發(fā)動(dòng)機(jī)缸體10軸自動(dòng)擰緊機(jī)設(shè)計(jì)研究

摘要：主要針對(duì)小型游艇、割草機(jī)、摩托車等發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的全自動(dòng)擰緊進(jìn)行了研究，介紹了10軸全伺服自動(dòng)擰緊機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)的原理及思路，并對(duì)自動(dòng)擰緊機(jī)關(guān)鍵部件——擰緊軸的選取與受力計(jì)算做了詳細(xì)說明。該研究滿足了此類產(chǎn)品多種機(jī)型混線自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，提升了客戶產(chǎn)品品質(zhì)，并節(jié)約了生產(chǎn)成本，贏得了客戶的一致好評(píng)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)擰緊機(jī);缸蓋螺栓;智能擰緊;受力分析

0? ? 引言

螺紋連接因簡(jiǎn)單、可靠、拆卸方便等特點(diǎn)，成為機(jī)械零件之間結(jié)合最常用的方法之一。近年來，隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，為適應(yīng)科技進(jìn)步對(duì)機(jī)電產(chǎn)品輕量化、高性能、高可靠性的要求，螺栓、螺母的擰緊對(duì)扭矩和角度等變量的要求越來越嚴(yán)格。為適應(yīng)機(jī)電產(chǎn)品性能及自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)已經(jīng)成為市場(chǎng)的必然需求。

在小型游艇、割草機(jī)、摩托車等發(fā)動(dòng)機(jī)裝配制造行業(yè)，螺紋連接的裝配要求都很高，自動(dòng)擰緊機(jī)的應(yīng)用也最為廣泛，如發(fā)動(dòng)機(jī)主軸端蓋、連桿、離合器及輪胎的擰緊等。尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的擰緊，其連接的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性、碳排放量以及安全可靠性。這主要是因?yàn)椋海?）從工作條件上看，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓在缸內(nèi)氣體交變壓力以及熱負(fù)荷等惡劣的工作環(huán)境作用下極易發(fā)生失效;（2）從結(jié)構(gòu)上看，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋與缸體之間一般采用軟性材料密封保證氣密性，比較主軸承或連桿等剛性連接的螺栓，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋是一種更為復(fù)雜的軟連接，這就要求缸蓋螺栓使用更為科學(xué)合理的擰緊工藝來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)預(yù)緊力的要求，以確保連接的可靠性、氣密性。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊不光對(duì)單個(gè)螺栓的扭矩、角度有嚴(yán)格的要求，在擰緊過程中還需要幾顆螺栓同步擰緊來避免零件的變形，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體連接的防松能力和疲勞強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊采用全自動(dòng)的擰緊設(shè)備，不僅可以顯著地提高生產(chǎn)效率，還可以最大限度地提高裝配質(zhì)量。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)工廠使用的手動(dòng)扳手、氣動(dòng)脈沖工具、定扭扳手正在迅速淘汰。目前我國(guó)在汽車、工程機(jī)械、機(jī)電設(shè)備行業(yè)已經(jīng)普遍采用可控制扭矩、角度及屈服點(diǎn)的各種電動(dòng)擰緊工具?，F(xiàn)在市場(chǎng)上主流的擰緊工具有ATLAS COPCO、BOSCH和INGERSOLL-RAND等品牌。本項(xiàng)目ATLAS COPCO憑借其強(qiáng)大的產(chǎn)品創(chuàng)新能力和完善的售后服務(wù)，成為了客戶最終擰緊工具與自動(dòng)設(shè)備的供應(yīng)商。

1? ? 擰緊工具的選擇

1.1? ? 確定擰緊工具

客戶對(duì)擰緊扭矩的要求是靜態(tài)扭矩22～28 Nm，根據(jù)ATLAS擰緊工具的特點(diǎn)和扭力信息初步選擇QST42-50CT-T50-L134-H13這根標(biāo)準(zhǔn)軸作為預(yù)選的擰緊工具。此工具的扭矩輸出范圍為10～50 Nm，轉(zhuǎn)速為700 r/min，滿足要求。

