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螺栓擰緊質(zhì)量評(píng)估及失效智能識(shí)別方法研究

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2026-01-03 19:47

摘要: 螺栓連接質(zhì)量直接決定著裝備的性能,而螺栓連接質(zhì)量極大程度上受擰緊工藝的影響,不當(dāng)?shù)臄Q緊工藝會(huì)造成結(jié) 構(gòu)的失效,同時(shí)引起螺栓斷裂、結(jié)構(gòu)件疲勞等現(xiàn)象,并最終會(huì)引起重大的安全事故。 目前扭矩扳手是通過力矩大小來判 斷擰緊失效模式,但這種方法無法在擰緊過程中快速獲得螺紋根部等危險(xiǎn)截面的應(yīng)力狀態(tài),即當(dāng)應(yīng)力將要超過抗拉強(qiáng) 度時(shí),無法做到提前預(yù)測(cè)和報(bào)警,造成瞬間扭矩過大導(dǎo)致螺栓折斷。 針對(duì)上述問題,建立了螺栓扭矩與應(yīng)力的關(guān)系,利 用有限元及深度學(xué)習(xí)分類算法,提出一種智能識(shí)別與評(píng)估螺栓擰緊失效的方法。 該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別螺栓擰 緊的失效模式,識(shí)別準(zhǔn)確率最高達(dá)到99%,同時(shí)還可以獲得螺栓擰緊過程中預(yù)緊力及接觸應(yīng)力的變化趨勢(shì),提前做出過 載預(yù)警,為提高螺栓擰緊質(zhì)量提供技術(shù)支持。


0 引言      

螺栓連接由于安裝方便以及可以承受較大連接 力的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和重大裝備 上[1?3]。 螺栓是連接機(jī)械部件的重要元件,其擰緊過 程對(duì)確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。 獲 得準(zhǔn)確的螺栓預(yù)緊力是結(jié)構(gòu)失效分析的前提,預(yù)緊力 過大會(huì)導(dǎo)致螺栓疲勞損傷和磨損斷裂,而過小會(huì)導(dǎo)致 螺栓松動(dòng)和滑移[4?6]。 螺栓預(yù)緊力的大小是由螺栓擰 緊工藝決定的,不當(dāng)?shù)臄Q緊工藝會(huì)導(dǎo)致螺栓浮鎖、傾 斜、斷裂等問題,導(dǎo)致被連接件產(chǎn)生大變形及接觸區(qū) 域產(chǎn)生大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。        

目前螺栓擰緊大多采用手動(dòng)擰緊或傳統(tǒng)剛性擰 緊策略,這些方法存在效率低、裝配變形大等問題。 為了解決傳統(tǒng)擰緊工藝存在的問題,WANG等人[7]設(shè) 計(jì)了一種柔性擰緊機(jī)構(gòu),優(yōu)化了螺栓擰緊順序,首次使用兩臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行擰緊工作,減少了發(fā)動(dòng)機(jī)在擰緊 過程中的變形和應(yīng)力。何文杰等人[8]針對(duì)變速器殼 體結(jié)合面密封性問題,通過使用AnsysWorkbench軟 件進(jìn)行有限元仿真分析,優(yōu)化了螺栓擰緊工藝,包括 擰緊扭矩大小、工藝參數(shù)和擰緊方式,提出了一種面 向不規(guī)則結(jié)合面的螺栓組擰緊方法,通過仿真和正交 試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化效果,但是沒有在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn) 行驗(yàn)證。陳典漢等人[9]針對(duì)總裝車間自動(dòng)化工藝改 造的難點(diǎn),開發(fā)了一套螺栓擰緊套筒自動(dòng)切換裝置, 實(shí)現(xiàn)了多車型共線生產(chǎn)的自動(dòng)擰緊工藝,并通過可編 程邏輯控制器(ProgrammableLogicController,PLC)控 制、生產(chǎn)管理系統(tǒng)和視覺識(shí)別技術(shù),確保了100%的質(zhì) 量達(dá)成。張鴻[10]研究了電驅(qū)系統(tǒng)螺栓擰緊工序的統(tǒng) 計(jì)過程控制和特征提取,提出了基于小波分析和蝗蟲 優(yōu)化算法(GrasshopperOptimizationAlgorithm,GOA)以 及最小二乘支持向量機(jī)(LeastSquaresSupportVector Machine,LSSVM)模型的控制圖模式識(shí)別模型GOA? LSSVM,開發(fā)了螺栓擰緊質(zhì)量監(jiān)控模塊,實(shí)現(xiàn)了對(duì)擰 緊質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和異常反饋。ZHANG等人[11]發(fā)明 了一種用于裝配螺栓連接的新型預(yù)緊力控制工具,在 擰緊過程中可以實(shí)時(shí)監(jiān)控螺栓預(yù)緊力,有效降低預(yù)緊 力不一致性。     

