CN106709077A - 螺栓拧紧设备和方法及螺栓拧紧监控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及螺栓拧紧及螺栓拧紧监控技术领域，公开了螺栓拧紧设备和方法及螺栓拧紧监控系统和方法，螺栓拧紧设备包括：数据采集装置，在所述螺栓的拧紧过程中，每隔固定时间间隔采集一次所述螺栓的拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩；控制装置，根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，控制所述螺栓的拧紧。本发明通过纯角度控制方法可以精确控制螺栓拧紧后的最终夹紧力，完美地消除了传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终夹紧力的影响，很好地实现了夹紧力的控制，提高了制造行业产品的可靠性。

Description

螺栓拧紧设备和方法及螺栓拧紧监控系统和方法

技术领域

本发明涉及螺栓拧紧及螺栓拧紧监控技术，具体地，涉及螺栓拧紧设备和方法及螺栓拧紧监控系统和方法。

背景技术

螺栓轴力即拧紧螺帽使螺栓按照螺栓螺纹旋入螺纹孔的过程中产生的力，螺栓在弹性区间产生的弹力即为螺栓夹紧力。由于夹紧力无法直观地控制和监测，所以在生产过程中一般会采用控制扭矩或控制角度的方式来间接控制螺栓夹紧力。

目前一般采用的方法有纯扭矩控制法和扭矩角度控制法，通过扭矩角度控制法得到的螺栓加紧后的夹紧力比通过纯扭矩控制法得到的螺栓夹紧力更精确。但是无论是纯扭矩控制法还是扭矩角度控制法，在控制过程中均有部分拧紧过程是采用扭矩控制的。通过扭矩来控制夹紧力在很大程度上会受到摩擦系数的影响，而由于生产过程的局限性，摩擦系数无法实现很好的控制，这样会使得在实际生产中螺栓拧紧后的夹紧力出现较大偏差。

发明内容

本发明的目的是提供螺栓拧紧设备和方法及螺栓拧紧监控系统和方法，用于解决精确控制螺栓夹紧后的夹紧力的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种螺栓拧紧设备，该设备包括：数据采集装置，在所述螺栓的拧紧过程中，每隔固定时间间隔采集一次所述螺栓的拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩；控制装置，根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，控制所述螺栓的拧紧。

相应地，本发明还提供了一种螺栓拧紧方法，该方法包括：在所述螺栓的拧紧过程中，每隔固定时间间隔采集一次所述螺栓的拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩；根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，来控制所述螺栓的拧紧。

相应地，本发明还提供了一种螺栓拧紧监控系统，该系统包括：处理装置，当在螺栓拧紧后的最终扭矩值不在预先得到的最终扭矩阈值范围内的情况下，则判断所述螺栓的拧紧不合格；其中，所述预先得到的最终扭矩的阈值范围通过以下方式得到：在通过以上所描述的螺栓拧紧方法拧紧螺栓后，得到的所述螺栓的拧紧角度为最终拧紧角度；根据所述最终拧紧角度得到与该最终拧紧角度对应的最终扭矩；在得到多个所述最终扭矩的情况下计算得到所述最终扭矩阈值范围。

相应地，本发明还提供了一种螺栓拧紧监控方法，该方法包括：当在所述螺栓的拧紧结束后的最终扭矩值不在预先得到的最终扭矩阈值范围内的情况下，则判断所述螺栓的拧紧不合格；其中，所述预先得到的最终扭矩的阈值范围通过以下方式得到：在通过以上所描述的螺栓拧紧方法中继续拧紧了角度之后，得到的所述螺栓的拧紧角度为最终拧紧角度；根据所述最终拧紧角度得到与该最终拧紧角度对应的最终扭矩；在得到多个所述最终扭矩的情况下计算得到所述最终扭矩阈值范围。

通过上述技术方案，本发明通过在螺栓拧紧过程中不断采集螺栓的拧紧角度和与拧紧角度一一对应的扭矩来计算提供夹紧力的角度，从而精确控制螺栓的拧紧，并可以在得到多次精确控制的螺栓拧紧之后，根据统计数据来得到用于判断螺栓拧紧后的最终扭矩是否合格的最终扭矩阈值范围。本发明通过纯角度控制方法可以精确控制螺栓拧紧后的最终夹紧力，完美地消除了传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终夹紧力的影响，很好地实现了夹紧力的控制，提高了制造行业产品的可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的螺栓拧紧设备的框图；

