李 偉， 張立鴻， 閆 鵬

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044）

0 引言

螺栓連接廣泛用于汽車(chē)、風(fēng)電、建筑和各種主機(jī)設(shè)備當(dāng)中， 其連接性能的可靠性直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全[1]。 在螺栓安裝過(guò)程中，通常利用“扭矩法”間接控制螺栓連接的預(yù)緊力， 為此在施擰前必須測(cè)定螺栓連接副扭矩系數(shù)，確認(rèn)其是否符合要求，并以此扭矩系數(shù)平均值來(lái)確定終擰扭矩。 GB/T 16823.3—2010《緊固件扭矩-夾緊力試驗(yàn)》[2]中規(guī)定了扭矩系數(shù)測(cè)定的具體試驗(yàn)流程和規(guī)范。為保證扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性，目前行業(yè)內(nèi)通過(guò)不同設(shè)備檢測(cè)結(jié)果之間互相比對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證。 影響到扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果的因素很多， 魏軍等學(xué)者對(duì)潤(rùn)滑劑及涂抹位置、 擰緊速度和溫濕度等方面的影響進(jìn)行了研究[3-7]。 扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果是通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得到的， 那么檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能同樣是關(guān)系到最終檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要一部分。

由于目前傳感器信號(hào)類型多種多樣， 常用的有mV、mA 和Hz 等模擬量信號(hào)， 還有RS232/422/485、CAN 和TCP/UDP 等數(shù)字量信號(hào)， 不同的信號(hào)可能采用不同處理機(jī)制的采集模塊， 不同的數(shù)據(jù)采集處理機(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致多傳感器數(shù)據(jù)同步性不夠好， 從而得到偏離真實(shí)的檢測(cè)結(jié)果， 同步性性能是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中十分重要的指標(biāo)[8-13]。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率會(huì)影響到整個(gè)擰緊過(guò)程的數(shù)據(jù)還原度，同樣會(huì)影響到扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果。 本文將對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步性和采樣速率兩個(gè)指標(biāo)對(duì)扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行分析， 為今后扭矩系數(shù)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性提供了一定基礎(chǔ)。

1 扭矩系數(shù)檢測(cè)原理介紹

扭矩系數(shù)測(cè)量設(shè)備采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源， 經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)套筒擰緊六角螺母， 通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量擰緊套筒輸出的緊固扭矩值， 通過(guò)軸力傳感器測(cè)量螺栓擰緊過(guò)程產(chǎn)生的夾緊力，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。 試驗(yàn)時(shí)通過(guò)記錄螺栓夾緊力達(dá)到試驗(yàn)零件保證載荷的75%，即F 時(shí)的緊固扭矩值T，依據(jù)公式（1）確定該試驗(yàn)螺栓的扭矩系數(shù)K。 其中，d 為螺栓的公稱直徑。

圖1 螺栓扭矩系數(shù)測(cè)量設(shè)備原理示意圖

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步性

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步性就是公式（1）中的F 和T 對(duì)應(yīng)的時(shí)刻差，差值越小，同步性越好。為了驗(yàn)證采集過(guò)程夾緊力和擰緊扭矩?cái)?shù)據(jù)的同步性， 基于擰緊過(guò)程發(fā)生的物理現(xiàn)象，提出了一種“拐點(diǎn)判斷法”的同步性驗(yàn)證方法：當(dāng)擰緊電機(jī)停止后，擰緊扭矩不再增長(zhǎng)并開(kāi)始減小，螺栓失去擰緊動(dòng)力源，夾緊力應(yīng)當(dāng)不再增長(zhǎng)。為了得到驗(yàn)證數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)定夾緊力或扭矩達(dá)到設(shè)定目標(biāo)電機(jī)停止后繼續(xù)采集一段時(shí)間扭矩和夾緊力數(shù)據(jù)， 得到從開(kāi)始擰緊到電機(jī)停止后一段時(shí)間的整個(gè)擰緊過(guò)程數(shù)據(jù)。 如圖2所示為某規(guī)格螺栓試驗(yàn)的整個(gè)擰緊過(guò)程軸力和緊固扭矩的數(shù)據(jù)，圖3 為對(duì)應(yīng)的軸力-緊固扭矩?cái)?shù)據(jù)關(guān)系曲線。 圖2 中的扭矩拐點(diǎn)時(shí)刻與軸力拐點(diǎn)時(shí)刻幾乎一致， 圖3 中的水平線段表明扭矩停止增長(zhǎng)后軸力不再增長(zhǎng)，表明該試驗(yàn)數(shù)據(jù)同步性較好。 通過(guò)數(shù)據(jù)曲線拐點(diǎn)時(shí)刻的一致性可以準(zhǔn)確判斷兩組數(shù)據(jù)的同步性。

