基于模块化理念的自动拧紧机的机械系统设计_傅顶和

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木工机床　2008　No.1

基于模块化理念的自动拧紧机的机械系统设计

M echan ism D e s ign o f Au t om a ti c Ti gh ten ing M a ch ine B a sed o n Mo du l a riza ti o n

傅顶和

(福建省特种设备监督检验所)

摘　要:为了解决螺纹联接件装配拧紧过程中螺栓预紧力控制,以及现有拧紧系统的柔性差和快速

维修难等问题,介绍了一种基于模块化设计理念的螺栓(母)自动拧紧机的机械结构设计。在系统控制原理和拧紧机工作过程介绍基础上,对系统模块组成结构,以及机械系统的主机

箱、拧紧轴的关键环节做出了结构分析,并对动力源、传感器等的选购进行了讨论。

关键词:拧紧机;预紧力;扭矩控制中图分类号:TS131.3

Ab s trac t:To so lve the p r o b l em o f the p re -ti gh ten ing f o rce co n tr o l du ri ng the sc rew th re ad p a rt is

fa s tened,a s w e ll a s the p r o b l em o f the fl e xi b l ene s s and rap i d rep a ir t o au t om a tic tigh te 2n i ng m ach i ne ,the m echan ism de s ign o f the m a ch ine app li e d m o du l a riza ti o n idea is p u t f o r w a rd.F irs t,the p ri nc i p le o f the sys tem co n tr o l and the wo rk p r o ce s s o f the m ach i ne is in tr o duced.Then,the m a ch ine ry fram ewo rk o f the m a in -bo x and ti gh ten ing -axis is ana lyzed.A t la s t,the se l e c ti o n o f e lec tr om o t o r and sen so r is d iscu s sed.

Keywo rd s:Au t om a ti c Tigh te n i ng M ach i ne;P re -tigh te n i ng Fo rce;To rque Co n tr o l

引　　言

螺纹联接由于简单可靠、拆卸方便,而广泛应

用于众多的机构装配中,螺纹联接件装配技术是机电工业的共性技术。重要的机电产品(如发电、输变电、汽车等)对装配质量的要求很高,为保证螺纹副联接的机械性能,对螺栓预紧力必须加以控制。可控加载螺栓拧紧机就是应用于对预紧力有要求的自动化设备。本文介绍一种基于模块化设计理念自动拧紧机,在系统控制原理分析和工作功能介绍的基础上,重点讨论了拧紧机机械系统设计。通过模块化设计理念的应用,拧紧机被划分成多个功能单元模块,从而大大提高了系统柔性,可实现装备快速重组,方便制造与维修。

1　拧紧系统工作原理分析

螺纹联接件的拧紧,可使螺栓在承受工作载荷之前,预先受到力的作用,即预紧力,其目的在于增强联接的可靠性和紧密性,防止受载后出现

缝隙或相对滑移[1]

。适当预紧力,在保证螺纹联

接的可靠性同时,可提高联接件的疲劳强度;但预紧力过大,则在拧紧时或工作时稍有过载即产生断裂。因此,对于重要的螺纹联接,其预紧力需实施精确控制。

1.1　预紧力控制分析

力学分析表明,在弹性变形范围内,预紧力与螺栓的受力面积、伸长量及力学强度关,且螺栓的强度级别和尺寸确定后,预紧力仅与伸长量有关。但在实际拧紧装配时,要准确测量螺栓的伸长量,并用于控制其拧紧过程,在技术实现上非常困难,因此在工程上,目前主要采用扭矩控制、扭矩-转角控制、屈服极限控制,其中扭矩控制是国内外最常用的、间接实施预紧力控制的拧紧方法。

理论上,预紧力同拧紧加载扭矩和摩擦系数,以及螺纹联接件形状尺寸之间有确定的函数关系[2][3]。但由于该关系过于复杂,该数学模型应用于实际控制是不可行的,因此工程上采用“扭矩系数”的概念,建立拧紧过程中扭矩与预紧力之间关系的经验数学模型,即:

T =Kd ?F

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其中:F 是螺栓轴向预紧力(N );T 是拧紧力矩(Nm );d 是螺纹的公称直径(mm )

实验表明,扭矩系数K 与螺纹尺寸、形状及摩擦系数有关,摩擦系数越大,K 也越大,但对于同一装配对象,若在螺纹件摩擦因素散差得到严格控制的条件下,K 为常数,而d 为定值,这样F 同T 间呈线性关系变化,因此通过螺栓拧紧加载扭矩值的控制,便能间接的实现联接件预紧力控制,且控制方法简单、直观。

