（机械工程专业论文）高强度螺栓扭矩系数测试系统的设计.pdf

摘要 髓着我国科技的不断进步和国民经济的不断发展，钢结构越来越广泛地应用 于桥梁、高层建筑、体育场馆、钢结构厂房等领域。高强度大六角螺栓连接剐作 为钢结构的主要连接方式，在生产中得到了广泛的应用。 为了保证钢结构螺栓连接副安全、可靠的连接，高强度大六角螺栓连接产品 技术条件和钢结构施工安装技术条件，对螺栓连接副扭矩系数提出了严格的技术 要求，即每批高强度大六角螺栓连接副的扭矩系数的平均值为0 1 l o o 1 5 0 ，其 标准偏差应小于或等于0 0 1 0 。生产厂在出厂前检验且在每箱产品附有扭矩系数 测试的合格证书，施工单位在使用前的保质期内进行复验，属强制性条文。 本文介绍了钢结构高强度大六角螺栓连接副扭矩系数的测试原理，测试系统 的组成及各部分作用；合理选择出压力传感器、扭矩传感嚣和电动扳手等关键部 件；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。 本测试系统适用于不同直径和长度的螺栓测量，对螺栓产品的生产厂家和钢 结构施工安装单位，都有一定的实用价值。 关键词钢结构：螺栓：扭矩系数；测试 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to fc o u n t r y e c o n o m y , i n c r e a s i n g l y , s t e e ls t r u c t u r ei sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s , s u c ha sb r i d g e s 。 1 1 i g h * r i s eb u i l d i n g s , g y m n a s t i cf i e l d sa n ds t e e l s t r u c t u r e dw o r k s h o p s 。e t c a st h e m a i nc o n j u n c t i v em o d eo ft h es t e e ls t r u c t u r e ，h i g h * s t r e n g t h e n e dh e x a n g n l a rb o l tj o i n t a u x i l i a r yh a sg o tw i d e l yu s e di np r o d u c t i o n 1 1 kc o e f f i c i e n to f t h eb o l tj o i n ta t t x i l i a r yt o r q u ec o e f f i c i e n ti ss t r i c t l yr e q u e s t e dt o e l s u , r en o to n l yt h es e c u ea n dd e p e n d a b l e j o i n to f s t e e l - s t r u c t u r e db o l t j o i n ta u x i l i a r y , b u ta l s ot h et e c h n i c a lc o n d i t i o no fh i g h - s t r e n g t h e n e dh e x a n g u l a rb o l tc o n n e c t i v e p r o d u c t sa n dt h ef i x i n gc o n d i t i o no fs t e e ls t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n + t h em e a no fi s t o r q u ec o e f f i c i e n ts h o u l db e0 + 1 1 0 埘1 5 0 a n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o ns h o u l db el e s s t h a no re q u a l 协0 0 1 0 t h i sw i l lb et e s t e db yt h ep r o d u c e rb e f o r et h ep r o d u c t sl e a v e f a c t o r ya n dt h ec h e e k - o u tc e r t i f i c a t eo f t h et o r q u ec o e f f i c i e n tw i l lb ea t t a c h e dt oe a c h b o xo f p r o d u c t s i na d d i t i o n ，i ti sac o m p u l s i v ep r e s c r i p tt h a tt h ec o n s t r u c t i o nc o m p a n y s h o u l dr e t e s tw i t h i nt h eq u a l i t y - g u a r a n t e e dt i m el i m i t 。 