TW202228931A

TW202228931A - 螺栓鎖固作業用的螺栓夾緊力傳感器

Info

Publication number: TW202228931A
Application number: TW110103536A
Authority: TW
Inventors: 朱秀鋒; 朱育緯
Original assignee: 中國氣動工業股份有限公司
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-01
Also published as: TWI754533B

Abstract

本發明提供一種螺栓鎖固作業用的螺栓夾緊力傳感器，係於鎖緊螺旋緊固件時，利用驅動夾緊力傳感器內的扭力轉軸，使其一端的螺旋機構產生的軸向力，擠壓力感應模組導致的形變感測值與扭力轉軸另一端所驅動的套筒鎖緊一特定規格的螺旋緊固件產生的夾緊力，預先以一標準軸力計校驗得到兩者間的參數關係，做為鎖緊過程中計算與控制夾緊力的依據。本發明的螺旋緊固件的夾緊力傳感器可應用於各產業。套接於各式扭力工具做螺旋緊固件的鎖緊作業時，對特定規格的螺旋緊固件，可以有效地感測以做為控制作用在螺旋緊固件的夾緊力(clamping force) 的精度，以提高螺旋緊固件(bolted joint)的品質。

Description

螺栓鎖固作業用的螺栓夾緊力傳感器

本發明係提供一種螺栓鎖固作業用的螺栓夾緊力傳感器，尤指一種應用在鎖緊螺旋緊固件的過程中，可直接感測作用在螺旋緊固件上的夾緊力，並可將感測數據傳輸的裝置。

以扭力板手緊固螺栓已廣泛地應用於各類產品的組裝作業，施以扭力是一種手段，然其目的皆是將螺栓緊固。而最好也是最困難的是如何將每顆螺栓鎖緊到同樣的緊度(tightness)，尤其是高壓容器、引擎汽缸或真空設備等。要求控制螺栓的夾緊力的精密鎖緊作業等業界關切的重要議題，但卻始終難以僅靠控制鎖緊扭力來達成。

習知螺栓緊固的過程中，僅有10%的扭矩轉化為夾緊力。有一個流行的說法叫「541」規則，即鎖緊螺栓的過程中約有50%的扭矩用於克服螺栓頭或螺母下與結合面的摩擦力，而約有40%的扭矩需要克服螺紋中的摩擦力，而實際能轉化為螺栓夾緊力的扭矩只占約10%。而最終夾緊力的大小更是受到螺旋緊固件相關種種因素的影響，如螺栓與待緊固件的狀況(材質軟硬、加工精度與表面粗度、油污、銹蝕或碰傷等)及使用墊圈的軟硬程度，以致螺栓的預緊力難以控制。學界或工程手冊中雖有諸多有關扭力與夾緊力的計算公式與計算參數，但始終難以得到正確的驗證。對於需要控制緊固力的產業界，至今仍無經濟有效的方法，以確切瞭解施加在螺旋緊固件上的扭力，會在螺旋緊固件上產生多大的夾緊力，更遑論如何做有效的控制。這對於需要控制均一夾緊力的精密組裝作業而言確實潛藏許多品質上的風險與不確定性。

迄至今日，業界仍普遍使用各式扭力控制器、數位顯示式扭力板手、響聲型扭力板手或電動伺服控制等的扭力工具以控制鎖緊扭力。然利用傳統的扭力控制方式，例如施加同樣的扭力分別緊固同一規格的螺栓，其中不同的只是螺牙的表面狀況不同，如正常、沾油、生鏽或螺牙碰傷的螺栓，甚至只是改變墊圈的軟硬。雖然其顯示的扭力控制精度皆在5%以內，但實驗證明所測得的實際夾緊力值相差最大卻可達近50%。

時下對於螺栓的緊固力的控制，最精確的當屬利用超音波感測技術的螺栓張力檢測儀。但其製作與施工成本高昂，始終難以普及。另外，以具感測螺栓夾緊力的感應螺栓(在螺栓軸心適當位置粘貼一形變感測元件以偵測其夾緊力)，亦受限於價格高昂以及僅能使用開口板手進行鎖固，以致施工不便與效率不彰而難以普及。對螺栓的緊固力的控制與偵測還可使用螺栓壓力傳感器(Bolt Transducer)或通孔式荷重元(Center-hole type Compression Load Cell)或是壓電式感測環等軸力感測裝置為替代方案。但是在實務上，以上幾種方案其製作成本與使用的方便性等都是在業界難以普及的主因。

