CN105277302A - 一种扭矩测量轴及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭矩测量轴及测量方法，属于扭矩测量工具领域，解决现有扭矩测量装置无法实时反馈测量数据，且测量数据存在误差的问题。本发明的装置包括驱动轴和壳体，驱动轴包括扭矩测量段，壳体包裹在扭矩测量段上，壳体与扭矩测量段外壁之间有空隙，壳体内设置有电子组件；电子组件包括电池、应变片、电源模块、模数转换模块、显示屏模块和微处理器模块；应变片设置在扭矩测量段外壁上；电池与电源模块双向相连；电源模块与应变片相连；应变片与模数转换模块相连；模数转换模块与电源模块相连，同时与微处理器模块相连；微处理器模块与电源模块双向相连，同时与显示屏模块单向相连。本发明实时反馈测量数据，且测量精确，使用寿命长。

Description

一种扭矩测量轴及测量方法

技术领域

本发明属于扭矩测量工具领域，更具体地说，涉及一种扭矩测量轴及测量方法。

背景技术

工程上通常需要对旋转轴进行动态的扭矩测量，现有技术中扭矩测量通常有三种，一种是采用动态扭矩传感器进行测量，一种是采用在旋转轴上贴应变片的方式测量，一种是用静态扭矩传感器进行测量。采用动态扭矩传感器进行扭矩测量，由于动态扭矩传感器体积大，并且需要专用信号变送器、采集调理箱，数显仪表等，通常需搭建试验台架完成旋转轴的扭矩测量，因此这种扭矩测量方法测量前准备时间长，测量设备体积大，对测量空间场地的要求大同时也不经济。采用在旋转轴上贴应变片的方式测量，因粘贴应变片对环境及人员技术要求较高，在现场进行粘贴有诸多不利因素，且现场中不便扭矩值的标定工作，造成扭矩值测量不准确。用静态扭矩传感器进行测量，仅能对扭转角度不大的轴进行扭矩测量，如果测量螺母拧紧时的扭矩，会出现传感器供电的电缆线缠绕问题。

中国专利申请号201110310200.3，公开日2012年6月20日的专利申请文件，公开了一种数显扭矩头及包含该种数显扭矩头的数显扭矩扳手，具体的数显扭矩头包括外套组件、衬套组件、薄膜开关、电子组件与扭矩传感器，其具有可精确预警小型化的优点，可容易配合应用于现有的扭矩扳手结构中，通过给数显扭矩头的输入方加载扭矩，扭矩传感器发生扭曲形变进而将紧固的扭矩信号采集，而后给电子组件，电子组件对采集的信号进行滤波、分析、转化、线性化处理后直观的显示到四位半液晶显示器上，从而达到精确预紧控制扭矩的目的。但该专利申请文件公开的技术方案只能在待测量轴旋转停止时才能观测到数显屏显示的测量扭矩数据，不能在待测量轴旋转过程中实时显示反馈扭矩数据，同时也导致测量数据存在一定误差，测量精度还有待进一步提高。

