數(shù)據(jù)采集同步性與采樣速率對螺栓連接副扭矩系數(shù)測量影響研究

李 偉， 張立鴻， 閆 鵬

（中機生產(chǎn)力促進中心， 北京 100044）

0 引言

螺栓連接廣泛用于汽車、風電、建筑和各種主機設(shè)備當中， 其連接性能的可靠性直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全[1]。 在螺栓安裝過程中，通常利用“扭矩法”間接控制螺栓連接的預(yù)緊力， 為此在施擰前必須測定螺栓連接副扭矩系數(shù)，確認其是否符合要求，并以此扭矩系數(shù)平均值來確定終擰扭矩。 GB/T 16823.3—2010《緊固件扭矩-夾緊力試驗》[2]中規(guī)定了扭矩系數(shù)測定的具體試驗流程和規(guī)范。為保證扭矩系數(shù)檢測結(jié)果的客觀準確性，目前行業(yè)內(nèi)通過不同設(shè)備檢測結(jié)果之間互相比對進行驗證。 影響到扭矩系數(shù)檢測結(jié)果的因素很多， 魏軍等學者對潤滑劑及涂抹位置、 擰緊速度和溫濕度等方面的影響進行了研究[3-7]。 扭矩系數(shù)檢測結(jié)果是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器數(shù)據(jù)計算得到的， 那么檢測設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能同樣是關(guān)系到最終檢測結(jié)果準確性的重要一部分。

由于目前傳感器信號類型多種多樣， 常用的有mV、mA 和Hz 等模擬量信號， 還有RS232/422/485、CAN 和TCP/UDP 等數(shù)字量信號， 不同的信號可能采用不同處理機制的采集模塊， 不同的數(shù)據(jù)采集處理機制可能會導(dǎo)致多傳感器數(shù)據(jù)同步性不夠好， 從而得到偏離真實的檢測結(jié)果， 同步性性能是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中十分重要的指標[8-13]。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率會影響到整個擰緊過程的數(shù)據(jù)還原度，同樣會影響到扭矩系數(shù)檢測結(jié)果。 本文將對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步性和采樣速率兩個指標對扭矩系數(shù)檢測結(jié)果的影響進行分析， 為今后扭矩系數(shù)檢測設(shè)備檢測結(jié)果的客觀準確性提供了一定基礎(chǔ)。

1 扭矩系數(shù)檢測原理介紹

扭矩系數(shù)測量設(shè)備采用伺服電機作為動力源， 經(jīng)減速器減速后驅(qū)動套筒擰緊六角螺母， 通過扭矩傳感器測量擰緊套筒輸出的緊固扭矩值， 通過軸力傳感器測量螺栓擰緊過程產(chǎn)生的夾緊力，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。 試驗時通過記錄螺栓夾緊力達到試驗零件保證載荷的75%，即F 時的緊固扭矩值T，依據(jù)公式（1）確定該試驗螺栓的扭矩系數(shù)K。 其中，d 為螺栓的公稱直徑。

圖1 螺栓扭矩系數(shù)測量設(shè)備原理示意圖

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步性

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步性就是公式（1）中的F 和T 對應(yīng)的時刻差，差值越小，同步性越好。為了驗證采集過程夾緊力和擰緊扭矩數(shù)據(jù)的同步性， 基于擰緊過程發(fā)生的物理現(xiàn)象，提出了一種“拐點判斷法”的同步性驗證方法：當擰緊電機停止后，擰緊扭矩不再增長并開始減小，螺栓失去擰緊動力源，夾緊力應(yīng)當不再增長。為了得到驗證數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)定夾緊力或扭矩達到設(shè)定目標電機停止后繼續(xù)采集一段時間扭矩和夾緊力數(shù)據(jù)， 得到從開始擰緊到電機停止后一段時間的整個擰緊過程數(shù)據(jù)。 如圖2所示為某規(guī)格螺栓試驗的整個擰緊過程軸力和緊固扭矩的數(shù)據(jù)，圖3 為對應(yīng)的軸力-緊固扭矩數(shù)據(jù)關(guān)系曲線。 圖2 中的扭矩拐點時刻與軸力拐點時刻幾乎一致， 圖3 中的水平線段表明扭矩停止增長后軸力不再增長，表明該試驗數(shù)據(jù)同步性較好。 通過數(shù)據(jù)曲線拐點時刻的一致性可以準確判斷兩組數(shù)據(jù)的同步性。

