CN108637662A - 法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，属于工程机械制造领域。包括机架装置、动臂连接件、动臂装置、翻转臂连接件、翻转臂装置、旋转拧紧装置和电气控制***，机架装置通过Z轴驱动装置与动臂连接件连接；动臂连接件通过X轴驱动装置与动臂装置连接；动臂装置与翻转臂连接件连接，翻转臂连接件通过Y轴驱动装置与翻转臂装置连接；翻转臂装置上设有控制旋转拧紧装置旋转的翻转驱动装置，翻转驱动装置与旋转拧紧装置固定连接；旋转拧紧装置上安装有扭矩传感器、激光传感器和视觉相机。本发明用于装载机后车架铰接法兰盘的螺栓拧紧，实现了在四个不同平面和不同直径的法兰盘上作业。
Description
技术领域
本发明属于一种工程机械配件，具体地说，尤其涉及一种法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机。
背景技术
目前，装载机后车架铰接法兰盘的安装工况复杂，四个法兰盘位于四个平面上，并且有两种不同直径的法兰盘，孔与工件的相对位置不固定，重型工件在流水线上无法准确定位，传统的法兰盘螺栓拧紧采用人工手动拧紧，这种拧紧方式完全凭借人的感觉来确定拧紧的状态，不仅难以使装配达到要求，而且装配效率低下；已有的机械拧紧方式是直接对锁紧螺母进行拧紧，虽然在一定程度上提高了装配效率，但是其拧紧力的大小不受控制，装配质量也存在很多问题，上述生产方式不但极大的降低了工作效率，同时也使得产品的质量无法保证，并且安全性差，难以满足现代工业发展的要求。
另外，目前市面上的机械拧紧机只能实现在一个平面上作业并且没有变距功能，自动化效率不高，无法适应在四个平面和不同直径的法兰盘上作业的工况。因此，针对上述技术问题，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，设计出一种全自动法兰盘螺栓拧紧机，使其更具有实用性。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，以克服现有技术中螺栓拧紧机只能实现在一个平面上作业并且没有变距功能的缺陷。
本发明是采用以下技术方案实现的：
所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，包括机架装置、动臂连接件、动臂装置、翻转臂连接件、翻转臂装置、旋转拧紧装置和电气控制***，
所述机架装置通过控制动臂连接件沿Z轴向移动的Z轴驱动装置与动臂连接件连接；
所述动臂连接件通过控制动臂装置沿X轴向移动的X轴驱动装置与动臂装置连接；
所述动臂装置与翻转臂连接件连接，所述翻转臂连接件通过控制翻转臂装置沿Y轴向移动的Y轴驱动装置与翻转臂装置连接；
所述翻转臂装置上设有控制旋转拧紧装置旋转的翻转驱动装置，所述翻转驱动装置与旋转拧紧装置固定连接；
所述旋转拧紧装置上安装有扭矩传感器、激光传感器和视觉相机，扭矩传感器、激光传感器和视觉相机产生电信号传输给电气控制***；
所述视觉相机用于对法兰盘轴承孔进行扫描定位，并根据定位算法补差校正；
所述激光传感器用于对法兰盘上螺栓所在的分度圆直径进行二次定位；
所述扭矩传感器用于向电气控制***的传送扭矩值信号，并在设定值超出允许范围内时电气控制***发出信号给控制旋转拧紧装置停止工作。
进一步地，所述Z轴驱动装置包括机架导轨、机架齿条、机架滑块和Z轴减速电机，所述机架导轨和所述机架齿条固定设于机架装置上，所述机架滑块与机架导轨活动连接，并与动臂连接件固定连接，所述Z轴减速电机设于动臂连接件上，并且其输出轴通过齿轮与机架齿条啮合连接。
