本发明涉及一种拧螺帽装置的张力控制方法。

以前，用作紧固螺丝的控制方法有多种多样，如扭矩法，角度法，及屈服点法。稳定地控制紧固件的轴向力或张力对紧固螺丝本质上很重要。换句话说，螺栓以固定的紧固力即固定的螺栓张力将被紧固件拧紧是必要的。然而在螺丝紧固时因为在螺栓头部承载表面及被紧固的部件之间及在紧固件的紧固扭矩及轴向力之间存在有摩擦力，故很难稳定地建立轴向力及紧固扭矩之间所需的关系。换句话说即使螺丝的紧固在固定的紧固扭矩下停下来，也不能得到固定的螺栓张力。在螺栓杆上装上探测螺栓的延伸率的量器就可精确地测出轴向力。此法用于试验是足够的，但用于大量生产时则由于成本高，几乎是不可能的。近年来，人们曾提出一种方法即在与螺栓头部紧密接触处装上高频声波发生器，将声波发射到带螺纹部分的头部，测量反射波的频率并计算在紧固后由于螺栓伸长而产生的轴向力。人们提出的另一种方法是在紧固时用磁的方法测出螺栓头的变形，并从测出的变形来计算轴向力。这些方法中的每一种方法都是将螺栓本身的位移转换为轴向力，要求对螺栓的变形探测部分进行精密加工或者为了探测螺栓的变形，要求拧螺帽装置中加装复杂的传感器，因而迄今未能实际使用。

本发明的目的是提供一种拧螺帽装置的张力控制方法，不采用这一复杂的传感器就能很容易地测出轴向力并保证用预定的轴向力将螺丝紧固。

本发明的拧螺帽装置的张力控制方法的完成是利用：装有电动机的拧螺帽装置，与电动机相连的传动装置，与电动机相连的角编码器， 与传动装置耦合并用来测出传动装置的输出扭矩的扭矩传感器及通过驱动轴与扭矩传感器相连的螺栓套筒，及与拧螺帽装置相连工作的控制器，用来对现有数据及有关与螺栓套筒相耦合的控制螺丝的扭矩及旋转角的输入数据进行算术处理并用来控制拧螺帽装置中电动机的启动，停止及反转。据根本发明，贮存扭矩传感器在固定的第一旋转角θ的中间位置上的紧固扭矩Tf，该位置包括在从被控制螺丝就位在被拧紧的物体上的位置到螺丝的最终紧固位置的中间范围内。将拧螺帽装置的电动机停在比第一旋转角大一个固定值α的第二旋转角（θ+α）的位置上。在第二旋转角（θ+α）上使拧螺帽装置的电动机反转。贮存在第一旋转角θ位置上的电动机反转扭矩Tr。利用在第一旋转角θ位置上的紧固扭矩Tf及回转扭矩Tr之差计算紧固扭矩Tr与加到螺丝上的轴向力之比值。用上述比值乘以预先输入的所需的轴向力的目标值Fs可得到紧固力矩Ts，电动机停在紧固扭矩为Ts处使螺丝紧固处在有稳定的所需轴向力。

以下参照附图对本发明作详细描述，其中：

图1A及1B为一透视图及一说明加到有螺纹的部位上的力的矢量图;

图2为图示螺丝的紧固状态的纵向剖面图;

图3为特性曲线图，用来图示包括紧固扭矩Tf及反转扭矩Tr在内的扭矩曲线;

图4为旋转角对扭矩的特性曲线图，用来说明本发明的原理;

图5为说明本发明一实施例的方块图;及

图6为说明图5所示的实施例的工作情况的流程图。

在带螺纹部位的力的相互关系如图1A及1B所示。为了清晰，图1A所示为方螺纹，但发明的原理同样可适用于普通的三角形螺纹。 在图1A及1B中参考字母F表示螺杆张力，u1为切向力，β为螺丝的导角，R1为螺纹的有效直径及μ1为摩擦系数。

在图1A及1B中力的平衡可从下列公式中获得：

u1cosβ-Fsinβ＝μ1（u1sinβ+Fcosβ）

故 $U_1\mathrm{=\; F}\frac{{\mu }_1\mathrm{cos\; \beta \; +sin\; \beta }}{{\mathrm{cos\; \beta \; -\; \mu }}_1\mathrm{sin\; \beta }}\mathrm{=\; F}\frac{{\mu }_1\mathrm{+\; tan\; \beta }}{{\mathrm{1-\mu }}_1\mathrm{tan\; \beta }}\mathrm{\dots \dots (1)}$

