JP2000141241A - Fastening machine of bolt - Google Patents

Fastening machine of bolt

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Publication number
JP2000141241A
JP2000141241A JP10315513A JP31551398A JP2000141241A JP 2000141241 A JP2000141241 A JP 2000141241A JP 10315513 A JP10315513 A JP 10315513A JP 31551398 A JP31551398 A JP 31551398A JP 2000141241 A JP2000141241 A JP 2000141241A
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JP
Japan
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bolt
fastening
measurement system
nut runner
fastening bolt
Prior art date
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Pending
Application number
JP10315513A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mikio Fukuhara
幹夫 福原
Asao Sanpei
麻雄 三瓶
Tomio Shimada
富雄 島田
Toshitaka Kamikubo
俊孝 上久保
Katsumi Okuno
克己 奥野
Takashi Eguchi
隆志 江口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tungaloy Corp
Original Assignee
Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Publication date
Application filed by Toshiba Tungaloy Co Ltd filed Critical Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Publication of JP2000141241A publication Critical patent/JP2000141241A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bolt fastening machine capable of precisely and instantly measuring axial tension of a fastening bolt. SOLUTION: A shaft part 11 for rotation transmission is provided on a tool unit of a nut runner 10 furnished with a nut runner control device 16, and a socket 15 forming an engagement hole 20 to fit to a head part 4a of a fastening bolt 4 is installed on this shaft part 11. A measurement sensor 23 furnished with a piezoelectric element 32 is incorporated within the deep side of this engagement hole 20, and this piezoelectric element 32 is respectively and electrically connected to an outside supersonic transmitter-receiver 21 and a measurement system unit 22. This piezoelectric element 32 is to simultaneously transmit both supersonic waves of a longitudinal wave and a transversal wave, and it is capable of precise bolt axial tension by measuring and analyzing reciprocal propagation time to reach a screw part 4b from the head part 4a of the fastening bolt 4. The measurement system unit 22 and the nut runner control device 16 are connected to each other through a personal computer 31, and it is possible to constantly hold an axial tension value within a proper region by corrective motion of a torque sensor 13 when the axial tension value of the fastening bolt 4 at the time of fastening is sequentially fed back to the nut runner control device 16.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ボルト締結機に関
し、特に、ナットランナ−に備えられたソケットの係合
穴内には、縦波及び横波の両超音波を送受信できる測定
センサ−が組込まれ、締結ボルトの頭部からネジ先端部
に至る両超音波の往復伝播時間を測定解析して、締結ボ
ルトの軸応力が精密に計測できるようにしたものであ
る。用途としては、熱応力や応力変動を受ける構造部材
例えば、自動車のエンジン部材、歯車等のネジ締結部材
が挙げられる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bolt fastening machine, and more particularly to a measuring sensor capable of transmitting and receiving both longitudinal and transverse ultrasonic waves in an engaging hole of a socket provided in a nut runner. The reciprocating propagation time of both ultrasonic waves from the head of the fastening bolt to the tip of the screw is measured and analyzed so that the axial stress of the fastening bolt can be accurately measured. Applications include structural members that are subject to thermal stress and stress fluctuations, such as engine members of automobiles and screw fastening members such as gears.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種のボルト締結機は、軸応力
などを計測するものとしては、超音波パルスエコ−位置
計測法、超音波固有振動計測法などが知られており、実
務面では、簡易的にトルク計が使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic pulse eco-position measuring method, an ultrasonic natural vibration measuring method, and the like have been known as a type of bolt fastening machine for measuring an axial stress and the like. A simple torque meter is used.

【0003】また、ボルトの軸方向に伝播する縦波と横
波の伝播時間比率に基づく軸力測定法が特開昭62−3
8331号公報で開示されている。
An axial force measuring method based on the propagation time ratio of longitudinal waves and transverse waves propagating in the axial direction of a bolt is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-3 / 1987.
No. 8331 discloses it.

【0004】さらに、本願発明者等は、特開平9−28
8022号公報で開示されているように、横波超音波パ
ルス波形から得られる伝播時間及び減衰率を計測し、負
荷される軸応力を判定する装置を提案している。また、
特開平10−96673号公報では、縦波及び横波超音
波が横断面方向で中心側及び外周側に分かれて位置する
ド−ナツ状プロ−ブにより送受信され、この伝播時間比
を計測して負荷される軸応力値及び弾−塑性臨界値をそ
れぞれ演算処理する装置を提案している。
[0004] Further, the present inventors have disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-28.
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 8022, there is proposed an apparatus that measures a propagation time and an attenuation rate obtained from a shear wave ultrasonic pulse waveform and determines an applied axial stress. Also,
In Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-96673, longitudinal waves and transverse waves are transmitted and received by a donut-shaped probe which is divided into a center side and an outer side in a cross-sectional direction. A device for calculating the axial stress value and the elasto-plastic critical value, respectively, is proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
パルスエコ−位置計測法では、縦波超音波が使用されて
いることから、締結用ボルトのネジ部からの縦波→横波
→縦波変換により多重エコ−が生じるため、基準ピ−ク
が判読しにくく、誤読が多いという問題点があった。ま
た、締結前のボルト長さを精密計測するか、一定ボルト
長さを有するものを使用しなければならない煩わしさあ
った。
However, in the ultrasonic pulse echo position measurement method, since longitudinal wave ultrasonic waves are used, multiplexing is performed by longitudinal wave → transverse wave → longitudinal wave conversion from the thread portion of the fastening bolt. There is a problem in that the reference peak is difficult to read because of the occurrence of eco-friendly, and there are many misreadings. In addition, it is troublesome to precisely measure the bolt length before fastening or to use a bolt having a fixed bolt length.

