機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)【全套圖紙】

螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì) 摘 要 螺栓聯(lián)接是機(jī)械設(shè)計(jì)課程中重要的教學(xué)章節(jié)，是機(jī)械零部件聯(lián)接中最常用的聯(lián)接 方法。我?，F(xiàn)有螺栓聯(lián)接綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)由于誤差大，均起不到驗(yàn)證理論的作用。為此， 結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)我?，F(xiàn)有的螺栓聯(lián)接試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)給出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案.該方案實(shí)施后， 增加了螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完善了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在提高試驗(yàn)臺(tái)的效率和能力方面取 得了明顯的效果。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有加載穩(wěn)定準(zhǔn)確、改變螺栓和被聯(lián)接件剛度可靠、操作 方便、性能穩(wěn)定、精度高的特點(diǎn)。還介紹了螺栓連接實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成及測(cè)試原理， 測(cè)試系統(tǒng)的組成及各部分作用;進(jìn)行了機(jī)械裝置零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算;設(shè)計(jì)了 測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路，包括應(yīng)變儀的采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤(pán)電路、顯示電路等;分 析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇型ㄓ嵲?、波特率、發(fā)送與接收、電平轉(zhuǎn) 換等內(nèi)容;討論了鍵盤(pán)防抖原理和數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及非編碼鍵盤(pán)的控制方式、中斷查詢等 問(wèn)題;論文還對(duì)軟件的實(shí)現(xiàn)和元器件的選擇等做了詳細(xì)的論述。 在本文中，還詳細(xì)闡述虛擬式應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)和軟硬件在螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn) 臺(tái)上的應(yīng)用，并以Visual C+軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用面向?qū)ο螅∣OP）的軟件設(shè)計(jì)方法， 構(gòu)建出了圖形逼真、功能強(qiáng)大的虛擬式應(yīng)變測(cè)試儀系統(tǒng)。該應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的軟件由主 控制模塊、初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖形顯示模塊、存儲(chǔ)打印模 塊和輔助功能模塊七部分組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行采集、處理、分析和顯示。系 統(tǒng)可對(duì)與應(yīng)變測(cè)量有關(guān)的多類型參量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將信息的采集和處理一體化，數(shù) 據(jù)和結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化，其價(jià)格比傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)量?jī)x器低廉，大大提高了工作效率。 關(guān)鍵詞：螺栓,聯(lián)接,試驗(yàn)臺(tái),改進(jìn) 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 錄 中文摘要I 英文摘要.II 第 1 章 緒 論.1 1.1 螺栓組聯(lián)接試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用背景 1 1.2 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其性能特點(diǎn) 1 1.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 2 1.2.2 性能特點(diǎn)2 1.3 本課題的意義與研究?jī)?nèi)容2 第 2 章螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 2.1 螺栓聯(lián)結(jié)部分 .3 2.1.1 螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .3 2.1.2 螺栓組聯(lián)接的受力分析3 2.1.3 螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算7 2.1.4 確定螺栓直徑 13 2.1.5 校核螺栓所受的預(yù)緊力.15 2.2 加載裝置部分17 2.3 測(cè)試儀器部分 17 2.3.1 電阻應(yīng)變片的測(cè)試.17 2.3.2 電橋.18 2.3.3 壓力傳感器.19 2.4 本章小結(jié)20 第 3 章 螺栓測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)21 3.1 測(cè)量裝置的需求分析 .21 3.2 測(cè)量裝置的總體方案確定 .21 3.3 測(cè)量裝置的硬件實(shí)現(xiàn) .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(cè)量裝置的軟件實(shí)現(xiàn)42 3.4.1 流程控制44 3.4.2 傳感器校正44 3.4.3 數(shù)據(jù)管理45 3.4.4 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià) 46 3.4.5 用戶接口程序 47 3.5 本章小結(jié)47 第 4 章 虛擬圖像顯示儀的設(shè)計(jì)48 4.1 引言48 4.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)48 4.2.1 系統(tǒng)的組成49 4.2.2 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì) .49 4.2.3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇 .50 4.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 51 4.3.1 電阻應(yīng)變片的選擇 .51 4.3.2 應(yīng)變放大器的選用.52 4.3.3 數(shù)據(jù)采集卡的選用.55 4.