中国专利申请号201010176318.7，公开日2010年10月6日的专利申请文件，公开了一种扭矩测试装置，包括阶梯轴，沿其轴向分为贴片部位和设有外花键的部位；感应元件，设于所述阶梯轴的贴片部位；轴套，与所述阶梯轴连接，呈内部镂空的形状，镂空结构具有内花键；调理单元及无线发射单元，均设在所述轴套的上侧，与所述全桥电路连接，所述调理单元用于将全桥电路输出电压转变为其幅值与所受扭矩相对应的数字信号，所述无线发射单元用于发射所述数字信号。该发明大大降低了扭矩测试的现场工作，无需更改现有设备，无需在被测轴上进行打磨、清洗、贴应变片以及组桥等工作，使得现场安装及扭矩测试作业更加简单，避免了现场贴片带来的测试误差，并且可以重复利用。但该发明申请文件公开的测试装置为设置应变片采用阶梯轴容易在扭矩作用下变形或断裂，影响测量精度；应变片的设置位置容易使其受污染，从而影响测量精度。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有扭矩测量装置无法实现在测量过程中实时反馈测量数据，且测量数据存在误差的问题，本发明提供一种扭矩测量轴及测量方法，能实时反馈测量数据，且测量精确，使用寿命长。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种扭矩测量轴，包括驱动轴和壳体，所述的驱动轴包括扭矩测量段，所述的壳体包裹在扭矩测量段上，所述的壳体与扭矩测量段外壁之间有空隙，所述的壳体内设置有电子组件；所述的电子组件包括电池、应变片、电源模块、模数转换模块、显示屏模块和微处理器模块；所述的应变片设置在扭矩测量段外壁上；所述的电池与电源模块双向相连；所述的电源模块与应变片相连；所述的应变片与模数转换模块相连；所述的模数转换模块与电源模块相连，由电源模块供电，同时与微处理器模块相连，向微处理器模块单向输出数据；所述的微处理器模块与电源模块双向相连，同时与显示屏模块单向相连，将数据传输至显示屏模块上显示。

优选地，还包括无线发射模块；所述的无线发射模块与电源模块相连，由电源模块供电，同时与微处理器模块相连，接收微处理器模块发送的数据。

优选地，所述的无线发射模块为无线蓝牙模块、无线wifi模块或无线串口模块。

优选地，还包括USB充电口；所述的USB充电口与微处理器模块双向相连，同时与电源模块相连。

优选地，还包括电源按键和输入按键；所述的电源按键与电源模块相连；所述的输入按键与微处理器模块相连。

一种扭矩测量方法，包括以下步骤：

1)根据待测量轴接口形状，选择连接端与所述接口形状对应的扭矩测量轴；

2)通过扭矩测量轴的连接端将扭矩测量轴安装至待测量轴上，按下电源按键，电源模块导通，微处理器模块工作并控制电源模块持续导通，从而为电子组件供电；

3)启动待测量轴旋转运动动力源，使待测量轴在外力下开始旋转运动；待测量轴旋转产生的扭转阻力传递给驱动轴，驱动轴表面在扭转阻力下产生变形的作用，使扭矩测量装置上应变片发生变形产生电压信号，该电压信号经模数转换模块传输给微处理器模块，微处理器模块对采集的电压信号数值进行计算并转换成扭矩值，输出至显示屏模块上显示；

4)记录步骤3)中所述显示屏模块上显示的扭矩值数据；

5)步骤3)中微处理器模块输出的扭矩值同时经无线发射模块向外发射，从无线发射模块发射的扭矩数据由无线接收模块接收，由电脑进行显示和保存；

6)停止待测量轴的旋转运动，按下电源按键或停止几分钟后，电源模块中断供电，测量过程结束。

优选地，还包括充电步骤，所述的充电步骤在所述的步骤1)与步骤2)之间，具体为：通过USB充电口向扭矩测量轴充电，电源模块通电后，接通与电池的连接，向电池充电，并监测电池电量；电池电量充满后向电源模块反馈电量信息，电源模块接收信号，中断充电线路，停止向电池充电。

优选地，所述的步骤3)中从显示屏模块观测数据时，按下输入按钮，切换扭矩实时值和峰值的显示。

优选地，所述的骤3)中微处理器模块输出的扭矩值由微处理器模块记录并保存；所述的保存的扭矩值数据可以通过存储设备连接USB充电口进行下载。

优选地，所述的步骤6)中停止几分钟后是指几分钟后微处理器模块自动控制电源模块断电；所述的几分钟为0.1～9.9分钟。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明扭矩测量轴是将驱动轴、应变片、控制模块、显示屏、电池集成在一起，此外驱动轴两端做成通用的接口形状，可方便的安装在被测量轴上，故具有体积小，使用方便，实现扭矩的快速测量；由于采用内置电池供电，避免了采用电缆线供电时测量过程中电缆线缠绕的问题；由于本发明的扭矩测量轴其内部应变片可以在生产装配过程中粘贴标定完成，不需在工程现场中进行标定，故测量的扭矩值精度高；

