螺纹装配拧紧的本质是通过螺栓的预紧力可靠地连接两个工件，提高连接的刚度和紧密性，防止松动和防滑，但过大或过小的预紧力是有害的。

预紧力过大会导致螺栓断裂、连接件断裂、扭曲或断裂等严重后果；预紧力不足会导致连接件错位、歪斜、螺母松动，甚至紧固件被切断。预紧力的变化会导致零件内部应力不一致，影响螺纹副连接的性能，降低螺纹副的疲劳寿命。据报道，90%的螺纹副故障是由于初始预紧不当造成的。因此，有必要严格控制预紧力的大小和一致性。预紧力控制方法主要包括扭矩控制、扭矩/转角控制、屈服点控制、超声波控制等新方法。

扭矩控制方法操作简单直观，是目前应用最广泛的控制方法。但在采用扭矩控制方法时，预紧力与拧紧扭矩之间存在摩擦等影响因素，因此预紧力离散度高，约为30%。

对预紧力精度无显著影响。

扭矩/转角控制方法可以将预紧力控制在15%的误差范围内，有效降低预紧力的离散度，但控制方法结构复杂。只有当连接器处于塑性变形范围时，才能获得更好的精度。

屈服点控制方法的预紧力离散度很小，螺栓可以拧到屈服极限，但控制系统复杂，拧紧工具昂贵，对螺栓的材料、结构和热处理要求很高。

大尺寸螺栓可成功使用超声波测量，但当螺栓尺寸较小时，环境影响因素甚至操作员造成的误差可能超过仪器的分辨率。近年来，形状记忆合金和电子斑点干涉测量方法也用于检测预紧力，但由于价格和环境限制，在生产过程中难以使用。

在精密螺纹副部件的自动装配系统中，要求装配系统尽可能简单直观，以最简单的方式完成精密装配操作。本文提出了一种改进的扭矩方法：通过扭矩与时间的斜率变化与系统刚度变化之间的关系，对不同的螺纹副施加不同的扭矩，以确保预紧力的一致性，实现小螺纹副的精确组装，验证控制方法的可行性。

扭矩传感器控制方法的原理。

拧紧螺母时，当螺母接触连接器或垫圈时，产生预紧力并开始拧紧。

扭矩-时间控制方法通过检测扭矩-时间关系曲线来控制预紧力。当扭矩传感器输送到计算机的扭矩值发生显著变化时，螺母接触支撑面开始拧紧，并开始计时。将扭矩随时间变化的斜率KT与当量刚度CT变化的斜率进行比较。当两者的比值保持不变时，螺母完全拧紧，并记录KT值和CT值。提前将螺纹副的几何尺寸特征和电机转速输入计算机，将记录的KT值和CT值替换为(6)，即获得螺纹副实时扭矩对应的预紧力值。当传感器检测到的扭矩值满足预紧力要求时，电机停止旋转并拧紧。该方法的优点是KT是扭矩与时间的比值，它本身包含摩擦的影响。在扭矩/时间控制方法中，KT值的差异也表明不同螺纹副之间的摩擦力不同。因此，根据不同螺纹副附件之间的摩擦特性，可以对每个螺纹副附件施加不同的扭矩，以减少摩擦的影响，更好地提高预紧力的一致性。误差主要取决于KT/传感器的误差和精度。

有限元模拟拧紧过程。

盘式弹簧具有刚度高、缓冲吸振能力强、变形小、载荷大等优点，适用于轴向空间小的场合。因此，碟形弹簧通常用作精密螺纹副的弹簧垫圈。

模拟分析装有截锥截面碟形弹簧垫圈的螺纹副组件，得到弹簧垫圈负载变形和刚度变形的变化，并根据螺栓系统的刚度公式将其转化为系统刚度，然后模拟螺纹副组件的拧紧过程，得到扭矩时间曲线图，验证扭矩/时间控制方法的可行性。

