（机械工程专业论文）低扭矩数显板手的研制.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 数显扭矩扳手是基于微处理器的智能仪器，作为一种螺栓或螺母紧固工具，在需要 紧固件的场合，尤其是在对扭矩要求较高的设备中，起着重要的作用。该扳手具备量具 功能并能精确地显示输出扭矩值，在市场上具有广阔的应用前景。 本课题采用电阻应变式扭矩传感器，采集扭矩变化时产生的微弱信号，经过信号调 理电路对信号进行放大、滤波和去除干扰，由高精度模数转换器处理扭矩信号后送至单 片机p 8 9 l p c 9 3 2 ，再调用a d 转换子程序计算出相应的扭矩值，然后把具体的扭矩值 送到l c d 显示屏中，将数扭矩值精确的显示出来。如果测得的扭矩值达到或超过规定 的扭矩值时，则扳手发出声光报警进行提示。 在数显扳手的硬件电路中，采用了大容量锂离子电池做电源，可以用u s b 接口直 接对其充电，在充电过程中可以显示充电电量，还具有充电保护电路。对于应变式电桥、 信号放大电路、a d 转换器和单片机等电路，采用统一的稳压电源供电，在一定程度上 减少了电压变化影响。为了减少扳手硬件电路的体积、延长使用时间和提高测量精度， 选择体积小、功耗低和精度高的元件。另外，扳手还具有低压提示，声光报警装置和自 动关机功能。 本数显扳手具有跟踪和峰值保持两种工作模式，有牛米、磅英尺和磅英寸三种常用 的工程单位，可以根据需要通过键盘进行设定。在扳手存储器中，可以存储4 0 0 0 个扭 矩值，为了方便记录和查看相应的扭矩值参数，还设计了数显扭矩扳手数据管理系统， 利于提高生产效率。最后，对数显扳手进行了测量实验，结果表明各项性能均达到了设 计要求。 关键词：数显扭矩扳手；电阻应变式传感器；单片机；c ；测量实验 低扭矩数显扳手的研制 a b s t r a c t a sab o l to rn u tt i g h t e n i n gt o o l ，m ed i g i t a ld i s p l a yt o r q u ew r e n c hb 2 l s e do nm c ui sa k i n d o fi n t e l l i g e n ti 1 1 s 仇肋e n t s i tp l a y s 觚i m p o r t a n tr o l ei 1 1t l l e f 如t e l l i n go c c a s i o n s ， p a n i c u l a r l y ，i 1 1t 1 1 ee q u i p m e n t sd e m a i l d i n g1 1 i 曲e rt o r q u e i tc 趾a c c u r a t e l ym e a s u r e 孤d d i s p l a yt l l eo 呻u tt o r q u e ，a n d 谢uh a v eab r o a d 印p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h em a r k e t i i ln l ep 印e r ，ar e s i s t a n c es 位d ng a u g et o r q u es e n s o ri su s e d ，t 1 1 ew e a ks i g n a 】w h e nt h e t o r q u ec h a l l g e si sc o l l e c t e d a 氕e r 锄p l i f y i i l g ，f i l t e r i n ga n dr e m o v i n go fi n t e r f e r e n c ew i t h s i g n a lc o n d i t i 0 i l i n gc i r c u i t 巧，m et o r q u es i g i l a l i ss e n t t ot l l em c up 8 9 l p c 9 3 2b y l l i 曲一p r e c i s i o na n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e n e rh a n d l e d ，觚dt l l e n i tc a l lt 1 1 ea dc o n v e r s i o n s u b r o u t i n et 0c a l c u l a t et l l et o r q u ev a l u e a tl 嬲tt l l et o r q u ev a l u ei ss e n tt ot 1 1 el c dd i s p l a y a i l dp r e c i s e l yd i s p l a y e d i ft 1 1 em e a s u r e dt o r q u ev a l u e sm e e to re x c e e dt l l es p e c i n e dt o r q u e v a l u e t h e 、v r e n c hw i l ls e n do u ta u d i b l ea n