CN113390558A - 一种冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置 - Google Patents

Abstract

一种冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，包括应变式扭矩传感器、转角传感器及微电子检测及处理单元；所述微电子检测及处理单元包括微控制器、扭矩和转角信号调理电路、显示器以及多功能按钮；所述微控制器包括数据运算单元以及非易失性存储器，非易失性存储器存储有手动施扭状态下的动态扭矩和转角算法程序和冲击施扭状态下的角位移、积累角位移以及冲击次数和冲击时长算法程序；所述微控制器采集扭矩信号和转角信号并运行所述算法程序，进行积累角位移和积累扭矩的计算和显示，进而完成对可控扭矩冲击扳手输出积累扭矩进行测量和校准。

Description

一种冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置

技术领域

本发明涉及一种电动冲击扳手积累扭矩测量及校准装置，尤其是涉及一种用于施扭作业现场的冲击扳手积累扭矩的测量及校准装置。

背景技术

螺纹联接被广泛应用于各种机械结构中，是目前最常用的连接方式。螺纹联接的实质是将轴向预紧力控制到适当范围，使两个或多个部件可靠地联接在一起。轴向预紧力是评价螺纹副连接可靠性重要性指标，大量研究表明，轴向预紧力越大，螺纹副抗松动和抗疲劳性能越好，螺栓拧紧至超弹性阶段时效果最好。由于轴向预紧力是内力，在施扭过程中还无法直接检测和控制，一般是通过扭矩法、扭矩-转角法、屈服点法和伸长量法等方法和工艺间接控制轴向预紧力在合格范围。控制扭矩或控制扭矩+转角是目前机械结构螺纹副拧紧工艺中的主要方法。目前，国内普通机械结构螺纹副紧固工艺中最常用的是扭矩法，但有逐渐被扭矩-转角法取代的趋势。

冲击扳手具有同等功率下输出扭矩大、外形尺寸小、重量轻、能耗低、反力矩小、价格便宜、使用方便等优点，使其在需要大量进行螺纹副施扭的机械制造和维修行业得到广泛应用。它是由原动机经减速机构驱动冲击机构的主动部分（包括主动轴、主压力弹簧和主动冲击块等），经牙嵌的啮合带动从动部分（包括从动冲击块和套筒等）来施扭螺纹副。当螺纹副空程（此时螺纹副端部未与垫片及工件接触）施扭完成超过其静扭矩后，主动冲击块克服主压力弹簧的初压力而作轴向移动，当超过牙嵌高度时，主动冲击块与从动冲击块脱离，从动冲击块带动套筒对待施扭螺纹副做间歇式旋转冲击动作，冲击待施扭螺纹副，依靠多次冲击扭矩的叠加使螺纹副最终紧固。该施扭过程是一个扭矩不断积累的动态过程，其扭矩被称为“积累扭矩”。

冲击扳手的工作特性以及施扭过程中的诸多影响因素，使得此类扳手的积累扭矩至今没有可靠和易于实现的测量和校准方法。当外部条件（如电压、气压）、冲击扳手本身参数（如原动机特性、减速机构效率、主压力弹簧、冲击机构）以及套筒、螺纹副和工件等严格不变时,通过对冲击施扭过程中的冲击次数或冲击时间进行整定和控制，可间接实现对其输出扭矩较高精度（实际是重复性）的控制。但作为一种动态施扭工具，无法知道其控制的输出扭矩的具体数值以及控扭精度，始终是该类控扭扳手的一大缺憾。实际工作中，相关技术文件针对螺纹副紧固给定的控制参数一般是动态扭矩，或预紧扭矩+转角，更使此类扳手使用受限，只能采用价格很高且使用不够灵活的电动拧紧轴系统，增加了企业成本。

发明专利申请201910653404.3公开了一种冲击扳手旋紧角度、扭矩的检测、读取与控制方法，提出了冲击扳手输出扭矩控制的第三种方法。该发明技术的核心是通过检测冲击施扭过程中的螺母/螺栓的总转角或单次转角值控制冲击扳手的输出扭矩，但冲击扳手的输出扭矩数值仍然无法给出。

