一种能够精确控制紧固力矩的螺栓紧固装置的制作方法

本实用新型属于装配工具技术领域，涉及一种螺栓紧固装置，尤其涉及一种能够精确控制紧固力矩的螺栓紧固装置。

背景技术：

在制造业中，使用动力紧固装置紧固螺栓可减轻人的负担，提高装配效率。某些紧固场合需要精确控制螺栓紧固力矩且在整个紧固过程中冲击小，这种需求对动力紧固装置力矩控制提出了高要求，目前国产动力紧固装置难以实现精确的紧固力矩控制且在此基础上进一步降低过冲。

在使用动力紧固装置紧固螺栓时，动力紧固装置高速旋转，具有较大惯性，在螺栓头与工件的接触瞬间，静止的工件会导致螺栓轴向进给速度骤然下降，螺栓动能瞬间转化为螺栓对工件的弹性势能，由于没有缓冲装置存储该势能，故容易损坏工件。现有的动力紧固装置一般采用在轴向上增加弹性元件的方法来减缓轴向上冲击力，但仍然无法彻底解决冲击力问题，且无法有效地卸载径向上的旋转力矩。此外，在螺栓与螺孔对准的过程中，往往存在偏差，偶尔还会出现螺纹攻丝缺陷，导致在螺栓拧紧过程中出现异常，如果控制不当，会损伤螺孔内螺纹，破坏设备本身。

由于现有的动力紧固装置难以在精确的紧固力矩控制基础上减少过冲，无法解决上述技术问题，亟需一种能够精确控制紧固力矩的螺栓紧固装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种能够精确控制紧固力矩的螺栓紧固装置，解决前述技术问题。本实用新型的目的通过以下技术方案实现。

一种能够精确控制紧固力矩的螺栓紧固装置，由动力模块、弹性模块和紧固模块依次串联组成；动力模块包括控制器、电机和减速器；还包括螺栓位置实时检测模块。电机和减速器提供螺栓紧固力矩和转速，驱动紧固模块紧固螺栓；控制器控制螺栓紧固装置的启停、紧固力矩和转速，控制器根据螺栓位置调整螺栓紧固力矩与转速大小，使螺栓达到期望力矩的同时，平滑地停止旋转，降低螺栓头对工件表面的冲击，使螺栓头与工件平滑接触；从而实现对紧固力矩的精确控制，减小冲击力矩，避免损伤工件表面、螺孔内螺纹或紧固装置。

在一些具体实施方案中，所述螺栓位置实时检测模块为光电编码器。光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，主要工作原理为光电转换，是一种将输出轴的机械几何位置转换为脉冲或数字量的传感器。

在一些具体实施方案中，所述弹性模块为橡胶或扭簧。弹性模块的形变反映了轴上的力矩。

在一些具体实施方案中，在弹性模块和紧固模块之间还包括缓冲模块。

进一步地，所述缓冲模块包括弹簧和联轴器，联轴器的作用是将两种物理上没有连接或规格不同的轴连接起来。

在一些具体实施方案中，所述紧固模块为批头转接头和批头。

螺栓紧固装置精准控制力矩并减缓冲击的过程详述如下。

如图2所示，在传统的电流、速度双闭环基础上，加入力矩控制器构成了能精确控制力矩的力矩环。在力矩环中，td为期望力矩，tr为实测力矩。tr为已知弹性系数的橡胶的形变所反映的力矩，即tr＝k(θ1-θ2)。精确的力矩的监控能保证螺栓紧固装置最终的精确力矩输出，为进一步减弱装置在动态过渡过程中对紧固件、装置本身及使用者的冲击伤害，本发明在力矩环的基础上加入了阻抗环。阻抗描述位置和力矩的动态关系—也可转换为速度和力矩的形式—在阻抗环中，输入为预期速度vt，反馈为螺栓批头的实际速度(dθ2/dt)，阻抗控制器的设计是基于阻抗关系中i、b、k参数的整定。阻抗环根据螺栓批头的实际速度(dθ2/dt)动态调节力矩环期望力矩td的大小，以实现减缓冲击的效果。阻抗环的输入为一个预期的速度vt，这表示紧固装置以预期的速度vt启动，当检测到外界力矩达到用户设定的力矩时设定vt＝0，停止装置的运行，螺栓紧固完成。

通过编码器间接检测螺栓头速度，控制器将螺栓速度作为阻抗控制器的反馈输入；力矩控制器根据阻抗控制器的输出动态调节力矩环期望力矩td并实时监测外界力矩tr的变化，使螺栓达到期望力矩的同时，平滑地停止旋转，降低螺栓头对工件表面的冲击，使螺栓头与工件平滑接触。

本实用新型具有以下有益技术效果：降低螺栓紧固装置高速运转时螺栓对工件的冲击力，并且柔顺地将螺栓拧入螺孔、紧固工件；降低对紧固工具和操作员手臂的冲击。在螺栓被拧入螺孔的过程中，遇到力矩异常情况可以自动停止，降低螺栓及工件的损坏率；可以提高螺栓紧固力的精度。

附图说明

图1是本实用新型的螺栓紧固装置结构示意图。

图2是本实用新型的螺栓紧固装置控制器的控制框图。

附图标记：1-电机，2-控制器，3-减速器，4-光栅，5-编码器，6-串联弹性作动器，7-弹簧，8-联轴器，9-批头转接头，10-批头。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做进一步说明。显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型提供的一种能够精确控制紧固力矩的螺栓紧固装置，由动力模块、弹性模块、缓冲模块和紧固模块依次串联组成；动力模块包括控制器2、电机1和减速器3；还包括螺栓位置实时检测模块。螺栓位置实时检测模块包括光栅4和编码器5，弹性模块为串联弹性作动器6，缓冲模块包括弹簧7和联轴器8，紧固模块为批头转接头9和批头10。电机和减速器提供螺栓紧固力矩和转速，控制器控制螺栓紧固装置的启停、紧固力矩和转速。

如图2所示，在传统的电流、速度双闭环基础上，加入力矩控制器构成了能精确控制力矩的力矩环。在力矩环中，td为期望力矩，tr为实测力矩。tr为已知弹性系数的橡胶的形变所反映的力矩，即tr＝k(θ1-θ2)。精确的力矩的监控能保证螺栓紧固装置最终的精确力矩输出，为进一步减弱装置在动态过渡过程中对紧固件、装置本身及使用者的冲击伤害，本发明在力矩环的基础上加入了阻抗环。阻抗描述位置和力矩的动态关系—也可转换为速度和力矩的形式—在阻抗环中，输入为预期速度vt，反馈为螺栓批头的实际速度(dθ2/dt)，阻抗控制器的设计是基于阻抗关系中i、b、k参数的整定。阻抗环根据螺栓批头的实际速度(dθ2/dt)动态调节力矩环期望力矩td的大小，以实现减缓冲击的效果。阻抗环的输入为一个预期的速度vt，这表示紧固装置以预期的速度vt启动，当检测到外界力矩达到用户设定的力矩时设定vt＝0，停止装置的运行，螺栓紧固完成。

通过编码器检测螺栓头速度，控制器将螺栓速度作为阻抗控制器的反馈输入；力矩控制器根据阻抗控制器的输出动态调节力矩环期望力矩td并实时监测外界力矩tr的变化，使螺栓达到期望力矩的同时，平滑地停止旋转，降低螺栓头对工件表面的冲击，使螺栓头与工件平滑接触。

本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求书及其等同技术方案限定。