多轴自动螺栓拧紧机的设计.doc

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济南大学毕业设计

毕业设计

题目多轴自动螺栓拧紧机的设计

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学生

学号

指导教师

二〇一一年五月二二日

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济南大学毕业设计

摘要

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，在现代工业过程中,用螺栓装配是非常普遍的,尤其是在发动机、压缩机及变速箱等对螺栓拧紧的角度与位置装配精度要求很高的场合。

然而,目前在中国,由于传统工艺等原因,现在广泛应用在装配线上的是气动与液压扳手,其存在操作不方便、工人劳动强度大、效率底、角度和扭矩控制精度差而且不能实现网络化和在线管理等缺点,已经不能满足现代工业高性能装配的要求。

尽管国外已有自动螺栓拧紧机,但由于其产品价位高、使用工位单一、灵活性差、售后服务不到位等原因不为广大中国用户所接受.螺栓拧紧应用于汽车行业装配是一个普遍现象，以前人们只是考虑在装配时，把螺栓（或者螺母）拧到最紧的程度。

后来才发现，这个“最紧”不过是一个非常模糊概念，它是因人而异的。

一台机器有几十个以至成百上千个零件，采用螺栓紧固方法装配，在大生产中又是由多数人在不同的时间里完成的，而且每天又要装配几十或几百台机器，这个“最紧”的离散度将是可想而知。

另外，还有些零件（如汽车发动机中的连杆大头孔），在金属切削车间需要用螺栓把瓦盖装配起来进行加工，而到了装配车间，又要先松开螺栓，拆下瓦盖，套到曲轴上后再重新拧紧后装配，如用这个“最紧”来进行，其结果将是非常危险的。

因而，如何有效地控制“拧紧”，并使其达到“最佳”，也就成为了行业十分关注的课题。

拧紧机就是作为有效地控制“拧紧”，并使其达到“最佳”装配工具。

本文从拧紧机的结构设计入手，通过对螺栓拧紧机的各个结构的设计，完成总体的装配图，比较圆满的完成了拧紧机的系统设计。

对一些比较重要的零件进行了详细的介绍并绘制其零件图。

关键词：

螺栓拧紧；扭矩—转角法；减速装置；花键轴

ABSTRACT

Threadedconnectionduetosimple,reliable,disassemble,convenient,andwidelyusedinnumerousorganizationsassemble,inthemodernindustrialprocess,useboltassemblyisverycommon,especiallyintheengine,refrigerationcompressorandtransmissionontheAngleandpositiontotightenboltsassemblingaccuracydemandingoccasion.However,atpresentinChina,becausethetraditionalprocessandotherreasons,nowwidelyusedinassemblylineispneumaticandhydraulicwrench,itsexistenceoperatinginconvenient,laborintensitybig,efficiencybottom,Angleandtorquecontrolprecisionpoorandcan'tachievenetworkandonlinemanagementshortcomings,cannothavesatisfiedtherequirementsofmodernindustrialhigh-performanceassembly.Althoughforeignexistingautomaticbolttightenedmachine,butbecauseofitsproductpricehigh,useworkstationsingle,flexibilityisbad,after-salesserviceforthemainreasonsnotacceptedbyChineseusers.Bolttightenedapplicationinautomobileindustryassemblyisacommonphenomenon,peopleusedinassembly,justconsiderthebolts（ornut）twisttotheextentoftheclosest.Laterdiscovered,this"themosttight"butisaveryvagueconcept,itisbecauseofthepersondifferent.Amachinethattherearedozensofhundredsofparts,useboltsmethodisinproductionassembly,bymostpeopleindifferenttimeeveryday,andfinishedandassemblytensorhundredsofmachine,the"mosttight"discretedegreeswillbeimagined.Additional,stillsomeparts（suchascarengineofthisbig-endhole）,inmetalcuttingworkshopneedboltsputtiletocovertheassemblyprocess,andtoriseandassemblyworkshop,first,removethelooseningboltsearthencover,settotightenagainafterthecrankshaftassembly,ifusethe"mosttight"toundertake,theresultwillbeverydangerous.Therefore,howtoeffectivelycontrol"tight",andmakeitsreach"best",willbecometheindustryisveryconcernedissue.Tightenthemachineisaseffectivelycontrol"tight",andmakeitsreach"best"assemblytools.Thisarticlefromthestructuredesignoftightenmachine,throughallofbolttightenedmachinestructuredesign,completegeneralassembly,isacompletionofthetightmachinesystemdesign.Someofthemoreimportantpartsofadetailedintroductionandmapitsdetaildrawings.