进一步地，所述机架装置上设有配重导向支架和配重，所述配重通过牵引绳绕过配重导向支架上的滑轮与动臂连接件连接。
进一步地，所述X轴向驱动装置包括动臂导轨、动臂滑块、动臂齿条和X轴减速电机，所述动臂导轨和动臂齿条固定设在动臂装置上，所述动臂滑块与动臂导轨活动连接，并与动臂连接件固定连接，所述X轴减速电机设于动臂连接件上，并且其输出轴通过齿轮与动臂齿条啮合连接。
进一步地，所述Y轴向驱动装置包括翻转臂导轨、翻转臂齿条、翻转臂滑块、Y轴减速电机，所述翻转臂导轨和翻转臂齿条固定设于翻转臂装置上，所述翻转臂滑块与翻转臂导轨活动连接，并且与翻转臂连接件固定连接，所述Y轴驱动电机设于动臂连接件上，并且其输出轴通过齿轮与翻转臂齿条啮合连接。
进一步地，所述翻转驱动装置包括链轮链条组合、回转轴、拔杆、翻转气缸、拨杆导轨、链条固定块、链轮限位板，所述翻转气缸固定在翻转臂装置的外侧，翻转气缸伸缩杆与拔杆连接，所述拔杆通过固定在拨杆上的滑块与拨杆导轨连接，所述拔杆还通过链条固定块与链轮链条组合连接，所述链轮链条组合一侧链轮与回转轴连接，另一侧链轮与链轮限位板连接。
进一步地，所述旋转拧紧装置包括连接法兰、旋转电机、拧紧枪固定板、旋转轴承托架、拧紧枪、变矩导轨、齿圈和变矩气缸，所述旋转拧装置通过连接法兰与回转轴连接，所述拧紧枪固定在拧紧枪固定板上，所述拧枪固定板通过变矩导轨与旋转轴承托架连接，所述旋转电机固定在旋转轴承托架上，并且其输出轴上的齿轮与固定在旋转轴承托架上的齿圈啮合。
进一步地，所述变矩气缸伸缩杆通过变位块与拧紧枪固定板连接，所述旋转轴承托架上固定设有变矩限位块。
进一步地，所述动臂连接件上安装有控制动臂装置在Z轴、X轴方向上的移动Z轴接近开关和X轴接近开关，所述翻转臂连接件上方安装有控制翻转臂装置在Y轴方向上的移动范围Y轴接近开关。
进一步地，所述电气控制***包括主控单元PLC、控制面板和力矩可视化***，所述主控单元PLC设有动作控制、故障处理和人机交互单元，其通过与拧紧机中的伺服驱动***连接来控制拧紧机定位、定扭矩拧紧、翻转动作顺序及节拍时间，并对扭矩值进行记录，拧紧异常时有自动报警功能，所述控制面板包括触摸屏、手动操纵按钮和指示灯，触摸屏有参数设置、存储和控制操作功能，通过控制面板上的控制按钮或触摸屏手动输入指令，可以调节拧紧机的定位、扭矩值、转向、转速等工作参数，通过所述力矩可视化***可以对拧紧机的拧紧状态、力矩范围、异常问题点进行监控。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的全自动双轴拧紧机可实现四个平面上的法兰盘螺栓的全自动拧紧，提高了装配效率，降低了劳动强度，此拧紧机安装调试方便，通过控制***对基本参数的调整，能适用于类似结构零部件的自动拧紧，可与生产流水线结合，通用性好。
2、本发明运动部分为四轴直线机械臂，机械结构高刚性设计，通过伺服电机驱动行走结合接近开关及机械定位装置的使用，保证了拧紧机行走、定位的精确性和稳定性，采用气缸结合回转轴和导轨进行翻转、变矩，保证了拧紧机翻转及变矩过程的稳定，实现不同直径法兰盘的拧紧作业；
3、本发明采用视觉相机对法兰盘轴承孔进行扫描定位，采用激光传感器对分度圆螺纹孔进行二次定位，结合PLC控制***，能将定位信息储存输出，实现了精密分度、弹簧杆自动寻位定位、上下法兰盘螺栓的全自动定扭矩拧紧；
4、本发明中设置扭矩传感器，可利用扭矩传感器的实时检测信号实现闭环控制，并利用检测信号计算获得预紧力，实现预紧力的检测，相对于人工操作来说，可有效的控制螺栓的拧紧程度，更加能保证产品质量的稳定性；
