發動機缸體10軸自動擰緊機設計研究

摘要：主要針對小型游艇、割草機、摩托車等發動機缸蓋螺栓的全自動擰緊進行了研究，介紹了10軸全伺服自動擰緊機機械設計的原理及思路，并對自動擰緊機關鍵部件——擰緊軸的選取與受力計算做了詳細說明。該研究滿足了此類產品多種機型混線自動化生產的要求，提升了客戶產品品質，并節約了生產成本，贏得了客戶的一致好評。

關鍵詞：自動擰緊機;缸蓋螺栓;智能擰緊;受力分析

0? ? 引言

螺紋連接因簡單、可靠、拆卸方便等特點，成為機械零件之間結合最常用的方法之一。近年來，隨著現代化工業的發展，為適應科技進步對機電產品輕量化、高性能、高可靠性的要求，螺栓、螺母的擰緊對扭矩和角度等變量的要求越來越嚴格。為適應機電產品性能及自動化生產的要求，螺栓自動擰緊設備的設計與開發已經成為市場的必然需求。

在小型游艇、割草機、摩托車等發動機裝配制造行業，螺紋連接的裝配要求都很高，自動擰緊機的應用也最為廣泛，如發動機主軸端蓋、連桿、離合器及輪胎的擰緊等。尤其是發動機缸蓋螺栓的擰緊，其連接的可靠性直接關系到整個發動機的動力特性、碳排放量以及安全可靠性。這主要是因為：（1）從工作條件上看，發動機缸蓋螺栓在缸內氣體交變壓力以及熱負荷等惡劣的工作環境作用下極易發生失效;（2）從結構上看，發動機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，發動機缸蓋是一種更為復雜的軟連接，這就要求缸蓋螺栓使用更為科學合理的擰緊工藝來實現產品設計時對預緊力的要求，以確保連接的可靠性、氣密性。因此，發動機缸蓋螺栓擰緊不光對單個螺栓的扭矩、角度有嚴格的要求，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，以提高發動機整體連接的防松能力和疲勞強度。實驗顯示，發動機缸蓋螺栓擰緊采用全自動的擰緊設備，不僅可以顯著地提高生產效率，還可以最大限度地提高裝配質量。

隨著我國經濟的高速發展，傳統工廠使用的手動扳手、氣動脈沖工具、定扭扳手正在迅速淘汰。目前我國在汽車、工程機械、機電設備行業已經普遍采用可控制扭矩、角度及屈服點的各種電動擰緊工具。現在市場上主流的擰緊工具有ATLAS COPCO、BOSCH和INGERSOLL-RAND等品牌。本項目ATLAS COPCO憑借其強大的產品創新能力和完善的售后服務，成為了客戶最終擰緊工具與自動設備的供應商。

1? ? 擰緊工具的選擇

1.1? ? 確定擰緊工具

客戶對擰緊扭矩的要求是靜態扭矩22～28 Nm，根據ATLAS擰緊工具的特點和扭力信息初步選擇QST42-50CT-T50-L134-H13這根標準軸作為預選的擰緊工具。此工具的扭矩輸出范圍為10～50 Nm，轉速為700 r/min，滿足要求。

1.2? ? 擰緊工具的驗算

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，還需要對軸進行壽命的計算。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。我們通常需要計算的數據有支撐軸承1的靜載荷（Co/R1）與動載荷（C/R1），支撐軸承2的靜載荷（Co/R2）與動載荷（C/R2），軸承座Frontpart動載荷（Fbc/F），輸出軸方寸頭的動載荷（σ/συMises）。

根據客戶機型信息，筆者以一種需要8根QST軸同時擰緊的機型為例說明其受力計算的方法。

如圖2所示，首先需要借助網站“http：//www.dankert-dankert.de/”按客戶扭矩的要求建立擰緊點實際位置的受力坐標模型，然后根據自動計算的結果可以得到每根軸受到的Fx與Fy方向分力，接著根據公式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向力分析。因為設備的8根QST擰緊軸型號完全一樣，所以通過計算最大受力軸的安全系數就可以確認軸的使用壽命是否滿足客戶的要求。根據圖2顯示結果我們可以得到Fmax=0.6 kN。

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

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

2? ? 自動擰緊機設計

2.1? ? 設備功能需求分析

設備主要用于小型游艇、割草機、摩托車等發動機的缸蓋螺栓擰緊，采用發動機自動進給、自動對位的全自動擰緊方式。設備主要結構包括：發動機杠體的頂升定位系統、擰緊軸箱伺服變距系統、擰緊機控制系統及設備安全防護系統等。

設備需要實現的基本功能如下：

（1）擰緊工件到位后可以自動頂升定位，且帶有兩套阻擋機構用于緩料及防止托盤堆疊，并與設備聯動。

（2）擰緊軸箱可以按預定程序變距到對應機型，擰緊開始后先自動認帽，然后自動將螺栓擰緊至預定扭矩，最后待所有螺栓扭矩均達到預定扭矩時將螺栓擰緊至最終扭矩。

（3）擰緊機控制器判斷所有軸的擰緊扭力、角度值等是否合格，如果合格則擰緊機控制器控制阻擋器放行;不合格則不放行，在人工確認后，手動按下擰緊機設備“故障放行”按鈕才能放行產品。

