[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种在紧固包括螺栓的连接件期间，执行所述螺栓中的夹紧力的超声测量的方法，并且涉及一种实施所述方法的紧固装置。

背景技术

当螺栓与螺母之间的连接件被紧固时，产生夹紧力，这将保持连接件紧固。夹紧力是由于螺栓的所谓夹紧长度变形(即，被拉长)而产生的。通常，紧固操作可以分为两个主要阶段；在第一阶段中，螺栓被螺纹旋入螺母中，而不变形，在第二阶段中，构建了例如螺栓与螺母之间的连接件，并且在第二阶段中螺栓变形。螺栓可以弹性和塑性变形。螺纹旋入阶段结束并且变形阶段开始的转变点通常被标记为紧贴(snug)。

为了优化紧固操作，需要控制在连接件处产生的夹紧力。然而，由于这意味着必须将测力计其布置在连接件内部，而这是不可能的，所以直接测量夹紧力是困难的。相反，已经研发了用于间接测量夹紧力的方法。这样一种方法包括利用超声波来测量螺栓的伸长。在其它的方法中，连接件被紧固至某一扭矩，而不是某一夹紧力。

在超声方法中，超声脉冲被传送至螺栓中，并且监控通常被称作为飞行时间的响应时间。飞行时间对应于螺栓的长度。因而，任何测量出的飞行时间的增加对应于螺栓长度的增加，因此对应于螺栓夹紧力的增加。至少只要螺栓仅弹性变形，飞行时间就随着螺栓的伸长而线性地增加。然而，如果螺栓变形至一定程度，即在某些应用中需要开始塑性变形，则将构建新的线性度。通常，飞行时间在塑性变形期间以比在弹性变形期间以更低的速度增加。

超声方法的问题涉及测量结果的估算。首先，在紧固操作中达到紧贴之前，以成本有效和时间有效的方式来测量螺栓中的飞行时间是困难的。这部分地由于如下的事实：在螺栓被夹紧之前，例如在紧贴之前，难以在超声仪表与螺栓之间建立足够良好的接触。在紧贴之后，螺栓将被夹紧在连接件中，并且将更容易实现在超声仪表与螺栓之间的良好接触。

实现良好接触的常规方式是将例如采用压电部件的形式的接触件与超声脉冲发生器结合在螺栓的头部中。然而，这是非常昂贵的解决方案，并且这种螺栓将花费普通螺栓价格的至少20倍。

发明内容

本发明的目标是提供在连接件的紧固期间估算螺栓中的飞行时间测量的成本有效和时间有效的方法。

这个目标通过本发明根据第一方面和第二方面来实现的。

根据第一方面，本发明涉及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的方法，所述方法包括以下步骤：

-通过扭矩传递装置来紧固连接件，

-测量在连接件紧固期间提供至连接件的扭矩，以及

-同时将超声脉冲引入螺栓中，并且测量所述脉冲在所述螺栓中的飞行时间(TOF)。所述方法进一步地包括以下步骤：

-响应于测量的扭矩增加，监控随着旋转角度变化的扭矩，以确定扭矩的增加速率，

-监控随着旋转角变化的超声脉冲的飞行时间，以确定飞行时间的增加速率，

-基于确定的扭矩的增加速率，确定扭矩根据螺栓变形而开始增加时的紧固操作的初始旋转角，

-将紧固操作的所述初始旋转角定义为飞行时间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和所述飞行时间的增加速率来确定在紧固操作期间飞行时间总的增加。

根据第二个方面，本发明涉及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，包括扭矩传递装置，所述扭矩传递装置包括：

-轴，其用于驱动工具实施，以提供螺栓和相匹配的螺纹件的相互旋转，以及

-电机，其用于驱动所述轴，

其中，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，测量随着应用至螺栓与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，其将超声脉冲引入至少一个螺栓中，并且测量所述脉冲在所述螺栓中的飞行时间，

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

其特征在于，紧固装置包括适用于如下的控制单元：

-基于测量的扭矩来确定随着旋转角变化的扭矩的增加速率，

-基于测量的飞行时间来确定随着旋转角变化的飞行时间的增加速率，

-基于确定的扭矩的增加速率，确定扭矩由于螺栓变形而开始增加时的初始旋转角，

-将所述初始旋转角定义为飞行时间开始增加时的旋转角，