dv i s u a la l a n n i nt l l ew r e n c hl l a t d w a r ec i r c u i t ，al a r g e c a p a c i t ) ，l i - i o nb a _ c t e r yi su s e da st h ep o w e rt h a t c o u l db ed i r e c t l yc h a 唱e dw i t hm eu s bi i l t e d a c e d u r i n gm ec h a r g i n gp r o c e s si tc a nd i s p l a y t l l ec h a r g i n gc 印a c i 哆，a n dac h a r g i n gp r o t e c t i n gc i r c u i ti sd e s i g n e df o ri t t h ec i r c u i ta d o p t s u i l i f o 册s t a b i l i z e dv o l t a g ep o w e ri 1 1s 仃a i ng a u g eb r i d g e ，as i g n a la m p l i 黟i n gc i r c u i t ，a d c o n v e n e ra i l dm c ua i l ds oo n ，w 1 1 i c hr e d u c e st h ei m p a c to fm ec h a n g i n gi nv o l t a g et oa c e r t a me x t e n t i no r d e rt 0m a k et h eh a r d w a r ec i r c u i ts m a l l e r ，e x t e n dt l l eu s i n gt i m ea i l d i i n p r o v et l l em e a s u r i n gp r e c i s i o n ，廿l ec o m p o n e n t s 、i 也s m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n a 1 1 dl l i g hp r e c i s i o na r es e l e c t e d i i la d d i t i o 玛吐l ew r e n c ha l s ol l a sl o wp o w e rp r o m p t ，as o u n d a r l dl i g t l ta l 锄d e v i c ea n dc a ns h md o w na u t o m a t i c a l l y n l ed i g i t a lw e n c hh a s 附。啪r k 堍m o d e s ：仃a c k i n g 锄dm ep e a kh o l d w i m 缸e ek i n d s o fc o m m o ne n 舀n e e r i n gu i l i t s ：n m ，l b ra n d1 b i i l ，i tc a nb es e tb yk e y b o a r da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t s f o l l rt l l o u s a n do ft o r q u ev a l u ec a nb es t o r e di nm ew r e n c h sm e m o 叮，t l l e d i g i t a lt o r q u ew r e n c hd a t am a n a g e m e n ts y s t e mw a sd e s 远n e di 1 1o r d e rt or e c o r d 硼l dv i e wm e p a r 锄e t e r sf o rn l et o r q u ev a l u e sc o i e 1 1 i e n t l yw t l i c h c a i li m p r o v ep r o d u c t i o ne f ! e i c i e n c y f i m l l y ，t l l r o u 曲d o i i 塔m e a s 血n ge x p e r i m e m so nm ed i g i t a lw r e n c h e s ，m er e s u l t ss h o wm a t a l lp r o p e n i e sh a v e 陀a c h e d l ed e s i g i lr e q u i r e m e n t s k e ”阳r d s ：d 酒t a lt o r q u ew r c n c h ；r e s i s t a n c e s 缸a i n t ) ，p es e n s o r ；m c u ；m f c ； m e a s u r e m e me x p e r i m e n t 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究意义 在设备维护和加工组装行业中，有各种各样的螺母或螺钉需要紧固，让机械设备正 常使用，这就离不开扭矩扳手这一重要工具。