螺栓組受力試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真說明書

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)螺栓組受力試驗(yàn)臺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真MECHANISM DESIGN AND SIMULATION OF BOLT SET THE FORCE TEST RIG 學(xué)生姓名 陶文學(xué)院名稱 機(jī)電學(xué)院學(xué)號 20110608327班級 11機(jī)制（3）專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化指導(dǎo)教師 陳鳳騰2015年 5月 24日工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意

2、識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 日期： 年 月 日 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要多功能螺栓組試驗(yàn)臺是驗(yàn)證螺栓組

3、性能并對其進(jìn)行分析的實(shí)驗(yàn)臺，利用杠桿原理增加螺栓拉力并進(jìn)行驗(yàn)證分析。Labview軟件是美國NI公司開發(fā)，應(yīng)用最廣泛的圖形化編程軟件之一。它是一種真正意義上的圖形化編程語言，采用工程技術(shù)人員所熟悉的術(shù)語和圖形化符號代替常規(guī)的文本語言編輯，具有界面友好、操作方便、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)的仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等方面。本畢業(yè)設(shè)計(jì)旨在對螺栓組受力試驗(yàn)臺的螺栓連接靜、動態(tài)參數(shù)例如螺栓組直徑、受載及電阻應(yīng)變片的信號以及傳感器的信號等進(jìn)行采集、處理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并利用虛擬儀器和LabVIEW對受力信號進(jìn)行分析處理，驗(yàn)證螺栓組受力和虛擬儀器的信號分析能力，手工繪制和計(jì)算機(jī)

4、繪制螺栓連接的力變形曲線。關(guān)鍵字 螺栓組；試驗(yàn)臺；虛擬儀器；Labview Abstract Multifunction bolt set test rig is to verify the performance of the bolt group and its bench analysis, the use of leverage to increase the bolt tension and confirmatory analysis.NI Labview software is developed by one of America's most widely used g

5、raphical programming software. It is a graphical programming language a real sense, the use of engineering and technical staff are familiar with the terminology and graphical symbols instead of regular text language editor, with user-friendly, easy to operate, short development cycle, which is widel

6、y used in various industries simulation, data acquisition, instrument control, measurement analysis and data display and so on.This graduation designed to bolt for bolt groups stress test rig is connected static and dynamic parameters such as the diameter of the bolt group, under load and resistance

7、 strain gauge sensor signals and signals, etc. collection, processing, structural design and the use of virtual instruments and LabVIEW for the force signal analysis and processing, signal analysis capability to verify the bolt group by force and virtual instruments, hand-drawn and computer drawing

8、strength bolting - deformation curve.Keywords bolt group test-bed virtual instrument Labview 目 錄1.緒論11.1多功能螺栓組連接試驗(yàn)臺概論11.2虛擬螺栓組連接實(shí)驗(yàn)臺簡介1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和功能11.3螺栓組試驗(yàn)臺概述3螺栓組連接試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡介31.4實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線圖42螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析52.1螺栓組連接概述5螺栓組連接形式5螺栓組連接試驗(yàn)臺工作原理63.實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析83.1設(shè)計(jì)要求83.2 課題的主要參數(shù)8試驗(yàn)臺主要技術(shù)參數(shù)8螺栓的基本參數(shù)8螺栓的受力分析94螺栓組中螺栓的受力與應(yīng)變的

9、計(jì)算114.1 工作負(fù)載變化時受力最大螺栓的負(fù)載應(yīng)變變化計(jì)算114.1.1 計(jì)算螺栓組所受的工作負(fù)載12計(jì)算單個螺栓所受的最大工作拉力12螺栓所受的總拉力及應(yīng)變13負(fù)載變化時螺栓的力與應(yīng)變135.虛擬儀器155.1虛擬儀器概念155.2虛擬儀器優(yōu)點(diǎn)155.3 Labview165.3.1 Labview概念165.3.2 Labview特點(diǎn)166.虛擬信號的采集176.1數(shù)據(jù)采集概念176.2數(shù)據(jù)采集過程18數(shù)據(jù)采集硬件18硬件安裝與配置18添加CompactRIO系統(tǒng)到Labview項(xiàng)目中196.2.4 數(shù)據(jù)采集197.虛擬信號的處理與分析227.1濾波22算術(shù)平均濾波法原理及準(zhǔn)備工作22設(shè)

10、置For循環(huán)22添加其余組件23整體完善247.2放大257.3數(shù)據(jù)分析概述257.4信號的時域分析25相關(guān)性分析26卷積分析26幅值及電平分析27諧波失真分析277.5信號的頻域分析27傅立葉變換28譜分析29拉普拉斯變換分析298.信號顯示與仿真篇308.1數(shù)據(jù)的顯示30創(chuàng)建波形圖30設(shè)置波形圖的屬性318.2信號仿真328.3系統(tǒng)總程序框圖的設(shè)置及其仿真圖的生成32結(jié)論34致謝35參考文獻(xiàn)361.緒論1.1多功能螺栓組連接試驗(yàn)臺概論在生產(chǎn)生活中，從制造、安裝、運(yùn)輸以及提高勞動率等方面來說，采取常見的連接方式有螺紋連接、鍵連接及銷連接，其中尤以螺紋組連接應(yīng)用最廣。因?yàn)槁菟ㄟB接應(yīng)用最廣，而L

