電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)的研制

謝石昊 張一

摘要：介紹了電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)的原理和組成結(jié)構(gòu)，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)扭矩扳子；校準(zhǔn)；試驗(yàn)臺(tái)；模擬

中圖分類號(hào)：TS914.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）12-0046-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.013

0? ? 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，擰緊技術(shù)向著標(biāo)準(zhǔn)化、智能化方向發(fā)展，制造業(yè)生產(chǎn)線上批量的螺紋連接裝配方式正逐步由電動(dòng)扭矩扳子和電控螺栓擰緊機(jī)為代表的扭矩控制動(dòng)力工具所替代。但是，各類電動(dòng)扭矩工具的計(jì)量校準(zhǔn)裝置還不夠成熟，無法滿足電動(dòng)扭矩扳子量值傳遞的需求。

基于此，本文介紹了一種電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)，其采用臥式扭矩裝置的設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)輕巧、能快速安裝、動(dòng)態(tài)采集扭矩角度數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，可以作為現(xiàn)有動(dòng)態(tài)扭矩計(jì)量器具的補(bǔ)充。

1? ? 電動(dòng)扭矩扳子的計(jì)量校準(zhǔn)現(xiàn)狀

電動(dòng)扭矩扳子的校準(zhǔn)，主要依據(jù)國家校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1610—2017《電動(dòng)、氣動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)規(guī)范》[1]，規(guī)范中要求的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和配套設(shè)備包括回轉(zhuǎn)式扭矩傳感器，高、低扭矩率螺栓螺母連接模擬器，采樣率不小于500 Hz的扭矩顯示儀表。但是，通過對(duì)計(jì)量機(jī)構(gòu)和有裝配需求企業(yè)的考察，許多校準(zhǔn)裝置無法滿足規(guī)范要求。

目前，常見的電動(dòng)扭矩扳子的校準(zhǔn)主要有以下幾種方法：

（1）通過在固定臺(tái)面上安裝靜態(tài)扭矩傳感器，配合合適的圓柱螺旋彈簧以緩沖和吸收加載過程中扳子的扭矩。該方法存在的問題有反作用力的位置無法調(diào)節(jié)，靜態(tài)扭矩傳感器和測(cè)量儀采樣頻率低，造成試驗(yàn)的重復(fù)性差。

（2）不使用螺栓螺母連接器或者緩沖彈簧，直接將旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器安裝在電動(dòng)扭矩扳子使用現(xiàn)場(chǎng)，在線計(jì)量電動(dòng)扭矩扳子。該方法在工件與扳子之間安裝扭矩傳感器，抬高了電動(dòng)扭矩扳子反作用臂的位置，現(xiàn)場(chǎng)常常找不到反力位置或加載到大扭值后軸系發(fā)生傾斜，影響檢測(cè)精度。

（3）使用專用的電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置[2]，該裝置多采用垂直軸系的結(jié)構(gòu)，將扭矩傳感器、緩沖彈簧、電動(dòng)扭矩扳子依次同軸連接，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上配有可移動(dòng)的反作用擋塊和動(dòng)態(tài)扭矩顯示儀表。該裝置可以滿足一定量程段電動(dòng)扭矩扳子的校準(zhǔn)要求，但同樣存在大扭值加載后軸系和反力臂傾斜等問題，且該裝置成本較高，需針對(duì)傳感器和被測(cè)扳子設(shè)計(jì)專用工裝和抗反力結(jié)構(gòu)，使用并不廣泛。

通過操作上述幾種校準(zhǔn)裝置，并與一線檢測(cè)人員溝通發(fā)現(xiàn)，許多單位迫切需要一種成本較低、安裝方便并具有動(dòng)態(tài)采樣功能的專用電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置?；诖耍疚慕榻B了一種電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)，可以滿足多數(shù)計(jì)量機(jī)構(gòu)的量傳需求。

2? ? 電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)的原理和組成

如圖1所示，福建省計(jì)量科學(xué)研究院研制的電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)由旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器、螺栓螺母扭矩連接模擬器、底座和支承結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀等部分組成，該裝置可滿足不同反作用力臂結(jié)構(gòu)的電動(dòng)扭矩工具的量傳需要。在實(shí)驗(yàn)室配有供氣系統(tǒng)的情況下，該校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)亦可用于氣動(dòng)扭矩扳子的校準(zhǔn)。

電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)采用高精度旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器作為裝置的扭矩和角度基準(zhǔn)信號(hào)，將扭矩傳感器、螺栓螺母連接模擬器通過底板、傳感器固定支座、外球面軸承座等水平同軸連接，在系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中扭矩傳感器的輸出信號(hào)由動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀采集、記錄并分析。