(2)本发明的扭矩测量轴采用集成显示屏和无线传输至电脑两种方式同时显示测量的扭矩值，即使在没有电脑的现场测量中，也可读取扭矩测量值，适应性强；同时无线传输的应用使得测量过程中可实时监测及处理测量的数据，而电脑将测量的扭矩值进行实时显示和保存，能够溯源测量过程；

(3)本发明的扭矩测量轴还包括USB充电口；所述的USB充电口与微处理器模块双向相连，用于上传、下载数据，同时与电源模块相连，经电源模块向电池充电；

(4)本发明的扭矩测量轴还包括电源按键和输入按键；电源按键与电源模块相连，用于人工手动控制电源模块的通断；输入按键与微处理器模块相连，用于可对扭矩的零点及增益进行修改调整；

(5)本发明的扭矩测量方法具有操作方便，测量成本低，测量快速、准确的优点；由于将应变片、电源、数据采集传输做成一体，集成度高，测量精度高；通过USB充电口充电，操作简单，实用性强，同时适应环境能力强；本方法能够实时显示测量数据，并能够远程监测，提高了数据处理的便捷性，能适应于人不能接近或进入的测量环境；

(6)本发明的扭矩测量方法能够保存测量数据，使后续数据分析时能够溯源测量过程；本发明扭矩测量方法能够在不使用情况下自动断开电源，节约电能；通过输入按钮的切换，能够反馈不同时段的数据，数据显示更加全面；通过数据下载功能能够使长时间测量的数据永久性保留，适用于较长周期的设备测量有较大优越性。

附图说明

图1为本发明的扭矩测量轴的结构示意图；

图2为本发明的扭矩测量轴的立体示意图；

图3为本发明的扭矩测量轴带电源按钮一面的立体示意图；

图4为本发明的扭矩测量轴中电子组件的接线图。

图中：10、驱动轴；11、凹槽连接孔；12、凸出连接体；

20、壳体；30、电池；40、应变片；50、电源模块；60、模数转换模块；70、显示屏模块；80、微处理器模块；90、无线发射模块；

21、电源按键；22、输入按键。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1、图2、图3和图4所示，一种扭矩测量轴，包括驱动轴10和壳体20，驱动轴10包括扭矩测量段，壳体20包裹在扭矩测量段上，壳体20与扭矩测量段外壁之间有空隙，空隙可以避免设置在扭矩测量段外壁上的应变片与壳体接触，避免发生短路、漏电等危险，提高测量精度；壳体20内设置有电子组件；电子组件包括电池30、应变片40、电源模块50、模数转换模块60、显示屏模块70和微处理器模块80；应变片40设置在扭矩测量段外壁上；电池30与电源模块50双向相连；电源模块50与应变片40相连；应变片40与模数转换模块60相连；模数转换模块60与电源模块50相连，由电源模块50供电，同时与微处理器模块80相连，向微处理器模块80单向输出数据；微处理器模块80与电源模块50双向相连，同时与显示屏模块70单向相连，将数据传输至显示屏模块70上显示。

为了能够实现实时远程数据监测处理，以适应人不能进入或靠近的测量环境，如图4所示，本发明的扭矩测量轴还包括无线发射模块90；无线发射模块90与电源模块50相连，同时与微处理器模块80相连；无线发射模块90可以采用无线蓝牙模块、无线wifi模块或无线串口模块中的一种；无线发射模块90发射的数据经远端无线接收模块接收处理后通过电脑等设备显示并存储数据。

为了满足能够充电反复利用和数据下载的功能，本发明的扭矩测量轴还包括USB充电口；USB充电口与微处理器模块80双向相连，用于上传、下载数据，同时与电源模块50相连，经电源模块向电池充电。

