專利名稱：一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種螺栓擰緊測(cè)試裝置，能夠?qū)Σ煌菟ㄒ?guī)格、不同螺栓排布方式、不同類型的被連接件在不同的擰緊方式下所能夠達(dá)到的擰緊力及被連接件間的壓力分布進(jìn)行精確測(cè)量及控制。
技術(shù)背景目前，對(duì)于預(yù)緊載荷的形成控制，從原理上來講主要集中在對(duì)終擰扭矩的大小 (扭矩法、)、螺栓伸長量(轉(zhuǎn)角法、伸長量控制法)的控制上，或?qū)⑦@兩種控制方法相結(jié)合 (扭矩控制/轉(zhuǎn)角監(jiān)控、轉(zhuǎn)角控制/扭矩監(jiān)控、基于扭矩變化率的轉(zhuǎn)角控制)。在實(shí)際擰緊過程中，即使最終的擰緊扭矩或螺栓伸長量達(dá)到了要求，但由于擰緊方式(速度、正反轉(zhuǎn))、 摩擦副配對(duì)情況、被連接件材料的不同最后所能達(dá)到的夾緊力是不同的。并且提高螺栓連接件的連接性能，不僅需要保障精確的預(yù)緊力，也需要保障被連接件結(jié)合面間的壓力分布方式。因?yàn)楸贿B接件間的壓力分布對(duì)螺栓連接的性能如連接剛度、連接熱阻等有重大的影響。目前國內(nèi)外關(guān)于螺栓擰緊的試驗(yàn)臺(tái)大多為單頭擰緊單個(gè)螺栓，或者運(yùn)用機(jī)器手臂對(duì)單擰緊頭進(jìn)行工位變換以擰緊多個(gè)不同排布的螺栓，這種方法成本高且實(shí)施起來比較困難。目前的擰緊機(jī)技術(shù)有如下不足僅以力矩反饋?zhàn)鳛槭欠駭Q緊的標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于不同的擰緊方式及不同被連接件材料、規(guī)格，即使最終的擰緊力矩相同也會(huì)得到不同的夾緊力； 結(jié)合面間的接觸壓力的分布作為連接件連接性能的重要指標(biāo)，沒有在連接的過程中給予足夠的重視；缺少以固定單擰緊頭來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型的試件、不同排布方式的螺栓進(jìn)行擰緊的試驗(yàn)臺(tái)
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠通過單個(gè)固定的擰緊頭對(duì)不同螺栓排布方式的不同規(guī)格板類零件進(jìn)行擰緊，以測(cè)試不同擰緊方式下，不同螺栓直徑、不同螺栓排布方式、不同厚度、材料、表面形貌的被連接件間的夾緊力大小及被連接件結(jié)合面間壓力分布方式，并將夾緊力信號(hào)、結(jié)合面間壓力分布信號(hào)作為反饋信息參與伺服電機(jī)的控制，并利用測(cè)試結(jié)果對(duì)實(shí)際工況中的螺紋擰緊過程進(jìn)行指導(dǎo)。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本實(shí)用新型提供的技術(shù)解決方案如下一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置包括測(cè)試支架、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、輸出機(jī)構(gòu)、工件支承定位結(jié)構(gòu)、螺母固定結(jié)構(gòu)和測(cè)量裝置；在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與輸出機(jī)構(gòu)之間設(shè)置減速機(jī)構(gòu)和扭矩傳感器，扭矩傳感器的外殼與減速箱支承板相連；應(yīng)變軸一端與減速機(jī)的輸出端通過聯(lián)軸器相連接，另一端與輸出機(jī)構(gòu)中的螺栓擰緊軸通過聯(lián)軸器相連，螺栓擰緊軸的另一端作為接口，并與不同規(guī)格的前套筒相連，不同規(guī)格的前套筒對(duì)不同規(guī)格的螺栓進(jìn)行擰緊；通過工件定位塊、工件定位板及后套筒位置的組合實(shí)現(xiàn)對(duì)不同排布方式、不同厚度、大小的連接件進(jìn)行擰緊；并對(duì)不同情況下擰緊扭矩、夾緊力與結(jié)合面間壓力分布方式進(jìn)行測(cè)量；這些裝置均置于測(cè)試支架之內(nèi)。