利用超声测量来估算螺栓中的夹紧力的方法和装置

摘要

一种在紧固操作期间估算螺栓与相匹配的螺纹件之间的螺纹连接件中的夹紧力(F)的装置和方法。持续地测量提供至连接件的扭矩(T)，并且同时将超声脉冲引入螺栓中，使得可以测量所述脉冲在所述螺栓中的飞行时间(TOF)。响应于测量的扭矩(T)的增加，根据扭矩(T)由于螺栓变形而开始增加时的初始旋转角(α0)确定扭矩(T)的增加速率(dT/dα)。另外，确定飞行时间(TOF)的增加速率(dTOF/dα)。然后，基于所述初始旋转角(α0)和所述飞行时间(TOF)的增加速率(dTOF/dα)可以在紧固操作期间确定飞行时间总的增加(ΔTOF)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在紧固包括螺栓的连接件期间，执行所述螺栓中 的夹紧力的超声测量的方法，并且涉及一种实施所述方法的紧固装置。

背景技术

当螺栓与螺母之间的连接件被紧固时，产生夹紧力，这将保持连 接件紧固。夹紧力是由于螺栓的所谓夹紧长度变形(即，被拉长)而 产生的。通常，紧固操作可以分为两个主要阶段；在第一阶段中，螺 栓被螺纹旋入螺母中，而不变形，在第二阶段中，构建了例如螺栓与 螺母之间的连接件，并且在第二阶段中螺栓变形。螺栓可以弹性和塑 性变形。螺纹旋入阶段结束并且变形阶段开始的转变点通常被标记为 紧贴(snug)。

为了优化紧固操作，需要控制在连接件处产生的夹紧力。然而， 由于这意味着必须将测力计其布置在连接件内部，而这是不可能的， 所以直接测量夹紧力是困难的。相反，已经研发了用于间接测量夹紧 力的方法。这样一种方法包括利用超声波来测量螺栓的伸长。在其它 的方法中，连接件被紧固至某一扭矩，而不是某一夹紧力。

在超声方法中，超声脉冲被传送至螺栓中，并且监控通常被称作 为飞行时间的响应时间。飞行时间对应于螺栓的长度。因而，任何测 量出的飞行时间的增加对应于螺栓长度的增加，因此对应于螺栓夹紧 力的增加。至少只要螺栓仅弹性变形，飞行时间就随着螺栓的伸长而 线性地增加。然而，如果螺栓变形至一定程度，即在某些应用中需要 开始塑性变形，则将构建新的线性度。通常，飞行时间在塑性变形期 间以比在弹性变形期间以更低的速度增加。

超声方法的问题涉及测量结果的估算。首先，在紧固操作中达到 紧贴之前，以成本有效和时间有效的方式来测量螺栓中的飞行时间是 困难的。这部分地由于如下的事实：在螺栓被夹紧之前，例如在紧贴 之前，难以在超声仪表与螺栓之间建立足够良好的接触。在紧贴之后， 螺栓将被夹紧在连接件中，并且将更容易实现在超声仪表与螺栓之间 的良好接触。

实现良好接触的常规方式是将例如采用压电部件的形式的接触件 与超声脉冲发生器结合在螺栓的头部中。然而，这是非常昂贵的解决 方案，并且这种螺栓将花费普通螺栓价格的至少20倍。

