間的變形 協調、位移、應力關系。學生只能憑借書本及課堂理論予以理解,滿足不了現代教學的 需要。而且傳統(tǒng)的“螺栓組聯接中螺栓的受力和相對剛度系數”實驗及“單個緊螺栓 聯接中螺栓的相對剛度系數和動載荷特性實驗”在我校普遍采用的南京金陵機械廠生 產的DLS-I 型螺栓實驗臺。通過動靜態(tài)應變儀來測量應變量，再由學生手工處理數據 并繪制螺栓受力圖的。這種測量方式手段陳舊、儀器精度難以滿足要求。另外，數據 處理手段的落后，使實驗不僅耗時，而且難以激發(fā)學生的學習熱情，也難以提高實驗 的水平和深度。因此，在這種情況下必須對原有的實驗臺裝置進行改進，才能夠滿足 現有的實踐教學要求，加深學生對機械設計基礎

17、知識的理解。經過改進后該實驗裝置 結構簡單,性能穩(wěn)定。由于用兩種測試方法,即計算機數據采集和靜動態(tài)電阻應變儀測 量,所以該裝置使用時靈活性好,測試手段新穎,測量精度高,便于學生掌握。該裝置臺 式化設計,積體小,成本低,便于學生實驗時多組同時進行。 1.2 螺栓組聯接實驗臺的實驗內容及其性能特點 1.2.1 實驗內容 本試驗裝置可完成下述試驗項目, 并給出定性或定量結果 （1）完成不同初拉力的聯接件和被聯接件的受力變形規(guī)律研究 （2）實現螺栓組應力分布規(guī)律研究 （3）對初壓力的螺栓動態(tài)變化規(guī)律進行參數可視化分析 （4）測定螺栓聯接系統(tǒng)的相對剛度 （5）了解和部分掌握電阻應變片技術、計算機技術在力

18、測量中的應用。從而驗證螺栓組聯接受 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書2 力分析理論和現代測量技術在機械設計中的應用。 1.2.2 性能特點 （1）可完成螺栓組在受傾覆靜態(tài)力矩作用下的受力變形規(guī)律的分析 （2）可對螺栓受力變形規(guī)律進行分析 （3）實現了加載與檢測的數字化分析 （4）利用軟件平臺實現了機械參數的可視化分析 1.3 本課題的意義與研究內容 該實驗裝置的研制對教學實驗的改造、開展計算機輔助測試的研究工作具有很重 要的意義。特別是為機械基礎系列課程中實驗教學從傳統(tǒng)的驗證型、演示性實驗向綜 合性、研究型轉變的改革打下良好的基礎。同時，也為培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決 問題的能力，培養(yǎng)動手能力、科學

19、研究能力、創(chuàng)新能力發(fā)揮了積極的作用。另外，也 提高了實驗技術人員的科研能力。 本文主要的研究內容: (1)螺栓軸向力矩的測試方法及原理; (2)機械裝置結構設計及強度計算; (3)測量裝置采樣電路、人機接口、數據傳輸等硬件的實現; (4)數據管理、評價、流程控制等軟件的實現。 (5)虛擬應變圖像顯示界面的設計 螺栓組聯接實驗臺改進設計3 第二章 螺栓聯接實驗臺的結構設計 螺栓聯接綜合實驗臺的結構主要由：螺栓聯接部分、加載裝置部分、測試儀器部分 等三部分組成。該實驗臺具有加載穩(wěn)定準確、改變螺栓和被聯接件剛度可靠、操作方 便、性能穩(wěn)定、精度高的特點。 2.1 螺栓聯接部分 設計步驟： 1)螺栓組結

20、構設計 2)螺栓受力分析 3)螺栓聯接的強度計算 4)確定螺栓直徑 5)校核螺栓所需的預緊力是否合適 確定螺栓的公稱直徑后，螺栓的類型，長度，精度以及相應的螺母，墊圈等結構尺 寸，可根據底板的厚度，螺栓在托架上的固定方法及防松裝置等全面考慮后定出。 2.1.1 螺栓組聯接的結構設計 螺栓組聯接結構設計的主要目的，在于合理地確定聯接接合面的幾何形狀和螺栓 的布置形式，力求各螺栓和聯接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。為此，設計時 應綜合考慮以下幾方面的問題： （a）聯接接合面的幾何形狀通常都設計成軸對稱的簡單幾何形狀，如圓形，環(huán)形，矩 形，框形，三角形等。這樣不但便于加工制造，而且便于對稱布置螺