11、abview在這幾年中發(fā)展越來越快，逐漸變成一個趨勢，所以在把螺栓組試驗(yàn)臺與Labview結(jié)合起來一起研究，完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。螺紋組的連接主要有兩個作用：緊固與傳動。因此在設(shè)計(jì)螺栓組連接方式時就要針對各個目的提出各種針對性的要求。綜合各種連接的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了這個“多功能螺栓組受力實(shí)驗(yàn)臺”，不僅使加載方式多樣化，實(shí)驗(yàn)的測試方式也變得多樣化起來。同時，通過改變該實(shí)驗(yàn)臺螺栓組的個數(shù)和排列的方式、螺栓的材料，負(fù)載的加載方式，才彌補(bǔ)了物理實(shí)驗(yàn)臺的缺點(diǎn)，才真正上實(shí)現(xiàn)“多功能”。多功能螺栓組試驗(yàn)臺除了能做螺栓組連接實(shí)驗(yàn)（測定螺栓組的負(fù)載分布）外，還可以做齒根彎曲應(yīng)力的測定、梁的應(yīng)力測定和電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)

12、測定等實(shí)驗(yàn)。1.2虛擬螺栓組連接實(shí)驗(yàn)臺簡介1.2.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和功能虛擬螺栓組連接實(shí)驗(yàn)臺的開發(fā)基礎(chǔ)是物理實(shí)驗(yàn)臺的基本原理，因此，必須保證虛擬螺栓組連接實(shí)驗(yàn)臺與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)臺的試驗(yàn)過程相同或相似?，F(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)臺的試驗(yàn)過程是當(dāng)改變螺栓組的排列方式和負(fù)載時，要確定螺栓組受力的最大值，并分析其受力形變關(guān)系，并繪制它的受力形變關(guān)系圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求，實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)具備如下的功能：（1）螺栓組排列方式：組成排列形式各不相同的螺栓組，并且便于修改和 變更螺栓組實(shí)驗(yàn)臺中螺栓的材料、尺寸等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)臺中螺栓的排列方式如圖1.1所示。圖 1.1 螺栓的排列方式（2）裝載部件：對螺栓組施加各種不同的負(fù)載，或用各種不同的

13、負(fù)載共同作用在螺栓組上。施加負(fù)載的具體過程如圖1.2所示。平移螺釘，轉(zhuǎn)動手柄，從而改變負(fù)載。此時可以獨(dú)立施加的負(fù)載有A、B、C3種不同的負(fù)載情況。左邊的液壓缸連接著負(fù)載的頂端，使其左右平移，施加了負(fù)載D。A、B、C、D就是施加在螺栓組上的4種不同負(fù)載。圖1.2 施加負(fù)載的過程（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理部件：當(dāng)分析了螺栓的排列方式和施加負(fù)載的情況之后，確定了螺栓的負(fù)載情況，確定受到負(fù)載最大的螺栓和它的負(fù)載大小，并繪制這個螺栓的受力形變圖。為了完成各種功能，物理實(shí)驗(yàn)臺要合理設(shè)計(jì)物體的結(jié)構(gòu)。但是為了提高實(shí)驗(yàn)臺的可靠性，同時也為了使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多元化，以及使實(shí)驗(yàn)臺具備很多功能，設(shè)計(jì)出的物理實(shí)驗(yàn)臺肯定會因此具有復(fù)

14、雜的結(jié)構(gòu)，操作也肯定會很繁瑣。為了驗(yàn)證畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，就想到將實(shí)驗(yàn)過程在計(jì)算機(jī)中模擬出來，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將其虛擬化，借此完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這是一種方便并且實(shí)用的解決方案。1.3螺栓組試驗(yàn)臺概述螺栓組連接試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡介螺栓組連接試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。圖中1所示為托架，在實(shí)際使用過程中中大多數(shù)情況下為水平放置，但是為了避免由于自重所產(chǎn)生的力矩的影響，在這里將它設(shè)置為垂直放置。托架以一組螺栓3連接于支架2上。隨著螺栓組中的螺栓所受負(fù)載的變化，圖中8所示的電阻應(yīng)變片也會隨之變化，用電阻應(yīng)變儀來測量這個變化量。在螺栓的兩邊各設(shè)置一個電阻應(yīng)變片，將它們的輸出端口串聯(lián)。引線由孔7中接出。1.4實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線

