全自動螺栓擰緊機的設計及應用

周旭暉

（常柴股份有限公司，江蘇常州　213003）

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全自動螺栓擰緊機的設計及應用

周旭暉

（常柴股份有限公司，江蘇常州213003）

摘要：在風冷柴油機及通用汽油機裝配中，箱蓋、缸蓋、飛輪螺栓的擰緊，通常是由操作工采用風扳機逐個擰緊，這種方式對螺栓力矩的控制及密封性等要求控制不嚴。采用全自動螺栓擰緊機操作后，不但極大地節省勞動力，并且使得質量保證能力得到極大的提高，也體現了技術進步在傳統裝配行業中的運用，具有先進性。

關鍵詞：裝配；全自動；螺栓擰緊

1　項目的由來及生產線基本情況

在傳統的裝配操作過程中，我們一般采用的擰緊工具就是風扳機及套筒，擰緊方式就是將螺栓松旋進螺孔后，手工用風扳機依次序對角對邊逐步擰緊各個螺栓。因此，無論是對4個連接螺栓的缸蓋，還是15個連接螺栓的箱蓋，這種擰緊方式要保證各個螺栓的力矩均勻一致是很困難的，并且由此會引起箱蓋等零件的局部形變不一致，從而影響發動機的整機密封性。

在倍速鏈輸送形式的裝配生產線中，包括風冷機和通用汽油機均是箱體坐在工裝板上并在生產線上流轉，如圖1、圖2所示。這將使得采用全自動螺栓擰緊成為一種可能。

圖1　線體結構示意圖

圖2　柴油機在工裝板上的擺放示意圖

2　自動擰緊螺栓時機體位置的實現

為了實現對發動機相關螺栓的自動擰緊，根據擰緊軸定位的精度要求，需要對發動機動力垂直、水平兩個方向再進行調節，分別采用一些諸如自動旋轉、自動頂升等機構的設置，將發動機連工裝板一起頂起，通過高度限位塊及定位銷的作用，確保裝配中的機體姿態位置滿足工藝布置及擰緊軸操作精度的需要。自動頂升旋轉臺示意圖，如圖3所示。

圖3　自動頂升旋轉臺示意圖

自動頂升旋轉臺功能是帶有發動機部件的工裝板運行到該機構上方時，阻擋器使之停止，然后舉升氣缸工作將工裝板頂起脫開行走中的倍速鏈，然后減速電機按預先設定自動旋轉，旋轉到位后將部件自動下降落座，從而實現了將工件自動按要求轉動成方便裝配的方向位置，便于裝配安裝操作，減少生產線工人勞動強度。生產線上部分自動機構設置情況如圖4所示。

圖4　生產線上自動機構

3　擰緊機的設計與實現

風冷機以及通用汽油機的箱體、缸蓋、飛輪等重要連接螺栓、螺母涉及安全、質量等重要問題，同時為了提高裝配效率及裝配精度，杜絕發動機常見的箱體箱蓋結合面滲漏等質量問題，設計采用國際品牌的擰緊軸，通過PLC控制方式，對箱蓋螺栓、氣缸蓋螺母、飛輪螺母采用全自動擰緊的操作方式，對于減輕工人勞動強度以及提高保證產品質量是有利的。

表1　擰緊設備與線體的控制信號交流

全自動擰緊機設備包括固定機架、升降裝置、進給裝置、擰緊機箱、指示燈操作盒、變距機構，電氣控制系統，擰緊軸及軸控制器等組成。擰緊設備與線體的控制信號交流具體描述如表1所示。

注意：由于擰緊機構是水平安裝，所以為了使水平氣缸不與線體的動作發生干涉，對線體PLC程序有如下要求：

（1）頂升氣缸及前后擋停氣缸的動作只有在擰緊水平氣缸退到位時才能動作（對應允許前站工件放行至本工位信號）。

（2）工件頂升到位信號只有在線體自動運行時才給出。

（3）線體給擰緊機信號應通過繼電器轉換成無源信號。

全自動擰緊機的操作動作步驟是：當工件走到擰緊工位時，線體自動識別工件到位，線體上的頂升機構及其定位裝置自動將工件頂起至精確位置，從而滿足與擰緊機的精確對位；工件精確定位后，線體發出工件到位信號給擰緊機，擰緊機自動進給并進行擰緊操作；擰緊軸旋轉，自動認帽，并按預先設置的程序開始擰緊。當到達預扭矩后，擰緊軸停頓等待所有擰緊軸都達到預扭矩后，所有擰緊軸再自動從預扭矩擰緊到最終扭矩，然后擰緊機退讓。通過工裝板上定位孔的精確設計以及相應機型的調整，保證擰緊設備伸出時可以自動認帽，擰緊軸擰緊相應螺栓到裝配要求的力矩。