冲击扳手输出扭矩的测量和校准，通常是在实验室采用扭矩试验装置进行的。扭矩试验装置包括模拟螺栓、模拟螺母和测量模拟螺栓和模拟螺母相对旋转扭矩的标准扭矩传感器。通过设定冲击扳手输出扭矩值，并对模拟螺栓进行施扭，冲击扳手停止工作时，比较扭矩试验装置读数与冲击扳手设定值的误差来进行校准。这种校准方式存在很多问题：如在实验室校准时，采用的模拟螺栓和模拟螺母与现场待施扭螺母/螺栓及工件的材质、热处理工艺、表面质量、螺纹副紧固系统的刚度等存在较大差异，实验室的温、湿度环境也与施扭现场不同，造成经实验室校准后的冲击扳手，到实际作业环境中，仍不能进行准确的扭矩控制。对于可控扭矩冲击扳手来说，最佳的校准方式是针对特定冲击扳手及同一批待施扭螺母/螺栓及工件，在施扭作业现场环境中进行校准，才能够起到校准的作用及效果，经校准后的可控扭矩冲击扳手的输出扭矩才是真实有效的，这种现场扭矩的原位校准方式也符合扭矩计量未来的发展方向。

发明专利申请202010536905.6公开了一种冲击扳手的校准方法，用于在作业现场对冲击扳手校准，其核心内容是设定冲击扳手的扭矩输出值，检测螺母与螺栓间的旋转角位移，当无旋转角位移时的前一次冲击，冲击扳手输出的扭矩值与标准扭矩传感器所测得的扭矩值比较，来对冲击扳手进行校准。该校准方法是仅对冲击扳手的一个扭矩控制点校准，而不是对其整个控制范围校准；其最大缺憾是由于冲击扭矩检测的复杂性，现实中不存在可用于现场并可检测积累扭矩的标准扭矩传感器和安装于冲击扳手上的同类扭矩传感器，因此，从这个角度而言，该发明公开的校准方法没有太大的实际意义。

申请人提出的专利申请202110464723.7和202120895655.5涉及一种可监控扭矩和转角的套筒扳手智能转换接头及套筒扳手施扭控制方法，其核心是手动施扭作业时，通过实时检测扭矩和转角，采用灯光指示和语音提示方法，引导操作者将扭矩或扭矩和转角施扭到合格值范围，不是检测冲击扳手多次冲击过程中螺母/螺栓接受每次冲击时的扭矩和转角动态变化值，无法用于冲击扳手输出的积累扭矩的检测。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种适用于施扭作业现场的便携式冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，在现场温湿度环境下，针对待施扭的实际螺纹副和工件，对可控扭矩冲击扳手输出的积累扭矩进行测量，并可实现对可控扭矩冲击扳手按扭矩和转角进行校准。

本发明采用的技术方案为：

一种冲击扳手积累扭矩的在线测量及校准装置，装置本体10上端为驱动方孔11，下端为输出方榫13，中间部分为柱体结构的弹性体14，在所述弹性体14上设有应变式扭矩传感器18；在装置本体10下部设有转角传感器；

所述装置本体10上通过弹性固定架16固定有微电子检测及处理单元20及锂电池50；所述微电子检测及处理单元20包括微控制器21，扭矩信号调理电路22，转角信号调理电路23，OLED显示器25及多功能按钮27；扭矩传感器18输出的差分弱电压信号经扭矩信号调理电路22调理放大后接入微控制器21的A/D转换器，转角传感器输出的两路脉冲信号经转角信号调理电路23鉴相倍频和脉冲整形后接入微控制器21的外部中断；微控制器21通过SPI接口连接OLED显示器25；

所述的应变式扭矩传感器18，与装置本体10呈一体化，由设置在弹性体14上与其中心轴线成45度角方向均匀布置的多片应变片15组成测量电桥构成；所述应变式扭矩传感器18输出的差分弱电压信号进入扭矩信号调理电路22中仪表放大器AD627的输入端，进行线性放大，放大倍数由高精度电阻Rg设定，输出0～3VDC电压信号接入微控制器21的12位A/D转换器进行A/D转换、数字滤波。

所述的转角传感器为磁环编码器，包括码盘41和读码器42两部分，码盘41设置在装置本体10下部安装轴12上，所述码盘41与安装轴12间嵌有耐磨自润滑件43，码盘41与旋转臂40固定，可沿中心轴线呈360°转动，读码器42与码盘41配合设置，读码器42固定于盒体的内壁，盒体下端敞口，并设有封盖17；读码器42输出的两路相位差为90度的脉冲信号PIA+和PIB+接入转角信号调理电路23中的倍频鉴相器PDC9301的输入端，其输出端+FB和-FB分别输出正转和反转时的四倍频脉冲信号，经脉冲整形后的脉冲信号POA/POB分别接入微控制器21 的输入端（配置为外部中断）。

