专利名称：用于制造螺纹连接的方法
技术领域：
本发明有关一种用于制造螺纹连接的方法且可有利地用于工业生产中的装配过程。
从已有的技术中已知在工业生产中经常使用电控的螺旋系统。这些螺旋系统具有一驱动装置和一带螺旋工具的工具轴，该螺旋工具用一预定的螺旋力矩所拧紧，以将相互连接的部件用一定的预应力来相互压紧。该力被称作为预应力且由螺栓杆的长度改变所产生，该长度改变在下文中被叫做伸长。在许多应用情况下都有必要将该预应力尽量精确地调整至一预定的值。为此要求确定预应力。已有的技术通过在拧螺栓时测量螺旋力矩来间接确定预应力。为测量该螺旋力矩主要采用转矩或转角测量系统，这些系统被集成在螺旋系统中。当在旋紧螺栓时达到一预调的转矩时，则由转矩或转角测量系统所给出的一个信号被用来切断驱动装置，或者螺栓被进一步拧紧一预定的转角。
在用转矩测量系统来间接测定预应力时会出现下述问题要拧紧一螺栓时，仅仅一小部分的所产生的转矩被用于螺栓的伸长亦即用于产生预应力。绝大部分的转矩通过摩擦被吸收到螺栓螺纹上和螺栓头上。若摩擦条件发生变化，则这种变化会强烈地影响到预应力。因此前述的装置便不能保证遵循严格的预应力公差。
为克服这些困难，则要求直接测量预应力。为此已建议了不同的方法和装置。已知的有在螺栓头之下配置一形状为垫片的测量环。该测量环为一传感器，它在力作用时给出一电信号。如螺栓被拧紧，螺栓头便压在该测量环上，由此便可直接测量预应力。这一方法非常花钱，因为测量环在拧紧螺纹连接之后被保留在螺栓头之下。因此该法仅局限于特殊应用场合，例如航天或核能技术等。
另一确定预应力的方法在专利文献DE4410722中被加以描述。其中披露了一种用至少一个流经有交流电的线圈来测定在一构件中的螺栓的预应力的装置，其中该螺栓至少部分地由导电材料组成的面向线圈的表面所组成，且一正比于螺栓预应力而变化的到至少一个线圈的距离由该线圈作为测量信号所获取，其中螺栓头具有一面向构件的突出的范围。
该方法的缺点是它只能被用于导电材料组成的螺栓。由塑性变形所产生的长度变化则不能被获取。由于待测的长度很小，因此该法在粗糙的生产条件下几乎不能被采用或者仅在花费很高的技术代价条件下才可被采用。
在专利文献DE4017726中描述了一种固定螺栓，它具有一至少部分带螺纹的杆和一操纵端，在该操纵端上设有一头、一销钉件或类似物，其中在固定螺栓的操纵端上提供有一第一端面而在轴的自由端上提供有一第二端面，且在该两端面中提供有超声测量用的测量面，这些测量面仅伸展在一部分端面上且相对于端面被轴向偏移地配置成具有一隆起和/或凹陷的形式。
用这种装置可通过超声波来测量螺栓长度改变。用螺栓的材料参数和几何尺寸可通过专业人员熟知的方法直接测量预应力。专利申请DE19507391和DE4025430的主题也是基于与上述相同的原理。
用超声波来确定螺栓长度改变也有其缺点。为精确获取长度改变信息，应将超声波确定地导入螺栓中。而由此所要解决的技术问题是非常多的。因此要求对超声波导入面和反射面加以特殊设计。此外，还要求这些面用高精度加工且具有很窄的公差范围。标准螺栓不能满足这些要求。螺栓是采用高效方法来批量加工的。对加工具有超声波导入面的螺栓则没有任何可加比较的方法可供使用。因此对这些专门螺栓的加工费用便很高。另一缺点在于在采用超声法时超声波导入和反应信号的接收必须直接在螺栓上进行，亦即超声波发射器和接收器被集成在螺栓杆上，该螺栓杆由此产生很大的结构变化。在结构比例十分狭窄的场合，这种具有较大结构尺寸的螺栓杆也许不能被使用。
本发明的任务是提供一种直接确定螺纹连接上的预应力的方法，该方法能克服前述的问题。
这一任务是通过权利要求1所述的方法来解决的，其中采用一由一可调拧紧装置所旋转的螺栓来将两构件用一预定的预应力相互压紧在一起。由螺栓的伸长而导致从螺栓材料中产生一声发射。该方法的特征在于下述步骤-获取声发射，该声发射在一当时的拧紧过程中出现在螺栓上，以及-将在该当时的拧紧过程中获取的声发射与预定的、被存储的数据作比较，其中根据预定的准则来判断拧紧过程是否正常进行。
对声发射信号的评价是用已有技术中熟知的声发射分析法来进行的。
该方法的优点在于能得到一与预应力窄相关的信号，该信号与螺纹中或螺栓头上的摩擦无关且有选择地可被用于控制或调节拧紧过程。可将声发射的这种信号与已有技术中所熟知的被测量如转矩、转角、螺栓长、屈服点、拧入深度等的测量信号相组合。这些组合被应用于这些螺纹连接，在这些螺纹连接中保持预定的质量特征具有特别严格的公差。根据需要也可将两个以上的被测量组合在一起。该方法是另一个也是实质性的优点是声发射也可以在距螺栓较近的环境中被获取。这样便首先可利用一种在一螺纹连接中用于直接确定一螺栓中预应力的方法，该法中被测量的抽取并不一定要在螺栓上进行。
