双头螺柱拧紧装置及控制方法与流程

1.本发明涉及高精密工业自动化装配技术领域，具体为一种双头螺柱拧紧装置及控制方法。


背景技术：

2.随着高精密制造行业的不断发展，机械装配过程中连接方式也在不断更新。其中，双头螺栓的连接形式被广泛应用，特别是将其应用于一些本体材质不允许反复被拧紧的工件连接场合。例如，在航天航空、汽车等行业和领域，双头螺柱拧紧作为一种常用紧固件技术，其正确、规范、有效的安装对于保障结合面达到工艺要求的预紧力至关重要，并且对于主机性能和结构安全也起到了非常关键的作用。即使采用性能优良的紧固件，若安装不当或者拧紧不合格，例如：扭矩超差、假扭矩、露出高度超差等，同样会出现拧紧失效并造成系统瘫痪，甚至威胁设备和人身安全。
3.目前在使用双头螺栓连接时，需要先将螺柱的一端拧紧至一侧的被连接主体的螺孔内，如同给主体“种”了一颗螺柱，而位于另一侧的被连接副体则一般设有通孔，“种”在主体内的螺柱贯穿被连接副体后伸出的长度称为露出高度，调整好露出高度后可使用螺母拧紧的方式让主副体紧密贴合。
4.为了保证连接的可靠性，拧紧时既要控制拧紧力矩，又要控制螺栓露出工件表面的高度。目前的常规做法是采用全人工操作，要保证拧紧扭矩和露出高度的精度，工人只能是拧紧一下再检测一下，反复重复这些动作，效率非常低；加上主体上的螺纹孔与双头螺柱属于过盈配合，拧紧时力矩比较大，所以人工操作很是费力，劳动强度很高。同时，由于露出高度的控制精度要求很严格，一般要求误差不大于
±
0.2mm，拧紧结束后经常会出现控制不好导致拧紧过深的现象。但装配工艺要求：如果出现拧紧过量，不允许直接松开复紧，必须重新选配双头螺柱才能进行二次拧紧，因此装配难度非常大，同时人工装配非常依赖于操作者的熟练程度以及精心程度，尽管如此，还是出现大量的返工拧紧，严重制约了生产效率。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术的缺陷，本发明提供了一种双头螺柱拧紧装置及控制方法，其通过设置高度测量装置、拧紧控制器等硬件，在高速拧紧双头螺柱的过程中同时对拧紧力矩、阈值角度、螺柱旋入长度循环采样，根据实时采集到的数据结合工艺设定来进行控制，以达到提高装配精度、降低返修风险的目的，进而大大提高了装配效率和质量。
6.为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为一种双头螺柱拧紧装置，包括拧紧驱动装置、高度测量装置以及拧紧控制器，其中拧紧驱动装置包括外壳、固定于所述外壳的驱动装置、与所述外壳活动连接的芯轴、以及连接于所述芯轴的拧紧套筒，所述驱动装置传动连接至所述芯轴，以使所述芯轴相对于所述外壳旋转；高度测量装置安装于所述拧紧驱动装置，所述高度测量装置用于检测位移压缩量数值，所述位移压缩量数值用于计算双头
螺柱的露出高度h；拧紧控制器包括拧紧控制模块及plc控制模块，所述拧紧控制模块电连接至所述拧紧驱动装置，所述拧紧控制模块用于采集所述拧紧驱动装置的当前拧紧扭矩t及阈值角度a，所述plc控制模块电连接至所述高度测量装置，所述plc控制模块用于采集所述位移压缩量数值，并计算当前露出高度h；所述拧紧控制器用于根据当前拧紧扭矩t、阈值角度a及当前露出高度h控制所述拧紧驱动装置的拧紧速度与停止、并判定拧紧是否合格。
7.进一步的，所述驱动装置的输出端连接有主动齿轮，所述主动齿轮与芯轴外侧套装的被动齿轮啮合。
8.进一步的，所述高度测量装置包括第一位移传感器及第二位移传感器，其中第一位移传感器用于测量所述拧紧驱动装置的外壳基准点的位移压缩量数值h1；第二位移传感器用于测量所述拧紧驱动装置的芯轴基准点的位移压缩量数值h2。
