CN108527235A - 一种智能扭矩扳手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能扭矩扳手，属于扭矩扳手技术领域。该智能扭矩扳手，包括套筒、扳手主体、安全销、反力臂、减速齿轮箱、辅助手柄、背带吊环、同步交流电机(具有抱闸功能)、测速模块、风扇、控制系统外壳、手柄以及具有漏电保护功能的插头。外壳上安装有显示功能的控制面板，外壳内安装了系统电路板，其中包括系统核心板、通讯模块、电源模块，检测模块(电流检测模块、电压检测模块、转速检测模块)。与传统方案相比，本发明采用了对电机的电流、电压、转速三个参数进行检测的方案，提高了对输出扭矩的精准度，同时整个系统采用了PID控制方案，提高了响应速度和稳定性，从而优化了扭矩扳手的性能。

Description

一种智能扭矩扳手

技术领域

本发明属于电动扭矩扳手技术领域，具体涉及一种智能扭矩扳手。

背景技术

扭矩扳手是机械、化工、桥梁、冶金、电力行业中必不可少的工具，以一定的扭矩拧紧各种螺栓，以保证机械设备的可靠联接和正常使用。控制预紧力通常是借助扭矩扳手，利用控制扭矩的方法来控制预紧力的大小。因此在用螺栓进行联接的装配工艺中要求螺栓的拧紧力矩必须达到规定的数值，以保证螺栓联接的可靠性，因此要求所用的扭矩扳手可以控制或显示扭矩的大小，从而能精确的控制拧紧螺栓的扭矩值，保证设备长期可靠地工作。

目前使用的各种扭矩扳手，主要分为机械式和电动式。机械式扭矩扳手具有价格低、坚固耐用等特点，但是扭矩控制精度低，扭矩范围有限，且扭矩数值不能准确控制及实时显示，所以不能保证所拧螺栓的联接可靠性。而电动式扭矩扳手大多采用单一的检测电机电流控制方案，且响应速度慢、不具有通讯功能，无法实现高精度、高效率和实时监控的要求。’

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供了一种智能扭矩扳手，具有高精度的扭矩控制和响应速度快的特点，能够满足自动化生产中的需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种智能扭矩扳手，包括安装在同步交流电机前端的小体积减速齿轮箱，设置于齿轮箱上的辅助把手，电机后侧设置有编码器，系统电路板安装于控制系统外壳内，安装在外壳表面的控制面板，设置于电机外壳和手柄上的背带吊环；以及包括套筒、扳手主体、安全销、反力臂、风扇，套筒通过安全销与扳手主体相连接，反力臂连接在减速齿轮箱前端，在电机输出大扭矩时起到省力的作用，辅助把手连接在减速齿轮箱上，减速齿轮箱后端与同步交流电机相连，测速模块的传感器安装在电机的后端，控制系统外壳安装在电机外壳的下方，所述控制系统外壳内设有系统电路板，控制系统外壳上安装有LCD显示屏；还包括具有漏电保护功能的插头。

其中，所述系统电路板包括以下几个模块：

检测模块，所述检测模块分为电压检测模块、电流检测模块、转速检测模块，其中各模块的传感器如下述分布，转速传感器安装于电机后端，电压、电流传感器嵌入电路板内，采集到的信号统一输入到系统核心模块中，进行数据处理得到实时的扭矩值，从而进行扭矩的精准控制；

通讯模块，所述通讯模块设置在系统电路板上，将工作数据储存在EEPROM中，当连接上位机时，上位机可读取存储的数据，对扭矩扳手的使用情况进行实时记录和监控；

电机驱动模块，所述电机驱动模块设置在系统电路板上，采用相位控制芯片输出脉冲驱动可控硅实现对电机的调速，对比用PWM直接驱动可控硅的方案，采用相位芯片调速更稳定，且大大提高了CPU的运行速度，解决了PWN直接驱动占用CPU时间过长的缺点，对整个系统性能有很大提高。

