自動螺紋擰緊機,自動,螺紋,羅紋,擰緊
一汽轎車公司 馮德富
[摘要] 本文簡要地點擊了美國INGERSOLL-RAND 公司20 世紀70 年代自動擰緊機所存在的主要問題，對其工作原理進行分析和探討，并給出了原理框圖。重點是針對這些問題，參照其基本原理，應用當代新技術提出的研制方案，給出了研制成功的擰緊機的結構原理框圖，并對框圖中各環(huán)節(jié)的功能做了簡要介紹。最后給出了自動擰緊機主控單元控制系統(tǒng)的程序流程圖。
關鍵詞： 扭矩 伺服電機 主控單元 軸控單元 驅動器
1 前言
螺栓的擰緊應用于機械行業(yè)的裝配是一個普遍現(xiàn)象，以前人們只是考慮在裝配時，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“最緊”不過是一個非常模糊的概念，它是因人而異的。一臺機器有幾十，以至成百上千個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)人在不同的時間里完成的。而且每天又要裝配幾十或幾百臺機器，這個“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)動機中的連桿大頭孔），在生產(chǎn)車間需要用螺栓把瓦蓋裝配起來進行加工，而到了裝配車間進行整機組裝時，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“最緊”來進行，可想而知，其結果將是非常危險的。因而，如何有效的控制“擰緊”，并使其達到“最佳”，也就成為了機械行業(yè)十分關注的課題。自動擰緊機就是作為有效的控制“擰緊”，并使其達到“最佳”的裝配工具。
2 我廠自動擰緊機的原狀
自動擰緊機是集機械傳動、電氣傳動、電子技術、自動檢測于一體的機電一體化設備。一汽第二發(fā)動機廠建廠初期，用于自動生產(chǎn)線上的自動擰緊機有7 臺，其中有2 臺為美國INGERSOLL-RAND 公司20世紀70 年代的產(chǎn)品。擰緊的驅動部件為氣動馬達，控制氣動馬達的執(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，故稱之為軸控單元），該閥平時常通，得電迅速斷開，并自動保持到斷開該閥的氣源。其基本結構框圖如圖1 所示。
圖 1
該兩臺擰緊機由于機械件磨損嚴重，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時已為淘汰品，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，嚴重地影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的順利進行。
針對上述問題，開始我們曾對其軸控單元進行了測繪，結合其工藝過程進行分析和研究，在弄通其檢測和控制原理的基礎上（通過測繪、分析、研究所得的系統(tǒng)原理框圖見圖2），應用當前通用的電子元件進行試制，并得到了成功地應用（該項目曾榮立分廠一等功）。然而其主機畢竟是20 世紀70 年代的產(chǎn)品，且隨著對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，也就很難再適應了。但當時國內(nèi)尚無此類成型產(chǎn)品，購買國外的價格又很高，我們難以承受。故對擰緊機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行合作研制。經(jīng)調(diào)研，擰緊機研制的合作伙伴我們選定了大連德欣公司。
圖2 原INGERSOLL-RAND自動擰緊機控制系統(tǒng)原理框圖
3 研制方案的確定
經(jīng)仔細分析，我們認為就機體的本身結構來講，原擰緊機控制精度較低的主要原因如下：
⑴ 擰緊的驅動部件為氣動馬達，受氣源和同機中其它擰緊頭（每臺10 個擰緊頭）的影響較大。
⑵ 控制氣動馬達的執(zhí)行部件是一個快速截止閥，同一閥芯多次重復動作速度的差異、各個閥芯間（10個擰緊頭就有10 個截止閥）同次動作速度的差異，均直接影響了控制精度。況且，作為一個機械閥，其控制精度不可能較高。
鑒于上述，研制的基本方案是：擰緊的驅動部件采用伺服電動機，用以取代氣動馬達。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機。
對各螺栓擰緊的控制及檢測均為相對的獨立系統(tǒng)，各獨立系統(tǒng)主要包括：擰緊頭，電機驅動器，軸控單元。即需要同時擰緊幾個螺栓，就需配置幾套這樣的獨立系統(tǒng)。我們首先研制的擰緊機是用于缸體瓦蓋的擰緊，由于同時要擰緊十個螺栓，故計用十套這樣的獨立系統(tǒng)。
為協(xié)調(diào)各軸控單元的動作、設置和傳遞各種參數(shù)、接收和輸出各種信號、存儲和顯示各種數(shù)據(jù)等，每臺擰緊機均配置了一個主控單元。
