（机械电子工程专业论文）螺纹自动拧紧机的研制.pdf

螺纹自动拧紧机的研制 摘要 本文针对我国汽车装配中的螺纹装配的质量和效率问题，分析了对螺纹进行 自动装配的拧紧机在国内、国外的发展情况，阐述了研制螺纹自动拧紧机对我国 汽车业发展的重大意义。 文章首先对螺纹拧紧的控制方法进行了探讨，在分析各种方法优缺点和结合 实际情况的基础上采用扭矩转角法为螺纹自动拧紧机的控制方法。然后，文章详 细地介绍了拧紧机的机构部分设计，给出了拧紧机的各部分的结构原理图，并对 原理图中的各个环节的功能作了简要介绍。最后，对拧紧机的控制部分进行了介 绍，整个控制部分采用闭环控制，提高了控制精度，文中还给出了主要电路部分 的原理图和主控单元的软件流程图。 关键词：螺纹自动拧紧机扭矩转角法扭矩传感器预紧力 工业 控制计算机 d e v e l o p m e n t o ft h es c r e wa u t o m a t i c t i g h t e n i n g m a c h i n e a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep r o b l e m so ft h el o w - g r a d eq u a i l t ya n dl o w e f f i c i e n ti nt h es c r e w t h r e a da s s e m b l yw h i c he x i s ti na u t o m o b i l ea s s e m b l yo f c h i n a i ti se x p o u n d e di nt h i s p a p e r t h a tt h er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo ft h es c r e wa u t o m a t i ct i g h t e n i n gm a c h i n e w i l la c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to ft h ec h i n e s ea u t o m o b i l ei n d u s t r yg r e a t l ya f t e rt h e d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f t h es c r e wt i g h t e n i n gm a c h i n ei nc h i n a o ri no t h e rc o u n t r i e s i sa n a l y z e d f i r s t l y a l lk i n d so fe o r t r o lm e t h o d so ft i g h t e n i n gt h es c r e w sa r ed i s c u s s e di nt 1 1 e 口e r 1 1 1 em e t h o do f t o r q u e a n g l ei sa d o p t e d a st h ec o n t r 0 1m e t h o do f t h ei n t e l l i g e n t s c r e wt i g h t e n i n gm a c h i n eo nt h eb a s i so f a n a l y z i n g t h ee x c e l l e n c ea n d d e f i c i e n c y o f a j lk i n d so fc o n t r o lm e t h o d sa n dt a k i n gp r a c t i c a ls i t u a t i o ni n t oa c c o u n t s e c o n d l y t h e d e s i g no f t h em a c h i n e r yo ft h et i g h t e n i n gm a c h i n ei se x p l a i n e di nd e t m l ，a l m o s ta l l p a r t so f 也es t r u c t u r ep r i n c i p l ed i a g r a m sa r e 西v e na n da ni n t r o d u c t i o no f f u n c t i o no f e a c hp a r ti nt h ed i a g r a mi sm a d ec o n c i s d y f i n a l l y t h ec o n t r 0 1p a r to ft h e t i g h t e n i n gm a c h i n e i si n t r o d u c e d n ec l o s e dl o o pc o n t r 0 1i sa p p l i e di nt h ew h o l eo f c o n t r o lp a r ta n dt h ec o n t r o lp r e c i s i o nc a l lb ei m p r o v e d 。