3.2 拧紧机的对孔原理
 

对孔装置中有个每旋转 1 圈发出 6 个脉冲信号的装置, 其与主拧紧轴同步旋转, 拧紧的螺母为六角开槽螺母,
在其径向上均布着 6 个开口销槽, 被拧紧螺栓上的开口销孔在拧紧过程中位置始终保持固定 ( 须通过特殊的

夹具以及要求成品螺栓的开口销孔位置固定) 。这样就保证了在加工同一种产品时信号发生器每个脉冲信号的位

置和螺栓上开口销孔的位置必为的角度 β, 或者是60°角的倍数加上 β角, 而 60°角可以被六角开槽螺母上

的每隔 60°的槽所抵消, 因此在加工个零件时, 只要手动得到这个 β角并存入控制系统中, 在以后的加工中

就可以自动调用这个 β角( 在此提供一个补偿角 α, 以允许偏差的存在) , 实现自动对孔。

3.3 拧紧机的工作过程

当选定产品型号, 在此产品的件工件定位后, 气缸推动主轴下降, 在凸沿卡板的导向作用下将安装在主

轴下端的扭矩加载头送进到拧紧位置, 此时操作人员在软件界面中选择零位调整, 按加载后进入初始零位校正,

当四轴均得到初始零位信号后, 进入手动对孔操作, 操作人员通过点动操作分别得到 4 个轴的 β角, 并存入系统

中。返回主界面进入正式加载操作: 主轴下降到拧紧位置, 随即进入认帽过程: 伺服电机带动主轴初速转动使螺

母滑入加载头, 开始拧紧操作。在拧紧过程初期, 螺母处于松动状态时主轴高速转动, 以便短时间内使螺母拧紧

扭矩达到门槛扭矩。达到门槛扭矩后说明螺母已经与垫片接触, 主轴转速自动切换为低速状态, 并判断是否达到

对孔扭矩。达到对孔扭矩后进入自动对孔操作过程: 检测对孔装置脉冲信号, 得到脉冲信号后主轴通过脉冲控制

卡旋转 β角+α补偿角, 并判断螺母拧紧扭矩是否达到合格扭矩, 达到合格扭矩则完成自动加工, 未达到则主轴再

旋转 60°角, 若达到合格扭矩则完成自动加工, 若超过合格扭矩上限, 则进行自动卸载, 操作人员更换六角开槽螺

母后重新自动对孔。在使气缸带动主轴上升前, 主轴作小角度慢速反转以便加载头与工件上螺母脱离。以上为单

轴的工作过程, 在自动对孔并拧紧过程中要求多轴协调,并做好每轴的状态标记, 协同动作。
 
 

4.1 硬件部分设计
 

系统硬件部分的结构如图 3 所示, 主要由扭矩及对孔信号采集、电机控制、开关量控制、电源系统四部分组

成。现分别介绍如下:

 

( 1) 扭矩采集: 在伺服电机、减速器、输出轴等所组成的系统中, 通过反作用扭矩使每个螺栓的扭矩信号被

各自的扭矩传感器拾起。在 12V 稳定电压的激励下, 当扭矩传感器达到满量程时, 其输出为毫伏级电压信号,

因此必须通过高精密功放才能放大到多通道 A/D 卡准确拾起的程度( 一般为 5～10V) 。扭矩采集是实现扭矩控

制的关键, 它关系到整个系统的控制精度, 因此, 需采用线性度好、精度高的扭矩传感器;为了使传感器输出信号

在到达计算机时尽量不失真, 功放板卡需采用共模抑制比高、线性好、速度快、高精密的板卡;为了保证实时处理

的速度, 多通道 A/D 卡也需选用分辨率高、响应速度快、性能好的板卡。
 

( 2) 对孔脉冲信号采集: 在对孔信号装置中安装有一个脉冲发生器并与主轴同步旋转, 每圈 6 个脉冲, 脉冲间

隔 60°角, 低电平有效, 每个电平的触发时间要尽可能的小, 以便于更好地控制主轴转角, 脉冲信号通过四轴运

动控制卡的 DI 端口传给工控机控制程序, 通过工控程序和运动控制卡控制电机转角。
 

( 3) 电机控制: 电机控制由四轴运动控制卡和交流伺服电机驱动器组成。四轴运动控制卡接收工控机的脉冲

信号指令, 通过交流伺服电机驱动器驱动电机。I/O 卡接收交流伺服电机驱动器的各种数字信号, 工控机控制系

统可以通过 I/O 卡准确地判断伺服电机的工作状态并控制伺服电机按指令要求工作。
 

( 4) 数字量控制: 数字量控制包括交流伺服电机驱动器的安全和使能控制、各种按钮的开关量的输入、各

种信号灯的数字量输出、气动部分的电磁阀和行程开关的控制。

 

