主錐螺母擰緊及預(yù)緊力矩測(cè)量機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、主錐螺母擰緊及預(yù)緊力矩測(cè)量機(jī) 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著中國(guó)汽車工業(yè)的不斷進(jìn)步，曾經(jīng)被廣泛忽視的整車、發(fā)動(dòng)機(jī)及關(guān)鍵零部件總成螺母裝配的測(cè)試與研究、裝配過(guò)程中預(yù)緊力矩的測(cè)量已愈來(lái)愈受重視。該技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)對(duì)于整車性能及安全性的保障具有非常重要的意義。緒論中簡(jiǎn)要介紹螺紋連接的廣泛性、擰緊方法和擰緊工具使用的現(xiàn)狀、自動(dòng)控制的電動(dòng)擰緊機(jī)。正文中首先闡述了螺紋擰緊過(guò)程中預(yù)緊力與擰緊力矩、螺母轉(zhuǎn)角、螺栓伸長(zhǎng)等參數(shù)的關(guān)系，在理論方面進(jìn)行了研究和探討。然后簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)階段廣泛使用的擰緊的控制方法的原理及其特點(diǎn)，并介紹了擰緊的監(jiān)控方法和檢測(cè)方法。第三，本文對(duì)電動(dòng)擰緊機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)組成及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

2、最后，通過(guò)綜合設(shè)計(jì)考慮控制方案，選擇工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為控制的核心部分，設(shè)計(jì)出以工控機(jī)為控制核心的主錐螺母擰緊及預(yù)緊力矩測(cè)量機(jī)電氣控制系統(tǒng)，并講述了交流伺服電機(jī)作為動(dòng)力源在電動(dòng)擰緊機(jī)中的重要應(yīng)用及控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞擰緊、預(yù)緊力矩測(cè)量、電氣控制系統(tǒng)The main cone nut tightening & tightening torque measuring electrical control system designAbstractKeywords不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 螺紋擰緊方法研究和擰

3、緊工具使用的現(xiàn)狀11.3 自動(dòng)控制的電動(dòng)擰緊機(jī)簡(jiǎn)介21.4 本文研究的主要內(nèi)容及意義3第2章 螺紋連接的預(yù)緊理論42.1 螺紋預(yù)緊的重要性42.1.1 預(yù)緊力不適當(dāng)帶來(lái)的后果42.1.2 預(yù)緊力的離散性42.1.3 允許的最大預(yù)緊力52.1.4 預(yù)緊力值的選擇62.2 預(yù)緊力和擰緊力矩的關(guān)系72.3 預(yù)緊力與螺母轉(zhuǎn)角的關(guān)系82.4 預(yù)緊力與螺栓伸長(zhǎng)的關(guān)系92.4.1 線性關(guān)系92.4.2 影響因子102.5 本章小結(jié)10第3章 螺紋擰緊技術(shù)113.1 螺紋擰緊控制方法113.1.1 扭矩法113.1.2 扭矩/轉(zhuǎn)角法123.1.3 屈服點(diǎn)法143.1.4 螺栓伸長(zhǎng)法153.1.5 控制方法總結(jié)

4、163.2 擰緊過(guò)程的監(jiān)控方法163.2.1 扭矩控制-角度監(jiān)測(cè)法163.2.2 轉(zhuǎn)角控制-扭矩監(jiān)測(cè)法173.2.3 控制方法與監(jiān)測(cè)方法的關(guān)系173.3 轉(zhuǎn)配扭矩的檢測(cè)173.3.1 事后法173.3.2 過(guò)程法183.4 螺紋擰緊方法選用183.5 本章小結(jié)18第4章 電動(dòng)擰緊機(jī)的結(jié)構(gòu)194.1 電動(dòng)擰緊的原理與結(jié)構(gòu)194.1.1 電動(dòng)擰緊機(jī)的原理194.1.2 電動(dòng)擰緊機(jī)的總體結(jié)構(gòu)194.2 電動(dòng)擰緊機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)204.2.1 擰緊箱214.2.2 動(dòng)力源214.2.3 減速機(jī)構(gòu)224.2.4 扭矩傳感器224.2.5 擰緊裝置224.3 本章小結(jié)23第5章 雙軸擰緊及預(yù)緊力矩測(cè)量機(jī)控制系

5、統(tǒng)設(shè)計(jì)245.1 擰緊及預(yù)緊力矩測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)245.1.1 控制系統(tǒng)原理245.1.2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案255.2 工控機(jī)作為擰緊機(jī)控制核心的實(shí)現(xiàn)265.2.1 工控機(jī)作為擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的框圖265.2.2 工控機(jī)作為擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成275.2.3 工控機(jī)作為擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)285.3 本章小結(jié)36結(jié)論37致謝38參考文獻(xiàn)39附錄A40附錄B49第1章 緒論1.1 課題背景為了便于機(jī)器的制造、安裝、運(yùn)輸、維修以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等，人們廣泛地使用各種聯(lián)接。但在所有聯(lián)接中，應(yīng)用最廣泛的是螺紋聯(lián)接。螺紋聯(lián)接可以獲得很大的聯(lián)接力，又便于裝拆，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，成本低而價(jià)格

6、便宜，具有互換性，因此，在機(jī)械和結(jié)構(gòu)中廣泛采用螺紋聯(lián)接。螺紋緊固件已成為必不可少的機(jī)械零件。在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，螺紋聯(lián)接也是十分廣泛的。有資料介紹，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)的不同，每輛發(fā)動(dòng)機(jī)上的螺紋緊固件通常在1000-2000件左右，品種通常在100種以上，規(guī)格從M4-M32不等，而其中大約100個(gè)是與車輛的安全性能有密切聯(lián)系的1。雖然螺栓是一種極普通的機(jī)械零件，但是在重要設(shè)備中，一旦螺栓聯(lián)接出現(xiàn)損壞，將造成嚴(yán)重后果。據(jù)有關(guān)資料表明，我國(guó)中重型柴油機(jī)的故障率15%是與螺紋聯(lián)接失效有關(guān)，而汽車整車質(zhì)量有1/3的問(wèn)題與螺紋擰緊質(zhì)量有關(guān)。因此，現(xiàn)在許多發(fā)動(dòng)機(jī)廠在車輛保用服務(wù)中，要求社會(huì)服

7、務(wù)站對(duì)重要螺栓復(fù)檢扭矩1。在過(guò)去的幾十年中，螺栓聯(lián)接以及擰緊工藝的研究隨著航空與汽車工業(yè)的發(fā)展而越來(lái)越被人們重視。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，螺釘、螺栓本身的價(jià)值很低，但他們所聯(lián)接的產(chǎn)品卻很昂貴，螺釘和螺栓失效時(shí)，損壞的不只是它們本身，而是整個(gè)產(chǎn)品。由于聯(lián)接質(zhì)量不好所帶來(lái)的災(zāi)難性后果使得人們對(duì)螺紋聯(lián)接的研究和高精度擰緊工具的使用越來(lái)越重視。1.2 螺紋擰緊方法研究和擰緊工具使用的現(xiàn)狀人們長(zhǎng)期以來(lái)十分重視螺紋聯(lián)接的設(shè)計(jì)，但對(duì)螺紋聯(lián)接過(guò)程，即螺紋擰緊工藝及設(shè)備卻不太重視。因此，對(duì)于經(jīng)常發(fā)生螺紋實(shí)際擰緊力并未到達(dá)設(shè)計(jì)要求，或螺紋聯(lián)接設(shè)計(jì)不合理的現(xiàn)象，由于螺紋擰緊工藝研究的缺乏，不能將其解決。在這種情況下，螺紋聯(lián)

