手動扭矩扳子檢定儀的開發(fā)

易 偉，陳世超，邱東利

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

扭矩扳子是一種帶有扭矩測量結(jié)構(gòu)的擰緊計量器具，它用于緊固螺栓和螺母，并能測量出擰緊時的扭矩值[1]，因此是一種控制裝配精度的重要器具；按照所使用的動力源，扭矩扳子一般分為手動、電動、氣動和液壓4大類；其中手動扭矩扳子因其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉和使用便捷等原因，應(yīng)用面最廣。

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)水準(zhǔn)越來越高，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高，這使得生產(chǎn)裝配過程中對裝配工藝的要求也越來越嚴(yán)苛；因此，近年來，扭矩扳子在模具加工、汽車制造、交通運(yùn)輸和重裝制造等行業(yè)中的運(yùn)用越來越廣泛，其數(shù)量也逐年上漲。扭矩扳子作為計量器具，必須定期對其進(jìn)行監(jiān)督和校準(zhǔn)，面對巨大的檢測需求，本文研究開發(fā)一種準(zhǔn)確高效的扭矩扳子檢定儀。

1 舊型裝置的情況

以往的扭矩扳子檢定設(shè)備幾乎都是手動扭矩扳子檢定儀[2]。該裝置通常由手輪、絲桿（減速機(jī)）、力臂杠桿、標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀和單片機(jī)數(shù)采系統(tǒng)等模塊組成；依靠人力，搖動手輪，帶動絲桿（減速機(jī)）轉(zhuǎn)動，從而使力臂杠桿轉(zhuǎn)動，對被檢扭矩扳子施加扭矩，該扭矩值通過標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀被單片機(jī)系統(tǒng)采集到，可以記錄下峰值和跟蹤值等。該類型的檢定儀雖然結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但有如下不足：

（1）勞動強(qiáng)度大。每次加載必須由人力轉(zhuǎn)動手輪來完成，當(dāng)檢定大量程扭矩扳子（比如3000Nm）時，手輪非常沉重，需檢定人員具備很大的臂力和很強(qiáng)的耐力。

（2）示值重復(fù)性差，示值誤差大。每次檢定到達(dá)峰值或者預(yù)定扭矩值時，必須停止轉(zhuǎn)動手輪，檢定人員不同、操作習(xí)慣不同、個人反應(yīng)快慢不同等差異，均會帶來檢定誤差。

（3）功能單一。該類檢定儀往往采用的單一量程設(shè)置，即一臺檢定儀，只配置一只扭矩標(biāo)準(zhǔn)儀，如果想要滿足10～3000Nm量程段內(nèi)所有扭矩扳子的檢定，那么得配置一系列的檢定儀，購置總價高，占用試驗室空間大。

（4）量值溯源不便。由于該型裝置通常采用單片機(jī)系統(tǒng)，沒有獨(dú)立可校準(zhǔn)的二次儀表，只能將裝置上的標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀拆下來，單獨(dú)送檢，其電纜接頭往往與檢測機(jī)構(gòu)的儀表不匹配，連接不便且會引入誤差。

2 新型系統(tǒng)的構(gòu)成

本裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀、工作臺面、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)組成。基本原理是，當(dāng)扭矩扳子安裝到位后，標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀會實時檢測到該扳子所受到的扭矩值，并將該值傳送到電控系統(tǒng)，驅(qū)動伺服電機(jī)，帶動減速機(jī)施加扭矩，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)的扭矩值時，電機(jī)以低速運(yùn)動方式保持預(yù)設(shè)施加值，如果捕捉到峰值則自動卸載回到零點，形成一個精密控制的閉環(huán)系統(tǒng)[3]。

圖1 閉環(huán)控制原理簡圖

2.1 機(jī)械部分

作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分由工作機(jī)臺、精密行星減速機(jī)、滑動導(dǎo)軌和擋板等機(jī)構(gòu)組成，采用準(zhǔn)確性較高的輪軸加載方式[4]。本裝置設(shè)計負(fù)荷為3000Nm，為減小伺服電機(jī)的功率，因此選用三級精密行星減速機(jī)，減速比高達(dá)1280∶1，額定輸出扭矩為3700Nm，最大輸出扭矩為7400Nm，完全勝任；后續(xù)的極限試驗結(jié)果證明該套系統(tǒng)可以加載到5 000 Nm。采用行星減速機(jī)還具有傳動精密、噪音低、體積小、免維護(hù)等優(yōu)點。