圖2 軸力/緊固扭矩-時間曲線

圖3 軸力-緊固扭矩關(guān)系曲線

2.1 緊固扭矩數(shù)據(jù)滯后對扭矩系數(shù)檢測的影響

為了分析扭矩數(shù)據(jù)滯后對扭矩系數(shù)檢測結(jié)果的影響， 以M42螺栓為例， 設(shè)定擰緊目標為軸力達到697.2kN 進行擰緊試驗，數(shù)據(jù)同步時對應(yīng)的緊固扭矩值為2982.5N·m，計算得到的扭矩系數(shù)結(jié)果為0.102。 假定采集過程發(fā)生了扭矩數(shù)據(jù)滯后的現(xiàn)象，滯后現(xiàn)象越嚴重，得到的對應(yīng)緊固扭矩值越小，不同程度的滯后得到的扭矩系數(shù)檢測結(jié)果如表1 和圖4 所示。圖5 為扭矩數(shù)據(jù)滯后1s 對應(yīng)的軸力-扭矩曲線，可以看出，當軸力數(shù)據(jù)已經(jīng)不再增長后，扭矩數(shù)據(jù)依然再繼續(xù)增長，與實際發(fā)生的物理過程不符。圖6 為扭矩系數(shù)-扭矩滯后時間的關(guān)系，可以看出，緊固扭矩數(shù)據(jù)滯后時間越長，得到的扭矩系數(shù)結(jié)果越小，并且基本呈現(xiàn)出線性遞減關(guān)系，以M42 螺栓為例，每滯后0.1s，結(jié)果偏小約2%。

表1 扭矩數(shù)據(jù)滯后不同程度的扭矩系數(shù)結(jié)果

圖4 扭矩數(shù)據(jù)滯后不同程度的軸力/緊固扭矩-時間曲線

圖5 扭矩數(shù)據(jù)滯后1s 對應(yīng)的軸力-扭矩曲線

圖6 扭矩系數(shù)-扭矩滯后時間曲線

2.2 軸力數(shù)據(jù)滯后對扭矩系數(shù)檢測的影響

為了分析軸力數(shù)據(jù)滯后對扭矩系數(shù)檢測結(jié)果的影響，同樣以M42 螺栓為例， 設(shè)定擰緊目標為扭矩值達到3000N·m 進行擰緊試驗， 數(shù)據(jù)同步時對應(yīng)的軸力值為703kN，計算得到的扭矩系數(shù)結(jié)果為0.102。 假定采集過程發(fā)生了軸力數(shù)據(jù)滯后的現(xiàn)象，越滯后對應(yīng)的軸力數(shù)據(jù)越小，不同程度的滯后得到的扭矩系數(shù)檢測結(jié)果如表2 和圖7所示。 圖8 為軸力數(shù)據(jù)滯后不同程度對應(yīng)的軸力-扭矩曲線，可以看出，當扭矩數(shù)據(jù)已經(jīng)不再增長后，軸力數(shù)據(jù)依然繼續(xù)不同程度在增長，與實際發(fā)生的物理過程不符。圖9 為扭矩系數(shù)-軸力數(shù)據(jù)滯后時間的關(guān)系曲線，可以看出，軸力數(shù)據(jù)滯后時間越長，計算扭矩系數(shù)結(jié)果越大，并且基本呈現(xiàn)出線性遞增關(guān)系，以M42 螺栓為例，每滯后0.1s，結(jié)果偏大約3%。

