自动螺纹拧紧机
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一汽轿车公司 冯德富 摘要 本文简要地点击了美国INGERSOLL-RAND 公司20 世纪70 年代自动拧紧机所存在的主要问题,对其工作原理进行分析和探讨,并给出了原理框图。重点是针对这些问题,参照其基本原理,应用当代新技术提出的研制方案,给出了研制成功的拧紧机的结构原理框图,并对框图中各环节的功能做了简要介绍。最后给出了自动拧紧机主控单元控制系统的程序流程图。 关键词: 扭矩 伺服电机 主控单元 轴控单元 驱动器 1 前言 螺栓的拧紧应用于机械行业的装配是一个普遍现象,以前人们只是考虑在装配时,把螺栓(或螺母,下同)拧到最紧的程度。后来人们才发现,这个“最紧”不过是一个非常模糊的概念,它是因人而异的。一台机器有几十,以至成百上千个零件采用螺栓紧固的方法装配,在大生产中又是由多数人在不同的时间里完成的。而且每天又要装配几十或几百台机器,这个“最紧”的离散度将是可想而知的。另外,还有些零件(如汽车发动机中的连杆大头孔),在生产车间需要用螺栓把瓦盖装配起来进行加工,而到了装配车间进行整机组装时,又先要松开螺栓,拆下瓦盖,套到曲轴上后再重新拧紧,如用这个“最紧”来进行,可想而知,其结果将是非常危险的。因而,如何有效的控制“拧紧”,并使其达到“最佳”,也就成为了机械行业十分关注的课题。自动拧紧机就是作为有效的控制“拧紧”,并使其达到“最佳”的装配工具。 2 我厂自动拧紧机的原状 自动拧紧机是集机械传动、电气传动、电子技术、自动检测于一体的机电一体化设备。一汽第二发动机厂建厂初期,用于自动生产线上的自动拧紧机有7 台,其中有2 台为美国INGERSOLL-RAND 公司20世纪70 年代的产品。拧紧的驱动部件为气动马达,控制气动马达的执行部件是快速截止阀。该快速截止阀受控于扭矩检测控制单元(因每轴一个,故称之为轴控单元),该阀平时常通,得电迅速断开,并自动保持到断开该阀的气源。其基本结构框图如图1 所示。 图 1该两台拧紧机由于机械件磨损严重,控制单元的电器元件老化,加之海损等原因,使其控制和测量精度低下,故障率高,稳定性差。且有些主要电子元件在当时已为淘汰品,无处购买,损坏无以更换。而且既无图纸,又无使用说明书,给维修造成了极大的困难。故而,严重地影响了产品的质量和生产的顺利进行。 针对上述问题,开始我们曾对其轴控单元进行了测绘,结合其工艺过程进行分析和研究,在弄通其检测和控制原理的基础上(通过测绘、分析、研究所得的系统原理框图见图2),应用当前通用的电子元件进行试制,并得到了成功地应用(该项目曾荣立分厂一等功)。然而其主机毕竟是20 世纪70 年代的产品,且随着对产品质量要求的提高,也就很难再适应了。但当时国内尚无此类成型产品,购买国外的价格又很高,我们难以承受。故对拧紧机的彻底更新这一问题也就提了出来。由于生产的急需,加之我们对加工拧紧机条件的欠缺,完全自行研制困难较大。故决定寻求合适厂家进行合作研制。经调研,拧紧机研制的合作伙伴我们选定了大连德欣公司。 图2 原INGERSOLL-RAND自动拧紧机控制系统原理框图3 研制方案的确定 经仔细分析,我们认为就机体的本身结构来讲,原拧紧机控制精度较低的主要原因如下: 拧紧的驱动部件为气动马达,受气源和同机中其它拧紧头(每台10 个拧紧头)的影响较大。 控制气动马达的执行部件是一个快速截止阀,同一阀芯多次重复动作速度的差异、各个阀芯间(10个拧紧头就有10 个截止阀)同次动作速度的差异,均直接影响了控制精度。