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上海交通大学硕士学位论文汽车装配自动拧紧机姓名：黄健申请学位级别：硕士专业：仪器仪表工程指导教师：颜德田20080101上海交通大学硕士学位论文 第 3 页 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：黄 健 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第 4 页 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：黄 健 指导教师签名：颜德田 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第 5 页 汽车装配自动拧紧机 汽车装配自动拧紧机 摘 要 摘 要 本文针对汽车装配使用的全自动拧紧机进行了研究。文中介绍了自动拧紧机的工作原理和设计思路。首先给出了扭矩的定义，对拧紧过程中扭矩的产生进行计算，并分析影响轴向夹紧力的因素。然后介绍了拧紧过程，和常用的拧紧控制方法。使读者对扭矩控制的重要性和拧紧过程有清晰的认识。 然后着重对单轴拧紧机的设计进行了介绍。结构上以模块化设计为特点，拧紧轴分为电缆接头模块，马达模块，减速模块，传感器模块，信号预处理模块，输出轴模块。由应变片电桥构成扭矩传感器，采用双应变片结构，并有零位调节和温度补偿功能。拧紧轴选用直流无刷电机，免维护，控制精确。采用反电动势法检测转子位置，进行角度测量，无需采用额外位置传感器。控制系统方面，着重介绍了轴控模块和操作软件，及自检和安全防护功能。 接着在单轴拧紧机的基础上介绍了多轴拧紧机。主要是多轴系统的 RS-485 总线网络；主控模块和轴控模块之间如何协调工作；多个轴控模块之间的同步；拧紧系统的控制面板和外围接口；多轴拧紧机的设计要点和工作方式；以及如何对拧紧机进行评价等。 关键词关键词：扭矩，拧紧，装配，拧紧机 上海交通大学硕士学位论文 第 6 页 FASTENING MACHINE FOR AUTOMOTIVE ASSEMBLY ABSTRACT The thesis focuses on the fully automated fastening machine for automotive assembly. The article introduces the principle and design of fastening machine. The definition of torque is given first, the torque during fastening process is calculated and the factors than affect clamping force are analyzed. Then the fastening process, as well as normal fastening strategies, is introduced. So the reader should have a clear awareness of the importance of torque controlling and fastening process. Then the one spindle fastening machine is introduced. It features module designing, the spindle is composed of connector, motor, gear box, transducer, signal processing, and output shaft module. The torque transducer is wired from 4 strain gauges as Wheatstone bridge and has the feature of zero adjustment and temperature compensation. The spindle is driven by electric brushless motor, which makes it free of maintenance and accurately controlled. The angle measurement is done by measuring the voltage at motor poles. For controlling module, special software, self 上海交通大学硕士学位论文 第 7 页 test process, and safety protections are introduced. On the basis of this, multi spindle fastening machine is introduced. The article focuses on the RS-485 network; the cooperation between master and slave controller modules; the synchronization of multi controllers; the control panel and peripherals; the key points in designing; and the evaluation of fastening results. KEY WORDS: torque, fastening, assembly, fastening machine 上海交通大学硕士学位论文 第 10 页 第一章 绪 论 第一章 绪 论 11 自动拧紧机的发展状况 11 自动拧紧机的发展状况 今天，很难找到一部没有螺纹联接、没有螺纹紧固件的机器。自从出现工业化社会，就开始了螺纹联接大规模使用的历史。据估计，金属加工业有50%的生产时间用于制造紧固件。在所有联接中，螺纹联接是应用最为广泛的。 螺纹联接由于简单可靠、 拆卸方便， 而广泛应用于众多的机构装配中， 因此，螺纹装配技术是机械行业的基本技术。 重要的机电产品， 如发电、 输变电、 汽车、拖拉机、机床、仪表等对装配质量的要求很高，对螺栓拧紧的扭矩和角度等变量必须加以控制。为适应汽车等现代机电产品的高性能、高可靠、高安全性能的要求和自动化生产的需要，螺纹自动拧紧装备的研制和开发己成为市场必需。 自动拧紧机是集机械传动、电气传动、气动技术、电子技术、自动检测于一体的机电一体化设备。螺纹自动拧紧机的应用场合非常广泛，凡是对螺纹的装配有定扭矩或定角度等要求的地方，就需要该设备，它可以对螺纹的预紧实现比较精确的控制。并且，自动拧紧机可以实现装配的自动化，极大提高劳动生产率和安全性。 螺纹拧紧技术是从国外发展起来的，比较有代表性的有:瑞典的阿特拉斯（Atlas Copco），法国的乔治雷诺(CP Georges Renault)，美国的英格索兰(Ingersoll-RAND)、德国的博世(BOSCH)，美国的库柏(Cooper)等。为适应定扭矩加载的可控制拧紧场合需求，在80年代未，国外的机电、汽车制造行业已普遍采用可控制扭矩、可控转角和控制屈服点的拧紧工具。近年来，伴随着电机调速等控制技术、扭矩控制等技术的迅速发展，国外的装配作业线上的装配工具逐步从手工、风动或电动工具向低能耗、低噪声、控制精确等可控制拧紧设备发展，通过微机控制的自动型装配系统，实现对装配对象的定扭矩、定转角监控或屈服强度监控。 同国外相比，我国机电、汽车产品的螺纹拧紧工具目前还比较落后，尚不能系列、批量地供应生产中急需的拧紧工具及设备，每年都要花费大量外汇购买国外产品。近年来，随我国汽车业的迅猛发展，为了提高整体素质，增强国际竞争力，正朝着规模化、自动化方向大踏步前进，对装配质量和生产率提出了更高的要求，因此对大量使用的螺栓(螺母)的拧紧效率，也提出了越来越高的要求，这种要求促进了现阶段我国在拧紧技术方面的发展。 但目前现状是，国内市场大部分被国外品牌占领，主流整车厂基本不用国产设备；同时也有少数企业进行了自主开发，比如中国科学院沈阳自动化研究所、东风公司设备制造厂、大连德欣公司，山东龙口气动机械厂等等，但从技术方面比较，同国外产品有相当大的差距。 12 汽车装配中使用拧紧机的经济价值 12 汽车装配中使用拧紧机的经济价值 上海交通大学硕士学位论文 第 11 页 在汽车行业，由于有很多地方对螺纹装配要求较高，因此拧紧机的应用尤其广泛。下面是一些应用举例:汽车主锥螺母拧紧、发动机主轴承盖螺栓拧紧、发动机气缸缸盖螺栓拧紧、发动机连杆螺栓拧紧、底盘变速箱拧紧工位、凸轮轴盖螺栓拧紧、轮胎螺栓拧紧、差速器盘螺栓拧紧、差速器壳轴承盖螺栓拧紧、前后桥U形螺栓拧紧、泵体端盖螺栓拧紧、助力转向器端盖螺栓拧紧、端面法兰螺栓拧紧、离合器总成拧紧。 尤其是发动机和离合器的装配，几乎所有的螺栓都需要稳定可靠的拧紧。对于像缸盖，正时齿轮，减震轮等有多个螺栓连接的部件，不仅对于单个螺栓的扭矩转角有严格要求， 而且对于拧紧过程也有要求， 通常是要求几个螺栓同步拧紧，即所有的螺栓先全部预拧到某一扭矩值，然后再一起拧到目标扭矩值，这样在工艺上可以有效避免零件的变形，保证装配的密封性。 以上海柴油机股份有限公司某型号发动机减震轮安装为例，要求拧紧 4 颗M14 的螺栓，扭矩要求 250Nm。为了保证装配质量，要求先把每颗螺栓预拧紧到 100Nm，然后再拧紧到目标扭矩。