CN1008249B - 拧紧和松开螺纹连接的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明这种装置使拧螺旋过程准确度高，易调节并能达到规定的夹紧和保证多个螺纹连接的均匀性。本发明装置手工操作轻松，能用于多位装置，它还能做成组合式结构并安装在人手不易触及的地方。

本发明的任务可这样来完成：激发螺栓使之发生纵向振荡，测量其固有频率，并在拧螺旋过程中用激励频率去追踪可变的固有频率(所耗能量极小)，从而使螺栓进入持久的共振状态。

Description

本发明涉及拧紧和松开螺纹连接的一种方法和一种装置。这种装置可用于机器设备及类似的机械结构中，在这些机构中螺纹连接经常需要传递很大的力;同样，本发明的装置也可用于例如精密机械领域，在这种机构中复杂的螺纹连接经常要求很高的均匀性，而且在加载时也要十分精细。

许多拧紧和松开螺纹连接的装置已经公知，这些装置因所用驱动类型不同、传递力和运动的种类及方式不同、以及手工操作或其它方面不同而各不相同。这些装置按其工作原理大体上可分成以下三种：动力式螺钉（螺栓）、冲击式螺钉（螺栓）和那种借振荡以减少滑动表面或螺纹表面之间摩擦阻力的螺钉（螺栓）。动力式螺钉（螺栓）的工作方式很象手工拧螺旋过程，它通过杆杠把作用力传递到螺母扳手或类似的工具上，所不同的只是它用机械力代替人力，而这种机械力可以由电动的、气动的或液压的驱动装置产生。DE-OS2529818和DD-WP62789给出了采用这种工作原理的一些结构，而它们之间的主要区别在于，把作用力传递到需要转动的螺钉（螺栓）上时所用的构件有所不同。前一份专利文献中用的是夹紧带，而后一份专利文献中用的却是棘爪和制动环的组合。

冲击式螺钉（螺栓）的拧螺旋过程是这样实现的，即把一个冲击式转动构件的快速冲击施加于要拧动的螺母及其类似物之上。这样做可以把这个构件的脉冲能量转变为螺母的颤动。所谓高频冲击式螺钉 （螺栓）（它由交流电驱动）就是用高达约500赫兹的冲击频率进行工作的。

上面曾提到过的各种驱动方式都可以用于冲击式螺钉（螺栓），但人们经常使用的还是电力驱动，它首先通过连接两头的液压或气动机构再产生旋转的冲击运动。DE-OS3231902公开了与此有关的一个实施例。

由于这种冲击式螺钉（螺栓）的驱动方式产生令人不快的振动和噪音，所以长时间用这种方式进行手工作业会带来严重身心负担。与动力式螺钉（螺栓）相比，这种设备质量较大（相对产生的最大转矩而言），因此，这种设备若作为手工设备使用，则只能用在转动力矩较小的工作范围内。

此外，也不可能给出一个确定的转矩极限值，因为表面状况、摩擦材料的种类以及由于振动而导致摩擦系数下降等因素恰恰会在终端负载范围内，对产生转动所必需的力矩施加一个很大的影响。为满足冲击运动的需要，设备必须具有较大的结构，与此同时，对许多另部件的磨损强度提出了较高的要求。

在很多实际应用场合都希望所有的螺纹连接能具有确定的且均匀的夹紧力，而自动化设备则对每个装置在转矩断开的一致性方面提出了很高的要求，用例如滑动连接方式是不能达到这种要求的。

DE-OS2835382描述了一种开关板，它可用来把冲击式螺钉（螺栓）（它由电动机驱动且转数可控制）的转矩断开，从这个开关板上可以看出，在它的负载电阻上分接了一个与电动机负载成正比的电压，在冲击螺钉（螺栓）的过程中电流在积分器中叠加起来，其终值可用来作为所接受冲击能量的度量，而与此能量成正比的电压 可在一个比较器内与给定值进行比较，如果超过给定值，电动机的供电就会中断。

