摘要：介紹一種電動(dòng)多軸螺母擰緊機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理及硬件。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)軸都由一個(gè)以AFC-1100為核心的控制單元控制，保證了定扭矩?cái)Q緊實(shí)現(xiàn)。
　　關(guān)鍵詞：擰緊機(jī)；萬(wàn)向聯(lián)軸器；伺服電動(dòng)轉(zhuǎn)矩緊固器；軸控單元；
　　Design principle and later stage screwing machine tightly reform a scheme
　　Abstract: The machine introducing that one kinds of electric polyaxis nuts screw tightly controls the systematic basal principle and hardware. Be system s turn to adopt distributed structure, the element has controlled every capital of axis from controlling of one centering on AFC-1100 , has ensured that moment of torsion screws realization tightly surely.
　　Keywords: Screw machine tightly; Ten thousand to forming a shaft coupling; Universal coupling； The axis charges an element；
　　前言
　　自動(dòng)擰緊機(jī)是集機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、氣動(dòng)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。擰緊機(jī)顧名思義就是擰緊工件的設(shè)備單元，主要應(yīng)用在螺栓/螺母擰緊方面。一臺(tái)機(jī)器有成百上千個(gè)零件采用螺栓緊固的方法裝配，在大批生產(chǎn)中又是由多人在不同的工位里完成的。而且每天又要裝配幾十或幾百臺(tái)機(jī)器，這個(gè)螺栓的數(shù)量是可想而知的，并且還要擰緊到產(chǎn)品圖紙規(guī)定的擰緊力矩的數(shù)值。為了提高生產(chǎn)效率、保證螺栓的擰緊力矩――自動(dòng)擰緊機(jī)便誕生了。
　　我廠自動(dòng)擰緊機(jī)的原狀
　　1997年一汽大宇在煙臺(tái)建廠其變速器總裝生產(chǎn)線的自動(dòng)擰緊機(jī)就是韓國(guó)DAEWOO公司制造，而電動(dòng)擰緊機(jī)采用日本DDK擰緊機(jī)。擰緊機(jī)采用伺服電動(dòng)轉(zhuǎn)矩緊固器、控制器采用AFC-1100型號(hào),體積小,功能強(qiáng)大并有自檢功能。其緊固功能分為轉(zhuǎn)矩法與角度法控制兩種
例如選換檔蓋擰緊控制為轉(zhuǎn)矩法控制,放油螺栓擰緊控制為角度法控制。
　　轉(zhuǎn)矩法是最常用的螺栓擰緊方法緊方法 ,通過(guò)扭矩扳手顯示的扭矩值來(lái)控制被連接件的預(yù)緊力的方法，操作操作簡(jiǎn)單直觀。
　　角度法控制是把螺栓一直擰到預(yù)定扭矩后再轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)預(yù)定的角度的控制方法。這是根據(jù)螺母或螺栓擰緊時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓伸長(zhǎng)量和被擰緊件松動(dòng)量度的總和大致成比例關(guān)系，因而可采用按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來(lái)達(dá)到預(yù)定預(yù)緊用按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來(lái)達(dá)到預(yù)定預(yù)緊力的方法
　　我廠產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀及后期技術(shù)改造要求
　　我廠現(xiàn)在的主流產(chǎn)品為D16/D20系列手動(dòng)檔變速器。其中螺栓連接主要用于保證法蘭、殼體側(cè)蓋等連接系統(tǒng)緊密不漏、安全可靠地長(zhǎng)周期運(yùn)行,要求墊片表面必須有足夠的密封比壓,特別在高溫震動(dòng)工況下墊片會(huì)產(chǎn)生老化、蠕變松弛,法蘭、側(cè)蓋和螺栓產(chǎn)生熱變形,因此力矩對(duì)螺栓的連接有至關(guān)重要的影響,此時(shí)螺栓預(yù)緊力的施加與控制就顯得十分重要,過(guò)大或過(guò)小的預(yù)緊力都會(huì)對(duì)密封產(chǎn)生不利影響.螺栓預(yù)緊力過(guò)大,密封墊片會(huì)被壓死而失去彈性,甚至?xí)⒙菟〝Q斷;過(guò)小的螺栓預(yù)緊力又使受壓后墊片表面的殘余壓緊應(yīng)力達(dá)不到工作密封比壓,從而導(dǎo)致密封腔體連接系統(tǒng)泄漏.因此如何控制螺栓預(yù)緊力是生產(chǎn)實(shí)際中必須重視的問(wèn)題。
　　差速器后蓋采用10個(gè)螺栓擰緊，由于技術(shù)的變更差速器的后蓋螺栓改為11個(gè)螺栓擰緊。為方便起見(jiàn)采用10個(gè)螺栓連接的產(chǎn)品稱(chēng)A型號(hào)，采用11個(gè)螺栓連接產(chǎn)品稱(chēng)B型號(hào)。A型號(hào)的變速器還要生產(chǎn)2年，之后全部切換為B型號(hào)的變速器，這2年內(nèi)兩種產(chǎn)品要進(jìn)行切換生產(chǎn)。
我們現(xiàn)在圍繞差速器側(cè)蓋螺栓擰緊機(jī)進(jìn)行探討，主要從機(jī)械方面、電氣方面進(jìn)行分析。


