CN107538209B - 一种螺栓锁紧装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供螺栓锁紧装置及其控制方法，包括支柱、支撑臂、伺服驱动器、电机编码器线、电机动力线、减速机、位置传感器、伺服电机、第一扭力传感器、第二扭力传感器、连接器、螺纹胶存贮器和螺纹胶滴管；本发明通过伺服驱动器缓慢加速驱动电机和减速器，带动连接器将螺栓正常锁入零部件后，连接器保持匀速旋转；当螺栓已经接近锁紧后，所述伺服电机开始减速，当扭矩传感器反馈的扭矩值到达设定的扭矩值后伺服电机停止旋转；通过设置位置传感器，判断螺栓是否安装到位和发生倾斜；通过设置螺纹胶滴管，可以免去人手工控制螺纹胶的挤出使用量；本发明提高锁紧螺栓的工作效率，提高装配质量。
Description
技术领域
本发明涉及螺栓紧固技术领域，更具体地说，涉及一种对螺栓进行装配的自动锁紧装置及其控制方法。
背景技术
零部件之间采用螺栓连接是一种广泛使用的紧固方法。此方法具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点，应用于各种大中小型、微轻重型的机械机电设备中。因此，螺栓紧固的质量优劣，往往决定了产品的质量优劣。目前市场上常见的自动锁螺丝装置由整流器，无刷直流电机，减速机，套筒或者螺丝刀头组成。其工作原理是当接通220V交流电源，交流电流经过整流器整流成直流后，驱动直流无刷电机转动，从而带动减速机上的套筒或者螺丝刀转动将螺丝锁紧在零部件组件上。现有的螺栓螺栓锁紧装置及其控制方法具有的优点是结构简单，成本较低，但也有下列不足：
1、传统锁紧螺栓机的速度是固定的，选用较快的锁紧螺栓机时，如果不能及时发现螺栓的位置不正确或者组件上的螺牙有异常，不能及时停止锁紧进行调整，就会造成锁紧螺栓倾斜，甚至扭断螺栓或者螺栓锁不紧。选用较慢的锁紧螺栓机时，又会造成工作效率低。
2、在锁紧螺栓这个过程中，由于是电机在带动螺丝锁紧，人在这个过程中很难感受到锁紧螺栓的力度，所以很难判断当前螺栓是否锁紧或者滑牙，这样就存在质量隐患。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种螺栓锁紧装置及其控制方法，本发明首先利用位置传感器，检测螺栓位置是否正确和发生倾斜，将位置信号传输给伺服驱动器，判断装置是否进行工作；通过精准扭矩伺服电机驱动器驱动伺服电机，伺服电机带动减速机转动，从而使减速机上的套筒或者螺丝刀紧固螺栓，实现零部件间稳固的螺纹连接，其该螺纹连接的预紧力由本发明精准扭矩伺服锁螺栓机构进行精准控制。该螺栓锁紧装置及其控制方法一方面能够提高螺栓锁紧的效率，另一方面能够提高螺栓锁紧的质量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
螺栓锁紧装置，包括支柱、支撑臂、伺服驱动器、电机编码器线、电机动力线、减速机、位置传感器、伺服电机、第一扭力传感器、第二扭力传感器、连接器、螺纹胶存贮器和螺纹胶滴管；所述支柱上置有所述伺服驱动器和所述螺纹胶存贮器；所述减速机通过所述支撑臂与所述支柱连接；所述减速机上置有所述伺服电机；所述伺服驱动器和所述伺服电机通过所述电机编码器线、所述电机动力线连接在一起；所述减速机下方固定有所述连接器，所述连接器可以装配套筒或者十字螺丝刀；所述减速机一侧置设有位置传器感；所述支柱上方设置有报警灯；所述减速机与所述连接器之间设置有第二扭力传感器；所述减速机与所述伺服电机之间设置有第一扭力传感器；所述伺服电机内部设置有电机编码器，与所述电机编码器线相连；
伺服驱动器实时监控当前电机电流，通过所述第一扭力传感器及所述第二扭力传感器反馈的信号监控当前螺栓的扭力，从而判断当前装置的工作状态是否异常；
所述伺服驱动器控制电机设置为先缓慢驱动所述伺服电机加速，所述伺服电机缓慢加速所述减速器，所述减速器带动所述连接器将螺栓正常锁入零部件后，所述连接器保持匀速旋转；当所述伺服驱动器计算所述连接器转动圈数足够将螺栓锁入零部件后，开始减速，然后保持较低速度转动，直到所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器输出的扭力值达到设定值，所述连接器达到转动圈数后，所述位置传感器开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经接近锁紧，所述伺服电机开始减速，当所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器反馈的扭矩值到达设定的扭矩值后，所述位置传感器开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经锁紧，所述伺服驱动器停止出入电流，所述伺服电机停止转动，工作完成；反之，当高度值不等于设定的螺丝位移值，则报警，报警灯亮。