15、圖虛擬儀器和Labview概述明確本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理螺栓組中螺栓的受力與應(yīng)變的計(jì)算數(shù)據(jù)分析 信號顯示與仿真得出結(jié)論 2螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析必須要熟悉螺紋的連接性質(zhì)，明確本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，只有這樣，才能完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)過程中碰上各種問題時，才能改進(jìn)該螺栓組實(shí)驗(yàn)臺以滿足實(shí)驗(yàn)的要求。 本章主要講解了螺栓組結(jié)構(gòu)，以及如何實(shí)現(xiàn)其功能等內(nèi)容。具體內(nèi)容如下：螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析；螺栓組加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.1螺栓組連接概述很多螺栓連接件都是成對使用的，其中以螺栓組連接的方式是最典型的。螺栓組和被連接件是螺栓組連接的主要結(jié)構(gòu)。下面就是對螺栓組連接的

16、設(shè)計(jì)以及計(jì)算。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的螺栓組連接的設(shè)計(jì)過程包括以下兩個方面：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選定螺栓組的數(shù)量和排列方式;（2）受力分析根據(jù)螺栓連接的結(jié)構(gòu)以及負(fù)載情況，求出螺栓組中螺栓受力的大小，并畫出它的力形變關(guān)系圖。2.1.1螺栓組連接形式合理的安排接合面的幾何形狀以及螺栓的排列方式，這是進(jìn)行螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的。為了使螺栓與連接接觸面受力均勻，使加工以及裝配過程更加方便。在設(shè)計(jì)時應(yīng)該考慮下面幾個問題：（1）一般情況下，將接觸面的幾何形狀設(shè)計(jì)成簡單的軸對稱圖形。如圓環(huán)狀、橢圓狀、三角狀等形狀，這樣不僅使加工及裝配過程更加方便，也使得螺栓組的對稱中心和接觸面的中心重合，保證接觸面處的受力相對均勻。

17、（2）螺栓的排列方式必須讓所有螺栓受到的負(fù)載合理分配，當(dāng)螺栓連接受到負(fù)載時，應(yīng)該使螺栓盡量靠近連接觸面的邊沿，以減小螺栓的受到的負(fù)載。（3）分布的螺栓之間應(yīng)該有合理的距離。螺栓在排列時，應(yīng)根據(jù)扳手需要的運(yùn)動空間來決定所有螺栓中軸線間以及螺栓軸線和機(jī)體壁間的最小距離，。（4）螺栓的數(shù)量應(yīng)設(shè)計(jì)成容易度量的數(shù)量，這樣在圓周上鉆孔的時候進(jìn)行度量和畫線就很方便了。同一個螺栓組里面的螺栓材質(zhì)、大小和長度都應(yīng)該一樣。（5）螺栓和螺母的底部應(yīng)該平滑整齊，并且垂直于螺栓的中軸線，防止產(chǎn)生偏心負(fù)載。為此，可以把被連接件的支撐面設(shè)計(jì)成凸凹狀。當(dāng)支撐面是傾斜的時候，可以使用斜面墊圈等方式。綜合考慮以上幾個方面，確定了

18、本螺栓組實(shí)驗(yàn)臺的排列形式，如圖2.1所示：螺栓組連接試驗(yàn)臺工作原理當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始時，螺栓組受到一個橫向的力矩，該力矩的作用則使托架產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)趨勢，使得各個螺栓受到外力不一樣大。根據(jù)螺栓的形變狀態(tài)條件，所有螺栓受到的拉力F與螺栓中心線到托架底面中線的距離L成正比。見式（1.1）。式中，F(xiàn)1，F(xiàn)2因?yàn)橥屑苁艿搅氐挠绊懚孤菟ㄊ艿降牧Γ∟）； L1，L2從托架中線到與其對應(yīng)的螺栓中線之間的距離（mm）；本試驗(yàn)臺中第2、4、7、9號螺栓下標(biāo)為1；第1、5、6、10號螺栓下標(biāo)為2；第3、8號螺栓與托架中心線之間的距離為零，既L=0。根據(jù)靜力平衡條件得：見式（1.2），（1.3）。式（1.2）式中，Q托架受到

19、的力（N）； h0托架受力點(diǎn)到接合面的距離（mm）。本實(shí)驗(yàn)中取Q=3500N；h0=210mm；L1=30 mm；L2=60 mm。則第2、4、7、9號螺栓的工作負(fù)載為：見式（1.4） 3.實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析3.1設(shè)計(jì)要求本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求利用螺栓組受力試驗(yàn)臺對螺栓連接的靜、動態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集和處理，利用虛擬儀器和LabVIEW對受力信號進(jìn)行分析，驗(yàn)證螺栓組受力和虛擬儀器的信號分析能力。并利用計(jì)算機(jī)繪制螺栓連接的力變形曲線。3.2課題的主要參數(shù)試驗(yàn)臺主要技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)臺主要技術(shù)參數(shù)如下：1、試驗(yàn)螺栓電阻應(yīng)變片阻值R=350；2、靜態(tài)應(yīng)變儀誤差范圍：±0.3%；3、聯(lián)接螺栓工作直徑d=6