1.2　

系统工作过程

目前,自动拧紧的工作对象主要是发动机缸

体缸盖螺栓、车桥减速器差速器螺栓,对于这些螺栓的拧紧除有预紧力要求外,由于这类螺栓的数量较多,为提高装配效率和质量(如发动机缸盖螺栓的拧紧,理想工艺所有螺栓同时到达预紧要求),通常采用多螺栓同时拧紧。如图1为某企业后桥背齿螺栓拧紧机,该机为可同时拧紧四个螺栓,加载头有拧紧力检测环节,用于加载过程中的扭矩自动检测。

1—动力头,2—主轴箱,3—传感器,4—加载头,5—床身6—工件,7—装配线,8—背齿螺栓,9—差壳,10—背齿

图1　背齿螺栓拧紧机及背齿螺栓装配图

该拧紧系统的具体工作过程如下:当装配线

小车推到拧紧工位以后,按下控制面板上的“加载”钮后,系统自动进入螺栓(母)拧紧工作状态。进给单元的垂直升降装置将带动加载单元向下运动,到达下限位加工位置,进给系统停止;加载头开始加载运转,检测环节的扭矩传感器拧紧力矩,同时控制器将根据检测信息,自动切换加载头转速,完成认帽、快速拧入、慢速拧紧等工作循环,当被拧对象的拧紧力矩达到设定值后,加载头停止;垂直升降装置再次启动,带动加载单元向上运动,当到达上限位开关时,拧紧循环正常结束。

2　模块化拧紧机系统组成结构

图1所示的拧紧机其机械系统采用传统结构设计,拧紧运动通过动力头经主轴箱、输出到加载头。动力头包括电机和减速器,为拧紧的动力来源;主轴箱为动力分配机构,将动力头输出轴的一个运动,分成多个同时转动的加载头运动,实现多个螺栓同时拧紧。实际生产表明,该结构存在以下问题:①系统柔性差。通常产品不同,螺栓(母)分布圆直径也不同,对于多轴拧紧系统,为适用多品种生产的需要,其轴中心距需要能随拧紧对象变化而能快速调整。但由图1(a )可见,该结构主轴箱动力分配采用定轴齿轮传动,输出轴轴间距

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受传动齿轮限制而固定。但现代企业均以多品种、小批量为生产纲领,需要在同一装配线上生产多个品种产品,轴间距固定的拧紧机是不能适应该要求的。②快速维修难。由于主轴箱输出轴承受力矩最大,实际生产中,主轴箱齿轮和轴承易损坏,需要经常检修。但图1系统的主轴箱结构庞大,维修时装拆复杂、耗时长。现代装配线生产节奏高,停线检修时间短,要求所有装备均能实现快速维修,

上述结构系统显然也不能适应该要求。

图2　模块化拧紧机系统组成结构图鉴于传统机械结构不足,并根据实际拧紧现场工艺的要求,本文提出基于模块化理念自动拧紧机系统,如图2为系统模块组成结构。其中,机械部分主要有主机箱和拧紧轴两大功能模块组成。

(1)拧紧轴模块用于螺栓装配拧紧。每个拧

紧轴模块均为独立单元,包括动力子模块、减速子模块、检测子模块和加载头等,独立完成一个螺栓装配中的加载、检测和控制任务。在组成拧紧系统时,具体所需轴数量,则根据实际装配工艺,采用单轴或多轴配制。如汽车变速箱凸缘螺母拧紧机为单轴系统,驱动桥的差壳和背齿螺栓拧紧机多为四轴系统,而发动机缸盖螺栓拧紧机多达10轴配制。

(2)主机箱模块用于固定和支承拧紧轴,包括箱体覆盖件、支撑底板子模块和间距调整子模块。支撑底板子模块加工有标准接口,用于安装拧紧轴和间距调整模块。

基于模块化理念的拧紧机各功能模块,以及

子模块均采用标准接口,制造企业依据各模块主要性能参数实施系列化的模块生成。当实际订订单到来时,便可根据订单用户的装配工艺要求,将各模块实施快速组合,从而可实现快速的订单响应;另外,当生产现场拧紧机需要维修时,只需查找到问题模块,并用正常模块替代便可,从而实现快速的现场维修。以上两点,不论对于拧紧机制造企业,还是最终用户其意义都是非常巨大的。