这种开关板虽然可用来断开具有最大超转矩（这个超转矩与供给最后一次冲击的能量相当）的拧螺旋过程，但这样做却并不会补偿或消除那些由摩擦力（这个摩擦力与表面状况、材料性质以及拉力大小有关）引起的消极因素。因此，只有通过经常性的校对，才有可能获得较高的准确度，这需要掌握所有的有关因素以及它们的变化情况，例如仅当螺母的支撑面发生变化就足以引起其它情况的变化。

DE-OS2354346描述了第三种方法，这是一种在频率范围4-60千赫之间的振动。按这种方法，在拧紧螺旋时可将振动能量施加于所用的工具、螺钉（螺栓）或者某一个需要连接的结构构件之上，而这种振动的频率是预先选择好的。

虽然用这种方法可使摩擦阻力以及由这种摩擦阻力所导致的转动力矩非常明显地降低，但它却具有以下缺点：即转矩作为一个非直接测量值不能用来对螺栓拉应力进行度量。由此也可看到，关于拉应力的论述以及关于大多数拧螺旋过程有可能达到其目标值的论述，不可能从这篇公开说明书中找到。也许这里所牵涉到的这些问题本身，正好就是该装置和方法未能很好推广使用的主要原因之所在。

本发明的目的是创造一种拧紧或松开螺纹连接的方法，它适用于多种螺纹连接，即使螺纹连接的螺旋力在数量级上差别很大，用这种方法也能达到同样高的精确度，特别是它能在均匀地同时拧紧多个螺纹连接的过程中实现准确的控制。此外，本发明还创造了一种完成上述方法的装置，它可以做成多位装置，使用这种装置时手工操作轻松安全，并能使流水作业的成本降低。

本发明的任务在于，提供一种拧紧和松开螺纹连接的方法和装置，它能保证节约拧螺旋时所用的能量，并实现准确的控制，它对各种结构材料提出的要求也不过分高。本发明提出的装置结构紧凑、坚固耐用，在适应不同螺纹连接和螺旋力时做法也十分简单。

这个任务将按本发明由下列做法来完成：激发螺栓或类似物使之产生纵向振荡，测量其固有频率，并在拧螺旋过程中用激励频率去追踪可变的固有频率，从而使螺栓进入持久的共振状态。在这种情况下螺栓的固有频率可用来作为对其应力的度量，这个应力可用一个振荡传感器来进行测量。与螺栓头部、螺母或螺栓或振荡传递体相接触的振荡器，可以作为压电元件来使用，它与一个交变电压发生器相连，这个交变电压发生器的另一端与一个微分器相连。此外，微分器也与振荡传感器相连并能反馈到交变电压发生器上。最好用一个组合式振荡-传感器构件来进行工作，这个构件既是振荡器，又是振荡传感器，它的形状可做成压电垫圈样。

用压电马达来驱动拧螺旋过程具有特殊的优越性，这种马达是用与激励频率或螺栓的固有频率相同的频率来控制的。为了能均匀地同时拧紧多个螺纹连接，可把一个装置当作传导装置使用，它的振荡器能为其它装置提供一个能滑动的给定值。

能完成均匀地拧紧螺纹连接的另一个方案是：驱动拧螺旋过程，使之首先达到第一个给定值，这个给定值与所选预应力值相当，当所有螺纹连接均达到这个给定值之后，继续通过另一个阶段式给定值来转动螺旋，并使之达到最终给定值，这个最终给定值与螺栓所要达到的应力相当。

只要螺栓的固有频率在不转动螺栓后不再发生改变，而且也没有 达到与螺栓所要达到的应力值相当的数值，那么在拧紧螺旋的过程中，激励频率可以连续提高，也可以间歇式地增加。此外，这样做还能使为驱动器而设置的热电偶，在转动螺旋时也不超过其规定的（也即所要求的）最大工作范围。

