高强度螺栓电动定扭矩拧紧扳手测控系统设计

发表于 2019-5-4 21:47

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随着我国高速铁路建设的迅速发展以及对于整体建设质量要求的提高，国家
对于各类铁路建设设备工具提出了更加严格的要求。近些年来，对部分铁路沿线
钢桥螺栓进行安全监测后发现部分螺栓出现因螺栓拧紧工具控制精度低以及可
靠性差的原因造成的超拧或欠拧甚至扭断的现象，极大的影响了整体铁路建设的
质量以及沿线火车的安全性能。因此，开发一款新型的满足实际工程所需的嵌入
式高强度螺栓拧紧扭矩扳手己经成为了我国铁路钢桥建设的一个十分迫切的需
求。
本文对螺栓拧紧方法以及国内外电动定扭矩拧紧扳手发展与现状进行了介
绍，通过分析现有扳手功能和性能的不足阐述了课题研究的意义。本文针对现有
桥梁电动拧紧扳手的不足，在深入分析新型扭矩扳手功能需求的基础上，提出了
新型钢桥高强度螺栓电动定扭矩拧紧测控系统的总体方案。
通过对新型扭矩测控系统需求资源的分析确定了以STM32F 103RET6为硬件
控制核心，并完成各个硬件控制模块的选型和分析，确定了整个测控系统硬件方
案和软件方案的设计。在确定总体方案后，通过进行硬件电路设计和软件底层驱
动以及功能程序的编写完成了项目需求的人性化的显示和提示引导界面、实时扭
矩显示模式、峰值扭矩控制模式、参数设置、静态标定和快速标定功能、时间信
息与二维码信息采集存储的功能，同时还加入了转角法辅助控制、GPRS无线数
据传输以及本地螺栓拧紧数据存储等功能，满足了项目功能实际需求。
本文采用螺栓扭矩控制误差系数补偿的方式提高了整体扭矩控制的精度。同
时，通过对不同型号建立控制误差补偿系数库实现了不同螺栓扭矩控制的快速输
出扭矩设定以及高精度定扭矩控制的功能。另外，课题通过对标准扭矩仪表工作
机理的分析与研究，提出了扭矩传感器快速标定功能，较大的减小了扭矩传感器
标定的时间和难度。最后，为了保证扭矩扳手整体功能的可靠性和安全性，针对
其中故障危险模块以及常见故障进行了故障自诊断设计以及故障容错设计以保
证扭矩扳手的可靠性。
高强度螺栓电动拧紧扳手经过实际工程测试效果良好，其完善的功能、可靠
的扭矩控制使得该扭矩扳手具有一定的使用价值和参考意义。

发表于 2019-5-4 21:48

近年来，随着我国的高速铁路基础建设水平的全面提升，高速铁路网在全国
范围内铺开，以其高速、快捷的特点越来越深远得影响着人民的日常生活。随着
高速铁路的快速建设，国内和铁路建设相关的基础设施设备以及相应的管理软件
发展却明显难以跟上高速铁路建设的发展趋势，很大程序上影响了我国高速铁路
的建设质量和效率，所以提高高速铁路建设相关施工工具性能以及开发适合国内
高速铁路建设的管理软件成为了高铁建设十分急切的需求【1,2]。在整个高速铁路
建设项目中，桥梁建设作为高速铁路建设环节中极其重要一环对建立中国高速铁
路网起到了十分重要的作用，然而如今桥梁建设工具难以满足高质量铁路桥梁建
设的需求，其中高强度螺栓拧紧工具即为桥梁建设中十分重要且急需升级开发的
一款工具[3]a
在进行铁路桥梁建设中，桥梁钢板常采用高强度螺栓副进行连接固定，其连
接副连接质量的好坏将直接影响整个桥梁的施工质量和安全性能。在施拧的过程
中，如何通过拧紧工具保证螺栓连接预紧力的精确控制是确保高强度螺栓副可靠
固定的关键，如果难以保证预紧力的控制就可能出现超拧或者欠拧的现象，超拧
现象可能会使得螺栓副发生断裂或延迟断裂这类严重问题，而欠拧可能会造成螺
栓副在受力后出现松动的情况[’，习。近年来，在对铁路沿线桥梁拧紧螺栓进行安
全监测时，发现部分拧紧螺栓实际扭矩和设定扭矩偏差较大导致出现螺栓副松动
甚至断裂的情况，迫使经过该桥梁的列车必须降速通过以保证桥梁以及车辆的安
全性，这极大地影响了整个铁路沿线的运行效率以及安全性。
随着国内铁路网的铺开以及国家对于高速铁路沿线的钢桥建设质量要求的
逐步提升，现阶段用于国内桥梁建设的主流高强度螺栓副拧紧扳手功能以及性能
特性都难以完全满足桥梁建设的建设需求，使得开发一款具有高控制精度且可靠
性较高的电动扭矩扳手辅助铁路桥梁建设成为十分重要的一项工作。

