NS9210半自动磁极螺钉拧紧机的研制
ＮＳ９２１０半自动磁极螺钉拧紧机的研制*
邢长元郑家燧
摘要：本文论述了研制半自动磁极螺钉拧紧机的必要性和可行性，进行了整机结构及驱动系统设计，对浮动头、涨胎夹具及锥头跟踪装置等关键部件进行了设计计算。介绍了设备投产后的良好效果。
关键词：机电一体化；自动入口定转矩紧丝
１问题的提出及方案的制定
１．１问题的提出
在磁电机装配过程中将磁极用螺钉固定在机壳上（俗称紧丝）是一个关键的工序。每台磁电机上有四个紧固螺钉，如图１所示。紧固磁极的预紧转矩有定值要求，四个品种额定转矩的范围在２５Ｎ．ｍ～５５Ｎ．ｍ以内。同时要求四个螺钉转矩的一致性误差不应超过５％，否则磁电机在使用过程中螺钉将产生松动或在生产装配过程中壳体内腔尺寸不够，这样均严重影响产品质量和使用效果。目前国内生产厂家磁极的紧丝多数采用电动板手人工操作，单头紧丝，少数厂家用台钻改成单头紧丝机。这些设备的缺点是：
图１机壳装配图
１．磁极２．紧固螺钉（Ｍ１０）３．机壳
（１）改锥头用人工对准螺钉十字口，且为单头安装效率低。
（２）电动改锥头启动之后再入螺钉十字口，容易损坏十字口。
（３）转矩难以定值，四个螺钉的紧固力一致性差。
（４）工人的劳动强度大。
国内本行业生产单位约１５０多家，都有改进工艺的需求，针对上述情况，为此提出研制一台半自动磁极螺钉拧紧机。
１．２方案的制定
结合用户需要，以及可能达到的技术要求，我们拟定了半自动螺钉拧紧机的技术方案。（１）主机的安装型式为立式，便于工件装卸，经过一次装夹，可以同时完成四只螺钉的紧固以便提高生产效率。
（２）模拟人工操作，自动完成紧丝作业，即改锥头自动寻找并进入螺钉口，先使螺钉预紧固，再由冲动动作实现定转矩紧丝。
（３）改锥头浮动，以利自动寻找螺钉口，转矩可调，可预设定以适应不同产品要求，并且实现定转矩装配，冲动次数可调，以适应产品要求。
（４）整机采用ＰＬＣ可编程序控制，实现自动紧丝。同时，可适应不同产品的装配要
求，便于程序调整。
（５）能适应四种规格的磁电机装配作业。四种规格的型号是：ＱＤ０４８－１０１、ＱＤ１２０４－１０１、ＱＤ１２０１Ａ－１０１及ＱＤ１２５５－１０１。
定转矩的螺纹联接是一个复杂的问题，它和联接的材料、热处理状态及摩擦因数等因素有关，因此要想得到准确的预紧力是十分困难的。我们经过查阅有关资料和分析论证，最后确定了两步紧固的方法，即第一步，以液压马达为动力，连续转动锥头，完成螺钉的预紧。由于液压马达，脉动的影响，此时得到的转矩不是很准确。第二步，以摆动马达为动力，输出大转矩完成冲动动作实现定转矩紧丝。
２机器的结构及主要技术参数
本机主要由紧丝头、底座、中间座、涨胎夹具、操纵台、液压站和电器柜所构成，如图２所示。整机结构为立式，夹具的中心线为水平位置，四个紧丝头装在垂直于水平面的立板上，这样在工作时装卸工件方便而且省力，液压站装在机身的后座上和整机融为一体。这样布局不仅占地面积小、结构紧凑而且便于搬运。
图２磁极螺钉拧紧机外形图
主要技术参数：
工件中心到地面的距离：９５０ｍｍ
紧丝头的最大行程：７０ｍｍ
紧丝头的紧固转矩：２５Ｎ·ｍ～５５Ｎ·ｍ（可设定）
紧丝头的转速：２０ｒ／ｍｉｎ～１００ｒ／ｍｉｎ
快速电机功率：０．３７ｋＷ
单件工时：２０ｓ／件
外形尺寸：１２６０×１３７０×１７８９（ｍｍ）
３紧丝头的结构设计
紧丝头是本机的最重要的部件，用于紧固螺丝，它主要由多轴箱、小滑板和滑座等部分组成，如图３和图４。多轴箱用螺钉固定在小滑板上，小滑板装在滑座上并且在其上可以往复滑动。紧丝头的快进、快退由快速电机１驱动，通过一对锥齿轮带动丝杠２转动，此时离合器n
１
通电，螺母不动。紧丝主轴的转动由油马达３驱动，通过两对齿轮传动令主轴回转，
边回转边前进（此时n
２离合器通电，n
１
离合器断电丝杠制动），实现预紧丝，转矩的大小通
过调整液压系统的压力来确定。紧丝主轴通过棘轮棘爪４和摆动马达５同轴相联，油马达停止转动后，由摆动马达通过棘轮棘爪直接拨动紧丝主轴，实现锥头的冲动，摆动马达往复一
次，主轴可转动９０°，冲动次数根据需用转矩的大小通过ＰＬＣ控制器来设定。
