利用超聲測(cè)量來(lái)估算螺栓中的夾緊力的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在緊固包括螺栓的連接件期間，執(zhí)行所述螺栓中的夾緊力的超聲測(cè)量的方法，并且涉及一種實(shí)施所述方法的緊固裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)螺栓與螺母之間的連接件被緊固時(shí)，產(chǎn)生夾緊力，這將保持連接件緊固。夾緊力是由于螺栓的所謂夾緊長(zhǎng)度變形(即，被拉長(zhǎng))而產(chǎn)生的。通常，緊固操作可以分為兩個(gè)主要階段；在第一階段中，螺栓被螺紋旋入螺母中，而不變形，在第二階段中，構(gòu)建了例如螺栓與螺母之間的連接件，并且在第二階段中螺栓變形。螺栓可以彈性和塑性變形。螺紋旋入階段結(jié)束并且變形階段開(kāi)始的轉(zhuǎn)變點(diǎn)通常被標(biāo)記為緊貼(snug)。
[0003]為了優(yōu)化緊固操作，需要控制在連接件處產(chǎn)生的夾緊力。然而，由于這意味著必須將測(cè)力計(jì)其布置在連接件內(nèi)部，而這是不可能的，所以直接測(cè)量夾緊力是困難的。相反，已經(jīng)研發(fā)了用于間接測(cè)量夾緊力的方法。這樣一種方法包括利用超聲波來(lái)測(cè)量螺栓的伸長(zhǎng)。在其它的方法中，連接件被緊固至某一扭矩，而不是某一夾緊力。
[0004]在超聲方法中，超聲脈沖被傳送至螺栓中，并且監(jiān)控通常被稱作為飛行時(shí)間的響應(yīng)時(shí)間。飛行時(shí)間對(duì)應(yīng)于螺栓的長(zhǎng)度。因而，任何測(cè)量出的飛行時(shí)間的增加對(duì)應(yīng)于螺栓長(zhǎng)度的增加，因此對(duì)應(yīng)于螺栓夾緊力的增加。至少只要螺栓僅彈性變形，飛行時(shí)間就隨著螺栓的伸長(zhǎng)而線性地增加。然而，如果螺栓變形至一定程度，即在某些應(yīng)用中需要開(kāi)始塑性變形，則將構(gòu)建新的線性度。通常，飛行時(shí)間在塑性變形期間以比在彈性變形期間以更低的速度增加。
[0005]超聲方法的問(wèn)題涉及測(cè)量結(jié)果的估算。首先，在緊固操作中達(dá)到緊貼之前，以成本有效和時(shí)間有效的方式來(lái)測(cè)量螺栓中的飛行時(shí)間是困難的。這部分地由于如下的事實(shí):在螺栓被夾緊之前，例如在緊貼之前，難以在超聲儀表與螺栓之間建立足夠良好的接觸。在緊貼之后，螺栓將被夾緊在連接件中，并且將更容易實(shí)現(xiàn)在超聲儀表與螺栓之間的良好接觸。
[0006]實(shí)現(xiàn)良好接觸的常規(guī)方式是將例如采用壓電部件的形式的接觸件與超聲脈沖發(fā)生器結(jié)合在螺栓的頭部中。然而，這是非常昂貴的解決方案，并且這種螺栓將花費(fèi)普通螺栓價(jià)格的至少20倍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目標(biāo)是提供在連接件的緊固期間估算螺栓中的飛行時(shí)間測(cè)量的成本有效和時(shí)間有效的方法。
[0008]這個(gè)目標(biāo)通過(guò)本發(fā)明根據(jù)第一方面和第二方面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0009]根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種在緊固操作期間估算螺栓與相匹配的螺紋件之間的螺紋連接件中的夾緊力的方法，所述方法包括以下步驟:
[0010]-通過(guò)扭矩傳遞裝置來(lái)緊固連接件，
