基于扭力角度特征自动抓取曲线的残余扭矩扳手测量机理分析

基于扭力角度特征自动抓取曲线的残余扭矩扳手测量机理分析

一、研究背景与产品概述

螺纹连接是机械装配中应用广泛的可拆卸连接方式，连接质量直接决定了整机设备的运行安全性与使用寿命，其中残余扭矩（又称剩余扭矩、预紧扭矩）是衡量螺纹连接质量的核心指标。传统残余扭矩检测多采用人工读数、手动触发记录的方式，受操作人员主观误差影响大，测量重复性差，无法满足高要求装备制造批量检测的精度要求。成都精炬达电子科技有限公司推出的JD-CSC系列基于扭力角度特征自动抓取曲线的残余扭矩扳手，针对行业痛点实现了技术突破，本文将对该产品的测量机理展开系统性分析，并结合实际应用案例与常见问题解答梳理其技术价值。

1.1 残余扭矩测量行业痛点

当前主流残余扭矩检测方法主要包括螺母转角法、松开法和再拧紧法，其中再拧紧法因操作便捷、精度较高成为工业现场常用的检测方式，但传统再拧紧法存在三个核心问题：第一，曲线触发依赖人工判断，操作人员需要观察扭矩显示屏的变化手动记录起始点，不同操作人员对“螺母开始转动"的判定标准不一致，测量偏差最高可达10%以上；第二，无法自动识别扭力-角度曲线的特征区段，容易误将静摩擦阶段的扭矩变化计入测量结果，导致残余扭矩测量值偏高；第三，数据无法自动存储与溯源，大批量检测时人工记录容易出现错漏，无法满足质量管理体系对检测数据可追溯的要求。

1.2 JD-CSC系列产品核心定位

JD-CSC系列是成都精炬达电子科技有限公司针对工业现场残余扭矩批量检测开发的智能扭矩测量产品，核心技术特征是基于扭力角度特征自动抓取完整的测量曲线，无需人工干预即可自动识别特征点、计算残余扭矩数值，精度可达±1%，满足GB/T 15729-2008《扭力扳手通用技术条件》以及汽车、航空航天等高要求制造领域的检测标准要求。产品涵盖了从5N·m到2000N·m的全量程范围，可适配不同规格螺纹连接的检测需求。

二、残余扭矩测量基本原理

要理解JD-CSC系列的自动抓取测量机理，首先需要明确再拧紧法测量残余扭矩的基本原理。螺纹连接完成后，螺栓内部保留有预紧拉力，该预紧拉力通过螺纹副和接触面转化为作用在螺母上的静阻力矩，即待测量的残余扭矩。再拧紧法的核心逻辑是：在已装配完成的螺纹连接上，沿原始拧紧方向逐步施加扭矩，当施加的扭矩刚好克服残余静阻力矩时，螺母开始发生转动，此时的扭矩值即为残余扭矩的测量结果。

2.1 扭力-角度曲线的典型特征分段

在再拧紧法测量过程中，连续记录施加的扭矩值与对应转动角度，可以得到一条完整的扭力-角度（T-θ）曲线，典型的曲线可分为四个特征区段：

第一区段：空行程摩擦段。在施加扭矩初期，螺母尚未克服接触面和螺纹副的静摩擦力，仅发生弹性变形，几乎没有宏观转动，角度变化量接近于零，扭矩随施力过程快速上升。

第二区段：启动临界点。当扭矩上升至刚好等于残余静阻力矩时，静摩擦转化为动摩擦，螺母开始产生匀速转动，此时曲线出现第一个明确的特征拐点。

第三区段：匀速转动段。螺母克服静阻力后进入稳定转动阶段，扭矩值保持相对稳定，扭力-角度曲线呈现为近似线性增长，扭矩的波动幅度较小。

第四区段：终止段。当操作人员停止施加扭矩后，扭矩快速下降，角度停止变化。

传统测量方法中，启动临界点的识别依赖人工经验，而JD-CSC系列的核心就是通过算法自动识别该拐点，实现残余扭矩的精准计算。

2.2 残余扭矩的计算逻辑

根据再拧紧法的行业标准，残余扭矩的取值并非启动临界点的瞬时扭矩，而是匀速转动区段的平均扭矩值，该数值能够更准确反映螺纹连接的实际残余预紧力。传统手动测量只能记录峰值扭矩，容易将空行程段的弹性变形扭矩计入结果，导致测量值偏高，而自动曲线抓取技术可以精准提取匀速转动区段的扭矩数据，计算得到平均扭矩，测量精度显著提升。

