CN113390543B - 一种可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法及装置。针对施扭作业现场工作环境以及螺栓工作的弹性阶段，对同一批次多套待施扭螺纹副和工件以同一工艺施扭，测量和建立准确的动态扭矩与转角关系式并保存；测量过程中，在线测量装置实时检测冲击施扭中螺栓/螺母的积累转角，将积累转角代入动态扭矩与转角关系式，计算和显示可控扭矩冲击扳手冲击施扭的积累扭矩。本发明创新地实现了冲击扳手积累扭矩的在线测量，保证了扭矩控制准确度，扩大了冲击扳手的适用范围。

Description

一种可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量方法及装置，尤其是涉及一种在作业现场环境下，针对同一批次待施扭螺栓/螺母和工件对可控扭矩冲击扳手扭矩进行在线测量的方法以及实现可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量的测量装置。

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。螺纹联接的实质是通过将轴向预紧力控制到适当范围，将两个或多个部件可靠的联接在一起，轴向预紧力是评价螺纹副连接可靠性的重要指标。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，目前还无法直接检测和控制，在施扭作业过程中一般是通过扭矩法、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，扭矩对扭转角的斜率剧增，主动冲击块开始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作间歇式旋转冲击动作，依靠多次冲击扭矩的叠加使螺纹副最终紧固。

冲击扳手的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”。该“积累扭矩”是对现场施扭作业质量进行评价的重要指标，且在相关螺纹联接研究中具有重要的参考价值，因此对“积累扭矩”进行准确的检测具有重大的现实意义。冲击扳手的这种工作特性，造成此类扳手的输出扭矩至今没有可靠和易于实现的检测方法，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。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)以及套筒、螺纹副、工件等严格不变时，通过对冲击施扭中的冲击次数或冲击时间进行整定和精确控制，可间接实现对其输出扭矩较高精度（实际是重复性）的控制。对于有扭矩控制要求的场合，由于与要求的扭矩参数不符，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***，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。

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，无法用于对冲击扳手的输出积累扭矩进行检测和校准。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量方法。在施扭作业现场，利用真实的螺纹副和工件对可控扭矩冲击扳手扭矩进行在线测量，提高可控扭矩冲击扳手的控扭准确度，使工件得到准确的轴向预紧力。

本发明同时提出了一种可在施扭作业现场对可控扭矩冲击扳扭矩进行在线测量的可控扭矩冲击扳手扭矩的测量装置，以及利用该装置对可控扭矩冲击扳手扭矩进行在线测量的方法。

本发明采用的技术方案：

第一方面，本发明提出一种可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量方法：

螺纹副施扭过程中的扭矩，分为动态扭矩和静态扭矩。动态扭矩是螺纹副克服动态摩擦所达到的扭矩，静态扭矩是对已处于拧紧状态的螺纹副继续拧紧且螺纹旋合面之间刚刚发生转动时克服静态摩擦所达到的最大扭矩。对于硬连接形式的螺纹副，静态扭矩大于动态扭矩，而软连接形式的螺纹副，静态扭矩小于动态扭矩。通常技术文件中规定的螺纹副紧固扭矩是指动态扭矩，而检验员采用扭力扳手抽检时检测的是静态扭矩，由于动态扭矩与静态扭矩间存在较大差异，为企业进行扭矩监控造成很***烦，不利于提高产品质量。为了保证校准准确度，本发明公开的测量方法，测量的扭矩是动态扭矩。

如图1所示，螺纹副施扭过程，可分为如下三个阶段：施扭过程中，当螺母/螺栓旋转走完空程接触工件或垫圈，此时各接触表面接触点很少或因工件与周围构件间的摩擦力，以及垫圈弯曲等原因，所施加扭矩很小，但扭矩增长率ΔT与转角增长率Δα的比率增长很迅速，在“A”点贴紧过程完成，此时的扭矩为贴紧扭矩Ts，此阶段（O-A段）为贴紧阶段；螺母/螺栓与工件贴紧后，继续施扭，螺栓被拉长的同时工件被压缩，此时的扭矩增长率ΔT对转角增长率Δα的比率保持基本不变，此阶段的扭矩与转角以及轴向预紧力与转角均呈线性关系，此阶段(A-B段)为弹性阶段；继续施扭，当螺栓所受轴向预紧力达到屈服点时，扭矩增长率ΔT对转角增长率Δα的比率逐渐变小，在同样的转角增量下，扭矩增量减小，扭矩与转角由直线关系变为曲线关系，此阶段（B-C段）为超弹性阶段。

