自動螺紋擰緊機(jī),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(diǎn)擊了美國INGERSOLL-RAND 公司20 世紀(jì)70 年代自動擰緊機(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(jī)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(jī)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(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,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(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 我廠自動擰緊機(jī)的原狀
自動擰緊機(jī)是集機(jī)械傳動、電氣傳動、電子技術(shù)、自動檢測于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。一汽第二發(fā)動機(jī)廠建廠初期,用于自動生產(chǎn)線上的自動擰緊機(jī)有7 臺,其中有2 臺為美國INGERSOLL-RAND 公司20世紀(jì)70 年代的產(chǎn)品。擰緊的驅(qū)動部件為氣動馬達(dá),控制氣動馬達(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,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(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。
圖 1
該兩臺擰緊機(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(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:
⑴ 擰緊的驅(qū)動部件為氣動馬達(dá),受氣源和同機(jī)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(dá)的執(zhí)行部件是一個快速截止閥,同一閥芯多次重復(fù)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(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)動部件采用伺服電動機(jī),用以取代氣動馬達(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(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,由于同時要擰緊十個螺栓,故計(jì)用十套這樣的獨(dú)立系統(tǒng)。
為協(xié)調(diào)各軸控單元的動作、設(shè)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(jī)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(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/自動、多軸/單軸轉(zhuǎn)換開關(guān),手動正反轉(zhuǎn)、啟動、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
每臺擰緊機(jī)裝設(shè)一個,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(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(shè)一個,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)動器
采用日本松下的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,與該公司的伺服電動機(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)視伺服電動機(jī)運(yùn)行狀況,并發(fā)出相應(yīng)顯示信息。
電機(jī)驅(qū)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(jìn)行;
4.5 擰緊頭
主要包含有:交流伺服電動機(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)動桿等部件。
其中電動機(jī)為三相交流伺服電動機(jī),內(nèi)部包含有轉(zhuǎn)角傳感器,在實(shí)際應(yīng)用時,通常與電機(jī)驅(qū)動器配套使用。其主要功能是:
(1) 把由驅(qū)動器輸入的電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能輸出以驅(qū)動負(fù)載。
(2) 把電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角(或位置)信號輸出送給驅(qū)動器。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。“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(shí)際效果
研制成功的自動擰緊機(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 臺后,又成功地試制了5 臺(合計(jì)52 個擰緊頭)自動擰緊機(jī),現(xiàn)均穩(wěn)定地運(yùn)行在我廠的各生產(chǎn)線中。此6 臺擰緊機(jī)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(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)。