Keywords：

Bolttight;Torque-cornerlaw;Slowdevice;spline

目录

摘要………………………………………………..…….….……………...............I

ABSTRACT………….....................................….……………….........……..…………….II

1前言……….…………………………………………….….……….......................……..1

1.1螺栓联接的历史......................................................………….………….………..1

1.2螺栓拧紧机的出现...........................……….......…………….………….………..1

1.3螺栓拧紧机的发展......................…………………………….…....……..………1

1.4中国拧紧机的发展......................…………………………….…....……..………1

2螺栓拧紧机的原理及意义...........……..….………………………….…..….………….3

2.1原理…….............……………………………………………………………..3

2.1.1扭矩法…………………………....................….…………………………...3

2.1.2扭矩转角法......…………………………….…………………………..4

2.1.3屈服点法…………................………………….…………………………...5

2.2意义…………………………….………………...………………..6

2.2.1预紧力不适当带来的后果………………………..……………………...6

2.2.2设计意义……………..............……………….…………………………...6

3螺栓拧紧机的总体设计过程..........……..….......…………………….…..….………….7

3.1设计内容………………………............…………………………………………..7

3.2性能特点………………............…………………………………………………..7

3.3主要技术参数…………....………………………………………………………..7

3.4螺栓拧紧机的总体设计…………………………….………………...…………..7

3.4.1减速装置的选择…....………………………….…………………………...8

3.4.2轴的设计……................……………………….…………………………...8

3.4.3花键轴的校核…........………………………….…………………………...9

3.5电动机的选择…………….......……………………………...………………...11

4行星齿轮减速器的设计................……..….………………………….…..….……….12

4.1概述…………………………………………………....................……………..12

4.2设计的四个条件…....………………………….………………...……………..12

4.2.1满足给定的传动比…………………………….………………………..12

4.2.2同心条件……................……………………….………………………...13

4.2.3邻接条件……................……………………….………………………...13

4.2.4安装条件………................…………………….………………………...14

4.3行星轮系的设计…………………………….………………...………………..14

4.3.1一级行星轮系的设计………………………….………………………...15

4.3.2二级行星轮系的设计………………………….………………………..15

4.3.3三级行星轮系的设计………………………….………………………….16

4.4啮合效率的计算……..……………………….………………...……………..16

4.5总的传动效率的计算………………………….………………...……………..17

4.6齿轮强度的校核…………….......………………………….…………………...18

4.6.1对一级行星轮系校核………………………….………………………...18

4.6.2对二级行星轮系校核………………………….………………………….21

4.6.3对三级行星轮系校核………………………….………………………..24

5螺栓拧紧机的控制方法..............……..….………………………….…..….……….27

5.1扭矩传感器…........……………………………………………………………..27

5.2角度编码器……............……………………….………………...……………..27

5.3拧紧过程中的控制方法……………………….………………...……………..27

5.3.1扭矩法……………....................……………….………………………..27

5.3.2扭矩转角法…............………………………….………………………..27

5.3.3屈服点法…………................………………….………………………..27

5.4拧紧过程的检测……………………...……………………...………………...28

6结论......................……….………….……………………..….……...…..….………...29

参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….30

致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….31

-31-

1前言

1.1螺栓联接的历史

螺纹联接由于简单可靠、拆卸方便在铁路道轨螺栓紧固中得到广泛应用。

目前,螺纹的拧紧普遍采用液压和电动扳手来完成,由于液压扳手和气动扳手在拧紧过程中是依靠大冲击力来拧紧螺纹装置,所以拧紧扭矩值误差比较大,另外液压和电动的定值扭矩扳手不宜于在大扭矩状况下工作,这样不仅劳动强度大,而且生产效率低,拧紧质量极不稳定。

1.2螺栓拧紧机的出现

自动螺栓拧紧机是集机械的传动、电气的传动、气动技术、电子技术、自动检测于一体的机电一体化设备。

拧紧机顾名思义就是拧紧工件的设备单元，主要适用在螺栓/螺母拧紧方面。

一台机器有成百上千个零件采用螺栓紧固的方法装配，在大批生产中又是由多人在不同工位里来完成的。

并且每天又要装配几十或几百台机器，这个螺栓的数量是可想而知的，并且还要拧紧到产品图纸规定的拧紧扭矩的数值。

为了提高生产效率、保证螺栓的拧紧扭矩即自动螺栓拧紧机便诞生了。

1.3螺栓拧紧机的发展

螺栓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（AtlasCopco），法国乔治雷诺（CPGeorgesRenault），美国英格索兰Ingersoll-RAND）、德国的博世（BOSCH），美国的库柏（Cooper）等等。