作为螺栓锁紧装置的一种改进，螺纹胶存贮器置有螺纹胶滴管，所述螺纹胶滴管上置有螺纹胶开关。
作为螺栓锁紧装置的一种改进，所述螺纹胶存贮器上置有螺纹胶挤出量控制器。
螺栓锁紧控制方法，采用前述的螺栓锁紧装置，其方法如下：
步骤1：当装置开始工作的时候，所述伺服驱动器内电机电流流经一个小电阻值的分压电阻，分压电阻两端产生电压，经过隔离放大器和运算放大器后，伺服驱动器内的单片机采集隔离放大后的电压，换算得到当前电机电流；此电流经过所述电机动力线输入所述伺服电机，从而驱动伺服电机转动，以此带动所述减速机和所述连接器的转动；所述伺服驱动器通过所述电机编码器反馈的信号得到所述伺服电机轴转动圈数，计算得到当前所述连接器转动圈数；同时，通过所述电机编码器的AP，BP，ZP信号反馈到伺服驱动器上，反馈的是差分信号，通过差分信号接收器，将差分信号转化为单端信号并输入到单片机；根据AP，BP，ZP的逻辑关系，判断当前所述伺服电机运转方向和速度；AP，BP，ZP三路是差分信号，使用二输入异或逻辑芯片，单输入信号有某一路出现异常时，输出错误的逻辑信号，单片机检测到错误逻辑信号，则报警，所述报警灯亮；
步骤2：所述伺服驱动器控制电机设置为先缓慢驱动所述伺服电机加速，所述伺服电机缓慢加速所述减速器，所述减速器带动所述连接器将螺栓正常锁入零部件后，所述连接器保持匀速旋转；当所述伺服驱动器计算所述连接器转动圈数足够将螺栓锁入零部件后，开始减速，然后保持较低速度转动，直到所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器输出的扭力值达到设定值，所述连接器达到转动圈数后，所述位置传感器开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经接近锁紧，所述伺服电机开始减速，当所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器反馈的扭矩值到达设定的扭矩值后，所述位置传感器开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经锁紧，所述伺服驱动器停止出入电流，所述伺服电机停止转动，工作完成；反之，当高度值不等于设定的螺丝位移值，则报警，报警灯亮；工作的整个过程中，所述伺服驱动器实时监控当前电机电流，通过所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器反馈的信号监控当前螺栓的扭力，从而判断当前装置的工作状态是否异常；当电机电流超过当前工作状态的额定值，则判定螺栓锁紧异常，报警灯亮。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、通过设置伺服驱动器，起到对伺服电机的驱动，控制电机输出的扭矩，在装置运行的整个过程中实时监测数据。由于伺服电机输出电流正比于伺服电机扭矩，在伺服驱动器软件上，根据伺服驱器采集当前输出电流，判断当前伺服电机输出电流。通过当前伺服电机电流与伺服驱动器设定的额定扭矩进行对比，当实际伺服电机电流过大，则可能发生螺栓位置倾斜或者卡死，电流过小，则可能是螺丝滑牙。提高锁紧螺栓的工作效率。
2、根据伺服电机内部设置的电机编码器反馈的编码器信号，判断当前伺服电机转动圈数，计算当前螺栓旋转进度。当伺服驱动器发送的位置脉冲指令达到预先设定的值，且电机编码器反馈的的实际位置信号与发送的位置脉冲信号数目在误差范围内。电机实际输出电流与设定值在误差范围内。则可判断当前螺丝锁紧，无偏差。提高锁紧螺栓的工作效率。
3、通过在减速机的输入输出端分别设置动态扭力传感器，检测当前拧紧螺栓的扭矩。第一扭力传感器和第二扭力传感器可分别将信息传递给伺服驱动器，伺服驱动器根据当前两个扭矩值，判断当前工作状况并修订误差。提高锁紧质量。
4、通过设置位置传感器，避免当零部件的螺纹公差较小时，螺栓拧紧扭矩到达预设值后，螺栓并未安装到位和发生倾斜的情况。提高锁紧质量。
5、通过设置螺纹胶滴管，可以免去人手工控制螺纹胶的挤出使用量。只需要人手工控制螺纹胶开关，螺纹胶即可自动挤出，且挤出量可以通过螺栓的规格进行预设，不会出现挤出过多或者过少的问题。提高锁紧螺栓的工作效率和质量。
6、伺服驱动器设置加减速处理程序，当装置开始工作的时候，伺服电机缓慢加速减速器，减速器带动所述连接器将螺栓正常锁入零部件后，连接器保持匀速旋转。当螺栓已经接近锁紧后，所述伺服电机开始减速，当第一扭力传感器和第二扭力传感器反馈的扭矩值到达设定的扭矩值后伺服电机停止旋转。提高锁紧螺栓的工作效率。
