全自動扭矩扳子檢定儀的設計與應用

唐周毅 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 概述

目前局內工務系統、供電系統有著大量扭矩扳子，隨著扭矩扳子應用的推廣與普及，扭矩扳子檢定儀作為保障扭矩扳子量值準確的計量標準器被大量應用。站段扭矩扳子動則數百把，全自動扭矩扳子檢定儀的優勢也越發的顯著，人工檢定扭矩扳子效率隨著工作時間會不斷下降，而全自動扭矩扳子檢定儀檢定扭矩扳子則不會存在這個問題。同時全自動扭矩扳子檢定儀可以自動記錄、計算檢定數據，減少了人為計算的誤差。在對接計量管理信息系統后將自動生成電子版的原始記錄及檢定證書，極大的提高了檢定效率。

2 硬件設計思路

根據調研，市場上的扭矩扳子檢定儀普遍有1～3 個量程。鐵路系統應用的扭矩扳子量程分布在20 N·m～2 000 N·m，種類繁多，量程跨度大，應設計三個量程較為合適。傳感器一般能保證其最大量程10%～100%的精度。因此，取20 N·m～200 N·m、50 N·m～500 N·m、200 N·m～2000 N·m三個量程以保證鐵路系統中，任何一個量程的扭矩扳子均可以被準確檢定。根據已確定的量程，選擇相應量程的傳感器。綜合考慮成本、精度及裝配三個因素，確定采用雙法蘭式的傳感器。選用齒輪箱作為傳動部件。齒輪作為被廣泛用于精密機械傳動的零件，最適合用于本項目的傳動。齒輪傳動具有非常多的優點：外廓尺寸小、傳動效率高、傳動比準確、壽命長、速比范圍大、傳動精度高。齒輪傳動的這些優點可以保證扭矩扳子智能檢定儀的尺寸小、結構緊湊、使用壽命長、精度高、可變扭矩比大等優勢。同時齒輪傳動也具有成本較高、設計復雜、維護安裝不易等缺點。但是綜合考慮，齒輪是最適合本項目的傳動機構。傳動流程如圖1所示。

導軌部分，實現支架可以沿導軌平穩滑動、鎖緊。考慮到各個單位使用的扳手量程不同，主要以小扳手為主，部分單位有少量大扳手，導軌可以在一定范圍內伸縮以適應不同長度的扳手。支架部分，支架需通過手輪在一定范圍內調節高度，以適應不同型號的扳手水平擺放。支架上還需設置導柱，可以在導柱上安裝保護架、加長架、把手等附件。整機的驅動裝置為伺服電機。通過程序控制電機的旋轉，從而輸出扭矩。減速機與伺服電機連接。根據公式：。電機的輸出功率P恒定，減速機的速比為100，即轉速n減小100 倍，扭矩放大100 倍。齒輪分度圓半徑r與扭矩T成正比。通過計算所需的扭矩，設計各級齒輪副的齒輪分度圓半徑。每一級軸的轉速n與扭矩T成正比。前述設計三級的量程最大值為200 N·m、500 N·m、2 000 N·m。Ⅰ級與Ⅲ級的轉速比為1:10，不方便實現電控，因此每一級軸的實際輸出扭矩需調整，為了縮小轉速比，在設計上放大所需轉矩，增加齒輪分度圓半徑。

傳感器設計思路有兩種，一種是單電機可換傳感器型，另一種是多電機固定傳感器型。單電機可換傳感器型優點在于體積小成本低零件少，缺點在于不同量程需要手動更換傳感器，并且傳感器和機器的同軸度要求較高。多電機固定傳感器型是將所有需要用到的傳感器全部固定在機體上，優點在于檢定時無需更換傳感器，缺點在于機體需要裝配多電機驅動，因此體積較大成本較高。兩種機型的原理都相同，加載方式采用轉軸式的驅動方式，這種方式加載時完全模擬扳手的工作狀態。具有加載平穩、穩定性高，可靠性好的優點，可根據使用方要求選擇合適的方案。

3 控制原理

全自動檢定原理也是基于扳手加載到預設值后會自動打滑的工作特性，打滑后扭矩釋放，因此預設值實際上就應該是打滑前的最大值，通過計算機軟件將數字儀表發送過來的數據進行比較，從中篩選出最大值，作為測量值與預設值進行計算和比較。工作時，電腦通過IO和驅動模塊驅動電機加載，實施采集扭矩扳手測量儀的數據，檢測判定達到峰值后，記錄數據，并驅動電機卸載扳手。硬件構架主要包括計算機、IO 模塊、驅動模塊等組成部分。扳手設定完成后，計算機將控制信號通過IO模塊發送至驅動模塊，加載電機通過加載系統加載扭矩扳手，扳手受力變形，扭矩測量儀實時測量扭矩值，扭矩值通過數據采集系統傳輸并顯示在計算機上，計算機判定是否達到預定目標，比較判斷后繼續發出控制信號，進而完成系統控制閉環。全自動控制加載模式是運用PLC 控制伺服電機實現的，PLC 作為主控單元，抗干擾能力強，穩定、快速，不易損壞，使用壽命長，可靠性高。PLC 接收連接所有開關信號，控制電機驅動，使驅動系統可以根據要求正常運轉。

扭矩加載到設定值或系統抓取到峰值后，模擬應變式傳感器經過組橋后將電壓信號轉換成數字信號，通過編程處理后按照一定的格式將數據通過RS485 串行通訊接口輸出，并且對時鐘電路，復位電路，電源電路，串行通訊模塊，存儲模塊進行控制最終將數字信號傳送給顯示儀表，進行數據處理。數字化應變傳感器的設計理框圖如圖2所示。

圖2 數字化應變傳感器原理框圖

對于檢定預置式扭矩扳手，全自動扭矩扳子檢定儀的使用能夠大大降低計量人員的工作強度。計量人員僅需將扭矩扳手調整至所需檢定點，然后將扭矩扳手正確地安裝在扭矩扳手檢定儀上并清零，工作臺就會自動進行加載。工作臺會根據計量規程預載，之后進行正常加載并記錄數據，在加載時，根據所選量程，計算機會自動判斷加載強度及時間，自動控制加載速度，從而實現全自動檢定扭矩扳子。

4 思考

全自動扭矩扳子檢定儀在使用中可以使用全自動模式進行檢定，但是在進行溯源檢定時還是需要手動操作，所以機器需要配備電子手輪從而實現扭矩值的手動微調操作。當我們正常加載時，由于扭矩扳手的特性，會出現力值下降的過程，比如加載到2 000 N·m，由于力值很大，扭矩扳手的受力不會穩定2 000 N·m，會出現小幅下降，此時如果讀取數據，無論計量人員人工讀取或計算機自動記錄，均會出現誤差，此時，電子手輪就發揮了極大的彌補作用。電子手輪是一種依靠脈沖控制伺服電機的機械設備，可以將力值控制精確到0.1%。例如，在出廠時設定將機械手輪轉動一圈，電機僅轉動1度，這樣的話，在力值到達指定點之前，輕轉手輪，即可將力值固定，最大程度的避免誤差。

5 結束語

自動化是未來發展的趨勢，全自動扭矩扳子檢定儀是一種比較便捷的測量設備，其具有操作方便，界面直觀，自動計算等優點。本文對全自動扭矩扳子檢定儀的設計方案及不確定度評定進行了研究，提出了自己的看法，對未來進一步探索，提升扭矩扳子檢定儀的性能提供了一定的幫助。