拧紧工艺扭矩设定值的确定方法、螺栓拧紧方法及系统与流程

本发明属于拧紧工艺领域，尤其涉及一种拧紧工艺扭矩设定值的确定方法、螺栓拧紧方法及系统。

背景技术：

拧紧工艺是制造行业的核心工艺之一，主要是指将两个或多个部件通过螺栓连接在一起，并要求具备一定的持久的夹紧力度。该工艺广泛应用于火车、汽车、重型机械、发动机等装配生产中，该工艺的好坏直接影响产品的质量和产品的安全运行。

扭矩-转角法是目前大多采用的一种高精度的螺栓拧紧工艺，其主要过程是：在进行螺栓对准和预拧紧的基础上，以一个确定的扭矩设定值为监控起点，开始对螺栓转过的角度进行监控，通常会实施一次或多次角度的拧紧控制，使螺栓拧紧扭矩控制在屈服点(螺栓材料由弹性变形区进入塑性变形区的转折点)后一定的角度，以保证夹紧力的持久性。

在螺栓拧紧工艺过程中，扭矩设定值的确定是一个关键，如果该值偏大，则最终拧紧的状态会过于超过屈服点，造成螺栓永久拉长变形失去弹性，或者螺栓被拉断；如果该值偏小，则最终拧紧的状态会达不到屈服点，或者虽然装配时达到屈服点，但随着产品运行过程的振动等原因，过一段时间也会欠于屈服点，这些都不能保持螺栓夹紧力的持久性。扭矩设定值的确定理论上要依据螺栓的材料、规格等属性参数进行分析计算，实际情况下很难测取准确的参数值，因此，目前的工艺大都靠实验或经验值来设定。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种拧紧工艺扭矩设定值的确定方法，该方法不需要进行被连接材料属性和规格的测定，能够保证批量生产时拧紧效果的一致性。

本发明的一种拧紧工艺扭矩设定值的确定方法，包括：

步骤1：选定螺栓的种类，并将该种类的一个螺栓作为一个样本；实时采集多个与选定种类相同的螺栓分别在实际拧紧过程中的拧紧数据，形成样本数据集合；所述拧紧数据包括转角值和扭矩值；

步骤2：以转角值为横坐标，扭矩值为纵坐标来绘制出每个样本在实际拧紧过程中的拧紧过程曲线，进而确定出每一条拧紧过程曲线的屈服点；

步骤3：根据拧紧过程曲线及屈服点所对应的扭矩值来设定参照扭矩ti、最大扭矩tmax及步长step，其中，ti＝tmin，n*step＝tmax-tmin；tmin为最小扭矩，n为正整数，tmin和tmax均为正数；

步骤4：根据参照扭矩值将样本数据集合中所有样本的拧紧过程曲线对齐到某一转角值，并计算对齐后的所有样本的拧紧过程曲线的屈服点分布方差；

步骤5：利用参照扭矩值增加一个步长step来更新参照扭矩值，并判断更新后的参照扭矩值是否小于tmax，若是，更新后的参照扭矩值代替更新前的参照扭矩值并转到步骤4；否则，执行下一步；

步骤6：从以上步骤计算的一系列方差中筛选出最小方差对应的参照扭矩值即为最优扭矩设定值。

进一步的，在所述步骤1中，利用扭矩标定仪来实时采集螺栓在实际拧紧过程中的拧紧数据。其中，扭矩标定仪包括扭矩传感器和角度编码器，扭矩标定仪与螺栓拧紧装置串联连接，从而实现实时准确地采集到螺栓在实际拧紧过程中的转角值和扭矩值的动态变化。

需要说的是，还可以利用具备数据采集功能的电动拧紧机或扭矩扳手来实时采集螺栓在实际拧紧过程中的拧紧数据。

进一步的，在所述步骤2中，确定每一条拧紧过程曲线的屈服点的具体过程包括：

根据每一条拧紧过程曲线，得到以转角值为横坐标，扭矩斜率为纵坐标的扭矩/转角变化曲线；

在扭矩/转角变化曲线中查找斜率保持恒定后缓慢下降过程中，当扭矩斜率下降到最大扭矩斜率的1/2时所对应的拧紧过程曲线上的点，即为屈服点。

由于制造螺栓的材料存在一定的屈服性，在螺栓拧紧的过程中，最开始拧紧时，扭矩斜率上升很快，之后经过简短的变缓后而保持恒定，再之后扭矩斜率经简短的缓慢下降后又快速下降。当扭矩斜率下降到预设值后，应立即停止拧紧螺栓，否则，螺栓在更大的扭矩值下而损坏。

