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自动螺纹拧紧机.rar

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    编号:20180915104102298    类型:共享资源    大小:2.85MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    自动 螺纹 拧紧
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    上海交通大学硕士学位论文汽车装配自动拧紧机姓名:黄健申请学位级别:硕士专业:仪器仪表工程指导教师:颜德田20080101上海交通大学硕士学位论文 第 3 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 黄 健 日期: 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第 4 页 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 □,在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 □。 (请在以上方框内打“ √ ” ) 学位论文作者签名: 黄 健 指导教师签名: 颜德田 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第 5 页 汽车装配自动拧紧机 摘 要 本文针对汽车装配使用的全自动拧紧机进行了研究。文中介绍了自动拧紧机的工作原理和设计思路。首先给出了扭矩的定义,对拧紧过程中扭矩的产生进行计算,并分析影响轴向夹紧力的因素。然后介绍了拧紧过程,和常用的拧紧控制方 法。使读者对扭矩控制的重要性和拧紧过程有清晰的认识。 然后着重对单轴拧紧机的设计进行了介绍。结构上以模块化设计为特点,拧紧轴分为电缆接头模块,马达模块,减速模块,传感器模块,信号预处理模块,输出轴模块。由应变片电桥构成扭矩传感器,采用双应变片结构,并有零位调节和 温度补偿功能。拧紧轴选用直流无刷电机,免维护,控制精确。 采用反电动势法检测转子位置,进行角度测量,无需采用额外位置传感器 。控制系统方面,着重介绍了轴控模块和操作软件,及自检和安全防护功能。 接着在单轴拧紧机的基础上介绍了多轴拧紧机。主要是多轴系统的 RS-485 总线网络;主控模块和轴控模块之间如何协调工作;多个轴控模块之间的同步;拧紧系统的控制面板和外围接口;多轴拧紧机的设计要点和工作方式;以及如何对拧紧机进行评价等。 关键词:扭矩,拧紧,装配,拧紧机 上海交通大学硕士学位论文 第 6 页 FASTENING MACHINE FOR AUTOMOTIVE ASSEMBLY ABSTRACT The thesis focuses on the fully automated fastening machine for automotive assembly. The article introduces the principle and design of fastening machine. The definition of torque is given first, the torque during fastening process is calculated and the factors than affect clamping force are analyzed. Then the fastening process, as well as normal fastening strategies, is introduced. So the reader should have a clear awareness of the importance of torque controlling and fastening process. Then the one spindle fastening machine is introduced. It features module designing, the spindle is composed of connector, motor, gear box, transducer, signal processing, and output shaft module. The torque transducer is wired from 4 strain gauges as Wheatstone bridge and has the feature of zero adjustment and temperature compensation. The spindle is driven by electric brushless motor, which makes it free of maintenance and accurately controlled. The angle measurement is done by measuring the voltage at motor poles. For controlling module, special software, self 上海交通大学硕士学位论文 