擰緊機(jī)原理及自動(dòng)擰緊機(jī)研制.doc

一汽轎車公司馮德富摘要本文簡要地點(diǎn)擊了美國INGERSOLL-RAND公司20世紀(jì)70年代自動(dòng)擰緊機(jī)所存在的主要問題，對其工作原理進(jìn)行分析和探討，并給出了原理框圖。重點(diǎn)是針對這些問題，參照其基本原理，應(yīng)用當(dāng)代新技術(shù)提出的研制方案，給出了研制成功的擰緊機(jī)的結(jié)構(gòu)原理框圖，并對框圖中各環(huán)節(jié)的功能做了簡要介紹。最后給出了自動(dòng)擰緊機(jī)主控單元控制系統(tǒng)的程序流程圖。關(guān)鍵詞：扭矩伺服電機(jī)主控單元軸控單元驅(qū)動(dòng)器1前言螺栓的擰緊應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的裝配是一個(gè)普遍現(xiàn)象，以前人們只是考慮在裝配時(shí)，把螺栓（或螺母，下同）擰到最緊的程度。后來人們才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)“最緊”不過是一個(gè)非常模糊的概念，它是因人而異的。一臺(tái)機(jī)器有幾十，以至成百上千個(gè)零件采用螺栓緊固的方法裝配，在大生產(chǎn)中又是由多數(shù)人在不同的時(shí)間里完成的。而且每天又要裝配幾十或幾百臺(tái)機(jī)器，這個(gè)“最緊”的離散度將是可想而知的。另外，還有些零件（如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的連桿大頭孔），在生產(chǎn)車間需要用螺栓把瓦蓋裝配起來進(jìn)行加工，而到了裝配車間進(jìn)行整機(jī)組裝時(shí)，又先要松開螺栓，拆下瓦蓋，套到曲軸上后再重新擰緊，如用這個(gè)“最緊”來進(jìn)行，可想而知，其結(jié)果將是非常危險(xiǎn)的。因而，如何有效的控制“擰緊”，并使其達(dá)到“最佳”，也就成為了機(jī)械行業(yè)十分關(guān)注的課題。自動(dòng)擰緊機(jī)就是作為有效的控制“擰緊”，并使其達(dá)到“最佳”的裝配工具。2我廠自動(dòng)擰緊機(jī)的原狀自動(dòng)擰緊機(jī)是集機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、電子技術(shù)、自動(dòng)檢測于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。一汽第二發(fā)動(dòng)機(jī)廠建廠初期，用于自動(dòng)生產(chǎn)線上的自動(dòng)擰緊機(jī)有7臺(tái)，其中有2臺(tái)為美國INGERSOLL-RAND公司20世紀(jì)70年代的產(chǎn)品。擰緊的驅(qū)動(dòng)部件為氣動(dòng)馬達(dá)，控制氣動(dòng)馬達(dá)的執(zhí)行部件是快速截止閥。該快速截止閥受控于扭矩檢測控制單元（因每軸一個(gè)，故稱之為軸控單元），該閥平時(shí)常通，得電迅速斷開，并自動(dòng)保持到斷開該閥的氣源。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1該兩臺(tái)擰緊機(jī)由于機(jī)械件磨損嚴(yán)重，控制單元的電器元件老化，加之海損等原因，使其控制和測量精度低下，故障率高，穩(wěn)定性差。且有些主要電子元件在當(dāng)時(shí)已為淘汰品，無處購買，損壞無以更換。而且既無圖紙，又無使用說明書，給維修造成了極大的困難。故而，嚴(yán)重地影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的順利進(jìn)行。針對上述問題，開始我們曾對其軸控單元進(jìn)行了測繪，結(jié)合其工藝過程進(jìn)行分析和研究，在弄通其檢測和控制原理的基礎(chǔ)上（通過測繪、分析、研究所得的系統(tǒng)原理框圖見圖2），應(yīng)用當(dāng)前通用的電子元件進(jìn)行試制，并得到了成功地應(yīng)用（該項(xiàng)目曾榮立分廠一等功）。然而其主機(jī)畢竟是20世紀(jì)70年代的產(chǎn)品，且隨著對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，也就很難再適應(yīng)了。但當(dāng)時(shí)國內(nèi)尚無此類成型產(chǎn)品，購買國外的價(jià)格又很高，我們難以承受。故對擰緊機(jī)的徹底更新這一問題也就提了出來。