拧紧过程中为了防止减震轮跟着转动，还要加装反作用杆锁紧工件，拧紧完成后拆走。如果用传统的装配方法，先是用冲击扳手把螺栓拧到贴合，然后用定扭扳手预拧到 100Nm，再换用更大扭矩的定扭扳手拧紧到 250Nm。在所有拧紧工序中，都要注意拧紧顺序，要采用对敲的方法。这样装配一个减震轮，工人就要使用气动工具 4 次，扭矩扳手拧紧 8 次，再加上安装和拆除反作用杆的时间，装配一个减震轮至少需要 3 分钟时间，此工位成为整条生产线的瓶颈。并且气动工具的噪声大，使用的扭矩扳手要定时进行校验，以确保扭矩准确性。定扭扳手的操作效果和每个工人的操作习惯有很大关系，即使是同一个工人，每次的操作结果也会不同。实际生产中还存在工人漏拧的现象， 严重影响发动机的质量。 如果使用 4 轴自动拧紧机， 拧紧过程自动同步，每个螺栓的扭矩是靠传感器来控制的，装配质量大大提高。拧紧机自动按照工艺要求完成分步拧紧。拧紧过程中的反作用力互相抵消，所以无需锁紧工件，整个拧紧过程只需要工人把拧紧机对准螺栓，按下启动按钮，5 秒钟就可以完成一台减震轮的安装。这样明显提高了生产效率，减轻了工人劳动强度，且保证了装配质量，不会产生漏拧。采用自动拧紧机后此工位没有出现过质量问题。 当前我国经济高速发展，这必然会促进汽车行业的发展，汽车工业已成为主要的支柱产业之一。在整车总装这个过程中，所使用的各种拧紧设备正在逐渐淘汰气动和电池工具，向各种带扭矩反馈形式的拧紧装置转变，以保证汽车的装配质量。尤其是近几年国家对汽车产品的质量安全开始重视，开始实行汽车召回制度，要求所有的汽车装配拧紧数据都要保存10年以上，这是传统的气动工具所完全不能满足的，这就促使各汽车厂商都采用智能化的自动拧紧机。自动拧紧机的应用将会越来越普遍，使用场合也会越来越多。 上海交通大学硕士学位论文 第 12 页 第二章 螺纹连接和拧紧技术 第二章 螺纹连接和拧紧技术 联接是把两个或者多个部件联接到一起， 常用的有四种联接方式 （螺纹联接，铆接，焊接和粘合联接） 。螺纹联接具有联接可靠，装配方便、快速，拆卸更换方便等优点，所以螺纹联接是应用最广泛的一种联接方式。 螺纹副联接是汽车、内燃机、压缩机等众多机械行业装配作业所广泛采用的一种方法，为确保装配的质量，必须对螺纹副的拧紧状态予以控制。现今用于控制螺纹拧紧的方法主要有扭矩法，扭矩 - 转角法，屈服点法，螺栓伸长法等 4 种。其中，螺栓伸长法虽然最为准确、可靠，然而，由于难以在实际的装配机械上实现，故至今尚未用于生产。相比之下，扭矩法因简单易行，长期来一直是螺纹副装配中最常用的方法。但随着对装配质量要求的不断提高，扭矩法的不足也越来越多地暴露出来。因此，近十年来，重要场合下螺栓联接所采用的拧紧工艺基本由扭矩 - 转角法所取代，大大提高了产品的装配质量。以轿车发动机为例，在现代汽车厂的发动机装配线上，关键螺栓联接，如主轴承盖、缸盖、机油滤清器支架、曲轴轴头等的拧紧工艺都为扭矩 - 转角法，一些分装线上的重要螺栓联接，象连杆，采用的也是这种方法。 装配拧紧的实质是通过螺栓的轴向夹紧力将两个工件（如缸盖与缸体）可靠地联接在一起，因此，对轴向夹紧力的准确控制是保证装配质量的基础。通过控制拧紧扭矩间接地实施夹紧力控制的扭矩法由于受到摩擦系数等多种不确定因素的影响，导致对轴向夹紧力控制精度低。此外，出于安全考虑，最大轴向力在设计时一般设在其屈服强度的 70% 以下，实际值往往只有 3050% 。轴向夹紧力小而分散，必然造成材料利用率低、结构笨拙和可靠性差。 21 拧紧过程力的分析 21 拧紧过程力的分析 211 螺栓轴向夹紧力螺栓轴向夹紧力 螺纹联接的目的是使被联接部件以适当的夹紧力联接在一起，防止产生滑动，同时保证以后的拆卸。螺纹联接件所受的外力有四大类： - 纯拉应力 - 拉应力和弯曲应力 - 剪切力 - 扭转力 把被联接件压在一起的力叫做“夹紧力” 。紧固件必须拧紧到产生超过施加负载的夹紧力，同时也不能过分拧紧，防止外加负载导致紧固件失效。 装配的实质是要将螺栓的轴向夹紧力控制在适当的范围。轴向夹紧力的下限是由联接结构的功能决定的， 该下限值必须保证被联接件在工作过程中始终可靠地贴合。轴向夹紧力的上限是由螺栓（或螺母）和被联接件的强度决定的，该上限值必须保证螺栓及被联接件在预紧和工作工程中不发生破坏（拉长，剪断，疲上海交通大学硕士学位论文 第 13 页 劳断裂，脱扣，被联接件压缩，破裂等） 。 螺栓轴向夹紧力设计值的高低是产品设计和材料工艺水平的综合体现。现已较广泛采用的屈服点控制法和扭矩-转角法等拧紧工艺可以使螺栓的夹紧力非常稳定，达到或接近其屈服强度。而在传统的经验设计中，用扭矩法拧紧螺栓时，在考虑到扭矩控制精度，摩擦性能散差和螺栓强度波动等因素时，轴向夹紧力的最大值通常只能设计在其屈服强度的 70%以下。 实际轴向力往往只有螺栓屈服强度的 30%70%，甚至更低。轴向夹紧力小而分散，必然导致材料浪费，联接结构笨拙而且可靠性差。 大量研究表明，螺栓的轴向夹紧力越大，其抗松动和抗疲劳性能越好，螺栓拧紧至屈服时效果最好。对于发动机和变速箱等重要应用场合，应尽可能采用扭矩-转角法或者屈服点法将螺栓拧紧至屈服。此时，不仅能最大限度地利用材料强度和减小零件尺寸，还能使联接的可靠性得到充分保证。 212 夹紧力和扭矩的关系夹紧力和扭矩的关系 在螺纹联接中我们实际要控制的力是夹紧力。然而在大规模生产中，还没有实际可行的方法可以控制夹紧力。因此我们转而控制影响夹紧力的其他参数。目前最常用的方法是控制紧固件的拧紧扭矩。 Webster 将扭矩定义为：1：产生转动、扭转及其趋势的力（汽车发动机将扭矩传递给驱动轴） ；同时，影响扭矩的因素是产生的力和力到转动轴的垂直距离； 2：一种旋转力或圆周力。 图 2-1：扭矩的定义 Fig 2-1 definition of torque 扭矩定义为： T= F x L x cos() (2-1) 式中 T 为扭矩 F 为施加的力 L 为受力点到旋转轴的距离 为力 F 和距离 L 的夹角 扭矩- 夹紧力有如下关系： KDTF= (2-2) 式中： T = 扭矩，单位 Nm D = 螺栓公称直径 F= 夹紧力，单位 kN 上海交通大学硕士学位论文 第 14 页 K= 螺栓因子 (范围从0.03到0.35) 在典型的螺纹联接中，由于螺纹副之间的摩擦力和螺栓头部和工件表面之间的摩擦力， 仅有约10%的拧紧扭矩转化为实际需要的夹紧力。 扭矩的分配比例如图2-2所示。 图 2-2：扭矩的分配 Fig 2-2 proportion of torque 以一个没有润滑的联接为例： - 90% 的扭矩作用于摩擦力，此摩擦力也可以防止螺栓变松（其中50%是螺栓头和工件的摩擦力，40%是螺纹副的摩擦力） - 10% 的扭矩用于产生夹紧力 由扭矩的分配比例，必须认识到，螺纹联接中摩擦力的任何变化都会对夹紧力产生很大影响。 例如，如果联接的平均摩擦系数从0.10 (轻微油性) 变化到 0.18 (干性)，对于同样的施加扭矩，夹紧力减少了50%。实际生产中，摩擦力主要的变化来自于螺栓头下工件的摩擦系数。 由以上分析可知，螺纹尺寸及形状确定后，螺纹拧紧过程中的夹紧力不仅与拧紧扭矩有关， 还与螺栓头和工件以及螺纹副的摩擦系数有关。 要保证拧紧质量，减少夹紧力分散性，必须同时控制拧紧扭矩和螺纹件的表面摩擦系数。因此，不控制其它工艺参数而仅控制扭矩是没有意义的， 单方面盲目追求提高拧紧工具的扭矩精度是无法提高拧紧质量的。 213 螺纹拧紧扭矩的计算螺纹拧紧扭矩的计算 首先介绍螺纹的基本参数，参看图2-3： 上海交通大学硕士学位论文 第 15 页 外径（大径）d（D）与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径；内径（小径）d1(D1) 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径； 中径 d2 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，d20.5(d+d1) 螺距 P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离； 导程（S） 同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离。 线 数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造 n4，螺距、导程、线数之间关系：P=nS。 螺旋升角 中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。牙型角 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角。 牙型斜角 螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角。 图 2-3 螺纹的基本参数 Fig 2-3 parameters of screw thread 螺纹联接的拧紧力矩T等于克服螺纹副相对传动的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩2T（图2-4）之和 ，即 上海交通大学硕士学位论文 第 16 页 图 2-4 支承面摩擦阻力矩 Fig 2-4 friction torque at supporting surface ()212TT +T2acafF dtgf F r=+ (2-3) 式中：aF为轴向力，对于不承受轴向工作载荷的螺纹，aF即夹紧力；2d为螺纹中径；cf为螺母与被联接件支承面之间的摩擦系数，无润滑时可取cf=0.15；fr为支承面摩擦半径，04wfddr+其中wd为螺母支承面的外径，0d为螺栓孔直径。 