經發明人悉心研究，研發出一種螺栓鎖固作業用的夾緊力傳感器，使其應用在各式扭力工具的緊固作業中，能即時得知施加的扭力在螺旋緊固件上所產生的夾緊力大小，且持續以有線或無線方式，傳送至控制裝置或顯示裝置顯示結果並予以記錄或將資料上傳，以迎合工業4.0的產業趨勢發展需要。本發明的螺旋緊固件的夾緊力傳感器不但可有效提升緊固的精度，且具低使用成本的優勢與操作便利性，大大增進了產業上之有效利用。

本發明的目的，係提供一種可在鎖緊螺旋緊固件的過程中，直接測得作用在螺旋緊固件的夾緊力的裝置，是一種可附加於傳統的各式手動、氣動或電動扭力板手(Torque Wrench)或起子(Screwdriver)的夾緊力傳感器(Force Transducer)，本發明的螺栓緊固作業用的夾緊力傳感器讓扭力工具變成可直接控制夾緊力的夾緊力板手(Force Wrench)或夾緊力起子(Force Screwdriver)，在鎖緊過程中，即時偵測作用在螺旋緊固件的夾緊力。其不但是螺旋緊固件鎖固技術的一大變革與突破，更將顛覆傳統控制鎖緊扭力的技術手段，讓螺旋緊固件的緊固更精準地達到需要的夾緊力，而不需再使用昂貴且操作不便的超音波與軸力偵測技術來控制螺旋緊固件的夾緊力。本發明的螺栓緊固作業用的夾緊力傳感器將螺旋緊固件鎖緊的技術推升至最高的境界，可直接控制螺旋緊固件的夾緊力而非傳統的扭力控制，給產業界提供了螺旋緊固件鎖固的最佳解決方案。

本發明係提供一種螺栓鎖固作業用的夾緊力傳感器，其包含：傳感器本體，其一端為扭力工具承接部，以搭配扭力工具的出力端的尺寸，另一端車製為具螺旋導槽的螺孔，以鎖入扭力轉軸的螺旋導槽；扭力轉軸，藉其一端的螺旋機構扭緊時產生的軸向力，擠壓一力感應模組，同時，以另一端的出力方頭驅動套筒，鎖緊一特定規格的螺旋緊固件；複數個鋼珠，其填入於該傳感器本體的螺旋導槽與該扭力轉軸的螺旋導槽之間；力感應模組，其設置於該傳感器本體內的螺孔底部，該力感應模組具有感應環本體及力感測元件，該感應環本體的外緣具有環槽，該力感測元件貼附於該環槽底部，以測量該感應環本體的軸向受力產生的形變感測值；防塵塞，其設置於該力感應模組與該扭力轉軸之間，該防塵塞具有止洩環；訊號處理模組，其設置於該傳感器本體的內部或外圍的固定座，電性連接該力感測元件，該訊號處理模組具有訊號放大器、微處理器、電源電路單元、訊號傳輸單元、陀螺儀、記憶單元、輸出入模組、傳輸天線及警示單元。該訊號放大器係將該力感測元件的形變感測值放大為數位訊號；再經該微處理器以預校的參數運算得到對應的夾緊力值；該電源電路單元則用以將外部供給之電源轉變為訊號處理模組所需之電源；訊號傳輸單元可為無線通訊模組如RF、藍芽、WiFi 或ZigBee等或為有線的RS232、RS485或UART等傳遞訊號至一控制或顯示裝置；輸出入模組可為USB以供電池充電與韌體更新使用；該陀螺儀用來偵測該傳感器本體的旋轉角度位移；該記憶單元儲存該力感應模組的形變感測值及特定規格的螺旋緊固件以標準軸力計校驗得到的夾緊力參數；該輸出入模組係以有線或無線方式將夾緊力值傳輸至控制裝置或顯示裝置；該傳輸天線將感測運算處理過的資訊，傳至控制裝置；該警示單元以燈號或聲音提示該傳感器的使用狀況，如配對、訊號傳輸或電源異常等；該電源模組為可充電電源，電性連接該訊號處理模組；該固定座，係襯以緩衝墊並緊固於該傳感器本體，容置分別以彈性材料包覆的該訊號處理模組與該電源模組，外圍並以保護套包覆；該保護套以不會組絕無線訊號傳輸的材質製成；以及固定環，其設置於該傳感器本體螺孔出口端，以防止該扭力轉軸於該傳感器本體的螺孔內往復滑動時脫離。