9.优选的，所述外壳包括与所述芯轴转动连接的固定部、可相对所述固定部沿所述芯轴的轴向发生位移的浮动部、以及设置在所述固定部与所述浮动部之间的第一弹性元件；所述第一位移传感器用于测量所述第一弹性元件的位移压缩量数值h1。
10.进一步的，所述芯轴外侧套装并固定第一限位板，所述固定部上安装有第二限位板，所述第一限位板与第二限位板之间设置有第二弹性元件；所述第二位移传感器用于测量所述第二弹性元件的位移压缩量数值h1。
11.优选的，所述第一位移传感器及所述第二位移传感器均为满量程100mm，精度0.05%fs的接触式位移传感器。
12.另一方面，本发明提供的技术方案为一种双头螺柱拧紧控制方法，包括拧紧阶段控制方法，所述拧紧阶段控制方法包括实时采集当前拧紧扭矩t；实时采集拧紧驱动装置的外壳基准点的位移压缩量数值h1及拧紧驱动装置的芯轴基准点的位移压缩量数值h2，并计算当前露出高度h；获取拧紧扭矩工艺设定参数，并与所述当前拧紧扭矩t对比；获取露出高度工艺设定参数，并与所述当前露出高度h对比；根据对比结果判断是否调整拧紧速度，若需要调整，则控制拧紧驱动装置切换拧紧速度；直至当前拧紧扭矩t等于拧紧扭矩工艺设定参数，或当前露出高度h等于露出高度工艺设定参数，则控制拧紧驱动装置停止拧紧。
13.进一步地，双头螺柱拧紧控制方法还包括扭矩及转角法判定方法，所述扭矩及转角法判定方法包括设定阈值扭矩；采集当前拧紧扭矩t，并与所述阈值扭矩进行比较；当所述当前拧紧扭矩t超过所述阈值扭矩时，角度编码器清零开始记录拧紧角度数值；当拧紧结束后停止角度记录，获得最终拧紧转角；确定所述最终拧紧转角为阈值角度a，若阈值角度a超出角度工艺范围，则拧紧不合格，若阈值角度a在角度工艺范围内，则拧紧合格。
14.本发明的有益效果：其通过设置高度测量装置、拧紧控制器等硬件，在高速拧紧双
头螺柱的过程中同时对拧紧力矩、阈值角度、螺柱旋入长度循环采样，根据实时采集到的数据结合工艺设定来进行控制，以达到提高装配精度、降低返修风险的目的，进而大大提高了装配效率和质量。
附图说明
15.图1为本发明一实施例中的双头螺柱拧紧装置的结构示意图；图2为本发明一实施例中的拧紧驱动装置的结构示意图；图3为本发明一实施例中的拧紧阶段控制方法的流程示意图；图4为本发明一实施例中的扭矩及转角法判定方法的流程示意图。
16.图中：100、拧紧驱动装置，110、外壳，111、固定部，112、浮动部，113、第一弹性元件，114、限位柱，120、驱动装置，121、主动齿轮，122、被动齿轮，130、芯轴，131、第一限位板，132、第二限位板，133、第二弹性元件，140、拧紧套筒，200、高度测量装置，210、第一位移传感器，220、第二位移传感器，230、传感器支架，300、拧紧控制器，310、拧紧控制模块，320、plc控制模块，1、双头螺柱。
具体实施方式
17.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
18.在航天航空发动机装配技术领域，经常采用机匣双头螺柱作为紧固件进行紧固。本实施例提供一种双头螺柱拧紧装置及控制方法，并将其应用于机匣双头螺柱的拧紧。需要说明的是，双头螺柱通常有两大类：一类螺柱通体设有螺纹，另一类螺柱只有两端设有螺纹（两端螺纹规格或有不同），除本实施例中的机匣双头螺柱以外，本发明还可应用于其他类型的两端设有螺纹的双头螺柱。