对于M10M68的粗牙螺纹，若取ftg=0.15，式(2-3)可简化为 mmNdFTa 2 . 0 (2-4) 式中：d为螺纹公称直径，mm； aF为夹紧力，N。 aF值是由螺纹联接的要求来决定的， 为了充分发挥螺栓的工作能力和保证夹紧可靠，螺栓的夹紧应力一般可达材料屈服极限的50%70%。小直径的螺栓装配时应施加小的拧紧力矩，否则就容易将螺栓杆拉断。对于重要的有强度要求的螺栓联接，如无控制夹紧力矩的措施，不宜采用小于M12的螺栓。 夹紧力还与润滑情况、拧紧速度、所用拧紧工具、以及反复拧紧时的温度变化有关。 上海交通大学硕士学位论文 第 17 页 22 拧紧过程描述 22 拧紧过程描述 典型的拧紧过程分为：寻帽，贴合拧紧，最终拧紧三个阶段。 图 2-5：拧紧过程 Fig 2- fastening process 寻帽：拧紧轴低速旋转，方向可以是左旋 / 右旋 / 左右旋，以使螺帽进入套筒，防止在后续的快速拧紧过程中套筒空转。可以以角度或时间来控制。 贴合拧紧：快速拧紧，直到螺帽和工件贴合，目的是减少拧紧时间，加快工作节拍，对于长螺栓特别有用。以目标扭矩、时间、或者圈数来控制。 最终拧紧：拧紧轴以慢速到达目标（扭矩或转角） ，目的是得到更好的拧紧结果，提高拧紧精度。以目标扭矩、目标转角、或者屈服点来控制。 在最终拧紧阶段，螺栓会经历如下几个不同的区域： 弹性区域：扭矩和转角成正比，扭矩随转角的增加而上升，螺栓拧松后长度不会改变； 半弹性区域：也叫超弹性区域，以屈服点为限，扭矩随转角上升的斜率逐渐变小； 塑性区域：螺栓被永久拉长，如果继续拧紧螺栓会失效甚至断裂。 实际拧紧一个螺栓时，在开始的几转期间，不会产生夹紧力，只有当螺栓表面接触到被联接件或垫圈后，夹紧力才开始产生。不过，由于此时各接触表面接触点很少或因被联接件与周围构件间的摩擦力，以及垫圈弯曲等原因，夹紧力很小，这个过程即为贴紧过程。贴紧过程期间螺母要转多少圈无法预知，而且，即使在完全相同的情况下，螺母转的圈数也不一样。被联接件贴紧后，夹紧力和转角才呈现线性关系，此时夹紧力增长非常迅速，即使转过很小角度，夹紧力也会成倍增加。 继续拧紧， 则夹紧力不再和转角成线性， 螺栓开始逐渐进入屈服状态。超过屈服点后，进入塑性区域，螺栓被永久拉长，如果继续拧紧螺栓会失效甚至断裂。 上海交通大学硕士学位论文 第 18 页 23 常用的拧紧策略 23 常用的拧紧策略 拧紧策略，是指通过控制拧紧过程的某一参数来对拧紧结果进行控制，即拧紧何时结束，工业生产中，常用的拧紧策略有扭矩法，转角法，屈服点法等。同时，为了防止或者减少出现差错，会加入监测功能，只有同时满足控制要求和监测要求，才可以认为完成一个合格的拧紧。 231 扭矩法扭矩法 当扭矩目标扭矩，拧紧轴停止。如果最小扭矩 峰值扭矩 最大扭矩，则拧紧合格。 此方法只控制施加的扭矩，是利用扭矩与夹紧力的线性关系在弹性区进行紧固控制的一种方法。但由于螺纹副和零件表面的摩擦力变化，对于实际的轴向夹紧力控制达不到很好的精度。根据表面状况和润滑的不同，轴向夹紧力离散度可以达到 50%。 另外，此方法不能检测到拧紧过程中的差错，如螺纹孔太短，螺纹尺寸不符等，都有可能产生施加扭矩已到达，实际工件却没有拧紧的错误。 图 2-6：扭矩法曲线 Fig 2-6 curve of torque strategy 此方法常应用于非关键部件的装配，如车身部件，面板，附件装配，也应用于洗衣机等白色家电的装配。通常用气动工具来实现。不适合重要的，关键的零件联接。 232 扭矩控制扭矩控制+转角监控法转角监控法 上海交通大学硕士学位论文 第 19 页 为了克服上述扭矩法的缺点， 在扭矩控制的基础上， 增加了转角监控的功能。 如果扭矩 目标扭矩，或者转角 安全转角，拧紧轴停止。 如果最小扭矩 峰值扭矩 最大扭矩，并且 最小转角 最终转角 最大转角，则拧紧合格。 图 2-7：扭矩控制，转角监控曲线 Fig 2-7 curve of torque control and angle monitor strategy 此方法由于在扭矩法的基础上增加了转角监控的功能，可以有效的防止产生错误拧紧。并且为了防止把螺栓或者工件拧坏，设置了“安全转角” ，一旦转角到达安全转角，拧紧立刻停止。安全转角的设置对塑料件特别有用。 在最终拧紧阶段，当扭矩超过设置的“转角起始扭矩”值时，开始测量转角。为获得最好的转角测量， “起始扭矩”要高于预拧紧值并且在扭矩的线性范围内。转角的上下限一般需要根据多次正常拧紧的结果统计得出。 此方法的轴向夹紧力误差和扭矩法一样，可以达到 50%，但由于增加了转角监控，可以有效避免错误拧紧，提高了可靠性，减少了拧紧后再进行检查的必要性。 此方法应用于安全关键部件的拧紧，如汽车轮胎，前后桥，发动机，变速箱装配。 233 转角控制转角控制+扭矩监控扭矩监控 上海交通大学硕士学位论文 第 20 页 图 2-8：转角控制+扭矩监控曲线 Fig 2-8 curve of angle control and torque monitor strategy 如果转角 目标转角，或者扭矩 最大扭矩，拧紧轴停止。 如果最小扭矩 最终扭矩 最大扭矩， 并且最小转角 最终转角 最大扭矩变化率或 最大扭矩，或者转角 安全转角，或者扭矩变化率 最大扭矩变化率，拧紧轴停止。 如果参考扭矩变化率 最大扭矩变化率， 并且参考扭矩变化率 最小扭矩变化率，并且最小扭矩 扭矩 最大扭矩，并且最小转角 转角 最大转角，则拧紧合格。 屈服点控制拧紧的原理是：只要作用于螺栓的张应力小于屈服点，扭矩变化率 (T / ) 就保持不变，超出屈服点后变化率会下降。在扭矩增加阶段都会计算扭矩变化率，并和参考扭矩变化率作比较。参考扭矩变化率是在拧紧循环开始时约束条件比屈服点小的多的范围内计算的，计算从转角起始扭矩开始。拧紧轴运转开始的 N 度后就可以得到参考扭矩变化率，N 是用以计算扭矩变化率的的值（样本数） 。当扭矩变化率低于“参考扭矩变化率”的 X%时系统停止，X 是目标扭矩变化率的百分比。这就是屈服点。默认值为： N = 16 ，X% = 50 从转角起始扭矩开始，系统测量拧紧轴的转角。经过 16(或 32)后，计算参考扭矩变化率。然后对后续每一角度都进行实时计算，最终结果是达到目标扭矩时的读数。 当在塑性区域拧紧时，系统等待拧紧轴在屈服点后到达设定的转角（塑性区域的转角） ，然后停止马达。 应用此方法，螺栓的轴向夹紧力直接和螺栓的机械特性相关。因此轴向夹紧力的重复性和精度较之扭矩法和转角法更好，同时可以把螺栓的性能使用到极限，最大限度地发挥了螺纹件的强度，使材料的利用率达到 100%。螺栓拧紧到材料屈服极限后，提高了疲劳强度，也提高了螺纹副的防松功能，可以获得最大的安全性。此方法主要应用于关键安全部件和需要高重复性的发动机部件，如刹车系统和发动机缸盖。 上海交通大学硕士学位论文 第 22 页 第三章 单轴拧紧机 第三章 单轴拧紧机 本文所述的螺纹自动拧紧机主要是针对汽车零部件和整车的装配，是汽车装配质量控制的一台关键设备，因为在汽车零部件的装配过程中，有大量的螺栓需要拧紧。它的拧紧对象可以是螺栓，也可以是螺母。但是它的使用范围并不局限于汽车行业，目前已扩展到许多行业的生产工位和生产流水线上。可以说，凡是对拧紧质量要求特别高的关键工位，或者那些需拧紧螺栓多，或者螺栓需用大扭矩来拧紧的，或者螺栓拧紧的自动化程度比较高的工位，或者几种情况都符合的工位，这时使用螺纹自动拧紧机，就充分体现出了它的优越性了，一是可以提高生产效率，降低工人劳动强度，改善劳动环境；二是可以保证螺纹的装配质量，使螺纹联接可靠；三是可以防错，实现自动拧紧。 本章介绍单轴拧紧机的原理和结构，这是自动拧紧机的基础。在此基础上，下一章节介绍把多台单轴拧紧机组合成一个系统，完成多轴拧紧机的设计。 单轴拧紧机由拧紧轴和轴控单元组成，拧紧轴完成扭矩的测量和输出，轴控单元用来驱动电机、控制拧紧轴按照要求进行动作，并提供用户操作界面，以及外部接口和数据存储传输功能。 31 拧紧轴结构 31 拧紧轴结构 整个拧紧轴的设计是按照模块化的概念设计的。拧紧轴可以分解成以下几个不同的部分：电缆接头模块，马达模块，减速模块，传感器模块，信号预处理模块，输出滑动头模块。 对应不同的最大扭矩要求，所需要的马达功率是不一样的，马达根据功率可以分成几挡，故马达模块是根据所需的最大扭矩来选择的。马达模块确定后，相应尺寸的传感器模块，减速和输出轴模块也就确定了。电缆接头模块，信号预处理模块则是通用的， 适合所有的拧紧轴。 这样就形成了从高扭矩 （超过1000Nm）到低扭矩（1 Nm）的全系列的标准拧紧轴。模块化概念的采用可以让拧紧轴尽可能标准化， 减少用户零配件的需要量， 使拧紧轴的拆卸维修工作变得方便简单。 由于马达使用的是直流无刷电机，2相220伏的电压，而扭矩信号传输采用的是数字化的低压信号，为了避免强电对弱电的影响和干扰，采用强弱电隔离的设计。马达电缆和扭矩电缆分开传输，都和控制器连接。由于拧紧轴一般都是固定使用的，故2根电缆之间不容易发生缠绕的问题。 拧紧轴的结构如图所示： 上海交通大学硕士学位论文 第 23 页 图 3-1 拧紧轴模块图 Fig 3-1 spindle module 32 拧紧轴的机械传动部分 32 拧紧轴的机械传动部分 马达的自由转速一般都是上千甚至上万转每分钟的，而在最终拧紧阶段，需要的转速可能低至35转/分。