n e p r i n c i p l ed i a g r a m so f t h e m a i nc i r c u i ta n dt h ep r o g r a mf l o wd i a g r a mo f t h em a i nc o n t r 0 1s y s t e ma r eg i v e n k e yw o r d s ：t h es c r e wa u t o m a t i ct i g h t e n i n gm a c h i n e m e t h o do ft o r q u e a n g l e t o r q u es e n s o rp r c - l o a d i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知。除了文中特别加咀标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒鲤工些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：工：虽乳签字日期：7 r 年t 月，r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥! 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅或借阅。本人授权金 匿王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 王芎1 q 签字日期：y 笨霸【 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期： 僚元7 卜晦r 月r 扣 电话： 邮编： 致谢 论文完成之际，我首先要感谢我敬爱的导师林巨广研究员。是林巨广导师深 厚的学术功底、严谨的学术指导、虚怀若谷的学术作风使我的硕士论文得以顺利 完成：导师的关心与爱护、鞭策与鼓励使我在学习中得到了无穷的动力和勇气： 导师对科学真理的无限热情与投入、执着与奉献深深地影响和激励着我。在硕士 阶段的学习中，我从导师这里不仅仅是学到了丰富的科学知识，更宝贵的是学习 到了一份锲而不舍的钻研精神、一份对理想对事业对生活的真诚态度，所有这些 都将是我人生道路上的宝贵财富，愈久弥坚地伴我前行。 在此，我要感谢我的家人，特别是我的妻子，他们不仅给我物质上的支持， 而且给予我精神上的鼓励，在我迷茫与困顿时是他们以浓浓的亲情抚慰我，在我 取得成功时是他们警醒我戒骄戒躁继续学习。求学路上，亲人们的殷殷之情是我 奋斗的力量源泉。 另外，还要感谢系主任刘志峰教授，他在生活和学习上给了我很多的关心 和教导；还有模具所的各位老师，比如李昌鹤、汪中亮、洪国俊、徐大元、任永 强和何元祥等各位老师，都给了我许多的帮助和指导，在此表示衷心的感谢。 最后，还要感谢葛海龙、邢刚两位师弟，他们在我写论文期间给予我的帮 助。 感谢所有关心我、爱护我的人们! 作者：卫道柱 2 0 0 4 年4 月 第一章绪论 加入世贸组织后，我国的汽车面临着很严峻的形势，这主要体现在我国的汽 车的生产和装配技术水平落后。由于汽车制造业在我国起步较晚，而我国从国外引 进的生产和装配技术都不是当前最先进的技术，因此我国汽车产品质量低，很难达 到世界一流的水平，且在市场上缺乏竞争力。虽然我国将汽车列为支柱产业口1 ，颁 布了一系列汽车行业质量标准，汽车质量已得到重视，但仍有许多汽车生产厂家装 配质量控制不严，缺乏合理科学的装配方法和设备，而在汽车装配中，有大量的零 部件是用螺纹来连接的，因此螺纹的装配质量对汽车的生产质量有很大的影响。针 对我国在汽车装配中的问题，我们将螺纹自动拧紧机开发和研制作为研究的课题。 本章详细论述了螺纹自动拧紧机的应用的场合、在国内外发展的情况，分析了 市场应用前景和所带来的经济和社会效益，最后说明了本课题的主要目研究目标和 内容。 1 1 螺纹自动拧紧机的应用的场合、在国内外发展的情况 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 螺纹装配技术是机电工业的共性技术。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。 螺纹自动拧紧设备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。在 压力容器行业，压力容器上的螺栓都要有确定的扭矩值；在汽车行业，由于有很 多地方对螺纹装配要求较高，因此应用尤其广泛。