綜上所述,目前對(duì)螺栓擰緊工藝的研究主要集中 在對(duì)擰緊工藝進(jìn)行仿真優(yōu)化、使用機(jī)器人或智能擰緊 工具等方面,同時(shí),現(xiàn)有的方法只是依靠扭矩計(jì)算公 式來判斷是否發(fā)生危險(xiǎn),無法在擰緊過程中快速獲得 螺紋表面及根部應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)應(yīng)力將要超過抗拉強(qiáng)度 時(shí),無法做到提前預(yù)測(cè)和報(bào)警。針對(duì)以上問題,擬建 立螺栓扭矩與應(yīng)力的關(guān)系,通過深度學(xué)習(xí)分類算法提 出擰緊失效智能識(shí)別及評(píng)估方法,為高端裝備上螺栓 高質(zhì)量和高可靠性的擰緊提供技術(shù)支持。

 

1 螺栓建模及有限元分析      

螺栓外螺紋輪廓線如圖1所示。外螺紋輪廓線上 任意一點(diǎn)到螺栓中心軸線的距離rb 為:

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式中:d為螺紋公稱直徑;P為螺距;H為螺紋原始三 角形高度;ρ為外螺紋根部圓弧半徑;θ為周向坐標(biāo)。

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根據(jù)式(1)、式(2)可以得到垂直螺栓軸向方向的 外螺紋輪廓線[12],如圖1b)所示。同理內(nèi)螺紋部分的 輪廓線由式(3)、式(4)得出[12]。

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式中:ρn 為內(nèi)螺紋根部圓弧半徑;rn 為內(nèi)螺紋輪廓線 上任意一點(diǎn)到螺栓中心軸線的距離。      

網(wǎng)格類型設(shè)置為六面體網(wǎng)格,螺紋處的網(wǎng)格尺寸 設(shè)置為0.05mm,根據(jù)式(1)與式(3)的螺紋輪廓線方程,使用Matlab 軟件計(jì)算出螺紋區(qū)域各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn) 坐標(biāo),然后以此計(jì)算出螺栓、螺母其他部分的坐標(biāo),最 終按照Abaqus 軟件輸入文件的編碼格式(.inp)編寫 出螺栓整體模型文件,構(gòu)建出M8×24的螺栓以及螺母 網(wǎng)格模型,如圖2所示。 本文主要研究的是螺紋部分 的應(yīng)力分布,為使模型更容易收斂,將螺栓頭部和螺 母簡(jiǎn)化為圓柱。

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螺栓選擇使用碳素鋼材質(zhì),連接板選擇使用 6061 鋁合金材質(zhì),螺栓和連接板材料及力學(xué)性能參數(shù) 如表1所示。

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在有限元分析中,對(duì)螺栓頭部逐步施加扭矩至 12 N·m,以模擬在真實(shí)試驗(yàn)中螺栓擰緊機(jī)對(duì)螺栓頭 部進(jìn)行擰緊操作。 在扭矩施加過程中,螺紋面應(yīng)力發(fā) 生變化,變化過程如圖 3 所示。 當(dāng)擰緊扭矩達(dá)到 12 N·m時(shí),螺紋處最大應(yīng)力為320 MPa,達(dá)到了螺栓 材料的屈服強(qiáng)度,當(dāng)擰緊扭矩超過12 N·m時(shí),螺栓 會(huì)發(fā)生形變,甚至斷裂。

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經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),當(dāng)扭矩超過12 N·m時(shí),螺 栓發(fā)生了斷裂,驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性,螺栓超過最大 扭矩發(fā)生斷裂如圖4所示。

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2 擰緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)      

本文設(shè)計(jì)的擰緊系統(tǒng)由兩個(gè)主要部分組成:擰緊 裝置和扭矩采集裝置。 這兩個(gè)組成部分協(xié)同工作,確 保了擰緊過程的高效性和準(zhǔn)確性。 圖5所示為擰緊裝 置的三維模型,擰緊裝置包括伺服電機(jī)、行星減速器 及扭矩傳感器等部件。 擰緊六角批頭連接結(jié)構(gòu)見圖 6,其中擰緊六角批頭為可更換設(shè)計(jì),以適配不同規(guī)格 的螺栓,其連接結(jié)構(gòu)如圖6a)所示,六角批頭如圖 6b)所示,開有4個(gè)通孔,采用螺釘連接。