尤其在一些对联接要求较高的设备中，像 压缩机、运载火箭、航天飞机、压力容器等，如果联接不安全可靠，就会造成严重事故， 如果所加的扭矩过大，就可能造成螺栓的过度变形甚至是损坏，在生产中，很多重大事 故也是由于螺栓的连接不可靠引起的，所以要非常严格的要求新设备有关安装和检修螺 栓紧固力的规范，这些人工方法是很难满足要求的。为了保证连接可靠和延长螺栓的工 作和使用寿命，如果采用一种可以显示扭矩或者控制扭矩的扳手，以上问题就可以大大 减少。在国外，为了保证能设备可靠地工作，在一些重要的设备上，他们配备了专用的 数显扭矩扳手，这样可以定量的控制扭矩值，保证设备的有效联接。我国也根据这样的 生产经验，生产设计了基于微控制器的可以显示不同扭矩单位的扳手，还可以根据需要 设定扭矩，这样控制准确、简单方便，又同时保证了正常生产和产品的质量，在生产中 提高了效率。 1 2 数显扭矩扳手的国内外研究现状 扭矩扳手在生产中地位不言而喻，各个国家都对可显示扭矩的扳手做了不同程度的 研究。尤其是近年来所使用的扭矩扳手种类较多，有机械式的，其价格低廉、坚固耐用， 可是力矩指示精度一般只有3 5 左右；有力矩放大式的【l j ，包括气动的、液压的、 电动的，能输出较大的力矩，一般能输出数千牛米的力矩，甚至能输出上万牛米的力矩， 使用在需要紧固力矩又较大场合，随着科学技术的日新月异，人们运用电子技术、传感 器技术、材料科学、微控制器技术以及高级计算机编程语言，人们根据实际生产研制出 了基于单片机控制，并带有实时显示功能的数显扭矩扳手。 在国外数显扭矩扳手已经应用非常广泛1 2 j ，典型生产厂家有法国的f a c o m ，该公 司生产的j 系列数显扭力扳手，扭力范围比较广，可以测得o 2 8 朋( 精度为0 0 1n m ) 和o 3 4 0 朋( 精度为0 1 n m ) 。仅有士1 测量误差范围，可以切换三种扭矩单位磅英 尺、磅英寸和牛米( 1 b f t ，l b i n 和n m ) ；当实际数值达到设定扭矩值时，能够发出声音报 警；使用9 v 电池供电，另外，可以峰值保持和存储扭矩值的功能。 c d ，印“f d 叼，1 数显扭矩扳手是由美国c 讲公司生产的，可以储存4 0 0 0 个扭矩值，当 存储的数值达到满存时候，扳手会发出专有声音提示存储已满，需要另存数据或者删除 记录。扳手所测得数据，可以通过串口直接传到打印机打印或着上位机数据库中存储。 低扭矩数显扳手的研制 在峰在峰值保持模式下，测量十分精确，在国际上具有领先水平。通过c d 显示和按 键联合操作，可以预设扭矩值，测量范围从5 1 3 5 5 n 皿。在2 0 1 0 0 量程范围内，测 量精度达到1 ，当超出扳手扭矩范围时，扳手会产生声光报警，并显示测量结束提示。 d 阳乃以公司生产的e 孵系列的数显扭力扳手，该系列扭矩测量范围由1 1 0 册到 1 0 0 1 0 0 0 朋不等，设计了可以顺时针和逆时针扳手棘轮头，可以根据需要进行方向 切换，具有4 5 个棘轮齿。扳手的基本功能有：多种扭力单位选择；大屏三c d 显示和屏 幕背景灯，可以光线较暗的环境使用；多级菜单操作模式；具有声光报警；可以自动复 位；有校验周期提示；在满量程的l o 1 0 0 时，精度等级2 ；起始读数为量程最 大值的2 ；使用可充电电池，具有较长工作的时间；具有节省电模式。 德国g e d d 肛集团生产的数显扭力扳手种类繁多，在各方面性能都比较优越。使 用和测量范围都比较广，其产品主要有以下几个级别：2 2 5 n m ，1 0 1 5 0 n 皿， 3 0 一3 0 0 n m ，l o 肚8 0 0 n m ，测量误差范围是士l 。 在国内，数显扳手的生产技术也不断提高，陕西恒瑞测控系统有限公司主要生产有 生产有d 册系列数显扭矩扳手、册系列扭矩倍增器、g 彤系列指针式扭矩扳手、儿s 系列数显推拉力计、推拉力计测试仪等各种扭矩工具，并且通过国际标准化组织 9 0 0 1 2 0 0 0 认证。其扳手数字显示紧固力矩值比较准确，性能比较稳定，经久耐用，低 功耗，使用方便。在功能上，有三种工作模式：实时跟踪模式，峰值保持模式，预置报 警模式；有三种单位转换：磅尺、磅英寸、牛米。另外还有，低压显示充电或更换电池 和自动关机节约用电等功能。 在国内，还有很多数显扭矩扳手的厂家和单位，如上海测力设备有限公司、苏州市 如山鼎五金机械有限公司、上海市工具工业研究所和陕西西北扭矩工具制造有限公司 等，他们生产的扳手各有特色，在某些程度程度上，已达到了国际先进水平。总的来说 国内数显扭矩扳手的主要功能有以下几个特点：具有预置模式、声光报警、三c d 显示， 有4 种测量单位：牛米，磅英寸，磅英尺，千克力米；可储存4 0 0 0 个测量数据，有的可 以通过雕2 3 2 串口与上位机连接，将测量数据送到打印机或计算机数据库中存储；可以 顺时针和逆时针使用；具有峰值模式和实时跟踪模式；允许过载1 2 0 ；扭矩扳手不使 用时3 5m i n 后自动关机；电池电压低压报警；扳手可使用温度范围一1 0 6 0 0 c ；扳手 的测量范围有：o 一3 0 n m ；o 1 3 0 n m ；o 3 4 0 n m ；0 l o o o n m 。 