进一步的，在所述步骤3中，所设定的参照扭矩ti在一个样本的拧紧过程曲线上对应的转角值为0度。

需要说明的是，所设定的参照扭矩ti除了在拧紧过程曲线上对应的转角值为0度之外，也可以对应其他转角值，并不影响本发明的最优扭矩设定值的确定结果。

进一步的，在所述步骤4中，根据参照扭矩值将所有样本的拧紧过程曲线对齐到0度转角值。

本发明将所有样本的拧紧过程曲线对齐到0度转角值，能够更加方便准确快捷地对其所有样本的拧紧过程曲线。需要说明的是，所有样本的拧紧过程曲线也可以对齐到其他角度的转角值。

进一步的，在所述步骤4中，计算对齐后的所有样本的拧紧过程曲线的屈服点分布方差的过程包括：

在所有样本的拧紧过程曲线对齐的基础上，首先计算所有样本的拧紧过程曲线上的屈服点所对应的转角值分布的均值；

利用转角值分布的均值，计算出屈服点所在转角分布的方差，作为对齐后的所有样本的拧紧过程曲线的屈服点分布方差。

本发明的第二目的是提供一种螺栓拧紧方法。该螺栓拧紧方法利用制造螺栓材料存在屈服现象，利用屈服点更加准确地拧紧螺栓，且能够防止螺栓的损坏或断裂，关键是保持最大的夹紧力。

本发明的一种螺栓拧紧方法，包括将螺栓拧紧至最优扭矩设定值，所述最优扭矩设定值采用上述所述的拧紧工艺扭矩设定值的确定方法来确定。

本发明的第三目的是提供一种螺栓拧紧系统。该螺栓拧紧系统利用制造螺栓材料存在屈服现象，利用屈服点更加准确地拧紧螺栓，且能够防止螺栓的损坏或断裂，关键是保持最大的夹紧力。

本发明的一种螺栓拧紧系统，包括螺栓拧紧装置，所述螺栓拧紧装置与拧紧工艺扭矩设定值的确定处理器相连；所述拧紧工艺扭矩设定值的确定处理器，被配置为上述所述的拧紧工艺扭矩设定值的确定方法来输出最优扭矩设定值；

所述螺栓拧紧装置，被配置为将螺栓拧紧至最优扭矩设定值。

进一步的，所述螺栓拧紧装置还与扭矩标定仪相连，所述扭矩标定仪被配置为实时采集螺栓在拧紧过程中的拧紧数据。

进一步的，所述螺栓拧紧装置还与扭矩传感器相连，所述扭矩传感器被配置为实时采集螺栓在拧紧过程中的动态扭矩。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过选定螺栓的种类，并将该种类的一个螺栓作为一个样本；实时采集多个与选定种类相同的螺栓分别在实际拧紧过程中的拧紧数据，形成样本数据集合，绘制出每个样本在实际拧紧过程中的拧紧过程曲线，进而确定出每一条拧紧过程曲线的屈服点；设定参照扭矩、最大扭矩及步长，再根据参照扭矩值将样本数据集合中所有样本的拧紧过程曲线对齐到某一转角值，并计算对齐后的所有样本的拧紧过程曲线的屈服点分布方差；利用参照扭矩值增加一个步长来更新参照扭矩值，继续求取屈服点分布方差；从计算的一系列方差中筛选出最小方差对应的参照扭矩值即为最优扭矩设定值。本发明通过分析实际拧紧过程曲线的监控数据来确定扭矩设定值，不需要进行螺栓材料属性(硬度、刚度等)、规格(长度、螺距等)的测定；也不需要进行被连接材料属性和规格的测定；能够保证批量生产时拧紧效果的一致性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是拧紧工艺扭矩设定值的确定方法流程图。