况且,作为一个机械阀,其控制精度不可能较高。 鉴于上述,研制的基本方案是:拧紧的驱动部件采用伺服电动机,用以取代气动马达。由于交流伺服系统为发展方向,且体积较小,控制灵敏,精度高,故采用交流伺服电动机。 对各螺栓拧紧的控制及检测均为相对的独立系统,各独立系统主要包括:拧紧头,电机驱动器,轴控单元。即需要同时拧紧几个螺栓,就需配置几套这样的独立系统。我们首先研制的拧紧机是用于缸体瓦盖的拧紧,由于同时要拧紧十个螺栓,故计用十套这样的独立系统。 为协调各轴控单元的动作、设置和传递各种参数、接收和输出各种信号、存储和显示各种数据等,每台拧紧机均配置了一个主控单元。 轴控单元和主控单元的核心均采用INTEL 的51 系列单片机,均自成系统,并采用了模块式结构,灵活组配,便于维修。 为方便现场工作的调整、检修和操作,配置了操作按钮盒,盒上设置了手动/自动、多轴/单轴转换开关,手动正反转、启动、急停、复位按钮,合格、不合格、拧紧结束信号灯。 4 主要环节功能简介 我们研制成功的拧紧机的系统原理框图见图3。 图 3由图可见,自动拧紧机的控制及检测系统主要分为三相变压器、继电控制及显示、主控单元、轴控单元、电机驱动器、拧紧头等几大部分。下面仅对其中主要环节的功能予以简要介绍(继电控制部分略)。 4.1 三相变压器 由于该拧紧机中交流伺服电机所用电源为三相交流200V 电压,故须把电网的三相380V 电压,通过三相变压器变为三相200V 电压。 4.2 主控单元 每台拧紧机装设一个,核心是由51 系列单片机组成,主要功能是: (1) 通过控制、协调各轴控单元来实现整个系统拧紧动作的协调控制。 (2) 输入、保存拧紧过程所需的各种参数,并提供用户修改参数的界面。 (3) 统计拧紧产量及拧紧结果,并加以保留,以便显示或打印。 (4) 对拧紧结果进行判断,并发出合格、不合格、拧紧完成的控制信号。 (5) 判别工艺参数的合理性,有非法参数则报警。 (6) 对与之有关的硬件进行检测,如有故障,自动报警。 各种参数(包括:工艺参数、控制参数、校准值)的输入、查阅或修改,可以通过本单元面板上的FUN、CON、STD、RST 六个按键来进行;数据的输出:设有标准并行口(15 针)和标准的RS232C接口(9 针)二个。 另外,主控单元面板的上部装有两排4 位LED 显示器,用来显示系统的各种信息(包括各种参数和故障代码)。 4.3 轴控单元 每个拧紧头装设一个,核心也是由51 系列单片机组成的系统,其主要功能是: (1) 接受主控单元的指令,并按指令控制所对应的轴(即拧紧头)工作。 (2) 接受继电控制系统中的单轴操作指令,完成所对应的单轴操作动作。 (3) 接受拧紧头中扭矩传感器传送来的扭矩信号,进行放大和转换。 (4) 判别拧紧结果,并给出合格与否的指示。 (5) 将拧紧结果传送给主控单元。 各拧紧头的轴控单元面板的上部均装有两排4 位LED 显示器,用来显示系统的各种信息(包括各种参数和故障代码)。 4.4 电机驱动器 采用日本松下的标准产品,与该公司的伺服电动机配套使用。其电源电压为交流三相200V,其主要功能如下: (1) 输入、保存拧紧过程所需的各种参数,并提供用户修改参数的界面。 (2) 按轴控单元发出的指令,输出功率,驱动伺服电机旋转。 (3) 按拧紧系统的要求,处理转换转角信号。 (4) 监视伺服电动机运行状况,并发出相应显示信息。 