CN106662138A - 将超声波传感器应用到紧固件上的系统 - Google Patents
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Abstract
提供低成本传感器粘结工具和技术，其可用来达到工厂制造的载荷指示部件的品质，而且允许在不考虑紧固件所在定向的条件下将其附连到紧固件上。这种粘结工具和技术还可用来粘结需要精确定位和牢靠粘结的其它小型物体，例如将标识标签粘结到制造好的构件或结构上。
Description
技术领域
本发明涉及精确且可靠地将诸如传感器或标识标签的小型物体粘结到构件上，以便进行测量或标识，并且更确切地来说，本发明涉及使用对在测试实验室或组装现场或建造现场的技术员来说容易且可靠的过程，将超声波传感器粘结到紧固件上，以产生载荷指示紧固件。
背景技术
一段时间以来，超声波被用来精确地测量螺栓中的载荷。最初，最常用的是可移除超声装置。最近，已经开始使用低成本永久固定超声波传感器，其可永久地附连到紧固件的一端上。例如在以下专利中描述了此此类永久紧固件：1989年7月11授权的美国专利No. 4,846,001(Kibblewhite)；1992年7月21日授权的美国专利No. 5,131,276(Kibblewhite)；2006年1月31日授权的美国专利No. 6,990,866(Kibblewhite)；以及2011年10月4日授权的美国专利No. 8,028,5856(Kibblewhite)，通过引用而结合各个专利的主题，就好像其在本文完整地阐述那样。
使用超声波的紧固件中的载荷测量使用脉冲-回波技术来确定紧固件的飞行时间或声长度。利用用粘合剂粘结到紧固件的端部上的永久附连的传感器，这样的测量非常依赖传感器的位置和粘结的特性。除了提供机械附连之外，粘合剂还充当声耦合剂和联接到螺栓表面上的电容。为了使超声波传感器有效地发射和接纳声波，粘合剂层或“粘结线”必须是薄的且没有气泡。为了准确地测量载荷，传感器相对于螺栓柄在端部表面上精确地居中，以最大程度地减小螺栓柄的直径上的应力偏差的作用。由于这个可重复的薄粘结线难以实现，所以要用具有精度自动化机器人装备的制造设施，才能制造出最精确的永久超声波传感器载荷指示紧固件，诸如由位于宾夕法尼亚州的普鲁士王镇上的Load ControlTechnologies公司制造的i-bolt®紧固件。
需要快速地生产载荷指示紧固件来实现紧急测试和开发程序，并且因此超声载荷测量装备厂商提供超声波传感器，以便用户将超声波传感器粘结到紧固件上，以制作载荷指示紧固件。
这种超声波传感器和附连程序的示例在密歇根州的特洛伊镇上的MicroControl股份有限公司制造的MC900瞬时记录仪的操作手册中有描述，把该操作手册的主题通过引用而结合在本文中，就好像其在本文全部阐述那样。但是，这些手工制造工艺缺乏来精确定位传感器的有效办法，而且操作是困难和耗时的。此外，不良的粘结线可重复性可导致测量结果的不可靠和不准确。
因此仍然需要提供一种系统，其允许用户轻易且快速地制作载荷指示紧固件，同时实现工厂生产的载荷指示紧固件的精确定位和粘结完整性，并且提供实际技术来将传感器粘结到已经安装好的紧固件上，或者用于在紧固件无法定向成使得其粘结表面朝上的其它情形中。
发明内容
目前用户可用来将传感器附连到紧固件上的超声波传感器附连套件不设有用于定位和粘结超声波传感器的工具。用手粘结超声波传感器要求熟练的技术人员，过程非常慢且繁重，而且导致载荷指示部件缺乏专业制造设备中生产的载荷指示部件的可靠精确性。
根据本发明，提供低成本传感器粘结工具和技术，其可用来实现工厂制造的载荷指示部件的品质。本发明同时也允许把传感器附连到紧固件上，无论它们的定向如何。另外，本发明的粘结工具和技术可用来粘结需要精确定位和可靠粘结的其它小型物体，例如将标识标签粘结到制造好的构件或结构上。
关于实施本发明优选实施方案的进一步细节，参考下文与下面的插图的描述。
附图说明
图1显示典型的载荷指示紧固件的示例，其具有永久附连到螺栓头上的超声波传感器。
图2显示具有多层材质的传感器，被应用来有利于精确粘结到紧固件上，以形成载荷指示部件。
图3显示本发明的用于将超声波传感器附连到紧固件的端部以形成载荷指示部件的工具的优选实例。
图4是图3的工具的一部分的横截面图，其中相同标号指示对应的元件。