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)原則55 4.5 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)流程.55 4.5.1 儀器功能定制 .56 4.5.2 功能模塊開(kāi)發(fā) 56 4.5.3 儀器集成測(cè)試 57 4.6 軟件功能總體設(shè)計(jì).57 4.7 主控制模塊58 4.8 初始畫(huà)模塊59 4.8.1 測(cè)試對(duì)象參數(shù)設(shè)置 59 4.8.2 傳感器、放大器的參數(shù)設(shè)置59 4.9 數(shù)據(jù)采集模塊 59 4.9.1 采樣界面操作 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(shù)據(jù)處理模塊62 4.10.1 數(shù)據(jù)處理概述.62 4.10.2 數(shù)字濾波 .63 4.10.3 標(biāo)度變換 .65 4.10.4 數(shù)據(jù)二次處理 .66 4.11 圖形顯示模塊.67 4.12 存儲(chǔ)模塊.69 4.13 本章小結(jié).70 致謝.71 參考文獻(xiàn).72 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706153893706 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)1 第 1 章 緒 論 1.1 螺栓組聯(lián)接試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用背景 我國(guó)高等工程教育改革的一項(xiàng)重要任務(wù)是在培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)的同時(shí)， 加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)課程 教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣不僅對(duì)本課程有影響，而且對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)也會(huì)起到潛移默 化的作用,而實(shí)驗(yàn)課程的指導(dǎo)思想和教學(xué)內(nèi)容的制定，實(shí)驗(yàn)方法和手段的采用又不可避 免地要受到實(shí)驗(yàn)裝置的制約和影響為造就面向2I世紀(jì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的優(yōu)秀人才，實(shí)驗(yàn)課 程的改革已迫在眉睫因此必須在實(shí)驗(yàn)中引入現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)電子技術(shù)，培養(yǎng) 學(xué)生掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法和檢測(cè)技術(shù) 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置是用于工科院校“機(jī)械設(shè)計(jì)” 、 “機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué) 的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置大多是在靜態(tài)軸向工作載荷情況下,電測(cè)螺栓與被聯(lián)接件 之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系,而無(wú)法反映動(dòng)態(tài)軸向工作載荷作用下螺栓與被聯(lián)接件之間的變形 協(xié)調(diào)、位移、應(yīng)力關(guān)系。學(xué)生只能憑借書(shū)本及課堂理論予以理解,滿足不了現(xiàn)代教學(xué)的 需要。而且傳統(tǒng)的“螺栓組聯(lián)接中螺栓的受力和相對(duì)剛度系數(shù)”實(shí)驗(yàn)及“單個(gè)緊螺栓 聯(lián)接中螺栓的相對(duì)剛度系數(shù)和動(dòng)載荷特性實(shí)驗(yàn)”在我校普遍采用的南京金陵機(jī)械廠生 產(chǎn)的DLS-I 型螺栓實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀來(lái)測(cè)量應(yīng)變量，再由學(xué)生手工處理數(shù)據(jù) 并繪制螺栓受力圖的。這種測(cè)量方式手段陳舊、儀器精度難以滿足要求。另外，數(shù)據(jù) 處理手段的落后，使實(shí)驗(yàn)不僅耗時(shí)，而且難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也難以提高實(shí)驗(yàn) 的水平和深度。因此，在這種情況下必須對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置進(jìn)行改進(jìn)，才能夠滿足 現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)要求，加深學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后該實(shí)驗(yàn)裝置 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定。由于用兩種測(cè)試方法,即計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè) 量,所以該裝置使用時(shí)靈活性好,測(cè)試手段新穎,測(cè)量精度高,便于學(xué)生掌握。該裝置臺(tái) 式化設(shè)計(jì),積體小,成本低,便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)多組同時(shí)進(jìn)行。 1.2 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其性能特點(diǎn) 1.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 本試驗(yàn)裝置可完成下述試驗(yàn)項(xiàng)目, 并給出定性或定量結(jié)果 （1）完成不同初拉力的聯(lián)接件和被聯(lián)接件的受力變形規(guī)律研究 （2）實(shí)現(xiàn)螺栓組應(yīng)力分布規(guī)律研究 （3）對(duì)初壓力的螺栓動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行參數(shù)可視化分析 （4）測(cè)定螺栓聯(lián)接系統(tǒng)的相對(duì)剛度 （5）了解和部分掌握電阻應(yīng)變片技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)在力測(cè)量中的應(yīng)用。從而驗(yàn)證螺栓組聯(lián)接受 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2 力分析理論和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 1.2.2 性能特點(diǎn) （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(duì)螺栓受力變形規(guī)律進(jìn)行分析 （3）實(shí)現(xiàn)了加載與檢測(cè)的數(shù)字化分析 （4）利用軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械參數(shù)的可視化分析 1.3 本課題的意義與研究?jī)?nèi)容 該實(shí)驗(yàn)裝置的研制對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改造、開(kāi)展計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試的研究工作具有很重 要的意義。特別是為機(jī)械基礎(chǔ)系列課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)從傳統(tǒng)的驗(yàn)證型、演示性實(shí)驗(yàn)向綜 合性、研究型轉(zhuǎn)變的改革打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，也為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決 問(wèn)題的能力，培養(yǎng)動(dòng)手能力、科學(xué)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(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的科研能力。 本文主要的研究?jī)?nèi)容: (1)螺栓軸向力矩的測(cè)試方法及原理; (2)機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算; (3)測(cè)量裝置采樣電路、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔布膶?shí)現(xiàn); (4)數(shù)據(jù)管理、評(píng)價(jià)、流程控制等軟件的實(shí)現(xiàn)。 (5)虛擬應(yīng)變圖像顯示界面的設(shè)計(jì) 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)3 第二章 螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 螺栓聯(lián)接綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要由：螺栓聯(lián)接部分、加載裝置部分、測(cè)試儀器部分 等三部分組成。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有加載穩(wěn)定準(zhǔn)確、改變螺栓和被聯(lián)接件剛度可靠、操作方 便、性能穩(wěn)定、精度高的特點(diǎn)。 2.1 螺栓聯(lián)接部分 設(shè)計(jì)步驟： 1)螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2)螺栓受力分析 3)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 4)確定螺栓直徑 5)校核螺栓所需的預(yù)緊力是否合適 確定螺栓的公稱直徑后，螺栓的類型，長(zhǎng)度，精度以及相應(yīng)的螺母，墊圈等結(jié)構(gòu)尺 寸，可根據(jù)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(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的，在于合理地確定聯(lián)接接合面的幾何形狀和螺栓 的布置形式，力求各螺栓和聯(lián)接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。為此，設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)綜合考慮以下幾方面的問(wèn)題： （a）聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱的簡(jiǎn)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(duì)稱布置螺栓，使螺栓組的 對(duì)稱中心和聯(lián)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(yīng)使各螺栓的受力合理，當(dāng)螺栓聯(lián)接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)使螺栓的 位置適當(dāng)靠近聯(lián)接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力。如果同時(shí)承受軸向載荷和較大 的橫向載荷時(shí)，應(yīng)采用銷，套筒，鍵等抗剪零件來(lái)承受橫向載荷，以減小螺栓的預(yù)緊 力及其結(jié)構(gòu)尺寸。 （c）螺栓排列應(yīng)有合理的間距，邊距。布置螺栓時(shí)，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機(jī) 體壁間的最小距離，應(yīng)根據(jù)扳手所需活動(dòng)空間的大小來(lái)決定。 （d）分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)取成 4，6，8，10 等偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔 時(shí)分度和畫(huà)線。同一螺栓組中螺栓的材料，直徑和長(zhǎng)度均應(yīng)相同。 （e）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。除了要在結(jié)構(gòu)上設(shè)法保證載荷不偏心外，還應(yīng)在 工藝上保證被聯(lián)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4 2.1.2 螺栓組聯(lián)接的受力分析 （a）受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 圖2-1所示為一由2個(gè)螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接。橫向載荷的作用線與 螺栓軸線垂直，并通過(guò)螺栓組的對(duì)稱中心。當(dāng)采用螺栓桿與孔壁間留有間隙的普通螺 栓聯(lián)接時(shí)，靠聯(lián)接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)抵抗橫向載荷，假設(shè)在橫向總載 荷 F=1500的作用下，各螺栓所承擔(dān)的工作載荷是均等的。 圖2-1 受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 (2-1) Z F F 式中 z 為螺栓聯(lián)接數(shù)目（本設(shè)計(jì) Z=10） 對(duì)于普通螺栓聯(lián)接，應(yīng)保證聯(lián)接預(yù)緊后，接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等 于橫向載荷。假設(shè)各螺栓所需要的預(yù)緊力均為 Qp，螺栓數(shù)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(shù)，見(jiàn)下表2-1； i接合面數(shù)（圖中，i=2） ； Ks防滑系數(shù)，Ks=1.11.3. 所以螺栓所受到的預(yù)緊力為： N fzi FK Q s p 600 21015 . 0 15002 . 1 表 2-1 被聯(lián)接件接合面的表面狀態(tài)摩擦系數(shù) f 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)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 軋制表面，鋼絲刷清理浮銹030-035 涂富鋅漆035-040 鋼結(jié)構(gòu) 噴砂處理045-055 鋼鐵對(duì)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(lián)接 F與螺栓軸線平行，且過(guò)螺栓組聯(lián)接形心 O。計(jì)算時(shí)，認(rèn)為各螺栓平均受載。則 每個(gè)螺栓所受軸向工作載荷為 z F F (c)受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接 如下圖2-2所示，轉(zhuǎn)矩 T 作用在聯(lián)接接合面內(nèi)，在轉(zhuǎn)拒 T 的作用下，底板將繞通過(guò)螺栓 組對(duì)稱中心 O 并與接合面相垂直的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止底板轉(zhuǎn)動(dòng)，可以采用普通螺栓 聯(lián)接，也可以采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接。其傳力方式和受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接相同。 (a) (b) (c) 圖2-2 采用普通螺栓聯(lián)接時(shí)，靠聯(lián)接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來(lái)抵抗轉(zhuǎn)矩 T。假 設(shè)各螺栓的預(yù)緊程度相同，即各螺栓的預(yù)緊力均為 Qp，則各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的摩擦力 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)6 均相等，并假設(shè)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(yù)緊力為： （2-3） 式中：f接合面的摩擦系數(shù)，見(jiàn)表2-1； ri第 i 個(gè)螺栓的軸線到螺栓組對(duì)稱中心 O 的距離； z螺栓數(shù)目； Ks防滑系數(shù)，Ks=1.11.3. 采用配合螺栓聯(lián)接時(shí)，在轉(zhuǎn)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(duì)稱中心 O 的連線（即力臂 r。 ）相垂直 （圖 b） 。