為增加加載過程中的精密控制性，必須保證機(jī)臺整體的剛性，因此將減速機(jī)、導(dǎo)軌和擋板固定在一塊厚達(dá)20mm的整體鋼板上。

一般來講，扭矩傳感器的有效使用量程為其滿量程的20%～100%，為保證系統(tǒng)在3000Nm全量程內(nèi)的計量準(zhǔn)確度，必須配置一系列高精度標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀[5]，因此設(shè)計了快速接口，扭矩儀的底座經(jīng)過特殊定制，鑲嵌在減速機(jī)輸出軸上，配合緊密，不會產(chǎn)生晃動。

2.2 電氣部分

電控部分由精密伺服電機(jī)、伺服控制器、電抗器、濾波器，施耐德PLC、標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)、顯示器以及接觸器等電氣附件組成，實現(xiàn)扭矩閉環(huán)控制[6]。經(jīng)反復(fù)試驗，得到了以下兩點經(jīng)驗：

（1）加載速度必須可調(diào)。雖然JJG 707-2003《扭矩扳子檢定規(guī)程》并未對檢定過程中的加載速度做明確規(guī)定，但綜合了多家用戶使用習(xí)慣，一致認(rèn)為單次加載時間在30 s左右較為合適；太慢會影響工作效率，太快則會對扭矩扳子結(jié)構(gòu)帶來沖擊，并產(chǎn)生一定的誤差。這就要求剛開始時加載速度較快，逼近預(yù)設(shè)值時，開始減速；檢定預(yù)置式扭矩扳子時捕捉到峰值，則快速卸載到零點；檢定數(shù)顯或指針式扭矩扳子時，則穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，直到接受下一步操作指令。用戶可以根據(jù)使用習(xí)慣和檢測對象的不同靈活設(shè)置加載速度。

（2）峰值捕捉的判斷閾值應(yīng)可讓用戶自行設(shè)置。預(yù)置式扭矩扳子的主體結(jié)構(gòu)是一個杠桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)它所受的扭矩到達(dá)預(yù)設(shè)值時，杠桿就會突然滑動，發(fā)出“啪”的一聲脆響。該參數(shù)正是用于峰值判斷，可以設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀所采集扭矩信號的跌落值（或跌幅）為峰值判斷閾值，也可設(shè)定扭矩加載曲線的斜率為判斷閾值。由于各個廠家的預(yù)置式扭矩扳子機(jī)構(gòu)特性不同，峰值前后的扭矩變化有大有小，而且扭矩扳子在加載過程中類似于彈性杠桿，晃動或變形會產(chǎn)生示值波動，系統(tǒng)預(yù)設(shè)的判斷閾值如果過大，會漏過峰值，過小則會產(chǎn)生誤判，此時就要求用戶根據(jù)被檢對象的特性加以修正。

2.3 軟件部分

上位機(jī)軟件采用C#2008編制[7-8]，主要包括檢測試驗、數(shù)據(jù)管理、被檢設(shè)備管理3個功能模塊，建立管理數(shù)據(jù)庫采用的工具是Access2003[9]。

軟件涵蓋了的手動扭矩扳子檢測的全過程，有峰值捕捉和負(fù)荷跟蹤兩種操作模式。峰值捕捉模式主要用于預(yù)置式扭矩扳子的檢測，特殊情況下也可用作其他構(gòu)件的極限負(fù)荷（破壞性）測試；該模式下，系統(tǒng)會根據(jù)示值的變化，自動判斷并捕捉峰值，然后自動卸載到零點，自動完成一次加載循環(huán)；系統(tǒng)默認(rèn)是預(yù)加載3次，自動加載3次，數(shù)據(jù)自行處理，直接在證書格式中得出示值誤差、示值重復(fù)性等考核指標(biāo)。用戶也可任意設(shè)定循環(huán)次數(shù)，類似于做扭矩扳子的疲勞試驗，而無需人工干預(yù)。