实时测量动态扭矩和转角并连续计算扭矩增长率ΔT对转角增长率Δα的比率k值，将k值代入通过试验建立的计算曲线与直线交点坐标的数学模型中，计算确定如图1所示的动态扭矩-转角曲线上A点和B点的位置坐标和贴紧扭矩Ts，采用线性回归计算在曲线中A-B段的扭矩系数ke值。

在弹性阶段(A-B段)施扭时，扭矩T=Ts+ke*P*C*d*(αe/360°),式中：Ts为贴紧扭矩，ke为在弹性阶段的扭矩系数，C为与螺纹副及被联接件相关的刚度，d为螺纹中径，P为螺纹的螺距，αe为螺母/螺栓转过的角度值。对于特定的待施扭工件和螺纹副，“d、P、C”等参数为定值，设Kc=d*P*C，而扭矩系数ke与螺纹副和工件的摩擦表面粗糙度、润滑状况、表面镀层、材料硬度、螺纹副的配合公差、加工精度（圆柱度、直线度、牙形误差、螺距误差等）、装配清洁度有关，即使同一批待施扭工件、螺栓/螺母和垫圈并采用同一种施扭工艺，ke值也存在一定散差（如图2所示），缩小散差有利于提高扭矩控制精度。

缩小散差的方法为：针对同一批次工件、螺栓/螺母和垫圈并采用同一种施扭工艺，对多套螺纹副和工件分别施扭，实时测量动态扭矩和转角并连续计算扭矩增长率ΔT对转角增长率Δα的比率k值，将k值代入通过试验建立的计算曲线与直线交点坐标的数学模型中，计算确定动态扭矩-转角曲线上A点和B点的位置坐标和贴紧扭矩Ts，并对动态扭矩-转角曲线的A-B段进行线性回归，计算扭矩系数ke，对得到的一系列ke1，ke2，…，ken和Ts1，Ts2，…，Tsn进行加权均值化处理，得到散差很小的kem、Tsm值。从而得到相对准确的动态扭矩与转角关系式：T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)。

如图3和图4所示，冲击扳手的施扭过程为：在空程和贴紧阶段（O-A段），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)，再经牙嵌的啮合带动从动部分(包括从动冲击块和套筒等)以自身的静扭矩施扭螺纹副,通过调整主压力弹簧的参数或预压缩量，可得到与贴紧扭矩Ts相近的静扭矩；在弹性阶段(AB段)，主动冲击块克服主压力弹簧的初压力作轴向移动，超过牙嵌高度后，主动冲击块与从动冲击块脱离，从动冲击块带动套筒以一定的角速率对螺母/螺栓做冲击动作，使螺母/螺栓从B1点转动到S1点，角位移增加Δθi-1，角速率从最大开始减小到零，随后剩余的冲击能量使从动冲击块带动套筒及螺母/螺栓做回弹动作，回弹Δβi-1到B2点后，角速率减小到零，完成一次完整的冲击过程，此过程中扭矩增加ΔTi-1；接着开始下一次冲击过程，使螺母转动Δθ，回弹Δβi，扭矩增加ΔTi，此冲击过程重复进行直至螺母/螺栓转动角度Δθn=0时，扭矩增加量ΔTn=0，达到一定旋转角速率下的最大角位移αmax和可输出的最大扭矩Tmax；

实时检测冲击状态下正反方向的角位移，得到一次完整冲击过程的螺母/螺栓正向转动的转角增量Δαi，在弹性阶段冲击施扭过程中：

单次冲击螺母/螺栓的转角增量Δαi=Δθi－Δβi

总的积累转角αe=Δαn+…+Δαi+Δαi-1+…+Δα1。

式中i为冲击次数序号，i=1,2,…，n

冲击扳手对螺纹副的冲击施扭过程是一个通过多次旋转冲击，扭矩不断积累的动态过程，主动冲击块的旋转角速度（原动机转速），螺纹副施扭***的等效刚度以及螺纹副的规格、类型和螺纹质量影响每次冲击时的扭矩和转角增量，从而影响扭矩的测量准确度。但对同一台定型冲击扳手采用相同工艺施扭同一批次工件、螺栓/螺母且扳手转速恒定时，扭矩或转角与冲击次数或冲击时长呈如图3所示的一一对应关系。

