CN108568660B - 高可靠性螺栓拧紧电路系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高可靠性螺栓拧紧电路系统及其控制方法，包括：通过单片机电机控制端分别连接螺栓拧紧系统的伺服电机驱动电路，单片机电磁控制端连接电磁线圈信号端，单片机激光信号端连接激光传感器信号端，单片机力矩信号端连接力矩传感器信号端。通过自动化控制进行螺栓拧紧操作。本方法能够根据螺栓装配位置实现自动定位，根据工况自适应调整拧紧力矩，自动更换不同型号套筒，螺栓装配可视化，大大降低人力成本，提高螺栓拧紧的效率和可靠性，智能螺栓装配。

Description

高可靠性螺栓拧紧电路系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法。

背景技术

目前在对工业品进行装配过程中，紧固螺栓螺钉是一项终于重要的操作环节，但是现在普遍采用直接通过力矩控制预紧力的方法，其螺栓拧紧度准确性较差，原因是拧紧力矩受摩擦系数波动影响较大，而且现有设备也不适用于大型螺栓的拧紧操作，这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种高可靠性螺栓拧紧电路系统，包括：通过单片机电机控制端分别连接螺栓拧紧系统的伺服电机驱动电路，单片机电磁控制端连接电磁线圈信号端，单片机激光信号端连接激光传感器信号端，单片机力矩信号端连接力矩传感器信号端。

所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统，优选的，所述力矩传感器安装在第一伺服电机内部，该力矩传感器获取力矩数据传输到单片机进行处理。

所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统，优选的，所述激光传感器安装在紧固头内侧，在紧固头的机械手伺服电机轴向开设小孔，激光传感器的光束从小孔射出，激光传感器感测螺栓的运行位移。

本发明还公开一种高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，包括如下步骤：

S1，读取需要装配的所有螺栓孔的大小和位置信息，根据螺栓孔的直径、深度，将其进行分类，螺栓种类分为n类，每一类分别为s(n)个；

S2，对于螺栓种类定义为外循环工作方式，从而进行k次螺栓拧紧循环，对于每一类的螺栓个数定义为内循环工作方式，从而进行s次螺栓拧紧装配；

S3，开始进行螺栓拧紧操作，对套筒进行安装和更换，进行螺栓的拾取操作，然后进行螺栓的拧紧操作；

S4，外循环K次之后，当K小于n时，调取k所对应的螺栓孔个数s(k)，通过预设的阈值判断，进行螺栓拧紧操作，直至全部螺栓拧紧完毕。

所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，优选的，所述S3的套筒安装和更换的步骤包括：

S3-1，判断紧固头是否带有上次循环对应型号的套筒，如果判断带有上次循环对应型号的套筒，控制机械手移动到套筒库中进行k-1类螺栓孔对应的套筒位置，控制直线电机关闭弹性球的弹性，对套筒解除锁紧状态操作，放下套筒；如果判断没有带有相应型号的套筒，控制控制机械手移动到套筒库中进行k类螺栓孔对应的套筒位置，控制机械手伺服电机对相应型号的套筒进行抓取操作，通过直线电机对套筒进行锁紧状态操作。

所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，优选的，所述S3的螺栓拾取步骤包括：

S3-2，移动机械手至k类螺栓的预定位置，判断相应型号的套筒是否对准螺帽，如果没有对准螺帽，则控制机械手伺服电机调整角度继续进行对准操作，如果已经对准螺帽，则开启激光传感器进行测距，检测紧固头与螺栓的螺帽之间距离后，关闭该激光传感器，控制机械手运动到预设的拧紧位移，然后停止，同时打开电磁线圈拾取螺栓。

所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，优选的，所述S3的螺栓拧紧步骤包括：

S3-3，控制机械手移动至k类的第s个螺栓孔，判断紧固头的压力传感器是否发生压力变化，如果发生变化，控制机械手伺服电机进行转动操作，控制电磁线圈关闭，力矩传感器判断扭矩是否突然增大，如果没有增大则关闭不打开激光传感器，如果已经增大，打开激光传感器进行位移测距，记录通过该位移测距所得的行进深度，计算激光传感器的实时位移数据与初始位移数据的差值，如果该差值达到预设值，控制机械手伺服电机停止工作，如果差值没有达到预设值，则继续控制机械手伺服电机进行拧紧操作，直至达到差值的预设值。

