高强度螺栓电动定扭矩拧紧扳手测控系统设计

摘要

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已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STM32F103RET6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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高强度螺栓拧紧控制方法研究现状

1．2．2 高强度螺栓拧紧设备国内外研究现状

1．3 课题研究内容

1．4 本章小结

第2章 扳手测控系统总体方案

2．1 系统功能需求分析

2．2 系统总体方案设计

2．2．1 螺栓拧紧控制方案

2．2．2 整体机械结构方案

2．2．3 螺栓拧紧测控系统硬件方案

2．2．4 测控系统软件方案设计

2．3 本章小结

第3章 测控系统硬件电路设计

3．1．1 主控制芯片选型

3．1．2 测控系统主控板电路方案

3．2 系统运行基础模块

3．2．1 电源模块

3．2．2 最小系统模块

3．2．3 HMI交互模块

3．3 信号采集模块

3．3．1 A／D数据采集模块

3．3．2 角度采集模块

3．3．3 时间采集模块

3．3．4 二维码采集模块

3．4 数据传输与存储模块

3．4．1 无线传输和USB传输

3．4．2 数据存储模块

3．5 电机控制模块设计

3．5 硬件故障影响分析与检测电路设计

3．6 本章小结

第4章 测控系统软件设计

4．1 系统开发环境介绍

4．2 操作界面设计

4．3 扭矩数据采集及处理

4．3．1 AD信号采集

4．3．2 六点静态标定

4．3．3 六点快速标定

4．3．4 自动标定控制补偿算法

4．4 螺栓拧紧控制方式

4．4．1 定扭矩控制方式

4．4．2 定角度输出控制

4．5 无线通信

4．5．1 无线通信配置界面

4．5．2 连接功能设计

4．5．3 无线数据传输设计

4．6 二维码识别与处理

4．7 数据存储系统设计

4．8 测控系统故障容错设计

4．9 本章小结

第五章 功能实现与性能分析

5．1 功能实现

5．1．1 硬件平台搭建

5．1．2 系统关键功能实现

5．2 性能分析

5．2．1 控制精度性能分析

5．2．2 数据传输完整性分析

5．2．3 故障自诊断及其控制分析

总结与展望

参考文献

致谢