CN105818088A - 冲击式紧固工具的冲击次数检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冲击式紧固工具扭矩控制的冲击次数检测方法。一种冲击式紧固工具的冲击次数检测方法，利用加速度传感器安装在冲击式紧固工具的振动敏感部位，检测加速度传感器感知的工作过程中的含有各种干扰成分的振动波形信号并对其进行滤波、放大处理，通过A/D转换器送入数字信号采集处理环节进行振动波形频率和连续性实时判别，去掉多余的干扰脉冲，形成完整的脉冲波数据，得到实时的脉冲个数，输出与脉冲个数对应的冲击次数信号。一种实现前述冲击次数检测方法的冲击次数检测装置，在金属或工程塑料外壳内设置冲击次数检测处理电路，所述冲击次数检测处理电路输出的冲击次数信号通过信号电缆与通用扭矩控制器连接，实现冲击扳手输出扭矩的精确可控。

Description

冲击式紧固工具的冲击次数检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种冲击式紧固工具的紧固扭矩控制方法，尤其是涉及一种用于冲击式紧固工具的冲击次数检测方法及装置。

背景技术

众所周知的是，螺栓连接是目前最常用的连接方式。冲击式紧固工具是最常用的紧固诸如螺栓或螺母的紧固工具。冲击式紧固工具通过将脉动式扭矩施加到主轴来旋转主轴端的套筒，从而紧固螺栓或螺母。

目前的冲击式紧固工具按动力源分类有机动扳手、气动扳手和电动扳手。但其紧固螺栓或螺母的工作原理基本一致。其工作原理是：动力机输出轴经减速后驱动加力轴，通过钢球及螺旋槽带动蓄能冲击体，蓄能冲击体在旋转的同时克服冲击弹簧轴向压力向上移动，蓄能冲击体下端的凸块与丁字轴脱离，迅速转动并在冲击弹簧的作用下向下移动复位，冲击丁字轴及同轴的螺栓套筒头，螺栓被旋紧一次。

冲击式紧固工具的特点第一是紧固螺栓或螺母时，在一定时间内，输出扭矩随着冲击的次数增加而增加，两者呈正相关。如果动力机的转速稳定，扭距与冲击时长也呈正相关；第二是所需功率主要取决于冲击弹簧的刚性，因此这类工具的功率、外形尺寸及重量都较小。第三是每一次输出的脉动扭矩值不大，操作者感受不到反作用力矩，这一特点尤其适合紧固铁路弹条扣件螺栓或螺母，由于弹条是弹性体，紧固到同样扭矩所需冲击次数或冲击时长比紧固刚性体要大很多，靠控制冲击次数或冲击时长精确控制紧固扭矩是一种成本低、结构简单的实现方式。

由于以前冲击式紧固工具的输出扭矩较难精确控制，所以其仅适用于一般的螺栓装配，凭感觉和经验来控制扭矩。当对扭矩有严格要求时，例如高速铁路钢轨扣件螺栓的紧固，汽车、桥梁及其它重要设备有扭矩限制的部件的装配，这种冲击扳手就不能满足要求。为此，有必要设计可控制扭矩的冲击扳手或对普通冲击扳手进行技术升级，使其输出扭矩精确可控。

申请号为CN201220476413.3的实用新型专利公开了一种可控扭矩的冲击扳手，申请号为CN201220592078.3的实用新型专利公开了一种带电磁离合器可控扭矩的内燃冲击扳手，这二者除了采用的动力不同以及断开动力的方式不同外，其控制扭矩的原理是相同的，均是在冲击扳手的蓄能冲击体的圆柱体外表面的某一部位镶一环状磁性体，在外壳表面与磁环相对应部位设置一磁性传感器，作业时蓄能冲击体上下移动一次（即冲击一次），磁性传感器开闭一次，此信号经电缆线与控制器相连接，通过控制冲击次数实现自动控制扳手的紧固扭距。其缺点是蓄能冲击体在工作时的热胀冷缩和高速跳动易造成环状磁性体脱落和损坏，另外检测源周围的油泥易造成冲击次数检测不准，从而影响此类扳手的可靠性和扭矩控制精度。

实用新型专利CN201420551480.6公开了一种数字式可控扭矩电动冲击扳手，其对扭矩控制原理是实时检测输入电机的电流变化，动态确定冲击开始点，靠精确控制冲击时长来实现输出扭矩可控。其缺点是当动力机的转速有变化时，输出扭矩的控制准确度有所降低。