以下本发明将就一个实施例，并依据附图来进行详述。

图1    法蓝连接及放在法蓝上的一个压电式驱动器。这种法蓝连接具有一个组合式振荡传感构件，它装在螺母与法蓝之间。

图2    带有旋转式驱动装置的盖式振荡器，它可分开来连接，

图3    本发明装置的基本线路图，

图4    与公用定值器相连的多位装置，

图5    具有总控制部分和程序选择开关的多个装置。

本发明装置可适用于多方面的需要，例如可传递大小不同的力，也可用于高技术领域（如与机器人有关的技术）。因为这种装置坚固耐用、结构紧凑及手工操作轻松可靠，所以它也适合于在施工现场使用;它可用电动机驱动，也可用手工来驱动。

图1所示为一种法蓝连接，它具有一个装在螺母4和法蓝6之间的环形压电元件2，或称压电振荡器，它是一种组合式振荡-传感器构件，也就是说，压电元件2不仅应作为振荡器、而且也应作为传感器来进行工作。压电元件2具有能量和信号线3，它与控制电路相连。如果压电元件2仅仅作为振荡器起作用，那么还应该装上一个分离式振荡传感器12或13，这种传感器能接受要测量的振荡并向控制电路提供测量信号。这种的配置可以定义为立体分离式振荡-传感器构件。在这种配置中并非一定要用振荡传感器12或13，例如也可采用在螺栓1的栓体贴电阻应变片的办法。正如在图1中所示的那样， 螺母4的旋转运动以及由此而引起的螺纹连接的拧紧和松开过程，都可以用电力驱动的方式来完成。这里所说的电动机驱动方式是指压电机械式旋转驱动。这种电动机的外壳实际上就等于是套筒扳手的套筒9，套筒9的下部可做成内多角形，它可以更换，以适应尺寸大小不一的扳手。

在套筒9和铁粉心10之间装有旋转振荡器8。连接体11沿轴向压在铁粉心10上，连接体11突出在套筒9之上，根据不同需要它可作为紧固支体（即承受扳手扭矩的支承体）用来完成手工拧紧从而使连接达到预应力要求，也可以再在它上面放上铁粉体从而使电枢铁粉量得以提高。

图2所示为组合式振荡-传感器构件的另一种形式。由于两法蓝17、18靠得很近，而另一端螺纹（图中未画出）又不和它们相接触，所以在这种情况下不能按装分离式振荡传感器。因此，有必要在螺母4和法蓝6之间（如图1），或者在套筒9底面和振荡传递体14之间（如图2）使用组合式振荡-传感器构件。后一种形式涉及到一种盖式振荡器，它装在螺钉头15的上面。在这里压电元件19是一个压电振荡器，它同样也起着振荡器和传感器的作用。在此例中连接体11也能满足前面所述的需要，而且在必要时它还可以用来完成分离式驱动。当然，也可采用一些与盖式振荡器相连的结构组合（图1中未表示出来），这在许多自动化过程中是很必要的。

因此，本发明还给出了振荡器、传感器和驱动器的一些主要形式。它们是本发明装置的一部分，也可以按照螺纹连接具体接触形式把它们组成立体式构件，其中许多构件可以装在挠性框架上（用于某些自动化过程），也可以通过电缆与其余装置相连接。

图3所示为采用组合式振荡-传感器构件时装置的基本线路图，它满足线路要求的最基本条件。压电元件2经过能量和信号线3与交变电压发生器21（它的频率和功率可变）相连，它使压电元件2处于振荡状态。为了使尺寸规格极不相同的螺纹连接，只用一种交变电压发生器21便可以工作，则发生器必须具备很宽的频率范围，即应从大约50赫兹到5.10³兆赫。交变电压发生器实际使用的功率也要求能适应这种变化很大的情况，也就是说，如果铁粉振荡能力越大，螺纹连接的压力越大，固有频率越大，那么发生器的功率也要越大。

