摘要：螺栓連接是零件裝配過程中被普遍采用的一種方式，相對于焊接、粘接、鉚接等工藝，有著“強(qiáng)度高、操作簡單、連接穩(wěn)定可靠”的特性；而螺栓連接的關(guān)鍵技術(shù)在于對擰緊的控制和檢測，本文基于伺服電動螺絲刀的基本構(gòu)成和控制原理，探討螺栓擰緊的基本概念、技術(shù)要求以及常用的控制方法。

關(guān)鍵詞：螺栓，擰緊，夾緊力，控制法。

引言

伺服電動系統(tǒng)內(nèi)置了轉(zhuǎn)矩、位置、速度三環(huán)控制，因其高轉(zhuǎn)速、高扭矩、高精度而廣泛應(yīng)用于工控設(shè)備的傳動、控制領(lǐng)域。日本多摩川精機(jī)株式會社推出的MINI型小體積、低功率伺服電機(jī)系列，在醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體、多關(guān)節(jié)機(jī)器人等方面有其獨(dú)特的應(yīng)用，艾而特公司作為多摩川品牌的總代理，對其新產(chǎn)品、新技術(shù)的應(yīng)用得天獨(dú)厚，已成功開發(fā)出以伺服電機(jī)為精密控制和驅(qū)動的螺絲擰緊系統(tǒng)，填補(bǔ)了國內(nèi)多項(xiàng)空白。

一、擰緊的基本概念

1.0擰緊的基本要求有三點(diǎn)：

1）連接件緊密貼合2）能承受一定的動載荷3）有足夠的夾（壓）緊力

2.0擰緊過程的主要變量

2.1扭矩（T）：所施加的擰緊動力矩，單位牛米（Nm）；

2.2夾緊力（F）：連接體間的實(shí)際軸向夾（壓）緊大小，單位牛（N）；

2.3摩擦系數(shù)（U）：螺栓頭、螺紋副中等所消耗的扭矩系數(shù)；

2.4轉(zhuǎn)角（A）：基于一定的扭矩作用下，使螺栓再產(chǎn)生一定的軸向伸長量或連接件被壓縮而需

要轉(zhuǎn)過的螺紋角度。

3.0螺栓的主要參數(shù)

3.1標(biāo)準(zhǔn)扭矩：對應(yīng)于不同型號、不同規(guī)格、不同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)螺栓，其標(biāo)定條件下擰緊需要的

扭矩大小，單位牛米（Nm）；

3.2預(yù)緊力：螺栓擰緊時(shí)所需要的軸向拉應(yīng)力，單位牛（N）；

3.3屈服強(qiáng)度：或屈服應(yīng)力，使螺栓開始產(chǎn)生塑性變形的拉應(yīng)力大小，單位N/mm2

3.4抗拉強(qiáng)度：或抗拉應(yīng)力，使螺栓擰緊失效甚至斷裂的最小拉應(yīng)力，單位N/mm2

二、擰緊過程的簡要分析

1、541規(guī)則（即50%、40%、10%）

參見圖A：通常情況下，在螺栓的擰緊過程中，實(shí)際轉(zhuǎn)化為螺栓夾緊力的扭矩僅占10%，其余50%用于克服螺栓頭下的摩擦力，40%用于克服螺紋副中的摩擦力，這就是“541”規(guī)則，主要反映夾緊力與摩擦力之間的關(guān)系。但若施加一定的改善措施（如涂抹潤滑油）或螺紋副中存有缺陷（如雜質(zhì)、磕碰等），該比例關(guān)系會受到不同影響而改變。

圖A、541規(guī)則

2、螺栓連接件的特性

圖B：螺栓連接件特性

3、螺栓擰緊的影響因素

根據(jù)541規(guī)則，螺栓是否真的被擰緊（或是否達(dá)到螺栓的預(yù)緊力），主要取決于螺栓與連接件之間的摩擦系數(shù)的變化，那么，能引起摩擦系數(shù)變化的可能性因素有哪些呢？