[0007]所述測(cè)試支架包括減速機(jī)支架板、工件定位板、后支承板、框形支架及支承立柱五部分，這五部分裝配為一個(gè)整體，在試驗(yàn)中保持相互位置不變；其中框形支架的下表面安裝在試驗(yàn)桌上。所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為伺服電機(jī)，豎式放置。所述減速機(jī)構(gòu)，一端與伺服電機(jī)直連，另一端連接在減速機(jī)支架板上，輸出軸向上伸出。所述輸出機(jī)構(gòu)包括擰緊軸、軸承、前套筒；擰緊軸一端通過聯(lián)軸器與扭矩傳感器輸出軸相連，另一端通過方形配合孔與前套筒相連，前套筒另一端開有六角形孔，與螺栓頭相配合進(jìn)行擰緊。所述測(cè)量裝置包括扭距傳感器、墊片式力傳感器、壓力薄膜傳感器；扭矩傳感器的輸入端與減速機(jī)的輸出端通過聯(lián)軸器相連，輸出軸與擰緊軸通過聯(lián)軸器相連接，外殼與減速機(jī)支架板相固定；壓力薄膜傳感器置于兩連接試件之間靠近螺栓孔部位；墊片式力傳感器置于螺母與試件之間，下端與試件相貼合，上端與螺母相貼合。方形工件支承定位結(jié)構(gòu)包括工件定位板及工件定位塊；工件定位板固定在測(cè)試支架之上，工件定位塊通過與工件定位板上的孔進(jìn)行配合置于定位板之上，試件被置于定位塊之上；法蘭型工件支承定位結(jié)構(gòu)包括法蘭定位件及工件支承定位板，兩者之間通過銷孔進(jìn)行配合，法蘭型試件與法蘭定位件同軸。螺母固定結(jié)構(gòu)包括后套筒、導(dǎo)套、后支承板；后套筒的下部開有六角形的孔，與螺母進(jìn)行配合，下表面與墊片式力傳感器的上表面相貼合，上部為四方形，與導(dǎo)套相配合，能夠根據(jù)板厚的不同上下滑動(dòng)；導(dǎo)套固定在測(cè)試支架的后支承板上。本實(shí)用新型以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與輸出機(jī)構(gòu)之間設(shè)置減速機(jī)構(gòu)和扭矩傳感器，扭矩傳感器的外殼與減速機(jī)支架板相連，應(yīng)變軸在兩端伸出，一端與減速機(jī)的輸出端通過聯(lián)軸器相連接，另一端與輸出機(jī)構(gòu)中的螺栓擰緊軸通過聯(lián)軸器相連，擰緊軸的另一端作為接口，與不同規(guī)格的前套筒相連。不同規(guī)格的前套筒對(duì)不同規(guī)格的螺栓進(jìn)行擰緊。不同尺寸的板類連接件、法蘭類連接件通過工件定位板不同位置的定位孔及導(dǎo)向槽與其它相應(yīng)的定位件來進(jìn)行定位。在螺母底部與被連接件之間裝有墊片式力傳感器，能夠?qū)崟r(shí)精確測(cè)量在擰緊過程中螺栓夾緊力的變化情況，在被連接件結(jié)合面處裝有薄膜式壓力傳感器，能夠?qū)崟r(shí)精確測(cè)量被連接件結(jié)合面間的接觸壓力變化情況。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集扭矩傳感器、墊片式力傳感器、薄膜式壓力傳感器輸出信號(hào)，通過PC機(jī)及示波器，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)及控制各個(gè)被控量，可分別通過扭矩、預(yù)緊力、結(jié)合面間壓力的反饋信息來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)形式，得到電機(jī)不同擰緊方式下扭矩、預(yù)緊力、結(jié)合面間壓力分布與擰緊方式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型的效益體現(xiàn)在1)本實(shí)用新型整體采用立式框架結(jié)構(gòu)，使傳動(dòng)軸不受重力影響，有較優(yōu)的同軸度及對(duì)心效果。