交变电压发生器21的一端与作为振荡传感器的压电元件2相连，另一端通过信号线25与微分器22相连，这样做便构成测量部分的电路。如果振荡-传感器构件是组合式的，那么只用一根信号线就可以了，因为能量和信号线3本身也能在一段支路中起作用，而且也可以经过能量和信号线25，在不同的时间内对固有频率和激励频率进行测量。若使用分离式振荡传感器12，13时，必须在微分器22上附加一段相应的线路，而另一段信号线26可用来完成微分器22向交变电压发生器21的反馈，这样做的目的是为了能对激励频率和激励功率有所影响。在此例中驱动器20和控制电路之间没有受到任何影响。驱动方式可以任选，电动和手动均可。

图4所示为多位装置，它是在单个装置（如上述基本线路图中所示）的基础上构成的。这些单个装置经过一个公用的定值器23彼此相连。由交变电压发生器21经过能量线28，向压电机械式驱动器24提供与压电元件2相同频率的做法，具有显著的优点，因为这样做以后能量效率会特别高。

在采用多位装置（如图5所示）时设备的技术费用可以降低，因 为由若干个驱动器24和压电元件19组成的构件，只要配置一个由交变电压发生器21和微分器22组成的控制电路。能量和信号线29保证了这两种组合体的连接，能量和信号线29可以由程序选择开关30中断。程序选择开关30可以根据事先确定的次序接通有关的部分。若采用分段式给定值，微分器22可经过信号线27由定值器23接通;尽管集中在多位装置中的装置，只有一个在起作用，但在许多装配情况下也能完成足够均匀的拧螺旋过程。

以下就装置的驱动方式和工作情况进行说明：本发明的方法利用了刚性弹性体的一种能力，即当受到足够的激励振荡时，它会在一定范围内周期性地改变其几何尺寸。为了使拧紧和松开螺纹连接的过程变得比较容易进行，总希望螺栓1、螺纹管或类似的部件在拧紧过程中，可在相当大的程度上脱离其受拉应力或压应力作用的状态。可用下面这种简单的方式来做到这一点：激发螺栓1使其发生纵向振荡并进入共振。为此要用振荡器，最好是用压电元件2;19。可以用它们的激励频率来追踪固有频率，而固有频率本身在拧紧过程中会随应力的变化而变化。为了能使螺栓1充分地伸长和缩短，可以提高激励能量，但只要提高到能相当轻松地转动螺母4或螺栓头即可。这种使螺纹连接进入相应的共振状态所需要的功率，仅仅是传统螺纹连接方法和设备所需功率的一小部分。本发明利用的正是这一点，即只要使材料在弹性范围内发生共振，那么工件的尺寸在短时间内便会出现明显有利的改变。根据所传递激励能量的不同，螺栓1在共振频率周期内会产生程度不同的卸载。

因此，在拧紧过程中，在与压电元件2接触的螺纹表面和螺母4的端面之间，在一定程度上有可能会出现一种持续的、相当轻微的滑 动。此外，需要克服的静摩擦力在这种情况下已不再成为一个主要问题，因为当激励力足够强时，几乎有可能完全消除静摩擦。

可用固有频率来作为螺栓1应力的度量，当螺栓1应力成比例增加时，固有频率按级数比例增加。因此，即使精密螺纹连接的应力，也可达到很好的协调值。通过对螺栓1进行校准，可得到应力值与固有频率之间的关系。用由校准曲线确定的给定值，来和拧螺旋过程中会发生变化的固有频率进行比较，便可限制拧螺栓过程。如果通过能量或信号线3、或能量线28供给振动器的能量发生中断，那么螺栓1就会停止振荡;而螺母4也立即就停止不动，这时只有用很大力气才能使它转动。采用本方法的另一个好处是，当细长螺栓1加载时，即使加很大的力也不会使它发生扭曲现象。

