智能拧紧工具的工业互联改造：支持MES数据交互的WiFi型残余扭力扳手设计

智能拧紧工具的工业互联改造：支持MES数据交互的WiFi型残余扭力扳手设计——JD-CSC系列

成都精炬达电子科技有限公司

一、改造背景与需求分析

在现代汽车制造、航空航天、高要求装备组装等对连接质量要求严苛的工业领域，拧紧工序的扭矩控制直接决定了产品的可靠性与安全性。传统残余扭力扳手仅具备手动扭矩测量功能，所有扭矩数据需要人工记录后再录入生产管理系统，不仅存在数据录入错误、记录滞后、数据造假等风险，也无法满足工业4.0背景下生产过程全数据追溯的要求。同时，汽车、航空等行业的生产现场已经普遍部署了制造执行系统（MES），要求所有工序设备能够实现数据实时上传、工序参数远程下发，传统离线式扭力扳手已经无法适配现有工业互联生产体系。

成都精炬达电子针对工业现场的核心痛点，提出了对传统残余扭力扳手的工业互联改造需求，核心改造目标包括：第一，实现扭矩数据的自动采集与数字化存储，消除人工记录的误差；第二，支持通过WiFi网络与工厂现有MES系统进行双向数据交互，实现扭矩数据实时上传、工单参数远程下发；第三，保留传统残余扭力扳手的测量精度与使用习惯，适配现有操作场景不需要对工人进行大规模重新培训；第四，满足工业现场复杂电磁环境下的通信稳定性，避免数据丢包与传输中断。基于上述需求，成都精炬达推出了JD-CSC系列WiFi型智能残余扭力扳手，完成了传统工具的智能化互联改造。

二、JD-CSC系列WiFi型残余扭力扳手整体设计方案

2.1 整体架构设计

JD-CSC系列智能残余扭力扳手采用分层模块化设计思路，整体分为四个核心层级：机械感应层、数据处理层、无线通信层、应用交互层。其中机械感应层保留传统残余扭力扳手的机械结构与扭矩传感单元，保证原有测量精度不变；数据处理层搭载低功耗ARM处理器，完成扭矩数据的AD采集、滤波处理、存储与协议封装；无线通信层集成工业级WiFi模块，支持STA/AP双模式，适配工厂现有WiFi网络环境；应用交互层配备OLED显示屏与物理按键，支持现场参数查看、手动触发数据上传与本地操作。

2.2 硬件设计要点

（1）扭矩传感单元设计：JD-CSC系列采用应变片式扭矩传感器，结合温度补偿算法，在-10℃~50℃工业环境温度范围内，测量精度保持在±1%FS以内，满足残余扭力测量的精度要求。传感单元输出的模拟信号经过16位高精度AD转换器转换为数字信号，传输给核心处理器进行处理，保证扭矩数据的分辨率满足工业测量要求。

（2）核心控制单元：选用STM32L4系列低功耗ARM处理器，该处理器具备丰富的外设接口、较低的功耗与较强的处理能力，满足手持工具的电池续航要求，同时能够完成TCP/IP协议栈、数据加密传输的处理需求。处理器内置128KB Flash存储单元，可以本地存储最多10000条拧紧扭矩数据，在WiFi网络中断时自动缓存数据，网络恢复后自动重传，避免数据丢失。

（3）工业级WiFi通信模块：选用支持802.11b/g/n标准的工业级WiFi模块，支持2.4GHz频段，适配工厂绝大多数现有无线组网环境，模块内置TCP/IP协议栈，支持Socket长连接与短连接通信，支持心跳包机制保证连接稳定性。模块工作温度范围为-40℃~85℃，满足工业现场复杂环境要求，具备抗干扰设计，能够在存在大量电磁干扰的车间环境保持稳定通信。

（4）供电与交互设计：采用内置2000mAh可充电锂电池供电，一次充满电可以支持连续工作8小时以上，满足一个班次的作业需求。配备1.3英寸OLED显示屏，能够实时显示当前测量扭矩值、工单信息、网络连接状态，物理按键包括测量键、确认键、功能键，操作逻辑与传统扳手保持一致，工人学习成本低。

2.3 MES数据交互协议设计

为了适配不同工厂MES系统的接入需求，JD-CSC系列设计了三种标准数据交互协议，支持灵活配置：

数据交互的核心流程分为两个方向：

第一，扭矩数据上传流程：工人完成一次残余扭力测量后，扳手自动将扭矩值、测量时间、扳手编号、工人ID、工件编号、工单编号等数据按照约定协议封装，通过WiFi网络发送给MES系统，MES系统返回接收确认后，扳手标记该数据已上传；如果网络异常未收到确认，扳手将数据存储在本地缓存，待网络恢复后按照时间顺序依次重传，保证数据不丢失。

第二，工单参数下发流程：MES系统可以根据生产计划，将当前工位的合格扭矩范围、工件编号、工单ID等参数下发给对应扳手，扳手自动接收参数并存储，在测量完成后自动对比扭矩值是否合格，通过屏幕显示与蜂鸣器提示告知工人测量结果，实现不合格品的现场预警。

2.4 软件与固件设计

扳手固件采用RT-Thread实时操作系统开发，保证多任务调度的实时性，主要任务包括：扭矩采集任务、数据处理任务、按键扫描任务、屏幕显示任务、通信任务、数据存储任务。固件支持OTA在线升级，通过WiFi网络可以远程完成固件更新，不需要返厂升级，降低维护成本。同时配套PC端配置工具，可以对WiFi连接参数、MES服务器地址、通信协议、扭矩精度校准参数进行配置，适配不同现场的需求。