2)本實(shí)用新型后套筒與導(dǎo)套之間采用導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)被連接件不同的厚度進(jìn)行快速位置調(diào)整。3)通過定位孔、導(dǎo)向槽與墊塊的相互配合，對(duì)不同大小的方板、不同排布方式的螺栓進(jìn)行擰緊。4)利用轉(zhuǎn)盤原理提出一種簡單易行的固定單擰緊頭對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)的不同排布螺栓按照預(yù)定方式進(jìn)行擰緊。5)本實(shí)用新型將采集到結(jié)合面間壓力分布的信息作為反饋信息參與到伺服電機(jī)擰緊控制過程中。6)使用墊片式力傳感器直接實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓擰緊過程中的夾緊力變化，避免了從扭矩轉(zhuǎn)化為夾緊力之間的誤差。

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)局部放大示意圖圖3為扭矩傳感器示意圖圖4為前套筒示意圖圖5為工件定位板示意圖圖6為壓力薄膜傳感器圖7為法蘭類零件的定位機(jī)構(gòu)圖8為法蘭零件的俯視圖其中1伺服電機(jī)、2減速機(jī)、3減速機(jī)支架板、4第一聯(lián)軸器、5扭矩傳感器、6第二聯(lián)軸器、7擰緊軸、8框型支架、9工件定位板、10后套筒、11第一軸承、12軸承座、13第二軸承、14前套筒、15-1試件一、15-2試件二、15-3法蘭一、15_4法蘭二、16墊片式壓力傳感器、 17螺栓、18法蘭定位件、19壓力薄膜傳感器、20扭矩傳感器應(yīng)變軸、21工件定位塊、22限位孔、23導(dǎo)向限位槽、M螺母、25導(dǎo)套、沈后支承板、27支承立柱、A工件工作位置、B工件換位位置。
具體實(shí)施方式
按照本實(shí)用新型的技術(shù)方案，按以下具體步驟實(shí)施1、后套筒10與導(dǎo)套25的配合方式為導(dǎo)柱導(dǎo)套式，在進(jìn)行工件定、換位時(shí)將后套筒10向上提起。2、如圖1所示，本實(shí)例以伺服電機(jī)1為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在伺服電機(jī)1與輸出機(jī)構(gòu)之間設(shè)置減速機(jī)2和扭矩傳感器5。扭矩傳感器5 (圖幻采用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，扭矩傳感器外殼固聯(lián)在減速機(jī)支架板上，扭矩傳感器應(yīng)變軸20在兩端伸出，分別通過第一聯(lián)軸器4、第二聯(lián)軸器6與減速機(jī)2及擰緊軸7相聯(lián)。扭矩傳感器將減速機(jī)構(gòu)增大后的扭矩直接傳遞到輸出機(jī)構(gòu)，并使得擰緊機(jī)的輸出扭矩為傳感器承受的扭矩，因此扭矩為擰緊螺栓的扭矩，這種擰緊扭矩直接測(cè)量的方式，有效的避免了扭矩傳遞的誤差。如圖2所示，擰緊軸7由第一軸承11、第二軸承13支承，使擰緊軸不在軸向和徑向晃動(dòng)。擰緊軸7通過其正四方頭與前套筒14相連，將擰緊扭矩最終傳到前套筒14，由前套筒14對(duì)螺栓進(jìn)行擰緊。3、將螺栓放入前套筒14中，工件定位塊21根據(jù)試件大小與工件定位板9進(jìn)行連接，再將試件一 15-1、試件二 15-2穿過螺栓17與工件定位塊21相配合，通過21對(duì)被連接件進(jìn)行定位、對(duì)心，試件15-1、15-2結(jié)合面部位加有壓力薄膜傳感器19(圖6所示)。定位具體實(shí)施方式
