CN207662557U - 一种螺栓装配过程中预紧力实时检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种螺栓装配过程中预紧力实时检测装置和检测方法，所述检测装置包括：一对或多对高精度激光位移传感器、安装激光传感器的高精度运动导轨以及用于实时显示预紧力且具有报警功能的上位机。所述检测方法步骤如下：将螺栓、螺母安装在被连接件上并初步拧紧螺母至贴合被连接件表面以保证定位，通过运动导轨调整激光传感器位置，使一对激光分别照射在螺栓的两个端面，当螺母拧紧时通过高精度激光位移传感器测量出螺栓的伸长量，并在上位机实时显示换算出的螺栓预紧力，当达到目标预紧力时报警。与超声波、应变片及千分尺测长仪等方法相比，本实用新型安装便捷、现场实用性强，具有无损、精度高等有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及机械设备装配领域，特别涉及一种高端紧固件装配过程中预紧力实时、无损检测装置与方法。
背景技术
螺栓连接广泛运用于机械、土木、能源和航空航天工程等领域。目前，螺栓现场装配是通过监测拧紧螺栓时的扭矩值来控制螺栓预紧力的大小，在拧紧过程中，输入的能量只有大约10％转化为螺栓的预紧力，而其它约90％的能量被螺纹牙面摩擦和螺母与被连接件的接触端面摩擦损耗，因此，牙面和端面摩擦系数即使有微小的波动，也将导致螺栓拧紧后产生一定的差异，预紧力一致性较差；虽然采用扭矩—转角法能够在一定程度上改善预紧力的一致性，但在拧紧过程中的扭矩段，仍会因端面和牙面摩擦系数的差异性导致实际预紧力与目标预紧力产生一定偏差。综上所述，如何准确控制螺栓拧紧预紧力是现场装配中急需解决的问题。
本发明提出的通过激光位移传感器测量螺栓伸长量的检测装置与方法尚未见相关文献。现场实际应用的测试技术主要有以下几种：
(1)CN 104568282B《一种测试螺栓预紧力的装置及其控制方法》、CN 103616118B《螺栓及其预紧力的检测系统、控制方法》及CN 104075831A《一种高强度螺栓预紧力测量装置》等专利公开了通过应变片测量螺栓预紧力的方法，该方法需要在每一个被测螺栓的螺杆上贴多个应变片，工序繁琐，同时螺栓与被连接件之间要留出足够的空间布置引线。该方法对螺栓有一定的损伤，且无法满足现场批量装配。
(2)CN 1156679C《超声波螺栓紧固力测试装置》、CN 105115652A《一种利用主动超声导波定量化监测螺栓预紧力矩的方法》等专利公开了依据超声波在不同应力状态的螺栓内部传播速度不同的原理实现螺栓预紧力的测量。该方法需要对螺栓两个端面进行预处理，测量时需要耦合剂并且测量精度受操作者影响较大。
(3)CN 103323170B《一种螺栓组连接的预紧力测量系统及方法》、CN 204286667U《一种螺栓预紧力测量装置》等公开了在螺栓与被连接件间安装压力传感器直接测量螺栓预紧力，但是该方法适合检测、实验验证，不适于实际装配，因为安装压力传感器将影响被连接件的刚度，同时也影响结合面压力分布及使用过程的可靠性。
此外，也可用千分表测长仪直接测量方法螺栓伸长量，但是传统的测试手段测量精度低，测试数据不易保存、分析，无法满足现场大批量装配的需求，工程应用性较低。
发明内容
鉴于现有技术在现场螺栓装配应用中预紧力检测方面存在的缺点和不足，本发明提供一种高精度、高效便捷、基于高精度激光位移传感器的螺栓预紧力实时、无损检测装置与方法。
为实现发明目的之一，本发明采用如下的技术方案：
一种螺栓装配过程中预紧力实时检测装置，包括上位机、被连接件、待装配螺栓、螺母、一对高精度激光位移传感器和两条高精度运动导轨；所述的高精度运动导轨固定于水平放置的基座或地面上且相互平行；被连接件置于两条所述高精度运动导轨的中间且与其平行，待装配螺栓水平方向垂直穿过所述被连接件通过螺母装配；高精度激光传感器分别安装于对应的所述高精度运动导轨上并与上位机相连，且所述待装配螺栓与被连接件通过螺母装配完成后，分别调整所述高精度运动导轨上的高精度激光传感器的位置使其发射的激光分别垂直照射于所述待装配螺栓的前后两个端面上。