3　拧紧系统机械结构设计

3.1　主机箱

主机箱在机械设计中,重点是支撑底板设计

和间距调整模块设计,机箱作为外围覆盖件相对较为简单。

(1)支撑底板

支撑底板为系统支撑件。首先,应设计有标准接口,用于安装主轴和间距调整模块。模块化设计所依赖的是模块的组合,即接口。为了保证装配时系统有效组合,针对不同性能参数的拧紧轴和间距调整模块,支撑底板都设计有具有相同的安装基面和相同的安装尺寸接口。其次,底板在螺栓拧紧过程中还要起到拧紧力矩封闭作用,该因素是底板设计的重要约束。由拧紧过程力学分析可知,拧紧轴在加载过程中,给螺栓施加有拧紧力矩。依据作用和反作用定律,螺栓对其有一反力矩,这一对力矩必须平衡才能实现稳定的螺栓拧紧。机械上,通常箱体上设计两个固定压条,通过拧紧轴的加载头凸台,将轴限制在压条和箱体底板之间,这样一方面固定了拧紧轴,另一方面螺栓反力矩便通过加载头,经凸台向压条传递,最后由支撑底板来平衡,实现加载过程中的拧紧力矩闭合。因此在支撑底板设计时,应保证其有足够的强度,并要进行计算校核,以保证安全的实现拧紧力矩封闭。

(2)轴间距调整子模块

实际生产过程中,对轴间距调整的基本要求是:快速、准确,机构简单(因为安装位置尺寸有限制)。基于该原则,本文介绍的一种调整机构,如图3所示。拧紧轴被连在一长螺栓上,螺栓与箱体之间是螺纹连接,当调整中心距时,可直接转动螺栓,带动轴模块移动,当调整到位后,压上防松垫

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1—主机箱,2—拧紧轴,3—固定压条

4—调整螺栓,5—调整垫块

图3　轴间距调整模块结构图

块、锁紧调整螺栓,便可完成调整操作。轴中心距调整可采用无级或有级两种,本文图中出示的为有级调整机构,其中的防松垫块为圆形台阶结构,台阶高度对应不同产品的分布圆直径,当需调整轴中心距时,根据产品选择相应的台阶高度,则相当于采用了不同厚度的垫块,从而实现有级中心距调整。该方法实际应用效果极好,它既避免了烦琐的定位机构,调整准确、且方便、快捷。

3.2拧紧轴

拧紧轴用于负责螺栓或螺母的拧紧加载外,同时还完成拧紧扭矩的检测,是拧紧系统核心。如图4是本文提出的拧紧轴模块组成结构及控制图。

该模块由动力源、减速器、传感器和加载头四个功能子模块组成。拧紧过程中的力矩控制采用闭环模式,即控制器(计算机)发出指令,控制动力源(伺服电机)运行,经减速机构将扭矩放大后,通过加载头(螺栓扳手)旋转螺栓,完成拧紧操作;同时目标控制传感器(扭矩角度传感器)检测拧紧扭矩、转角等变化,反馈给控制器,当达到预紧力要求的设定值时,控制器发出停止加载指令,使加载头停止动作,结束螺栓自动拧紧工作循环。

(1)动力源

自动拧紧机通常采用直流或交流伺服电机驱图4　拧紧轴模块组成结构和控制图

动,主要从两方面考虑:首先伺服电机具有高控制精度,且速度调整方便;其次,实际生产中,为使拧紧轴

获得大扭矩输出,减速机构通常采用大减速比,这样要求动力源有极高的转速,才能满足经大减速后,仍有较高转速输出,以满足螺栓拧紧空行程的快速进给需求。通常要求电机额定转速在5000r/m in 以

上,这一点普通电机难以得到。除伺服电机驱动方

案外,在实际生产应用中,液压伺服马达也是极好的动力源,在对拧紧系统没有尺寸限制的前提下(如单轴系统),液压马达具有动力大,控制方便的特点;特别是由于其具有高输出扭矩,可减化减速机构,使得机械系统结构更简单;且液压马达价格经济,是一种性价比极高的动力选择方案。

