CN112629737B - 一种扭力扳手扭矩测量的方法及其应用 - Google Patents

一种扭力扳手扭矩测量的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扭力扳手扭矩测量方法及其应用，涉及一种扭矩测量方法，包括在力臂上安装有弯矩传感器A和B，弯矩传感器A与拧头中心的距离为L1，弯矩传感器A和B之间的距离为L2，两个弯矩传感器分别经对应的信号调理电路的输出电压分别为UA和UB，对应的灵敏度分别为KA和KB，力臂上施加垂直作用力F，施力点与拧头中心的距离为L，调整两个信号调理电路的放大倍数，令：
Figure DDA0002833032640000011
则拧头上的扭矩M表示为：
Figure DDA0002833032640000012
K为常数；测量此时实际M值求解K，作为一段时间内拧头上扭矩求解用的常数；本发明可长期有效提高扭矩测量精度，避免了受施力点影响扭矩测量值的弊端。

Description

一种扭力扳手扭矩测量的方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种扭矩测量方法，具体为一种扭力扳手扭力的测量方法。
背景技术
数字式扭力扳手广泛应用于高精密机械设备的制造和维修过程，通过对扳手拧头上施加扭矩的显示和报警，保证机械装配的精度和可靠性。目前国内外数字式扭力扳手大多采用电阻式应变传感器测量扭矩，利用应变片构成惠斯通电桥测量扳手力臂上的弯矩，进而换算出拧头上施加的扭矩。然而，拧头上施加的扭矩与应变片所在力臂位置的弯矩不等，造成扳手扭矩的测量误差。
专利申请CN102343568A提出在应变片的两端设置调整孔，通过打磨改变调整孔两侧的厚度，使得不同施力点的相同扭矩获得相同的测量结果。专利申请CN102980708A提出在力臂上分开粘贴三组应变片构成惠斯通电桥，通过调整三组应变片的位置关系来获得精确的扭矩测量结果。上述专利都是通过严格控制机械结构的尺寸关系，达到降低电阻式应变传感器扭矩测量误差的目的。然而，实际操作中，材料性能的差异以及加工安装的误差，导致机械结构的尺寸关系难以达到精确的控制效果；此外，电阻式应变传感器存在漂移问题，但无法通过调整机械结构的尺寸关系来进行定期校准，测量精度难以长期保持。因此，上述专利提出的方案存在一定的应用局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种扭力扳手扭矩测量方法及其应用，以解决现有技术中扭矩测量值受施力点影响，无法长期保持测量精度的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种扭力扳手扭矩测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将扭力扳手分为拧头和力臂，在力臂上固定安装弯矩传感器A和弯矩传感器B，其中，弯矩传感器A与拧头中心的距离为L1，弯矩传感器A与弯矩传感器B之间的距离为L2，弯矩传感器A经信号调理电路A的输出电压为UA，灵敏度为KA，弯矩传感器B经信号调理电路B的输出电压为UB，灵敏度为KB，在力臂上任一位置施加垂直作用力F，施力点与拧头中心的距离为L，且L＞L1+L2，通过调整信号调理电路A和信号调理电路B的放大倍数，令：
Figure BDA0002833032620000024
则拧头上的扭矩M为：
Figure BDA0002833032620000021
其中，K为常数；
步骤2、测量此时实际M值求解K，作为一段时间内拧头上扭矩求解用的常数；
步骤3、扭力扳手使用一段时间后根据实际M值再次求解K，作为下一段时间内拧头上扭矩求解用的常数。
进一步，还包括对UA设置修正系数a，对UB设置修正系数b，且满足：
Figure BDA0002833032620000022
则拧头上的扭矩M为：
Figure BDA0002833032620000023
其中K′为修正后的常数；将步骤2和3中的K替换为K′。
本发明还提供一种扭力扳手，包括力臂和拧头，所述力臂具体由传感器安装部分和施力部分组成，且传感器安装部分处于拧头和施力部分之间，所述传感器安装部分上固定安装有弯矩传感器A、弯矩传感器B、信号调理电路A、信号调理电路B和控制器，其中，弯矩传感器A与拧头中心的距离小于弯矩传感器B与拧头中心的距离，弯矩传感器A通过信号调理电路A与控制器连接，弯矩传感器B通过信号调理电路B与控制器连接，其中控制器为减法运算电路，该电路运行时可实现权利要求1所述的方法。