第 7 页 test process, and safety protections are introduced. On the basis of this, multi spindle fastening machine is introduced. The article focuses on the RS-485 network; the cooperation between master and slave controller modules; the synchronization of multi controllers; the control panel and peripherals; the key points in designing; and the evaluation of fastening results. KEY WORDS: torque, fastening, assembly, fastening machine 上海交通大学硕士学位论文 第 10 页 第一章 绪 论 1.1自动拧紧机的发展状况 今天,很难找到一部没有螺纹联接、没有螺纹紧固件的机器。自从出现工业化社会,就开始了螺纹联接大规模使用的历史。据估计,金属加工业有 50%的生产时间用于制造紧固件。在所有联接中,螺纹联接是应用最为广泛的。 螺纹联接由于简单可靠、拆卸方便,而广泛应用于众多的机构装配中,因此,螺纹装配技术是机械行业的基本技术。重要的机电产品,如发电、输变电、汽车、拖拉机、机床、仪表等对装配质量的要求很高,对螺栓拧紧的扭矩和角度等变量必须加以控制。为适应汽车等现代机电产品的高性能、高可靠、高安全性能的要求和自动化生产的需要,螺纹自动拧紧装备的研制和开发己成为市场必需。 自动拧紧机是集机械传动、电气传动、气动技术、电子技术、自动检测于一体的机电一体化设备。螺纹自动拧紧机的应用场合非常广泛,凡是对螺纹的装配有定扭矩或定角度等要求的地方,就需要该设备,它可以对螺纹的预紧实现比较精确的控制。并且,自动拧紧机可以实现装配的自动化,极大提高劳动生产率和安全性。 螺纹拧紧技术是从国外发展起来的,比较有代表性的有 :瑞典的阿特拉斯( Atlas Copco),法国的乔治雷诺 (CP Georges Renault),美国的英格索兰(Ingersoll-RAND)、德国的博世 (BOSCH),美国的库柏 (Cooper)等。为适应定扭矩加载的可控制拧紧场合需求,在 80年代未,国外的机电、汽车制造行业已普遍采用可控制扭矩、可控转角和控制屈服点的拧紧工具。近年来,伴随着电机调速等控制技术、扭矩控制等技术的迅速发展,国外的装配作业线上的装配工具逐步从手工、风动或电动工具向低能耗、低噪声、控制精确等可控制拧紧设备发展,通过微机控制的自动型装配系统,实现对装配对象的定扭矩、定转角监控或屈服强度监控。 同国外相比,我国机电、汽车产品的螺纹拧紧工具目前还比较落后,尚不能系列、批量地供应生产中急需的拧紧工具及设备,每年都要花费大量外汇购买国外产品。近年来,随我国汽车业的迅猛发展,为了提高整体素质,增强国际竞争力,正朝着规模化、自动化方向大踏步前进,对装配质量和生产率提出了更高的要求,因此对大量使用的螺栓 (螺母 )的拧紧效率,也提出了越来越高的要求,这种要求促进了现阶段我国在拧紧技术方面的发展。 但目前现状是,国内市场大部分被国外品牌占领,主流整车厂基本不用国产设备;同时也有少数企业进行了自主开发,比如中国科学院沈阳自动化研究所、东风公司设备制造厂、大连德欣公司,山东龙口气动机械厂等等,但从技术方面比较,同国外产品有相当大的差距。 1.2 汽车装配中使用拧紧机的经济价值 上海交通大学硕士学位论文 第 11 页 在汽车行业,由于有很多地方对螺纹装配要求较高,因此拧紧机的应用尤其广泛。下面是一些应用举例 :汽车主锥螺母拧紧、发动机主轴承盖螺栓拧紧、发动机气缸缸盖螺栓拧紧、发动机连杆螺栓拧紧、底盘变速箱拧紧工位、凸轮轴盖螺栓拧紧、轮胎螺栓拧紧、差速器盘螺栓拧紧、差速器壳轴承盖螺栓拧紧、前后桥 U形螺栓拧紧、泵体端盖螺栓拧紧、助力转向器端盖螺栓拧紧、端面法兰螺栓拧紧、离合器总成拧紧。 尤其是发动机和离合器的装配,几乎所有的螺栓都需要稳定可靠的拧紧。对于像缸盖,正时齿轮,减震轮等有多个螺栓连接的部件,不仅对于单个螺栓的扭矩转角有严格要求, 而且对于拧紧过程也有要求, 通常是要求几个螺栓同步拧紧,即所有的螺栓先全部预拧到某一扭矩值,然后再一起拧到目标扭矩值,这样在工艺上可以有效避免零件的变形,保证装配的密封性。 以上海柴油机股份有限公司某型号 发动机减震轮安装为例,要求拧紧 4 颗M14 的螺栓,扭矩要求 250Nm。为了保证装配质量,要求先把每颗螺栓预拧紧到 100Nm,然后再拧紧到目标扭矩。拧紧过程中为了防 止减震轮跟着转动,还要加装反作用杆锁紧工件,拧紧完成后拆走。如果用传统的装配方法,先是用冲击扳手把螺栓拧到贴合,然后用定扭扳手预拧到 100Nm,再换用更大扭矩的定扭扳手拧紧到 250Nm。在所有拧紧工序中,都要注意拧紧顺序,要采用对敲的方法。这样装配一个减震轮,工人就要使用气动工具 4 次,扭矩扳手拧紧 8 次,再加上安装和拆除反作用杆的时间,装配一个减震轮至少需要 3 分钟时间,此工位成为整条生产线的瓶颈。并且气动工具的噪声大,使用的扭矩扳手要定时进行校验,以确保扭矩准确性。定扭扳手的操作效果和每个工人的操作习惯有很大关系,即使是同一个工人,每次的操作结果也会不同。