所述驱动方孔11、输出方榫13、应变式扭矩传感器18及码盘41处于同一中心轴线上，以有效地减少外界因素对扭矩和转角检测精度的影响。

所述微控制器内含数据运算单元以及非易失性存储器，所述非易失性存储器存储有动态扭矩和转角测量、冲击状态下的角位移、积累角位移和积累扭矩算法程序，所述微控制器实时采集不同状态下的扭矩信号和转角信号，根据内存的扭矩和转角校准参数表实时计算显示动态扭矩和转角，并通过线性回归和加权均值化处理算法得到准确的动态扭矩与转角的关系式；根据相关角位移、积累角位移、冲击次数和冲击时长算法程序，进行积累角位移以及积累扭矩的计算和显示，进而完成对可控扭矩冲击扳手进行积累扭矩和积累转角的测量和校准。

微控制器21根据多功能按钮27的键值完成相应的功能，根据内置程序和算法计算测量和校准过程中的动态扭矩值和对应的转角值、冲击施扭过程中的角位移值、积累角位移值和积累扭矩值以及对应的冲击次数和/或冲击时长值，并通过连接的OLED显示器25显示。

本发明的有益效果：

1.本发明冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，可实现按积累扭矩或按积累转角对可控扭矩冲击扳手在控扭范围内进行校准，扩大了冲击扳手的适用范围，解决了经实验室校准后的冲击扳手在现场作业时由于条件不同，仍存在扭矩误差的问题，保证了施扭作业的扭矩控制准确度，有利于提高产品质量。

2.本发明冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，根据待校准冲击扳手的控扭参数，可适应按冲击次数或冲击时长方式对不同的可控扭矩冲击扳手进行校准，灵活性高，且体积小，重量轻，便于携带，适用于施扭作业现场各种空间的扭矩测量及校准工作。

3.本发明冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，经计量测试部门进行准确度测试，扭矩和转角测量精度符合相关技术标准。试运用于冲击扳手积累扭矩的在线校准，校准后的冲击扳手，满足控扭技术指标。

附图说明

图1是本发明测量及校准装置本体结构示意图；

图2是本发明测量及校准装置整体结构示意图；

图3是本发明测量及校准装置剖视结构示意图；

图4是测量及校准装置微电子检测及处理单元原理框图；

图5是测量及校准装置微控制器/数据运算及显示单元电路原理图；

图6是测量及校准装置扭矩传感器及信号调理电路原理图；

图7是测量及校准装置转角传感器信号鉴相倍频电路原理图；

图8是测量及校准装置充电及电源管理电路原理图；

图9是测量及校准装置无线通讯模块电路原理图；

图10是测量及校准装置使用过程中与手动板手的连接示意图；

图11是测量及校准装置使用过程中与电动冲击扳手的连接示意图；

图12是测量及校准装置微电子检测及处理单元主程序流程图；

图13是动态施扭过程中动态扭矩与转角关系示意图；

图14是冲击施扭时积累扭矩和积累角位移与冲击次数和冲击时长关系示意图；

图15是冲击施扭时施扭角度与回弹角度关系图；

图16是微电子检测及处理单元外部中断程序流程图；

图17是微电子检测及处理单元定时器中断程序流程图；

图18是冲击施扭时主程序中积累角位移及冲击次数和冲击时长检测程序流程图。

具体实施方式

为了使发明创造实现其发明目的的技术构思更加清楚明白，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。应当理解的是，以下各实施例仅用以解释和说明本发明的优选实施方式，不应当构成对本发明要求专利保护的范围的限定。

实施例1

参见图1-图5，本发明冲击扳手积累扭矩的在线测量及校准装置，装置本体10上端为驱动方孔11，下端为输出方榫13，中间部分为柱体结构的弹性体14，在所述弹性体14上设有应变式扭矩传感器18；在装置本体10下部设有转角传感器；

所述装置本体10上通过弹性固定架16固定有微电子检测及处理单元20及锂电池50；所述微电子检测及处理单元20包括微控制器21，扭矩信号调理电路22，转角信号调理电路23，显示器25及多功能按钮27；扭矩传感器18输出的电压信号经扭矩信号调理电路22调理放大后接入微控制器21的A/D转换器，转角传感器输出的两路脉冲信号经转角信号调理电路23接入微控制器21的外部中断；微控制器21通过SPI接口连接OLED显示器25；