(2)减速器

减速器主要用于拧紧系统的减速增力。当采用交流伺服为作动力源时,在常用功率0.75～2.0k w 范围内,电机额定输出扭矩通常在10Nm 以

下,以汽车传动系螺纹联接件拧紧要求为例,通常为200～1000Nm 范围,因此需要减速机构有大于100的减速比,才能满足预紧扭矩输出要求。另一方面对于多轴拧紧系统,由于拧紧对象的螺栓(母)分布圆尺寸限制,如斯太尔驱动桥差壳螺栓分布圆直径为Φ162mm ,为保证拧紧轴模块能适应多产品对象,其径向尺寸不能太大。这样在减速机构设计中,产生大力矩和小结构尺寸间的矛盾,为实现小尺寸前提下的减速增力目标,本文的拧紧系统采用“一级行星+2齿差”减速机构,应用该机构,外径120mm 的拧紧轴额定输出扭矩可达为1200Nm ,外径100mm 额定输出扭矩可达为600Nm ,并有30%的超载。

(3)传感器

在扭矩控制的拧紧系统中,传感器采用扭矩传感器,通常直接采购,有接触或非接触两大类可

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选择,两者在控制精度和稳定性方面有差别;至于选择国内、还是外国产品,从工程实践来看,对于汽车传动系螺纹联接件的装配,国内外产品均能满足生产需要,只不过国内产品外观相对差,但价格更为经济。另外由于扭矩控制、角度监控和角度控制、扭矩监控的拧紧模式在生产应用非常普遍,因此最好选择有角度测量功能的传感器,以便系统扩展。

扭矩传感器通过端面法兰或外圆螺纹与减速机构和加载头的连接,直接测量加载头扭矩的变化,并反馈给控制用于拧紧控制,这种方法为直接测量法。另外,对于交流伺服驱动的拧紧系统,由于伺服系统本带有扭矩检测环节,驱动器能直接测量电机轴输出扭矩,并作为模拟量(松下交流伺服为0～5v 电压信号)被上层控制器读取,因此在减速机构稳定可靠的前提下,也可直接使用该信号实施扭矩控制,这种方法为间接测量法。间接测量通过工程应用,对于精度要求不高的场合,是一种经济方案。特别是由于减少了扭矩传感器,轴尺寸大为减小,同时提高了系统稳定性。

(4)加载头

加载头直接与扭矩传感器相连,将螺栓在拧紧时产生的力矩传递到传感器;另外对于多轴系统,加载头在力矩封闭中起关键作用。如图3所示,加载头由套筒扳手、花键组件和弹簧等零部件组成。装配开始时,当加载单元下降到位后,弹簧因被压缩而受到一定的预压紧力,使套筒紧压在螺纹件六角头上;加载拧紧过程中,螺栓(母)在螺纹引导下应不断的下降,此时受压的弹簧,在压紧力作用下,会推动花键轴在花键套内向下运动,花键轴的未端为十字方头,在带动套筒扳手旋转的同时,也推动其向下运动,并始终将螺纹件六角头压紧于套筒扳手内,从而保证了拧紧加载过程的正常完成。

结束语

本文基于模块化设计理念介绍了一种可快速重组的、高柔性的螺栓(母)自动拧紧机。在系统加载控制原理分析和设备实际工作过程介绍基础上,对装备的机械系统进行了重点探讨。本文所介绍系统,已成功地运行于多条驱动桥和变速箱装配线上,大大提高了装配精度和生产率,稳定了产品质量,降低了工人劳动强度。

参

考

文

献

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育出版社,1995.

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[5]蔡业彬.模块化设计方法及其在机械设计中的应

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[6]童时中.模块化原理设计方法及应用[M ].北京:

中国标准出版社,2000.

作者:傅顶和　福建省特种设备监督检验所　邮编:

350002

(收稿日期:2008.2.28)

(上接第29页)

(8)磨损引起的误差

随着机床工作时间的增长,丝杠的磨损是不

可避免的。且国内厂家的数控机床和加工中心大多生产几种定型产品,传动系统磨损的不均匀性客观存在,必然引起传动精度的下降。

在一定时间内,将丝杠的磨损看作一定值,则由磨损引起的误差可看作系统误差,是可以通过一定的方法进行补偿。

由上分析可知,因外力、安装、温度、摩损、死区等因素引起的误差在理论上可以归类于系统误

差部分。因此,可以做完全的补偿。但由硬件引起的误差则往往是因控制系统与算法本身造成的原因,而无法进行一步减小误差,但因为它又是有界的,从而可预先估计。应特别指出,要实现高精度的定位精度及重复定位精度,不可能仅依赖提高滚珠丝杠精度及滚动导轨的精度来实现,固除恒定使用温度、消除电磁干扰、优化系统控制参数之外,还要补偿因为制造、安装产生的误差。

作者:王敏　辽宁省辽中县辽河化工厂高级工程师　邮编:110200

(收稿日期:2007.5.26)

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