胡凱，王杰，楊雨春

基于沖擊次數(shù)的電動沖擊扳手扭矩控制研究

胡凱，王杰*，楊雨春

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

針對電動沖擊扳手在緊固過程中扭矩難以測量以及實現(xiàn)精確控制的問題，提出利用測量沖擊次數(shù)來實現(xiàn)定扭矩控制的控制方法。首先，建立沖擊次數(shù)與螺栓受壓數(shù)據(jù)采集平臺，采集每次沖擊過程中的螺栓受壓情況，并將采集數(shù)據(jù)進行小波閾值去噪處理。然后，將處理后的數(shù)據(jù)通過經驗公式轉化成扭矩值，將每次沖擊后得到的扭矩值進行逐個對應，建立非線性關系模型。最后，設計控制系統(tǒng)實現(xiàn)定扭矩控制，并通過實驗平臺驗證扭矩控制精度。實驗表明，可以通過采集扭矩的沖擊次數(shù)來實現(xiàn)定扭矩控制，并且控制誤差在1%以內，控制精度隨著扭矩的增大而變小。由此實現(xiàn)了電動沖擊扳手定扭矩控制。

電動沖擊扳手；沖擊測試；扭矩控制；非線性關系

電動沖擊扳手以其高效、操作方便和能耗低等優(yōu)點，在施工過程中發(fā)揮著重要作用。電動沖擊扳手作為螺栓緊固或拆卸的重要工具，其輸出扭矩的準確度、工作效率和穩(wěn)定性一直是重要研究課題。尤其螺栓的松緊更是關系到緊固機構的穩(wěn)定性和安全性，既要避免扭矩過大造成螺栓形變進而損壞，又要避免扭矩過小造成螺栓松動脫落[1]。電動沖擊扳手要實現(xiàn)定扭矩控制，不僅需考慮扳手沖擊過程的復雜性，還需增強測量的準確性，因此，需要設計出合理有效的方法來實現(xiàn)扳手控制及扭矩測量。

L. Ken Lauderbaugh Saunders等[2]使用測功機來實現(xiàn)大沖擊扭矩的測量系統(tǒng)，但由于扭矩的脈沖特性，導致需要參數(shù)估計及重建模型，而測量系統(tǒng)的非線性和對自由振動模型的假設限制了重建模型的準確性。Anatoliy Drozdov[3]研究了沖擊扳手在特定螺紋連接和固定螺栓模式下扭轉特性的理論和經驗方法，可以間接確定生產條件下的單次沖擊能量。Paul Wallace[4]對沖擊扳手緊固的幾個螺栓進行動態(tài)測量，利用沖擊錘和螺栓的特性，計算出沖擊過程中的能量消耗情況，得到螺栓的擰緊扭矩與沖擊錘的回彈角度和電機傳遞過程中能量轉化密切相關。Georg Wegener等[5]研究了估計扭矩不確定度的方法，說明了溫度效應、寄生載荷、轉速等對扭矩測量的影響，對降低不確定性提供了建議。馬亮[1]針對沖擊扳手在緊固螺栓時存在輸出轉矩較大的問題，提出一種通過控制電流參數(shù)來控制電動扳手扭矩的控制策略，實現(xiàn)控制誤差小于4%，提高了沖擊扳手控制系統(tǒng)的精確性和魯棒性。李葉青[6]設計了一款通過控制電機電流來控制扭矩的電動沖擊扳手，通過調試校準，達到了在輸出范圍800～3200 N·m扭矩誤差低于3%的要求。

通過上述文獻可以看出，當前研究中對扭矩測量平臺的扭矩測量精度不足，而且實現(xiàn)定扭矩控制的誤差較大。因此，要想研制一套扭矩顯示誤差小且成本低的電動扳手，一方面，需要排除實驗過程中存在的誤差，減小測量過程中的誤差，增強數(shù)據(jù)的準確度；另一方面，要設計出成本較低、測量誤差小的電動扳手測量系統(tǒng)的顯示方案。因此，本文主要對扭矩測量策略進行改進，增強扭矩的測量精度，設計扭矩顯示方案，實現(xiàn)定扭矩控制。