20、.00mm；4、傳感器精度：±0.2。螺栓的基本參數(shù)1.螺栓材料的選擇常用的螺栓材料有Q215、2Q35、35和45號鋼，本此畢業(yè)設(shè)計(jì)中螺栓無特殊用途，根據(jù)工作條件，選擇常用材料45號鋼。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得其力學(xué)性能為： 2.確定螺栓的許用應(yīng)力設(shè)計(jì)中取螺栓的直徑為：d=10mm選取螺栓數(shù)目為：14對鋼質(zhì)螺栓的應(yīng)力為：見式（3.1） 式（3.1）式中：螺栓連接的許用應(yīng)力，MPa； s螺栓材料的屈服極限，MPa； S 安全系數(shù)， S=1.2 1.7，在這取S=1.5。 螺栓的受力分析本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，螺栓組受橫向負(fù)載和傾覆力矩的影響，這樣一般采用受拉螺栓連接的方式。當(dāng)?shù)装迳现谎b有4個螺栓時，

21、系統(tǒng)受到的拉力最大，螺栓受工作負(fù)載FR。在工作負(fù)載FR的作用下，螺栓組受橫向力和翻轉(zhuǎn)力矩：橫向力：FR 翻轉(zhuǎn)力矩：M=：FR*185為了不讓被連接件之間產(chǎn)生相對滑動運(yùn)動，則有： 或 式（3.2）式中： z螺栓數(shù)目； F接觸面間的摩擦系數(shù)，f=0.06 0.10，取 f=0.1； M接觸面對數(shù)； Kf摩擦力傳遞負(fù)載時的系數(shù)，一般取 1.2； F施加負(fù)載后螺栓所受到的預(yù)緊力；1. 受橫向負(fù)載時螺栓預(yù)緊力的計(jì)算 當(dāng)擰緊螺母時，螺栓螺紋部分不僅受預(yù)緊力F所產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用，同時還受螺栓與螺母之間扭矩應(yīng)力的作用。根據(jù)第四強(qiáng)度理論及對大量螺栓預(yù)緊力的分析知道，其復(fù)合應(yīng)力ca的計(jì)算只需要將拉伸應(yīng)力加大30%

22、，其強(qiáng)度條件為： 即： 則有： 式（3.3）2. 螺栓組工作負(fù)載FR的計(jì)算如上所述：即： 式（3.4） 則最大工作負(fù)載： 式（3.5）3. 傾覆力矩的計(jì)算底部面板是剛體，繞對稱軸線有翻轉(zhuǎn)的趨勢，則力矩： 式（3.6）在此力矩的作用下，對稱軸線上的螺栓被拉緊，螺栓軸向力增大; 下邊的螺栓被松開，使螺栓的預(yù)緊力減小。 4. 單個螺栓所受的工作拉力受力最大的螺栓的拉力為： 式（3.7）螺栓所受的總工作拉力為： 式（3.8） 4螺栓組中螺栓的受力與應(yīng)變的計(jì)算本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的螺栓組，是受到橫向負(fù)載、翻轉(zhuǎn)力矩的作用，這樣的連接采用的是受拉螺栓連接。螺栓除了可能被拉斷外，還會有支架沿接觸面滑動的情況發(fā)生，并

23、且在負(fù)載的作用下，接觸面的上沿可能產(chǎn)生縫隙。當(dāng)螺栓擰緊后，在接觸面間就產(chǎn)生了摩擦力，橫向負(fù)載就是借助這些摩擦力來傳遞的。在設(shè)計(jì)時，一般要避免連接的接觸面滑動這種情況發(fā)生。而根據(jù)螺栓的形變條件，在翻轉(zhuǎn)力矩的作用下各螺栓會產(chǎn)生拉伸變形，這個拉伸變形量是和它的中軸線到螺栓組對稱軸線之間的距離成正比。4.1 工作負(fù)載變化時受力最大螺栓的負(fù)載應(yīng)變變化計(jì)算對于如圖（4.1）的連接形式：圖4.1 螺栓的連接形式（主視圖）如圖（4.2）所示，當(dāng)只有4個螺栓時（分別為螺栓1、7、8、14），在工作負(fù)載的作用下，螺栓組承受如下各力和翻轉(zhuǎn)力矩作用：橫向力、翻轉(zhuǎn)力矩， 圖4.2螺栓的連接形式（左視圖）本節(jié)中，將計(jì)算當(dāng)

24、工作負(fù)載變化時，受力最大的螺栓7、8的總拉力和應(yīng)變變化值。4.1.1 計(jì)算螺栓組所受的工作負(fù)載 當(dāng)工作負(fù)載為1000N時，即橫向力FR =1000N時，預(yù)緊力F如前章所計(jì)算的 N力矩：計(jì)算單個螺栓所受的最大工作拉力由M引起的螺栓最大拉力為： 式（4.1） 式中： FiM由M引起第i個螺栓受的拉力（N）； Li 對稱軸線到第i個螺栓的距離（mm）。螺栓所受的總拉力及應(yīng)變式（4.2） 式中： Fi第i個螺栓受的總拉力（N）； 查表得：C1/C1+C2=0.2。 總拉力產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋?式（4.3） 式中：i 第i個螺栓的應(yīng)變； E 螺栓材料的彈性模量，E=200*109MPa； A 螺栓的橫截面面積