三、JD-CSC系列自动抓取曲线的测量机理

JD-CSC系列基于扭力角度特征自动抓取曲线的技术体系，分为硬件信号采集、特征算法识别、结果自动输出三个核心环节，各环节协同实现全流程自动化测量。

3.1 硬件层：双传感器同步采集机理

要实现扭力角度特征的准确识别，首先需要高精度同步采集扭矩信号和角度信号，JD-CSC系列采用了双传感器集成设计：

扭矩传感器：采用应变式动态扭矩传感器，采样频率达到1000Hz，能够实时捕捉扭矩的微小变化，线性度优于0.5%，保证扭矩信号的采集精度。

角度传感器：采用高精度磁电编码器，角度分辨率达到0.1°，能够精准识别螺母的微小转动，即使是0.1°的启动转动也能被准确捕捉。

两个传感器采用同步时钟触发采集，保证每个扭矩值都对应准确的转动角度，不会出现时间差导致的特征点偏移，为后续的曲线特征识别提供准确的原始数据。

3.2 算法层：扭力角度特征自动识别机理

采集得到原始的T-θ数据后，JD-CSC系列内置的特征识别算法会自动完成曲线分段与特征点抓取，核心步骤分为四步：

第一步：滑动窗口滤波预处理。工业现场存在振动、电磁干扰等噪声，会导致原始T-θ曲线出现随机波动，算法首先采用5点滑动窗口平均滤波，过滤掉高频噪声，保留曲线的核心特征，同时避免滤波过度导致特征点模糊。

第二步：转动起始点判定。算法实时计算连续N个采样点的角度增量，当连续3个采样点的角度增量之和大于预设阈值（默认0.3°，可根据现场工况调整），判定螺母已经启动转动，标记该位置为起始特征点，对应进入曲线的第二区段。该判定逻辑基于角度变化的客观特征，避免了人工判断的主观误差。

第三步：匀速转动区段提取。起始点之后，算法持续监测扭矩与角度的变化率，当角度变化率稳定在预设范围内，扭矩波动幅度小于5%，判定进入匀速转动区段，自动提取该区间内的所有扭矩数据；当角度变化率降为零，超过预设时间后判定测量结束，停止数据提取。

第四步：残余扭矩计算输出。对提取的匀速转动区段扭矩数据去掉两端的异常值后，计算算术平均值作为最终的残余扭矩测量结果，同时存储完整的T-θ曲线到内置存储器，支持后续溯源查看。

3.3 自动抓取的优势机理分析

与传统人工触发测量相比，JD-CSC系列的自动抓取技术具备三个核心优势：第一，特征识别标准化，所有测量都采用统一的判定阈值，不会因操作人员不同产生偏差，测量重复性误差小于2%；第二，抗干扰能力强，滤波算法可以过滤现场振动导致的信号波动，避免误触发；第三，全流程自动化，操作人员只需要对准螺母施加扭矩，仪器自动完成测量、存储，不需要手动按键记录，操作效率提升30%以上。

四、实际应用案例分析

本节结合JD-CSC系列在某主流自主品牌汽车整车装配厂的后桥螺纹连接残余扭矩检测案例，分析该产品的实际应用效果。

4.1 案例背景

该汽车装配厂后桥与车架连接的M16螺栓，设计要求残余扭矩范围为180~220N·m，出厂前需要100%全检，原有检测采用普通数显扭矩扳手，人工判断启动点，存在三个问题：第一，不同检测人员测量同一螺栓的结果偏差最大达到25N·m，重复性差；第二，每天检测1200台，人工记录数据工作量大，容易错漏；第三，不合格品漏检率约为1.2%，存在质量风险。该工厂2022年引入12台JD-CSC1000型（量程0~500N·m）残余扭矩扳手替代原有设备，开展批量检测。

