電動扭矩扳子校準試驗臺的研制

謝石昊 張一

摘要：介紹了電動扭矩扳子校準試驗臺的原理和組成結構，并對試驗臺各部分的設計要點進行了說明。

關鍵詞：電動扭矩扳子；校準；試驗臺；模擬

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

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

0? ? 引言

隨著工業自動化水平的不斷提高，擰緊技術向著標準化、智能化方向發展，制造業生產線上批量的螺紋連接裝配方式正逐步由電動扭矩扳子和電控螺栓擰緊機為代表的扭矩控制動力工具所替代。但是，各類電動扭矩工具的計量校準裝置還不夠成熟，無法滿足電動扭矩扳子量值傳遞的需求。

基于此，本文介紹了一種電動扭矩扳子校準試驗臺，其采用臥式扭矩裝置的設計，具有結構輕巧、能快速安裝、動態采集扭矩角度數據等優點，可以作為現有動態扭矩計量器具的補充。

1? ? 電動扭矩扳子的計量校準現狀

電動扭矩扳子的校準，主要依據國家校準規范JJF 1610—2017《電動、氣動扭矩扳子校準規范》[1]，規范中要求的測量標準和配套設備包括回轉式扭矩傳感器，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，通過對計量機構和有裝配需求企業的考察，許多校準裝置無法滿足規范要求。

目前，常見的電動扭矩扳子的校準主要有以下幾種方法：

（1）通過在固定臺面上安裝靜態扭矩傳感器，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節，靜態扭矩傳感器和測量儀采樣頻率低，造成試驗的重復性差。

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

（3）使用專用的電動扭矩扳子校準裝置[2]，該裝置多采用垂直軸系的結構，將扭矩傳感器、緩沖彈簧、電動扭矩扳子依次同軸連接，并在實驗平臺上配有可移動的反作用擋塊和動態扭矩顯示儀表。該裝置可以滿足一定量程段電動扭矩扳子的校準要求，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，需針對傳感器和被測扳子設計專用工裝和抗反力結構，使用并不廣泛。

通過操作上述幾種校準裝置，并與一線檢測人員溝通發現，許多單位迫切需要一種成本較低、安裝方便并具有動態采樣功能的專用電動扭矩扳子校準裝置。基于此，本文介紹了一種電動扭矩扳子校準試驗臺，可以滿足多數計量機構的量傳需求。

2? ? 電動扭矩扳子校準試驗臺的原理和組成

如圖1所示，福建省計量科學研究院研制的電動扭矩扳子校準試驗臺由旋轉扭矩傳感器、螺栓螺母扭矩連接模擬器、底座和支承結構、動態扭矩測量儀等部分組成，該裝置可滿足不同反作用力臂結構的電動扭矩工具的量傳需要。在實驗室配有供氣系統的情況下，該校準試驗臺亦可用于氣動扭矩扳子的校準。

電動扭矩扳子校準試驗臺采用高精度旋轉扭矩傳感器作為裝置的扭矩和角度基準信號，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，在系統校準過程中扭矩傳感器的輸出信號由動態扭矩測量儀采集、記錄并分析。

試驗臺的扭矩傳感器和模擬器采用了臥式設計，制造和裝配都較為簡單，拆卸和更換傳感器也較為便利。對于立式校準裝置[2]的設計方案，垂直安裝扭矩傳感器需在裝置上設計反作用塊和反作用柱；實際工作中，需根據不同型號的電動扭矩扳子調整反作用塊和反作用柱的位置，大扭矩測試過程中也易造成電動扭矩扳子和反作用力臂的傾斜。而本方案的臥式設計，其特點是徹底摒棄了反作用塊和反作用柱，校準過程中電動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臺面，若電動扭矩扳子的反作用力臂不水平，可直接在試驗臺面上加放墊塊，最終由水平底座（或試驗臺面）和地面直接承受反作用力。

由于是水平布置整個試驗臺，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。試驗臺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，通過支承結構減小同軸度誤差對校準結構的影響。

該校準試驗臺的工作原理是：將電動扭矩扳子插入螺栓螺母扭矩連接模擬器，啟動電動扭矩扳子，將扭矩扳子撥到順時針旋轉檔位，準備擰緊螺栓螺母扭矩連接模擬器。擰緊過程中，電動扭矩扳子的反作用力臂會逆時針轉動，最后水平或成角度加壓到水平底座或者試驗臺面，隨著電動扭矩扳子給螺栓螺母連接模擬器不斷施加扭矩，模擬器內部的蝶形彈簧組被不斷壓縮，帶動螺栓模擬器旋入連接器主體中，同時將過程中的扭矩值向扭矩傳感器傳遞，達到預設擰緊效果后，電動工具停止工作，動態扭矩測量儀上顯示加載過程的扭矩角度或扭矩時間曲線并得出測試扭矩值。