[0011]-測(cè)量在連接件緊固期間提供至連接件的扭矩，以及
[0012]-同時(shí)將超聲脈沖引入螺栓中，并且測(cè)量所述脈沖在所述螺栓中的飛行時(shí)間(TOF) ο所述方法進(jìn)一步地包括以下步驟:
[0013]-響應(yīng)于測(cè)量的扭矩增加，監(jiān)控隨著旋轉(zhuǎn)角度變化的扭矩，以確定扭矩的增加速率，
[0014]-監(jiān)控隨著旋轉(zhuǎn)角變化的超聲脈沖的飛行時(shí)間，以確定飛行時(shí)間的增加速率，
[0015]-基于確定的扭矩的增加速率，確定扭矩根據(jù)螺栓變形而開(kāi)始增加時(shí)的緊固操作的初始旋轉(zhuǎn)角，
[0016]-將緊固操作的所述初始旋轉(zhuǎn)角定義為飛行時(shí)間開(kāi)始增加時(shí)的旋轉(zhuǎn)角，以及
[0017]-基于緊固操作的所述初始旋轉(zhuǎn)角和所述飛行時(shí)間的增加速率來(lái)確定在緊固操作期間飛行時(shí)間總的增加。
[0018]根據(jù)第二個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于緊固包括至少一個(gè)螺栓和相匹配的螺紋件的連接件的緊固裝置，包括扭矩傳遞裝置，所述扭矩傳遞裝置包括:
[0019]-軸，其用于驅(qū)動(dòng)工具實(shí)施，以提供螺栓和相匹配的螺紋件的相互旋轉(zhuǎn)，以及
[0020]-電機(jī)，其用于驅(qū)動(dòng)所述軸，
[0021]其中，緊固裝置進(jìn)一步地包括:
[0022]-扭矩計(jì)，其用于在所述連接件的緊固操作期間，測(cè)量隨著應(yīng)用至螺栓與相匹配的螺紋件之間的連接件的旋轉(zhuǎn)角變化的扭矩，
[0023]-超聲發(fā)射器，其將超聲脈沖引入至少一個(gè)螺栓中，并且測(cè)量所述脈沖在所述螺栓中的飛行時(shí)間，
[0024]-旋轉(zhuǎn)角計(jì)，其用于在所述連接件緊固期間，記錄在至少一個(gè)螺栓與相匹配的螺紋件之間的旋轉(zhuǎn)角(α)，
[0025]其特征在于，緊固裝置包括適用于如下的控制單元:
[0026]-基于測(cè)量的扭矩來(lái)確定隨著旋轉(zhuǎn)角變化的扭矩的增加速率，
[0027]-基于測(cè)量的飛行時(shí)間來(lái)確定隨著旋轉(zhuǎn)角變化的飛行時(shí)間的增加速率，
[0028]-基于確定的扭矩的增加速率，確定扭矩由于螺栓變形而開(kāi)始增加時(shí)的初始旋轉(zhuǎn)角，
[0029]-將所述初始旋轉(zhuǎn)角定義為飛行時(shí)間開(kāi)始增加時(shí)的旋轉(zhuǎn)角，
[0030]-基于所述初始旋轉(zhuǎn)角和所述飛行時(shí)間的增加速率來(lái)確定在緊固操作期間飛行時(shí)間總的增加。
[0031]在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，本發(fā)明的確定扭矩的增加速率的步驟包括以下步驟:監(jiān)控在緊固操作的第一特定旋轉(zhuǎn)角處的第一瞬時(shí)扭矩，和在緊固操作的第二特定旋轉(zhuǎn)角處的后續(xù)第二瞬時(shí)扭矩，并且對(duì)它們執(zhí)行線性近似，并且其中，初始旋轉(zhuǎn)角是從所述線性近似中推斷出的，并且對(duì)應(yīng)于扭矩等于零的角。
[0032]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，確定超聲脈沖的飛行時(shí)間的增加速率的步驟包括以下步驟:監(jiān)控在緊固操作的第一相關(guān)旋轉(zhuǎn)角處的第一瞬時(shí)飛行時(shí)間，和在緊固操作的第二相關(guān)旋轉(zhuǎn)角處的后續(xù)第二瞬時(shí)飛行時(shí)間，并且對(duì)它們執(zhí)行線性近似。