5、本发明通过力矩可视化***可以对拧紧机的拧紧状态、力矩范围、异常问题点进行监控。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中机架装置的结构示意图；
图3是本发明中动臂连接件和动臂装置连接的结构示意图；
图4是本发明中翻转臂连接件和翻转臂装置连接的结构示意图一；
图5是本发明中翻转臂连接件和翻转臂装置连接的结构示意图二；
图6是本发明中旋转拧紧装置的结构示意图；
图中：1、机架装置；2、动臂连接件；3、动臂装置；4、翻转臂连接件；5、翻转臂装置；6、旋转拧紧装置；7、配重；8、配重导向支架；9、机架滑块；10、机架导轨；11、机架齿条；12、Z轴减速电机；13、动臂齿条；14、动臂导轨；15、动臂滑块；16、X轴减速电机；17、翻转臂齿条；18、Y轴减速电机；19、翻转臂滑块；20、翻转臂导轨；21、链轮链条组合；22、回转轴；23、翻转限位块；24、拔杆；25、翻转气缸；26、拨杆导轨；27、链条固定块；28、链轮限位板；29、连接法兰；30、旋转电机；31、拧紧枪固定板；32、旋转轴承托架；33、拧紧枪；34、变矩导轨；35、变位块；36、变矩限位块；37、齿圈；38、变矩气缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，包括机架装置1、动臂连接件2、动臂装置3、翻转臂连接件4、翻转臂装置5、旋转拧紧装置6和电气控制***。
机架装置1通过控制动臂连接件2沿Z轴向移动的Z轴驱动装置与动臂连接件2连接；动臂连接件2通过控制动臂装置3沿X轴向移动的X轴驱动装置与动臂装置3连接；动臂装置3与翻转臂连接件4连接，翻转臂连接件4通过控制翻转臂装置5沿Y轴向移动的Y轴驱动装置与翻转臂装置5连接；翻转臂装置5上设有控制旋转拧紧装置6旋转的翻转驱动装置，翻转驱动装置与旋转拧紧装置6固定连接；机架装置1提供了动臂装置3、翻转臂装置5和旋转拧紧装置6的支撑作用；动臂装置3实现控制翻转臂装置5和旋转拧紧装置6沿X轴、Z轴方向的移动；翻转臂装置5实现控制旋转拧紧装置6的翻转及使其沿Y轴方向移动；旋转拧紧装置6实现拧紧机旋转、定位、拧紧和变矩动作；电气控制***与动臂装置3、翻转臂装置5、旋转拧紧装置6电连接，实现拧紧机整个全自动循环动作的控制。
如图2、图3所示，Z轴驱动装置包括机架导轨10、机架齿条11、机架滑块9和Z轴减速电机12，机架导轨10和机架齿条11固定设于机架装置1上，机架滑块9与机架导轨10活动连接，并与动臂连接件2固定连接，Z轴减速电机12设于动臂连接件2上，并且其输出轴通过齿轮与机架齿条11啮合连接。
机架装置1上设有配重导向支架8和配重7，配重7通过牵引绳绕过配重导向支架8上的滑轮与动臂连接件2连接，保证了动臂装置3上升下降过程中的稳定性。
X轴向驱动装置包括动臂导轨14、动臂滑块15、动臂齿条13和X轴减速电机16，动臂导轨14和动臂齿条13固定设在动臂装置3上，动臂滑块15与动臂导轨14活动连接，并与动臂连接件2固定连接，X轴减速电机16设于动臂连接件2上，并且X轴减速电机16输出轴通过齿轮与动臂齿条13啮合连接。
如图4、图5所示，Y轴向驱动装置包括翻转臂导轨20、翻转臂齿条17、翻转臂滑块19、Y轴减速电机18，翻转臂导轨20和翻转臂齿条17固定设于翻转臂装置5上，翻转臂滑块19与翻转臂导轨20活动连接，并且与翻转臂连接件4固定连接，Y轴减速电机18设于动臂连接件2上，并且其输出轴通过齿轮与翻转臂齿条17啮合连接。