( 5) 电源系统: 电源系统是通过各种变压器取得系统需要的电源。

4.2 软件部分设计
 

本机的控制系统采用美国 Borland 公司 C++Builder编制, 这是一种面向对象、可视化设计的快速应用程序开发环境,
它功能强大, 使用灵活, 数据采集、处理和输出性能优异, 并且嵌入了部分 LabWindows/CVI 的控件,
进一步增强了它对硬件的控制能力, 为自动控制软件提供了一个理想的开发环境。

拧紧机控制系统要求界面友好, 可操作性强; 能自动完成加卸载过程; 多四轴分别控制, 协同工作;
而调试时各轴能进行单轴单步控制。系统采用模块化设计,模块框图见图 4, 其中加卸载模块以及零位调整模块为该

控制程序的主要部分, 图中标出了其程序流程。

 

( 1) 板卡、参数初始化模块: 程序启动后, 对四轴运动

控制卡和 DAQ 卡以及系统控制参数进行初始化, 继而进入工作状态界面, 在工作状态界面内可进行产品和有效

轴的设定及选择各功能模块。
 

(2) 加卸载模块: 进入加卸载模块后, 按下操作台控制盒上加载或卸载按钮, 拧紧机按照程序设定自动完成

加载或卸载操作, 同时工控机动态显示设备运行状况和各加载头的实时扭矩如图 5 所示。此模块为自动对孔拧

紧机控制系统工作的主要模块, 通过四轴运动控制卡和DAQ 卡与伺服电机驱动器通信, 实时采集 4 根主轴工作

状况、对孔信号以及各种数据, 并通过分别对各主轴发出控制命令来保证加卸载系统协同工作。


 

(3) 零位调整模块: 进入零位调整界面后操作人员按加载按钮进入初始位信号识别, 此时是采集对孔装置中

的脉冲信号, 一旦采集到脉冲信号, 主轴就停止; 当四轴都采集到对孔信号后, 进入手动对孔阶段, 并通过四轴运

动控制卡对伺服驱动器的脉冲控制, 在对孔完成后得到一个 β角, 存入系统以便自动运行时调用。
 

(4) 参数修改模块: 进入参数修改界面可在线修改各种预设扭矩、转速、延时、系数的值, 以满足实际生产的需

要并可保存入 ini 文件。
 

( 5) 手动调试模块: 可对系统各个运动环节进行单轴单步控制、检查传感器的信号和对孔装置的脉冲信号, 便

于设备的安装调试和维修、维护。在此界面下能分别进行主轴的上升、下降、切换高速、低速等动作, 以检查各个部

件运动是否正常。在调试状态下, 工控机显示实时扭矩数值和对孔信号触发状态。
 

5 结论
 

以前, 国内开发的螺纹拧紧机多为手动或利用磁粉离合器进行换档, 自动化程度不高, 且无法保证较高的控制精度。
本文从螺纹拧紧的原理入手, 结合自动化控制技术, 介绍了如何开发具有力封闭、自动换档等特点的多功能
自动对孔拧紧机控制系统。该机目前已成功运行于多条汽车后桥差速器、减壳、背齿装配线上, 经使用验证, 效

果良好。其工作能力达 30 件/h, 扭矩控制精度小于 3%,具有控制精度高、性能可靠、使用灵活性高和性价比高的

特点, 大大提高了拧紧扭矩、装配精度和生产效率, 降低了工人的劳动强度。
 


 

[ 参考文献]

[ 1] 卜炎.螺纹联接设计与计算[ M] .北京:高等教育出版社, 1995.

[ 2] 刘政华, 何将三.机械电子学[ M] .北京:国防工业出版社, 1999.

[ 3] 李华贵.微型计算机技术及应用[ M] .北京: 科学出版社, 2005.

[ 4] 刘迎春, 叶湘滨.传感器原理、设计与应用[ M] .长沙: 国防科技

大学出版社, 2004.

[ 5] 吴运昌.模拟集成电路原理与应用[ M] .广州: 华南理工大学出

版社, 1995.

[ 6] 陈周造, 陈灿煌.精通 C++Builder 5 程序设计高级教程[ M] .北
 

京: 中国青年出版社, 2001. ( 编辑 明 涛)

作者简介: 林巨广, 研究员, 教授, 硕士生导师。

收稿日期: 2007- 03- 22