負(fù)荷跟蹤模式主要用于數(shù)顯扭矩扳子和指針式扭矩扳子的檢測。用戶可以自由預(yù)設(shè)若干加載點，并預(yù)設(shè)到達(dá)預(yù)設(shè)點時負(fù)荷的保持時間，以便用戶讀取扭矩扳子數(shù)顯上或刻度上的示值，并將其輸入系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)處理。

軟件系統(tǒng)還建立了設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫，方便用戶查詢被檢設(shè)備的各種信息，如規(guī)格編號、檢定周期提醒、歷史數(shù)據(jù)對比等。其中歷史數(shù)據(jù)對比功能非常重要，系統(tǒng)由此可繪制出被檢設(shè)備工作特性的變化曲線，可以幫助用戶隨時了解被檢設(shè)備的狀態(tài)，及時維護(hù)，防止損壞。整個軟件系統(tǒng)的流程簡圖如圖2所示。系統(tǒng)完成后的設(shè)備實物圖如圖3所示。

上位機(jī)控制式的檢測系統(tǒng)適用于具備良好試驗室環(huán)境的計量檢測機(jī)構(gòu)及企業(yè)，扭矩扳子的檢測數(shù)據(jù)能夠接入對方現(xiàn)有的檢測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，組建成一個統(tǒng)一的檢測管理體系。

圖2 檢定系統(tǒng)軟件流程圖

圖3 上位機(jī)控制式系統(tǒng)

圖4 觸摸屏操作式系統(tǒng)

此外，根據(jù)用戶使用場合和習(xí)慣的不同，單獨(dú)設(shè)計了配置觸摸屏操作式的檢測系統(tǒng)，操作簡單快捷，適用于工廠車間等場合，如圖4所示。

3 測試結(jié)果

裝置完成后，標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀、數(shù)據(jù)采集儀等計量儀器均進(jìn)行了量值溯源，并對整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了不確定度評定，結(jié)果符合0.3級[10-11]，可以作為標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展1級以下手動扭矩扳子的檢定、校準(zhǔn)工作。

表1 NL760型扭矩扳子檢定數(shù)據(jù)

表2 NL3000型扭矩扳子檢定數(shù)據(jù)

以東泰牌NL760型扭矩扳子為被檢對象，進(jìn)行了多次試驗，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果見表1。

以同樣的方式，對東泰牌NL3000型扭矩扳子進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。

兩只NL型扭矩扳子的出廠標(biāo)稱準(zhǔn)確度為±3%，從上表可見兩只扭矩扳子都合格，它們的示值相對誤差均在2%范圍內(nèi)，且示值重復(fù)性較好。這說明該檢定儀整體剛度好，整個扭矩加載機(jī)構(gòu)的變形量很小，才能保證被檢儀器的示值重復(fù)性指標(biāo)；而對于示值相對誤差，可以通過對標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀的校準(zhǔn)加以修正。

4 結(jié)束語

本套裝置已交付中測測試科技有限公司寧波分公司使用，開展檢測校準(zhǔn)工作，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。被檢測到的扭矩扳子品牌繁多，性能不一，廠家多達(dá)幾十家，合理設(shè)置檢測控制參數(shù)，均能順利完成檢測任務(wù)，且操作簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)性好，故障率低，計量性能優(yōu)良，提高了工作效率，對扭矩扳子產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)督管理和工藝提升發(fā)揮了重要作用。

[1]JJG 707—2003扭矩扳子檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2003.

[2]陳柯行，謝海蘭，王恩峰，等.幾種常用的扭矩扳子檢定裝置與應(yīng)用介紹[J].計測技術(shù)，2006，48（3）：69-70.

[3]祝海林.機(jī)械工程測試技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]王恩峰，陳柯行，劉軍，等.扭矩扳子檢定儀加載系統(tǒng)誤差分析[J].工業(yè)計量，2007，17（6）：25-27.

[5]JJG 797—1992扭矩扳子檢定儀檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，1992.

[6]貝克維斯.機(jī)械量測量[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[7]Lee W M.C#2008編程參考手冊[Z].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[8]馬歇爾.Visual C#2008核心編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[9]戴建耘.Access2003數(shù)據(jù)庫教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[10]JJF 1059—1999測量不確定度評定與表示[S].北京：中國計量出版社，1999.

[11]張成悌.測量不確定度評定中的若干問題[J].中國測試技術(shù)，2007，33（5）：24-28.