本发明在用户实际使用中，通过统计两种螺栓锁紧装置及其控制方法在工作中出现的故障，发现采用本发明，螺丝锁偏和卡死的故障率由1.5%降为0.04%；螺丝滑牙没锁紧的故障率由0.8% 降为0.02%；螺丝拧断的故障率由0.09%降为0.0001%；异常故障发现率由96.7% 提高到99.999%；每小时锁螺丝由50颗/min 提高到180/min。
通过图数据对比，可以明显看出本采用本发明，能够大大降低机械在工作中出现的螺丝卡死，滑牙，锁不紧等异常情况，且在出现异常情况后，提高异常情况发现率，提高工作效率。
附图说明
图1-本发明的整体结构示意图。
图2-本发明电流采样电路隔离放大器原理图。
图3-本发明电流采样电路运算放大器原理图。
图4-本发明电机编码器电路差分信号接收器原理图。
图5-本发明电机编码器电路四路二输入异或门原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明包括支柱1，支撑臂2，伺服驱动器3，电机编码器线4，电机动力线5，减速机6，位置传感器7，伺服电机8，第一扭力传感器9，第二扭力传感器10，连接器11，螺纹胶存贮器12，螺纹胶滴管13等构成。所述支柱1上置有所述伺服驱动器3和所述螺纹胶存贮器4；所述减速机6通过所述支撑臂2与所述支柱1连接；所述减速机6上置有所述伺服电机8；所述伺服驱动器3和所述伺服电机8通过所述电机编码器线4、所述电机动力线5连接在一起；所述减速机6下方固定有所述连接器11，所述连接器11可以装配套筒或者十字螺丝刀；所述减速机11一侧置有位置传器感7，构成整个装置。
所述支柱1上方设置有报警灯14。
所述减速机6与所述连接器11之间设置有第二扭力传感器10。
所述减速机6与所述伺服电机8之间设置有第一扭力传感器9。
所述伺服电机8内部设置有电机编码器15，与所述电机编码器线4相连。
所述螺纹胶存贮器12置有螺纹胶滴管13，所述螺纹胶滴管13上置有螺纹胶开关16。
所述螺纹胶存贮器12上置有螺纹胶挤出量控制器17。
参见图 1、图2、图3、图4、图5，详细描述本发明的控制方法：
步骤1：当装置开始工作的时候，所述伺服驱动器3内电机电流流经一个电阻很小的分压电阻，分压电阻两端产生电压，经过隔离放大器U9和运算放大器U101后，伺服驱动器内的单片机采集隔离放大后的电压，换算得到当前电机电流。此电流经过所述电机动力线5输入所述伺服电机8，从而驱动伺服电机8转动，以此带动所述减速机6和所述连接器11的转动。所述伺服驱动器3通过的所述电机编码器15反馈的信号得到所述伺服电机8轴转动圈数，计算得到当前所述连接器11转动圈数。同时，通过所述电机编码器15的AP,BP,ZP信号反馈到伺服驱动器3上，反馈的是差分信号，通过差分信号接收器，将差分信号转化为单端信号并输入到单片机。根据AP,BP,ZP的逻辑关系，判断当前所述伺服电机8运转方向和速度。AP，BP，ZP三路是差分信号，例如，A信号为AP+，AP-。使用二输入异或逻辑芯片，单输入信号有某一路出现异常时，输出错误的逻辑信号，单片机检测到错误逻辑信号，则报警，所述报警灯亮。
步骤2：所述伺服驱动器3控制电机设置为先缓慢驱动所述伺服电机8加速，所述伺服电机8缓慢加速所述减速器6，所述减速器6带动所述连接器11将螺栓正常锁入零部件后，所述连接器11保持匀速旋转。当所述伺服驱动器3计算所述连接器11转动圈数足够将螺栓锁入零部件后，开始减速，然后保持较低速度转动，直到所述第一扭力传感器9和所述第二扭力传感器10输出的扭力值达到设定值，所述连接器11达到转动圈数后，所述位置传感器7开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经接近锁紧，所述伺服电机8开始减速，当所述第一扭力传感器9和所述第二扭力传感器10反馈的扭矩值到达设定的扭矩值后，所述位置传感器7开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经锁紧，所述伺服驱动器停止出入电流，所述伺服电机停止转动，工作完成。反之，当高度值不等于设定的螺丝位移值，则报警，报警灯亮。