发明内容

本发明针对现有通用冲击式紧固工具存在的不足，提出了一种适用于各种动力源冲击式紧固工具的冲击次数检测装置和检测方法。

采用本发明冲击式紧固工具的冲击次数检测方法和装置，可实现通用冲击式紧固工具输出扭矩的精确控制。

本发明所采用的技术方案：

一种冲击式紧固工具的冲击次数检测方法，利用加速度传感器安装在冲击式紧固工具机架的振动敏感部位，检测加速度传感器感知的工作过程中的振动信号；通过模拟信号调理环节对加速度传感器感知的含有各种干扰成分且幅度与冲击强度正相关的振动波形信号进行滤波、放大处理，通过数字信号采集处理环节的A/D转换器将所获振动波形信号转换为数字波形信号，并对数字波形信号进行振动波形频率和连续性实时判别，去掉多余的干扰脉冲，形成完整的脉冲波数据，得到实时的脉冲个数，输出与脉冲个数对应的冲击次数信号。

所述的冲击式紧固工具的冲击次数检测方法，数字信号采集处理环节对振动波形信号进行实时处理，输出冲击次数信号的实现步骤包括：

1）存储步骤—在数据存储单元内存储冲击次数脉冲波的频率m_上限、m_下限和脉冲波的幅度特征参数k，用以在数字信号采集处理环节中实时滤除干扰脉冲；

2）读入步骤—从选择开关读入冲击次数信号输出方式，决定输出的信号类型和同时输出的路数，同时设置冲击次数初始值；

3）采集步骤—将振动模拟波形实时转换为数字波形，并对转换后的数字波形进行数字滤波；

4）运算步骤—首先根据读入的脉冲波的幅度特征参数k将振动波形变换为脉冲波，根据读入的冲击次数脉冲波的频率范围m（m_上限和m_下限）对冲击次数脉冲波的频率和连续性进行实时判断分析，去掉多余的干扰脉冲，形成完整的脉冲波数据，得到实时的脉冲个数（即冲击次数）；当判别是单个的不连续脉冲时，认为是单个的干扰脉冲，将其去掉并返回步骤2）重新开始；

5）输出步骤—根据输入装置读入的输出路数和类型，将冲击次数信息变换为符合其格式或数据通讯协议的数据串，经光隔离和驱动后输出到不同的接口电路上。

一种实现如前所述冲击次数检测方法的冲击次数检测装置，包括金属或工程塑料外壳（1）以及设在所述外壳（1）内部的冲击次数检测处理电路，所述冲击次数检测处理电路输出的冲击次数信号通过信号电缆（2）与通用扭矩控制器连接，实现冲击扳手输出扭矩的精确可控，所述冲击次数检测处理电路包含加速度传感器，模拟信号调理环节，数字信号采集处理环节和信号输出接口；加速度传感器输出振动波形信号接入模拟信号调理环节，所述模拟信号调理环节对输入的振动波形信号进行滤波、放大处理，然后接入数字信号采集处理环节，数字信号采集处理环节对振动波形信号进行A/D转换、振动波形频率和连续性实时判别处理，然后通过信号输出接口输出冲击次数信号。

所述的冲击次数检测装置，所述模拟信号调理环节包括带通滤波器、自动增益控制放大器和低通滤波器，加速度传感器的信号输出端接入带通滤波器输入端，带通滤波器输出端接入自动增益控制放大器输出端，自动增益控制放大器的输出信号经低通滤波器进一步滤波后进入数字信号采集处理环节。

所述的冲击次数检测装置，所述数字信号采集处理环节包括A/D转换器、数据存储单元、中央运算处理单元、拨码开关输入单元；模拟信号调理环节输出的加速度波形信号接入A/D转换器相应输入端，经A/D转换器转换后的振动波形数据进入中央运算处理单元，中央运算处理单元进行数据处理后的冲击次数信息接入信号输出电路。

所述的冲击次数检测装置，信号输出接口含有不同类型的信号输出接口电路，信号输出接口包括TTL电平输出接口、I²C协议输出接口、SPI协议输出接口、RS232协议输出接口和RS485协议输出接口，每种接口均与数字信号采集处理环节的中央运算处理单元相连接，每种接口均与数字信号采集处理环节的中央运算处理单元进行光隔离并设置有驱动电路，通过数字信号采集处理环节的拨码开关选择一种或多种同时输出。

本发明的有益效果：

1.本发明冲击式紧固工具的冲击次数检测方法及检测装置，提供了一种不同动力源冲击式紧固工具的输出扭矩控制技术，通过对普通冲击扳手进行技术升级，可实现普通冲击式紧固工具的输出扭矩精确可控。与现有可控静扭矩扳手相比，可大大降低可控扭矩扳手的成本，有利于本行业的产业升级，有利于提高机械、工程等领域的螺栓连接质量。