发明内容

本发明的目标是提供在连接件的紧固期间估算螺栓中的飞行时间 测量的成本有效和时间有效的方法。

这个目标通过本发明根据第一方面和第二方面来实现的。

根据第一方面，本发明涉及一种在紧固操作期间估算螺栓与相匹 配的螺纹件之间的螺纹连接件中的夹紧力的方法，所述方法包括以下 步骤：

-通过扭矩传递装置来紧固连接件，

-测量在连接件紧固期间提供至连接件的扭矩，以及

-同时将超声脉冲引入螺栓中，并且测量所述脉冲在所述螺栓中的 飞行时间(TOF)。所述方法进一步地包括以下步骤：

-响应于测量的扭矩增加，监控随着旋转角度变化的扭矩，以确定 扭矩的增加速率，

-监控随着旋转角变化的超声脉冲的飞行时间，以确定飞行时间的 增加速率，

-基于确定的扭矩的增加速率，确定扭矩根据螺栓变形而开始增加 时的紧固操作的初始旋转角，

-将紧固操作的所述初始旋转角定义为飞行时间开始增加时的旋 转角，以及

-基于紧固操作的所述初始旋转角和所述飞行时间的增加速率来 确定在紧固操作期间飞行时间总的增加。

根据第二个方面，本发明涉及一种用于紧固包括至少一个螺栓和 相匹配的螺纹件的连接件的紧固装置，包括扭矩传递装置，所述扭矩 传递装置包括：

-轴，其用于驱动工具实施，以提供螺栓和相匹配的螺纹件的相互 旋转，以及

-电机，其用于驱动所述轴，

其中，紧固装置进一步地包括：

-扭矩计，其用于在所述连接件的紧固操作期间，测量随着应用至 螺栓与相匹配的螺纹件之间的连接件的旋转角变化的扭矩，

-超声发射器，其将超声脉冲引入至少一个螺栓中，并且测量所述 脉冲在所述螺栓中的飞行时间，

-旋转角计，其用于在所述连接件紧固期间，记录在至少一个螺栓 与相匹配的螺纹件之间的旋转角(α)，

其特征在于，紧固装置包括适用于如下的控制单元：

-基于测量的扭矩来确定随着旋转角变化的扭矩的增加速率，

-基于测量的飞行时间来确定随着旋转角变化的飞行时间的增加 速率，

-基于确定的扭矩的增加速率，确定扭矩由于螺栓变形而开始增加 时的初始旋转角，

-将所述初始旋转角定义为飞行时间开始增加时的旋转角，

-基于所述初始旋转角和所述飞行时间的增加速率来确定在紧固 操作期间飞行时间总的增加。

在本发明的具体实施方式中，本发明的确定扭矩的增加速率的步 骤包括以下步骤：监控在紧固操作的第一特定旋转角处的第一瞬时扭 矩，和在紧固操作的第二特定旋转角处的后续第二瞬时扭矩，并且对 它们执行线性近似，并且其中，初始旋转角是从所述线性近似中推断 出的，并且对应于扭矩等于零的角。

在本发明的另一个实施方式中，确定超声脉冲的飞行时间的增加 速率的步骤包括以下步骤：监控在紧固操作的第一相关旋转角处的第 一瞬时飞行时间，和在紧固操作的第二相关旋转角处的后续第二瞬时 飞行时间，并且对它们执行线性近似。

在本发明的另一个实施方式中，基于飞行时间总的增加来估算连 接件中构建的夹紧力，根据等式F＝k_1*ΔTOF假设夹紧力与飞行时间 总的增加成比例，其中，k₁是依赖于螺栓的几何结构和材料的螺栓特 定常数。

在本发明的一个实施方式中，接下来计算夹紧力，紧固操作被控 制为在预定的目标夹紧力处终止，并且其中，持续地监控飞行时间总 的增加并且根据监控的飞行时间的增加持续地计算夹紧力。

在本发明的另一个实施方式中，紧固操作被控制为在预定的目标 扭矩处终止，并且其中，监控飞行时间总的增加，使得当预定的目标 扭矩得以满足并且紧固操作终止时可以根据监控的飞行时间总的增加 计算出夹紧力。

在本发明的又一个实施方式中，紧固操作停止在紧固操作的第一 相关旋转角处，在该处测量超声脉冲的飞行时间的第一瞬时值。

本发明的全部具体实施方式可以采用本发明的方法来实施，或者 以控制单元可以适合于执行的特定步骤而在本发明的紧固装置中实 施。

根据附图和所示实施方式的具体描述，本发明的其他特征和优点 将是明显的。

附图说明

在以下具体描述中参照了所附附图，在所述附图中：

图1是显示了在紧固操作期间随着螺栓与相匹配的螺纹件的相互 旋转角α变化的扭矩T的图；

图2是显示了在紧固操作期间随着螺栓与相匹配的螺纹件的相互 旋转角α的夹紧力F变化的图；

图3示出了螺栓与螺母处于螺纹旋入操作的初始位置处；

图4示出了当螺母已经牢固地夹紧至螺栓时图3中的螺栓与螺母； 以及

图5示出了根据本发明的方法的实施方式的框图。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的紧固操作的图。所述图示出了在 包括第一螺纹件和第二螺纹件的连接件的紧固操作期间，随着所述第 一螺纹件与第二螺纹件之间的旋转角α变化的扭矩T。

在图3和图4中，通过螺栓10和螺母11示例出连接件。在该示 例中，螺母11拧在螺栓10上，以夹紧在它们之间的松软件(spongy  piece)12。这个图示是为了说明扭矩T和夹紧力F随着旋转角α变化 的一个实际的紧固操作的简图。在图3中，螺母11处于与螺栓10松 动的状态，而在图4中，螺母11一直螺纹旋入目标转换角α_目标，其对 应于期望的目标夹紧力F_目标。