1.2? ? 擰緊工具的驗(yàn)算

擰緊工具的選擇不僅僅要考慮最大扭矩是否滿足客戶要求，還需要對(duì)軸進(jìn)行壽命的計(jì)算。一般QST軸的易損部件包括輸出軸方寸頭、支撐軸承、軸承座Frontpart。如圖1所示。我們通常需要計(jì)算的數(shù)據(jù)有支撐軸承1的靜載荷（Co/R1）與動(dòng)載荷（C/R1），支撐軸承2的靜載荷（Co/R2）與動(dòng)載荷（C/R2），軸承座Frontpart動(dòng)載荷（Fbc/F），輸出軸方寸頭的動(dòng)載荷（σ/συMises）。

根據(jù)客戶機(jī)型信息，筆者以一種需要8根QST軸同時(shí)擰緊的機(jī)型為例說明其受力計(jì)算的方法。

如圖2所示，首先需要借助網(wǎng)站“http：//www.dankert-dankert.de/”按客戶扭矩的要求建立擰緊點(diǎn)實(shí)際位置的受力坐標(biāo)模型，然后根據(jù)自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果可以得到每根軸受到的Fx與Fy方向分力，接著根據(jù)公式F2=Fx2+Fy2可以得到每一根軸的合力F，最后找到合力最大的那根軸用來做側(cè)向力分析。因?yàn)樵O(shè)備的8根QST擰緊軸型號(hào)完全一樣，所以通過計(jì)算最大受力軸的安全系數(shù)就可以確認(rèn)軸的使用壽命是否滿足客戶的要求。根據(jù)圖2顯示結(jié)果我們可以得到Fmax=0.6 kN。

圖3為ATLAS COPCO擰緊工具側(cè)向力分析結(jié)果，輸入Fmax=0.6 kN及套筒長(zhǎng)度后我們就可以得到QST軸各受力部分的安全系數(shù)。如圖3所示，可以看出所有需要計(jì)算載荷的Co/R1、C/R1、Co/R2、C/R2、Fbc/F、σ/συMises系數(shù)全部大于1，都滿足要求。

通過計(jì)算可以證明QST42-50CT-T50-L134-H13型號(hào)的擰緊軸滿足要求，可以使用。

2? ? 自動(dòng)擰緊機(jī)設(shè)計(jì)

2.1? ? 設(shè)備功能需求分析

設(shè)備主要用于小型游艇、割草機(jī)、摩托車等發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋螺栓擰緊，采用發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)對(duì)位的全自動(dòng)擰緊方式。設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)杠體的頂升定位系統(tǒng)、擰緊軸箱伺服變距系統(tǒng)、擰緊機(jī)控制系統(tǒng)及設(shè)備安全防護(hù)系統(tǒng)等。

設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的基本功能如下：

（1）擰緊工件到位后可以自動(dòng)頂升定位，且?guī)в袃商鬃钃鯔C(jī)構(gòu)用于緩料及防止托盤堆疊，并與設(shè)備聯(lián)動(dòng)。

（2）擰緊軸箱可以按預(yù)定程序變距到對(duì)應(yīng)機(jī)型，擰緊開始后先自動(dòng)認(rèn)帽，然后自動(dòng)將螺栓擰緊至預(yù)定扭矩，最后待所有螺栓扭矩均達(dá)到預(yù)定扭矩時(shí)將螺栓擰緊至最終扭矩。

（3）擰緊機(jī)控制器判斷所有軸的擰緊扭力、角度值等是否合格，如果合格則擰緊機(jī)控制器控制阻擋器放行;不合格則不放行，在人工確認(rèn)后，手動(dòng)按下擰緊機(jī)設(shè)備“故障放行”按鈕才能放行產(chǎn)品。

（4）產(chǎn)品數(shù)據(jù)讀取識(shí)別過程不能與擰緊動(dòng)作發(fā)生邏輯干預(yù)。

（5）設(shè)備對(duì)托盤有無工件進(jìn)行檢測(cè)，無工件設(shè)備自動(dòng)放行。

（6）不同產(chǎn)品擰緊軸數(shù)不一致，對(duì)于不需要擰緊的軸自動(dòng)移出工作區(qū)，避免碰傷工件，移出動(dòng)作完成后方可進(jìn)行自動(dòng)擰緊動(dòng)作。