图2中一条拧紧过程曲线示意图。

图3是将一条过程曲线在扭矩等于160n.m时对齐到转角0度。

图4是将20条过程曲线以160n.m为参照扭矩对齐到0度后的图形：

图5是将20条过程曲线以250n.m为参照扭矩对齐到0度后的图形。

图6是100条拧紧过程数据按照本方法求得的屈服点分布方差。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

拧紧：实际上就是使两被连接体间具备足够的压紧力，反映到被拧紧的螺栓上就是它的轴向预紧力(即轴向拉应力)。

扭矩：施加于轴圆周上使轴转动并产生扭曲形变等的扭矩力偶或力矩。

图1是拧紧工艺扭矩设定值的确定方法流程图。

如图1所示，本发明的一种拧紧工艺扭矩设定值的确定方法，包括：

步骤1：选定螺栓的种类，并将该种类的一个螺栓作为一个样本；实时采集多个与选定种类相同的螺栓分别在实际拧紧过程中的拧紧数据，形成样本数据集合；所述拧紧数据包括转角值和扭矩值。

具体地，在所述步骤1中，利用扭矩标定仪来实时采集螺栓在实际拧紧过程中的拧紧数据。其中，扭矩标定仪包括扭矩传感器和角度编码器，扭矩标定仪与螺栓拧紧装置串联连接，从而实现实时准确地采集到螺栓在实际拧紧过程中的转角值和扭矩值的动态变化。

汇集某种螺栓的实际拧紧过程监控数据，为了保障数据的代表性，需要足够多的样本数。单个样本的数据形式可以如下：

步骤2：以转角值为横坐标，扭矩值为纵坐标来绘制出每个样本在实际拧紧过程中的拧紧过程曲线，进而确定出每一条拧紧过程曲线的屈服点。

具体地，在该步骤中确定每一条拧紧过程曲线的屈服点的具体过程包括：

根据每一条拧紧过程曲线，得到以转角值为横坐标，扭矩斜率为纵坐标的扭矩/转角变化曲线；

在扭矩/转角变化曲线中查找斜率保持恒定后缓慢下降过程中，当扭矩斜率下降到最大扭矩斜率的1/2时所对应的拧紧过程曲线上的点，即为屈服点。由于制造螺栓的材料存在一定的屈服性，在螺栓拧紧的过程中，最开始拧紧时，扭矩斜率上升很快，之后经过简短的变缓后而保持恒定，再之后扭矩斜率经简短的缓慢下降后又快速下降。当扭矩斜率下降到预设值后，应立即停止拧紧螺栓，否则，螺栓在更大的扭矩值下而损坏。

步骤3：根据拧紧过程曲线及屈服点所对应的扭矩值来设定参照扭矩ti、最大扭矩tmax及步长step，其中，ti＝tmin，n*step＝tmax-tmin；tmin为最小扭矩，n为正整数，tmin和tmax均为正数。

在所述步骤3中，所设定的参照扭矩ti在一个样本的拧紧过程曲线上对应的转角值为0度。

需要说明的是，所设定的参照扭矩ti除了在拧紧过程曲线上对应的转角值为0度之外，也可以对应其他转角值，并不影响本发明的最优扭矩设定值的确定结果。

例如：某螺栓的一次拧紧过程如图2所示，根据该过程曲线，可以找到该螺栓的屈服点q(t,a)，以及确定参照扭矩范围(tmin,tmax)和步长step；图2中，q(t,a)＝(435n.m,125°)，可以选择tmin＝140n.m、tmax＝400n.m和step＝10n.m。

步骤4：根据参照扭矩值将样本数据集合中所有样本的拧紧过程曲线对齐到某一转角值，并计算对齐后的所有样本的拧紧过程曲线的屈服点分布方差。

对样本集中每一条过程曲线按某扭矩值(参照点)相等的原则对齐到某角度。

如图3所示，将曲线在扭矩等于160n.m时对齐到转角0度。

更多示例：

如图4所示，是将20条过程曲线以160n.m为参照扭矩对齐到0度后的图形：

如图5所示，是将20条过程曲线以250n.m为参照扭矩对齐到0度后的图形。

在所述步骤4中，根据参照扭矩值将所有样本的拧紧过程曲线对齐到0度转角值。

本发明将所有样本的拧紧过程曲线对齐到0度转角值，能够更加方便准确快捷地对其所有样本的拧紧过程曲线。需要说明的是，所有样本的拧紧过程曲线也可以对齐到其他角度的转角值。

