专利名称：一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种螺栓拧紧测试装置，能够对不同螺栓规格、不同螺栓排布方式、不同类型的被连接件在不同的拧紧方式下所能够达到的拧紧力及被连接件间的压力分布进行精确测量及控制。
技术背景目前，对于预紧载荷的形成控制，从原理上来讲主要集中在对终拧扭矩的大小 (扭矩法、)、螺栓伸长量(转角法、伸长量控制法)的控制上，或将这两种控制方法相结合 (扭矩控制/转角监控、转角控制/扭矩监控、基于扭矩变化率的转角控制)。在实际拧紧过程中，即使最终的拧紧扭矩或螺栓伸长量达到了要求，但由于拧紧方式(速度、正反转)、 摩擦副配对情况、被连接件材料的不同最后所能达到的夹紧力是不同的。并且提高螺栓连接件的连接性能，不仅需要保障精确的预紧力，也需要保障被连接件结合面间的压力分布方式。因为被连接件间的压力分布对螺栓连接的性能如连接刚度、连接热阻等有重大的影响。目前国内外关于螺栓拧紧的试验台大多为单头拧紧单个螺栓，或者运用机器手臂对单拧紧头进行工位变换以拧紧多个不同排布的螺栓，这种方法成本高且实施起来比较困难。目前的拧紧机技术有如下不足仅以力矩反馈作为是否拧紧的标准，而对于不同的拧紧方式及不同被连接件材料、规格，即使最终的拧紧力矩相同也会得到不同的夹紧力； 结合面间的接触压力的分布作为连接件连接性能的重要指标，没有在连接的过程中给予足够的重视；缺少以固定单拧紧头来实现对不同类型的试件、不同排布方式的螺栓进行拧紧的试验台
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种能够通过单个固定的拧紧头对不同螺栓排布方式的不同规格板类零件进行拧紧，以测试不同拧紧方式下，不同螺栓直径、不同螺栓排布方式、不同厚度、材料、表面形貌的被连接件间的夹紧力大小及被连接件结合面间压力分布方式，并将夹紧力信号、结合面间压力分布信号作为反馈信息参与伺服电机的控制，并利用测试结果对实际工况中的螺纹拧紧过程进行指导。为了实现上述任务，本实用新型提供的技术解决方案如下一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，该测试装置包括测试支架、驱动机构、减速机构、输出机构、工件支承定位结构、螺母固定结构和测量装置；在驱动机构与输出机构之间设置减速机构和扭矩传感器，扭矩传感器的外壳与减速箱支承板相连；应变轴一端与减速机的输出端通过联轴器相连接，另一端与输出机构中的螺栓拧紧轴通过联轴器相连，螺栓拧紧轴的另一端作为接口，并与不同规格的前套筒相连，不同规格的前套筒对不同规格的螺栓进行拧紧；通过工件定位块、工件定位板及后套筒位置的组合实现对不同排布方式、不同厚度、大小的连接件进行拧紧；并对不同情况下拧紧扭矩、夹紧力与结合面间压力分布方式进行测量；这些装置均置于测试支架之内。[0007]所述测试支架包括减速机支架板、工件定位板、后支承板、框形支架及支承立柱五部分，这五部分装配为一个整体，在试验中保持相互位置不变；其中框形支架的下表面安装在试验桌上。所述驱动机构为伺服电机，竖式放置。所述减速机构，一端与伺服电机直连，另一端连接在减速机支架板上，输出轴向上伸出。所述输出机构包括拧紧轴、轴承、前套筒；拧紧轴一端通过联轴器与扭矩传感器输出轴相连，另一端通过方形配合孔与前套筒相连，前套筒另一端开有六角形孔，与螺栓头相配合进行拧紧。所述测量装置包括扭距传感器、垫片式力传感器、压力薄膜传感器；扭矩传感器的输入端与减速机的输出端通过联轴器相连，输出轴与拧紧轴通过联轴器相连接，外壳与减速机支架板相固定；压力薄膜传感器置于两连接试件之间靠近螺栓孔部位；垫片式力传感器置于螺母与试件之间，下端与试件相贴合，上端与螺母相贴合。方形工件支承定位结构包括工件定位板及工件定位块；工件定位板固定在测试支架之上，工件定位块通过与工件定位板上的孔进行配合置于定位板之上，试件被置于定位块之上；法兰型工件支承定位结构包括法兰定位件及工件支承定位板，两者之间通过销孔进行配合，法兰型试件与法兰定位件同轴。螺母固定结构包括后套筒、导套、后支承板；后套筒的下部开有六角形的孔，与螺母进行配合，下表面与垫片式力传感器的上表面相贴合，上部为四方形，与导套相配合，能够根据板厚的不同上下滑动；导套固定在测试支架的后支承板上。本实用新型以伺服电机为驱动机构，在驱动机构与输出机构之间设置减速机构和扭矩传感器，扭矩传感器的外壳与减速机支架板相连，应变轴在两端伸出，一端与减速机的输出端通过联轴器相连接，另一端与输出机构中的螺栓拧紧轴通过联轴器相连，拧紧轴的另一端作为接口，与不同规格的前套筒相连。不同规格的前套筒对不同规格的螺栓进行拧紧。不同尺寸的板类连接件、法兰类连接件通过工件定位板不同位置的定位孔及导向槽与其它相应的定位件来进行定位。在螺母底部与被连接件之间装有垫片式力传感器，能够实时精确测量在拧紧过程中螺栓夹紧力的变化情况，在被连接件结合面处装有薄膜式压力传感器，能够实时精确测量被连接件结合面间的接触压力变化情况。