由于生產(chǎn)的急需，加之我們對加工擰緊機(jī)條件的欠缺，完全自行研制困難較大。故決定尋求合適廠家進(jìn)行合作研制。經(jīng)調(diào)研，擰緊機(jī)研制的合作伙伴我們選定了大連德欣公司。圖2原INGERSOLL-RAND自動(dòng)擰緊機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖3研制方案的確定經(jīng)仔細(xì)分析，我們認(rèn)為就機(jī)體的本身結(jié)構(gòu)來講，原擰緊機(jī)控制精度較低的主要原因如下：擰緊的驅(qū)動(dòng)部件為氣動(dòng)馬達(dá)，受氣源和同機(jī)中其它擰緊頭（每臺(tái)10個(gè)擰緊頭）的影響較大?？刂茪鈩?dòng)馬達(dá)的執(zhí)行部件是一個(gè)快速截止閥，同一閥芯多次重復(fù)動(dòng)作速度的差異、各個(gè)閥芯間（10個(gè)擰緊頭就有10個(gè)截止閥）同次動(dòng)作速度的差異，均直接影響了控制精度。況且，作為一個(gè)機(jī)械閥，其控制精度不可能較高。鑒于上述，研制的基本方案是：擰緊的驅(qū)動(dòng)部件采用伺服電動(dòng)機(jī)，用以取代氣動(dòng)馬達(dá)。由于交流伺服系統(tǒng)為發(fā)展方向，且體積較小，控制靈敏，精度高，故采用交流伺服電動(dòng)機(jī)。對各螺栓擰緊的控制及檢測均為相對的獨(dú)立系統(tǒng)，各獨(dú)立系統(tǒng)主要包括：擰緊頭，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，軸控單元。即需要同時(shí)擰緊幾個(gè)螺栓，就需配置幾套這樣的獨(dú)立系統(tǒng)。我們首先研制的擰緊機(jī)是用于缸體瓦蓋的擰緊，由于同時(shí)要擰緊十個(gè)螺栓，故計(jì)用十套這樣的獨(dú)立系統(tǒng)。為協(xié)調(diào)各軸控單元的動(dòng)作、設(shè)置和傳遞各種參數(shù)、接收和輸出各種信號、存儲(chǔ)和顯示各種數(shù)據(jù)等，每臺(tái)擰緊機(jī)均配置了一個(gè)主控單元。軸控單元和主控單元的核心均采用INTEL的51系列單片機(jī)，均自成系統(tǒng)，并采用了模塊式結(jié)構(gòu)，靈活組配，便于維修。為方便現(xiàn)場工作的調(diào)整、檢修和操作，配置了操作按鈕盒，盒上設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)、多軸/單軸轉(zhuǎn)換開關(guān)，手動(dòng)正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、急停、復(fù)位按鈕，合格、不合格、擰緊結(jié)束信號燈。4主要環(huán)節(jié)功能簡介我們研制成功的擰緊機(jī)的系統(tǒng)原理框圖見圖3。圖3由圖可見，自動(dòng)擰緊機(jī)的控制及檢測系統(tǒng)主要分為三相變壓器、繼電控制及顯示、主控單元、軸控單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、擰緊頭等幾大部分。下面僅對其中主要環(huán)節(jié)的功能予以簡要介紹（繼電控制部分略）。4.1三相變壓器由于該擰緊機(jī)中交流伺服電機(jī)所用電源為三相交流200V電壓，故須把電網(wǎng)的三相380V電壓，通過三相變壓器變?yōu)槿?00V電壓。4.2主控單元每臺(tái)擰緊機(jī)裝設(shè)一個(gè)，核心是由51系列單片機(jī)組成，主要功能是：(1)通過控制、協(xié)調(diào)各軸控單元來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)擰緊動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制。(2)輸入、保存擰緊過程所需的各種參數(shù)，并提供用戶修改參數(shù)的界面。(3)統(tǒng)計(jì)擰緊產(chǎn)量及擰緊結(jié)果，并加以保留，以便顯示或打印。(4)對擰緊結(jié)果進(jìn)行判斷，并發(fā)出合格、不合格、擰緊完成的控制信號。(5)判別工藝參數(shù)的合理性，有非法參數(shù)則報(bào)警。(6)對與之有關(guān)的硬件進(jìn)行檢測，如有故障，自動(dòng)報(bào)警。