CN117300962A - 精确控制预紧力的数显扳手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扳手技术领域，具体为一种精确控制预紧力的数显扳手，包括扳手主体，扳手主体头部设有棘轮扳头和方向锁扣，扳手主体中部表面设有显示屏幕、蜂鸣器和机械按键、内部设有控制器，扳手主体尾部内设有电源，棘轮扳头上可拆卸连接有魔术套筒；魔术套筒包括套筒主体，套筒主体内位于套筒口和套筒柄之间设有连接腔，连接腔内设有滑环，滑环的旋转部上固定有连接板，连接板上固定有压电晶片，压电晶片与滑环电连接并通过滑环实现在拧紧过程中与螺栓底部之间相对静止，滑环与控制器电连接；利用压电晶片发射超声波脉冲信号的方式测量预紧力，解决依照扭矩法拧紧螺栓很容易导致较高的预紧力离散性的问题，集成度高且可适配不同大小的螺栓。

Description

精确控制预紧力的数显扳手

技术领域

本发明涉及扳手技术领域，特别是涉及一种精确控制预紧力的数显扳手。

背景技术

螺栓连接是工程中应用最为广泛的连接方式，通常采用扳手进行安装和拆卸，目前公开专利中的扳手主要以扭矩数显为主(如现有专利CN215318353U-用于接触网的螺栓预紧力设置扳手)，即对螺栓连接施加固定的扭矩；但是，依照扭矩法拧紧螺栓很容易导致较高的预紧力离散性，预紧力过大或过小都容易导致螺栓连接结构受到损害，因此，工程中迫切需要解决螺栓装配过程中预紧力精确控制的问题，这也是提高螺栓连接可靠性的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明实施例提供了一种精确控制预紧力的数显扳手。

本发明实施的一方面，提供了一种精确控制预紧力的数显扳手，包括扳手主体，扳手主体头部设置有棘轮扳头和方向锁扣，扳手主体中部表面设置有显示屏幕、蜂鸣器和机械按键、内部设置有控制器，扳手主体尾部内设置有电源，棘轮扳头上可拆卸连接有魔术套筒；魔术套筒包括套筒主体，套筒主体内位于套筒口和套筒柄之间设置有连接腔，连接腔内设置有滑环，滑环的旋转部上固定有连接板，连接板上固定有压电晶片，压电晶片与滑环电连接并通过滑环实现在拧紧过程中与螺栓底部之间相对静止，滑环与控制器电连接；

拧紧过程中，压电晶片由与螺栓底部之间接触表面向螺栓内发送超声波脉冲信号，并接收超声波脉冲信号在螺栓内部传播反射后的脉冲回波信号，压电晶片通过滑环将脉冲回波信号发送至控制器；控制器基于接收到的脉冲回波信号的回波飞行时间计算预紧力，并通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用压电晶片向螺栓内发送超声波脉冲信号，在接收到超声波脉冲信号在螺栓内部传播反射后的脉冲回波信号之后，控制器利用脉冲回波信号的回波飞行时间计算预紧力，进而提供一种全新的预紧力测量计算方式，用以解决依照扭矩法拧紧螺栓很容易导致较高的预紧力离散性的问题，实现预紧力的精确控制；整体集成度高，避免了传统测量方式设备冗余，且魔术套筒可以通过调节直接适配不同大小的螺栓。

可选的，扳手主体内位于棘轮扳头一侧设置有脱扣机构，脱扣机构包括用于与棘轮扳头卡合的卡爪，卡爪与扳手主体铰接，位于卡爪远离棘轮扳头的一侧设置有安装板，安装板上穿设有顶杆，顶杆与卡爪之间设置有多级杠杆传动结构，顶杆驱动连接有电磁铁，电磁铁与控制器电连接。