藉此，當施加扭力於本發明的夾緊力傳感器時，驅動夾緊力傳感器內的扭力轉軸，使其一端的螺旋導槽沿著傳感器本體的螺孔內的螺旋導槽轉動前進產生的軸向力，擠壓螺孔底部的力感應模組產生的形變感測值與扭力轉軸另一端所驅動的套筒，鎖緊一特定規格的螺旋緊固件所產生的夾緊力，預先以一標準軸力計校驗得到兩者間的參數關係，做為鎖緊過程中計算與控制夾緊力的依據。該特定規格的螺旋緊固件係指待鎖緊的螺栓尺寸、螺距大小、表面狀況(如加工尺寸精度、粗度或潤滑程度)及使用的墊圈的軟硬等。藉此參數關係，操作者可使用本發明的夾緊力傳感器與控制裝置或顯示裝置配對後，輸入待緊固的螺旋緊固件的規格(螺栓等級、螺距與節徑等)與墊圈的軟硬以及希望鎖緊的目標夾緊力。再施加扭力驅動本發明的夾緊力傳感器，鎖緊過程中，訊號處理模組則依收到的力感應模組的形變感測值以及預先對該螺旋緊固件校驗的參數關係，即時運算出對應的夾緊力值，同時以有線或無線方式傳送至控制裝置或顯示裝置。待鎖緊到目標夾緊力時，控制裝置即時切斷扭力工具之動力源或顯示裝置以聲響或燈號提示作業人員停止施加扭力，以做為偵測並控制螺旋緊固件的夾緊力的依據。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

請參考圖1至圖3、圖6A及圖6B、圖7A至圖7C及圖8A及圖8B，如圖所示，本發明的夾緊力傳感器1包含傳感器本體11、力感應模組16、防塵塞15、扭力轉軸13、鋼珠14、訊號處理模組20、電源模組21、緩衝墊12、固定座181，182、保護套191，192及固定環17。傳感器本體11的一端為扭力工具承接部111，係用以搭配扭力工具出力端的尺寸，傳感器本體11的另一端車製為具螺旋導槽1121的螺孔112以供鎖入扭力轉軸13的螺旋導槽132。力感應模組16設置於傳感器本體11的螺孔112底部，力感應模組16具有感應環本體161及力感測元件162，感應環本體161的外緣具有環槽163，力感測元件162貼附於環槽163的底部以測量感應環本體161因軸向受力產生的形變感測值並產生形變感測訊號，力感測元件162與訊號處理模組20電性連接，感應環本體161以機構固定以防止感應環本體161轉動或脫落。另外，力感應模組16可為應變規或壓電等各式可感測軸向力的感測元件製成。防塵塞15設置於力感應模組16與扭力轉軸13之間且具有止洩環151以防止異物進入力感應模組16。扭力轉軸13的一端沿其軸徑製成的螺旋導槽132，其與傳感器本體11的螺旋導槽1121之間，填以複數個鋼珠14，使扭力轉軸13受扭時，可以沿著傳感器本體11的螺孔112內的螺旋導槽1121做軸向滑動過程中，有效降低轉動時的摩擦阻力。產生的軸向推力作用於防塵塞15的端面與力感應模組16的端面。扭力轉軸13另一端的出力方頭131則製成與套筒10(如圖8B所示)的入力端相符的尺寸，扭力轉軸13與傳感器本體11組合後，以固定環17固定於傳感器本體11的螺孔112出口端的環槽內，使扭力轉軸13滑動於傳感器本體11的螺孔112內以免脫落。固定座181，182使用緩衝墊12且鎖緊於傳感器本體11的緩衝墊承座113，以容置訊號處理模組20與電源模組21。訊號處理模組20具有微處理器、訊號放大器、配對按鍵開關、電源電路單元、訊號傳輸單元、陀螺儀、記憶單元、輸出入模組、傳輸天線及警示單元，且電性連接力感測元件162。訊號處理模組20的訊號放大器將接收自力感測元件162傳來的感測訊號放大並轉變為數位訊號，再經微處理器以預先校驗的參數，運算得到對應的夾緊力值，經輸出入模組與傳輸天線傳至控制裝置或顯示裝置。訊號處理模組20以彈性材料包覆，置於固定座181上。電源電路單元用以將外部供給之電源轉變為電源模組21所需之電源；陀螺儀偵測傳感器本體11的旋轉角度位移，記憶單元記憶校驗取得針對待鎖緊的螺旋緊固件8與力感應模組16的形變感測值以標準軸力計9(如圖8所示)校驗得到的夾緊力參數。另外，該校驗的參數亦可儲存於控制裝置或顯示裝置的記憶單元，以方便操作人員做開機配對後輸入待鎖緊的螺旋緊固件的規格以取得對應的參數。再者，如實測的數據因使用的螺旋緊固件的規格及墊圈與校驗使用的不同而有差異時可以程式予以修正。電源模組21為可充電電池並以彈性材料包覆，置於固定座182，且電性連接訊號處理模組20。保護套191，192以不會阻絕無線訊號傳輸的材質製成，將訊號處理模組20與電源模組21包覆於固定座，以保護訊號處理模組20與電源模組21。訊號傳輸單元可為無線通訊模組，如RF、藍芽、WiFi 或ZigBee等，或為有線的RS232、 RS485或UART等，輸出入模組可為USB以供電池充電與韌體更新使用，警示單元可為蜂鳴器或LED燈號以提示訊號強弱、電源狀態、使用狀態等，連接線可電性連接力感應模組16的力感測元件162及訊號處理模組20。