为了把马达的高速低扭转化成所需要的低速高扭，需要通过减速器来实现。为此，采用了2级行星齿轮减速装置。行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比较，具有质量小、体积小、传动比大、承载能力大以及传动平稳和传动效率高等优点。 图 3-2：拧紧轴机械传动部分 Fig 3-2 mechanical transmission of spindle 拧紧轴的输出头是四方的，一般需要根据螺栓头或者螺母的尺寸配上合适的套筒。对于自动拧紧机，拧紧轴都是固定在气缸或者进给机构上的，工作工程中由于螺栓会随着拧紧往里旋入，需要拧紧轴和螺栓间保持一定的压力，以保证套筒和螺栓头始终接触不滑出。同时，这个压力不能太大，否则会破坏机械部分，影响扭矩的正确性。用气缸机构很难调到合适的压力，并且气缸受气源影响大，压力不稳定。为此，在拧紧轴的头部增加了一个弹簧机构，如图3-3所示。4为经过行星齿轮减速后的输出部分，1是增加的输出滑动轴，4和1之间用花键连上海交通大学硕士学位论文 第 24 页 接，2是用来压紧的弹簧，3是限位销钉。输出滑动轴的行程为50mm。工作时，气缸把拧紧轴压紧，弹簧压缩，滑动轴1被向4方向压入。随着拧紧的进行，弹簧推动滑动轴1逐渐升长，这样保证了在整个拧紧过程中，滑动轴上的套筒都始终和螺栓接触，有效避免了因套筒滑出而导致的拧紧故障。 图 3-3 输出滑动轴 Fig 3-3 output shaft 输出轴1的头部是四方的，四方头中间开一销孔。工作时需要根据拧紧的螺栓尺寸选择对应的套筒。 标准套筒中间对应位置也有销孔， 只要把销钉插入销孔，然后在套筒的外壁凹槽内装一个橡胶圈，销就不会脱落。这种结构实现了套筒的快速更换。 33 扭矩传感器 33 扭矩传感器 扭矩传感器采用应变片式传感器，安装在工具的环形齿轮上，同步测量相对应作用在紧固件上的扭矩。通常应变片接成电桥形式，电桥的输出电压和作用在传感器上的扭矩可以认为是线性关系。 应变片的电阻和它的长度和截面积有关，SlR= （3-1） R -电阻值（） 上海交通大学硕士学位论文 第 25 页 -应变片电阻率 l -应变片长度 S-应变片截面积 经微分，可简化为： dR/R=K (3-2) K-应变片灵敏系数，表示单位应变引起的电阻的相对变化 -应变片轴向相对应变 把应变片粘贴在某个物体上，如果物体发生变形，则应变片的长度随之发生变化，导致应变片阻值变化，这样就产生了电信号。实际中，应变片的电阻增量是很微小的，要用专门的电桥电路来精确测量微弱的电阻变化。电桥采用4个应变片，2个沿受力方向，2个在正交方向。 这4个应变片组成了惠斯登电桥，供电 电压为2-10伏，如图3-4。 电桥的输出电压 +=433211RRRRRRUUIO ， （3-3） 当电桥平衡时，00=U，3241RRRR= 称为电桥的平衡条件，它说明要使电桥达到 平衡，其相邻两臂的阻值应相当。 图 3-4 应变片电桥 Fig 3-4 strain gauge bridge 电压灵敏度：电压灵敏度：灵敏度是用mV/V来表达的系数，用来表示当传感器有1V电压和一个等于额定负载的扭矩时由扭矩传感器产生的信号值。 假设电桥只有工作臂R1为一电阻应变片，当受应变时，其电阻变化为1R，而2R，3R ，4R均为固定桥臂。在起始时，电桥处于平衡状态，00=U。当有1R时，电桥输出电压为0U，可求得0U与1R之间的关系为 ()()IIIURRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRUU+=+=+=3412111134432114143321111011 （3-4） 设桥臂比12RRn =，并考虑到起始平衡条件3412RRRR=，以及略去分母中11RR项，得 ()1121RRnnUUIO+= （3-5） 上海交通大学硕士学位论文 第 26 页 电桥的电压灵敏度 ()2111nnURRUKIO+=， （3-6） K越大，说明应变片电阻相对变化相同的情况下，电桥输出电压越大，电桥越灵敏。 由式（3-6）可知，要提高电桥的电压灵敏度，必须提高电源电压，但它受应变片允许功耗的限制， 另外应适当选择桥臂比n。 下面分析当电桥电压IU一定时，n应如何取值使电桥灵敏度最高。 由0=dndK时，K为最大，可得()()01142=+nn，所以1=n时，K为最大。也就是说，在电桥电压一定，21RR =，43RR =时，电桥的电压灵敏度最高。此时式（3-4） 、 （3-5） 、 （3-6）简化为 （3-7） （3-8） （3-9） 由以上三式可知，当电源电压IU及电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度也为定值，且与各桥臂阻值大小无关。 非线性误差及其补偿。非线性误差及其补偿。式（3-5）表示电桥输出电压与电阻相对变化是成正比的，但这是理想情况。实际的非线性误差为：11121111RRRRRR+=。为了减少或消除电桥的非线性误差，采用差动电桥，根据被测试件的应变情况，在电桥的相邻两臂同时接入两工作应变片，使一片受拉，另一片受压，如图3-5。该电桥的输出电压OU为 +=433221111RRRRRRRRRUUIO， （3-10） 考虑到4321RRRR=，4321RRRR=，则 RRUiUo=， （3-11） IIOIOUKRRUURRRRUU4141211141111111=+=上海交通大学硕士学位论文 第 27 页 图 3-5 四臂差动电路 Fig 3-5 quadric arm differential circuit 由上式可知OU与11RR成线性关系，说明差动电桥没有非线性误差，而且其电压灵敏度IUK =，比单工作片提高四倍，同时还起到了温度补偿的作用。 如果被测物体只受到扭转应力的作用，压力的方向和物体的中心轴成45度角，如图3-6。在一个方向上，物体被拉伸，在和其垂直的方向上，物体被压缩。 因此应变片设计为在一个片基上雕刻有2个应变片， 应变片的方向和物体受压的方向相同， 这样就可以最大程度地检测到物体的变形，从而产生更明显的阻值变化。如图3-7。 应变片的具体安装位置如图3-8所示。 图 3-6 压力方向 Fig 3-6 pressure direction 图 3-7 应变片形状 图 3-8 应变片安装位置 Fig 3-7 shape of stain gauge Fig 3-8 strain gauge install position 上海交通大学硕士学位论文 第 28 页 温度补偿。温度补偿。 温度改变时， 金属丝的长度也会发生变化， 从而引起电阻的变化。因此在温度环境下进行测量，应变片的电阻变化由两部分组成，即： R = RRT R-由构件机械变形引起的电阻变化。 RT-由温度变化引起的电阻变化。 要准确地测量构件因变形引起的应变，就要排除温度对电阻变化的影响。方法是，把普通应变片，贴在材质与构件相同、但不参与机械变形的一材料上，然后和工作片在同一温度条件下组桥。 电阻变化只与温度有关的电阻片称做温度补偿片。利用电桥原理，让补偿片和工作片一起合理组桥，就可以消除温度给应力测量带来的影响。 实际电路实际电路。实际我们采用如下电路。 1）在电桥的每个桥臂，使用双应变片，这样可以提高电路的线性度。同时增加了温度补偿电阻。虽然每个传感器的灵敏度都不一样，但在额定负载下，电桥的理论灵敏度可以达到1.75mV/V。具体的每根拧紧轴的灵敏度都需要通过标准测试来获得。 2）增加了零位调整电阻，用于保证在应变片没有受压的情况下，电路的输出为零。 由于应变片阻值的分散性， 有可能在没有负载的情况下， 电桥也有输出。零位调整电阻可以用以进行调节。 3）具有温度补偿电阻，用于消除温度变化对应力测量带来的影响。 图 3-9：实际电路 Fig 3-9 actual circuit 34 直流无刷电机 34 直流无刷电机 本自动拧紧机的拧紧轴电机选用直流无刷电机。 直流无刷电动机（BLDC）是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机。直流无刷电动机最明显特点，就是没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触机构。而且，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗，热阻较小，散热容易。直流无刷电机具有以下优点： 1、电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约 6 倍； 上海交通大学硕士学位论文 第 29 页 2、直流调速系统具有线性的机械特性，并且还具有调速精度高、调速范围宽等优点 3、调速系统控制方法简单，功率变换器不必为电机提供无功功率，并且电机转子无励磁、效率高、低速性能好。 4、具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。 另外，直流无刷电动机结构简单、性能可靠、变速范围大、调控灵活、体积小、噪音低、无油漏、维护方便，适用于连续工作运转，且能在带负载条件下，运转中按需要调节速度，最适宜工艺参数多变或连续变化的要求。 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，需要在电动机内安装位置传感器或者通过其他方法来检测。