【0006】一方、超音波固有振動計測法では、ボルト
締結前後における共振周波数を各々測定しなければなら
ないという不便さがあった。さらに、トルク計による場
合では、締結後のバラツキが50%にも及んで精密計測
に限界があった。
On the other hand, the ultrasonic natural vibration measuring method has a disadvantage that the resonance frequencies before and after bolt fastening must be measured. Further, in the case of using a torque meter, the variation after fastening reaches as much as 50%, and there is a limit in precision measurement.

【0007】また、特開昭62−38331号公報で開
示された軸力測定法では、縦波、横波を送受信する超音
波振動子が上下に接着され、或いは並列に置かれるため
振動子のみの厚みの伝播時間誤差が生じ、また同一材料
を伝播していないという欠点があった。
In the axial force measurement method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-38331, ultrasonic transducers for transmitting and receiving longitudinal waves and transverse waves are vertically adhered to each other or placed in parallel. There is a drawback that a thickness propagation time error occurs and that the same material is not propagated.

【0008】さらに、特開平9−288022号公報で
開示されている伝播時間及び減衰率計測法では、弾−塑
性境界の判別や縦波→横波→縦波変換に起因する多重エ
コ−防止には効果的であるが、締結前のボルト長さを精
密計測する必要があった。また、特開平10−9667
3号公報では、縦波及び横波の超音波を送受信する超音
波振動子が横断方向で中心側及び外周側に分れて、ド−
ナツ状に位置しているため、ボルト頭部への片当りが生
じて、伝播時間の誤差が出たり、場合によっては縦波か
もしくは横波の一方の超音波しか伝播しなかったりする
という致命的な欠陥があった。
Further, the method of measuring propagation time and attenuation rate disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-288022 discloses a method for discriminating an elastic-plastic boundary and preventing multiple echoes caused by longitudinal wave → lateral wave → longitudinal wave conversion. Although effective, it was necessary to precisely measure the bolt length before fastening. Also, JP-A-10-9667
In Japanese Patent Publication No. 3 (1993), an ultrasonic transducer for transmitting and receiving longitudinal and transverse ultrasonic waves is divided into a center side and an outer peripheral side in a transverse direction, and
Since it is located in the shape of a nut, it may cause a collision with the bolt head, causing an error in the propagation time, and in some cases, only one of the longitudinal or transverse ultrasonic waves may propagate. There were serious defects.

【0009】このようなことから、本発明では、測定セ
ンサ−については、縦波発生用の圧電ドメイン及び縦波
発生用の圧電ドメインの二種類から構成される圧電素子
を適用し、同時に送信された両超音波の伝播時間を測定
解析して、締結用ボルトに負荷された軸応力値を計測す
るようにしたボルト締結機を提供するものである。した
がって、ボルト長さを前工程で計測することなく、容易
にしかも適正強度で締結できるものである。
In view of the above, in the present invention, as the measurement sensor, a piezoelectric element composed of a piezoelectric domain for generating a longitudinal wave and a piezoelectric domain for generating a longitudinal wave is applied and transmitted simultaneously. Another object of the present invention is to provide a bolt fastening machine that measures and analyzes the propagation times of both ultrasonic waves and measures the axial stress value applied to the fastening bolt. Therefore, the bolt can be fastened easily and with appropriate strength without measuring the bolt length in the previous process.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は上述の点に鑑み
なされたもので、ナットランナ−には、ナットランナ−
制御装置が備えられ、しかもツ−ルユニットの一端に設
けられた回転伝達用のシャフト部には、締結用ボルトの
頭部に適合する係合穴を形成したソケットが取付けられ
るとともに、この係合穴の奥側には、外部の超音波送受
信装置及び測定系ユニットにそれぞれ接続される測定セ
ンサ−が組込まれるようにしたボルト締結機を前提に改
善したものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and a nut runner is provided.
A control device is provided, and a socket having an engagement hole that fits into the head of the fastening bolt is attached to a rotation transmitting shaft provided at one end of the tool unit. On the back side of the figure, an improvement is made on the premise of a bolt fastening machine in which measurement sensors connected to an external ultrasonic transmission / reception device and a measurement system unit are respectively incorporated.

【0011】すなわち、前記測定センサ−は、センサ−
本体内に組込まれた基板状の圧電素子が締結ボルトに向
って縦波及び横波の超音波を同時送信できるもので、こ
の圧電素子中には、分極された縦波発生用の圧電ドメイ
ン及び縦波発生用の圧電ドメインが均一分散しているも
のである。また、前記測定ユニットは、外部接続の同軸
ケ−ブルがスリップリングを介して内部接続の同軸ケ−
ブル、圧電素子に電気的に接続されることによって、同
時に送信された両超音波のボルト頭部からネジ先端部に
至る往復の伝播時間が測定解析され、締結用ボルトに負
荷された軸応力値が計測されるようにしたものである。
That is, the measuring sensor is a sensor
A substrate-like piezoelectric element incorporated in the main body can simultaneously transmit longitudinal and transverse ultrasonic waves toward the fastening bolt. In the piezoelectric element, there are a piezoelectric domain for generating a polarized longitudinal wave and a vertical. The piezoelectric domains for wave generation are uniformly dispersed. In the measuring unit, an externally connected coaxial cable is connected via a slip ring to an internally connected coaxial cable.
And the ultrasonic transmission of the two ultrasonic waves transmitted simultaneously from the bolt head to the screw tip by measurement and analysis, and the axial stress value applied to the fastening bolt Is to be measured.