具体实施方式
图1显示根据本发明生产的典型载荷指示紧固件。在此示例中，载荷指示紧固件大体包括紧固件1和附连到一端上的永久传感器2(例如，在上面引用的授予给Kibblewhite的美国专利No. 6,990,866中公开的类型)。紧固件1包括头3和带螺纹的或形成螺纹的本体部分4，可通过合适的工具(未显示)适当地接合头3，以对紧固件1产生扭矩。如上面引用的美国专利No. 6,990,866中公开的那样，传感器2可进一步包括条形码6，其粘贴于传感器2的顶部电极5上，以便有利于后面采取的步骤来获得紧固件1在操作期间或者在紧固件1的寿命期间的各种其它时候的拉伸载荷、应力、伸长或其它特性的指示。
可用图3中显示的工具，使用根据本发明的传感器和传感器粘帖材料来产生图1中显示的类型的载荷指示部件。
在本发明的优选实例中，对传感器供应额外的层，其临时附连到顶部电极上，如图2中的横截面图中示出的那样，以有利于将传感器粘结到螺栓上。图2显示传感器2，其优选为圆形，并且包括聚偏二氟乙烯叠片11和具有蚀刻条形码13的金属箔顶部电极12。临时附连到顶部电极12上的是包括塑料膜16和压力粘合剂层15的背后有粘合剂的胶带14，其示例为可从明尼苏达州的圣保罗市的3M公司购得的Scotch®牌胶带。背后有粘合剂的胶带14的目的是保护电极12的顶表面在粘结传感器期间免受粘合剂的影响。优选地使用孔直径小于背后有粘合剂的胶带14的掩模，将低粘性粘合剂层17(其类型类似于用于也可从明尼苏达州的圣保罗市的3M公司购得的Post-it®牌产品的粘合剂)选择性地应用到背后有粘合剂的胶带14的顶表面上，以在背后有粘合剂的胶带14顶表面的外径周围留下无粘合剂的区域。低粘性粘合剂层17的第一功能是用背后有粘合剂的胶带14临时将传感器10附连到载条18上，以输送给用户。低粘性粘合剂层17的第二功能是在用图3中显示的传感器粘结工具将传感器粘结到紧固件上时能精确地定位传感器。
图3的工具30包括传感器定位工具32，其安装在自动对中台钳31的上方，自动对中台钳31用来在传感器粘结操作期间夹持紧固件1。自动对中台钳31具有两个夹持“V”形夹爪34和35，在夹持期间促动两个夹爪等距且以反方向移动，从而始终将紧固件轴线定位在同一位置，无论紧固件1的直径是多少。调节螺母36的旋转允许用超过中心切换杠杆33夹持不同大小的紧固件，例如，从6mm直径到40mm直径。在自动对中台钳31的中心夹持轴线下面的底板38中的孔37使得能够夹持非常长的紧固件，诸如双头螺栓，例如把自动对中台31固定后使得孔37在钳桌的边缘外面。
本文参照图4来描述操作工具30，图4显示了图3的工具30的横截面图。通过提供干净的平坦粘结表面而使其顶端为传感器粘结做好准备的紧固件1夹持在自动对中台钳的夹爪34和35中，使得紧固件1的轴线与压力销40对齐。压力销40设有压力末梢41和压力控制弹簧42，并且旋到压力销杆43中，压力销杆43能够在对齐条44中沿轴向自由移动。
在操作期间，具有压力杆43和压力销40的对齐条44下降，使得压力销末梢41支托在紧固件1上处于图4中显示的位置。随着对齐条44进一步下降使得压力杆43和压力销40靠在紧固件1上，压力销弹簧42压缩决定压力销末梢41在紧固件1上的施加的压力大小。对齐条44下降的轴向距离由调节指拧螺母45限制，因为对齐条44离紧固件1的距离确定压力销弹簧42的压缩量，所以指拧螺母45可用来控制压力末梢41对紧固件1施加的压力。压力杆43的顶端46从对齐条44的突出提供压力销弹簧42的压缩量的指示，并且因此提供压力末梢41对紧固件1应用的力的指示。指拧螺杆47用来将对齐条44锁定在其支承块48中的任何所需位置上。当用指拧螺杆47释放对齐条44时，对齐条弹簧49使对齐条44回到其上部位置。
压力销末梢41由软弹性材料制成，诸如橡胶或聚亚安酯，以在传感器上提供均匀的压力，并且在粘合剂固化期间消除任何微小的对齐偏差。最好是把直径比压力末梢41略微更大的背后有粘合剂的、可更换的薄保护塑料帽50粘附到其表面上，以起到延伸超过压力末梢41的外边缘和保护压力末梢41在粘结期间免受过多的粘合剂影响的作用。在优选实例中，保护塑料帽50优选采取保护罩的形式，其被拉到压力末梢41上面，并且通过压力末梢41和保护帽50之间的过盈配合而固持就位，并且优选地形成为具有平底的圆柱形部件，而且由可从特拉华州的威明顿的E. I. du Pont de Nemours and Company公司购得的薄Teflon®材料制成。作为备选方案，保护帽50可由也可从特拉华州的威明顿的E. I. duPont de Nemours and Company公司购得的背后有粘合剂的Teflon®牌胶带制成。