1 工作原理

電動沖擊扳手的工作原理是利用周期性的儲能并釋放電機產生的旋轉動能，將釋放的動能通過沖擊過程傳遞到螺栓上，從而連續(xù)產生大扭矩的沖擊。由于在沖擊的一瞬間會輸出一個較大的扭矩，但很快會衰減，并等待下次沖擊，所以緊固件最終得到的殘余扭矩是一個累計扭矩。電動沖擊扳手主要由驅動電機、行星減速器、沖擊機構三部分組成[7]，其中驅動電機為扳手的運轉提供旋轉動能，行星減速器通過計算提供合適的傳動比，沖擊機構主要分為主動部分和從動部分，主動部分主要由主動塊、扭簧、主軸，從動部分由從動塊、套筒組成[1,8]。如圖1所示。

圖1 電動沖擊扳手內部結構示意圖

電動沖擊扳手電機旋轉產生的旋轉動能，經過行星減速器轉化成帶動主動塊旋轉的動能，由于緊固件在擰緊過程中受到摩擦力等的作用導致主動塊凸肩帶動從動塊運動，當扭簧壓縮到一定程度時釋放勢能，主動塊撞擊從動塊，從而產生沖擊扭矩，扭矩再通過套筒傳遞到螺栓或螺母上，從而使螺栓或螺母旋轉到一定角度，再通過重復的循環(huán)往復運動，每撞擊一次，往螺栓或者螺母上累計扭矩值一次，直至達到目標扭矩或完成裝卸的任務[1,9]。

2 試驗裝置和試驗方法

2.1 試驗裝置

電動沖擊扳手扭矩和螺栓受壓特性試驗設備構成、試驗裝置如圖2、圖3所示。該試驗發(fā)生裝置采用一款鐵路單頭鋰電沖擊式扳手，主要為試驗裝置擰緊螺栓以及提供大沖擊扭矩。在主動塊外部外殼安裝接近開關，插入面與外殼內面平齊，避免沖擊塊在沖擊過程造成碰撞損壞，用于測量電動沖擊扳手沖擊次數(shù)計數(shù)。接近開關的主要參數(shù)如表1所示[10]。

圖2 試驗設備構成示意圖

圖3 電動沖擊扳手扭矩和螺栓受壓特性試驗裝置

表1 接近開關主要性能參數(shù)

螺栓受壓試驗裝置主要是由螺栓、長立板、夾板、固定底板、壓力傳感器等部件組成。長立板上設有M24螺栓的螺紋孔，壓力傳感器選用中皖金諾輪輻式稱重壓力傳感器，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 壓力傳感器主要性能參數(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由NI USB-6210數(shù)據(jù)采集卡與信號處理放大模塊組成。壓力傳感器輸出的信號值為0～200 mV，導致噪聲可能掩蓋原有數(shù)據(jù)信號，故使用單通道模擬量變送器BSQ-3傳感器信號放大器轉化器，將0～200 mV電壓信號放大到0～10 V電壓信號。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要使用NIDAQExpress軟件進行數(shù)據(jù)采集及處理。

2.2 試驗方法

2.2.1 螺栓受壓試驗

由于在扳手扭矩輸出端測量扭矩值過于復雜且準確度難以保證，因此通過研究沖擊過程中螺栓的受壓情況來得到扭矩值。通過長立板和夾板之間加上壓力傳感器，得到電動沖擊扳手對螺栓進行擰緊的過程中，螺栓施加在軸向的力，通過受力分析得到測量的壓力值，即為螺栓的預緊力。有經驗公式：

＝（1）

式中：為螺栓所受到的扭矩值；為預緊力；為螺紋的公稱直徑；為擰緊力系數(shù)，由于螺栓處于一般加工表面且無潤滑狀態(tài)，取0.2[11]。

根據(jù)式（1）即可通過測量到的壓力值得到輸出的扭矩值。

2.2.2 沖擊扳手沖擊次數(shù)測試

通過電動沖擊扳手原理分析，螺栓得到的扭矩值是一個不斷沖擊后的累計值，因此將接近開關安裝在主動塊的外殼上，通過金屬檢測來測量主動塊沖擊次數(shù)。通過接近開關次數(shù)的累計與扳手扭矩的同步測量，可以得到每次沖擊后扳手的扭矩值，進而可得到沖擊次數(shù)與扭矩值之間的非線性關系。

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來讀取采集到的電壓信號數(shù)值，其中擰緊螺栓選用M24的螺栓，設置信號采集系統(tǒng)的采樣頻率為20 kHz，采樣時間1.5 s，上位機采集到的壓力傳感器信號和接近開關信號如圖4所示。