8、接設(shè)計(jì)的有效性被打了折扣，螺紋的裝配質(zhì)量無(wú)法穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們不得不開(kāi)始重視螺紋擰緊工藝的研究。國(guó)外在擰緊方法的研究方面，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并不斷制定和修改螺紋擰緊方面的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)早在40年代末就開(kāi)始著眼于螺栓伸長(zhǎng)和軸力的關(guān)系，并進(jìn)行了扭矩/轉(zhuǎn)角法的研究，并于1960年制定了規(guī)范，以后在1962年修訂規(guī)范時(shí)，強(qiáng)調(diào)以扭矩/轉(zhuǎn)角法作為主要擰緊方法。1964年、1974年又不斷地進(jìn)行了修訂，使規(guī)范日臻完善。扭矩/轉(zhuǎn)角法在當(dāng)時(shí)已是美國(guó)主要擰緊方法。英國(guó)、日本、西德等也都相繼采用，并都制定了各自的扭矩/轉(zhuǎn)角法標(biāo)準(zhǔn)。之后，各國(guó)又在進(jìn)行屈服點(diǎn)法的研究。現(xiàn)在，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上都積極地采用著這種方法。國(guó)

9、外發(fā)動(dòng)機(jī)凡是承受交變載荷以及受振動(dòng)和溫度影響的螺栓，如連桿螺栓、曲軸螺栓、主軸承螺栓、缸蓋螺栓，均已淘汰扭矩法，而改用扭矩/轉(zhuǎn)角法或用不受扭矩系數(shù)影響的屈服點(diǎn)法控制擰緊過(guò)程2。國(guó)內(nèi)對(duì)擰緊技術(shù)的研究，是隨著和國(guó)外公司的合作而開(kāi)始重視的。現(xiàn)在也在對(duì)國(guó)外擰緊技術(shù)進(jìn)行引進(jìn)、消化和吸收，并制定了一些標(biāo)準(zhǔn)，如等效日本1990年標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)標(biāo)GB/T16823.1-1997螺紋緊固件應(yīng)力截面積和承載面積、GB/T16823.2-1997螺紋緊固件緊固通則和GB/T16823.3-1997螺紋緊固件擰緊試驗(yàn)方法3等。在一些關(guān)鍵位置，如發(fā)動(dòng)機(jī)上一些螺栓裝配，也采用了先進(jìn)的擰緊方法。先進(jìn)的擰緊方法需要自動(dòng)控制的擰緊工

10、具。這種擰緊工具首先是在國(guó)外產(chǎn)生，并被廣泛應(yīng)用于各汽車制造企業(yè)中。較著名的國(guó)外擰緊機(jī)生產(chǎn)商有ATLASC-OPCO公司(瑞典)、BOSCH公司(德國(guó))、COOPER(美國(guó))、INGERSOLL-RAND公司(美國(guó))、OBER公司（意大利）等1。 隨著對(duì)國(guó)外先進(jìn)擰緊技術(shù)和擰緊工具技術(shù)的消化，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也有一些科研院所和企業(yè)自行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的擰緊機(jī)，如中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、東風(fēng)公司設(shè)備制造廠、山東春龍氣動(dòng)機(jī)械廠和大連德新機(jī)電公司等等。1.3 自動(dòng)控制的電動(dòng)擰緊機(jī)簡(jiǎn)介自動(dòng)控制的電動(dòng)擰緊機(jī)是電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要是由兩大部分組成的，一部分是完成擰緊動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即擰緊

11、軸單元，它可以是多軸的，也可以是單軸的。另一部分是控制和監(jiān)視擰緊過(guò)程的控制系統(tǒng)。這種擰緊工具既可以對(duì)擰緊過(guò)程施行自動(dòng)控制，又可對(duì)于擰緊結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并具有精度高、噪音低、勞動(dòng)強(qiáng)度低、勞動(dòng)生產(chǎn)率高等許多優(yōu)點(diǎn)。目前歐美、日本等國(guó)的汽車業(yè)普遍采用這種擰緊設(shè)備，在國(guó)內(nèi)近年來(lái)也越來(lái)越受到眾多汽車業(yè)廠家的青睞。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中電機(jī)是關(guān)鍵部件。新的擰緊方法對(duì)電機(jī)的精度、響應(yīng)等性能要求很高。在國(guó)外擰緊機(jī)行業(yè)中通常采用的電機(jī)有兩種:交流伺服電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)是擰緊機(jī)的核心。按控制系統(tǒng)的核心部件的不同，分為基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）的自動(dòng)控制擰緊機(jī)、基于可編程控器（PLC）的自動(dòng)控制擰緊機(jī)和基于以單片機(jī)

12、為核心開(kāi)發(fā)的專用控制器的自動(dòng)控制擰緊機(jī)。三種控制器方案各有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適用于不同的工作場(chǎng)合。螺母擰緊機(jī)是一種在裝配作業(yè)中經(jīng)常使用的設(shè)備，它可將螺母以某一設(shè)定扭矩旋緊于螺桿上，起到固定作用。多見(jiàn)汽車裝配生產(chǎn)在線，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)端蓋的固定、主減總成裝配線主錐蓋螺母的固定，汽車輪胎的固定等。由于其可靠性高，重復(fù)性好，能保證擰緊工藝的要求，且能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，因而在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。1.4 本文研究的主要內(nèi)容及意義本文研究的主要內(nèi)容有以下四部分：(1)螺紋擰緊的理論基礎(chǔ)本文首先論述了螺紋的預(yù)緊理論：影響預(yù)緊的因子，預(yù)緊力與擰緊力矩、螺母轉(zhuǎn)角以及螺栓伸長(zhǎng)等參數(shù)的關(guān)系。深入研究這些影響因子和關(guān)

13、系有利于提高螺紋擰緊的可靠性。預(yù)緊理論是螺紋擰緊技術(shù)的基礎(chǔ)，螺紋擰緊技術(shù)是運(yùn)用這些理論進(jìn)行分析研究并結(jié)合擰緊試驗(yàn)而發(fā)展起來(lái)的。(2)主要的螺紋擰緊技術(shù)對(duì)現(xiàn)在主要使用的螺紋擰緊方法進(jìn)行研究是本文的重點(diǎn)之一。螺紋擰緊技術(shù)是擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，擰緊機(jī)的先進(jìn)性就體現(xiàn)在其實(shí)現(xiàn)的擰緊方法的先進(jìn)性。從某種角度上來(lái)說(shuō)，擰緊方法的研究比擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為重要。因此，在進(jìn)行擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前，對(duì)螺紋擰緊技術(shù)進(jìn)行了解是十分重要和必要的。本文在這一部分運(yùn)用螺紋預(yù)緊的相關(guān)理論，對(duì)現(xiàn)在常用的擰緊方法的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的研究，并對(duì)螺紋擰緊過(guò)程中的監(jiān)控方法和裝配扭矩的檢查方法進(jìn)行了介紹。通過(guò)論述

14、，使我們能對(duì)現(xiàn)在主要使用的螺紋擰緊技術(shù)有清楚的認(rèn)識(shí)。(3)電動(dòng)擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介該部分內(nèi)容簡(jiǎn)單介紹了電動(dòng)擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)，著重地研究了電機(jī)在擰緊機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提出了使用交流伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，并分析了交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。(4)螺母擰緊機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)螺母擰緊機(jī)的控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)某種擰緊方法是此次課題研究的目的，也是本文的另一重點(diǎn)?，F(xiàn)在的螺紋擰緊方法對(duì)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，因此控制系統(tǒng)已成為擰緊機(jī)的核心之一。在這一部分，本文在分析比較國(guó)內(nèi)擰緊機(jī)控制系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，提出自己的控制系統(tǒng)方案基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的主錐螺母擰緊機(jī)控制及預(yù)緊力測(cè)量系統(tǒng)。 本文站在擰緊工具設(shè)計(jì)制造的角度，以設(shè)計(jì)擰緊機(jī)控制系統(tǒng)為目

15、的，將螺紋擰緊相關(guān)的理論、技術(shù)提出來(lái)，使我們對(duì)螺紋擰緊從從理論再到技術(shù)，從技術(shù)再到設(shè)備，有一個(gè)全面和清晰地認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)制造出超過(guò)國(guó)外水平的擰緊設(shè)備提供一些參考。第2章 螺紋連接的預(yù)緊理論2.1 螺紋預(yù)緊的重要性螺紋聯(lián)接的預(yù)緊力將對(duì)螺栓的總載荷、聯(lián)接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產(chǎn)生影響。過(guò)大或過(guò)小的預(yù)緊力均是有害的，所以預(yù)緊力的大小、準(zhǔn)確度都十分重要，從而使預(yù)緊力的控制成為螺紋聯(lián)接的重要問(wèn)題之一。2.1.1 預(yù)緊力不適當(dāng)帶來(lái)的后果(1)螺紋聯(lián)接零件的靜力損壞：若螺紋緊固件擰得過(guò)緊，即預(yù)緊力過(guò)大，則螺栓可能被擰斷，被聯(lián)接件可能被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能螺紋牙被剪斷而脫扣。