为适应定扭矩加载的可控制拧紧场合需求，在80年代未，国外机电、汽车制造行业已普遍采用可控制扭矩、可控转角和屈服点的拧紧工具。

近年来，伴随着电机调速等控制技术、扭矩控制等技术的发展，国外的装配作业线上的装配工具逐步从手工、风动，液压或电动工具向低能耗、低噪声、控制精确等可控制拧紧设备方向发展，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、定转角监控和屈服强度监控。

1.4中国拧紧机的发展

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。

随着电子技术水平的不断提高，新型的传感器技术的发展，以及对拧紧技术的更深入研究，将会出现精度和自动化程度更高的自动拧紧机；或者会出现采用全新技术的自动拧紧机。

可以预见，中国的汽车装配行业会越来越多地使用自动拧紧机，使汽车的装配质量和效率得到极大提高。

2螺栓拧紧机的原理及意义

2.1原理

螺栓拧紧机系统由四大部分组成：

支承部件、升降系统控制系统动力及传动系统。

其中动力和传动系统和控制系统是螺栓拧紧机的核心：

支承部件起了支承其它系统作用，动力及传动系统和升降系统都要安装在支承部件上。

螺栓拧紧机的主要功能是将螺纹按规定要求拧紧。

本文的拧紧机以电动机作为动力源，输出的扭矩经减速器增大，用于螺纹拧紧加载；以压缩空气作为辅助的动力来源，用于气缸带动拧紧箱运动。

当拧紧箱到达工作位置后，就可以进行螺纹拧紧。

整个拧紧过程由电气控制系统控制，传感器实时将数据传送给控制系统，控制系统通过对数据进行计算和判断，监视整个拧紧过程。

螺纹拧紧机的卸载过程，也是在控制系统控制下，按一定固定循环自动进行的。

扭矩、转动角度等参数可根据实际情况，自由设定。

图2-1螺栓拧紧机的原理图

2.1.1扭矩法

当扭矩≥目标扭矩，拧紧轴停止。

如果最小扭矩≤峰值扭矩≤最大扭矩，

则拧紧合格。

此方法只控制施加的扭矩，是利用扭矩与夹紧力的线性关系在弹性区进行紧固控制的一种方法。

但由于螺纹副和零件表面的摩擦力变化，对于实际的轴向夹紧力控制达不到很好的精度。

根据表面状况和润滑的不同，轴向夹紧力离散度可以达到±50%。

另外，此方法不能检测到拧紧过程中的差错，如螺纹孔太短，螺纹尺寸不符等，都有可能产生施加扭矩已到达，实际工件却没有拧紧的错误。

图2-2

扭矩法的优点是控制目标直观、测量容易、操作过程简便、控制程序简单。

扭矩控制法的缺点是，未能充分利用材料潜能；受摩擦系素影响，扭矩系数变化大，使预紧力离散度大，因此控制精度低。

因此，扭矩法一般采用手动、电动或气动工具一次直接将螺纹副的装配扭矩装配到位，用于不太重要的装配位置。

2.1.2扭矩转角法

如果转角≥目标转角，或者扭矩>最大扭矩，拧紧轴停止。

如果最小扭矩<最终扭矩<最大扭矩，并且最小转角<最终转角<最大转角，则拧紧合格。

扭矩-转角法的实质是控制螺栓的伸长量，在螺栓贴合（贴合扭矩常取所需拧紧扭矩值的25%左右）以后的整个弹性拧紧范围内，轴向夹紧力与伸长量成正比，控制伸长量就是控制轴向力，而伸长量与转角成正比。