1）螺栓頭表面：含鍍層、涂層等，是否光潔、平整？有無凸凹缺陷？有無銹蝕破損？等；

2）螺紋副中：有無雜質(zhì)、磕碰？螺紋工藝等級？等；

3）連接方式：分為硬連接和軟連接兩種方式，比如墊圈、墊片的應(yīng)用等；

4）材料特性：主要與材料的硬度或剛性相關(guān)，也可廣義地區(qū)分為硬連接和軟連接方式；

5）改善措施：比如涂抹潤滑油、或?qū)β菟ū砻孢M(jìn)行特殊處理等。

三、螺栓擰緊的控制方法

1.0扭矩控制法

1.1定義：當(dāng)擰緊扭矩達(dá)到某一設(shè)定的控制扭矩時(shí)，立即停止擰緊的控制方法。

1.2優(yōu)點(diǎn)：控制系統(tǒng)簡單、直接，易于用扭矩傳感器或高精度扭矩扳手來檢查擰緊的質(zhì)量。

1.3缺點(diǎn)：控制精度不高（預(yù)緊力誤差±25%左右），也不能充分利用材料的潛力。

2.0扭矩-轉(zhuǎn)角控制法

2.1定義：先把螺栓擰到一個(gè)不大的扭矩后，再從此點(diǎn)開始，擰一個(gè)規(guī)定的轉(zhuǎn)角的控制方法。

2.2優(yōu)點(diǎn)：螺栓軸向預(yù)緊力精度較高（±15%），可以獲得較大的軸向預(yù)緊力，且數(shù)值可集中分

布在平均值附近。

2.3缺點(diǎn)：控制系統(tǒng)較復(fù)雜，要測量扭矩和轉(zhuǎn)角兩個(gè)參數(shù)；且質(zhì)檢部門也不易找出適當(dāng)?shù)姆椒?/p>

對擰緊結(jié)果進(jìn)行檢查。

3.0屈服點(diǎn)控制法

3.1定義：把螺栓擰緊到屈服點(diǎn)后，停止擰緊的一種方法。

3.2優(yōu)點(diǎn)：擰緊精度非常高，預(yù)緊力誤差可以控制在±8%以內(nèi)；但其精度主要取決于螺栓本身

的屈服強(qiáng)度。

3.3缺點(diǎn)：擰緊過程需要對扭矩和轉(zhuǎn)角曲線的斜率進(jìn)行動態(tài)的、連續(xù)的計(jì)算和判斷，控制系統(tǒng)

的實(shí)時(shí)性、運(yùn)算速度等都有較高的要求。

四、艾而特伺服電動螺絲刀系列

4.1基本構(gòu)成

人機(jī)界面、控制單元、I/O及通訊接口、伺服驅(qū)動、伺服電機(jī)、精密減速機(jī)、電源單元。

4.2產(chǎn)品特點(diǎn)

4.2.1選用精密、小巧的伺服電動系統(tǒng)作為驅(qū)動單元，扭矩、轉(zhuǎn)角可任意設(shè)置；

4.2.2非常強(qiáng)大的控制檢測功能，可完成多任務(wù)、多程式、多參數(shù)、多狀態(tài)的設(shè)定和指示；

4.2.3友好人機(jī)界面，操作簡便易學(xué)，并可預(yù)置、保存多個(gè)被檢驗(yàn)而確定的參量或模式；

4.2.4多種規(guī)格、安裝及使用方式的螺絲刀體系列，可滿足不同精度場合的多種需求。

4.3技術(shù)工藝

4.3.1嵌入式ARM+DSP設(shè)計(jì)方案，融合扭矩+轉(zhuǎn)角的控制方法，使預(yù)緊力精度達(dá)到較高水準(zhǔn)；

這主要得益于伺服電動技術(shù)的引入，并基于多摩川產(chǎn)品技術(shù)和工藝的卓越性能。

4.3.2強(qiáng)大而實(shí)用的可編程輸入/輸出功能以及多種通訊接口，即可單獨(dú)使用，也可聯(lián)機(jī)/組網(wǎng)，

進(jìn)行集中控制和監(jiān)測；這極大地方便了不同產(chǎn)線、工況或自動化設(shè)備的系統(tǒng)集成。

4.4升級與拓展

1）細(xì)化產(chǎn)品的專用領(lǐng)域，引入更加精密的控制方法，形成多閉環(huán)、高精度的擰緊系統(tǒng)；

2）圖形化、動態(tài)化的設(shè)定、監(jiān)視界面，使操作/使用更加直觀、簡潔，一目了然；

3）考慮與我司現(xiàn)有產(chǎn)品工業(yè)機(jī)器人、工作平臺的聯(lián)合搭配，使打螺絲、螺栓擰緊的工序/工藝

更加系統(tǒng)化、集成化，更加精密、穩(wěn)定、可靠，更富有生產(chǎn)成效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T26547-2011《螺紋緊固件用回轉(zhuǎn)式工具性能試驗(yàn)方法》

[2]《螺栓標(biāo)準(zhǔn)扭矩及預(yù)緊力速查表》

[3]網(wǎng)絡(luò)資料：螺栓的擰緊技術(shù)等。