[发明专利]利用超声测量来估算螺栓中的夹紧力的方法和装置

权利要求书

1.一种在紧固操作期间估算螺栓与相匹配的螺纹件之间的螺纹连接件中的夹紧力(F)的方法，所述方法包括以下步骤：

-通过扭矩传递装置来紧固所述连接件，

-测量在所述连接件的紧固期间提供至所述连接件的扭矩(T)，以及

-同时将超声脉冲引入所述螺栓中，并且测量所述脉冲在所述螺栓中的飞行时间(TOF)，

其特征在于，所述方法进一步地包括以下步骤：

-响应于测量的所述扭矩(T)的增加，监控随着所述旋转角(α)变化的扭矩(T)，以确定所述扭矩(T)的增加速率(dT/dα)，

-监控随着所述旋转角(α)变化的超声脉冲的飞行时间(TOF₁)，以确定所述飞行时间(TOF)的增加速率(dTOF/dα)，

-基于确定的所述扭矩(T)的增加速率(dT/dα)，确定扭矩(T)根据螺栓变形而开始增加时的紧固操作的初始旋转角(α₀)，

-将紧固操作的所述初始旋转角(α₀)定义为所述飞行时间(TOF)开始增加时的旋转角，以及

-基于紧固操作的所述初始旋转角(α₀)和所述飞行时间(TOF)的增加速率(dTOF/dα)来确定在紧固操作期间飞行时间总的增加(ΔTOF)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定扭矩(T)的增加速率(dT/dα)的步骤包括以下步骤：监控在紧固操作的第一特定旋转角(α₁)处的第一瞬时扭矩(T₁)，和在紧固操作的第二特定旋转角(α₂)处的后续第二瞬时扭矩(T₂)，并且对其执行线性近似，并且其中，初始旋转角(α₀)是从所述线性近似中推测出的，并且对应于扭矩(T)等于零时的角。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的方法，其中，确定所述超声脉冲的飞行时间(TOF)的增加速率(dTOF/dα)的步骤包括以下步骤：监控在紧固操作的第一相关旋转角(α’₁)处的第一瞬时飞行时间(TOF₁)，和在紧固操作的第二相关旋转角(α’₂)处的后续第二瞬时飞行时间(TOF₂)，并且对其执行线性近似。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，基于所述飞行时间总的增加(ΔTOF)来估算在所述连接件中构建的夹紧力(F)，根据等式F＝k₁*ΔTOF假设所述夹紧力(F)与所述飞行时间总的增加(ΔTOF)成比例，其中，k₁是依赖于螺栓的几何结构和材料的螺栓特定常数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，接下来计算所述夹紧力(F)，紧固操作被控制为在预定的目标夹紧力(F_目标)处终止，并且其中，持续地监控飞行时间总的增加(ΔTOF)并且根据监控的飞行时间的增加(ΔTOF)持续地计算所述夹紧力(F)。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述紧固操作被控制为在预定的目标扭矩(T_目标)处终止，并且其中，监控飞行时间总的增加(ΔTOF)，使得当预定的目标扭矩(T_目标)得以满足并且紧固操作终止时可以根据监控的飞行时间总的增加(ΔTOF)计算出所述夹紧力(F)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，紧固操作停止在紧固操作的第一相关旋转角(α’₁)处，在该处测量超声脉冲的飞行时间的第一瞬时值(TOF₁)。

8.一种用于紧固包括至少一个螺栓和相匹配的螺纹件的连接件的紧固装置，其包括扭矩传递装置，所述扭矩传递装置包括：

-轴，其用于驱动工具，以提供螺栓与匹配螺纹件的相互旋转，以及

-电机，其用于驱动所述轴，

其中，所述紧固装置进一步地包括：

-扭矩计，其用于在所述连接件的紧固操作期间，测量随着应用至所述螺栓与所述相匹配的螺纹件之间的连接件的旋转角变化的扭矩，

-超声发射器，其用于将超声脉冲引入所述至少一个螺栓中，并且测量在所述脉冲在所述螺栓中的飞行时间(TOF)，

-旋转角计，其用于在所述连接件的紧固期间，记录在所述至少一个螺栓与所述相匹配的螺纹件之间的旋转角(α)，

其特征在于，所述紧固装置包括适用于如下的控制单元：

-基于测量的扭矩(T)来确定随着旋转角(α)变化的扭矩(T)的增加速率(dT/dα)，

-基于测量的飞行时间(TOF)来确定随着旋转角(α)变化的飞行时间(TOF)的增加速率(dTOF/dα)，

-基于确定的扭矩(T)的增加速率(dT/dα)，确定扭矩(T)由于螺栓变形而开始增加时的初始旋转角(α₀)，

-将所述初始旋转角(α₀)定义为所述飞行时间(TOF)开始增加时的旋转角，

-基于所述初始旋转角(α₀)和所述飞行时间(TOF)的增加速率(dTOF/dα)来确定在所述紧固操作期间飞行时间总的增加(ΔTOF)。