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。 螺纹拧紧技术是从国外发展起来的，比较有代表性的有：美国的英格索兰、 德国d g o 公司，以及日本的一些公司。为适应定扭矩加载的可控制拧紧场合需求， 在8 0 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。近年来特别2 0 0 0 年以来，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 产率的提出了更高的要求，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，多数国内公司和企业主要以代理方式，销售或组装国外的设 备，如北京自动化研究院是美国英格索兰的代理、大连豪森公司以德国设备为代 理；同时也有少数企业也进行了自主开发，比如中国科学院沈阳自动化研究所、 东风公司设备制造厂、山东龙口气动机械厂等等，但从技术方面角度，同国外产 品有相当大的差距。 1 2 课题的主要目研究目标和内容 以实现准确螺纹拧紧的定扭矩、角度等控制为研究目标，基于现有的传感器 技术、机电控制技术，对目前所用的螺纹拧紧控制方法进行力学分析和实验研究， 建立实用的扭矩、角度等多变量目标控制拧紧理论与技术方法；以该理论方法为 基础，选取典型机电产品( 如汽车传动系) 装配为对象，进行螺纹自动拧紧机的 设计与开发，并通过伺服系统、普通电机和工业控制计算机、单片机等不同控制 硬件的组合，形成高、中、低三种档次的螺纹自动拧紧机系列；同时针对我们目 前拥有的螺纹拧紧机所存在的仅能适应单一产品的缺陷，通过引入模块化设计等 现代设计理念，提高系统的柔性，以适应多品种、少批量的现代生产纲领的需要。 为实现上述系统，课题拟进行的研究内容如下： ( 1 ) 螺纹拧紧中多目标变量控制理论与技术方法的研究 断理论上的力学分析和实验研究为手段，对国内外常用的扭矩法、扭矩转角 法和屈服极限法等控制方法进行研究，结合目前传感器和机电控制技术，研究出 简单、有效、准确的螺纹多目标( 主要目标量有扭矩、角度等) 控制理论和技术 方法，实现对生产实际的指导。 ( 2 ) 螺纹自动拧紧机的机构设计原理研究与整体方案设计 总结目前我们已有设备和国内外相关设备设计的成功经验，通过引入模块化 设计、轻量化设计等现代设计理念，对拧紧机的机构设计原理进行分析，结合国 内企业生产现状，提出设备整体机械系统设计方案。以结构简单、运行可靠和高 效柔性为目标，通过对不同动力源和控制硬件等关键部件的研究和设计，并经样 机实验分析，开发出满足不同企业、不同层次产品需要的系列化拧紧设备系统。 ( 3 ) 智能化的计算机控制系统的研究开发 通过对工! 监控制计算机、单片机口1 ，以及由它们组成的电气系统的实验研究 与分析，针对拧紧设备运动要求，以目标变量智能化可控为设计前提，建立经济 可行的计算机控制硬件系统，并完成相应的软件系统的开发。 1 3 本课题研究的重要意义 当前，我国的汽车保有量正在急剧上升，全国范围内掀起的汽车消费的浪潮 将会使汽车的装配效率和质量问题显得更加突出和尖锐。由于汽车装配质量是直 接影响汽车行驶安全的关键问题，而装配效率也直接影响汽车的产量和规模，因 而通过使用螺纹自动拧紧机来提高汽车上各个零部件的装配效率和质量，已成为 各个汽车车桥生产厂家不得不关注的问题。 下面举两个螺纹自动拧紧机在汽车上的应用的例子。比如在汽车主减速器装 配过程中，有大量 的螺栓需要拧紧。 图1 - 1 所示是一种 汽车主减速器中差 速器装配示意图n 3 ， 差速器壳和背齿之 间是用1 6 个 m 1 6 x 3 5 的螺栓相 联接的，要求螺栓 的最终扭矩为 3 0 0 n m 。在传统的 装配方法中，工人 都是用气枪来拧紧 一千i i 下一一。 j ；l _ l 一 ，l 二面。j 一f 7 f 图卜1差速壳和背齿的装配示意图 螺栓，工人的劳动环境非常差，由气枪引起的现场的噪声和灰尘非常大，劳动强 度也非常高，工人要用力抓紧不断抖动的气枪，体力消耗很大“1 。另外，若用气 枪来拧紧这些螺栓，要拧1 6 次，比较消耗时间，效率非常低，而且每个螺栓的 被拧紧的松紧程度不一，即使一个熟练的操作工，他也不可能把这1 6 个螺栓拧 得一样紧，而用多轴螺纹自动拧紧机来拧紧这1 6 个螺栓情况就不一样了，如用 四轴拧紧机，一次拧紧四个螺栓，只要用四次，就可拧紧这1 6 个螺栓，完成这 个工位的装配，提高了装配效率：而且通过传感器来控制每个螺栓所受的扭矩， 从而使得每个螺栓的拧紧程度都一样，使得装配质量大大提高；并且当拧紧机在 工作时，这个岗位的工人就可以给下一个工件的拧紧做好准备工作，把要拧紧的 螺栓涂上螺纹胶，放入差速器壳上的通孔中，或者将拧好螺栓的工件敲起螺栓锁 紧垫片，这样，一个工人就可以兼顾两个工位的工作，提高了人力资源的使用效 率。 又如在汽车驱动桥总成的装配过程中，汽车后桥主减速器的主锥总成上的开 槽螺母的装配质量就非常重要。