自动轴头螺母拧紧机原理分析及设计

【摘要】为了提高车轴的制造质量，在装配车轴时，一直采用气动定扭扳手工锁紧轴头螺母，轴头螺母的扭矩无法精确控制，以及无法实现边拧紧轴头螺母，边通过转动车轴轮毂，通过轮毂带动大小圆锥滚子轴承外圈进行旋转，从而保证轴承的装配质量。保证车轴的正常使用寿命，延长维护时间。基于此，本文主要设计一种非标自动轴头螺母拧紧机。

【关键词】自动；轴头螺母；拧紧机；原理

在汽车车轴轴头部分的总成装配过程中，轴承预紧力是通过旋转专用的轴头锁紧螺母，选择一定厚度的垫片，在轴向上加一定的推力来实现的。预紧力大小的控制是由锁紧螺母拧紧产生的轴向力来实现的，给圆锥滚子轴承提供定值预紧力，以保证轴承正常运转。预紧力过大，则传动效率低且加速轴承磨损发热，轴承的使用寿命大大缩短；预紧力过小则影响轴承的装配精度，同样会影响轴承的使用寿命。因此装配时需在保证施加在锁紧螺母的扭矩值在规定的范围内以保证其汽车车轴轴头与轴承的装配预紧力也在规定范围之内，同时为了保证在旋转轴头锁紧螺母时，在到达规定扭矩时，边推动圆锥滚子轴承轴向移动的同时，边旋转圆锥滚子轴承外圈，才可以保证轴承的装配质量，确保车轴关键零部件轴承的使用寿命。可见锁紧螺母的装配方法对车轴整体的性能有着非常重要的影响。

1 拧紧机工作原理

设备在实际拧紧过程中扭矩信号由扭矩传感器采集，通过放大器放大为标准电信号，由A/D模块转换为数字信号，通过一系列先进的算法进行分析、比较、运算后由主控单元发出控制指令控制伺服驱动系统，再由伺服驱动系统驱动伺服电机动作，拧紧过程得以实施。整个系统构成一个完整的闭环控制系统，保证了拧紧的精度可以控制在4-3%以内。

2 电动机轴电动拧紧机设计方案

2.1拧紧机具体技术指标

2.1.1在达到密接扭矩前轴头螺母的拧紧紧速度以较高的转速旋进（120转/分以上）；达到密接扭矩后以较低的转速旋进。轮毂反向旋转速度20～30转/分。轴头螺母的目标拧紧力矩即主拧紧轴的扭矩120～160N.m。轮毂的反向拧紧力距即副拧紧轴扭矩100N.m。

2.1.2扭矩控制精度≤±3%，角度精度±2%

2.1.3系统正常拧紧螺栓时间不大于20秒钟；满足生产节拍≤1分钟/件。

2.1.4具有正向拧紧、反向拆卸功能，反向拆卸轴头螺母时不旋转轮毂。

2.1.5具有轴头螺母扭矩上限、下限，密接扭矩和目标扭矩的设定功能。

2.1.6反向旋转轮毂的轴具有变位功能，要求手动变位，变距范围285mm，335mm两种。

2.2拧紧机整体结构及组成部件

本拧紧机整体为悬挂式轴头螺母拧紧机，结构自上而下分别包括横向和纵向导轨、纵轨滑车、横向滑车、刚性吊挂和平衡器、导柱和导套、操纵箱总成、电控柜。

2.2.1拧紧机吊挂部分根据用户现场及要求设计，保证现场工位使用的要求。总体由横向和纵向导轨、纵轨滑车、横向滑车、刚性吊挂和平衡器、导柱和导套，整体结构：由横向和纵向导轨、纵轨滑车和横向滑车、平衡器、刚性吊挂、导柱和导套组成，整个升降过程手动控制、操纵箱升降行程500ram（可选）。操纵箱前后左右位置移动灵活，不同型号产品位置通过工装调整。

