ＮＳ９２１０半自動磁極螺釘擰緊機的研制

ＮＳ９２１０半自動磁極螺釘擰緊機的研制*摘要：本文論述了研制半自動磁極螺釘擰緊機的必要性和可行性，進行了整機結構及驅動系統(tǒng)設計，對浮動頭、漲胎夾具及錐頭跟蹤裝置等關鍵部件進行了設計計算。介紹了設備投產后的良好效果。

關鍵詞：機電一體化；自動入口定轉矩緊絲１問題的提出及方案的制定１．１問題的提出

在磁電機裝配過程中將磁極用螺釘固定在機殼上（俗稱緊絲）是一個關鍵的工序。每臺磁電機上有四個緊固螺釘，如圖１所示。緊固磁極的預緊轉矩有定值要求，四個品種額定轉矩的范圍在２５Ｎ．ｍ～５５Ｎ．ｍ以內。同時要求四個螺釘轉矩的一致性誤差不應超過５％，否則磁電機在使用過程中螺釘將產生松動或在生產裝配過程中殼體內腔尺寸不夠，這樣均嚴重影響產品質量和使用效果。目前國內生產廠家磁極的緊絲多數采用電動板手人工操作，單頭緊絲，少數廠家用臺鉆改成單頭緊絲機。這些設備的缺點是：

圖１機殼裝配圖

１．磁極２．緊固螺釘（Ｍ１０）３．機殼（１）改錐頭用人工對準螺釘十字口，且為單頭安裝效率低。

（２）電動改錐頭啟動之后再入螺釘十字口，容易損壞十字口。

（３）轉矩難以定值，四個螺釘的緊固力一致性差。

（４）工人的勞動強度大。

國內本行業(yè)生產單位約１５０多家，都有改進工藝的需求，針對上述情況，為此提出研制一臺半自動磁極螺釘擰緊機。

１．２方案的制定

結合用戶需要，以及可能達到的技術要求，我們擬定了半自動螺釘擰緊機的技術方案。（１）主機的安裝型式為立式，便于工件裝卸，經過一次裝夾，可以同時完成四只螺釘的緊固以便提高生產效率。

（２）模擬人工操作，自動完成緊絲作業(yè)，即改錐頭自動尋找并進入螺釘口，先使螺釘預緊固，再由沖動動作實現定轉矩緊絲。

（３）改錐頭浮動，以利自動尋找螺釘口，轉矩可調，可預設定以適應不同產品要求，并且實現定轉矩裝配，沖動次數可調，以適應產品要求。

（４）整機采用ＰＬＣ可編程序控制，實現自動緊絲。同時，可適應不同產品的裝配要求，便于程序調整。

（５）能適應四種規(guī)格的磁電機裝配作業(yè)。四種規(guī)格的型號是：ＱＤ０４８－１０１、ＱＤ１２０４－１０１、ＱＤ１２０１Ａ－１０１及ＱＤ１２５５－１０１。

定轉矩的螺紋聯接是一個復雜的問題，它和聯接的材料、熱處理狀態(tài)及摩擦因數等因素有關，因此要想得到準確的預緊力是十分困難的。我們經過查閱有關資料和分析論證，最后確定了兩步緊固的方法，即第一步，以液壓馬達為動力，連續(xù)轉動錐頭，完成螺釘的預緊。由于液壓馬達，脈動的影響，此時得到的轉矩不是很準確。第二步，以擺動馬達為動力，輸出大轉矩完成沖動動作實現定轉矩緊絲。２機器的結構及主要技術參數本機主要由緊絲頭、底座、中間座、漲胎夾具、操縱臺、液壓站和電器柜所構成，如圖２所示。整機結構為立式，夾具的中心線為水平位置，四個緊絲頭裝在垂直于水平面的立板上，這樣在工作時裝卸工件方便而且省力，液壓站裝在機身的后座上和整機融為一體。這樣布局不僅占地面積小、結構緊湊而且便于搬運。

圖２磁極螺釘擰緊機外形圖主要技術參數：

工件中心到地面的距離：９５０ｍｍ

緊絲頭的最大行程：７０ｍｍ

緊絲頭的緊固轉矩：２５Ｎ·ｍ～５５Ｎ·ｍ（可設定）

緊絲頭的轉速：２０ｒ／ｍｉｎ～１００ｒ／ｍｉｎ

快速電機功率：０．３７ｋＷ

單件工時：２０ｓ／件

外形尺寸：１２６０×１３７０×１７８９（ｍｍ）３緊絲頭的結構設計緊絲頭是本機的最重要的部件，用于緊固螺絲，它主要由多軸箱、小滑板和滑座等部分組成，如圖３和圖４。多軸箱用螺釘固定在小滑板上，小滑板裝在滑座上并且在其上可以往復滑動。緊絲頭的快進、快退由快速電機１驅動，通過一對錐齒輪帶動絲杠２轉動，此時離合器n１通電，螺母不動。緊絲主軸的轉動由油馬達３驅動，通過兩對齒輪傳動令主軸回轉，邊回轉邊前進（此時n２離合器通電，n１離合器斷電絲杠制動），實現預緊絲，轉矩的大小通過調整液壓系統(tǒng)的壓力來確定。緊絲主軸通過棘輪棘爪４和擺動馬達５同軸相聯，油馬達停止轉動后，由擺動馬達通過棘輪棘爪直接撥動緊絲主軸，實現錐頭的沖動，擺動馬達往復一次，主軸可轉動９０°，沖動次數根據需用轉矩的大小通過ＰＬＣ控制器來設定。