图2是本发明提供的螺栓拧紧过程中所采集的拧紧角度和扭矩的二维坐标图示；

图3是本发明提供的螺栓拧紧方法的流程图；

图4是本发明提供的螺栓拧紧监控系统的框图；以及

图5是本发明提供的螺栓拧紧监控方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明提供的螺栓拧紧设备的框图，如图1所示，该螺栓拧紧设备包括数据采集装置和控制装置。数据采集装置在螺栓的拧紧过程中每隔固定时间间隔采集一次螺栓的拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩，控制装置根据数据采集装置所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，控制螺栓的拧紧。

本领域技术人员应当理解，螺栓在拧紧过程中，拧紧角度是不断变化的，而随着拧紧角度的变化，扭矩也会随之不断发生变化，以上数据采集装置需要采集的是每隔固定时间间隔采集一次螺栓的拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩，也就是每隔固定时间间隔，采集同一时刻的拧紧角度和对应的扭矩。

其中根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度包括：以拧紧角度为横坐标、以扭矩为纵坐标建立直角坐标系；根据拧紧角度X₁，X₂，……，X_n及分别与该多个拧紧角度一一对应的扭矩T₁，T₂，……，T_n，计算其中，n为大于或等于2的整数；在K_n＝K_n-1的情况下，在直角坐标系中以K_n为斜率制作过(X_n,T_n)点的直线，以得到该直线与所述横坐标的交点的横坐标的值X_m；以及通过公式X_r＝X_n-X_m计算得到所述提供夹紧力的角度X_r。

图2是本发明提供的螺栓拧紧过程中所采集的拧紧角度和扭矩的二维坐标图示，在图2所示的二维直角坐标系中，横坐标X为拧紧角度，纵坐标T为扭矩，横坐标X上的点X₁，X₂，……，X_n为数据采集装置在不同时刻采集的拧紧角度，纵坐标T上的点T₁，T₂，……，T_n为数据采集装置在不同时刻采集的扭矩，其中，X₁与T₁对应，X₂与T₂对应，……，X_n与T_n对应，其中X₁和T₁为在同一时刻采集的拧紧角度和对应的扭矩，X₂和T₂为采集X₁和T₁之后的同一时刻采集的拧紧角度和对应的扭矩，以此类推。

应当注意的是，在图2所示的二维直角坐标系中，在X₁与O点之间是存在所采集的拧紧角度的，及在T₁与O点之间也是存在所采集的扭矩的，所以才能够得到如图2中所示的曲线。然而，由于X₁与O点之间的拧紧角度及T₁与O点之间的扭矩在本发明提供的技术方案中并未采用，所以X₁与O点之间的拧紧角度及T₁与O点之间的扭矩未在图2中示出。

在采集拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩的过程中，不断通过公式来计算K_n的值，在K_n＝K_n-1的情况下，在图2所示的二维直角坐标系中以K_n为斜率制作过(X_n,T_n)点的直线，得到该直线与横坐标X的交点的横坐标的值X_m，该X_m被称为贴合点。然后，通过公式X_r＝X_n-X_m计算得到X_r，该X_r被称为提供夹紧力的角度，该提供夹紧力的角度指的是在实际拧紧螺栓过程中在螺栓的转动角度中使螺栓拉伸的角度。

在图2中所示的X_f为预先得到的拧紧角度理论值，在螺栓的拧紧角度已经达到用于提供夹紧力的角度X_r的情况下，可以控制螺栓继续拧紧的角度为X_f-X_r，完成拧紧过程。

在以上提供的对螺栓拧紧的控制过程可以看出，本发明提供的技术方案采用了纯角度控制的方法来控制螺栓的拧紧过程，通过这种方法能更精确地控制螺栓的夹紧力。

图2中所示的二维直角坐标系中，拧紧角度X与扭矩T所形成的曲线是经过原点O的曲线，且曲线上除了原点O处的点(0，0)以外的其他点的数值均为非零值，也就是说，在螺栓拧紧过程中，记录扭矩开始产生时的点并以此作为原点O。当然本发明不限于此，也可以在扭矩未开始时就开始记录，这样所形成的拧紧角度X与扭矩T所形成的曲线相对于图2所示的曲线整体沿横坐标X向右移动，然而，这种情况下的控制螺栓拧紧的原理、计算提供夹紧力的角度的原理也与以上所描述的一样。