翻转驱动装置包括链轮链条组合21、链条固定块27、翻转气缸25、拔杆24、拨杆导轨26、回转轴22、链轮限位板28，翻转气缸25固定在翻转臂装置5的外侧，翻转气缸25伸缩杆与拔杆24连接，拔杆24通过固定在拨杆24上的滑块与拨杆导轨26连接，拔杆24还通过链条固定块27与链轮链条组合21连接，链轮链条组合21一侧链轮与回转轴22连接，另一侧链轮与链轮限位板28连接，翻转气缸25在控制指令下可以带动链条前后移动，从而实现旋转拧紧装置6的翻转。
如图6所示，旋转拧紧装置6包括连接法兰29、旋转轴承托架32、齿圈37、拧紧枪33、旋转电机30、变矩气缸38、拧紧枪固定板31和变矩导轨34，旋转拧装置6通过连接法兰29与翻转臂装置5的回转轴22连接，拧紧枪33固定在拧紧枪固定板31上，拧枪固定板31通过变矩导轨34与旋转轴承托架32连接，旋转电机30固定在旋转轴承托架32上，旋转电机30的齿轮与固定在旋转轴承托架32上的齿圈37啮合，从而实现拧紧枪33的圆周运动。
变矩气缸38伸缩杆通过变位块35与拧紧枪固定板31连接，旋转轴承托架32上固定设有变矩限位块36，变矩限位块36和变位块35和协同控制两拧紧枪33的间距范围，实现两拧紧枪33之间间距的调节。
旋转拧紧装置6上安装有扭矩传感器、激光传感器和视觉相机，扭矩传感器、激光传感器和视觉相机产生电信号传输给电气控制***；视觉相机用于对法兰盘轴承孔进行扫描定位，并根据定位算法补差校正；激光传感器用于对法兰盘上螺栓所在的分度圆直径进行二次定位；扭矩传感器用于向电气控制***的传送扭矩值信号，并在设定值超出允许范围内时电气控制***发出信号给控制旋转拧紧装置6停止工作。
动臂连接件2上安装有控制动臂装置3在Z轴、X轴方向上移动的Z轴接近开关和X轴接近开关，翻转臂连接件4上方安装有控制翻转臂装置5在Y轴方向上移动的Y轴接近开关。
电气控制***包括主控单元PLC、控制面板和力矩可视化***，主控单元PLC设有动作控制、故障处理和人机交互单元，其通过与拧紧机中的伺服驱动***连接来控制拧紧机定位、定扭矩拧紧、翻转动作顺序及节拍时间，并对扭矩值进行记录，拧紧异常时有自动报警功能，控制面板包括触摸屏、手动操纵按钮和指示灯，触摸屏有参数设置、存储和控制操作功能，通过控制面板上的控制按钮或触摸屏手动输入指令，可以调节拧紧机的定位、扭矩值、转向、转速等工作参数，通过所述力矩可视化***可以对拧紧机的拧紧状态、力矩范围、异常问题点进行监控。
本发明的工作过程如下：
按下电气控制***控制面板上的启动按钮，主控单元PLC控制X轴减速电机16、Z轴减速电机12和Y轴减速电机18工作，带动动臂装置3上升、前伸和翻转臂装置5前伸，动臂装置3、翻转臂装置5的行程由接近开关控制，到达预设定位置后，视觉相机对第一个预拧紧螺栓的10孔法兰盘轴承孔进行扫描定位，并根据定位算法补差校正，随后旋转电机30带动旋转拧紧装置6旋转，激光传感器对法兰盘上螺栓所在的分度圆直径进行二次定位，定位信息储存后，动臂装置3下降，拧紧枪33套筒套到螺帽上自动对法兰盘的两个对角螺栓进行拧紧作业。主控单元PLC接收到扭矩传感器的扭矩值，并在设定值允许范围内时，会发出信号给拧紧枪33，电机停止工作，套筒和螺帽脱离，拧紧结束。接着，动臂装置3上升，旋转拧紧装置6自动旋转定位该法兰盘的第二组螺栓，按照上述拧紧过程自动拧紧第二组螺栓。当出现拧紧力矩异常点时，主控单元PLC则控制发出警示信号并记录拧紧力矩不合格的螺栓，输出结果在力矩可视化***界面可见。根据对称交叉的拧紧原则拧紧完第一个法兰盘的五组螺栓后，PLC依次控制动臂装置3收缩、翻转臂装置5收缩、动臂装置3上升、动臂装置3前伸、翻转臂装置5前伸一系列动作使旋转拧紧装置6到达预设定位置，此时，主控单元PLC控制变矩气缸38活塞收缩，两拧紧枪33变矩，随后，拧紧机根据第一个法兰盘的定位、拧紧过程拧紧第二个8孔法兰盘的四组螺栓。