为了方便人工控制电源的通断，本发明的扭矩测量轴还包括电源按键21和输入按键22；电源按键21与电源模块50相连；用于人工手动控制电源模块的通断；输入按键22与微处理器模块80相连，用于可对扭矩的零点及增益进行修改调整。

本发明的扭矩测量轴中采用四块应变片呈全桥电路方式连接，均匀设置在扭矩测量段外壁上，以提高本发明装置的测量精度。

此外驱动轴10两端为与待测量轴相匹配的连接端，该连接端可以采用法兰连接端或者一端设置成凹槽连接孔11，另一端设置成凸出连接体12，凹槽连接孔11可以是四方、六方孔中的一种，凸出连接体12同样可以使四方、六方头中的一种，做成该通用的接口形状，可方便的安装在被测量轴上，故具有体积小，使用方便，实现扭矩的快速测量；本实施例中采用如图1所示的凹槽连接孔11为四方连接孔，凸出连接体12为四方连接体。由于采用内置电池供电，避免了采用电缆线供电时测量过程中电缆线缠绕的问题；由于本发明的扭矩测量轴其内部应变片可以在生产装配过程中粘贴标定完成，不需在工程现场中进行标定，故测量的扭矩值精度高。

本发明扭矩测量轴是将驱动轴、应变片、控制模块、显示屏、无线发射模块、电池集成在一起，改变了以往的外部供电方式，测量数据传输为无线方式，从而可以在高速连续旋转中测量扭矩并同步反馈测量数据。

本实施例采用上述扭矩测量轴对接头端为四方接头的旋转轴启动扭矩进行测量，包括以下步骤：

1)选择连接端为四方连接端的扭矩测量轴；

2)充电：通过USB充电口向扭矩测量轴充电，电源模块通电后，接通与电池的连接，向电池充电，并监测电池电量；电池电量充满后向电源模块反馈电量信息，电源模块接收信号，中断充电线路，停止向电池充电；

3)将扭矩测量轴上为四方连接孔的凹槽连接孔套在待测量轴的四方接头端，按下电源按键，电源模块导通，微处理器模块工作并控制电源模块持续导通，从而为电子组件供电；按下输入按键，清零扭矩值；

4)启动待测量轴旋转运动动力源，使待测量轴在外力下开始旋转运动；待测量轴旋转产生的扭转阻力传递给驱动轴，驱动轴表面在扭转阻力下产生变形的作用，使扭矩测量装置上应变片发生变形产生电压信号，该电压信号经模数转换模块传输给微处理器模块，微处理器模块对采集的电压信号数值进行计算并转换成扭矩值，输出至显示屏模块上显示，按下输入按钮，切换扭矩实时值和峰值的显示；与此同时微处理器模块输出的扭矩值由微处理器模块记录并保存；

5)人工记录步骤3)中所述显示屏模块上显示的扭矩值数据，该数据包括扭矩实时值和峰值；

6)步骤4)中微处理器模块输出的扭矩值同时经无线发射模块向外发射，从无线发射模块发射的扭矩数据由无线接收模块接收，由电脑进行显示和保存；

7)停止待测量轴的旋转运动，按下电源按键，电源模块中断供电，测量过程结束；为了后续数据的集中处理，可以通过存储设备连接USB充电口进行数据下载。

上述步骤7)中操作人员亦可以不按下电源按键，等待3～5分钟后，微处理器模块自动控制电源模块断电。

本发明的扭矩测量方法能够保存测量数据，使后续数据分析时能够溯源测量过程；本发明扭矩测量方法所应用的扭矩测量轴能够在不使用情况下自动断开电源，节约电能；通过输入按钮的切换，能够反馈不同时段的数据，数据显示更加全面；通过数据下载功能能够使长时间测量的数据永久性保留，适用于较长周期的设备测量有较大优越性。

Claims (10)