冲击施扭过程中，通过实时测量积累转角αe，并利用测得的动态扭矩与转角的关系式T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)，可实时计算并显示在弹性阶段冲击扳手输出的积累扭矩。

第二方面，本发明提出一种可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量装置：

一种可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量装置，包括装置本体10、扭矩传感器18、转角传感器以及微电子检测与处理单元20，所述装置本体上端为驱动方孔11、下端为输出方榫13、中间为与装置本体一体的弹性体14，在弹性体上通过设置应变片15组成测量电桥，构成与装置本体一体的应变式扭矩传感器18，在靠近输出方榫的上部设有转角传感器；所述驱动方孔、输出方榫、扭矩传感器和转角传感器码盘处于同一中心轴线上。

所述装置本体的上下圆盘内侧通过固定架16弹性固定有微电子检测及处理单元20及锂电池50，与装置本体10的上下两圆盘匹配设有非金属密封外壳，所述非金属密封壳上与微电子检测及处理单元的显示器25对应位置设置有透明显示窗61。

所述转角传感器采用磁环编码器，该磁环编码器具有高转速、高频响、高可靠性、非接触测量、抗干扰能力强、耐震动等特点，特别适合采集冲击状态下的正反向角位移。所述磁环编码器包括码盘41和读码器42两部分，读码器42与码盘41以一定间隙和形位公差配合设置并与装置本体10固定连接；码盘41内圈通过耐磨自润滑套43设置在输出方榫上部的安装轴上，码盘外圈与旋转臂40固定连接，可随旋转臂沿装置本体中心轴线呈360°转动；旋转臂40通过销轴44与上支撑臂45活动连接，上支撑臂与中支撑臂46固定连接，中支撑臂与下支撑臂48固定连接,下支撑臂外套有软橡胶外套47；中支撑臂为绝缘柔性材质，下支撑臂为强磁性材质，目的是工作中码盘由旋转臂和支撑臂方便地固定于支撑件，读码器随装置本体转动，实现对正反向转角的准确可靠采集。

所述微电子检测与处理单元20包含微控制器21、扭矩信号调理电路22、转角信号调理电路23和OLED显示器25；应变式扭矩传感器输出的差分弱电压信号经扭矩信号调理电路线性放大调理后，接入微控制器进行A/D转换、数字滤波，根据内存于非易失性存储器中的校准数据表和算法程序，计算并显示动态扭矩值；转角传感器输出两路相位差为90度的脉冲信号经转角信号调理电路鉴相和倍频，得到的正转和反转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输入端，通过外部中断程序分别读取正转脉冲数或反转脉冲数，根据“转角=360*脉冲数/（周脉冲数*倍频数）”实时计算和显示施扭过程中螺母/螺栓的积累转角。

所述微控制器通过执行内存于非易失性存储器中的相关算法程序，建立并保存动态扭矩与转角关系式，通过实时测量螺母/螺栓的积累转角αe，并代入动态扭矩与转角的关系式T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)中，可实时计算并显示在弹性阶段冲击扳手输出的积累扭矩。

所述微控制器通过SPI接口通讯连接显示器，显示校准过程中的实时扭矩值和对应的转角值以及冲击施扭过程中的积累转角值和积累扭矩值。

发明有益效果：

1、本发明公开的可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量方法，通过实时测量施扭过程中的动态扭矩和转角，建立并保存螺栓在弹性阶段动态扭矩-转角关系式：T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)；冲击扳手冲击施扭时，实时测量螺母/螺栓的积累转角αe，并代入动态扭矩与转角的关系式，实时计算并显示在弹性阶段冲击扳手输出的积累扭矩。创新地解决了冲击扳手在现场作业时输出的积累扭矩的测量问题，从而提高了施扭作业质量。

2.本发明公开的可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量方法及装置，通过采用新的同一批工件、螺纹副多次施扭，实时测量计算每次施扭在弹性阶段的扭矩系数ke值和贴紧扭矩Ts值，对得到的多个ke值和Ts值进行加权均值化处理，缩小了散差，提高了扭矩测量准确度。且测量装置体积小，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工作。

3.本发明公开的可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量装置，测量准确度高，可扩展冲击扳手的使用范围和提高施扭精确度，降低企业设备成本，提高施工质量。“积累扭矩”是对现场施扭作业质量进行评价的重要指标，且在相关螺纹联接研究中具有重要的参考价值，本发明实现了对“积累扭矩”进行准确的检测，具有重大的现实意义。

