拧紧机原理及自动拧紧机研制

一汽轿车公司冯德富
[摘要] 本文简要地点击了美国INGERSOLL-RAND 公司20 世纪70 年代自动拧紧机所存在的主要问题，对其工作原理进行分析和探讨，并给出了原理框图。

重点是针对这些问题，参照其基本原理，应用当代新技术提出的研制方案，给出了研制成功的拧紧机的结构原理框图，并对框图中各环节的功能做了简要介绍。

最后给出了自动拧紧机主控单元控制系统的程序流程图。

关键词：扭矩伺服电机主控单元轴控单元驱动器
1 前言
螺栓的拧紧应用于机械行业的装配是一个普遍现象，以前人们只是考虑在装配时，把螺栓（或螺母，下同）拧到最紧的程度。

后来人们才发现，这个“最紧”不过是一个非常模糊的概念，它是因人而异的。

一台机器有几十，以至成百上千个零件采用螺栓紧固的方法装配，在大生产中又是由多数人在不同的时间里完成的。

而且每天又要装配几十或几百台机器，这个“最紧”的离散度将是可想而知的。

另外，还有些零件（如汽车发动机中的连杆大头孔），在生产车间需要用螺栓把瓦盖装配起来进行加工，而到了装配车间进行整机组装时，又先要松开螺栓，拆下瓦盖，套到曲轴上后再重新拧紧，如用这个“最紧”来进行，可想而知，其结果将是非常危险的。

因而，如何有效的控制“拧紧”，并使其达到“最佳”，也就成为了机械行业十分关注的课题。

自动拧紧机就是作为有效的控制“拧紧”，并使其达到“最佳”的装配工具。

2 我厂自动拧紧机的原状
自动拧紧机是集机械传动、电气传动、电子技术、自动检测于一体的机电一体化设备。

一汽第二发动机厂建厂初期，用于自动生产线上的自动拧紧机有7 台，其中有 2 台为美国INGERSOLL-RAND 公司20世纪70 年代的产品。

拧紧的驱动部件为气动马达，控制气动马达的执行部件是快速截止阀。

该快速截止阀受控于扭矩检测控制单元（因每轴一个，故称之为轴控单元），该阀平时常通，得电迅速断开，并自动保持到断开该阀的气源。

其基本结构框图如图1 所示。

图1
该两台拧紧机由于机械件磨损严重，控制单元的电器元件老化，加之海损等原因，使其控制和测量精度低下，故障率高，稳定性差。

且有些主要电子元件在当时已为淘汰品，无处购买，损坏无以更换。

而且既无图纸，又无使用说明书，给维修造成了极大的困难。

故而，严重地影响了产品的质量和生产的顺利进行。

针对上述问题，开始我们曾对其轴控单元进行了测绘，结合其工艺过程进行分析和研究，在弄通其检测和控制原理的基础上（通过测绘、分析、研究所得的系统原理框图见图2），应用当前通用的电子元件进行试制，并得到了成功地应用（该项目曾荣立分厂一等功）。

然而其主机毕竟是20 世纪70 年代的产品，且随着对产品质量要求的提高，也就很难再适应了。

但当时国内尚无此类成型产品，购买国外的价格又很高，我们难以承受。

故对拧紧机的彻底更新这一问题也就提了出来。

由于生产的急需，加之我们对加工拧紧机条件的欠缺，完全自行研制困难较大。

故决定寻求合适厂家进行合作研制。

经调研，拧紧机研制的合作伙伴我们
选定了大连德欣公司。

图2 原INGERSOLL-RAND自动拧紧机控制系统原理框图
3 研制方案的确定
经仔细分析，我们认为就机体的本身结构来讲，原拧紧机控制精度较低的主要原因如下：
⑴拧紧的驱动部件为气动马达，受气源和同机中其它拧紧头（每台10 个拧紧头）的影响较大。

⑵控制气动马达的执行部件是一个快速截止阀，同一阀芯多次重复动作速度的差异、各个阀芯间（10个拧紧头就有10 个截止阀）同次动作速度的差异，均直接影响了控制精度。

况且，作为一个机械阀，其控制精度不可能较高。

鉴于上述，研制的基本方案是：拧紧的驱动部件采用伺服电动机，用以取代气动马达。

由于交流伺服\系统为发展方向，且体积较小，控制灵敏，精度高，故采用交流伺服电动机。

对各螺栓拧紧的控制及检测均为相对的独立系统，各独立系统主要包括：拧紧头，电机驱动器，轴控单元。

即需要同时拧紧几个螺栓，就需配置几套这样的独立系统。

我们首先研制的拧紧机是用于缸体瓦盖的拧紧，由于同时要拧紧十个螺栓，故计用十套这样的独立系统。

为协调各轴控单元的动作、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，每台拧紧机均配置了一个主控单元。

