液压缸装配中螺纹自动拧紧方案的设计

曾庆珏

惠阳航空螺旋桨有限责任公司

摘要: 螺纹自动拧紧装备是集螺纹拧紧技术、自动控制技术为一体,实现螺纹自动联接功能,具有联接可靠、适应复杂联接装配工艺、工作效率高等优点的装置,在航空发动机装配中的螺纹联接具有很大的应用前景。由于液压缸内腔空间狭小、螺纹联接工艺性差、拧紧力矩控制精度要求高的限制,螺纹自动拧紧装备拧紧力矩的高稳定和高精度控制成为主要难点;而且,高精度的拧紧力矩控制可减小螺纹预紧力的离散性,从而保证液压缸的联接质量。

关键词:液压缸;自动拧紧;方案;设计

液压缸是动筒液压系统中重要的执行元件，它通过将液压泵提供的液压能转变为机械能，使动筒门架及车桥等实现直线运动。介绍了在动筒类油缸量产过程中，为突破传统装配工艺，实现自动化装配所做出的新型装配设备的设计。

1方案设计

1.1设计任务的制定

常规动筒液压缸装配多采用手工装配，其中缸筒体与缸盖拧紧工序为人工采用扳手拧紧。结合企业智能制造的需求，攻克关键技术设备，实现自动化装配，故针对动筒液压缸类产品研发出一种可适应不同缸径、长度的液压缸装配的自动拧紧专机，可实现缸筒体自动夹紧定位及拧紧动作，不同产品换产时，通过PLC、人机界面、伺服电机及自动调节拧紧机构实现自动对中，换产无需更换工装，可兼容φ70～90mm的缸径，质量在50kg以下的液压缸产品。

1.2功能结构的分解及建立

随后可根据设计需求，对设备主体的其他功能予以变化调整。根据设计任务目标，确定液压缸螺纹自动拧紧方案中的主要涵盖拧紧功能、支撑功能、装夹功能、控制功能及附加功能等。结合模块设计方法分析得出，方案中的基本模块类别为拧紧功能，辅助模块类别为支撑装夹功能、特殊模块类别为控制系统及适应模块类别为附加功能等。随即根据划分得出的模块类别进行任务分解，确定设计的主要内容及各功能模块。详细功能结构的分解见图1所示。

图1设计方案功能结构

1.3设计方案的形成

(1)通过结合产品装配需求实际，对以上功能模块进行组合，形成闭式模块系统。其结合部位的设计依据，符合国家及行业标准。

(2)通过对设计任务的分解，为实现产品力锁紧力矩的要求，采用伺服电机作为拧紧动力，中间连接行星减速器降低转速、增大扭矩，带动卡爪旋转实现自动拧紧动作。更换产品种类时，通过人工输入产品型号，系统调取产品外径、长度等参数，自动调整夹爪行程及拧紧工作台高度进行对中，以满足不同型号导向套的拧紧。借助力矩传感器进行拧紧力矩的信号反馈，当扭矩达到设定值时，电机停止，完成导向套的拧紧。同时选用带有扭矩限制器的联轴器，防止拧紧时过载造成工件装配不当。实际应用中可采用拧紧圈数及拧紧力矩双重信号检测导向套是否拧到位。

(3)通过结合不同缸径的产品调节余量，设计伺服顶升。机构由伺服顶升电机、电机支架、直线轴承、导杆、等主要零部件组成。顶升机构将由前序中的6Ｒ机器人（这是什么意思？）转运过来的缸筒体顶起，调整缸筒体及活塞杆轴线的高度，保证缸体在同一高度上，缸体、活塞杆轴线同心度在0．3mm内。

(4)通过结合液压缸缸体外表面结构，确定缸体定位机构。机构主要由缸体压紧机构和背压机构组成。缸体背压机构由伺服电机、限位挡块组成，限定缸体筒口端面的位置，压紧机构将缸体压紧在V型定位工装上。

(5)设计中标准元器件选型举例1:在拧紧机构设计中，已知液压缸缸筒的缸径在φ70～90mm的产品，设计要求拧紧力矩值120～180N·m，故在设计中设定拧紧机构锁紧力矩0～300N·m可调，留有一定的工作余量。

在设计中，尤其需要结合气缸的负载率进行对应型号选择。选型计算中，气缸实际负载力与理论输出力的比值即为气缸负载率。在实际工况中，气缸的负载值不同，作用在活塞轴上的实际负载力也不同。所以，首先确定气缸负载率，也能得出气缸的理论出力。且气缸的负载率与其负载性能及运行速度存在一定关系。例如在静载荷(如夹紧、低俗压铆的工作条件下)作用下，气缸负载率≤80%;在动载荷作用下，若气缸速度＜100mm/s，其负载率≤65%。详细数值可参照“气缸负载率与运动状态对应表”。故按照上述公示计算，选定气缸缸径为25mm。其余标准件选型皆根据设计目标的参数计算得来。

2应用说明

2.1应用方法

由前序工作人员将缸筒体与活塞杆体进行组装，缸盖套装至活塞杆体处。将装配好待拧紧的缸体放置在工作平台的定位V型块上，待定位夹紧后，拧紧夹头工作台自动调节中心高度，与导向套对准中心后，拧紧夹头直线进给直至夹紧导向套，伺服电机带动夹头旋转直至到达设定的力矩值，拧紧动作完成。

结合图2～图4，对本设计的详细结构及应用方法进行说明:人工将已推入活塞杆及导向套的缸体放置在工作桌台的定位元件上，如图2所示5－1机构，由工作桌台上方的压紧装置中3－2导向机构及3－3压紧气缸，带动3－4定位元件对工件进行压紧。工作桌面一侧设有顶紧装置;如图3所示，工件压紧后由4－5顶紧气缸带动4－1滑动平台、4－2定位元件、4－3顶紧轴对工件尾部进行限位及顶紧。

图2顶升装置、压紧装置、工作桌台

图3顶紧装置

图4拧紧装置

工件定位装夹稳定后，由图2所示的1－1顶升气缸及1－2导向机构带动1－3起升平台，对图4中的拧紧装置进行高度调节。待2－4拧紧夹头与缸体轴心对准后，拧紧装置下方2－6推送平台由气缸带动向前进给，将2－4拧紧夹头推送至导向套扳手槽处卡紧后，2－1伺服电机通过2－2行星减速器增大扭矩后，带动拧紧夹头、导向套做旋转进给运动，直至导向套拧紧力矩达到设定值，电机停止，完成导向套的拧紧动作。

2.2应用效果

设计方案的实体设备已制作完毕，通过在动筒油缸中4种不同缸径产品装配中的批量应用及为期6个月的连续使用，生产系统反馈效果良好。经过使用过程中跟踪测量，锁紧力矩误差可维持在±8%左右，符合相关技术要求。

3结论

本设计是集机械传动、电气传动、伺服控制、自动检测为一体的机电一体化设备，对螺纹的装配有扭矩、转动圈速、转动速度等功能。与现有技术相比，能实现自动装夹及拧紧液压缸导向套的动作，其中弹性拧紧夹头可适用于多种产品。可降低人员装配的劳动强度，高效环保，同时可避免对不同直径的导向套拧紧工装的更换动作。通过与前后序衔接，可实现工件的自动化装配，在动筒液压缸行业内有一定的借鉴意义。

参考文献

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