附图说明

图1是螺纹副施扭过程及动态扭矩与转角关系示意图；

图2是螺纹副施扭过程中扭矩受扭矩系数影响示意图；

图3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4是冲击施扭过程中施扭角度与回弹角度关系图；

图5是动态扭矩和转角测量时的连接示意图；

图6是冲击扳手扭矩测量时的连接示意图；

图7是测量装置本体结构示意图；

图8是测量装置整体结构示意图；

图9是测量装置剖面示意图；

图10是测量装置微电子检测与处理单元原理框图。

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及优点更加清楚明白，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，以下各实施例仅用于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3和图4，本发明可控扭矩冲击扳手在线测量方法，在作业现场对可控扭矩冲击扳手扭矩进行测量的步骤如下（为了保证测量准确度，测量的扭矩均是动态扭矩）：

S1，根据螺纹副施扭过程中贴紧阶段（O-A段）、弹性阶段（A-B段）、超弹性阶段（B-C段）的扭矩与转角关系，实时测量动态扭矩和转角，保存动态扭矩与转角曲线坐标数据；

S2，利用动态扭矩与转角曲线坐标数据，连续计算k值(ΔT/Δα)，将k值代入通过试验建立的计算曲线与直线交点的数学模型中，计算确定曲线上A点和B点的位置坐标和贴紧扭矩Ts值，采用线性回归计算A-B段的ke值；

A-B段的扭矩：T=Ts+ke*P*C*d*(αe/360°)

式中：Ts为贴紧扭矩，ke为A-B段的扭矩系数，C为与螺纹副及被联接件相关的刚度，d为螺纹中径，P为螺纹的螺距，αe为转角值；对于特定的待施扭工件和螺纹副，“d、P、C”参数为定值(设Kc=d*P*C)；

S3，冲击施扭过程中，在空程和贴紧阶段（O-A段），冲击扳手原动机经减速机构驱动冲击机构的主动冲击部分，再经牙嵌的啮合带动从动冲击部分以自身的静扭矩施扭螺母/螺栓，通过调整主动冲击部分主压力弹簧的参数和预压缩量，可得到与贴紧扭矩Ts相近的静扭矩；

在弹性阶段（A-B段），主动冲击块克服主压力弹簧的初压力作轴向移动，超过牙嵌高度后，主动冲击块与从动冲击块脱离，从动冲击块带动套筒以一定的角速率对螺母/螺栓做冲击动作，使螺母/螺栓从B1点转动到S1点，角位移增加Δθi-1，角速率从最大开始逐渐减小到零，随后剩余的冲击能量使从动冲击块带动套筒及螺母/螺栓做回弹动作，回弹Δβi-1到B2点后，角速率减小到零，完成一次完整冲击过程，此过程中扭矩增加ΔTi-1；

接着开始下一次冲击过程，使螺母/螺栓转动Δθ，回弹Δβi，扭矩增加ΔTi，此冲击过程重复进行；

实时检测冲击状态下的正反方向转角，得到螺母/螺栓的转角增量

单次冲击时螺母/螺栓的转角增量Δαi=Δθi－Δβi

总的积累转角αe=Δαn+…+Δαi+Δαi-1+…+Δα1。

式中i为冲击次数序号，i=1,2,…，n

S4，将总的积累转角αe代入动态扭矩与转角的关系式T=Ts+Kc*ke*(αe/360°)中，实时计算并显示冲击过程中冲击扳手输出的积累扭矩。

实施例2

在弹性阶段施扭时，其扭矩系数ke与螺纹副和工件的摩擦表面粗糙度、润滑状况、表面镀层、材料硬度、螺纹副的配合公差、加工精度（圆柱度、直线度、牙形误差、螺距误差等）、装配清洁度有关，即使同一批待施扭工件、螺栓/螺母和垫圈并采用同一种施扭工艺，ke值也存在一定散差（如图2所示），缩小散差有利于提高扭矩控制精度；

本实施例的可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法，采用如下方法缩小散差：针对同一批工件、螺栓/螺母和垫圈并采用同一种施扭工艺，分别施扭多套螺纹副，实时测量动态扭矩与转角曲线坐标点的数据，连续计算k值(ΔT/Δα)，将k值代入通过试验建立的计算曲线与直线交点的数学模型中，计算确定曲线上A点和B点的位置坐标和贴紧扭矩Ts值，并对动态扭矩-转角曲线的A-B段进行线性回归，计算扭矩系数ke，对得到的一系列ke1，ke2，…，ken和Ts1，Ts2，…，Tsn进行加权均值化处理，得到散差很小的kem、Tsm值。

