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螺栓拧紧常用的方法及拧紧机

      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)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。这样,不仅对于拧紧的控制方法探讨及其采用成为了热门话题,而且对于自动拧紧机的应用也日益广泛了。 
 
一.常用的拧紧方法及拧紧机的应用  
 
        对于螺栓拧紧的控制方法,我们在上节共介绍了五种,但在当前的机械加工业中应用较为广泛的还只是二种,它们就是扭矩控制法和扭矩—转角控制法。其中扭矩控制法通常应用在对拧紧的要求不太高的场合下,可以采用定值扭矩扳手,也可以采用自动拧紧机,由于定值扭矩扳手结构及其使用均较为简单,故在此不予介绍。而扭矩—转角控制法基本上使用的均为自动拧紧机。 在介绍自动拧紧机之前,有必要对拧紧机的分类作以简要的说明。自动拧紧机的分类方式有几种,若按拧紧的控制方式分,可分为扭矩控制法、拧紧-转角控制法和屈服点控制法的拧紧机;若按人工参与的程度分,可分为手动和自动拧紧机;若按拧紧执行部件的能源性质分,可分为气动和电动拧紧机。其中的电动拧紧机,按其执行部件电源的性质分,又可分为直流拧紧机和交流拧紧机,它们的执行部件则分别是直流伺服电动机和交流伺服电动机。 下面我们仅就这二种拧紧方法的自动拧紧机的结构及控制检测原理进行介绍。 
 
二.扭矩控制法拧紧机的构成及其原理  
 
        由于扭矩控制法的拧紧机控制简单,价格便宜,故在一些对拧紧的要求不是较高的场合,得到了较为广泛的应用,如发动机装配中的油低壳、上罩盖、曲轴油封、飞轮、凸轮轴瓦盖、凸轮轴链轮,发动机零部件加工中的凸轮轴瓦盖等螺栓的拧紧。 在实际应用中,扭矩控制法的拧紧机现在大多数是采用电动类型的,但气动类型的有些厂家还在应用,其二者对于扭矩检测的原理及其方法基本相同,而它们的区别是使用的能源与相应的拧紧执行的部件,故从控制的方法上区别较大,但其拧紧的原理是相同的,由于我厂当前应用的均为电动的拧紧机,故我们仅就电动拧紧机予以介绍。  
 
1.扭矩控制法拧紧机的构成 
 
        扭矩控制法拧紧机的构成原理框图如图所示,由图可见,它是由9个环节构成,它们分别是:电源变换,电动机驱动器,伺服电动机,减速器,扭矩传感器,输出轴,主控单元,轴控单元及显示。其能源为交流电源。

        电动拧紧机的执行部件是伺服电动机,而驱动伺服电动机的是电机驱动器。其中的伺服电动机又有交流和直流之分,其中交流伺服电动机的驱动器,供电电源的性质是交流电,所以其电源变换部分的功能,只是把从交流电源输入的交流电,变换成适宜于电机驱动器与伺服电动机正常工作所需要的电压值(即变压)即可;而对于直流伺服电动机的驱动器,由于其供电电源的性质是直流电,所以其电源变换部分,除了要有如交流系统那样的电压值的改变外,还要把变压后的交流电进行整流而变换成直流电。然而不论是直流伺服电动机也好,交流伺服电动机也好,其结构现均采用无刷(即没有电刷)的形式。 
 
2.扭矩控制法拧紧机的工作原理 其工作原理如下: 
 
        当机床的控制系统发出拧紧的运行指令后,直接进入主控单元,使其分别产生复位和启动控制信号,该信号直接进入轴控单元,一方面使其复位(复位即恢复原始状态),另一方面给电机驱动器发出运转指令,使其运行,并把输入的交流电源按不同的要求(直流或交流)进行转换后输出,送入伺服电动机,使其旋转。伺服电动机的旋转扭矩由输出轴输出,即对工件进行拧紧操作,而拧紧过程中的扭矩,则由串接于伺服电动机与输出轴中间的扭矩传感器捡出,并送入轴控单元中。在拧紧的过程中,随着拧紧的进行,扭矩不断的增大,当其达到设定的扭矩值时,轴控单元即刻发出控制信号给电机驱动器,并在驱动器的控制下,伺服电动机立即停止旋转,完成本次的拧紧工作。 拧紧完成后,轴控单元对于拧紧的结果要发出二方面的信号,其中一方面是发出显示信号,而显示信号又分为二部分,其一是拧紧的实际扭矩峰值,其二是拧紧结果的实际状态(包括扭矩值合格、扭矩高于上限值和扭矩低于下限值);另一方面则是把拧紧结果的实际状态(主要是扭矩值合格或不合格),通过主控单元转换后送入机床的控制系统,以便机床的控制系统对于下一次拧紧工作作出判断和选择。  
 