如下當(dāng)被連接件外形為矩形類零件，工件定位塊21與工件定位板9通過限位孔22或?qū)蛳尬徊?3相連，將試件一 15-1、試件二 15-2穿過螺栓17與工件定位塊21 相配合，對(duì)其進(jìn)行定位及緊固。通過不同位置組合的限位孔，對(duì)80*80、100*100的方板進(jìn)行定位；通過導(dǎo)向限位槽可以對(duì)寬80-250mm、長80_450mm的方板進(jìn)行定位，從而將方板上不同位置的螺栓移動(dòng)到擰緊位置；被連接件為法蘭類零件，不同規(guī)格的法蘭與不同規(guī)格的法蘭定位件18相配合，法蘭定位件與工件定位板9通過銷釘連接，法蘭15-3、15-4與法蘭定位件18同軸，目前法蘭工位為位置A，對(duì)螺孔D進(jìn)行連接，后套筒10對(duì)螺母M進(jìn)行卡緊，通過前套筒14對(duì)螺栓17進(jìn)行擰緊。由伺服電機(jī)1控制擰緊速度、正擰反擰等擰緊方式，由扭矩傳感器5可得擰緊力矩，由墊片式壓力傳感器16可得在一定擰緊力矩一定工況下螺栓所形成的預(yù)緊力，由壓力薄膜傳感器19可得相應(yīng)的被連接件間所形成的壓力分布。如圖7、8 所示，當(dāng)螺孔D連接完成后，需要將螺孔C放置到工作位置A，方法如下抬起后套筒10，抬起法蘭15-3、15-4到換位位置B，依照?qǐng)D8所示方向旋轉(zhuǎn)45°，將螺栓放入前套筒14，放下法蘭15-3、15-4到工作位置A，使螺紋孔C與螺栓同軸，將墊片式力傳感器16置于法蘭與螺母對(duì)之間，放下后套筒10，由前套筒14進(jìn)行擰緊。之后的螺栓依此方法進(jìn)行擰緊?？蓪?duì)外徑為φ80-φ500的法蘭類零件進(jìn)行擰緊。4、試件15-1/15-4的上端與螺母M之間加有墊片式力傳感器16，放下后套筒10， 后套筒10下部開有正六邊形的內(nèi)孔，與螺帽進(jìn)行配合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺帽的卡緊。5、通過pc機(jī)對(duì)伺服電機(jī)1進(jìn)行控制，并同時(shí)采集扭矩傳感器5、壓力薄膜傳感器 19、墊片式壓力傳感器16的反饋信號(hào)，按照需要對(duì)電機(jī)的運(yùn)行方式進(jìn)行控制。(可將結(jié)合面間壓力分布范圍、最大接觸壓力、某個(gè)接觸區(qū)域的平均接觸壓力作為終擰的條件)6、一個(gè)螺栓擰緊完成后，按照以上步驟再進(jìn)行下一個(gè)螺栓的預(yù)緊。7、螺栓擰緊完成后，根據(jù)采集的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與處理，得到扭矩、夾緊力、結(jié)合面壓力分布與擰緊方式、螺栓排布方式、試件形狀、材料之間的關(guān)系，為實(shí)際工程中的螺栓擰緊提供依據(jù)。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，其特征在于該測(cè)試裝置包括測(cè)試支架、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、輸出機(jī)構(gòu)、工件支承定位結(jié)構(gòu)、螺母固定結(jié)構(gòu)和測(cè)量裝置；在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與輸出機(jī)構(gòu)之間設(shè)置減速機(jī)構(gòu)和扭矩傳感器，扭矩傳感器的外殼與減速箱支承板相連；應(yīng)變軸一端與減速機(jī)的輸出端通過聯(lián)軸器相連接，另一端與輸出機(jī)構(gòu)中的螺栓擰緊軸通過聯(lián)軸器相連，螺栓擰緊軸的另一端作為接口，并與不同規(guī)格的前套筒相連， 不同規(guī)格的前套筒對(duì)不同規(guī)格的螺栓進(jìn)行擰緊；通過工件定位塊、工件定位板及后套筒位置的組合實(shí)現(xiàn)對(duì)不同排布方式、不同厚度、大小的連接件進(jìn)行擰緊；并對(duì)不同情況下擰緊扭矩、夾緊力與結(jié)合面間壓力分布方式進(jìn)行測(cè)量；這些裝置均置于測(cè)試支架之內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，其特征在于所述測(cè)試支架包括減速機(jī)支架板、工件定位板、后支承板、框形支架及支承立柱五部分，這五部分裝配為一個(gè)整體，在試驗(yàn)中保持相互位置不變；其中框形支架的下表面安裝在試驗(yàn)桌上。