从而得到比实施例1更准确的动态扭矩与转角关系式：T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)。

冲击施扭过程中，通过实时测量在弹性阶段的积累转角αe，并代入动态扭矩与转角的关系式T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)中，实时计算并显示冲击过程中冲击扳手输出的积累扭矩。

实施例3

参见图7、图8、图9和图10，本实施例为实现前述可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法的在线测量装置。

所述的可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量装置，装置本体10包括驱动方孔11、输出方榫13及连接所述驱动方孔、输出方榫的弹性体14，在所述装置本体上设有扭矩传感器18、转角传感器以及微电子检测与处理单元20，所述微电子检测与处理单元20包含微控制器21、扭矩信号调理电路22、转角信号调理电路23和OLED显示器25；所述微控制器21包括数据处理单元和非易失性存储器；所述非易失性存储器内存储如实施例1或实施例2所述的可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量方法算法程序；

扭矩传感器输出的差分弱电压信号经扭矩信号调理电路线性放大调理后，接入微控制器进行A/D转换、数字滤波，根据内存于非易失性存储器中的校准数据表和算法程序，计算并显示动态扭矩值；

转角传感器输出两路相位差为90度的脉冲信号，经转角信号调理电路鉴相和倍频，得到的正转或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输入端，通过外部中断程序分别读取正转脉冲数或反转脉冲数，根据“转角=360*脉冲数/（周脉冲数*倍频数）”和算法程序，实时计算和显示不同状态下施扭时螺栓/螺母的转角值；

所述微控制器通过执行内存于非易失性存储器中的算法程序，建立并保存动态扭矩与转角关系式，将实时测得的螺栓/螺母的转角值代入动态扭矩与转角关系式中，计算并显示可控扭矩冲击扳手冲击施扭过程中的积累扭矩；

所述OLED显示器25与微控制器21的数据处理单元通过SPI接口通讯连接，显示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转角值和积累扭矩值；

微控制器21通过端口与多功能按钮27连接，根据多功能按钮27的键值完成相应的测量功能；微控制器21还通过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进行点对点无线通讯，进行相关测量数据的无线传输。

实施例4

参见图7、图8、图9和图10，本实施例的可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量装置，与实施例3不同的是：进一步的，所述扭矩传感器18，采用应变片15粘贴在装置本体10中间位置的弹性体14上组成测量电桥，构成与装置本体一体的应变式扭矩传感器18，转角传感器设置在靠近输出方榫的上部；所述驱动方孔、输出方榫、扭矩传感器和转角传感器码盘处于同一中心轴线上。

装置本体10的上、下圆盘内侧通过固定架16弹性固定有微电子检测及处理单元20及锂电池50，锂电池50连接充电及电源管理电路24，充电及电源管理电路24通过I²C接口与微控制器21连接；与装置本体10的上、下两圆盘外缘匹配设有非金属密封外壳，包括前外壳60，后外壳62，前外壳60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。

实施例5

参见图8和图9，本实施例的可控扭矩冲击扳手扭矩在线校准装置，与实施例3或4不同的在于：所述转角传感器采用磁环编码器，所述磁环编码器包括码盘41和读码器42两部分，读码器42与码盘41以一定间隙和形位公差配合设置，读码器42固定于装置本体盒体的内壁，盒体下端敞口，并设有封盖17；码盘41的内孔通过耐磨自润滑套43设置在装置本体下部的安装轴12上，码盘41与旋转臂40固定连接，码盘41可随旋转臂40沿装置本体中心轴线呈360°转动；

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；目的是工作中方便下支撑臂与支撑件可靠固定，读码器随装置本体转动，保证冲击过程中通过转角传感器采集的施扭转角值准确可靠。

实施例6

参见图5、图6，本实施例为在作业现场对可控扭矩冲击扳手输出扭矩进行在线测量的方法，利用前述的可控扭矩冲击扳手扭矩的在线测量方法及装置，在作业现场对可控扭矩冲击扳手输出的积累扭矩进行测量和显示，步骤如下：