2.2.2操纵箱总成采用六轴立式结构，由外到里由箱门及操作面板、壳体、拧紧轴、操纵手柄等组成。

3 自动轴头螺母拧紧机的配置与设计

3.1硬件部分

所有的驱动电机、驱动器为日本原装松下产品、扭矩传感器为德国试达默、信号放大器美国进口芯片、控制模块采用日本原装三菱PLC、低压电气采用SIEMENS和ABB产品、监控单元采用凌华15寸液晶一体化工作站。所有硬件的选择满足工艺加工的要求，并留有充分的余量。操作面板上设有正在拧紧指示灯、合格指示灯、超限报警指示灯、伺服报警指示灯、手动正/反转开关、复位按钮、急停开关。分别说明如下：

3.1.1正在拧紧指示灯：显示正在拧紧工作状态。

3.1.2合格指示灯：拧紧合格后指示灯亮。

3.1.3超限报警指示灯：拧紧扭矩不合格时指示灯亮。

3.1.4伺服报警指示灯：伺服部件出现过流、过压、过载等现象时指示灯亮。

3.1.5手动正/反转开关：可实现轴的手动拧紧和松开工作。

3.1.6复位按钮：在拧紧过程中点动“复位”可使拧紧工作停止，在待机状态下按住“复位”可使系统反转，松开按钮即可停止。

3.1.7急停按钮：在出现故障或紧急情况下，按下按钮，驱动器及电机将断电保护。

主拧紧轴和副拧紧轴主拧紧轴由1KW松下交流伺服电机、行星式减速器、传感器组成，输出额定扭矩160N.m。副拧紧轴由400W松下交流伺服电机、行星式减速器、传感器组成，输出额定扭矩100N.m。

3.2软件部分

配备PLC编程软件、控制软件采用微软Windows XP平台及人性化界面。可轻松地修改、保存、打印参数及联网。

3.3电气技术性能

3.3.1所有硬件设备有很高的稳定性和抗干扰性，并且做到响应速度快，实现快速通讯。

3.3.2软件：系统可靠性好，运行稳定，能满足生产现场的生产要求。

3.3.3电气系统性能可靠，能满足机械上一切互锁要求，有足够的安全防护，保证设备及人身安全。

3.3.4具有电机及驱动器部件的过载、过流、过压、过速等保护功能。

3.3.5电线电缆外部配高强度尼龙套管用于保护、电器元件集中处于电控柜内，电控柜防护等级IP54。操纵箱体外壳采用静电喷涂处理。操作手柄上有可靠的漏电保护措施，所有的供电装置均采用隔离变压器隔离，一旦漏电将自动切断电源，确保操作工人的人身安全。

4 自动轴头螺母拧紧机工作的实现

人工将拧紧工件放到拧紧机工作台上定位，并放入相应的螺母，操作者双手握住操纵箱左右手把，手动调整箱体高度，推动操纵箱体轻微移动使拧紧轴套筒对正螺栓头并保持一定压缩量后，按动手把上“启动”按钮，控制指令在主控单元中形成，并立即发往轴控单元，控制驱动拧紧轴的电机工作，首先驱动动力输出轴完成自动认帽并快速预拧紧，在拧紧轴头螺母时同时反向旋转轮毂，在达到密接扭矩前轴头螺母的拧紧紧速度以较高的转速旋进（120转/分以上）；达到密接扭矩后以较低的转速旋进。整个拧紧控制方式根据要求选择，并且拧紧步骤、拧紧转速和扭矩、角度在规定力矩范围内通过人机界面一工控机可以调节设定。

拧紧控制过程：主控系统实时不断地采集、处理扭矩传感器和角度传感器的反馈信号（扫描频率超过500次/秒），并与设定的参数进行比较计算分析，对偏差值进行自适应调节运算，实时发出控制指令给轴控单元，轴控单元发出指令给各执行机构（伺服电机系统）完成拧紧动作，并将扭矩偏差减至最小，此控制过程是一个闭环的控制过程。在拧紧过程中，系统跟踪显示拧紧数据和曲线，当系统达到设定的扭矩和转角时，主控单元即发出电机停转指令。当拧紧完成后，监控系统（液晶一体化工作站）自动显示最大的动态扭矩和最终的转角值，并判断是否在工艺要求的范围内。如果不合格，蜂鸣器立即提示，同时故障指示灯显示故障原因。拧紧合格后，动力输出轴将自动卸荷。在拧紧过程中，上位监控单元（工作站）通过通讯接口采集并存储运行状态和数据曲线，生成各类数据报表并可打印输出。