作者：周　飞１,王　韬２,姚　旺２,胡晓峰２(１湖北工业大学机械工程学院,湖北武汉４３００６８;２湖北机电院装备制造有限责任公司,湖北武汉４３００００)

出处：《湖北工业大学学报》2019年第9期

 

摘要：汽车零部件多品种、小批量的生产模式对螺栓的拧紧质量提出了较高要求.螺栓拧紧系统主要由十字定位系统及拧紧系统组成,用于发动机风扇支架M１０单个螺栓拧紧及驱动器总成８ＧM１０螺栓拧紧.该设备通过快换工装实现不同产品夹具的快速更换;通过可编程控制系统控制螺栓拧紧位置及拧紧次序.拧紧轴与套筒之间有快换连杆,可用于切换套筒尺寸及标定传感器.该设备不仅解决了企业多品种、小批量的混合生产问题,同时提升了螺栓的装配质量.

 

　螺纹连接是一种广泛使用的可拆卸的固定连接,具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点.汽车发动机使用螺纹连接的紧固件在１０００~２０００件,

许多螺纹连接直接关系到发动机的性能及安全[１Ｇ２].传统的汽车发动机螺栓拧紧工艺多采用扭矩扳手人工拧紧,生产效率低下,螺栓连接可靠性差.一些螺栓拧紧机[３Ｇ６]虽然提高了螺栓装配的可靠性及安全性,但要么仅仅只是针对单一产品的固定螺纹孔,要么存在无法快速更换夹具及拧紧扳手等问题,无法适应产品混合生产,且拧紧轴造价昂贵,设备研制成本过高.

    鉴于螺纹连接在企业属于小批量、多品种生产,具有较高精度的拧紧要求,且对生产效率要求不高,笔者针对性地研制了螺栓拧紧机.设备采用单轴拧紧,造价较低,通过可编程系统实现拧紧位置、拧紧次序的控制以及实现拧紧质量可控.柔性螺栓拧紧机提供可视化控制,通过人机交互界面,操作人员可通过输入拧紧参数,实现柔性生产.

１　拧紧机整体结构及各部分功能

１．１　机床总体方案规划

    设备主要由机架、护罩、工作台、立柱、十字滑台、电动拧紧轴及控制柜组成(图１).采用自上而下的设计方法[７],明确功能作用,并将其分解为不同的模块功能区,进行总体方案规划,初步实现设备的空间布局.同时,需考虑控制部分硬件安装的合理性,合理安排各类传感器的安装位置及线缆的安放排列.

    在柔性螺栓拧紧机中,核心功能区包括Z 轴方向的拧紧机构、工作台面上的XY 轴方向十字滑台定位系统.十字滑台系统使用上下双层结构,XY轴方向分别安装伺服电机,通过滚轴丝杠传动模式,控制安装在直线导轨上的工作台移动,通过伺服控制使定位系统能在短时间内快速、精确移动定位.

１．２　工件快换工装

    图２为柴油发动机共轨管出油口工装夹具.共轨管通过工件定位销和Y 型台在夹具上定位、压紧.快换工装与设备工作台上采用一面两销定位方式定位[８],并与工作台用螺钉连接.拧紧工件通过快换工装与设备工作台连接,对工件的拧紧位置产生坐标映射,针对不同的拧紧产品设计不同的快换工装,从机械结构设计上扩充了拧紧机的可适用范围,较大限度地满足了小批量、多品种、高精度的拧紧要求.

１．３　拧紧机构系统

    拧紧机构系统是自动螺栓拧紧机的核心功能区,需完成Z 轴升降、螺栓头认帽过程以及对螺栓的精确拧紧等功能.就机械结构设计而言,该系统对孔轴配合、面之间的平行度、位置的精度都有极高要求,以期达到拧紧精度要求,因此,在气缸与拧紧轴之间采用浮动接头设计,并配有液压缓冲器锁紧气缸,避免生产过程中对设备造成刚性损坏.拧紧机构结构如图３所示.

  拧紧轴主要由马达模块、行星减速模块、扭矩传感器以及输出模块组成(图４).输出模块与扭矩传感器之间安装有一个弹簧,其作用是套筒在认帽过程中缓速下降,同时输出模块缓速转动,在此阶段由于套筒未进入螺栓头,弹簧会产生一定的压缩,而随着扳手转动到达正确位置,压缩的弹簧会使内六角套筒弹入螺栓头,扭矩值在此时会发生变化,扭矩传感器就会对拧紧轴发出信号,完成认帽过程.