【0012】なお、前記測定センサ−の圧電素子の外表
面は、ボルト頭部に直接接触することが好ましく、ま
た、磁石からなるセンサ−本体及び/又は圧縮バネによ
ってボルト頭部に圧接されることが好ましい。これら
は、圧電素子のボルト頭部への密着性向上の配慮であ
る。
It is preferable that the outer surface of the piezoelectric element of the measurement sensor is in direct contact with the bolt head, and that the piezoelectric sensor is pressed against the bolt head by a sensor body composed of a magnet and / or a compression spring. Is preferred. These are considerations for improving the adhesion of the piezoelectric element to the bolt head.

【0013】また、前記測定系ユニットは、波形解析ユ
ニット、波形メモリ−内蔵の波形モニタ−、ディスプレ
−、プリンタ−及びパソコンから構成されるが、両超音
波の伝播時間から軸力関数の音速変化式を導いて軸応力
を演算処理することも可能である。
The measuring system unit includes a waveform analyzing unit, a waveform memory, a built-in waveform monitor, a display, a printer, and a personal computer. It is also possible to calculate the axial stress by deriving the equation.

【0014】さらに、前記測定系ユニット及びナットラ
ンナー制御装置は、測定系ユニットのパソコンを介して
電気的に接続されるようにすれば、ナットランナ−制御
装置によって圧電ゲ−ジ内蔵のトルクセンサ−を補正動
作させることも可能である。前記測定ユニットは、締結
ボルトの締結時におけるボルトの軸応力値を周期的に演
算処理し、得られた軸応力値をナットランナ−制御装置
に順次フィ−ドバックし、前記トルクセンサ−の補正動
作によって適正範囲内の軸応力値が保持できるからであ
る。
Further, if the measurement system unit and the nut runner control device are electrically connected to each other via a personal computer of the measurement system unit, the nut runner control device can use the torque sensor with a built-in piezoelectric gauge. Correction operation can also be performed. The measuring unit periodically calculates the axial stress value of the bolt at the time of fastening of the fastening bolt, sequentially feeds back the obtained axial stress value to the nut runner control device, and performs a correction operation of the torque sensor. This is because an axial stress value within an appropriate range can be maintained.

【0015】[0015]

【発明実施の形態】以下、本発明ボルト締結機の一実施
例について、図を参照しながら説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the bolt fastening machine according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0016】図1は、本発明ボルト締結機を概念的に示
す説明図であって、締結用のブロック1上に配置された
被締結物2は、ワッシャ−3を介して、頭部分4a及び
ねじ部分4bを有する締結ボルト4によって固定されて
いる。そして、この締結ボルト4は、ねじ部分4bが被
締結物2の取付け穴2aに嵌挿され、最終的にはナット
ランナ−10のツ−ルユニット部分の一端に設けられた
シャフト部分11を利用して、ねじ部分4bがブロック
1のねじ穴1aにねじ込まれる。
FIG. 1 is an explanatory view conceptually showing a bolt fastening machine according to the present invention, wherein a workpiece 2 arranged on a fastening block 1 has a head portion 4a and a head portion 4a via a washer-3. It is fixed by a fastening bolt 4 having a screw portion 4b. The fastening bolt 4 has a threaded portion 4b inserted into the mounting hole 2a of the workpiece 2 and finally a shaft portion 11 provided at one end of a tool unit portion of the nut runner 10. , The screw portion 4b is screwed into the screw hole 1a of the block 1.

【0017】前記ナットランナ−10は、ツ−ルユニッ
ト部分がACサ−ボモ−タ12、圧電ゲ−ジ内蔵のトル
クセンサ−13などから構成されているものであり、前
記シャフト部分11には、アタッチメントとして、例え
ば、エキステンションバ−14を介して締結用のソケッ
ト15が連結されている。さらに、前記ナットランナ−
10には、ナットランナ−制御装置16が電気的に接続
されるとともに、前記ソケット15の連結手段として
は、ピン17及びバンド18が適用され、エキステンシ
ョンバ−14及びソケット15間には、圧縮バネ19が
備えられている。
The nut runner 10 has a tool unit composed of an AC servomotor 12, a torque sensor 13 with a built-in piezoelectric gauge, and the like. For example, a fastening socket 15 is connected via an extension bar 14. Further, the nut runner
A nut runner control device 16 is electrically connected to the socket 10, and a pin 17 and a band 18 are applied as connecting means of the socket 15. A compression spring is provided between the extension bar 14 and the socket 15. 19 are provided.