发表于 2019-5-4 21:49

螺纹连接在工程中应用十分广泛，在实际桥梁或着钢轨结构中，我们常用稳
定性能高、可靠性较好的高强度螺栓作为连接紧固螺栓。我们将在螺栓拧紧过程
中，在力矩的作用下螺栓和被拧紧的连接件之间的轴向力称为预紧力，预紧力的
大小与整个连接的紧密性和刚性有着极大关系，它对整个螺栓的所能承受的总载
荷、连接件寿命、密封性能都有着极大的影响，所以精确的预紧力控制是保证被
连接件达到设定指标性能的关键因素[C6l0
在实际螺栓拧紧现场应用中，用于螺栓拧紧的方法主要有扭矩法控制、转角
法控制、螺栓伸长量法控制拧紧以及屈服点法，下面针对这四种螺栓拧紧方法进
行简单介绍

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C3)螺栓伸长量法拧紧
螺栓伸长量控制法就是通过检测螺栓拧紧后的伸长量变化进而推出整体连
接副的预紧力大小。相对与扭矩法控制以及转角法控制，影响螺栓伸长量控制法
的因素相对更少，其影响因素仅仅只跟螺栓自身自造的材质和工艺有关，单一的
影响因素也更能精确的反映出预紧力的大小。但是，采用伸长量测试法有较大的
限定因素即必须保证螺栓在拧紧后两头均在外侧以方便进行螺栓的长度测量。在

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在二十世纪**十年代后，我国根据第二代扳手研发了一系列扳手，然而除
了拧紧范围有所扩大，控制方式、整体功能和性能依旧无较大差别，且第二代扭
矩扳手依旧是如今铁路及钢桥高强度螺栓拧紧的主要拧紧工具。
近些年来，随着螺栓拧紧扳手的功能、性能需求越来越高以及处理器和螺栓
制造工艺等相关技术水平的提高，近十几年来电动扭矩扳手技术以及相应的电动
工具企业在国内外得到了迅速的发展[ 16]。下面针对国内较为典型的电动工具公司
研发的主流电动扭矩扳手进行分析，分析如下表1-2所示。

发表于 2019-5-4 21:54

从上表中我们可以得知，国内典型企业生产的主流电动扭矩扳手整体控制精度基
本能维持在士5%，所有扳手都具备扭矩过载以及电流过载保护，其中部分产品
具备数显、扭矩预设等功能。然而，在实际使用和市场占有率中，我国国内典型
企业生产拧紧工具依然难以在高端市场占领优势地位，国内典型电动工具企业研
发螺栓拧紧工具虽然在功能和国外典型扳手一致，在控制精度也很接近，但是整
体扳手控制系统的可靠性以及在实际工程使用中控制精度的保证依然难以和国
际一流电动拧紧扳手相媲美。

