CN104179771B - 智能紧固件、以及紧固件安装及检查系统 - Google Patents

Abstract

一种智能紧固件，其具有头部和与结构件螺纹接合的外螺纹柄部。头部具有形成在其上表面中的凹槽，用于安装带有存储器的RFID标签，该存储器内包含紧固件特有的信息，例如紧固件的标识、指定的扭矩值和其他信息；天线，其能够与RFID标签阅读器双向通信；以及扭矩值传感器，用于确定由紧固件安装工具施加给紧固件的扭矩。一旦安装好，就通过使用RFID标签阅读器扫描存储在每个紧固件存储器中的信息，来测量紧固件集合的现有扭矩。

Description

智能紧固件、以及紧固件安装及检查系统

发明背景

本发明涉及螺纹紧固件。更详细地，本发明涉及具有智能特性的工业螺纹紧固件。

螺纹紧固件长久以来用于将各种类型的机械部件紧固到一起。可通过螺纹紧固件被紧固到一起的不同类型的机械部件的一些示例为诸如桥大梁、建筑物中的支撑梁以及航空器结构件之类的结构件。通常，在安装过程中，每个螺纹紧固件插入到工件的孔中以便被锁位或螺纹旋入到相配工件的指定部分中，例如固定于相配工件的螺母或形成在相配工件中的螺纹孔。在许多应用中，各个紧固件必须被螺纹旋紧到特定公差的窄带中的特定扭矩量。特定公差通常是针对指定方案所形成的技术规范的一部分，并且能够以纸件形式或电子形式(例如存储在闪存或其他计算机可读的存储介质中)呈现，并与能够运送至施工现场的便携式计算机一起使用。手动扭矩扳手和功率驱动的扭矩工具通常都用于把紧固件紧固到特定扭矩范围中的某个值。通常，为了确定可容许的扭矩值，安装者必须考虑技术规范，然后将紧固件紧固。理想的是，通过场地位置和扭矩值，安装者能够手动生成所安装的每个紧固件的记录，并将该记录提交给监工或负责维护项目数据的其他人员或事务所(office)。然而，这并不总是可以实现的。

许多方案需要对所安装的紧固件进行检查以便在安装后立即具有适当的扭矩值，并在之后成为规则的基础以确保整个结构组件的安全。这种检查和核对必须由有资格的人员(通常是经过训练的检查员)执行，这些人员具有原始技术规范的可信副本，并且所述检查和核对由检查者通过向每个所安装的紧固件应用扭矩扳手、功率驱动的扭矩工具或扭矩测量装置来手动实现。此外，检查者通常采取视觉测量以确定任何紧固件是否缺失。检查和核对的结果必须汇报给指定的人员或事务所，这些人员或事务所维护检查记录以供将来参考。

由于检查过程必须是手动的，且对每个单独的紧固件都是直观上进行，因此整个过程非常耗时，并且会带来人为误差，例如未能正确地将适当的扭矩规范值施加给一个或多个紧固件，未能对给定的紧固件进行扭矩的精确测量，或者未能注意到指定的紧固件位置存在紧固件缺失的情况。此外，如上所述，紧固件的初始安装记录并不总是针对负责维护紧固结构的整体性和安全性的那些部件的损害而创建的。

发明内容

本发明包括一种具有智能特性的螺纹紧固件，该智能特性使得更易于对紧固件进行安装和随后的检查，本发明还包括一种智能紧固件系统和方法，该方法在使用螺纹紧固件进行安装和随后对紧固的结构进行监视方面提供了迄今为止难以获得的优点。

从单独的装置的立场来看，本发明包括一种智能紧固件，该紧固件包括一主体部件，该主体部件具有头部和从头部伸出的外螺纹柄部；头部具有下表面和上表面，以及形成于其中的通孔；上表面，具有形成于其中的凹槽；RFID标签，安装在凹槽中；天线，安装在凹槽中并耦合至RFID标签；具有主体部分的传感器，安装在凹槽中并耦合至RFID标签；该传感器具有远离传感器主体部分延伸的臂部和位于一端的终端，该臂部可滑动地容纳在通孔中，并且臂部的一端在下表面之下延伸，以便当紧固件插入到孔中时臂部的这一端能够接触有孔工件的表面。