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除此之外,整體的試驗(yàn)設(shè)備還包括XYZ三軸位移 平臺(tái)、升降平臺(tái)、螺紋連接板、待測(cè)試螺栓及信號(hào)采集 儀等,試驗(yàn)裝置與信號(hào)采集裝置如圖7所示。 其中 XYZ 三軸位移臺(tái)可以在螺栓旋入過程中,手動(dòng)推動(dòng)擰 緊裝置向前進(jìn)給,保證螺栓旋入過程的平穩(wěn)。 升降平 臺(tái)則可以配合螺栓連接板實(shí)現(xiàn)不同的擰緊條件,比如 傾斜擰緊。 本文所用的扭矩采集儀如圖7所示,扭矩 傳感器直接采集到的是模擬量電壓信號(hào),信號(hào)從扭矩 傳感器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡,最終傳輸至電腦程序中。

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伺服電機(jī)型號(hào)為臺(tái)達(dá)ECMA?C20807SS,額定轉(zhuǎn)速 為3000 r/min;驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為臺(tái)達(dá)ASD?B2?0721?B;減 速器型號(hào)為阿爾帕PF80L1?70/19?40/M6?90,減速比 為12 ∶ 1;采集卡型號(hào)為阿爾泰USB3133A,輸入范圍 為0~5 V。 設(shè)定采集頻率為1 000 Hz,采集時(shí)間為 12~18 s,該設(shè)置能夠確保在擰緊過程的各個(gè)階段都能 獲得足夠精細(xì)的數(shù)據(jù)。 最終本文設(shè)計(jì)的擰緊裝置可 擰緊的力矩范圍為0~28.68 N·m。

 

3 研究方法        

本文提出一種有限元和深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的螺栓 擰緊質(zhì)量智能評(píng)估方法,擰緊質(zhì)量評(píng)估流程如圖8所 示。 該方法通過建立螺栓扭矩?應(yīng)力映射關(guān)系,在擰緊 過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺紋應(yīng)力變化趨勢(shì),并在擰緊完成后基于扭矩曲線特征,采用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)擰緊質(zhì)量進(jìn) 行智能評(píng)估。圖8中,多層感知機(jī)中的輸入特征x1 、 x2 、…、xn 為數(shù)據(jù)預(yù)處理中提取的特征值,y1 、y2 、y3 分 別為擰緊質(zhì)量的3個(gè)類別(正常、浮鎖和傾斜)的概 率,其中傾斜指螺栓軸線與螺栓孔軸線不平行。時(shí)域 特征與頻域特征分別如表2、表3所示。

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3.1 扭矩?cái)?shù)據(jù)采集及特征提取      

首先通過搭建的擰緊工具對(duì)螺栓擰緊過程中的 扭矩進(jìn)行采集,隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理 具體過程如下:首先,采用濾波器對(duì)原始扭矩信號(hào)進(jìn) 行降噪處理,圖9所示為原始信號(hào)處理前后對(duì)比;其 次,對(duì)降噪后的信號(hào)實(shí)施連續(xù)小波變換,將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到時(shí)頻域。 從時(shí)域信號(hào)中提取出信號(hào)平均值、 最大值、最小值以及信號(hào)的離散程度等特征,如表2所 示。 從頻域信號(hào)中提取出頻域信號(hào)平均值、總能量及 離散程度等特征,如表3所示。 表2和表3中對(duì)正常、 浮鎖及傾斜樣本各取一例進(jìn)行計(jì)算。 將提取出的時(shí) 域及頻域特征值作為圖8中多層感知機(jī)的輸入特征, 經(jīng)過多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),最終輸出3種擰緊類別(正常、浮 鎖、傾斜)的概率,以此可以對(duì)螺栓的擰緊質(zhì)量進(jìn)行 分類。

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3.2 擰緊質(zhì)量分類模型訓(xùn)練      

螺栓擰緊過程中可能出現(xiàn)的擰緊質(zhì)量類別有很 多種,不合格的擰緊質(zhì)量不僅影響連接的穩(wěn)定性和可 靠性,還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的過早損壞甚至引發(fā)安全事 故。 本文以螺栓擰緊過程中的扭矩作為監(jiān)測(cè)對(duì)象,將 螺栓的擰緊類別分為浮鎖、傾斜和正常3種,如圖10 所示。

