全自動(dòng)扭矩扳子檢定儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐周毅 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

1 概述

目前局內(nèi)工務(wù)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)有著大量扭矩扳子，隨著扭矩扳子應(yīng)用的推廣與普及，扭矩扳子檢定儀作為保障扭矩扳子量值準(zhǔn)確的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器被大量應(yīng)用。站段扭矩扳子動(dòng)則數(shù)百把，全自動(dòng)扭矩扳子檢定儀的優(yōu)勢(shì)也越發(fā)的顯著，人工檢定扭矩扳子效率隨著工作時(shí)間會(huì)不斷下降，而全自動(dòng)扭矩扳子檢定儀檢定扭矩扳子則不會(huì)存在這個(gè)問(wèn)題。同時(shí)全自動(dòng)扭矩扳子檢定儀可以自動(dòng)記錄、計(jì)算檢定數(shù)據(jù)，減少了人為計(jì)算的誤差。在對(duì)接計(jì)量管理信息系統(tǒng)后將自動(dòng)生成電子版的原始記錄及檢定證書，極大的提高了檢定效率。

2 硬件設(shè)計(jì)思路

根據(jù)調(diào)研，市場(chǎng)上的扭矩扳子檢定儀普遍有1～3 個(gè)量程。鐵路系統(tǒng)應(yīng)用的扭矩扳子量程分布在20 N·m～2 000 N·m，種類繁多，量程跨度大，應(yīng)設(shè)計(jì)三個(gè)量程較為合適。傳感器一般能保證其最大量程10%～100%的精度。因此，取20 N·m～200 N·m、50 N·m～500 N·m、200 N·m～2000 N·m三個(gè)量程以保證鐵路系統(tǒng)中，任何一個(gè)量程的扭矩扳子均可以被準(zhǔn)確檢定。根據(jù)已確定的量程，選擇相應(yīng)量程的傳感器。綜合考慮成本、精度及裝配三個(gè)因素，確定采用雙法蘭式的傳感器。選用齒輪箱作為傳動(dòng)部件。齒輪作為被廣泛用于精密機(jī)械傳動(dòng)的零件，最適合用于本項(xiàng)目的傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)：外廓尺寸小、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、壽命長(zhǎng)、速比范圍大、傳動(dòng)精度高。齒輪傳動(dòng)的這些優(yōu)點(diǎn)可以保證扭矩扳子智能檢定儀的尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)、精度高、可變扭矩比大等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)齒輪傳動(dòng)也具有成本較高、設(shè)計(jì)復(fù)雜、維護(hù)安裝不易等缺點(diǎn)。但是綜合考慮，齒輪是最適合本項(xiàng)目的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)流程如圖1所示。

導(dǎo)軌部分，實(shí)現(xiàn)支架可以沿導(dǎo)軌平穩(wěn)滑動(dòng)、鎖緊。考慮到各個(gè)單位使用的扳手量程不同，主要以小扳手為主，部分單位有少量大扳手，導(dǎo)軌可以在一定范圍內(nèi)伸縮以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的扳手。支架部分，支架需通過(guò)手輪在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)高度，以適應(yīng)不同型號(hào)的扳手水平擺放。支架上還需設(shè)置導(dǎo)柱，可以在導(dǎo)柱上安裝保護(hù)架、加長(zhǎng)架、把手等附件。整機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置為伺服電機(jī)。通過(guò)程序控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而輸出扭矩。減速機(jī)與伺服電機(jī)連接。根據(jù)公式：。電機(jī)的輸出功率P恒定，減速機(jī)的速比為100，即轉(zhuǎn)速n減小100 倍，扭矩放大100 倍。齒輪分度圓半徑r與扭矩T成正比。通過(guò)計(jì)算所需的扭矩，設(shè)計(jì)各級(jí)齒輪副的齒輪分度圓半徑。每一級(jí)軸的轉(zhuǎn)速n與扭矩T成正比。前述設(shè)計(jì)三級(jí)的量程最大值為200 N·m、500 N·m、2 000 N·m。Ⅰ級(jí)與Ⅲ級(jí)的轉(zhuǎn)速比為1:10，不方便實(shí)現(xiàn)電控，因此每一級(jí)軸的實(shí)際輸出扭矩需調(diào)整，為了縮小轉(zhuǎn)速比，在設(shè)計(jì)上放大所需轉(zhuǎn)矩，增加齒輪分度圓半徑。

傳感器設(shè)計(jì)思路有兩種，一種是單電機(jī)可換傳感器型，另一種是多電機(jī)固定傳感器型。單電機(jī)可換傳感器型優(yōu)點(diǎn)在于體積小成本低零件少，缺點(diǎn)在于不同量程需要手動(dòng)更換傳感器，并且傳感器和機(jī)器的同軸度要求較高。多電機(jī)固定傳感器型是將所有需要用到的傳感器全部固定在機(jī)體上，優(yōu)點(diǎn)在于檢定時(shí)無(wú)需更換傳感器，缺點(diǎn)在于機(jī)體需要裝配多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此體積較大成本較高。兩種機(jī)型的原理都相同，加載方式采用轉(zhuǎn)軸式的驅(qū)動(dòng)方式，這種方式加載時(shí)完全模擬扳手的工作狀態(tài)。具有加載平穩(wěn)、穩(wěn)定性高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)使用方要求選擇合適的方案。