圖2 軸力/緊固扭矩-時(shí)間曲線

圖3 軸力-緊固扭矩關(guān)系曲線

2.1 緊固扭矩?cái)?shù)據(jù)滯后對(duì)扭矩系數(shù)檢測(cè)的影響

為了分析扭矩?cái)?shù)據(jù)滯后對(duì)扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果的影響， 以M42螺栓為例， 設(shè)定擰緊目標(biāo)為軸力達(dá)到697.2kN 進(jìn)行擰緊試驗(yàn)，數(shù)據(jù)同步時(shí)對(duì)應(yīng)的緊固扭矩值為2982.5N·m，計(jì)算得到的扭矩系數(shù)結(jié)果為0.102。 假定采集過(guò)程發(fā)生了扭矩?cái)?shù)據(jù)滯后的現(xiàn)象，滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重，得到的對(duì)應(yīng)緊固扭矩值越小，不同程度的滯后得到的扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果如表1 和圖4 所示。圖5 為扭矩?cái)?shù)據(jù)滯后1s 對(duì)應(yīng)的軸力-扭矩曲線，可以看出，當(dāng)軸力數(shù)據(jù)已經(jīng)不再增長(zhǎng)后，扭矩?cái)?shù)據(jù)依然再繼續(xù)增長(zhǎng)，與實(shí)際發(fā)生的物理過(guò)程不符。圖6 為扭矩系數(shù)-扭矩滯后時(shí)間的關(guān)系，可以看出，緊固扭矩?cái)?shù)據(jù)滯后時(shí)間越長(zhǎng)，得到的扭矩系數(shù)結(jié)果越小，并且基本呈現(xiàn)出線性遞減關(guān)系，以M42 螺栓為例，每滯后0.1s，結(jié)果偏小約2%。

表1 扭矩?cái)?shù)據(jù)滯后不同程度的扭矩系數(shù)結(jié)果

圖4 扭矩?cái)?shù)據(jù)滯后不同程度的軸力/緊固扭矩-時(shí)間曲線

圖5 扭矩?cái)?shù)據(jù)滯后1s 對(duì)應(yīng)的軸力-扭矩曲線

圖6 扭矩系數(shù)-扭矩滯后時(shí)間曲線

2.2 軸力數(shù)據(jù)滯后對(duì)扭矩系數(shù)檢測(cè)的影響

為了分析軸力數(shù)據(jù)滯后對(duì)扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果的影響，同樣以M42 螺栓為例， 設(shè)定擰緊目標(biāo)為扭矩值達(dá)到3000N·m 進(jìn)行擰緊試驗(yàn)， 數(shù)據(jù)同步時(shí)對(duì)應(yīng)的軸力值為703kN，計(jì)算得到的扭矩系數(shù)結(jié)果為0.102。 假定采集過(guò)程發(fā)生了軸力數(shù)據(jù)滯后的現(xiàn)象，越滯后對(duì)應(yīng)的軸力數(shù)據(jù)越小，不同程度的滯后得到的扭矩系數(shù)檢測(cè)結(jié)果如表2 和圖7所示。 圖8 為軸力數(shù)據(jù)滯后不同程度對(duì)應(yīng)的軸力-扭矩曲線，可以看出，當(dāng)扭矩?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)不再增長(zhǎng)后，軸力數(shù)據(jù)依然繼續(xù)不同程度在增長(zhǎng)，與實(shí)際發(fā)生的物理過(guò)程不符。圖9 為扭矩系數(shù)-軸力數(shù)據(jù)滯后時(shí)間的關(guān)系曲線，可以看出，軸力數(shù)據(jù)滯后時(shí)間越長(zhǎng)，計(jì)算扭矩系數(shù)結(jié)果越大，并且基本呈現(xiàn)出線性遞增關(guān)系，以M42 螺栓為例，每滯后0.1s，結(jié)果偏大約3%。