RFID标签具有用于存储有关紧固件信息的存储器，例如唯一标识、指定用于紧固件的扭矩值、安装日期、安装紧固件的场地位置、初始安装的日期以及紧固件的最新检查的日期。

在优选实施方案中，所述传感器包括可提供二进制扭矩状况信号的双态微型开关。

从系统的立场来看，本发明涉及紧固件的安装和检查系统，该系统包括：

具备主体部件的紧固件，该主体部件具有头部和从头部伸出的外螺纹柄部，头部具有下表面和上表面，以及形成于其中的通孔；上表面，具有形成于其中的凹槽；安装在凹槽中的RFID标签，该RFID标签具有用于存储紧固件特有的信息的存储器；天线，安装在凹槽中并耦合至RFID标签；具有主体部分的传感器，安装在凹槽中并耦合至RFID标签；该传感器具有远离传感器主体部分延伸的臂部和位于一端的终端，该臂部可滑动地容纳在通孔中，并且臂部的一端在下表面之下延伸，以便当紧固件插入到孔中时臂部的这一端能够接触有孔工件的表面；以及

RFID标签阅读器用于询问RFID标签以及接收来自于RFID标签的信息。

存储在RFID标签存储器中的信息包括紧固件的唯一标识、指定用于紧固件的扭矩值、紧固件的初始安装日期、安装紧固件的场地位置以及紧固件的最后检查的日期。当适当地利用RFID标签阅读器向RFID标签传送最新的信息时，存储在RFID标签存储器中的信息能够被更新。

传感器优选包括用于检测紧固件扭矩状态的双态微型开关。

该系统进一步包括用于驱动紧固件进入螺纹孔中至特定扭矩值的紧固件安装工具。为此，紧固件安装工具包括耦合至RFID标签阅读器的扭矩控制单元，用以将紧固件安装工具施加给紧固件的扭矩限制为所述扭矩值。

按照本发明构造的紧固件具有超过已知螺纹紧固件的多项优点。首先，当安装者准备安装紧固件时，通过以安装工具能够选取的方式在紧固件的RFID标签中提供正确的扭矩信息，可以极其便利地得到紧固件初始安装的正确的扭矩规范。此外，通过安装工具紧固件可被自动驱动至适当的扭矩值，并且在安装了紧固件后能够立即核对扭矩值以确保紧固件被正确地安装。而且，利用扫描检测技术在任何时间都能够快速核对紧固件集合的安装的完整性，并且利用安装工具能够实现任何所需要的校正性动作。更进一步地，扫描检测技术避免了人工核对每个安装紧固件的当前值的需要，这充分减少了将要处理的检测过程所需要的时间。此外，由相关联的标签阅读器以可读的形式提供紧固件的标识、类型、指定的扭矩值、场地位置、安装日期和检查日期信息，能够汇编紧固件安装方案的完整历史，并且将其保存在主机中以供将来维护之用。最后，对于每个紧固件，能够以相对低廉的额外费用提供上述优点。