試驗(yàn)臺(tái)的扭矩傳感器和模擬器采用了臥式設(shè)計(jì)，制造和裝配都較為簡單，拆卸和更換傳感器也較為便利。對(duì)于立式校準(zhǔn)裝置[2]的設(shè)計(jì)方案，垂直安裝扭矩傳感器需在裝置上設(shè)計(jì)反作用塊和反作用柱；實(shí)際工作中，需根據(jù)不同型號(hào)的電動(dòng)扭矩扳子調(diào)整反作用塊和反作用柱的位置，大扭矩測(cè)試過程中也易造成電動(dòng)扭矩扳子和反作用力臂的傾斜。而本方案的臥式設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是徹底摒棄了反作用塊和反作用柱，校準(zhǔn)過程中電動(dòng)扭矩扳子的反作用力臂直接作用于水平底座或者水平底座邊上的試驗(yàn)臺(tái)面，若電動(dòng)扭矩扳子的反作用力臂不水平，可直接在試驗(yàn)臺(tái)面上加放墊塊，最終由水平底座（或試驗(yàn)臺(tái)面）和地面直接承受反作用力。

由于是水平布置整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，為防止扭矩傳感器和連接模擬器的自重造成下垂，需要在底座上安裝支承。試驗(yàn)臺(tái)的支承包括傳感器固定支座、中間支承、外球面軸承座，分別用于支撐扭矩傳感器、螺栓螺母連接模擬器以及連接處，通過支承結(jié)構(gòu)減小同軸度誤差對(duì)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的影響。

該校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)的工作原理是：將電動(dòng)扭矩扳子插入螺栓螺母扭矩連接模擬器，啟動(dòng)電動(dòng)扭矩扳子，將扭矩扳子撥到順時(shí)針旋轉(zhuǎn)檔位，準(zhǔn)備擰緊螺栓螺母扭矩連接模擬器。擰緊過程中，電動(dòng)扭矩扳子的反作用力臂會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，最后水平或成角度加壓到水平底座或者試驗(yàn)臺(tái)面，隨著電動(dòng)扭矩扳子給螺栓螺母連接模擬器不斷施加扭矩，模擬器內(nèi)部的蝶形彈簧組被不斷壓縮，帶動(dòng)螺栓模擬器旋入連接器主體中，同時(shí)將過程中的扭矩值向扭矩傳感器傳遞，達(dá)到預(yù)設(shè)擰緊效果后，電動(dòng)工具停止工作，動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀上顯示加載過程的扭矩角度或扭矩時(shí)間曲線并得出測(cè)試扭矩值。

3? ? 螺栓螺母扭矩連接模擬器的設(shè)計(jì)

根據(jù)JJF 1610—2017《電動(dòng)、氣動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)規(guī)范》，為了在實(shí)驗(yàn)室里模擬電動(dòng)扭矩扳子的實(shí)際使用工況，需要根據(jù)本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)合適的螺栓螺母扭矩連接模擬器，以達(dá)到緩沖高速加載扭矩的要求。

螺栓螺母扭矩連接模擬器，主要包括連接模擬器主體、螺栓模擬器、蝶形彈簧組和卡環(huán)，如圖2所示。連接模擬器主體呈圓柱狀，其一端與扭矩傳感器連接，另一端與螺栓模擬器通過螺紋連接，且螺紋一側(cè)設(shè)有槽口，用于蝶形彈簧組的安裝。螺栓模擬器，其一端設(shè)有與被檢測(cè)扭矩電動(dòng)工具扭轉(zhuǎn)頭配合的安裝槽，另一端的外螺紋穿過蝶形彈簧組與連接模擬器主體連接。蝶形彈簧組由多個(gè)蝶形彈簧組合而成，通過卡環(huán)嵌設(shè)于連接模擬器主體槽口的內(nèi)沿。

校準(zhǔn)時(shí)，可通過蝶形彈簧組的搭配，更換不同蝶形彈簧的組合方式，并根據(jù)被檢測(cè)電動(dòng)扭矩扳子實(shí)際的擰緊要求，即根據(jù)被檢測(cè)電動(dòng)扭矩扳子高扭矩率或者低扭矩率的試驗(yàn)要求，從而實(shí)現(xiàn)不同扭矩率的測(cè)試。如圖2中標(biāo)注的蝶形彈簧組，采用疊合的安裝方式，常適用于高扭矩率硬連接的扭矩試驗(yàn)。將蝶形彈簧的圓錐形盤口成對(duì)安裝，即對(duì)合的安裝方式，可實(shí)現(xiàn)較大角度的扭矩?cái)Q緊，適合低扭矩率軟連接的扭矩試驗(yàn)。

4? ? 動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀的設(shè)計(jì)