1 3 数显扳手的课题来源与设计要求 本课题来源于校企合作项目，根据企业要求研制数显扭矩扳手。 本课题的目的是设计一款具有扭矩传感器测量精确、数字显示、具有声光报警、自 动关机、低功耗、使用方便的扭矩扳手，采用电阻应变式压力传感器测量扭转力矩的大 西华大学硕士学位论文 小，解决微弱电压或电流的精确转换、扭矩显示以及正负号的显示和数据的处理以及上 位机界面设计问题。 1 本数显扭矩扳手具体研制的主要内容如下： ( 1 ) 电阻应变式扭矩传感器的研究，包括电阻应变式扭矩传感器的工作原理和传 感器输出的微弱信号处理以及粘贴和补偿； ( 2 ) 数显扭矩扳手的工作模式切换以及常用力矩单位的转换，工作模式包括峰值 模式和跟踪模式，力矩单位包括牛米，磅英寸和磅英尺； ( 3 ) 扭矩扳手硬件电路设计，包括嬲口充电和通信电路、一键开关机电路、电源 稳压电路以及自动关机电路、传感器信号转换电路和单片机外围的电路设计电路； ( 4 ) 数显扭矩扳手测量数据存储和上位机界面的设计； ( 5 ) 制作出数显扭矩扳手模型，进行实验及结果分析。 2 主要解决的问题： ( 1 ) 使用新型锂离子电池供电，给电池加保护，对酗沼充电和通信电路以及电池 电量显示电路设计，充电、使用方便； ( 2 ) 电阻应变式电桥弱信号的放大、转换、补偿与计算以及系统误差分析； ( 3 ) 数显扳手基于m f c 的上位机界面( 即数显扭矩扳手数据管理系统) 的设计。 3 、根据企业的要求，考虑到数显扭矩扳手的市场开发和应用，按照国家标准扭 力扳手通用技术条件的规定1 3 j ，对数显扭矩扳手提出以下技术性能要求： ( 1 ) 测量范围：o 2 0 n m ( 2 ) 精度等级：数显的精度为1 ； ( 3 ) 使用螺纹范围：m 5 m 2 4 ( 4 ) 结构要求：扳手可以顺时针和逆时针方向工作，对棘轮参数进行选择，根据 螺母的尺寸选配合适的套筒，扳手的输出轴( 方榫) 要与套筒头联接可靠： ( 5 ) l c d 液晶显示，包含正负号，五位扭矩数值显示； ( 6 ) 具有声光报警、跟踪峰值模式、欠压提示、自动关机功能； ( 7 ) 还要求能通过u s b 转串口跟p c 机进行通讯方式，把每次测量的峰值上传到 上位机的数据库； ( 8 ) 采用可充电的新型锂离子电池，通过u s b 口进行充电，使用方便。 全文共分五章，其结构安排如下： 第一章绪论：叙述了选题背景，分析了设计本数显扭矩扳手的研制意义和必要性； 第二章扳手机械机构设计：对数显扭矩扳手的结构作了总体介绍。对扳手的力臂 作了受力分析，介绍了棘轮参数的计算思路，也对整体框架作了必要的分析： 低扭矩数显扳手的研制 第三章系统硬件电路设计：分别介绍了系统硬件电路各个部分的组成，对各个芯 片的参数以及电路功能作了相应的说明，并对u s b 充电电路和应变式传感器电路作了 详细的分析； 第四章系统软件设计：介绍了软件各部分的设计方法，分析了数字滤波算法，对 系统的主要功能以及键盘扫描程序流程详细的说明。对基于姗c 的上位机界面作了相 应的介绍，并给出了主要界面的功能说明； 第五章扳手的实验验证：对作出的扳手模型进行了测量实验，对测量的数据进行 了相应处理和误差分析。 西华大学硕士学位论文 2 扳手机械结构设计 本低扭矩数显扳手的机械结构设计包括：手柄、力臂、棘轮以及扳手头部套筒所 组合而成，套筒是由一系列规格的带六角孔或十二角孔的套筒头组成，适用于拧转 地方十分狭小或凹陷很深处的螺栓或螺母。数显扳手在工作时，能显示出所施加的 扭矩或力矩；当施加的扭矩到达规定扭矩大小后，会发出红光或报警声等信息。本数 显扭矩扳手适用于对扭矩大小有明确地规定的装配工作，结构设计要求如下： 1 、在扳手的手柄处，标有握持刻度线，使测量更加精确： 2 、数字显示扭矩，可顺时针和逆时针工作； 3 、达到预定扭矩值或最大值时，发出清晰的蜂鸣报警，并且发出红色的警示 光； 4 、扳手长度：3 0 0 m m ； 5 、最小刻度间隔o 0 1 n 皿； 6 、扭力范围0 2 0 n m ； 2 1 扳手的结构设计 根据数显扭矩扳手的设计【4 】要求，对扳手要求整体协调统一，对手柄、力臂、棘 轮和套筒的参数进行分析。 手柄是使用者对扳手的握持部位，同时也影响到作用力的部位和扳手使用的精 度。本设计的扳手的手柄是根据人体工程学优化设计的，让使用者感觉舒适，在手柄 上标有效长线，让扳手使用更加直观，让测量更加精确。 在扳手使用时，也应该注意到加力的方向应该与扭力扳手成直角( 充许士1 5 0 ) 上 下左右应在士1 5 。以内，如图2 1 所示。 上 、 籍一二f隈卜一+ 昔枵一h 一_ 木一一 - 一 lj，i 图2 1 扳手施力角度范围 f i g u r e2 1t h es c o p eo ft h ea n g l ew r e n c hf o re x e n i n gp r e s s u r e 低扭矩数显扳手的研制 力臂是数显扳手的关键部件之一，其长度直接影响到力矩的大小。