i nt h i s 弘弼t h et e s t i n gp r i n c i p l eo ft h et o r q u ec o e f f i c i e n to fs t e e l - s t r u c t u r e da n d h i g h - s t r e n g t h e n e dh e x a n g u l a rb o l tj o i n ta u x i l i a r yw a si n t r o d u c e d ，a sw e l la s t h e c o m p o s i t i o no ft h et e s t i n gs y s t e ma n dt h ef i m c t i o no fe a c hp a r t p r e s s u r e ds e n s o r ， t o r s i o n a ls e n s o ra n de l e c t r i cs p a n n e rw e r e , s e l e c t e dr e a s o n a b l y ；s t r u c t u r a ld e s i g na n d i n t e n s i t yc a l c u l a t i o no fm a c h i n e r yp a r t sw e r ea l s ot a k e n i nt h ep a p e r , w ed e s i g n e d t h eh a r d w a r ec i r e u i 转o ft h et e s t i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gs a m p l i n gc i r c u i t s ，a ds w i t c h e d c i r c u i t s ，k e y b o a r dc i r c u i t sa n dd i s p l a yc i r c u i t s ，e t c w ea n a l y z e dt h ee a p a b i t i t yo f t h e d a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o np r i n c i p a lo fd a t at r a n s m i s s i o n ，a s w e l la sb a u dr a t e ，s e n d i n ga n di n c e p t i n g ，e l e c t r i cl e v e lc o n v e r s i o n ，e t c ，i s s u e ss u c ha s t h ek e y b o a r ds h o c k p r o o fp r i n c i p a l ，t h es t r u c t u r eo fn u m e r a lp i p e s ，t h ew a yt oc o n t r o l t h ed i s e n c o d e dk e y b o a r da n di t si n t e r r u p t e di n q u i r e m e n tw e r ea l s od i s c u s s e di nt h i s t h e s i s a tt h es a m et i m e t h ei m p l e m e n to fs o f t w a r ea n dt h ec h o i c eo fi n s t r u m e n t w e r ed i s s e r t a t e di nd e t a i l ， o u rt e s t i n gs y s t e mi sa v a i l a b l et ot h em e a s u r eo fb o l t sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r s a n dd i f f e r e n tl e n g t h s t oac e r t a i ne x t e n t ，i ti sp r a c t i c a lt om o s tp r o d u c e r so fb o l t p r o d u c t sa n dt h es t e e l s t r u c t u r e dc o n s t r u c t i o nc o m p a n i e s k e y w o r d s ：s t e e ls t r u c t u r e ；b o l t ；t o r q u ec o e f f i c i e n t ；t e s t h ， 山东大学蕊士学彼论文 源刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导卿的指静下，独 立进抒辑究所澈褥的成果。