表2 軸力數(shù)據(jù)滯后不同程度的扭矩系數(shù)結(jié)果

圖7 軸力數(shù)據(jù)滯后不同程度的軸力/緊固扭矩-時(shí)間曲線

圖8 軸力數(shù)據(jù)滯后不同程度對(duì)應(yīng)的軸力-扭矩關(guān)系曲線

圖9 扭矩系數(shù)-軸力滯后時(shí)間曲線

通過(guò)上述分別對(duì)扭矩?cái)?shù)據(jù)發(fā)生滯后和軸力數(shù)據(jù)發(fā)生滯后的兩種不同步情況對(duì)扭矩系數(shù)結(jié)果的影響分析，數(shù)據(jù)采集的同步性對(duì)于扭矩系數(shù)測(cè)量結(jié)果影響較大， 容易造成結(jié)果的偏離。 因此在設(shè)計(jì)多信號(hào)類型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)往往要注意數(shù)據(jù)同步性。

3 采樣速率不同對(duì)扭矩系數(shù)測(cè)量的影響分析

著名的奈奎斯特定理中規(guī)定，在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，采樣之后的數(shù)字信號(hào)能夠完整地保留原始信號(hào)中信息， 采樣頻率不能小于信號(hào)中最高頻率的2 倍（fs.max≥2fmax）。 目前，在扭矩系數(shù)檢測(cè)過(guò)程中，需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)套筒擰緊螺栓連接副直至夾緊力超過(guò)設(shè)定值，由于傳感器數(shù)據(jù)是按照一定速率間隔采樣的， 往往不能夠直接采集到設(shè)定值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，需要通過(guò)差分計(jì)算，得到夾緊力設(shè)定值對(duì)應(yīng)的扭矩值， 然后帶入公式進(jìn)行扭矩系數(shù)計(jì)算。 如圖10～圖13 所示，在不同采樣速率下得到不同的軸力變化曲線和扭矩變化曲線，可以看出，采樣速率對(duì)采集結(jié)果影響最大的是發(fā)生在數(shù)據(jù)拐點(diǎn)處， 采樣速率越高，對(duì)數(shù)據(jù)變化的整個(gè)趨勢(shì)還原越準(zhǔn)確，在差分計(jì)算對(duì)應(yīng)值時(shí)的結(jié)果越接近真實(shí)值。 在一些數(shù)據(jù)拐點(diǎn)更多的測(cè)試試驗(yàn)中，如螺栓適應(yīng)性試驗(yàn)，多次擰入擰出測(cè)試試驗(yàn)，要保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)采樣速率的要求也更高。

圖10 不同采樣速率下螺栓軸力采集曲線

圖11 不同采樣速率螺栓軸力拐點(diǎn)變化情況

圖13 不同采樣速率下扭矩拐點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線

圖12 不同采樣速率下扭矩?cái)?shù)據(jù)采集曲線

4 采集系統(tǒng)的構(gòu)建

為了能夠?qū)崿F(xiàn)高同步性和高采樣速率的采集結(jié)果，在構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)引入了CAN 通訊總線，由于CAN 總線通訊的高實(shí)時(shí)性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)[14-16]，同時(shí)能給為數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)加時(shí)間標(biāo)簽，在上位機(jī)進(jìn)行各路傳感器數(shù)據(jù)匯總時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)Ω髀穫鞲衅鲾?shù)據(jù)進(jìn)行精確的對(duì)齊，從而能夠保證各路數(shù)據(jù)的同步性。 由于緊固扭矩傳感器存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為了避免傳統(tǒng)的信號(hào)傳遞方式產(chǎn)生的摩擦磨損，其模擬量信號(hào)經(jīng)采樣后采用了無(wú)線非接觸式的信號(hào)傳輸方式，無(wú)線接收信號(hào)后通過(guò)CAN 總線輸出，而夾緊力傳感器經(jīng)過(guò)AD 采樣后直接發(fā)送到CAN 總線， 上位機(jī)對(duì)CAN 總線上的各路數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一接收。 A/D 采樣速率可達(dá)2.4kHz，足以滿足扭矩系數(shù)檢測(cè)的需求。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖14 所示。 并經(jīng)拐點(diǎn)判斷法實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步性性能較好， 時(shí)刻差值可以保證到2ms之內(nèi)。

圖14 2.4kHz 采樣同步CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步性和采樣速率指標(biāo)對(duì)扭矩系數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響分析， 分別得到了不同同步性下扭矩系數(shù)的偏離程度和不同采樣速率對(duì)扭矩系數(shù)影響，同時(shí)構(gòu)建了2.4kHz 采樣速率的CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)耐叫院涂煽啃?，為?zhǔn)確獲得扭矩系數(shù)值提供了重要基礎(chǔ)。