在外力的作用 下，力臂将产生变形，臂内横截面变形后仍保持平面，只是绕某一个轴为圆心转动了 某一个角度，这样与力的作用方向同向的面臂内纤维缩短，相反的面臂内纤维拉长， 在力臂中，我们把既不被缩短也不被伸长的一层称为中性层。如图2 2 所示，选取微 段臂出，研究距离中性层为j ，的任一根纵向纤维q 、口：在弯曲之后的变形，其纵向应 变为： = y f pq u 其中p 为中性层的曲率半径。 l _ r l l ： 厂一 j 口 1 一 1 j ， 图2 2 材料中性层示意图 f i g u r e2 2m a t e r i a ln e u t r a ll a y e rd i a g 阳m 因为扳手力臂纵向纤维只受压缩或拉伸方向力的作用，因此，在弹性范围内满 足胡克定律，由此可知： 盯= e 占= e 二乙 ( 2 2 ) 1 ， p ( 2 2 ) 式中仃为力臂的横截面上各点的正应力，其与到中性轴的距离j ，成正比。 设对称轴y 轴，表示臂截面的纵向，中性轴为z 轴，根据右手系规则可以到x 轴， 设在横截面上的力有微内力。幽组成，且垂直于截面，根据力的分解原理可得以下三 个静力关系： = 肛= o m y = p 。幽= o 尬= 工删= o 将( 2 2 ) 式代入( 2 5 ) 式可以得到： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 西华大学硕士学位论文 胞= 【y d 幽= 兰【y 2 幽 ( 2 6 ) 在( 2 6 ) 式中，i y 2 钡= ，：是截面对z 轴的惯性矩，由此可知： ：等 ( 2 7 ) 一= 一 l ，l pe i 、。 ( 2 7 ) 式即是悬臂梁的曲率公式。有此式可知，如果弯矩m 越大，则梁的曲率就越 大，表示悬臂梁弯的易弯曲：如果日越大，则曲率就越小，表示悬臂梁的刚度比较 大，不容易弯曲，说明梁抵抗弯曲变形能力比较强。把( 2 7 ) 式代入( 2 2 ) 式可得： 口：警 ( 2 8 )口= 二 l 厶6j i 。 ( 2 8 ) 式表明，在梁横截面上，任意点的弯曲正应力，与它的的弯矩协成正比； 与该截面对中心轴的惯性矩，成反比。可知中性轴上的正应力为零，在截面边缘的应 力最大为： 盯一= m ：哆 ( 2 9 ) 其中矿：三- 为抗弯截面模量。设高为办宽为6 ，得到截面为形：丝，设直径为 + y 一 6 d ，则圆截面为耽：丛鱼：丝。 棘轮机构l 孓7 】是一种常见的机构间歇机构，主要由棘轮、棘爪和机架组成。棘轮轮 齿通常用单向齿，棘爪铰接于摇杆上，当摇杆逆时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮 齿以推动棘轮同向转动；当摇杆顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动。 为了确保棘轮不反转，常在固定构件上加装止逆棘爪。动程的大小可利用改变驱动机构 的结构参数或遮齿罩的位置等方法调节，也可以在运转过程中加以调节。 内齿棘轮扳手的结构有许多种，主要是因棘爪的形状不同而异。最常见的是：一、 多齿棘爪，棘爪与榫头之间的承载面为一小圆柱面，此类扳手称n y 型扳手，其棘爪称 n y 型棘爪；二、多齿棘爪，棘爪与榫头之间的承载面为一平面，此类扳手称n p 型扳手， 其棘爪称n p 型棘爪。三、多齿棘爪，棘爪与榫头之间的承载面为一圆弧面，此类扳手称 n h 型扳手，其棘爪称n h 型棘爪。 本设计选用】，型棘爪，其结构原理如图2 3 所示。棘手6 在与手柄8 上的内齿棘 轮相啮合，手柄顺时针旋转，带动棘爪6 压向榫头上的圆弧承压面a ，促进榫头也作顺 时针旋转。这时，扳手可对外输出扭矩。手柄逆时针旋转，棘轮齿将棘爪齿从棘轮槽中 推出。随着手柄继续旋转，爪齿在换向弹簧1 3 、拨叉5 与弹簧7 的联合作用下进入后侧 的棘轮槽。手柄再顺时针旋转，扳手又可对外输出扭矩。转动换向手柄2 ，从而拨动换 向片4 转动，进而带动换向弹簧1 3 转动。当弹簧1 3 的两个拨爪转位偏过拨叉5 的对称 低扭矩数显扳手的研制 中心线p 之后，弹簧1 3 的弹力促使榫头1 0 转位，使得榫头上的圆弧承压面a 与棘爪上 的左侧圆弧面接触。这时与以上相反，手柄逆时针旋转，扳手可对外输出扭矩。 图2 3n y 型棘轮扳手的结构 f i g u r e2 3t h es t r i j c t u r eo f t h en y 帅e r a t c h e ts p 锄e r 1 轴用弹簧挡圈2 换向手柄3 钢丝挡圈4 换向片5 换向拨叉6 n y 型棘爪7 弹簧8 手柄 9 孔用弹簧挡圈1 0 榫头11 钢球1 2 钢球弹簧1 3 换向弹簧 常见的y 型棘轮，其受力分析如图2 4 所示。图中支反力( 即产生反作用力) 的作用线通过集中力的作用点f 和圆心d ：；d 为棘爪换向半摆角；、乃和如三个力 的数值关系是： 乃= c 留y f ( 2 1 0 ) 目= 聃晰+ 出轳( 鬻“) ( 2 - 1 1 ) 图2 4 ) ，型棘轮的受力分析 f i g u r e2 4t h es 仃e s s 锄a l y s i so ft h en yt ) ，p er a t c h e t 西华大学硕士学位论文 e 表示齿面所承受的正压力，其的大小可以用径向力乃和切向力分别在齿 面法向的投影的和来表示： = es i l l 口f + c o s 口f ( 2 1 2 ) ( 2 1 0 ) 式和( 2 1 1 ) 式中的径力角际，按( 2 1 3 ) 式来计算： 坼= s i n 一1掣如( 咿一訇 m 召i2 地一。