【0018】ところで、前記ソケット15は、前記締結
ボルト4の頭部分4aに適合する係合穴20を有し、こ
の係合穴20の奥側には、外部配置の超音波送受信装置
21及び測定系ユニット22にそれぞれ電気的に接続さ
れる測定センサ−23が配置されている。この場合、超
音波送受信装置21及び測定系ユニット22に対する接
続は、内部接続の同軸ケ−ブル24、外部接続の同軸ケ
−ブル25及びスリップリング26により行なわれ、ま
た前記測定系ユニット22は、図示の場合、波形解析ユ
ニット27、波形メモリ−内蔵の波形モニタ−28、デ
ィスプレ−29、プリンタ−30及びパソコン31から
構成されている。なお、前記スリップリング26は、回
転導体及び固定導体間を連続的、電気的に接続する導電
回転リングを意味するが、図示の場合では、その本体2
6aがソケット15の中間部位にあって、ベアリング部
材26bを介して静止できるようになっているととも
に、水銀26cを使用して回転摺動時のノイズ発生や利
得の減少を極力防止するようにしている。
The socket 15 has an engaging hole 20 which fits into the head portion 4a of the fastening bolt 4, and an ultrasonic transmitting / receiving device 21 and an externally disposed ultrasonic transmitting / receiving device 21 are located behind the engaging hole 20. Measurement sensors 23 electrically connected to the system units 22 are arranged. In this case, the connection to the ultrasonic transmission / reception device 21 and the measurement system unit 22 is performed by a coaxial cable 24 connected internally, a coaxial cable 25 connected externally, and a slip ring 26. In the case shown in the figure, a waveform analysis unit 27, a waveform memory-built-in waveform monitor 28, a display 29, a printer 30 and a personal computer 31 are provided. The slip ring 26 is a conductive rotating ring that continuously and electrically connects the rotating conductor and the fixed conductor.
6a is located at an intermediate portion of the socket 15 and can be stopped via a bearing member 26b. In addition, by using mercury 26c, noise generation and reduction in gain at the time of rotational sliding are prevented as much as possible. I have.

【0019】図2は、前記測定センサ−23の詳細を明
示したものであり、本体内部には、少なくとも基板状の
圧電素子32及び超音波の減衰を制御し、圧電素子32
を固定する例えばポリマ−質からなるダンパ−33が組
込まれている。この場合、圧電素子32は、縦波及び横
波の超音波を同時送信できるように構成されるもので、
例えばペロブスカイト型結晶構造を有する(Ti,Z
r)Pb03もしくはTiPb03などの酸化物やポリ塩
化ビニリデン(PVDF)などのポリマ−からなる。そ
して、同時送信を可能にするため、前記圧電素子32中
には、単一に分極された縦波発生用の圧電ドメイン及び
横波発生用の圧電ドメインの二種類を均一に分散させて
いる。ここで、ドメインとは、単一に分散された粒子の
集合をいい、普通10〜100μmの大きさをもってい
る。そして、この圧電素子32の外表面32aは、前記
締結用ボルト4の頭部分4aに直接接触することが好ま
しい。これに対し、圧電素子32の間接接触では、図示
しない接触媒質を介在させるが、接触媒質としては、グ
リセリン系の粘性流動体、蜂蜜、さらには無水機械油等
が選択され、例えば噴霧状態で塗布される。
FIG. 2 clearly shows the details of the measurement sensor 23. In the main body, at least a substrate-like piezoelectric element 32 and attenuation of ultrasonic waves are controlled, and the piezoelectric element 32 is provided.
For example, a damper 33 made of a polymer material is fixed. In this case, the piezoelectric element 32 is configured to simultaneously transmit longitudinal and transverse ultrasonic waves,
For example, it has a perovskite type crystal structure (Ti, Z
r) Pb0 oxide and polyvinylidene chloride such as 3 or TiPb0 3 (PVDF) polymers such as - consists. In order to enable simultaneous transmission, two types of piezoelectric domains, one for generating longitudinal waves and the other for generating transverse waves, which are unipolarly polarized, are uniformly dispersed in the piezoelectric element 32. Here, the domain refers to a set of particles dispersed singly, and usually has a size of 10 to 100 μm. Preferably, the outer surface 32a of the piezoelectric element 32 directly contacts the head portion 4a of the fastening bolt 4. On the other hand, in the indirect contact of the piezoelectric element 32, a couplant (not shown) is interposed. However, as the couplant, a glycerin-based viscous fluid, honey, or anhydrous mechanical oil is selected. Is done.

【0020】なお、縦波の超音波及び横波の超音波は、
各周波数が0.5〜30MHzの範囲内、好ましく1〜
10MHzの範囲内で設定される。周波数が0.5MH
z未満では、波形がブロ−ドになって精密計測を不能に
し、30MHzをこえると、圧電素子32が薄くなりす
ぎて破損を起こしたり、縦波と横波の同時伝播ができな
くなったりするからである。また、ウェブレット波数
は、締結用ボルト4の弾性変形に伴なう位相変化を防止
するため5波以内が好ましい。
The longitudinal ultrasonic waves and the transverse ultrasonic waves are
Each frequency is in the range of 0.5 to 30 MHz, preferably 1 to
It is set within the range of 10 MHz. Frequency 0.5MH
If it is less than z, the waveform becomes a broadband, making precise measurement impossible.If it exceeds 30 MHz, the piezoelectric element 32 becomes too thin, causing breakage, and simultaneous propagation of longitudinal and transverse waves. is there. The wavelet wave number is preferably 5 waves or less in order to prevent a phase change accompanying the elastic deformation of the fastening bolt 4.