电机驱动器面板的上部装有一排6 位LED 显示器,用来显示系统的各种信息(包括各种参数和故障代码)。 各种参数(包括:控制方式、扭矩限制值、速度扭矩增益、加减速时间等)的输入、查阅或修改,可以 通过本单元面板上的MODE、SET5 个按键来进行; 4.5 拧紧头 主要包含有:交流伺服电动机、减速器(减速比为70:1 的行星齿轮减速器)、扭矩传感器(电阻应变式)、驱动杆等部件。 其中电动机为三相交流伺服电动机,内部包含有转角传感器,在实际应用时,通常与电机驱动器配套使用。其主要功能是: (1) 把由驱动器输入的电能转换成旋转的机械能输出以驱动负载。 (2) 把电动机旋转的转角(或位置)信号输出送给驱动器。扭矩传感器用以检测拧紧过程中的扭矩;旋转扭矩由驱动杆传递输出。 5 拧紧机程序流程图及简要说明 主控单元的控制程序流程图见图4,其中:“自检” 主要是:检验本身系统、与上位机通讯、与轴控单元通讯、有无非法参数等。若有上述故障,则在主控单元面板的数显表上显示出相应代码。“向各轴控单元传递参数” 主要是:传递工艺参数和控制参数。 图4 主控单元控制程序流程图6 实际效果 研制成功的自动拧紧机检测精度和控制精度均有了较大程度的提高,其检测精度(扭矩和转角)均为1,控制精度均为2,与美国INGERSOLL-RAND 公司当前的产品相同,而操作又比其方便得多。自应用以来运行非常稳定,故障率几乎下降为零。到现在为止,我们在研制成功1 台后,又成功地试制了5 台(合计52 个拧紧头)自动拧紧机,现均稳定地运行在我厂的各生产线中。此6 台拧紧机若用INGERSOLL-RAND 公司的同类产品约需700 余万人民币,而我们自行的研制仅用了310 万,节约了近400 万元人民币。更为重要的是:通过自行研制,使我们掌握了这一当代的先进科学技术,不仅培养和锻炼了我们的技术人员,也为全面赶超世界先进科学技术水平增强了信心,奠定了技术理论基础。 课题内容:本课题是要设计一种自动螺纹拧紧机,在了解了目前主要使用的螺纹拧紧控制方法的原理及其特征基础上,设计一台新颖实用的设备,以提高螺纹装配的质量和效率。自动螺纹拧紧机机械部分设计的内容涉及: (1)系统总体设计方案的拟定,组内学生共同探讨完成;(2)进行具体结构设计(3)电机的选取。课题任务要求:1、撰写与设计内容相关的文献综述;2、完成一篇与设计相关的英文文献翻译;3、完成开题报告;4、按要求完成总体方案设计和详细设计5、在完成上述工作基础上,撰写设计说明书;6、毕业答辩准备。主要参考文献(由指导教师选定):1. 胡洪国,杨汝清,臧建华,丁杰雄; 新型汽车主锥全自动拧紧机控制系统设计 J; 机床与液压; 2000年01期2. 重庆工学院图书馆数字期刊;3. 冯德富,刘泽林; 对美国自动拧紧机的国产化改造 J; 汽车工艺与材料; 2003年09期4. 单继平,赵毅,杨世德; 电动多轴螺母拧紧机控制系统设计 J; 组合机床与自动化加工技术; 1999年07期同组设计者 红颜色加大部分为我的要求做的部分,谢谢 本人大四,要求做毕业设计,做的不用太好,只要有内容就行了,大概意识到位就可以了,我读的是三本,学校要求也不高半自动磁极螺钉拧紧机的研制*邢长元郑家燧摘要:本文论述了研制半自动磁极螺钉拧紧机的必要性和可行性,进行了整机结构及驱动系统设计,对浮动头、涨胎夹具及锥头跟踪装置等关键部件进行了设计计算。介绍了设备投产后的良好效果。关键词:机电一体化;自动入口定转矩紧丝问题的提出及方案的制定问题的提出在磁电机装配过程中将磁极用螺钉固定在机壳上(俗称紧丝)是一个关键的工序。