3 控制原理

全自動(dòng)檢定原理也是基于扳手加載到預(yù)設(shè)值后會(huì)自動(dòng)打滑的工作特性，打滑后扭矩釋放，因此預(yù)設(shè)值實(shí)際上就應(yīng)該是打滑前的最大值，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將數(shù)字儀表發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從中篩選出最大值，作為測(cè)量值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行計(jì)算和比較。工作時(shí)，電腦通過(guò)IO和驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)加載，實(shí)施采集扭矩扳手測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)，檢測(cè)判定達(dá)到峰值后，記錄數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)卸載扳手。硬件構(gòu)架主要包括計(jì)算機(jī)、IO 模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等組成部分。扳手設(shè)定完成后，計(jì)算機(jī)將控制信號(hào)通過(guò)IO模塊發(fā)送至驅(qū)動(dòng)模塊，加載電機(jī)通過(guò)加載系統(tǒng)加載扭矩扳手，扳手受力變形，扭矩測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)測(cè)量扭矩值，扭矩值通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸并顯示在計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)判定是否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，比較判斷后繼續(xù)發(fā)出控制信號(hào)，進(jìn)而完成系統(tǒng)控制閉環(huán)。全自動(dòng)控制加載模式是運(yùn)用PLC 控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，PLC 作為主控單元，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定、快速，不易損壞，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。PLC 接收連接所有開關(guān)信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以根據(jù)要求正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

扭矩加載到設(shè)定值或系統(tǒng)抓取到峰值后，模擬應(yīng)變式傳感器經(jīng)過(guò)組橋后將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)編程處理后按照一定的格式將數(shù)據(jù)通過(guò)RS485 串行通訊接口輸出，并且對(duì)時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，電源電路，串行通訊模塊，存儲(chǔ)模塊進(jìn)行控制最終將數(shù)字信號(hào)傳送給顯示儀表，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)字化應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字化應(yīng)變傳感器原理框圖

對(duì)于檢定預(yù)置式扭矩扳手，全自動(dòng)扭矩扳子檢定儀的使用能夠大大降低計(jì)量人員的工作強(qiáng)度。計(jì)量人員僅需將扭矩扳手調(diào)整至所需檢定點(diǎn)，然后將扭矩扳手正確地安裝在扭矩扳手檢定儀上并清零，工作臺(tái)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行加載。工作臺(tái)會(huì)根據(jù)計(jì)量規(guī)程預(yù)載，之后進(jìn)行正常加載并記錄數(shù)據(jù)，在加載時(shí)，根據(jù)所選量程，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)判斷加載強(qiáng)度及時(shí)間，自動(dòng)控制加載速度，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢定扭矩扳子。

4 思考

全自動(dòng)扭矩扳子檢定儀在使用中可以使用全自動(dòng)模式進(jìn)行檢定，但是在進(jìn)行溯源檢定時(shí)還是需要手動(dòng)操作，所以機(jī)器需要配備電子手輪從而實(shí)現(xiàn)扭矩值的手動(dòng)微調(diào)操作。當(dāng)我們正常加載時(shí)，由于扭矩扳手的特性，會(huì)出現(xiàn)力值下降的過(guò)程，比如加載到2 000 N·m，由于力值很大，扭矩扳手的受力不會(huì)穩(wěn)定2 000 N·m，會(huì)出現(xiàn)小幅下降，此時(shí)如果讀取數(shù)據(jù)，無(wú)論計(jì)量人員人工讀取或計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，均會(huì)出現(xiàn)誤差，此時(shí)，電子手輪就發(fā)揮了極大的彌補(bǔ)作用。電子手輪是一種依靠脈沖控制伺服電機(jī)的機(jī)械設(shè)備，可以將力值控制精確到0.1%。例如，在出廠時(shí)設(shè)定將機(jī)械手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，電機(jī)僅轉(zhuǎn)動(dòng)1度，這樣的話，在力值到達(dá)指定點(diǎn)之前，輕轉(zhuǎn)手輪，即可將力值固定，最大程度的避免誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，全自動(dòng)扭矩扳子檢定儀是一種比較便捷的測(cè)量設(shè)備，其具有操作方便，界面直觀，自動(dòng)計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)全自動(dòng)扭矩扳子檢定儀的設(shè)計(jì)方案及不確定度評(píng)定進(jìn)行了研究，提出了自己的看法，對(duì)未來(lái)進(jìn)一步探索，提升扭矩扳子檢定儀的性能提供了一定的幫助。