实际生产中还存在工人漏拧的现象, 严重影响发动机的质量。 如果使用 4 轴自动拧紧机, 拧紧过程自动同步,每个螺栓的扭矩是靠传感器来控制的,装配质量大大提高。拧紧机自动按照工艺要求完成分步拧紧。拧紧过程中的反作用力互相抵消,所以无需锁紧工件,整个拧紧过程只需要工人把拧紧机对准螺栓,按下启动按钮, 5 秒钟就可以完成一台减震轮的安装。这样明显提高了生产效率,减轻了工人劳动强度,且保证了装配质量,不会产生漏拧。采用自动拧紧机后此工位没有出现过质量问题。 当前我国经济高速发展,这必然会促进汽车行业的发展,汽车工业已成为主要的支柱产业之一。在整车总装这个过程中,所使用的各种拧紧设备正在逐渐淘汰气动和电池工具,向各种带扭矩反馈形式的拧紧装置转变,以保证汽车的装配质量。尤其是近几年国家对汽车产品的质量安全开始重视,开始实行汽车召回制度,要求所有的汽车装配拧紧数据都要保存 10年以上,这是传统的气动工具所完全不能满足的,这就促使各汽车厂商都采用智能化的自动拧紧机。自动拧紧机的应用将会越来越普遍,使用场合也会越来越多。 上海交通大学硕士学位论文 第 12 页 第二章 螺纹连接和拧紧技术 联接是把两个或者多个部件联接到一起, 常用的有四种联接方式 (螺纹联接,铆接,焊接和粘合联接) 。螺纹联接具有联接可靠,装配方便、快速,拆卸更换方便等优点,所以螺纹联接是应用最广泛的一种联接方式。 螺纹副联接是汽车、内燃机、压缩机等众多机械行业装配作业所广泛采用的一种方法,为确保装配的质量,必须对螺纹副的拧紧状态予以控制。现今用于控制螺纹拧紧的方法主要有扭矩法,扭矩 - 转角法,屈服点法,螺栓伸长法等 4 种。其中,螺栓伸长法虽然最为准确、可靠,然而,由于难以在实际的装配机械上实现,故至今尚未用于生产。相比之下,扭矩法因简单易行,长期来一直是螺纹副装配中最常用的方法。但随着对装配质量要求的不断提高,扭矩法的不足也越来越多地暴露出来。因此,近十年来,重要场合下螺栓联接所采用的拧紧工艺基本由扭矩 - 转角法所取代,大大提高了产品的装配质量。以轿车发动机为例,在现代汽车厂的发动机装配线上,关键螺栓联接,如主轴承盖、缸盖、机油滤清器支架、曲轴轴头等的拧紧工艺都为扭矩 - 转角法,一些分装线上的重要螺栓联接,象连杆,采用的也是这种方法。 装配拧紧的实质是通过螺栓的轴向夹紧力将两个工件(如缸盖与缸体)可靠地联接在一起,因此,对轴向夹紧力的准确控制是保证装配质量的基础。通过控制拧紧扭矩间接地实施夹紧力控制的扭矩法由 于受到摩擦系数等多种不确定因素的影响,导致对轴向夹紧力控制精度低。此外,出于安全考虑,最大轴向力在设计时一般设在其屈服强度的 70% 以下,实际值往往只有 30~50% 。轴向夹紧力小而分散,必然造成材料利用率低、结构笨拙和可靠性差。 2.1拧紧过程力的分析 2. 1. 1 螺栓轴向夹紧力 螺纹联接的目的是使被联接部件以适 当的夹紧力联接在一起,防止产生滑动,同时保证以后的拆卸。螺纹联接件所受的外力有四大类: - 纯拉应力 - 拉应力和弯曲应力 - 剪切力 - 扭转力 把被联接件压在一起的力叫做“夹紧力” 。紧固件必须拧紧到产生超过施加负载的夹紧力,同时也不能过分拧紧,防止外加负载导致紧固件失效。 装配的实质是要将螺栓的轴向夹紧力控制在适当的范围。轴向夹紧力的下限是由联接结构的功能决定的, 该下限值必须保证被联接件在工作过程中始终可靠地贴合。轴向夹紧力的上限是由螺栓(或螺母)和被联接件的强度决定的,该上限值必须保证螺栓及被联接件在预紧和工作工程中不发生破坏(拉长,剪断,疲上海交通大学硕士学位论文 第 13 页 劳断裂,脱扣,被联接件压缩,破裂等) 。 螺栓轴向夹紧力设计值的高低是产品设计和材料工艺水平的综合体现。现已较广泛采用的屈服点控制法和扭矩 -转角法等拧紧工艺可以使螺栓的夹紧力非常稳定,达到或接近其屈服强度。而在传统的经验设计中,用扭矩法拧紧螺栓时,在考虑到扭矩控制精度,摩擦性能散差和螺栓强度波动等因素时,轴向夹紧力的最大值通常只能设计在其屈服强度的 70%以下。 实际轴向力往往只有螺栓屈服强度的 30%~70%,甚至更低。轴向夹紧力小而分散,必然导致材料浪费,联接结构笨拙而且可靠性差。 大量研究表明,螺栓的轴向夹紧力越大,其抗松动和抗疲劳性能越好,螺栓拧紧至屈服时效果最好。对于发动机和变速箱等重要应用场合,应尽可能采用扭矩 -转角法或者屈服点法将螺栓拧 紧至屈服。此时,不仅能最大限度地利用材料强度和减小零件尺寸,还能使联接的可靠性得到充分保证。 2. 1. 2 夹紧力和扭矩的关系 在螺纹联接中我们实际要控制的力是夹紧力。然而在大规模生产中,还没有实际可行的方法可以控制夹紧力。因此我们转而控制影响夹紧力的其他参数。目前最常用的方法是控制紧固件的拧紧扭矩。 Webster 将扭矩定义为: 1:产生转动、扭转及其趋势的力(汽车发动机将扭矩传递给驱动轴) ;同时,影响扭矩的因素是产生的力和力到转动轴的垂直距离; 2:一种旋转力或圆周力。 图 2-1:扭矩的定义 Fig 2-1 definition of torque 扭矩定义为: T= F x L x cos(¢) (2-1) 式中 T为扭矩 F为施加的力 L 为受力点到旋转轴的距离 ¢ 为力 F 和距离 L 的夹角 扭矩 - 夹紧力有如下关系: KDTF'= (2-2) 式中: T = 扭矩,单位 Nm D = 螺栓公称直径 F'= 夹紧力,单位 kN
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