每台磁电机上有四个紧固螺钉,如图所示。紧固磁极的预紧转矩有定值要求,四个品种额定转矩的范围在以内。同时要求四个螺钉转矩的一致性误差不应超过,否则磁电机在使用过程中螺钉将产生松动或在生产装配过程中壳体内腔尺寸不够,这样均严重影响产品质量和使用效果。目前国内生产厂家磁极的紧丝多数采用电动板手人工操作,单头紧丝,少数厂家用台钻改成单头紧丝机。这些设备的缺点是:图机壳装配图磁极紧固螺钉()机壳()改锥头用人工对准螺钉十字口,且为单头安装效率低。()电动改锥头启动之后再入螺钉十字口,容易损坏十字口。()转矩难以定值,四个螺钉的紧固力一致性差。()工人的劳动强度大。国内本行业生产单位约多家,都有改进工艺的需求,针对上述情况,为此提出研制一台半自动磁极螺钉拧紧机。方案的制定结合用户需要,以及可能达到的技术要求,我们拟定了半自动螺钉拧紧机的技术方案。()主机的安装型式为立式,便于工件装卸,经过一次装夹,可以同时完成四只螺钉的紧固以便提高生产效率。()模拟人工操作,自动完成紧丝作业,即改锥头自动寻找并进入螺钉口,先使螺钉预紧固,再由冲动动作实现定转矩紧丝。()改锥头浮动,以利自动寻找螺钉口,转矩可调,可预设定以适应不同产品要求,并且实现定转矩装配,冲动次数可调,以适应产品要求。()整机采用可编程序控制,实现自动紧丝。同时,可适应不同产品的装配要求,便于程序调整。()能适应四种规格的磁电机装配作业。四种规格的型号是:、及。定转矩的螺纹联接是一个复杂的问题,它和联接的材料、热处理状态及摩擦因数等因素有关,因此要想得到准确的预紧力是十分困难的。我们经过查阅有关资料和分析论证,最后确定了两步紧固的方法,即第一步,以液压马达为动力,连续转动锥头,完成螺钉的预紧。由于液压马达,脉动的影响,此时得到的转矩不是很准确。第二步,以摆动马达为动力,输出大转矩完成冲动动作实现定转矩紧丝。机器的结构及主要技术参数本机主要由紧丝头、底座、中间座、涨胎夹具、操纵台、液压站和电器柜所构成,如图所示。整机结构为立式,夹具的中心线为水平位置,四个紧丝头装在垂直于水平面的立板上,这样在工作时装卸工件方便而且省力,液压站装在机身的后座上和整机融为一体。这样布局不仅占地面积小、结构紧凑而且便于搬运。图磁极螺钉拧紧机外形图主要技术参数:工件中心到地面的距离:紧丝头的最大行程:紧丝头的紧固转矩:(可设定)紧丝头的转速:快速电机功率:单件工时:件外形尺寸:()紧丝头的结构设计紧丝头是本机的最重要的部件,用于紧固螺丝,它主要由多轴箱、小滑板和滑座等部分组成,如图和图。多轴箱用螺钉固定在小滑板上,小滑板装在滑座上并且在其上可以往复滑动。紧丝头的快进、快退由快速电机驱动,通过一对锥齿轮带动丝杠转动,此时离合器n通电,螺母不动。紧丝主轴的转动由油马达驱动,通过两对齿轮传动令主轴回转,边回转边前进(此时n离合器通电,n离合器断电丝杠制动),实现预紧丝,转矩的大小通过调整液压系统的压力来确定。紧丝主轴通过棘轮棘爪和摆动马达同轴相联,油马达停止转动后,由摆动马达通过棘轮棘爪直接拨动紧丝主轴,实现锥头的冲动,摆动马达往复一次,主轴可转动,冲动次数根据需用转矩的大小通过控制器来设定。图紧丝头外观图.电机.滑座.油马达.多轴箱.摆动马达.减速箱.小滑板.主轴头图传动系统图.电机.丝杠副.油马达.棘轮棘爪.