用于使用图4中示出的工具将设置在图2中示出的载条18上的传感器2附连到紧固件上以制作载荷指示部件的方法的示例如下。在对齐条44处于上部位置的情况下，把一个端部表面准备成平坦且干净的以供粘结的紧固件置于自动对中台钳中，并且夹持在夹爪34和35之间，粘结表面向上。使用钳子或类似的工具从载条上移除传感器，并且将传感器居中地置于紧固件1的端部上。如果紧固件已经准备成使得粘结表面在紧固件轴线上居中的凹部中，则传感器定位在凹部的中心。备选地，如果整个紧固件端部表面都是平坦的，则通过将传感器置于压力销末梢41正下方的粘结表面上来使其居中。可用钳子或其它尖的工具，通过接触保护带14顶表面的无粘合剂的区域，来轻易地定位传感器。
对齐条44完全下降，此时压力销41保护帽50牢固地接触定位在紧固件1的顶部上的传感器。然后对齐条44升起，其中传感器通过低粘性粘合剂层17粘附到保护帽50上。使用精细的粘合剂分配针将非常小滴的传感器粘结粘合剂置于粘结表面的中心。然后对齐条44完全下降到用指拧螺母45预设的位置上，并且使用指拧螺杆47将对齐条44锁定在其下降位置上。
上面描述的操作已经将传感器精确地重新置于其原来的同一位置上，并且用预设压力牢靠地将其固定达到足够允许粘合剂固化的时间。在规定的固化时间过去之后，对齐条44在释放指拧螺杆47之后升起，并且从自动对中台钳移除紧固件1与其粘结的传感器。然后例如使用可从特拉华州的威明顿的Chesebrough-Pond's股份有限公司商购获得的Q-Tips®牌棉签清除多余的粘合剂，使用塑料或木制的工具(诸如Q-Tips®牌棉签)从顶部电极12移除保护带层14，并且再一次便利地使用Q-Tips®牌棉签用溶剂(诸如异丙醇)清洗整个传感器这样载荷指示紧固件就准备好了。
在本发明的优选实例中，使用固化为时间20至60秒的腈基丙烯酸酯粘合剂来将传感器粘结到紧固件上，使得能够有高生产成功率。如果为满足特定应用环境条件所需的话，还可使用备选粘合剂，诸如厌氧或环氧树脂粘合剂。
在备选实例中，载条18是薄且柔性的，而且传感器2在粘结期间保持在载条18上。在粘合剂滴到粘结表面上之后，载条上的传感器正好定位在粘结表面上方，并且然后对齐条44下降，从而通过载条18将传感器2压按在粘结表面上。这个施例消除了对压力末梢帽50的需要，因为载条保护压力销末梢41免受粘结粘合剂的影响。这个实例最适合粘结到平坦顶表面，而非凹部中的粘结表面。
在本发明的又一个实例中，压力帽50具有应用到其底表面上的可重复使用的低粘性粘合剂，并且在背后有粘合剂的胶带层14上没有低粘性粘合剂17的情况下提供传感器。在这个实施例中，保护帽50的底表面上的可重复使用的低粘性粘合剂在上面描述的粘结操作中临时将传感器换能器附连到压力销上。
本领域技术人员可理解，提供保护帽50仅仅是为了防止过多粘合剂粘附到压力销末梢41上。如果压力销末梢41由不粘附到用来粘结的粘合剂上的材料制成，则不需要保护帽50。上面描述的实例使用包括聚偏二氟乙烯叠片和金属箔的超声波传感器。本领域已知且在上面引用的专利和文献中描述的备选类型的超声波传感器(诸如压电陶瓷元件和淀积在金属箔上的薄膜传感片)也可使用本发明来附连到紧固件上，以形成载荷指示部件。
本发明的备选实例可用来将传感器应用或重新应用到已经安装好的紧固件上。对于非常大的紧固件，或者如果传感器失效且必须在使用中更换，这在高腐蚀性环境、温度非常高的环境中可为必要的。在这个实例中，类似于优选实例中描述的传感器定位工具， 把传感器直接安装到紧固件或接头上，但使得压力末梢41与紧固件的轴线对齐且能够沿着紧固件的轴线移动。
本领域技术人员可以理解，上面描述的发明可用来精确且可靠地将诸如其它传感器、标识标签和RFID标签的其它小物体粘结到紧固件和紧固件之外的部件(诸如制造好的部件、机器、车辆和现场的结构)上。
同时虽然已经基于结合特定部件的特定实例来描述了本发明，但本发明进一步包含所描述的部件的所有能够实施的等效方案，而且本领域技术人员可在所附权利要求中表达的本发明的理论和描述范围内，对为了阐明本发明的性质而已经在本文描述和示出的细节、材料和布置作出改变。