【0021】また、前記測定センサ−23の本体部分
は、永久磁石34により構成されるようにすれば、締結
用ボルト4を吸着して圧接の均一性から精密計測を常時
確保できる。なお、図1の場合では、非磁性の締結ボル
ト4の場合や密着をより確実にする場合などを配慮し
て、圧縮バネ35が設けられている。また、電磁石を適
用したときには、図示しない鉄心を介してN極及びS極
が同心円状に設けられる。
If the main body of the measuring sensor 23 is constituted by a permanent magnet 34, the fastening bolts 4 are attracted to ensure accurate measurement at all times from the uniformity of the pressure contact. In addition, in the case of FIG. 1, the compression spring 35 is provided in consideration of the case of the non-magnetic fastening bolt 4 and the case of ensuring the close contact. When an electromagnet is applied, an N pole and an S pole are provided concentrically via an iron core (not shown).

【0022】しかして、前記締結ボルト4には、例えば
BNCコネクタ−、RS232C(いずれも図示せず)
に接続される前記同軸ケ−ブル24,25を利用して、
圧電素子32から縦波の超音波及び横波の超音波が同時
発信される。そして、測定系ユニット22の波形モニタ
−28によって得られた波形からは、締結ボルト4の頭
部4aからねじ部分4bに至るまでの縦波及び横波の両
超音波における往復の伝播時間が精密計測され、これを
基にしてパソコン31から締結ボルト4に負荷された軸
応力値が瞬時に演算処理される。この演算処理時間は、
0.2秒以下である。
However, the fastening bolts 4 include, for example, a BNC connector and RS232C (both not shown).
Utilizing the coaxial cables 24 and 25 connected to
A longitudinal ultrasonic wave and a transverse ultrasonic wave are simultaneously transmitted from the piezoelectric element 32. From the waveform obtained by the waveform monitor 28 of the measurement system unit 22, the reciprocating propagation time of both longitudinal and transverse ultrasonic waves from the head 4a of the fastening bolt 4 to the screw portion 4b is precisely measured. Based on this, the axial stress value applied to the fastening bolt 4 from the personal computer 31 is instantaneously calculated. This calculation processing time is
It is 0.2 seconds or less.

【0023】また、図3では、前記ナットランナ−制御
装置16は、測定系ユニット22のパソコン31に電気
的に接続されている。これは、パソコン31によって締
結ボルト4の軸応力値が周期的にかつ瞬時に演算処理さ
れ、次いで得られた軸応力値がナットランナ−制御装置
16に順次フィ−ドバックされ、トルクセンサ−13の
補正動作によって適正範囲内の軸応力値が保持されるこ
とを配慮したものである。この装置では、最終締付け
で、3.0%以内の範囲内にある軸力値がそれぞれ2秒
以内で計測できることを確認した。
In FIG. 3, the nut runner controller 16 is electrically connected to the personal computer 31 of the measurement system unit 22. That is, the axial stress value of the fastening bolt 4 is periodically and instantaneously calculated by the personal computer 31, and the obtained axial stress value is sequentially fed back to the nut runner control device 16 to correct the torque sensor 13. The consideration is given to the fact that the axial stress value within an appropriate range is maintained by the operation. With this device, it was confirmed that axial force values within the range of 3.0% or less could be measured within 2 seconds in the final tightening.

【0024】このような瞬時の計測は、前記測定系ユニ
ット22には、図示しない閉回路に、超音波パルスのピ
−ク値の検出器、ゼロクロス検出器などが設けられてお
り、このゼロクロス検出器による受信パルス電圧がゼロ
電圧を横切るときにピコ秒の精度で計測できるからであ
る。そして、この計測値は、前述したRS232C基準
のシリアルインタ−フェイスからの出力となる。なお、
前記測定センサ−23の本体部分は、図示の場合、永久
磁石34により構成され、締結ボルト4の頭部4aに吸
着するようになっている。
For such an instantaneous measurement, the measuring system unit 22 is provided with a detector for a peak value of an ultrasonic pulse, a zero-cross detector, etc. in a closed circuit (not shown). This is because the measurement can be performed with picosecond accuracy when the pulse voltage received by the detector crosses the zero voltage. The measured value is output from the above-described serial interface based on RS232C. In addition,
The main body of the measurement sensor 23 is constituted by a permanent magnet 34 in the case shown in the drawing, and is adapted to be attracted to the head 4 a of the fastening bolt 4.

【0025】また、図4(a)〜(c)は、図1〜図3
で適用した前記測定センサ−23による超音波パルスの
タイムチャ−トである。ここで、図4(a)では受信信
号36、図4(b)ではウィンド−ゲ−トの出力信号3
7、図4(c)ではゼロクロス検出器の出力信号38が
それぞれ示されている。
FIGS. 4A to 4C show FIGS.
5 is a time chart of an ultrasonic pulse by the measurement sensor 23 applied in FIG. Here, the received signal 36 is shown in FIG. 4A, and the output signal 3 of the window gate is shown in FIG.
7, FIG. 4C shows the output signal 38 of the zero-cross detector.