　　一． 機(jī)械方面




　　差速器側(cè)蓋螺栓擰緊機(jī)的原有結(jié)構(gòu)如下圖1所示
　　 擰緊機(jī)的擰緊頭套筒的分布圖與側(cè)蓋的螺栓分布圖正好一致，處于同軸狀態(tài)。擰緊滑臺(tái)依靠氣缸推動(dòng)到達(dá)指定位置后，擰緊機(jī)開(kāi)始進(jìn)行擰緊。
　　經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后的A型號(hào)產(chǎn)品分布圖與B型號(hào)產(chǎn)品分布圖2如下




　　其中a,b,c,d,e,f,g,h,j,k為原有的10軸擰緊槍?zhuān)欢鳤,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K為產(chǎn)品圖紙更改后設(shè)備的尺寸,為11軸擰緊槍。
　　通過(guò)圖紙的實(shí)際比較可以看出：10軸擰緊機(jī)于11軸擰緊機(jī)的尺寸差異不大,只是差了一個(gè)軸而已。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,可以把新增加的一個(gè)軸放在i位置(虛線表示)。
　　下面對(duì)能夠滿足要求的兩個(gè)方案進(jìn)行分析比較
　　方案1
　　通過(guò)在原有擰緊機(jī)上增加一套切換模板的方式進(jìn)行設(shè)備改造（如圖3所示）。這樣原有的擰緊機(jī)可以重復(fù)利用，節(jié)約一部分資金。
　　但是由于增加了一個(gè)軸的緣故，造成擰緊機(jī)的多根軸位置與模板的軸不同心。
　　我們需要利用萬(wàn)向聯(lián)軸器來(lái)解決該問(wèn)題。




　　萬(wàn)向聯(lián)軸器是一種允許兩軸之間具有較大徑向位移的聯(lián)軸器，兩軸之間的軸間角最大可達(dá)450 ，而且在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中可以根據(jù)需要隨時(shí)改變兩軸的軸間角。
　　為了消除萬(wàn)向聯(lián)軸器從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)問(wèn)題,我門(mén)將兩個(gè)單萬(wàn)向聯(lián)軸器串連成為雙萬(wàn)向聯(lián)軸器（如圖4所示）。
　　 則主動(dòng)軸、從動(dòng)軸與中間軸的轉(zhuǎn)角關(guān)系式為