為了實現多品種風冷機或通用汽油機共用一臺擰緊機進行相應的擰緊操作，需要對擰緊軸進行巧妙布置，通過操作臺升降裝置、氣缸變矩機構等手段實現擰緊軸對不同機型螺栓位置的適應性，同時這樣做的一個重要特點是節約了投資并滿足多品種產品共線生產的要求。

飛輪螺母（單軸）全自動擰緊機調整較為簡單，因不同型號的發動機箱體坐在工裝板上保證了曲軸中心線在同一垂直面上，只需要通過調節擰緊機升降裝置使操作面的高低位置得到調整即可實現擰緊軸對準飛輪螺母進行擰緊操作。

相類似的氣缸蓋螺母（四軸）全自動擰緊機在工裝板保證了箱體曲軸中心的一個垂直平面的基礎上，通過擰緊機升降裝置的高低調整以及四根擰緊軸之間的氣缸調整其間距也就滿足了擰緊軸與發動機上四個缸蓋螺母之間的中心距對準要求。從而按上述設置的操作控制動作原理即可實現全自動擰緊。

同理，箱蓋螺栓（七軸）全自動擰緊機在高度上通過調整擰緊機的升降裝置對操作面高度進行調節，而各擰緊軸為了適應各不同品種通用汽油機箱蓋螺栓的位置間距，通過模擬設計，找出所有在產機型的各螺栓位置，并在每根擰緊上設置氣缸變矩機構，通過氣缸的運動以及相對應的限位塊設置，使各擰緊軸的中心距位置對準通用汽油機上箱蓋螺栓的位置，從而實現擰緊操作。

以箱蓋擰緊機為例，各擰緊軸的變矩結構示意圖如圖5所示。

圖5　箱蓋擰緊設備變矩機構

箱蓋擰緊設備如圖6所示。

圖6　箱蓋擰緊設備圖

氣缸蓋擰緊設備如圖7所示。

圖7　缸蓋擰緊設備圖

飛輪單軸擰緊設備如圖8所示。

圖8　飛輪單軸擰緊設備圖

4　全自動擰緊機的效果檢查

使用螺栓擰緊機后，抽取了6臺發動機整機的缸蓋螺母力矩進行擰緊精度比對，分別采用人工風扳機擰緊后用定扭矩扳手復緊以及直接使用缸蓋螺母擰緊機擰緊兩種操作方式，對擰緊力矩進行了抽查對比，工具使用NBS- 100型數顯扭力扳手，同一人操作。數值對比如表2所示。

表2　螺栓力矩抽查對比

該機型的工藝要求：氣缸蓋螺母必須交叉均勻擰緊至50～60Nm，從上表中可以看出，采用人工使用風扳機進行擰緊，僅有7個力矩值合格，合格率29.2%；顯然單憑風扳機擰緊無法滿足工藝要求，在此基礎上采用定扭矩扳手進行復緊操作，經檢測有4個力矩值不達標，合格率83.3%；而后松開螺母對相同工件另行采用全自動擰緊機進行直擰緊后測試，抽查力矩全部達標，合格率100%。三種擰方式的力矩分析如圖9所示。

圖9　三種擰緊方式力矩抽查分布圖

可以看出采用全自動擰緊機后不但操作效率大大提高并且氣缸蓋四個螺母的力矩值均勻，并且排除了人為因素，質量保證能力提高明顯。

5　結語

全自動螺栓擰緊機實物如圖10所示。

圖10　全自動螺栓擰緊機

生產線上采用的智能化全自動螺栓擰緊機后不但節省了操作人員，并且確保了每一個連接螺栓的精準力矩，通過對比試驗，各螺栓力矩的均勻較人工操作大幅提高，力矩控制值的達標率由83.3%提高到100%，生產線設備能力對產品的質量控制有了強有力的保證。

The Design and Application of Automatic Bolt Tightening Machine

ZHOU Xu-hui
（Changchai co.，LTD.，Changzhou，Jiangsu 213003，China）

Abstract:In the air-cooled diesel and petrol engine assembly, tightening of the cover，cylinder head，flywheel bolts are usually done by operators with pneumatic wrenches，which does not require strictly the control and sealing to bolt torque.After adopting automatic bolt tightening machine，not only labor has been saved greatly，but also the quality has been improved greatly，which embodies the technological progress in the application of traditional assembly industry.

Key words:assembly；Automatic；bolt tightening

作者簡介：周旭暉，男，大學本科，工程師，主要研究方向：機械裝配技術。

收稿日期：2016-01-22

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0029-03