手動扭矩扳子檢定儀的開發

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構的擰緊計量器具，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構簡單、價格低廉和使用便捷等原因，應用面最廣。

隨著我國工業的發展，工業生產的技術水準越來越高，對產品質量的要求也越來越高，這使得生產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中的運用越來越廣泛，其數量也逐年上漲。扭矩扳子作為計量器具，必須定期對其進行監督和校準，面對巨大的檢測需求，本文研究開發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采系統等模塊組成；依靠人力，搖動手輪，帶動絲桿（減速機）轉動，從而使力臂杠桿轉動，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構簡單，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，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的儀表不匹配，連接不便且會引入誤差。

2 新型系統的構成

本裝置主要由標準扭矩儀、工作臺面、執行機構和電氣控制系統組成。基本原理是，當扭矩扳子安裝到位后，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，驅動伺服電機，帶動減速機施加扭矩，當到達預設的扭矩值時，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系統[3]。

圖1 閉環控制原理簡圖

2.1 機械部分

作為執行機構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；后續的極限試驗結果證明該套系統可以加載到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%，為保證系統在3000Nm全量程內的計量準確度，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，扭矩儀的底座經過特殊定制，鑲嵌在減速機輸出軸上，配合緊密，不會產生晃動。

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、數據采集卡、工控機、顯示器以及接觸器等電氣附件組成，實現扭矩閉環控制[6]。經反復試驗，得到了以下兩點經驗：

（1）加載速度必須可調。雖然JJG 707-2003《扭矩扳子檢定規程》并未對檢定過程中的加載速度做明確規定，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構帶來沖擊，并產生一定的誤差。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；檢定數顯或指針式扭矩扳子時，則穩定在預設值，直到接受下一步操作指令。用戶可以根據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構是一個杠桿機構，當它所受的扭矩到達預設值時，杠桿就會突然滑動，發出“啪”的一聲脆響。該參數正是用于峰值判斷，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，晃動或變形會產生示值波動，系統預設的判斷閾值如果過大，會漏過峰值，過小則會產生誤判，此時就要求用戶根據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、數據管理、被檢設備管理3個功能模塊，建立管理數據庫采用的工具是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件的極限負荷（破壞性）測試；該模式下，系統會根據示值的變化，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；系統默認是預加載3次，自動加載3次，數據自行處理，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次數，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顯上或刻度上的示值，并將其輸入系統，用于數據處理。

軟件系統還建立了設備管理數據庫，方便用戶查詢被檢設備的各種信息，如規格編號、檢定周期提醒、歷史數據對比等。其中歷史數據對比功能非常重要，系統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，及時維護，防止損壞。整個軟件系統的流程簡圖如圖2所示。系統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適用于具備良好試驗室環境的計量檢測機構及企業，扭矩扳子的檢測數據能夠接入對方現有的檢測數據庫系統，組建成一個統一的檢測管理體系。

圖2 檢定系統軟件流程圖

圖3 上位機控制式系統

圖4 觸摸屏操作式系統

此外，根據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，操作簡單快捷，適用于工廠車間等場合，如圖4所示。

3 測試結果

裝置完成后，標準扭矩儀、數據采集儀等計量儀器均進行了量值溯源，并對整機系統進行了不確定度評定，結果符合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型扭矩扳子檢定數據

表2 NL3000型扭矩扳子檢定數據

以東泰牌NL760型扭矩扳子為被檢對象，進行了多次試驗，將得到的數據進行處理，結果見表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，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，均能順利完成檢測任務，且操作簡單，系統穩定性和重復性好，故障率低，計量性能優良，提高了工作效率，對扭矩扳子產品質量的監督管理和工藝提升發揮了重要作用。

[1]JJG 707—2003扭矩扳子檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2003.

[2]陳柯行，謝海蘭，王恩峰，等.幾種常用的扭矩扳子檢定裝置與應用介紹[J].計測技術，2006，48（3）：69-70.

[3]祝海林.機械工程測試技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]王恩峰，陳柯行，劉軍，等.扭矩扳子檢定儀加載系統誤差分析[J].工業計量，2007，17（6）：25-27.

[5]JJG 797—1992扭矩扳子檢定儀檢定規程[S].北京：中國計量出版社，1992.

[6]貝克維斯.機械量測量[M].北京：電子工業出版社，2004.

[7]Lee W M.C#2008編程參考手冊[Z].北京：清華大學出版社，2009.

[8]馬歇爾.Visual C#2008核心編程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[9]戴建耘.Access2003數據庫教程[M].北京：電子工業出版社，2007.

[10]JJF 1059—1999測量不確定度評定與表示[S].北京：中國計量出版社，1999.

[11]張成悌.測量不確定度評定中的若干問題[J].中國測試技術，2007，33（5）：24-28.