2.本发明冲击式紧固工具的冲击次数检测装置，可独立安装于冲击式紧固工具的振动敏感部位，多种输出信号接口可方便地与各种通用扭矩控制器相结合实现输出扭矩的精确可控，克服了现有通用冲击式紧固工具输出扭矩不可控或控制准确度较低问题，并保留了原冲击式紧固工具功耗小、外形尺寸小、成本低、重量轻的优点。提升了普通冲击式紧固工具的技术含量和性价比。

3.本发明冲击式紧固工具的冲击次数检测装置，全部部件封装在特制的金属或工程塑料外壳中，体积很小，方便在冲击式紧固工具上以各种方向安装固定，提高了产品的整体可靠性，降低了该装置的使用难度。

4.本发明冲击扳手的冲击次数检测装置及方法，以冲击扳手工作时固有的物理现象-振动为检测源，方法简单、可靠且准确性较高。其数据输出部分提供的多种类型的冲击次数输出接口，为用户使用提供了很大方便。

附图说明

图1是本发明冲击次数检测装置的外观结构示意图；

图2是本发明冲击次数检测装置电路原理框图；

图3是本发明冲击次数检测装置中模拟信号调理环节原理框图；

图4为本发明冲击次数检测装置中数字信号采集处理环节和输出信号接口原理框图；

图5为本发明冲击次数检测方法的检测过程流程图；

图6～图8为本发明冲击次数检测方法的干扰脉冲去除过程示意图，其中图6为数字滤波后的振动加速度波形图；图7为经幅度特征值判别变换为振动脉冲波；图8为去除干扰后的振动加速度波形，脉冲个数即为冲击次数；

图9为本发明应用于可控扭矩钢轨扣件螺栓机动冲击扳手的示意图；

图10为本发明应用于可控扭矩通用电动冲击扳手的示意图；

图11是本发明应用于可控扭矩钢轨扣件螺栓电动冲击扳手的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图1～图5，本发明冲击式紧固工具的冲击次数检测方法，实现方法如下：

利用加速度传感器安装在冲击式紧固工具机架的振动敏感部位，检测加速度传感器感知的工作过程中的振动信号；通过模拟信号调理环节对加速度传感器感知的含有各种干扰成分且幅度与冲击强度正相关的振动波形信号进行滤波、放大处理，通过数字信号采集处理环节的A/D转换器将所获振动波形信号转换为数字波形信号，并对数字波形信号进行振动波形频率和连续性实时判别，去掉多余的干扰脉冲，形成完整的脉冲波数据，得到实时的脉冲个数，输出与脉冲个数对应的冲击次数信号。

实施例2

参见图5、图6、图7、图8，本实施例的冲击式紧固工具的冲击次数检测方法，与实施例1不同的是，进一步公开了数字信号采集处理环节对振动波形信号进行实时处理，输出冲击次数信号的具体实现步骤：

1）存储步骤—在数据存储单元内存储冲击次数脉冲波的频率m_上限、m_下限和脉冲波的幅度特征参数k，用以在数字信号采集处理环节中实时滤除干扰脉冲；

2）读入步骤—从选择开关读入冲击次数信号输出方式，决定输出的信号类型和同时输出的路数，同时设置冲击次数初始值；

3）采集步骤—将振动模拟波形实时转换为数字波形，并对转换后的数字波形进行数字滤波；

4）运算步骤—首先根据读入的脉冲波的幅度特征参数k将振动波形变换为脉冲波，根据读入的冲击次数脉冲波的频率范围m（m_上限和m_下限）对冲击次数脉冲波的频率和连续性进行实时判断分析，去掉多余的干扰脉冲，形成完整的脉冲波数据，得到实时的脉冲个数（即冲击次数）；当判别是单个的不连续脉冲时，认为是单个的干扰脉冲，将其去掉并返回步骤2）重新开始；

5）输出步骤—根据输入装置读入的输出路数和类型，将冲击次数信息变换为符合其格式或数据通讯协议的数据串，经光隔离和驱动后输出到不同的接口电路上。

实施例3

参见图1、图2，本实施例为实现如前所述的冲击次数检测方法的冲击次数检测装置，包括金属或工程塑料外壳1以及设在所述外壳1内部的冲击次数检测处理电路，所述冲击次数检测处理电路输出的冲击次数信号通过信号电缆2与通用扭矩控制器连接，实现冲击扳手输出扭矩的精确可控，所述冲击次数检测处理电路包含加速度传感器，模拟信号调理环节，数字信号采集处理环节和信号输出接口；加速度传感器输出振动波形信号接入模拟信号调理环节，所述模拟信号调理环节对输入的振动波形信号进行滤波、放大处理，然后接入数字信号采集处理环节，数字信号采集处理环节对振动波形信号进行振动波形频率和连续性实时判别处理，然后通过信号输出接口输出冲击次数信号。