所述微控制器内含数据运算单元以及非易失性存储器，所述非易失性存储器存储有动态扭矩和转角测量、冲击状态下的角位移、积累角位移和积累扭矩算法程序，所述微控制器实时采集不同状态下的扭矩信号和转角信号，根据内存的扭矩和转角校准参数表实时计算显示动态扭矩和转角，并通过线性回归和加权均值化处理算法得到准确的动态扭矩与转角的关系式；根据相关角位移、积累角位移、冲击次数和冲击时长算法程序，进行积累角位移以及积累扭矩的计算和显示，完成对可控扭矩冲击扳手进行积累扭矩和积累转角的测量和校准。

微控制器21根据多功能按钮27的键值完成相应的功能，根据内置程序和算法计算测量和校准过程中的动态扭矩值和对应的转角值、冲击施扭过程中的角位移值、积累角位移值和积累扭矩值以及对应的冲击次数和/或冲击时长值，并通过连接的OLED显示器25显示。

为减少外界因素对扭矩检测精度的影响，所述驱动方孔11、输出方榫13、应变式扭矩传感器18及转角传感器码盘41处于同一中心轴线上。

实施例2

参见图1、图2、图6，本实施例的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，与实施例1的不同之处在于：进一步的，所述的应变式扭矩传感器18，由设置在弹性体14上与其中心轴线成45度角方向均匀布置的多片应变片15组成测量电桥，构成与装置本体10一体的应变式扭矩传感器；所述应变式扭矩传感器18输出的差分弱电压信号进入扭矩信号调理电路22的仪表放大器AD627的输入端，进行线性放大，放大倍数由高精度电阻Rg设定，输出0～3VDC电压信号接入微控制器21的12位A/D转换器的通道2进行A/D转换、数字滤波。

实施例3

参见图1、图2、图 3、图7和图16，本实施例的冲击扳手积累扭矩的在线测量及校准装置，和实施例1及实施例2的不同之处在于：所述的转角传感器采用具有抗干扰能力强，耐震动、高频响等特点的基于隧道磁阻技术的高精度磁环编码器EMA52H30，周脉冲数为1024。所述磁环编码器包括码盘41和读码器42两部分，码盘41设置在装置本体10下部安装轴12上，所述码盘41与安装轴12间嵌有耐磨自润滑件43，码盘41与旋转臂40固定，可沿中心轴线呈360°转动，读码器42与码盘41配合设置，读码器42固定于盒体的内壁，盒体下端敞口，并设有封盖17；读码器42输出的两路相位差为90度的脉冲信号PIA+和PIB+接入转角信号调理电路23的倍频鉴相器PDC9301的输入端，其输出端+FB和-FB分别输出正转和反转时的四倍频脉冲信号，经脉冲整形后的脉冲信号POA/POB分别接入微控制器21的输入端（配置为外部中断，下降沿触发），工作中，当两路脉冲信号POA/POB的下降沿来临时，分别进入外部中断程序1和外部中断程序2，进行脉冲数加1操作，外部程序读取正转脉冲数或反转脉冲数寄存器，并根据“转角=360*脉冲数/（周脉冲数*倍频数）”实时计算施扭角位移值。

实施例4

参见图2、图3，本实施例的冲击扳手积累扭矩的在线测量及校准装置，与实施例3不同的是：旋转臂40通过销轴44与上支撑臂45活动连接，上支撑臂45与中支撑臂46固定连接，中支撑臂46与下支撑臂48固定连接,下支撑臂48外套有软橡胶外套47；中支撑臂45为绝缘柔性材质，下支撑臂48为强磁性材质；目的是下支撑臂与支撑件方便地固定，保证冲击过程中通过转角传感器采集的施扭角位移值准确可靠。

实施例5

参见图8，本实施例的冲击扳手积累扭矩的在线测量及校准装置，与前述各实施例不同的是，进一步的：微电子检测及处理单元20包括充电及电源管理电路24，由锂电池电量计CW2018、锂电池保护芯片HM5410、低压差稳压器HM6218和锂电池充电及升压芯片HM5805及外围电路组成；锂电池电量计CW2018与微控制器21的I²C接口通讯连接，实时监测锂电池充放电状态下的电压、电流和温度，并准确计算锂电池的剩余电量，剩余电量信息由OLED显示器25显示；保护芯片HM5410对锂电池50的过充电、过放电和过电流进行实时保护，低压差稳压器HM6218为系统提供3.3V稳压电源，充电及升压芯片HM5805除进行充电管理外，还为转角传感器的读码器42和鉴相倍频电路提供5V稳压电源。