在所述步骤4中，计算对齐后的所有样本的拧紧过程曲线的屈服点分布方差的过程包括：

在所有样本的拧紧过程曲线对齐的基础上，首先计算所有样本的拧紧过程曲线上的屈服点所对应的转角值分布的均值；

利用转角值分布的均值，计算出屈服点所在转角分布的方差，作为对齐后的所有样本的拧紧过程曲线的屈服点分布方差。

在曲线对齐的基础上，首先计算屈服点所在角度分布的均值x：

其中qi.a代表第i条曲线屈服点对应的转角值，k代表样本个数。

计算屈服点所在角度分布的方差σ²：

步骤5：利用参照扭矩值增加一个步长step来更新参照扭矩值，并判断更新后的参照扭矩值是否小于tmax，若是，更新后的参照扭矩值代替更新前的参照扭矩值并转到步骤4；否则，执行下一步；

步骤6：从以上步骤计算的一系列方差中筛选出最小方差对应的参照扭矩值即为最优扭矩设定值。

如图6所示，是100条拧紧过程数据按照本方法求得的屈服点分布方差，其迭代过程参数为tmin＝100,tmax＝400,step＝1。可见，最小方差点的横坐标为190n.m即最优扭矩控制设定值。也就是说，如果以此值(190n.m)为拧紧工艺起始的监控点，那么对于批量生产而言，所拧紧的结果将会保证最终夹紧力的误差分布最小。

本发明通过选定螺栓的种类，并将该种类的一个螺栓作为一个样本；实时采集多个与选定种类相同的螺栓分别在实际拧紧过程中的拧紧数据，形成样本数据集合，绘制出每个样本在实际拧紧过程中的拧紧过程曲线，进而确定出每一条拧紧过程曲线的屈服点；设定参照扭矩、最大扭矩及步长，再根据参照扭矩值将样本数据集合中所有样本的拧紧过程曲线对齐到某一转角值，并计算对齐后的所有样本的拧紧过程曲线的屈服点分布方差；利用参照扭矩值增加一个步长来更新参照扭矩值，继续求取屈服点分布方差；从计算的一系列方差中筛选出最小方差对应的参照扭矩值即为最优扭矩设定值。本发明通过分析实际拧紧过程曲线的监控数据来确定扭矩设定值，不需要进行螺栓材料属性(硬度、刚度等)、规格(长度、螺距等)的测定；也不需要进行被连接材料属性和规格的测定；能够保证批量生产时拧紧效果的一致性。

本发明还提供了一种螺栓拧紧方法，其包括将螺栓拧紧至最优扭矩设定值，所述最优扭矩设定值采用如图1所示的拧紧工艺扭矩设定值的确定方法来确定。

该螺栓拧紧方法利用制造螺栓材料存在屈服现象，利用屈服点更加准确地拧紧螺栓，且能够防止螺栓的损坏或断裂，关键是保持最大的夹紧力。

本发明还提供了一种螺栓拧紧系统，包括螺栓拧紧装置，所述螺栓拧紧装置与拧紧工艺扭矩设定值的确定处理器相连；所述拧紧工艺扭矩设定值的确定处理器，被配置为采用如图1所示的拧紧工艺扭矩设定值的确定方法来输出最优扭矩设定值；

所述螺栓拧紧装置，被配置为将螺栓拧紧至最优扭矩设定值。

其中，螺栓拧紧装置还与扭矩标定仪相连，所述扭矩标定仪被配置为实时采集螺栓在拧紧过程中的拧紧数据。

螺栓拧紧装置还与扭矩传感器相连，所述扭矩传感器被配置为实时采集螺栓在拧紧过程中的动态扭矩。

该螺栓拧紧系统利用制造螺栓材料存在屈服现象，利用屈服点更加准确地拧紧螺栓，且能够防止螺栓的损坏或断裂，关键是保持最大的夹紧力。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。