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如下图所示： 图 3-10: 无刷直流电机原理图 Fig 3-10 principle of BLDC 电源部分可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先转换成直流。不论是直流电输入或交流电输入，要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成 3 相电压来驱动电机。 换流器一般由 6 个功率晶体管(T1T6)分为上臂(T1、T3、T5)和下臂(T2、T4、T6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部分则提供 PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。 直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制， 所以电机内部有能感应转子位置的传感器（sensor)，做为速度的闭路控制，同时也做为相序控制的依据。 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路， 逆变器提供等幅等频 5-26KHz 调制波的对称交变矩形波。 永磁体 N-S 交替交换，使位置传感器产生相位差 120的 U、V、W 方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生 T1-T4 导通、 T1-T6 导通、 T3-T6 导通、 T3-T2 导通、 T5-T2上海交通大学硕士学位论文 第 30 页 导通、T5-T4 导通，也就是说将直流母线电压依次加在 A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对 N-S 极，T1-T6 功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动 60电角度，转子跟随定子磁场转动相当于 60电角度空间位置。转子在新位置上，使位置传感器 U、V、W 按约定产生一组新编码， 新的编码又改变了功率管的导通组合， 使定子绕组产生的磁场轴再前进 60电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令 Vc 的高低，如果速度指令最大值为+5V 对应的最高转速：Vc（max），那么，+5V 以下任何电平即对应相当的转速 n，这就实现了变速设定。 当 Vc 设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压 Vfb 变小，调制波的占空比 就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时， 减小，Tm 减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在 1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。 35 角度检测和电机控制 35 角度检测和电机控制 在拧紧轴的工作过程中，需要对转角进行精确检测，用于转角监控或者角度法拧紧。常用的方法是采用光电编码器或位置传感器或专用的角度传感器，这种方法不仅增加了电机工艺的复杂性，而且增加了电机成本和电机故障率，也增加了几根位置传感线到控制器上，给电动机整机安装带来不便。 同时，在直流无刷电机的控制过程中，要求对电动机转子的极性进行检测，以便发出电流换相的指令。 常用方法也是要使用霍尔传感器或其它直接检测转子位置的方法，同样也存在上述缺点。 考虑到以上几种因素，本拧紧机的电机转子位置检测采用了无位置传感器的间接方法。采用探测电机反电势的过零点来获得电机转子的位置。 三相无刷直流电动机在工作时，每相绕组都会产生感应电动势。按照 120 度导电方式, 任何时间都有一相电机端子没有外加电压， 因此可以在该相电机端子检测电机反电势来得知转子位置。电动机每转 60 度就需要换相一次，所以在此之前被截断电流的某相绕组的感应电动势要反相，从而通过零点。直流电动机每转一转需要换相 6 次， 所以三相绕组每转一圈共有 6 个过零点， 每相两个过零点。当得知某相的过零点的时刻后，将其延迟 30 度就可以得到所需要的换相信号。反电动势法检测转子位置法就是利用这一原理来实现位置检测。 上海交通大学硕士学位论文 第 31 页 图 3-11：角度检测原理 Fig 3-11 principle of angle measurement 如图所示，只要测得相互正交的 2 个定子产生的反电动势 Vsin 和 Vcos，则有： sin*cos)sin(cos*sin1sinViViwtVwtV+=+= （3-12） cos)sin(VVarctg= （3-13） 这里， 就是电机转子转过的角度。 然后，根据已知的拧紧轴的减速比R，输出轴的转角 R= （3-14） 这样，就实现了不另外采用外置传感器而进行转角测量的目的。转角的计算是通过微处理器完成的。 综上，拧紧轴采用无位置传感器直流无刷电机控制和角度测量技术主要有以下几个方面的优点： 一、省去了电机内部容易损坏的霍尔传感器和角度传感器 目前的直流无刷电机内部安装有霍尔位置传感器，用来检测电机的转子位置，控制系统根据转子位置信号来控制电机的运转，霍尔位置传感器不耐高温、怕静电、接错线会损坏、安装工艺复杂，同样，角度传感器也存在这些问题。而无位置传感器的控制技术完全避免了这些问题，极大减少了电机故障率。 二、减少了电机及控制系统的引线数量 由于无刷直流电机内部安装有位置传感器， 使三相无刷电机的引出线最少也要八根，而无位置传感器只要三根引出线就行了。 上海交通大学硕士学位论文 第 32 页 三、大幅度提高电机及控制系统可靠性 由于省去了电机内的转子位置传感器， 使电机与控制系统的连接线由至少八根一下子减少到了三根，同时接插件也相应减少，这样就大大提高了电机及控制系统的工作可靠性， 又由于没有了电机内部的位置传感器， 使电机可工作于高温、潮湿等各种恶劣环境下， 扩大了无刷直流电机的应用范围， 电机寿命也极大延长。 四、提高了电机的工作效率 本技术是通过电机在转动时电机线圈产生的反电动势来检测转子的位置，因此做到了转子位置的精确检测与控制，消除了由于位置传感器的位置误差，同时也消除了传感器一致性不好导致的转子位置检测误差，提高了转角的测量精度。转角的测量分辨率理论上可以达到 0.01 度。 36 信号预处理 36 信号预处理 图 3-12 信号预处理 Fig 3-12 signal pre-processing 这个模块的主要作用是对扭矩传感器输出的模拟信号进行处理，包括前置处理、放大、滤波、整流，并进行采样、D/A转换等数字化处理。然后以500 Kbaud的速度进行高速数字传送。由于传送的是数字信号，可以有效避免噪声干扰，最长传送距离可以到45米。同时，传感器的直流电源也是由这个模块提供的。这个模块是直接安装在拧紧轴轴体上的。 在这个部分内置了记忆块，可以保存如下信息： 工具类型, 序列号, 生产年份 灵敏度/扭矩传感器额定负载 工具的齿轮速率比 电机的最大转速/允许的最大电流 拧紧计数 传感器的参考不平衡值，和参考的零位补偿值 最后一次维护操作的日期 有了这个内置记忆块，拧紧轴的物理参数（传感器参数和电机参数）是固定在轴内部的。轴控模块直接读取记忆块的内容，根据这些物理参数计算扭矩值和进行控制，这样不同拧紧轴之间就可以直接互换而不用进行任何标定或修改。即对于同一根拧紧轴，可以连接到任何的轴控单元，而不用进行任何的改动；或者说对于同一个轴控单元， 可以驱动任何的拧紧轴。 这样保证了设备良好的互换性。 上海交通大学硕士学位论文 第 33 页 图 3-13 信号预处理模块原理图 Fig 3-13 diagram of signal processing 37 轴控模块 37 轴控模块 轴控模块的功能主要有2部分：控制功能和驱动功能。 1） 控制功能控制功能 轴控模块对扭矩信号进行反馈控制，将扭矩传感器传来的数字化的扭矩信号传递到CPU，CPU根据拧紧参数的设置和反馈信号，计算并发出指令来控制电机的转速及运停。 同时，为了提供操作界面和与外围设备的接口，轴控模块有屏幕和键盘接口，PC接口，打印机接口，以及输入/输出，网络接口等。 图 3-14 轴控模块的控制功能示意图 Fig 3-14 function block of controller 上海交通大学硕士学位论文 第 34 页 2） 驱动功能驱动功能 轴控模块的输入电压是2相的，而电机工作需要的电压是3相的，驱动模块的功能就是把2相电转化为3相电，并控制换流器功率晶体管的通断。同时，驱动模块对电机的转向进行控制，对转速进行PWM调速，并且对角度分解器提供正弦和余弦激励。另外，轴控模块对流经的每相电流进行监控，并且对接地故障和拧紧轴过热进行检测和保护。 图 3-15：伺服驱动原理图 Fig 3-15 principle of servo driver 为了减少用户备件成本，保证通用性，此模块设计成适合所有的拧紧轴，即无论扭矩是1Nm以下的微扭矩，或是上千牛米的高扭矩，此轴控模块都能匹配。 主要技术参数为： 50A 主电源供应 115 / 230V 热敏保护 接地保护. 38 输入/输出部分 38 输入/输出部分 对于全自动拧紧机，需要拧紧机受输入信号控制进行动作，如只有在工件到位，气缸下降等条件满足情况下才允许进行拧紧；或者是由PLC来选择拧紧程序。