為了求得各螺栓的工作剪力的大小，計(jì)算時(shí)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(duì)稱中心 O 的距離成 正比。即距螺栓組對(duì)稱中心 O 越遠(yuǎn)，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(shí)，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(gè)螺栓和受力最大螺栓的軸線到螺栓組對(duì)稱中心 O 的距離； Fi、Fmax。分別表示第 i 個(gè)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(jù)作用在底板上的力矩平衡的條件得 即 （2-5）TrF i ii 1 聯(lián)解式（2-3）及（2-4） ，可求得受力最大的螺栓的工作剪力為 ： 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)7 （2-6） 1 2 max max i i r Tr F 2.1.3螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 (a) 承受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接 圖2-3 承受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接 緊螺栓聯(lián)接裝配時(shí)，螺母需要擰緊，在擰緊力矩作用下，螺栓除受預(yù)緊力的拉伸 而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩 T 的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，使螺栓處于拉伸 和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。因此，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮拉伸應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng) 力的作用。 螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸應(yīng)力為： (2-7) 2 1 0 4 d F 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)8 所以 N d F 65.174 )46.10( 4 15000 4 22 1 0 螺栓危險(xiǎn)截面的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)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(duì)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(jù)第四強(qiáng)度理論，求出螺栓預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力為： =227.03N3 . 15 . 033 2 222 ca 由此可見(jiàn)，對(duì)于 M10M68 普通螺紋的鋼制緊螺栓聯(lián)接，在擰緊時(shí)雖同時(shí)承受 拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在計(jì)算時(shí)，可只按拉伸強(qiáng)度計(jì)算，并將所受的拉力（預(yù)緊 力）增大 30%來(lái)考慮扭轉(zhuǎn)的影響。 當(dāng)普通螺栓聯(lián)接承受橫向載荷時(shí)，由于預(yù)緊力的作用，將在接合面間產(chǎn)生摩擦力 來(lái)抵抗工作載荷。這時(shí)，螺栓僅承受預(yù)緊力的作用，而且，預(yù)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(yù)緊力的大小，根據(jù)接合面不產(chǎn)生相對(duì)滑移的條 件確定。 螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)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(lián)接，要求保持較大的預(yù)緊力，結(jié)果必然使 螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸增加。此外，在振動(dòng)、沖擊或變載荷下，由于摩擦系數(shù)的變動(dòng)，將使 聯(lián)接的可靠性降低，有可能出現(xiàn)松脫。為避免上述缺陷，可用各種減載零件來(lái)承擔(dān)橫 向工作載荷，螺栓聯(lián)接只保證聯(lián)接，不再承受工作載荷，因此預(yù)緊力不必很大。 (b) 承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接 這種緊螺栓聯(lián)接承受軸向拉伸載荷后，由于螺栓和被聯(lián)接件的彈性變形，螺栓所受 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)9 的總拉力并不等于預(yù)緊力和工作拉力之和。根據(jù)理論分析，螺栓的總拉力除和預(yù)緊力、 工作拉力 F 有關(guān)外，還受到螺栓剛度 C 和被聯(lián)接件剛度 C 等因素影響 圖2-4承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接 圖2-5 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)10 FFF 12 為保證聯(lián)接的緊密性，防止聯(lián)接受載后接合面間產(chǎn)生縫隙，有緊密性要求的0 1 F 聯(lián)接，F(xiàn)1 =（1.51.8）F；一般聯(lián)接，工作載荷穩(wěn)定時(shí)， F1 =（0.20.6）F；工作載 荷不穩(wěn)定時(shí)， F1=（0.61.0）F ；地腳螺栓，F(xiàn)1F。 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(duì)剛度，其大小與螺栓和被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)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(guān)。其值在01之間變化。 設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)聯(lián)接的受載情況求出螺栓的工作拉力 F再根據(jù)聯(lián)接的工作要求選 取 F1計(jì)算螺栓的總拉力 F2進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)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(duì)剛度 Cb/(Cb+Cm) 被聯(lián)接鋼板間所用墊片類別 Cb/(Cb+Cm) 金屬墊片（或無(wú)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(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)11 (c) 受軸向變工作拉力的緊螺栓聯(lián)接 除按上式作靜強(qiáng)度計(jì)算外，還需對(duì)螺栓的疲勞強(qiáng)度作精確校核。當(dāng)工作拉力在 0F 之 間變化時(shí)，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(zhuǎn)作用，則螺栓危險(xiǎn)截面的最大拉應(yīng)力為： 2 1 2 max 4 d F 最小拉應(yīng)力為： 2 1 0 min 4 d F 應(yīng)力幅為： 2 1 minmax 2 . 2d F CC C mb b a 螺栓的最大應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)為： S K K S a tc ca min min1 2 )(2 式中：-1tc螺栓材料的對(duì)稱循環(huán)拉壓疲勞極限，MPa。 試件的材料特性，對(duì)碳鋼，=0.10.2，對(duì)合金鋼， =0.20.3。 K拉壓疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù)，忽略加工方法的影響，則， K=k/。 S安全系數(shù)。