扭矩扳手高精度傳感器設(shè)計(jì)和誤差補(bǔ)償方法

趙永晶 李云鵬

（1.中車山東機(jī)車車輛有限公司，濟(jì)南 250022；2.山東中車同力達(dá)智能機(jī)械有限公司，濟(jì)南 250022）

隨著我國制造業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高和智能裝配產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)裝配擰緊過程中的扭矩精度要求越來越高。隨著智能裝配產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制造業(yè)對(duì)扭矩扳手的需求不局限于對(duì)緊固件擰緊扭矩精度的控制，也要符合智能裝配產(chǎn)業(yè)其他功能的需求。目前，扳手精度越高，造價(jià)成本越高，且進(jìn)口品牌居多。因此，分析影響數(shù)顯扳手精度的因素并找到補(bǔ)償方法，是研制智能扭矩?cái)?shù)顯扳手的必要過程。

1 數(shù)顯扳手的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)顯扭矩扳手結(jié)構(gòu)如圖1所示。針對(duì)不同量程的扳手采用的延長管和傳感器是不同的。扳手設(shè)計(jì)具有10萬次以上使用壽命。進(jìn)行有限元壽命分析與疲勞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，800 N·m扭矩扳手傳感器靜強(qiáng)度分析如圖2所示。

應(yīng)變式傳感器通常采用彈性形變體與應(yīng)變片式電阻傳感器組成惠斯登電橋。彈性體常選用40CrNiMo等金屬材料[1]。應(yīng)變片采用環(huán)氧樹脂膠固定在扳手傳感器的表面。扳手傳感器屬于純扭矩型傳感器。為了減小尺寸和質(zhì)量，采用圓形結(jié)構(gòu)。以800 N·m扳手為例，它的主要計(jì)算公式如下。

圖1 ZNS-100AW扭矩扳手

在扭力作用下，圓軸表面的剪應(yīng)力τ為：

式中：Wn為抗扭截面模量。對(duì)于實(shí)心截面，有Wn=πD3/16。

圓軸表面與軸線成45°方向的正應(yīng)力為：

圖2 ZNS-800AW扭矩扳手傳感器等效應(yīng)力云圖

式中：M為承受扭矩；σ1、σ4分別為傳感器前后端下表面應(yīng)力；σ2、σ3分別為傳感器前后端上表面應(yīng)力。

圓軸表面與軸線成45°方向的正應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：μ為泊松比，取0.29；ε1、ε4分別為傳感器前后端下表面應(yīng)變；ε2、ε3分別為傳感器前后端上表面應(yīng)變。

電橋的輸出電壓ui為：

式中：彈性模量E=210 GPa；應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=0.21。

拱橋電壓按2 mV·V-1計(jì)算時(shí)，有：

按式（5）計(jì)算，D=29.4 mm。

傳感器結(jié)構(gòu)的具體尺寸如圖3所示。各型號(hào)扳手傳感器直徑和靈敏度如表1所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

表1 各型號(hào)扳手傳感器貼片的直徑和靈敏度

各型號(hào)傳感器的靈敏度均小于0.25，符合材料的要求。扳手傳感器的靈敏度越低，材料的變形量越小，達(dá)到滿量程狀態(tài)下材料的變形越小，壽命越高。從表1可以看出，800 N·m的扳手傳感器靈敏度最高，變形量最大，理論壽命相對(duì)較低。

2 扭矩扳手硬件設(shè)計(jì)

扭矩扳手硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為調(diào)理模塊、角度檢測模塊、微控制器、通信模塊和供電模塊等。其中，信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。通過傳感器的惠斯通全橋電路，實(shí)現(xiàn)扭矩到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換和電壓信號(hào)到數(shù)據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并傳輸?shù)轿⒖刂破?。通信模塊采用串口通信和無線傳輸兩種模式，實(shí)現(xiàn)扳手與移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)傳輸。硬件電路的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 扭矩扳手硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