为了完整地理解本发明的本质和优点，结合附图进行详细说明。

附图简述

图1是具有智能特性并结合本发明的螺纹紧固件的优选实施方案的透视图；

图2是图1所示紧固件的俯视图，示出了智能组件的定位；

图3是例示图1所示紧固件的智能组件的示意图；

图4是图1所示紧固件的局部剖面的侧视图，其中螺纹轴插入到所确定的结构件的孔中，并且螺纹轴螺纹旋在另一结构件的匹配螺纹部分上；

图5是用在紧固件的安装和扭矩调节中的紧固件自动安装工具的示意图；

图6是用于图1所示紧固件表示初始安装过程的方框图；以及

图7是表示多个安装的紧固件和扫描检查过程的示意图。

具体实施方式

现在转向附图，图1和图2示出了按照本发明的单独的紧固件。如这些附图中所见的，由附图标记10一般地表示的紧固件具有头部12和终止于自由端14的螺纹柄部13。紧固件头部12具有由凹入的上表面15和界壁16限定而成的中心凹槽，其中该中心凹槽具有足够的深度和边界尺寸以容纳RFID芯片17、天线18和微型开关20的上主体部分19。元件17，18和19均由头部12的凹入上表面15支撑。微型开关20的剩余部分包括臂部22，该臂部向下延伸穿过形成在头部12中的通孔23，并终止于自由端24。出于以下描述起见，臂部22的自由端24终止于头部12的下表面25(参见图4)之下的预定水平处。将通孔23和臂部22的相对直径尺寸选择成使得臂部22能够在通孔23中可滑动地往复运动。

参照图3，向紧固件10提供智能特性的组件包括微型开关20、RFID芯片17和天线18。RFID芯片17是传统的RFID芯片，一般指的是现有技术中的RFID标签，优选是可从加利福尼亚州圣何塞的Atmel公司得到的Atmel型ATA5570集成电路，其结合经由天线18实现RFID集成电路17和相关联的RFID标签阅读器之间的双向通信所需的常规组件。RFID芯片17进一步包括读/写存储器部分，用于响应于相关联的RFID标签阅读器的询问来存储和检索与紧固件10相关的某些信息。稍后将更全面地描述信息的类型。此外，RFID芯片17还与需要的功率转换电路组件结合以便根据经由天线从相关联的RFID标签阅读器接收到的电磁询问信号向集成电路组件提供电能。由于这些组件都是已知的，为了避免冗长这里不再对它们进行详细说明。

微型开关20具有耦合至RFID芯片17的数据输入的两根导线26，27(图2和图3中示出)。这使得RFID芯片能够监视微型开关20的二进制状况---即闭合或打开。在优选的实施方案中，微型开关20起到二进制扭矩值传感器的作用，用以检测紧固件10是否已经紧固到正确的扭矩值。

图4示出了结合本发明的紧固件部分地安装到两个结构部件中。在该附图中，元件17、18和20以幻影的形式示出。如图中所示，图示的螺纹轴13插入到待确定的第一结构件30的孔31中；并且螺纹轴13还被旋入到另一结构件34的螺纹部33中。对于具有足够厚度的结构件34而言，该结构件34的螺纹部33包括如图示形成在结构件34中的螺纹孔；替代地，螺纹部33可以包括永久固定(例如，通过焊接)在结构件34背面的分立螺母。在任一情况下，螺纹部33的目的都是当紧固件10在被完全驱动回原位(home)时，在第一结构件30和另外的结构件34之间提供适当大小的夹紧力。

如上所述，紧固件10必须被紧固到一扭矩值，该扭矩值通常落在由项目技术规范建立的有限的范围内。当微型开关20臂部22的自由端24与结构件30的上表面35接合并且如图4所示被向上驱动到校准位置时，紧固件10的这一状态由微型开关20的状态的改变来表示(取决于电路参数被闭合或打开)。这种状态的改变可被RFID芯片17检测到并存储在存储器中供稍后使用。在紧固件10安装之后，能够通过询问RFID标签17连同相关联的RFID标签阅读器来核对紧固件的扭矩值。如果扭矩已经下降到由技术规范所确立的下限以下，则微型开关臂部22的轴向位置将会充分改变，从而微型开关20的状态将恢复到超出扭矩范围的状态。开关状态的改变能够被RFID标签17检测到，被存储在存储器中，并在询问之际被传输给相关联的RFID标签阅读器。

