螺栓上料擰緊機優化設計

魏 斌

（合肥正進自動化設備有限公司，安徽 合肥 230011）

0 緒論

（1）發動機裝配線螺栓自動擰緊技術簡介

汽車發動機裝配線上，螺栓連接是主要的連接方式，原先對于幾十種螺栓裝配擰緊都是采用人工取料和手動力矩扳手擰緊的工藝。 螺栓連接中接觸面摩擦、螺紋處摩擦、螺栓裝配緊固速度要求、合理使用工具等， 隨著生產成本下降要求和產品質量上升要求，對傳統螺栓裝配工藝提出了新的要求。

裝配線工位使用各類標準的擰緊工具可以精確控制擰緊扭矩，確保裝配的可靠性。 在高生產節拍和高自動化要求的情況下，甚至可以采用多軸同步擰緊的方案，以顯著提高裝配速度及自動化水平，減少人員的影響。 在這種情況下，如何有效地將螺栓送到產品需要擰緊的位置成為制約整個裝配過程實現自動化的關鍵技術， 發動機工廠在裝配線重點關注的問題，同時在老線改造和新增新裝配線時考慮增加自動上料擰緊功能的設備。

（2）客戶對螺栓自動擰緊機的需求

A、 送料方式： 料倉—振動盤/階梯上料—檢測段—吹送上料—進入輸送料管—螺栓接料單元。

B、料倉設料滿、料缺開關，料倉儲料4 h，工位節拍符合要求。

C、輸送料管，不銹鋼料管+半透明尼龍管；需要考慮更換料管的方便性，軟管上料端部要有防螺栓回料掉落機構；料管采用機械止回裝置，傳感器檢測是否卡料；進設備處設料滿料缺開關。

D、螺栓通過輸送料管與接料單元接口對接，包含螺栓有無檢測開關。

E、上料零件為2 種螺栓，在節拍范圍內上料數量滿足需求。

為了確保安裝體的可靠性，在設計階段充分體現螺栓及螺母功能的大小，強度及預緊力根據使用實際及強度計算決定并實現在實際安裝工作當中。所以有必要充分了解安裝方法的特性和安裝指標的正確管理方法。

圖1 螺栓自動擰緊機結構

（3）螺栓自動上料擰緊機

隨著工業自動化快速發展，產品裝配由原來的手工裝配逐步被自動化設備所代替，傳統現場的螺栓裝配工藝效率低、工人勞動強度大，產品裝配質量不穩定。隨著市場對產品的要求產品高質量、生產低成本、功能更新快的現狀，目前大多數現場使用的是半自動螺栓送料機和手持式螺栓擰緊機，在一定程度上減輕了員工勞動強度和提高了工作效率，但是還是需要配置一名工人干預，產線自動化程度不高。

螺栓自動上料擰緊機可以實現自動送料到裝配位置和自動擰緊， 螺栓裝配擰緊過程中無須人工干預，裝配效率高，裝配質量穩定，采用的是螺栓送料裝置和螺栓擰緊機構組合使用。 螺栓擰緊時，總體的受力情況是螺栓受拉，零件受壓，在擰緊的過程中，受力的大小是不同的， 大體上分為4 個階段： 預擰緊、擰緊、塑性變形、斷裂。

（4）本文研究內容

目前市場上具備單項功能突出的設備很多，只具備儲料送料功能設備和只具備單獨擰緊槍，不能完全滿足產線裝配的需求，也有部分同時具備儲料送料以及擰緊設備，但是現場使用效果不好。

研究重點針目前生產中缺少能夠符合產線實際需要的同時具備儲料、送料、自動擰緊功能的螺栓送料擰緊機，根據訂單客戶現場實際需要進行了一款螺栓送料擰緊機優化設計。

1 螺栓送料擰緊機優化和實驗研究

1.1 螺栓送料擰緊機主要結構和影響因素

螺栓送料擰緊機包括物料倉儲部分、振動送料部分、螺栓輸送部分、螺栓擰緊部分。

倉儲部分料斗存儲產線螺栓，在振動盤內進行螺栓姿勢調整和排序，通過頂料或者吹送方式，將物料送至安裝點，再通過擰緊機構進行擰緊（滿足安裝扭矩要求）。

1.2 螺栓送料擰緊機優化工作內容

本文研究重點針對一種螺栓的送料和擰緊進行研究，具體研究內容如下：

（1） 借助3D 軟件完成了該螺栓送料擰緊機進行模擬設計，以確定設備結構尺寸：1）振動盤規格尺寸；2）料道規格尺寸；3）擰緊機構外形規格尺寸以及現場避讓要求。

（2）擰緊現場調試校正。

（3）擰緊裝置是由氣缸、動力機構、傳感器、擰緊軸、控制系統等組成。

通過驗算和現場測試結果得到以下結果：

（1）螺栓送料設備穩定

螺栓儲料采用料斗形式，按照要求儲備4 小時用料，單班加兩次料，符合現場實際需求。

（2）螺栓送料機對錯誤型號物料具備識別功能

螺栓通過料斗加料進入送料系統， 當物料中混合其他不同螺栓時， 在振動盤中通過識別板進行剔除物料（成功率99%），在物料輸送到裝配位置時，再次進行識別檢測，出現錯誤物料時報警，避免裝配錯誤物料。

（3）擰緊機構改造和批頭可選擇定型非定制

擰緊機構安裝在機器人手臂，在使用過程中可以避開周圍機構和線纜，批頭采用標準普通規格，市場上易采購，使用壽命符合現場期望。

2 總結和后續工作建議

2.1 全文總結

本文研究工作主要圍繞這種螺栓上料擰緊機。

（1）學習了螺栓上料擰緊機構的原理，根據螺栓安裝力、扭矩、轉角、扭矩系數等基本概念， 建立了安裝螺栓上料擰緊過程的三維模型。

（2）研究螺栓擰緊4 種技術，對這些擰緊技術所能控制的擰緊力的一致性作了數值對比分析，并對使用的范圍、場合和制造成本進行比較，為研究各類型螺栓有效擰緊技術提供了依據。

（3）考慮了氣缸體使用的材料的特性和缸體承壓性能，設計承受工作負載的螺栓擰緊工藝，設計提供了支持。

（4）研究分析了不同類型的螺栓擰緊負載的螺栓預緊力的影響，設計了更為實用的擰緊方式。

2.2 后續工作建議

螺栓上料擰緊機是結合儲料、送料、運送、識別、擰緊、判定過程主體體，本文的研究工作僅考慮了一個周期中擰緊前所有過程都相對穩定的情況，并以理論上符合正常生產的姿態簡化處理。本文的研究工作是開展更深入研究的第一步，為了全方面了解螺栓送料擰緊的過程特點，尤其是隨時間的變化情況，需要進一步考慮送料、識別、判定過程。

下步工作計劃開展多種螺栓在單機上運送、識別、判定的模擬工作。

因此建議在對整套系統能兼容不同螺栓規格尺寸、在不同擰緊力的情況下結合在一起進行。

圖2 擰緊機構細化設計