S1，准备：

S1-1，针对作业现场准备手动板杆及合适的套筒；

S1-2，准备经检查合格的同一批次待施扭工件和螺栓/螺母多套；

S1-3，准备经过量值溯源的在线测量装置；

S1-4，如图5所示，自上而下将手动板杆2、在线校准装置1、套筒3、螺母4串联连接到工件5上，图中标号101为转角检测的支撑臂；

S2，通过建立的计算曲线与直线交点坐标的数学模型，采用线性回归算法和加权均值化处理，得散差较小的ke和Ts，得到更准确的动态扭矩与转角关系：

具体的，用手动板杆以一定角速率平稳施扭，在线测量装置实时测量动态扭矩和转角值，得到动态扭矩与转角曲线坐标点数据，连续计算单位时间内扭矩增量ΔT对角位移增量Δα的比率k值，将k值代入通过试验建立的计算曲线与直线交点坐标的数学模型中，计算确定动态扭矩与转角曲线上A点和B点的位置坐标和贴紧扭矩Ts，采用线性回归计算AB段的ke值，以同一角速率重复对准备的多套工件和螺栓/螺母施扭，并对得到的多个ke和Ts进行加权均值化处理，得缩小散差后的ke和Ts，表示为kem和Tsm，从而得到准确的动态扭矩与转角关系式T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)并保存；

S3，对可控扭矩冲击扳手的输出扭矩进行测量：

S3-1，用可控扭矩冲击扳手代替手动板杆，如图6所示，自上而下将可控扭矩冲击扳手6、在线校准装置1、套筒3、螺母4串联连接到工件5上，可控扭矩冲击扳手以设定转速冲击施扭，在线校准装置实时测量每次冲击过程螺栓/螺母的转动角度Δθi、回弹角度Δβi，根据公式αe=(Δθn－Δβn)+…+(Δθi－Δβi)+…+(Δθ1－Δβ1)累计计算螺栓/螺母的积累转角，将积累转角值代入动态扭矩与转角关系式T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)中，实时计算并显示积累扭矩值；

S3-2，可控扭矩冲击扳手停止施扭时，在线测量装置保持显示积累扭矩和积累转角峰值，即为冲击扳手本次施扭的动态扭矩值和转角值。

“积累扭矩”是对现场施扭作业质量进行评价的重要指标，且在相关螺纹联接研究中具有重要的参考价值，本发明创新地实现了冲击扳手积累扭矩的准确的在线测量，可以保证冲击扳手扭矩控制准确度，扩大冲击扳手的适用范围，具有重大的现实意义。

Claims (7)

1.一种可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法，用于在作业现场对可控扭矩冲击扳手的输出扭矩进行测量，其实现过程如下：

S1，根据螺纹副施扭过程中贴紧阶段、弹性阶段、超弹性阶段的扭矩与转角关系，采用扭矩传感器和转角传感器实时测量动态扭矩和转角，建立动态扭矩与转角关系曲线，曲线中：

O-A段为贴紧阶段，当螺母/螺栓旋转走完空程接触工件和垫圈时，所用扭矩很小，但单位时间内扭矩增量ΔT与转角增量Δα的比率较快增长，在“A”点完成贴紧过程，此时的扭矩为贴紧扭矩Ts；

A-B段为弹性阶段，螺母/螺栓与工件和垫圈贴紧后，继续施扭，螺栓被拉长的同时工件被压缩，单位时间内扭矩增量ΔT与转角增量Δα的比率k值保持基本不变，此阶段的扭矩与转角以及轴向预紧力与转角均呈线性关系；

B-C段为超弹性阶段，继续施扭，当螺栓所受轴向预紧力达到屈服点时，单位时间内扭矩增量ΔT与转角增量Δα的比率逐渐变小，即在同样的转角增量下，扭矩增量减小，扭矩与转角由直线关系变为曲线关系；

S2，利用实时测量得到的动态扭矩与转角曲线的坐标点数据，连续计算k值，将k值代入通过试验建立的计算曲线与直线交点的数学模型中，计算确定A点和B点的位置坐标和贴紧扭矩Ts，采用线性回归计算A-B段的k值，表示为ke；

此阶段的扭矩：T=Ts+ke*P*C*d*(αe/360°) （1）

式（1）及动态扭矩与转角关系曲线中：Ts为贴紧扭矩，ke为A-B段的扭矩系数，C为与螺纹副及工件相关的刚度，d为螺纹中径，P为螺纹的螺距，αe为转角值；对于特定的待施扭工件和螺纹副，参数d、P、C为定值，定义Kc=d*P*C，式（1）改写为：