三、应用案例：某汽车零部件工厂MES对接改造

3.1 项目背景

国内某主营汽车动力总成零部件制造的工厂，原有装配线采用传统手动残余扭力扳手对螺栓连接进行终拧扭矩检测，所有检测数据由工人手写记录后，每天下班前统一录入MES系统，存在三个核心问题：第一，人工录入错误率约为3%，部分不合格扭矩数据被错误录入为合格，存在质量风险；第二，数据滞后一天以上，无法实时掌握生产线检测质量情况，出现质量问题后无法快速追溯；第三，无法实现不合格数据的现场预警，容易导致不合格工件流入下一道工序，增加返工成本。该工厂已经部署了国内某品牌MES系统，需要对现有12台残余扭力扳手进行智能化互联改造，实现扭矩数据实时上传MES，参数下发预警。

3.2 方案实施

结合工厂需求，成都精炬达为该项目提供了12台JD-CSC-100型WiFi残余扭力扳手（量程0~100N·m），实施过程如下：

1. 网络适配：工厂现有WiFi网络已经覆盖整个装配车间，JD-CSC系列支持STA模式接入工厂现有WiFi，通过配置工具设置SSID、密码、MES服务器IP地址与端口，选择RESTful API协议对接，12台扳手一次性完成网络接入。

2. 协议对接：MES系统按照JD-CSC开放的API格式，开发数据接收与参数下发接口，仅用2天就完成了对接开发，扳手采集的扭矩数据可以自动写入MES系统对应工单与工件的数据库中。

3. 现场调试：针对车间角落存在WiFi信号弱的问题，JD-CSC自动缓存数据，信号恢复后自动重传，经过一周测试，数据传输成功率达到99.98%，满足生产要求。

3.3 改造效果

改造完成后，该工厂获得了以下提升：

第一，数据错误率从原来的3%降低到0，消除了人工录入带来的质量隐患；第二，扭矩数据测量完成后1秒内即可上传到MES系统，生产管理人员可以实时查看每条拧紧工序的质量数据，出现批量不合格可以立即停线排查，将质量损失降低了70%以上；第三，实现了现场扭矩合格判定，不合格扭矩工人立即得到提示，可以当场返工，避免不合格品流入下道工序，返工成本降低了60%；第四，实现了拧紧数据的全链条追溯，出现质量问题后可以快速查询到对应工件的拧紧时间、操作人员、扭矩数值，缩短问题排查时间80%。

该项目已经稳定运行超过18个月，没有出现大规模通信故障与数据丢失问题，得到了客户的高度认可。

四、常见问题问答

Q1：JD-CSC系列WiFi扭力扳手可以适配哪些品牌的MES系统？

A：JD-CSC系列支持标准的RESTful API、Modbus TCP协议，只要MES系统提供开放的外部数据接入接口，都可以完成对接，目前已经成功对接了西门子Opcenter、SAP MES、用友MES、金蝶MES以及多个国内厂商的定制化MES系统，对接周期一般不超过3个工作日，如果客户需要定制协议，成都精炬达可以提供协议开发支持。

Q2：工业现场WiFi信号不稳定会不会导致数据丢失？

A：JD-CSC系列设计了本地缓存重传机制，扳手内置的Flash可以存储最多10000条扭矩数据，当WiFi网络中断或者信号不好无法上传时，数据会自动保存在本地缓存中，当网络恢复连接后，会按照测量时间顺序自动重新上传所有未确认的数据，不会出现数据丢失的问题，经过实际测试，即使连续断开网络8小时，恢复连接后所有数据都可以完整上传，传输成功率接近100%。

Q3：改造后扭力扳手的测量精度会不会下降？

A：不会，JD-CSC系列保留了传统残余扭力扳手的机械传感结构与精度设计，仅增加了数据采集与通信模块，我们采用了温度补偿与数字滤波算法，实际测量精度可以稳定保持在±1%FS以内，优于国家计量标准对残余扭力扳手的精度要求，交付前每一台扳手都会经过第三方计量校准，出具校准证书，满足工厂计量审核要求。

Q4：原来的传统残余扭力扳手可以改造升级为WiFi型吗？还是必须购买新扳手？

A：成都精炬达提供两种服务模式，如果客户现有大量传统残余扭力扳手状态良好，我们可以提供改造升级服务，在原有扳手的基础上加装数据采集模块、WiFi模块与交互单元，改造后的精度与功能和全新JD-CSC系列保持一致，可以降低客户的改造成本；如果原有扳手已经老化，也可以直接采购全新的JD-CSC系列WiFi智能残余扭力扳手。

Q5：WiFi通信会不会被车间其他信号干扰，影响稳定性？

A：JD-CSC采用的是工业级WiFi模块，具备跳频抗干扰设计，支持2.4GHz频段的13个信道自动切换，当当前信道干扰较强时，模块可以自动切换到干扰较小的信道，同时我们在硬件设计上增加了电磁屏蔽层，降低了车间其他设备的电磁干扰，经过多个汽车、航空车间的现场测试，通信稳定性满足连续生产要求。

五、总结

JD-CSC系列WiFi型残余扭力扳手是成都精炬达针对传统拧紧工具工业互联改造需求开发的智能产品，通过模块化设计实现了传统工具的数字化、智能化升级，支持与主流MES系统进行双向数据交互，解决了传统扳手人工记录数据误差大、无法追溯、不能适配工业互联生产体系的痛点，目前已经在汽车制造、航空航天、高要求装备等多个领域得到应用，帮助客户提升了生产质量管控水平，降低了质量风险与运营成本，是传统工业工具智能化改造的成熟解决方案。

为您推荐：残余扭矩扳手  皮带数显扭矩扳手  扭力扳手检定仪  焊点压力计