25、，mm2。負(fù)載變化時螺栓的力與應(yīng)變當(dāng)負(fù)載在04850N之間變化時，螺栓7、8所受的總拉力和應(yīng)變計(jì)算步驟如上所述，可計(jì)算的總拉力及應(yīng)變?nèi)缦卤恚?-1）。表4-3工作負(fù)載變化時螺栓的力與應(yīng)變外載荷力F(N)應(yīng)變（10-4）500100015002000250030003500400045004850F145511461014670147291478814848149071496615026150659.269.39.349.389.429.469.59.539.579.6力應(yīng)變線圖為： （10-4） 外載荷圖4.4工作負(fù)載變化時螺栓的力應(yīng)變線型圖5.虛擬儀器5.1虛擬儀器概念5.2虛擬儀器優(yōu)點(diǎn)（1

26、） 可操作性強(qiáng)。用戶可以自定義虛擬儀器的面板，對于不同的使用目的可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面，是其可操作性大大加強(qiáng)。圖5.1虛擬儀器的構(gòu)成部件5.3 Labview5.3.1 Labview概念LabVIEW由美國NI公司研發(fā)的是一種程序開發(fā)環(huán)境，但不同的是，LabVIEW是一種圖形化的編程語言。 LabVIEW軟件是研制測量或者是控制系統(tǒng)的首要選擇。 LabVIEW的開發(fā)環(huán)境幾乎集中了工程師和科學(xué)家們快速建構(gòu)各種應(yīng)用所需要的所有工具，其目的是幫助工程師和科學(xué)家們在解決問題時更加方便，提高科學(xué)生產(chǎn)力。 5.3.2 Labview特點(diǎn) Labview使用圖形化的儀器編程環(huán)境，內(nèi)置程序編譯器，運(yùn)行速

27、度快。同時它還配備了龐大的數(shù)據(jù)庫，從基本的功能函數(shù)到高級分析庫，幾乎涵蓋了儀器設(shè)計(jì)中需要的所有函數(shù)及驅(qū)動程序。 圖5.2Labview工具模板 圖5.3Labview的控制模板6.虛擬信號的采集本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是利用螺栓組受力試驗(yàn)臺對螺栓連接靜、動態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集、處理，利用虛擬儀器和LabVIEW對受力信號進(jìn)行分析，驗(yàn)證螺栓組受力和虛擬儀器的信號分析能力并繪制螺栓連接的力形變曲線。所以，在開始本次畢業(yè)設(shè)計(jì)之后，要做的第一步就是數(shù)據(jù)采集，將螺栓組試驗(yàn)臺的數(shù)字信號采集出來。本節(jié)詳細(xì)介紹了螺栓組試驗(yàn)臺的數(shù)據(jù)采集部分，包括硬件選擇，端口設(shè)置等。6.1數(shù)據(jù)采集概念 數(shù)據(jù)采集就是將數(shù)據(jù)從被測點(diǎn)用各類

28、方法導(dǎo)出和傳輸?shù)囊粋€過程。它為后面的處理工作提供數(shù)據(jù)來源。經(jīng)常要在數(shù)據(jù)采集之前設(shè)置傳感器和信號，這涉及到信號的收集、數(shù)字化以及存儲等內(nèi)容。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從一般的結(jié)構(gòu)上講，由5部分組成 ：（1）傳感器傳感器是能感受到螺栓組試驗(yàn)臺的信息，將其變換成為電信號或其他形式的信號。經(jīng)常用到的傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等。（2）信號 信號是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的傳輸介質(zhì)，不同的信號有不同的處理方式，通常包括數(shù)字信號和模擬量信號兩種。（3）信號調(diào)理信號調(diào)理通俗的來講就是對信號的進(jìn)行處理，因?yàn)樾盘栐谵D(zhuǎn)化過程中因?yàn)樾盘柋旧聿磺宄騻鬏斶^程中的丟失等原因，需要對信號進(jìn)行還原或相應(yīng)的處理。

29、（4）數(shù)據(jù)采集硬件數(shù)據(jù)采集硬件是將模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化裝置，也是連接計(jì)算機(jī)和外面器件的接口，其功能就是把調(diào)理后的信號合并成一組量。（5）驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件是為了配合硬件工作而裝載的一種軟件工具。為了運(yùn)行Labview，必須安裝一些操作驅(qū)動。圖6.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.2數(shù)據(jù)采集過程數(shù)據(jù)采集硬件硬件安裝與配置添加CompactRIO系統(tǒng)到Labview項(xiàng)目中在Labview開始窗口中新建一個項(xiàng)目，點(diǎn)擊啟動界面左側(cè)向?qū)Э騼?nèi)的“新建VI”選項(xiàng)，則新建了一個空白項(xiàng)目，為該項(xiàng)目命名并保存。在項(xiàng)目名稱出點(diǎn)擊右鍵選擇“新建”“目標(biāo)和設(shè)備”，這時會自動彈出一個窗口，拓展打開6.2.4 數(shù)據(jù)采

