CN103837299B - 一种扭矩扳子自动检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭矩扳子自动检测系统及其检测方法，包括标准扭矩仪、工作台面、执行机构和电气控制系统，所述标准扭矩仪通过信号线与电气控制系统连接，所述电气控制系统通过驱动伺服电机对执行机构施加扭矩；所述执行机构包括设置在减速机柜内的行星减速机、固定在工作台面上的固定导轨、以及设置在固定导轨上的滑动导轨和滑动挡板；所述电气控制系统包括设置在工作台面下的电气控制柜和工控机柜、固定在工作台面上的显示器及支架、以及设置在工作台面前侧的手动操作平台；本发明研究开发了一种准确高效的扭矩扳子检测系统，实时检测到该扳子所受到的扭矩值，并将该值传送到电控系统，驱动伺服电机，带动减速机施加扭矩。

Description

一种扭矩扳子自动检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种扭矩扳子自动检测系统及检测方法，可用于完成扭矩扳子的自动检定、校准和测试。

背景技术

扭矩扳子是一种带有扭矩测量机构的拧紧计量器具，它用于紧固螺栓和螺母，并能测量出拧紧时的扭矩值，因此是一种控制装配精度的重要器具；按照所使用的动力源，扭矩扳子一般分为手动、电动、气动和液压四大类；其中手动扭矩扳子因其结构简单，价格低廉和使用便捷等原因，应用面最广。

随着我国工业的发展，工业生产的技术水准越来越高，对产品质量的要求也越来越高，这使得生产装配过程中对装配工艺的要求也越来越严苛；因此，近年来，扭矩扳子在模具加工、汽车制造、交通运输和重装制造等行业中的运用越来越广泛，其数量也逐年上涨。扭矩扳子作为计量器具，必须定期对其进行监督和校准，所以有巨大的检测需求。

以往的扭矩扳子检定设备几乎都是手动扭矩扳子检定仪。该装置通常由手轮、丝杆（减速机）、力臂杠杆、标准扭矩仪和单片机数采系统等模块组成；依靠人力，摇动手轮，带动丝杆（减速机）转动，从而使力臂杠杆转动，对被检扭矩扳子施加扭矩，该扭矩值通过标准扭矩仪被单片机系统采集到，可以记录下峰值和跟踪值等。该类型的检定仪虽然结构简单，价格低廉，但具有如下不足：

（1）、劳动强度大每次加载必须由人力转动手轮来完成，当检定大量程扭矩扳子（比如3000Nm）时，手轮非常沉重，需检定人员具备很大的臂力和很强的耐力。

（2）、示值重复性差、示值误差大每次检定到达峰值或者预定扭矩值时，必须停止转动手轮，检定人员不同，操作习惯不同，个人反映快慢不同等差异，均会带来检定误差。

（3）、功能单一该类检定仪往往采用的单一量程设置，即一台检定仪，只配置一只扭矩标准仪，如果想要满足10Nm～3000Nm量程段内所有扭矩扳子的检定，那么得配置一系列的检定仪，购置总价高，占用试验室空间大。

（4）、量值溯源不便由于该型装置通常采用单片机系统，没有独立可校准的二次仪表，只能将装置上的标准扭矩仪拆下来，单独送检，其电缆接头往往与检测机构的仪表不匹配，连接不便且会引入误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种准确高效的扭矩扳子自动检测系统及检测方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种扭矩扳子自动检测系统，包括标准扭矩仪7、工作台面11、执行机构和电气控制系统，所述标准扭矩仪7通过信号线与电气控制系统相连，所述电气控制系统通过驱动伺服电机13对执行机构施加扭矩。

所述执行机构包括设置在减速机柜9内的行星减速机12、固定在工作台面11上的固定导轨6、以及设置在固定导轨6上的滑动导轨14和滑动挡板4；

所述伺服电机13通过传动轴与行星减速机12连接，行星减速机12通过连接轴套72以及穿过工作台面并与行星减速机顶部相连的螺栓垂直安装在工作台面11下，连接轴套72上部连接垂直安置在工作台面11上的标准扭矩仪7；所述被检测扭矩扳子5一端固定在标准扭矩仪7上，另一端放置在滑动导轨14上，标准扭矩仪7和滑动导轨14上有固定被检测扭矩扳子5的固定部分。