軸控單元和主控單元的核心均采用INTEL 的51 系列單片機，均自成系統(tǒng)，并采用了模塊式結構，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，盒上設置了手動/自動、多軸/單軸轉換開關，手動正反轉、啟動、急停、復位按鈕，合格、不合格、擰緊結束信號燈。
4 主要環(huán)節(jié)功能簡介
我們研制成功的擰緊機的系統(tǒng)原理框圖見圖3。
圖 3
由圖可見，自動擰緊機的控制及檢測系統(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、電機驅動器、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
由于該擰緊機中交流伺服電機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
每臺擰緊機裝設一個，核心是由51 系列單片機組成，主要功能是：
(1) 通過控制、協(xié)調(diào)各軸控單元來實現(xiàn)整個系統(tǒng)擰緊動作的協(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)計擰緊產(chǎn)量及擰緊結果，并加以保留，以便顯示或打印。
(4) 對擰緊結果進行判斷，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)則報警。
(6) 對與之有關的硬件進行檢測，如有故障，自動報警。
各種參數(shù)(包括：工藝參數(shù)、控制參數(shù)、校準值)的輸入、查閱或修改，可以通過本單元面板上的FUN、CON、＋、－、STD、RST 六個按鍵來進行；數(shù)據(jù)的輸出：設有標準并行口（15 針）和標準的RS—232C接口（9 針）二個。
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
每個擰緊頭裝設一個，核心也是由51 系列單片機組成的系統(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，完成所對應的單軸操作動作。
(3) 接受擰緊頭中扭矩傳感器傳送來的扭矩信號，進行放大和轉換。
(4) 判別擰緊結果，并給出合格與否的指示。
(5) 將擰緊結果傳送給主控單元。
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 電機驅動器
采用日本松下的標準產(chǎn)品，與該公司的伺服電動機配套使用。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，驅動伺服電機旋轉。
(3) 按擰緊系統(tǒng)的要求，處理轉換轉角信號。
(4) 監(jiān)視伺服電動機運行狀況，并發(fā)出相應顯示信息。
電機驅動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、加減速時間等)的輸入、查閱或修改，可以
通過本單元面板上的MODE、SET5 個按鍵來進行；
4.5 擰緊頭
主要包含有：交流伺服電動機、減速器（減速比為70：1 的行星齒輪減速器）、扭矩傳感器（電阻應變式）、驅動桿等部件。
其中電動機為三相交流伺服電動機，內(nèi)部包含有轉角傳感器，在實際應用時，通常與電機驅動器配套使用。其主要功能是：
(1) 把由驅動器輸入的電能轉換成旋轉的機械能輸出以驅動負載。
(2) 把電動機旋轉的轉角（或位置）信號輸出送給驅動器。扭矩傳感器用以檢測擰緊過程中的扭矩；旋轉扭矩由驅動桿傳遞輸出。
5 擰緊機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：檢驗本身系統(tǒng)、與上位機通訊、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)顯表上顯示出相應代碼。“向各軸控單元傳遞參數(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 實際效果
研制成功的自動擰緊機檢測精度和控制精度均有了較大程度的提高，其檢測精度（扭矩和轉角）均為≤±1％，控制精度均為≤±2％，與美國INGERSOLL-RAND 公司當前的產(chǎn)品相同，而操作又比其方便得多。自應用以來運行非常穩(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 臺后，又成功地試制了5 臺（合計52 個擰緊頭）自動擰緊機，現(xiàn)均穩(wěn)定地運行在我廠的各生產(chǎn)線中。此6 臺擰緊機若用INGERSOLL-RAND 公司的同類產(chǎn)品約需700 余萬人民幣，而我們自行的研制僅用了310 萬，節(jié)約了近400 萬元人民幣。更為重要的是：通過自行研制，使我們掌握了這一當代的先進科學技術，不僅培養(yǎng)和鍛煉了我們的技術人員，也為全面趕超世界先進科學技術水平增強了信心，奠定了技術理論基礎。