4.2 检测过程与结果分析

本次对比试验选取了20个已经装配完成的螺栓，分别由3名经验不同的检测人员采用原有手动扳手和JD-CSC分别测量，对比测量结果，统计数据如下：

从对比数据可以看出，JD-CSC自动测量的重复性远优于传统人工测量，变异系数从4.2%降低到0.8%，精度提升明显，同时单台检测时间缩短了33%，检测效率显著提升。

4.3 应用效果总结

该汽车工厂引入JD-CSC系列后，不合格品漏检率从1.2%降低到0.1%以下，每年减少质量索赔约120万元，同时检测人员工作量降低，数据全部自动存储到工厂MES系统，实现了检测数据全溯源，满足IATF16949质量管理体系的要求，应用效果得到用户的高度认可。除此之外，JD-CSC系列还广泛应用于风电装备螺栓检测、工程机械装配检测、轨道交通车辆装配检测等领域，均取得了良好的应用效果。

规格选型：

五、常见问题问答

Q1：JD-CSC系列自动抓取曲线时，现场振动会不会导致误触发？

A：JD-CSC系列的算法内置了振动滤波逻辑，默认只有连续3个采样点的角度增量超过阈值才会判定为启动转动，现场常规的设备振动导致的角度波动一般小于0.1°，远低于0.3°的默认触发阈值，不会产生误触发。如果现场振动特别大，用户还可以自行调高触发阈值，进一步提升抗干扰能力，适配不同工况的需求。

Q2：自动抓取得到的曲线可以导出吗？能否对接工厂的MES系统？

A：JD-CSC系列内置16GB存储器，可以存储超过10万条测量数据与对应的完整T-θ曲线，支持通过USB接口导出数据为Excel格式，也可以通过蓝牙或RS485接口实时将测量结果传输到工厂的MES、SPC等质量管理系统，满足工业互联网的对接需求。

Q3：不同螺纹规格、不同润滑条件下，算法需要调整参数吗？

A：JD-CSC系列出厂默认参数已经适配绝大多数工业场景，绝大多数情况下不需要用户调整参数即可直接使用。如果用户遇到特殊工况，比如大规格螺栓、表面干摩擦的螺纹连接，可以在设置界面微调启动角度阈值，算法适配灵活，操作简单，不需要专业技术人员即可完成调整。

Q4：JD-CSC系列的测量精度符合哪些标准？需要定期校准吗？

A：JD-CSC系列的精度符合GB/T 15729-2008《扭力扳手通用技术条件》、JJG 707-2014《扭矩扳手检定规程》的要求，精度等级达到1级，满足汽车、航空航天等高要求领域的检测标准要求。和所有扭矩测量设备一样，JD-CSC系列需要定期校准，建议校准周期为1年，成都精炬达电子科技有限公司提供原厂校准服务，也支持用户通过标准扭矩检定装置自行校准。

Q5：残余扭矩测量结果和螺栓预紧力是什么关系？为什么有时候测量结果和设计值偏差比较大？

A：残余扭矩是螺纹连接中剩余预紧力的外在表现，在螺纹参数、摩擦系数稳定的情况下，残余扭矩和预紧力近似呈线性关系，因此行业内普遍采用残余扭矩检测来间接评估预紧力是否符合要求。如果测量结果和设计值偏差较大，一般不是测量设备的问题，常见原因包括：螺纹连接装配后发生应力松弛、接触面不均匀导致扭矩损失、初始装配扭矩偏差过大等，测量结果恰恰反映了装配过程中存在的质量问题，可以帮助企业及时发现装配隐患。

六、结论

JD-CSC系列基于扭力角度特征自动抓取曲线的残余扭矩扳手，通过双传感器同步采集、特征算法自动识别的技术路线，解决了传统残余扭矩测量人工误差大、重复性差、效率低的行业痛点，测量机理符合再拧紧法的行业标准，精度与效率都显著优于传统手动测量设备，从实际应用案例来看，该产品能够满足高要求制造领域批量残余扭矩检测的要求，具备较高的推广应用价值。成都精炬达电子科技有限公司的该项技术，为残余扭矩检测的自动化、智能化提供了可靠的解决方案，推动了螺纹连接检测技术的升级。

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