它用于给圆锥轴承提供一定值预紧力阽”，以保 证轴承正常运转，既不会烧死，也不可轴向窜动，因此装配时需对螺母施加定值 扭矩。长期以来主动锥齿轮总成的轴承预紧成为众多车桥厂家感到困难和棘手的 问题，本课题所研制的螺纹自动拧紧机采用工业控制计算机控制，对汽车驱动桥 主减速器总成装配中的主锥开槽螺母的采用自动拧紧，在控制方法上采用扭矩控 制加上角度监视，可以很好地完成主动锥齿轮轴上的圆锥轴承轴向预紧工作，使 主减中的主、从动弧齿锥齿轮有足够的支承刚度，并且正常啮合。 本产品自投入使用以来，性能稳定，质量可靠，操作简便，适用于自动化生 产线，解决了影响汽车驱动桥主减速器装配质量问题的一个重要环节，大大提高 了自动化装配线的生产效率，也使装配合格率大为提高，降低了返工率。本产品 和装配线上的其它配套设备的有效利用，全面提高了汽车驱动桥主减速器的装配 质量，从而在定程度上提高了国产汽车驱动桥的整体性能。 汽车驱动桥主锥总成螺纹自动拧紧机的研制除了其显著的经济意义外，在结 构设计方面也具有一定的独特之处，例如：伺服电机的使用可以自动变速；旋转 式的扭矩传感器的运用可以实时测量扭矩；采用伺服电机与减速器直联的方式可 以减少中间环节，提高效率和简化结构；在减速器中采用渐开线圆柱齿轮行星传 动和渐开线少齿差行星齿轮传动相结合，具有结构紧凑、体积和质量小、传动比 范围大、效率高、运转平稳、噪声低等优点：在控制方面采用工业计算机控制， 在软件编制上应用新的开发工具，使系统具有操作简单、控制灵活和有人性化的 人机交互界面等创新。这些独特之处使螺纹自动拧紧机的产品设计提供了全新的 理念，使螺纹自动拧紧机的设计处于国内领先地位。 螺纹自动拧紧机具有广泛市场应用前景。以汽车行业为例，目前我国汽车厂 家超过1 0 0 家，配件厂超过5 0 0 家，需要大量不同精度的装配工具和装配系统来 满足工艺上的需要。以每个汽车厂需要螺纹自动拧紧机1 0 0 台，则该行业需螺纹 自动拧紧机一万多台。如果考虑到其他行业，则全国需螺纹自动拧紧机5 万台， 市场前景十分可观。而目前国内市场的螺纹自动拧紧机多为进口设备，价格比较 昂贵，以螺纹自动拧紧机的每根拧紧轴计算约为l 万美元根。据不完全统计，近 年来我国进口了螺纹自动拧紧机约1 0 0 多台套，其外汇花费超过1 0 0 0 万美元。 鉴于国外设备的高价格，技术和设备的的国产化己成为必然的发展趋势。同国外 相比，若国内能开发出螺纹自动拧紧机，其价格通常约为进口的1 3 1 2 ，因此 可以节约大量外汇，其经济效益和社会效益都非常显著。 4 第二章螺纹联接及拧紧技术 螺纹联接是汽车零部件之间四种常用联接方式( 螺纹联接、焊接、铆接和粘 胶联接) 之一，它具有精度高、装配方便、零件拆装便利等优点。所以螺纹联接 是汽车制造技术中使用最广泛，也是标准化程度最高的机械零件。螺纹联接亦是 汽车制造中较经济的制造手段之一，它也直接影响到汽车的装配质量和行驶的可 靠性。1 。随着对汽车轻量化的要求以及用户对汽车可靠性的苛刻要求，亦对汽车 螺纹联接件的制造技术和拧紧技术提出了更高的要求呻。因为螺纹联接的失效 是汽车常见故障之一，失效的原因有螺纹件本身的质量问题，也有螺纹联接的拧 紧控制质量问题，所以螺纹联接件的制造技术已不象人们想象的那么简单，然而 在我国，螺纹联接件未占据其应占据的重要位置。 2 1 螺纹件 螺栓和螺母是最常见的标准螺纹件。衡量螺栓强度级别的综合性能指标是抗 拉强度和屈服强度，衡量螺母强度级别的综合性能指标是保证载荷。 螺栓分为标准型和非标准型两种。非标准型螺栓( 如双头螺栓、螺柱、焊接 螺栓等) 的力学性能都必须满足螺栓性能标准的基本要求。非标准型螺母有多种 多样，如镶嵌螺母、簧片螺母等甚至有些零件( 如前减震器支撑板等) 因有螺纹 孔而可视为“特殊螺母”。这些“特殊螺母”的力学性能都必须满足螺母性能标 准的基本要求，这是一个易被技术人员忽视的问题。 螺纹联接件的一个非常重要而长期未被重视的性能是螺纹件的摩擦性能。在 我国，汽车螺纹紧固件生产厂家对螺纹件不作摩擦性能控制，汽车生产厂家也不 对螺纹件作摩擦性能检验。由于当前国内汽车标准件厂家未完全掌握控制螺纹件 摩擦因数的技术，所以在螺纹件的摩擦性能控制方面有一些技术困难。 2 2 螺纹件联接中预紧力的确定 螺纹件联接的目的是使被联接零件保持在一起且能克服联接零件所产生的 外力。螺纹联接件所受的外力有四大类： a 纯拉应力，如缸盖螺栓；b 纯剪切力，如飞轮螺栓；c 拉应力和弯曲应 力，如连杆螺栓；d 拉应力、弯曲应力和剪切应力，如车轮螺栓。 由于螺栓在工作中受到上述四种外力中的一种作用，因此螺栓在工作前就要 受到预紧力的作用，预紧适当可提高联接的可靠性和紧密性，还可提高联接件的 疲劳强度。但预紧力不足，往往影响联接的紧密性、刚性和防松性能；然而，预 紧力过大，在拧紧时或工作时稍有过载即产生断裂。“ 2 2 1 确定预紧力的依据“! 螺栓联接拧紧时，在拧紧力矩的作用下，螺栓除预紧力q p 的拉伸产生拉应力 。外，还受螺纹摩擦力矩的扭转而产生扭剪应力r 。