自动扭矩扳手设计

前言

随着工业技术的发展，各种规格、型号的机动扳手如液压扳手、气动扳手、电动扳手在产品装配生产线上得到广泛应用，这些机动扳手可以显著地提高工作效率，大大减轻工作强度。液压扳手以液压油为工作介质，通过液压马达驱动工作机构工作;气动扳手以压缩空气为工作介质，通过气动马达驱动工作机构工作;电动扳手直接使用直流电机或交流电机驱动工作机构。液压扳手由于附带一套液压装置，投资成本高，传递的扭矩一般与扳手的尺寸成正比关系，使用不方便并且易造成污染而在装配生产中使用不多;气动扳手由于尺寸小，重量轻，单位重量输出功率大，对环境污染小，可以实现大的扭矩输出，成本低而在产品装配线上得到广泛应用，尤其是一些需要大扭矩的场合;电动扳手由于无污染、可以与微型计算机相连实现螺纹紧固件拧紧过程的实时监控，可精确控制作用到紧固件上的扭矩，对于汽车、船舶、机车等行业，由于产品中螺纹紧固件多、所需的扭矩较大，需要能长时间的持续工作、大扭矩的扳手。冲击式气动扳手由于可快速实现螺纹紧固件装配、作用扭矩大等特性而成为产品装配线上的主要工具，但存在扭矩无法控制的问题。本文借鉴了目前国内外定扭矩气动扳手的扭矩控制方式及工作机理，提出了一种新的机理正确、结构简单的定扭矩装置方案，该装置设置有超扭矩量程自动切断气源功能，同时在该基础上充分发挥现代计算机控制的柔性化的特点，在最大扭矩以内人为自由选择旋紧扭矩的大小，可实现对不同要求的配合零件的拧紧，并且配有不同大小的螺母开口，适合于各种部件的拧紧，有效地解决了上述问题。

目录

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2 自动扳手主要技术指标

1.3气动扳手的发展现状和问题

第二章基本原理和总体设计

2.1扭矩测量及拧紧系统的基本原理及总体方案2.2各组成系统的设计·

第三章机械结构的设计

3.1气动发动机的设计计算

3.2机械式定扭矩装置设计

3.3气源自动切断装置

第四章信号检测与数据处理及程序举例

4.1自动检测控制装置

4.2电路组成

心得体会

参考文献

附录A主要部分电路连接图

附录B新型自检测气动扳手结构图

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

机电一体化系统设计是多学科的交叉和综合，设计的学科和技术非

常广泛，且其应用领域众多。要全面精通它，不但需要强化训练学科融

合的思维能力、加强相应的实践环节，还要及时学习新概念、新技术、

将来才能成为机电一体化复合型人才。

本课程设计的目的是研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，

将控制电动机、传感器、机械系统、微机控制系统、接口及控制软件等

机电一体化要素组成各种性能优良、可靠的机电一体化产品或系统。本

课程的具体要求是：掌握机电一体化系统设计的基本概念、基本原理和

基本知识；熟悉机电一体化系统设计中的常用机械量检测传感器、控制

电动机的原理、结构、性能和应用；初步掌握机电一体化系统设计的原

理和综合集成技巧，进行总体方案的分析和设计。

1.2课题主要技术指标要求

本课程设计要求能实现扭矩的微机自动检测，扳手开口直径大小可

调，要求传感器具有较高的检测精度。

1.3气动扳手的发展现状和问题[1]

目前，冲击式气动扳手在产品装配流水线上作为主要的低值易耗工具被广泛应用，这种扳手具有输出扭矩大、成本低、无污染等优点，但其噪音大，而且作用到螺纹紧固件上的扭矩大小难以控制。因此，目前大部分冲击式气动扳手

都不具有定扭矩的功能。但随着社会生产的发展，对产品的装配提出了很高的要求，要求提高螺纹紧固件的装配质量、可靠性和装配效率。例如对于汽车、飞机等产品中的一些重要的螺纹联接，要求装配时作用到螺纹紧固件上的扭矩非常精确，这样才能确保联接的可靠性，保证产品的质量。同时，随着人们环保意识的增强，绿色产品悄然兴起，相应的产品绿色设计成为一种新的设计方法。对产品进行绿色设计要求改进产品结构，多使用一些可拆性、可回收性的结构如螺纹联接、键联接。这时，为保证产品性能，要求这些联接可靠，螺纹紧固件所受的扭矩也需控制在一定值内。为此需要气动扳手拧紧螺纹紧固件时作用在螺纹紧固件上的扭矩控制在预定的扭矩范围内。扭矩值变动范围不能偏大，否则将使螺纹紧固件在工作时因强度不足发生突然折断而失效或者在工作时易产生松动导致产品性能不能满足要求。因此，在使用气动扳手进行产品装配时，需要气动扳手能够精确控制其输出扭矩。具有精确扭矩控制的气动扳手成为当前气动扳手的发展趋势。纵观现有的定扭扭矩气动扳手存在下列问题: l)实现扭矩控制的装置结构复杂，加工制造成本较高;

2)扳手的体积较大，重量重，有的还需要附带一套控制装置，使用不方便;

3)扭矩控制精度不高，不能满足生产需要，并且扭矩调节困难;

第2章系统的基本原理和总体设计

目前，国内外风动工具生产企业生产的各种定扭矩气动扳手所采用的

扭矩控制方式是不同的，相应的定扭矩控制装置也不同。下面对于冲击式

定扭矩气动扳手的扭矩控制应采用的方式，提出了结构简单、原理可行的

扭矩控制方案，从理论上分析了该方案的可行性。

2.1扭矩测量及拧紧系统的基本原理

这里采用扭矩测量传感器，利用应变片检测扭矩的大小，经放大器放

大后，将其送入单片机，进行数据的处理与判断，系统工作的情况下，电

磁阀的状态是开启的，如果该测量值大于单片机程序中的预设值，那么单

片机输出控制信号将电磁阀关闭，从而切断气源输出，实现自动检测，自

动切断的功能，单片机中扭矩预设值为用户自己选择，为控制系统的最大

扭矩输出，在这里设计了片簧转子机构，当预设值大于或等于该扳手的最

大输出时，检测控制系统将失去作用，因此，该预设值必须在最大值下设

定。系统的控制原理图如下：

扳手检测装置有标准扭矩传感器、扭矩测量仪表和气源控制器三部分构成，硬件构架主要包括89S52的单片机、I/O模块、驱动模块等部分组成，具体的工作原理如下图所示：扳手连接完成后，单片机将控制信号通过I/O模块发送给驱动模块，驱动模块控制气源给气，内部旋转轴开始动作，同时扭矩测量仪