弹簧垫圈静态分析。

螺纹副尺寸为M1.4，普通粗牙螺纹，螺距P=0.3mm。圆盘弹簧垫圈具有刚度变化的特点，与自身尺寸相比，变形较大。因此，弹簧垫圈采用Cosmosworks模拟垫圈和支撑结构进行非线性有限元分析。133GPa，泊松比为0.3，内圆周上有负载位置。如图1a所示，负载位置与支撑位置之间的距离与内外圆周的距离比为069。支撑材料为合金钢，弹性模量为210GPa，泊松比。

0.28。网格划分，单元类型为SOLID45，8节点实体单元；支撑单元数为5887；细化垫圈单元网格，总单元数为7778。

(b)弹簧垫圈模型。

对垫圈施加线性位移，直至垫圈压平，即最大压缩s=0.3mm。记录每个子步下垫圈内圆周的反应力，得到垫圈载荷变形关系图。结果与内圆周的载荷完全一致。当载荷达到垫圈能承受的最大力时，变形呈直线上升趋势。因此，施加位移可以更好地观察整个过程中的载荷变化。

在理论计算中，假设弹簧垫圈的截面在变形前后保持矩形不变，相当于增加了垫圈的刚度。因此，计算的最大载荷值为618N，略大于模拟分析结果的59N，相对误差为453%。弹簧垫圈的刚度根据刚度的计算公式得出，即刚度是作用力与沿作用力方向产生的变形量的比值。图3a显示弹簧垫圈刚度变化曲线。

(a)C圈刚度Cw(b)当量刚度Ct。

目前，螺栓材料屈服强度低于70%的设计一般采用预紧力，以提高螺栓材料的利用率。对于带特殊弹簧垫圈的螺纹连接，还应考虑弹簧垫圈的力学性能，以确保弹簧垫圈的弹簧性能不丧失。本例预选预紧。

力F0=53N。根据经验，垫圈能承受的最大负荷为F=59N，预紧力值约为垫圈能承受的最大负荷的90%，可避免控制过程中的误差导致垫圈弯曲，损坏垫圈零件。

螺纹副拧紧过程动态仿真。

由于摩擦因数是紧固速度的函数，两者之间有一定的关系。图4所示[10]是拧紧常规尺寸螺纹副时电机转速与摩擦因数之间的关系。在转速达到6r/min后，摩擦因数基本保持不变。对于小螺纹副，曲线变化趋势相同。在电机上。

当速度较低时，摩擦因数变化较大，螺纹附件处于静态摩擦范围内，速度波动较小，摩擦因数影响较大；当速度提高到一定速度时，进入动态摩擦区域，滑动摩擦与物体运动速度、接触面积无关，摩擦因数变化稳定，趋于稳定。由于该方法是根据螺母拧紧后的扭矩-时间曲线来估计螺纹副之间的摩擦状态，因此施加不同的扭矩以获得一致的预紧力，为了防止摩擦因素波动引起的误差，应选择较大的速度，以确保螺纹副进入动态摩擦区域。与不定速紧固方法相比，预紧力精度显著提高[9]。因此，在使用Cosmos/motion进行动力学仿真的过程中，选择转速为20r/min，即电机旋转1s，螺母向下移动01mm。螺纹副中的摩擦力是不可避免的，可以模拟任何更常见的摩擦因素。螺纹副之间的摩擦因数为=025，螺母下端面与垫圈之间的摩擦力学因数为=012。螺栓与螺母之间的扭矩固定，螺栓与螺母之间的旋转扭矩曲线从处理图中显示的时间图中的旋转速度变化。

当预紧力的准确性要求较高时，可以设置较小的波动范围。当计算机识别此范围时，可以进行后续计算，并控制电机的旋转和停止。从模拟结果可以看出，预紧力可以通过施加不同的扭矩范围内，通过施加不同的扭矩来提高预紧力的一致性。与传统的扭矩传感器的控制方法相比，扭矩/时间控制方法具有更好的控制效果。

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