使螺栓处于拉伸和扭转的复 合应力作用状态中，根据第四强度理论，可求出螺栓预紧状态下当量应力o ，： 盯，= 盯2 + 3 r 2z 1 3 0 r ，拧紧时为保证螺栓不屈服，则应使：盯r = 1 3 g s ， 式中：s e 螺栓保证应力，一般取品* 0 9 c r s ( 见g b 3 0 9 8 卜8 2 ) ， 则：盯0 9 a s 1 3 zo 7 即预紧力系数s o , = 兰* o 7 ， 则预紧力： q 一= ( s 岛) s 式中：盯。螺栓材料的屈服极限( 由螺栓性能等级确定) ； 4 。螺栓危险剖面的面积( 按螺栓小径d 。计算，a 。z d ，2 4 ) ) ； 如果取适当的预紧力系数( s o z 0 7 ) 来确定预紧力，既能充分发挥螺栓的工 作能力，又能保证联接的可靠性和联接件的疲劳强度，故按照g b 3 0 9 8 1 - 8 2 的规 定作为判断预紧力大小的依据，就可以避免联接不可靠和实际拧紧时所产生的预 紧力值与设计计算中所求的预紧力值不相符的矛盾。 2 2 2 预紧力计算方法的改进 螺栓受轴向工作载荷后，螺栓受总拉力为 ( 见图2 1 ) 1 “：r q = g + f 或q = q p + k c f 式中：鲱剩余预紧力，n f 单个螺栓的轴向工作载荷，n 尼，螺栓的相对刚度 【l u 型 考虑到扭转扭剪应力的影响，其强度条件： 图2 - 1 力变形图 半式中：纠一螺栓材料的许用拉应力，m p a 一跳臣 、 一 兰q 一 一 ti刮一 实际上，为了保证联接的刚性和紧密性，常对剩余预紧力规定一个最小值， 即令剩余预紧力鳞= o f ，其中g 为控制剩余预紧力系数。对于有密封要求的 联接c ，= 1 5 1 8 ；对一般联接，当工作载荷稳定时，c ，= 0 2 0 6 ；当工作载 荷不稳定时，c ，= o 6 1 0 分析力变形图，当睇确定后，则预紧力d p 为： q p = q ；+ ( 1 一k 0 ) ，= 【c 。，+ ( 1 一k c ) j f 由上式，我们得到了设计计算中的预紧力，然后就要运用螺纹拧紧方法来控 制拧紧时的预紧力与设计计算的一致。 螺纹件的联接通常仅通过螺纹之间的贴合来实现紧固及防松，除非螺纹件产 生夹紧力极大，这种联接方式防松效果仍不够理想。为了增强螺纹件联接的防松 效果，现代设计技术通常要求螺纹件涂一层紧固胶”。这种紧固胶能在胶和螺纹 件之间产生一个很大的“化学凝聚力”，这样尽管螺纹件间夹紧力不很大或螺纹 件未被拧得很紧，其联接仍具有很大防松性。 2 3 螺纹件的拧紧控制方法 要保证螺纹件联接能克服被联接件所受的各种静态或动态外力，设计对螺纹 件联接的拧紧要求是要螺纹件对零件产生一个一定的预紧力。要实现这个预紧力 的拧紧控制方法有很多，有很简易的扳手拧紧的手工法、扭矩法、扭矩转角法、 屈服极限控制法和螺栓预伸长法等等”3 。在这些方法中，我们着重介绍扭矩 法、扭矩转角法和屈服极限控制法这三种比较常用的方法。 2 3 1 扭矩法 扭矩拧紧法是目前螺纹件拧紧装配最常用也是最经济的拧紧方法“。扭矩法 就是在拧紧时，当达到规定的扭矩时拧紧过程即停止。通过螺栓扭矩值来控制被 连接件的预紧力，这样预紧力更便于控制，操作简单、直观。螺栓拧紧过程中， 螺栓的预紧力f 、拧紧力矩t 和摩擦系数及螺纹形状尺寸之间有如下关系： f = 2 t ( d 。u 。c o sd + d 。t gb + d u 。)( 1 ) 式中f 一预紧力卜扭紧力矩 d 。螺纹有效直径( 粗牙螺纹：d ，。o 9 0 6 d ，细牙螺纹：d 。o 9 1 8 d ) d 螺纹的公称直径 u s _ 一螺纹副摩擦系数 a 垂直截面的螺纹牙形半角b 螺纹升角 d ，端面摩擦圆等效直径d = ( 2 d 0 3 - d 。3 ) ( 3 d 0 2 - d 2 ) d 。、d 。、摩擦圆的内径和外径 u ，一螺纹件端面摩擦系数 摩擦系数u 是通常意义上的物理概念，是摩擦力与正压力的比值。在螺纹联 接中，摩擦有螺纹副摩擦及端面摩擦两部分，这两部分摩擦条件往往不尽相同， 因而螺纹副摩擦系数u 。与端面摩擦系数u ，不相等。纯摩擦系数大小仅与螺纹件材 质、表面状态及润滑条件有关，而可测量的表面摩擦系数( 未考虑接触面积变化) 还与螺纹件尺寸精度有关。 在实际工作中，技术人员常用到一个“扭矩系数”的概念dt 扭矩系数是宏 观上直接反映螺栓拧紧过程中的扭矩与预紧力之间关系的系数，由下式给出： f = t k d( 2 ) 式中f _ 一螺栓轴向预紧力n t 扭紧力矩n m d 螺纹的公称直径m m 比较( 1 ) 、( 2 ) 式可知：k = l 2 d ( d 。u 。c o sq + d 。t 9 1 3 + d ，u ) ( 3 ) 由( 3 ) 式可知，扭矩系数k 与螺纹尺寸、形状及摩擦系数有关摩擦系数u 越大，扭矩系数k 也越大。 由( 1 ) 式可知，螺纹尺寸及形状确定后，螺纹拧紧过程中的预紧力不仅与拧 紧扭矩有关，还与表面摩擦系数u 。及u 有关。要保证拧紧质量( 减少预紧力分散 性) 必须同时控制拧紧扭矩( 通过拧紧设备保证拧紧扭矩的分散性小) 和螺纹件 表面摩擦系数。