4.1? ? 系統(tǒng)概述

電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)配備了多通道的動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀。動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀是應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的數(shù)字儀表，采用STM32F407芯片作為主處理器，24位高精度AD采集芯片進(jìn)行信號(hào)讀取，差分電源供電，具有反應(yīng)靈敏、可靠性好、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。扭矩測(cè)量儀可根據(jù)扭矩測(cè)量模式調(diào)整采樣頻率，滿足電動(dòng)扭矩扳子高速采樣的要求；同時(shí)，儀表采用了LCD液晶顯示扭矩值和旋轉(zhuǎn)角度，顯示直觀清晰。

動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀軟件部分分為扭矩?cái)?shù)據(jù)讀取和計(jì)算、角度數(shù)據(jù)讀取和計(jì)算、數(shù)據(jù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、按鍵讀取、LCD顯示、485通信輸出等部分，程序框圖如圖3所示。

扭矩?cái)?shù)據(jù)讀取是根據(jù)傳感器平衡電橋原理，使用AD采集芯片采集扭矩傳感器扭矩電壓信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，對(duì)已標(biāo)定數(shù)據(jù)和當(dāng)前零點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，最終計(jì)算出當(dāng)前扭矩值大小。當(dāng)傳感器同時(shí)帶有扭矩和角度功能時(shí)，在采集扭矩信號(hào)的同時(shí)，由于傳感器自身正反轉(zhuǎn)一定的角度會(huì)釋放出對(duì)應(yīng)的方波脈沖信號(hào)，采用計(jì)數(shù)器來讀取角度脈沖數(shù)量，通過脈沖的正負(fù)順序可以判斷扭矩施加方向，根據(jù)脈沖數(shù)量乘上扭矩傳感器每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)過的角度即可求出扭矩傳感器所轉(zhuǎn)過的角度。

4.2? ? 測(cè)量儀界面設(shè)計(jì)和操作

動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀的菜單界面如圖4所示。首先在開啟該扭矩測(cè)量儀時(shí)，會(huì)進(jìn)入一段初始化程序，在初始化完成后的菜單中選擇測(cè)試界面，則進(jìn)入扭矩扳子類型選擇。對(duì)于預(yù)置式扭力扳手，動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試儀僅讀取AD采樣芯片傳輸?shù)呐ぞ財(cái)?shù)據(jù)電壓數(shù)值，通過相應(yīng)的計(jì)算，最終顯示當(dāng)前扭矩大小。對(duì)于電動(dòng)扭矩扳子，扭矩測(cè)試儀軟件會(huì)實(shí)時(shí)讀取AD采樣芯片傳輸?shù)呐ぞ財(cái)?shù)據(jù)電壓數(shù)值，計(jì)算角度相應(yīng)的脈沖信號(hào)數(shù)量，最終顯示當(dāng)前扭矩值大小和施加扭矩后電動(dòng)工具所轉(zhuǎn)過的角度大小。其中扭矩工具顯示的扭矩值和角度如圖5所示。在菜單中選擇高級(jí)設(shè)置還能將電動(dòng)扭矩扳子扭矩值大小和角度的關(guān)系通過坐標(biāo)圖來進(jìn)行顯示。

在初始化完成后的菜單中選擇標(biāo)定，則會(huì)進(jìn)入扭矩標(biāo)定功能。首先選擇所需標(biāo)定通道，標(biāo)定方法主要有兩種：一是通過修改具體扭矩電壓信號(hào)毫伏值進(jìn)行扭矩值逐點(diǎn)修正；二是實(shí)施加載過程中通過自主設(shè)點(diǎn)六個(gè)扭矩標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行標(biāo)定。在菜單中選擇通道設(shè)置則可設(shè)置當(dāng)前使用通道以及該通道的小數(shù)點(diǎn)以及單位。

5? ? 結(jié)論

本文介紹的電動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)將JJF 1610—2017校準(zhǔn)規(guī)范要求的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)整合到同一裝置中，試驗(yàn)臺(tái)的臥式設(shè)計(jì)較好地解決了動(dòng)力工具校準(zhǔn)中反作用力的問題，配備的動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量儀可高速采集扭矩和角度信號(hào)。其在校準(zhǔn)工作中的應(yīng)用，將有效提高工作效率，更好地服務(wù)于扭矩計(jì)量領(lǐng)域。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 電動(dòng)、氣動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)規(guī)范：JJF 1610—2017[S].

[2] 王暢，陳柯行，趙印明，等.便攜式電氣動(dòng)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2017，37（增刊1）：196-198.

收稿日期：2023-02-09

作者簡介：謝石昊（1987—），男，福州長樂人，工程師，主要從事扭矩硬度轉(zhuǎn)速儀器檢定/校準(zhǔn)工作。