見(jiàn)表 2-3 表2-3 螺紋聯(lián)接的安全系數(shù) S 受載類型 靜載荷變載荷 松螺栓聯(lián)接 1.21.7 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)12 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(yù)緊 力的簡(jiǎn)化計(jì) 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(lián)接 考慮預(yù)緊力 的簡(jiǎn)化計(jì)算 1.21.51.21.5(Sa=2.54) 緊 螺 栓 聯(lián) 接 鉸制孔用 螺栓聯(lián)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(lián)接,見(jiàn)圖2-7 螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為 （2-11） p o p Ld F min 螺栓桿的剪切強(qiáng)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使 Lmin1.25d0； p螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力/MPa ； 螺栓材料的許用切應(yīng)力/MPa . 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)13 圖2-7 承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)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(jí)，查出其材料的屈服極限，并查出安全系數(shù)， 計(jì)算出螺栓材料的許用應(yīng)力= s/S。適合制造螺栓聯(lián)接件的材料品種很多，常用 材料有低碳鋼 Q215、10號(hào)鋼和中碳鋼 Q235、35、45號(hào)鋼。對(duì)于承受沖擊、振動(dòng)或變載 荷的螺紋聯(lián)接件，可采用低合金鋼、合金鋼，如15Cr、40Cr、30CrMnsi 等。對(duì)于特殊 用途（如防銹蝕、防磁、導(dǎo)電或耐高溫等）的螺紋聯(lián)接件，可采用特種鋼或銅合金、 鋁合金等。根據(jù)表2-6選擇螺栓的性能等級(jí) 表2-6 螺栓的性能等級(jí) 性能等級(jí)（標(biāo)記） 3.64.64.85.65.86.88.89.820.912.9 抗拉強(qiáng)度極限（MPa) minB 33040042050052060080090010401220 屈服極限(MPa) mins 1902403403004204806407209401100 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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)14 表2-7 螺母的性能等級(jí) 性能等級(jí) 4 5 6 8 9 10 12 拉抗強(qiáng)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(jí) 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?yàn)槌扇?NFF NFkgF 1500075 200,25 0 max 所以當(dāng)采用4.8級(jí)螺栓時(shí)，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(guó)標(biāo)標(biāo)注： 級(jí)精度，六角螺栓級(jí)，不經(jīng)表面處理，螺栓，公稱長(zhǎng)度 強(qiáng)度滿足， 2.1.5校核螺栓所需的預(yù)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 (AQ sp 式中：螺栓材料的屈服極限 s A1螺栓危險(xiǎn)截面的面積 對(duì)一般聯(lián)接用的鋼制螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力 QP，擰緊力矩 T=T1+T2，由圖2-8可知 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)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 . 0,155 . 1 ,7 . 1,1 . 1,9 . 0,23421 0 002 00 對(duì)一定直徑的螺栓，當(dāng) F0已知時(shí)，可由上式求出 T 由圖 2-9 可知，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于 。鋼；鋼；鋼 拉力為：的螺栓，拉斷螺桿時(shí)的 NNNA M 17892451590035119283 12 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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(gè) 軸向壓力 P,由 M=PL 求出聯(lián)接受到的翻轉(zhuǎn)力矩，其中 P 為作用在傳感器上的載荷。其主 要結(jié)構(gòu)如圖2-10所示 圖2-10 2.3 測(cè)試儀器部分 測(cè)試儀器部分主要由電阻應(yīng)變片、電橋盒、壓力傳感器組成。 應(yīng)用應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，測(cè) 量構(gòu)件表面的應(yīng)變及應(yīng)力，對(duì)于分析與研究零件、機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的受力情況及工作狀態(tài) 的可靠性程度，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)于發(fā)展機(jī)械設(shè)計(jì)理論，研究機(jī)械工程 中某些物理現(xiàn)象的機(jī)理及實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)行自動(dòng)化，都具有十分重要的意義。應(yīng)變測(cè)量作 為一種有效的測(cè)試與轉(zhuǎn)換技術(shù)，還可以用于多種物理量的檢測(cè)與計(jì)量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程 或科學(xué)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量與控制。 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)17 2.3.1 電阻應(yīng)變片的測(cè)試 用應(yīng)變片測(cè)量螺栓受力應(yīng)變時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于各個(gè)螺栓表面上，并焊接上引線。 在外力作用下，螺栓表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時(shí)，應(yīng)變片也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng) 變化。通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化，根據(jù)式 oO K l l K R R 其中稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，=2.0k0k 可以得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值，而根據(jù)引力應(yīng)變關(guān)系： E 式中：測(cè)試的應(yīng)力； E材料彈性模量。 可以測(cè)得應(yīng)力值。通過(guò)彈性敏感元件， 、力、力矩、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此 可以用應(yīng)變片測(cè)量上述各量，從而可做成各種應(yīng)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(cè)量電路， 其輸出既可用指示儀表直接測(cè)量，也可以送入放大器進(jìn)行放大。橋式測(cè)量電路簡(jiǎn)單， 并具有較高精確度盒靈敏度，因此在測(cè)量裝置中廣泛應(yīng)用。電橋電路如圖2-11所示 圖2-11 測(cè)量電路有多種，最常用的是橋式測(cè)量電路。R1、R2、R3、R4四個(gè)電阻依次接在 A、B、C、D （或1、2、3、4）之間，構(gòu)成電橋的四橋臂。