使用本發明的夾緊力傳感器1前，操作者需要預先將夾緊力傳感器1與待鎖緊的螺旋緊固件8鎖緊於標準軸力計9做校驗，以建立力感應模組16的形變感測值與該特定規格的螺旋緊固件之間的夾緊力的參數關係。另外，夾緊力的產生與力感應模組16的形變感測值可為線性關係，藉此可讓夾緊力的控制更容易也更精準。再者，如果沒有標準軸力計對所要鎖緊的螺旋緊固件做校驗或如以往習慣以目標扭力來鎖固時，亦可藉由鎖緊到目標扭力時所顯示的夾緊力值，做為控制後續同樣規格的螺旋緊固件的夾緊力的參考目標值，如此，仍可達到控制均一夾緊力的目的。

使用本發明的夾緊力傳感器1進行鎖固作業時，操作人員只要將夾緊力傳感器1與控制裝置或顯示裝置配對後，輸入待緊固的螺旋緊固件8的規格、目標的夾緊力及控制的精度等，再以扭力工具施加扭力於夾緊力傳感器1以鎖緊螺旋緊固件8。於鎖緊過程中，夾緊力傳感器1的扭力轉軸13的一端透過其螺旋導槽132與傳感器本體11的螺孔112的螺旋導槽1121所形成的螺旋機構，對防塵塞15產生軸向推力以擠壓力感應模組16的端面，使力感應模組16產生形變，同時，扭力轉軸13的另一端則鎖緊螺旋緊固件8而產生夾緊力。因夾緊力與力感應模組16產生的形變感測值與鎖緊的螺旋緊固件8有一定的參數關係。訊號處理模組20則會依預先校驗取得的力感應模組16之形變感測值與該特定規格的螺旋緊固件8所對應的夾緊力的參數關係，持續計算出作用在螺旋緊固件8的夾緊力。當達到目標的夾緊力時，扭力工具的控制裝置會切斷動力源或顯示裝置以聲響或燈號提示操作人員停止操作並判定合格與否。而於施加的扭力消失時，扭力轉軸13可藉由感應環本體161與防塵塞15的剛性回彈力，及扭力轉軸13的多螺旋設計形成的大螺距與大導程角將回彈阻力減至最小，使扭力轉軸13回復至其未施力時的狀態，使力感應模組16的形變感測值歸零。

再者，本發明的夾緊力傳感器1使用於氣動或電動或油壓等動力扭緊工具時，於即將鎖緊到目標夾緊力前，利用工具的控制機制，讓工具鎖緊的速度慢下來，改以間歇式敲擊以逐步鎖緊到目標夾緊力，從而可有效提升夾緊力的控制精度。

