工业4.0紧固新载体：具备无线传输能力的锂电池定扭矩电动扳手性能优化研究

在工业4.0与智能制造战略驱动下，以钢结构桥梁、特高压输电塔、风力发电机组及高速列车转向架为代表的关键基础设施，其结构完整性与运行寿命高度依赖连接节点的预紧力精准控制[待补充]。螺栓连接作为可拆卸装配的主要形式，其紧固扭矩偏差直接导致预紧力离散，若扭矩不足，接头易在交变载荷下松动失效；若扭矩过大，则可能引发螺栓塑性变形甚至断裂。长期以来，施工现场依赖液压扭矩扳手或冲击式气动扳手，前者虽精度较高但设备笨重、作业效率低下，后者虽轻便但离散度高达±15%以上，均无法满足日益严苛的质量追溯要求[待补充]。锂电池定扭矩电动扳手因兼具便携性与可控性，成为紧固工具研究的热点。然而，现有同类产品仍普遍面临三个主要瓶颈：其一，在低电量或高负载工况下电机输出非线性失真，导致瞬间过冲或欠扭，复杂装配应力下的动态精度难以保证[待补充]；其二，作业过程缺乏有效的数据交互与存储机制，扭矩记录仍依赖人工纸质抄录，无法实现物联网级别的全生命周期追溯；其三，电池管理系统通常仅具备被动保护，未能结合作业调度进行智能功耗优化。成都精炬达电子科技有限公司推出的JD-DT系列定扭矩电动扳手，虽已在无刷直流电机矢量控制方面取得技术积累，但在面向工业4.0严苛场景的性能鲁棒性与传输能力上仍亟需系统性优化。因此，本研究提出“具备无线传输能力的锂电池定扭矩电动扳手性能优化"这一核心议题，旨在解决高精度机械锁紧与数字化信息流的融合问题。

（二）国内外研究现状

针对电动扳手扭矩控制，早期研究集中于机械式离合器过载保护结构。S.K. Cho等[待补充]提出了一种基于弹簧预压缩的定扭机构数学模型，但其响应频率受限于机械惯性。随着电力电子技术成熟，控制策略逐渐转向电子反馈式闭环控制。在电机驱动层面，F. Profumo等[待补充]研究了无刷直流电机在恒转矩区的自适应PID调节，验证了模糊增益调度对抑制扭矩尖峰。国内学者李伟等[待补充]针对永磁同步电机驱动的装配工具，设计了基于滑模观测器补偿的扭矩动态平衡算法，在0.5至5 N·m微扭矩段取得高精度。然而，上述方法多集中于实验室轻载或小扭矩验证，缺乏对锂电供电衰减特性下大扭矩冲击工况的针对性分析。在无线传输与智能监测方面，M. Wollschlaeger等[待补充]预测了工业无线网络在装配工具中的应用前景，认为2020年后高精度工具将全面向信息化转型。部分拧紧机厂商已在其控制器中集成工业以太网接口，并基于Profinet或EtherCAT协议实现产线联动[待补充]。针对智能扳手，赵强等[待补充]开发了基于射频识别标签的力矩预置装置，实现了身份绑定与参数锁定。但该类搭载通常依赖于外部上位机网关进行协议转换，未能真正实现扳手本体的点对点无线直连。此外，对于电池管理系统，现有手持电动工具的电池管理系统多停留在过充、过放及温度截断的低阶保护，相较车规级动力电池，在均衡效率与剩余电量预测上存在较大差距。综述可见，当前研究在扭矩-电流复合解耦控制、高负载下的多传感器冗余校准，以及基于轻量化MQTT协议的数据直传三个维度的交叉融合上仍然存在显著空白，这为JD-DT系列扳手的性能跃升提供了明确的切入点。
（三）研究内容与技术路线
本研究以JD-DT系列定扭矩电动扳手的工程化量产样机为载体，围绕“高精度扭矩输出控制"与“低延迟无线数据闭环"两大主线，展开以下四方面工作：第一，建立计及电池极化的无刷直流电机-减速器机电耦合动态模型，识别影响扭矩输出精度的关键扰动参量；第二，设计融合扭矩传感器与惯性测量单元的多源传感器冗余校准机制，并开发基于模型预测控制的在线补偿算法，以消除齿轮回差与惯性冲击造成的瞬时偏差；第三，在不额外增加外部控制器的前提下，对扳手主控芯片进行嵌入式双向无线升级，部署包含直连Wi-Fi模组、轻量化MQTT数据通道与传输层安全加密在内的数据交互系统；第四，搭建基于M24规格高强度螺栓的实际立交匝道桥钢箱梁拼接场景进行工程验证。整体技术路线遵循从理论建模、算法仿真、嵌入式系统实现到现场对比试验的递进逻辑。研究拟突破的关键难点在于低电压平台下大电流瞬态响应下的磁饱和补偿以及机械反力对人体-工具耦合系统参考值的干扰滤除。