实施例6

参见图9，本实施例的冲击扳手积累扭矩的在线测量及校准装置，与前述各实施例不同的是，微电子检测及处理单元20的微控制器21 通过UART接口连接无线通讯模块26，根据多功能按钮的键值实现与上位机或待校准冲击扳手的点对点无线通讯，进行相关参数和检测数据的无线传输。

图5所示为本发明测量及校准装置的微控制器/数据运算及显示单元电路原理图，所述OLED显示器25为128*64点阵的自发光显示器，与微控制器21的SPI接口通讯连接，用于实时显示测量和校准过程中的实时扭矩值和对应的转角值、冲击施扭过程中的积累角位移值和对应的冲击次数和/或冲击时长值，还显示锂电池剩余电量、无线连接状态、校准数据无线传输等信息。

参见图2，与装置本体10的上、下两圆盘匹配设有非金属密封外壳，包括前外壳60，后外壳62，所述非金属密封壳前外壳上面和微电子检测及处理单元电路板上的OLED显示器25对应位置设置有透明显示窗61。

参见图4、图12，微电子检测及处理单元20的微控制器21的非易失性存储器中，存储有本测量及校准装置扭矩和转角传感器的校准参数表，参与所采集扭矩和转角的计算，输出准确的扭矩和转角值；还通过主程序、中断程序、数据运算程序、显示程序和无线通讯程序等完成对可控扭矩冲击扳手积累角位移及积累扭矩的测量和校准工作。

当本发明冲击扳手积累扭矩的在线测量及校准装置用于可控扭矩冲击扳手的测量或校准时，在现场将待测量/校准的冲击扳手和本装置串联连接，在线测量及校准装置通过运行冲击状态下的角位移、积累角位移和积累扭矩算法程序，实时计算显示积累角位移值和积累扭矩值，并保持显示积累角位移和积累扭矩峰值，通过与待测量/校准的冲击扳手的对应设定值比对，完成待测量/校准的冲击扳手扭矩和转角测量或校准。本发明在线测量及校准装置可以和上位机或待测量/校准的冲击扳手进行点对点无线通讯，进行相关参数和检测数据的无线传输。

图10所示为测量及校准装置使用过程中与手动板杆的连接示意图；图11是测量及校准装置使用过程中与电动冲击扳手的连接示意图；图中，标号1为本发明测量及校准装置，2为待测手动扳手，3为套筒，4为螺母（及垫片），5为工件，6为待校准冲击扳手，101为转角检测的支撑臂。

图12是测量及校准装置微电子检测及处理单元主程序流程图。本发明测量及校准装置使用过程中，主程序根据多功能按钮的键值分别控制程序进入不同的功能模块：

1）当多功能按钮的键值对应动态扭矩和转角关系检测功能时，如图10所示连接本测量及校准装置，当扭矩值开始增加，自动判断施扭过程开始，通过如图17所示的定时器中断程序等间隔进行当前扭矩值和施扭方向转角值读取，计算与前一次的差值ΔT和Δα，并根据转角差值Δα判断施扭过程是正在进行或已经完成。当Δα≠0时判断施扭正在进行，根据ΔT和Δα计算此段的斜率值ki，以及当前点的扭矩和转角累计值，得“动态扭矩-转角”曲线当前点的坐标值并保存；当转角差值Δα=0时判断施扭过程完成，根据所存扭矩与转角对应点值和各段斜率值，利用线性回归计算AB段的斜率值ke及贴紧扭矩Ts，确定如图13所示“扭矩-转角”曲线A、B点的位置。采用同一批螺纹副和工件重复上述测量和计算过程并进行加权均值化处理得到准确的综合斜率值kem和贴紧扭矩值Tsm，均值化处理有利于缩小散差，提高扭矩和转角的检测准确度。通过上述过程，得到工作于弹性阶段且相对准确的“动态扭矩-转角”曲线和关系式：T=Ts+Kc*kem*(αe/360°)，其中Kc为与施扭螺纹副和工件有关的常数，具体数值从“动态扭矩-转角”曲线数据中查表得到。测量冲击扳手积累扭矩时，实时检测冲击状态下的积累角位移值αe，并代入关系式：T=Ts+Kc*kem*(αe/360°)中计算并显示冲击施扭过程中的积累角位移值和积累扭矩值；