这就是说，单方面盲目追求提高拧紧工具的扭矩控制精度是无法 提高拧紧质量的，也是一种浪费性的无用投资。 螺纹件表面摩擦系数具有一定的分散性，这是无可争议的事实，拧紧工具的 扭矩控制精度一定时，拧紧质量与螺纹件摩擦系数有关。故扭矩法拧紧时，螺纹 件摩擦系数分散性越大，拧紧质量越差( 预紧力分散性越大) 。也就是说，摩擦 系数过大或螺纹孔中掉进铁屑，螺栓预紧力会太小( 拧紧太松) ，摩擦系数过小， 螺栓预紧力会太大( 螺栓会有拧至塑性变形区甚至断裂的危险) “”。 预紧力f 还与润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具、以及反复拧紧时的温度 变化有关。因此扭矩控制法拧紧产生的预紧力变化范围比较大，约在4 0 左右， 由此用扭矩法拧紧螺栓其计算载荷需要是最大t 工作载荷的1 3 倍，这必然造成螺栓直径加大，。 ，一 或数量增加，或提高材质。对简化机械结构、降 低成本，重量都是不利的。 扭矩法拧紧是目前应用最广泛的一种控制 方法“”。其优点是，拧紧工具价格便宜，操作 方便；缺点是拧紧质量( 轴向预紧力) 受螺纹件 摩擦系数的影响大，螺栓摩擦系数很低时，螺栓 角度( a n g l e ) 中 图2 - 2 扭矩和转角的变化 将拧至其塑性变形区甚至将其拧断( 见图2 - 2 ) 。曾有操作者将螺栓侵入防锈油中 ( 摩擦系数降低) 再进行扭矩法拧紧装配而导致螺纹联接失效的例子。为安全起 见，扭矩法设计的预紧力只在螺栓屈服强度的5 0 一7 0 。所以对于扭矩法拧紧 螺纹件时，应更严格控制其摩擦系数值。 2 3 2 扭矩转角法 螺母( 或螺栓) 拧紧时的旋转角与螺栓伸长量( 主要是阳螺纹部分) 和被拧 紧件松动量的总和大致有比例关系，因而可采用按规定旋转角度来达到预定预紧 力的方法。在最初拧紧时先要确定贴紧扭矩( 即联接密合的扭矩) 。把螺栓一直 拧到贴紧扭矩，再转过一个预定的角度，就是扭矩转角法。贴合扭矩值常取所需 拧紧扭矩值的2 5 左右“。尽管螺纹件摩擦系数对达到贴合扭矩的拧紧所产生 的“阶段预紧力”有影响，但影响小而且螺纹摩擦系数对转角拧紧所产生的预紧 力无影响，因为在弹性变形区内，若螺栓弹性模量恒定，预紧力仅与螺栓伸长量 有关，而伸长量与转角度数成正比。如果螺纹件拧紧转动3 6 0 。，螺栓受力部分 伸长一个螺距。此时螺检伸长量与预紧力有如下关系”： o o = 半e a ， 式中l 螺栓全长，m m l 一螺栓变形伸长量，m i l l l e 弹性模量，m p 。a 。螺栓的平均截面积， 1 l n 2 虬= k 三p式中p 螺纹螺距，i n t o 0 螺栓的回转角度，弧度 2 z k 螺纹螺距加工误差系数 可见在弹性区域内l 正比于螺栓的回转角度0 ，因此q 0 仅表示变量0 角的 函数式，只要准确地控制螺栓回转角度，便可准确控制预紧力。 图2 3 为螺栓拧紧时，应用扭矩法和扭矩转角法，它们的预紧力分散度的比 较示意图( 在进入线性范围，螺栓回转角度就代表螺栓拉力) 。 o a 、o b 分别为两组不同扭矩系数k 值给出的 曲线，用扭矩法拧紧时给螺栓个扭矩t 。则产再 c 。d “ 生了分散度a p 。( c d ) 。采用扭矩转角法拧紧时，“fif q ： 先给予螺栓一个拧紧扭矩t 2 ，则此时也会有相应 ：l 兰些： 预紧力分散度p 0 ( e f ) ，再回转一个角度0 ，螺t l 臣艮：7 ：h j 栓达到预紧力矩，而分散度为，( g h ) = p o ， 逢蠼i 赶j 显然p o r ，这就是扭矩转角法产生预紧 。 螺栓研转角度 力分散较小的原因。图2 - 3 两种拧紧方法预紧力分散度 弹性区域的扭矩转角法的优点在于预紧 力分散度较小，其平均值可提高到屈服极限的( 7 0 一8 0 ) ，既提高了材料的利用 9 率，也比较可靠。扭矩转角法拧紧时因转角所限制，螺栓的工作点会在离屈服点 不远处停下来。 扭矩转角法的优点是：a 拧紧质量稳定，螺纹件摩擦系数对拧紧质量的影响 小。b 螺栓可拧至塑性变形区而不致拧断，设计预紧力可取螺栓屈服强度的8 0 。缺点是拧紧工具价格昂贵( 是扭矩法拧i 磊f 赢i r 歹：2 1 紧工具的1 0 倍) ，操作不方便。在我们研制 一一二二二二：三三二二丑 ： 的螺纹自动拧紧机中，我们采用的是扭矩转 。 角法，但又有所区别，采用的是扭矩控制、 i 瓣 i ： 角度监视方法和角度控制、扭矩监视方法， 将两种控制方法融于一体，用户可以自己选垂砸醚竖上旦 择两种方法中的一种。 ”“”卜_ 一 姚缉示是扭矩控抓角度监视方喇星兰霉凳淼篙麓淼 法的图示耻“。在这种方法中，我们现设 扭矩上限扭矩规定的上限 定螺纹件要拧紧的最终扭矩，也就是图中扭矩下限扭矩规定的下限 的目标扭矩，在拧紧过程中，加载曲线上 贴紧扭矩一该扭矩点为装配零件贴紧扭矩 对应于目孥扭磐的点要落在由扭矩上5 1 、角度上限幕誓荔萎磊茎黧起始点 扭矩下限、角度上限和角度下限所围成的 角度下限角度规定的下限 区域中，即图2 - 4 中的阴影部分，也就是 说，加载曲线上对应于目标扭矩的点的横坐标值必须落在角度上限和角度下限之 间，这样拧紧的螺纹件才是合格的。 