除文l 字| 已经注黉雩| 用瓣内密努，本论文刁i 包含饪何其他个人或集体已经发表竣撰写过的科研成果。对本文的研 究作出熏要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承挺。 论文作者签名：皿日麓： 关于学位论文使甩授粳鳃声翡 本天完全了解由券大学有关缳留、镬耀学位沦文缝靛定，晟意学 校保留或向国家有关郝门或机构送交论文的复印传和电子敝，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可甑将本学位论文的全部或部分 内容编人有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文帮汇编本学位论文。 ( 保密论文褒解整愿应遂守| i 鞋= 勰定) 论文作者签名：器醴汉导9 嚼签名： 期：型， 第1 章绪论 1 1 钢结构用高强度蝶栓的应用背景 熬璜我藿蒸礁建设步伐戆舷抉，叛及社会嚣僚意识妁增蘩，镶缍弱建筑嚣遴 入发展的“春天”，钢结构产业也面临突飞猛进的发展机遇。 锈络秘建筑逶褰鑫型键羁溅薮翻裁豹粱、椽絮、棱、投等椽嵇缝袋，各郝努 用焊接、螺栓或铆钉连接。钢结构与目前普遍使用混凝士相比。是可千式施工， 节约磺农，施誓占蜷少，产生豹磉音，j 、粉尘步；二燕具有强度商、蘩受轻、抗 震性能好、旋工快速度、施工不受季节影响、结构占用面积小、地基赞用省，由 于自重减轻，基础施工取羹少，对土地这一窳贵资源破坏小；三是太蠢减少混 凝黪馊惩和砖瓦懿搜霭，减少了城带周透携嚣由挖嚣，有裂予拜境绦护；嚣是 建筑使用寿命劐期，结构拆除产生的麟体垃圾少减少建筑垃圾，不污染环境， 淡及震躲耪辩戳晷牧秘蔫、褒镶炎滚匿毅徐捺褰；纛是馕震牵曩予羧速、灵活 方便，给人带泉舒适愍簿优点。从目前来看，钢结构娥筑是对城市环境影响最小 静一静结梅之一赛凄建筑、厂房、钵膏场键、轿梁等舔蹩锈绦擒熬麓武之穗。 在西方恩被广滋采用，所以被称为绿色建筑。 我黼钢结幸句建筑褥刘很快发展。2 0 世纪8 0 年代以来，我圆离造穗建成及在 建的岗髅钢结丰哿建筑已骞4 0 多蠖，总蕊积终3 2 0 万平方米，耀钢量终3 0 万吨， 资金约6 0 0 亿冗。在北京、上海、深圳、大连、天津簿地形成建设商潮，尤其上 海瀵东陆家骧焱融区，爨建戏秘建设孛豹离屡镪结魏建筑裁眷1 2 幢，激建残懿上 海金茂大厦( 8 8 层，商度达4 2 0 5 米) ( 见图l 1 ) 敷正在施工中的环球金融太 凄谈串溪瓣蹇整建筑进入夔器瓣蘸熨。与筵稳应豹亵漾镪缕擒豹萃； 攀磷究、设计 与各项配套的施工方面均取得了较大避展。一大批建工、造船、冶金、电力、铁 道系统的金耩缭构厂和上海、托京及中建系统酌撬械纯麓工公蠲等，谨诵结搦翻 作和安装方面都达到了较高的水平。 近几年钢结构建筑相比母砖混结构建筑在环保、节能、离效、工厂化生产 等方鬣爨鸯镄鼓优势。深圳赢3 2 5 卷鼬她王大攫、莺都规场蹬壤位维骖瘁( 撒圈 = = = = = = 竺= 黑= ! 鲎。盔鑫兰堡童笔黧鎏塞 。 。 。”_ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ w _ _ - _ m _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ = ：= 。= = = 一? = 一一一 卜2 ) 、髓采的寰广串心等太黧建筑都采麓了镪络拣，l 索、上海、由末等省市邑 搿鲶避露镄续槐往宪试点，其中，l e 索垒嶷公鬻跫被剿为建设懿倭定镄结构俸系 示范王稷。嵩鼷钢结 鸯建筑餍觅不鲜，入粥预辩2 l 檄纪鼹龛麟雅褥驰教鳃，镪结 奄将成为耩建筑时代的脊粱。人类盎1 7 世纪7 0 雄代歼始使用出铁，1 9 世纪初开 始壤嬲熟铁建造耩黎黧赛攫，销缭构发袋韵历变癸磁钢筋灞凝土臻稳发联的历史 悠久，它的警命力也惩越来越强。在荚嚣，低朦建筑如辩屡楼以下的非慰往型建 筑枣搦毫鸯7 9 以上爨建筑会瓣制晶。全链器至令疆完成豹t o l 幢怒离联建筑中- 镄籍溺凝毫结构1 6 幢。缝镄绻槐5 9 耩不同形式豹铜醺濑食缝鞠2 7 幢；可以瓣 醣麓终橡抟笈袋必将斑傻建绽效、玲袅工效、瑰壤王鼗、汽车王渡、农娥、石油 王数、戆渡、交疆运输蛙褥搿迅逮教袋。 瘸1 - i主海蠡茂天溅 强i - 2 篱都概辆鞠辘髓罐髅簿 锅产菇秘建筑键瓣菇耪的璜躲为锈结秘黔发鼹珏下了嶷好豹鏊磷。我辫扶 1 9 9 6 零镪产盘突破l 纪睫，愚成为擞界瓣钢铁太鼙，髓着翟家二中一饿纪猿掇冶 金科技遴步，撬嵩我黼镶彀盖潼靛技术承警静装配承擎，劐2 0 2 0 每露聪裁辫臀羹 成为髓嚣的锶铁强黧。过去长期苓艇生产孵h 毽钢，现在已耐以在“马镶”、“蘩 销”秘鞍出第一毒l 钢厂生产了。h 鹫锅静娥犬戴西琵迭7 0 0 m m ，年产麓力苜遴1 4 0 万吨，轻镧缩拘用的彩色钢板融前年生产能力已遮7 0 一9 0 万吨t 冷耷型钢年坐产 麓力终1 2 0 万瞧。这为锈缓梅建筑豹发展獒定了蒸猫。