为了在超载（例如由于定值器23出现中断）时，能保证螺栓1安全，有以下两种方法可供采用。一是比较依次测出的螺栓固有频率（这种固有频率在超过最大拉力后会强烈下降;另一种方法是把固有频率与交变电压发生器21的激励频率（在微分器22中）进行比较，因为当超过最大加载极限时，微分器22会出现符号交换。在这两种情况下拧紧过程都会立即中止，而超载安全要求也会信号化。在后一种情况下，因为激励频率追踪时有可能出现一个超过固有频率的超振荡，因此激励频率相对来说可以允许有所超越。

一种特别好的驱动方式是用压电马达。这种压电马达是用与螺栓激励频率或固有频率相同的频率来控制的。这能保证驱动器24只在螺栓1处于伸长阶段时才消耗能量，此时只要转动螺母4就可完成工作要求。

鉴于本发明的任务是同时均匀地拧紧多个螺纹连接，因此工作时 采用一个能滑动的给定值（即一个能控制的，且能达到目标值的给定值）比较有利。在这种情况下螺纹连接装置还具有一种传导装置的功能，这种传导装置的振荡频率与滑动给定值相当。只有传导装置才有目标给定值。如精度要求非常高时，除了可滞延漂移速度之外，还可以让下位装置对传导装置提供一个反馈，这样做的结果可以使滑动的给定值只有在所有下位装置都达到瞬时给定值时才会增加。确实很少会作这样的考虑，因为应力的增加是递减的，以致于开始时的应力差通过始终缓慢进行的拧紧过程会很快得到消除。只要传导装置和下位装置之间的漂移量，从总体上讲在时间值t_V＝（0，05…0，2） (n)/(f) 。内可以被确定，那么这些技术条件上的差异，特别是开始拧螺旋时速度上的差异就不会产生什么大的影响。

这里，n-在某一时间间隔内的振荡次数，也就是在此间隔内完成拧螺旋的次数;

f-某一时间间隔开始时的激励频率。

为了能保证较好的报警，应使给定值，也就是目标给定值的未完成状态信号化。本发明现就图4所示方案再作一次总结性的说明。图4所示方案包括了图3所示单个装置的基本线路图。此外，它还在这个基本线路图的基础上利用了组合式振荡-传感器构件（图1和2）以及压电机械式驱动器（图1）。另外还预先给出了一个简单的分段式给定值，这个给定值首先是作为与某一选定的公用预应力值相当的信号出现，而在所有装置都达到给定值后，它才转成目标给定值。为此，所有装置都经过信号线27与定值器23相连。

交变电压发生器21的最小激励频率可以选择比螺栓的固有频率略低一些。可以通过能量和信号线3来激发压电元件2;19，压电 元件支承在法蓝6上或者支撑在套筒扳手的套筒底面上。振荡经过螺母4或振荡传递体14，传送给螺栓1，并激发它也发生振荡，与此同时压电机械式驱动器24也由能量线28供电。微分器22由信号线25得到激励频率的测量信号，并把这一信号与螺栓固有频率测量信号（此信号也经过同一信号线25）进行比较，在这种情况下时间继电器（图中未画出）可使交变电压发生器21在非常短的时间内停止工作。被激发起固有振荡的螺栓1，把它的振荡直接或间接地传递给压电元件2;19，并由此给出一个测量信号。如果激励频率与固有频率有差别，那么可以通过信号线26给出一个反馈，为了保持共振，激励频率将变得与固有频率一致。只要达到贮在定值器中的目标值（即预应力的信号），就会出现这种现象。在微分器中可以检查，固有频率在所测时间间隔内是否已经转变成其它的频率。如果没有出现这种情况，那么就不可能产生拧紧过程，因为激励能量还没有达到让螺栓1充分松开的程度。通过信号线26也可实现增加激励能量的反馈。