同时，通过数据采集卡采集扭矩传感器、垫片式力传感器、薄膜式压力传感器输出信号，通过PC机及示波器，可以实时观测及控制各个被控量，可分别通过扭矩、预紧力、结合面间压力的反馈信息来控制电机的运转形式，得到电机不同拧紧方式下扭矩、预紧力、结合面间压力分布与拧紧方式之间的对应关系。与现有的技术相比，本实用新型的效益体现在1)本实用新型整体采用立式框架结构，使传动轴不受重力影响，有较优的同轴度及对心效果。2)本实用新型后套筒与导套之间采用导柱导套结构，能够根据被连接件不同的厚度进行快速位置调整。3)通过定位孔、导向槽与垫块的相互配合，对不同大小的方板、不同排布方式的螺栓进行拧紧。4)利用转盘原理提出一种简单易行的固定单拧紧头对法兰结构的不同排布螺栓按照预定方式进行拧紧。5)本实用新型将采集到结合面间压力分布的信息作为反馈信息参与到伺服电机拧紧控制过程中。6)使用垫片式力传感器直接实时测量螺栓拧紧过程中的夹紧力变化，避免了从扭矩转化为夹紧力之间的误差。
图1为本实用新型结构示意图图2为本实用新型结构局部放大示意图图3为扭矩传感器示意图图4为前套筒示意图图5为工件定位板示意图图6为压力薄膜传感器图7为法兰类零件的定位机构图8为法兰零件的俯视图其中1伺服电机、2减速机、3减速机支架板、4第一联轴器、5扭矩传感器、6第二联轴器、7拧紧轴、8框型支架、9工件定位板、10后套筒、11第一轴承、12轴承座、13第二轴承、14前套筒、15-1试件一、15-2试件二、15-3法兰一、15_4法兰二、16垫片式压力传感器、 17螺栓、18法兰定位件、19压力薄膜传感器、20扭矩传感器应变轴、21工件定位块、22限位孔、23导向限位槽、M螺母、25导套、沈后支承板、27支承立柱、A工件工作位置、B工件换位位置。
具体实施方式
按照本实用新型的技术方案，按以下具体步骤实施1、后套筒10与导套25的配合方式为导柱导套式，在进行工件定、换位时将后套筒10向上提起。2、如图1所示，本实例以伺服电机1为驱动机构，在伺服电机1与输出机构之间设置减速机2和扭矩传感器5。扭矩传感器5 (图幻采用动态扭矩传感器，扭矩传感器外壳固联在减速机支架板上，扭矩传感器应变轴20在两端伸出，分别通过第一联轴器4、第二联轴器6与减速机2及拧紧轴7相联。扭矩传感器将减速机构增大后的扭矩直接传递到输出机构，并使得拧紧机的输出扭矩为传感器承受的扭矩，因此扭矩为拧紧螺栓的扭矩，这种拧紧扭矩直接测量的方式，有效的避免了扭矩传递的误差。如图2所示，拧紧轴7由第一轴承11、第二轴承13支承，使拧紧轴不在轴向和径向晃动。拧紧轴7通过其正四方头与前套筒14相连，将拧紧扭矩最终传到前套筒14，由前套筒14对螺栓进行拧紧。3、将螺栓放入前套筒14中，工件定位块21根据试件大小与工件定位板9进行连接，再将试件一 15-1、试件二 15-2穿过螺栓17与工件定位块21相配合，通过21对被连接件进行定位、对心，试件15-1、15-2结合面部位加有压力薄膜传感器19(图6所示)。定位具体实施方式
如下当被连接件外形为矩形类零件，工件定位块21与工件定位板9通过限位孔22或导向限位槽23相连，将试件一 15-1、试件二 15-2穿过螺栓17与工件定位块21 相配合，对其进行定位及紧固。通过不同位置组合的限位孔，对80*80、100*100的方板进行定位；通过导向限位槽可以对宽80-250mm、长80_450mm的方板进行定位，从而将方板上不同位置的螺栓移动到拧紧位置；被连接件为法兰类零件，不同规格的法兰与不同规格的法兰定位件18相配合，法兰定位件与工件定位板9通过销钉连接，法兰15-3、15-4与法兰定位件18同轴，目前法兰工位为位置A，对螺孔D进行连接，后套筒10对螺母M进行卡紧，通过前套筒14对螺栓17进行拧紧。由伺服电机1控制拧紧速度、正拧反拧等拧紧方式，由扭矩传感器5可得拧紧力矩，由垫片式压力传感器16可得在一定拧紧力矩一定工况下螺栓所形成的预紧力，由压力薄膜传感器19可得相应的被连接件间所形成的压力分布。如图7、8 所示，当螺孔D连接完成后，需要将螺孔C放置到工作位置A，方法如下抬起后套筒10，抬起法兰15-3、15-4到换位位置B，依照图8所示方向旋转45°，将螺栓放入前套筒14，放下法兰15-3、15-4到工作位置A，使螺纹孔C与螺栓同轴，将垫片式力传感器16置于法兰与螺母对之间，放下后套筒10，由前套筒14进行拧紧。之后的螺栓依此方法进行拧紧。可对外径为φ80-φ500的法兰类零件进行拧紧。4、试件15-1/15-4的上端与螺母M之间加有垫片式力传感器16，放下后套筒10， 后套筒10下部开有正六边形的内孔，与螺帽进行配合，从而实现对螺帽的卡紧。5、通过pc机对伺服电机1进行控制，并同时采集扭矩传感器5、压力薄膜传感器 19、垫片式压力传感器16的反馈信号，按照需要对电机的运行方式进行控制。(可将结合面间压力分布范围、最大接触压力、某个接触区域的平均接触压力作为终拧的条件)6、一个螺栓拧紧完成后，按照以上步骤再进行下一个螺栓的预紧。7、螺栓拧紧完成后，根据采集的信息，进行数据整合与处理，得到扭矩、夹紧力、结合面压力分布与拧紧方式、螺栓排布方式、试件形状、材料之间的关系，为实际工程中的螺栓拧紧提供依据。以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式
仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求1.一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，其特征在于该测试装置包括测试支架、驱动机构、减速机构、输出机构、工件支承定位结构、螺母固定结构和测量装置；在驱动机构与输出机构之间设置减速机构和扭矩传感器，扭矩传感器的外壳与减速箱支承板相连；应变轴一端与减速机的输出端通过联轴器相连接，另一端与输出机构中的螺栓拧紧轴通过联轴器相连，螺栓拧紧轴的另一端作为接口，并与不同规格的前套筒相连， 不同规格的前套筒对不同规格的螺栓进行拧紧；通过工件定位块、工件定位板及后套筒位置的组合实现对不同排布方式、不同厚度、大小的连接件进行拧紧；并对不同情况下拧紧扭矩、夹紧力与结合面间压力分布方式进行测量；这些装置均置于测试支架之内。
2.如权利要求1所述一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，其特征在于所述测试支架包括减速机支架板、工件定位板、后支承板、框形支架及支承立柱五部分，这五部分装配为一个整体，在试验中保持相互位置不变；其中框形支架的下表面安装在试验桌上。
3.如权利要求1所述一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，其特征在于所述驱动机构为伺服电机，竖式放置。
4.如权利要求1所述一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，其特征在于所述减速机构，一端与伺服电机直连，另一端连接在减速机支架板上，输出轴向上伸出。
5.如权利要求1所述一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，其特征在于所述输出机构包括拧紧轴、轴承、前套筒；拧紧轴一端通过联轴器与扭矩传感器输出轴相连，另一端通过方形配合孔与前套筒相连，前套筒另一端开有六角形孔，与螺栓头相配合进行拧紧。
6.如权利要求1所述一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，其特征在于所述测量装置包括扭距传感器、垫片式力传感器、压力薄膜传感器；扭矩传感器的输入端与减速机的输出端通过联轴器相连，输出轴与拧紧轴通过联轴器相连接，外壳与减速机支架板相固定；压力薄膜传感器置于两连接试件之间靠近螺栓孔部位；垫片式力传感器置于螺母与试件之间，下端与试件相贴合，上端与螺母相贴合。
7.如权利要求1所述一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，其特征在于方形工件支承定位结构包括工件定位板及工件定位块；工件定位板固定在测试支架之上，工件定位块通过与工件定位板上的孔进行配合置于定位板之上，试件被置于定位块之上；法兰型工件支承定位结构包括法兰定位件及工件支承定位板，两者之间通过销孔进行配合，法兰型试件与法兰定位件同轴。
8.如权利要求1所述一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，其特征在于螺母固定结构包括后套筒、导套、后支承板；后套筒的下部开有六角形的孔，与螺母进行配合，下表面与垫片式力传感器的上表面相贴合，上部为四方形，与导套相配合，能够根据板厚的不同上下滑动；导套固定在测试支架的后支承板上。
专利摘要本实用新型公开了一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，该测试装置通过工件定位块与工件定位板之间不同位置的配合，可对不同形状及螺栓排布方式的连接件进行拧紧。在螺母与试件之间夹有垫片式压力传感器，在两试件之间夹有压力薄膜传感器，可以测得不同拧紧方式、不同试件、不同螺栓分布条件下拧紧力矩、夹紧力与结合面间压力分布的关系。本实用新型整体采用立式框架结构，使传动轴不受重力影响，有较优的同轴度及对心效果，通过不同的工位块能够对不同试件进行定位对心，能够根据被连接件不同的厚度进行快速位置调整。
文档编号G01L5/00GK201983892SQ201020641048
公开日2011年9月21日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者张进华, 李小虎, 杨国庆, 洪军, 王宁, 王崴 申请人:西安交通大学