21、栓，使螺栓組的 對稱中心和聯接接合面的形心重合，從而保證接合面受力比較均勻。 （b）螺栓的布置應使各螺栓的受力合理，當螺栓聯接承受彎矩或轉矩時，應使螺栓的 位置適當靠近聯接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力。如果同時承受軸向載荷和較大 的橫向載荷時，應采用銷，套筒，鍵等抗剪零件來承受橫向載荷，以減小螺栓的預緊 力及其結構尺寸。 （c）螺栓排列應有合理的間距，邊距。布置螺栓時，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機 體壁間的最小距離，應根據扳手所需活動空間的大小來決定。 （d）分布在同一圓周上的螺栓數目，應取成 4，6，8，10 等偶數，以便在圓周上鉆孔 時分度和畫線。同一螺栓組中螺栓的材料，直徑和長度均應相

22、同。 （e）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。除了要在結構上設法保證載荷不偏心外，還應在 工藝上保證被聯接件，螺母和螺栓頭部的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直。 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書4 2.1.2 螺栓組聯接的受力分析 （a）受橫向載荷的螺栓組聯接 圖2-1所示為一由2個螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組聯接。橫向載荷的作用線與 螺栓軸線垂直，并通過螺栓組的對稱中心。當采用螺栓桿與孔壁間留有間隙的普通螺 栓聯接時，靠聯接預緊后在接合面間產生的摩擦力來抵抗橫向載荷，假設在橫向總載 荷 F=1500的作用下，各螺栓所承擔的工作載荷是均等的。 圖2-1 受橫向載荷的螺栓組聯接 (2-1) Z F F 式中

23、z 為螺栓聯接數目（本設計 Z=10） 對于普通螺栓聯接，應保證聯接預緊后，接合面間所產生的最大摩擦力必須大于或等 于橫向載荷。假設各螺栓所需要的預緊力均為 Qp，螺栓數目為 z，則其平衡條件為 (2-2) FKzifQ sp 式中： f接合面間的摩擦系數，見下表2-1； i接合面數（圖中，i=2） ； Ks防滑系數，Ks=1.11.3. 所以螺栓所受到的預緊力為： N fzi FK Q s p 600 21015 . 0 15002 . 1 表 2-1 被聯接件接合面的表面狀態(tài)摩擦系數 f 螺栓組聯接實驗臺改進設計5 干燥的加工表面010-0.16鋼或鑄鐵零件 有油的加工表面006-010

24、軋制表面，鋼絲刷清理浮銹030-035 涂富鋅漆035-040 鋼結構 噴砂處理045-055 鋼鐵對磚料，混凝土或木材干燥表面040-045 (b)軸向載荷 F的螺栓組聯接 F與螺栓軸線平行，且過螺栓組聯接形心 O。計算時，認為各螺栓平均受載。則 每個螺栓所受軸向工作載荷為 z F F (c)受轉矩的螺栓組聯接 如下圖2-2所示，轉矩 T 作用在聯接接合面內，在轉拒 T 的作用下，底板將繞通過螺栓 組對稱中心 O 并與接合面相垂直的軸線轉動。為了防止底板轉動，可以采用普通螺栓 聯接，也可以采用鉸制孔用螺栓聯接。其傳力方式和受橫向載荷的螺栓組聯接相同。 (a) (b) (c) 圖2-2 采用普

25、通螺栓聯接時，靠聯接預緊后在接合面間產生的摩擦力矩來抵抗轉矩 T。假 設各螺栓的預緊程度相同，即各螺栓的預緊力均為 Qp，則各螺栓聯接處產生的摩擦力 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書6 均相等，并假設此摩擦力集中作用在螺栓中心處。 由上式可得各螺栓所需的預緊力為： （2-3） 式中：f接合面的摩擦系數，見表2-1； ri第 i 個螺栓的軸線到螺栓組對稱中心 O 的距離； z螺栓數目； Ks防滑系數，Ks=1.11.3. 采用配合螺栓聯接時，在轉矩 T 的作用下，各螺栓受到剪切和擠壓作用，各螺栓 所受的橫向工作剪力和各該螺栓軸線到螺栓組對稱中心 O 的連線（即力臂 r。 ）相垂直 （圖 b） 。為了求

26、得各螺栓的工作剪力的大小，計算時假定底板為剛體，受載后接合面 仍保持為平面。則各螺栓的剪切變形量與各該螺栓軸線到螺栓組對稱中心 O 的距離成 正比。即距螺栓組對稱中心 O 越遠，螺栓的剪切變形量越大。如果各螺栓的剪切剛度 相同，則螺栓的剪切變形量越大時，其所受的工作剪力也越大。如圖 b 所示，用 ri、rmax 分別表示第 i 個螺栓和受力最大螺栓的軸線到螺栓組對稱中心 O 的距離； Fi、Fmax。分別表示第 i 個螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，則得 (2-4） max max r r FF i 根據作用在底板上的力矩平衡的條件得 即 （2-5）TrF i ii 1 聯解式（2-3）及（2-