圖３緊絲頭外觀圖

１.電機２.滑座３.油馬達４.多軸箱５.擺動馬達６.減速箱７.小滑板８.主軸頭

圖４傳動系統(tǒng)圖

１.電機２.絲杠副３.油馬達４.棘輪棘爪５.擺動馬達３．１傳動系統(tǒng)的設計，如圖４所示

（１）用油馬達時主軸的理論轉矩當系統(tǒng)壓力Ｐ＝４ＭＰａ時油馬達輸出的理論轉矩Ｍ主理＝１５．５２Ｎ·ｍ，此時主軸理論輸出轉矩：＝７２Ｎ·ｍ（２）當系統(tǒng)的壓力通過減壓閥減壓后：Ｐ＝１ＭＰａ時，通過擺動馬達驅動主軸的理論輸出轉矩：Ｍ主理＝８０Ｎ·ｍ

（３）快進，快退速度

３．２預設定轉矩的計算

ＺＭ１－２５型油馬達是將液壓能轉換為機械能的轉換裝置，其輸出轉矩與系統(tǒng)的壓力成正比，故改變系統(tǒng)壓力，可改變輸出轉矩。例如：當壓力Ｐ＝５ＭＰａ時，轉矩Ｍ理＝９０Ｎ·ｍ，其關系表達式為：Ｍ理＝ＡＰ，其中·＝４．６７為比例常數，Ｐ：系統(tǒng)的理論壓力。

為方便設備的操作，專門設計并給出了壓力和轉矩的對照關系表，見表１。表１壓力和轉矩對照關系表壓力（ＭＰａ）１１．５２２．５３３．５４４．５５理論轉矩Ｎ·ｍ１８２７３６４５５４６３７２８１９０注：（１）壓力和轉矩系線性關系；（２）需中間轉矩可用插入法算出３．３緊絲壓緊跟蹤的設計計算

在緊絲過程中，錐頭一方面要始終壓緊在螺釘十字口上，一方面要回轉前進，因為螺釘螺距t＝１．５，絲杠的螺距爴＝２，傳動系統(tǒng)應滿足下列關系，t＝i×２。通過計算：i＝則t＝×２＝１．５

３．４浮動軸頭的結構設計

浮動軸頭如圖５所示，它主要由小軸６、錐頭夾２、壓緊蓋３、彈簧４、浮動支撐５、等零件構成。錐頭裝在錐頭夾內，錐頭夾的前面和壓緊蓋為球面接觸，錐頭夾的外園與小軸６的內孔之間的間隙為１．５ｍｍ，在小軸６的圓周上三等份位置上分別設有球面浮動支撐，以便將錐頭夾定位在主軸的中心線上，錐頭夾后端和主軸依靠端面嵌式離合器聯接，一方面用以傳遞扭矩，同時在錐頭受到測向力時，它能產生一定的擺動，在緊絲過程中如四個螺釘的位置有誤差時錐頭將能自動尋求螺釘十字口中心的位置。用以補償四個螺釘在機殼上的等分誤差，提高錐頭的進口率，保護螺釘十字口不易損壞，從而保證產品的質量。

圖５浮動軸頭結構圖

１．改錐頭２．錐頭夾３．壓緊蓋４．彈簧５．浮動支撐６．小軸７．軸４夾具的結構設計漲胎夾具如圖６所示。主要由底座１、漲胎４、拉桿５、彈簧３、定位銷２等零件構成，漲胎等分為四塊，用φ０．６×φ３．５的拉簧聯接在一起，底座１上有Ｔ型導向槽，漲胎塊分別裝在導向槽內，在工件裝入夾具時，在油缸的作用下拉動拉桿，拉桿依靠斜面（斜度２０°）將向外漲開，這樣兩對磁極在預定的位置上被定位且夾緊。本機有四套夾具，每個品種一套。

圖６漲胎夾具結構圖

１底座２定位銷３彈簧４漲胎５拉桿５機器的工作原理參看液壓原理圖圖７。接通電源→工件裝在夾具上，由油缸拉緊漲胎，將工件夾緊→工作開始→四個頭上的快速電機分別驅動四個頭快速前進，直到四個錐頭分別觸到螺釘十字口（并使彈簧有一定的壓縮量）停止→然后四個擺動馬達分別擺動一次，使錐頭沒有進入十字口的進入十字口（已進入十字口的轉動９０°）→四個頭二次快進，進一步壓縮彈簧（直至不能壓縮）沒有余量為止→四個油馬達轉動，通過兩對齒輪帶動緊絲主軸轉動（邊轉動邊前進）直至達到接點壓力表調定的壓力（即設定的轉矩），此時發(fā)生信號油馬達停轉→此后擺動馬達擺動完成轉角沖動動作，沖動次數可調（n１離合器斷電，n２離合器通電）→沖動結束四個頭快速退回原位→工件松開→一個循環(huán)結束。

圖７液壓原理圖整個工作循環(huán)模擬人工操作，用ＰＬＣ控制，動作穩(wěn)定可靠（ＰＬＣ控制部分從略）單件工時不超過２０秒。６機器的使用效果本設備于１９９５年３月在開封內燃機電器廠試生產應用，經使用驗證，效果良好。與傳統(tǒng)作業(yè)比較提高勞動生產率四倍。裝配廢品率降低到３，保證了產品質量。１９９８年５月又為聊城電機廠提供了一臺。該設備的成功研制為國內磁電機行業(yè)提供了一種新的工藝裝備，其成本僅為引進國外同類設備的，值得廣泛推廣應用。本項目獲１９９６年度天津市科