請參考圖4A及圖4B、圖5、圖6A及圖6B及圖8A及圖8B，如圖所示，本發明的夾緊力傳感器1可採內建方式應用於具有轉向齒輪23，24傳動的扭力工具。扭力工具的馬達減速機構的出力端可插入夾緊力傳感器1的傳感器本體11的扭力工具承接部111。當施加扭力於夾緊力傳感器1時，夾緊力傳感器1的扭力轉軸13的出力端131係穿過軸承22以插入轉向齒輪23以帶動另一嚙合的轉向齒輪24，轉向齒輪24的出力軸25再穿過另一軸承26並以固定環27固定，進而使出力軸25插入套筒10以鎖緊螺旋緊固件8，螺旋緊固件8可包括螺栓81、墊圈82、被鎖固件84及螺帽83。圖4A及圖4B及圖5的原理與圖1至圖3的原理相同，其皆係於施加扭力於夾緊力傳感器1時，同時驅動轉軸13兩端不同螺距的螺旋機構～即透過螺旋導槽132沿傳感器本體11的螺旋導槽1121對力感應模組16產生的軸向推力F _SW所產生的形變感測值，以及另一端對鎖緊的螺旋緊固件8(如圖6A及圖6B所示)所產生的夾緊力F _B&W，以標準軸力計9(如圖8A及圖8B所示)預先校驗建立形變感測值對應的軸向推力F _SW與夾緊力F _B&W的參數關係，接著藉由該參數關係做為偵測並控制螺旋緊固件8的夾緊力的依據。

請參考圖6A及圖6B及圖7A至圖7C，如圖6A及圖6B所示，扭力轉軸13的螺旋導槽132與傳感器本體11的螺孔112內的螺旋導槽1121係製成螺紋節徑46mm，螺距50mm，螺旋數5，並計算出導程角是59.97°，而扭力轉軸13的另一端所緊固的螺旋緊固件8以M20，螺距2mm，單一螺旋的導程角是2.03°。如圖7A至圖7C所示，以500Nm扭力作用於夾緊力傳感器1使扭力轉軸13緊固M20的螺旋緊固件8以產生188,496N的夾緊力F _B&W的同時，另一端的螺旋數5的螺旋導槽132沿傳感器本體11的螺孔112內的螺旋導槽1121對防塵塞15及力感應模組16產生的軸向推力F _SW為11,938N。且628.32N的軸向推力F _SW擠壓防塵塞15及感應環本體161產生的形變，皆設計在防塵塞15及感應環本體161的降服強度範圍內，以上以扭力計算推力所採用的效率η皆為估計值，不影響實際校驗力感應模組的形變值與透過標準軸力計9測得的作用在螺旋緊固件8上的夾緊力兩者的換算參數。加上，如圖6A及圖6B所示，扭力轉軸13的螺旋導槽132之導程角設計為59.97°，大於其摩擦角(以本發明為例，傳感器本體11的螺旋導槽1121及扭力轉軸13的螺旋導槽132係製成5個螺旋數，以增加螺距，加大導程角，有效降低作用在力感應模組16的軸向力。螺旋導槽內填以複數個鋼珠14與潤滑油脂，如同滾珠導螺桿的設計，讓螺旋機構的摩擦阻力減至最低。如摩擦係數f 以0.1計，令f=0.1=tan(θ)，求得θ=5.7度，即該螺旋的當量摩擦角等於5.7度，也就是自鎖角等於5.7度) ，由於，扭力轉軸13的導程角遠大於摩擦角5.7度，當扭力解除時，藉著防塵塞15及力感應模組16兩者的剛性回彈能力，即可輕易地讓扭力轉軸13反轉鬆脫，使力感應模組16的感測值歸零。

請參考圖8A及圖8B，如圖所示，有關參數校驗之結構設置，係以扭力工具施加扭力於本發明的夾緊力傳感器1，加上套筒10，將特定規格的螺栓81與墊圈82(螺旋緊固件8)穿過標準軸力計9的軸孔，鎖入測試座90，之後再以螺帽83鎖固。進行校驗時，夾緊力傳感器1的力感測模組16受螺旋機構所產生的軸向推力而產生的形變感測值，經訊號處理模組20放大處理為數位感測訊號後，以訊號傳輸單元傳輸至控制裝置或顯示裝置。而被鎖緊的螺旋緊固件8透過標準軸力計9測得的夾緊力，亦同步傳輸至控制裝置或顯示裝置，以建立夾緊力與形變感測值的參數關係。另外，只要是螺旋緊固件8的螺栓81、墊圈82、螺帽83等的規格改變時，皆需重新做參數的校驗。