所述电气控制系统设置在工作台面11下的电气控制柜1和工控机柜10内，电气控制系统还包括固定在工作台面11上的显示器、设置在工作台面前侧的手动操作平台2。

所述工控机柜10内装设有工控机，所述工控机与装设在电气控制柜1内的伺服电机13、伺服控制器、电抗器、滤波器、PLC、数据采集卡和接触器串联构成电气控制系统，并通过信号线与标准扭矩仪7和显示器连接。

所述标准扭矩仪7由扭矩传感器71和精密二次仪表构成，所述二次仪表将采集到的扭矩数据传给扭矩传感器71，扭矩传感器通过信号线将数据传给电气控制系统的工控机。

所述标准扭矩仪7有6种不同量程的规格，量程覆盖5Nm～3000Nm。

所述滑动挡板4上设置有可以竖直方向上下移动的小托板，所述滑动挡板4和小托板都上设计有锁紧螺杆15。

所述工作台面11是一块厚度大于等于20mm的整体钢板。

所述滑动导轨14为“T”型结构设计。

作为本发明的优选方案，所述伺服电机13通过传动轴与行星减速机12连接对执行机构加载，采用准确性较高的轮轴加载方式，增加了加载过程中的精密控制性。

作为本发明的优选方案，所述标准扭矩仪7有6种不同量程的规格，量程覆盖5Nm～3000Nm，通过扭矩传感器71与转接轴套72的独特设计，可以快速插拔更换，方便快捷，提高了检测精度，检测覆盖面广，工作效率大大提高。

作为本发明的优选方案，所述滑动挡板4上设置有可以竖直方向上下移动的小托板，所述滑动挡板4和小托板都上设计有锁紧螺杆15；滑动挡板可实时调节横向受力点的位置，滑动挡板4上设计的小托板可以在竖直方向上下混动，保证被检扳子处于水平状态；滑动挡板和小托板均设计有锁紧螺杆，用于快速锁紧定位。

作为本发明的优选方案，所述滑动导轨14为“T”型设计，具有很高的抗弯抗扭强度，结构简单，加工便捷，装卸方便，且不像滚珠导轨那样需要精心维护。

所述被检测扭矩扳子5在安装时，需调整滑动挡板4中的小托板的高度，保证被检测扭矩扳子与工作台面平行，滑动挡板的圆柱靠在扭矩扳子的加载刻线处。

本发明实现自动检测扭矩扳子的具体方法为：将所述被检测扭矩扳子5安装到位后，标准扭矩仪7会实时检测到该扳子所受到的扭矩值，并将该值传送到电控系统，驱动伺服电机14，带动减速机施加扭矩，当到达预设的扭矩值时，电机以低速运动方式以保持预设施加值，如果捕捉到峰值则自动卸载回到零点。

所述电控系统驱动伺服电机的过程，由工控机上的预设模式来完成。

所述预设模式主要包括预置式、示值式、数据管理、数据维护、系统参数五个功能模块，涵盖了的手动扭矩扳子检测的全过程。有峰值捕捉和负荷跟踪两种算法，分别对应预置式和示值式两种试验模式。

预置式模式主要用于预置式扭矩扳子的检测，该模式下，系统会根据示值的变化，自动判断并捕捉峰值，然后自动卸载到零点，自动完成一次加载循环；检测数据自行处理，直接在证书格式中得出示值误差，示值重复性等考核指标。用户也可任意设定循环次数，无需人工干预。

示值式模式主要用于数显扭矩扳子、指针式扭矩扳子、倍增器和扭矩传感器等仪器的检测。用户可以自由预设若干加载点，并预设到达预设点时负荷的保持时间，以便用户读取扭矩扳子数显上或刻度上的示值，并将其输入系统；系统还建立了设备管理数据库，方便用户查询被检设备的各种信息。

数据处理：负荷加卸完成后，即可进入数据处理模块，该次检测的数据已经处理完成，只需填写送检单位、产品规格等相关信息，保存后，点击“关闭”退出。

参数设定：设定电机加载速度、被检仪器的加载负荷点等参数，开始检测之前，必须要确定所设置的系统参数。

数据维护：所有保存后的检测数据均可在此模块中进行查询、修改、打印等操作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、准确度高、量程宽：系统准确度为0.3%；配置6只不同量程的扭矩标准仪，量程覆盖5Nm～3000Nm；