【0026】さらに、図5(a)は、締結ボルト4にお
ける引張り軸力負荷前後の伸びの関係を示したもので、
特に軸力負荷前の初期長さLO が軸力負荷後には△l伸
びて、その結果、負荷後の長さがLになった状態が示さ
れている。これに対し、図5(b)では締結ボルト4に
軸力が負荷されていないときの縦波及び横波の伝播時間
lO,tSOがそれぞれ示され、図5(c)では締結ボル
ト4に軸力が負荷されたときの縦波及び横波の両超音波
における伝播時間tl,tSがそれぞれ示されている。
FIG. 5 (a) shows the relationship between the elongation of the fastening bolt 4 before and after the application of the tensile axial force.
In particular, a state is shown in which the initial length Lo before the axial load is increased by △ l after the axial load, and as a result, the length after the load becomes L. On the other hand, FIG. 5 (b) shows the propagation times t 10 and t SO of the longitudinal wave and the transverse wave when no axial force is applied to the fastening bolt 4, respectively, and FIG. propagation time t l in both ultrasonic longitudinal wave and transverse wave when the axial force is loaded, t S are shown respectively.

【0027】一方、個々のボルト材料の軸力Fに対して
は、縦波超音波及び横波超音波の音速変化率からは、以
下の式が与えられる。ここで、VlO,VSOは、個々のボ
ルト材料の無荷重の縦波、横波の初期音速、Vl,VS
は、軸力負荷時の縦波超音波、横波超音波の音速、a
l,asは、音速変化に関する係数である。 Vl=VlO−al・F (1) VS=VSO−as・F (2) (1)及び(2)式から、軸力F下の長さLとして、 L=(VlO−al・F)tl=(VSO−as・F)・ts (3) が得られ、軸力Fは初期長さLOを用いず、tlとts
の同時計測により、 F=(VlO・tl−VSO・ts)/(as・ts−al・tl) (4) となる。したがって、VlO,VSO,al,asを予め測
定しておけば、tlとtsの同時計測により、正確な軸
力Fが算出できる。
On the other hand, for the axial force F of each bolt material, the following equation is given from the rate of change of sound speed of longitudinal ultrasonic waves and transverse ultrasonic waves. Here, V 10 and V SO are the initial sound velocities of the unloaded longitudinal and transverse waves of each bolt material, V l and V S, respectively.
Is the sound speed of longitudinal ultrasonic wave and transverse ultrasonic wave under axial load, a
l and as are coefficients relating to the change in sound speed. V l = V l0 −al · F (1) V S = V SO −as · F (2) From the equations (1) and (2), as the length L under the axial force F, L = (V l0 − al · F) tl = (V SO −as · F) · ts (3), and the axial force F does not use the initial length L O , and tl and ts
Simultaneous measurement of, F = a (V lO · tl-V SO · ts) / (as · ts-al · tl) (4). Therefore, if V l0 , V SO , al, and as are measured in advance, an accurate axial force F can be calculated by simultaneous measurement of tl and ts.

【0028】この結果、図6では、二次元のグラフとし
て、tlとtsとの比ts/tlを関数としたボルト軸
力の特性図が示されている。この特性図中の直線は、前
記パソコン31中に予めインプットされれば検量線にな
り、所定荷重における真の軸力が検出できる。
As a result, FIG. 6 shows, as a two-dimensional graph, a characteristic diagram of the bolt axial force as a function of the ratio ts / tl between tl and ts. The straight line in the characteristic diagram becomes a calibration curve if input into the personal computer 31 in advance, and a true axial force at a predetermined load can be detected.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、ナット
ランナ−制御装置16を備えたナットランナ−10のツ
−ルユニットには、ソケット15を取付けた回転伝達用
のシャフト部11が設けられるとともに、このソケット
15の係合穴20の奥側には、外部の超音波送受信装置
21及び測定系ユニット22にそれぞれ電気的に接続さ
れ、しかも縦波発生用の圧電ドメイン及び横波発生用の
圧電ドメインを均一分散させた圧電素子32を備えた測
定センサ−23が組込まれるようにしたボルト締結機を
提供したものである。したがって、本発明のボルト締結
機は、測定センサ−23に備えられた圧電素子32によ
って縦波及び横波の両超音波を同時発信でき、これに伴
なって締結ボルト4の頭部4aからネジ部4bに至る往
復の伝播時間を測定分析することによって精密なボルト
の軸力が計測できるという利点を有する。また、本発明
のボルト締結機は、測定系ユニット22のパソコン31
がナットランナ−制御装置16に接続され、これによっ
て締結ボルト4の軸応力値が周期的に演算処理され、得
られた軸応力値をナットランナ−制御装置16に順次フ
ィ−ドバックすれば、前記トルクセンサ−13の補正動
作によって適正範囲内の軸力値が常時維持できるという
利点を有する。さらに、本発明のボルト締結機は、縦波
超音波及び横波超音波の伝播時間から軸力関数の音速変
化式を導けば、より正確な軸力値が計測できるという利
点を有する。か
As described above, according to the present invention, the tool unit of the nut runner 10 provided with the nut runner control device 16 is provided with the rotation transmitting shaft portion 11 to which the socket 15 is attached. The back side of the engagement hole 20 of the socket 15 is electrically connected to an external ultrasonic transmission / reception device 21 and a measurement system unit 22, respectively, and furthermore, a piezoelectric domain for generating a longitudinal wave and a piezoelectric domain for generating a transverse wave are provided. The present invention provides a bolt fastening machine in which a measurement sensor 23 having a piezoelectric element 32 uniformly dispersed is incorporated. Accordingly, the bolt fastening machine of the present invention can simultaneously transmit both longitudinal and transverse ultrasonic waves by the piezoelectric element 32 provided in the measurement sensor 23, and accordingly, the head 4a of the fastening bolt 4 and the screw portion There is an advantage that the axial force of the bolt can be accurately measured by measuring and analyzing the round-trip propagation time to 4b. Further, the bolt fastening machine of the present invention is provided with the personal computer 31 of the measurement system unit 22.
Is connected to the nut runner control device 16, whereby the axial stress value of the fastening bolt 4 is periodically processed, and the obtained axial stress value is fed back to the nut runner control device 16 sequentially. There is an advantage that the axial force value within the appropriate range can be always maintained by the correction operation of −13. Further, the bolt fastening machine of the present invention has an advantage that a more accurate axial force value can be measured by deriving a sound speed change formula of an axial force function from propagation times of longitudinal ultrasonic waves and transverse ultrasonic waves. Or

