摘 要：介紹一種電動多軸螺母擰緊機控制系統(tǒng)的基本原理及硬件。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個軸都由一個以AFC-1100為核心的控制單元控制，保證了定扭矩擰緊實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：擰緊機；萬向聯(lián)軸器；伺服電動轉(zhuǎn)矩緊固器；軸控單元； 1 前言 　　自動擰緊機是集機械傳動、電氣傳動、氣動技術(shù)、電子技術(shù)、自動檢測于一體的機電一體化設(shè)備。擰緊機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。一臺機器有成百上千個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機器，這個螺栓的數(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擰緊機便誕生了。 2 我廠自動擰緊機的原狀 　　1997年一汽大宇在煙臺建廠其變速器總裝生產(chǎn)線的自動擰緊機就是韓國DAEWOO公司制造，而電動擰緊機采用日本DDK擰緊機。擰緊機采用伺服電動轉(zhuǎn)矩緊固器、控制器采用AFC-1100型號，體積小，功能強大并有自檢功能。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，通過扭矩扳手顯示的扭矩值來控制被連接件的預(yù)緊力的方法，操作操作簡單直觀。 　　角度法控制是把螺栓一直擰到預(yù)定扭矩后再轉(zhuǎn)過一個預(yù)定的角度的控制方法。這是根據(jù)螺母或螺栓擰緊時的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓伸長量和被擰緊件松動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)角度來達到預(yù)定預(yù)緊用按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來達到預(yù)定預(yù)緊力的方法。 3 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、安全可靠地長周期運行，要求墊片表面必須有足夠的密封比壓，特別在高溫震動工況下墊片會產(chǎn)生老化、蠕變松弛，法蘭、側(cè)蓋和螺栓產(chǎn)生熱變形，因此力矩對螺栓的連接有至關(guān)重要的影響，此時螺栓預(yù)緊力的施加與控制就顯得十分重要，過大或過小的預(yù)緊力都會對密封產(chǎn)生不利影響。螺栓預(yù)緊力過大，密封墊片會被壓死而失去彈性，甚至?xí)⒙菟〝Q斷;過小的螺栓預(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)實際中必須重視的問題。 　　差速器后蓋采用10個螺栓擰緊，由于技術(shù)的變更差速器的后蓋螺栓改為11個螺栓擰緊。為方便起見采用10個螺栓連接的產(chǎn)品稱A型號，采用11個螺栓連接產(chǎn)品稱B型號。A型號的變速器還要生產(chǎn)2年，之后全部切換為B型號的變速器，這2年內(nèi)兩種產(chǎn)品要進行切換生產(chǎn)。 　　我們現(xiàn)在圍繞差速器側(cè)蓋螺栓擰緊機進行探討，主要從機械方面、電氣方面進行分析。 　　3.1 機械方面 　　差速器側(cè)蓋螺栓擰緊機的原有結(jié)構(gòu)如圖1所示 　　擰緊機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)。擰緊滑臺依靠氣缸推動到達指定位置后，擰緊機開始進行擰緊。 　　經(jīng)過技術(shù)改造后的A型號產(chǎn)品分布圖與B型號產(chǎn)品分布如圖2所示。 　　其中a，b，c，d，e，f，g，h，j，k為原有的10軸擰緊槍;而A，B，C，D，E，F(xiàn)，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。 　　通過圖紙的實際比較可以看出：10軸擰緊機于11軸擰緊機的尺寸差異不大，只是差了一個軸而已。通過現(xiàn)場調(diào)查，可以把新增加的一個軸放在i位置（虛線表示）。 　　下面對能夠滿足要求的兩個方案進行分析比較 　　方案一 　　通過在原有擰緊機上增加一套切換模板的方式進行設(shè)備改造（如圖3所示）。這樣原有的擰緊機可以重復(fù)利用，節(jié)約一部分資金。 　　但是由于增加了一個軸的緣故，造成擰緊機的多根軸位置與模板的軸不同心。 　　我們需要利用萬向聯(lián)軸器來解決該問題。 　　萬向聯(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45°，而且在運轉(zhuǎn)的過程中可以根據(jù)需要隨時改變兩軸的軸間角。 　　為了消除萬向聯(lián)軸器從動軸轉(zhuǎn)速周期性波動問題，我門將兩個單萬向聯(lián)軸器串連成為雙萬向聯(lián)軸器（如圖4所示）。 　　則主動軸、從動軸與中間軸的轉(zhuǎn)角關(guān)系式為 　　tanф1=tanф3cosα1 　　tanф2=tanф3cosα2 　　tanф1/tanф3 = cosα1/cosα2 　　ф1、ф2、ф3-主動軸、從動軸與中間軸的轉(zhuǎn)角; 　　α1、α2 -主動軸、從動軸與中間軸的軸間角; 　　當(dāng)α1=α2時，ф1=ф2，這樣主動軸與從動軸之間沒有轉(zhuǎn)角差，消除了主動軸等速回轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的從動軸轉(zhuǎn)速波動的情況，這樣擰緊機的實際扭矩就會真實的在擰緊軸上反映出來。 　　