其中，所述系统核心模块选用了信号为PIC16F877A的单片机，它内部集成了10位分辨率的数模转换模块，将检测模块采集到的信号通过滤波模块后，可直接与单片机的RA端口连接，省去了数模转换模块，优化了硬件结构。

其中，采用了PID算法对整个系统进行扭矩输出控制，使整个系统的响应速度加快，精度提高的同时，还加强了系统的稳定性，使整个扭矩扳手系统得到了很大优化。

其中，所述控制面板设有LCD显示屏、按键、LED灯和蜂鸣器。

其中，还包括：所述套筒通过安全稍与扳手主体连接，根据实际工况更换不同型号，所述反力臂在电机输出大扭矩时起到平衡作用力矩的作用。

本发明的扭矩控制是通过对电机电压、电流和转速三个参数运算实现的，其理论依据如下：

上式中：T---电机输出的扭矩，N·m；

P---电机输出的功率，KW；

n---电机输出的转速，rpm；

其中：P＝UI cosθ…………(2)

U---电机驱动电压；

I---电机驱动电压；

θ---电机的功率因数角；

将式(2)代入式(1)后，则得：

通过对U、I、n三个参数的多次采样后取平均值，利用上述理论即可计算出实时扭矩，当电机的实时扭矩达到设定扭矩时，电机停止转动，实现对扭矩的高精度控制。

整个系统采用了PID控制方案，对整个系统进行了优化，提高了扭矩扳手的响应速度、精度和整个系统的稳定性，从而提高了传统扭矩扳手的性能和工作效率。

优选的，所述系统电路板还设有通讯模块，同时扭矩扳手的系统电路板设有EEPROM模块，记录扳手的使用情况，断电后仍能保存上次工作数据，通过通讯接口与上位机连接，实现上位机对扭矩扳手的实时数据记录和监控，本模块适合在工厂的固定工位应用。

优选的，所述控制面板设有LED指示灯和用于报警的蜂鸣器，在系统软件设计中写入报警机制，当扭矩扳手在工作时超过预先设定的安全阀值，系统启动报警机制，发出报警信号(LED灯闪烁并伴随蜂鸣器响起)。

优选的，所述同步交流电机具有抱闸功能，即当电机失电时，抱闸线圈同时失电，抱闸打开，从而达到制动效果，降低电机因为惯性所带来的误差，从而使得对扭矩的控制更为准确。

所述控制面板上设有按键，可对扭矩扳手输出扭矩进行设置，同时设有LCD液晶显示屏(带背光功能以适应光线较暗的工况)，为使用者提高可视化的界面，显示扭矩扳手的设定扭矩与实时扭矩。

所述速度检测模块设置在电机的后端，将编码器与电机轴承相连，信号线通过滤波电路后与单片机的引脚相连，通过单片机运算后得到电机的运转速度，为扭矩计算提供可靠的参数。

优选的，所述智能电动扭矩扳手还设有反力臂和辅助手柄，用于在扭矩扳手输出高扭矩时提供辅助，扭矩扳手体上设有的背带吊环，为工作人员携带时提供了方便。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明对电机的电压、电流、转速信号进行实时采集，优化了传统扭矩扳手仅通过电机的电流信号控制输出扭矩的方案，将扭矩误差控制到±1.5％以内，大大提高了传统扭矩扳手的控制精度。此外整个系统采用了PID调节的方案，使得系统的响应速度和稳定性都得到了显著提高。同时为了更好地监控和记录扭矩扳手的使用情况，系统还提供了通讯接口与上位机连接。本发明所述的智能扭矩扳手具有提供了高扭矩、高精度、响应速度快和稳定性高的特点，且具有的通讯模块能实现上位机监控并可记录扭矩扳手的工作情况，满足现在工业生产中的需求，大大提高了工作效率和质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图1中，1-套筒，2-扳手主体，3-安全销，4-反力臂，5-减速齿轮箱，6-辅助手柄，第一背带吊环7、第二背带吊环11，8-同步交流电机，9-测速模块，10-风扇，12-手柄，13-控制面板，14-控制系统外壳，15-插头(具有漏电保护功能)。