所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，优选的，所述S4的阈值判断包括：

S4-1，当内循环S小于s(k)时，S加1后，进行螺栓拾取操作，然后进行螺栓拧紧操作；

S4-2，当内循环S大于等于s(k)时，K加1后，执行S3步骤。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

该电路设计布局合理，成本控制适当，运行稳定可靠。

本方法能够根据螺栓装配位置实现自动定位，根据工况自适应调整拧紧力矩，自动更换不同型号套筒，螺栓装配可视化，大大降低人力成本，提高螺栓拧紧的效率和可靠性，智能螺栓装配。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明电路示意图；

图2是本发明电路细节图；

图3是本发明控制方法示意图；

图4是本发明控制方法示意图；

图5是本发明控制方法示意图；

图6是本发明控制方法示意图；

图7是本发明总体示意图；

图8是本发明侧视图；

图9是本发明B处位置图：

图10是本发明B处细节图；

图11是本发明C处位置图：

图12是本发明C处细节图；

图13是本发明D处位置图：

图14是本发明D处细节图；

图15是本发明机械手细节图；

图16是本发明机械手紧固头示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。

如图1和2所示，本发明提供了一种高可靠性螺栓拧紧电路系统，包括：通过单片机电机控制端分别连接螺栓拧紧系统的伺服电机驱动电路，单片机电磁控制端连接电磁线圈信号端，单片机激光信号端连接激光传感器信号端，单片机力矩信号端连接力矩传感器信号端。

所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统，优选的，所述力矩传感器安装在第一伺服电机内部，该力矩传感器获取力矩数据传输到单片机进行处理。

所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统，优选的，所述激光传感器安装在紧固头内侧，在紧固头的机械手伺服电机轴向开设小孔，激光传感器的光束从小孔射出，激光传感器感测螺栓的运行位移。

如图3所示，本发明还公开一种高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，包括如下步骤：

S1，读取需要装配的所有螺栓孔的大小和位置信息，根据螺栓孔的直径、深度，将其进行分类，螺栓种类分为n类，每一类分别为s(n)个；

S2，对于螺栓种类定义为外循环工作方式，从而进行k次螺栓拧紧循环，对于每一类的螺栓个数定义为内循环工作方式，从而进行s次螺栓拧紧装配；

S3，开始进行螺栓拧紧操作，对套筒进行安装和更换，进行螺栓的拾取操作，然后进行螺栓的拧紧操作；

S4，外循环K次之后，当K小于n时，调取k所对应的螺栓孔个数s(k)，通过预设的阈值判断，进行螺栓拧紧操作，直至全部螺栓拧紧完毕。

如图4所示，所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，优选的，所述S3的套筒安装和更换的步骤包括：

S3-1，判断紧固头是否带有上次循环对应型号的套筒，如果判断带有上次循环对应型号的套筒，控制机械手移动到套筒库中进行k-1类螺栓孔对应的套筒位置，控制直线电机关闭弹性球的弹性，对套筒解除锁紧状态操作，放下套筒；如果判断没有带有相应型号的套筒，控制控制机械手移动到套筒库中进行k类螺栓孔对应的套筒位置，控制机械手伺服电机对相应型号的套筒进行抓取操作，通过直线电机对套筒进行锁紧状态操作。

如图5所示，所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，优选的，所述S3的螺栓拾取步骤包括：

S3-2，移动机械手至k类螺栓的预定位置，判断相应型号的套筒是否对准螺帽，如果没有对准螺帽，则控制机械手伺服电机调整角度继续进行对准操作，如果已经对准螺帽，则开启激光传感器进行测距，检测紧固头与螺栓的螺帽之间距离后，关闭该激光传感器，控制机械手运动到预设的拧紧位移，然后停止，同时打开电磁线圈拾取螺栓。

如图6所示，所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，优选的，所述S3的螺栓拧紧步骤包括：

S3-3，控制机械手移动至k类的第s个螺栓孔，判断紧固头的压力传感器是否发生压力变化，如果发生变化，控制机械手伺服电机进行转动操作，控制电磁线圈关闭，力矩传感器判断扭矩是否突然增大，如果没有增大则关闭不打开激光传感器，如果已经增大，打开激光传感器进行位移测距，记录通过该位移测距所得的行进深度，计算激光传感器的实时位移数据与初始位移数据的差值，如果该差值达到预设值，控制机械手伺服电机停止工作，如果差值没有达到预设值，则继续控制机械手伺服电机进行拧紧操作，直至达到差值的预设值。