图14是在贴紧和弹性阶段冲击施扭时积累扭矩和积累角位移与冲击次数和冲击时长关系示意图。

2）当多功能按钮的键值对应冲击状态下角位移与冲击次数和冲击时长关系检测功能时，如图11所示连接本测量及校准装置，在主程序中根据图15所示的冲击状态下转角动态变化原理并按图18所示的流程计算完整冲击过程中的正向角位移增量值Δαi、积累角位移αi及其对应的冲击次数Ci和冲击时长Si值，当读取的两路脉冲POA和POB的值均不变时，自动判断冲击过程结束，得到整个冲击过程的“积累角位移-冲击次数”和“积累角位移-冲击时长”关系数据表。

微控制器21内部保存关系式：T=Ts+Kc*kem*(α/360°)，以及“积累角位移-冲击次数”和“积累角位移-冲击时长”关系数据表，并进一步建立和保存“动态扭矩-角位移-冲击次数”和“动态扭矩-角位移-冲击时长”关系表。

3）当多功能按钮的键值对应与上位机通讯功能时，微控制器21通过所连接的无线通讯模块26实现与上位机点对点无线通讯，将测量或校准过程中的相关数据发送到上位机中更直观地观察、分析和管理。

4）当多功能按钮的键值对应与待校准冲击扳手通讯功能时，微控制器21通过所连接的无线通讯模块26实现与待校准冲击扳手点对点无线通讯，根据待校准冲击扳手的控制参数是冲击次数或冲击时长，将“动态扭矩-角位移-冲击次数”或“动态扭矩-角位移-冲击时长”关系表传输到待校准冲击扳手的控制器中保存。

5）当多功能按钮的键值对应测量和校准冲击扳手积累扭矩时，如图11所示连接本测量及校准装置，首先根据需要在待校准冲击扳手的控扭范围内设定多个扭矩校准点值，冲击扳手控制器根据保存的“动态扭矩-角位移-冲击次数”或“动态扭矩-角位移-冲击时长”关系表，查表计算并显示与设定扭矩校准点值对应的冲击次数或冲击时长值，采用与2）相同的转速驱动本测量和校准装置，冲击扳手控制器实时检测冲击次数或冲击时长，等于查表计算值时，控制扳手自动停止；本测量和校准装置同步检测积累角位移，并根据积累角位移实时计算并显示积累扭矩值，扳手自动停止时，保持显示积累角位移、积累扭矩峰值，分别观察并记录本测量和校准装置在扭矩校准点的示值与冲击扳手设定扭矩值间的误差，超差时微调相应冲击次数或冲击时长重新校准，直至误差满足技术要求。

6）当多功能按钮的键值对应测量和校准冲击扳手积累角位移时，如图11所示连接本测量及校准装置，首先在冲击扳手上设定转角值，冲击扳手控制器根据下载的“动态扭矩-角位移-冲击次数”或“动态扭矩-角位移-冲击时长”关系表查表计算并显示与设定转角值对应的冲击次数或冲击时长值，采用与2）相同的转速驱动本测量和校准装置，冲击扳手控制器检测冲击次数或冲击时长，等于查表计算值时，控制扳手自动停止；本测量和校准装置同步检测计算并实时显示积累角位移值，扳手自动停止时，保持显示积累角位移峰值，观察并记录本测量和校准装置积累角位移示值与冲击扳手设定转角值间的误差，超差时微调相应冲击次数或冲击时长重新校准，直至误差满足技术要求。

本发明冲击扳手积累扭矩的在线测量及校准装置，针对待校准冲击扳手、施扭作业现场工作环境、特定螺纹副和工件，通过测量动态扭矩和转角，并在冲击状态下测量角位移、积累角位移及对应的冲击次数和冲击时长，建立“动态扭矩-角位移-冲击次数”和“动态扭矩-角位移-冲击时长”关系数据表，实现了对可控扭矩冲击扳手输出扭矩的在线测量和校准，创新地解决了经实验室校准后的冲击扳手在现场作业时由于条件不同，仍存在扭矩误差的问题，保证了施扭作业的扭矩控制准确度，从而提高了施扭作业质量，且本测量及校准装置本身测量准确度高，体积小，重量轻，便于携带，使用方便。