轴控单元和主控单元的核心均采用INTEL 的51 系列单片机，均自成系统，并采用了模块式结构，灵活组配，便于维修。

为方便现场工作的调整、检修和操作，配置了操作按钮盒，盒上设置了手动/自动、多轴/单轴转换开关，手动正反转、启动、急停、复位按钮，合格、不合格、拧紧结束信号灯。

4 主要环节功能简介
我们研制成功的拧紧机的系统原理框图见图3。

图3
由图可见，自动拧紧机的控制及检测系统主要分为三相变压器、继电控制及显示、主控单元、轴控单元、电机驱动器、拧紧头等几大部分。

下面仅对其中主要环节的功能予以简要介绍（继电控制部分略）。

4.1 三相变压器
由于该拧紧机中交流伺服电机所用电源为三相交流200V 电压，故须把电网的三相380V 电
压，通过三相变压器变为三相200V 电压。

4.2 主控单元
每台拧紧机装设一个，核心是由51 系列单片机组成，主要功能是：
(1) 通过控制、协调各轴控单元来实现整个系统拧紧动作的协调控制。

(2) 输入、保存拧紧过程所需的各种参数，并提供用户修改参数的界面。

(3) 统计拧紧产量及拧紧结果，并加以保留，以便显示或打印。

(4) 对拧紧结果进行判断，并发出合格、不合格、拧紧完成的控制信号。

(5) 判别工艺参数的合理性，有非法参数则报警。

(6) 对与之有关的硬件进行检测，如有故障，自动报警。

各种参数(包括：工艺参数、控制参数、校准值)的输入、查阅或修改，可以通过本单元面板上的FUN、CON、＋、－、STD、RST 六个按键来进行；数据的输出：设有标准并行口（15 针）和标准的RS—232C接口（9 针）二个。

另外，主控单元面板的上部装有两排4 位LED 显示器，用来显示系统的各种信息（包括各种参数和故障代码）。

4.3 轴控单元
每个拧紧头装设一个，核心也是由51 系列单片机组成的系统，其主要功能是：
(1) 接受主控单元的指令，并按指令控制所对应的轴（即拧紧头）工作。

(2) 接受继电控制系统中的单轴操作指令，完成所对应的单轴操作动作。

(3) 接受拧紧头中扭矩传感器传送来的扭矩信号，进行放大和转换。

(4) 判别拧紧结果，并给出合格与否的指示。

(5) 将拧紧结果传送给主控单元。

各拧紧头的轴控单元面板的上部均装有两排 4 位LED 显示器，用来显示系统的各种信息（包括各种参数和故障代码）。

4.4 电机驱动器
采用日本松下的标准产品，与该公司的伺服电动机配套使用。

其电源电压为交流三相200V，其主要功能如下：
(1) 输入、保存拧紧过程所需的各种参数，并提供用户修改参数的界面。

(2) 按轴控单元发出的指令，输出功率，驱动伺服电机旋转。

(3) 按拧紧系统的要求，处理转换转角信号。

(4) 监视伺服电动机运行状况，并发出相应显示信息。

电机驱动器面板的上部装有一排6 位LED 显示器，用来显示系统的各种信息（包括各种参
数和故障代码）。

各种参数(包括：控制方式、扭矩限制值、速度扭矩增益、加减速时间等)的输入、查阅或修改，可以
通过本单元面板上的MODE、SET5 个按键来进行；
4.5 拧紧头
主要包含有：交流伺服电动机、减速器（减速比为70：1 的行星齿轮减速器）、扭矩传感器（电阻应变式）、驱动杆等部件。

其中电动机为三相交流伺服电动机，内部包含有转角传感器，在实际应用时，通常与电机驱动器配套使用。

其主要功能是：
(1) 把由驱动器输入的电能转换成旋转的机械能输出以驱动负载。

(2) 把电动机旋转的转角（或位置）信号输出送给驱动器。

扭矩传感器用以检测拧紧过程中的扭矩；旋转扭矩由驱动杆传递输出。

5 拧紧机程序流程图及简要说明
主控单元的控制程序流程图见图4，其中：“自检”主要是：检验本身系统、与上位机通讯、与轴控单元通讯、有无非法参数等。

若有上述故障，则在主控单元面板的数显表上显示出相应代码。

“向各轴控单元传递参数”主要是：传递工艺参数和控制参数。

图4 主控单元控制程序流程图
6 实际效果
研制成功的自动拧紧机检测精度和控制精度均有了较大程度的提高，其检测精度（扭矩和转角）均为≤±1％，控制精度均为≤±2％，与美国INGERSOLL-RAND 公司当前的产品相同，而操作又比其方便得多。

自应用以来运行非常稳定，故障率几乎下降为零。

到现在为止，我们在研制成功1 台后，又成功地试制了5 台（合计52 个拧紧头）自动拧紧机，现均稳定地运行在我厂的各生产线中。

此6 台拧紧机若用INGERSOLL-RAND 公司的同类产品约需700 余万人民币，而我们自行的研制仅用了310 万，节约了近400 万元人民币。

更为重要的是：通过自行研制，使我们掌握了这一当代的先进科学技术，不仅培养和锻炼了我们的技术人员，也为全面赶超世界先进科学技术水平增强了信心，奠定了技术理论基础。