2、操作便捷、工作效率高：具备手动和自动两种操作模式，自由切换；加载速度可调，自动完成任意次数的加卸载过程，无需人工干预；

3、应用面广：可检测预置式扭矩扳子、指针式扭矩扳子和数显扭矩扳子，甚至包括低于0.5级扭矩传感器。可根据扳子的类别选择相应的操作方式和数据单位；

4、结构紧凑、稳定性好：采用行星减速机轮轴加载方式，工作过程噪音极低，运行平稳，整体刚度大，系统稳定性好；

5、系统扩展性强：可根据用户需求，选用触摸屏操作方式或PC操作方式；PC操作方式配置有专业的操作软件、打印机等附件，可实现数据的采集、处理、存储、查询和证书打印等一站式流程；

6、系统可量值溯源：所配置的每只扭矩标准仪和整机系统出厂时均经过检定合格，如用户有需要则可提供相应的检定证书。

附图说明：

图1为本发明的扭矩扳子自动检测系统的结构示意图。

图2为扭矩传感器套件结构示意图。

图3为本发明滑动导轨、滑动挡板与固定导轨连接结构示意图。

1-电气控制柜、2-手动操作平台、3-显示器及支架、4——滑动挡板、5——被检扭矩扳子、6——固定导轨（另附有加长导轨）、7——标准扭矩仪（可快速插拔更换）、8——键盘鼠标抽屉、9——减速机柜、10——工控机柜、71-扭矩传感器、72-转接轴承、11-工作台面、12-行星减速机、13-伺服电机、14-滑动导轨、15-锁紧螺杆。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1～3所示的扭矩扳子自动检测系统，包括标准扭矩仪7、工作台面11、执行机构和电气控制系统，所述标准扭矩仪7通过信号线与电气控制系统相连，所述电气控制系统通过驱动伺服电机13对执行机构施加扭矩。

所述执行机构包括设置在减速机柜9内的行星减速机12、固定在工作台面11上的固定导轨6、以及设置在固定导轨6上的滑动导轨14和滑动挡板4；所述伺服电机13通过传动轴与行星减速机12连接，行星减速机12通过连接轴套72以及穿过工作台面并与行星减速机顶部相连的螺栓垂直安装在工作台面11下，连接轴套72上部连接垂直安置在工作台面11上的标准扭矩仪7；所述被检测扭矩扳子5一端固定在标准扭矩仪7上，另一端放置在滑动导轨14上，标准扭矩仪7和滑动导轨14上有固定被检测扭矩扳子5的固定部分。

所述电气控制系统设置在工作台面11下的电气控制柜1和工控机柜10内，电气控制系统还包括固定在工作台面11上的显示器、设置在工作台面前侧的手动操作平台2。

所述工控机柜10内装设有工控机，所述工控机与装设在电气控制柜1内的伺服电机13、伺服控制器、电抗器、滤波器、PLC、数据采集卡和接触器串联构成电气控制系统，并通过信号线与标准扭矩仪7和显示器连接。

所述标准扭矩仪7由扭矩传感器71和精密二次仪表构成，所述二次仪表将采集到的扭矩数据传给扭矩传感器71，扭矩传感器通过信号线将数据传给电气控制系统的工控机。

所述标准扭矩仪7有6种不同量程的规格，量程覆盖5Nm～3000Nm。

所述滑动挡板4上设置有可以竖直方向上下移动的小托板，所述滑动挡板4和小托板都上设计有锁紧螺杆15。

所述工作台面11是一块厚度大于等于20mm的整体钢板，作为优选，本实施例选为30mm厚的整体钢板。

所述滑动导轨14为“T”型设计。

本实施中，本装置设计负荷为3000Nm，为减小伺服电机的功率，因此选用三级行星减速机，减速比高达1280:1，额定输出扭矩为3700Nm，最大输出扭矩为7400Nm，完全胜任；一般来讲，扭矩传感器的有效使用量程为其满量程的20%～100%，为保证系统在3000Nm全量程内的计量准确度，必须配置一系列高精度标准扭矩仪，因此设计了快速接口，扭矩仪的底座经过特殊定制，镶嵌在减速机输出轴上，配合紧密，不会产生晃动。

