自動(dòng)螺紋擰緊機(jī),自動(dòng),螺紋,羅紋,擰緊 一汽轎車(chē)公司 馮德富 [摘要] 本文簡(jiǎn)要地點(diǎn)擊了美國(guó)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(wèn)題，對(duì)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(duì)這些問(wèn)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(duì)框圖中各環(huán)節(jié)的功能做了簡(jiǎn)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(lái)人們才發(fā)現(xiàn)，這個(gè)“最緊”不過(guò)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的連桿大頭孔），在生產(chǎn)車(chē)間需要用螺栓把瓦蓋裝配起來(lái)進(jìn)行加工，而到了裝配車(chē)間進(jìn)行整機(jī)組裝時(shí)，又先要松開(kāi)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(lái)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(cè)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(guó)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(cè)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(kāi)，并自動(dòng)保持到斷開(kāi)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(cè)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(wú)處購(gòu)買(mǎi)，損壞無(wú)以更換。而且既無(wú)圖紙，又無(wú)使用說(shuō)明書(shū)，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(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)始我們?cè)鴮?duì)其軸控單元進(jìn)行了測(cè)繪，結(jié)合其工藝過(guò)程進(jìn)行分析和研究，在弄通其檢測(cè)和控制原理的基礎(chǔ)上（通過(guò)測(cè)繪、分析、研究所得的系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)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(duì)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(guó)內(nèi)尚無(wú)此類成型產(chǎn)品，購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的價(jià)格又很高，我們難以承受。故對(duì)擰緊機(jī)的徹底更新這一問(wèn)題也就提了出來(lái)。由于生產(chǎn)的急需，加之我們對(duì)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(lái)講，原擰緊機(jī)控制精度較低的主要原因如下： ⑴ 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。 ⑵ 控制氣動(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(duì)各螺栓擰緊的控制及檢測(cè)均為相對(duì)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(hào)、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(chǎng)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(kāi)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(hào)燈。 4 主要環(huán)節(jié)功能簡(jiǎn)介 我們研制成功的擰緊機(jī)的系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖3。 圖 3 由圖可見(jiàn)，自動(dòng)擰緊機(jī)的控制及檢測(cè)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(duì)其中主要環(huán)節(jié)的功能予以簡(jiǎn)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(guò)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(guò)控制、協(xié)調(diào)各軸控單元來(lái)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(guò)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(duì)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(hào)。 (5) 判別工藝參數(shù)的合理性，有非法參數(shù)則報(bào)警。 (6) 對(duì)與之有關(guān)的硬件進(jìn)行檢測(cè)，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(guò)本單元面板上的FUN、CON、＋、－、STD、RST 六個(gè)按鍵來(lái)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RS—232C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(lái)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(duì)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(duì)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(lái)的扭矩信號(hào)，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(lái)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(guò)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(hào)。 (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(lái)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(guò)本單元面板上的MODE、SET5 個(gè)按鍵來(lái)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(hào)輸出送給驅(qū)動(dòng)器。扭矩傳感器用以檢測(cè)擰緊過(guò)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(jiǎn)要說(shuō)明 主控單元的控制程序流程圖見(jiàn)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(wú)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(cè)精度和控制精度均有了較大程度的提高，其檢測(cè)精度（扭矩和轉(zhuǎn)角）均為≤±1％，控制精度均為≤±2％，與美國(guó)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(lái)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?cè)谘兄瞥晒? 臺(tái)后，又成功地試制了5 臺(tái)（合計(jì)52 個(gè)擰緊頭）自動(dòng)擰緊機(jī)，現(xiàn)均穩(wěn)定地運(yùn)行在我廠的各生產(chǎn)線中。此6 臺(tái)擰緊機(jī)若用INGERSOLL-RAND 公司的同類產(chǎn)品約需700 余萬(wàn)人民幣，而我們自行的研制僅用了310 萬(wàn)，節(jié)約了近400 萬(wàn)元人民幣。更為重要的是：通過(guò)自行研制，使我們掌握了這一當(dāng)代的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不僅培養(yǎng)和鍛煉了我們的技術(shù)人員，也為全面趕超世界先進(jìn)科學(xué)技術(shù)水平增強(qiáng)了信心，奠定了技術(shù)理論基礎(chǔ)。