如图1所示，所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，优选的，所述S4的阈值判断包括：

S4-1，当内循环S小于s(k)时，S加1后，进行螺栓拾取操作，然后进行螺栓拧紧操作；

S4-2，当内循环S大于等于s(k)时，K加1后，执行S3步骤。

如图7和8所示，机械手1连接前壁2一端，前壁2另一端通过连接部3，连接部3还连接弧形臂4一端，弧形臂4另一端连接基座转盘6，弧形臂中弧形的存在将力从直线分布转化为曲线分布，增强臂的强度，从而能够通过机械手1进行拧紧螺栓操作，基座转盘6底部为沟槽7，沟槽7沉降在滑轨5中，机械手1头部设置紧固装置，通过紧固装置获取螺栓，并将螺栓拧紧在相应的部件上通过套筒台8、8’放置不同型号的套筒，通过机械手1进行抓取套筒的动作。

如图9和10所示，基座托板11通过若干基座固定螺栓10紧固在基座上，定盘9圆心处设置第一伺服电机14，通过第一伺服电机14带动转盘16转动，转盘16为半圆弧形状罩扣在转盘定盘9上，定盘9圆心处设置固定套，固定套内部放置第一伺服电机14，第一伺服电机14通过第一伺服电机紧固螺栓15固定在固定套上，在定盘9圆周处设置制动球12，转盘16半径大于定盘9，转盘16外圆周设置立壁17，立壁17沿定盘9外壁扣合，制动球12限制立壁17一侧在一定范围转动，步进行走电机19设置在定盘9外壁一侧，步进行走电机19安装工作电路18，在步进行走电机19侧壁安装观察孔20，所述观察孔20用于检测步进行走电机19工作状态，或者更换零件、补充润滑油。转盘16的立壁17另一侧设置第二伺服电机固定套13，第二伺服电机固定套13内部安装第二伺服电机21，第二伺服电机21控制弧形臂4运动。

如图11和12所示，加强板22设置在弧形臂4两侧，第三伺服电机23安装在固定筒30一侧，固定筒30一侧设置第三伺服电机固定圈，第三伺服电机固定圈安装第三伺服电机23，第三伺服电机23通过第三伺服电机固定螺栓24连接在第三伺服电机固定圈上，固定筒30一侧设置缺口，该缺口通过第三伺服电机23侧壁的固定块31限定固定筒30的运动位移，固定筒30另一侧安装第四伺服电机26，第四伺服电机26还连接前臂2。固定筒30一侧开设观察口25，固定筒30靠近第四伺服电机26一侧设置检修口29，固定筒30另一侧设置第四伺服电机固定圈，第四伺服电机26安装在第四伺服电机固定圈中，第四伺服电机固定圈通过第四伺服电机固定螺栓27来固定第四伺服电机，在第四伺服电机固定圈与前臂2连接处设置前臂加强筋28，该前臂加强筋28增强前臂工作的抓取力度，提高韧性，肋板32设置在前臂2两侧，肋板32增大前臂的强度。而且肋板32与前臂加强筋28相配合提高前臂2的抓取强度，延长寿命。

如图13和14所示，前臂2一端安装第五伺服电机45，第五伺服电机45连接小臂38一端，第五伺服电机45控制小臂38运动，小臂38两侧设置小臂加强筋39，小臂38另一端通过小臂固定螺栓37固定第六伺服电机36，弯曲臂34一端通过弯曲臂固定盘35连接第六伺服电机36，弯曲臂34另一端连接机械手1，弯曲臂34靠近机械手1一侧设置张力口33，该张力口33能够增加弯曲臂34的韧性；

弯曲臂34通过弯曲臂夹板42与紧固头壳体43抱紧，弯曲臂夹板42四周设置螺栓孔，用于插入紧固螺栓，机械手伺服电机40设置在紧固头壳体43下部，机械手伺服电机40与紧固头通过紧固头连接板41连接，直线电机设置在紧固头的底部，紧固头的头部安装弹性球件。

如图15和16所示，机械手伺服电机40轴向连接紧固头47，在紧固头47侧部开设圆孔，该圆孔安装弹性球件48，与弹性球48相配合的套筒内径设置凹槽，使套筒安装在紧固头47上保持紧固，通过直线电机44控制紧固头47工作，机械手伺服电机40与紧固头47之间的轴向安装减速器。在紧固头47前端安装电磁线圈49，通过电磁线圈49吸附螺栓。