图2 5 所示是角度控制、扭矩监视方法的 图示n “。在这种方法中，我们现设定螺纹件_ _ 翼一- 一一! 要拧紧的最终角度，这个角度是从螺纹件被拧 一j 面丽 到贴紧扭矩开始计算的，也就是图中的目标角 ! 度，在拧紧过程中，当拧到贴紧扭矩时，再转j 一一 ， ：。 动螺纹件达到规定角度。加载曲线上对应于目i 一3 1 三= 。一蒜丽一i 鬲积a 1 标角度的点要落在由扭矩上限、扭矩下 。而孓2 ；- 一 i i 。l , 苎譬上限竺苎譬翼要围曼脞翟目标雾拦雾淼嘉篙激熊 中，即图2 - 5 中的阴影部分，也就是说，磊釜兰赢篇羞菊羞晶芏面一。 加载曲线上对应于1 7 i 标角度的点的纵角度下限角度规定的下限 坐标值必须落在扭矩上限和扭矩下限贴紧扭矩该扭矩点为装配零件贴紧扭矩： 曼竺曼! 看型，篓皇竺里篡苎扭矩姐。誓纂盏警燃 度对应的加载曲线的点位于螺纹件的i 磊；赢i 磊磊矗爵下限 弹性变形区域，由于螺栓弹性模量恒 定，预紧力仅与螺栓伸长量有关，而伸长量与转角度数成正比，因此消除了螺纹 1 0 摩擦系数对转角拧紧所产生的预紧力的影响。 2 3 。3 屈服点控制法 屈服点控制法利用扭矩转角增量比概念，将螺纹件拧紧至螺栓的屈服点 ( 见图2 - 6 ) 。拧紧工具的信号处理电路，将输入的扭矩和转角进行微分计算( d t d 中) ，并绘制扭矩转角曲线，根据屈服点控制预紧力。屈服点控制法的预紧 力分散度比扭矩转角法还要小，它的拧紧质量只与螺栓屈服强度有关。屈服点控 制可产生准确的夹紧力，但是还要依赖精确的扭矩测量来计算螺栓的屈服点“。 屈服点控制法的优点是将螺栓拧至其屈服 一一一一 、 点，最大限度地发挥了螺纹件强度的潜力，使材厂一一一一3 j 臣一i 料的利用率更高，可达1 0 0 。此外，由于拧到 ! ! l ， ! 材料屈服极限以后，提高了螺栓的疲劳强度。而j丽丽翮 螺栓的松动是与预紧力的大小、轴向交变、振动吾 2 一 。 负荷的大小有直接关系的，拧到屈服点以后，这莹萼i 翼i 砰i 匦星 些条件便有所改善，自然提高了螺纹联接 赢研= ；一1 i 副的防松性能。大量研究表明，螺栓拧 图2 - - 6 屉眼极限控制方法 墨要翼字篓鉴之普查臀翟量苎枷瞧一戮燃鬻裟譬斜 抗松动和抗疲劳性能越好。虽然扭矩法超过屈服点南篇丕二一为南迂磊磊羔丢；具 也能达到屈服点以后的塑性区域，但扭 所旋转的角度 矩法有着螺栓的塑性伸长量不可控制的扭矩上限扭矩规定的上限 航，萎缺点毫芝萋三量价兰奁黧装王筹篓簸驻墨 应用屈服点控制法时应对其形状、篇羞下赢角丕规定的下限 硬度和缓慢破坏等方面有所认识。贴紧扭矩该扭矩点为装配零件贴紧扭矩； a 形状 开始计算角度的起始点 为了充分保证螺栓不被破坏，并具有再使用性能，必须加长拧紧螺纹部分的 长度和自由螺纹部分长度，还要使用有充分变形量的螺栓。据资料介绍，粗牙螺 纹的刚性螺栓要求拧紧长度大于5 d ，自由螺纹长度也要大于2 d 。细牙螺栓拧紧 长度大于2 d ，自由螺纹长度也要大于2 d 。 b 硬度 硬度的大小会引起预紧力的变化，当硬度在h r c 3 0 3 6 时，屈服预紧力产生7 的分散度变化。不同硬度的螺栓，当螺纹面和座面涂上二硫化钼时，其屈服预 紧力会产生8 5 的变化。 c 缓慢破坏 螺栓抗拉强度在1 1 7 7 m p 。以上时，往往会发生缓慢破坏。缓慢破坏是由于钢 的氢脆所引起，尤其是电镀、酸洗螺栓。为了避免这个问题，可取螺栓的强度在 11 7 7 m p 。以下( 硬度h r c 3 6 ) ，避免进行氢容易渗入的工艺。 d 再使用性 机械的零部件常常要预装后分解再组装，所用的螺栓就有个重复使用问题， 主要是每次拧紧后塑性伸长量的大小。为了获得更好的再使用性，在确定扭转角 时必须考虑到被紧件的变形量，一般应将螺栓拧到刚过屈服点，不宜过多。为此， 除必须使贴紧扭矩值和转角值误差较小外，还要提高螺纹副精度。 e 操作性 屈服点控制法的拧紧作业比较麻烦，这也是此法的缺点。为实现此法，可采 用两套测量机构完成。一套是进行精确的扭矩测量来计算螺栓的屈服点；另一套 是进行角度测量。 f 螺栓或螺母的座面压力 按上述操作法所产生的压力是完全保险的，使用中，座面磨损是螺纹联接产 生松动的一个主要原因，对于屈服点控制法，为了获得大的预紧力，应提高垫圈 的硬度，增大座面接触面积。 g 耐久性和疲劳强度 螺栓在拧到屈服极限以后，会提高它的疲劳强度，但拧紧到塑性变形区域后， 疲劳强度又会有所下降。采用此法的螺栓耐久性良好，联接的可靠性也大大提高。 2 3 4 各种拧紧方法的比较 表2 1 各种拧紧万弦的e e 较 拧紧方法 作业方式雾嚣盘；笔曩莆2 利釜篓i 蔫劳嚣蒸：挫；震篓萎丢嚣羞i 价格 ：； 。1 。_ 1 1 。 一。 。11。一 手工控制扭矩! j ooo 3 0 一5 0 要求预襄力简单 低廉 要求 一一_ 二舜敢鹰小研l ：j 坠一 扭矩法j 控制扭矩! ：4 。