表2 軸力數(shù)據(jù)滯后不同程度的扭矩系數(shù)結(jié)果

圖7 軸力數(shù)據(jù)滯后不同程度的軸力/緊固扭矩-時間曲線

圖8 軸力數(shù)據(jù)滯后不同程度對應(yīng)的軸力-扭矩關(guān)系曲線

圖9 扭矩系數(shù)-軸力滯后時間曲線

通過上述分別對扭矩數(shù)據(jù)發(fā)生滯后和軸力數(shù)據(jù)發(fā)生滯后的兩種不同步情況對扭矩系數(shù)結(jié)果的影響分析，數(shù)據(jù)采集的同步性對于扭矩系數(shù)測量結(jié)果影響較大， 容易造成結(jié)果的偏離。 因此在設(shè)計多信號類型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時往往要注意數(shù)據(jù)同步性。

3 采樣速率不同對扭矩系數(shù)測量的影響分析

著名的奈奎斯特定理中規(guī)定，在進行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，采樣之后的數(shù)字信號能夠完整地保留原始信號中信息， 采樣頻率不能小于信號中最高頻率的2 倍（fs.max≥2fmax）。 目前，在扭矩系數(shù)檢測過程中，需要電機驅(qū)動套筒擰緊螺栓連接副直至夾緊力超過設(shè)定值，由于傳感器數(shù)據(jù)是按照一定速率間隔采樣的， 往往不能夠直接采集到設(shè)定值對應(yīng)的數(shù)據(jù)，需要通過差分計算，得到夾緊力設(shè)定值對應(yīng)的扭矩值， 然后帶入公式進行扭矩系數(shù)計算。 如圖10～圖13 所示，在不同采樣速率下得到不同的軸力變化曲線和扭矩變化曲線，可以看出，采樣速率對采集結(jié)果影響最大的是發(fā)生在數(shù)據(jù)拐點處， 采樣速率越高，對數(shù)據(jù)變化的整個趨勢還原越準確，在差分計算對應(yīng)值時的結(jié)果越接近真實值。 在一些數(shù)據(jù)拐點更多的測試試驗中，如螺栓適應(yīng)性試驗，多次擰入擰出測試試驗，要保證試驗結(jié)果的準確性，對采樣速率的要求也更高。

圖10 不同采樣速率下螺栓軸力采集曲線

圖11 不同采樣速率螺栓軸力拐點變化情況

圖13 不同采樣速率下扭矩拐點數(shù)據(jù)曲線

圖12 不同采樣速率下扭矩數(shù)據(jù)采集曲線

4 采集系統(tǒng)的構(gòu)建

為了能夠?qū)崿F(xiàn)高同步性和高采樣速率的采集結(jié)果，在構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時引入了CAN 通訊總線，由于CAN 總線通訊的高實時性和高可靠性的優(yōu)點[14-16]，同時能給為數(shù)據(jù)發(fā)送時加時間標簽，在上位機進行各路傳感器數(shù)據(jù)匯總時，通過數(shù)據(jù)的時間標簽?zāi)軌驅(qū)Ω髀穫鞲衅鲾?shù)據(jù)進行精確的對齊，從而能夠保證各路數(shù)據(jù)的同步性。 由于緊固扭矩傳感器存在旋轉(zhuǎn)運動，為了避免傳統(tǒng)的信號傳遞方式產(chǎn)生的摩擦磨損，其模擬量信號經(jīng)采樣后采用了無線非接觸式的信號傳輸方式，無線接收信號后通過CAN 總線輸出，而夾緊力傳感器經(jīng)過AD 采樣后直接發(fā)送到CAN 總線， 上位機對CAN 總線上的各路數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一接收。 A/D 采樣速率可達2.4kHz，足以滿足扭矩系數(shù)檢測的需求。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖14 所示。 并經(jīng)拐點判斷法實際測試驗證，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步性性能較好， 時刻差值可以保證到2ms之內(nèi)。

圖14 2.4kHz 采樣同步CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié)論

通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步性和采樣速率指標對扭矩系數(shù)測量準確性的影響分析， 分別得到了不同同步性下扭矩系數(shù)的偏離程度和不同采樣速率對扭矩系數(shù)影響，同時構(gòu)建了2.4kHz 采樣速率的CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)耐叫院涂煽啃?，為準確獲得扭矩系數(shù)值提供了重要基礎(chǔ)。