電橋的對(duì)角 AC 接電源，電 源電壓為E；對(duì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)18 組橋方式輸出電壓 UDB橋臂系數(shù) B溫度補(bǔ)償 單臂測(cè)量)( 4 21 S K E 1 BC 臂需接一枚補(bǔ)償片R 半橋測(cè)量 )( 4 21 S K E 1=-2時(shí) B=2 不需接補(bǔ)償片溫度影響 自動(dòng)消除 對(duì)臂測(cè)量 )( 4 31 S K E 1=3時(shí) B=2非工作對(duì)臂接補(bǔ)償片 全橋測(cè)量 )( 4 3131 S K E 1=-2=3=- 4時(shí) B=4 不接補(bǔ)償片,溫度影響可 自動(dòng)消除 串聯(lián)測(cè)量 1 1 4R RE B=1 阻值與工作片相會(huì)地補(bǔ) 償片串聯(lián)后接 BC 臂 根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要由表2-8選擇相應(yīng)的電橋組合方式，并通過(guò)電橋盒把相應(yīng)的應(yīng)變輸入 到所設(shè)置的電阻應(yīng)變儀中。 2.3.2 壓力傳感器 設(shè)計(jì)綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)測(cè)量加載絲桿所承受的軸向壓力信號(hào)，測(cè)出作用在壓 力傳感器上的載荷Q，通過(guò)M=QL計(jì)算出聯(lián)接受到的翻轉(zhuǎn)力矩M ，并作出是否合格的判斷。 此過(guò)程測(cè)量力大，測(cè)試規(guī)格范圍廣， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測(cè)量精度高，測(cè)量快速方便，勞 動(dòng)強(qiáng)度低 。 根據(jù)GB/1231-2002的規(guī)定，螺栓測(cè)試時(shí)的預(yù)拉力，M12螺栓為119178Nk，擬選用杭 州永正電子有限公司生產(chǎn)的電阻應(yīng)變式Y(jié)Z363YSO型壓式負(fù)荷傳感器，見(jiàn)圖2-12，測(cè)量 范圍0490Nk ，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-8。 圖2-12 壓力傳感器 表 2-8 壓式負(fù)荷傳感器技術(shù)數(shù)據(jù) 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)19 型 號(hào) YZ363Y/50 最大壓力 KN500 靈敏度 mV/V21% 零位輸出 mV/V02% 溫度對(duì)靈敏度的影響 %ofCn/k250VDC 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(jié) 本章主要進(jìn)行機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)工作臺(tái)的組成部件，螺栓聯(lián)接的受力、強(qiáng)度 進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)電阻應(yīng)變片的安裝、工作原理進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)壓力傳感器的選 擇做了簡(jiǎn)單分析。 第三章 螺栓測(cè)量裝置的設(shè)計(jì) 3.1 測(cè)量裝置的需求分析 對(duì)于螺栓測(cè)量裝置的用戶與制造商來(lái)說(shuō)，一般有三方面的需求:功能需求、造價(jià)需 求和其他需求。首先，裝置的功能應(yīng)當(dāng)滿足力矩系數(shù)計(jì)算和傳感器參數(shù)調(diào)整這些基本 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)20 需要，同時(shí)，還應(yīng)該有便于管理環(huán)境的數(shù)據(jù)上傳功能、方便快捷的人機(jī)交互等。其次， 裝置的造價(jià)是需要考慮的另一個(gè)問(wèn)題。 3.2 測(cè)量裝置的總體方案確定 測(cè)量裝置部分和機(jī)械部分一起構(gòu)成了螺栓扭矩測(cè)量系統(tǒng)?；谏线厡?duì)于測(cè)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(cè)量裝置總體框圖 圖 3-1 左半部分主要是測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)輸入部分:主要包括傳感器與數(shù)據(jù)采集器。 傳感器有一個(gè):壓力傳感器檢測(cè)加載裝置的壓力;電阻應(yīng)變片檢測(cè)螺栓加載后產(chǎn)生變形 后的應(yīng)變。它們的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)接口電路的放大調(diào)整后，達(dá)到與參考電壓相匹配的狀 態(tài)，然后接入數(shù)據(jù)采集器。 圖 3-1 中間部分的處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)算處理單元。 圖 3-1 右邊部分主要是測(cè)量系統(tǒng)的人機(jī)接口和數(shù)據(jù)接口。人機(jī)接口包括鍵盤(pán)與顯示 單元。數(shù)據(jù)接口設(shè)定為串行通訊口，用于將數(shù)據(jù)備份到其他設(shè)備?？v觀上圖，測(cè)量裝 置方案設(shè)計(jì)的核心是傳感器與處理器的選擇。這兩者確定下來(lái)以后，其他的都是細(xì)節(jié) 問(wèn)題。因?yàn)閷?duì)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(shù)據(jù)采集 器接口的問(wèn)題。傳感器的接口電路很多人都討論過(guò)，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(jī)械部分相連，需要考慮機(jī)械連接部分的造價(jià)和裝 配等問(wèn)題;最后，要考慮傳感器精度及精度損失的問(wèn)題。所以，傳感器的選擇對(duì)最終方 案有決定性的影響。對(duì)于處理器，與傳感器一樣也存在一個(gè)接口問(wèn)題，同時(shí)選擇不同 的處理器對(duì)于測(cè)量裝置功能的強(qiáng)弱有很大影響，還影響到軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的效率，以及 日后升級(jí)換代的代價(jià)。因此，處理器與傳感器的選擇是首先和重點(diǎn)要考慮的問(wèn)題。壓 力傳感器的選擇已在第二章中討論過(guò)了，因此，這里只介紹處理器的選擇。 處理器方案有兩個(gè):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(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)21 市場(chǎng)，32 位 ARM 產(chǎn)品隨著日漸增長(zhǎng)的高性能新應(yīng)用，包括信息家電、汽車電子、電子 玩具市場(chǎng)則促進(jìn) 32 位 ARM 產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)。32 位的 ARM 系列 MCU 可以滿足更寬的尋址 范圍需求的增長(zhǎng)，提供在時(shí)鐘速度方面更多原始 CPU 能力、以及嵌入式應(yīng)用需要的網(wǎng) 絡(luò)連接、USB 通信接口等;且 32 位的 ARM7 系列 MCU 可以更好地對(duì) TROS 進(jìn)行支持，滿足 迅速開(kāi)發(fā)軟件的需求。再加上生產(chǎn)工藝的進(jìn)步使得 32 位產(chǎn)品在整體成本上與 16 位產(chǎn) 品相差無(wú)幾。因此 32 位產(chǎn)品在 MCU 市場(chǎng)上呈持續(xù)上升的發(fā)展勢(shì)頭。8 位 MCU 主要功能 是作控制，大部分應(yīng)用在通信產(chǎn)品、PC 外圍設(shè)備、消費(fèi)類電子以及一般通用型產(chǎn)品之 中。8 位產(chǎn)品具有低廉的生產(chǎn)成本、巨大的整體出貨量、簡(jiǎn)潔的程序代碼等優(yōu)勢(shì)，因此 設(shè)計(jì)人員在綜合考慮成本、效能、設(shè)計(jì)時(shí)效等因素之后大部分愿意選擇 8 位微控制器 產(chǎn)品。在市場(chǎng)上 8 位微控制器應(yīng)用依然占據(jù)微處理器市場(chǎng)近六成以上的市場(chǎng)份額，并 且還在不斷增長(zhǎng)之中。