16、(2)被聯(lián)接件滑移、分離或緊固件松脫：對(duì)于承受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接，預(yù)緊力使被聯(lián)接件間產(chǎn)生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷。因此，預(yù)緊力的大小決定了它的承載能力。若預(yù)緊力不足，被聯(lián)接件將出現(xiàn)滑移，從而導(dǎo)致被聯(lián)接件錯(cuò)位、歪斜、折皺甚至緊固件被剪斷。對(duì)于受軸向載荷的螺栓聯(lián)接，預(yù)緊力使接合面上產(chǎn)生壓緊力，受外載荷作用后的剩余預(yù)緊力是接合面上工作時(shí)的壓緊力。預(yù)緊力不足將會(huì)導(dǎo)致接合面泄漏，如壓力管道漏水、發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣，甚至導(dǎo)致兩被聯(lián)接件分離。預(yù)緊力不足還將引起強(qiáng)烈的橫向振動(dòng)，致使螺母松脫。(3)螺栓疲勞破壞：大多數(shù)螺栓因疲勞而失效。減小預(yù)緊力雖能使螺栓上循環(huán)變化的總載荷的平均值減小，但卻使載荷變幅增大。因此

17、，總的效果大多數(shù)是使螺栓疲勞壽命下降。(4)增大設(shè)備質(zhì)量與成本：若預(yù)緊力過(guò)小，需使用較多和(或)較大的緊固件，往往也需采用較大的被聯(lián)接件，因而增大了產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，許多產(chǎn)品的成本是與需要裝配的零件數(shù)目成正比的，所以預(yù)緊力過(guò)小將導(dǎo)致裝配成本、制造成本以及維修費(fèi)用的增加3。2.1.2 預(yù)緊力的離散性螺紋緊固件是極普通的零件，但它的形狀復(fù)雜，而且螺旋副的接觸和潤(rùn)滑狀態(tài)更是難以預(yù)測(cè)與控制。由于其幾何參數(shù)、表面質(zhì)量、潤(rùn)滑狀態(tài)等的可變性，導(dǎo)致了預(yù)緊力的離散性。即使在同一天，由同一操作者，用同一工具，以同樣的擰緊力矩去擰同樣材料、經(jīng)同樣處理、同一批生產(chǎn)的緊固件，每個(gè)緊固件的預(yù)緊力卻是不一樣的。稱這一現(xiàn)象為螺

18、栓預(yù)緊力的離散性。見(jiàn)圖2-1是實(shí)測(cè)的一批螺栓的預(yù)緊力分布直方圖。圖2-1 螺紋預(yù)緊力分布直方圖(1)預(yù)緊力的離散度：一批螺紋緊固件預(yù)緊力的分布范圍和分布狀態(tài)，與擰緊工具、螺紋牙表面狀態(tài)、潤(rùn)滑方法等有關(guān)。最大預(yù)緊力與最小預(yù)緊力相差多者，謂之離散性大。采用離散度來(lái)表征預(yù)緊力離散性的大小。 (2)影響離散度的因素A工具的準(zhǔn)確性。這是顯而易見(jiàn)的，例如測(cè)力矩扳手的準(zhǔn)確性必將反映到擰緊力矩上而影響預(yù)緊力。B控制的準(zhǔn)確性。選用的控制參數(shù)的準(zhǔn)確性當(dāng)然會(huì)影響預(yù)緊力的準(zhǔn)確性，例如擰緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系本身就包含有不確定性，用控制擰緊力矩的方法控制預(yù)緊力，也就會(huì)出現(xiàn)不確定性。C操作者的準(zhǔn)確性。即使有了最好的工具，一

19、般操作者也不會(huì)獲得完全一致的結(jié)果，總會(huì)有某些偏差，必須想辦法減少操作者的錯(cuò)誤。D應(yīng)力松弛。即使準(zhǔn)確地預(yù)緊了螺栓聯(lián)接，也不可能長(zhǎng)時(shí)間保持這樣的預(yù)緊。大多數(shù)螺栓聯(lián)接，特別是新的和裝有墊片的聯(lián)接，由于種種原因會(huì)出現(xiàn)松弛，而且松弛量也是個(gè)不確定的因素。松弛首先對(duì)剛剛夠預(yù)緊標(biāo)準(zhǔn)的螺栓聯(lián)接造成損害，使聯(lián)接預(yù)緊力不足。E零件質(zhì)量。只有零件尺寸正確、硬度合適、狀態(tài)良好方能獲得正確的擰緊。例如，螺栓若硬度不夠，在給定力矩下不可能獲得足夠的預(yù)緊力。上述因素不可能全部都控制在最佳狀態(tài)。但是，對(duì)這些問(wèn)題了解得愈多，設(shè)計(jì)成功的可能性愈大。2.1.3 允許的最大預(yù)緊力預(yù)緊時(shí)，過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)使螺紋緊固件發(fā)生靜力破壞，或者螺

20、紋牙被剪斷(脫扣)，或者螺栓斷裂。預(yù)緊力在螺栓上產(chǎn)生的應(yīng)力稱為預(yù)緊應(yīng)力，用表示。由于擰緊扭矩的作用，螺紋部分又有切應(yīng)力。其等效應(yīng)力： (2-1)當(dāng)有外加拉伸載荷作用時(shí)，螺栓上拉應(yīng)力增大，其等效應(yīng)力為： (2-2)通常，允許螺栓上工作載荷引起的拉應(yīng)力的增量為0.1。由材料力學(xué)可知，。令=，將以上關(guān)系式代入，得強(qiáng)度條件為： (2-3)式(2-3)解出即不出現(xiàn)屈服允許的最大預(yù)緊應(yīng)力：換句話說(shuō)，不出現(xiàn)屈服的最大預(yù)緊應(yīng)力最好為屈服點(diǎn)的70。若考慮安全裕度，可取,許用靜應(yīng)力=/S，S為安全系數(shù)。于是有： (2-4)式(2-4)中，為計(jì)算直徑。由于預(yù)緊力值有離散性,為使實(shí)際最大預(yù)緊力不超過(guò)2-3式，考慮離散

21、度后，公稱最大預(yù)緊力應(yīng)為： (2-5)2.1.4 預(yù)緊力值的選擇表2-15給出了各種螺栓聯(lián)接推薦的預(yù)緊力值選擇準(zhǔn)則。表2-1 螺栓聯(lián)接預(yù)緊力值的選擇準(zhǔn)則螺栓聯(lián)接類型與應(yīng)用場(chǎng)合等效應(yīng)力/屈服點(diǎn)受剪的鉸制螺栓聯(lián)接拉伸載荷極小的螺栓聯(lián)接，如地腳螺栓有因較大應(yīng)力腐蝕而斷裂之危險(xiǎn)的螺栓聯(lián)接0.10.2有墊片的密封螺栓聯(lián)接0.350.4沒(méi)有墊片的密封螺栓聯(lián)接，這種連接承受拉伸載荷并且必須滿足安全規(guī)范的要求壓力容器螺栓聯(lián)接預(yù)緊力的上限0.500.60為了避免振動(dòng)松脫或疲勞等壓緊力過(guò)小的場(chǎng)合主要根據(jù)裝配中所用預(yù)緊力控制方式和螺栓是否允許拉力超過(guò)屈服點(diǎn)選擇預(yù)緊力采用力矩扳手?jǐn)Q緊時(shí)的預(yù)緊力上限0.7續(xù)表螺栓強(qiáng)度或