27、4） ，可求得受力最大的螺栓的工作剪力為 ： 螺栓組聯接實驗臺改進設計7 （2-6） 1 2 max max i i r Tr F 2.1.3螺栓聯接的強度計算 (a) 承受預緊力的緊螺栓聯接 圖2-3 承受預緊力的緊螺栓聯接 緊螺栓聯接裝配時，螺母需要擰緊，在擰緊力矩作用下，螺栓除受預緊力的拉伸 而產生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩 T 的扭轉而產生扭轉切應力，使螺栓處于拉伸 和扭轉的復合應力狀態(tài)下。因此，進行強度計算時，應綜合考慮拉伸應力和扭轉切應 力的作用。 螺栓危險截面的拉伸應力為： (2-7) 2 1 0 4 d F 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書8 所以 N d F 65.174 )46

28、.10( 4 15000 4 22 1 0 螺栓危險截面的扭轉切應力為： (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 對于 M10M68的鋼制螺栓，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，可根據第四強度理論，求出螺栓預緊狀態(tài)下的計算應力為： =227.03N3 . 15 . 033 2 222 ca 由此可見，對于 M10M68 普通螺紋的鋼制緊螺栓聯接，在擰緊時雖同時承受 拉伸和扭轉的聯合作

29、用，但在計算時，可只按拉伸強度計算，并將所受的拉力（預緊 力）增大 30%來考慮扭轉的影響。 當普通螺栓聯接承受橫向載荷時，由于預緊力的作用，將在接合面間產生摩擦力 來抵抗工作載荷。這時，螺栓僅承受預緊力的作用，而且，預緊力不受工作載荷的影 響，在承受工作載荷后仍保持不變。預緊力的大小，根據接合面不產生相對滑移的條 件確定。 螺栓危險截面的拉伸強度條件式為： (2-9) 2 1 0 4 3 . 1 d F ca 這種靠摩擦力抵抗工作載荷的緊螺栓聯接，要求保持較大的預緊力，結果必然使 螺栓的結構尺寸增加。此外，在振動、沖擊或變載荷下，由于摩擦系數的變動，將使 聯接的可靠性降低，有可能出現松脫。為

30、避免上述缺陷，可用各種減載零件來承擔橫 向工作載荷，螺栓聯接只保證聯接，不再承受工作載荷，因此預緊力不必很大。 (b) 承受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯接 這種緊螺栓聯接承受軸向拉伸載荷后，由于螺栓和被聯接件的彈性變形，螺栓所受 螺栓組聯接實驗臺改進設計9 的總拉力并不等于預緊力和工作拉力之和。根據理論分析，螺栓的總拉力除和預緊力、 工作拉力 F 有關外，還受到螺栓剛度 C 和被聯接件剛度 C 等因素影響 圖2-4承受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯接 圖2-5 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書10 FFF 12 為保證聯接的緊密性，防止聯接受載后接合面間產生縫隙，有緊密性要求的0 1 F 聯接，F1 =（

31、1.51.8）F；一般聯接，工作載荷穩(wěn)定時， F1 =（0.20.6）F；工作載 荷不穩(wěn)定時， F1=（0.61.0）F ；地腳螺栓，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 ( )( 螺栓的總拉力為： F CC C FF FFF mb b 02 02 式中： -螺栓相對剛度，其大小與螺栓和被聯接件的結構尺寸、材料及墊片、 mb b CC C 工作載荷的作用位置等因素有關。其值在01之間變化。 設計時，根據聯接的受載情況求出螺栓的工作拉力 F再根據聯接的工作要求選 取

32、 F1計算螺栓的總拉力 F2進行強度計算。螺栓危險截面的拉伸強度條件為： (2-10) 2 1 2 1 2 3 . 14 4 3 . 1F d d F ca 或 表2-2 螺栓的相對剛度 Cb/(Cb+Cm) 被聯接鋼板間所用墊片類別 Cb/(Cb+Cm) 金屬墊片（或無墊片）020.3 皮革墊片 0.7 銅皮石棉墊片 0.8 橡膠墊片 0.9 螺栓組聯接實驗臺改進設計11 (c) 受軸向變工作拉力的緊螺栓聯接 除按上式作靜強度計算外，還需對螺栓的疲勞強度作精確校核。當工作拉力在 0F 之 間變化時，螺栓總拉力將在 F0F2之間變化。 圖2-6 如果不考慮螺紋摩擦力矩的扭轉作用，則螺栓危險截面