T=Ts+Kc*ke(αe/360°) （2）

S3，在空程和贴紧阶段，可控扭矩冲击扳手原动机经减速机构驱动冲击机构的主动冲击部分，再经牙嵌的啮合带动从动冲击部分以自身的静扭矩施扭螺纹副，通过调整主动冲击部分主压力弹簧的参数或预压缩量，得到与贴紧扭矩Ts相近的静扭矩；

在弹性阶段，可控扭矩冲击扳手主动冲击部分的主动冲击块克服主压力弹簧的初压力作轴向移动，超过牙嵌高度后，主动冲击块与从动冲击块脱离，从动冲击块带动套筒以一定的角速率对螺母/螺栓做冲击动作，使螺母/螺栓转动Δθi-1角度后停止，随后剩余的冲击能量使从动冲击块带动套筒及螺母/螺栓回弹Δβi-1角度后停止，完成一次完整冲击过程，此过程中转角增加Δαi-1，扭矩增加ΔTi-1；接着开始下一次冲击过程，使螺母/螺栓转动Δθi，回弹Δβi，转角增加Δαi，扭矩增加ΔTi，此冲击过程重复进行，直至当螺母/螺栓转动角度Δαn=0时，扭矩增加量ΔTn=0，达到一定旋转角速率下的最大转角αmax和可输出的最大扭矩Tmax；

单次冲击过程螺母/螺栓的转角增量：Δαi=Δθi－Δβi；

总的积累转角αe=Δαn+…+Δαi+Δαi-1+…+Δα1；

式中i为冲击次数序号，i=1,2,…，n；

S4，实时检测冲击过程中的积累转角αe，并将其代入动态扭矩与转角关系式（2）中，计算并显示可控扭矩冲击扳手在冲击施扭过程中输出的积累扭矩值。

2.根据权利要求1所述的可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法，其特征是：弹性阶段的扭矩系数ke受螺纹副和工件的摩擦表面粗糙度、润滑状况、表面镀层、材料硬度、螺纹副的配合公差、加工精度、装配清洁度影响，即使同一批待施扭工件、螺栓/螺母和垫圈并采用同一种施扭工艺，ke值也存在一定散差，缩小散差有利于提高扭矩测量精度；

缩小散差的方法为：在同一批工件、螺栓/螺母和垫圈并采用同一种施扭工艺条件下，在弹性阶段进行多次施扭，每次施扭均采用新工件、螺栓/螺母和垫圈，利用实时测量得到的动态扭矩与转角曲线的坐标点数据，连续计算k值，将k值代入通过试验建立的计算曲线与直线交点的数学模型中，计算确定A点和B点的位置坐标和贴紧扭矩Ts，并对动态扭矩-转角曲线中A-B段进行线性回归，计算扭矩系数ke，所述数学模型，用于根据k值变化计算动态扭矩与转角曲线中曲线段与直线段的交点坐标，对得到的一系列ke1，ke2，…，ken值和Ts1，Ts2，…，Tsn值，进行加权均值化处理，得到缩小散差后的kem、Tsm值，从而得到比关系式（2）更准确的动态扭矩与转角关系式：

T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°) （3）

在冲击扳手冲击施扭过程中，实时测量在弹性阶段即A-B段的积累转角αe，利用关系式（3），实时计算并显示冲击扳手输出的积累扭矩。

3.一种实现权利要求1所述可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法的测量装置，装置本体（10）包括驱动方孔（11）、输出方榫（13）及连接所述驱动方孔、输出方榫的弹性体（14），其特征是：在所述装置本体（10）上设有扭矩传感器（18）、转角传感器以及微电子检测与处理单元（20），所述微电子检测与处理单元（20）包含微控制器（21）、扭矩信号调理电路（22）、转角信号调理电路（23）以及显示器（25）；所述微控制器（21）包括数据运算单元和非易失性存储器；所述非易失性存储器存储如权利要求1或2所述的可控扭矩冲击扳手扭矩在线测量方法的算法程序；

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）线性放大调理后，接入微控制器（21）进行A/D转换、数字滤波，根据内存于非易失性存储器中的校准数据表和算法程序，计算并显示动态扭矩值；

转角传感器输出两路相位差为90度的脉冲信号，经转角信号调理电路（23）鉴相、倍频和脉冲整形，得到正转和反转时的脉冲信号，分别接入配置为外部中断的微控制器（21）的输入端，通过外部中断程序分别读取正转脉冲数或反转脉冲数，根据“转角=360*脉冲数/（周脉冲数*倍频数）”和相关算法程序，实时计算螺栓/螺母转过的角度值；