l 掣s m ( 咿一号) ( 2 1 3 ) 在( 2 1 3 ) 式中： 一 1 三 b ：i ( z 。一z ) z + 4 z zs i n z 要一4 z ( z 。一z ) s i i l 导c 。s f9 0 。一导1 l 2 ( 2 1 4 ) l z二 二j 使用套筒头拆卸螺栓方便、灵活而且安全，不易损坏螺母的棱角，还可以根据工 作空间的大小、扭矩要求和螺栓或螺母的尺寸选用合适的套筒头。按钳口形状分为六 角形和十二角形，六角部分与螺栓或螺母的表面接触面积大，这样就不容易损坏 螺母或螺栓的表面；十二角形套筒头各角之间只隔3 0 度，可以很方便的套住螺栓， 适合于狭窄的空间中拆卸螺栓。六角形套筒头和扳手头结构图如图2 5 所示。 图2 5 套筒头和扳手头的结构示意图 f i g u r e2 5m es c h e m a t i co f t l l es o c k e th e a da n dw r e n c hh e a d 套筒头和扳手连接的部分称为套筒接合器，在使用过程中，必须控制好扭矩大的 小，因为套筒和悬臂梁经过转换后，不是同一尺寸范围，如果按原来的尺寸施加力矩， 就可能损坏套筒或悬臂梁。 低扭矩数显扳手的研制 2 2 棘轮的参数确定 在数显扭矩扳手的结构中，棘轮和力臂是两关键部件，对它们参数的确定与扳手 的测量精度具有重要的意义。 本设计选用的是n y 型棘轮，主要确定的参数有棘轮齿数、棘爪齿数、棘爪承载 圆弧中心位置和支撑圆弧半径尺h 的选择。 棘轮齿数【8 9 1 是一个重要的参数，棘轮齿数z 越大，棘轮的最小摆角就越小，如 果齿数太大，就会导致外形尺寸变大，因此z 值不宜太大，如果z 值选取较小，可能 影响棘爪的换向功能。在选择齿数时，常选取能够除尽3 6 0 的整数，如1 0 、2 0 、2 4 、 3 0 、3 6 等。 棘爪的齿数z g 与扳手的承载能力密切相关，在扳手的输出扭矩一定时，选取的 z g 越大，这样每个爪齿所分担的负荷也就越小，所以z g 越多越好。考虑到棘爪换向 空间的有限，因此z n 选取也不宜过大，常用范围是二z 二z 。 65 对于棘爪承载圆弧中心位置的确定，主要包括棘爪换向半摆角臼值和棘爪摆动半 径r 值。设计各类扳手应该遵循一条共同原则：所选的扳手参数应使齿面所受的正压 力尽可能的小。 由式( 2 1 2 ) 可知，要想减小e ，可以减小b ，但b 与扳手的许用输出扭矩有 关，不能随意减小，所以只有减小f ，。由式( 2 1 0 ) 可知，减小，的途径是减小 径力角，f 。对式( 2 1 3 ) 进行数学分析可知，7 ，f 将随着棘爪的换向半摆角口的减小而 减小( 目角是小于9 0 0 的锐角) 。但当目1 0 8 0 z 时棘爪不能换向。一般选择口角在 1 8 0 0 z 一3 6 0 0 z 范围内。 对式( 2 11 ) 和( 2 1 2 ) 进行数学变换可以得到f ，和b 的另一种关系式： b = 尼卜( 口一等) 一等s m ( 口一警) i c 2 m ， 由上式可知，减小r 可以降低f ，如果r 值太小，会导致棘爪支反力的延长线 不与承载圆弧相交，使得棘爪不能工作。在使用时，通常选取的心一般略大于分度圆 半径月r 。当量齿数z o 一般选范围是( 1 0 5 1 3 5 皿。由( 2 1 5 ) 式可知，确定了绷民 后，同时也就确定了棘爪承载圆弧的中心d ，点的位置。 支撑圆弧半径尺h 的选择，以o ，点为圆心画弧，留足榫头承载圆弧到榫头回转中 心d 点的距离来选择如，使欠略小于( r r ) 。 1 0 西华大学硕士学位论文 确、风和r h 值选定之后，先假定m = 1 ，再参照图2 4 画棘爪受力图。从d ：点到集 中力的作用点f 作直线并将其延长，看延长线是否与棘爪的承载圆弧相交，若不相交， 应重选确、凰和尺值。 扳手的力臂是主要的扭矩产生机构，由于扳手测量范围为0 2 0 n m ，所以力臂的 长度选择2 0 0 m m 最合适，考虑到上手柄的长度5 0 衄，还有前端棘轮的长度约5 0 n 吼， 总计扳手长度为约3 0 0 m m 。力臂的材料选择，要求强度、刚度和稳定性合适。 根据以上的讨论，扳手结合套筒头的结构如图2 6 所示。 图2 6 数显扳手整体结构图 f i g u 鹏2 6t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ed i g i 诅ld i s p l a y 、v r e n c h 低扭矩数显扳手的研制 3 系统硬件电路设计 为了使数显扭矩扳手携带方便，其硬件电路部分对所选元器件的体积、精度和功耗 方面都有很高的要求，在数显扳手研制时要尽量降低系统的功耗、减少系统的体积、延 长工作时间、提高精度。