连杆螺栓多轴拧紧机浅析

发表时间:2019/1/10   来源:《科技新时代》2018年11期   作者:孙安
[导读] 螺栓连接的紧固在汽车装配制造环节中,已经成为最普遍、最重要的工艺。

江铃汽车股份有限公司发动机厂  江西  南昌 330001
         摘要:螺栓连接的紧固在汽车装配制造环节中,已经成为最普遍、最重要的工艺。为了确保连杆的装配质量,在连杆螺栓拧紧上使用多轴拧紧机。文章介绍了多轴电动拧紧机控制系统的现状和基本构成原理,连杆拧紧机在发动机装配中的应用,通过螺栓拧紧过程分步及角度控制达到螺栓拧紧力矩受控。
        关键词:扭矩;拧紧原理;拧紧方法
        1引言 在汽车制造业中,整车装配大多的连接方式是采用螺纹连接,因其具有可拆卸性,连接便捷,使用成本低等优点被广泛应用在整车装配上。而其连接的可靠性尤为重要,如何对其拧紧和监控,是生产重要环节。多轴电动拧紧控制系统就具有保障拧紧力矩的准确性、快速性及稳定性指标的优点。多轴拧紧机对生产过程中的“欠拧紧”和“过拧紧”现象可很好控制,因其可显示扭矩曲线,能很好的反映力矩变化情况。
        2连杆多轴电动拧紧机的基本构成及原理
        在JX4D30发动机连杆螺栓拧紧中采用的电动拧紧机机电系统主要由三大部分组成,分别是上位机监控部分、现场电气控制部分及拧紧头执行终端部分。现场电气控制部分由协调控制系统、轴控单元及伺服驱动控制部分组成。协调控制系统是基于PLc(可编程逻辑控制器)。拧紧头包含:电动机、减速器、扭矩传感器等。电动机为三相交流伺服电动机,包含有转角传感器。拧紧原理如下图:
        
        计算机系统主要功能有用户管理、设备运行状态监控、工艺参数设置、工艺参数实时显示、扭矩曲线实时显示及扭矩统计分析等,其数据来源是轴控系统及人机交互系统。
        协调控制系统的主要功能是协调各个轴的同步动作;控制各个轴几乎同时到达设定的准目标扭矩值及目标扭矩值;检测机械及电气系统运行状态,如过流、过载、现场指示或报警设备的一些运行状态,如轴输出扭矩是否达到目标值、是否合格等。并藉此自动执行多轴同步拧紧程序;接收现场操作按钮信号,如对拧紧机系统进行如本体升降、启停单轴的控制。
        轴控单元主要作用是二次放大、采样及模数转换来自拧紧头上的扭矩传感器信号;采集伺服驱动器分频处理的角度脉冲信号;向伺服驱动器输出速度指令信号及其它开关信号;向协调控制系统输出同步请求信号及运行状态信号;接收协调控制系统的启动、停止及继续等控制信号;经RS232串口实时上传扭矩及角度数据给上位机系统。
        拧紧头的交流伺服电机主要功能是把由驱动器输入的电能转换成旋转的机械能;拧紧头的减速器用以降低终端转速,提高扭矩;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。
        3连杆多轴拧紧机在JX4D30发动机工艺中的应用
        工艺要求设备全自动拧紧活塞连杆螺栓,共分2次进行拧紧,拧紧方式为扭力加转角法,每次同步拧紧2个缸的4颗连杆螺栓,第一次拧完后,旋转曲轴180°完成另外2个缸的连杆螺栓拧紧操作,生产节拍保持在42s 内,设备有辅助支撑缸体的机构,在拧紧过程中可保证拧紧的平稳性,另外对拧紧角度有监控,可防止螺栓拉伸。整个力矩要求为45 N?m+62°,最终控制力矩为90 N?m~120 N?m。
        对质量的要求,在拧紧操作过程中,当同一件在本工位发生连续3次不合格时,此循环停止并报警;当出现拧紧不合格情况时,仅是不合格螺栓对应的拧紧轴退出并重新拧紧。急停后,任何未完成的拧紧过程继续重新拧紧,同时上传拧紧数据;对于已判定为不合格的工件进入本工位时,设备不操作,工件自动流入下一工位。自动拧紧过程结束时,显示本次拧紧是否成功及本班作业统计数;自动拧紧过程中监视各轴的状态,全部达到转角扭矩时发出同步转角拧紧指令;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。设备带有防错功能,可记录螺栓的拧紧情况,逐个显示拧紧结果:已拧紧/未拧紧、合格/不合格、螺栓数量等。
        为了避免“欠拧紧”及“过拧紧”,对扭矩信号进行硬件滤波及软件滤波,合理的程序算法设计。“欠拧紧”一般是由于控制系统采样到扭矩尖峰信号(最大峰值宽度不超过200ms时),滤波及扭矩控制程序处理不当,系统误判输出扭矩已达到设定目标值。“过拧紧”一般是由于系统配置不合适及程序算法设计不合理,导致实际输出扭矩快接近目标值或已到达目标值时,轴控系统来不及回调或停止速度指令输出,导致实际拧紧力矩超过了允许的目标扭矩上限。为此,JX4D30发动机连杆拧紧机所有轴控单元的目标扭转值采用分段控制算法,最后一段采用模糊离散PID控制算法,最终控制精度达±lON?m。目标拧紧力45 N?m+62°,轴控单元设置了4个目标扭矩值,分别是10N?m、25N?m、45N?m、62°。同步拧紧程序启动后,当某轴到达10N?m时,就暂停扭矩输出并立即给协调控制系统一个500ms的脉冲信号,当所有轴都执行了相同的动作后,协调控制系统就通知所有轴准备实现下一个准目标值25N?m,依次类推,最终实现四轴同步拧紧。
        工艺在拧紧机中设置拧紧工艺参数(如拧紧的转角起始扭矩、转角值、扭矩值及要求的误差范围等)及系统内部参数(如系统每个拧紧过程使用的速度、各种保护参数、数据传输的间隔等),在每班生产完成后,电脑可接收协调单元传送的各轴拧紧过程及拧紧结果并存入数据库中,工艺人员和设备相关人员均可对拧紧结果的查找、打印;接收协调单元传送的指定轴拧紧过程曲线可实时显示,曲线反映的扭矩上升下降过程及屈服点的情况,可用于分析被拧紧件的材料和加工情况;工艺人员可根据存储的拧紧结果计算出某年、月、日或班的拧紧质量分布图直方图,根据存储的拧紧结果及工艺要求和设定的采样分组值,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,曲线可显示及打印,用于指导生产,避免残次品的出现。
        4结束语
        发动机连杆拧紧的自动化工艺设计解决了因人工操作存在的质量隐患,提高了生产效率,具备良好的防错能力,确保了拧紧过程中的平衡性,提高了在线质量控制水平。在现代化的发动机装配线,活塞连杆的全自动拧紧工艺的应用属创新案例,具备较好的可拓展性,能更好地适应混线大批量生产现状。在发动机制造领域,我们应大力推广自动化工艺的应用。
        参考文献
        [1]任丽华,螺纹拧紧扭矩的理论分析[J],煤矿机械,2006.7,67-68
        [2]刘建文,螺纹连接及拧紧技术[J],汽车工艺与材料,1999.2,7-8
        [3]康维新,传感器与检测技术[M],北京:中国轻工业出版社,2009,16-26
        [4] 王素芳,对螺栓拧紧方法的探讨[J],安装技术,1997,(6).
 

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