30、集首先，確定了需要導(dǎo)入的螺栓組試驗(yàn)臺的數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)的螺栓組實(shí)驗(yàn)臺的型號是Lsc-II型，所以主要需要導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)臺中電阻應(yīng)變片及其受力情況的靜動態(tài)參數(shù)，所以需要一個靜態(tài)應(yīng)變儀和電流傳感器，這些都可以裝配在NI 就開始進(jìn)入數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)了。首先，在前面板中左鍵單擊“窗口”“顯示程序框圖”，打開了一個與前面板相對應(yīng)的程序框圖，稱之為后面板，后面板主要是用來對前面板控件中的接線端口以及一些僅在后臺運(yùn)行的連線、函數(shù)和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)置。接下來，點(diǎn)擊后面板中的“查看”命令按鈕，在彈出的對話框中左鍵單擊選擇“函數(shù)”，在彈出的下拉列表中中左鍵單擊“互接接口”“輸入設(shè)備控制”“輸入數(shù)據(jù)采集”，在彈出的對話框中左鍵單擊

31、確定，電腦既自動通過NI CompactRIO開始采集螺栓組受力試驗(yàn)臺Lsc-II中關(guān)于螺栓組電流的數(shù)據(jù)參數(shù)。圖6.4數(shù)據(jù)采集程序圖7.虛擬信號的處理與分析CompactRIO中提供了電壓源和電流源，已經(jīng)為螺栓組受力試驗(yàn)臺的電阻應(yīng)變片提供了所需的激勵信號，所以不在需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行激勵處理，本章主要討論的是對采集到的原始信號進(jìn)行濾波、放大和線性化的操作。7.1濾波算術(shù)平均濾波法原理及準(zhǔn)備工作設(shè)置For循環(huán)添加其余組件整體完善7.2放大7.3數(shù)據(jù)分析概述在在Labview中，數(shù)據(jù)處理、實(shí)時分析和高速浮點(diǎn)運(yùn)算已經(jīng)變得越來越重要。采集到的任何信號，在傳輸?shù)絇C里后，都要對信號進(jìn)行分析，為接下來的實(shí)驗(yàn)打好

32、基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)分析有以下幾個特性：（1）通過時間和頻率函數(shù)，可以精確地測量和限制數(shù)據(jù)的幅值。頻譜使用一半的取樣頻率，采用單邊的方式進(jìn)行計(jì)算，不會出現(xiàn)負(fù)頻率。（2）輸出量中包含了長度、大小等物理量，刻度標(biāo)注靈活，可以直接顯示或調(diào)用數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)的輸入值被設(shè)定為實(shí)數(shù)。（4）所有的數(shù)據(jù)可以在程序之間方便地傳輸。7.4信號的時域分析 Labview中有多種信號分析方法，最重要的方法是將數(shù)據(jù)進(jìn)行時域到頻域的轉(zhuǎn)換。下面，將為大家詳細(xì)地介紹這兩種方法。信號的時域分析是指對信號的時域數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和計(jì)算，具體來說，就是在不同時間段下對信號進(jìn)行變換、縮放、微分、積分等各種分析運(yùn)算，從而提取出對研究和實(shí)驗(yàn)有用的信號的

33、時域特征。時域分析一般就是分析原始信號的第一步，信號的時域特征往往也為其他分析方法提供了重要參考，奠定了信號分析的基礎(chǔ)。相關(guān)性分析 卷積分析卷積運(yùn)算是對信號進(jìn)行時域分析的最有有效的一種方法。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示。 式（7.3）這個表達(dá)式也可以簡寫為：卷積的編程不是很難，只需要按照要求把任意量和脈沖對應(yīng)接入就行了，再此不多做敘述。幅值及電平分析幅值及電平分析反映了波形數(shù)組的幅值、高、低兩種狀態(tài)的電平。數(shù)據(jù)輸入接口的功能如下所示：幅值和電平分析主要是對一個信號量進(jìn)行量化操作，得出各類數(shù)據(jù)。先產(chǎn)生一個信號，再用幅值和電平函數(shù)處理后得到各相關(guān)量。諧波失真分析諧波失真分析就是對輸入的信號進(jìn)行諧波分析，這

34、里面包括測量基頻和諧波，并將基頻和所有諧波的幅值電平返回。其端口功能如下所示：7.5信號的頻域分析信號的頻域分析是指對信號的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和計(jì)算。一些從時域上無法解決的問題，往往從時域上無法解決的問題，往往通過頻域分析就可以有效的解決。下面，就詳細(xì)講解一下頻域分析中經(jīng)常性使用到的幾種方法。傅立葉變換傅立葉變換能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行變換并且對其進(jìn)行各種計(jì)算的一種非常有用的數(shù)學(xué)分析方法。傅立葉變換有兩種表現(xiàn)形式，離散傅立葉變換和快速傅立葉變換。當(dāng)采樣量較大時，離散傅立葉變換計(jì)算起來相當(dāng)麻煩，所以在這里選擇第二中變換方法快速傅立葉變換?？焖俑盗⑷~變換可以分為實(shí)數(shù)、負(fù)數(shù)、二維實(shí)數(shù)和二維復(fù)數(shù)這幾種變換。以下是