（4）產品數據讀取識別過程不能與擰緊動作發生邏輯干預。

（5）設備對托盤有無工件進行檢測，無工件設備自動放行。

（6）不同產品擰緊軸數不一致，對于不需要擰緊的軸自動移出工作區，避免碰傷工件，移出動作完成后方可進行自動擰緊動作。

（7）對于擰緊不合格螺栓，系統可在顯示屏直觀顯示出不合格螺栓的真實坐標圖。

（8）當某一根軸出現故障后，其余擰緊軸可通過程序解除互鎖繼續使用。

（9）擰緊結束后，主動將本地數據庫中數據實時發送到甲方MES數據庫中。

2.2? ? 擰緊軸箱設計

根據產品螺栓分布情況，從成本、安裝簡易性及空間位置考慮對軸箱布局做規劃，如圖4所示。

（1）根據圖4各產品螺栓孔位坐標分布情況可以確定擰緊軸變距狀態，從而確定是否選擇氣缸變距或伺服電機變距。從成本及安裝簡易性考慮不需要變距的擰緊軸安裝位置需考慮一定X/Y方向調整空間，需要變距的擰緊軸優先考慮氣缸變距。由于2號位QST軸還需要考慮不擰緊時退出到安全位置，所以每根軸在X/Y的坐標平面內移動的位置都超過了4個，需要10根擰緊軸全部使用雙伺服變距的結構來滿足要求。

（2）由于發動機缸蓋是放在托盤上隨線體流動的，所以擰緊軸的坐標就不能僅僅考慮工件本身的坐標，還需要檢查工件放在托盤上是否發生坐標變化。根據客戶提供托盤圖紙可以發現：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才能實現，所以需要在此方向上加一組整體平移氣缸。

（3）1P85機型高度161 mm，1P90-1/1P92-1、1P88機型高度159 mm，1P91機型高度183 mm，2P77機型高度182 mm。機型之間最大高度差為24 mm，當擰緊軸箱每次下降到統一高度時，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）由于擰緊點間距較小，用來變距的伺服機構無法在一個平面內擺放，需要高低錯落布局，才可以不發生干涉。

（5）圖5所示即為根據上面的結論設計完成的擰緊軸空間布局。

2.3? ? 托盤頂升定位機構

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確定位的機構確保軸箱上面的擰緊軸每次都可以準確認帽并完成螺栓的擰緊工作。此機構在輸送線體上面主要包括頂升定位機構、阻擋機構及相應的傳感器監測單元，其結構功能如下：

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

（2）阻擋機構：采用標準的SMC阻擋氣缸，并設有工位擋停和等待位擋停用于優化節拍。兩個擋停位置有3個接近傳感器用于判斷托盤到位與托盤是否堆疊;同時還有一對光電傳感器用來判斷工件是否在位，如果客戶發來的是空托盤，則直接流走，軸箱不做擰緊，如圖7所示。

2.4? ? 設備其他結構

設備其他結構如圖8所示。

（1）結構支座采有高強度方通鋼構焊接，壁厚為8 mm，牢固可靠。

（2）上下進給機構采用自鎖氣缸，斷氣自鎖無位移;升降機構設置防掉落安全防護裝置，可以有效防止機構脫落氣缸造成安全事故;且升降系統、位移系統均設有機械緩沖及限位，安全可靠。

（3）擰緊單元上分別設置有指示燈操作箱（操作盤），操作面板上設有機型選擇撥碼開關、系統啟動、急停按鈕、正反轉開關、手自動轉換開關、各軸擰緊NG狀態指示燈、綜合OK狀態指示燈、故障確認開關、指示燈檢查按鈕、系統復位開關以及蜂鳴器等。

（4）配置液晶數據顯示觸摸屏，可顯示、監控并計算各軸擰緊扭矩實際值、轉角、屈服點、擰緊曲線、CPK/CMK等數據。顯示屏可顯示產品螺栓模擬分布情況及每顆螺栓實際擰緊數據，同時自動判定是否合格;電腦開機自動啟動擰緊系統及模擬畫面。

（5）控制器安裝于現場看板位置，直觀易操作。

（6）防護罩殼采用鋁型材結構，四周均可打開，配有安全開關，打開后自動斷電。防護罩殼結構設計充分考慮各個部件、裝置、附件在安裝、操作、維修過程中的便利性，機構頂部及四周護板采用可拆卸方式，預留了檢修空間。

3? ? 結語

本設備革新了客戶現場操作工使用定扭扳手手動擰緊缸蓋螺栓的制造工藝，根據客戶現場實際操作環境，運用自動化控制的理念，設計了全新的自動化擰緊單機，并付諸實施。通過跟蹤生產調試的全過程，設備最終成功解決了客戶現場生產多品種、中小批量產品以及多品種共線生產的問題，極大地提高了生產線的智能化水平。設備使用半年后客戶統計發現，發動機異響概率減少了25%～30%，為客戶創造了良好的效益。

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收稿日期：2020-04-27

作者簡介：王力爽（1984—），男，山西翼城人，碩士，機械工程師，研究方向：機械設計及自動化。