扭矩-转角法主要通过将螺栓拉长在超弹性极限（塑性变形区），以实现充分利用材料强度（设计夹紧力可取螺栓屈服强度的70%），同时又完成了高精度拧紧控制的目的。

此方法可以明显提高轴向夹紧力的控制精度，达到15到25%，螺纹件摩擦系数对拧紧质量影响小，并且有很好的重复性。

夹紧力的分散度较小，平均值可提高到屈服极限的70~80%，既提高了材料的利用率，也提高了拧紧的可靠性。

主要应用于发动机连杆和主轴承盖，缸盖，飞轮，刹车钳，转向器等。

此拧紧控制方法是目前应用较多的方法，适合于对重复性要求较高的拧紧。

扭矩转角法，在拧紧过程中，尽管螺纹件摩擦系数对达到贴合扭矩的拧紧所产生的“阶段预紧力”有影响，但影响较小。

因为摩擦系数的变化仅影响到转角控制的起始点。

在角度控制阶段，可知螺纹摩擦系数对转角拧紧所产生的预紧力无影响，因为在弹性变形区内，若螺栓刚度恒定，预紧力仅与螺栓伸长量有关，而伸长量与转角度数成正比。

如果螺纹件拧紧转动3600，螺栓受力部分伸长一个螺距。

．因此，摩擦系素对最终预紧力数值影响不大，故控制精度比单纯控制扭矩的方法大大提高.

2.1.3屈服点法

屈服点法利用扭矩一转角增最比概念，将螺纹件拧紧至螺栓的屈服点。

拧紧工具使用计算机电路，将输入的扭矩和转角进行微分计算，并绘制扭矩一转角曲线，从而实现自动停机控制。

屈服点控制法的拧紧质量（预紧力离散性）只与螺栓屈服强度有关。

屈服点法的优点是将螺栓拧至其屈服点，最人限度地发挥了螺纹件强度的潜力。

大量研究表明，螺栓拧紧时轴向预紧力越大（拧至屈服点），其抗松动和抗疲劳性能越好。

其缺点是拧紧工具价格过于昂贵。

是通过监测拧紧扭矩随角度变化曲线的斜率，将螺纹件拧紧至屈服点的方法。

在螺纹拧紧过程中，扭矩曲线从弹性区到塑性区，扭矩与角度的线性关系发生变化，斜率也发生变化。

当斜率的变化达到某一范围，就认为达到屈服点。

计算微商公式如下：

式中-扭矩变化量-扭矩角变化量

图2-3屈服点法原理图

屈服点法利用扭矩一转角增量比概念，将螺纹件拧紧至螺栓的屈服点。

屈服点法的拧紧质量（预紧力离散度）只与螺栓屈服强度有关。

屈服点法的优点是：

1.不受扭矩控制法的摩擦系数和转角控制法的转角起始点的影响。

从而

克服了扭矩控制法和弹性区转角法的致命缺点，提高了装配精度。

2.将螺栓拧至其屈服点，最大限度地发挥了螺纹件强度的潜力。

大量研究表

明，螺栓拧紧时轴向预紧力越大（拧至屈服点），其抗松动和抗疲劳性能越好。

其缺点是控制系统很复杂，因此拧紧工具价格太昂贵，而且对螺栓的材料、

结构和热处理要求很高。

2.2意义

2.2.1预紧力不适当带来的后果

（1）螺纹联接零件的静力损坏：

若螺纹紧固件拧得过紧，即预紧力过大，则螺栓可能被拧断，被联接件可能被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也可能螺纹牙被剪断而脱扣。

（2）被联接件滑移、分离或紧固件松脱：

对于承受横向载荷的普通螺栓联接，

预紧力使被联接件间产生正压力，依靠摩擦力抵抗外载荷。

因此，预紧力的大小决定了它的承载能力。

若预紧力不足，被联接件将出现滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱甚至紧固件被剪断。

对于受轴向载荷的螺栓联接，预紧力使接合面上产生压紧力，受外载荷作用后的剩余预紧力是接合面上工作时的压紧力。

预紧力不足将会导致接合面泄漏，如压力管道漏水、发动机漏气，甚至导致两被联接件分离。

预紧力不足还将引起强烈的横向振动，致使螺母松脱。

（3）螺栓疲劳破坏：

大多数螺栓因疲劳而失效。

减小预紧力虽能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小，但却使载荷变幅增大。

因此，总的效果大多数是使螺栓疲劳寿命下降。

（4）增大设备质量与成本：

若预紧力过小，需使用较多和（或）较大的紧固件，往往也需采用较大的被联接件，因而增大了产品质量。

同时，许多产品的成本是与需要装配的零件数目成正比的，所以预紧力过小将导致装配成本和制造成本，以及维修费用的增加。

2.2.2设计意义

螺纹联接