根据本发明的这一方法的具有优点的进一步发展为从属权利要求的主题，由此根据权利要求2则来获取在当时的拧紧过程中在螺栓伸长时产生的一当时的声发射样品。与此同时该当时的样品与一预存储的特征样品作比较，其中采用预定的准则来判断拧紧过程是否在允许的公差范围内进行。
根据权利要求3则根据螺栓几何形状、螺栓大小以及结构比例，亦即根据螺栓的环境，在螺栓上选择一合适的环境，在该环境之上很好地来检测声发射。一个合适的位置优选地为螺栓头的端面或侧面或螺栓尾的端面。根据具体的结构比例也可选择其它位置，该位置要能够提供在接收声发射的传感器和螺栓之间的直接接触。
根据权利要求4则根据螺栓几何形状，螺栓大小以及根据螺栓直接环境中的结构比例来选择一合适的位置，在该位置上很好地检测声发射。在选择合适的位置时要考虑超声波传递关系。一最优的位置可通过较少的试验来得到的。
根据权利要求5则既可以直接在螺栓上、也可以在螺栓的直接环境中的一合适位置上来获取声发射。该方法在特殊要求时和在专门的比例条件之下提供一种评价声发射的更高的结论可靠性。
根据权利要求6则除了采用声发射来控制或调节之外还通过转角或通过屈服点或螺栓长度来监控螺纹连接，其中具有三种优选的方法方案方案1在制造一螺纹连接时用一深度传感器来连续确定螺栓的拧入深度。当螺栓头到达支承时，深度传感器的信号超过一预定极限值T且对声发射的获取开始。在到达一预定的极限值E1之后则开始转角测量。当声发射到达另一预定的值E2时，用于旋入螺栓的螺栓杆被切断。紧接着来检验转角是否位于一预先给定的范围内。当转角位于该预先给定的范围内时，螺纹连接被判断为好的，当转角位于预先给定范围之外时，螺纹连接被评价为不好的。方案2在制造一螺纹连接时用一转矩传感器来连续确定螺栓上的转矩。当螺栓头到位时，转矩传感器的信号超过一预定的极限值M且对声发射的获取开始。在到达一预定的极限值E1之后则开始一转角测量。从所得到的转矩和转角来计算两个量的关系。当声发射到达另一预定的极限值E2时，螺栓杆被切断且这时来检验转矩/转角比例关系以及/或转角和/或转矩是否位于预定的范围之内。方案3在旋入螺栓前来测量其长度L1。接着在测量拧入深度的同时用一深度表和测量转矩将螺栓拧至直到螺栓头的支承为止。在达到螺栓头支承面时深度表的测量信号到达一极限值T，此后则开始对声发射的采集。当声发射到达一预定值E1时，则开始转角测量。当声发射到达另一预定值E2时，螺栓杆被切断且开始测量螺栓的长L2。从长度差L2-L1则经已知的几何尺寸以及螺栓的加工参数来计算预应力。
根据权利要求7则经转矩或转角或屈服点来控制螺纹连接的制造，其中则经声发射来作监控。
有三种优选的方法方案方案1在测量转矩的同时将螺栓拧入至螺栓头支承。在螺栓支承时转矩到达一预定值M1，在此之后开始对声发射的获取。当转矩到达一预定值M2时，螺栓杆被切断。之后来检验声发射是否位于预定范围之内或是否满足预定的准则条件。由此可在不受螺纹和螺栓头摩擦所干扰影响的条件下检验螺栓的长度。方案2在测量转矩的同时将螺栓拧入至螺栓头支承。在螺栓头支承时转矩到达一预定值M1，其后则开始对声发射和转角的获取。在到达一预定值D1时螺栓杆被切断。其后来检验声发射是否位于一预定范围之内或满足预定的准则条件。用该方法可特别来判断螺栓是否未被拧入塑性变形的范围内或者已被太深地进入该范围内。方案3在测量转矩的同时将螺栓拧入至螺栓头支承。在螺栓头支承之后转矩剧烈增长且到达一预定值M1。在这一时刻来确定转矩/转角比例关系且开始测量声发射。在转矩/转角的一预定的比例关系达到之后则切断螺栓杆。之后则检验声发射是否位于一预定范围之内或是否满足预定的准则条件。
根据权利要求8则采用了根据本发明的用于冗余监控拧紧过程的方法。该方法可与已有技术中已知的方法相结合。一种这样的组合形式可比如另外说明如下。
在测量转矩的同时用一“快速操作方式”来旋入一螺栓。在到达一阈值转矩M1时，当转矩M1标志且确保到达螺栓头的支承，则接通一“缓慢操作方式”且在同时接入一转角监控功能。此时进行对螺栓的缓慢进一步旋转，直至到达一技术上预定的切断力矩M2为止。在切断之后可从M1和M2之间的转角值来判断被测转角是否与一预定转角一致且这样来根据技术数据来将螺栓拧紧。采用根据本发明的方法进行一种冗余监控转角控制，其中用来确定由螺栓所给出的声发射的一特征样品是否与存储在存储器中的一比较样品相一致。该冗余控制提高了统计可靠性，用该统计可靠性可判断螺纹连接相对于压紧力方向的质量好坏。这一方法可优选地用于具有严公差的螺纹连接中。另一优点在于该冗余监控可被之后配置在组成的拧紧装置上。