“十五”期阏建筑钢结翰静 发襞秘标，燕争取达判簿年建筑镝绪构溺销树占垒瀚铜耪总产爨韵3 。2 0 t 5 年 建筑镪络梅的发矮嗣繇，是争取舔冬金雹建筑镶缀秘瓣蹋镪爨这黧镧睾专慧壤的6 。幽扰哥见，我壤建筑镶络擒龄发溪将上个糕螽阶。裔散翡簿羧工艺帮黼的 烊按、镯割设备熊盛麓。辆鍪静蕨颟讨整方法鹣藏露成型擎丝酾多熬堙魏爝、龙 门架工字梁双侧双丝快遮烬接生产线、各种数控火焰桃秘激光切割枧，为铜结橡 齑效桶佟和生产商质量产晶截遣了蘸好条件。离效埠接材料的使掰，如气体保护 爆和自像烊蕊芯焊丝以及器砖离效烬条，到2 0 0 5 冬要占焊接楗燃总产夔的4 0 左右；高强度螺梭和采髑拯力自动控制方法以及荫腐、防火等新工艺、新材料的 嚣发等都为深入发展镶结橡工程裁造了良好懿条彳孛。 髑i 3 锈结构轿粱 今菇一个时麓，三峡工程、疆部开发、磷气东输、躐电寒送、南承j b 调、黉 藏铁鼹，黻及托索奥运搦镶建没，都为钢结梅缕筑提供了广瘸豹奄场空黼。据介 绍，铡缭梅还褥越来越多缝应精予民用往宅燕浚。专家说，镪绥梭的民蕊往宅出 于使用率离、摭鼹好薅滚受欢迩。 蕈掩钢结构逐接的奎婺方式，销结构掰高强度螺梭连接副，在锅络构酌连接 中起到了萋婴的侔用。我冒紧隧髂掺会现褥橼准紧强 拳寇点生产厂三露多个，男 霄含资公司、私臀企潼近千个，现大部分生产商强寝蝶梭产灞t 搬据协会对j 黩2 0 0 家会员单位2 0 0 3 年工业统计情况嶷苯： 2 0 0 3 年产晶铺鸯投入遮9 0 7 亿元，闻眈增长4 6 1 7 ，利润这5 9 亿元t 闹 跑增长5 0 0 4 。其中产晶销售收入上亿嚣的众渡肖1 6 褰，出斑刨汇超千万美元 豹企照有l o 家。 。2 钢结构嬲高强度螺栓连接副耱搜术规寒 l 。2 。l生产缳诳 为了保证高强度螺梭的产品质量和涟接的可靠性，g b l 2 3 1 2 0 0 2 蛾定了钢 结构蹋离强度螺梭、螺母、警蠲的技术条件，凳表t - t ： 裘i - l 蠊栓、鳔母、垫熬静性能等缀耧攘簿螃辑 类别性能簿级推荐豺辩材辩标准号适鞠规捂 2 0 m n 弧b g b 3 0 7 7 _ 2 0 0 1m 2 4 1 0 。9 s 4 0 bg b 3 0 7 7 0 0 0 lm 2 4 螺拴3 5 v bm 3 0 4 5 g b t 6 9 争一19 9 9m 2 2 8 8 s 3 5g b 仃葛9 争一1 9 9 9m 1 6 4 5 、3 5 g b ，1 省9 1 卜一1 9 9 9 l 喇 炼母 5 m n v 8g 转3 。7 h o 。l 8 耋3 5g 蠢俘6 鬻 一1 9 9 9 垫疆 3 5 - - 4 5 | | 8 4 5 、3 5g b 糠葛弼卜1 9 9 9 嫌栓、螺母嫘纹的萋零尺寸按g b l 9 6 - 2 0 0 1 糕牙骜透螺绞鼹溉定。 爆柱螺纹凳麓接q b l 9 7 - 2 0 0 1 的6 9 缀；螺母爨鹱公差按g b l 9 7 * 2 0 0 1 的6 h 缀。 1 2 l ， 熊纹芽侧颟、螺稔、螺母秘垫黧缨舍瑟魏衰疆粳糙废壤苓低- 3 = k ，产品袭 磷采溺发蘸、磷能等蒎锈处理。 生产厂疲在生产中，舔撬产品斑采臻阏一糗麓等级、弼一材料、瓣一炉号豹 搴| 糕巷造，翔一戏格螺栓最大批 串不超避3 0 0 0 俸，螺母、鳖霾最大懿粹举超过 5 0 0 0 牛。共在出厂翦撼撵测定该撼供赞螺捡产晶的壤艇豢数，戆含标准烧定靛要 求。 保证扭缀系数供赞的螺栓： l o 9 s 缀高强度螺缝述接削幕求保证按翘矩系数供货。每连按副包耩一个 鳔裣、一个螺母、= 个蛰辫，井废分潮耩闷瓶制造。 溺拙违接副援雉系数警均氆0 1 1 0 0 1 5 0 ，箕撼髭系数标准镰整夺学躐簿予 o 。o l o 。 挝簸系数按下列公式诗算： 足。旦 ( 1 。1 ) 式中l 电辨 圈2 q电辍成交片测试捐簸系数 髑彀隧盛交纹溅懑黪指拳痘变受 ( 2 2 ) 式中m 藏颜于螺零熬拯矩； p 传爆予螺礁上鲍轴期载耱： 若螺戆毒考料驰撵淫穰爨； # 攥梭材糖浆潼捡系数； a 蝶稔秆部截面积，a = “d ，d 为螺栓韵赢径。 报攒施热爵勺张矩m ，和浏得螺栓的籀囱力p 利鹬公式k = m ( p d ) 求出被浏 螺栓的搠矩系数。 双生产螺捡中任卷挑选出被测螺捡剽，需分别在螺抒上糙髓上电照疲变嚣， 竺= 一一童奎盔兰。鍪圭兰整鲨耋 鼹于铡攘卡其中，用手动定扭筑扳手施加翅矩，通过电阻应变片测出螺拴的伸长 爨，换算出螺梭承受的辅向力，根据公式计算出该试验螺栓的扭矩系数。 该方法试验设备麓单，蔫对每一套被测螺捻糙贴成变片，攥终臻鬏；霈用手 劲扳手膏救加扭翘，劳动强度大特别是大规格的螺栓，需人工施加更大的扭矩； 基准备耀麓长，试验工作量大，测试数摆误差大，试验络豢糖浚低；逶臻于擎 孛 小批量检验测量。 2 3 2 选用簇式负荷倍感器 设诗综合测试试验套，暹过抉换影移动卡头，分别测量不鼹壹经、不困长发 的螺栓副。电动搬矩扳警施加的预定扭矩数值，并通过扭矩传感器测出糨矩信号： 疆式受蘩转感器溅出簸测鳔捻剿掰承受麴辘爨孝囊力信号，逶这数据楚璞，壹羧计 算出被测螺栓副的扭矩系数，并作出是褥含格的判断。 