电气控制系统部分由精密伺服电机、伺服控制器、电抗器、滤波器，施耐德PLC、标准扭矩仪、数据采集卡、工控机、显示器以及接触器等电气附件组成，实现扭矩闭环控制。(1)单次加载时间在30秒左右较为合适；太慢会影响工作效率，太快则会对扭矩扳子结构带来冲击，并产生一定的误差。这就要求刚开始时加载速度较快，逼近预设值时，开始减速；检定预置式扭矩扳子时捕捉到峰值，则快速卸载到零点；检定数显或指针式扭矩扳子时，则稳定在预设值，直到接受下一步操作指令。用户可以根据使用习惯和检测对象的不同灵活设置加载速度；(2)峰值捕捉的判断阈值应可让用户自行设置预置式扭矩扳子的主体结构是一个杠杆机构，当它所受的扭矩到达预设值时，杠杆就会突然滑动，发出“啪”的一声脆响。该参数正是用于峰值判断，可以设定标准扭矩仪所采集扭矩信号的跌落值（或跌幅）为峰值判断阈值，也可设定扭矩加载曲线的斜率为判断阈值。由于各个厂家的预置式扭矩扳子机构特性不同，峰值前后的扭矩变化有大有小，而且扭矩扳子在加载过程中类似于弹性杠杆，晃动或变形会产生示值波动，系统预设的判断阈值如果过大，会漏过峰值，过小则会产生误判，此时就要求用户根据被检对象的特性加以修正。

软件部分：上位机软件采用C#2008编制，主要包括检测试验、数据管理、被检设备管理3个功能模块，建立管理数据库采用的工具是Access2003。软件涵盖了的手动扭矩扳子检测的全过程，有峰值捕捉和负荷跟踪两种操作模式。峰值捕捉模式主要用于预置式扭矩扳子的检测，特殊情况下也可用作其他构件的极限负荷（破坏性）测试；该模式下，系统会根据示值的变化，自动判断并捕捉峰值，然后自动卸载到零点，自动完成一次加载循环；系统默认是预加载3次，自动加载3次，数据自行处理，直接在证书格式中得出示值误差，示值重复性等考核指标。用户也可任意设定循环次数，类似于做扭矩扳子的疲劳试验，而无需人工干预。负荷跟踪模式主要用于数显扭矩扳子和指针式扭矩扳子的检测。用户可以自由预设若干加载点，并预设到达预设点时负荷的保持时间，以便用户读取扭矩扳子数显上或刻度上的示值，并将其输入系统，用着数据处理。

系统还建立了设备管理数据库，方便用户查询被检设备的各种信息，如规格编号、检定周期提醒、历史数据对比等。其中历史数据对比功能非常重要，系统由此可绘制出被检设备工作特性的变化曲线，可以帮助用户随时了解被检设备的状态，及时维护，防止损坏。

上位机控制式的检测系统适用于具备良好试验室环境的计量检测机构及企业，扭矩扳子的检测数据能够接入对方现有的检测数据库系统，组建成一个统一的检测管理体系。

此外，根据用户使用场合和习惯的不同，单独设计了配置触摸屏操作式的检测系统，操作简单快捷，适用于工厂车间等场合。

测试结果：装置完成后，标准扭矩仪、数据采集仪等计量仪器均进行了量值溯源，并对整机系统进行了不确定度评定，结果符合0.3级，可以作为标准装置，开展1级以下手动扭矩扳子的检定、校准工作。

以东泰牌NL760型扭矩扳子为被检对象，进行了多次试验，将得到的数据进行处理，结果见表1。

表1NL760型扭矩扳子检定数据

以同样的方式，对东泰牌NL3000型扭矩扳子进行检测，结果如表2所示。

表2NL3000型扭矩扳子检定数据

两只NL型扭矩扳子的出厂标称准确度为±3%，从上表可见两只扭矩扳子都合格，它们的示值相对误差均在2%范围内，且示值重复性较好。这说明该检定仪整体刚度好，整个扭矩加载机构的变形量很小，才能保证被检仪器的示值重复性指标；而对于示值相对误差，可以通过对标准扭矩仪的校准加以修正。

精确扭矩控制的软件算法步骤如下：

1、系统根据设定的加载方向，以设定的一个较高的速度起动电机转动，并启动扭矩量值监测；

2、当扭矩值接近设定加载扭矩值的20%时，控制电机以一个中档的速度转动运行；

3、当扭矩值接近设定加载扭矩值的波动范围时，控制电机以一个低档速度转动运行；

4、当扭矩值接近设定加载扭矩值的维持稳定范围时，控制电机已一个很低的速度转动运行；

5、系统稳定达到设定时间间隔后，弹出用户输入扭矩扳子读数的对话框；

6、用户输入读数后，系统计算误差并保存数据后，进入下一加载点检测。

Claims (9)