35、進(jìn)行快速傅立葉變換的具體方法：（1）在后面板的菜單欄中，點(diǎn)擊“查看”“函數(shù)選板”命令按鈕，這時出現(xiàn)一個“函數(shù)”選板。（2）左鍵單擊“函數(shù)”“信號處理”“信號運(yùn)算”“變換”“FFT”命令，這時，一個快速傅立葉變換函數(shù)就創(chuàng)建完成了。（3）為了調(diào)節(jié)同期和幅值以及顯示出波形，這時需要產(chǎn)生一個正弦波形。（4）由于單一的波形濾波效果不是特別明顯，所以這時要用同樣的波形通過復(fù)合運(yùn)算添加一些毛刺。這樣，原始波形就會變得不規(guī)則，F(xiàn)FT的濾波效果就會顯得比較明顯。（5）對原始波形進(jìn)行FFT變換。將原始數(shù)據(jù)與先前創(chuàng)建的FFT函數(shù)的數(shù)據(jù)端口相連接，并對數(shù)組進(jìn)行變化，這樣是為了以后對數(shù)據(jù)波形進(jìn)行變換，使其更加直觀地顯示

36、出來。（6）在FFT變換結(jié)束后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相除操作，接著對復(fù)數(shù)進(jìn)行“復(fù)數(shù)至極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”。這樣，就可以更加直觀地看到變換結(jié)果。圖7.4正弦信號的程序設(shè)計(jì)譜分析譜分析就是在頻譜上對數(shù)組進(jìn)行分析，使波形更直觀地表現(xiàn)出來。其中最常見的分析方式是功率譜的分析和應(yīng)用。功率譜分析包含了許多函數(shù)，下面對包含的一個函數(shù)進(jìn)行詳解，其它函數(shù)原理相差不大。自功率譜的公式如下所示： 式（7.4）其中，n是信號中點(diǎn)的個數(shù)，*表示復(fù)共軛。進(jìn)行譜分析的具體方法如下：（1） 為了顯示出自功率譜，必須先產(chǎn)生一個連續(xù)的波形。這里使用“基本函數(shù)發(fā)生器”產(chǎn)生幾種可調(diào)波形，并設(shè)置好頻率、幅值等后顯示。（2） 接著對產(chǎn)生的波形進(jìn)行自功率譜

37、變換，得到最后的圖形。拉普拉斯變換分析拉普拉斯變換分析常用在工程數(shù)學(xué)中，它對于把信號從時域上轉(zhuǎn)換為復(fù)頻域非常有效。實(shí)數(shù)信號的實(shí)數(shù)拉普拉斯變換定義為： 式（7.5）其中，S是大于等于0的實(shí)數(shù)。在對離散的采樣信號進(jìn)行離散拉普拉斯變換時，要對上述運(yùn)算法則進(jìn)行連續(xù)變換。比如說時間信號隨著時間迅速增加，則拉普拉斯變換的定義無效。由于離散拉普拉斯變換并不能完全檢測出原定義的收斂，并且其計(jì)算代價高昂，所以有效使用離散拉普拉斯變換的策略是以快速傅立葉變換為基礎(chǔ)。編寫拉普拉斯變換的程序與編寫自功率譜變換的程序一樣，只是在對程序的信號變換時才使用拉普拉斯變換函數(shù)。8.信號顯示與仿真篇在上面兩章的內(nèi)容中，主要討論了

38、對收集到的信號進(jìn)行處理以及分析的操作。通過NI CompacRIO采集到的螺栓組受力實(shí)驗(yàn)臺的電阻應(yīng)變片的原始數(shù)據(jù)不能滿足實(shí)驗(yàn)需要，所以在數(shù)據(jù)采集出來后對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，主要是濾波和放大。處理完這些原始信號后，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要是時域分析和頻域分析。當(dāng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析過后，就進(jìn)如本章的主要內(nèi)容：數(shù)據(jù)的顯示和仿真。8.1數(shù)據(jù)的顯示數(shù)據(jù)的顯示就是把經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理和分析的數(shù)據(jù)以其他的形式反映出來。主要有數(shù)值、布爾、圖形及文本等顯示形式。這里采用圖形顯示的方法。圖形顯示就是所有與圖有關(guān)的數(shù)據(jù)、形狀、圖表等的顯示，主要用于顯示各類數(shù)據(jù)的分析結(jié)果和動態(tài)內(nèi)容。圖形顯示的關(guān)鍵是對信號的處理及顯示圖形的

39、布局技巧。創(chuàng)建波形圖Labview中自帶了許多圖形顯示控件，包括波形圖、強(qiáng)度圖、混合信號圖、XY圖和三維圖等。在本次試驗(yàn)中，需要的是波形圖顯示控件，所以首先需要創(chuàng)建一個波形圖。在前面板中左鍵單擊“查看”“控件”“新式”“圖形”命令，這時候彈出一個圖形下拉列表，列表中有許多圖形顯示控件。接下來，左鍵單擊選擇“波形圖”控件，將它拖到前面板中，這樣一個波形圖顯示控件就創(chuàng)建完成了。創(chuàng)建完波形圖控件后，還要將波形圖控件放入循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)并進(jìn)行相應(yīng)的操作來設(shè)置波形圖控件的外觀和顯示的內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)目的，需要將前面為了分析數(shù)據(jù)而創(chuàng)建的基本函數(shù)發(fā)生器的“信號輸出”端口連接到波形圖控件的“信號輸入”端口。圖8.