Claims (10)

1.一种冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，装置本体(10)上端为驱动方孔(11)，下端为输出方榫(13)，中间部分为柱体结构的弹性体(14)，在所述弹性体(14)上设有应变式扭矩传感器(18)；装置本体(10)下部设有转角传感器；其特征在于：

所述装置本体(10)上通过固定架(16)弹性固定有微电子检测及处理单元(20)及锂电池(50)；所述微电子检测及处理单元(20)包括微控制器(21)，扭矩信号调理电路(22)，转角信号调理电路(23)，OLED显示器(25)以及多功能按钮(27)；

所述应变式扭矩传感器(18)输出的差分弱电压信号经扭矩信号调理电路(22)调理放大后接入微控制器(21)的A/D转换器；转角传感器输出的两路脉冲信号经转角信号调理电路(23)接入微控制器(21)的外部中断；微控制器(21)通过SPI接口连接显示器(25)；

所述微控制器包括数据运算单元以及非易失性存储器，所述非易失性存储器存储有手动施扭状态下的动态扭矩和转角计算算法程序和冲击施扭状态下的角位移、积累角位移以及冲击次数和冲击时长算法程序，所述微控制器根据接收的扭矩信号和转角信号以及内存的扭矩和转角校准参数表，通过数据运算单元运行所述算法程序，进行积累扭矩的计算和显示，进而完成对可控扭矩冲击扳手输出积累扭矩进行测量和校准。

2.根据权利要求1所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：所述的应变式扭矩传感器(18)，由设置在弹性体(14)上与其中心轴线成45度角方向均匀布置的多片应变片(15)组成测量电桥，构成与装置本体(10)一体的扭矩传感器；

所述应变式扭矩传感器(18)输出的差分弱电压信号进入扭矩信号调理电路(22)进行线性放大，输出0～3VDC电压信号接入微控制器(21)的12位A/D转换器进行A/D转换、数字滤波。

3.根据权利要求1所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：所述转角传感器，包括码盘41和读码器42两部分，码盘41设置在装置本体10下部安装轴12上，且与安装轴12间嵌有耐磨自润滑件43，码盘41与旋转臂40固定，可沿中心轴线呈360°转动，读码器42与码盘41配合设置，读码器42固定于盒体的内壁，盒体下端敞口，并设有封盖17；

转角传感器读码器(42)输出的两路相位差为90度的脉冲信号接入倍频鉴相器输入端，其输出端分别输出正转和反转时的倍频脉冲信号，经脉冲整形后分别接入配置为外部中断的微控制器(21)输入端；

旋转臂(40)通过销轴(44)与上支撑臂(45)活动连接，上支撑臂(45)与中支撑臂(46)固定连接，中支撑臂(46)与下支撑臂(48)固定连接,下支撑臂(48)外套有软橡胶外套(47)；中支撑臂(45)为绝缘柔性材质，下支撑臂(48)为强磁性材质。

4.根据权利要求1、2或3所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：所述驱动方孔(11)、输出方榫(13)、应变式扭矩传感器(18)及转角传感器码盘处于同一中心轴线上。

5.根据权利要求1、2或3所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：微电子检测及处理单元(20)包括充电及电源管理电路(24)，由锂电池电量计CW2018、锂电池保护芯片HM5410、低压差稳压器HM6218和锂电池充电及升压芯片HM5805及外围电路组成；锂电池电量计CW2018与微控制器(21)的I²C接口通讯连接，实时监测锂电池充放电状态下的电压、电流和温度，并准确计算锂电池的剩余电量，剩余电量信息由OLED显示器(25)显示；保护芯片HM5410对锂电池(50)的过充电、过放电和过电流进行实时保护，低压差稳压器HM6218为系统提供3.3V稳压电源，充电及升压芯片HM5805除进行充电管理外，还为转角传感器的读码器(42)和鉴相倍频电路提供5V稳压电源。

6.根据权利要求1、2或3所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：所述微电子检测及处理单元(20)内，微控制器(21) 通过UART接口连接无线通讯模块(26)，实现与上位机或待校准冲击扳手点对点无线通讯，所述上位机为安装有相应APP软件的便携式智能终端，或设置在施扭作业现场的工控计算机，所述待校准冲击扳手内设置有相应的无线通讯模块及相关通讯程序。