如在图1的图示中可以看出，当螺母11螺纹旋入螺栓10上时， 扭矩T在紧固操作的初始阶段A期间接近零。在该第一阶段A期间， 扭矩T仅依赖于螺栓10与螺母11之间的摩擦。一旦螺母11拧入以接 触松柔件12(即在旋转角α₀处)，螺母11的进一步移动将压缩松柔件 12，使得扭矩T将开始增加。在紧固的后续第二阶段B中，松柔件12 用作理想的弹簧，使得其有效的“弹力”将与其压缩成比例地线性增 加。因此，连接件中的夹紧力F将在紧固操作的第二阶段B期间随着 旋转角α线性增加。在示例性实施方式中所提供的夹紧力F在于螺栓 10的头部13之间的腰部(未示出)将由于从松柔件12增加的压力而 弹性延伸，其中松柔件12作用于螺栓10的头部13上。夹紧力F大小 将等于松柔件12的弹力，但是方向相反。

现在，参照图1，由于扭矩T与轴向力和螺栓10的螺距成比例， 所以相对于螺栓10旋转螺母11所需的扭矩T在紧固操作的第二阶段B 期间也将线性增加。在所示的示例中，螺栓10的螺距沿着螺栓10的 整个长度是相同的，使得扭矩T沿着螺栓10的整个长度将与由松柔件 12的弹力提供的轴向力线性地成比例。

可以通过包括在扭矩传递装置中的扭矩计来持续地监控扭矩T。 扭矩传递装置可以是扭矩扳手或者电动工具，比如螺母拧紧器。可以 控制朝向特定的目标扭矩T_目标的紧固，这是本领域中惯用的。通常， 需要在连接件中实现某一目标夹紧力F_目标，而不是特定的目标扭矩T_目标。然而，问题在于不可能通过扭矩传递装置来直接测量夹紧力F。而 夹紧力F或者从测量的扭矩T中估算出来，或者例如通过超声脉冲间 接测量出来。

在本发明中，通过测量超声脉冲在螺栓10中的飞行时间TOF来 间接测量夹紧力F。超声脉冲的飞行时间TOF对应于超声脉冲穿过螺 栓10并返回所花费的时间。因此，飞行时间TOF表示螺栓的长度。 因此，飞行时间总的增加ΔTOF对应于螺栓的弹性部分根据已知关系 (依赖于螺栓的几何结构和组成)的延伸。实际上，飞行时间总的增 加ΔTOF不仅仅依赖于螺栓的延伸。另外，其还依赖于螺栓10中引入 的张力，使得材料中增加的张力产生对于超声脉冲的增加的飞行时间 TOF。对应于材料中增加的张力或者对应于螺栓的延伸的飞行时间总 的增加ΔTOF的多少的关系分别是螺栓特定的，并且针对每种特定的 螺栓类型可能必须凭经验来测试，但是其不需要针对特定类型的每个 螺栓进行测试。通常，飞行时间总的增加ΔTOF的三分之一对应于螺 栓的实际延伸，而其余的三分之二对应于材料中增加的张力。

在图2中，示出了在紧固操作期间随着第一螺纹件与第二螺纹件 之间的相互旋转角变化的连接件中的夹紧力F。夹紧力F直接与飞行 时间总的增加ΔTOF成比例。测量飞行时间TOF的问题在于，由于难 以确定出飞行时间TOF开始增加时的旋转角，所以不能明显地得知飞 行时间总的增加ΔTOF。这是由于当以低扭矩拧螺栓时，在超声发射器 与螺栓的头部之间构建需要的、可靠的连接是困难的。

因此，在对应于第一相关旋转角α’₁的旋转角处测量飞行时间的第 一测量值TOF₁，所述旋转角的位置超过紧贴并且在紧固操作的第二阶 段B内。即，在这个旋转角处，连接已在超声发射器与螺栓的头部之 间实现。在本发明的具体实施方式中，紧固操作甚至可以停止片刻， 以确保飞行时间的第一测量值TOF₁将被正确地测量。飞行时间的第一 测量值TOF₁对应于在第一相关旋转角α’₁处的夹紧力F₁。因此在这个 点处将不可能正确地估算出实际的夹紧力F₁。如上所述，这是由于这 样的事实：对应于螺栓10的长度的初始飞行时间TOF₀在其由于伸长 而变形之前是未知的。另一方面，一旦建立了连接，将可能持续地监 控飞行时间TOF的增加以及相应的夹紧力F。换言之，将可以推断出 随着旋转角α变化的飞行时间TOF的增加速率dTOF/dα。

本发明提出了一种获得初始飞行时间TOF₀而不必测量它的方法。 即，通过利用扭矩T的测量，可以推断出螺栓的弹性变形的初始旋转 角α₀，因为这个初始旋转角α₀对应于扭矩T和夹紧力F开始线性增加 时的旋转角。初始旋转角α₀可以通过推断随着旋转角α变化的扭矩T 的曲线来获得。初始旋转角α₀是螺栓的弹性变形开始时的旋转角，并 且相应地是扭矩T等于零时的旋转角。