在本发明的螺栓装配过程中预紧力实时检测装置中，进一步的，所述高精度激光位移传感器和/或高精度运动导轨分别为两对或四对。
进一步的，所述的高精度运动导轨使安装在上面的激光位移传感器做水平和竖直运动；进一步优选，所述高精度激光位移传感器测量精度不低于1um，采样频率不低于50Hz。
为实现发明目的之二，本发明采用如下的技术方案：
借助上述装置，本发明提供一种螺栓装配过程中预紧力实时检测方法，将待装配螺栓安装在被连接件上并初步拧紧螺母至贴合被连接件表面保证定位，通过调整高精度运动导轨上的高精度激光位移传感器的空间位置，使高精度激光位移传感器射出的激光分别照射在所述待装配螺栓的两个端面，当所述待装配螺母紧固时通过所述高精度激光位移传感器测量出螺栓的伸长量ΔL，所述的螺栓预紧力F＝Kb·ΔL，其中，Kb为螺栓轴向拉伸刚度，其具体数值由生产厂家或检测中心实验测得，此时，所述上位机实时显示换算出的螺栓预紧力F，并当达到目标预紧力F时报警。
在本发明的螺栓装配过程中预紧力实时检测方法中，进一步的，所述高精度激光位移传感器分别水平和竖直扫描所述被连接件的螺栓孔，通过横向扫描时与所述螺栓孔的两个交点获得所述螺栓孔中心的横向坐标，通过纵向扫描时与所述螺栓孔的两个交点获得的所述螺栓孔中心的纵向坐标，从而获得所述螺栓孔的中心位置坐标，然后待装配螺栓安装后使得所述高精度激光位移传感器发射的激光分别照射在待装配螺栓两个端面的中心点处，从而进一步保障测量时的准确性。
进一步的，所述高精度激光位移传感器通过多点测量螺母一端的待装配螺栓端面拟合出螺栓端面的倾斜度，并换算出螺栓的伸长量ΔL，从而防止误差进一步保障测量的准确性，当达到目标预紧力F时停止拧紧并报警提示，自动保存拧紧过程中的数据。
本发明具有以下优点：
(1)本发明通过高精度激光传感器直接测量螺栓伸长量，属于实时、非接触无损测量，安装便捷、易于更换，现场实用性强。
(2)本发明不受人工操作等因素干扰，测量精度高，数据能够批量保存、易于后期数据处理分析，同时有利于自动化装配的实现。
附图说明
图1为本发明螺栓装配过程中预紧力实时检测装置图。
图2为本发明螺栓装配过程中预紧力实时检测方法示意图。
图3为本发明被连接件螺栓孔中心确定方法示意图。
图4为本发明螺栓拧紧后伸长状态示意图。
图1-4中：1、上位机，2、被连接件，2-1、螺栓孔，3、螺母，4、待装配螺栓，5、高精度激光位移传感器，6、高精度运动导轨；
其中，5-1、螺栓头端高精度激光位移传感器，5-2、螺母端高精度激光位移传感器；4-1、待装配螺栓头端面，4-2、待装配螺栓尾端面。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例对本发明做更进一步的解释。
下述实施例中提到的前后等方向用语仅是参考附图1-4的方向，且下述前后是指附图1-4中左右方向的前后。因此，使用方向用语是用于说明及理解本发明，而非用于限制本发明。
实施例1
如图1所示。本发明的螺栓装配过程中预紧力实时检测装置，包括上位机1、被连接件2、螺母3、待装配螺栓4、高精度激光位移传感器5和高精度运动导轨6。
高精度运动导轨6固定于水平放置的基座或地面且相互平行；被连接件2 置于所述高精度运动导轨6的中间且与其平行，待装配螺栓4垂直穿过所述被连接件2通过螺母3装配；螺栓头端高精度激光位移传感器5-1和螺母端高精度激光位移传感器5-2分别安装于所述高精度运动导轨6上并与上位机1相连，将待装配螺栓4、螺母3与被连接件2装配完成后，分别通过调整所述高精度运动导轨6上的所述螺栓头端高精度激光位移传感器5-1和螺母端高精度激光位移传感器5-2的位置使其发射的激光分别垂直照射于所述待装配螺栓4的前后两个端面上，前端面为待装配螺栓头端面4-1，后端面为待装配螺栓尾端面。
实施例2
借助实施例1的装置，一种螺栓装配过程中预紧力实时检测方法，如图2 所示。