进一步，还包括A/D转换器A和A/D转换器B，且信号调理电路A经A/D转换器A与控制器连接，信号调理电路B经A/D转换器B与控制器连接，其中控制器为单片机系统，该系统程序运行时可实现权利要求1所述的方法替换为可实现权利要求2所述的方法。
进一步，还包括与控制器信号连接且固定安装在力臂上的显示器。
进一步，所述显示器具体为触控显示器。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1)本发明通过采集两个弯矩传感器的输出电压便可计算出拧头对应的扭矩，令两个输出电压与拧头的扭矩建立了线性关系，便于扭矩计算和校准；
2)扭矩计算过程不受施力点位置的影响，提高了扭矩测量的精度；
3)通过信号调理电路调整系数关系，对设备的结构要求降低，适用性强；
4)能够方便地进行定期校准，避免了因设备老化等带来的误差，使得设备能够始终保持测量精度。
附图说明
图1为实施例1所提供方法的电路结构示意图；
图2为实施例2所提供方法的电路结构示意图；
图3为实施例3所提供设备结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1，本实施例提供一种扭力扳手扭矩测量方法，适用的扭力扳手包括拧头1和力臂2，拧头1右侧的力臂2上从左至右设有弯矩传感器A3-1和弯矩传感器B3-2，弯矩传感器A3-1与拧头1的中心距离为L1，弯矩传感器B3-2与弯矩传感器A3-1的中心距离为L2；
弯矩传感器A3-1经信号调理电路A4-1的输出电压为UA，灵敏度为KA，弯矩传感器B3-2经信号调理电路B4-2的输出电压为UB，灵敏度为KB；
扭力扳手的力臂2上任意位置施加垂直作用力F，施力点与拧头1的中心距离为L，需要测量的拧头1上施加的扭矩表示为：
M＝FL且L＞L1+L2 (1)
两个弯矩传感器在力臂2上对应位置的弯矩表示为：
Figure BDA0002833032620000031
两个弯矩传感器的输出电压表示为：
Figure BDA0002833032620000032
由公式1-3可得，待测扭矩可表示为：
Figure BDA0002833032620000033
调整两个信号调理电路的放大倍数，来改两个弯矩传感器对应的灵敏度，令二者满足：
Figure BDA0002833032620000041
由公式4、5可得，待测扭矩可表示为：
Figure BDA0002833032620000042
其中K为与L无关的常数，即两个弯矩传感器的输出电压差值UA-UB与拧头1上施加的扭矩M满足线性关系，且与施力点位置无关。
实施例2
参考图2，为了进一步提高测量精度，在实施例1的基础上进行以下改进，令两个弯矩传感器A3-1和B3-2的输出电压UA和UB分别经A/D转换器A5-1和A/D转换器B5-2转换后送入控制器6，设置修正系数a和b，通过软件调整修正系数满足：
Figure BDA0002833032620000043
由公式4、7可得，待测扭矩可表示为：
Figure BDA0002833032620000044
其中K′为与L无关的常数，可通过软件进行精确标定和定期校准。
通过上述设置能够有效实现扭力扳手的扭矩测量，避免了施力点对测量结果的影响，提高了测量准确率，同时便于修正和校准，可长期有效保持设备的准确率。
实施例3
本实施例提供一种可实现上述实施例2所述方法的扭力扳手，具体的：
包括力臂2和拧头1，所述力臂2具体由传感器安装部分和施力部分组成(由图3中可以力臂2靠左部分为传感器安装部分，靠右部分为施力部分)，所述传感器安装部分上固定安装有弯矩传感器A3-1和弯矩传感器B3-2，弯矩传感器可为力臂2两侧对称粘贴的一对或多对电阻式应变片(如BF350-3AA)构成的惠斯通电桥，而信号调理电路A4-1、信号调理电路B4-2和控制器6则可安装在施力部分内，也可安装在传感器安装部分内，可根据需要进行设定，为了便于直观了解设备结构，在本实施例中上述部分安装在施力部分内，信号调理电路4可为仪器放大器(如INA103)构成的差动放大电路，控制器6可为运算放大器(如LM358)构成的减法电路，其中，弯矩传感器A3-1与拧头1中心的距离小于弯矩传感器B3-2与拧头1中心的距离，弯矩传感器A3-1通过信号调理电路A4-1与控制器6连接，弯矩传感器B3-2通过信号调理电路B4-2与控制器6连接。