同时，要求拧紧机也具有信号输出功能，如对于拧紧结果，要求给出合格或者不合格报告等。为了实现这些自动化的功能，扩展拧紧机的使用范围，拧紧机配备了下列输入 / 输出点。这些输入/输出点都集中在一个DB37的接插件上。 381 主要输入点主要输入点 程序号选择：采用二进制编码，共有4个输入点，故最多可以选择16组程序，可以满足绝大多数的应用要求。 上海交通大学硕士学位论文 第 35 页 程序启动：只要信号为“1” ，就启动拧紧程序。信号跌落时，程序停止，给出报告。启动信号可以设置为脉冲启动，即在信号上升沿的时候启动。 反转：此输入为“1”时，程序启动拧紧轴以设定的速度反转。 使能信号：如果选择了使能功能，只有当此输入为“1”时，拧紧轴才被允许运转。可以对正反转单独设置或者一起设置。 复位：复位拧紧报告并清除显示的结果，使设备进入待机状态。 错误确认：用于在批次计数时，对于不合格结果，删除报告输出，不清除内存中的“合格循环”计数。 报告请求：在此信号的请求下，控制器送出最近的结果（扭矩转角值等）和拧紧报告（合格/不合格） 。也可以设置为拧紧结束自动发送报告。 外部停止： 只要此信号转换到 “1” ， 系统就停止当前步骤并切换到下一步骤。 同步：用于对几根拧紧轴的拧紧步骤进行同步。当拧紧过程进行到同步等待步骤时，拧紧轴等待同步输入，只有同步输入为“1”才能进入下一步骤。 所有输入都是光耦的，可以有效隔离噪音和保护电路。24V有效，输入电流损耗10mA。控制器输入的接线方式有2种接线： 控制器的24V（17,19 和20触点） 或者，PLC的24V 送 作为PLC继电器的 到控制器的输入端。 “公共端common” 。 图3-16 控制器输入接线图 Fig 3-16 controller input wiring 382 主要输出点主要输出点 就绪：当控制器自检正常，没有故障时，此信号为“1” ，表示等待启动。 程序确认：二进制码表示，和输入对应，也有4个输出点。给出当前选择的拧紧程序号。用于给PLC返回程序号，供PLC校验程序选择是否正确。 工作中：对启动程序请求的反应。在程序结束时降为“0” 。 批次合格： 当合格报告的数目和设定的批次数目相等时， 此信号切换到 “1” ，用于确保多螺栓工件全部工作的完成，防止漏拧。 合格：当拧紧程序正常结束并且报告合格时发出。 不合格：当拧紧程序正常结束并且报告不合格时发出。 公共端：用于输出的接线共地。 上海交通大学硕士学位论文 第 36 页 所有输出都是继电器输出。图3-17所示是控制器输出接头的2种可用的接线： PLC的24V接到输出公共端。 控制器的24V接到输出公共端。 PLC的输入不接收外部24V。 PLC的输入从控制器接收24V。 图3-17 控制器输出接线图 Fig 3-17 controller output wiring 39 软件 39 软件 为了方便对系统进行参数设置、诊断调试、结果保存和统计，需要提供专用软件。本拧紧系统的专用软件有2套。一套是固化在轴控单元里的系统软件，通过轴控单元的LCD显示屏和键盘进行操作。另一套是电脑软件，通过RS232或者以太网进行连接。2套软件的菜单组织方式和菜单内容是完全一样的。这样既可以直接在轴控单元上进行操作，也可以在电脑上操作。用户可以在现场直接在拧紧机轴控单元上操作，不用携带电脑，也可以在办公室预先设置好程序后直接下载到拧紧机或者进行远程监控。 软件有2种工作模式，离线和在线模式。离线模式可以先在软件中对设备参数进行设置，然后下载到拧紧机；也可以先把拧紧结果上传，在离线状态下对设备进行分析或者结果统计。在线模式可以进行实时监控和修改，数据实时传输，强制命令等。 软件的主要作用包括： 1）对轴控模块进行拧紧参数的设置）对轴控模块进行拧紧参数的设置，主要包括： 多组拧紧程序，最多有255组程序 每组拧紧程序内部的不同拧紧步骤，最多有20个步骤，包括认帽，快速贴合，最终拧紧，卸荷，自动拧松，同步，跳转等 每个拧紧步骤具体的参数，如马达转速，加速度，转向，功率，电流限值等 拧紧策略：扭矩法，扭矩控制角度监控，角度控制扭矩监控，屈服点控制，回转扭矩，失速扭矩等 系统设置：工位名称，扭矩单位，程序选择源（键盘，I/O，PLC，条码） ，使能信号，错误确认信号，锁定，密码管理等功能的选择 2）在线诊断）在线诊断： 实时状态显示：实时显示拧紧结果和系统状态 强制命令：可以在软件里强制命令拧紧轴进行动作，并可以强制输入/输出，此功能对于设备调试非常有用 实时数据保存：拧紧结果（数据和曲线）自动保存到数据库 上海交通大学硕士学位论文 第 37 页 3）数据处理）数据处理： 软件可以自动保存拧紧结果， 包括拧紧发生的时间， 拧紧过程中的报警信息，对应的条码，拧紧曲线等。曲线可显示及打印，用于指导生产，避免残次品的出现。结果自动保存在access数据库，可用于后续的统计分析和查询。结果也可以导出为电子表格和文本。 统计功能：对保存的拧紧结果，可以根据CNOMO或者ISO标准进行统计分析，可以指定时间，样本量，设置过滤器，可以得到平均值，标准偏差，能力指数等统计结果，并自动绘出分布图（柱状图，点状图） 。采用正态分布算法计算出拧紧质量趋势图及UCL、LCL、Cp、Cpk等分析值。 图 3-18 拧紧结果 Fig 3-18 fastening results 图 3-19 拧紧曲线 Fig 3-19 fastening curve 上海交通大学硕士学位论文 第 38 页 图 3-20 软件统计功能 Fig 3-20 software statistical function 310 安全防护功能 接地310 安全防护功能 接地 控制器通过接地导线接地。工具有专门的接地线和控制器的接地线导通，这样可以保护操作者远离任何电击。工具接地线的接线柱比别的接线柱都长。这样当加载电压时，无论工具连通与否，地线连接将会优先保护操作人员免遭电击。 温度保护温度保护 为了防止电机在运转过程中过分发热导致烧毁，在电机内部设有温度传感器，一旦温度超过70度，此温度传感器即断开，此时驱动模块不能工作，拧紧轴无法运转。待温度低于70度后，传感器自动恢复，系统重新开始工作。 紧急停止紧急停止 在某些突发情况下，需要紧急停止拧紧机的运行。按下紧急停止按钮可以切断拧紧机的动力源，拧紧轴即立即停止。而系统电源正常供电，系统可以正常工作，不会因掉电产生任何问题或故障。 漏电保护漏电保护 控制器内置一个差动断路器以保护使用者。该设备可以检测到任何电缆或工具内的绝缘失效。 当该差动断路器监测到泄漏电流在50微秒内超过150毫安时，停止工具马达，报警消息也会显示在机器屏幕上。该装置保护操作人员免遭各种电击，同时保护伺服驱动免受电力干扰衰退。该差动断路器会在下一个拧紧循环开始时复位（如果不再有短路情况） 电流监测电流监测 对于单轴拧紧机，拧紧过程中如果在目标扭矩或转角到达前，套筒滑出或者螺栓失效，则流经电机的电流会突然减小，这种情况有可能引起设备的损坏或者人身伤害。电流监测功能可以实时监测电机电流，如果在拧紧过程中，电流突然变小，说明这根轴或者套筒脱落，或者螺栓失效，系统会发出拧紧不合格信号。 上海交通大学硕士学位论文 第 39 页 311 自检 311 自检 为了保证系统的正确性，每次开机时系统都会进行一次自检，主要检查拧紧轴-电缆-轴控单元组成的信道链路是否完好，零位检查，扭矩不平衡检查，电机自检。 信道检测：信道检测：拧紧轴-电缆-轴控单元组成了信道链路，信道检测的目的是检测链路是否畅通，信号能否进行传输和反馈。如果链路中有故障或部件缺失，则给出相应报警。 自动零位补偿：自动零位补偿：目的是纠正扭矩传感器的零点漂移。测量之初，电桥应该不受任何压力，即输出电压为零。但往往在初始状态下不是零电平输出，故必须设置零位补偿电路。先测量当扭矩传感器无应力时传感器的残余信号，保存该值然后从以后的测量值中减去该值。 这样可以在没有施加扭矩的情况下显示等于零的扭矩值。 如果补偿电压超过300 mV， 说明扭矩传感器已经出现故障， 会出现 “补偿故障”的报警信息，这时拧紧轴不能启动，必须更换拧紧轴或者扭矩传感器。此测试在每次拧紧开始或每个复位命令时进行。 扭矩不平衡测试：扭矩不平衡测试：目的是监测扭矩传感器随时间的漂移和放大线路的增益。每次启动拧紧或每次复位时自动开始。 先把保存在拧紧轴记忆块里的参考不平衡值送到扭矩传感器，然后进行测量，把测量值和上次保存的测量值（参考值）进行比较，如果两者之间误差小于 0.5%，则表示传感器工作正常。如果误差超过限值，则说明传感器及其放大线路有故障，须更换传感器或拧紧轴。 电机自检：电机自检：通过检测流经电机的电流来检测电机是否正常工作。自检时，电机以低速自动正反转各一圈， 此过程中， 测量电流值和转速并和参考值进行比较。如果电流值和转速正常，则自检通过。 312 标定 312 标定 由于机械磨损的原因，拧紧轴在使用过一段时间后，显示值和实际值可能会发生差异，当这种差异超过允许的范围时，就需要对拧紧轴进行标定。需要有专门的标定程序，方便用户进行标定。为此，在程序中设定了标定菜单。在此菜单中，只要把拧紧机的显示值和对应测得的实际值输入，系统会自动计算出一个校准系数，这个系数在最后的扭矩计算时会计入到扭矩传感器的灵敏度值。此系数出厂的默认值是1。为了防止单次不当操作可能引起的错误，在标定时需要对比5组数据，用5组数据的平均值来计算校准系数。校准系数有一个范围，如果超出这个范围，则表示传感器或拧紧轴有故障。 校准系数得出后会自动保存在拧紧轴的记忆块里。