可选的，套筒主体表面且与套筒口相对位置间隔设置有安装槽，安装槽沿着套筒主体轴线方向设置，安装槽中铰接有套筒夹爪；套筒夹爪呈L形，套筒夹爪中长臂置于安装槽内且端部与安装槽铰接，长臂呈向套筒口方向渐厚结构，套筒夹爪中短臂扣合在套筒口的端部；套筒主体表面螺接有调整旋筒，调整旋筒的一端套设于各个套筒夹爪外部，旋转调整旋筒可改变套筒夹爪间的距离，使得魔术套筒适用于夹紧不同尺寸的螺栓。

可选的，扳手主体中靠近头部位置设置有扭矩传感器，扭矩传感器与控制器电连接。

可选的，控制器包括PCB板和集成在PCB板上相互电连接的模数转换电路以及单片机；模数转换电路用于将脉冲回波信号转换为数字信号,便于后续的信号处理和计算；单片机是控制器功能实现的硬件基础，通过单片机接收、处理和输出信号来控制数显扳手中的各执行器件。

可选的，拧紧过程中，单片机通过机械按键接收操作者输入的预紧力模式和预紧力预设值；

压电晶片由与螺栓底部之间接触表面向螺栓内发送超声波脉冲信号，并接收超声波脉冲信号在螺栓内部传播反射后的脉冲回波信号，之后将脉冲回波信号发送至模数转换电路；

模数转换电路将脉冲回波信号转换为数字信号，并将数字信号发送至单片机；

单片机接收到转换为数字信号的脉冲回波信号后，确定脉冲回波信号的回波飞行时间，并利用以下表达式计算预紧力：

其中，V₀表示无应力状态下超声波脉冲信号在螺栓内的传播速度，A₁₁表示声弹性常数，E表示螺栓材料的杨氏模量，S_e表示螺栓有效横截面积，L_e表示螺栓中单轴应力长度，ΔT表示回波飞行时间的变化，ε₁表示一阶展开误差，ε₂表示测量误差；

单片机通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力。

可选的，单片机通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力的过程，包括：

暂存计算得到的预紧力，并判断计算得到的预紧力是否处于合理区间内，

处于合理区间内的情况下，确定处于正常拧紧阶段，存储本次缓存的预紧力并通过显示屏幕同步显示；

不处于合理区间内的情况下，确定处于非正常拧紧阶段，清除本次缓存的预紧力并通过显示屏幕显示上一次存储的预紧力。

可选的，单片机通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力的过程之后，还包括：

单片机确定计算得到的预紧力是否达到预紧力预设值，在达到预紧力预设值的情况下，控制脱扣机构进行脱扣同时通过蜂鸣器进行报警。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种精确控制预紧力的数显扳手的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种精确控制预紧力的数显扳手的主视剖视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种魔术套筒的立体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种魔术套筒的主视剖视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种多级杠杆传动结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种模数转换电路的流程图；

图7为本发明实施例提供的螺栓状态及对应脉冲回波信号波形图，其中a图为无应力螺栓状态及对应脉冲回波信号波形图，b图为有应力螺栓状态及对应脉冲回波信号波形图；

图8为本发明实施例提供的一种单片机控制逻辑的流程示意图。

其中，扳手主体1、棘轮扳头2、方向锁扣3、显示屏幕4、蜂鸣器5、机械按键6、控制器7、电源8、魔术套筒9、套筒主体10、套筒口11、套筒柄12、连接腔13、滑环14、连接板15、压电晶片16、脱扣机构17、卡爪18、安装板19、顶杆20、多级杠杆传动结构21、套筒夹爪22、调整旋筒23、扭矩传感器24。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1-图4，本发明实施例提供的一种精确控制预紧力的数显扳手，包括扳手主体1，扳手主体1头部设置有棘轮扳头2和方向锁扣3，扳手主体1中部表面设置有显示屏幕4、蜂鸣器5和机械按键6、内部设置有控制器7，扳手主体1尾部内设置有电源8，棘轮扳头2上可拆卸连接有魔术套筒9；魔术套筒9包括套筒主体10，套筒主体10内位于套筒口11和套筒柄12之间设置有连接腔13，连接腔13内设置有滑环14，滑环14的旋转部上固定有连接板15，连接板15上固定有压电晶片16，压电晶片16与滑环14电连接并通过滑环14实现在拧紧过程中与螺栓底部之间相对静止，滑环14与控制器7电连接；