此外雙萬向聯(lián)軸器在安裝時還要滿足三種條件： 　　1）主動軸、從動軸與中間軸的軸間角相等; 　　2）主動軸、從動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)場的實際情況考慮，在原有擰緊機不做大量改動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型號產(chǎn)品產(chǎn)品時（如圖5所示），ω1軸左側(cè)連接擰緊機通過聯(lián)結(jié)雙萬向聯(lián)軸器于右側(cè)ω2把動力輸出到模板上的套筒，繼而擰緊螺栓;在生產(chǎn)A型號產(chǎn)品時，只要卸下模板與雙萬向聯(lián)軸器，把套筒裝到原有的擰緊機上，即可使用（參照圖6）。 [align=center] [/align] 　　方案二 　　擰緊機左側(cè)是A型號產(chǎn)品擰緊機構(gòu)，右側(cè)是B型號產(chǎn)品擰緊機構(gòu) 　　圖7表示在生產(chǎn)兩種產(chǎn)品時可以選擇不同的（A型號與B型號）擰緊機構(gòu)，依靠氣缸推動來完成不同型號產(chǎn)品的切換，來達到加工不同型號產(chǎn)品的目的。當(dāng)生產(chǎn)A型號產(chǎn)品時，對應(yīng)的A型號擰緊機滑動到相應(yīng)的位置來擰緊側(cè)蓋螺栓，相應(yīng)的生產(chǎn)B型號產(chǎn)品時，B型號擰緊機則在初始位置進行擰緊。在控制面板處設(shè)有A/B型號產(chǎn)品轉(zhuǎn)換開關(guān)進行選擇。各自的擰緊機構(gòu)相互獨立，一臺設(shè)備發(fā)生問題時，對另一型號設(shè)備無影響。 　　優(yōu)點與缺點 　　方案一 　　設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間小、設(shè)備改動量小、活動余地大、節(jié)約設(shè)備改造資金。生產(chǎn)B型號產(chǎn)品時，只需裝上B型號產(chǎn)品模板，11個擰緊頭全部工作;生產(chǎn)A型號產(chǎn)品時，可拆下B型號產(chǎn)品模板，屏蔽一個軸即可。 　　方案二 　　設(shè)備結(jié)構(gòu)松散、占地空間大，活動余地小、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)品完成全部型號切換，另一套設(shè)備閑置，并且資金浪費較大。 　　3.2 電氣方面 　　鑒于擰緊機采用套裝形式如圖8所示，即一個擰緊機配一個控制器。我們可以把所有的擰緊機通過RS-422的數(shù)據(jù)通訊接口連接到電腦或PLC來完成控制打印、數(shù)據(jù)傳輸、同時擰緊等命令的操作。 　　首先，我們設(shè)定擰緊機的控制器，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明書的標(biāo)定進行一一連接，需要注意的是擰緊機的電壓為三相220V電壓，不可同兩相電混淆。最后加電，這樣通過PLC的集中控制，在工件到達指定位置時，PLC發(fā)出信號，控制滑臺前進，獲得指令后，則擰緊機開始在控制器的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定下進行擰緊，在擰緊的過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)，在擰緊過程完成后，向PLC發(fā)送OK/NG信號。以便PLC進行判斷，進行下一步動作，如此循環(huán)往復(fù)。 　　1.擰緊機簡介 　　擰緊機的基本結(jié)構(gòu)如圖9所示 　　擰緊機主要由驅(qū)動電機、行星齒輪減速機構(gòu)、編碼器、力矩傳感器等組成。 　　驅(qū)動電機主要供給擰緊機動力，把電能轉(zhuǎn)化為機械能; 　　行星齒輪減速機構(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，把電動機旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角（或位置）信號輸出送給驅(qū)動器，及時向控制器反饋轉(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)動桿傳遞輸出擰緊工件所用的模擬信號變成數(shù)字信號傳遞給控制器的單元。 　　2. 軸控單元 　　每臺擰緊機裝設(shè)一個軸控單元，其各部分是相互獨立的系統(tǒng)，主要控制其對應(yīng)的擰緊機，包括一些參數(shù)的設(shè)置。最后通過I/O接口單元，統(tǒng)一把軸控單元連接到一起，最終由PLC進行控制。 　　軸控單元主要有以下等具體功能： 　?。?） 設(shè)定控制器中擰緊模式，最大、最小扭矩的功能; 　　（2） 統(tǒng)計擰緊數(shù)值，儲存，打印功能 　?。?） 與PLC進行連接，對擰緊結(jié)果進行判斷，并自動發(fā)出OK/NG的控制信號的功能 　?。?） 數(shù)據(jù)通訊將擰緊結(jié)果傳送給、自動報警等功能 　　通過機械與電氣兩方面的分析比較，我們最終確定了方案一。經(jīng)過短短兩個月的改造，便順利完成了該項目。 　　到目前為止，我們成功的改造這一臺自動擰緊機設(shè)備，各方面指標(biāo)均已達到規(guī)定要求。 　　通過我們的自行研究開發(fā)解決了新產(chǎn)品型號設(shè)備更新?lián)Q代問題。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技術(shù)并為我所用，增強了技術(shù)人員的實力，并將技術(shù)運用在實際生產(chǎn)中提高了我廠競爭實力，為我公司后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。