所述微控制器（21）通过执行内存于非易失性存储器中的算法程序，建立动态扭矩与转角关系式，通过实时测量冲击扳手冲击施扭过程中螺栓/螺母转过的积累角度值，代入动态扭矩与转角关系式中，计算冲击扳手输出的积累扭矩值；

所述显示器（25）与微控制器（21）通过SPI接口连接，显示测量过程中的动态扭矩值和对应的转角值以及冲击施扭过程中的积累转角值和积累扭矩值。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征是：所述扭矩传感器（18），采用应变片（15）粘贴在连接驱动方孔（11）和输出方榫（13）的弹性体（14）上组成测量电桥，构成与装置本体（10）一体的应变式扭矩传感器，转角传感器设置在靠近输出方榫（13）的上部；所述驱动方孔、输出方榫、扭矩传感器和转角传感器码盘处于同一中心轴线上。

5.根据权利要求3或4所述的测量装置，其特征是：所述转角传感器采用磁环编码器，所述磁环编码器包括码盘（41）和读码器（42）两部分，读码器与码盘以一定间隙和形位公差配合设置并与装置本体（10）固定连接；码盘内孔通过耐磨自润滑套（43）设置在靠近输出方榫上部的安装轴上，码盘外周与旋转臂（40）固定连接并随旋转臂沿装置本体中心轴线呈360°转动；旋转臂（40）通过销轴（44）与上支撑臂（45）连接，上支撑臂与中支撑臂（46）固定连接，中支撑臂与下支撑臂（48）固定连接,下支撑臂外套有软橡胶外套（47）；中支撑臂（46）为绝缘柔性材质，下支撑臂（48）为强磁性材质，目的是工作中码盘由旋转臂和支撑臂方便地固定于支撑件，读码器随装置本体转动，实现冲击过程中对转角值的准确可靠采集。

6.一种根据权利要求1所述的在作业现场对可控扭矩冲击扳手的输出扭矩进行测量的方法，其特征是：过程包括：

S1，测量准备：

S1-1，针对作业现场的具体施扭工位，准备手动板杆及合适的套筒；

S1-2，准备经检查合格的同一批次待施扭工件和螺栓/螺母多套；

S1-3，准备经过量值溯源的在线测量装置；

S1-4，自上而下将手动板杆、在线校准装置、套筒、螺栓/螺母串联连接到工件上；

S2，通过建立的计算曲线与直线交点坐标的数学模型，采用线性回归算法和加权均值化处理，得散差较小的kem和Tsm，得到更准确的动态扭矩与转角关系：

T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)；

S3，对可控扭矩冲击扳手的输出扭矩进行测量：

S3-1，用可控扭矩冲击扳手代替手动板杆以设定转速冲击施扭，在线校准装置实时测量每次冲击过程螺栓/螺母的转动角度Δθi、回弹角度Δβi，根据公式αe=(Δθn－Δβn)+…+(Δθi－Δβi)+…+(Δθ1－Δβ1)累计计算螺栓/螺母的积累转角，将积累转角代入动态扭矩与转角关系式T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)中，实时计算并显示积累扭矩值；

S3-2，可控扭矩冲击扳手停止施扭时，在线测量装置保持显示积累扭矩和积累转角峰值，即为可控扭矩冲击扳手本次施扭与设定值对应的积累扭矩值或积累转角值。

7.根据权利要求6所述的在作业现场对可控扭矩冲击扳手的输出扭矩进行测量的方法，其特征是：步骤S2中，用手动板杆以一定角速率平稳施扭，在线测量装置实时测量动态扭矩和转角值，得到动态扭矩与转角曲线的坐标点数据，连续计算单位时间内扭矩增量ΔT对转角增量Δα的比率k值，将k值代入通过试验建立的计算曲线与直线交点坐标的数学模型中，计算确定动态扭矩与转角曲线上A点和B点的位置坐标和贴紧扭矩Ts，采用线性回归计算在A-B段的ke值，以同一角速率重复对准备的多套工件和螺栓/螺母施扭，并对得到的多个ke和Ts进行加权均值化处理，得散差较小的ke和Ts，表示为kem和Tsm，从而得到更准确的动态扭矩与转角关系式T=Tsm+Kc*kem*(αe/360°)并保存。

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