图5是用附图标记40表示的紧固件自动安装工具的示意图，该工具用在紧固件10的初始安装中以及用于随后调整紧固件10到适当的扭矩。如图所示，工具40优选包括用于提供实时安装信息的实时时钟41、从待安装的紧固件的RFID标签17读取信息的RFID标签阅读器42、向用于旋紧紧固件10的驱动器头(driver bit)44提供驱动力的功率驱动器单元43、以及以使得紧固件10旋紧至指定扭矩值的方式控制功率驱动器单元43的扭矩控制单元45。安装工具40具有用于实现至主机47和便携式计算机48的连接的功率输入和数据通信导线。实时时钟41是用于提供实时信息的传统的电路。RFID标签阅读器42是能够产生用于特定RFID标签的询问信号、并对来自于响应RFID标签17的信息进行接收和处理的传统装置。功率驱动器单元43是用于向驱动器头44提供旋转驱动力的传统机电装置。驱动器头44是具有与紧固件10的头部12形状(例如，六角头)相适合结构的传统驱动器头。扭矩控制单元45是能够控制由功率驱动器单元43所产生的最大扭矩量的传统单元。

图6是在安装和调整紧固件10的设定扭矩中使用工具40的方框图。如图所示，RFID标签阅读器42设置在紧固件10附近并且位于紧固件10的接收范围内。然后操作RFID标签阅读器42产生指向紧固件10的询问信号。一旦接收到询问信号，紧固件10的RFID标签17就通过向RFID标签阅读器42传输所请求的信息而产生响应。然后RFID标签阅读器42检查接收到的信息，该信息包括紧固件10的唯一标识和用于该紧固件10的所需扭矩值。接下来RFID标签阅读器42向扭矩控制单元45提供所需扭矩值。当接收到扭矩值时，扭矩控制单元45利用该扭矩值来控制功率驱动器单元43的运转。驱动器头44在紧固件10的头部12上运转，并且功率驱动器单元43被致动。当通过功率驱动器单元43使驱动器头44转动时，紧固件10被驱动进入结构件34的螺纹孔33中(图4)，从而使结构件30，34挨近在一起，直到扭矩控制单元45检测到施加在紧固件10上的扭矩已经达到指定值。然后通过扭矩控制单元45终止功率驱动器单元43的运转。接下来RFID标签阅读器42询问紧固件10的RFID标签17，并将来自于实时时钟41的安装日期信息传输给RFID标签17，RFID标签17将这一信息储存在存储器中。

初始安装后，通过操作RFID标签阅读器42询问紧固件10的RFID标签17来核对刚刚安装的紧固件10的实际扭矩值。当RFID标签阅读器42接收到响应时，所接收的信息包括紧固件10的唯一标识、该紧固件的所需扭矩值以及微型开关20的状态。如果微型开关20的状态指示扭矩值不正确，则重复初始安装直到扭矩值正确。如果在一次或多次尝试后发现初始安装过程失败，则安装者可以采取可选择的动作来确定失败的原因，例如检查紧固件，如果发现它有缺陷即进行更换，检查结构件34的螺纹孔33以及确定其是否受到损坏。

在安装过程已经成功结束后，由RFID标签阅读器42接收的来自于刚刚安装好的紧固件10的RFID标签17的信息可以被传输给主机47以用于进一步的处理和/或存储起来供稍后检索之用。所述信息通常包括紧固件的唯一标识、所需扭矩值、紧固件的扭矩值是否在规范值内、紧固件的安装日期和(可选的)时间以及场所位置。在安装过程的任何阶段，都可以将RFID标签阅读器42接收到信息传输给主机以用于进一步的处理和/或存储以供稍后检索之用。类似的，主机47可以发送数据并指示RFID标签阅读器42更新RFID标签17中的数据，从RFID标签17执行某些数据检索，或者采取其他动作，诸如扫描位于不同紧固件10中的RFID标签17集合。

一旦紧固件10集合已经被成功地安装，就能够在任何时间使用图7所示的扫描检查技术快速核查安装的完整性。通常，扫描检查过程由检查员执行，他们具有比紧固件安装者更多的专门训练。此外，在整个安装完成或预定组紧固件的安装已经完成后，通常立刻进行第一次扫描检查。图7示出了一个阵列12个紧固件10aa，10ab，……，10cd，每一个紧固件都沿着结构面板30安装在不同的位置上。跨阵列在所需方向(在图7中从左至右)中手动扫描便携式RFID标签阅读器50，其中该便携式RFID标签阅读器50具有询问由单独的紧固件10aa，10ab，……，10cd承载的单独的RFID标签17的能力。优选地，RFID标签阅读器50具有限定出发射/接收区域的天线，该区域包围了多个紧固件10aa，10ab，……，10cd，从而可以同时扫描数个(在图7的实施方案中是3个)紧固件。每个响应的紧固件10aa，10ab，……，10cd都向RFID标签阅读器50提供所请求信息，并且可使用结合到RFID标签阅读器50中的专用显示器或便携式计算机监视器来向检查者显示该信息。