将被连接件2置于实施例1的检测装置内并可靠定位固定后，通过高精度运动导轨6使得螺栓头端高精度激光位移传感器5-1水平和竖直扫描螺栓孔2-1，分别记录水平方向的横坐标值a、b和竖直方向纵坐标值c、d，如图3所示，以此确定螺栓孔2-1中心点O的坐标((a+b)/2,(c+d)/2)。
将待装配螺栓4、螺母3定位并安装于被连接件2上后，初步拧紧螺母3至贴合被连接件2的表面，保证待装配螺栓4水平垂直于高精度运动导轨6且固定可靠，通过高精度运动导轨6使螺栓头端高精度激光位移传感器5-1照射在待装配螺栓头端面4-1的坐标点O处，使螺母端高精度激光位移传感器5-2照射在螺母3一端的待装配螺栓尾端面4-2的中心点处，记录下此时的初始距离L1+L2，随后开始匀速拧紧螺母3，通过螺栓头端高精度激光位移传感器5-1和螺母端高精度激光位移传感器5-2测量出待装配螺栓4的伸长量ΔL＝(L1+L2)-(L1′+L2′)，其中，L1、L2为初始状态时，螺栓头端高精度激光位移传感器5-1和螺母端高精度激光位移传感器5-2分别至待装配螺栓4的前后两个端面中心处的垂直距离， L1′、L2′为拧紧状态时，螺栓头端高精度激光位移传感器5-1和螺母端高精度激光位移传感器5-2分别至待装配螺栓4的前后两个端面中心处的垂直距离。
在本发明的螺栓装配过程中预紧力实时检测方法中，在上位机1实时显示换算出的螺栓预紧力F，所述的螺栓预紧力F换算公式为F＝Kb·ΔL，Kb为螺栓轴向拉伸刚度，其具体数值由生产厂家或检测中心实验测得。
当预紧力F达到目标预紧力90％时，停止拧紧螺母3，此时螺母端高精度激光位移传感器5-2通过多点测量螺母3一端的待装配螺栓尾端面4-2拟合出螺栓端面的倾斜度，如图4所示，并换算出剩余10％预紧力所需的螺栓伸长量，通过慢速拧紧螺母3，当达到目标预紧力F时停止拧紧并报警提示，自动保存拧紧过程中的数据。
以螺栓MJ8-1-48为例，当被连接件2的整体厚度为30mm时，螺栓MJ8-1-48 装配后的轴向刚度约为274kN/mm，拧紧后预紧力达到37kN时，对应的螺栓MJ8-1-48的伸长量约为0.135mm。当本例中的高精度激光位移传感器5的测量精度为±1um时，则螺栓MJ8-1-48预紧力的测量误差仅为±1％，因此本发明相比现有方法，测量精度高，并且现场实用性强，本发明旨在解决目前行业内螺栓装配预紧力无法实时检测的问题，为将来螺栓自动化装配检测提供切实可行的方案，甚至取代目前扭矩法、转角法等间接控制螺栓预紧力的拧紧工艺。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如激光传感器的安装方式，激光传感器的数量和布局以及在螺栓组装配中的应用，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种螺栓装配过程中预紧力实时检测装置，其特征在于包括上位机、被连接件、待装配螺栓、螺母、一对高精度激光位移传感器和一对高精度运动导轨；所述的高精度运动导轨固定于水平放置的基座或地面且相互平行；被连接件置于所述高精度运动导轨的中间且与其平行，待装配螺栓水平方向垂直穿过所述被连接件通过螺母装配；高精度激光传感器分别安装于对应的所述高精度运动导轨上并与上位机相连，且所述待装配螺栓与被连接件通过螺母装配完成后，分别通过调整所述高精度运动导轨上的所述高精度激光传感器的位置使其发射的激光分别垂直照射于所述待装配螺栓的前后两个端面上。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述高精度激光位移传感器和/或高精度运动导轨分别为两对或四对。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述的高精度运动导轨使安装在上面的激光位移传感器做水平和竖直运动。
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