按照设计要求得到系统的硬件总体结构图3 1 所示： 图3 1 系统硬件设计总体结构框图 f i g u r e3 1t h ew h o l e s 訇r l l c t u r ed i a g r a mo ft h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 为了设计方便，根据图3 1 ，可以将硬件系统分成以下几个功能模块分别设计。 l 、电源管理电路模块。该部分由u s b 充电电路、锂离子电池保护电路、电池监控 电路、一键开机电路和自动关机电路，还有为系统其他重要芯片提供稳定电源的稳压电 路以及放大器和转换基准电压电路。 2 、控制芯片模块。控制芯片是整体硬件电路的控制核心部分，系统选用p 8 9 l p c 9 3 2 单片机，其速度为标准c 5 1 单片机的6 倍，低时钟频率，高性能，低功耗，工作电压范 围为2 4 3 6 v ，内部具有8 娼f l a s h 字节可擦除程序存储器，具有可编程端口输出模式 等特性。 3 、传感器模块。将扭矩测量的微弱信号，进行相应处理，得到适用于单片机处理 的数字信号。 西华大学硕士学位论文 4 、人机交互模块。包括l c d 显示电路、按键电路和声光报警部分，将扳手测得的 扭矩值通过l c d 显示屏显示出来，在使用时，操作者通过按键向单片机发出所需要的 指令，完成扳手相应的功能，为了设备的安全，数显扳手通过声光报警提示使用人员。 5 、串口通信电路模块。包括串口电路和与计算机的接口芯片，将单片机和计算机 连接起来，用于上位机对扳手数据参数的存取。 3 1 电源电路设计 本设计的数显扳手的电源电路包括充电电路、电池保护电路、电池电量监控电路、 电池稳压电路和单键开关机电路。 3 1 1 充电电路 为了减少硬件电路体积，延长扳手的使用时间，本设计选用高性能4 2 v 锂离子电 池作为电源【l o 】，为使扳手充电方便，本设计采用u s b 端口电源给电池充电【1 0 1 5 】，这样 就可以利用u s b 数据线使用计算机或手提电脑直接对扳手充电。在充电周期中，如果 使用后锂离子电池电压较低( 小于或等于2 9 v ) 或电量将要耗尽，此时锂离子电池充电 器在涓流充电模式下开始的充电，只允许流过少量( 十几毫安) 的电流，以保护电池。 当电池得电压达到一个安全的电压之后才启动一个快速充电模式，为负载提供较高的电 流，用以缩短充电时间。 扭矩扳手中充电芯片选用凌特公司的l t c 4 0 5 2 芯片【1 6 j ，它是一款全集成的脉冲充 电器，用于单节4 2 v 锂离子或者锂聚合物电池，图3 2 是该芯片的管脚图。 l t c 4 0 5 2 s e n s eb a a c p r 呈坚 、j 曲c b r g 血l e r 图3 2l t c 4 0 5 2 的管脚图 f i g u r e3 2l t c 4 0 5 2p i nd i a g r 锄 该芯片主要工作特性为：输入电压范围为4 5 1 2 矿，允许有1 的浮动电压；它具有 低功耗的优点，如果输入电压为5 2 5 矿，并用o 8 么电流进行快速充电时，上亿4 0 5 2 的功 耗大约为2 8 0 m w ，而线性充电器解决方案的功耗则高达1 8 w 。l t c 4 0 5 2 采用无电感设 计，利用乃4 0 5 2 设计的7 0 0 m a 2 a 锂离子锂聚合物电池充电器电路仅占7 0 m m 2 的面 积，且高度低于1 7 m m 。三庀4 0 5 2 对热设计的要求较低，可以采用小的散热气流、小 封装，同时也能减少了p c b 面积，能消除热点，无需使用散热片或风扇；本系统选用 双列膨s 卯贴片8 脚封装；在充电时具有c 1 0 电流检测、充电结束定时器、充电电压状 低扭矩数显扳手的研制 态指示和交流适配器检测，另外还有过流保护功能。用于单节4 2 矿锂离子锂聚合物电 池的独立型、全集成化脉冲充电器。 三乃4 0 5 2 的锂离子电池充电电路图如图3 3 所示，在原理图中，可以在口印，脚添加 电源指示灯，在实际使用该原理图时省略了充电电源指示灯，以节约成本，只用充电状态 指示灯( d 1 ) 即可，当充电状态由亮变灭时，表示锂离子电池已经充电完成。 图3 3l t c 4 0 5 2 的锂离子电池充电原理图 f i g u r e3 3l t c 4 0 5 2l i m i u m - i o nb a n e d ，c h a r g i n gs c h e m a t i c 3 1 2 锂离子电池保护电路 为保护锂离子电池，防止电池过压、过流、过放，必须设计有保护电路【l o 】，因此， 锂离子电池保护器在电路中是十分必要的。 根据扳手对电源的要求，只需要采用单节锂离子电池即可。本设计选用a i c l 8 1 1 单节锂离子电池保护器为扭矩扳手的电池保护器，保护器的管脚图如3 4 所示。 a i c l 8 1 i o ff 瑟 g n d 0 dc s 图3 4 a 1 c 1 8 1 1 管脚图 f i g u r e3 4t 1 1 ea l c l 8 1 1p i nd i 哩阳n l 该保护器的主要特点为：终止充电电压由彳、b 、c 为后缀的三种型号，4 3 5 y 、 4 3 0 y 及4 2 5 矿，充电电压精度可达3 0 肼y ( 0 7 ) ；耗电量小，工作3 5 v 时，芯片工 作电流为7 脚，在终止放电后，芯片耗电电流为o 2 ；还具有过充、过放、过流保护 西华大学硕士学位论文 和延时抵抗瞬态干扰的优点；过放电电压2 4 v ，精度士3 5 ；该芯片s o t 2 5 封装；工 作温度范围为一2 0 + 8 0 0 c 。 