待第二个法兰盘拧紧完成，主控单元PLC控制动臂装置3收缩、翻转臂装置5收缩，随后，主控单元PLC控制翻转气缸25活塞伸出，带动旋转拧紧装置6翻转，翻转臂装置5上的翻转限位块23控制旋转拧紧装置6的翻转垂直度。接着，动臂装置3下降，动臂装置3前伸，翻转臂装置5前伸，拧紧机根据第二个法兰盘的定位存储信息按上述过程自动拧紧第三个8孔法兰盘。第三个法兰盘拧紧完成后，PLC依次控制动臂装置3收缩，翻转臂装置5收缩，动臂装置3下降，动臂装置3前伸和翻转臂装置5前伸，随后，主控单元PLC控制变矩气缸38活塞伸出，两拧紧枪33再次变矩，拧紧机根据第一个法兰盘的定位存储信息自动拧紧第四个10孔法兰盘。待第四个法兰盘拧紧完成，主控单元PLC控制动臂装置3收缩，翻转臂装置5收缩，翻转气缸25活塞收缩带动旋转拧紧装置6翻转复位，四个法兰盘拧紧完成。再次按下启动按钮，拧紧机可进行下一工件的循环拧紧动作。最后，操作人员可根据力矩可视化***界面显示的扭矩异常点及时对拧紧异常的螺栓作出校正。
Claims (10)
1.一种法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，包括机架装置(1)、动臂连接件(2)、动臂装置(3)、翻转臂连接件(4)、翻转臂装置(5)、旋转拧紧装置(6)和电气控制***，其特征在于：
所述机架装置(1)通过控制动臂连接件(2)沿Z轴向移动的Z轴驱动装置与动臂连接件(2)连接；
所述动臂连接件(2)通过控制动臂装置(3)沿X轴向移动的X轴驱动装置与动臂装置(3)连接；
所述动臂装置(3)与翻转臂连接件(4)连接，所述翻转臂连接件(4)通过控制翻转臂装置(5)沿Y轴向移动的Y轴驱动装置与翻转臂装置(5)连接；
所述翻转臂装置(5)上设有控制旋转拧紧装置(6)旋转的翻转驱动装置，所述翻转驱动装置与旋转拧紧装置(6)固定连接；
所述旋转拧紧装置(6)上安装有扭矩传感器、激光传感器和视觉相机，扭矩传感器、激光传感器和视觉相机产生电信号传输给电气控制***；
所述视觉相机用于对法兰盘轴承孔进行扫描定位，并根据定位算法补差校正；
所述激光传感器用于对法兰盘上螺栓所在的分度圆直径进行二次定位；
所述扭矩传感器用于向电气控制***的传送扭矩值信号，并在设定值超出允许范围内时电气控制***发出信号给控制旋转拧紧装置停止工作。
2.根据权利要求1所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述Z轴驱动装置包括机架导轨(10)、机架齿条(11)、机架滑块(9)和Z轴减速电机(12)，所述机架导轨(10)和所述机架齿条(11)固定设于机架装置(1)上，所述机架滑块(9)与机架导轨(10)活动连接，并与动臂连接件(2)固定连接，所述Z轴减速电机(12)设于动臂连接件(2)上，并且其输出轴通过齿轮与机架齿条(11)啮合连接。
3.根据权利要求2所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述机架装置(1)上设有配重导向支架(8)和配重(7)，所述配重(7)通过牵引绳绕过配重导向支架(8)上的滑轮与动臂连接件(2)连接。
4.根据权利要求1所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述X轴向驱动装置包括动臂导轨(14)、动臂滑块(15)、动臂齿条(13)和X轴减速电机(16)，所述动臂导轨(14)和动臂齿条(13)固定设在动臂装置(3)上，所述动臂滑块(15)与动臂导轨(14)活动连接，并与动臂连接件(2)固定连接，所述X轴减速电机(16)设于动臂连接件(2)上，并且其输出轴通过齿轮与动臂齿条(13)啮合连接。