33、的最大拉應力為： 2 1 2 max 4 d F 最小拉應力為： 2 1 0 min 4 d F 應力幅為： 2 1 minmax 2 . 2d F CC C mb b a 螺栓的最大應力計算安全系數為： S K K S a tc ca min min1 2 )(2 式中：-1tc螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限，MPa。 試件的材料特性，對碳鋼，=0.10.2，對合金鋼， =0.20.3。 K拉壓疲勞強度綜合影響系數，忽略加工方法的影響，則， K=k/。 S安全系數。見表 2-3 表2-3 螺紋聯接的安全系數 S 受載類型 靜載荷變載荷 松螺栓聯接 1.21.7 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書12

34、 M6M16M16M 30 M30M 60 M6M16M16M 30 M30M 60 碳鋼 5442.52.52 碳鋼 12.58. 5 8.58.51 2.5 不考慮預緊 力的簡化計 算 合金鋼 5.7553.43.43 合金 鋼 106.86.86.81 0 受軸向及 橫向載荷 的普通螺 栓聯接 考慮預緊力 的簡化計算 1.21.51.21.5(Sa=2.54) 緊 螺 栓 聯 接 鉸制孔用 螺栓聯接 鋼：Sr=2.5,Sp1.25 鑄鐵： Sp=2.02.5 鋼：Sr=3.55,Sp1.5 鑄鐵：Sp=2.53.0 (d) 承受工作剪力的緊螺栓聯接,見圖2-7 螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件

35、為 （2-11） p o p Ld F min 螺栓桿的剪切強度條件為 （2-12） 4 2 o d F 式中：F 螺栓所受的工作剪力/N； do螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔的直徑）/mm； Lmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度/mm，設計時應使 Lmin1.25d0； p螺栓或孔壁材料的許用擠壓應力/MPa ； 螺栓材料的許用切應力/MPa . 螺栓組聯接實驗臺改進設計13 圖2-7 承受工作剪力的緊螺栓聯接 2.1.4確定螺栓直徑 首先選擇螺栓材料，確定其性能等級，查出其材料的屈服極限，并查出安全系數， 計算出螺栓材料的許用應力= s/S。適合制造螺栓聯接件的材料品種很多，常用 材料有低

36、碳鋼 Q215、10號鋼和中碳鋼 Q235、35、45號鋼。對于承受沖擊、振動或變載 荷的螺紋聯接件，可采用低合金鋼、合金鋼，如15Cr、40Cr、30CrMnsi 等。對于特殊 用途（如防銹蝕、防磁、導電或耐高溫等）的螺紋聯接件，可采用特種鋼或銅合金、 鋁合金等。根據表2-6選擇螺栓的性能等級 表2-6 螺栓的性能等級 性能等級（標記） 3.64.64.85.65.86.88.89.820.912.9 抗拉強度極限（MPa) minB 33040042050052060080090010401220 屈服極限(MPa) mins 1902403403004204806407209401100

37、 硬度 HBSmin 90109113134140181232269312365 推薦材料 低 碳 鋼 低碳鋼或中碳鋼 中碳鋼， 淬火并回 火 中碳 鋼, 合金 鋼 合金 鋼 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書14 表2-7 螺母的性能等級 性能等級 4 5 6 8 9 10 12 拉抗強度 極限 510（d 16 39) 520(d 34 600 800 900 1040 1150 推薦材料 易切削鋼低碳鋼低碳鋼、低中碳合金鋼、淬火并回火 相配螺栓 的性能等 級 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

38、) 10.912.9 因為成人 NFF NFkgF 1500075 200,25 0 max 所以當采用4.8級螺栓時，其直徑為： 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 國標標注： 級精度，六角螺栓級，不經表面處理，螺栓，公稱長度 強度滿足， 2.1.5校核螺栓所需的預緊力 采用公式為： 碳素鋼螺栓 1 )7 . 06 . 0(AQ sp 合金鋼螺栓 1 )6 . 015 . 0 (A

39、Q sp 式中：螺栓材料的屈服極限 s A1螺栓危險截面的面積 對一般聯接用的鋼制螺栓聯接的預緊力 QP，擰緊力矩 T=T1+T2，由圖2-8可知 螺栓組聯接實驗臺改進設計15 圖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

40、. 0,155 . 1 ,7 . 1,1 . 1,9 . 0,23421 0 002 00 對一定直徑的螺栓，當 F0已知時，可由上式求出 T 由圖 2-9 可知，假設標準扳手 L=15d，擰緊力 F，T=FL ，成人 FF dFdFFLT 75 .2 . 015. 0 0 NFF NFkgF 1500075 200,25 0 max 所以對于 。鋼；鋼；鋼 拉力為：的螺栓，拉斷螺桿時的 NNNA M 17892451590035119283 12 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書16 圖2-9 2.2 加載裝置部分 加載裝置主要有加載手柄、加載絲桿、推力軸承等組成，主要作用是給螺栓提供一個 軸向壓