二、JD-DT系列扳手机电系统建模与问题诊断
（一）JD-DT系列扳手系统架构

JD-DT系列扳手整机采用模块化紧凑布局，其内部集成高性能18650锂电池组，标称电压21.6 V、额定容量6.0 Ah，该电池组为高功率密度无刷直流电机供电。电机转子经由一级行星齿轮减速箱将高转速转换为满足钢结构桥梁M20至M30螺栓锁紧所需的大扭矩输出，减速比为1:25。电控部分由数字信号处理器与金属氧化物半导体场效应晶体管驱动桥组成，通过矢量控制调节电机相电流。扭矩反馈回路包含布置在输出轴尾端的非接触式应变扭矩传感器，其满量程输出为2000 N·m。此外，主板预留有串行外设接口扩展位，可挂载惯性测量单元及紧凑型2.4 GHz/5 GHz双频Wi-Fi通信模组。从宏观电气拓扑结构看，该系统可抽象为“直流电源-逆变桥-永磁同步电机-减速增扭机构-螺栓负载"的串联路径，同时叠加扭矩传感采集与微控制单元闭环控制器构成的双向信息通路。分析初步试制的批产样机发现，该架构虽能实现基本的设定值跟踪，但在电池电压跌至20 V以下时，传统比例-积分-微分参数集无法适应电机电磁转矩常数的漂移，这揭示了需要在后文建立精细化机电模型的核心动机。
（二）电机-减速机构耦合动态模型
为精准描述电流与最终紧固扭矩间的传递特性，需构建考虑摩擦损耗与电池内阻分压的耦合方程。设电机电磁转矩与q轴电流关系为，其中为转矩常数，但该参数受磁路饱和及温度影响而变化。电机转子运动方程可写为：
式中为折算至电机侧转动惯量，表示库仑与粘滞复合摩擦项，为减速器输出负载扭矩，为减速比。减速器环节存在齿隙非线性，当输出扭矩发生反向或加减速穿越时，因齿轮间隙角存在，扭矩传递出现滞后。该非线性可视为通过死区模型近似：
此外，电池端电压与内阻受荷电状态约束，当电机需求功率突增时，端电压瞬时跌落可能导致逆变器输出电压饱和，进而限制电流环响应速率。对样机的阶跃负载测试显示，标准电量下扭矩上升时间为180 ms，但在荷电状态30%时延长至320 ms，且伴随有14%的超调。上述模型结果表明，非受控的理想刚性传递假设在低电量与撞击锁止阶段失效，必须设计自适应的前馈补偿器来补偿内阻压降与齿隙死区。
（三）电池供电波动对扭矩输出的影响诊断
为进一步量化电池瞬态供电能力对扭矩精度的冲击，在JD-DT-1型工程机上进行了变载荷级供电跌落测试。采用M27螺栓为目标靶件，目标扭矩设定为850 N·m。实验在环境温度25℃环境下，分别于满电状态、60%电量状态及20%电量状态各进行50次连续拧紧。采集输出扭矩进行统计，结果如三线表所示。

表1数据揭示出两个关键问题：其一，随着电量下降，平均扭矩出现系统性的负向偏移，低电量下不足目标值达10 N·m以上；其二，标准差显著增大，从12.8 N·m恶化至40.2 N·m，表明重复一致性急剧变差。主要原因在于磷酸铁锂电芯在放电末端极化加剧，瞬间内阻迅速上升至120 mΩ以上，导致脉冲电流供应能力受限。而当电机试图维持目标扭矩而索取大电流时，驱动电压坍塌引发电流环短暂失配，进而造成电机失步与扭矩过冲。该定量诊断结果为后续设计动态电压补偿和电流前馈策略提供了直接的实验依据，验证了必须在电源管理维度介入扭矩闭环控制的必要性。

