拧紧机的设计原理及后期改造
摘要： 介绍一种电动多轴螺母拧紧机控制系统的基本原理及硬件。该系统采用分布式结构，每个轴都由一个以AFC-1100为核心的控制单元控制，保证了定扭矩拧紧实现。 关键词： 拧紧机；万向联轴器；伺服电动转矩紧固器；轴控单元； 前言 自动拧紧机是集机械传动、电气传动、气动技术、电子技术、自动检测于一体的机电一体化设备。拧紧机顾名思义就是拧紧工件的设备单元，主要应用在螺栓/螺母拧紧方面。一台机器有成百上千个零件采用螺栓紧固的方法装配，在大批生产中又是由多人在不同的工位里完成的。而且每天又要装配几十或几百台机器，这个螺栓的数量是可想而知的，并且还要拧紧到产品图纸规定的拧紧力矩的数值。为了提高生产效率、保证螺栓的拧紧力矩――自动拧紧机便诞生了。 我厂自动拧紧机的原状 1997年一汽大宇在烟台建厂其变速器总装生产线的自动拧紧机就是韩国DAEWOO公司制造，而电动拧紧机采用日本DDK拧紧机。拧紧机采用伺服电动转矩紧固器、采用AFC-1100型号,体积小,功能强大并有自检功能。其紧固功能分为转矩法与角度法控制两种 例如选换档盖拧紧控制为转矩法控制,放油螺栓拧紧控制为角度法控制。 转矩法是最常用的螺栓拧紧方法紧方法 ,通过扭矩扳手显示的扭矩值来控制被连接件的预紧力的方法，操作操作简单直观。 角度法控制是把螺栓一直拧到预定扭矩后再转过一个预定的角度的控制方法。这是根据螺母或螺栓拧紧时的旋转角度与螺栓伸长量和被拧紧件松动量度的总和大致成比例关系，因而可采用按规定旋转角度来达到预定预紧用按规定旋转角度来达到预定预紧力的方法 我厂产品技术现状及后期技术改造要求 我厂现在的主流产品为D16/D20系列手动档变速器。其中螺栓连接主要用于保证法兰、壳体侧盖等连接系统紧密不漏、安全可靠地长周期运行,要求垫片表面必须有足够的密封比压,特别在高温震动工况下垫片会产生老化、蠕变松弛,法兰、侧盖和螺栓产生热变形,因此力矩对螺栓的连接有至关重要的影响,此时螺栓预紧力的施加与控制就显得十分重要,过大或过小的预紧力都会对密封产生不利影响.螺栓预紧力过大,密封垫片会被压死而失去弹性,甚至会将螺栓拧断;过小的螺栓预紧力又使受压后垫片表面的残余压紧应力达不到工作密封比压,从而导致密封腔体连接系统泄漏.因此如何控制螺栓预紧力是生产实际中必须重视的问题。 差速器后盖采用10个螺栓拧紧，由于技术的变更差速器的后盖螺栓改为11个螺栓拧紧。为方便起见采用10个螺栓连接的产品称A型号，采用11个螺栓连接产品称B型号。A型号的变速器还要生产2年，之后全部切换为B型号的变速器，这2年内两种产品要进行切换生产。 我们现在围绕差速器侧盖螺栓拧紧机进行探讨，主要从机械方面、电气方面进行分析。 一． 机械方面 差速器侧盖螺栓拧紧机的原有结构如下图1所示 拧紧机的拧紧头套筒的分布图与侧盖的螺栓分布图正好一致，处于同轴状态。拧紧滑台依靠气缸推动到达指定位置后，拧紧机开始进行拧紧。 经过技术改造后的A型号产品分布图与B型号产品分布图2如下 其中a,b,c,d,e,f,g,h,j,k为原有的10轴拧紧枪；而A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K为产品图纸更改后设备的尺寸,为11轴拧紧枪。 通过图纸的实际比较可以看出：10轴拧紧机于11轴拧紧机的尺寸差异不大,只是差了一个轴而已。通过现场调查,可以把新增加的一个轴放在i位置(虚线表示)。 下面对能够满足要求的两个方案进行分析比较 方案1 通过在原有拧紧机上增加一套切换模板的方式进行设备改造（如图3所示）。这样原有的拧紧机可以重复利用，节约一部分资金。 但是由于增加了一个轴的缘故，造成拧紧机的多根轴位置与模板的轴不同心。 我们需要利用万向联轴器来解决该问题。 万向联轴器是一种允许两轴之间具有较大径向位移的联轴器，两轴之间的轴间角最大可达450 ，而且在运转的过程中可以根据需要随时改变两轴的轴间角。 为了消除万向联轴器从动轴转速周期性波动问题,我门将两个单万向联轴器串连成为双万向联轴器（如图4所示）。 