[0033]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，基于飛行時(shí)間總的增加來(lái)估算連接件中構(gòu)建的夾緊力，根據(jù)等式F = kpATOF假設(shè)夾緊力與飛行時(shí)間總的增加成比例，其中，Ic1是依賴于螺栓的幾何結(jié)構(gòu)和材料的螺栓特定常數(shù)。
[0034]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，接下來(lái)計(jì)算夾緊力，緊固操作被控制為在預(yù)定的目標(biāo)夾緊力處終止，并且其中，持續(xù)地監(jiān)控飛行時(shí)間總的增加并且根據(jù)監(jiān)控的飛行時(shí)間的增加持續(xù)地計(jì)算夾緊力。
[0035]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，緊固操作被控制為在預(yù)定的目標(biāo)扭矩處終止，并且其中，監(jiān)控飛行時(shí)間總的增加，使得當(dāng)預(yù)定的目標(biāo)扭矩得以滿足并且緊固操作終止時(shí)可以根據(jù)監(jiān)控的飛行時(shí)間總的增加計(jì)算出夾緊力。
[0036]在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方式中，緊固操作停止在緊固操作的第一相關(guān)旋轉(zhuǎn)角處，在該處測(cè)量超聲脈沖的飛行時(shí)間的第一瞬時(shí)值。
[0037]本發(fā)明的全部【具體實(shí)施方式】可以采用本發(fā)明的方法來(lái)實(shí)施，或者以控制單元可以適合于執(zhí)行的特定步驟而在本發(fā)明的緊固裝置中實(shí)施。
[0038]根據(jù)附圖和所示實(shí)施方式的具體描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。
【附圖說(shuō)明】
[0039]在以下具體描述中參照了所附附圖，在所述附圖中:
[0040]圖1是顯示了在緊固操作期間隨著螺栓與相匹配的螺紋件的相互旋轉(zhuǎn)角α變化的扭矩T的圖；
[0041]圖2是顯示了在緊固操作期間隨著螺栓與相匹配的螺紋件的相互旋轉(zhuǎn)角α的夾緊力F變化的圖；
[0042]圖3示出了螺栓與螺母處于螺紋旋入操作的初始位置處；
[0043]圖4示出了當(dāng)螺母已經(jīng)牢固地夾緊至螺栓時(shí)圖3中的螺栓與螺母；以及
[0044]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施方式的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]在圖1中，示出了根據(jù)本發(fā)明的緊固操作的圖。所述圖示出了在包括第一螺紋件和第二螺紋件的連接件的緊固操作期間，隨著所述第一螺紋件與第二螺紋件之間的旋轉(zhuǎn)角α變化的扭矩Τ。
[0046]在圖3和圖4中，通過(guò)螺栓10和螺母11示例出連接件。在該示例中，螺母11擰在螺栓10上，以?shī)A緊在它們之間的松軟件(spongy piece) 12。這個(gè)圖示是為了說(shuō)明扭矩T和夾緊力F隨著旋轉(zhuǎn)角α變化的一個(gè)實(shí)際的緊固操作的簡(jiǎn)圖。在圖3中，螺母11處于與螺栓10松動(dòng)的狀態(tài)，而在圖4中，螺母11 一直螺紋旋入目標(biāo)轉(zhuǎn)換角a ，其對(duì)應(yīng)于期望的目標(biāo)夾緊力Fg標(biāo)。
