数显式力矩放大扳手测量系统的设计

　　1　前　言

　　力矩放大扳手又称加力扳手或增力扳手,是一种用于紧固或拆卸螺母的专用工具,操作人员只需施很小的力即可得到2~70倍的输出扭矩,从而便捷地完成螺栓螺母的紧固和拆卸工作。广泛应用在造船、冶金、化工、桥梁、机械等行业[1],但在使用中却存在以下问题:①在某些场合,常需精确控制紧固力矩,而机械式力矩放大扳手无法实时显示力矩数值,达不到工作要求;②很多科学实验也需要精确知道螺母拧紧或拆卸时所需的力矩大小,以进行实验分析和判断。针对上述情况,设计了力矩放大扳手数显装置,该测量系统运用基于单片机信号处理的应变式传感器原理,量程为600 Nm,经检测精度达±2%,在现场使用取得了良好效果。

　　2　测量方案的确定

　　根据客户要求,并考虑产品的后期市场开发,对数显式行星力矩放大扳手的测量系统提出如下技术性能要求:①量程范围:取决于传感器,可根据传感器量程决定(初步设计为600 Nm);②测量精度:最小灵敏度5Nm;③显示位数: 4位数字显示,单位Nm;④示值相对误差:±2%以内。

　　据以上技术性能要求,采用传统的应变片应变测量,碳刷-滑环式集流环信号输出的转矩测量方案。具体做法:在力矩倍增器转矩输出轴上适当位置粘贴测量其应变的电阻应变片,电桥引出的4根导线经过滑环、碳刷与固定在外壳上的电路板连接,滑环固定在输出轴上,碳刷固定在壳体内侧,并压紧在滑环上。4根导线中2根为供桥电源导线, 2根为电桥输出导线[2]。采用这种方案电桥的供电电源可以在固定构件(壳体)上,且接触电阻的波动很小,检测到的电信号稳定,能很好地反映应变片的电阻变化。图1为行星力矩放大扳手输出转矩测量方案示意图。

　　电阻应变片布置如图2所示。R1、R3贴在与输出轴轴线成135°方向上,R2、R4贴在与输出轴轴线成45°方向上。

　　3　测量系统总体设计

　　3.1　传感器电桥的设计

　　行星力矩放大扳手是一种便携工具,要求其力矩测量系统尽可能体积小、质量轻,而内置的传感器是最佳选择,因此定制了电桥所用应变片传感器,并采用箔式电阻应变片(KYOWA日本共和电业提供)。

　　而所使用的应变电桥采用四臂全桥接法,差动输出,用4个电阻值相同、灵敏系数相同的应变片组成桥臂。在这种传感器接法中, 2个应变电阻片位于受力压缩区,另2个应变片则处在拉伸区, 4个受力应变电阻连接成全动态惠斯登电桥的形式。测量电桥有较高的灵敏度,并能起到温度自动补偿的作用[3]。

　　图3为数显式行星力矩放大扳手力矩传感器应变电桥的接法,其中4个应变片电阻相等,即R1=R2=R3=R4=R=350Ω。