图2为智能系统框图。

图3为PID控制方案框图。

图4为电机驱动模块的原理图。

图5为驱动电压采集模块的原理图。

具体实施方式

为了更好地阐述本发明的技术方案、创新特征，下面根据附图并结合实施例，对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种智能交流电动扳手，包括套筒1，扳手主体2，安全销3，反力臂4，减速齿轮箱5，辅助手柄6，第一背带吊环7、第二背带吊环11，同步交流电机8，测速模块9，风扇10，手柄12，控制面板13，控制系统外壳14，插头(具有漏电保护功能)15。套筒1通过安全销3与扳手主体相2连接，反力臂4连接在减速齿轮箱5前端，在电机输出大扭矩时起到平衡力矩的作用，辅助把手6连接在减速齿轮箱5上，减速齿轮箱5后端与同步交流电机8相连，测速模块9的传感器安装在电机的后端，控制系统外壳14安装在电机外壳的下方，所述控制系统外壳内设有系统电路板，控制系统外壳14上安装有LCD显示屏，此外，还包括安装在电机外壳和手柄上的背带吊环，带有漏电保护功能的插头。

如图2所述，系统电路板主要由以下模块构成：

单片机模块、电压检测模块，电流检测模块，转速检测模块、电机驱动模块、数显模块、通讯模块。考虑到整个系统的成本和外围电路的简化，本发明采用PIC单片机型号为16F877A。该芯片具有10位精度的数模转化模块，可省去外围的数模转换模块，还具有CCP模块可输出想要的PWM波形直接控制驱动电路。

所述的电压检测模块采用AD637芯片对电压的真有效值进行采集，为了使输出电压在可测范围内，提高信号的精度，设计的外围电路如图4所示，经其转化后输出0-5V的电压再通过滤波电路与单片机的RA2引脚相连；所述的电流检测模块选用型号为LTC6-NP的电流传感器，将传感器的OUT引脚通过滤波电路后与单片机的RA3连接，与单片机的内置的参考电压对比，将信号数值写入ADRESH和ADRESL寄存器。所述转速模块选用了编码器作为传感器，将编码器安装在电机后端与电机转轴相连，编码器的输出端通过滤波电路后，与单片机的T0计数器端口RA4相连，通过单片机计数和编码器参数便可以得到电机的转速。单片机对上述三个模块的信号进行计算后，并可以得到电机实时输出扭矩，当实时扭矩达到设定值时，电机停止转动。

所述电机驱动模块采用相位控制芯片的技术方案，使用到的芯片型号为U211B3。单片机输出PWM波驱动双向晶闸管的控制方案，虽然具有结构简单的特点，但占用了单片机CPU的时间过长，且控制输出速度也不够精确。为了满足该系统控制要求，对芯片的外围电路进行了设计(如图5所示)，将单片机的CCP1引脚与R13相连，并可控制电机转速和启停。

如图2所示，所述数显模块，通过控制面板上的按钮设定扭矩后，单片机根据采集到的电压、电流、转速的数值计算后，得到的扭矩值。与设定扭矩值对比，输出PWM波通过控制驱动模块对电机进行控制，输出的实时扭矩显示在控制面板的LCD显示屏上。扭矩扳手的工作信息通过通讯模块传输给上位机。

所述的通讯模块采用的方式，可以是蓝牙、WIFI等进行传输。考虑到传输性能，本发明选用了RS-485通讯。用到了MAX232芯片，工作数据储存到EEPROM后，由通讯模块发送，通过数据线传给上位机，实现对扭矩扳手的工作情况进行实时监控。