这样，标定过的拧紧轴如果换到别的轴控模块，系统会自动读取并计入这个系数，从而得出正确的结果。 上海交通大学硕士学位论文 第 40 页 图 3-21：标定示意图 图 3-22： 用连接模拟器进行标定 Fig 3-21 calibration Fig 3-22 calibration with joint simulator 下图是标定的界面。左列是拧紧机得到的扭矩值，右列是用扭矩检测仪测得的扭矩值，只要在右列输入对应的扭矩值，软件自动计算得到相关系数。 图 3-23：标定界面 Fig 3-23 calibration screen 标定时所用的传感器必须是测量精度比拧紧轴精度高一级的扭矩传感器。一般使用动态扭矩传感器来进行测量。测量时，动态扭矩传感器串联在拧紧轴的输出头和套筒之间， 拧紧轴正常拧紧工件， 这样可以测出作用在工件上的实际扭矩。 标定如果在实验室进行，需要专用的连接模拟器（模拟螺栓） ，其优点是可以反复拧紧，避免因工件质量差异带来的扭矩不准确，重复性好。拧紧轴出厂检验和标定就是在连接模拟器上进行的。 上海交通大学硕士学位论文 第 41 页 第四章 多轴拧紧机 第四章 多轴拧紧机 41 原理 41 原理 把几套单轴拧紧机系统组合在一起使用，就组成了多轴拧紧机。通常需要同时拧紧几个螺栓，就需配置几套独立的单轴拧紧机系统。为了协调各个单轴拧紧机系统的动作，设置和传递各种参数、接收和输出各种信号、存储和显示各种数据等，需要另外增加一个主控模块（CPU模块） 。此主控模块负责协调管理每个轴控模块，并且负责整个多轴拧紧系统的人机界面和外围通讯，相当于整个多轴拧紧机的大脑。 主控模块和轴控模块1之间， 只需要一根电缆线连接， 轴控模块1和2之间，也只有1根电缆连接， 以此类推。 这样相对于每个轴控模块单独和外部设备通讯，采用主控模块的结构简化了接线，极大地方便了操作，也方便了维护检修。 多轴拧紧机系统原理图如下，多个轴控模块通过总线连到主控模块上，每个轴控模块单独对其连接的拧紧轴进行控制，外围设备只需要和主控模块进行连接。对用户来说，对多轴拧紧机和单轴拧紧机的控制和接线是没有区别的，用户无需关心多轴系统的内部连线。 图 4-1： 多轴拧紧机示意图 Fig 4-1 multi spindle sketch 42 控制模块 42 控制模块 多轴拧紧机的控制模块分为主控模块和轴控模块。轴控模块和单轴拧紧机的轴控模块相比，省略了屏幕和键盘接口，其余功能完全一样。唯一的区别，是在每个轴控模块里，都有设定地址的拨码开关，用于定义轴控模块在控制链路中的物理地址，第一个轴控模块的地址是0，第二个轴控模块的地址为1，以此类推。这样，主控模块就可以区分不同的轴控模块，并进行分时控制。 主控模块和轴控模块之间通过RS-485接口标准进行传输。RS-485串行接口上海交通大学硕士学位论文 第 42 页 采用平衡传输方式，具有多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上。RS-485最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s，传输信号的摆幅小（200mV） 。自动拧紧机的RS-485采用四线制，能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从（Slave）设备，总线上可多接到32个设备，多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。 RS-485需要2个终接电阻，以减少终端反射和削弱干扰信号，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。终接电阻接在传输总线的两端。在RS-485通信网络中，主站可以和各从站进行点对点通信，也可以对所有从站进行广播式通信。 表4-1列出了RS-232、RS-422和RS-485几种标准的工作方式、直接传输的最大距离、最大数据传输速率、信号电平以及传输线上允许的驱动器和接收器的数目等特性参数。 表4-1 RS232、RS422和RS-485的主要性能比较 规定规定 RS232 RS422 R485 工作方式 单端 差分 差分 节点数 1 收、1 发 1 发 10 收 1 发 32 收 最大传输电缆长度 50 英尺 400 英尺 400 英尺 最大传输速率 20Kb/S 10Mb/s 10Mb/s 最大驱动输出电压 +/-25V -0.25V+6V -7V+12V 驱动器输出信号电平(负载最小值) 负载 +/-5V+/-15V +/-2.0V +/-1.5V 驱动器输出信号电平(空载最大值) 空载 +/-25V +/-6V +/-6V 驱动器负载阻抗() 3K7K 100 54 摆率(最大值) 30V/s N/A N/A 接收器输入电压范围 +/-15V -10V+10V -7V+12V 接收器输入门限 +/-3V +/-200mV +/-200mV 接收器输入电阻() 3K7K 4K(最小) 12K 驱动器共模电压 -3V+3V -1V+3V 接收器共模电压 -7V+7V -7V+12V 主控模块是整个多轴拧紧系统的大脑，主要作用是管理每个轴控模块，并且协调多个轴控模块之间的协同动作，使多轴拧紧机能根据设定的参数工作。从结构上看，主控模块类似于单轴的轴控模块，减少了伺服驱动的功能，其余功能都保留。所有的参数设置，输入/输出，数据传输，外围接口等都通过主控模块进行。 上海交通大学硕士学位论文 第 43 页 图 4-2 主控模块示意图 Fig 4-2 sketch of master controller 主控单元带有非易失RAM存储系统的工艺参数和内部参数，其本身带有LED指示灯，用于显示工作状态。系统启动时，主控模块和轴控模块之间先进行信号通道测试，测试整个485网络是否通畅。然后检测各个轴控模块的拧紧参数是否正确。如果拧紧参数出错，则自动从主控模块下载到出错模块。主控单元具有数字输入，用于接收自动拧紧信号和多轴拧紧信号输入，在条件满足的情况下，通过总线向轴控单元发出拧紧指令；主控单元循环扫描各轴控单元的状态，当各单元状态发生变化时，通过串行口向管理计算机传送此轴的状态，自动拧紧过程结束时，主控单元判断并显示本次拧紧是否成功；自动拧紧过程中监视各拧紧轴的状态；根据参数设定，在自动拧紧过程中定时读取指定轴的拧紧动态扭矩和角度值，通过串行口传送给管理计算机。 43 性能 43 性能 和单轴拧紧机一样，多轴拧紧机控制系统可对拧紧过程进行多种拧紧控制方式的控制：扭矩控制，角度控制，屈服点控制等。预设的拧紧程序最多也为255组，每个拧紧程序的最大步骤也是20步。同时，系统也有自检功能，包括：伺服电机自检，传感器自动零位调整，电桥不平衡测试。另外，系统可以通过分别检查每个轴控模块的参数来确定故障的准确位置，一旦某个轴出现故障，系统对应每个轴都有指示灯来进行提醒。 对于多轴拧紧机的操作和第三章所述的单轴拧紧机是类似的。通过电脑对主控单元进行参数设置，主控单元把参数传输给各个轴控模块，轴控模块保存各自的参数。 软件的功能和界面与单轴拧紧机相类似。 不同的是多了 “轴选择” 功能，即对于每一步动作，可以针对所有的拧紧轴选择是否需要执行，这样选中的轴就执行此步动作，未选中的轴就不执行此步动作。因此，根据工位的不同要求，多轴拧紧系统既可以使每根轴都执行相同的动作，也可以让某根或某些轴单独动作。相应地，每个轴控单元的参数可以是相同的，也可以是不同的。 例如， 某缸盖16轴自动拧紧机， 其中包括10根 （1-10号） 大扭矩轴 （120Nm） ，6根（11-16号）小扭矩轴（30Nm） ，要求是先所有16轴拧紧到10Nm，然后全上海交通大学硕士学位论文 第 44 页 部拧松，接着所有10根大扭矩轴拧紧到5Nm，然后10根大扭矩轴按照顺序从中间往两侧拧紧到120Nm。如果全部合格，然后6根小扭矩轴再一起拧紧到30Nm。这是一个复杂的拧紧程序，有了“轴选择”功能，可以在第1步拧紧和第二步拧松选择1-16，第三步拧紧选择1-10，第四步选择1-2，第五步选择3-4，依此类推，第九步选择11-16。在这个例子中，每一步拧紧都是由轴控模块控制的，主控模块则控制每一步需要哪些轴控模块进行工作。 44 防错功能 44 防错功能 拧紧结果防错：在正常拧紧情况下，有可能出现扭矩或转角不合格的情况。这些情况有可能发生在最终拧紧阶段，也可能发生在任一中间阶段。对此，特别设计了几种纠错动作： 1）自动拧松不合格的螺栓并停止，同时对应的指示灯给出不合格报告。 2）全部螺栓自动拧松并停止，同时对应的指示灯给出不合格报告。 3）对于不合格的螺栓，自动拧松后重新开始，合格后和其余的合格螺栓一起进入下一拧紧步骤。 4）全部螺栓自动拧松，然后拧紧步骤跳转到其他动作，或者重新开始拧紧。 以上纠错动作执行的条件可以选择，分为扭矩高，扭矩低，转角高，转角低。具体需要根据用户要求确定。 同时， 纠错动作可以设为单次纠错， 或者多次纠错。 有了纠错功能，拧紧机可以自动纠正拧紧出错的工作，完成大部分工件的合格拧紧，极大的增加了拧紧机智能化程度。 仍以上述4.3的例子，对于第四八步动作，如果第一次拧紧不合格，则拧松不合格的螺栓并重新拧紧，如果第二次拧紧还是不合格，则需要对1-10号所有的螺栓都拧松，待更换螺栓后重新开始。对于第九步动作，只要11-16中有任一螺栓出错，则11-16全部螺栓拧松并且重新开始拧紧。 电流监测： 对于多轴拧紧机，通常其反作用力会互相抵消，或者用专门机构来抵消。