摆动马达传动系统的设计,如图所示()用油马达时主轴的理论转矩当系统压力时油马达输出的理论转矩主理,此时主轴理论输出转矩:()当系统的压力通过减压阀减压后:时,通过摆动马达驱动主轴的理论输出转矩:主理()快进,快退速度预设定转矩的计算型油马达是将液压能转换为机械能的转换装置,其输出转矩与系统的压力成正比,故改变系统压力,可改变输出转矩。例如:当压力时,转矩理,其关系表达式为:理,其中为比例常数,:系统的理论压力。为方便设备的操作,专门设计并给出了压力和转矩的对照关系表,见表。表压力和转矩对照关系表压力()理论转矩注:()压力和转矩系线性关系;()需中间转矩可用插入法算出紧丝压紧跟踪的设计计算在紧丝过程中,锥头一方面要始终压紧在螺钉十字口上,一方面要回转前进,因为螺钉螺距t,丝杠的螺距爴,传动系统应满足下列关系,ti。通过计算:i则t浮动轴头的结构设计浮动轴头如图所示,它主要由小轴、锥头夹、压紧盖、弹簧、浮动支撑、等零件构成。锥头装在锥头夹内,锥头夹的前面和压紧盖为球面接触,锥头夹的外园与小轴的内孔之间的间隙为,在小轴的圆周上三等份位置上分别设有球面浮动支撑,以便将锥头夹定位在主轴的中心线上,锥头夹后端和主轴依靠端面嵌式离合器联接,一方面用以传递扭矩,同时在锥头受到测向力时,它能产生一定的摆动,在紧丝过程中如四个螺钉的位置有误差时锥头将能自动寻求螺钉十字口中心的位置。用以补偿四个螺钉在机壳上的等分误差,提高锥头的进口率,保护螺钉十字口不易损坏,从而保证产品的质量。图浮动轴头结构图改锥头锥头夹压紧盖弹簧浮动支撑小轴轴夹具的结构设计涨胎夹具如图所示。主要由底座、涨胎、拉杆、弹簧、定位销等零件构成,涨胎等分为四块,用的拉簧联接在一起,底座上有型导向槽,涨胎块分别装在导向槽内,在工件装入夹具时,在油缸的作用下拉动拉杆,拉杆依靠斜面(斜度)将向外涨开,这样两对磁极在预定的位置上被定位且夹紧。本机有四套夹具,每个品种一套。图涨胎夹具结构图底座定位销弹簧涨胎拉杆机器的工作原理参看液压原理图图。接通电源工件装在夹具上,由油缸拉紧涨胎,将工件夹紧工作开始四个头上的快速电机分别驱动四个头快速前进,直到四个锥头分别触到螺钉十字口(并使弹簧有一定的压缩量)停止然后四个摆动马达分别摆动一次,使锥头没有进入十字口的进入十字口(已进入十字口的转动)四个头二次快进,进一步压缩弹簧(直至不能压缩)没有余量为止四个油马达转动,通过两对齿轮带动紧丝主轴转动(边转动边前进)直至达到接点压力表调定的压力(即设定的转矩),此时发生信号油马达停转此后摆动马达摆动完成转角冲动动作,冲动次数可调(n离合器断电,n离合器通电)冲动结束四个头快速退回原位工件松开一个循环结束。图液压原理图整个工作循环模拟人工操作,用控制,动作稳定可靠(控制部分从略)单件工时不超过秒。机器的使用效果本设备于年月在开封内燃机电器厂试生产应用,经使用验证,效果良好。与传统作业比较提高劳动生产率四倍。装配废品率降低到,保证了产品质量。年月又为聊城电机厂提供了一台。该设备的成功研制为国内磁电机行业提供了一种新的工艺装备,其成本仅为引进国外同类设备的,值得广泛推广应用。本项目获年度天津市科技进步三等奖。作者单位:天津市机械研究所天津参考文献1柯群.高精度的BY20型液压板手.组合机床与自动化加工技术,1982.22章宏甲.液压传动.北京:机械工业出版社,19953徐灏.机械设计手册(第三卷).北京:机械工业出版社,19914岑建军.非标准设备设计手册.北京:国防工业出版社,1983式中:kw23w12;
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