所请求信息通常包括响应于由RFID标签阅读器50产生的信号的每个紧固件的唯一标识、每个响应的紧固件在面板30上的物理位置、扭矩微型开关20的状态、以及初始安装日期。如果没有接收到对给定的紧固件10aa，10ab，……，10cd的询问的响应，则表示当前的紧固件缺失或智能电路组件不起作用。通过简单地更换缺失或不起作用的紧固件10aa，10ab，……，10cd，能够立刻或在随后预定的日期确定任一条件。如果从响应的紧固件10aa，10ab，……，10cd接收到的信息指示扭矩在规范值之外，则检查者能够采用如上所述的安装工具40参照图5所示尝试校正这一问题。由RFID标签阅读器50接收的所有信息都能够与主机47共享，并用于维护、历史记录和任何其他适当的目的。RFID标签阅读器50还将检查日期和场所位置输送给每个被成功询问的RFID标签17，该RFID标签17将此信息存储在存储器中。

存储在紧固件10的RFID标签17中的信息的基本类型包括：特定紧固件的标识，其可以是一连串编号中的一个序号或者是字符集合中不同字符的组合；紧固件的指定类型；紧固件的特定扭矩值；紧固件的安装位置；初始安装日期；以及最新的检查日期。对本领域技术人员而言显而易见的是，根据给定应用的要求，其它类型的信息也可以存储在RFID标签17中。

需要注意的是每个紧固件10的微型开关20有3种可能的状态。状态“1”表示紧固件扭矩在规范值内，而状态“0”表示紧固件扭矩不在规范值内。在询问期间，如果RFID阅读器50没有接收到微型开关的值，则这可被解释为紧固件10缺失，这能够通过目测来检验，或者是微型开关不起作用，在这种情况下需要更换新的紧固件10进行安装。

显而易见的是，如上所述结合本发明的带有智能组件的螺纹紧固件提供了超越现有螺纹紧固件的多项优点。首先，当安装者准备安装紧固件时，通过以安装工具能够选取的方式在紧固件的RFID标签中提供正确的扭矩信息，可以极其便利地得到紧固件初始安装的正确的扭矩规范。此外，通过安装工具能够以适当的扭矩值自动驱动紧固件，并且在安装了紧固件后能够立即核对扭矩值以确保紧固件被正确地安装。而且，利用扫描检测技术在任何时间都能够快速核对紧固件集合的安装的完整性，并且利用安装工具能够实现所需要的校正性动作。更进一步，扫描检测技术避免了人工核对每个安装紧固件的当前值的需要，这充分减少了将要处理的检测过程所需要的时间。此外，以相关联的标签阅读器可读的形式提供紧固件的标识、类型、指定扭矩值、场地位置、安装日期和检查日期信息，使得能够汇编紧固件安装方案的完整历史记录，并将其存储在主机中以供将来维护之用。最后，对于每个紧固件，能够以相对低廉的额外费用提供上述优点。

尽管以上提供了对本发明优选实施方案的完整详尽的说明，但对本领域技术人员而言也可以进行各种更改、结构改变和等同替换。例如，尽管已经参照特定的RFID标签17对本发明进行了描述，但根据特定应用的要求也可以采用其他的RFID标签。此外，尽管扭矩值传感器已经描述为简单的具有两个工作状态的微型开关，即二进制设备，但必要时也可以采用其他类型的扭矩传感器，这些扭矩传感器可提供各种测量值，例如可变电阻或可变电容。这种传感器可以被合并到紧固件10中，采用补充的可变信号处理技术，例如美国专利申请公开号US2007/0222583A1中所描述的信号处理技术，其公开的内容并入本文作为参考。因此，以上不应当被解释为限制本发明，本发明由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种智能紧固件，包括：

