擰緊機的設計原理及后期改造

摘要：介紹一種電動多軸螺母擰緊機控制系統的基本原理及硬件。該系統采用分布式結構，每個軸都由一個以AFC-1100為核心的控制單元控制，保證了定扭矩擰緊實現。
　　關鍵詞：擰緊機；萬向聯軸器；伺服電動轉矩緊固器；軸控單元；
　　Design principle and later stage screwing machine tightly reform a scheme
　　Abstract: The machine introducing that one kinds of electric polyaxis nuts screw tightly controls the systematic basal principle and hardware. Be system s turn to adopt distributed structure, the element has controlled every capital of axis from controlling of one centering on AFC-1100 , has ensured that moment of torsion screws realization tightly surely.
　　Keywords: Screw machine tightly; Ten thousand to forming a shaft coupling; Universal coupling； The axis charges an element；
　　前言
　　自動擰緊機是集機械傳動、電氣傳動、氣動技術、電子技術、自動檢測于一體的機電一體化設備。擰緊機顧名思義就是擰緊工件的設備單元，主要應用在螺栓/螺母擰緊方面。一臺機器有成百上千個零件采用螺栓緊固的方法裝配，在大批生產中又是由多人在不同的工位里完成的。而且每天又要裝配幾十或幾百臺機器，這個螺栓的數量是可想而知的，并且還要擰緊到產品圖紙規定的擰緊力矩的數值。為了提高生產效率、保證螺栓的擰緊力矩――自動擰緊機便誕生了。
　　我廠自動擰緊機的原狀
　　1997年一汽大宇在煙臺建廠其變速器總裝生產線的自動擰緊機就是韓國DAEWOO公司制造，而電動擰緊機采用日本DDK擰緊機。擰緊機采用伺服電動轉矩緊固器、控制器采用AFC-1100型號,體積小,功能強大并有自檢功能。其緊固功能分為轉矩法與角度法控制兩種
例如選換檔蓋擰緊控制為轉矩法控制,放油螺栓擰緊控制為角度法控制。
　　轉矩法是最常用的螺栓擰緊方法緊方法 ,通過扭矩扳手顯示的扭矩值來控制被連接件的預緊力的方法，操作操作簡單直觀。
　　角度法控制是把螺栓一直擰到預定扭矩后再轉過一個預定的角度的控制方法。這是根據螺母或螺栓擰緊時的旋轉角度與螺栓伸長量和被擰緊件松動量度的總和大致成比例關系，因而可采用按規定旋轉角度來達到預定預緊用按規定旋轉角度來達到預定預緊力的方法
　　我廠產品技術現狀及后期技術改造要求
　　我廠現在的主流產品為D16/D20系列手動檔變速器。其中螺栓連接主要用于保證法蘭、殼體側蓋等連接系統緊密不漏、安全可靠地長周期運行,要求墊片表面必須有足夠的密封比壓,特別在高溫震動工況下墊片會產生老化、蠕變松弛,法蘭、側蓋和螺栓產生熱變形,因此力矩對螺栓的連接有至關重要的影響,此時螺栓預緊力的施加與控制就顯得十分重要,過大或過小的預緊力都會對密封產生不利影響.螺栓預緊力過大,密封墊片會被壓死而失去彈性,甚至會將螺栓擰斷;過小的螺栓預緊力又使受壓后墊片表面的殘余壓緊應力達不到工作密封比壓,從而導致密封腔體連接系統泄漏.因此如何控制螺栓預緊力是生產實際中必須重視的問題。
　　差速器后蓋采用10個螺栓擰緊，由于技術的變更差速器的后蓋螺栓改為11個螺栓擰緊。為方便起見采用10個螺栓連接的產品稱A型號，采用11個螺栓連接產品稱B型號。A型號的變速器還要生產2年，之后全部切換為B型號的變速器，這2年內兩種產品要進行切換生產。
我們現在圍繞差速器側蓋螺栓擰緊機進行探討，主要從機械方面、電氣方面進行分析。


　　一． 機械方面




　　差速器側蓋螺栓擰緊機的原有結構如下圖1所示
　　 擰緊機的擰緊頭套筒的分布圖與側蓋的螺栓分布圖正好一致，處于同軸狀態。擰緊滑臺依靠氣缸推動到達指定位置后，擰緊機開始進行擰緊。
　　經過技術改造后的A型號產品分布圖與B型號產品分布圖2如下




　　其中a,b,c,d,e,f,g,h,j,k為原有的10軸擰緊槍；而A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K為產品圖紙更改后設備的尺寸,為11軸擰緊槍。
　　通過圖紙的實際比較可以看出：10軸擰緊機于11軸擰緊機的尺寸差異不大,只是差了一個軸而已。通過現場調查,可以把新增加的一個軸放在i位置(虛線表示)。
　　下面對能夠滿足要求的兩個方案進行分析比較
　　方案1
　　通過在原有擰緊機上增加一套切換模板的方式進行設備改造（如圖3所示）。這樣原有的擰緊機可以重復利用，節約一部分資金。
　　但是由于增加了一個軸的緣故，造成擰緊機的多根軸位置與模板的軸不同心。
　　我們需要利用萬向聯軸器來解決該問題。




