CN107702836A - 一种精密螺纹压圈扭矩‑预紧力映射关系测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密螺纹压圈扭矩‑预紧力关系的测量装置，S型高精度传感器下端固定在所述底座上，上端与球面接触连接组件下端固定连接；所述球面接触连接组件上端设有球面板，该球面板与所述模拟镜片连接；所述球面接触连接组件用于限制施加在所述模拟镜片上的预紧力，使该预紧力垂直作用于所述S型高精度传感器；直线式限位组件固定连接在底座上，直线式限位组件通过轴承与球面接触连接组件固定连接，所述直线式限位组件用于限制球面接触连接组件的转动；可更换螺纹压圈螺母组件与所述直线式限位组件配合固定，用于将所述螺纹压圈固定在所述模拟镜片上方。该装置操作方便，精度高。

Description

一种精密螺纹压圈扭矩-预紧力映射关系测量装置
技术领域
本发明属于精密仪器领域，具体涉及一种精密的螺纹压圈扭矩-预紧力映射关系测量装置。
背景技术
随着航空、航天、军事、医疗上对精密仪表的精度和稳定性的要求不断增加，提高精密仪表的精度和稳定性的任务已经迫在眉睫。在精密光学仪器中螺纹压圈由于其可观的连接力和方便拆装的特点，广泛的应用于光学镜片的固定。准确获得螺纹压圈的扭矩-预紧力映射关系对于提高精密光学仪器的精度及光轴稳定性具有重要意义。
螺纹压圈是在精密光学仪器中用于压紧固定光学镜片的零件。不同于螺钉，螺纹压圈不仅与镜筒有螺纹面之间的接触，其棱边也有与光学镜片曲面的接触，因此其接触形式与螺钉不同。由于螺纹压圈及镜片不可避免的存在形状误差，当螺纹压圈对光学镜片产生的压力即预紧力过大时，会造成光学镜片不均匀的变形以及局部应力集中，极大地影响光学镜片的精度和光轴稳定性。当预紧力过小时，虽不会导致镜片的变形，但螺纹压圈对光学镜片不能进行有效的固定，造成镜片的松动，对精密光学仪器的精度及稳定性造成极大的影响。
目前生产实践中没有针对螺纹压圈的预紧力控制方法，主要应用扭矩法来近似控制预紧力，该方法的基本原理是在拧紧过程中通过控制拧紧扭矩来实现对预紧力的间接控制。
T＝KdF
其中，T：扭矩；K：扭矩系数；d：螺纹公称直径；F：螺纹连接件轴向预紧力。
目前，工程中扭矩系数K一般主要依据经验来确定。但经验值均用于螺钉或类似螺钉的螺纹连接方式，显然对于螺纹压圈并不完全适用。并且在实际拧紧过程中，螺纹压圈的扭矩系数K并不是一个常数，螺纹的加工精度、有无润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、拧紧时的温度等都会对拧紧过程中扭矩系数K的变化产生影响。由此可见，对于精密光学仪器，螺纹压圈的预紧力需要精确控制，在材料、温度、润滑条件等多种不确定因素的条件下，K的经验值显然满足不了工程实际需求。因此，提出针对精密螺纹压圈的扭矩系数K值的取值规律，建立螺纹压圈扭矩与预紧力之间的映射关系，对于定量、准确地控制精密光学仪器中螺纹压圈的拧紧扭矩具有重要意义。
螺纹压圈的在拧紧过程中的接触状态以及使用方式都与螺钉不同，且螺纹压圈的预紧力也并没有引起广泛的重视。因此目前并没有针对螺纹压圈扭矩-预紧力映射关系的测量方法，与之相近的针对大尺寸螺栓连接中扭矩和预紧力关系已有较为成熟的测量方法，主要有应变片法、超声波测量法、扭拉传感器测量方法等。但是这些方法并不能适用于螺纹压圈的扭矩-预紧力映射关系测量，其中，应变片法的测量方法理论精度虽然比较高，但由于操作复杂，应变片的粘贴质量影响最终测量精度，所以该方法主要适用于实验室的实验研究，并不适合工程应用。超声波法测量精度高，但缺点是对试验螺栓的结构和加工有特定的要求，显然不适用于螺纹压圈。目前基于船、车等大型机械产品的螺栓连接的扭拉传感器测量装置也并不适用于螺纹压圈的测量。
为了保证精密光学仪器中螺纹压圈在拧紧过程中的预紧力，且能获得高精度和高标准的测量值，亟需研究一种精密光学仪器中螺纹压圈的扭矩-预紧力映射关系测量装置及其测量方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种精密螺纹压圈扭矩-预紧力映射关系测量装置，该装置操作方便，精度高。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种精密螺纹压圈扭矩-预紧力关系的测量装置，包括：扭力测量仪、S型高精度传感器、模拟镜片、可更换螺纹压圈螺母组件、球面接触连接组件、直线式限位组件、底座以及螺纹压圈。
