一种基于应变片的螺钉应变及扭矩采集方法

1.本发明涉及一种利用应变片对螺钉拧紧过程应变及扭矩进行采集的方法，属于机械工业领域。


背景技术：

2.复杂机械产品的装配过程是一个复杂的系统过程，具有明显的先后顺序，而多工序、多工位之间又相互关联，从零部件到整体产品需要各个机构间合理的安装和固定手段，其中以螺栓连接作为联接与紧固形式最具有代表性，然而基于扭矩传感器对轴类零件进行扭矩测量的传统方法难以用于螺钉，机械产品质量问题发生机理研究表明，装配过程中的螺纹紧固环节为保证产品最终装配质量至关重要的环节。
3.因此针对螺栓拧紧过程展开分析，可根据具体的螺钉结构进行设计，搭建试验台进行原理性试验验证，采用应变传感器、dasp振动采集仪等对装配过程数据进行采集和提取，以对装配拧紧力矩、螺杆应变进行分析。


技术实现要素：

4.本发明的目的：解决目前螺钉实际拧紧过程应变、力矩无法测量的问题，提供一种能够基于螺钉结构设计、使用简单的应变片贴片方式对螺杆所受应变及扭矩进行参数采集方法，能够进行合理的螺栓拧紧过程参数分析，和有效的原理性实验验证，提高对复杂装配过程的认知，明确螺栓拧紧过程的参数变化。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术实施方案如下：
6.一种基于应变片的螺钉应变及扭矩采集方法，包括：螺钉相关结构、应变片传感器、电桥、信号采集仪，上位机和信号处理方法；螺钉相关结构用作实际连接结构的模拟，便于拧紧过程数据的采集；应变片传感器用于将应变数据转换为电信号；通过电桥及信号采集仪的处理传送给上位机；最后通过信号处理算法，将电信号计算为所需要的应变、扭矩或其他信息。
7.信号处理方法为：采用电测法对螺钉工作过程中的应变及扭矩进行采集，根据惠斯通电桥原理可知因此在应变片以四分之一桥接入时有：
[0008][0009]
因此
[0010][0011]
式中：
[0012]v0
——应变片输出电压；
[0013]vs
——激励电压；
[0014]
k——应变片灵敏度；
[0015]
ε0——轴向应变。
[0016]
一般计算时相较于vs可将2v0进行忽略则
[0017][0018]
对于扭矩应变片以全桥形式接入则应变计算如下式。
[0019][0020]
由于螺钉在实验中扭转和拉伸的组合作用，因此，对轴表面的正应力和切应力沿轴线45
°
两方向进行分解，其中σ＝eε0。
[0021][0022][0023]
根据材料力学和广义胡可定律可知扭转切应力与扭矩的关系。
[0024][0025][0026]
根据上式可以推出实心轴在拉扭组合作用下的扭矩与应变关系
[0027][0028]
最终结合应变片的输出电压可得扭矩公式如。
[0029][0030]
式中：
[0031]v1
——扭矩应变片输出电压；
[0032]
e——材料弹性模量；
[0033]
μ——材料泊松比；
[0034]
ε
45
°
——45
°
方向应变；
[0035]
t——扭矩。
[0036]
本发明与现有技术相比的优点在于：可以直接对螺钉紧固结构进行应变、扭矩等相关过程变化状态的测量，从而实现对螺栓拧紧过程状态变化的分析，并量化模拟工况下的装配效果，解决了以往无法对螺钉等非轴类传动结构进行扭矩测量的现状。
附图说明
[0037]
图1为本发明的整体方案图
[0038]
图2为本发明的螺钉相关结构图
[0039]
图中附图标记含义：
[0040]
1—螺套；2—开槽螺母；3—应变、扭矩采集点；4—连接螺钉；5—底柱。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图及实例对本发明进行详细说明。
[0042]
如图1所示为本发明的整体方案图，试验台上设计的螺钉及相关结构能够保证螺栓拧紧过程模拟的同时提供足够的贴片和引线空间；以单个应变片采集螺钉轴向变形，扭矩专用应变片以四片径端对称的双横八字布置进行粘贴采集45度方向变形；然后利用inv1861a电桥进行应变片信号的调理；通过inv3060a采集仪进行处理后借助io口与上位机进行通信；由信号处理方法进行计算后输出该螺钉的应变和扭矩信息。
[0043]
下面结合螺钉相关结构图，具体介绍本发明的应变、扭矩提取方法：
[0044]
如图2所示，螺钉相关结构可固定试验件于试验台基座，其中包括螺套1、开槽螺母2、连接螺钉4、底柱5，试验件侧边开槽用以提供数据采集空间，其固定依靠左右两个连接螺钉及其相关结构，底柱首先与试验台基座固连，螺套和开槽螺母配合固定螺钉拧紧位置，通过螺钉可旋紧试验件和试验台基座；针对拧紧过程，需要直接采集的信息主要包括螺钉轴向应变和45度方向应变，以惠斯通电桥原理和材料力学基础作为理论支撑，对轴向应变和扭矩进行采集和计算。
[0045]
提供以上实施方法仅仅是为了描述本发明的便捷性与目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。


技术特征：
1.一种利用应变片对螺钉拧紧过程应变及扭矩进行采集的方法，其特征包括：螺钉试验结构设计方法，用于模拟实际连接结构；应变片组合贴片方法，用于采集应变信号；信号处理方法，将电信号转化为应变、扭矩信息。2.如权利要求1所述的螺钉试验结构设计方法，其主要特征在于：将试验件中间部分剖开，以螺钉相关结构提供的螺套、开槽螺母作为试验件的止动结构，将底柱与试验台基座固连，在开槽螺母2下部的连接螺钉部分设置应变、扭矩采集点，并贴片进行应变信息的采集。3.如权利要求1所述的应变片组合贴片方法，以单个应变片采集螺钉轴向变形，扭矩专用应变片以四片径端对称的双横八字布置进行粘贴采集45度方向变形，借助inv1861a电桥进行应变片信号调理，并通过inv3060a采集仪进行处理，以串口与上位机进行通信。4.如权利要求1所述的信号处理方法，通过惠斯通电桥原理和材料力学理论，结合权利要求3中的贴片方式，将输出电压进行计算和转换，形成实心轴在拉扭组合作用下应变片输出电压与螺钉所受扭矩大小的关系：其中，v1—扭矩应变片输出电压；v0—应变片输出电压；v
s
——激励电压；k——应变片灵敏度；e—材料弹性模量；μ—材料泊松比；t—扭矩。

技术总结
发明专利申请涉及一种利用应变片对螺钉拧紧过程应变及扭矩进行采集的方法，该方法可以通过试验台对相应产品的螺钉紧固结构进行原理性试验验证，以应变片贴片、信号调理及数据计算的手段将螺钉在拧紧过程和后续模拟工况下的应变及扭矩进行提取，便于进行螺栓拧紧过程参数分析，提高对复杂产品装配过程的认知。解决目前无法对螺钉拧紧质量进行判断，螺钉实际拧紧过程应变、力矩无法测量等问题。力矩无法测量等问题。力矩无法测量等问题。


技术研发人员：王延忠 张文硕 窦德龙 孟祥文
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.08.23
技术公布日：2022/11/25