41、力 P,由 M=PL 求出聯接受到的翻轉力矩，其中 P 為作用在傳感器上的載荷。其主 要結構如圖2-10所示 圖2-10 2.3 測試儀器部分 測試儀器部分主要由電阻應變片、電橋盒、壓力傳感器組成。 應用應變測量技術，測 量構件表面的應變及應力，對于分析與研究零件、機構或結構的受力情況及工作狀態(tài) 的可靠性程度，驗證設計計算結果的正確性，對于發(fā)展機械設計理論，研究機械工程 中某些物理現象的機理及實現機械運行自動化，都具有十分重要的意義。應變測量作 為一種有效的測試與轉換技術，還可以用于多種物理量的檢測與計量，實現生產過程 或科學實驗的測量與控制。 螺栓組聯接實驗臺改進設計17 2.3.1 電阻應

42、變片的測試 用應變片測量螺栓受力應變時，將應變片粘貼于各個螺栓表面上，并焊接上引線。 在外力作用下，螺栓表面產生微小機械變形時，應變片也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應 變化。通過轉換電路轉換為相應的電壓或電流的變化，根據式 oO K l l K R R 其中稱金屬電阻的靈敏系數，=2.0k0k 可以得到被測對象的應變值，而根據引力應變關系： E 式中：測試的應力； E材料彈性模量。 可以測得應力值。通過彈性敏感元件， 、力、力矩、壓力等物理量轉換為應變，因此 可以用應變片測量上述各量，從而可做成各種應變式傳感器。 2.3.2電橋 電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變成電壓或電流輸出的一種測量電路

43、， 其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送入放大器進行放大。橋式測量電路簡單， 并具有較高精確度盒靈敏度，因此在測量裝置中廣泛應用。電橋電路如圖2-11所示 圖2-11 測量電路有多種，最常用的是橋式測量電路。R1、R2、R3、R4四個電阻依次接在 A、B、C、D （或1、2、3、4）之間，構成電橋的四橋臂。電橋的對角 AC 接電源，電 源電壓為E；對角 BD 為電橋的輸出端，其輸出電壓用 UDB表示。電橋的組合方式如表 2-8所示 表2-8 電橋的組合 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書18 組橋方式輸出電壓 UDB橋臂系數 B溫度補償 單臂測量)( 4 21 S K E 1 BC 臂需接一枚補償片

44、R 半橋測量 )( 4 21 S K E 1=-2時 B=2 不需接補償片溫度影響 自動消除 對臂測量 )( 4 31 S K E 1=3時 B=2非工作對臂接補償片 全橋測量 )( 4 3131 S K E 1=-2=3=- 4時 B=4 不接補償片,溫度影響可 自動消除 串聯測量 1 1 4R RE B=1 阻值與工作片相會地補 償片串聯后接 BC 臂 根據實驗需要由表2-8選擇相應的電橋組合方式，并通過電橋盒把相應的應變輸入 到所設置的電阻應變儀中。 2.3.2 壓力傳感器 設計綜合測試試驗臺，通過測量加載絲桿所承受的軸向壓力信號，測出作用在壓 力傳感器上的載荷Q，通過M=QL計算出聯接

45、受到的翻轉力矩M ，并作出是否合格的判斷。 此過程測量力大，測試規(guī)格范圍廣， 試驗數據準確，測量精度高，測量快速方便，勞 動強度低 。 根據GB/1231-2002的規(guī)定，螺栓測試時的預拉力，M12螺栓為119178Nk，擬選用杭 州永正電子有限公司生產的電阻應變式YZ363YSO型壓式負荷傳感器，見圖2-12，測量 范圍0490Nk ，技術參數見表2-8。 圖2-12 壓力傳感器 表 2-8 壓式負荷傳感器技術數據 螺栓組聯接實驗臺改進設計19 型 號 YZ363Y/50 最大壓力 KN500 靈敏度 mV/V21% 零位輸出 mV/V02% 溫度對靈敏度的影響 %ofCn/k250VDC

46、正常工作溫度范圍C F -10-+4015-+105 安全極限載荷 %ofCn150 2.4 本章小結 本章主要進行機械裝置的結構設計，對工作臺的組成部件，螺栓聯接的受力、強度 進行了設計計算，對電阻應變片的安裝、工作原理進行了說明，并對壓力傳感器的選 擇做了簡單分析。 第三章 螺栓測量裝置的設計 3.1 測量裝置的需求分析 對于螺栓測量裝置的用戶與制造商來說，一般有三方面的需求:功能需求、造價需 求和其他需求。首先，裝置的功能應當滿足力矩系數計算和傳感器參數調整這些基本 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書20 需要，同時，還應該有便于管理環(huán)境的數據上傳功能、方便快捷的人機交互等。其次， 裝置的造價是