则主动轴、从动轴与中间轴的转角关系式为 tanф1＝tanф3cosα1 tanф2＝tanф3cosα2 tanф1/tanф3 = cosα1/cosα2 ф1、ф2、ф3 --主动轴、从动轴与中间轴的转角； α1、α2 －―主动轴、从动轴与中间轴的轴间角； 当α1＝α2时，ф1＝ф2，这样主动轴与从动轴之间没有转角差，消除了主动轴等速回转而产生的从动轴转速波动的情况，这样拧紧机的实际扭矩就会真实的在拧紧轴上反映出来。 此外双万向联轴器在安装时还要满足三种条件： 1）主动轴、从动轴与中间轴的轴间角相等； 2）主动轴、从动轴与中间轴的轴线应位于同一平面内； 3）中间轴两端的轴叉应位于同一平面内。 从装配线现场的实际情况考虑，在原有拧紧机不做大量改动的前提下只需要一套与11轴后盖相匹配的模板即可；在生B型号产品产品时（如图5所示），ω1轴左侧连接拧紧机通过联结双万向联轴器于右侧ω2把动力输出到模板上的套筒，继而拧紧螺栓；在生产A型号产品时，只要卸下模板与双万向联轴器，把套筒装到原有的拧紧机上，即可使用（参照图6）。 方案二 拧紧机左侧是A型号产品拧紧机构,右侧是B型号产品拧紧机构 图7表示在生产两种产品时可以选择不同的（A型号与B型号）拧紧机构，依靠气缸推动来完成不同型号产品的切换，来达到加工不同型号产品的目的。当生产A型号产品时，对应的A型号拧紧机滑动到相应的位置来拧紧侧盖螺栓，相应的生产B型号产品时,B型号拧紧机则在初始位置进行拧紧。在控制面板处设有A/B型号产品转换开关进行选择。各自的拧紧机构相互独立，一台设备发生问题时，对另一型号设备无影响。 优点与缺点 方案一 设备结构紧凑，占地空间小、设备改动量小、活动余地大、节约设备改造资金。生产B型号产品时，只需装上B型号产品模板，11个拧紧头全部工作；生产A型号产品时，可拆下B型号产品模板，屏蔽一个轴即可。 方案二 设备结构松散、占地空间大，活动余地小、拧紧头的数量增加一倍，并且也要相应增加一倍（设备成本增加一倍），两年后产品完成全部型号切换，另一套设备闲置，并且资金浪费较大。 二． 电气方面 鉴于拧紧机采用套装形式如图8所示，即一个拧紧机配一个。我们可以把所有的拧紧机通过RS-422的数据通讯接口连接到电脑或PLC 来完成控制打印、数据传输、同时拧紧等命令的操作。 首先，我们设定拧紧机的，像拧紧模式，最大、最小拧紧力矩等功能，其次把连接电缆按照说明书的标定进行一一连接，需要注意的是拧紧机的电压为三相220V电压，不可同两相电混淆。最后加电，这样通过PLC的集中控制，在工件到达指定位置时，PLC发出信号，控制滑台前进，获得指令后，则拧紧机开始在的系统参数设定下进行拧紧，在拧紧的过程中依靠力矩传感器、编码器等单元向反馈拧紧数据，在拧紧过程完成后，向PLC发送OK/NG信号。以便PLC进行判断，进行下一步动作，如此循环往复。 1.拧紧机简介 拧紧机的基本结构如图9所示 拧紧机主要由驱动电机、行星齿轮减速机构、编码器、力矩传感器等组成。 1．编码器 2.驱动电机 3.行星齿轮减速机构 4.力矩传感器 驱动电机主要供给拧紧机动力，把电能转化为机械能； 行星齿轮减速机构是起到降低齿轮转速，增大扭矩的作用； 编码器起到传感器的作用，把电动机旋转的转角（或位置）信号输出送给驱动器，及时向反馈转速、扭矩、角位移的单元； 力矩传感器是把旋转扭矩由驱动杆传递输出拧紧工件所用的模拟信号变成数字信号传递给的单元。 1. 轴控单元 每台拧紧机装设一个轴控单元，其各部分是相互独立的系统，主要控制其对应的拧紧机，包括一些参数的设置。最后通过I/O接口单元，统一把轴控单元连接到一起，最终由PLC进行控制。 轴控单元主要有以下等具体功能： (1) 设定中拧紧模式，最大、最小扭矩的功能； (2) 统计拧紧数值，储存，打印功能 (3) 与PLC进行连接，对拧紧结果进行判断，并自动发出OK/NG的控制信号的功能 (4) 数据通讯将拧紧结果传送给、自动报警等功能 通过机械与电气两方面的分析比较，我们最终确定了方案一。经过短短两个月的改造，便顺利完成了该项目。 到目前为止，我们成功的改造这一台自动拧紧机设备，各方面指标均已达到规定要求。 通过我们的自行研究开发解决了新产品型号设备更新换代问题。更为重要的是：培养和锻炼了技术人员，使我们技术人员能充分掌握这一先进技术并为我所用，增强了技术人员的实力，并将技术运用在实际生产中提高了我厂竞争实力，为我公司后续产品开发奠定了技术基础。