　　萬向聯軸器是一種允許兩軸之間具有較大徑向位移的聯軸器，兩軸之間的軸間角最大可達450 ，而且在運轉的過程中可以根據需要隨時改變兩軸的軸間角。
　　為了消除萬向聯軸器從動軸轉速周期性波動問題,我門將兩個單萬向聯軸器串連成為雙萬向聯軸器（如圖4所示）。
　　 則主動軸、從動軸與中間軸的轉角關系式為




　　　　tanф1＝tanф3cosα1
　　　　tanф2＝tanф3cosα2
　　　　tanф1/tanф3 = cosα1/cosα2
　　　　ф1、ф2、ф3 --主動軸、從動軸與中間軸的轉角；
　　　　α1、α2 －―主動軸、從動軸與中間軸的軸間角；
　　當α1＝α2時，ф1＝ф2，這樣主動軸與從動軸之間沒有轉角差，消除了主動軸等速回轉而產生的從動軸轉速波動的情況，這樣擰緊機的實際扭矩就會真實的在擰緊軸上反映出來。
此外雙萬向聯軸器在安裝時還要滿足三種條件：
　　1）主動軸、從動軸與中間軸的軸間角相等；
　　2）主動軸、從動軸與中間軸的軸線應位于同一平面內；
　　3）中間軸兩端的軸叉應位于同一平面內。





　　從裝配線現場的實際情況考慮，在原有擰緊機不做大量改動的前提下只需要一套與11軸后蓋相匹配的模板即可；在生B型號產品產品時（如圖5所示），ω1軸左側連接擰緊機通過聯結雙萬向聯軸器于右側ω2把動力輸出到模板上的套筒，繼而擰緊螺栓；在生產A型號產品時，只要卸下模板與雙萬向聯軸器，把套筒裝到原有的擰緊機上，即可使用（參照圖6）。





　　方案二




　　擰緊機左側是A型號產品擰緊機構,右側是B型號產品擰緊機構
　　圖7表示在生產兩種產品時可以選擇不同的（A型號與B型號）擰緊機構，依靠氣缸推動來完成不同型號產品的切換，來達到加工不同型號產品的目的。當生產A型號產品時，對應的A型號擰緊機滑動到相應的位置來擰緊側蓋螺栓，相應的生產B型號產品時,B型號擰緊機則在初始位置進行擰緊。在控制面板處設有A/B型號產品轉換開關進行選擇。各自的擰緊機構相互獨立，一臺設備發生問題時，對另一型號設備無影響。
　　優點與缺點
　　方案一
　　設備結構緊湊，占地空間小、設備改動量小、活動余地大、節約設備改造資金。生產B型號產品時，只需裝上B型號產品模板，11個擰緊頭全部工作；生產A型號產品時，可拆下B型號產品模板，屏蔽一個軸即可。
　　方案二
　　設備結構松散、占地空間大，活動余地小、擰緊頭的數量增加一倍，并且控制器也要相應增加一倍（設備成本增加一倍），兩年后產品完成全部型號切換，另一套設備閑置，并且資金浪費較大。
　　二． 電氣方面
　　鑒于擰緊機采用套裝形式如圖8所示，即一個擰緊機配一個控制器。我們可以把所有的擰緊機通過RS-422的數據通訊接口連接到電腦或PLC 來完成控制打印、數據傳輸、同時擰緊等命令的操作。





　　首先，我們設定擰緊機的控制器，像擰緊模式，最大、最小擰緊力矩等功能，其次把連接電纜按照說明書的標定進行一一連接，需要注意的是擰緊機的電壓為三相220V電壓，不可同兩相電混淆。最后加電，這樣通過PLC的集中控制，在工件到達指定位置時，PLC發出信號，控制滑臺前進，獲得指令后，則擰緊機開始在控制器的系統參數設定下進行擰緊，在擰緊的過程中依靠力矩傳感器、編碼器等單元向控制器反饋擰緊數據，在擰緊過程完成后，向PLC發送OK/NG信號。以便PLC進行判斷，進行下一步動作，如此循環往復。
　　1.擰緊機簡介
　　擰緊機的基本結構如圖9所示
　　擰緊機主要由驅動電機、行星齒輪減速機構、編碼器、力矩傳感器等組成。




　　 1．編碼器 2.驅動電機 3.行星齒輪減速機構 4.力矩傳感器
　　　　驅動電機主要供給擰緊機動力，把電能轉化為機械能；
　　　　行星齒輪減速機構是起到降低齒輪轉速，增大扭矩的作用；
　　　　編碼器起到傳感器的作用，把電動機旋轉的轉角（或位置）信號輸出送給驅動器，　　　　及時向控制器反饋轉速、扭矩、角位移的單元；
　　　　力矩傳感器是把旋轉扭矩由驅動桿傳遞輸出擰緊工件所用的模擬信號變成數字信號傳遞給控制器的單元。
　　1. 軸控單元
　　每臺擰緊機裝設一個軸控單元，其各部分是相互獨立的系統，主要控制其對應的擰緊機，包括一些參數的設置。最后通過I/O接口單元，統一把軸控單元連接到一起，最終由PLC進行控制。
軸控單元主要有以下等具體功能：
　　　　(1) 設定控制器中擰緊模式，最大、最小扭矩的功能；
　　　　(2) 統計擰緊數值，儲存，打印功能
　　　　(3) 與PLC進行連接，對擰緊結果進行判斷，并自動發出OK/NG的控制信號的功能
　　　　(4) 數據通訊將擰緊結果傳送給、自動報警等功能




　　通過機械與電氣兩方面的分析比較，我們最終確定了方案一。經過短短兩個月的改造，便順利完成了該項目。
　　到目前為止，我們成功的改造這一臺自動擰緊機設備，各方面指標均已達到規定要求。
通過我們的自行研究開發解決了新產品型號設備更新換代問題。更為重要的是：培養和鍛煉了技術人員，使我們技術人員能充分掌握這一先進技術并為我所用，增強了技術人員的實力，并將技術運用在實際生產中提高了我廠競爭實力，為我公司后續產品開發奠定了技術基礎。