圖4 信號采集系統(tǒng)采集到的信號

由圖4可以看出，在0～0.05 s，扳手啟動但未轉動，螺栓受到的壓力值為0。在0.05時刻扳手開始轉動，在恒定功率下，扳手開始給螺栓施加沖擊扭矩，每次檢測到的接近開關電壓值下降，螺栓所受壓力值即扭矩值同步上升，且由于沖擊過程中扳手給予螺栓振動導致了壓力傳感器數(shù)值波動明顯增大，每次沖擊后螺栓所受壓力值逐級遞增；每次沖擊后，由于螺栓擰緊導致的反摩擦阻力明顯增強，導致壓力每次的增加量減小。在1 s后由于螺栓所受摩擦力較大，每次沖擊后扭矩增加值明顯降低，螺栓所受的壓力值趨于平穩(wěn)，多次沖擊后可將螺栓徹底擰死。

由于壓力傳感器在采集信號的過程中受到扳手施加扭矩造成的振動以及噪音等因素的影響，導致采集到的壓力信號出現(xiàn)突起、波動較大等現(xiàn)象，為了得到更加準確的數(shù)據(jù)模型，通過小波閾值去噪的方式進行降噪處理。將信號經過小波分解后，選取合適的閾值，去除掉無用信號，增強有用信號，降噪前后的信號對比如圖5所示[12]。降噪后的信號既保留了原有的信號特征，又對數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，為下一步數(shù)據(jù)選取提供了更好的數(shù)據(jù)支撐。

3 輸出扭矩與沖擊頻率關系的建模

由圖4可以判斷出沖擊次數(shù)與輸出扭矩存在非線性關系。先將小波降噪處理后的壓力傳感器數(shù)據(jù)通過式（1）轉化成當前螺栓所受到的扭矩值，再將得到的扭矩值與沖擊次數(shù)在時域范圍內一一對應，選取接近開關信號的下降沿信號作為讀取次數(shù)，與其對應時刻的扭矩值進行均值處理，得到一個有效準確的數(shù)據(jù)點。根據(jù)采集到的沖擊次數(shù)，可以讀取到38組同一時刻所對應的接近開關次數(shù)與輸出扭矩的數(shù)據(jù)點。通過對數(shù)據(jù)點依次讀取，得到數(shù)學模型如圖6所示?？梢钥闯?，沖擊12次以前，扭矩值增加顯著；12次以后，由于所受到的摩擦阻力逐漸變大，導致沖擊增加的扭矩增值逐漸變小，直到最后由于摩擦阻力過大，提供的動力無法擰動螺栓，扭矩值不再增加。

圖5 壓力傳感器數(shù)據(jù)放大及濾波結果對比圖

圖6 沖擊次數(shù)與輸出扭矩的擬合結果圖

4 實驗驗證

根據(jù)電動沖擊扳手控制系統(tǒng)需求，制作單片機控制板控制電動沖擊扳手扭矩輸出，進行驗證，如圖7所示。選用STM32F103RCT6主控芯片對接近開關信號進行讀取，一旦達到設定閾值能輸出控制信號實現(xiàn)電機的運轉控制。

在原有實驗平臺基礎上，將接近開關的接口安裝到扳手上，將得到的扳手沖擊次數(shù)與輸出扭矩之間的非線性數(shù)學模型輸入到程序中，并對扳手的運轉實現(xiàn)控制。繼續(xù)采集壓力傳感器信號測試數(shù)值。通過按鍵接口設定10組不同的扭矩期望數(shù)值，每組進行10次測量數(shù)據(jù)，取10次測量的壓力傳感器的均值作為扭矩實測的論證數(shù)據(jù)。實驗一共測得10組不同的扭矩期望數(shù)值下的壓力傳感器數(shù)值，部分實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

圖7 電動沖擊扳手控制系統(tǒng)試驗圖

表3 扭矩設定值與實測值

由表3可以看出，可以通過接近開關檢測沖擊次數(shù)的方法來實現(xiàn)定扭矩的控制。在通過按鍵設定好預設值之后，對螺栓進行緊固，一旦達到預設值，就能控制扳手電機停止轉動。通過預設扭矩值和實測扭矩值對比發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)在對輸出大扭矩控制的情況下，相對誤差在1%以內，且預設值越大控制的精度越高。最終表明，可以通過控制沖擊次數(shù)來實現(xiàn)扳手的定扭矩控制。