本发明其它的措施和优点可从以下对实施例的描述并结合所附示意图来加以了解，其中本发明是针对所有由此所产生的新的特征或特征组合的，即使当这些特征或特征组合不能被明确地引用在权利要求中。
图1示出根据本发明的方法的一优选实施例的示意结构。
有两个板形构件被用一M10的螺栓拧在一起，其中一块具有一螺纹孔。为此要进行如下的工作过程。
螺栓被采用且被拧入构件，其中同时用深度表来测量拧入深度。当螺栓头到达构件上的支承时，深度传感器给出一信号，该信号开始对声发射(AE)的测量。从一可拆卸地连接在螺栓上的声发射传感器来采集螺栓中产生的高频声发射信号，这些信号在本例中位于130～300KHZ范围中。声发射信号被处理成一准静态信号。为此首先进行一带通滤波，用于将信嗓比提高。带通滤波器这样来设计使得将螺纹中摩擦过程产生的或由其它声源产生的干扰声源与电螺栓伸长所产生的有用信号分开。紧接着将该信号平方并对它求均值。该均值以及频率范围的宽度和位置取决于螺栓或螺栓类型且可经试验来确定。当已具有用于一确定螺栓类型的经验值时，则可能的话最终要求对该值的优化。为提高测量信号质量，可采用其它的带通滤波器。如果声发射的经滤波过的准静态信号超过一预定极限值E1，则开始对转角的测量。当到达另一极限值E2时，则切断螺栓杆。在断开螺栓杆后则检验在螺栓头上测到的转角是否位于工程所允许的公差范围内。
必须强调的是这一实施例不代表对本发明的任何限制，采用本发明说明书中所公开的技术知识，专业人员可开发对本发明的其它应用可能性，但都不离开本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1．一种用于制造确定的螺纹连接方法，其中采用由一可调节拧紧装置来旋拧的螺栓将两构件用一预定的预应力相互压紧在一起，其中该螺栓给出一声发射，其特征在于，该方法包括以下步骤-获取声发射，该声发射在当时的拧紧过程中产生于螺栓中，-将该在当时的拧紧过程中所产生而被获取的声发射同预定的、所存储的数据作比较，其中-根据预定的准则来判断拧紧过程是否正常进行。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤-获取声发射的一当时的样本，该样本在一当时的拧紧过程中在螺栓伸长时产生；-将该在当时的拧紧过程中所产生的声发射的当时的样本与一所存储的特征样本作比较，其中采用预定的准则来判断该拧紧过程是否在允许的公差范围之内进行。
3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于声发射信号直接在螺栓上被获取，其中对获取声发射的位置这样来选择，使得声发射能具有一个可评价的质量
4．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于声发射信号从螺栓的直接环境中被取得，其中对获取声发射的位置这样来选择，使得声发射具有一个可评价的质量。
5．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于声发射信号直接在螺栓上被取得且声发射信号同时也从螺栓的直接环境中被取得，其中对获取声发射的位置这样来选择，使得声发射能具有一可评价的质量。
6．如权利要求1～5所述的方法，其特征在于除了采用声发射作控制和调节外，还通过转角或屈服点或螺栓长度来监控螺纹连接。
7．如权利要求1～5所述的方法，其特征在于螺纹连接的制造由-对声发射的评价来监控且由-转矩或转角或屈服点来加以控制。
8．如权利要求1～7所述的方法，其特征在于在拧紧过程中产生的声发射被用于冗余监控。
全文摘要
本发明有关一种用于制造专用螺纹连接的方法,其中采用由一可调节拧紧装置来旋拧的螺栓将两构件用一预定的预应力相互压紧在一起,其中该螺栓给出一声发射,该方法由以下步骤所表征:获取声发射,该声发射在当时的拧紧过程中产生于螺栓中,并将该在当时的拧紧过程中所产生的而被获取的声发射同预定的、被所存储的数据作比较,其中根据预定的准则来判断拧紧过程是否正常进行。本方法可被优选地应用于工业生产中的装配过程。
文档编号B25B23/142GK1235570SQ97199364
公开日1999年11月17日 申请日期1997年9月11日 优先权日1996年10月30日
发明者托马斯·勒夫勒 申请人:韦伯螺丝加工机床有限公司