三.扭矩—转角控制法拧紧机的构成及其原理  
 
        由于扭矩-转角控制法的拧紧机控制较为复杂,价格相对要高一些,故通常均应用在对拧紧的要求较高的场合,如:发动机装配中的缸盖、皮带轮、曲轴主轴承瓦盖和连杆瓦盖,发动机零部件加工中的曲轴主轴承瓦盖和连杆瓦盖等螺栓的拧紧。在实际应用中,扭矩-转角控制法的拧紧机现在基本上是采用电动类型的,气动类型的极少应用,其二者对于扭矩和转角检测的原理及其方法也基本相同。同扭矩控制法一样,它们的区别只是使用的能源与相应的拧紧执行的部件,因而从控制的方法上区别也同样较大。下面我们还是以电动拧紧机为例予以介绍。  
 
1.扭矩-转角控制法拧紧机的构成 
 
        电动扭矩-转角控制法拧紧机的构成原理框图如图所示,由图可见,它是由10个环节构成,它们分别是:电源变换,电动机驱动器,伺服电动机,转角传感器,减速器,扭矩传感器,输出轴,主控单元,轴控单元及显示。其能源为交流电源。

        在实际应用中,扭矩-转角控制法的拧紧机现在基本上是采用电动类型的,气动类型的极少应用,其二者对于扭矩和转角检测的原理及其方法也基本相同。同扭矩控制法一样,它们的区别只是使用的能源与相应的拧紧执行的部件,因而从控制的方法上区别也同样较大。下面我们还是以电动拧紧机为例予以介绍。  
 
2.扭矩-转角控制法拧紧机的工作原理 其工作原理如下: 
 
        当机床的控制系统发出拧紧的运行指令后,直接进入主控单元,使其分别产生复位和启动控制信号,该信号直接进入轴控单元,一方面使其复位,另一方面给电机驱动器发出运转指令,使其运行,并把输入的交流电源按不同的要求进行转换后输出,送入伺服电动机,使其旋转。伺服电动机的旋转扭矩由输出轴输出,即对工件进行拧紧操作,拧紧过程中的扭矩,则由串接于伺服电动机与输出轴中间的扭矩传感器捡出,并送入轴控单元中。而拧紧过程中的转角,则由转角传感器捡出,并送入电机驱动器中,经转换后又送入轴控单元中。 由于扭矩-转角控制法的拧紧方式是:先把螺栓拧到一个设定的扭矩值后,再从此点开始,拧一个设定的转角的控制方法。所以,该种方式的拧紧过程是:在拧紧的过程中,随着拧紧的进行,扭矩值不断的增大,当其达到设定的转换扭矩值时,在轴控单元内部,即刻对转角计数器清“0”,并随即开始对转角进行计数,当其计数值达到设定的转角值时,轴控单元立即发出控制信号给电机驱动器,并在驱动器的控制下,伺服电动机立即停止旋转,完成本次的拧紧工作。 为了防止意外,如出现工件的螺孔小、堵塞或螺纹深度不够等问题时,在拧紧的扭矩达到设定的扭矩值时,如若还要再拧到设定的转角,就极有可能会把螺栓拧断,而造成不应有的损失。因而,对于扭矩-转角控制法的拧紧方式,均设置一个最大扭矩的限制值,用于对出现这种意外的保护。即控制伺服电动机停止旋转有二个条件,其一是上面谈到的――达到设定的转角;其二就是达到或超过设定的最大扭矩值,即虽然未达到设定的转角值,但达到了设定的最大扭矩值时,也同样要求伺服电动机停止运转。而这个控制信号也是发自于轴控单元,即轴控单元控制伺服电动机停止运转的条件有二个,一个是达到设定转角,一个是达到设定的最大扭矩,在这二个条件当中,只要满足一个即可。拧紧完成后,轴控单元对于拧紧的结果要发出二方面的信号,其中一方面是发出显示信号,而显示信号又分为三部分,其一是拧紧的实际扭矩峰值,其二是拧紧的实际转角值,其三是拧紧结果的实际状态(包括合格、扭矩高于上限值和扭矩低于下限值,转角高于上限值和转角低于下限值);另一方面则是把拧紧结果的实际状态(主要是拧紧值合格或不合格),通过主控单元转换后送入机床的控制系统,以便机床的控制系统对于下一次拧紧工作作出判断和选择。