22、拉力在裝配時(shí)可以測(cè)量出的場(chǎng)合0.850.45鋼結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接，該聯(lián)接依靠摩擦力抵抗橫向外載荷外載荷必須預(yù)先準(zhǔn)確知道并且螺栓允許拉力超過(guò)屈服點(diǎn)，螺栓經(jīng)加工硬化仍有足夠韌性的場(chǎng)合1.002.2 預(yù)緊力和擰緊力矩的關(guān)系圖2-2 螺栓上的力矩?cái)Q緊螺母時(shí)，要克服螺旋副間的螺紋力矩，螺母支承面上的摩擦力矩，故擰緊力矩。螺栓的螺紋端面承受螺紋力矩，螺栓頭一端，支承面上作用有摩擦力矩(圖2-2)。若>,則螺栓上力矩平衡,擰螺母時(shí)螺栓不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，否則，在螺紋力矩下的作用下，螺栓將隨螺母一起轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法擰緊。這時(shí)，必須在螺栓頭上施加夾持力矩，以防止螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)。由理論力學(xué)得到預(yù)緊時(shí)的螺紋力矩和預(yù)緊力的關(guān)系為： (2-

23、6)六角螺母支承面是一外徑為()、內(nèi)徑為的圓環(huán)面，對(duì)于非磨合圓環(huán)面，摩擦力矩為： (2-7)可得： (2-8)式(2-8)中為圓環(huán)面的當(dāng)量摩擦半徑； 當(dāng)量摩擦角d2 中徑 升角 軸向截面牙型斜角 螺旋副的摩擦系數(shù) 支承面的摩擦系數(shù)代入常用標(biāo)準(zhǔn)緊固件的尺寸和摩擦系數(shù)值，可以得出：表征螺旋副斜面作用的第一部分力矩值，即用于拉伸螺栓的力矩值，粗牙螺紋約占15%，細(xì)牙螺紋約占10%；表征螺旋副中摩擦作用的第二部分力矩值，粗牙螺紋約占39%，細(xì)牙螺紋約占42%；表征圓環(huán)形支承面上摩擦作用的第三部分力矩值，粗牙螺紋約占46%，細(xì)牙螺紋約占48%。2.3 預(yù)緊力與螺母轉(zhuǎn)角的關(guān)系在最佳狀態(tài)下，施加同樣的擰緊力

24、矩，預(yù)緊力的偏差也達(dá)±2530%。因此，有必要對(duì)預(yù)緊力與螺母轉(zhuǎn)角的關(guān)系進(jìn)行分析。從螺紋的運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)看，螺母轉(zhuǎn)角是螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺母的位移量： (2-9)式(2-9)中螺母轉(zhuǎn)角；螺距。如對(duì)螺母的位移作剛性的約束，也限制螺栓位移，則轉(zhuǎn)動(dòng)螺母時(shí)螺栓將伸長(zhǎng)變形，其伸長(zhǎng)量為： (2-10)但是，實(shí)際上被聯(lián)接件不可能剛性約束螺母的位移，所以轉(zhuǎn)動(dòng)螺母時(shí)，螺母既位移，螺栓也伸長(zhǎng)。兩者各占多少，決定于螺栓和被聯(lián)接件的剛度比。轉(zhuǎn)動(dòng)螺母一方面壓縮被聯(lián)接件，一方面拉伸螺栓，相當(dāng)于串聯(lián)兩個(gè)彈簧，如圖2-3所示。串聯(lián)彈簧的系統(tǒng)剛度，因而螺母上的預(yù)緊力為： (2-11)式(2-11)中 系統(tǒng)剛度螺栓剛度被聯(lián)接件剛度由上

25、式得出，與呈線性關(guān)系。圖2-3 擰緊螺母示意圖實(shí)際擰緊一個(gè)螺母時(shí)，在開(kāi)始的幾轉(zhuǎn)期間，不會(huì)產(chǎn)生預(yù)緊力。當(dāng)螺母接觸被聯(lián)接件或墊圈后，才開(kāi)始產(chǎn)生預(yù)緊力。不過(guò)，這時(shí)由于各接觸表面接觸點(diǎn)很少或由于被聯(lián)接件與周圍構(gòu)件的摩擦力，或由于墊圈的彎曲，預(yù)緊力很小，但預(yù)緊力的增長(zhǎng)卻很迅速。這個(gè)過(guò)程稱為被聯(lián)接件的貼緊過(guò)程。貼緊過(guò)程螺母要轉(zhuǎn)多少圈無(wú)法預(yù)知，而且，即使完全相同的螺栓與被聯(lián)接體貼緊過(guò)程螺母轉(zhuǎn)的圈數(shù)也不一樣。被聯(lián)接件貼緊后，預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角方呈線性關(guān)系，如2-6式所描述的那樣。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，螺栓繼續(xù)按比例伸長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到屈服點(diǎn)之后同樣的轉(zhuǎn)角增量下，螺栓伸長(zhǎng)量的增量增大，預(yù)緊力增量減小，與由直線關(guān)系變?yōu)榍€關(guān)系。圖2-

26、4給出擰緊螺母全過(guò)程的與的關(guān)系曲線，OA為“空轉(zhuǎn)”螺母，AB為貼緊過(guò)程，BC為線性段，在C點(diǎn)開(kāi)始屈服，CD為屈服后的曲線段。圖2-4 與的關(guān)系曲線預(yù)緊力與螺母轉(zhuǎn)角的關(guān)系式中雖然預(yù)緊力與摩擦系數(shù)無(wú)關(guān)，但與螺栓和被聯(lián)接件的剛度有關(guān)，如前所述，被聯(lián)接件的剛度的計(jì)算仍是十分困難的。2.4 預(yù)緊力與螺栓伸長(zhǎng)的關(guān)系2.4.1 線性關(guān)系在螺栓屈服之前，螺栓的拉伸變形是彈性變形，伸長(zhǎng)量與預(yù)緊力的關(guān)系是： (2-12)式(2-12)中為螺栓伸長(zhǎng)量，為螺栓長(zhǎng)度，為彈性模量，為螺栓橫截面積。由上述關(guān)系式可見(jiàn)，預(yù)緊力與螺栓伸長(zhǎng)呈線性關(guān)系，而且與難以控制、甚至無(wú)法預(yù)計(jì)的摩擦系數(shù)和被聯(lián)接件剛度無(wú)關(guān)，只需測(cè)量擰緊前后螺栓的

27、長(zhǎng)度就可以知道螺栓準(zhǔn)確的伸長(zhǎng)量，控制預(yù)緊力的準(zhǔn)確度最高。2.4.2 影響因子在預(yù)緊力與螺栓伸長(zhǎng)的關(guān)系中，影響其線性的主要因素有:(1)幾何因素包括直徑偏差、被聯(lián)接件厚度尺寸偏差、螺紋部分長(zhǎng)度偏差、螺紋牙型半角偏差（將影響內(nèi)外螺紋牙的貼合）等。對(duì)預(yù)緊力準(zhǔn)確性影響較大的另一個(gè)幾何因素是螺栓頭支承面和螺母端面對(duì)螺紋中心的垂直度、被聯(lián)接件、墊片和墊圈表面的平行度。這些幾何誤差將導(dǎo)致在螺栓中產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，彎曲變形后還會(huì)影響螺栓長(zhǎng)度測(cè)量值的準(zhǔn)確性。(2)應(yīng)力分布它是一個(gè)潛在的影響預(yù)緊力準(zhǔn)確性的因素，沒(méi)有反映在預(yù)緊力與螺栓伸長(zhǎng)的關(guān)系式中。因?yàn)榻⑸鲜鲫P(guān)系時(shí)，假設(shè)螺栓橫截面上應(yīng)力均勻分布，同時(shí)假定被聯(lián)接件是兩

28、個(gè)空心圓柱體的串聯(lián)系統(tǒng)。實(shí)際上，受幾何形狀、材質(zhì)不勻和熱處理的影響，應(yīng)力分布是不均勻的。特別是彎曲應(yīng)力將大大改變螺栓上的應(yīng)力分布。應(yīng)力分布變化將改變螺栓的伸長(zhǎng)變形特性。(3)彈性模量彈性模量的差異也會(huì)影響預(yù)緊力的準(zhǔn)確性。但是，這個(gè)影響通常微小。用直徑3/8英寸、長(zhǎng)2英寸的螺栓在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)9.11表明，一批螺栓中，在同樣的伸長(zhǎng)量的時(shí)候，拉力的離散度達(dá)30。檢查螺栓的直徑偏差后證實(shí)，內(nèi)外螺紋牙的貼合是其主要影響因素。試驗(yàn)還表明，預(yù)緊力與伸長(zhǎng)之關(guān)系曲線的斜率與擰緊次數(shù)有關(guān)，這是因?yàn)槊繑Q緊一次，螺紋牙的貼合狀況有所改善的緣故。用力矩扳手把每個(gè)試驗(yàn)螺栓在試塊上先擰緊一次，擰下，再上拉伸試驗(yàn)機(jī)