藏方案测蠹力大，测试燕穰范晷广( 赢径m 1 6 - 一m 3 0 m m ，长发l = 6 0 2 6 0 m m ) ， 可直接测出螺梭连接副的扭矩系数，试骏数据凇确，测爨精度离，测量快速方便， 势动强度低，敌方案可行。 2 。3 。3 选用接式受猗黄感器 设计综合测试试验螽，通邀快换可移动卡熬，分别测量不同直径、不同长度 豹臻栓割，电动定褪矩叛手毫接读出德翔豹扭怒数傻，幽拉式负蘅传感器，壹接 读出被测螺栓的轴向拉力，即彤得到该测量螺捻剐的摁矩系数。 此方蹇测量力大，测试规格范围广( 矗径m 1 6 m 3 0 m m ，长发l = 3 5 2 6 0 m m ) t 毽壹接测爨螺捡连接副的扭矩系数，试验数据凇确，测爨精度麓，测量快速方便， 劳动强度低，但试验设镛总体尺寸大，方案不如上一方案好。 2 ，4 本耄小节 本翥讨论了钢结毒哿螺栓拯怂系数测试系统的组成和器部分的作用，介绍丁测 试系统的工作原理，并对测试方案进行了论证选择。 第3 章测试系统褫械部分设计 3 1 总体设计 由于钢结构用高强度螺栓常用商品规格为直径m 1 6 - m 3 0 m m ，长度为 l = 6 0 2 6 0 r a m ，为影i 证试验设备适用性，以最大规格蝶栓进行设计，测量长度大 予3 0 0 r a m 。 静于测试螺检的壹径和长废品种多变，赫采用可交换卡头，在被测螺稔的两 端采粥调熬垫片，模叛现场装配条释，分羽测藿不丽壹径的缣稔副，并配合采用 霹调攘螺籍= ，凳予不藏长度螺撩甏熬测爨。 3 。2 姊魏僻静选择 3 2 1溪式负荷传惑器的选撵 根据g b t 1 2 3 1 2 0 0 2 的规定，高强度螺毪测试时的预拉力，m 3 0 螺栓为3 2 9 3 9 7 k n ( 3 3 5 0 0 4 0 5 0 0 k g f ) ，拟选粥杭州永获电予有黻公司生产的电阻应交式 y z 3 6 3 y 5 0 鍪垂式负荷传感器，觅黼3 - 1 ，测蠹范围0 4 9 0 k n ，矫形尺寸6 2 0 5 6 4 夺4 5 。技术参数冤袭3 - t 。 嘲3 - i 压力传感器 3 2 2 扭矩传惑器、扭矩扳手的选择 锎结构用高强度嫘栓终拧扭矩为： m 。= k p d 式中m 。终拧挺矩( n m ) ； k 援艇系数，o 1 i 0 0 1 5 0 ； p 一一高强度螺捡设计镁投力( k n ： ( 3 ，1 ) d 糍强度螺梭螺绞塞饺( r a m ) 。 袋3 - l 愿武爱蘅倍感嚣技术数据 型号 y z 3 6 3 y ，s o 最大摄力k n 5 0 0 楚被淡m v ，v 2 1 零往输出mv _ ，v 0 2 滠度辩荧敏凄的影嗡， o f c n k 8 奄0 2 3 漩痍簿零位嚣输出熬影响 o f c n k 圭0 0 1 2 0 # 线蛙 缘( 0 0 7 0 0 5 摧荐激裁跑篷 v 0 ：c a c ) o 5 - 2 4 绝缘艟撬 g q 2 5 0 v d c 】 正常工作温度范围 o f i o + 4 0 1 5 + i 0 5 安垒搬隈鼗旃 o f c r l1 5 0 3 w 2 ： 嘏据裘1 2 斑强度螺梭试验挝力壤，霹计冀盘各蠖格炼捡靛试验挺始见袭 袭3 - 2 务蔑穆爆捡试验撼矩 螺嫒塞经d ( m m ) 1 62 02 22 42 73 0 最大搬缀 1 0 9 s2 9 8 5 8 4 7 8 0 9 9 0i 4 4 31 9 3 0 ( n m ) 8 名s2 0 5 3 9 65 4 46 7 31 0 0 21 3 6 l 艇小拱矩 1 0 9 s1 8 03 4 34 6 55 9 8 8 6 51 1 7 9 ( n n l )8 8 s1 2 02 4 23 3 2 毒0 6 6 0 4 8 3 5 一1 2 。 根搬各规格螺棱试验挝矩的数值，拟选用德灏l o e s o m a t 公嗣生产的 l d e 2 8 型定撼矩电动叛手，撼蜒戈5 0 0 2 8 0 0 n m ，黧菱糟菠走5 敷凌，蠲予 m 2 2 m 3 0 蝼拴劁蛉摁缀试骏。 选爝l d e - 0 7 5 登定掘矩瑰麓薮等，疆瘫为1 0 0 7 7 0 n m ，蔫予m 2 0 驻t 探稔 戮龚冬援筑试验。 选用北寨鸿萋点科技发联有限公筒象产a k c 1 7 c 襁矩传感器，技术参数如 下： 爨稷 2 0 0 0 n m 灵敏度 1 2 m v 非线性0 1 f s 黧餐健0 i 獬s 供援瞧鹱 1 2 v d c z 律温度范龋- 2 0 一6 0 兔译过负载 1 2 祥s 3 。3 零部件设计 3 3 1 装爽卡头设计计算 凝攥逸择y z 3 6 3 y 5 0 型酲式受荷传感器，确定卡头麓度为1 5 0 m m ，出于卡头 承受控伸和弯曲斑力作用综台，卡头材料初步选定为4 0 c r 钢，经热处理淬火、回 火4 2 - - 4 8 h r c ，纛冁强发。= 7 0 0 m p a ，安全系数接蓉1 2 2 。2 ，羧选定n = 2 ； 卡头嬲维槐形状见图3 - 2 。 翻3 - 2 装夹决 翻3 - 3g - 头受力状况 = 篡然= 黧= 竺= = = = = = i 当薹；i ；鲞鍪害置笙鎏茎 ( ) 控梅谥壤喜卡髯卡头椭黼簿痰b 。： 试骚辩，被铡螺稳翻安装在卞头内，受力谤域见謦3 - 3 。 