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訓(xùn)練數(shù)據(jù)由3類工況下的扭矩曲線構(gòu)成,樣本總 量為100組。 1)正常工況采用垂直裝配方式,以12 N·m為目 標(biāo)扭矩采集40組標(biāo)準(zhǔn)扭矩曲線。 2)浮鎖工況通過提前中斷擰緊過程來模擬未完 全緊固狀態(tài),采集30組扭矩曲線。 3)傾斜工況通過調(diào)整連接板角度形成軸線偏移, 記錄30組扭矩曲線。        

所有扭矩曲線經(jīng)預(yù)處理提取時(shí)頻特征后,按 8 ∶ 2比例隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集(80 組)與驗(yàn)證集(20 組)。 模型采用Adam優(yōu)化器進(jìn)行1 000次迭代訓(xùn)練, 訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置與所需訓(xùn)練環(huán)境如表4所示。

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訓(xùn)練結(jié)果表明,損失函數(shù)值在400次迭代后趨于 穩(wěn)定,該模型對(duì) 3 類擰緊類別的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到 99 %,如圖11 所示。 該結(jié)果驗(yàn)證了扭矩信號(hào)特征提 取與分類模型設(shè)計(jì)的有效性。

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3.3 螺栓應(yīng)力預(yù)測(cè)      

螺栓的應(yīng)力預(yù)測(cè)過程如圖8中螺栓應(yīng)力預(yù)測(cè)模塊 所示。 首先,建立螺栓擰緊過程的有限元模型,對(duì)螺 栓頭部施加扭矩,導(dǎo)出在不同扭矩下螺栓的應(yīng)力數(shù)據(jù) 庫,包含所施加的扭矩值、螺栓表面節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值及 應(yīng)力值。 其次,需基于不同扭矩下的應(yīng)力仿真結(jié)果, 對(duì)任意扭矩下的應(yīng)力信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。 假設(shè)已知扭矩 T1 =9 N·m和T2 =11 N·m,其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布數(shù)據(jù) 集分別為σ1 (xi ,yi ,zi )和 σ2 (xi ,yi ,zi ),需要對(duì) T=10 N·m時(shí)的應(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。 針對(duì)螺栓擰緊過程中 扭矩連續(xù)變化的特性,本文采用線性插值方法對(duì)螺紋 應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè),具體公式為:

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式中:σ(xi ,yi ,zi )為包含所有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 集合。       為了評(píng)估插值預(yù)測(cè)的可靠性,需將預(yù)測(cè)得到的應(yīng) 力分布與仿真計(jì)算得到的應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比,其節(jié)點(diǎn) 相對(duì)誤差為:

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式中:εi 為相對(duì)誤差;σpred (xi ,yi ,zi )為應(yīng)力預(yù)測(cè)值; σFEA (xi ,yi ,zi )為有限元計(jì)算的應(yīng)力值。       計(jì)算得到的相對(duì)誤差如表5所示。結(jié)果表明,隨 著擰緊扭矩的增大,插值算法與仿真計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn) 應(yīng)力值相對(duì)誤差呈逐漸減小的趨勢(shì)。原因在于剛開 始擰緊時(shí),擰緊扭矩較小,在試驗(yàn)過程中螺紋面不完 全接觸,而相應(yīng)的仿真模型則已經(jīng)完全接觸,因此造 成了剛開始擰緊時(shí)的相對(duì)誤差較大;隨著擰緊過程的 進(jìn)行,扭矩不斷增大,螺紋面開始完全貼合,此時(shí)試驗(yàn) 模型狀態(tài)與仿真模型一致,相對(duì)誤差開始降低。擰緊 過程中最大相對(duì)誤差不超過5%,平均相對(duì)誤差不超 過1%,驗(yàn)證了插值預(yù)測(cè)的有效性,說明該方法能夠較 為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)螺栓擰緊過程中的應(yīng)力分布情況。

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3.4 異常狀態(tài)診斷      

基于本文第3.2節(jié)建立的擰緊質(zhì)量分類模型與本 文第3.3節(jié)提出的應(yīng)力預(yù)測(cè)方法,構(gòu)建螺栓擰緊過程 智能分析系統(tǒng),如圖12所示。      