要求低成本和小尺寸器件的嵌入式應(yīng)用是使 8 位 MCU 仍然是應(yīng) 用主流的主要因素。出于在滿足基本功能的基礎(chǔ)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(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，市場(chǎng)出貨量大。經(jīng)過(guò)上邊的分析， 最終我們的方案確定為:處理器選擇 AT89C52。 3.3 測(cè)量裝置的硬件實(shí)現(xiàn) 測(cè)量裝置的硬件電路主要有四部分構(gòu)成:采樣電路、人機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)字設(shè)備正越來(lái)越多地取代模擬設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò) 程控制和科學(xué)研究等廣泛的領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)正發(fā)揮著越來(lái)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(xiàn)的，例如溫度、壓力、位 移、速度等。要將這些信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，就必須先將這些連續(xù)的物理量離散 化，并進(jìn)行量化編碼，從而變成數(shù)字量，這個(gè)過(guò)程就是數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)采樣就是將被測(cè)對(duì)象(外部世界、現(xiàn)場(chǎng))的各種參量(可以是物理量，也可以是 化學(xué)量、生物量等)通過(guò)各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采集、量化、編 碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過(guò)程。用于數(shù)據(jù)采樣的 成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)(DataAqcuisitionSysetm)。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與外部 世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采樣技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分， 已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采樣 技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)追求的最主要目標(biāo)有兩個(gè):一是精度，二是速 度。對(duì)任何目的測(cè)試都要有一定的精確度要求，否則將失去測(cè)試的意義;提高數(shù)據(jù)采樣 的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要的是擴(kuò)大數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的適用范圍，便于實(shí) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)22 現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)試。 2)基本組成 數(shù)據(jù)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(shù)字部分。 圖 4-2 是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件基本組成示意圖。 傳感器的作用是把非電的物理量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器輸出的這一段信號(hào)通 道稱為模擬通道。 放大器用來(lái)放大和緩沖輸入信號(hào)。由于傳感器輸出的信號(hào)較小，因此，需要以放大。 以滿足大多數(shù) AD/轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入 410v 的要求。 圖 3-2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對(duì)多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即所謂多路巡回檢測(cè)，這可通 過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬開(kāi)關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分,它包括采樣/保持和 A/D 轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取模擬多路開(kāi)關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅 值恒定，以提高 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，如果把采樣/保持電路放在模擬多路開(kāi)關(guān)之前 (每道一個(gè))。還可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣。采樣/保持器輸出的信號(hào)送至模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號(hào)變化速度不同，系統(tǒng)對(duì) 分辨力、精度、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器內(nèi)部還包含有采樣/保持電路、基準(zhǔn)電源和接口電路。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供 了較大方便。本設(shè)計(jì)采用的 TLC2543 采集芯片即是此種類型。A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果要送給計(jì) 算機(jī)。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(jié)果的方式對(duì) 長(zhǎng)距離傳輸和需要光電隔離的場(chǎng)合較為有利。并且能夠節(jié)省單片機(jī)系統(tǒng)的資源。 3)性能指標(biāo) 對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能要求和具體應(yīng)用目的與應(yīng)用環(huán)境有密切關(guān)系，對(duì)應(yīng)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(gè)指標(biāo)的含義。 系統(tǒng)分辨率:是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)最小變化量。通常用最低有效位 值(ILSB)占系統(tǒng)滿度信號(hào)的百分比表示。表 3-l 示出了滿度值為 10v 時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的分辨率。 表 3-l 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率 位數(shù) 級(jí)數(shù) 1LBS 1LBS 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)23 （滿度值的百分?jǐn)?shù)） （10V 滿度） 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 系統(tǒng)精度:是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。模數(shù)轉(zhuǎn)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?jǐn)?shù)。 采集速率:又稱為系統(tǒng)通過(guò)速率、吞吐率等，是指在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系 統(tǒng)對(duì)輸入模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采集次數(shù)，或者說(shuō)是系統(tǒng)每個(gè)通道、每秒鐘 可采集的子樣數(shù)目。