全自动扭矩扳子检定仪的设计与应用

唐周毅 中国铁路上海局集团有限公司科研所

1 概述

目前局内工务系统、供电系统有着大量扭矩扳子，随着扭矩扳子应用的推广与普及，扭矩扳子检定仪作为保障扭矩扳子量值准确的计量标准器被大量应用。站段扭矩扳子动则数百把，全自动扭矩扳子检定仪的优势也越发的显著，人工检定扭矩扳子效率随着工作时间会不断下降，而全自动扭矩扳子检定仪检定扭矩扳子则不会存在这个问题。同时全自动扭矩扳子检定仪可以自动记录、计算检定数据，减少了人为计算的误差。在对接计量管理信息系统后将自动生成电子版的原始记录及检定证书，极大的提高了检定效率。

2 硬件设计思路

根据调研，市场上的扭矩扳子检定仪普遍有1～3 个量程。铁路系统应用的扭矩扳子量程分布在20 N·m～2 000 N·m，种类繁多，量程跨度大，应设计三个量程较为合适。传感器一般能保证其最大量程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三个量程以保证铁路系统中，任何一个量程的扭矩扳子均可以被准确检定。根据已确定的量程，选择相应量程的传感器。综合考虑成本、精度及装配三个因素，确定采用双法兰式的传感器。选用齿轮箱作为传动部件。齿轮作为被广泛用于精密机械传动的零件，最适合用于本项目的传动。齿轮传动具有非常多的优点：外廓尺寸小、传动效率高、传动比准确、寿命长、速比范围大、传动精度高。齿轮传动的这些优点可以保证扭矩扳子智能检定仪的尺寸小、结构紧凑、使用寿命长、精度高、可变扭矩比大等优势。同时齿轮传动也具有成本较高、设计复杂、维护安装不易等缺点。但是综合考虑，齿轮是最适合本项目的传动机构。传动流程如图1所示。

导轨部分，实现支架可以沿导轨平稳滑动、锁紧。考虑到各个单位使用的扳手量程不同，主要以小扳手为主，部分单位有少量大扳手，导轨可以在一定范围内伸缩以适应不同长度的扳手。支架部分，支架需通过手轮在一定范围内调节高度，以适应不同型号的扳手水平摆放。支架上还需设置导柱，可以在导柱上安装保护架、加长架、把手等附件。整机的驱动装置为伺服电机。通过程序控制电机的旋转，从而输出扭矩。减速机与伺服电机连接。根据公式：。电机的输出功率P恒定，减速机的速比为100，即转速n减小100 倍，扭矩放大100 倍。齿轮分度圆半径r与扭矩T成正比。通过计算所需的扭矩，设计各级齿轮副的齿轮分度圆半径。每一级轴的转速n与扭矩T成正比。前述设计三级的量程最大值为200 N·m、500 N·m、2 000 N·m。Ⅰ级与Ⅲ级的转速比为1:10，不方便实现电控，因此每一级轴的实际输出扭矩需调整，为了缩小转速比，在设计上放大所需转矩，增加齿轮分度圆半径。

传感器设计思路有两种，一种是单电机可换传感器型，另一种是多电机固定传感器型。单电机可换传感器型优点在于体积小成本低零件少，缺点在于不同量程需要手动更换传感器，并且传感器和机器的同轴度要求较高。多电机固定传感器型是将所有需要用到的传感器全部固定在机体上，优点在于检定时无需更换传感器，缺点在于机体需要装配多电机驱动，因此体积较大成本较高。两种机型的原理都相同，加载方式采用转轴式的驱动方式，这种方式加载时完全模拟扳手的工作状态。具有加载平稳、稳定性高，可靠性好的优点，可根据使用方要求选择合适的方案。

3 控制原理

全自动检定原理也是基于扳手加载到预设值后会自动打滑的工作特性，打滑后扭矩释放，因此预设值实际上就应该是打滑前的最大值，通过计算机软件将数字仪表发送过来的数据进行比较，从中筛选出最大值，作为测量值与预设值进行计算和比较。工作时，电脑通过IO和驱动模块驱动电机加载，实施采集扭矩扳手测量仪的数据，检测判定达到峰值后，记录数据，并驱动电机卸载扳手。硬件构架主要包括计算机、IO 模块、驱动模块等组成部分。扳手设定完成后，计算机将控制信号通过IO模块发送至驱动模块，加载电机通过加载系统加载扭矩扳手，扳手受力变形，扭矩测量仪实时测量扭矩值，扭矩值通过数据采集系统传输并显示在计算机上，计算机判定是否达到预定目标，比较判断后继续发出控制信号，进而完成系统控制闭环。全自动控制加载模式是运用PLC 控制伺服电机实现的，PLC 作为主控单元，抗干扰能力强，稳定、快速，不易损坏，使用寿命长，可靠性高。PLC 接收连接所有开关信号，控制电机驱动，使驱动系统可以根据要求正常运转。

扭矩加载到设定值或系统抓取到峰值后，模拟应变式传感器经过组桥后将电压信号转换成数字信号，通过编程处理后按照一定的格式将数据通过RS485 串行通讯接口输出，并且对时钟电路，复位电路，电源电路，串行通讯模块，存储模块进行控制最终将数字信号传送给显示仪表，进行数据处理。数字化应变传感器的设计理框图如图2所示。

图2 数字化应变传感器原理框图

对于检定预置式扭矩扳手，全自动扭矩扳子检定仪的使用能够大大降低计量人员的工作强度。计量人员仅需将扭矩扳手调整至所需检定点，然后将扭矩扳手正确地安装在扭矩扳手检定仪上并清零，工作台就会自动进行加载。工作台会根据计量规程预载，之后进行正常加载并记录数据，在加载时，根据所选量程，计算机会自动判断加载强度及时间，自动控制加载速度，从而实现全自动检定扭矩扳子。

4 思考

全自动扭矩扳子检定仪在使用中可以使用全自动模式进行检定，但是在进行溯源检定时还是需要手动操作，所以机器需要配备电子手轮从而实现扭矩值的手动微调操作。当我们正常加载时，由于扭矩扳手的特性，会出现力值下降的过程，比如加载到2 000 N·m，由于力值很大，扭矩扳手的受力不会稳定2 000 N·m，会出现小幅下降，此时如果读取数据，无论计量人员人工读取或计算机自动记录，均会出现误差，此时，电子手轮就发挥了极大的弥补作用。电子手轮是一种依靠脉冲控制伺服电机的机械设备，可以将力值控制精确到0.1%。例如，在出厂时设定将机械手轮转动一圈，电机仅转动1度，这样的话，在力值到达指定点之前，轻转手轮，即可将力值固定，最大程度的避免误差。

5 结束语

自动化是未来发展的趋势，全自动扭矩扳子检定仪是一种比较便捷的测量设备，其具有操作方便，界面直观，自动计算等优点。本文对全自动扭矩扳子检定仪的设计方案及不确定度评定进行了研究，提出了自己的看法，对未来进一步探索，提升扭矩扳子检定仪的性能提供了一定的帮助。