由a i c l 8 1 1 组成的锂离子电池保护电路如图3 5 所示，在图中，d 0 2 为保护控制放 电q 0 1 的，d 0 1 为保护控制充电q 0 2 的，r 0 1 、c 0 1 组成r c 滤波电路消除充电器输入 电压的纹波和干扰电压，r 0 2 为保护c s 端的电阻，防止充电器电源反接，r 0 3 为q 0 1 的偏置电阻，f u 为熔断器，过流时熔断，防止电池烧坏。该保护电路比较小，最好做 在电池的封装里，以节省外电路空间，外电路( + ) 和外电路( ) 是锂离子电池向外电 路输出的正负极，向外电路供电。 图3 5a l c l 8 ll 锂电池保护电路原理图 f i g u r e3 5a i c l 引1l i - i o nb a n e up r o t e c t i o nc i r c u i ts c h e m a t i c 在电路中出现过充电、过放电和过流时等状况时，该芯片提供了过充电保护、过放 电保护和过流保护三种保护的工作状态【1 0 ，l 引，保护锂离子电池，延长了电池的使用和工 作寿命。 3 1 3 锂离子电池监控器 为了了解锂电池的电量情况，同时也要增加电池的保护性能，为电池增加了锂离子 电池监控器【l o 】。由于d s 2 7 6 0 具有保护电池在充、放电时过热，又能检测到锂离子电池 的剩余电量，将此信号送入单片机，经过单片机处理就能直观的在l c d 上显示电池的 当前电量。另外，该芯片还可以检测电池的电压、电流、温度等参数。该芯片具有双向 电流检测的功能，还可以将模拟量转换为数字量，并有存储功能。该芯片体积小，电路 简单，需要的外围元件少。 在使用时，系统需要获取锂离子电池的电压、温度等参数，由单片机p 8 9 l p c 9 3 2 对傩2 7 6 0 发出采集锂离子电池的电压、温度等信号的控制命令，当信息采集完成后， 自动将锂电池的电压、温度等信号存入傩2 7 6 0 的内部寄存器中，然后单片机读取寄存 低扭矩数显扳手的研制 器中的相应内容，并通过l c d 显示来。该芯片具有功耗低的特点，在工作时最大电流 8 0 脚，节能状态( 或称睡眠模式) 时电流小于2 ，其引脚图如3 6 所示。 d s 2 7 6 0 c c、7 赶 p l s v d d d cp i o s n sv s s s x sv s s s n sv s s d q p s i s 2i s l 图3 6 d s 2 7 6 0 管脚图 f i g u r e3 6t h ed s 2 7 6 0p i nd i a g 姗 在数显扳手中的电路中，d s 6 2 7 0 电路比较简单，检测电路原理图如图3 7 所示。该 电路主要有两个尸沟道功率场效应管分别控制充电及放电，正极( + ) 、负极( 一) 之间 接在锂离子电池，输出+ 、输出为电池的外电路输出，d q 端与系统接口。该电路可以 采用贴片式原件，占用的空间很小，故可做在电池中节约p c b 板的空间。 r 5f y 图3 7d s 2 7 6 0 电池检测电路 f i 罂l r e3 7t h ed e t e c t i o nc i r c u i to f t h ed s 2 7 6 0b a n e r y 1 6 西华大学硕士学位论文 3 1 4 开关机电路 开关机电路是扳手重要的电路之一，为了使扳手开关机简单方便，还要求具备自动 关机能，其电路设计如图3 8 所示。此电路单键配合单片机就实现开关机，其控制流程 是：按下按键s 4 ，q 1 导通，单片机通电复位，进入工作。m c u 关机检测p o 6 口是否为 低电平，如果为低电平，单片机不处理；如果是高电平，m c u 的p 0 7 输出为高电平，q 2 导通，连续输出高电平，相当于按键长按，保证q 1 持续导通，使系统电源输出。如果加 电源指示l e d ，则l e d 灯亮。放开按键，有软件控制单片机连续输出高电平，保证系统 正常工作。在工作期间，按键按下，m c u 的关机检测p o 6 口为低电平，单片机检测到长按 3 秒，软件控制单片机的p o 7 输出为低电平，使q 2 截止，放开按键，使q 1 也截止，系统断 电使开关机l e d 指示灯熄灭。这样就可以通过软件处理，可以实现数显扭矩扳手的短按 s 4 键开机，长按s 4 键实现关机。 扭矩扳手在使用过程中，可能会遇到操作人员忘记关机的情况，如果长时间没有使 用扳手而仍然处于开机状态，这样就在无形之中，浪费了电池的电量，降低了扳手的使 用时间。自动关机功能已经在其他的电子产品中得到广泛的应用，有了此功能，扭矩扳 手就可以避免因忘记关电源而长时间空耗电池，该电路还具有自动关机功能。当扭矩扳 手停止使用3 分钟后，单片机的p o 7 口就会产生低电平，使三极管q 2 截止，导致三极 管q 1 也截止，这样系统将自动切断电源，使扭矩扳手进入关闭状态，从而做到真正节 约电能。在实际使用该电路时，关机指示灯( d 3 ) 可以省略，l c d 显示屏亮说