29、上試驗(yàn)，拉力的離散度可降至10%以下。對(duì)于帶墊片的法蘭聯(lián)接，被夾緊件厚度的偏差對(duì)預(yù)緊力值的離散度影響較大。若由于制造和安裝的原因，某法蘭聯(lián)接各邊間隙偏差為1mm，則為了使間隙偏差是被夾緊件總厚度的1%，法蘭應(yīng)厚l00mm。2.5 本章小結(jié)本章是螺紋擰緊技術(shù)的理論基礎(chǔ)。本章首先詳細(xì)分析了螺紋預(yù)緊的重要性和復(fù)雜性，然后提出了擰緊過(guò)程中預(yù)緊力與擰緊力矩、螺母轉(zhuǎn)角和螺栓伸長(zhǎng)在彈性區(qū)域的關(guān)系，并對(duì)影響這些關(guān)系的因素進(jìn)行了分析。第3章 螺紋擰緊技術(shù)3.1 螺紋擰緊控制方法螺紋擰緊的實(shí)質(zhì)是要將螺紋的軸向預(yù)緊力控制在適當(dāng)?shù)姆秶?，而不論是兩個(gè)被連接體間的壓緊力還是螺紋上的軸向預(yù)緊力，在工作現(xiàn)場(chǎng)均很難直接檢測(cè)，

30、只能間接控制。由前可知，扭矩、轉(zhuǎn)角、伸長(zhǎng)量等參數(shù)與預(yù)緊力存在一定的關(guān)系，通過(guò)控制這些參數(shù)來(lái)間接控制預(yù)緊力正是螺紋擰緊技術(shù)的原理。典型的螺紋擰緊控制方法有以下四種：1、扭矩法；2、扭矩/轉(zhuǎn)角法；3、屈服點(diǎn)法；4、螺栓長(zhǎng)度法；3.1.1 扭矩法(1)原理扭矩法，是根據(jù)螺紋擰緊扭矩與螺栓所受軸向預(yù)緊力之間的關(guān)系在生產(chǎn)中發(fā)展起來(lái)的，是應(yīng)用最廣泛的一種扭矩控制方法。這種方法一般用在彈性區(qū)。我們已知擰緊扭矩與預(yù)緊力的試驗(yàn)方程，（式中為擰緊扭矩，為預(yù)緊力，為螺紋公稱直徑，為扭矩系數(shù)），可得擰緊扭矩和預(yù)緊力的關(guān)系圖，如圖3-1所示。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)的預(yù)緊力和扭矩系數(shù)確定后，擰緊扭矩也就確定了。扭矩法就是控制擰緊扭

31、矩來(lái)控制預(yù)緊力。圖3-1 擰緊扭矩和預(yù)緊力的關(guān)系圖 (2)特點(diǎn)扭矩法的優(yōu)點(diǎn)是控制目標(biāo)直觀、測(cè)量容易、操作過(guò)程簡(jiǎn)便，控制程序簡(jiǎn)單。扭矩控制法的缺點(diǎn)是，未能充分利用材料潛能；受摩擦系素影響，扭矩系數(shù)變化大，使預(yù)緊力離散度大，因此控制精度低。 (3)摩擦系數(shù)對(duì)扭矩法的影響8我們?cè)谏弦徽碌玫綌Q緊工具的扭矩控制精度一定時(shí),擰緊質(zhì)量（預(yù)緊力的離散程度）與螺紋件摩擦系數(shù)有關(guān)。而螺紋聯(lián)接件的一個(gè)非常重要而長(zhǎng)期未被重視的因子就是螺紋件的摩擦系數(shù)。扭矩法擰緊時(shí)，螺紋件摩擦系數(shù)離散度越大，擰緊品質(zhì)越差（預(yù)緊力離散度越大）。摩擦系數(shù)過(guò)大時(shí)，螺栓預(yù)緊力會(huì)太?。〝Q緊太松）；摩擦系數(shù)過(guò)小時(shí)，螺栓預(yù)緊力會(huì)太大（螺栓會(huì)有擰至塑

32、性變形區(qū)甚至斷裂的危險(xiǎn)）。因此單方面盲目追求提高擰緊工具的扭矩控制精度是無(wú)法提高擰緊質(zhì)量的，也是一種浪費(fèi)性的無(wú)用投資。(4)扭矩系數(shù)對(duì)扭矩法的影響7工程中，技術(shù)人員常使用扭矩系數(shù)這個(gè)指標(biāo)。扭矩系數(shù)是宏觀上直接反映螺栓擰緊過(guò)程中的扭矩與預(yù)緊力之間關(guān)系的系數(shù)。在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，扭矩系數(shù)值一般取為0.2。但實(shí)際上，此值不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)取決于螺紋精度等聯(lián)接條件的變量，由前可知扭矩系數(shù)與螺紋尺寸、形狀及摩擦系數(shù)有關(guān)，摩擦系數(shù)越大,扭矩系數(shù)也越大8。在一般的批量裝配條件下，根據(jù)螺紋精度、材質(zhì)、表面狀態(tài)及潤(rùn)滑條件等的不同，同一種聯(lián)接的可以在 0.10.5 甚至更寬的范圍內(nèi)變化。一般而言，螺紋制造精度越高，

33、表面處理及潤(rùn)滑條件越穩(wěn)定，則值越穩(wěn)定(散差小)，反之，值散差就大。螺栓的軸向預(yù)緊力、擰緊扭矩及扭矩系數(shù)三者之間相互關(guān)聯(lián)，此消彼長(zhǎng)。為有效地實(shí)施軸向力控制，必須同時(shí)控制扭矩與值。3.1.2 扭矩/轉(zhuǎn)角法(1)原理扭矩/轉(zhuǎn)角法，是根據(jù)螺紋副中螺母的轉(zhuǎn)角與配合的螺栓所受軸向預(yù)緊力之間的關(guān)系發(fā)展起來(lái)的一種方法。扭矩/轉(zhuǎn)角法的做法是，先按扭矩法將螺紋件擰緊到規(guī)定的扭矩后，一般是扭矩控制法最終裝配扭矩的259，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋件達(dá)到規(guī)定角度。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度事先通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)而獲得。目前常用的扭矩/轉(zhuǎn)角控制法有兩種：圖3-2 轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力的關(guān)系圖（彈性區(qū)域）一種是在彈性區(qū)的，彈性區(qū)域預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角的關(guān)系是，（式中，

34、F為預(yù)緊力，Ca為系統(tǒng)剛度，P為螺紋螺距，為轉(zhuǎn)角），可得預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖，如圖3-2所示，預(yù)緊力與系統(tǒng)剛度Ca有關(guān)。另一種是螺紋連接件被擰緊到屈服點(diǎn)之上，發(fā)生永久變形，即塑性區(qū)的。如圖3-3所示，此時(shí)預(yù)緊力與螺栓的屈服強(qiáng)度有關(guān)。圖3-3 轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力的關(guān)系圖（塑性區(qū)域） (2)特點(diǎn)扭矩/轉(zhuǎn)角法，在擰緊過(guò)程中，盡管螺紋件摩擦系數(shù)對(duì)達(dá)到貼合扭矩的擰緊所產(chǎn)生的“階段預(yù)緊力”有影響，但影響較小。因?yàn)槟Σ料禂?shù)的變化僅影響到轉(zhuǎn)角控制的起始點(diǎn)。在角度控制階段，可知螺紋摩擦系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)角擰緊所產(chǎn)生的預(yù)緊力無(wú)影響，因?yàn)樵趶椥宰冃螀^(qū)內(nèi)，若螺栓剛度恒定，預(yù)緊力僅與螺栓伸長(zhǎng)量有關(guān)，而伸長(zhǎng)量與轉(zhuǎn)角度數(shù)成正比。如果螺紋件