图３紧丝头外观图
１.电机２.滑座３.油马达４.多轴箱５.摆动马达６.减速箱７.小滑板８.主轴
头
图４传动系统图
１.电机２.丝杠副３.油马达４.棘轮棘爪５. 摆动马达
３．１传动系统的设计，如图４所示
（１）用油马达时主轴的理论转矩当系统压力Ｐ＝４ＭＰａ时油马达输出的理论转＝１５．５２Ｎ·ｍ，此时主轴理论输出转矩：
矩Ｍ
主理
＝７２Ｎ·ｍ
（２）当系统的压力通过减压阀减压后：Ｐ＝１ＭＰａ时，通过摆动马达驱动主轴的理论输出转矩：Ｍ
＝８０Ｎ·ｍ
主理
（３）快进，快退速度
３．２预设定转矩的计算
ＺＭ１－２５型油马达是将液压能转换为机械能的转换装置，其输出转矩与系统的压力
＝９０成正比，故改变系统压力，可改变输出转矩。例如：当压力Ｐ＝５ＭＰａ时，转矩Ｍ
理Ｎ·ｍ，其关系表达式为：Ｍ
＝ＡＰ，其中·＝４．６７为比例常数，Ｐ：系统的理论压力。
理
为方便设备的操作，专门设计并给出了压力和转矩的对照关系表，见表１。
注：（１）压力和转矩系线性关系；（２）需中间转矩可用插入法算出
３．３紧丝压紧跟踪的设计计算
在紧丝过程中，锥头一方面要始终压紧在螺钉十字口上，一方面要回转前进，因为螺钉螺距t＝１．５，丝杠的螺距爴＝２，传动系统应满足下列关系，t＝i×２。通过计算：i＝
则t＝×２＝１．５
３．４浮动轴头的结构设计
浮动轴头如图５所示，它主要由小轴６、锥头夹２、压紧盖３、弹簧４、浮动支撑５、等零件构成。锥头装在锥头夹内，锥头夹的前面和压紧盖为球面接触，锥头夹的外园与小轴６的内孔之间的间隙为１．５ｍｍ，在小轴６的圆周上三等份位置上分别设有球面浮动支撑，以便将锥头夹定位在主轴的中心线上，锥头夹后端和主轴依靠端面嵌式离合器联接，一方面用以传递扭矩，同时在锥头受到测向力时，它能产生一定的摆动，在紧丝过程中如四个螺钉的位置有误差时锥头将能自动寻求螺钉十字口中心的位置。用以补偿四个螺钉在机壳上的等分误差，提高锥头的进口率，保护螺钉十字口不易损坏，从而保证产品的质量。
图５ 浮动轴头结构图
１．改锥头２．锥头夹３．压紧盖４．弹簧５．浮动支撑６．小轴７．轴
４夹具的结构设计
涨胎夹具如图６所示。主要由底座１、涨胎４、拉杆５、弹簧３、定位销２等零件构成，涨胎等分为四块，用φ０．６×φ３．５的拉簧联接在一起，底座１上有Ｔ型导向槽，涨胎块分别装在导向槽内，在工件装入夹具时，在油缸的作用下拉动拉杆，拉杆依靠斜面（斜度２０°）将向外涨开，这样两对磁极在预定的位置上被定位且夹紧。本机有四套夹具，每个品种一套。
图６涨胎夹具结构图
１ 底座２ 定位销３ 弹簧４ 涨胎５ 拉杆
５机器的工作原理
参看液压原理图图７。接通电源→工件装在夹具上，由油缸拉紧涨胎，将工件夹紧→工作开始→四个头上的快速电机分别驱动四个头快速前进，直到四个锥头分别触到螺钉十字口（并使弹簧有一定的压缩量）停止→然后四个摆动马达分别摆动一次，使锥头没有进入十字口的进入十字口（已进入十字口的转动９０°）→四个头二次快进，进一步压缩弹簧（直至
不能压缩）没有余量为止→四个油马达转动，通过两对齿轮带动紧丝主轴转动（边转动边前进）直至达到接点压力表调定的压力（即设定的转矩），此时发生信号油马达停转→
此后摆动马达摆动完成转角冲动动作，冲动次数可调（n
１离合器断电，n
２
离合器通电）→冲
动结束四个头快速退回原位→工件松开→一个循环结束。
图７液压原理图
整个工作循环模拟人工操作，用ＰＬＣ控制，动作稳定可靠（ＰＬＣ控制部分从略）单件工时不超过２０秒。
６机器的使用效果
本设备于１９９５年３月在开封内燃机电器厂试生产应用，经使用验证，效果良好。与
传统作业比较提高劳动生产率四倍。装配废品率降低到３ ，保证了产品质量。１９９８年５月又为聊城电机厂提供了一台。该设备的成功研制为国内磁电机行业提供了一种新的工艺
装备，其成本仅为引进国外同类设备的，值得广泛推广应用。本项目获１９９６年度天津市科技进步三等奖。
作者单位：天津市机械研究所天津３００２１０
参考文献
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