全自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周旭暉

（常柴股份有限公司，江蘇常州　213003）

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全自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周旭暉

（常柴股份有限公司，江蘇常州213003）

摘要：在風(fēng)冷柴油機(jī)及通用汽油機(jī)裝配中，箱蓋、缸蓋、飛輪螺栓的擰緊，通常是由操作工采用風(fēng)扳機(jī)逐個(gè)擰緊，這種方式對(duì)螺栓力矩的控制及密封性等要求控制不嚴(yán)。采用全自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)操作后，不但極大地節(jié)省勞動(dòng)力，并且使得質(zhì)量保證能力得到極大的提高，也體現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步在傳統(tǒng)裝配行業(yè)中的運(yùn)用，具有先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：裝配；全自動(dòng)；螺栓擰緊

1　項(xiàng)目的由來(lái)及生產(chǎn)線(xiàn)基本情況

在傳統(tǒng)的裝配操作過(guò)程中，我們一般采用的擰緊工具就是風(fēng)扳機(jī)及套筒，擰緊方式就是將螺栓松旋進(jìn)螺孔后，手工用風(fēng)扳機(jī)依次序?qū)菍?duì)邊逐步擰緊各個(gè)螺栓。因此，無(wú)論是對(duì)4個(gè)連接螺栓的缸蓋，還是15個(gè)連接螺栓的箱蓋，這種擰緊方式要保證各個(gè)螺栓的力矩均勻一致是很困難的，并且由此會(huì)引起箱蓋等零件的局部形變不一致，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)密封性。

在倍速鏈輸送形式的裝配生產(chǎn)線(xiàn)中，包括風(fēng)冷機(jī)和通用汽油機(jī)均是箱體坐在工裝板上并在生產(chǎn)線(xiàn)上流轉(zhuǎn)，如圖1、圖2所示。這將使得采用全自動(dòng)螺栓擰緊成為一種可能。

圖1　線(xiàn)體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　柴油機(jī)在工裝板上的擺放示意圖

2　自動(dòng)擰緊螺栓時(shí)機(jī)體位置的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)螺栓的自動(dòng)擰緊，根據(jù)擰緊軸定位的精度要求，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力垂直、水平兩個(gè)方向再進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別采用一些諸如自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、自動(dòng)頂升等機(jī)構(gòu)的設(shè)置，將發(fā)動(dòng)機(jī)連工裝板一起頂起，通過(guò)高度限位塊及定位銷(xiāo)的作用，確保裝配中的機(jī)體姿態(tài)位置滿(mǎn)足工藝布置及擰緊軸操作精度的需要。自動(dòng)頂升旋轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖，如圖3所示。

圖3　自動(dòng)頂升旋轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖

自動(dòng)頂升旋轉(zhuǎn)臺(tái)功能是帶有發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工裝板運(yùn)行到該機(jī)構(gòu)上方時(shí)，阻擋器使之停止，然后舉升氣缸工作將工裝板頂起脫開(kāi)行走中的倍速鏈，然后減速電機(jī)按預(yù)先設(shè)定自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位后將部件自動(dòng)下降落座，從而實(shí)現(xiàn)了將工件自動(dòng)按要求轉(zhuǎn)動(dòng)成方便裝配的方向位置，便于裝配安裝操作，減少生產(chǎn)線(xiàn)工人勞動(dòng)強(qiáng)度。生產(chǎn)線(xiàn)上部分自動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置情況如圖4所示。

圖4　生產(chǎn)線(xiàn)上自動(dòng)機(jī)構(gòu)

3　擰緊機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

風(fēng)冷機(jī)以及通用汽油機(jī)的箱體、缸蓋、飛輪等重要連接螺栓、螺母涉及安全、質(zhì)量等重要問(wèn)題，同時(shí)為了提高裝配效率及裝配精度，杜絕發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的箱體箱蓋結(jié)合面滲漏等質(zhì)量問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用國(guó)際品牌的擰緊軸，通過(guò)PLC控制方式，對(duì)箱蓋螺栓、氣缸蓋螺母、飛輪螺母采用全自動(dòng)擰緊的操作方式，對(duì)于減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度以及提高保證產(chǎn)品質(zhì)量是有利的。