1.一种扭矩扳子自动检测系统，其特征在于：包括标准扭矩仪(7)、工作台面(11)、执行机构和电气控制系统，所述标准扭矩仪(7)通过信号线与电气控制系统相连，所述电气控制系统通过驱动伺服电机(13)对执行机构施加扭矩；

所述执行机构包括设置在减速机柜(9)内的行星减速机(12)、固定在工作台面(11)上的固定导轨(6)、以及设置在固定导轨(6)上的滑动导轨(14)和滑动挡板(4)；

所述伺服电机(13)通过传动轴与行星减速机(12)连接，行星减速机(12)通过连接轴套(72)以及穿过工作台面并与行星减速机顶部相连的螺栓垂直安装在工作台面(11)下，连接轴套(72)上部连接垂直安置在工作台面(11)上的标准扭矩仪(7)；所述被检扭矩扳子(5)一端固定在标准扭矩仪(7)上，另一端放置在滑动导轨(14)上，标准扭矩仪(7)和滑动导轨(14)上设有固定被检扭矩扳子(5)的固定部分，

所述电气控制系统设置在工作台面(11)下的电气控制柜(1)和工控机柜(10)内，电气控制系统还包括固定在工作台面(11)上的显示器、设置在工作台面前侧的手动操作平台(2)。

2.根据权利要求1所述的扭矩扳子自动检测系统，其特征在于：工控机柜(10)内装设有工控机，所述工控机与装设在电气控制柜(1)内的伺服电机(13)、伺服控制器、电抗器、滤波器、PLC、数据采集卡和接触器串联构成电气控制系统，并通过信号线与标准扭矩仪(7)和显示器连接。

3.根据权利要求1所述的扭矩扳子自动检测系统，其特征在于：所述标准扭矩仪(7)由扭矩传感器(71)和精密二次仪表构成，所述二次仪表将采集到的扭矩数据传给扭矩传感器(71)，扭矩传感器通过信号线将数据传给电气控制系统的工控机；

所述标准扭矩仪(7)有6种不同量程的规格，量程覆盖5Nm~3000Nm。

4.根据权利要求1所述的扭矩扳子自动检测系统，其特征在于：所述滑动挡板(4)上设置有可以竖直方向上下移动的小托板，所述滑动挡板(4)和小托板都上设计有锁紧螺杆(15)。

5.根据权利要求1所述的扭矩扳子自动检测系统，其特征在于：所述工作台面(11)是一块厚度大于等于20mm的整体钢板。

6.根据权利要求1所述的扭矩扳子自动检测系统，其特征在于：所述滑动导轨(14)为“T”型结构设计。

7.一种如权利要求1-6之一所述利用扭矩扳子自动检测系统进行扭矩扳子的检测方法，其特征在于：

所述扭矩扳子自动检测系统检测方法是：将所述被检测扭矩扳子(5)安装到标准扭矩仪(7)和滑动导轨(14)上并轴向与工作台面平行，标准扭矩仪(7)实时检测到该扳子所受到的扭矩值，并将该值传送到电控系统，驱动伺服电机(13)带动减速机施加扭矩，当到达预设的扭矩值时，电机以低速运动方式以保持预设施加值，如果捕捉到峰值则自动卸载回到零点，形成一个精密控制的闭环系统；

所述电控系统驱动伺服电机的过程，由工控机上的预设模式来完成；

所述预设模式主要包括预置式、示值式、数据管理、数据维护、系统参数五个功能模块，涵盖了的手动扭矩扳子检测的全过程。

8.根据权利要求7所述的利用扭矩扳子自动检测系统进行扭矩扳子的检测方法，其特征在于：

所述被检测扭矩扳子(5)在安装时，需调整滑动挡板(4)中的小托板的高度，保证被检测扭矩扳子与工作台面(11)平行，滑动挡板(4)的圆柱靠在扭矩扳子的加载刻线处。

9.根据权利要求7所述的利用扭矩扳子自动检测系统进行扭矩扳子的检测方法，其特征在于：

所述扭矩扳子检测系统设置有手动控制按钮，当系统出现故障时，可点击此按钮后，利用手动操作平台(2)进行控制。