1.一种扭矩测量轴，包括驱动轴(10)和壳体(20)，所述的驱动轴(10)包括扭矩测量段，所述的壳体(20)包裹在扭矩测量段上，其特征在于：所述的壳体(20)与扭矩测量段外壁之间有空隙，所述的壳体(20)内设置有电子组件；所述的电子组件包括电池(30)、应变片(40)、电源模块(50)、模数转换模块(60)、显示屏模块(70)和微处理器模块(80)；所述的应变片(40)设置在扭矩测量段外壁上；所述的电池(30)与电源模块(50)双向相连；所述的电源模块(50)与应变片(40)相连；所述的应变片(40)与模数转换模块(60)相连；所述的模数转换模块(60)与电源模块(50)相连，由电源模块(50)供电，同时与微处理器模块(80)相连，向微处理器模块(80)单向输出数据；所述的微处理器模块(80)与电源模块(50)双向相连，同时与显示屏模块(70)单向相连，将数据传输至显示屏模块(70)上显示。

2.根据权利要求1所述的一种扭矩测量轴，其特征在于：还包括无线发射模块(90)；所述的无线发射模块(90)与电源模块(50)相连，同时与微处理器模块(80)相连。

3.根据权利要求2所述的一种扭矩测量轴，其特征在于：所述的无线发射模块(90)为无线蓝牙模块、无线wifi模块或无线串口模块。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种扭矩测量轴，其特征在于：还包括USB充电口；所述的USB充电口与微处理器模块(80)双向相连，同时与电源模块(50)相连。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种扭矩测量轴，其特征在于：还包括电源按键(21)和输入按键(22)；所述的电源按键(21)与电源模块(50)相连；所述的输入按键(22)与微处理器模块(80)相连。

6.一种扭矩测量方法，包括以下步骤：

1)根据待测量轴接口形状，选择连接端与所述接口形状对应的扭矩测量轴；

2)通过扭矩测量轴的连接端将扭矩测量轴安装至待测量轴上，按下电源按键，电源模块导通，微处理器模块工作并控制电源模块持续导通，从而为电子组件供电；

3)启动待测量轴旋转运动动力源，使待测量轴在外力下开始旋转运动；待测量轴旋转产生的扭转阻力传递给驱动轴，驱动轴表面在扭转阻力下产生变形的作用，使扭矩测量装置上应变片发生变形产生电压信号，该电压信号经模数转换模块传输给微处理器模块，微处理器模块对采集的电压信号数值进行计算并转换成扭矩值，输出至显示屏模块上显示；

4)记录步骤3)中所述显示屏模块上显示的扭矩值数据；

5)步骤3)中微处理器模块输出的扭矩值同时经无线发射模块向外发射，从无线发射模块发射的扭矩数据由无线接收模块接收，由电脑进行显示和保存；

6)停止待测量轴的旋转运动，按下电源按键或停止几分钟后，电源模块中断供电，测量过程结束。

7.根据权利要求6所述的一种扭矩测量方法，其特征在于：还包括充电步骤，所述的充电步骤在所述的步骤1)与步骤2)之间，具体为：通过USB充电口向扭矩测量轴充电，电源模块通电后，接通与电池的连接，向电池充电，并监测电池电量；电池电量充满后向电源模块反馈电量信息，电源模块接收信号，中断充电线路，停止向电池充电。

8.根据权利要求6所述的一种扭矩测量方法，其特征在于：所述的步骤3)中从显示屏模块观测数据时，按下输入按钮，切换扭矩实时值和峰值的显示。

9.根据权利要求6所述的一种扭矩测量方法，其特征在于：所述的骤3)中微处理器模块输出的扭矩值由微处理器模块记录并保存；所述的保存的扭矩值数据可以通过存储设备连接USB充电口进行下载。

10.根据权利要求6所述的一种扭矩测量方法，其特征在于：所述的步骤6)中停止几分钟后是指几分钟后微处理器模块自动控制电源模块断电；所述的几分钟为0.1～9.9分钟。