3? ? 螺栓螺母扭矩連接模擬器的設計

根據JJF 1610—2017《電動、氣動扭矩扳子校準規范》，為了在實驗室里模擬電動扭矩扳子的實際使用工況，需要根據本試驗臺設計合適的螺栓螺母扭矩連接模擬器，以達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，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，且螺紋一側設有槽口，用于蝶形彈簧組的安裝。螺栓模擬器，其一端設有與被檢測扭矩電動工具扭轉頭配合的安裝槽，另一端的外螺紋穿過蝶形彈簧組與連接模擬器主體連接。蝶形彈簧組由多個蝶形彈簧組合而成，通過卡環嵌設于連接模擬器主體槽口的內沿。

校準時，可通過蝶形彈簧組的搭配，更換不同蝶形彈簧的組合方式，并根據被檢測電動扭矩扳子實際的擰緊要求，即根據被檢測電動扭矩扳子高扭矩率或者低扭矩率的試驗要求，從而實現不同扭矩率的測試。如圖2中標注的蝶形彈簧組，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。將蝶形彈簧的圓錐形盤口成對安裝，即對合的安裝方式，可實現較大角度的扭矩擰緊，適合低扭矩率軟連接的扭矩試驗。

4? ? 動態扭矩測量儀的設計

4.1? ? 系統概述

電動扭矩扳子校準試驗臺配備了多通道的動態扭矩測量儀。動態扭矩測量儀是應用單片機技術開發的數字儀表，采用STM32F407芯片作為主處理器，24位高精度AD采集芯片進行信號讀取，差分電源供電，具有反應靈敏、可靠性好、測量精度高等優點。扭矩測量儀可根據扭矩測量模式調整采樣頻率，滿足電動扭矩扳子高速采樣的要求；同時，儀表采用了LCD液晶顯示扭矩值和旋轉角度，顯示直觀清晰。

動態扭矩測量儀軟件部分分為扭矩數據讀取和計算、角度數據讀取和計算、數據標定、數據儲存、按鍵讀取、LCD顯示、485通信輸出等部分，程序框圖如圖3所示。

扭矩數據讀取是根據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，通過模數轉換將該信號轉換為數字信號，對已標定數據和當前零點進行對比，最終計算出當前扭矩值大小。當傳感器同時帶有扭矩和角度功能時，在采集扭矩信號的同時，由于傳感器自身正反轉一定的角度會釋放出對應的方波脈沖信號，采用計數器來讀取角度脈沖數量，通過脈沖的正負順序可以判斷扭矩施加方向，根據脈沖數量乘上扭矩傳感器每個脈沖轉過的角度即可求出扭矩傳感器所轉過的角度。

4.2? ? 測量儀界面設計和操作

動態扭矩測量儀的菜單界面如圖4所示。首先在開啟該扭矩測量儀時，會進入一段初始化程序，在初始化完成后的菜單中選擇測試界面，則進入扭矩扳子類型選擇。對于預置式扭力扳手，動態扭矩測試儀僅讀取AD采樣芯片傳輸的扭矩數據電壓數值，通過相應的計算，最終顯示當前扭矩大小。對于電動扭矩扳子，扭矩測試儀軟件會實時讀取AD采樣芯片傳輸的扭矩數據電壓數值，計算角度相應的脈沖信號數量，最終顯示當前扭矩值大小和施加扭矩后電動工具所轉過的角度大小。其中扭矩工具顯示的扭矩值和角度如圖5所示。在菜單中選擇高級設置還能將電動扭矩扳子扭矩值大小和角度的關系通過坐標圖來進行顯示。

在初始化完成后的菜單中選擇標定，則會進入扭矩標定功能。首先選擇所需標定通道，標定方法主要有兩種：一是通過修改具體扭矩電壓信號毫伏值進行扭矩值逐點修正；二是實施加載過程中通過自主設點六個扭矩標準值進行標定。在菜單中選擇通道設置則可設置當前使用通道以及該通道的小數點以及單位。

5? ? 結論

本文介紹的電動扭矩扳子校準試驗臺將JJF 1610—2017校準規范要求的測量標準整合到同一裝置中，試驗臺的臥式設計較好地解決了動力工具校準中反作用力的問題，配備的動態扭矩測量儀可高速采集扭矩和角度信號。其在校準工作中的應用，將有效提高工作效率，更好地服務于扭矩計量領域。

[參考文獻]

[1] 電動、氣動扭矩扳子校準規范：JJF 1610—2017[S].

[2] 王暢，陳柯行，趙印明，等.便攜式電氣動扭矩扳子校準裝置設計[J].計測技術，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速儀器檢定/校準工作。