3.如權(quán)利要求1所述一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為伺服電機(jī)，豎式放置。
4.如權(quán)利要求1所述一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，其特征在于所述減速機(jī)構(gòu)，一端與伺服電機(jī)直連，另一端連接在減速機(jī)支架板上，輸出軸向上伸出。
5.如權(quán)利要求1所述一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，其特征在于所述輸出機(jī)構(gòu)包括擰緊軸、軸承、前套筒；擰緊軸一端通過聯(lián)軸器與扭矩傳感器輸出軸相連，另一端通過方形配合孔與前套筒相連，前套筒另一端開有六角形孔，與螺栓頭相配合進(jìn)行擰緊。
6.如權(quán)利要求1所述一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，其特征在于所述測(cè)量裝置包括扭距傳感器、墊片式力傳感器、壓力薄膜傳感器；扭矩傳感器的輸入端與減速機(jī)的輸出端通過聯(lián)軸器相連，輸出軸與擰緊軸通過聯(lián)軸器相連接，外殼與減速機(jī)支架板相固定；壓力薄膜傳感器置于兩連接試件之間靠近螺栓孔部位；墊片式力傳感器置于螺母與試件之間，下端與試件相貼合，上端與螺母相貼合。
7.如權(quán)利要求1所述一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，其特征在于方形工件支承定位結(jié)構(gòu)包括工件定位板及工件定位塊；工件定位板固定在測(cè)試支架之上，工件定位塊通過與工件定位板上的孔進(jìn)行配合置于定位板之上，試件被置于定位塊之上；法蘭型工件支承定位結(jié)構(gòu)包括法蘭定位件及工件支承定位板，兩者之間通過銷孔進(jìn)行配合，法蘭型試件與法蘭定位件同軸。
8.如權(quán)利要求1所述一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，其特征在于螺母固定結(jié)構(gòu)包括后套筒、導(dǎo)套、后支承板；后套筒的下部開有六角形的孔，與螺母進(jìn)行配合，下表面與墊片式力傳感器的上表面相貼合，上部為四方形，與導(dǎo)套相配合，能夠根據(jù)板厚的不同上下滑動(dòng)；導(dǎo)套固定在測(cè)試支架的后支承板上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種螺紋擰緊力及被連接件結(jié)合面間壓力分布的測(cè)試裝置，該測(cè)試裝置通過工件定位塊與工件定位板之間不同位置的配合，可對(duì)不同形狀及螺栓排布方式的連接件進(jìn)行擰緊。在螺母與試件之間夾有墊片式壓力傳感器，在兩試件之間夾有壓力薄膜傳感器，可以測(cè)得不同擰緊方式、不同試件、不同螺栓分布條件下擰緊力矩、夾緊力與結(jié)合面間壓力分布的關(guān)系。本實(shí)用新型整體采用立式框架結(jié)構(gòu)，使傳動(dòng)軸不受重力影響，有較優(yōu)的同軸度及對(duì)心效果，通過不同的工位塊能夠?qū)Σ煌嚰M(jìn)行定位對(duì)心，能夠根據(jù)被連接件不同的厚度進(jìn)行快速位置調(diào)整。
文檔編號(hào)G01L5/00GK201983892SQ201020641048
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者張進(jìn)華, 李小虎, 楊國慶, 洪軍, 王寧, 王崴 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)