拧紧过程中，压电晶片16由与螺栓底部之间接触表面向螺栓内发送超声波脉冲信号，并接收超声波脉冲信号在螺栓内部传播反射后的脉冲回波信号，压电晶片16通过滑环14将脉冲回波信号发送至控制器7；控制器7基于接收到的脉冲回波信号的回波飞行时间计算预紧力，并通过显示屏幕4同步显示计算得到的预紧力。

实施中，扳手主体1内位于棘轮扳头2一侧设置有脱扣机构17，脱扣机构17包括用于与棘轮扳头2卡合的卡爪18，卡爪18与扳手主体1铰接，位于卡爪18远离棘轮扳头2的一侧设置有安装板19，安装板19上穿设有顶杆20，顶杆20与卡爪18之间设置有多级杠杆传动结构21，顶杆20驱动连接有电磁铁，电磁铁与控制器7电连接。

参见图5，一具体实施中，多级杠杆传动结构21由5个L形杠杆组成，采用L形杠杆可以在实现传力的同时改变杠杆的设置方向，达到节省安装空间的目的，设置时各个L形杠杆中的长臂作为动力臂、短臂作为阻力臂，形成多级放大结构，电磁铁动作后带动顶杆20顶出依次推动各个L形杠杆实现推力的逐级放大，最终拨动卡爪18达到与棘轮扳头2中棘轮脱扣的目的。

实施中，套筒主体10表面且与套筒口11相对位置间隔设置有安装槽，安装槽沿着套筒主体10轴线方向设置，安装槽中铰接有套筒夹爪22；套筒夹爪22呈L形，套筒夹爪22中长臂置于安装槽内且端部与安装槽铰接，长臂呈向套筒口11方向渐厚结构，套筒夹爪22中短臂扣合在套筒口11的端部；套筒主体10表面螺接有调整旋筒23，调整旋筒23的一端套设于各个套筒夹爪22外部，旋转调整旋筒23可改变套筒夹爪22间的距离，使得魔术套筒9适用于夹紧不同尺寸的螺栓。

实施中，扳手主体1中靠近头部位置设置有扭矩传感器24，扭矩传感器24与控制器7电连接；实现可同步显示当前的扭矩值。

实施中，控制器7包括PCB板和集成在PCB板上相互电连接的模数转换电路以及单片机；模数转换电路用于将脉冲回波信号转换为数字信号,便于后续的信号处理和计算；单片机是控制器功能实现的硬件基础，通过单片机接收、处理和输出信号来控制数显扳手中的各执行器件。

参见图6，一具体实施中，模数转换电路包括依次连接的前置放大电路、采样保持电路、模数化电路以及数字滤波电路；

其中，前置放大电路用于将输入信号(来自压电晶片的微弱脉冲回波信号)放大到适当的范围，以使其能够有效地被采样和模数化；

采样保持电路用于捕获输入信号的瞬态值，并将其保持在一个稳定的电压或电流状态，以便后续的模数化过程；

模数化电路用于将连续的模拟信号转换为离散的数字编码；

数字滤波器用于平滑和滤除数字编码中的噪音，并根据需要执行抽取或补偿等额外的数字信号处理操作，以减小误差。

实施中，拧紧过程中，单片机通过机械按键6接收操作者输入的预紧力模式和预紧力预设值；预紧力模式分为超声波脉冲测量模式和常规扭矩测量模式；

压电晶片16由与螺栓底部之间接触表面向螺栓内发送超声波脉冲信号，并接收超声波脉冲信号在螺栓内部传播反射后的脉冲回波信号，之后将脉冲回波信号发送至模数转换电路；

模数转换电路将脉冲回波信号转换为数字信号，并将数字信号发送至单片机；

单片机接收到转换为数字信号的脉冲回波信号后，确定脉冲回波信号的回波飞行时间，并利用以下表达式计算预紧力：

其中，V₀表示无应力状态下超声波脉冲信号在螺栓内的传播速度，A₁₁表示声弹性常数，E表示螺栓材料的杨氏模量，S_e表示螺栓有效横截面积，L_e表示螺栓中单轴应力长度，ΔT表示回波飞行时间的变化，ε₁表示一阶展开误差，ε₂表示测量误差；