S型高精度传感器下端固定在底座上，上端与球面接触连接组件下端固定连接。
球面接触连接组件上端设有球面板，该球面板与模拟镜片连接；球面接触连接组件用于限制施加在模拟镜片上的预紧力，使该预紧力垂直作用于S型高精度传感器。
直线式限位组件固定连接在底座上，直线式限位组件通过轴承与球面接触连接组件固定连接，直线式限位组件用于限制球面接触连接组件的转动。
可更换螺纹压圈螺母组件与直线式限位组件配合固定，用于将螺纹压圈固定在模拟镜片上方。
进一步地，球面接触连接组件包括上球面板、下球面板以及U型板。
U型板的底部与S型高精度传感器固定连接。
下球面板为上端面开设球面凹槽的平板，下球面板固定于U型板的上端。
上球面板为下端面设有球面凸起的平板，上球面板上的球面凸起与下球面板上的球面凹槽相匹配并接触连接；上球面板上端连接模拟镜片。
进一步地，直线式限位组件包括光轴、菱形轴支座和箱型直线轴承。光轴共四根，通过四个菱形轴支座固定在底座上，其中四根光轴围绕球面接触连接组件设置。箱型直线轴承共四个，每个箱型直线轴承穿过一根光轴，四个箱型直线轴承均与球面接触连接组件的U型板固定连接。
进一步地，可更换螺纹压圈螺母组件包括支撑板及螺纹压圈螺母，支撑板固定在直线式限位组件的光轴上，螺纹压圈通过螺纹压圈螺母固定在支撑板上。
有益效果：
1.本发明通过精密螺纹压圈扭矩-预紧力映射关系测量装置与方法的设计，将螺纹压圈的预紧力通过可更换螺纹压圈螺母组件及球面接触连接组件转化为S型高精度传感器能够直接测量的压力，此转化过程简明清晰，操作方便，能实现不同工况下的高精度扭矩-预紧力映射关系的测量。通过紧凑简明的设计，将螺栓连接时的扭矩和预紧力(压力)分解开测量。既能实现在螺纹压圈拧紧过程中的扭矩、预紧力(压力)的实时监测，又能得到统计数据，以便分析在某种特定实验条件下螺纹压圈的扭矩-预紧力映射关系，进而指导生产实践。
2.本发明具有高精度模拟螺纹压圈连接实际工况的功能，测量装置不仅可以方便的进行不同规格、温度、润滑条件、拧紧方式等情况的螺纹压圈扭矩和预紧力的测量，还能够实现不同材料螺纹压圈扭矩和预紧力的测量。
3.本发明装置的球面接触连接组件有效地控制了所测预紧力均匀且垂直的施加在S型高精度传感器上，避免了因螺纹压圈及测量装置误差造成的切向力以及螺纹压圈螺母与S型高精度传感器安装不同轴造成的测量误差。
附图说明
图1为精密螺纹压圈扭矩-预紧力映射关系测量装置的系统分布示意图。
图2为精密螺纹压圈扭矩-预紧力映射关系测量装置的系统局部示意图。
图3为球面接触连接组件结构示意图。
其中，1-支撑板，2-箱型直线轴承，3-光轴，4-菱形轴支座，5-底座，6-螺纹压圈，7-螺纹压圈螺母，8-U型板，9-S型高精度传感器，10-模拟镜片，11-上球面板，12-下球面板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种精密螺纹压圈连接扭矩-预紧力映射关系测量装置，实现本发明技术方案如下：
如附图1、2所示，一种精密螺纹压圈连接扭矩-拉力关系的测量装置包括：扭力测量仪、螺纹压圈拧紧专用扳手、S型高精度传感器9、模拟镜片10、可更换螺纹压圈螺母组件、球面接触连接组件、直线式限位组件、底座5；
扭力测量仪上连有螺纹压圈拧紧专用扳手；
S型高精度传感器9下端与底座5固定连接，S型高精度传感器9上端与球面接触连接组件的U型板8固定连接；
球面接触连接组件如图3所示，包括上球面板11、下球面板12以及U型板8；U型板8与S型高精度传感器9固定连接；下球面板12与U型板8固定连接；上球面板11的球面与下球面板12的球面接触，其作用是保证测量的预紧力均匀且垂直的作用在S型高精度传感器9上；上球面板11上端连接模拟镜片10。
模拟镜片10与球面接触连接组件的上球面板11连接；