工作的整个过程中，所述伺服驱动器3实时监控当前电机电流，通过所述第一扭力传感器9和所述第二扭力传感器10反馈的信号监控当前螺栓的扭力，从而判断当前装置的工作状态是否异常。当电机电流超过当前工作状态的额定值，则判定螺栓锁紧异常，报警灯亮。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.螺栓锁紧装置，其特征在于：包括支柱、支撑臂、伺服驱动器、电机编码器线、电机动力线、减速机、位置传感器、伺服电机、第一扭力传感器、第二扭力传感器、连接器、螺纹胶存贮器和螺纹胶滴管；所述支柱上置有所述伺服驱动器和所述螺纹胶存贮器；所述减速机通过所述支撑臂与所述支柱连接；所述减速机上置有所述伺服电机；所述伺服驱动器和所述伺服电机通过所述电机编码器线、所述电机动力线连接在一起；所述减速机下方固定有所述连接器，所述连接器可以装配套筒或者十字螺丝刀；所述减速机一侧设置有位置传器感；所述支柱上方设置有报警灯；所述减速机与所述连接器之间设置有第二扭力传感器；所述减速机与所述伺服电机之间设置有第一扭力传感器；所述伺服电机内部设置有电机编码器，与所述电机编码器线相连；
伺服驱动器实时监控当前电机电流，通过所述第一扭力传感器及所述第二扭力传感器反馈的信号监控当前螺栓的扭力，从而判断当前装置的工作状态是否异常；
所述伺服驱动器控制电机设置为先缓慢驱动所述伺服电机加速，所述伺服电机缓慢加速所述减速机，所述减速机带动所述连接器将螺栓正常锁入零部件后，所述连接器保持匀速旋转；当所述伺服驱动器计算所述连接器转动圈数足够将螺栓锁入零部件后，开始减速，然后保持较低速度转动，直到所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器输出的扭力值达到设定值，所述连接器达到转动圈数后，所述位置传感器开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经接近锁紧，所述伺服电机开始减速，当所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器反馈的扭矩值到达设定的扭矩值后，所述位置传感器开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经锁紧，所述伺服驱动器停止出入电流，所述伺服电机停止转动，工作完成；反之，当高度值不等于设定的螺丝位移值，则报警，报警灯亮。
2.根据权利要求1所述螺栓锁紧装置，其特征在于：螺纹胶存贮器置有螺纹胶滴管，所述螺纹胶滴管上置有螺纹胶开关。
3.根据权利要求2所述螺栓锁紧装置，其特征在于：所述螺纹胶存贮器上置有螺纹胶挤出量控制器。
4.螺栓锁紧控制方法，采用权利要求1-3任意一项所述的螺栓锁紧装置，其方法如下：
步骤1：当装置开始工作的时候，所述伺服驱动器内电机电流流经一个分压电阻，分压电阻两端产生电压，经过隔离放大器和运算放大器后，伺服驱动器内的单片机采集隔离放大后的电压，换算得到当前电机电流；此电流经过所述电机动力线输入所述伺服电机，从而驱动伺服电机转动，以此带动所述减速机和所述连接器的转动；所述伺服驱动器通过所述电机编码器反馈的信号得到所述伺服电机轴转动圈数，计算得到当前所述连接器转动圈数；同时，通过所述电机编码器的AP，BP，ZP信号反馈到伺服驱动器上，反馈的是差分信号，通过差分信号接收器，将差分信号转化为单端信号并输入到单片机；根据AP，BP，ZP的逻辑关系，判断当前所述伺服电机运转方向和速度；AP，BP，ZP三路是差分信号，使用二输入异或逻辑芯片，单输入信号有某一路出现异常时，输出错误的逻辑信号，单片机检测到错误逻辑信号，则报警，所述报警灯亮；
步骤2：所述伺服驱动器控制电机设置为先缓慢驱动所述伺服电机加速，所述伺服电机缓慢加速所述减速机，所述减速机带动所述连接器将螺栓正常锁入零部件后，所述连接器保持匀速旋转；当所述伺服驱动器计算所述连接器转动圈数足够将螺栓锁入零部件后，开始减速，然后保持较低速度转动，直到所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器输出的扭力值达到设定值，所述连接器达到转动圈数后，所述位置传感器开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经接近锁紧，所述伺服电机开始减速，当所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器反馈的扭矩值到达设定的扭矩值后，所述位置传感器开始判定螺栓距离零部件安装面的高度，当高度值等于设定的螺丝位移值，说明螺栓已经锁紧，所述伺服驱动器停止出入电流，所述伺服电机停止转动，工作完成；反之，当高度值不等于设定的螺丝位移值，则报警，报警灯亮；工作的整个过程中，所述伺服驱动器实时监控当前电机电流，通过所述第一扭力传感器和所述第二扭力传感器反馈的信号监控当前螺栓的扭力，从而判断当前装置的工作状态是否异常；当电机电流超过当前工作状态的额定值，则判定螺栓锁紧异常，报警灯亮。
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