[发明专利]一种基于表面主应变测量内六角螺栓预紧力的试验系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于表面主应变测量内六角螺栓预紧力的试验系统与方法，测试系统由预埋应变片内六角螺栓、缩比试验件、三轴应变花、动态应变仪和上位机组成，三轴应变花对称粘贴在距离内六角螺栓轴线nd位置，测试方法包括：S1、应用动态应变仪和上位机采集螺栓预紧力与测点三个方向的应变；S2、基于测点三向应变数据计算测点主应变εsubgt;1/subgt;和εsubgt;2/subgt;；S3、获取测点主应力σsubgt;1/subgt;和σsubgt;2/subgt;，设计四个测点主应力标准差的阈值；S4、建立表征内六角螺栓预紧力与测点平均应力关系的数据驱动模型。本发明属于数控机床高性能装配技术领域，能够准确测量不同材料和尺寸的内六角螺栓连接结构预紧力，解决了内六角螺栓预紧力在线无损测量方法缺失问题。

技术领域

本发明涉及数控机床高性能装配技术领域，尤其涉及一种基于表面主应变测量内六角螺栓预紧力的试验系统与方法。

背景技术

螺栓连接是数控机床中广泛采用的可拆装配形式，须提供与设计值相等的预紧力以保证整机静动态特性和精度保持性。然而，由于扭矩法控制误差和螺栓群组弹性相互作用的影响，紧固后的螺栓预紧力难以达到期望的设计值。为此，须根据实际测量的预紧力数据，对不满足要求的螺栓预紧力进行调整。

现有螺栓预紧力测量方法主要包括粘贴或植入应变片法、超声法、图像法等。其中，粘贴或植入应变片螺栓作为一种力传感器，能够直接测量螺栓预紧力，但该方法降低了螺栓的强度，且较高的应变片和导线工艺要求增大了使用成本。由全桥应变片制成的环形压力传感器在检测螺栓预紧力的同时，改变了结构几何参数，不适用于装配现场螺栓预紧力的测量。超声法是在标定声弹系数的基础上，借助探头测量螺栓预紧力，成本高且受材料性能、工件形状和组织结构的影响，测量灵敏度较低。借助高清工业相机的图像法，其测量原理是获取螺栓与螺母的相对位移，测试工具成本高且对空间有严格要求。

上述四类常用方法主要用于数控机床外六角螺栓预紧力的测量，不适用于沉头内六角螺栓预紧力的实时测量，其分布对整机静动态特性和精度保持性的影响机制尚未明晰。因此，亟需一种既能实时测量数控机床装配现场内六角螺栓预紧力又可避免引入额外冗余结构且成本较低的方法。

发明内容

针对现有内六角螺栓预紧力测量方法存在的如上问题，本发明提供一种基于表面主应变测量内六角螺栓预紧力的试验系统与方法，用以解决额外冗余结构致使强度降低、成本高和内六角螺栓预紧力在线无损测量困难的问题。

为了实现上述目标，本发明采取的技术方案是：

一种基于表面主应变测量内六角螺栓预紧力的试验系统，包括预埋应变片内六角螺栓、缩比试验件、三轴应变花、动态应变仪和上位机。预埋应变片内六角螺栓与缩比试验件连接，缩比试验件上表面粘贴三轴应变花，预埋应变片内六角螺栓和三轴应变花与动态应变仪连接，动态应变仪与上位机连接。

进一步地，所述缩比试验件的数量与实际数控机床装配结构一致，材料、形位公差和加工工艺相同，且远离内六角螺栓头部一端的缩比试验件连接孔为螺纹通孔，其它缩比试验件连接孔为光滑通孔。

进一步地，所述预埋应变片内六角螺栓的引线从远离头部一端引出。

进一步地，所述内六角螺栓头部端缩比试验件上表面对称粘贴四个三轴应变花，其与螺栓轴线的距离为nd且相邻应变花之间的角度为90°。

进一步地，所述n是与应力分布锥角相关的系数，d是内六角螺栓的直径，小于锥体分布应力圆半径R，即nd＜R。

本发明提供一种基于表面主应变测量内六角螺栓预紧力的方法，所述方法用于如上所述的试验系统，所述方法包括：

S1、应用动态应变仪和上位机采集螺栓预紧力与测点三个方向的应变；

S2、基于测点三向应变数据计算测点主应变ε₁和ε₂；