三、高精度扭矩闭环控制与无线传输优化
（一）多传感器冗余校准与模型预测控制算法

针对前述扭矩控制中存在的齿隙非线性与电压波动敏感性，本文提出一种融合应变扭矩传感器与六轴惯性测量单元信号的双输入冗余校准策略。惯性测量单元安装于扳手手柄末端，用于实时捕捉由人体手臂晃动或变角度作业引起的工具姿态俯仰角和横滚角变化。当扳手主轴未与被紧固螺栓轴线严格共线时，扭矩传感器所测值实际为预紧力矩与侧向弯曲力矩的矢量和。校准算法利用惯性测量单元估计的实时姿态四元数，通过重力矢量分解将弯扭复合应力解耦，并映射出纯扭矩分量的误差修正项。在此基础上，设计离散模型预测控制控制器替代传统PID架构。预测模型采用上一章建立的机电耦合离散状态空间方程，目标函数构造为对跟踪误差与控制增量的加权最小化。扭矩控制模式在扭矩达到设定值90%时自动切换为柔性驻留策略，通过对电机进行高频弱磁微振来消除减速箱齿轮卡滞产生的静摩擦残余扭矩。为验证优化效果，在连续100次M24螺栓固定角度加载测试中，优化后控制器的动态扭矩响应过冲被抑制在1.3%以下，稳态误差波动带限制在±2.5 N·m范围内，表明该策略有效规避了齿隙死区与电源扰动引发的过冲与振荡。
（二）基于Wi-Fi 6与MQTT协议的无线数据架构
为消除作业数据孤岛并实现动态扭矩谱的实时云端同步，在本体控制板上集成了一款低功耗双频Wi-Fi 6模组，并搭建了轻量化的嵌入式消息队列遥测传输协议客户端。该传输架构构建了一种非中心化的星型直连模式，扳手可不经独立网关直接接入现场工业现场总线无线接入点。在应用层，定义了三类服务质量报文：Topic One为“快速周期"报文，传输频率为100 Hz，用于上传实时扭矩、角度与时间戳的十六进制紧凑数组；Topic Two为“事件触发"报文，负责推送拧紧完成事件与峰值扭矩锁定值；Topic Three为“下行远程调用"报文，支持通过预留服务器下发反向指令以远程锁定扳手、刷新固件或更新扭矩配方表。为避免由于车间金属屏蔽效应引起的信号多径衰落，采用正交频分多址调度并结合动态传输功率控制，实测在距离接入点30 m处且存在钢立柱遮挡的工况下，信号接收强度稳定在-65 dBm以上。通过采用基于TLS v1.3加密协议的证书链校验机制，确保配对绑定环节不被伪造控制端劫持。该架构的引入使得每一颗螺栓的拧紧过程不再依靠工人主观判断，而是变成由云端数据库索引的不可篡改的电子化记录。
（三）嵌入式软件与功耗调度设计
为协调高负荷运算与电池续航的矛盾，在实时操作系统中部署了动态电压频率调节驱动的多级功耗策略。扳手软件架构基于前后台双核分工，计算密集型任务如模型预测控制的在线滚动优化与四元数解算运行于主频设置为240 MHz的高性能核心，而无线协议栈、闪存日志写入与按键扫描则单独部署于协处理器上。当扳手在设定时间内未检测到作业扭矩上升沿时，系统自动切入深度待机模式，仅保留唤醒计时器与无线保活，实测待机功耗由工作模式的32 W锐减至1.8 W。对于无线传输，引入了一种感知任务缓存队列的自适应聚合发送机制，当惯导姿态变化率及扭矩变化率均小于阈值时，主动将Topic One的上报频率从100 Hz降频至10 Hz，并在恢复动态操作时以突发脉冲形式补齐缓存数据。此外，在电池荷电状态低于15%时，自动限制最大允许扭矩并强制提示充电，从根本上杜绝因供电裕度不足引发的扭矩异常。该调度设计使得单块6.0 Ah电池在满功率连续打螺栓工况下的作业次数从优化前的180次提升至275次，显著降低了现场更换电池的辅助时间成本。