請參考圖9，如圖所示，本發明的夾緊力傳感器1可應用於傳統的各式的扭力工具，夾緊力傳感器1係附加於扭力工具的出力端或內建於扭力工具(如圖4A、圖4B及圖5)內。只要對待鎖固的螺旋緊固件預先做參數的校驗，再搭配適當的控制或顯示裝置，經配對連通後，在夾緊力傳感器1驅動套筒鎖緊該螺旋緊固件的過程中，便可即時測得作用於該螺旋緊固件的夾緊力，讓所有的扭力工具皆可做到精確的夾緊力的控制。

請參考圖10，如圖所示，本發明的夾緊力傳感器1以圖9或任一種扭力工具驅動以鎖緊螺旋緊固件時，在與控制裝置或顯示裝置配對後，輸入螺旋緊固件的規格與目標夾緊力。在鎖緊過程中，訊號處理模組會持續將形變感測值運算得到的夾緊力，即時以有線或無線方式傳輸至扭力工具的控制裝置或顯示裝置。在達到目標的夾緊力時，判定合格與否，並提出警示聲響或燈號或切斷動力源，再視需要將相關資料上傳至周邊伺服器或雲端資料庫。另外，形變感測值或夾緊力超過預設值時，扭力工具的控制裝置或顯示裝置亦可發出警訊並記錄。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

1:夾緊力傳感器 11:傳感器本體 111:扭力工具承接部 112:螺孔 1121:螺旋導槽 113:緩衝墊承座 12:緩衝墊 13:扭力轉軸 131:出力端 132:螺旋導槽 14:鋼珠 15:防塵塞 151:止洩環 16:力感應模組 161:感應環本體 162:力感測元件 163:環槽 17:固定環 181:固定座 182:固定座 191:保護套 192:保護套 20:訊號處理模組 21:電源模組 22:軸承 23:轉向齒輪 24:轉向齒輪 25:出力軸 26:軸承 27:固定環 8:螺旋緊固件 81:螺栓 82:墊圈 83:螺帽 84:被鎖固件 9:標準軸力計 10:套筒 90:測試座

[圖1]係本發明螺栓夾緊力傳感器的組合剖面示意圖。 [圖2]係本發明螺栓夾緊力傳感器的爆炸示意圖。 [圖3]係本發明螺栓夾緊力傳感器的組合外觀示意圖。 [圖4A]係本發明螺栓夾緊力傳感器的應用示意圖一。 [圖4B]係本發明螺栓夾緊力傳感器的應用示意圖二。 [圖5]係圖4B的爆炸示意圖。 [圖6A]係本發明螺栓夾緊力傳感器的導程角示意圖一。 [圖6B]係本發明螺栓夾緊力傳感器的導程角示意圖二。 [圖7A]係本發明螺栓夾緊力傳感器鎖緊一螺旋緊固件的組合剖面示意圖。 [圖7B]係本發明螺栓夾緊力傳感器鎖緊一螺旋緊固件的組合外觀示意圖。 [圖7C]係本發明螺栓夾緊力傳感器相關的夾緊力與推力的計算示意圖。 [圖8A]係本發明螺栓夾緊力傳感器的參數校驗結構的局部示意圖。 [圖8B]係本發明螺栓夾緊力傳感器的參數校驗結構的整體示意圖。 [圖9]係本發明螺栓夾緊力傳感器可應用的各式扭力工具的示意圖。 [圖10]係本發明螺栓夾緊力傳感器的應用操作系統示意圖。