47、需要考慮的另一個問題。 3.2 測量裝置的總體方案確定 測量裝置部分和機械部分一起構成了螺栓扭矩測量系統(tǒng)。基于上邊對于測量裝置的 需求的分析，可以得出裝置的總體框架如圖 3-1 所示: 圖 3-l 測量裝置總體框圖 圖 3-1 左半部分主要是測量系統(tǒng)的信號輸入部分:主要包括傳感器與數據采集器。 傳感器有一個:壓力傳感器檢測加載裝置的壓力;電阻應變片檢測螺栓加載后產生變形 后的應變。它們的輸出信號經過接口電路的放大調整后，達到與參考電壓相匹配的狀 態(tài)，然后接入數據采集器。 圖 3-1 中間部分的處理器和數據存儲器構成了整個測量系統(tǒng)的運算處理單元。 圖 3-1 右邊部分主要是測量系統(tǒng)的人機接口和數

48、據接口。人機接口包括鍵盤與顯示 單元。數據接口設定為串行通訊口，用于將數據備份到其他設備?？v觀上圖，測量裝 置方案設計的核心是傳感器與處理器的選擇。這兩者確定下來以后，其他的都是細節(jié) 問題。因為對于傳感器，首先，只有選擇了某種類型的傳感器，才能考慮和數據采集 器接口的問題。傳感器的接口電路很多人都討論過，是比較成熟的東西。而傳感器的 選擇方案比較多，可以用貼片的方式，也可以用壓-壓傳感器的組合方式或者壓-扭傳 感器的組合方式;其次，傳感器還與機械部分相連，需要考慮機械連接部分的造價和裝 配等問題;最后，要考慮傳感器精度及精度損失的問題。所以，傳感器的選擇對最終方 案有決定性的影響。對于處理器，

49、與傳感器一樣也存在一個接口問題，同時選擇不同 的處理器對于測量裝置功能的強弱有很大影響，還影響到軟件設計開發(fā)的效率，以及 日后升級換代的代價。因此，處理器與傳感器的選擇是首先和重點要考慮的問題。壓 力傳感器的選擇已在第二章中討論過了，因此，這里只介紹處理器的選擇。 處理器方案有兩個:32 位的 ARM7 系列和 8 位的 MCS51 系列。目前，嵌入式處理器 螺栓組聯接實驗臺改進設計21 市場，32 位 ARM 產品隨著日漸增長的高性能新應用，包括信息家電、汽車電子、電子 玩具市場則促進 32 位 ARM 產品需求的增長。32 位的 ARM 系列 MCU 可以滿足更寬的尋址 范圍需求的增長，提

50、供在時鐘速度方面更多原始 CPU 能力、以及嵌入式應用需要的網 絡連接、USB 通信接口等;且 32 位的 ARM7 系列 MCU 可以更好地對 TROS 進行支持，滿足 迅速開發(fā)軟件的需求。再加上生產工藝的進步使得 32 位產品在整體成本上與 16 位產 品相差無幾。因此 32 位產品在 MCU 市場上呈持續(xù)上升的發(fā)展勢頭。8 位 MCU 主要功能 是作控制，大部分應用在通信產品、PC 外圍設備、消費類電子以及一般通用型產品之 中。8 位產品具有低廉的生產成本、巨大的整體出貨量、簡潔的程序代碼等優(yōu)勢，因此 設計人員在綜合考慮成本、效能、設計時效等因素之后大部分愿意選擇 8 位微控制器 產品。

51、在市場上 8 位微控制器應用依然占據微處理器市場近六成以上的市場份額，并 且還在不斷增長之中。要求低成本和小尺寸器件的嵌入式應用是使 8 位 MCU 仍然是應 用主流的主要因素。出于在滿足基本功能的基礎上盡量節(jié)省成本的考慮，決定使用 8 位 MCU。又由于 MCS51 系列 MCU 應用廣泛，技術成熟，市場出貨量大。經過上邊的分析， 最終我們的方案確定為:處理器選擇 AT89C52。 3.3 測量裝置的硬件實現 測量裝置的硬件電路主要有四部分構成:采樣電路、人機接口電路、串行通訊和其 他控制電路。 3.3.1 采樣電路 1)概述 隨著計算機技術的發(fā)展與普及，數字設備正越來越多地取代模擬設備，在