直线式限位组件包括光轴3、菱形轴支座4、箱型直线轴承2；光轴3共四根，通过四个菱形轴支座4固定在底座5上；箱型直线轴承2穿过光轴3，与球面接触连接组件的U型板8固定连接；工作时，直线式限位组件的作用是限制球面接触连接组件转动防止将扭矩传递给S型高精度传感器9，以消除因球面接触连接组件扭转对S型高精度传感器9测量精度的影响；
可更换螺纹压圈螺母组件包括支撑板1及螺纹压圈螺母7，其作用是可以更换每次实验所使用的螺纹压圈螺母7；可更换螺纹压圈螺母组件与直线式限位组件的光轴3固定连接；
精密螺纹压圈的扭矩-预紧力映射关系测量方法步骤如下(以直径50mm的螺纹压圈及螺纹压圈螺母为例)：
第1步：确定螺纹压圈、螺纹压圈螺母、模拟镜片的材料，并各加工50个作为试验件。
第2步：分别对50个螺纹压圈、螺纹压圈螺母、模拟镜片进行编号及分组。共分为5组(ai～ei)，每一组有10个螺纹压圈、螺纹压圈螺母、模拟镜片，编号为xi(x为a～e的字母，i为1～10的正整数)。
第3步：确定润滑条件、环境温度、环境湿度、拧紧速度、设计预紧力或预紧扭矩，然后进行螺纹压圈拧紧实验，并使利用东方振动和噪声技术研究所的DASP软件以及相配套的硬件进行数据采集，获得当螺纹压圈的预紧力或预紧扭矩达到设计要求值时的S型高精度传感器和扭力测试仪的动态曲线。
第4步：处理动态曲线对应的数据，计算该实验条件下扭矩系数kai并去除该组扭矩系数中最大和最小的奇异值。
令其中为在a组实验条件下，螺纹压圈的扭矩系数平均值。
第5步：建立a组实验条件下螺纹压圈预紧力-扭矩映射关系的数学模型，即其中d为a组实验条件下螺纹压圈的公称直径，F为预紧力。
第6步：其他组实验根据实验条件类推。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种精密螺纹压圈扭矩-预紧力关系的测量装置，其特征在于，包括：扭力测量仪、S型高精度传感器(9)、模拟镜片(10)、可更换螺纹压圈螺母组件、球面接触连接组件、直线式限位组件、底座(5)以及螺纹压圈(6)；
所述S型高精度传感器(9)下端固定在所述底座(5)上，上端与球面接触连接组件下端固定连接；
所述球面接触连接组件上端设有球面板，该球面板与所述模拟镜片(10)连接；所述球面接触连接组件用于限制施加在所述模拟镜片(10)上的预紧力，使该预紧力垂直作用于所述S型高精度传感器(9)；
所述直线式限位组件固定连接在底座(5)上，直线式限位组件通过轴承与球面接触连接组件固定连接，所述直线式限位组件用于限制球面接触连接组件的转动；
所述可更换螺纹压圈螺母组件与所述直线式限位组件配合固定，用于将所述螺纹压圈(6)固定在所述模拟镜片(10)上方。
2.如权利要求1所述的一种精密螺纹压圈扭矩-预紧力关系的测量装置，其特征在于，所述球面接触连接组件包括上球面板(11)、下球面板(12)以及U型板(8)；
所述U型板(8)的底部与S型高精度传感器(9)固定连接；
所述下球面板(12)为上端面开设球面凹槽的平板，下球面板(12)固定于所述U型板(8)的上端；
所述上球面板(11)为下端面设有球面凸起的平板，上球面板(11)上的球面凸起与下球面板(12)上的球面凹槽相匹配并接触连接；所述上球面板(11)上端连接模拟镜片(10)。
3.如权利要求2所述的一种精密螺纹压圈扭矩-预紧力关系的测量装置，其特征在于，所述直线式限位组件包括光轴(3)、菱形轴支座(4)和箱型直线轴承(2)；
所述光轴(3)共四根，通过所述四个菱形轴支座(4)固定在底座(5)上，其中四根光轴(3)围绕所述球面接触连接组件设置；
所述箱型直线轴承(2)共四个，每个箱型直线轴承(2)穿过一根光轴(3)，四个箱型直线轴承(2)均与球面接触连接组件的U型板(8)固定连接。
4.如权利要求3所述的一种精密螺纹压圈扭矩-预紧力关系的测量装置，其特征在于，所述可更换螺纹压圈螺母组件包括支撑板(1)及螺纹压圈螺母(7)，
所述支撑板(1)固定在所述直线式限位组件的光轴上，所述螺纹压圈(6)通过所述螺纹压圈螺母(7)固定在所述支撑板(1)上。
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