在这里还有一点应指出，即上述所有为了测量和控制需要而发生的拧紧过程的中断，都只有几分之一秒的时间。

如果所有装置都达到给定值（它与所选预应力相当），那么定值器23会自动转换到目标值上去。用这种简单的方法就可实现非常均匀的拧螺旋过程，即所有的连接在每一瞬间都能均匀地加载。

本发明方法的优点在于：

-能用于尺寸和压力不同的螺纹连接，

-节约能量，

-控制准确。

本发明装置的优点在于：

-能用于多位装置，

-结构紧凑、坚固耐用，

-手工操作轻松安全，

-它的工作频率范围是人所听不到和感觉不到的。

标号明细表

1-螺栓    16-垫圈

2-压电元件    17-法蓝

3-能量和信号线    18-法蓝

4-螺母    19-压电元件

5-螺母    20-驱动器

6-法蓝    21-交变电压发生器

7-法蓝    22-微分器

8-旋转振荡器    23-定值器

9-套筒扳手的套筒    24-驱动器（压电机械式）

10-铁粉心    25-信号线

11-连接体    26-信号线（反馈）

12-振荡传感器    27-信号线

13-振荡传感器    28-能量线

14-振荡传递体    29-能量和信号线

15-螺钉头    30-程序选择开关

Claims (10)

1、一种用振荡能量来拧紧或松开螺纹连接的方法，螺栓或螺母最好由电动机转动，其特征在于：激发螺栓(1)使之发生纵向振荡，测量其固有频率，并在拧螺旋过程中用激励频率去追踪可变的固有频率，从而使螺栓(1)进入共振状态，所施加的激励能量应能使螺栓(1)在产生最大伸长或收缩的状态下在很大程度上脱离拉应力或压应力的作用。

2、按权利要求1的方法，其特征在于：固有频率可用来作为对螺栓（1）应力的度量，可将它与一个给定值（它与事先确定的最终应力值相当）进行比较，当固有频率达到给定值时可停止激发，拧螺旋的过程也因此停止。

3、按权利要求1的方法，其特征在于：为进行拧螺旋过程，可用一个其频率与螺栓（1）激励频率或固有频率相同的压电马达来操纵。

4、按权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于：为了能同时均匀地拧紧至少两个螺纹连接，一种完成本方法的装置可作为传导装置使用，它的振荡器（即所有其他装置的振荡器）对滑动给定值的产生有影响。

5、按权利要求1或2的方法，其特征在于：为了同时均匀地拧紧至少两个螺纹连接，本方法可分阶段来完成，首先使拧紧过程达到第一个给定值（它与最大预应力相当），然后，在所有的螺纹连接都达到第一个给定值后，再使拧螺旋过程（必要时可用相似的方式经过其它阶段给定值）进一步达到最后给定值。

6、按权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于：激励能量应与拧螺旋过程相适应，它可以连续地提高，也可以间歇式地提高，只要螺栓（1）的固有频率在停止拧螺旋时仍保持不变，并能一直达到给定值即可。

7、一种拧紧或松开螺纹连接的装置，它用手工（最好用马达）驱动，并采用一个能直接或间接测量螺栓应力的构件，其特征在于：在螺栓（1）上装有一个振荡-传感器构件，它的振荡器为压电元件（2;19），压电元件（2;19）与交变电压发生器（21）相连，交变电压发生器（21）与微分器（22）相连;微分器（22）与振荡传感器（2;12;13;19）也相连，并具有向交变电压发生器（21）的反馈回路。

8、按权利要求7的装置，其特征在于：振荡-传感器构件做成垫圈状压电元件（2;19），它既是振荡器也是振荡传感器。

9、按权利要求7或8所述之一的装置，其特征在于：压电元件（2;19）装在螺钉头或螺母（4）与法蓝（6）之间，它与“能量-测量”线（3）相连。

10、按权利要求7或8所述之一的装置，其特征在于：压电元件（19）装在振荡传递体（14）和套筒扳手的套筒（9）或其类似物之间。

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