单片机通过显示屏幕4同步显示计算得到的预紧力。

参见图7，无应力状态下，超声波脉冲信号在螺栓内的传播距离可表示为：

L₁＝L₀+L_e+L_h+L_f 2)

其中，L_σ为非应力长度，L_e为单轴应力长度，L_h为螺栓头长度，L_f为耦合剂厚度。加载应力后，超声波脉冲信号在螺栓内的传播距离可表示为：

L₂＝L₀+L_σ+L_h+L_f 3)

其中，应力长度L_σ＝Le(1+E^-1σ)。

应力状态下，脉冲回波飞行时间可表示为：

对公式4)一阶展开可得到预紧力计算表达式，即公式1)。

实施中，单片机通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力的过程，包括：

暂存计算得到的预紧力，并判断计算得到的预紧力是否处于合理区间内，

处于合理区间内的情况下，确定处于正常拧紧阶段，存储本次缓存的预紧力并通过显示屏幕同步显示；

不处于合理区间内的情况下，确定处于非正常拧紧阶段，清除本次缓存的预紧力并通过显示屏幕显示上一次存储的预紧力。

在螺栓拧紧过程中，因人为操作时会出现扳手套筒脱离螺栓表面的阶段，此时超声测量的信号为无效信息，不需输出和存储，当套筒回到螺栓表面继续拧紧时，则继续输出和存储测量结果，保证整个拧紧过程测试结果的正确稳定。

实施中，单片机通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力的过程之后，还包括：

单片机确定计算得到的预紧力是否达到预紧力预设值，在达到预紧力预设值的情况下，控制脱扣机构进行脱扣同时通过蜂鸣器进行报警。

为保证拧紧结果稳定可靠，在预紧力达到目标值时扳手需完成自动脱扣，以防过度拧紧。

参见图8所示控制逻辑，准备进行拧紧时，扳手上电并进行系统初始化，此后操作者可以进行模式选择并输入预紧力预设值；准备就绪后开始进行拧紧，拧紧过程中压电晶片发射超声波脉冲信号，超声波脉冲信号在螺栓内部传播后被反射形成脉冲回波信号，脉冲回波信号经由模数转换电路进行数据处理后发送至单片机进行暂存，暂存后进行合理性判断，若此信号处于合理区间，认为此时处于正常拧紧阶段，正常存储和输出信号值实现同步显示，若不在合理区间，认为此时扳手脱离螺栓表面，输出的结果为上一次存储的有效值，即断开前瞬间的扭矩及预紧力信息，直到工具回到螺栓表面，检测到下一次有效值；

进行合理性判断之后，为保证拧紧结果稳定可靠需要判断检测得到的预紧力是否达到预紧力预设值，达到预紧力预设值后单片机控制电磁铁动作完成自动脱扣功能，并进行声光报警；后续操作者可根据自身需要选择是否存储及传输本次拧紧信息，以及是否开始下一次拧紧过程，传输的话则可以通过有线或无线方式将当前预紧力信息传输至外部设备如手提电脑中进行信息收集保存。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种精确控制预紧力的数显扳手，包括扳手主体，扳手主体头部设置有棘轮扳头和方向锁扣，扳手主体中部表面设置有显示屏幕、蜂鸣器和机械按键、内部设置有控制器，扳手主体尾部内设置有电源，棘轮扳头上可拆卸连接有魔术套筒；其特征在于，魔术套筒包括套筒主体，套筒主体内位于套筒口和套筒柄之间设置有连接腔，连接腔内设置有滑环，滑环的旋转部上固定有连接板，连接板上固定有压电晶片，压电晶片与滑环电连接并通过滑环实现在拧紧过程中与螺栓底部之间相对静止，滑环与控制器电连接；