拧紧过程中如果有某根轴套筒滑出或者螺栓失效，会产生额外的反作用力。这种情况，极容易引起拧紧机或者工件的损坏，甚至发生人身伤害事故。电流监测功能可以实时监测每根轴的电流，如果在拧紧过程中，电流突然变小，说明这根轴或者套筒脱落，或者螺栓失效，系统会立即停止所有拧紧轴的动作。 45 同步 45 同步 对于发动机缸盖，变速箱壳体，轮胎拧紧机等有很多螺栓的部件，如果拧紧过程中螺栓的拧紧没有同时进行或者按顺序进行，往往会导致部件发生变形，这样对于整体的密封性和部件装配质量有影响。因此，实际生产中对多轴拧紧机要求有同步功能， 即先把全部螺栓拧紧到某一较低扭矩， 使工件之间处于贴紧状态，然后所有螺栓再进行最终拧紧， 施加所需要的较高扭矩。 这样能保证装配的质量。 为了实现这个功能，在轴控模块的I/O里，定义了“同步输出” （10号脚）和“同步输入” （30号脚） 。通过把“同步输出”信号置为1，每个控制器通知其他控制器其已到达等待步骤。然后其扫描“同步输入”信号，等待其他控制器到上海交通大学硕士学位论文 第 45 页 达各自的等待步骤。拧紧机接线需要把所有模块的“同步输出”和“同步输入”都接在一起。在工作时，如果某个拧紧轴到了设定的同步等待扭矩时， “同步输出”就输出为1，否则为0；只有“同步输入”信号为1，才可以进行下一步动作。由于所有的输出信号都接在一起，是逻辑“与”的关系，只有等所有拧紧轴的“同步输出”信号都为1，即所有的拧紧轴都达到了预拧紧的要求时， “同步输入”信号才变成1，这时候所有的拧紧轴才可以进行下一步动作。 是否需要同步功能， 可以在拧紧参数里进行设置。 一旦设置了同步等待功能，如果在规定时间内没有等到“同步输入” ，可以有2个选择，一个是停止程序，一个是继续执行下一步拧紧步骤。 图 4-3 同步拧紧的接线示意图 Fig 4-3 wiring of synchronized fastening 46 工作时序图 46 工作时序图 下图是多轴拧紧机的工作时序图。 由时序图可以看出，只有先选择了拧紧程序，并且“轴有效”信号给出的情况下，拧紧轴才可以启动工作。拧紧轴启动后，马上发出“工作中”信号。拧紧结束，系统发出“合格”或“不合格”报告。 “工作中”信号归零。系统等待下一次启动。拧紧报告信号会保持到下次启动信号到来才归零，也可以PLC输入“复位”信号来强制归零。 上海交通大学硕士学位论文 第 46 页 图 4-4： 拧紧机工作时序图 Fig 4-4 timing chart of fastening machine 步骤1：PLC发出“复位”信号，报告复位（此PLC命令不是必须的） 。 步骤2：模块收到“程序1” ，激活“程序确认1” （假设程序已设定） 。 步骤3：模块收到“启动”信号，激活“工作中”信号。 步骤4：拧紧程序完成后，模块激活“合格”或“不合格”报告给PLC。 步骤5：系统所有操作结束后， “工作中”信号归零。 47 外设 47 外设 和单轴拧紧机一样，设备配备 RS232、RS422、RS485 和电流环串行接口，可以和打印机、远程显示器、电脑、条码枪等外围设备连接。同时，设备配备标准 RJ45 接口，支持以太网功能， 同时支持 Profibus、Devicenet、Modbus+、Modbus TCP、Interbus-S 等常用工业现场总线。 通过这些总线和网络接口，用户可以进行点对点的数据传输和实时控制，也可以进行网络化的远程控制，参数设置和结果实时传输。 在实际使用中，经常要用到套筒选择器。套筒选择器是放置工作中要用到的套筒的一种设备，不同的套筒对应不同的拧紧程序。套筒选择器也是一个典型的外围设备，其原理是通过 I/O 来进行程序选择。套筒选择器上面有位置传感器，根据套筒的有无，来发出信号。操作者如果取走了需要的套筒，即自动选择了对应于这个套筒的拧紧程序，这样就防止了发生差错。因为如果选错了拧紧程序，扭矩往往也是不对的，而这种差错不通过后续检测是无法发现的。通过套筒和拧紧程序的对应关系，就能有效地避免发生这种差错。套筒选择器通常用于手动工位，自动拧紧机的程序选择一般是通过外部 I/O 或者 PLC 来进行的。 随着我国汽车召回制度的实施，要求装配线上的每个重要螺拴都要有可追溯上海交通大学硕士学位论文 第 47 页 性，而且每个螺栓的拧紧结果、拧紧时间、拧紧批次，要和发动机批次和零件号对应起来。这就对拧紧机的结果保存提出了要求。多轴自动拧紧机采用拧紧结果自动保存，每次拧紧结束，扭矩值、角度值、日期、时间、轴号、程序号、拧紧曲线、对应的条码或者 VIN 号等都会以报告的格式，通过点对点方式或者网络方式进行传输。这样可以在电脑上通过软件，根据关键字来进行查找统计。如果网络出现故障， 控制单元内部有存储区域， 可以保存 1 万组报告， 只要网络恢复，未发送报告会自动发送。这样就保证了拧紧结果的完整性。 48 控制面板 48 控制面板 对于全自动拧紧机，为了方便操作者，和调试、检修的需要，通常会配置操作控制面板。根据不同客户和工位的不同需求，面板上可以设置有如下按钮或指示灯： 手动/自动：自动状态指工件到位后，拧紧机自动完成气缸下降、拧紧、气缸上升等一系列动作，正常工作都是自动状态。在调试、维修情况下需要进行单步动作，此开关可进行切换。为了防止未经授权的操作，此开关可以设计为钥匙开关。 正/反转：此功能只在手动状态有用，用于控制拧紧机的正反转，通常用于拧紧不合格情况下拧松螺栓。 启动：手动状态下，按下此按钮，拧紧机进行一次拧紧。自动状态下此按钮不起作用。 复位：此按钮可以清除拧紧机的所有结果和故障输出，使运动部件全部回到初始位置，设备进入待机状态。 急停：紧急情况下，按下此按钮可以切断拧紧轴的动力电源，立即停止所有动作，防止发生人身伤害或设备损坏事故。 每根轴的合格/不合格指示灯： 这些指示灯按照实际的拧紧轴位置在面板上排列，指示灯是红/绿双色的，对应每根轴的合格/不合格结果。可以直观地告诉操作者每根轴的拧紧结果，以便根据结果进行相应的处理。 整体合格：如果所有轴的拧紧结果都合格，则此指示灯点亮，此信号和 I/O点的整体合格信号是同时给出的。 就绪：设备待机状态下，此指示灯亮，表示所有部件在初始位置，并且所有拧紧都自检正常，等待进行下一次拧紧。 49 拧紧机安装方式 49 拧紧机安装方式 拧紧机安装方式要根据拧紧机的工作场合，生产线的布置，及现场情况综合决定。 实际的拧紧机通常有 2 种安装方式：落地式和悬挂式。落地式是指拧紧机安装在专用机架上，此机架是直接固定在地上的。悬挂式通常指拧紧机通过平衡吊或者气缸悬挂在厂房的悬梁或者 KBK 导轨上。 拧紧机非标设备的设计过程，其实就是把上述已经标准化的拧紧轴按照工件实际的螺栓位置固定，并和传感器和自动控制设备连接，根据工位的要求完成自动或半自动拧紧要求。 拧紧轴的位置通常要考虑有无干涉， 最小中心距是否满足，如果工件的螺栓位置过于紧凑， 就要考虑采用双层支架， 偏心轴， 万向节等措施。上海交通大学硕士学位论文 第 48 页 另外，为了满足柔性生产的要求，还要考虑轴间距是否需要自动变距的问题。气缸在设计时要增加导向轨，防止拧紧机头因扭动而错位或损坏；同时在导向轨的上下要安装限位块。拧紧机非标设备的设计，除了满足功能要求外，要注意设备安全性和人机工程性。 图 4-5 悬挂式拧紧机 图 4-6 落地式拧紧机 Fig 4-5 hanging machine Fig 4-6 floor machine 拧紧机头根据不同的工位和现场条件，也有垂直式和水平式两种形式。 图 4-7：拧紧头工作方式 Fig 4-7 multiple head 一台在装配流水线上落地式的全自动的拧紧机，其工作过程大致如下：工件到位，传感器检测到并给出信号，PLC 判断全部条件满足，自动升起随行夹具或小车到达拧紧位置。条码枪或者 PLC 读取车身号或者零件号，把这个号码输入给拧紧机，拧紧机根据号码自动选择拧紧程序。气缸带动拧紧机头下降，自动对准， 开始拧紧。 按工艺要求拧紧合格后， 机头自动缩回， 随行夹具或小车下降，上海交通大学硕士学位论文 第 49 页 工件放行。如拧紧不合格，则根据用户要求进行重拧或者拧松退出，或者手工进行处理。全部工作过程由 PLC 来控制。拧紧结果根据用户要求保存或不保存，或者通过工厂网络传输到服务器。 410 拧紧结果的评定 410 拧紧结果的评定 对螺栓连接装配质量的“效果检验”包括以下两项内容：执行螺栓拧紧工艺的电动拧紧轴的准确性和可靠性是否能满足要求；对已经拧紧的螺纹付、即产品上的螺栓连接能否通过正确的方法做出准确的评价。 对螺栓拧紧设备的评定对螺栓拧紧设备的评定 现在，多数企业侧重于对拧紧控制的准确性、即扭矩或转角的准确度进行评价。 通过采用模拟工况的动态校准法将拧紧枪的输出值与用作测量标准的传感器的读数值加以比对。在汽车行业，通过传感器实施扭矩或转角控制的拧紧枪的准确度指标往往采取相对误差形式表示，一般为5%，也有达到3%的。 但必须指出，无论是简单的手持式扭矩扳手，或是复杂的半自动、自动拧紧设备，都既不属于检测器具，也不属于通常的制造设备（工具） ，而是兼有前者的计量特性和后者的装配功能。但就其本质而言，它们应该归于后者，因此，若只进行单纯的准确度评定是不够的。 现代机械制造业为提高批量生产企业的产品质量，已从昔日主要检验实物质量，转到如今强调对工艺过程的控制。所谓“工序质量”就是指在稳定状态下所具有的保证质量的能力，它取决于设备、材料、操作者、工艺方法和环境等 5项相互独立因素的影响，以能力指数 Cp 和 Cp
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