所述金属或工程塑料外壳1上设置有安装固定孔3，冲击次数检测装置通过所述安装固定孔3固定于冲击扳手机架的振动敏感部位，其输出冲击次数信号通过信号电缆2与通用扭矩控制器相连接。

实施例4

参见图1～图3，本实施例的冲击次数检测装置，与实施例3的不同之处在于：所述模拟信号调理环节包括带通滤波器、自动增益控制放大器和低通滤波器，加速度传感器的信号输出端接入带通滤波器输入端，带通滤波器输出端接入自动增益控制放大器输出端，自动增益控制放大器的输出信号经低通滤波器进一步滤波后进入数字信号采集处理环节。

实施例5

参见图1～图4，本实施例的冲击次数检测装置，与实施例4的不同之处在于：所述数字信号采集处理环节包括A/D转换器、数据存储单元、中央运算处理单元、拨码开关输入单元；模拟信号调理环节输出的加速度波形信号接入A/D转换器相应输入端，经A/D转换器转换后的振动波形数据进入中央运算处理单元，中央运算处理单元进行数据处理后的冲击次数信息接入信号输出接口电路。

实施例6

参见图1～图4，本实施例的冲击次数检测装置，与前述各实施例不同的是：信号输出接口含有不同类型的信号输出接口电路，信号输出接口包括TTL电平输出接口、I²C协议输出接口、SPI协议输出接口、RS232协议输出接口和RS485协议输出接口，每种接口均与数字信号采集处理环节的中央运算处理单元相连接，每种接口均与数字信号采集处理环节的中央运算处理单元进行光隔离并设置有驱动电路，通过数字信号采集处理环节的拨码开关选择一种或多种同时输出到通用扭矩控制器，从而实现输出扭矩的精确可控。

本发明冲击式紧固工具的冲击次数检测方法及装置，利用加速度传感器安装在冲击式紧固工具机架的振动敏感部位，检测加速度传感器感知的工作过程中的振动信号；对加速度传感器感知的含有各种干扰成分且幅度与冲击强度正相关的振动波形信号进行滤波、放大处理，通过数字信号采集处理环节的A/D转换器将其转换为数字波形信号，进行振动波形频率和连续性实时判别，去掉多余的干扰脉冲，形成完整的脉冲波数据，得到实时的脉冲个数（即冲击次数），并根据读入的拨码开关数据将冲击次数信息实时输出到输出信号接口。信号输出接口与通用扭矩控制器相连接，由通用扭矩控制器与事先预置的冲击次数比较，相等时，切断动力输出，从而精确控制输出扭矩。

参见图9，为本发明应用于可控扭矩钢轨扣件螺栓机动冲击扳手的示意图。本发明的冲击次数检测装置7垂向安装固定在靠近旋动冲击机构11的机架连接板13上，此装置通过信号电缆2与通用扭矩控制器9相连接。作业前，可在通用扭矩控制器9上预置冲击次数值，作业过程中，当检测的冲击次数与预置的冲击次数相等时，通用扭矩控制器9输出信号到电磁离合器自动切断动力源，扳手停止工作。

参见图10，为本发明应用于可控扭矩通用电动冲击扳手的示意图。本发明的冲击次数检测装置7横向安装在旋动冲击机构11的外壳上，此装置的信号电缆2与通用扭矩控制器9相连接。作业过程中，当检测的冲击次数与预置的冲击次数相等时，通用扭矩控制器9自动切断电动机电源，扳手停止工作，自动控制延时一定时间后，进入下一次工作准备状态。

参见图11，为本发明应用于可控扭矩钢轨扣件螺栓电动冲击扳手的示意图。本发明的冲击次数检测装置7垂向固定安装在靠近旋动冲击机构11的机架12上，此装置的电缆2与电机驱动和通用扭矩控制器9相连接。作业过程中，当检测的冲击次数与预置的冲击次数相等时，电机驱动和通用扭矩控制器9自动切断电动机电源，扳手停止工作，自动控制延时一定时间后，进入下一次工作准备状态。

图9～图11中，标号12为机架，标号14、15分别为正、反转控制按钮。

Claims (7)