3 精度補(bǔ)償方法研究

為了使扭矩扳手精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)扭矩測量過程中可能產(chǎn)生的誤差來源進(jìn)行研究，并提出誤差補(bǔ)償方法，從而提高扭矩扳手測量精度。

3.1 濾波算法研究

濾波主要分為硬件濾波和軟件濾波。硬件通過低通濾波器對(duì)采集到的扭矩信號(hào)進(jìn)行硬件濾波。濾波采用中值濾波和算術(shù)平均值濾波，分別消除脈沖干擾和減少隨機(jī)性誤差，以保證濾波效果[2]。

3.2 誤差補(bǔ)償研究

3.2.1 零點(diǎn)漂移補(bǔ)償

零點(diǎn)漂移（簡稱零飄）屬于蠕變的一種，是傳感器常見的誤差影響因素，可以從硬件和軟件兩方面消除。

硬件上采用常見的電阻調(diào)零法，即在傳感器正極輸出端串聯(lián)一個(gè)2 kΩ量程可調(diào)滑動(dòng)變阻器，傳感器負(fù)極輸出串聯(lián)一個(gè)20 kΩ量程可調(diào)的滑動(dòng)變阻器。它適合在扳手出廠前的初次標(biāo)定時(shí)使用，用于調(diào)整扳手AD的零點(diǎn)值和扳手AD最大值。

軟件補(bǔ)償法即扭矩扳手上電后，扳手在初始狀態(tài)下通過A/D轉(zhuǎn)換采集當(dāng)前傳感器電壓轉(zhuǎn)換值。得到的AD零點(diǎn)值與已扳手標(biāo)定的AD零點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，如果差值大于1%FS，會(huì)提醒操作者重新標(biāo)定，以保證精度準(zhǔn)確性。

3.2.2 溫度漂移補(bǔ)償

傳感器的核心為電阻式應(yīng)變片，其輸出電阻會(huì)隨著環(huán)境溫度變化而發(fā)生改變，影響扳手傳感器的初始電阻值，稱為傳感器溫度漂移（簡稱溫漂）現(xiàn)象，又稱傳感器發(fā)生了熱輸出[3]。扳手使用的應(yīng)變式傳感器采用惠斯通全橋，將兩片應(yīng)變片對(duì)稱粘貼，使由溫度變化產(chǎn)生的附加應(yīng)變相互抵消，從而保證傳感器應(yīng)變片的輸出電壓不因溫度影響發(fā)生變化[4]。

3.2.3 機(jī)械滯后補(bǔ)償

傳感器受自身材料特性的影響，在加載和卸載時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變片輸出電壓曲線不一致的現(xiàn)象，被稱為機(jī)械滯后。通過實(shí)驗(yàn)，傳感器在反復(fù)加載后輸出曲線趨于一致，機(jī)械滯后現(xiàn)象基本消失。因此，在扳手標(biāo)定后會(huì)進(jìn)行1 000次以上的加載試驗(yàn)，以保證應(yīng)變片電壓初始值保持穩(wěn)定。

3.3 人工引起的誤差

扳手的標(biāo)定參照《扭矩扳子檢定規(guī)程》（JJG 707—2014）。對(duì)于小扭矩扳手，如50 N·m的扳手，1級(jí)精度下其20%的標(biāo)定點(diǎn)允許誤差在0.1 N·m。必須消除外在因素，才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的標(biāo)定和連續(xù)的校準(zhǔn)合格。

通過多次測試，總結(jié)以下幾點(diǎn)：

（1）扳手在標(biāo)定前，需要保持恒溫24 h以上，以減少溫度對(duì)計(jì)量傳感器的影響；

（2）保證螺釘擰緊并完成足夠的預(yù)擰緊，減少機(jī)械滯后的影響；

（3）校準(zhǔn)扳手精度前需保證扳手完全卸力，避免出現(xiàn)信號(hào)干擾，同時(shí)可以對(duì)比扳手標(biāo)定時(shí)的AD零點(diǎn)值，判斷扳手是否受力；