考纛挝律静彩嫡 1 4 i 弘赢剐 强1 ) 酬= 詈= 下7 0 0 = 3 5 0 m p a 魄赢p 丽= 罴淼畦，s 燃 勰步确定专头铡嚣尺寸为h b 3 = 1 5 0 3 5 m m 根摄表3 - 3 螺捻头鄢尺寸积蛰骥蛇商关尺寸，考虑调熬垫片浮度，确楚卡头 懿内部足, - 17 l b 2 为： f l = 1 9 。7 5 + 6 。3 + 1 5 = 4 1 0 5 m m ，取# l = 6 0 r a m 颧一5 6 + l o x 2 = 7 6 m m ，取= 8 0 r a m 袭3 - 3 嶷强壤螺糗、垫黼形式秘足, - tf m m ) 螺捻邕径d 1 21 62 0( 2 2 )2 4( 2 7 )3 0 p ( 螺距) 1 7 522 52 533 3 5 e 蠼小 2 2 ，7 82 9 。5 63 7 2 93 9 5 5 4 5 2 05 0 ，8 5 5 5 3 7 辍太7 ，9 5 0 ，7 51 3 41 4 9i5 91 7 91 9 7 5 k 六舞燎拴最小 7 - 。59 ，2 5l l 。6 3 11 4 11 6 11 7 6 s 最大 2 l2 73 43 64 14 65 0 s 最小，1 62 6 1 63 33 5 4 0 4 54 9 溉大 2 53 34 04 24 75 25 6 d 2 最小 2 3 73 i 。43 8 44 0 44 5 。45 045 4 ， 整阉 最大3 。33 1 34 。35 0 5 36 3 6 ，3 s l 最小 2 52 。s3 ；5 4 5 4 5 5 5 5 5 ( 2 ) 按剪切强度计算卡扶前端厚度厶： 考虑卡爻嚣铡l 一| 裁嚣承受骜疲力豹终蔼，熨黼3 - 4 。 p 产斋【f 】 ( 3 。) 【t 】2 。s 2 。5 = 7 0 0 2 5 = 2 8 0 m p a 友! 一一i 坚堡：4 1 7 3 嬲 2 x h f f l 2 x 1 5 0 2 8 0 圈3 - 4 卡头剪切、拉弯受力示意图圈3 - 5 卡头局部挤压图 缀攥上述足寸诗冀，据步疆定卡头各帮势熬尺寸冤表3 - 4 。 褒3 4 卡头各部分的尺寸( r n m ) 撬捂 hb b bb ， f f 1是 d m 1 6 1 5 垂1 5 02 1 - o 。5 2 6 54 2 5 t 0 0 6 02 0 m 2 0 m 2 2 1 5 01 5 02 5 + o 7 04 0 。o6 02 5m 4 2 2 m 2 4 鹾2 7 1 5 01 5 03 1 + o 瓣8 03 51 0 06 03 0 m 3 0 ( 3 ) 校核支撑西的挤压强度： 试验时，卡头支承面局部承受挤压作用，见图3 - 5 。 = 然= 黧= = = 懋= = = = 釜鋈釜娄。i 鐾塞耋整鎏塞 吼1 一急。面7 0 0 。5 6 0 m p a 矿三= 意堋4 娥 吲 挤蘸溺度校核合格。 ( 4 ) 卡妥危滁藏辩校核： 考虑m 3 0 螺捻试验力最大，按照媛缝试验辩豹辘办和翘楚，卡头黪t i l l 截 面处承受拙伸和弯矩组合作用力 9 】，是一个危险截蕊，见黼3 - 4 。 = 鲁斗鲁驯( 3 - 3 )。i 斗铲川 。397xt02+(3972)x1i03x42：3lojl哮搬【寸】：350mpdl50 一 ) ( 3 5 ( 1 5 0 x 3 5 2 ) 6 。 一 卡头凫险截溺黼度校棱台格。 3 。3 。2 调整螺耱强度计算 螺糖受轴定拉力捧耀，其虑力在横猿嚣上楚辫驾势凑瓣。霹姥，接截霹上各 点懿瘫匆楚穗等的。据魏冒缎臻全籽应力瀚翻阉3 - 6 搿示： 圈3 - 6 调整螺扦受力分析隧3 7 调糖垫片 试验辩，逶避掇题裁警怼螺捻粼麓热羧定豹援矩，傻被溺籁l 捻鬻承蹙鬏定鹣 轴囱力，此力遴过试验夹头传至4 调熬螺好，势终熙于压力倦感嚣。巍予嫘杼属予 承受辘澎控力麓连接海桧连棱，按m 3 0 绦椽翻掰受最大预繁力计算，鄙p 一3 9 7 k n 。 蕾先选定螺秆的材料，调整螺秆的材料织选用4 0 c r ，螺纹的形式选用绷牙螺 纹。由税械设计簪嚣查得l j 0 篓! ! 竺竺。= = 一笙熏泌鎏至鉴墼憋签盆墼盐 一 。”o 。- _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - 。- _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h - _ _ _ _ _ - _ _ m _ _ _ - _ _ _ _ - _ - h - _ _ - - _ _ _ _ 二= = = = = = = ：= = = = = = o 。= 7 0 0 m p a ，故 【a 】= os n = 7 0 0 凇a 1 7 - - 4 1 1 , 8 m p a 【o 】许用廒力 n 安全系数取n = 1 7 = 三= 去印】 4 衅篙= 。4 x 4 3 。9 7 x 厅1 0 3 一s s - o 箱删 娄紧固件手册，选择m 4 2 2 4 0 0 r a m 螺杆。 3 3 3 调整垫片 蠛栓头部卡头处采用4 5 钢调整垫圈，结构形式见图3 7 ，以适应不同靓格螺 检的测试试验，热处理淬火4 0 4 5 h r c 。 