易 偉，陳世超，邱東利

（中國測試技術研究院，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，應用面最廣。

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的技術水準越來越高，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苛；因此，近年來，扭矩扳子在模具加工、汽車制造、交通運輸和重裝制造等行業(yè)中的運用越來越廣泛，其數(shù)量也逐年上漲。扭矩扳子作為計量器具，必須定期對其進行監(jiān)督和校準，面對巨大的檢測需求，本文研究開發(fā)一種準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）、力臂杠桿、標準扭矩儀和單片機數(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）轉(zhuǎn)動，從而使力臂杠桿轉(zhuǎn)動，對被檢扭矩扳子施加扭矩，該扭矩值通過標準扭矩儀被單片機系統(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）勞動強度大。每次加載必須由人力轉(zhuǎn)動手輪來完成，當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的耐力。

（2）示值重復性差，示值誤差大。每次檢定到達峰值或者預定扭矩值時，必須停止轉(zhuǎn)動手輪，檢定人員不同、操作習慣不同、個人反應快慢不同等差異，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置，即一臺檢定儀，只配置一只扭矩標準儀，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系統(tǒng)，沒有獨立可校準的二次儀表，只能將裝置上的標準扭矩儀拆下來，單獨送檢，其電纜接頭往往與檢測機構(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

本裝置主要由標準扭矩儀、工作臺面、執(zhí)行機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)組成?；驹硎牵斉ぞ匕庾影惭b到位后，標準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，帶動減速機施加扭矩，當?shù)竭_預設的扭矩值時，電機以低速運動方式保持預設施加值，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 機械部分

作為執(zhí)行機構(gòu)的機械部分由工作機臺、精密行星減速機、滑動導軌和擋板等機構(gòu)組成，采用準確性較高的輪軸加載方式[4]。本裝置設計負荷為3000Nm，為減小伺服電機的功率，因此選用三級精密行星減速機，減速比高達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。采用行星減速機還具有傳動精密、噪音低、體積小、免維護等優(yōu)點。

為增加加載過程中的精密控制性，必須保證機臺整體的剛性，因此將減速機、導軌和擋板固定在一塊厚達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)的計量準確度，必須配置一系列高精度標準扭矩儀[5]，因此設計了快速接口，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、伺服控制器、電抗器、濾波器，施耐德PLC、標準扭矩儀、數(shù)據(jù)采集卡、工控機、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慣，一致認為單次加載時間在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，逼近預設值時，開始減速；檢定預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)定在預設值，直到接受下一步操作指令。用戶可以根據(jù)使用習慣和檢測對象的不同靈活設置加載速度。

（2）峰值捕捉的判斷閾值應可讓用戶自行設置。預置式扭矩扳子的主體結(jié)構(gòu)是一個杠桿機構(gòu)，當它所受的扭矩到達預設值時，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，可以設定標準扭矩儀所采集扭矩信號的跌落值（或跌幅）為峰值判斷閾值，也可設定扭矩加載曲線的斜率為判斷閾值。由于各個廠家的預置式扭矩扳子機構(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)預設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，有峰值捕捉和負荷跟蹤兩種操作模式。峰值捕捉模式主要用于預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)默認是預加載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、示值重復性等考核指標。用戶也可任意設定循環(huán)次數(shù)，類似于做扭矩扳子的疲勞試驗，而無需人工干預。

負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。用戶可以自由預設若干加載點，并預設到達預設點時負荷的保持時間，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)還建立了設備管理數(shù)據(jù)庫，方便用戶查詢被檢設備的各種信息，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備工作特性的變化曲線，可以幫助用戶隨時了解被檢設備的狀態(tài)，及時維護，防止損壞。整個軟件系統(tǒng)的流程簡圖如圖2所示。系統(tǒng)完成后的設備實物圖如圖3所示。

上位機控制式的檢測系統(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)用戶使用場合和習慣的不同，單獨設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，標準扭矩儀、數(shù)據(jù)采集儀等計量儀器均進行了量值溯源，并對整機系統(tǒng)進行了不確定度評定，結(jié)果符合0.3級[10-11]，可以作為標準裝置，開展1級以下手動扭矩扳子的檢定、校準工作。

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，進行了多次試驗，將得到的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果見表1。

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

兩只NL型扭矩扳子的出廠標稱準確度為±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)，且示值重復性較好。這說明該檢定儀整體剛度好，整個扭矩加載機構(gòu)的變形量很小，才能保證被檢儀器的示值重復性指標；而對于示值相對誤差，可以通過對標準扭矩儀的校準加以修正。

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，開展檢測校準工作，取得了良好的經(jīng)濟效益。被檢測到的扭矩扳子品牌繁多，性能不一，廠家多達幾十家，合理設置檢測控制參數(shù)，均能順利完成檢測任務，且操作簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復性好，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。

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