（7）對(duì)于擰緊不合格螺栓，系統(tǒng)可在顯示屏直觀顯示出不合格螺栓的真實(shí)坐標(biāo)圖。

（8）當(dāng)某一根軸出現(xiàn)故障后，其余擰緊軸可通過程序解除互鎖繼續(xù)使用。

（9）擰緊結(jié)束后，主動(dòng)將本地?cái)?shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到甲方MES數(shù)據(jù)庫中。

2.2? ? 擰緊軸箱設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品螺栓分布情況，從成本、安裝簡(jiǎn)易性及空間位置考慮對(duì)軸箱布局做規(guī)劃，如圖4所示。

（1）根據(jù)圖4各產(chǎn)品螺栓孔位坐標(biāo)分布情況可以確定擰緊軸變距狀態(tài)，從而確定是否選擇氣缸變距或伺服電機(jī)變距。從成本及安裝簡(jiǎn)易性考慮不需要變距的擰緊軸安裝位置需考慮一定X/Y方向調(diào)整空間，需要變距的擰緊軸優(yōu)先考慮氣缸變距。由于2號(hào)位QST軸還需要考慮不擰緊時(shí)退出到安全位置，所以每根軸在X/Y的坐標(biāo)平面內(nèi)移動(dòng)的位置都超過了4個(gè)，需要10根擰緊軸全部使用雙伺服變距的結(jié)構(gòu)來滿足要求。

（2）由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋是放在托盤上隨線體流動(dòng)的，所以擰緊軸的坐標(biāo)就不能僅僅考慮工件本身的坐標(biāo)，還需要檢查工件放在托盤上是否發(fā)生坐標(biāo)變化。根據(jù)客戶提供托盤圖紙可以發(fā)現(xiàn)：1P85、1P90-1/1P92-1、1P88/1P90、1P91/1P96的曲軸中心與2P77/2P73/2P76/2P80的曲軸中心重合的話，要將擰緊軸箱整體平移90 mm才能實(shí)現(xiàn)，所以需要在此方向上加一組整體平移氣缸。

（3）1P85機(jī)型高度161 mm，1P90-1/1P92-1、1P88機(jī)型高度159 mm，1P91機(jī)型高度183 mm，2P77機(jī)型高度182 mm。機(jī)型之間最大高度差為24 mm，當(dāng)擰緊軸箱每次下降到統(tǒng)一高度時(shí)，只要擰緊軸壓縮量大于24 mm就沒有問題。由于QST42-50CT-T50-L134-H13的擰緊軸壓縮行程是50 mm，所以可以使用鎖緊氣缸來完成軸箱的升降。

（4）由于擰緊點(diǎn)間距較小，用來變距的伺服機(jī)構(gòu)無法在一個(gè)平面內(nèi)擺放，需要高低錯(cuò)落布局，才可以不發(fā)生干涉。

（5）圖5所示即為根據(jù)上面的結(jié)論設(shè)計(jì)完成的擰緊軸空間布局。

2.3? ? 托盤頂升定位機(jī)構(gòu)

擰緊軸箱每次升降的位置是固定的，所以輸送線體上需要有準(zhǔn)確定位的機(jī)構(gòu)確保軸箱上面的擰緊軸每次都可以準(zhǔn)確認(rèn)帽并完成螺栓的擰緊工作。此機(jī)構(gòu)在輸送線體上面主要包括頂升定位機(jī)構(gòu)、阻擋機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的傳感器監(jiān)測(cè)單元，其結(jié)構(gòu)功能如下：

（1）頂升定位機(jī)構(gòu)：主要包括頂升定位氣缸、氣缸導(dǎo)向、頂升氣缸上/下限位傳感器、托盤浮起狀態(tài)檢測(cè)傳感器等部件。其中頂升定位氣缸和氣缸導(dǎo)向是確保托盤可以順利頂起的部件，本次設(shè)計(jì)采用SMC品牌80缸徑的氣缸，在400 kPa（4 bar）氣壓時(shí)可以輸出180 kg的推力;氣缸上/下限位傳感器用來檢測(cè)氣缸處于上位或下位的狀態(tài)，是系統(tǒng)邏輯動(dòng)作的輸入信號(hào)之一;托盤浮起狀態(tài)檢測(cè)傳感器安裝在托盤的兩個(gè)角落，用來檢測(cè)托盤是否一邊翹起，如果托盤有翹起狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)重新頂升，如超過3次都沒正確頂升，工件系統(tǒng)會(huì)報(bào)警提醒操作工檢查事故原因，并退出此托盤，如圖6所示。