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明ボルト締結機の一実施例を示す概念的
な説明図。
FIG. 1 is a conceptual explanatory view showing an embodiment of a bolt fastening machine of the present invention.

【図2】 本発明ボルト締結機に組込まれた測定センサ
−の断面図。
FIG. 2 is a sectional view of a measurement sensor incorporated in the bolt fastening machine of the present invention.

【図3】 本発明ボルト締結機の別の実施例を示す概念
的な説明図。
FIG. 3 is a conceptual explanatory view showing another embodiment of the bolt fastening machine of the present invention.

【図4】 図1及び図2で適用した測定センサ−による
超音波パルスのタイムチャ−トであり、(a)は受信信
号を示すタイムチャ−ト、(b)はウィンド−ゲ−トの
出力信号を示すタイムチャ−ト、(c)はゼロクロス検
出器の出力信号を示タイムチャ−ト。
FIG. 4 is a time chart of an ultrasonic pulse by the measurement sensor applied in FIGS. 1 and 2, (a) is a time chart showing a received signal, and (b) is an output signal of a wind gate. And (c) is a time chart showing the output signal of the zero-cross detector.

【図5】 締結ボルトにおける引張り軸力負荷前後の伸
び及び縦波及び横波超音波の伝播時間の関係を示したた
説明図であって、(a)は初期長さLO が軸力負荷後に
△l伸びて、負荷後の長さがLになった状態の正面図、
(b)は締結ボルトに軸力が負荷されていないときの縦
波及び横波の伝播時間tlO,tSOをそれぞれ示したタイ
ムチャ−ト、(c)は締結ボルトに軸力が負荷されたと
きの縦波及び横波の両超音波における伝播時間tl
S をそれぞれ示したチャ−ト。
[5] an explanatory view showing the relationship between the elongation of the longitudinal axis force load tension in the fastening bolt and longitudinal and transverse ultrasonic waves propagation time, (a) shows the initial length L O is after axial force load Δl, a front view of a state in which the length after load has become L,
(B) is a time chart showing propagation times t lO and t SO of longitudinal and transverse waves when no axial force is applied to the fastening bolt, and (c) is a time chart when axial force is applied to the fastening bolt. The propagation times t l , for both longitudinal and transverse ultrasonic waves at
Chart showing t S respectively.

【図6】 ボルト軸力の特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram of a bolt axial force.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

l ブロック 2 被締結物 3 ワッシャ− 4 締結ボルト 10 ナットランナ− 11 シャフト部分 12 ACサ−ボモ−タ 13 トルクセンサ− 14 エキステンションバ− 15 ソケット 16 ナットランナ−制御装置 17 ピン 18 バンド 19 圧縮バネ 20 係合穴 21 超音波送受信装置 22 測定系ユニット 23 測定センサ− 24,25 同軸ケ−ブル 26 スリップリング 27 波形解析ユニット 28 波形モニタ− 29 ディスプレ− 30 プリンタ− 31 パソコン 32 圧電素子 33 ダンパ− 34 永久磁石 35 圧縮バネ 36 受信信号 37 ウィンド−ゲ−トの出力信号 38 ゼロクロス検出器の出力信号 1 Block 2 Workpiece 3 Washer 4 Fastening Bolt 10 Nutrunner 11 Shaft 12 AC Servo Motor 13 Torque Sensor 14 Extension Bar 15 Socket 16 Nutrunner Controller 17 Pin 18 Band 19 Compression Spring 20 Mating hole 21 Ultrasonic transceiver 22 Measurement system unit 23 Measurement sensor 24, 25 Coaxial cable 26 Slip ring 27 Waveform analysis unit 28 Waveform monitor 29 Display 30 Printer 31 Personal computer 32 Piezoelectric element 33 Damper 34 Permanent magnet 35 Compression spring 36 Received signal 37 Wind-gate output signal 38 Zero-cross detector output signal