本领域技术人员应当理解，拧紧角度理论值可以通过以下公式计算：

其中，X_f为拧紧角度理论值，F为螺栓所需提供的夹紧力，E为螺栓材料的弹性模量，A为螺栓的横截面积，P为螺栓的螺距。

以上螺栓所需提供的夹紧力F、螺栓材料的弹性模量E、螺栓的横截面积A、螺栓的螺距P对于同一螺栓来说均为定值。

图3是本发明提供的螺栓拧紧方法的流程图，如图3所示，该方法包括：在螺栓的拧紧过程中，每隔固定时间间隔采集一次螺栓的拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩；根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，来控制螺栓的拧紧。

需要注意的是，本发明提供的螺栓拧紧方法的具体细节及益处与本发明提供的螺栓拧紧设备类似，与此不予赘述。

图4是本发明提供的螺栓拧紧监控系统的框图，如图4所示，该系统包括接收装置和处理装置。接收装置用于接收螺栓拧紧结束后的最终扭矩，处理装置在所接收的最终扭矩不在预先得到的最终扭矩阈值范围内的情况下，则判断螺栓的拧紧不合格；其中，预先得到的最终扭矩的阈值范围通过以下方式得到：在通过以上所描述的螺栓拧紧方法拧紧螺栓(即拧紧结束)后，得到的螺栓的拧紧角度为最终拧紧角度，根据最终拧紧角度得到与该最终拧紧角度对应的最终扭矩；在得到多个最终扭矩的情况下计算得到最终扭矩阈值范围。

下面结合图2对最终扭矩阈值范围的获取方法进行阐述，如图2所示，在螺栓继续拧紧X_f-X_r之后，螺栓的拧紧角度为X_e，与该螺栓拧紧角度X_e对应的扭矩为T_e，其中，X_e被称为最终拧紧角度，T_e被称为最终扭矩。

通过以上所描述的螺栓拧紧方法进行的螺栓拧紧仅仅是针对一个螺栓进行拧紧的过程，在采用以上所描述的螺栓拧紧方法对多个螺栓进行拧紧之后，将会采集到多个最终扭矩，那么就可以根据所采集到的多个最终扭矩通过统计学原理来计算得到最终扭矩阈值范围。本领域技术人员应当理解，通过统计学原理来计算最终扭矩阈值范围的方式有多种，例如，可以采用计算均值的上下三个标准差，也可以采用计算均值的上下一个标准差，具体计算方式可以根据具体情况不同而不同。

通过这种方式对螺栓拧紧进行监控，不仅可以直观地通过扭矩来判断螺栓的拧紧是否合格，而且由于最终扭矩阈值范围通过考虑螺栓夹紧力的情况下得到的，所以这种监控方式也更加合理。

图5是本发明提供的螺栓拧紧监控方法的流程图，如图5所示，该方法包括：接收螺栓拧紧结束后的最终扭矩，在所接收的最终扭矩不在预先得到的最终扭矩阈值范围内的情况下，则判断所述螺栓的拧紧不合格；其中，预先得到的最终扭矩的阈值范围通过以下方式得到：在以上所描述的螺栓拧紧方法拧紧螺栓之后，得到的螺栓的拧紧角度为最终拧紧角度；根据最终拧紧角度得到与该最终拧紧角度对应的最终扭矩；在得到多个最终扭矩的情况下计算得到最终扭矩阈值范围。

应当注意的是，本发明提供的螺栓拧紧监控方法的具体细节及益处与本发明提供的螺栓监控系统类似，与此不予赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种螺栓拧紧设备，其特征在于，该设备包括：

数据采集装置，在所述螺栓的拧紧过程中，每隔固定时间间隔采集一次所述螺栓的拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩；

控制装置，根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，控制所述螺栓的拧紧。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度包括：