（2）阻擋機(jī)構(gòu)：采用標(biāo)準(zhǔn)的SMC阻擋氣缸，并設(shè)有工位擋停和等待位擋停用于優(yōu)化節(jié)拍。兩個(gè)擋停位置有3個(gè)接近傳感器用于判斷托盤到位與托盤是否堆疊;同時(shí)還有一對(duì)光電傳感器用來判斷工件是否在位，如果客戶發(fā)來的是空托盤，則直接流走，軸箱不做擰緊，如圖7所示。

2.4? ? 設(shè)備其他結(jié)構(gòu)

設(shè)備其他結(jié)構(gòu)如圖8所示。

（1）結(jié)構(gòu)支座采有高強(qiáng)度方通鋼構(gòu)焊接，壁厚為8 mm，牢固可靠。

（2）上下進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用自鎖氣缸，斷氣自鎖無位移;升降機(jī)構(gòu)設(shè)置防掉落安全防護(hù)裝置，可以有效防止機(jī)構(gòu)脫落氣缸造成安全事故;且升降系統(tǒng)、位移系統(tǒng)均設(shè)有機(jī)械緩沖及限位，安全可靠。

（3）擰緊單元上分別設(shè)置有指示燈操作箱（操作盤），操作面板上設(shè)有機(jī)型選擇撥碼開關(guān)、系統(tǒng)啟動(dòng)、急停按鈕、正反轉(zhuǎn)開關(guān)、手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、各軸擰緊NG狀態(tài)指示燈、綜合OK狀態(tài)指示燈、故障確認(rèn)開關(guān)、指示燈檢查按鈕、系統(tǒng)復(fù)位開關(guān)以及蜂鳴器等。

（4）配置液晶數(shù)據(jù)顯示觸摸屏，可顯示、監(jiān)控并計(jì)算各軸擰緊扭矩實(shí)際值、轉(zhuǎn)角、屈服點(diǎn)、擰緊曲線、CPK/CMK等數(shù)據(jù)。顯示屏可顯示產(chǎn)品螺栓模擬分布情況及每顆螺栓實(shí)際擰緊數(shù)據(jù)，同時(shí)自動(dòng)判定是否合格;電腦開機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)擰緊系統(tǒng)及模擬畫面。

（5）控制器安裝于現(xiàn)場(chǎng)看板位置，直觀易操作。

（6）防護(hù)罩殼采用鋁型材結(jié)構(gòu)，四周均可打開，配有安全開關(guān)，打開后自動(dòng)斷電。防護(hù)罩殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮各個(gè)部件、裝置、附件在安裝、操作、維修過程中的便利性，機(jī)構(gòu)頂部及四周護(hù)板采用可拆卸方式，預(yù)留了檢修空間。

3? ? 結(jié)語

本設(shè)備革新了客戶現(xiàn)場(chǎng)操作工使用定扭扳手手動(dòng)擰緊缸蓋螺栓的制造工藝，根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作環(huán)境，運(yùn)用自動(dòng)化控制的理念，設(shè)計(jì)了全新的自動(dòng)化擰緊單機(jī)，并付諸實(shí)施。通過跟蹤生產(chǎn)調(diào)試的全過程，設(shè)備最終成功解決了客戶現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)多品種、中小批量產(chǎn)品以及多品種共線生產(chǎn)的問題，極大地提高了生產(chǎn)線的智能化水平。設(shè)備使用半年后客戶統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)異響概率減少了25%～30%，為客戶創(chuàng)造了良好的效益。

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收稿日期：2020-04-27

作者簡(jiǎn)介：王力爽（1984—），男，山西翼城人，碩士，機(jī)械工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。