40、1控件選板設(shè)置波形圖的屬性波形圖的屬性對話框設(shè)置是本章的關(guān)鍵性操作，它同時也是波形圖中唯一可以變更的項(xiàng)目?？梢栽诓ㄐ螆D的屬性設(shè)置中改變一些顯示項(xiàng)目和功能。將按照下面的步驟，自定義波形圖顯示控件的外觀。(1)在前面板上，將光標(biāo)移動到波形圖圖例的頂端。這時波形圖上僅顯示出一條曲線，實(shí)際上還有一條曲線，顯示出來的是原始信號波形圖曲線，未顯示出來的是縮放信號波形圖曲線。(2)當(dāng)光標(biāo)變成雙箭頭時，左鍵單擊圖例邊框并將其往旁邊拖動，使第二條曲線在圖例上顯示出來。這時，松開鼠標(biāo)，出現(xiàn)第二條曲線的名稱。(3)右擊波形圖，在下拉菜單中左鍵單擊“屬性”按鈕，彈出“波形圖屬性”框圖。(4)在“曲線”命令按鈕上右鍵單

41、擊，這時會彈出一個“曲線”屬性快捷菜單。左鍵單擊“常用曲線”列表，在列表中選擇“鋸齒波”等各類顯示波形。在“顏色”選項(xiàng)中可以直接選擇自己需要的顏色。在“線條樣式”文本框中可以選擇線條的顯示樣式。(5)在“常用曲線”下拉列表中左鍵單擊選擇“鋸齒波”，勾選“忽略波形或動態(tài)屬性”命令按鈕，包括曲線名稱復(fù)選框。(6)在名為“名稱”的文本框中刪除當(dāng)前標(biāo)簽，并將曲線名稱更換為縮放鋸齒波。(7)接下來要改變圖形的其他一些屬性。例如，在標(biāo)尺選項(xiàng)卡上將“自動調(diào)整標(biāo)尺”這一選項(xiàng)禁用，并改變Y軸數(shù)值的最大值和最小值。(8)左鍵單擊右下角的“確定”按鈕，保存當(dāng)前對波形圖屬性和外觀的修改并關(guān)閉波形圖屬性對話框。這時發(fā)現(xiàn)

42、，前面板中曲線的顏色和圖例樣式已經(jīng)改變了。8.2信號仿真信號的仿真就是在Labview中產(chǎn)生一個波形，并對某一信號進(jìn)行擬合或信號大小的比較。虛擬函數(shù)信號發(fā)生器軟件的核心是波形發(fā)生器?？梢酝ㄟ^調(diào)用其中的函數(shù)來產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波、三角波等波形。在這次實(shí)驗(yàn)中，波形周期是1000點(diǎn)，使用For循環(huán)確定x的取值。每當(dāng)運(yùn)行一次For循環(huán)，就可以得到一個周期的波形的數(shù)據(jù)。然后使用While循環(huán)，重復(fù)執(zhí)行該程序，就可以一直得到正弦波形。其它幾種波形的生成原理和正弦波發(fā)生器類似。使用軟件生成波形的最大的優(yōu)點(diǎn)的就是極大地降低了器械的使用成本，并且使得器械體積更小，智能化程度更高。圖8.2正弦信號波形圖8.3

43、系統(tǒng)總程序框圖的設(shè)置及其仿真圖的生成該主程序主要分為下面三個模塊。(1)信號的選擇模塊在程序框圖中選擇八個數(shù)字輸入控件分別輸入“正弦波”“三角波”“方波”“鋸齒波”以及通道2所對應(yīng)的數(shù)字，然后在調(diào)出兩個布爾數(shù)值轉(zhuǎn)換控件，兩個轉(zhuǎn)換成無符號的雙字節(jié)整形控件，兩個數(shù)據(jù)輸出控件作為兩個寄存器，兩個創(chuàng)建數(shù)組控件和若干個case結(jié)構(gòu)。然后利用case條件結(jié)構(gòu)的分支創(chuàng)建兩個通道，每個通道都能實(shí)現(xiàn)四種波形的選擇，分別把數(shù)據(jù)讀入到寄存器當(dāng)中，使寄存器的“0”“1”“2”“3”分別對應(yīng)“正弦波”“三角波”“方波”“鋸齒波”四種波形。(2)信號的生成模塊調(diào)出兩個基本函數(shù)信號發(fā)生器，信號類型輸入連接前端的波形選擇模塊，然后調(diào)出相應(yīng)的輸入控件，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，能夠進(jìn)行波形輸出。(3) 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的建立在第