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上久保 俊孝 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 奥野 克己 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 江口 隆志 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 3C038 AA01 AA03 AA04 BC04 CA01 CA05 CB02 CB06 EA02  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Toshitaka Kamikubo 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Inside Toyota Motor Corporation (72) Inventor Katsumi Okuno 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Inside Toyota Motor Corporation ( 72) Inventor Takashi Eguchi 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Motor Corporation F-term (reference) 3C038 AA01 AA03 AA04 BC04 CA01 CA05 CB02 CB06 EA02

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ナットランナ−10には、ナットランナ
−制御装置16が備えられ、しかもツ−ルユニットの一
端に設けられた回転伝達用のシャフト部11には、締結
ボルト4の頭部4aに適合する係合穴20を形成したソ
ケット15が取付けられ、この係合穴20の奥側には、
外部の超音波送受信装置21及び測定系ユニット22に
それぞれ電気的に接続される測定センサ−23が組込ま
れるようにしたボルト締結機であって、 前記測定センサ−23は、センサ−本体内に基板状の圧
電素子32が組込まれ、しかもこの圧電素子32中に
は、縦波発生用の圧電ドメイン及び横波発生用の圧電ド
メインが均一分散することにより、締結ボルト4の頭部
4aに向って縦波及び横波の両超音波を同時送信できる
ように構成されており、 前記測定ユニット22は、外部接続の同軸ケ−ブル25
がスリップリング26を介して内部接続の同軸ケ−ブル
24、測定センサ−23の圧電素子32に電気的に接続
されることにより、同時送信された縦波超音波及び横波
超音波のボルト頭部4aからネジ部4bの先端に至る往
復の伝播時間を測定解析し、締結ボルト4に負荷された
軸応力値が計測できるようになっていることを特徴とす
るボルト締結機。
The nut runner is provided with a nut runner control device, and a rotation transmitting shaft provided at one end of the tool unit is adapted to a head portion of a fastening bolt. A socket 15 having an engagement hole 20 formed therein is attached.
A bolt fastening machine in which a measurement sensor 23 electrically connected to an external ultrasonic transmission / reception device 21 and a measurement system unit 22 is incorporated, wherein the measurement sensor 23 includes a substrate in a sensor body. In this piezoelectric element 32, the piezoelectric domain for generating longitudinal waves and the piezoelectric domain for generating transverse waves are uniformly dispersed, so that the piezoelectric elements 32 are vertically oriented toward the head 4 a of the fastening bolt 4. The measurement unit 22 is configured to transmit both ultrasonic waves and transverse waves simultaneously, and the measuring unit 22 includes an externally connected coaxial cable 25.
Are electrically connected to the internally connected coaxial cable 24 and the piezoelectric element 32 of the measurement sensor 23 via the slip ring 26, thereby enabling the bolt heads of the simultaneously transmitted longitudinal ultrasonic waves and transverse ultrasonic waves. A bolt fastening machine characterized in that the propagation time of reciprocation from 4a to the tip of the screw portion 4b is measured and analyzed, and the axial stress value applied to the fastening bolt 4 can be measured.
【請求項2】 前記測定センサ−23の圧電素子32の
外表面は、磁石34からなるセンサ−本体及び/又は圧
縮バネ35によって締結ボルト4の頭部4aに直接密着
するように構成されている請求項1記載のボルト締結
機。
2. The outer surface of the piezoelectric element 32 of the measuring sensor 23 is configured to be directly in contact with the head 4a of the fastening bolt 4 by a sensor body composed of a magnet 34 and / or a compression spring 35. The bolt fastening machine according to claim 1.
【請求項3】 前記測定系ユニット22は、波形解析ユ
ニット27、波形メモリ−内蔵の波形モニタ−28、デ
ィスプレ−29、プリンタ−30及びパソコン31から
構成されている請求項1又は請求項2記載のボルト締結
機。
3. The apparatus according to claim 1, wherein the measurement system unit comprises a waveform analysis unit, a waveform monitor having a built-in waveform memory, a display, a printer, and a personal computer. Bolt fastening machine.
【請求項4】 前記測定系ユニット22及びナットラン
ナー制御装置16は、測定系ユニット22のパソコン3
1を介して電気的に接続され、しかも、測定系ユニット
22は、締結ボルト4の締結時における軸応力値を周期
的に演算処理し、得られた軸応力値を前記ナットランナ
−制御装置16に順次フィ−ドバックして、ツ−ルユニ
ットに設けられたトルクセンサ−13を補正動作させ、
適正範囲内の軸応力値が保持されるようにした請求項1
〜請求項3のうちいずれか1項記載のボルト締結機。
4. The measurement system unit 22 and the nut runner controller 16 are connected to the personal computer 3 of the measurement system unit 22.
1, and the measurement system unit 22 periodically calculates the axial stress value when the fastening bolt 4 is fastened, and sends the obtained axial stress value to the nutrunner control device 16. Feedback is sequentially performed, and the torque sensor 13 provided in the tool unit is operated for correction.
An axial stress value within an appropriate range is maintained.
The bolt fastening machine according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 前記測定系ユニット22は、両超音波の
伝播時間から軸力関数の音速変化式を導き、これによっ
て軸応力を演算処理する請求項1〜請求項4のうちいず
れか1項記載のボルト締結機。
5. The measurement system unit 22 derives a sound velocity change equation of an axial force function from the propagation times of both ultrasonic waves, and calculates an axial stress by using the equation. The described bolt fastening machine.
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