5.根据权利要求1所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述Y轴向驱动装置包括翻转臂导轨(20)、翻转臂齿条(17)、翻转臂滑块(19)、Y轴减速电机(18)，所述翻转臂导轨(20)和翻转臂齿条(17)固定设于翻转臂装置(5)上，所述翻转臂滑块(19)与翻转臂导轨(20)活动连接，并且与翻转臂连接件(4)固定连接，所述Y轴驱动电机(18)设于动臂连接件(2)上，并且其输出轴通过齿轮与翻转臂齿条(17)啮合连接。
6.根据权利要求1所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述翻转驱动装置包括链轮链条组合(21)、回转轴(22)、拔杆(24)、翻转气缸(25)、拨杆导轨(26)、链条固定块(27)、链轮限位板(28)，所述翻转气缸(25)固定在翻转臂装置(5)的外侧，翻转气缸(25)伸缩杆与拔杆(24)连接，所述拔杆(24)通过固定在拨杆(24)上的滑块与拨杆导轨(26)连接，所述拔杆(24)还通过链条固定块(27)与链轮链条组合(21)连接，所述链轮链条组合(21)一侧链轮与回转轴(22)连接，另一侧链轮与链轮限位板(28)连接。
7.根据权利要求1所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述旋转拧紧装置(6)包括连接法兰(29)、旋转电机(30)、拧紧枪固定板(31)、旋转轴承托架(32)、拧紧枪(33)、变矩导轨(34)、齿圈(37)和变矩气缸(38)，所述旋转拧装置(6)通过连接法兰(29)与回转轴(22)连接，所述拧紧枪(33)固定在拧紧枪固定板(31)上，所述拧枪固定板(31)通过变矩导轨(34)与旋转轴承托架(32)连接，所述旋转电机(30)固定在旋转轴承托架(32)上，并且其输出轴上的齿轮与固定在旋转轴承托架(32)上的齿圈(37)啮合。
8.根据权利要求7所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述变矩气缸(38)伸缩杆通过变位块(35)与拧紧枪固定板(31)连接，所述旋转轴承托架(32)上固定设有变矩限位块(36)。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述动臂连接件(2)上安装有控制动臂装置(3)在Z轴、X轴方向上的移动Z轴接近开关和X轴接近开关，所述翻转臂连接件(4)上方安装有控制翻转臂装置(5)在Y轴方向上的移动范围Y轴接近开关。
10.根据权利要求9所述的法兰盘螺栓全自动双轴拧紧机，其特征在于：所述电气控制***包括主控单元PLC、控制面板和力矩可视化***，所述主控单元PLC设有动作控制、故障处理和人机交互单元，其通过与拧紧机中的伺服驱动***连接来控制拧紧机定位、定扭矩拧紧、翻转动作顺序及节拍时间，并对扭矩值进行记录，拧紧异常时有自动报警功能，所述控制面板包括触摸屏、手动操纵按钮和指示灯，触摸屏有参数设置、存储和控制操作功能，通过控制面板上的控制按钮或触摸屏手动输入指令，可以调节拧紧机的定位、扭矩值、转向、转速等工作参数，通过所述力矩可视化***可以对拧紧机的拧紧状态、力矩范围、异常问题点进行监控。
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