35、擰緊轉(zhuǎn)動(dòng)360°，螺栓受力部分伸長(zhǎng)一個(gè)螺距。因此，摩擦系素對(duì)最終預(yù)緊力數(shù)值影響不大，故控制精度比單純控制扭矩的方法大大提高8。扭矩/轉(zhuǎn)角法的優(yōu)點(diǎn)是：擰緊質(zhì)量穩(wěn)定，螺紋件摩擦系數(shù)對(duì)擰緊質(zhì)量的影響小，擰至塑性區(qū)則不受摩擦系數(shù)影響；能充分利用螺栓的承載能力。扭矩/轉(zhuǎn)角法的缺點(diǎn)是：不適用于小轉(zhuǎn)角的短螺栓；由于預(yù)緊力較大，（尤其擰到塑性區(qū)），螺栓的螺紋部分及桿部發(fā)生塑性變形，對(duì)螺栓塑性差的及螺栓反復(fù)使用的場(chǎng)合應(yīng)考慮其適用性10。 (3)扭矩法與扭矩/轉(zhuǎn)角法的比較扭矩法與彈性區(qū)域扭矩/轉(zhuǎn)角法的比較可以用圖3-4來(lái)直觀地表示。圖中、表示兩條同規(guī)格的螺紋聯(lián)接件的特性曲線，兩者的差別是由于材質(zhì)（材料、

36、熱處理狀況等）、制造（表面粗糙度、尺寸精度）及使用狀況（表面清潔度、潤(rùn)滑情況、墊圈與聯(lián)接表面質(zhì)量）等多種因素所致。在同一外加扭矩作用下分別產(chǎn)生預(yù)緊力，預(yù)緊力之差為。在起始扭矩的基礎(chǔ)上均轉(zhuǎn)過(guò)，此時(shí)預(yù)緊力之差為。根據(jù)預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角的公式，可知=。而用扭矩法控制，在下預(yù)緊力之差為。顯然，這說(shuō)明扭矩/轉(zhuǎn)角法的精度比扭矩控制法高7。圖3-4 兩種控制方法比較3.1.3 屈服點(diǎn)法(1)原理屈服點(diǎn)法，是通過(guò)監(jiān)測(cè)擰緊扭矩隨角度變化曲線的斜率，將螺紋件擰緊至屈服點(diǎn)的方法。在螺紋擰緊過(guò)程中，扭矩曲線從彈性區(qū)到塑性區(qū)，扭矩與角度的線性關(guān)系發(fā)生變化，斜率也發(fā)生變化。當(dāng)斜率的變化達(dá)到某一范圍，就認(rèn)為達(dá)到屈服點(diǎn)。在使用智能

37、控制擰緊機(jī)的裝配過(guò)程中，不但能測(cè)試螺紋副的裝配扭矩，而且能在測(cè)試扭矩的同時(shí)不斷地測(cè)試轉(zhuǎn)角，從而計(jì)算出扭矩與轉(zhuǎn)角的微商，計(jì)算微商公式如下： (3-1)式(3-1)中 扭緊扭矩變化量扭轉(zhuǎn)角變化量圖3-5 屈服點(diǎn)法原理圖(2)特點(diǎn)屈服點(diǎn)法利用扭矩轉(zhuǎn)角增量比概念，將螺紋件擰緊至螺栓的屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)控制法的擰緊質(zhì)量(預(yù)緊力離散度) 只與螺栓屈服強(qiáng)度有關(guān)8。屈服點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是：A不受扭矩控制法的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)角控制法的轉(zhuǎn)角起始點(diǎn)的影響，從而克服了扭矩控制法和彈性區(qū)轉(zhuǎn)角法的致命缺點(diǎn)，提高了裝配精度9。B將螺栓擰至其屈服點(diǎn)，最大限度地發(fā)揮了螺紋件強(qiáng)度的潛力。大量研究表明，螺栓擰緊時(shí)軸向預(yù)緊力越大(擰至屈服點(diǎn))，其

38、抗松動(dòng)和抗疲勞性能越好。其缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)很復(fù)雜，因此擰緊工具價(jià)格太昂貴，而且對(duì)螺栓的材料、結(jié)構(gòu)和熱處理要求很高9。屈服點(diǎn)控制法需要使用具有運(yùn)算功能的自動(dòng)擰緊機(jī)，一般應(yīng)用于要求比較高的裝配部位，如發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋螺栓及連桿螺栓等。富康轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋螺栓裝配采用的就是屈服點(diǎn)控制法擰緊8。3.1.4 螺栓伸長(zhǎng)法(1)原理螺栓伸長(zhǎng)法，或稱質(zhì)量保證法，就是在擰緊過(guò)程中，或擰緊結(jié)束后，測(cè)量螺栓的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，利用預(yù)緊力與螺栓長(zhǎng)度變化量的關(guān)系，控制螺栓的軸向預(yù)緊力的一種方法。(2)特點(diǎn)因?yàn)槁菟ǖ纳扉L(zhǎng)只和螺栓的應(yīng)力有關(guān)，可以排除摩擦系數(shù)、接觸變形、被聯(lián)接件變形等可變因素的影響。所以，通過(guò)螺栓伸長(zhǎng)控制預(yù)緊力可以獲得最

39、高的控制精度，它被用作重要螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力控制方法。對(duì)于螺栓聯(lián)接，只需在結(jié)構(gòu)上保證能使儀器(量具)接近螺栓兩端面，便可直接測(cè)量擰緊前后螺栓的長(zhǎng)度。螺栓的兩端面是測(cè)量面，需磨成光滑的平面，或做出錐形中心孔。這種方法用于控制法蘭螺拴聯(lián)接最為合適，如圖3-6所示。圖3-6 測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量的方法由于多數(shù)螺紋聯(lián)接件結(jié)構(gòu)不能使儀器(量具)接近螺栓兩端面，因此測(cè)量螺栓的伸長(zhǎng)是一項(xiàng)比較困難的工作，所以目前在生產(chǎn)中應(yīng)用不廣泛。3.1.5 控制方法總結(jié)以上控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，除了上述控制方法外，還有各種新的控制方法正在研究中。控制方法的選擇，一定要根據(jù)聯(lián)接件的實(shí)際情況而定，所以不能籠統(tǒng)地說(shuō)哪一種方法更好。在選擇控

40、制方法之前，應(yīng)明確對(duì)聯(lián)接件的要求、預(yù)緊力的精度要求和控制方法的應(yīng)用場(chǎng)合，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)與分析找出最合理的方法。表3-1是四種常用擰緊方法的比較。表3-1 四種擰緊方法比較控制方法預(yù)緊力誤差材料利用率對(duì)聯(lián)接件要求設(shè)備復(fù)雜情況設(shè)備價(jià)格應(yīng)用場(chǎng)合扭矩法±40%40%60%K值離散性小簡(jiǎn)單便宜要求一般彈性區(qū)扭矩/轉(zhuǎn)角法±15%70%80%K值離散性小較復(fù)雜較貴要求較高塑性區(qū)扭矩/轉(zhuǎn)角法±15%100%硬度離散性小較復(fù)雜較貴要求較高屈服點(diǎn)法±3.5%100%硬度離散性小復(fù)雜很貴要求很高3.2 擰緊過(guò)程的監(jiān)控方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，擰緊工具從手動(dòng)到自動(dòng)，控制系統(tǒng)從簡(jiǎn)單到

41、復(fù)雜。螺紋擰緊也從事后檢測(cè)結(jié)果，到同時(shí)監(jiān)控過(guò)程。監(jiān)控過(guò)程就是按照合格螺紋的擰緊曲線確定某一階段的監(jiān)測(cè)值的合格范圍，即監(jiān)控窗口，然后對(duì)被擰螺紋在同一階段按此窗口進(jìn)行檢測(cè)，在窗口內(nèi)表明正常，在窗口外表明不正常。通過(guò)過(guò)程監(jiān)控可以提前檢查出螺紋的合格與否，監(jiān)控可以檢查出擰緊工具的能力和精度是否正常，也可以檢查出緊固件與聯(lián)接件的聯(lián)接是否正常，聯(lián)接件的熱處理潤(rùn)滑是否正常。監(jiān)控方法是與擰緊控制方法配合使用，主要有：1、扭矩控制-角度監(jiān)控法；2、轉(zhuǎn)角控制-扭矩監(jiān)控法。3.2.1 扭矩控制-角度監(jiān)測(cè)法這種方法是在扭矩法上發(fā)展起來(lái)的，一般使用自動(dòng)擰緊設(shè)備控制。首先當(dāng)扭矩達(dá)到最終裝配扭矩的某個(gè)范圍內(nèi)后, 一般是70