該系統(tǒng)通過協(xié)同工作機(jī)制實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)診斷:在 擰緊過程中,實(shí)時(shí)采集扭矩信號(hào)并輸入應(yīng)力預(yù)測(cè)模 塊,通過式(5)動(dòng)態(tài)計(jì)算螺紋的應(yīng)力分布;當(dāng)預(yù)測(cè)應(yīng)力 最大值超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí),立即彈出警告窗口, 提醒操作人員終止擰緊以避免斷裂風(fēng)險(xiǎn)。在完成擰 緊操作后,系統(tǒng)將完整扭矩曲線輸入分類模型進(jìn)行質(zhì) 量評(píng)估,最終的識(shí)別結(jié)果如圖12所示,若識(shí)別結(jié)果為 浮鎖或傾斜缺陷,則自動(dòng)調(diào)取對(duì)應(yīng)工況下的應(yīng)力云圖,顯示異常區(qū)域的最大接觸應(yīng)力值及其分布特征。

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4 方法驗(yàn)證      

為驗(yàn)證本文所提出方法的有效性,本文針對(duì)4.8級(jí) M8螺栓開展試驗(yàn)驗(yàn)證。首先基于有限元方法建立螺 栓連接結(jié)構(gòu)的分析模型,通過對(duì)螺栓頭部逐步施加 0~12N·m的扭矩載荷,獲取不同扭矩工況下的螺紋 應(yīng)力分布,并根據(jù)式(5)構(gòu)建面向任意扭矩值的螺紋 應(yīng)力插值預(yù)測(cè)算法。然后對(duì)3種擰緊工況下的扭矩曲 線進(jìn)行采集,共采集100組數(shù)據(jù),將擰緊質(zhì)量智能識(shí)別 方法判斷出的擰緊類別與實(shí)際工況對(duì)比,驗(yàn)證其準(zhǔn)確 率,結(jié)果如表6所示。

螺栓擰緊質(zhì)量評(píng)估及失效智能識(shí)別方法研究

通過100組的扭矩?cái)?shù)據(jù)分類結(jié)果可知,其中正常 工況下的40組數(shù)據(jù)無誤判,浮鎖工況下的30組數(shù)據(jù) 無誤判,傾斜工況下的30組數(shù)據(jù)有1組誤判為了正 常。結(jié)果表明,基于深度學(xué)習(xí)的螺栓擰緊質(zhì)量智能識(shí) 別方法能夠有效區(qū)分正常、浮鎖及傾斜3類擰緊質(zhì)量 類別,分類模型的準(zhǔn)確率為99%,驗(yàn)證了該方法在不 同工況下的可靠性。5 結(jié)語       本文中提出了一種基于深度學(xué)習(xí)和有限元相結(jié) 合的智能識(shí)別與評(píng)估螺栓擰緊失效的方法。該方法 能在擰緊螺栓過程中對(duì)扭矩和螺紋面接觸應(yīng)力實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè),具體的結(jié)論如下。 1)建立了螺栓擰緊過程的有限元仿真模型。通 過建立螺紋面幾何模型,使用Abaqus軟件模擬了螺栓在擰緊過程中扭矩及螺紋面應(yīng)力的變化,并根據(jù)螺紋 應(yīng)力大小確定了螺栓擰緊的最大安全扭矩。 2)建立了螺栓擰緊扭矩?cái)?shù)據(jù)分類模型。 基于深 度學(xué)習(xí)建立了螺栓擰緊扭矩曲線的分類算法。 經(jīng)驗(yàn) 證,該算法能較為準(zhǔn)確地檢測(cè)和識(shí)別不同的擰緊質(zhì)量 類別。 3)設(shè)計(jì)了集成的螺栓擰緊質(zhì)量智能識(shí)別及評(píng)估 系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)了包括擰緊裝置和分析軟件的集成系統(tǒng), 并基于深度學(xué)習(xí)算法、有限元仿真實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺栓擰緊 過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和智能診斷。      

與傳統(tǒng)方法相比,該方法不僅能在擰緊過程中智 能判別擰緊狀態(tài),還能根據(jù)扭矩實(shí)時(shí)觀察接觸應(yīng)力的 變化。 本研究為螺栓擰緊工藝的優(yōu)化和質(zhì)量控制提供 了新的思路和方法,未來的工作將進(jìn)一步優(yōu)化算法性 能,擴(kuò)展系統(tǒng)功能,并在更多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行驗(yàn)證。

 

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