以拧紧角度为横坐标、以扭矩为纵坐标建立直角坐标系；

根据拧紧角度X₁，X₂，……，X_n及分别与该多个拧紧角度一一对应的扭矩T₁，T₂，……，T_n，计算其中，n为大于或等于2的整数；

在K_n＝K_n-1的情况下，在所述直角坐标系中以K_n为斜率制作过(X_n,T_n)点的直线，以得到该直线与所述横坐标的交点的横坐标的值X_m；以及

通过公式X_r＝X_n-X_m计算得到所述提供夹紧力的角度X_r。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，在所述直角坐标系中，所述拧紧角度和所述扭矩形成的曲线经过原点，且除了原点以外的数值均为非零值。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述拧紧角度理论值通过以下公式计算：

$X_f=\frac{F}{E\×A\×P\×360}$

其中，X_f为所述拧紧角度理论值，F为螺栓所需提供的夹紧力，E为螺栓材料的弹性模量，A为螺栓的横截面积，P为螺栓的螺距。

5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的设备，其特征在于，根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，来控制所述螺栓的拧紧包括：

在所述螺栓的拧紧角度已经达到用于提供夹紧力的角度X_r的情况下，控制所述螺栓继续拧紧的角度为X_f-X_r，其中X_f为所述拧紧角度理论值。

6.一种螺栓拧紧方法，其特征在于，该方法包括：

在所述螺栓的拧紧过程中，每隔固定时间间隔采集一次所述螺栓的拧紧角度及与拧紧角度一一对应的扭矩；

根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，来控制所述螺栓的拧紧。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度包括：

以拧紧角度为横坐标、以扭矩为纵坐标建立直角坐标系；

根据拧紧角度X₁，X₂，……，X_n及分别与该多个拧紧角度一一对应的扭矩T₁，T₂，……，T_n计算其中，n为大于或等于2的整数；

在K_n＝K_n-1的情况下，在所述直角坐标系中以K_n为斜率制作过(X_n,T_n)点的直线，以得到该直线与所述横坐标的交点的横坐标的值X_m；以及

通过公式X_r＝X_n-X_m计算得到所述提供夹紧力的角度X_r。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述直角坐标系中，所述拧紧角度和所述扭矩形成的曲线经过原点，且除了原点以外的数值均为非零值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述拧紧角度理论值通过以下公式计算：

$X_f=\frac{F}{E\×A\×P\×360}$

其中，X_f为所述拧紧角度理论值，F为螺栓所需提供的夹紧力，E为螺栓材料的弹性模量，A为螺栓的横截面积，P为螺栓的螺距。

10.根据权利要求6-9中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，根据所采集的拧紧角度和扭矩来计算提供夹紧力的角度，并结合预先得到的拧紧角度理论值，来控制所述螺栓的拧紧包括：

在所述螺栓的拧紧角度已经达到用于提供夹紧力的角度X_r的情况下，控制所述螺栓继续拧紧的角度为X_f-X_r，其中X_f为所述拧紧角度理论值。

11.一种螺栓拧紧监控系统，其特征在于，该系统包括：

接收装置，用于接收螺栓拧紧结束后的最终扭矩；

处理装置，在所述最终扭矩不在预先得到的最终扭矩阈值范围内的情况下，则判断所述螺栓的拧紧不合格；

其中，所述预先得到的最终扭矩的阈值范围通过以下方式得到：

在通过权利要求10所述的螺栓拧紧方法拧紧螺栓后，得到的所述螺栓的拧紧角度为最终拧紧角度；

根据所述最终拧紧角度得到与该最终拧紧角度对应的最终扭矩；

在得到多个所述最终扭矩的情况下计算得到所述最终扭矩阈值范围。

12.一种螺栓拧紧监控方法，其特征在于，该方法包括：

接收螺栓拧紧结束后的最终扭矩；

在所述最终扭矩不在预先得到的最终扭矩阈值范围内的情况下，则判断所述螺栓的拧紧不合格；

其中，所述预先得到的最终扭矩的阈值范围通过以下方式得到：

在通过权利要求10所述的螺栓拧紧方法中继续拧紧了角度X_f-X_r之后，得到的所述螺栓的拧紧角度为最终拧紧角度；

根据所述最终拧紧角度得到与该最终拧紧角度对应的最终扭矩；

在得到多个所述最终扭矩的情况下计算得到所述最终扭矩阈值范围。