Claims (16)
1.一种用于与紧固件一起用来制造载荷指示部件的传感器，其中，所述传感器包括电极层和附加层，所述附加层临时附连到所述电极层的顶部表面上，以有利于将所述传感器粘结到所述紧固件上。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括应用到所述传感器的顶部表面上的条形码。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器是由聚偏二氟乙烯叠片和金属箔组成的层压板。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，附连到所述电极的顶部表面上的所述附加层包括背后有粘合剂的胶带层，其具有塑料膜层和压力粘合剂层。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述传感器进一步包括应用到所述背后有粘合剂的胶带层的顶部表面上的低粘性粘合剂层。
6.一种用于将传感器置于紧固件上以产生载荷指示部件的工具，其包括安装在自动对中台钳的上方的传感器布置工具，所述自动对中台钳用于在将所述传感器置于所述紧固件上的期间，将所述紧固件夹持就位。
7.根据权利要求6所述的工具，其特征在于，所述自动对中台钳包括相对的夹爪，所述相对的夹爪用于在夹持期间促动，以将所述紧固件的轴线定位在选定位置上，而不考虑所述紧固件的直径。
8.根据权利要求7所述的工具，其特征在于，所述自动对中台钳接纳具有从6mm直径至40mm直径的不同大小的紧固件。
9.根据权利要求7所述的工具，其特征在于，所述传感器布置工具包括与压力控制弹簧联接的压力末梢，以及其中所述压力末梢和所述压力控制弹簧与压力销杆的联接，所述压力销杆能够在对齐条中沿轴向自由移动。
10.根据权利要求9所述的工具，其特征在于，所述压力销末梢由软弹性材料制成，诸如橡胶或聚亚安酯，从而在所述传感器上提供均匀压力且消除微小的对齐偏差。
11.根据权利要求10所述的工具，其特征在于，所述工具进一步包括背后有粘合剂的可更换的保护塑料帽，其粘附到所述压力销末梢的底表面上，以保护所述压力销末梢。
12.根据权利要求11所述的工具，其特征在于，所述保护塑料帽底面上具有低粘性粘合剂，以临时将所述传感器附连到所述压力销上。
13.一种使用工具将传感器附连到紧固件上以产生载荷指示部件的方法，所述工具包括安装在自动对中台钳的上方的传感器布置工具，所述自动对中台钳用于在将所述传感器布置在所述紧固件上的期间将所述紧固件夹持就位，其中，所述方法包括以下步骤：
在所述紧固件的顶端表面准备好接纳所述传感器的情况下，将所述紧固件置于所述自动对中台钳中，使得所述紧固件的轴线和与所述传感器布置工具相关联的压力销对齐，其中，所述压力销具有压力销末梢，所述压力销末梢与压力控制弹簧联接且与压力销杆粘结，所述压力销杆能够在对齐条中沿轴向自由移动；
将所述传感器置于所述紧固件的顶端表面上，使得所述传感器定位在所述紧固件的中心；
使所述压力销前进，使得所述压力销末梢支托在所述紧固件上，从而控制响应于所述压力销末梢在所述紧固件上的施加的压力的大小；
使所述压力销升起，其中所述传感器通过低粘性粘合剂层而粘附到所述压力销末梢上；
将一定量的传感器粘结粘合剂置于所述紧固件的顶端表面的中心部分中，从而形成粘结表面；以及
使所述压力销下降，以接触所述粘结表面的中心部分，并且在所述传感器粘结粘合剂固化的同时，将所述压力销锁定在下降位置上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在固化之后，所述方法进一步包括以下步骤：使所述压力销升起，以从所述自动对中台钳中释放所述紧固件和所述附连传感器。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括限制所述对齐条下降的步骤。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传感器粘结粘合剂是固化时间为20秒至60秒的腈基丙烯酸酯粘合剂、厌氧粘合剂或环氧树脂粘合剂。
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