42、80的范圍內(nèi)，擰緊設(shè)備變成比前面更慢的轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋緊，一直達(dá)到最終裝配扭矩值。在第二個(gè)動(dòng)作開(kāi)始工作時(shí),記錄旋轉(zhuǎn)的角度,并監(jiān)測(cè)角度，從而達(dá)到在裝配的同時(shí)檢查螺紋副質(zhì)量的目的。這種方法與扭矩法基本上是一致的，不同的是，控制精度較高，而且能用轉(zhuǎn)角窗口監(jiān)控螺栓的質(zhì)量。如果轉(zhuǎn)角太大，顯然使用的螺紋副材料抗拉強(qiáng)度太低，或沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱處理；如果轉(zhuǎn)角太小，顯然使用的螺紋副材料抗拉強(qiáng)度太高，或熱處理后材料太硬。通過(guò)轉(zhuǎn)角監(jiān)控，可以方便地檢查出一批螺栓的質(zhì)量情況，從而最大限度地提高螺紋副的裝配質(zhì)量。3.2.2 轉(zhuǎn)角控制-扭矩監(jiān)測(cè)法使用轉(zhuǎn)角法時(shí)，為了同時(shí)了解扭矩的變化情況，一般配以扭矩監(jiān)控。轉(zhuǎn)角控制扭矩監(jiān)控法首先必須使用

43、扭矩法確定轉(zhuǎn)角控制的起始點(diǎn), 擰緊設(shè)備擰到這個(gè)點(diǎn)后，轉(zhuǎn)速變慢，并開(kāi)始計(jì)算角度，一直達(dá)到要求的角度為止，這個(gè)角度一般是90°，在計(jì)算轉(zhuǎn)角的同時(shí)記錄并監(jiān)測(cè)扭矩。如果扭矩太大顯然螺栓材料的抗拉強(qiáng)度太高或熱處理后材料太硬；扭矩太小，顯然螺栓材料抗拉強(qiáng)度太低或熱處理不好，從而達(dá)到監(jiān)控螺紋材料的目的。3.2.3 控制方法與監(jiān)測(cè)方法的關(guān)系控制方法與監(jiān)測(cè)方法在擰緊程序中分別起著指揮和檢查的作用。兩者又是互相輔相成的。例如：當(dāng)采用扭矩控制時(shí)，扭矩的終值直接顯示控制的結(jié)果，而轉(zhuǎn)角值則間接反映出螺栓質(zhì)量方面的信息。轉(zhuǎn)角過(guò)大或過(guò)小都說(shuō)明螺紋聯(lián)接件有缺陷。如果采用轉(zhuǎn)角控制時(shí)（指扭矩/轉(zhuǎn)角法的第二步），轉(zhuǎn)角為擰

44、緊過(guò)程的控制參數(shù)，最終顯示的扭矩值則間接反映聯(lián)接件質(zhì)量方面的信息。3.3 轉(zhuǎn)配扭矩的檢測(cè)3.3.1 事后法“事后法”就是裝配扭矩的過(guò)程完成以后再進(jìn)行檢測(cè)。這種方法可以直接測(cè)試出螺紋副的裝配扭矩。由于這種方法使用的測(cè)試工具比較簡(jiǎn)單，一般精度大于3 %的機(jī)械式指示扭力扳手，或電子式扭力扳手即可。螺紋副的“事后法”測(cè)試有以下幾種方法。(1)松開(kāi)法。將裝配好的螺紋副用指示式或電子式扭力扳手松開(kāi)，讀出松開(kāi)時(shí)的瞬時(shí)值，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)再乘以一個(gè)系數(shù)，的值一般在1.11.6 之間。這種測(cè)試方法顯然誤差比較大,除特殊情況外在生產(chǎn)中已很少應(yīng)用。(2)標(biāo)記法。將螺栓、螺帽與裝配主體或構(gòu)件之間作好記號(hào)，然后將螺紋

45、副松開(kāi)，并再將螺紋副緊固到標(biāo)記的位置，讀出扭矩值，再乘以0.91.1的系數(shù)。這種方法省事、省力，要求技術(shù)水準(zhǔn)不高，基本上使螺紋副保持原始的裝配扭矩。但松開(kāi)螺紋副不適合有特殊放松功能要求的緊固件，這種方法還有可能使摩擦系數(shù)產(chǎn)生變化，對(duì)測(cè)試值產(chǎn)生意想不到的誤差。在檢測(cè)過(guò)程中也很少采用這種方法。(3)緊固法。用扭力扳手將裝配好的螺紋副進(jìn)一步緊固，當(dāng)產(chǎn)生微小的轉(zhuǎn)角時(shí)，讀出測(cè)試扭矩值，再乘以0.91.1的系數(shù)。這是一種比較常用的方法，測(cè)試值準(zhǔn)確，操作方便。但對(duì)測(cè)試人員技術(shù)水準(zhǔn)和技術(shù)熟練程度要求比較高。測(cè)試時(shí)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角越小越好，否則將造成較大的誤差。3.3.2 過(guò)程法“過(guò)程法”就是在裝配過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，一般

46、也有3 種方法。(1)直接法。主要是用扭矩傳感器進(jìn)行測(cè)試。一般是將扭矩傳感器直接連接在動(dòng)力頭(氣動(dòng)、電動(dòng)扭力扳手或機(jī)電一體化裝配機(jī)) 與螺紋副之間，操作時(shí)可以直接讀出讀數(shù)。(2)固定傳感器法。在電動(dòng)擰緊機(jī)的動(dòng)力軸上裝有2只扭矩傳感器，一只扭矩傳感器用來(lái)作設(shè)備控制用，而另一只扭矩傳感器專門作測(cè)試用，對(duì)這類扭矩傳感器備有專門的測(cè)試儀器。每隔一段時(shí)間，用扭矩測(cè)試儀去測(cè)試一下測(cè)試扭矩傳感器，與設(shè)備上控制扭矩傳感器的數(shù)值進(jìn)行比較。因?yàn)樵趧?dòng)力軸上專門安裝了一個(gè)價(jià)值昂貴的測(cè)試扭矩傳感器，而且這個(gè)傳感器平時(shí)不用，只有測(cè)試時(shí)才用，所以這種方法成本比較高。(3)傳感器替換法。在電動(dòng)擰緊機(jī)的動(dòng)力軸上安裝扭矩測(cè)試傳感

47、器的部位上，裝有一根裝卸尺寸與扭矩傳感器完全相同的可以快速拆卸的活動(dòng)軸，當(dāng)要測(cè)試時(shí)將快速拆卸活動(dòng)軸卸下，換上扭矩傳感器，然后連接上測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試。這種方法比上面一種方法成本低，只需一個(gè)扭矩傳感器可以在任何動(dòng)力軸上測(cè)試。3.4 螺紋擰緊方法選用本文的電動(dòng)多軸擰緊機(jī)面向螺紋擰緊要求較高的裝配場(chǎng)合，但考慮到擰緊機(jī)能應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)以外的汽車零部件裝配，因此(1)在控制方法上，選用比較先進(jìn)的扭矩/轉(zhuǎn)角法；(2)在監(jiān)控方法上，選用在轉(zhuǎn)角控制階段的扭矩監(jiān)控，即轉(zhuǎn)角控制-扭矩監(jiān)測(cè)法；(3)在裝配扭矩檢查上，以企業(yè)檢驗(yàn)人員采用事后法中的緊固法為主，以操作人員采用過(guò)程法中的直接法為輔。這種螺紋擰緊控制方法、監(jiān)控方