它表征了系統(tǒng)每采集一個(gè)有效數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。 動(dòng)態(tài)范圍:是指某個(gè)物理量的變化范圍。信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最大幅值和最小 幅值之比的分貝數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值 VmaX 與最小幅值 Vmin 之比的分貝數(shù)，即 min max lg20 v V I 非線性失真:也稱諧波失真。當(dāng)給系統(tǒng)輸人一個(gè)頻率為 f 的正弦波時(shí)，其輸出中出現(xiàn) 很多頻率為 kf(k 為正整數(shù))的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱為非線性失真。諧波失真系數(shù) 用來(lái)衡量系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)據(jù)采集器 TLC2543 TLC2543 是 12 位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。每個(gè)器件有三個(gè)片選(瓦)，輸入/ 輸出時(shí)鐘(1/0CLOCK)以及地址輸入端(DATA 可以通過(guò)一個(gè)串行的 3 態(tài)輸出端(DATAOUT) 與主處理器或其外圍的輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。本器件可以從主機(jī)高速傳輸數(shù)據(jù)。除了高速的 轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，TLC2543 有一個(gè)片內(nèi)的器可以在 n 個(gè)輸入通道或 3 個(gè)內(nèi)部 自測(cè)試電壓中任采樣一保持是自動(dòng)。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， “轉(zhuǎn)換結(jié)束”(EOC)輸出端變高成。 本器件中的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬 電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)24 TLC2543 特點(diǎn) TLC2543 模塊使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成 AD/轉(zhuǎn)換過(guò)程。樣速率 66KsPs，供電電流 僅需 lmA。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省機(jī) I/O 資源，且價(jià)格適中，大約為 40 元左 右。其特點(diǎn)有: 12 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器 n 個(gè)模擬輸入通道 3 路內(nèi)置自測(cè)試方式 固有的采樣與保持 線性誤差 ILSBMxa 片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘 轉(zhuǎn)換結(jié)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(dǎo) 可編程的輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 采用 CMOS 技術(shù) 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(shuō)明 引腳號(hào)名稱I/ 0 說(shuō) 明 19、11、AINOAII 模擬量輸入端。11 路輸入信號(hào)由內(nèi)部多路器選通。對(duì)于 4.1MHz 的 I/0 CLocK，驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于 50。 ，而且用 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)25 12N160pF 電容來(lái)限制模擬輸入電壓的斜率 15 _ CSI 片選端。在端由高變低時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由低變高，在 _ CS 設(shè)定時(shí)間內(nèi)禁止 DATA INPUT 和 1/0 CLOCK 17DATA INPUT I串行數(shù)據(jù)輸入端。由 4 位的串行地址輸入來(lái)選擇模擬量輸入 通道 16 DATA OUTO A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端.為高時(shí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)， _ CS 為低時(shí)處于激活狀態(tài) _ CS 19EOCO轉(zhuǎn)換結(jié)束端。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(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止 10GNDGND 是內(nèi)部電路的地回路端。除另有說(shuō)明外，所有電壓 測(cè)量都相對(duì) GND 而言 18 I/O CLOCKI 輸入/輸出時(shí)鐘端。I/0 CLOKC 接收串行輸入信號(hào)并完成以下四 個(gè)功能:(1)在 I/0 CLocK 的前 8 個(gè)上升沿，8 位輸入數(shù)據(jù)存入輸 入數(shù)據(jù)寄存器。(2)在 1/0 CLOCK 的第 4 個(gè)下降沿，被選通的模 擬輸入電壓開(kāi)始向電容器充電，直到 I/0 CLOCK 的最后一個(gè)下 降沿為止。(3)將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余 11 位輸出到 DATAO 盯 端，在 I/0CLOCK 的下降沿時(shí)數(shù)據(jù)開(kāi)始變化。(4)1/0 CLOCK 的最 后一個(gè)下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位 14REF+I正基準(zhǔn)電壓端。基準(zhǔn)電壓的正端(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(fù)基準(zhǔn)電壓端?；鶞?zhǔn)電壓的低端(通常為地)被加到 REF 20Vcc電源 TLC2543 的引腳排列及說(shuō)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(shuō)明見(jiàn)表 3-2。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)26 圖 3-3 TLc2543 的兩種封裝引腳排列 接口時(shí)序 可以用四種傳輸方法使 TLC2543 得到全 12 位分辯率，每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞可以使 用 12 或 16 個(gè)時(shí)鐘周期。一個(gè)片選(瓦)脈沖要插到每次轉(zhuǎn)換的開(kāi)始處，或是在轉(zhuǎn)換時(shí) 序的開(kāi)始處變化一次后保持瓦為低，直到時(shí)序結(jié)束。 圖 3-4 顯示每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞使用 16 個(gè)時(shí)鐘周期和在每次傳遞周期之間插入?yún)柕臅r(shí) 序，圖 3-5 顯示每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞使用 16 個(gè)時(shí)鐘周期，僅在每次換序列開(kāi)始處插入 一次時(shí)序。 圖 3-4 16 時(shí)鐘傳送時(shí)序圖(使用，MSB 在前) _ CS 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)27 圖 3-5 16 時(shí)鐘傳送時(shí)序圖(不使用，MBS 在前) _ CS 串行外設(shè)接口 SP 在 TLC2543 與微處理器之間傳送數(shù)據(jù)最快地方式是串行外設(shè)