汽车装配自动拧紧机

KEY WORDS: torque, fastening, assembly, fastening machine
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上海交通大学硕士学位论文
第一章 绪 论
1．1 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。
关键词：扭矩，拧紧，装配，拧紧机
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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
学位论文作者签名：黄 健
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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
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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.
1．2 汽车装配中使用拧紧机的经济价值
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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。
学位论文作者签名：黄 健
指导教师签名：颜德田
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汽车装配自动拧紧机
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。
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第二章 螺纹连接和拧紧技术