本实施例中还包括A/D转换器A5-1和A/D转换器B5-2，且信号调理电路A4-1经A/D转换器A5-1与控制器6连接，信号调理电路B4-2经A/D转换器B5-2与控制器6连接，信号调理电路4和A/D转换器5可由数字式应变变换器实现(如XH711，包括差动放大和AD转换功能)，控制器6可由单片机系统实现(如STM32F103)，即控制器6通过弯矩传感器A3-1和弯矩传感器B3-2经对应的信号调理电路和A/D转换器获取对应的数据并通过实施例2所示的方法进行计算，可有效获得对应的扭矩。
进一步，本实施例中还包括与控制器6连接且固定安装在力臂上的显示器7，用于显示计算结果。
进一步，本实施例中显示器7为触控显示器，通过定期校准设定单片机系统中的修正系数a和b，可有效保障设备的长期准确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种扭力扳手扭矩测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、将扭力扳手分为拧头和力臂，所述力臂具体由传感器安装部分和施力部分组成，且传感器安装部分处于拧头和施力部分之间，所述传感器安装部分上固定安装有弯矩传感器A和弯矩传感器B，其中，弯矩传感器A与拧头中心的距离为L1，弯矩传感器A与弯矩传感器B之间的距离为L2，弯矩传感器A处于弯矩传感器B与拧头之间，弯矩传感器A经信号调理电路A的输出电压为UA，灵敏度为KA，弯矩传感器B经信号调理电路B的输出电压为UB，灵敏度为KB，在施力部分上任一位置施加垂直作用力F，施力点与拧头中心的距离为L产生的扭矩为M，且L＞L1+L2，则有：
M＝FL (1)
两个弯矩传感器在力臂上对应位置的弯矩表示为：
Figure FDF0000019269910000011
两个弯矩传感器经信号调理电路的输出电压为：
Figure FDF0000019269910000012
由公式1-3可得：
Figure FDF0000019269910000013
通过调整信号调理电路A和信号调理电路B的放大倍数，令：
Figure FDF0000019269910000014
则拧头上的扭矩M为：
Figure FDF0000019269910000015
其中，K为常数；
步骤2、测量此时实际M值求解K，作为一段时间内拧头上扭矩求解用的常数；
步骤3、扭力扳手使用一段时间后根据实际M值再次求解K，作为下一段时间内拧头上扭矩求解用的常数。
2.根据权利要求1所述的一种扭力扳手扭矩测量方法，其特征在于，还包括对UA设置修正系数a，对UB设置修正系数b，且满足：
Figure FDF0000019269910000021
则拧头上的扭矩M为：
Figure FDF0000019269910000022
其中K′为修正后的常数；将步骤2和3中的K替换为K′。
3.一种扭力扳手，包括力臂和拧头，其特征在于，所述力臂具体由传感器安装部分和施力部分组成，且传感器安装部分处于拧头和施力部分之间，所述传感器安装部分上固定安装有弯矩传感器A、弯矩传感器B、信号调理电路A、信号调理电路B和控制器，其中，弯矩传感器A与拧头中心的距离小于弯矩传感器B与拧头中心的距离，弯矩传感器A通过信号调理电路A与控制器连接，弯矩传感器B通过信号调理电路B与控制器连接，其中控制器为减法运算电路，该电路运行时可实现权利要求1所述的方法。
4.根据权利要求3所述的一种扭力扳手，其特征在于，还包括A/D转换器A和A/D转换器B，且信号调理电路A经A/D转换器A与控制器连接，信号调理电路B经A/D转换器B与控制器连接，其中控制器为单片机系统，该系统程序运行时可实现权利要求1所述的方法替换为可实现权利要求2所述的方法。
5.根据权利要求3或4所述的一种扭力扳手，其特征在于，还包括与控制器连接且固定安装在力臂上的显示器。
6.根据权利要求5所述的一种扭力扳手，其特征在于，所述显示器具体为触控显示器。
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