如图3所示，所述智能系统还嵌入了PID算法。将电机的实际输出扭矩与设定扭矩对比，误差作为输入，通过PID控制器计算输出PWM波，从而控制电机转动。PID的参数整定采用了临界比例法结合工程实践完善，最终得到所需要的Kp(比例系数)、Ti(积分系数)、Td(微分系数)。通过PID算法的优化，整个系统在提高了响应速度的同时，拥有了更好地稳定性。、

为了减小系统的误差，对检测信号采样进行了取平均值的方案。具体方案如下：在1s内，对电压和电流数值采样6次，取平均值。结合转速数值计算出输出扭矩，当输出扭矩到达设定扭矩值时，单片机控制电机停止转动。

Claims (6)

1.一种智能扭矩扳手，其特征在于：包括安装在同步交流电机(8)前端的小体积减速齿轮箱(5)，设置于齿轮箱上的辅助把手(6)，电机后侧设置有编码器，系统电路板安装于控制系统外壳(14)内，安装在外壳表面的控制面板(13)，设置于电机外壳上和手柄(12)上方的第一背带吊环(7)、第二背带吊环(11)；以及包括套筒(1)、扳手主体(2)、安全销(3)、反力臂(4)、风扇(10)，套筒(1)通过安全销(3)与扳手主体(2)相连接，反力臂(4)连接在减速齿轮箱(5)前端，在电机输出大扭矩时起到平衡作用力矩的作用，辅助把手(6)连接在减速齿轮箱(5)上，减速齿轮箱(5)后端与同步交流电机(8)相连，测速模块(9)的传感器安装在电机的后端，控制系统外壳(14)安装在电机外壳的下方，所述控制系统外壳内设有系统电路板，控制系统外壳(14)上安装有LCD显示屏；还包括具有漏电保护功能的插头。

2.根据权利要求1所述的一种智能扭矩扳手，其特征在于：所述系统电路板包括以下几个模块：

检测模块，所述检测模块分为电压检测模块、电流检测模块、转速检测模块，其中各模块的传感器如下述分布，转速传感器安装于电机后端，电压、电流传感器嵌入电路板内，采集到的信号统一输入到系统核心模块中，进行数据处理得到实时的扭矩值，从而进行扭矩的精准控制；

通讯模块，所述通讯模块设置在系统电路板上，将工作数据储存在EEPROM中，当连接上位机时，上位机可读取存储的数据，对扭矩扳手的使用情况进行实时记录和监控；

电机驱动模块，所述电机驱动模块设置在系统电路板上，采用相位控制芯片输出脉冲驱动可控硅实现对电机的调速，对比用PWM直接驱动可控硅的方案，采用相位芯片调速更稳定，且大大提高了CPU的运行速度，解决了PWN直接驱动占用CPU时间过长的缺点，对整个系统性能有很大提高。

3.根据权利要求2所述的一种智能扭矩扳手，其特征在于：所述系统核心模块选用了信号为PIC16F877A的单片机，它内部集成了10位分辨率的数模转换模块，将检测模块采集到的信号通过滤波模块后，可直接与单片机的RA端口连接，省去了数模转换模块，优化了硬件结构。

4.根据权利要求2所述的一种智能扭矩扳手，其特征在于：采用了PID算法对整个系统进行扭矩输出控制，使整个系统的响应速度加快，精度提高的同时，还加强了系统的稳定性，使整个扭矩扳手系统得到了很大优化。

5.根据权利要求1所述的一种智能扭矩扳手，其特征在于：所述控制面板(13)设有LCD显示屏、按键、LED灯和蜂鸣器。

6.根据权利要求1所述的一种智能扭矩扳手，其特征在于：所述套筒(1)通过安全销(3)与扳手主体(2)连接，根据实际工况更换不同型号，所述反力臂(4)在电机输出大扭矩时起到平衡作用力矩的作用。