　　　　tanф1＝tanф3cosα1
　　　　tanф2＝tanф3cosα2
　　　　tanф1/tanф3 = cosα1/cosα2
　　　　ф1、ф2、ф3 --主動(dòng)軸、從動(dòng)軸與中間軸的轉(zhuǎn)角；
　　　　α1、α2 －―主動(dòng)軸、從動(dòng)軸與中間軸的軸間角；
　　當(dāng)α1＝α2時(shí)，ф1＝ф2，這樣主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間沒(méi)有轉(zhuǎn)角差，消除了主動(dòng)軸等速回轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)的情況，這樣擰緊機(jī)的實(shí)際扭矩就會(huì)真實(shí)的在擰緊軸上反映出來(lái)。
此外雙萬(wàn)向聯(lián)軸器在安裝時(shí)還要滿足三種條件：
　　1）主動(dòng)軸、從動(dòng)軸與中間軸的軸間角相等；
　　2）主動(dòng)軸、從動(dòng)軸與中間軸的軸線應(yīng)位于同一平面內(nèi)；
　　3）中間軸兩端的軸叉應(yīng)位于同一平面內(nèi)。





　　從裝配線現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況考慮，在原有擰緊機(jī)不做大量改動(dòng)的前提下只需要一套與11軸后蓋相匹配的模板即可；在生B型號(hào)產(chǎn)品產(chǎn)品時(shí)（如圖5所示），ω1軸左側(cè)連接擰緊機(jī)通過(guò)聯(lián)結(jié)雙萬(wàn)向聯(lián)軸器于右側(cè)ω2把動(dòng)力輸出到模板上的套筒，繼而擰緊螺栓；在生產(chǎn)A型號(hào)產(chǎn)品時(shí)，只要卸下模板與雙萬(wàn)向聯(lián)軸器，把套筒裝到原有的擰緊機(jī)上，即可使用（參照?qǐng)D6）。





　　方案二




　　擰緊機(jī)左側(cè)是A型號(hào)產(chǎn)品擰緊機(jī)構(gòu),右側(cè)是B型號(hào)產(chǎn)品擰緊機(jī)構(gòu)
　　圖7表示在生產(chǎn)兩種產(chǎn)品時(shí)可以選擇不同的（A型號(hào)與B型號(hào)）擰緊機(jī)構(gòu)，依靠氣缸推動(dòng)來(lái)完成不同型號(hào)產(chǎn)品的切換，來(lái)達(dá)到加工不同型號(hào)產(chǎn)品的目的。當(dāng)生產(chǎn)A型號(hào)產(chǎn)品時(shí)，對(duì)應(yīng)的A型號(hào)擰緊機(jī)滑動(dòng)到相應(yīng)的位置來(lái)擰緊側(cè)蓋螺栓，相應(yīng)的生產(chǎn)B型號(hào)產(chǎn)品時(shí),B型號(hào)擰緊機(jī)則在初始位置進(jìn)行擰緊。在控制面板處設(shè)有A/B型號(hào)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。各自的擰緊機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，一臺(tái)設(shè)備發(fā)生問(wèn)題時(shí)，對(duì)另一型號(hào)設(shè)備無(wú)影響。
　　優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
　　方案一
　　設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間小、設(shè)備改動(dòng)量小、活動(dòng)余地大、節(jié)約設(shè)備改造資金。生產(chǎn)B型號(hào)產(chǎn)品時(shí)，只需裝上B型號(hào)產(chǎn)品模板，11個(gè)擰緊頭全部工作；生產(chǎn)A型號(hào)產(chǎn)品時(shí)，可拆下B型號(hào)產(chǎn)品模板，屏蔽一個(gè)軸即可。
　　方案二
　　設(shè)備結(jié)構(gòu)松散、占地空間大，活動(dòng)余地小、擰緊頭的數(shù)量增加一倍，并且控制器也要相應(yīng)增加一倍（設(shè)備成本增加一倍），兩年后產(chǎn)品完成全部型號(hào)切換，另一套設(shè)備閑置，并且資金浪費(fèi)較大。
　　二． 電氣方面
　　鑒于擰緊機(jī)采用套裝形式如圖8所示，即一個(gè)擰緊機(jī)配一個(gè)控制器。我們可以把所有的擰緊機(jī)通過(guò)RS-422的數(shù)據(jù)通訊接口連接到電腦或PLC 來(lái)完成控制打印、數(shù)據(jù)傳輸、同時(shí)擰緊等命令的操作。