（4）標(biāo)定時(shí)扳手的電池電量在80%以上，以減小電壓對(duì)扳手電路的影響，保證精度的可靠性。

4 扭矩扳手測量實(shí)驗(yàn)

數(shù)顯扭矩扳手完成組裝后，需要對(duì)扳手進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。扳手的精度等級(jí)參照《扭矩扳子檢定規(guī)程》（JJG 707—2014）評(píng)定。本文中扭矩扳手的目標(biāo)精度等級(jí)為1級(jí)精度，即扭矩精度為±1%。

4.1 標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)

扭矩檢定儀使用諾霸TTT扭矩工具測試儀，標(biāo)定過程采用手動(dòng)加載，采用諾霸靜態(tài)傳感器（扭矩量程分別為50 N·m、100 N·m、500 N·m、1 500 N·m），精度為0.3%FS。針對(duì)不同量程的扳手，需選擇不同量程的傳感器。采用手動(dòng)扭矩板子校準(zhǔn)架。智能數(shù)顯扭矩扳手采用五段式校準(zhǔn)（設(shè)計(jì)量程的20%、40%、60%、80%、100%），符合《扭矩扳子檢定規(guī)程》，并通過軟件導(dǎo)入具體參數(shù)[5]。

4.2 疲勞試驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證扳手的實(shí)際疲勞壽命，對(duì)各型號(hào)扳手的樣機(jī)進(jìn)行至少10萬次的疲勞試驗(yàn)。結(jié)果顯示，通過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了扭矩扳手的使用壽命不低于10萬次，5種型號(hào)疲勞實(shí)驗(yàn)均大于15萬次。疲勞實(shí)驗(yàn)為國內(nèi)首創(chuàng)首例，優(yōu)越的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了扳手的1級(jí)精度要求。疲勞試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖，如圖5所示。

圖5 疲勞試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)估

為更好地評(píng)估扭矩扳手精度的波動(dòng)情況，在10萬次疲勞試驗(yàn)過程中，每天定時(shí)檢測扳手精度情況。將扳手量程5等分，確定20%、40%、60%、80%和100%共5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)每次測5次取平均值。試驗(yàn)次數(shù)為0是指扳手在初次標(biāo)定后的精度測試。每次測試時(shí)均保證標(biāo)定儀在固定點(diǎn)停止扭矩加載，并記錄該點(diǎn)數(shù)顯扳手的顯示扭矩值，取其均值作為評(píng)判扳手精度的關(guān)鍵指標(biāo)。以800 N·m扳手為例，數(shù)據(jù)如表2所示。

可見，在設(shè)計(jì)的它的量程的20%～100%范圍內(nèi)，正向測量誤差最大不超過1%，滿足扳手的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

高精度數(shù)顯標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳手通過傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化，利用精度補(bǔ)償方法將精度提高到1%。通過扭矩加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)顯扭矩扳手在試驗(yàn)過程中保持了1%的精度，驗(yàn)證了扳手的可靠性。

表2 實(shí)測扭矩?cái)?shù)據(jù)

[1]徐艦.高精度數(shù)顯標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳手的研制[J].中國計(jì)量，2016（8）：71-74.

[2]王慶河，王慶山.數(shù)據(jù)處理中的幾種常用數(shù)字濾波算法[J].計(jì)量技術(shù)，2003（4）：53-54.

[3]馮天宇，劉廣.影響扭矩扳手準(zhǔn)確度的因素與誤差分析[J].輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2015（2）：41-42.

[4]任振錕.數(shù)字化扭矩扳手關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2019.

[5]趙永晶，徐東.一種智能數(shù)顯扭矩扳手電路控制系統(tǒng)及控制方法：201910925259.X[P].2019-09-27.