各種參數(shù)(包括：工藝參數(shù)、控制參數(shù)、校準(zhǔn)值)的輸入、查閱或修改，可以通過本單元面板上的FUN、CON、STD、RST六個(gè)按鍵來進(jìn)行；數(shù)據(jù)的輸出：設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)并行口（15針）和標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口（9針）二個(gè)。另外，主控單元面板的上部裝有兩排4位LED顯示器，用來顯示系統(tǒng)的各種信息（包括各種參數(shù)和故障代碼）。4.3軸控單元每個(gè)擰緊頭裝設(shè)一個(gè)，核心也是由51系列單片機(jī)組成的系統(tǒng)，其主要功能是：(1)接受主控單元的指令，并按指令控制所對應(yīng)的軸（即擰緊頭）工作。(2)接受繼電控制系統(tǒng)中的單軸操作指令，完成所對應(yīng)的單軸操作動(dòng)作。(3)接受擰緊頭中扭矩傳感器傳送來的扭矩信號，進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換。(4)判別擰緊結(jié)果，并給出合格與否的指示。(5)將擰緊結(jié)果傳送給主控單元。各擰緊頭的軸控單元面板的上部均裝有兩排4位LED顯示器，用來顯示系統(tǒng)的各種信息（包括各種參數(shù)和故障代碼）。4.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用日本松下的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，與該公司的伺服電動(dòng)機(jī)配套使用。其電源電壓為交流三相200V，其主要功能如下：(1)輸入、保存擰緊過程所需的各種參數(shù)，并提供用戶修改參數(shù)的界面。(2)按軸控單元發(fā)出的指令，輸出功率，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。(3)按擰緊系統(tǒng)的要求，處理轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)角信號。(4)監(jiān)視伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況，并發(fā)出相應(yīng)顯示信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器面板的上部裝有一排6位LED顯示器，用來顯示系統(tǒng)的各種信息（包括各種參數(shù)和故障代碼）。各種參數(shù)(包括：控制方式、扭矩限制值、速度扭矩增益、加減速時(shí)間等)的輸入、查閱或修改，可以通過本單元面板上的MODE、SET5個(gè)按鍵來進(jìn)行；4.5擰緊頭主要包含有：交流伺服電動(dòng)機(jī)、減速器（減速比為70：1的行星齒輪減速器）、扭矩傳感器（電阻應(yīng)變式）、驅(qū)動(dòng)桿等部件。其中電動(dòng)機(jī)為三相交流伺服電動(dòng)機(jī)，內(nèi)部包含有轉(zhuǎn)角傳感器，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器配套使用。其主要功能是：(1)把由驅(qū)動(dòng)器輸入的電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能輸出以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。(2)把電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角（或位置）信號輸出送給驅(qū)動(dòng)器。扭矩傳感器用以檢測擰緊過程中的扭矩；旋轉(zhuǎn)扭矩由驅(qū)動(dòng)桿傳遞輸出。5擰緊機(jī)程序流程圖及簡要說明主控單元的控制程序流程圖見圖4，其中：“自檢”主要是：檢驗(yàn)本身系統(tǒng)、與上位機(jī)通訊、與軸控單元通訊、有無非法參數(shù)等。若有上述故障，則在主控單元面板的數(shù)顯表上顯示出相應(yīng)代碼?！跋蚋鬏S控單元傳遞參數(shù)”主要是：傳遞工藝參數(shù)和控制參數(shù)。圖4主控單元控制程序流程圖6實(shí)際效果研制成功的自動(dòng)擰緊機(jī)檢測精度和控制精度均有了較大程度的提高，其檢測精度（扭矩和轉(zhuǎn)角）均為1，控制精度均為2，與美國INGERSOLL-RAND公司當(dāng)前的產(chǎn)品相同，而操作又比其方便得多。自應(yīng)用以來運(yùn)行非常穩(wěn)定，故障率幾乎下降為零。到現(xiàn)在為止，我們在研制成功1臺(tái)后，又成功地試制了5臺(tái)（合計(jì)5