52、生產過 程控制和科學研究等廣泛的領域中，計算機測控技術正發(fā)揮著越來超重要的作用。然 而，外部世界的大部分信息是以連續(xù)變化的物理量形式出現的，例如溫度、壓力、位 移、速度等。要將這些信息送入計算機進行處理，就必須先將這些連續(xù)的物理量離散 化，并進行量化編碼，從而變成數字量，這個過程就是數據采集。 數據采樣就是將被測對象(外部世界、現場)的各種參量(可以是物理量，也可以是 化學量、生物量等)通過各種傳感元件做適當轉換后，再經信號調理、采集、量化、編 碼、傳輸等步驟，最后送到控制器進行數據處理或存儲記錄的過程。用于數據采樣的 成套設備稱為數據采樣系統(tǒng)(DataAqcuisitionSysetm)。數

53、據采樣系統(tǒng)是計算機與外部 世界聯系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數據采樣技術是信息科學的重要組成部分， 已廣泛應用于國民經濟和國防建設的各個領域，并且隨著科學技術的發(fā)展，數據采樣 技術具有廣闊的發(fā)展前景。數據采樣系統(tǒng)追求的最主要目標有兩個:一是精度，二是速 度。對任何目的測試都要有一定的精確度要求，否則將失去測試的意義;提高數據采樣 的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要的是擴大數據采樣系統(tǒng)的適用范圍，便于實 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書22 現動態(tài)測試。 2)基本組成 數據采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為模擬部分和數字部分。 圖 4-2 是數據采集系統(tǒng)硬件基本組成示意圖。 傳感器

54、的作用是把非電的物理量轉變成 模擬電量(如電壓、電流或頻率)。通常把傳感器輸出到 AD/轉換器輸出的這一段信號通 道稱為模擬通道。 放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小，因此，需要以放大。 以滿足大多數 AD/轉換器的滿量程輸入 410v 的要求。 圖 3-2 數據采集系統(tǒng)組成 在數據采集系統(tǒng)中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂多路巡回檢測，這可通 過多路模擬開關來實現。模擬開關之后是模擬通道的轉換部分,它包括采樣/保持和 A/D 轉換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取模擬多路開關輸出的子樣脈沖，并保持幅 值恒定，以提高 A/D 轉換器的轉換精度，如果把采樣/保持電路放在

55、模擬多路開關之前 (每道一個)。還可實現對瞬時信號進行同時采樣。采樣/保持器輸出的信號送至模數轉 換器，模數轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。由于輸入信號變化速度不同，系統(tǒng)對 分辨力、精度、轉換速率及成本的要求也不同。目前普遍采用單片集成電路，有的單 片 A/D 轉換器內部還包含有采樣/保持電路、基準電源和接口電路。這為系統(tǒng)設計提供 了較大方便。本設計采用的 TLC2543 采集芯片即是此種類型。A/D 轉換的結果要送給計 算機。有的則采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。使用串行輸出結果的方式對 長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。并且能夠節(jié)省單片機系統(tǒng)的資源。 3)性能指標 對數據采集系

56、統(tǒng)的性能要求和具體應用目的與應用環(huán)境有密切關系，對應不同的情 況往往有不同的要求。以下給出的是比較主要和常用的幾個指標的含義。 系統(tǒng)分辨率:是指數據采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位 值(ILSB)占系統(tǒng)滿度信號的百分比表示。表 3-l 示出了滿度值為 10v 時數據采集系統(tǒng) 的分辨率。 表 3-l 數據采集系統(tǒng)的分辨率 位數 級數 1LBS 1LBS 螺栓組聯接實驗臺改進設計23 （滿度值的百分數） （10V 滿度） 8 256 0.391% 39.1mv 12 4096 0.0244% 2.44mv 16 65536 0.0015% 0.15mv 20 1048576

57、0.000095% 9.53uv 24 16777216 0.0000060% 0.50uv 系統(tǒng)精度:是指當系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個離散子樣的轉換精度。模數轉換 器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。通常表示為滿度值的百分數。 采集速率:又稱為系統(tǒng)通過速率、吞吐率等，是指在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系 統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內所完成的采集次數，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘 可采集的子樣數目。它表征了系統(tǒng)每采集一個有效數據所需的時間。 動態(tài)范圍:是指某個物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍是指信號的最大幅值和最小 幅值之比的分貝數。數據采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值 VmaX 與

58、最小幅值 Vmin 之比的分貝數，即 min max lg20 v V I 非線性失真:也稱諧波失真。當給系統(tǒng)輸人一個頻率為 f 的正弦波時，其輸出中出現 很多頻率為 kf(k 為正整數)的新的頻率分量的現象，稱為非線性失真。諧波失真系數 用來衡量系統(tǒng)產生非線性失真的程度，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 次諧波的振幅。 4)數據采集器 TLC2543 TLC2543 是 12 位開關電容逐次逼近模數轉換器。每個器件有三個片選(瓦)，輸入/ 輸出時鐘(1/0CLOCK)以及地址輸入端(DATA 可以通過