在螺丝紧固时，因为摩擦系数μ1一般在0.2到0.05范围内及tanβ的值一般在0.06到0.03范围内，在（1）式的分母中μ1tanβ值极小。省去μ1tanβ，就可得到公式（2）：

u1＝F（μ1-tanβ） ……（2）

上式是在紧固时得到的，在反转时则得到下式（3）：

u2＝F（μ1+tanβ） ……（3）

切向力（u1，u2……）及扭矩（T1，T2……）有着以下关系：

u1·R1＝T1故u1＝T1/R1……（4）

u2·R1＝T2故u2＝T2/R1……（5）

将式（4）及（5）代入式（2）及（3）则得：

T1＝F·R1（μ1+tanβ） ……（6）

T2＝F·R1（μ1-tanβ） ……（7）

与图2所示的螺栓的紧固状态相联系，螺丝的摩擦阻力是在螺栓头的承载表面及被紧固的部件之间及螺丝与后者之间实现的。

设螺栓头的摩擦阻力扭矩，螺纹的有效直径，螺杆张力及摩擦系数分别为T3，R2，F及μ2，他们之间有下列关系：

T3＝F·R2·μ2……（8）

此摩擦扭矩在紧固时及在反转时都保持不变。在紧固时的总力矩Tf用条件Tf＝T1+T3表示，因而

Tf＝F·R1（μ1+tanβ）+F·R2·μ2……（9）

总扭矩Tr则由条件Tr＝T2+T3表示，因而

Tr＝F·R1（μ1-tanβ）+F·R2·μ2……（10）

图3表示紧固扭矩及反转扭矩相对于螺栓旋转角的轨迹。设在相隔角距离θ的位置上的紧固扭矩及反转扭矩为Tf及Tr。因为它们在同一角度上，故在紧固及反转时的轴向力都一样。紧固扭矩Tf与反转扭矩Tr在角度θ处之差dT如下：

dT＝Tf-Tr＝F·R1（μ1+tanβ）+F·R2·μ2

-F·R1（μ1-tanβ）-F·R2·μ2

故dT＝2F·R1·tanβ ……（11）

设螺纹的螺距为P，则

tanβ＝P/2πR1……（12）

将（12）式代入（11）式则得

dT＝F·P/π    故F＝dT·π/P    ……（13）

因而摩擦系数在式（13）中被消去，轴向力F可表示为紧固扭矩Tf及反转扭矩Tr之差与螺纹的螺距P的函数。设所需要的轴向力及其等效扭矩分别为Fs及Ts，从条件Tf/F＝Ts/Fs，可得Ts＝Fs·Tf/F……（14）因而，一旦将所需轴向力定为适当值，则可很容易得到等效扭矩，且用等效扭矩紧固螺丝对应于用所需轴向力紧固。

以下对本发明的实施例加以描述。图5为说明包括拧螺帽装置〔10〕及控制器〔20〕的本发明系统的硬件安排的方块图。拧螺帽装置〔10〕包括探测角度的角编码器〔11〕，驱动电动机〔12〕，传动装置〔13〕，探测扭矩的扭矩传感器〔14〕，驱动轴〔15〕 及螺栓套筒〔16〕。控制器〔20〕包括数据显示阴极射线管〔21〕，执行程序及计算控制的中央处理机CPU〔22〕，向中央处理机〔22〕输入数据的键盘〔23〕，输入接口〔24〕，输出接口〔25〕及驱动电动机〔12〕的伺服放大器〔26〕。虽然在图5中中央处理机是由软件来进行程序及计算控制，但也可能用硬逻辑电路来代替中央处理机（CPU）。

图4表示相对于螺栓旋转角的扭矩特性曲线，及图6表示程序流程图。将随着图6所示的工作流程对紧固扭矩加以描述。在图6中，参考字母T表示扭矩的绝对值及A°表示角度的实际值。在步骤＃1中电动机〔12〕启动，开始紧固操作。在步骤＃2中对扭矩传感器〔14〕的输出进行检验，以便确定扭矩T是否到达图4中特性曲线上所示的值T0，如果是，则在步骤＃3中开始对角编码器〔11〕的角脉冲计数，且在步骤＃4中检验螺栓的旋转角是否等于预定的第一旋转角θ，如果是，则在步骤＃5中将扭矩传感器〔14〕在该角度位置上的紧固扭矩Tf贮存。然后在步骤＃6中检验是否螺栓的旋转角等于预定的第二旋转角θ+α，及如果是，则在步骤＃7中使电动机〔12〕停止转动。θ及α值可适当地选定在图4所示的特性曲线中从有线性斜率的上升点到最后扭矩Ts的范围内。数值T0及紧固扭矩Tf则定在图4所示的有线性斜率的开始区及中间区。在步骤＃8中电动机〔12〕的旋转方向相反及在步骤＃9中在测出一定的反转扭矩前将相减的旋转脉冲抑止，以便校正螺栓套筒〔16〕及螺栓头之间的空回及传动装置〔13〕的空回。在步骤＃10中决定是否旋转角已减小到θ，及如果是，则在步骤＃11中贮存反转扭矩Tr（绝对值），且在步骤＃12中使电动机停转。在步骤＃13中从输入的螺纹螺距值P及在操作开始前用键盘重新装定的所需轴向 力Fs计算出上述差值dT＝Tf-Tr，F＝dT· (π)/(P) 及TS＋FS(Tf)/(F) 。在步骤＃14中电动机再次启动以便重新紧固及在步骤＃15中检验确定是否扭矩等于Ts。如果是，则在步骤＃16中使电动机停转。以上为张力控制的操作程序。

步骤范围Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分别对应于图4所示的操作范围Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ。从这些范围就可以明白，本发明的螺丝紧固在螺丝就位后是以三个操作范围实现的。

本发明应用普通的可探测扭矩及角度的拧螺帽装置作硬件，如图5所示，所用的控制器是简单的控制器。本发明是划时代的发明，通过利用动力学规则很容易进行张力控制。