李張標(biāo)　余善成　秦樹(shù)偉

(寧波市計(jì)量測(cè)試研究院，寧波 315048)

0　引言

扭矩扳子也稱(chēng)扭矩扳手、扭力扳手或力矩扳手，用來(lái)緊固螺釘、螺栓、螺母等緊固件時(shí)所需控制施加的力矩大小，以保證能將其緊固且不至于因力矩過(guò)大而破壞螺紋。

扭矩扳子是通過(guò)扭矩扳子檢定儀來(lái)校準(zhǔn)其示值是否正確，以達(dá)到保證扭矩量值的準(zhǔn)確性。扭矩扳子檢定儀有機(jī)械式、液壓式和電子式三種。目前使用的扭矩扳子檢定儀大多為電子式，電子式扭矩儀是將被檢扭矩扳子的扳頭與扭矩傳感器的棘輪孔同軸串接，當(dāng)在扭矩扳子尾部直接或間接施加扭矩時(shí)，傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換、峰值保持，最后在數(shù)字指示裝置上顯示出來(lái)。

機(jī)械式、液壓式與電子式扭矩扳子檢定儀目前均需人工數(shù)據(jù)采集、記錄及處理，對(duì)被測(cè)扭矩扳子的質(zhì)量分析也是要通過(guò)人工操作才能進(jìn)行。即使電子式扭矩扳子檢定儀自身雖具備數(shù)據(jù)讀取、顯示功能，但大多功能簡(jiǎn)單，主要是通過(guò)扭矩傳感器將扭矩信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并直接顯示扭矩值，只具有顯示功能，無(wú)數(shù)據(jù)存貯及處理功能。這就亟需對(duì)智能化扭矩檢測(cè)進(jìn)行方法研究并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將檢定儀與PC機(jī)對(duì)接，使測(cè)試數(shù)據(jù)能夠被讀取、傳輸并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在PC機(jī)中進(jìn)行分析、處理、統(tǒng)計(jì)。這不僅提高了扭矩扳子測(cè)試的工作效率，更保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

扭矩傳感器的使用受量程的限制，下限使用范圍是扭矩傳感器量程的20%，所以在實(shí)驗(yàn)室中要解決被測(cè)扭矩扳子量程連續(xù)的問(wèn)題，就必須配備多臺(tái)扭矩扳子檢定儀，一般在實(shí)驗(yàn)室中如配置到20～2000Nm測(cè)量范圍，就必須配備7～8臺(tái)扭矩扳子檢定儀。如果每臺(tái)扭矩儀配備一臺(tái)PC機(jī)，則勢(shì)必造成資源的浪費(fèi)。因而有必要解決這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)PC機(jī)對(duì)應(yīng)多臺(tái)檢測(cè)儀數(shù)據(jù)處理終端。

宋謙等人提出一種基于Zigbee的無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)[1]，郭吉術(shù)提出一種基于NRF2401的無(wú)線扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，張德龍?zhí)岢鲆环N基于藍(lán)牙的無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)[3]，但對(duì)多臺(tái)檢定儀組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)都沒(méi)有給出解決方案。相比藍(lán)牙、GPRS等其他無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，基于Zigbee的無(wú)線傳輸平臺(tái)具有穩(wěn)定性好、成本低、協(xié)議簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的扭矩扳子檢定系統(tǒng)，可以將多臺(tái)檢定儀組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，完成檢定校準(zhǔn)工作。

1　系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)由若干臺(tái)扭矩扳子檢定儀及一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)平臺(tái)組成。扭矩扳子檢定儀在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)通過(guò)RS232接口連接到無(wú)線發(fā)送裝置，由無(wú)線接收終端將信號(hào)接收，再通過(guò)RS232接口傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)，由控制平臺(tái)將信號(hào)進(jìn)一步處理。

圖1　系統(tǒng)原理圖

該無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于IEEE802.15.4規(guī)范的無(wú)線技術(shù)，采用了基于Zigbee技術(shù)的XBee-Pro芯片，該芯片功耗低，發(fā)送狀態(tài)工作電流為215mA，接收狀態(tài)工作電流為55mA，待機(jī)工作電流為10μA，該芯片工作頻率為2.4GHz。扭矩扳子檢定儀采用電子式扭矩儀，該檢定儀在檢測(cè)扭矩扳子時(shí)能夠通過(guò)RS232接口發(fā)出實(shí)時(shí)扭矩值的數(shù)字信號(hào)，將無(wú)線收發(fā)模塊與RS232接口連接，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)子節(jié)點(diǎn)。在接收端，利用PC機(jī)的串口與無(wú)線接收端連接，使用基于VC++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2　基于Zigbee的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于Zigbee技術(shù)具有強(qiáng)大的無(wú)線組網(wǎng)能力，可以組成星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)，本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，選用了組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。心節(jié)點(diǎn)為Zigbee協(xié)調(diào)器，子節(jié)點(diǎn)為Zigbee終端設(shè)備，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)。

系統(tǒng)采用Microchip的開(kāi)源Zigbee協(xié)議棧，該協(xié)議棧是Zigbee的精簡(jiǎn)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了大部分功能。主要包括以下幾個(gè)部分：