19.参见图1及图2，本实施例提供的一种双头螺柱拧紧装置，包括拧紧驱动装置100、高度测量装置200以及拧紧控制器300；其中，拧紧驱动装置100用于执行双头螺柱的拧紧动作，高度测量装置200用于采集高度相关数据，拧紧控制器300用于数据处理及根据实时数据对拧紧进行控制。
20.具体地，参见图2，拧紧驱动装置100包括外壳110、固定于外壳110的驱动装置120、与外壳110活动连接的芯轴130、以及连接于芯轴130一端的拧紧套筒140，驱动装置120连接至芯轴130，以使芯轴130相对于外壳110旋转，芯轴130旋转的同时，带动拧紧套筒140旋转及位移。具体设置时，在一实施例中，驱动装置驱动连接至芯轴130，以使芯轴130能够相对于外壳110旋转并轴向位移，芯轴130一端连接的拧紧套筒140同步旋转并轴向位移，以将双头螺柱1安装于拧紧套筒140 ，或将已经安装于拧紧套筒140的双头螺柱1旋入被连接主体的螺孔内。其中，驱动装置120可以是驱动电机或其他形式驱动装置，驱动连接方式也不仅限于图2中的齿轮传动方式，可将驱动装置动力传动至芯轴130即可。具体设置时，作为一种
示例，驱动装置120的输出端连接有主动齿轮121，主动齿轮121与芯轴130外侧套装的被动齿轮122啮合。
21.参见图1及图2，高度测量装置200安装于拧紧驱动装置100，高度测量装置200用于检测位移压缩量数值，位移压缩量数值用于计算双头螺柱的露出高度h；拧紧控制器300包括拧紧控制模块310及plc控制模块320，拧紧控制模块310电连接至拧紧驱动装置100，拧紧控制模块310用于采集拧紧驱动装置100的当前拧紧扭矩t及阈值角度a，plc控制模块320电连接至高度测量装置200，plc控制模块320用于采集位移压缩量数值，并计算当前露出高度h；拧紧控制器300用于根据当前拧紧扭矩t、阈值角度a及当前露出高度h控制拧紧驱动装置的拧紧速度与停止、并判定拧紧是否合格。
22.上述双头螺柱拧紧装置在拧紧驱动装置100上安装有高度测量装置200，利用高度测量装置200检测位移压缩量数值，进而得到双头螺柱的露出高度h，并设置plc控制模块320以及拧紧控制器300，根据当前拧紧扭矩t、阈值角度a及当前露出高度h控制拧紧驱动装置的拧紧速度与停止、并判定拧紧是否合格，如此能够提高装配精度、降低返修风险的目的，进而大大提高了装配效率和质量。
23.参见图2，在一实施例中，高度测量装置200包括第一位移传感器210及第二位移传感器220，第一位移传感器210用于测量拧紧驱动装置的外壳基准点的位移压缩量数值h1；第二位移传感器220用于测量拧紧驱动装置的芯轴基准点的位移压缩量数值h2。
24.需要说明的是，高度测量装置200的具体设置个数及具体安装位置可根据需要进行设置，只需要可以通过数据采集对螺柱旋入长度进行循环采样即可，进而计算出当前露出高度h。作为一种示例，参见图2，外壳110包括与芯轴130转动连接的固定部111、可相对固定部沿芯轴130的轴向发生位移的浮动部112、以及设置在固定部111与浮动部112之间的第一弹性元件113。在本实施例中，浮动部112为板状结构，并连接有限位柱114，限位柱114与浮动部112同步移动，且贯穿固定部111，第一位移传感器210的测量端抵接于限位柱114远离浮动部112的一端。第一位移传感器210用于测量第一弹性元件的位移压缩量数值h1。在此实施例基础上，芯轴130外侧套装并固定第一限位板131，固定部111上安装有第二限位板132，第一限位板131与第二限位板132之间设置有第二弹性元件133。具体设置时，在外壳110的固定部111上安装一限位套筒，并将芯轴130贯穿设置在其中，第二位移传感器220的测量端固定在芯轴130远离拧紧套筒140的一端，并将第二弹性元件133套装在限位套筒内部的芯轴130外侧。第二位移传感器220用于测量第二弹性元件133的位移压缩量数值h1。需要说明的是，在本实施例中，第一弹性元件113及第二弹性元件133均包括弹簧，弹簧的规格可根据具体需要进行选择。