在本发明的具体实施方式中，本发明的方法包括以下步骤：

(1)响应于测量扭矩T的增加，监控在第一特定旋转角α₁处的 第一瞬时扭矩T₁，并且监控在第二特定旋转角α₂处的后续第二瞬时扭 矩T₂，以确定出扭矩T的增加速率dT/dα。

(2)监控在第一相关旋转角α’₁处的超声脉冲的飞行时间的第一 瞬时值TOF₁，并且监控在第二相关旋转角α’₂处的飞行时间的后续第 二瞬时值TOF₂，以确定出飞行时间TOF的增加速率dTOF/dα。应当 注意的是，在其处监控飞行时间TOF的相关旋转角α’₁、α’₂可能与在 其处测量扭矩T的特定旋转角α₁、α₂相同或不同。在图2中，图示了 随着旋转角α变化的夹紧力F而不是飞行时间TOF。这是可能的，因 为夹紧力F直接与飞行时间总的增加时间ΔTOF成比例。因此，示出 随着旋转角α变化的飞行时间TOF的曲线将是相同的，除了曲线的斜 率及其沿着Y轴的位置不同之外。然而，在图2中所示的曲线中，这 些不同之处不是明显的，因为仅示出坐标轴而没有幅值，使得既没有 示出曲线的实际斜率，也没有示出沿着Y轴的曲线位置。

(3)确定紧固操作的初始旋转角α₀，在该处扭矩随着螺栓变形而 开始增加。在所示的示例中，通过假设曲线是线性的来完成，使得可 以通过从两个旋转角[α₂,T₂]和[α₁,T₁]中向后推断曲线而查找初始旋转 角α₀。在本发明的其它配置中，扭矩T可以具有相对于旋转角α的另 一种依赖关系。然而，在大部分情况下，扭矩T将相对于旋转角α线 性增加，使得扭矩T的增加速率dT/dα将是恒定的。

(4)紧固操作的初始旋转角α₀被定义为飞行时间TOF开始增加 时的旋转角，以确定出在紧固操作期间飞行时间总的增加ΔTOF。可以 直接从螺栓特定系数和飞行时间总的增加ΔTOF中推断出在连接件中 的夹紧力F。

根据以上本发明的方法，紧固操作可以控制为朝向特定的目标夹 紧力F_目标。在图5中呈现出本发明方法的具体实施方式。如图1和图 2中所示，还可以推断出紧固操作应当终止时的目标旋转角α_目标。可以 确定出目标旋转角α_目标，而不需要将初始旋转角α₀定义为飞行时间 TOF开始增加时的旋转角的步骤。相反，可以基于扭矩T和夹紧力F 分别随着旋转角α增加时的速率差，以及扭矩T的瞬时值来计算出夹 紧力F。

在本发明的具体实施方式中，其足以监控随着旋转角α变化的飞 行时间TOF的增加速率，或者监控随着旋转角α变化的扭矩T的增加 速率。即，如果随着旋转角α变化的飞行时间TOF的增加速率dTOF/dα 和扭矩T的增加速率dT/dα已知，则将足以得知在一个特定的旋转角α’ 处的扭矩T，以从飞行时间TOF的瞬时值中推断出夹紧力F。这是可 能的，因为已知根据等式(1)F＝k₁*TOF，夹紧力F直接与飞行时 间TOF成比例，其中，k₁是依赖于螺栓的几何结构和组成的螺栓特定 常数。进一步地，根据等式(2)F＝k₂*T，夹紧力F与扭矩T成比 例，其中，k₂等于dF/dα除以dT/dα之比。

从以上等式中得出结论，将可以从在特定角α处监控的扭矩值T_α或者监控的飞行时间值TOF_α中推断出在角α处的夹紧力F_α。因此， 原则上将可以通过监控飞行时间TOF或者扭矩值T来推断紧固，并且 从以上等式(1或2)的两者之一来估算出夹紧力F。

不管使用哪种具体方法，可以在整个紧固操作中重新估算目标夹 紧力F_目标。例如，可以包括除了确定各自曲线的斜率所需的两个旋转 角之外的进一步的特定旋转角，以在紧固操作期间尽可能准确地确定 出瞬时夹紧力F和目标夹紧力F_目标。

以上，已经参照一个具体的实施方式描述了本发明。然而，本发 明不限于这个实施方式。对于本领域的技术人员来说显然的是，在由 所附权利要求所限定的本发明的范围内的其它的实施方式也是可行 的。