表1　擰緊設(shè)備與線(xiàn)體的控制信號(hào)交流

全自動(dòng)擰緊機(jī)設(shè)備包括固定機(jī)架、升降裝置、進(jìn)給裝置、擰緊機(jī)箱、指示燈操作盒、變距機(jī)構(gòu)，電氣控制系統(tǒng)，擰緊軸及軸控制器等組成。擰緊設(shè)備與線(xiàn)體的控制信號(hào)交流具體描述如表1所示。

注意：由于擰緊機(jī)構(gòu)是水平安裝，所以為了使水平氣缸不與線(xiàn)體的動(dòng)作發(fā)生干涉，對(duì)線(xiàn)體PLC程序有如下要求：

（1）頂升氣缸及前后擋停氣缸的動(dòng)作只有在擰緊水平氣缸退到位時(shí)才能動(dòng)作（對(duì)應(yīng)允許前站工件放行至本工位信號(hào)）。

（2）工件頂升到位信號(hào)只有在線(xiàn)體自動(dòng)運(yùn)行時(shí)才給出。

（3）線(xiàn)體給擰緊機(jī)信號(hào)應(yīng)通過(guò)繼電器轉(zhuǎn)換成無(wú)源信號(hào)。

全自動(dòng)擰緊機(jī)的操作動(dòng)作步驟是：當(dāng)工件走到擰緊工位時(shí)，線(xiàn)體自動(dòng)識(shí)別工件到位，線(xiàn)體上的頂升機(jī)構(gòu)及其定位裝置自動(dòng)將工件頂起至精確位置，從而滿(mǎn)足與擰緊機(jī)的精確對(duì)位；工件精確定位后，線(xiàn)體發(fā)出工件到位信號(hào)給擰緊機(jī)，擰緊機(jī)自動(dòng)進(jìn)給并進(jìn)行擰緊操作；擰緊軸旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)認(rèn)帽，并按預(yù)先設(shè)置的程序開(kāi)始擰緊。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)扭矩后，擰緊軸停頓等待所有擰緊軸都達(dá)到預(yù)扭矩后，所有擰緊軸再自動(dòng)從預(yù)扭矩?cái)Q緊到最終扭矩，然后擰緊機(jī)退讓。通過(guò)工裝板上定位孔的精確設(shè)計(jì)以及相應(yīng)機(jī)型的調(diào)整，保證擰緊設(shè)備伸出時(shí)可以自動(dòng)認(rèn)帽，擰緊軸擰緊相應(yīng)螺栓到裝配要求的力矩。

為了實(shí)現(xiàn)多品種風(fēng)冷機(jī)或通用汽油機(jī)共用一臺(tái)擰緊機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的擰緊操作，需要對(duì)擰緊軸進(jìn)行巧妙布置，通過(guò)操作臺(tái)升降裝置、氣缸變矩機(jī)構(gòu)等手段實(shí)現(xiàn)擰緊軸對(duì)不同機(jī)型螺栓位置的適應(yīng)性，同時(shí)這樣做的一個(gè)重要特點(diǎn)是節(jié)約了投資并滿(mǎn)足多品種產(chǎn)品共線(xiàn)生產(chǎn)的要求。

飛輪螺母（單軸）全自動(dòng)擰緊機(jī)調(diào)整較為簡(jiǎn)單，因不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)箱體坐在工裝板上保證了曲軸中心線(xiàn)在同一垂直面上，只需要通過(guò)調(diào)節(jié)擰緊機(jī)升降裝置使操作面的高低位置得到調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)擰緊軸對(duì)準(zhǔn)飛輪螺母進(jìn)行擰緊操作。

相類(lèi)似的氣缸蓋螺母（四軸）全自動(dòng)擰緊機(jī)在工裝板保證了箱體曲軸中心的一個(gè)垂直平面的基礎(chǔ)上，通過(guò)擰緊機(jī)升降裝置的高低調(diào)整以及四根擰緊軸之間的氣缸調(diào)整其間距也就滿(mǎn)足了擰緊軸與發(fā)動(dòng)機(jī)上四個(gè)缸蓋螺母之間的中心距對(duì)準(zhǔn)要求。從而按上述設(shè)置的操作控制動(dòng)作原理即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)擰緊。