    如图３所示,内六角套筒通过传感器替换杆与拧紧轴相连,套筒结构与螺栓手动装配的内六角套筒结构一致.在设备生产时,使用传感器替换杆连接拧紧轴输出模块与套筒;在需要更换产品时,则将替换杆换成扭矩标定传感器,对所需加工产品的扭矩进行标定,调整拧紧程序.

  根据工件最终扭矩２０Nm 的要求,采用日本estic品牌拧紧轴,扭矩范围２８~２００Nm,同时满足角度控制要求.拧紧轴控制器选用CVI３型视窗板,可面板操作程序,最大可保存２５０组程序,每个程序１５个拧紧步骤,控制器内可保存１００００个结果及２０个图形,并可通过另外的程序与工控机通讯实时保存记录.可通过视窗板实时输入拧紧参数,实现可视化控制,方便操作人员对拧紧系统进行操作及拧紧程序编改.

２　控制系统设计

２．１　控制系统硬件设计

    基于PLC[９],根据机械结构的功能及运行逻辑,进行控制系统设计,实现拧紧机机械结构的运动控制.控制系统包括:电机驱动控制、拧紧机构控制、设备防护互锁、报警功能等.拧紧系统的气动系统采用SMC 的气缸和阀体.PLC、HMI通过PPI方式相连接,实现I/O 信号和数据的传输.采用西门子S７Ｇ２００系列PLC 作为主控制器,拧紧机控制系统与PLC软硬件相连接,实现联络与控制,实现机床与拧紧机动作逻辑联动.

２．２　控制系统软件设计

    操作人员将工件放置在固定于设备工作台上的工件夹具上,启动工装夹具将工件锁紧.该设备配置安全光栅,光栅信号与设备运行指令互锁,若安全光栅信号被阻挡,则机床无法启动并报警.在设备运行过程中,如若触发光栅报警信号,设备会立即停止运行.

    操作人员通过操作面板上的人机界面选择当前工件对应的自动拧紧程序.选择完成后,单击操作面板上的启动按钮,设备随即启动对应拧紧动作.平面滑台通过XY 两轴伺服电机动作定位,将工件输送至预设位置.在到达预设位置后,Z 轴方向拧紧轴经气缸推动下降,在缓速下降过程中,拧紧套筒在接触到螺栓头时,拧紧套杆中内置弹簧压缩,同时低速反向旋转,完成认帽过程.完成认帽后,拧紧轴进行正转拧紧动作.拧紧轴使用扭矩转角法,先拧紧到工艺预设扭矩,再旋转９０°,完成拧紧动作.拧紧过程通过拧紧驱动器进行记录,记录数据包括拧紧时对应的扭矩曲线以及拧紧数量.

    PLC接收到拧紧驱动器给出的拧紧完成信号后,Z轴上升至到位,根据工件对应的自动拧紧程序,继续执行平面滑台定位、认帽及拧紧过程.最后,通过该自动拧紧程序预设的数量判断拧紧是否全部完成.全部完成后,平面滑台移动至工件放取料位置,并松开工件夹具,等待操作人员下一步操作(图５).

设备具有可编程性.在程序设计中,还可根据工件具体拧紧要求,选择操作面板上所对应的拧紧程序、拧紧次序以及拧紧个数.在该设备程序中不仅设置了目前在产工件的拧紧参数,同时预留了未设置参数的选项,企业在生产中可通过重新设置参数,再载入控制程序,达到更换产品的目的.

３　设备操作系统

    设备操作系统利用Wincc组态提供友好的人机界面,方便操作人员直观、简单地监控设备[１０],并显示机床运行进程及相关故障报警等.设备提供自动及手动两种设备运行模式,并有相应的操作方式.在自动模式运行下操作人员可选择自动拧紧的品种,观察自动拧紧各个位置的拧紧情况;在手动模式下,操作人员可手动控制各个气缸、伺服电机、拧紧机构.

    为实现加工产品的快速切换,系统提供了品种设定的操作界面,可设置１~１０个不同品种的拧紧个数以及拧紧位置等参数(图６)以及可设置１~１０个不同品种的拧紧程序以及执行的拧紧程序个数参数(图７).