1:夾緊力傳感器

11:傳感器本體

111:扭力工具承接部

112:螺孔

1121:螺旋導槽

113:緩衝墊承座

12:緩衝墊

13:扭力轉軸

131:出力端

132:螺旋導槽

14:鋼珠

15:防塵塞

151:止洩環

16:力感應模組

161:感應環本體

162:力感測元件

163:環槽

17:固定環

181:固定座

182:固定座

191:保護套

192:保護套

20:訊號處理模組

21:電源模組

Claims

一種螺栓鎖固作業用的螺栓夾緊力傳感器，其包含：傳感器本體，其一端為扭力工具承接部，以搭配扭力工具出力端的尺寸，另一端製成具螺旋導槽的螺孔，螺孔底部容置力感應模組，且可鎖入扭力轉軸的相對應的螺旋導槽；力感應模組，包括感應環本體及力感測元件，感應環本體外緣具有環槽，力感測元件貼附於環槽底部，以感測感應環本體軸向的形變感測值(strain value)，且電性連結訊號處理模組；防塵塞，其置於力感應模組與扭力轉軸之間，防塵塞設有止洩環以防止異物進入力感應模組；扭力轉軸，其軸徑一端具有與傳感器本體螺孔內相對應的複數個螺旋的螺旋導槽，另一端則製成與套筒入力端尺寸相符的驅動頭以鎖緊一特定規格的螺旋緊固件；鋼珠，其係以複數個填入於傳感器本體的螺旋導槽與扭力轉軸的螺旋導槽之間，以降低轉動時的摩擦阻力；訊號處理模組，其置於傳感器本體內部或外圍，且具有訊號放大器、微處理器、電源電路單元、訊號傳輸單元、輸出入模組、陀螺儀、記憶單元、傳輸天線及警示單元；訊號放大器係將力感應模組經連接線傳到訊號處理模組的感測訊號予以放大，再經微處理器以預校參數運算得到對應的夾緊力值；電源電路單元係用以將外部供給之電源轉變為電源模組所需之電源；訊號傳輸單元為無線的RF、藍芽、WiFi 或ZigBee，或訊號傳輸單元為有線的RS232、RS485或UART以傳遞至一控制或顯示裝置；輸出入模組為USB以供電池充電與韌體更新使用；陀螺儀用以偵測螺栓夾緊力傳感器旋轉的角度位移；記憶單元記憶校驗取得的各待鎖固的螺旋緊固件以及力感應模組形變感測值以標準軸力計校驗得到的參數關係；警示單元為蜂鳴器或LED燈號以提示訊號強弱、電源狀態或使用狀態；電源模組，為可充電電池，且電性連接訊號處理模組；固定座，其鎖固於傳感器本體，且藉保護套將訊號處理模組與電源模組予以包覆；保護套，以不會組絕無線訊號傳輸的材質製成，用以保護訊號處理模組與電源模組；連接線，電性連接力感應模組的力感測元件及訊號處理模組；以及固定環，其用以支撐扭力轉軸使其滑動於傳感器本體螺孔內而不脫落。
如請求項1所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，該傳感器本體的螺旋導槽及該扭力轉軸的螺旋導槽分別具有相同複數個圈數的螺旋且與待鎖緊的螺旋緊固件的螺旋方向相同。
如請求項1所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，該扭力轉軸之螺旋導槽的導程角大於摩擦角，且該扭力轉軸作用在該防塵塞及該感應環本體的軸向推力皆在該扭力轉軸、該防塵塞及該感應環本體的降服強度範圍內，使其藉著兩者的剛性回彈能力，可讓扭力轉軸沿螺旋導槽反轉復位，使力感應模組的感測值規零。
如請求項1所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，該訊號處理模組將該形變感測值運算得到的夾緊力，以有線或無線方式傳輸至扭力工具的控制裝置或顯示裝置，以控制螺旋緊固件的夾緊力，該形變感測值或該夾緊力超過預設值時，該扭力工具的控制裝置或顯示裝置發出警訊並記錄。
如請求項1所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，該力感應模組為可感測軸向力的感測元件。
如請求項1所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，一扭力施加於該扭力轉軸的過程中，透過上下兩個同軸旋轉的螺旋機構，於下端鎖緊一特定規格的螺旋緊固件的同時，以另一端的螺旋機構壓迫力感應模組，並依預先校驗建立的夾緊力換算參數，經訊號處理模組運算得到當時作用於螺旋緊固件的夾緊力。
如請求項6所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，微處理器運算使用的參數，係施加扭力於螺栓夾緊力傳感器鎖緊一特定規格的螺旋緊固件以及一標準軸力計時，建立該螺栓夾緊力傳感器的力感應模組的形變感測值與作用在該特定規格的螺旋緊固件的夾緊力換算參數，同時儲存於訊號處理模組的記憶單元或相配對的控制或顯示裝置。
如請求項7所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，螺旋緊固件有任一項的內容改變時，皆須重新校驗夾緊力的換算參數，該內容為螺栓規格、墊片或待鎖固之物件。
如請求項1所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，該訊號處理模組將該形變感測值運算得到的夾緊力以有線或無線方式傳輸至扭力工具的控制或顯示裝置，以控制該螺栓的夾緊力；該形變感測值或夾緊力超過預設值時，該等裝置發出警訊並予以記錄。
如請求項1所述之螺栓夾緊力傳感器，其中，該螺栓夾緊力傳感器外掛或內建於扭力工具，以轉變成可直接偵測作用在螺旋緊固件上的夾緊力的夾緊力板手或夾緊力起子，該扭力工具為傳統扭力板手或扭力起子。