同理，箱蓋螺栓（七軸）全自動(dòng)擰緊機(jī)在高度上通過(guò)調(diào)整擰緊機(jī)的升降裝置對(duì)操作面高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，而各擰緊軸為了適應(yīng)各不同品種通用汽油機(jī)箱蓋螺栓的位置間距，通過(guò)模擬設(shè)計(jì)，找出所有在產(chǎn)機(jī)型的各螺栓位置，并在每根擰緊上設(shè)置氣缸變矩機(jī)構(gòu)，通過(guò)氣缸的運(yùn)動(dòng)以及相對(duì)應(yīng)的限位塊設(shè)置，使各擰緊軸的中心距位置對(duì)準(zhǔn)通用汽油機(jī)上箱蓋螺栓的位置，從而實(shí)現(xiàn)擰緊操作。

以箱蓋擰緊機(jī)為例，各擰緊軸的變矩結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5　箱蓋擰緊設(shè)備變矩機(jī)構(gòu)

箱蓋擰緊設(shè)備如圖6所示。

圖6　箱蓋擰緊設(shè)備圖

氣缸蓋擰緊設(shè)備如圖7所示。

圖7　缸蓋擰緊設(shè)備圖

飛輪單軸擰緊設(shè)備如圖8所示。

圖8　飛輪單軸擰緊設(shè)備圖

4　全自動(dòng)擰緊機(jī)的效果檢查

使用螺栓擰緊機(jī)后，抽取了6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的缸蓋螺母力矩進(jìn)行擰緊精度比對(duì)，分別采用人工風(fēng)扳機(jī)擰緊后用定扭矩扳手復(fù)緊以及直接使用缸蓋螺母擰緊機(jī)擰緊兩種操作方式，對(duì)擰緊力矩進(jìn)行了抽查對(duì)比，工具使用NBS- 100型數(shù)顯扭力扳手，同一人操作。數(shù)值對(duì)比如表2所示。

表2　螺栓力矩抽查對(duì)比

該機(jī)型的工藝要求：氣缸蓋螺母必須交叉均勻擰緊至50～60Nm，從上表中可以看出，采用人工使用風(fēng)扳機(jī)進(jìn)行擰緊，僅有7個(gè)力矩值合格，合格率29.2%；顯然單憑風(fēng)扳機(jī)擰緊無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求，在此基礎(chǔ)上采用定扭矩扳手進(jìn)行復(fù)緊操作，經(jīng)檢測(cè)有4個(gè)力矩值不達(dá)標(biāo)，合格率83.3%；而后松開(kāi)螺母對(duì)相同工件另行采用全自動(dòng)擰緊機(jī)進(jìn)行直擰緊后測(cè)試，抽查力矩全部達(dá)標(biāo)，合格率100%。三種擰方式的力矩分析如圖9所示。

圖9　三種擰緊方式力矩抽查分布圖

可以看出采用全自動(dòng)擰緊機(jī)后不但操作效率大大提高并且氣缸蓋四個(gè)螺母的力矩值均勻，并且排除了人為因素，質(zhì)量保證能力提高明顯。

5　結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)實(shí)物如圖10所示。

圖10　全自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)

生產(chǎn)線(xiàn)上采用的智能化全自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)后不但節(jié)省了操作人員，并且確保了每一個(gè)連接螺栓的精準(zhǔn)力矩，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，各螺栓力矩的均勻較人工操作大幅提高，力矩控制值的達(dá)標(biāo)率由83.3%提高到100%，生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備能力對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制有了強(qiáng)有力的保證。

The Design and Application of Automatic Bolt Tightening Machine

ZHOU Xu-hui
（Changchai co.，LTD.，Changzhou，Jiangsu 213003，China）

Abstract:In the air-cooled diesel and petrol engine assembly, tightening of the cover，cylinder head，flywheel bolts are usually done by operators with pneumatic wrenches，which does not require strictly the control and sealing to bolt torque.After adopting automatic bolt tightening machine，not only labor has been saved greatly，but also the quality has been improved greatly，which embodies the technological progress in the application of traditional assembly industry.

Key words:assembly；Automatic；bolt tightening

作者簡(jiǎn)介：周旭暉，男，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：機(jī)械裝配技術(shù)。

收稿日期：2016-01-22

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）02-0029-03