[0047]如在圖1的圖示中可以看出，當(dāng)螺母11螺紋旋入螺栓10上時(shí)，扭矩T在緊固操作的初始階段A期間接近零。在該第一階段A期間，扭矩T僅依賴于螺栓10與螺母11之間的摩擦。一旦螺母11擰入以接觸松柔件12 (即在旋轉(zhuǎn)角a C1處)，螺母11的進(jìn)一步移動(dòng)將壓縮松柔件12，使得扭矩T將開(kāi)始增加。在緊固的后續(xù)第二階段B中，松柔件12用作理想的彈簧，使得其有效的“彈力”將與其壓縮成比例地線性增加。因此，連接件中的夾緊力F將在緊固操作的第二階段B期間隨著旋轉(zhuǎn)角α線性增加。在示例性實(shí)施方式中所提供的夾緊力F在于螺栓10的頭部13之間的腰部(未示出)將由于從松柔件12增加的壓力而彈性延伸，其中松柔件12作用于螺栓10的頭部13上。夾緊力F大小將等于松柔件12的彈力，但是方向相反。
[0048]現(xiàn)在，參照?qǐng)D1，由于扭矩T與軸向力和螺栓10的螺距成比例，所以相對(duì)于螺栓10旋轉(zhuǎn)螺母11所需的扭矩T在緊固操作的第二階段B期間也將線性增加。在所示的示例中，螺栓10的螺距沿著螺栓10的整個(gè)長(zhǎng)度是相同的，使得扭矩T沿著螺栓10的整個(gè)長(zhǎng)度將與由松柔件12的彈力提供的軸向力線性地成比例。
[0049]可以通過(guò)包括在扭矩傳遞裝置中的扭矩計(jì)來(lái)持續(xù)地監(jiān)控扭矩T。扭矩傳遞裝置可以是扭矩扳手或者電動(dòng)工具，比如螺母擰緊器?？梢钥刂瞥蛱囟ǖ哪繕?biāo)扭矩Tg#的緊固，這是本領(lǐng)域中慣用的。通常，需要在連接件中實(shí)現(xiàn)某一目標(biāo)夾緊力Fgs，而不是特定的目標(biāo)扭矩Tgs。然而，問(wèn)題在于不可能通過(guò)扭矩傳遞裝置來(lái)直接測(cè)量夾緊力F。而夾緊力F或者從測(cè)量的扭矩T中估算出來(lái)，或者例如通過(guò)超聲脈沖間接測(cè)量出來(lái)。
[0050]在本發(fā)明中，通過(guò)測(cè)量超聲脈沖在螺栓10中的飛行時(shí)間TOF來(lái)間接測(cè)量夾緊力F。超聲脈沖的飛行時(shí)間TOF對(duì)應(yīng)于超聲脈沖穿過(guò)螺栓10并返回所花費(fèi)的時(shí)間。因此，飛行時(shí)間TOF表示螺栓的長(zhǎng)度。因此，飛行時(shí)間總的增加ATOF對(duì)應(yīng)于螺栓的彈性部分根據(jù)已知關(guān)系(依賴于螺栓的幾何結(jié)構(gòu)和組成)的延伸。實(shí)際上，飛行時(shí)間總的增加ATOF不僅僅依賴于螺栓的延伸。另外，其還依賴于螺栓10中引入的張力，使得材料中增加的張力產(chǎn)生對(duì)于超聲脈沖的增加的飛行時(shí)間TOF。對(duì)應(yīng)于材料中增加的張力或者對(duì)應(yīng)于螺栓的延伸的飛行時(shí)間總的增加ATOF的多少的關(guān)系分別是螺栓特定的，并且針對(duì)每種特定的螺栓類型可能必須憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)測(cè)試，但是其不需要針對(duì)特定類型的每個(gè)螺栓進(jìn)行測(cè)試。通常，飛行時(shí)間總的增加ATOF的三分之一對(duì)應(yīng)于螺栓的實(shí)際延伸，而其余的三分之二對(duì)應(yīng)于材料中增加的張力。
[0051]在圖2中，示出了在緊固操作期間隨著第一螺紋件與第二螺紋件之間的相互旋轉(zhuǎn)角變化的連接件中的夾緊力F。夾緊力F直接與飛行時(shí)間總的增加ATOF成比例。測(cè)量飛行時(shí)間TOF的問(wèn)題在于，由于難以確定出飛行時(shí)間TOF開(kāi)始增加時(shí)的旋轉(zhuǎn)角，所以不能明顯地得知