59、一個串行的 3 態(tài)輸出端(DATAOUT) 與主處理器或其外圍的輸出轉換結果。本器件可以從主機高速傳輸數據。除了高速的 轉換器和通用的控制能力外，TLC2543 有一個片內的器可以在 n 個輸入通道或 3 個內部 自測試電壓中任采樣一保持是自動。在轉換結束時， “轉換結束”(EOC)輸出端變高成。 本器件中的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗的基準電壓，具有轉換、刻度以及模擬 電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點。 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書24 TLC2543 特點 TLC2543 模塊使用開關電容逐次逼近技術完成 AD/轉換過程。樣速率 66KsPs，供電電流 僅需 lmA。由于是串行輸入結構，

60、能夠節(jié)省機 I/O 資源，且價格適中，大約為 40 元左 右。其特點有: 12 位分辨率 A/D 轉換器 n 個模擬輸入通道 3 路內置自測試方式 固有的采樣與保持 線性誤差 ILSBMxa 片內系統(tǒng)時鐘 轉換結束(End 一 of 一 Conversion，EOC)輸出 單極性或雙極性輸出 可編程的 MBS 或 LBS 前導 可編程的輸出數據長度 采用 CMOS 技術 TLC2543C 的工作溫度為 O-75;TLC2543I 的工作溫度為 40-85;TLC254M3 的工作溫度為 55-125。 表 3-2TLC2543 的引腳說明 引腳號名稱I/ 0 說 明 19、11、AINOAII

61、 模擬量輸入端。11 路輸入信號由內部多路器選通。對于 4.1MHz 的 I/0 CLocK，驅動源阻抗必須小于或等于 50。 ，而且用 螺栓組聯接實驗臺改進設計25 12N160pF 電容來限制模擬輸入電壓的斜率 15 _ CSI 片選端。在端由高變低時，內部計數器復位。由低變高，在 _ CS 設定時間內禁止 DATA INPUT 和 1/0 CLOCK 17DATA INPUT I串行數據輸入端。由 4 位的串行地址輸入來選擇模擬量輸入 通道 16 DATA OUTO A/D 轉換結果的三態(tài)串行輸出端.為高時處于高阻抗狀態(tài)， _ CS 為低時處于激活狀態(tài) _ CS 19EOCO轉換結束端。

62、在最后的 1/0 CLOCK 下降沿之后，EOC 從高電 平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D換完成和數據準備傳輸為止 10GNDGND 是內部電路的地回路端。除另有說明外，所有電壓 測量都相對 GND 而言 18 I/O CLOCKI 輸入/輸出時鐘端。I/0 CLOKC 接收串行輸入信號并完成以下四 個功能:(1)在 I/0 CLocK 的前 8 個上升沿，8 位輸入數據存入輸 入數據寄存器。(2)在 1/0 CLOCK 的第 4 個下降沿，被選通的模 擬輸入電壓開始向電容器充電，直到 I/0 CLOCK 的最后一個下 降沿為止。(3)將前一次轉換數據的其余 11 位輸出到 DATAO 盯 端，在 I/

63、0CLOCK 的下降沿時數據開始變化。(4)1/0 CLOCK 的最 后一個下降沿，將轉換的控制信號傳送到內部狀態(tài)控制位 14REF+I正基準電壓端?；鶞孰妷旱恼?通常為 Vcc）被加到 REF+， 最大的輸入電壓范圍由加于本端與 REF-端的電壓差決定 13REF-I負基準電壓端?；鶞孰妷旱牡投?通常為地)被加到 REF 20Vcc電源 TLC2543 的引腳排列及說明 TLC2543 有兩種封裝形式:DB、DW 或 N 封裝以及 NF 封裝，這兩種封裝的引腳 排列如圖 3-3，引腳說明見表 3-2。 陜西科技大學畢業(yè)設計說明書26 圖 3-3 TLc2543 的兩種封裝引腳排列 接口時序

64、 可以用四種傳輸方法使 TLC2543 得到全 12 位分辯率，每次轉換和數據傳遞可以使 用 12 或 16 個時鐘周期。一個片選(瓦)脈沖要插到每次轉換的開始處，或是在轉換時 序的開始處變化一次后保持瓦為低，直到時序結束。 圖 3-4 顯示每次轉換和數據傳遞使用 16 個時鐘周期和在每次傳遞周期之間插入厲的時 序，圖 3-5 顯示每次轉換和數據傳遞使用 16 個時鐘周期，僅在每次換序列開始處插入 一次時序。 圖 3-4 16 時鐘傳送時序圖(使用，MSB 在前) _ CS 螺栓組聯接實驗臺改進設計27 圖 3-5 16 時鐘傳送時序圖(不使用，MBS 在前) _ CS 串行外設接口 SP 在 TLC2543 與微處理器之間傳送數據最快地方式是串行外設