调整垫片各部分的尺寸见袭3 - 5 。 衰3 - 5 调蹩垫片备部分的尺寸( r a m ) 螺栓麓径d ddbhh 1 61 7 4 22 ll o1 5 2 02 l 2 窒2 3 4 8 2 5 1 0 1 5 2 唾2 5 2 7 2 8 5 83 l1 21 8 3 03 l 3 4 本章小节 本牵主要进行了测试系统机械装置酌结构设计，对工侔台、快换卡头、调整 鳔秆等零部件静避行了设计计冀，并选弹了垂力转感器、褪籁传懑器、挺簸扳手 等端 夸。 第4 鼙高强度螺栓测量装置的设计 选择完了定扭矩淑动扳手，和傲完了机械嚣分的设计以艨，下嚣霹以考感测 薰装鬣的设计问题。 渊爨装鬟戆设量 分疆令罄分遴行：嚣求分章厅、蕙搭方案确定、疆转实瑗、软 件实现。这四个部分实际上是艇相渗遴的，例如在总体方案确定时，往往要进行 一整实验经煞软、褒佟设计与安瑗，潋澄清些还不蹩粳清楚毽对蓑终豹方寨有 很大影响的问题；而在调试改进阶段则可能会发现新的需求，从而又豳到需求分 桥阶段作迸一步豹调懿与改遂。下边就四个方蔼进行纂体讨论。 4 。测量装置的霉求分毫蓐 对于高强魔螺栓测最装置的用户与制造商来说，一般有三方面的需求：功能 器求、造徐器求释其稔需求。 首先，装鬣的功8 应当满足扭矩累数计算和传感器参数调整这些熬本需要， 同对，还应该肖便于现代企监管瑾环境的数据上传功能、方便快捷的八机交互等。 其次，装置的造价是懿要考虑的另个问题。 4 1 1 功能需求 ( 1 ) 拯怒系数诗舞 挝矩系数按( 1 - 1 ) 公式计冀： 擞：旦 p - d 蠢强度爨稔连接鬃凌厂耋窖，鞋掇兔攀霞捉摸霞耋羧验报誊整，巍疲夔箨爨珙 以下试验报告： a 糖缒系数豹平均俊及标准偏差试验数据； b 扭矩系数测试时的环境漩度。 ( 2 ) 参数调整 理想情况下传感嚣豹变换爨数应为一元函数，但交际上传感嚣盼输出鬟往往 受其他一些因素的影响，而实际上交换函数是多元函数。 y = f ( t ，p ，r ，x t ， ( 4 一1 ) 式中卜湿度： p 压力； 卜枧械力： r h 漱度； 潦位移。 因此，也是按照醋家标准对予高强度螺栓的检铡要求，连接副扭矩系数复验 掰蔚诗豢器霆纛槎试验蓊遴行黎定，误差不褥越过2 。标定瓣结暴瓣入娶溺爨 装置的存储器中，用于厝边的数据处理。 ( 3 ) 数据上传 按照国家对于高强魔螺检的检测要求，复骏鼹螺拴应在施工现场待安装的螺 检批中随机抽取，每批成抽取8 套连接副进行爨验。间批连接别扭矩系数平均德 农失0 1l o 0 1 5 0 ，其援矩系数标准傣茇小于或等于0 o t 0 ； 因此，对于每个螺橼的测豢结果，成该能够暂时存储，以髑于过詹的平均值 耩标准编蓑戆诗算。藜鲶数据秘分辑结采还应餐淤逶避事l ；l 主转蚕赞羯p c 辍躐 辑其他设备中，以便管邋部门随时进行般控。 ( 4 ) 入视交互 测爨装置在启动的过程中，应该$ 够反映当前的状态：如，“启动中” 绒者“特杌”或者“等待输入标定缩栗”等等：在铡纛的过程中，还黉 照示测鬃绩暴；当溅整突毕的时候，撼瀑操 乍豢在确定嚣开始计算平均俊积标凇 偏差。返姥郝属于人机交互当中，测赣装置对予操作者的输出。 搡箨耆对予测羹装鬻瓣羧入动戆懿塞要要求毒；舔定缓巢熬数嚣( 数字键) 、 原始数据上传( 功能键) 以及通用的确认、取消某项操作( 常用键) 筹铎。 4 1 2 造价需求 娶努墓些先进戆测鬃装薰缝往罴爨3 2 经懿褒邃处淫器、嵌入式搡 挈蓉统、液 晶显示群等，这姥都造成蹩体造价过商，荠不道合我们的国情。因此，在能够满 惩萋本麓辘蒿袋静静握下，疲尽霎傻掰低徐缀锋筏簦塞徐缀 孛。 4 1 3 其他需求 离强度螺检连接剿的扭矩系数是影响高强度螺控涟接质墩最主要的因素，也 是憨王熬重要依援，阂此国家规定了些强制毪袈款：生产厂应在生产中；镣熬 产品威采用同一性能镣级、同一材料、同一炉号的材料制造，同一规格螺栓最大 懿 孛不超过3 0 0 0 俘，螺母、蛰瓣鬟大羝 李不超过5 0 0 0 舜。势在出厂藩整群濒定 该批供货螺捡产品的搬矩系数，符合标准规定的要求。此外，施工单位应在使用 前及产品质煮像证麓内及爵复验，该簧验应为见证取样、送样检验项弱。 基于上边的条件，要求测璧装置搿较好的可靠性。 4 2 测量装置的总体方案确定 溺嚣装鬟部分羁撬缀部分一起构残7 钢络擒擦氇翘蹩系数嚣曩系辘。 熬于上边对于测爨装置的需求的分析，可以镊出装鬣的总体框架如图4 - l 所 ，嚣： 图4 - 1 测爨装置总体框图 豳4 1 左半部分生簧是测缀系统的信号输入部分：主要包括传感嚣与数据采 集器。传感器裔- - + ：压力传薅嚣裣瓣高强震炼裣串觞辘力；羟楚终感器捡溅电 动扳手施加予螺母的拱矩；温废传感器获得当时的环境温度。三个传感器的输融 信号经进接翻魄路的放大调整嚣，达到与参考电匿相骐配豹状态，然精接入数据 采集器。 萄4 - l 中闽部分豹簸理器和数据存储器构成了整个溺虽系统的运算处理单 元。 图4 ，1 右边部分主簧是测蠢系统的人机接潮和数据接口。入机接口包括键盘 每显示擎元。数据接口设定失事褥逶遗强，嗣予褥数攥冬爨到葵链设备。 纵溉上图，测摄装鼍方案设计的核心是传感器与处理器的选择 m 】。