5 結論

本文對電動沖擊扳手在沖擊過程中扭矩難以測量且難以控制的問題，提出基于沖擊次數(shù)控制的電動沖擊扳手定扭矩控制方法。通過對沖擊次數(shù)和螺栓所受壓力值的測量，并對螺栓所受壓力值進行小波閾值去噪方式進行數(shù)據(jù)處理，再由經驗公式換算得到實際扭矩值。對每次沖擊后的扭矩值進行數(shù)據(jù)選取，建立沖擊次數(shù)與扭矩的非線性模型。制作電動沖擊扳手控制系統(tǒng)對扭矩輸出進行控制，將數(shù)學模型寫入控制程序中，通過讀取沖擊次數(shù)得到預測的扭矩值，一旦達到閾值就停止驅動電機運轉以達到控制的目的。最終，通過實驗驗證表明，在對輸出大扭矩控制的情況下誤差小于1%，實現(xiàn)了對電動沖擊扳手的大扭矩定扭矩控制。

[1]馬亮. 定扭矩電動沖擊扳手控制系統(tǒng)研究[D]. 合肥：安徽大學，2021.

[2]Saunders L K L，Vahdati N. Measurement of a large impulse torque including measurand reconstruction[J]. ISA Transactions，1999，38（4）：311-321.

[3]Drozdov A. Theoretical and empirical methods of estimating energy and force characteristics of impact wrenches[C]. E3S Web of Conferences，2019.

[4]Paul，Wallace. Energy, Torque, and Dynamics in Impact Wrench Tightening[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering，2015，137（2）：24503.

[5]A G W，Jürgen Andrae b. Measurement uncertainty of torque measurements with rotating torque transducers in power test stands[J]. Measurement，2007，40（7-8）：803-810.

[6]李葉青. 便攜式數(shù)控定扭矩扳手控制器的研究與開發(fā)[D]. 合肥：安徽大學，2018.

[7]馮小軍. 電動沖擊扳手沖擊機構運動學分析和仿真試驗研究[D]. 上海：上海交通大學，2016.

[8]楊闖，王典，沈治國，等. 電動沖擊扳手扭矩仿真分析研究[J]. 電動工具，2016（2）：1-5.

[9]曾國華. 可控扭矩電動扳手的設計[J]. 工具技術，2002（5）：15-17.

[10]李莎，張長富. 沖擊扭矩實驗裝置結構設計[J]. 內燃機與配件，2020（23）：12-13.

[11]李偉，張立鴻，閆鵬. 數(shù)據(jù)采集同步性與采樣速率對螺栓連接副扭矩系數(shù)測量影響研究[J]. 機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2021，34（6）：160-163.

[12]藺夢雄，王爽，韋克吉，等. 階次跟蹤與改進小波閾值降噪的RV減速器故障診斷[J]. 制造技術與機床，2022，725（11）：9-14.

Research on Torque Control of Electric Impact Wrench Based on the Number of Impacts

HU Kai，WANG Jie，YANG Yuchun

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Aiming at the problem that it is difficult to measure the torque and realize the precise control during the tightening process of electric impact wrench, a control method to realize the fixed torque control by measuring the number of impacts is proposed. Firstly, a data collection platform for the number of impacts and bolt pressure is established, the bolt pressure during each impact process is collected, and the wavelet threshold denoising of the collected data is conducted. Then, the processed data is converted into torque value through the empirical formula, and a nonlinear model is established corresponded to the torque value obtained after each impact. Finally, the control system is designed to realize the fixed torque control, and the torque control accuracy is verified by the experimental platform. The experiments show that the fixed torque control can be realized by collecting the number of the impacts of the torque, and the control error is within 1%, and the control accuracy decreases with the increase of the torque, which realizes the fixed torque control of the electric impact wrench.

electric impact wrench；impact test；torque control；nonlinear relationship

TH13

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.003

1006-0316 (2023) 12-0015-05

2023-08-04

胡凱（1995－），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，主要研究方向為機械結構設計，E-mail：2438955391@qq.com。

通訊作者：王杰（1964－），男，四川成都人，博士研究生，教授，主要研究方向為計算機輔助設計與制造等，E-mail：wangjie@scu.edu.cn。