四、工程案例分析：钢箱梁拼接现场应用验证
（一）应用场景与测试方案

以某城市环线立交匝道新建钢结构连续箱梁高强螺栓连接工程为背景，实施对JD-DT系列优化样机的实地性能评估。本工程内箱梁拼接节点采用10.9S级M24大六角头摩擦型高强螺栓，设计预拉力为225 kN，对应换算扭矩为 920 N·m ± 27 N·m。作业现场作业面处于薄壁箱室内，密闭且多障碍，现有交流电供电不便，同时存在严重的电磁信号多径干扰。为建立基准对比，选取了某品牌进口液压定扭扳手、国内某传统冲击式锂电扳手以及JD-DT优化版三者同组跟踪测试。选取东西走向A匝道第5联第2～4节段，共计480颗螺栓作为被试对象。定义三项核心考核指标：终拧扭矩精度达标率、每颗螺栓拧紧耗时以及无线数据上报的丢包率。测试前，全部扳手均经第三方计量校准。
（二）扭矩性能与效率指标实测
480颗螺栓按3:3:2比例随机分配给JD-DT优化版、液压扳手及传统锂电扳手。实测各组的终拧扭矩数据经正态分布检验后进行统计分析。测试结果汇总于表2。
表2 不同紧固工具现场螺栓扭矩精度与效率对比

表中数据清晰揭示，进口液压扳手虽制程能力指数且无一超差，但其沉重的泵站拖拽和单次拧紧长达数秒的液压保压过程，导致其平均作业节拍为24.5 s，严重压制了现场施工效率。与之相对照，JD-DT优化版在显著提升效率至8.2 s的同时，达标率也高达99.2%，综合效能远超液压方案。反观传统锂电冲击扳手，虽然绝对速度最快，但由于采用开环冲击锤设计，扭矩控制无法收敛，达标率低且存在显著过拧风险，这再次佐证了定扭闭环算法对于大规格螺栓紧固的安全性是不可替代的。
（三）无线数据链路与质量追溯典型问答

测试过程中，JD-DT扳手的全部作业扭矩谱均通过Wi-Fi 6网络发送至现场的边缘计算节点。在整个持续6小时的作业窗口内，无线监控日志显示，终端共发布拧紧结果报文480条，周期性采样报文数万帧，除因某次意外金属碰撞导致2帧丢失外，整体端到端丢包率低于0.04%。由此积累了完整的数字化施工批次记录。在整理数据时，针对工程质检单位关注的质量追溯直接痛点，得出如下澄清性问答：

问：如何确认已上传云端的确切扭矩确实来源于某特定螺栓而未被篡改？
答：本系统基于端侧哈希签名技术实现数据源头防伪。每次拧紧完成瞬间，扳手不仅截取0.5 s内的扭矩爬升峰值，还将扳手自身的序列号、当前时间戳以及经边缘计算卡生成的随机密钥混合计算哈希值，此值随拧紧事件同时写入区块链式日志。云端比对哈希校验不通过即可判定为伪造或异常记录，确保数据与实体螺栓的绑定关系不可否认。
问：在密闭钢箱室内，如何避免因无线信号遮蔽严重导致的数据丢失？答：优化措施有三项：第一，Wi-Fi 6的目标唤醒时间技术为扳手与室外接入点分配了确定的传输窗口，减少了冲突与空口等待；第二，板载缓存设计有先进先出存储队列，当连续3次MQTT发布确认超时，即自动触发本地存储保护，最大可缓存500条完整拧紧记录等待网络恢复后再行补传；第三，在舱室开口处及距离较远的死角部署了无源信号反射板，以改善局部多径效应。

五、结论与展望
本文以成都精炬达电子科技有限公司JD-DT系列紧固载体的工程化升级为背景，系统开展了面向工业4.0的高精度定扭矩与实时无线互联优化研究。研究建立的考虑电池内阻衰减与齿隙非线性的机-电-控制耦合模型，揭示了低电量下扭矩发散的根本原因；提出的惯性冗余校准与模型预测控制复合策略将稳态精度锁定在±3%带宽内；搭建的板载直连MQTT无线架构使扳手原生具备高吞吐率数据透传与双向交互能力，使得施工现场真正实现了扭矩数据的去纸化智联。工程案例充分证明，智能扳手并不必然需要牺牲效率来换取精度，相反，通过算法与通信融合，能在严苛的工业现场对进口重型设备形成并跑优势。本研究现阶段局限于M20-M30大六角头螺栓的单体样机开发，尚未覆盖法兰面螺栓及超高量程应用；并且所构建的Wi-Fi 6架构虽然速度快，但在无覆盖的偏远野外地基安装场景仍需中继方案支持。展望未来工作，拟将功率级芯片进一步升级至碳化硅器件以减小控制板尺寸与发热量，同时开展基于5G专网与时间敏感网络协议的低时延广域协同拧紧研究，探索通过多台扳手主-从联动自动校正钢箱梁跨中拱度等技术前沿，从而为“十四五"期间大型综合交通枢纽及海上风电升压站的全螺栓智能装配提供底层工具链支撑。

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