1.一种冲击式紧固工具的冲击次数检测方法，利用加速度传感器安装在冲击式紧固工具机架的振动敏感部位，检测加速度传感器感知的工作过程中的振动信号；通过模拟信号调理环节对加速度传感器感知的含有各种干扰成分且幅度与冲击强度正相关的振动波形信号进行滤波、放大处理，其特征在于：通过数字信号采集处理环节将所获振动波形信号转换为数字波形信号，并对数字波形信号进行振动波形频率和连续性实时判别，去掉多余的干扰脉冲，形成完整的脉冲波数据，得到实时的脉冲个数，输出与脉冲个数对应的冲击次数信号。

2.根据权利要求1所述的冲击式紧固工具的冲击次数检测方法，其特征在于：数字信号采集处理环节对振动波形信号进行实时处理，输出冲击次数信号的实现步骤包括：

1）存储步骤—在数据存储单元内存储有冲击次数脉冲波频率的m_上限、m_下限和脉冲波的幅度特征参数k，用以在数字信号采集处理环节中实时滤除干扰脉冲；

2）读入步骤—从选择开关读入冲击次数信号输出方式，决定输出的信号类型和同时输出的路数，同时设置冲击次数初始值；

3）采集步骤—将振动模拟波形实时转换为数字波形，并对转换后的数字波形进行数字滤波处理；

4）运算步骤—首先根据读入的脉冲波的幅度特征参数将振动波形变换为脉冲波，根据读入的冲击次数脉冲波频率的m_上限、m_下限对冲击次数脉冲波的频率和连续性进行实时判断分析，去掉多余的干扰脉冲，形成完整的脉冲波数据，得到实时的脉冲个数；当判别是单个的不连续脉冲时，认为是单个的干扰脉冲，将其去掉并返回步骤2）重新开始；

5）输出步骤—根据输入步骤读入的输出路数和类型，将冲击次数信息变换为符合其格式或数据通讯协议的数据串，经光隔离和驱动后输出到不同的接口电路上。

3.一种实现权利要求1所述冲击次数检测方法的冲击次数检测装置，包括金属或工程塑料外壳（1）以及设在所述外壳（1）内部的冲击次数检测处理电路，所述冲击次数检测处理电路输出的冲击次数信号通过信号电缆（2）与通用扭矩控制器连接，实现冲击扳手输出扭矩的精确可控，其特征在于：所述冲击次数检测处理电路包含加速度传感器，模拟信号调理环节，数字信号采集处理环节和信号输出接口；加速度传感器输出振动波形信号接入模拟信号调理环节，所述模拟信号调理环节对输入的振动波形信号进行滤波、放大处理，然后接入数字信号采集处理环节，数字信号采集处理环节对振动波形信号进行振动波形频率和连续性实时判别处理，然后通过信号输出接口输出冲击次数信号。

4.根据权利要求3所述的冲击次数检测装置，其特征在于：所述模拟信号调理环节包括带通滤波器、自动增益控制放大器和低通滤波器，加速度传感器的信号输出端接入带通滤波器输入端，带通滤波器输出端接入自动增益控制放大器输出端，自动增益控制放大器的输出信号经低通滤波器进一步滤波后进入数字信号采集处理环节。

5.根据权利要求4所述的冲击次数检测装置，其特征在于：所述数字信号采集处理环节包括A/D转换器、数据存储单元、中央运算处理单元、拨码开关输入单元；模拟信号调理环节输出的加速度波形信号接入A/D转换器相应输入端，经A/D转换器转换后的振动波形数据进入中央运算处理单元，中央运算处理单元进行数据处理后的冲击次数信息接入信号输出接口。

6.根据权利要求5所述的冲击次数检测装置，其特征在于：信号输出接口包括不同类型的信号输出接口电路，信号输出接口包括TTL电平输出接口、I²C协议输出接口、SPI协议输出接口、RS232协议输出接口和RS485协议输出接口，每种接口均与数字信号采集处理环节的中央运算处理单元相连接，每种接口均与数字信号采集处理环节的中央运算处理单元进行光隔离并设置有驱动电路，通过数字信号采集处理环节的拨码开关选择一种或多种同时输出。

7.根据权利要求3～6任一项所述的冲击次数检测装置，其特征在于：所述金属或工程塑料外壳（1）上设置有安装固定孔（3），冲击次数检测装置通过所述安装固定孔（3）固定于冲击扳手机架的振动敏感部位，其输出冲击次数信号通过信号电缆（2）与通用扭矩控制器相连接。