1) IEEE802.15.4部分，由XBee-Pro芯片提供物理層和MAC層功能；

2)上層協(xié)議，使用成熟的協(xié)議棧；

3)用戶(hù)程序，根據(jù)Zigbee規(guī)范的規(guī)定，應(yīng)用各廠商提供的API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Zigbee的全部功能，進(jìn)行組網(wǎng)開(kāi)發(fā)[4]。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換方式為半雙工方式，為了避免同頻干擾的問(wèn)題，且在檢定校準(zhǔn)時(shí)通常只有一臺(tái)扭矩扳子檢定儀在工作，其他的處于非工作狀態(tài)，故通信采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，檢測(cè)主機(jī)通過(guò)掃描的方式與各個(gè)發(fā)送端進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信。檢測(cè)主機(jī)收到上位機(jī)發(fā)出的檢測(cè)命令后向系統(tǒng)中某一遠(yuǎn)程檢測(cè)分機(jī)發(fā)出分機(jī)地址代碼，每個(gè)分機(jī)收到地址代碼后被尋址的分機(jī)返回本機(jī)地址給主機(jī)，其他分機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。在判斷地址相符后主機(jī)給被尋址的分機(jī)再發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)控制命令，被尋址分機(jī)根據(jù)其命令進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)向主機(jī)發(fā)送，檢測(cè)和數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后發(fā)出結(jié)束代碼。主機(jī)接收數(shù)據(jù)包后進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)正確，則發(fā)送握手信號(hào)，否則重新請(qǐng)求數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)全部正確為止。一臺(tái)分機(jī)檢測(cè)結(jié)束后主機(jī)把扭矩?cái)?shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳送到計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行下一個(gè)分機(jī)檢測(cè)，直到所有分機(jī)掃描一遍為止。在掃描過(guò)程中某一個(gè)分機(jī)規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有應(yīng)答，則重新發(fā)送該機(jī)地址代碼，仍無(wú)應(yīng)答信號(hào)，就顯示通信失敗或分機(jī)故障報(bào)警。采集完畢后由系統(tǒng)上的 Zigbee 終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，等待協(xié)調(diào)器接收采集到的信號(hào)，接收完畢后，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)。

3　扭矩扳子檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

扭矩扳子檢測(cè)系統(tǒng)與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，尋找網(wǎng)絡(luò)。與無(wú)線傳輸平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)成功后，登陸到系統(tǒng)界面，通過(guò)按鍵觸發(fā)進(jìn)行扭矩信息在無(wú)線傳輸平臺(tái)上的傳送。當(dāng)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的扭矩采集數(shù)據(jù)通過(guò)平臺(tái)傳送到終端之后，終端通過(guò)串口將接收的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)處理。

設(shè)計(jì)選擇的數(shù)據(jù)庫(kù)為Access2003，程序開(kāi)發(fā)工具為VC++6.0。系統(tǒng)使用VisualC++6.0中MSComm控件進(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收，并且使用事件驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。利用MSComm控件引發(fā)OnComm事件，應(yīng)用程序在捕獲該事件后，檢查MSComm控件的COmmEveni屬性，若為接收屬性則接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理則是按JJG 707—2003《扭矩扳子檢定規(guī)程》編寫(xiě)的[5]，具備數(shù)據(jù)處理功能，即軟件可對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，形成原始記錄，這樣能大幅提升工作效率。為便于維護(hù)與管理測(cè)量數(shù)據(jù)，若需查詢(xún)數(shù)據(jù),可通過(guò)檢索型號(hào)規(guī)格、檢定時(shí)間、證書(shū)編號(hào)、有效期限、器具編號(hào)、送檢單位等信息來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，可以進(jìn)行各種扭矩單位的換算，即將輸出的N·m換算成kgf·m、lbf·in、lbf·ft等單位，并具有扭矩扳子的加載曲線圖生成功能。

4　結(jié)論

Zigbee技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本系統(tǒng)將Zigbee技術(shù)與扭矩扳子檢定結(jié)合起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)扭矩扳子檢定儀使用一臺(tái)PC機(jī)實(shí)時(shí)處理檢定數(shù)據(jù)的工作，將檢定校準(zhǔn)的計(jì)量器具信息及數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可供日后查詢(xún)，并嚴(yán)格按照檢定規(guī)程完成整個(gè)扭矩扳子的檢定校準(zhǔn)工作，降低了人為因素在檢定校準(zhǔn)工作中產(chǎn)生粗大誤差的概率，并大大提高了工作效率。

[1]宋謙.基于Zigbee的無(wú)線扭矩測(cè)量系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)， 2013,32(6)

[2]郭吉術(shù).基于NRF2401的無(wú)線扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)及傳感器，2012(12)

[3]張德龍.基于藍(lán)牙4.0的無(wú)線扭矩測(cè)量分析[J].網(wǎng)絡(luò)與信息工程，2013(15)

[4]張蕓薇.基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué)，2013

[5]JJG 707—2003 扭矩扳子計(jì)量檢定規(guī)程