一种智能力矩扳手的设计与实现
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摘要：系统采用带16位A/D的超低功耗单片机MSP430FE4252为主控芯片，使用 AD620对金属箔式应变片产生的扭矩信号进行放大，通过程控放大器PGA112实现自动量程切换，并结合直线位移传感器实现螺栓的扭矩检测、报警、记录等功能，有效地提高了螺栓的紧固效率。
关键词：扭矩测量 扭矩扳手 单片机
中图分类号：TH71 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）04-0000-00
1 引言
压力容器、高压管道、起重机械等联接螺栓的紧固有严格要求，不同规格的螺栓需要不同的预紧力，如果预紧力太小，作用在螺栓的负载容易使螺栓松动脱落，如果预紧力太大则容易导致螺栓疲劳失效。目前，很多操作工人连起码的预紧力和理论预紧力矩的概念都没有，全凭经验操作，带来极大的安全隐患。在实际紧固工序检查中采用复核检查和验收的管理方法，有人工对螺栓紧固的情况，如操作人员，紧固与否，验收情况等进行记录保存，这个传统的办法在一定程度上保证了螺栓紧固操作的规范性、可靠性，但是实际操作起来既麻烦也不利于紧固螺栓信息的管理及资料存档，尤其在量大的情况下，容易引起操作遗漏，形成安全隐患，威胁正常的生产安全秩序。因此，我们设计了一种可以根据螺栓规格自动判断螺栓的预紧力的扭矩扳手，该扭矩扳手通过位移传感器检测螺栓的直径，然后判断出螺栓的预紧力，通过压力传感器实现对实时扭矩的检测和显示，系统具有扭矩报警，扭矩记录等功能。
2 系统的硬件设计
智能测定力矩扳手通过连接卡口的高精度直线位移传感器检测螺栓的直径，推出螺栓的种类，超低功耗微处理器MSP430FE4252通过存储的螺栓规格表查出安全扭矩，通过安装在扳手臂的压力传感器检测实时的扭矩并通过液晶显示，当超过安全值时通过声光报警。系统将每次螺栓的紧固扭矩存入EEPROM。系统由开关电源模块、超低功耗微处理器模块、位移传感器模块、压力传感器模块、OLED显示模块、报警模块、按键模块、EEPROM等构成，系统总体结构图1所示。
2.1 开关电源模块
由于系统采用2节1.5V电池供电，电池随着耗电的进行，电压会逐渐下降，为了能够有效的利用电池，系统设计了一个低功耗升压开关电源电路，当电池电压下降到0.9V时仍然能够对单片机正常供电。开关电源电路采用芯片TPS61070，它的输入电压范围为0.9V-5.5V，最大输出电流为0.7A，输出电压范围为1.8V-5.5V。电路设计如图2：
2.2 传感器电路设计
扭矩测量采用弹性体金属箔式应变片，在全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。全桥输出信号通过AD620放大，然后通过程控放大器PGA112把信号放大到合适范围再输入到MSP430FE4252的ADC，通过MSP430控制PGA112的增益实现自动量程切换。
精密直线位移传感器输出信号电压范围为0～2V，通过运放构成的电压跟随器输入到MSP430FE4252的16位A/D。
2.3 显示电路和存储电路
显示电路采用0.96寸带字库OLED，显示屏128x64，黑底白字，亮度高，功耗低，体积小，通过SPI接口与MSP430单片机相连。存储电路采用I2C总线的AT24C64，每条扭矩数据占用4个字节，AT24C64有64K字节足够使用。
3 系统软件设计
系统工作流程如图4所示。首先初始化各个功能模块，接着判断是否按下按键，如果有则执行按键设置功能，没有按下按键，则读取螺栓直径信号，通过保存的螺栓规格表判断螺栓的预设紧固力矩，读取扭矩信号，处理并在OLED上显示扭矩值。判断扭矩是否超过设定阈值，如果超过则声光报警并在OLED上显示扭矩过大，如果未超过扭矩设定阈值，则继续下一次测量，当扭矩维持一段时间则将记录保存到EEPROM AT24C64。
4 结语
智能力矩扳手可以根据螺栓直径自动判断螺栓的规格扭矩，无需再去查找螺栓规格手册，并且通过压力传感器实现对实时扭矩的检测、显示、报警等功能，大大增加了扭矩扳手的使用效果。
参考文献
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[2]吴怀明，尚凯伦，薛领，贺小军.基于容栅技术数显力矩扳手无线通信系统的设计[J].宇航计测技术，2014（4）.
[3]穆士华，王万元.数显式力矩放大扳手测量系统的设计[J].机械研究与应用，2008（4）.
收稿日期：2016-02-06
作者简介：阮红伟（1976―），男，浙江湖州人，学士，检验师，工程师，起重机械/厂内机动车辆/电梯检验技术；陈中S（1984―），男，浙江湖州人，学士，检验师，工程师，起重机械/厂内机动车辆/电梯检验技术；徐黄镇（1987―），男，浙江湖州人，学士，检验师，工程师，起重机械/厂内机动车辆/电梯检验技术；俞平（1982―），男，浙江湖州人，学士，副主任，工程师，起重机械/厂内机动车辆/电梯检验技术。