主体部件，其具有头部和从所述头部延伸出去的柄部，所述柄部具有螺纹外表面，

所述头部具有下表面和上表面以及形成于其中并且从所述螺纹外表面侧向偏离的通孔；

所述上表面带有形成于其中的凹槽；

RFID标签，安装在所述凹槽中；

天线，安装在所述凹槽中并耦合至所述RFID标签；

具有主体部分的传感器，安装在所述凹槽中并耦合至所述RFID标签；

所述传感器具有臂部，该臂部延伸远离所述传感器主体部分并终止于一端，所述臂部可滑动地容纳在所述通孔中于所述螺纹外表面的外面，并且所述臂部的所述一端在所述下表面之下延伸，从而当所述紧固件的所述柄部插入到孔中时，所述臂部的所述一端接触具有所述孔的工件的表面，并且在所述柄部前进至所述工件的所述孔中时，所述臂部沿着所述通孔朝所述头部平移。

2.如权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述RFID标签具有存储器，用于存储所述紧固件特有的信息。

3.如权利要求2所述的紧固件，其特征在于，所述信息的至少一些存储在可读的所述存储器的一部分中。

4.如权利要求2所述的紧固件，其特征在于，所述信息包括所述紧固件的唯一标识。

5.如权利要求2所述的紧固件，其特征在于，所述信息包括为所述紧固件指定的扭矩值。

6.如权利要求2所述的紧固件，其特征在于，所述信息包括所述紧固件的安装日期。

7.如权利要求2所述的紧固件，其特征在于，所述信息包括安装所述紧固件的场地位置。

8.如权利要求2所述的紧固件，其特征在于，所述信息包括检查所述紧固件的日期。

9.如权利要求1所述的紧固件，其特征在于，所述传感器包括双态微型开关。

10.一种紧固件安装和检查系统，所述系统包括：

具有主体部件的紧固件，所述主体具有头部和从所述头部延伸出去的柄部，所述柄部具有螺纹外表面，

所述头部具有下表面和上表面以及形成于其中并且从所述螺纹外表面侧向偏离的通孔；

所述上表面带有形成于其中的凹槽；

安装在所述凹槽中的RFID标签，所述RFID标签具有存储器，用于存储所述所述紧固件特有的信息；

天线，安装在所述凹槽中并耦合至所述RFID标签；以及具有主体部分的传感器，安装在所述凹槽中并耦合所述RFID标签；

所述传感器具有臂部，该臂部延伸远离所述传感器主体部分并终止于一端，所述臂部可滑动地容纳在所述通孔中于所述螺纹外表面的外面，并且所述臂部的所述一端在所述下表面之下延伸，从而当所述紧固件的所述柄部插入到孔中时，所述臂部的所述一端接触到具有所述孔的工件的表面，并且在所述柄部前进至所述工件的所述孔中时，所述臂部沿着所述通孔朝所述头部平移；以及

RFID标签阅读器，用于询问所述RFID标签和接收来自于所述RFID标签的所述信息。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述信息包括所述紧固件的唯一标识。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述信息包括为所述紧固件指定的扭矩值。

13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述信息包括所述紧固件的安装日期。

14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述信息包括安装所述紧固件的场地位置。

15.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述信息包括检查所述紧固件的日期。

16.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述传感器包括双态微型开关。

17.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述RFID标签阅读器包括发射器，用于将信息存储在所述RFID标签的存储器中。

18.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述RFID标签阅读器包括发射器，用于更新存储在所述RFID标签的存储器中的所述信息。

19.如权利要求10所述的系统，其特征在于，还包括紧固件安装工具，用于驱动所述紧固件进入到螺纹孔中至指定扭矩值。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述信息包括为所述紧固件指定的扭矩值；并且其中所述紧固件安装工具包括耦合至所述RFID标签阅读器的扭矩控制单元，用于将由所述紧固件安装工具施加给所述紧固件的扭矩限制为所述扭矩值。