7.根据权利要求1、2或3所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：使用时与待测量/校准的手动扳手串联连接，当多功能按钮的键值对应动态扭矩和转角关系检测功能时，微控制器执行非易失性存储器存储的手动施扭状态下的动态扭矩和转角计算算法程序：

当扭矩值开始增加，自动判断施扭过程开始，定时器中断程序等间隔读取当前扭矩值和转角值，并分别计算与前一次的差值ΔT和Δα；

当转角差值Δα≠0时判断施扭正在进行，根据扭矩增量ΔT和转角增量Δα计算此段的斜率值ki，以及当前点的扭矩和转角累计值，得“动态扭矩-转角”曲线当前点的坐标值并保存；

当转角差值Δα=0时自动判断施扭过程完成，根据所存扭矩与转角曲线对应点坐标值和各段斜率值，确定施扭过程中动态扭矩与转角关系曲线中A、B点的位置及贴紧扭矩Ts，利用线性回归计算A-B段的斜率值ke，采用同一批螺纹副和工件重复上述测量和计算过程并对得到的一系列进行ke值和Ts值进行加权均值化处理，得到相对准确的综合斜率kem和综合贴紧扭矩Tsm，均值化处理有利于缩小散差，提高扭矩和转角的检测准确度；

通过上述测量和计算过程，得到并保存准确的“动态扭矩-转角”曲线和关系式：T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)，其中Kc为与施扭螺纹副和工件有关的常数，具体数值从“动态扭矩-转角”曲线数据中查表得到；

测量冲击扳手积累扭矩时，实时检测积累角位移值αe，代入关系式：T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)中，计算并显示冲击施扭过程中的积累扭矩值。

8.根据权利要求1、2或3所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：使用时与待测量/校准的电动冲击扳手串联连接，当多功能按钮的键值对应冲击状态下积累角位移与冲击次数和冲击时长关系检测功能时，微控制器执行非易失性存储器存储的冲击施扭状态下的角位移、积累角位移以及冲击次数和冲击时长算法程序：

数据运算单元根据冲击施扭过程中施扭角度与回弹角度关系，累计计算多次完整冲击过程中的角位移增量值、积累角位移值及其对应的冲击次数和冲击时长值并保存，当读取的两路脉冲数的值均不变时，自动判断冲击过程结束，得整个冲击过程的“积累角位移-冲击次数”和“积累角位移-冲击时长”关系数据表，进一步建立和保存“动态扭矩-角位移-冲击次数”和“动态扭矩-角位移-冲击时长”关系表。

9.根据权利要求8所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：当多功能按钮的键值对应测量和校准冲击扳手积累扭矩时，首先在待测量/校准的冲击扳手的控扭范围内根据施扭需要设定多个扭矩校准点值，待测量/校准的冲击扳手控制器根据保存的“动态扭矩-角位移-冲击次数”或“动态扭矩-角位移-冲击时长”关系表，查表计算并显示与设定校准点值对应的冲击次数或冲击时长值，待测量/校准冲击扳手采用与测量步骤相同的转速驱动本测量和校准装置；冲击扳手控制器检测冲击次数或冲击时长等于查表计算值时，控制扳手自动停止；

在线测量及校准装置同时检测冲击状态下的积累角位移，并将积累角位移代入关系式：T=Ts+Kc*kem*(αe/360°)，实时计算并显示积累扭矩，待测量/校准的冲击扳手自动停止时，观察并记录其保持显示的积累扭矩值，与待测量/校准的冲击扳手设定的扭矩校准点值比较，进行冲击扳手的扭矩校准。

10.根据权利要求8所述的冲击扳手积累扭矩在线测量及校准装置，其特征在于：当多功能按钮的键值对应测量和校准冲击扳手积累角位移时，首先在待测量/校准的冲击扳手上设定转角值，待测量/校准的冲击扳手控制器根据保存的“动态扭矩-角位移-冲击次数”或“动态扭矩-角位移-冲击时长”关系表查表计算并显示与设定转角值对应的冲击次数或冲击时长值，待测量/校准冲击扳手采用与测量步骤相同的转速驱动本测量和校准装置，冲击扳手控制器检测冲击次数或冲击时长等于查表计算值时，控制扳手自动停止；

在线测量及校准装置同时检测并实时计算冲击状态下的积累角位移，待测量/校准的冲击扳手自动停止时，观察并记录其保持显示的积累角位移值，与待测量/校准的冲击扳手设定的转角值比较，进行冲击扳手的转角校准。

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