　　首先，我們?cè)O(shè)定擰緊機(jī)的控制器，像擰緊模式，最大、最小擰緊力矩等功能，其次把連接電纜按照說(shuō)明書(shū)的標(biāo)定進(jìn)行一一連接，需要注意的是擰緊機(jī)的電壓為三相220V電壓，不可同兩相電混淆。最后加電，這樣通過(guò)PLC的集中控制，在工件到達(dá)指定位置時(shí)，PLC發(fā)出信號(hào)，控制滑臺(tái)前進(jìn)，獲得指令后，則擰緊機(jī)開(kāi)始在控制器的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定下進(jìn)行擰緊，在擰緊的過(guò)程中依靠力矩傳感器、編碼器等單元向控制器反饋擰緊數(shù)據(jù)，在擰緊過(guò)程完成后，向PLC發(fā)送OK/NG信號(hào)。以便PLC進(jìn)行判斷，進(jìn)行下一步動(dòng)作，如此循環(huán)往復(fù)。
　　1.擰緊機(jī)簡(jiǎn)介
　　擰緊機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖9所示
　　擰緊機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)、編碼器、力矩傳感器等組成。




　　 1．編碼器 2.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3.行星齒輪減速機(jī)構(gòu) 4.力矩傳感器
　　　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要供給擰緊機(jī)動(dòng)力，把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；
　　　　行星齒輪減速機(jī)構(gòu)是起到降低齒輪轉(zhuǎn)速，增大扭矩的作用；
　　　　編碼器起到傳感器的作用，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，　　　　及時(shí)向控制器反饋轉(zhuǎn)速、扭矩、角位移的單元；
　　　　力矩傳感器是把旋轉(zhuǎn)扭矩由驅(qū)動(dòng)桿傳遞輸出擰緊工件所用的模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器的單元。
　　1. 軸控單元
　　每臺(tái)擰緊機(jī)裝設(shè)一個(gè)軸控單元，其各部分是相互獨(dú)立的系統(tǒng)，主要控制其對(duì)應(yīng)的擰緊機(jī)，包括一些參數(shù)的設(shè)置。最后通過(guò)I/O接口單元，統(tǒng)一把軸控單元連接到一起，最終由PLC進(jìn)行控制。
軸控單元主要有以下等具體功能：
　　　　(1) 設(shè)定控制器中擰緊模式，最大、最小扭矩的功能；
　　　　(2) 統(tǒng)計(jì)擰緊數(shù)值，儲(chǔ)存，打印功能
　　　　(3) 與PLC進(jìn)行連接，對(duì)擰緊結(jié)果進(jìn)行判斷，并自動(dòng)發(fā)出OK/NG的控制信號(hào)的功能
　　　　(4) 數(shù)據(jù)通訊將擰緊結(jié)果傳送給、自動(dòng)報(bào)警等功能




　　通過(guò)機(jī)械與電氣兩方面的分析比較，我們最終確定了方案一。經(jīng)過(guò)短短兩個(gè)月的改造，便順利完成了該項(xiàng)目。
　　到目前為止，我們成功的改造這一臺(tái)自動(dòng)擰緊機(jī)設(shè)備，各方面指標(biāo)均已達(dá)到規(guī)定要求。
通過(guò)我們的自行研究開(kāi)發(fā)解決了新產(chǎn)品型號(hào)設(shè)備更新?lián)Q代問(wèn)題。更為重要的是：培養(yǎng)和鍛煉了技術(shù)人員，使我們技術(shù)人員能充分掌握這一先進(jìn)技術(shù)并為我所用，增強(qiáng)了技術(shù)人員的實(shí)力，并將技術(shù)運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)中提高了我廠競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，為我公司后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。