48、法和檢測(cè)方法的組合，是對(duì)方法的先進(jìn)性和工具的經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，能適用更多的螺紋裝配場(chǎng)合。3.5 本章小結(jié)本章詳細(xì)論述了螺紋擰緊控制方法的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用，并介紹了監(jiān)控方法和檢測(cè)方法。通過(guò)分析比較，最終采用轉(zhuǎn)角控制-扭矩監(jiān)測(cè)法作為本文擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。第4章 電動(dòng)擰緊機(jī)的結(jié)構(gòu)4.1 電動(dòng)擰緊的原理與結(jié)構(gòu)4.1.1 電動(dòng)擰緊機(jī)的原理圖4-1 電動(dòng)擰緊機(jī)原理簡(jiǎn)圖如圖4-1所示，電動(dòng)擰緊機(jī)系統(tǒng)由四大部分組成：支承部件、動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。其中動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是擰緊機(jī)的核心；升降系統(tǒng)起了運(yùn)動(dòng)進(jìn)給的輔助作用；支承部件起了支承其它系統(tǒng)的作用，動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)和升降系

49、統(tǒng)都要安裝在支承部件上。擰緊機(jī)的主要功能是將螺母按規(guī)定要求擰緊。本文的擰緊機(jī)以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，輸出的扭矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)增大，用于螺紋擰緊載入；以壓縮空氣作為輔助的動(dòng)力來(lái)源，用于氣缸帶動(dòng)擰緊箱上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擰緊箱到達(dá)工作位置后，就可以進(jìn)行螺紋擰緊（或擰松）。整個(gè)擰緊過(guò)程由電氣控制系統(tǒng)控制，傳感器實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，監(jiān)視整個(gè)擰緊過(guò)程，并可以將圖像顯示出來(lái)。螺紋擰緊機(jī)的卸載過(guò)程，也是在控制系統(tǒng)控制下，按一定固定循環(huán)自動(dòng)進(jìn)行的。貼合扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)角度等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況，由使用人員設(shè)定。4.1.2 電動(dòng)擰緊機(jī)的總體結(jié)構(gòu)本文的電動(dòng)擰緊機(jī)是固定立式電動(dòng)四軸擰緊機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

50、如圖4-2所示。(1)床身固定立式擰緊機(jī)（或稱落地式擰緊機(jī)）的支承部件就是床身，用于支承動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)。床身是由10毫米厚的鋼板焊接成的箱體，其前端安裝有固定導(dǎo)軌，通過(guò)同擰緊箱上的移動(dòng)導(dǎo)軌間的相對(duì)滑動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)擰緊箱沿著垂直方向上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擰緊過(guò)程中的擰緊軸的進(jìn)給。(2)動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)是擰緊機(jī)的執(zhí)行裝置，是擰緊機(jī)兩大核心系統(tǒng)之一，安裝在擰緊箱內(nèi)。(3)氣動(dòng)升降裝置氣動(dòng)升降裝置由氣缸、連接塊和氣動(dòng)回路構(gòu)成。氣缸固定在床身內(nèi)。連接塊一端固定在擰緊箱上，另一端與氣缸的活塞桿聯(lián)接。為保證擰緊箱運(yùn)行的平穩(wěn)性時(shí)，在床身內(nèi)還設(shè)置有配重模塊，同氣缸一起動(dòng)作，完成擰緊箱的平穩(wěn)動(dòng)作。氣動(dòng)回路包括氣源

51、處理組件、氣動(dòng)控制組件（電磁閥、調(diào)速閥等）及其附件（二通、三通管接頭、軟管等）。(4)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是另一核心系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并使設(shè)備完成規(guī)定的流程?？刂葡到y(tǒng)的主要部件安裝于控制柜中。本文的重點(diǎn)之一就是設(shè)計(jì)電動(dòng)多軸擰緊機(jī)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)將在第五章詳細(xì)介紹。圖4-2 電動(dòng)擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖4.2 1.擰緊箱(動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)) 2.氣動(dòng)升降裝置3.床身4.控制柜(控制系統(tǒng))電動(dòng)擰緊機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)擰緊機(jī)的核心系統(tǒng)由兩大部分組成：控制系統(tǒng)和動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)就是擰緊系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，又稱擰緊軸單元。其功能有：1、執(zhí)行控制系統(tǒng)指令，按要求擰緊螺紋；2、實(shí)時(shí)檢測(cè)扭矩，把扭矩回

52、饋給控制系統(tǒng)。3、實(shí)時(shí)檢測(cè)角度，把角度值回饋給控制系統(tǒng)。擰緊軸單元是螺紋自動(dòng)擰緊機(jī)中非常重要的部分，我們以擰緊軸單元的數(shù)目來(lái)對(duì)擰緊機(jī)進(jìn)行分類，有幾個(gè)擰緊軸單元就稱為幾軸擰緊機(jī)。對(duì)應(yīng)每個(gè)軸控制單元分別有各自的控制單元，方便維修，更換或系統(tǒng)升級(jí)。一旦某一個(gè)軸控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，控制面板對(duì)應(yīng)每個(gè)軸有指示燈或畫(huà)面提醒操作者。動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)由動(dòng)力源（含控制器）、減速機(jī)構(gòu)、扭矩傳感器和擰緊裝置組成，本文擰緊機(jī)的動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-3所示10。圖4-3 動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1動(dòng)力源（控制器未畫(huà)出）4.2.1 擰緊箱擰緊軸單元安裝于擰緊箱中。箱體有以下作用：第一，一些附件比如面板操作按鈕、指示信號(hào)燈和操

53、作手柄都安裝在箱體上；第二，它可以承受螺母所給擰緊頭的軸向力，使軸向力不能傳遞到擰緊軸單元中的扭矩傳感器，可減少傳感器的測(cè)量偏差，也可以保護(hù)傳感器。由于擰緊軸單元被安裝在箱體上，最后由箱體來(lái)抵消軸向反力；第三，對(duì)于多軸系統(tǒng)，可以通過(guò)箱體來(lái)調(diào)整軸控制單元之間的中心距，這樣擰緊機(jī)可適應(yīng)于不同螺母分布圓直徑的產(chǎn)品。4.2.2 動(dòng)力源目前使用的動(dòng)力源，即擰緊機(jī)的動(dòng)力源，是擰緊軸單元的關(guān)鍵部件，包括普通交流電機(jī)、變頻電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)、氣動(dòng)馬達(dá)和液壓馬達(dá)?，F(xiàn)在使用較為廣泛的動(dòng)力源是各種電機(jī)，因此稱為電動(dòng)擰緊機(jī)。這種擰緊機(jī)首先在歐美和日本產(chǎn)生并在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)一些科

54、研院所和企業(yè)也在進(jìn)行使用各種電機(jī)應(yīng)用于不同擰緊場(chǎng)合的研究和實(shí)踐。本文的擰緊系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：A控制精度高。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以所選的松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，編碼器為標(biāo)準(zhǔn)2500線，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。B低速性能好。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。C超載能力強(qiáng)。以所選的松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有

55、速度超載和轉(zhuǎn)矩超載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。D響應(yīng)性能好。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好。以松下交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000rpm僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。E運(yùn)行性能好。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為死循環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器回饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。F機(jī)械結(jié)構(gòu)合理。電機(jī)的整體全部密封設(shè)計(jì)，采用高熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)，澆鑄處理，達(dá)到緊湊外形設(shè)計(jì)和高散熱性，無(wú)須電扇散熱，從而延長(zhǎng)馬達(dá)的壽命；同時(shí)電機(jī)體積小、重量輕，使擰緊軸單元結(jié)構(gòu)更為緊湊。4.2.3 減速機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)主要用于擰緊兇的減速增扭。本擰緊系統(tǒng)的交流伺服電機(jī)通常工作在3000轉(zhuǎn)/分下，而最終要求的擰緊機(jī)的擰緊轉(zhuǎn)速為3-50/轉(zhuǎn)/分，這就需要減速模塊有大的減速比，并通過(guò)這種大比例的減速，實(shí)現(xiàn)輸出扭矩的增大，以滿足大扭矩輸出的要求。由于螺紋擰緊要求力矩通常要求較大，而為適合多軸擰緊要求，軸單元的徑向尺寸要求極小，這樣在減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生大力矩和小結(jié)構(gòu)尺寸之間的矛盾。為實(shí)現(xiàn)小尺寸前提下的減速增扭目標(biāo)，擰緊機(jī)采用“一級(jí)行星2齒差”減速機(jī)構(gòu)，應(yīng)