拧紧过程中，压电晶片由与螺栓底部之间接触表面向螺栓内发送超声波脉冲信号，并接收超声波脉冲信号在螺栓内部传播反射后的脉冲回波信号，压电晶片通过滑环将脉冲回波信号发送至控制器；控制器基于接收到的脉冲回波信号的回波飞行时间计算预紧力，并通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力。

2.如权利要求1所述的精确控制预紧力的数显扳手，其特征在于，扳手主体内位于棘轮扳头一侧设置有脱扣机构，脱扣机构包括用于与棘轮扳头卡合的卡爪，卡爪与扳手主体铰接，位于卡爪远离棘轮扳头的一侧设置有安装板，安装板上穿设有顶杆，顶杆与卡爪之间设置有多级杠杆传动结构，顶杆驱动连接有电磁铁，电磁铁与控制器电连接。

3.如权利要求1所述的精确控制预紧力的数显扳手，其特征在于，套筒主体表面且与套筒口相对位置间隔设置有安装槽，安装槽沿着套筒主体轴线方向设置，安装槽中铰接有套筒夹爪；套筒夹爪呈L形，套筒夹爪中长臂置于安装槽内且端部与安装槽铰接，长臂呈向套筒口方向渐厚结构，套筒夹爪中短臂扣合在套筒口的端部；套筒主体表面螺接有调整旋筒，调整旋筒的一端套设于各个套筒夹爪外部，旋转调整旋筒可改变套筒夹爪间的距离，使得魔术套筒适用于夹紧不同尺寸的螺栓。

4.如权利要求1所述的精确控制预紧力的数显扳手，其特征在于，扳手主体中靠近头部位置设置有扭矩传感器，扭矩传感器与控制器电连接。

5.如权利要求1-4任一项所述的精确控制预紧力的数显扳手，其特征在于，控制器包括PCB板和集成在PCB板上相互电连接的模数转换电路以及单片机；模数转换电路用于将脉冲回波信号转换为数字信号,便于后续的信号处理和计算；单片机是控制器功能实现的硬件基础，通过单片机接收、处理和输出信号来控制数显扳手中的各执行器件。

6.如权利要求5所述的精确控制预紧力的数显扳手，其特征在于，拧紧过程中，单片机通过机械按键接收操作者输入的预紧力模式和预紧力预设值；

压电晶片由与螺栓底部之间接触表面向螺栓内发送超声波脉冲信号，并接收超声波脉冲信号在螺栓内部传播反射后的脉冲回波信号，之后将脉冲回波信号发送至模数转换电路；

模数转换电路将脉冲回波信号转换为数字信号，并将数字信号发送至单片机；

单片机接收到转换为数字信号的脉冲回波信号后，确定脉冲回波信号的回波飞行时间，并利用以下表达式计算预紧力：

其中，V₀表示无应力状态下超声波脉冲信号在螺栓内的传播速度，A₁₁表示声弹性常数，E表示螺栓材料的杨氏模量，S_e表示螺栓有效横截面积，L_e表示螺栓中单轴应力长度，ΔT表示回波飞行时间的变化，ε₁表示一阶展开误差，ε₁表示测量误差；

单片机通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力。

7.如权利要求6所述的精确控制预紧力的数显扳手，其特征在于，单片机通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力的过程，包括：

暂存计算得到的预紧力，并判断计算得到的预紧力是否处于合理区间内，

处于合理区间内的情况下，确定处于正常拧紧阶段，存储本次缓存的预紧力并通过显示屏幕同步显示；

不处于合理区间内的情况下，确定处于非正常拧紧阶段，清除本次缓存的预紧力并通过显示屏幕显示上一次存储的预紧力。

8.如权利要求6所述的精确控制预紧力的数显扳手，其特征在于，单片机通过显示屏幕同步显示计算得到的预紧力的过程之后，还包括：

单片机确定计算得到的预紧力是否达到预紧力预设值，在达到预紧力预设值的情况下，控制脱扣机构进行脱扣同时通过蜂鸣器进行报警。