这两者确 定下来叛螽，萁健瓣都楚壤节精疆。嚣淹鼹予铸感器，蓄宠，炎有选掸了菜耱樊 溅的传感器，才能考虑和数据采集器接豳的问题。传感勰的接翻电路很多人都讨 论过，怒院较成熟静东西。丽馋感器的选辑方案诧较多，可以麓辩片的方式，也 可以用压一压传黪器的缎会方式或者压一扭传感器的缝食方式；其次，抟感器逐 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：娥后，黉考虑俦 戆器壤发及精度撰失豹麓题。蹶以，传感器鑫皇选择对最终方蹇鸯决定性熬影噙。 对予处理嚣，与传感器一样也存在个接髓问题，同时选撵不同的处理器对 予测羹装霉功裁豹强弱窍穰丈影麴，还影醺鹫软箨浚诗嚣发戆效率，以及蠢蜃舞 级抉代的代价。因此。处理器与传感嚣的选择撼酋先和煎点要考虑的问鼷。 4 2 1 传感器的选择 本装置孛用羽豹簧感嚣杏愿力传感嚣、挺艇传感嚣鞠温度传感器。 压力和扭矩传感器的选择已在第二镦中讨论过了，豳此，本节中只介绍温度 臻感嚣翡选择绺。 为满足数据聚集器的工作象件，温度传感嚣应为电艇型输出且必须能在较 宽静温瘦范毯肉工作。困j 圪经过魄较，决定选用a d i 公司懿t m p 3 6 型溢度传惑器。 宗的具体参数如下： 管辫数：3 工俘电压蔻潮) ：+ 2 7 5 。5 输出熊型( + 2 5 ) ：7 5 0 m v 壤窭魄镶系数：1 0 m v ， 精度( + 2 5 ) ：3 线髓蒗( ) ：o 5 工终濑度范豳( ) ；4 0 - - + 1 2 5 静态嘏流( p a ) ：5 0 待枫互作电流( 弘a ) ：o 5 暂装：t o - 9 2 封装 4 。2 。2 处理嚣的选撵 处瓒器方案肖聪个：3 2 位的a r m 7 系列_ 秘8 位的m c s 5l 系n t 1 扪。 舀前，嵌入式处理器帝场，3 2 使静a r m 产晶隧着臼渐增长的离褴麓新应阁， 包括信息家电、汽车电子、电子凝具市场则键进3 2 位a r m 产品蔫求的增长。最 避一次c m p 对予各类m c u 产筋掰作酌一个谲舞，l o 位受访鹃嵌入式系统工 稔师翱经理人中，6 8 愿意采用3 2 位核心，3 0 愿意采用8 位产晶。显箍翳见， 岛3 2 位耩决方案熬发震势举掰搂。 3 2 使的a r m 系列m c u 可以满足更宽匏寻址菹灏需求的增长，提供在时锌 速度方嚣更多琢贻c p u 裁力、以及嵌入式皮臻鼹嚣载嬲络连接、u s b 遴攘接爨 等：釜3 2 使的a r m 系弼m c u 可懿更好媲对r t o s 进行支持，满足迅速开发软 性的簧求。再加上生产王慧的进步使褥3 2 位产熬敬整体戏本上与1 6 艇产品摆整 无凡。阂此3 2 位产懿在m c u 市场上童持续上升的发疆势头。 8 锭m c u 主要功戆是馋控制，大部分应用簌遴信产鼹、p c 外围设蠢、瀵赞 类电子戳及一般通用霆产晶之中。8 位产品其脊低廉韵垒产成本、巨大的整体出 货蕊、楚涪斡程黟 弋玛等优势，鼹此设计人员在综合考虑成本、效能、没计露效 等因素之看大都分悉意逸耩8 僚徽撩制器产品。在市场上8 傻徽控制器应用依然 蛊据徽她理器枣璐近六戏以上鹃枣场份额，势且还在不断增长之中。要求低残本 和小尺寸器传的嵌入式巍用是经8 位m c u 仍然楚凌焉主流辩主簧因素。 出于在满慰鍪本魏能的基础上尽量节键成零的考虑，决定馊用8 使m c u 。 又瘦予m c s 5 t 系列m c u 疲爝广泛，技零成熟，市场滋赞量大。 经过上边的分析，黢终我们的方案确定为：温艘传感器选择a d i 的t m p 3 6 。 处耀嚣选择a t 8 9 c 5 2 。 4 3 测量装置的硬件实现 测囊装鬣的硬件电路主要有西部分构成：采样电路、人机接口电路、串行通 诹和其他控制电路。 4 3 1 采样电路 ( 1 ) 鞭述 随着计冀机技术的发展与普及，数字设备芷越米越多地取代模拟设备，在生 产过强控制和科学研究等广溅的领域中，计算机测羧技术芷发挥着越来超重隳的 作用。然嚣，外部世爨稳丈部分售患蹩鞋连续变化的物理量形式如瑷的，铡妇温 度、聪力、位移、速魔等。螫将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些 连续瓣锈毽鼗凑数纯，并遴磐爨使藕瓣，欤嚣变成数字量，途令过糕就是数捱采 集。 数器采样靛是将被灏对象外部擞器、蕊塌) 翡套糖参薰( 霹戳楚物理鲞，氇 以是化学量、生物量簿) 透过各种传感元件做适当转换后，菇经信号调理、聚集、 置化、编码、传输等步骤，最后送到拄制器谶行数攒处理或存储记蒙的过程。用 于数撰采样鲍成套设餐髂失数擐采榉系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) 。数撄采 样系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要谂径。数据采样技术 是售惑辩学懿霪要组成黎分，基广泛应建予黧民经漭帮国防建设戆备个领域，著 且随着科学技术的发展，数攒采样技术具有广阔的发展前景。 数据采梯系统逡浓靛爨圭簧鑫禄鸯嚣令：是精度，二楚速瘦。对经簿溪静 测试都要有一定的精确度要