外齿轮51的内径锯齿与内齿轮53外径锯齿相配合，内齿轮53的直径小于外齿轮51掏空的直径，内齿轮53在机械手伺服电机40的带动下沿着扣碗52的凹槽运动，扣碗52通过轴连接盘50连接在机械手伺服电机40的轴向，外齿轮51固定在外部保护筒上，在外齿轮51与外部保护筒位置设置固定槽46，固定槽46与外齿轮51外壁过盈连接。

通过数据接口，将螺栓孔数据读入螺栓拧紧系统的主控制器中；主控制器根据数据特点对螺栓孔进行分类；主控制器对系统内外循环次数赋初值并记录循环次数；主控制器收受套筒卡头上压敏电阻发出的信号，判断套筒卡头上是否装有套筒，机械臂根据循环次数安装或更换套筒；机械臂带动扳手主体移动到螺栓库开启电磁铁抓取螺栓；机械臂带动螺栓移动到螺栓孔位置，伺服电机开始转动，当伺服电机中集成的力矩传感器检测到力矩突增时，打开激光测距装置，机械臂主控制器接收激光测距装置发出信号，判断螺栓是否拧紧到预定位置；拧紧后进行下一次循环；所有螺栓被拧紧后循环结束。

本方法能够根据螺栓装配位置实现自动定位，根据工况自适应调整拧紧力矩，自动更换不同型号套筒，螺栓装配可视化，大大降低人力成本，提高螺栓拧紧的效率和可靠性，智能螺栓装配。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，读取需要装配的所有螺栓孔的大小和位置信息，根据螺栓孔的直径、深度，将其进行分类，螺栓种类分为n类，每一类分别为s(n)个；

S2，对于螺栓种类定义为外循环工作方式，从而进行k次螺栓拧紧循环，对于每一类的螺栓个数定义为内循环工作方式，从而进行s次螺栓拧紧装配；

S3，开始进行螺栓拧紧操作，对套筒进行安装和更换，进行螺栓的拾取操作，然后进行螺栓的拧紧操作；

S4，外循环K次之后，当K小于n时，调取k所对应的螺栓孔个数s(k)，通过预设的阈值判断，进行螺栓拧紧操作，直至全部螺栓拧紧完毕。

2.根据权利要求1所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，其特征在于，所述S3的套筒安装和更换的步骤包括：

S3-1，判断紧固头是否带有上次循环对应型号的套筒，如果判断带有上次循环对应型号的套筒，控制机械手移动到套筒库中进行k-1类螺栓孔对应的套筒位置，控制直线电机关闭弹性球的弹性，对套筒解除锁紧状态操作，放下套筒；如果判断没有带有相应型号的套筒，控制机械手移动到套筒库中进行k类螺栓孔对应的套筒位置，控制机械手伺服电机对相应型号的套筒进行抓取操作，通过直线电机对套筒进行锁紧状态操作。

3.根据权利要求1所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，其特征在于，所述S3的螺栓拾取步骤包括：

S3-2，移动机械手至k类螺栓的预定位置，判断相应型号的套筒是否对准螺帽，如果没有对准螺帽，则控制机械手伺服电机调整角度继续进行对准操作，如果已经对准螺帽，则开启激光传感器进行测距，检测紧固头与螺栓的螺帽之间距离后，关闭该激光传感器，控制机械手运动到预设的拧紧位移，然后停止，同时打开电磁线圈拾取螺栓。

4.根据权利要求1所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，其特征在于，所述S3的螺栓拧紧步骤包括：

S3-3，控制机械手移动至k类的第s个螺栓孔，判断紧固头的压力传感器是否发生压力变化，如果发生变化，控制机械手伺服电机进行转动操作，控制电磁线圈关闭，力矩传感器判断扭矩是否突然增大，如果没有增大则关闭不打开激光传感器，如果已经增大，打开激光传感器进行位移测距，并记录通过该位移测距所得的行进深度，计算激光传感器的实时位移数据与初始位移数据的差值，如果该差值达到预设值，控制机械手伺服电机停止工作，如果差值没有达到预设值，则继续控制机械手伺服电机进行拧紧操作，直至达到差值的预设值。

5.根据权利要求1所述的高可靠性螺栓拧紧电路系统的控制方法，其特征在于，所述S4的阈值判断包括：

S4-1，当内循环S小于s(k)时，S加1后，进行螺栓拾取操作，然后进行螺栓拧紧操作；

S4-2，当内循环S大于等于s(k)时，K加1后，执行S3步骤。

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