4 0 0 0 ，： 要求高 一般 。便宜 j 兰蠢 扭m 转曹法盏i 矩 一1 0l 【8 虻一9 。可提高可提高一般较复杂较贵 ! ：求 屈服点法找屈服点 = 1j 1 。 l o o = 可提高可提高一般 i 复杂；贵 曩言 从表2 一l 可看出“，用手工法来拧紧螺纹件，预紧力的分散度最大，也就是 拧紧精度最低，只能应用在拧紧要求非常低的场合。使用扭矩法拧紧的预紧力虽 然比手工法分散度小，但依然较大，只能在一般的场合应用。而应用屈服点法的 预紧力分散度最小，但设备太复杂，价格太高。我们选择使用扭矩转角法，它的 预紧力分散度也较小，足以满足汽车行业螺纹件的拧紧精度，而且设备的复杂程 度和价格都比屈服点法低很多。 第三章螺纹自动拧紧机的机械部分设计 本文研制的螺纹自动拧紧机主要是针对汽车零部件的装配而开发的，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。比如用在压 力容器的装配上，压力罐上的螺栓装配质量要求比较高；用在气动元件的生产行 业，气缸上的螺栓的拧紧一般都是通过拧紧机拧紧来控制它们的预紧力。可以说， 凡是有螺栓需要拧紧的工位，特别是那些需拧紧螺栓多，或者螺拴需用大扭矩来 拧紧的，或者螺栓的拧紧程度控制比较严格的工位，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。 3 1 螺纹自动拧紧机的安装形式 目前，我们的螺纹自动拧紧机已形成了系列产品，从拧紧头的数量来分，有 单轴、两轴、四轴和五轴螺纹自动拧紧机；从安装形式上看，有悬挂式和固定式 之分，悬挂式又可分为卧式和立式。 在进行整体机构设计时，我们首先应考虑到拧紧机的工作场合，然后决定用 哪种形式的强扭机。 3 1 1 固定安装的螺纹自动拧紧机 固定安装的拧紧机的形状与机床有点类似，是用地脚螺栓将拧紧机固定在地 上。它的拧紧头的数量可以是单头，也可以是多头。 图3 - 1 是台二轴的螺纹自动拧紧机示意图，它主要由四部分组成：二轴拧 紧箱、升降装置、支架和控制柜。 二轴拧紧箱里装有两套轴控制单元，是拧紧机的最核心部件，其结构在后面 的章节中将详细介绍。支架是起到支承拧紧箱的作用，可由1 0 毫米厚的钢板焊 接制作。拧紧箱可在支架上沿着垂直方向上下移动，它们之间的联接示意图见图 3 2 。在拧紧箱的背后装有两条导向块，支架上也装有如图所示的导向条，导向 块在导向条内上下滑动，装配时滑动摩擦面之间要加润滑脂，在导向条的上下要 装限位装置。为防止拧紧箱向下运行时，导向块撞击限位装置，还要装有缓冲装 置。升降装置由气缸和连接块构成，连接块一端固定在拧紧箱上，另一端与气缸 的活塞杆联接。由气缸通过连接块带动拧紧箱上下运动。控制柜中放置有工业控 制计算机，两套伺服系统的两个伺服驱动器，外围电路板等。 t 二一j j i l 一， lr “ l1 l l jf 臣：三三爿_ 一二一【一一、 固定安装的拧紧机非常适合配置在装配流水线 厂j 一 上，拧紧机可设置成按照流水线的生产节拍自动运一仨鲁1 行。当运送工件的夹具运行到拧紧机下方时，碰到行 i 墓i 一二】蠢j 程开关，然后夹具自动定位，行程开关发信号给工业 导自块芒，期jj 控制计算机，启动一个操作循环。这时气缸下降，带 l j l 爿一f 动拧紧箱下降，拧紧螺栓，这样可带来生产效率的成 图3 - 2 拧紧箱与支架的连接 倍增长。 3 1 2 悬挂安装的螺纹自动拧紧机 悬挂安装的螺纹自动拧紧机又可分为卧式和立式，它们都是悬挂在空中，所 不同的是：卧式的拧紧箱是水平放置，而立式的拧臻箱是垂直安放。这里先介绍 卧式。 卧式四轴螺纹自动拧紧机的系统结构示意图见图3 - 3 ，主要由5 个部分组成： 固定轨道、直线移动轨道、悬挂装置、四轴拧紧机和控制柜。固定轨道是支承整 个下部的拧紧机的重量，一般是用工字钢或槽钢做成。 1 4 l 。 目 t i ijt _ ij ， l f 一。 l n 一了 i j 一一皇二二二 j 眶一二l 一一一 ! ：j 。曼i 二一i 图3 3 卧式四轴拧紧机系统示煮 直线移动轨道的结构如图3 - 4 所示，图中件2 是q 形横梁，是由铝合会一次 成型的产品，重量很轻但强度很好，长度约为1 5 米左右， 其下部开槽，使悬挂装置能在其中通过。件1 是连接件， 安装时先从q 形横梁的孔中穿过，然后焊上连接板，再通 过螺栓与固定轨道联接。 悬挂装置是由在q 形横梁中移动的滚轮和弹簧平衡 器构成。其结构简图见图3 5 ，采用一根小轴装上两个轴 承在q 形横梁内滚动，由于拧紧机的重量并不太重，而且 是由人工推动悬挂装置在。形横梁中运动，运行速度很 图3 - 4 直线移动轨道 低，因此直接用轴承在横梁中滚动，在装配时轴承上要加满润滑脂。弹簧平衡器 又有厂家称之为弹簧吊车，适用在所吊物较重且需 要频繁上下工作的场合，它是将弹簧的扭力转变成 为锥形转筒，从而变成能维持平衡的机构，使操作 者能够用手轻轻地上下操作下部所吊的拧紧机，它 的最大特点就是可以使拧紧机在任意位置平