25.较佳地，在一实施例中，第一位移传感器210及第二位移传感器220均为满量程100mm，精度0.05%fs的接触式位移传感器。具体设置时，在外壳110上合适位置安装传感器支架230，第一位移传感器210及第二位移传感器220的固定端均安装在传感器支架230上。在一实施例中，驱动装置120采用功率为750w的伺服电机，输出头最高转速160rpm，拧紧轴动态扭矩精度≤
±
2%，拧紧轴角度精度≤
±1°
，拧紧控制系统采用den-macu1101专用控制器。
26.在双头螺柱拧紧控制技术领域，相关技术中，拧紧过程通常只能直接控制拧紧的扭矩，并通过检测双头螺柱的实时扭矩值来控制被联接件的预紧力和露出高度。拧紧扭矩t
与预紧力f成正比关系，但与露出高度h成反比关系,简单来说可以通过拧紧扭矩t反映预紧力f和露出高度h的变化，但双头螺柱拧紧扭矩系数k会随着螺纹表面及座面的光洁度、润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具的不同而产生变化，同时这个k值和温度也有关系，实验证明环境温度每增加1℃，扭矩系数k就下降0.31%。虽然上述的扭矩法控制策略简单、设定参数少，但如果出现了假扭矩（连接不紧密）时无法判别。而高度只能是在拧紧后进行检测，如发现不合适，再进行调整，所以费时又费力，对螺柱露出高度的控制精度也很难提高。
27.针对上述缺陷，参见图3，本发明提供的技术方案为一种双头螺柱拧紧控制方法，包括拧紧阶段控制方法，拧紧阶段控制方法具体步骤包括：步骤s1、实时采集当前拧紧扭矩t；并实时采集拧紧驱动装置的外壳基准点的位移压缩量数值h1及拧紧驱动装置的芯轴基准点的位移压缩量数值h2，并计算当前露出高度h；步骤s2、获取拧紧扭矩工艺设定参数，并与当前拧紧扭矩t对比；同步获取露出高度工艺设定参数，并与当前露出高度h对比；步骤s3、根据对比结果判断是否调整拧紧速度，若需要调整，则控制拧紧驱动装置切换拧紧速度；直至当前拧紧扭矩t等于拧紧扭矩工艺设定参数，或当前露出高度h等于露出高度工艺设定参数，则控制拧紧驱动装置停止拧紧。
28.进一步地，参见图4，在一实施例中，双头螺柱拧紧控制方法还包括扭矩及转角法判定方法，扭矩及转角法判定方法具体步骤包括：步骤h1、设定阈值扭矩；步骤h2、采集当前拧紧扭矩t，并与阈值扭矩进行比较；步骤h3、当当前拧紧扭矩t超过阈值扭矩时，角度编码器清零开始记录拧紧角度数值；当拧紧结束后停止角度记录，获得最终拧紧转角；步骤h4、确定最终拧紧转角为阈值角度a，若阈值角度a超出角度工艺范围，则拧紧不合格，若阈值角度a在角度工艺范围内，则拧紧合格。
29.上述双头螺柱拧紧控制方法在高速拧紧双头螺柱的过程中，同时检测当前拧紧扭矩t、阈值角度a、当前露出高度h这三个通道的传感器数值，系统依据循环采样数值来进行计算进而判断当前是否需要切换拧紧速度以及最终停止，最终拧紧完成后由plc综合各项测量数值给出判定结果，并且将合格/不合格螺栓点位置和拧紧数据直观的显示在hmi上面。，进而大大提高了拧紧效率。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。