另外，部分国内高校在定扭矩扳手上也有一定的研究，对于本课题的高强度
螺栓拧紧扳手开发具有较大的参考价值。其中西华大学的欧阳俊在研究大型数显
气动扭矩扳手中，利用转角进行扭矩控制，在实验室标定后得到I .76%的相对控
制精度I;7;西华大学的张胜生则研发一款地扭矩数显扳手的设计中采用了上位机，
并通过USB通信接口实现了底层数据与上位机的通信计[f181;西华大学的李金梁
应用LABVIEW作为上位机编程软件，同时扭矩扳手中也增加了无线数传功能，
利用zigbe。实现底层控制设备和上位机的无线连接[19];武汉科技大学的李晶设
计了一款基于霍尔传感器监测控制扭矩的电动扳手，处理后的扭矩信息通过数码
管进行显示，该扳手整体控制功能简单，控制精度稍低[[20]0
综上所述，国外数显扭矩扳手相对国内产品整体控制性能和可靠性要略胜一
筹，而国内桥梁现有桥梁拧紧扳手工具在功能以及性能上与国内外典型企业工具
相差较大。针对现有桥梁螺栓拧紧工具的问题和不足，通过对螺栓拧紧控制测控
系统的研究以及对实际需求的分析对现有螺栓拧紧工具进行功能扩充以及性能
优化对于我国铁路桥梁建设以及铁路建设相关工具的开发与升级具有一定的实
用价值和参考意义。

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目前国内主流桥梁螺栓拧紧扳手均采用串激电机作为电动扭矩扳手执行装
置。串激电机，有价格便宜，易启动，特性软的优点，但是该类电机转速高，惯
量大，较难实现高精度控制。在使用串激电机时，遇到负载时电机转速降低同时
通过线圈的电流增加，现有桥梁主流扭矩扳手即是通过对螺栓拧紧状态下的电流
大小以及对应施拧扭力大小进行标定，得到电流与扭矩大小的关系，进而通过对
电流输入强度的控制完成对扭矩的功能。
然而，上述方法控制虽然简单，但是却由于难以实现对电流的高精度控制以
及标定导致难以实现高精度扭矩控制。
综上，本课题放弃了原有主流扭矩扳手的电流法扭矩控制方式，采用添加扭
矩传感器和角度传感器的方法实现新型的扭矩控制方法。本文采用双重可配置螺
栓拧紧控制方式，首先通过在扭矩扳手机械结构上添加扭矩传感器，通过采集扭
矩传感器的数据并在标定后得到具体扭矩，即通过检测扭矩传感器数据实现对扭
矩的控制;其次，本课题在机械结构中贴上了霍尔传感器以实现角度检测与控制，
同时角度传感器还可以配合扭矩传感器实现定角度控制功能。

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一个精密控制设备的机械结构对于产品的整体性能有着十分重要的意义。在
分析新型扭矩扳手控制需求的基础上，与厂方共同完成了机械结构的设计工作，
以保证硬件控制测控系统能够结合可靠稳定的机械结构完成对螺栓副的精确控
制。由于项目最终选定的螺栓施拧控制方式是采用添加扭矩传感器与角度传感器，
通过和合作单位共同就整体设备机械结构进行设计定型，其整体机械结构设计示
意图如图2-1所示.

发表于 2019-5-4 22:23

该设备主要由五部分组成:电机、减速器、数显控制电路与无线模块、机身
外壳与传感器组成。项目使用电机依然采用串激电机，串激电机作为整个设备的
施拧动力源，结合减速器以及测控系统完成对螺栓副的输出扭矩控制动作;数显
控制部分为项目设计的螺栓拧紧测控板，主要负责整机测控系统的运行，显示当
前扭矩值并进行扭矩控制等工作，其外部配备的无线模块则是实现本地设备与服
务器之间的信息传输工作;传感器是指贴在轴上的电阻应变片式扭矩传感器以及
贴于机械结构中的霍尔传感器，扭矩传感器为系统提供判断扭力大小的原始数据，
霍尔传感器则为测控系统提供施拧角度信息。。

发表于 2019-5-4 22:24

合理的硬件方案是整个产品可行性的基础，优秀的硬件方案不仅能恰当的配
合软件实现产品功能且能极大的提升产品性能[24]。通过多次对系统功能需求进行
分析，对控制方案进行多次优化后，得到最终的可行性较好的硬件控制方案，最
终的螺栓拧紧测控系统硬件方案如图所示。

[STM32F1] 高强度螺栓电动定扭矩拧紧扳手测控系统设计

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