CN110103171A - 一种基于阻抗控制原理的控制螺栓紧固力矩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗控制原理的控制螺栓紧固力矩的方法，属于智能制造领域。采用阻抗控制方法调整螺栓紧固工具的输出阻抗，从而调整螺栓旋入力矩与转速的动态关系，使螺栓达到期望力矩的同时，平滑地停止旋转，降低螺栓头对工件表面的冲击，使螺栓头与工件平滑接触。从而减小冲击力矩，避免损伤工件。此外，减少动力工具对操作员手臂的反向冲击力，有效减少动力工具对操作员带来的损伤。如果在旋转过程中遇到螺纹对准问题，可以自动停止旋转，避免破坏螺孔的内螺纹，且无需额外的检测和控制手段。

Description

一种基于阻抗控制原理的控制螺栓紧固力矩的方法

技术领域

本发明属于智能制造领域，涉及一种采用动力工具紧固螺栓时控制力矩的方法，尤其涉及一种基于阻抗控制原理的控制螺栓紧固力矩的方法。

背景技术

在制造业中，使用动力工具紧固螺栓可减轻人的负担，提高装配效率。某些紧固场合需要精确控制螺栓紧固力矩，这种需求对动力工具力矩控制提出了高要求。目前国产动力紧固装置难以实现精确的紧固力矩控制且在此基础上进一步降低过冲。

将螺栓拧入螺孔并形成有效预紧力矩是螺栓紧固的核心问题，如图1所示，一般采用两段式策略：(1)首先是用批头1将螺栓2快速地拧入螺孔直至螺栓头接触工件3，如图1中Ⅰ至Ⅱ所示。(2)然后再使用较大的力矩使螺杆产生有效张力，完成螺栓2紧固，如图1中Ⅱ至Ⅲ所示。第一阶段是螺栓被快速地拧入螺孔，直至螺栓头与工件表面接触且工件受到来自螺栓头的些许预紧力矩，该力矩通过系统设定给出。在螺栓与螺孔交互过程中，螺栓与螺孔之间的相互作用力矩不大。第二阶段是在第一阶段基础上，动力工具增大力矩使螺栓紧固，达到设定的最终期望预紧力矩，此时螺栓头与工件之间承受了动力工具大约50％的力矩，此阶段工件表现出高阻抗特性，即拧螺栓所需扭矩与螺栓拧入距离之间的斜率大。

在螺栓紧固过程中，工件所受力矩如图2所示，第一段过程螺栓从开始旋入到螺栓头与工件接触，转折点为螺栓与工件接触，工件受些许压力，对应螺栓力矩大小有波动但变化不大；第二段过程快速增加紧固力矩，螺杆产生轴向张力，从而达到工件紧固效果。

在第一阶段临近结束时，动力工具高速旋转，具有较大惯性，在螺栓头与工件的接触瞬间，静止的工件会导致螺栓轴向进给速度骤然下降，螺栓动能瞬间转化为螺栓对工件的弹性势能，由于没有缓冲装置存储该势能，故容易损坏工件。第一阶段若采用速度/位置控制，由于存在螺栓与工件加工误差，较难规划预期的速度/位置曲线；若采用力矩控制，一般在达到预定接触力矩时，切断电流或抱死转动装置。但由于动力工具转速快，切断电流或抱死仍然容易产生较大的过冲力矩，对工件和操作人员造成损伤。现阶段，动力工具一般采用在轴向上增加弹性元件的方法来减缓轴向上冲击力，但仍然无法彻底解决冲击力问题，且无法有效地卸载径向上的旋转力矩。

此外，在螺栓与螺孔对准的过程中，往往存在偏差，偶尔还会出现螺纹攻丝缺陷，导致在螺栓拧紧过程中出现异常，如果控制不当，会损伤螺孔内螺纹，破坏设备本身。由于异常情况的出现无法预知，故基于提前规划的速度/位置控制无法实施。如果采用力矩控制，同样对紧固工具的高速停转和抱死提出了很高要求，且需要针对可能出现的异常情况进行单独的力矩控制设计。

发明内容

本发明针对螺栓紧固过程第一阶段，提供了一种基于阻抗控制原理的控制螺栓紧固力矩的方法，以解决动力工具紧固螺栓系统在高速旋转时产生过冲力矩损坏工件、螺孔内螺纹和紧固工具的问题。

阻抗控制是通过控制系统的输出阻抗，使得系统末端位置或速度与系统-环境交互接触力保持合理的动态关系。传统的基于力矩/位置控制的控制方法将工件受到的力矩作为系统的扰动，而基于阻抗控制的控制方法将螺栓紧固看作是动力工具与工件交互的过程。前者是让高阻抗的螺栓头与高阻抗工件接触，高速旋转的螺栓易产生较大的冲击力；后者采用阻抗控制使系统对外呈现柔性，即低阻抗特性。低阻抗的物体与高阻抗的物体接触时，产生的冲击力会大幅度降低。因此，为了提高产品合格率及缩减成本，本发明提出基于阻抗控制的螺栓紧固力控制方法。阻抗控制的实现方式为：设置阻抗控制参数，单片机芯片控制动力工具先轴向进给，再根据反馈的螺栓速度决定动力工具向下紧固螺栓的力矩。

为实现上述目的，具体技术方案如下：

一种基于阻抗控制原理控制螺栓紧固力矩的方法，其特征在于：采用阻抗控制方法调整螺栓紧固工具的输出阻抗，从而调整螺栓旋入力矩与转速的动态关系，使螺栓达到期望力矩的同时，平滑地停止旋转，降低螺栓头对工件表面的冲击，使螺栓头与工件平滑接触。从而减小冲击力矩，降低对工件表面、螺孔内螺纹和紧固工具的损伤。

进一步地，所述阻抗控制方法，是控制系统在传统力矩控制系统基础上，增加阻抗外环，阻抗外环根据螺栓位置速度决定力矩控制系统的输入。

进一步地，所述阻抗外环，是通过编码器检测螺栓头位置，控制系统将螺栓位置的微分作为阻抗控制器的输入；输入速度Vt是指动力工具开始拧螺栓的启动速度。

进一步地，所述阻抗控制方法的实现步骤如下：

S1：通过上位机设置参数控制动力工具紧固螺栓；

S2：启动动力工具；

S3：动力工具使螺栓轴向进给；

S4：编码器检测螺栓头的位置并反馈；

S5：控制系统根据反馈的螺栓头速度决定力矩控制系统的输入力矩。

以上参数包含、阻抗参数值、预期力矩值、输入速度值，上位机可通过串口修改参数，上述S1-S5步骤可采用单片机芯片进行控制。

基于阻抗控制的控制方法是根据动力工具末端与工件的交互状态决定动力工具施加在螺栓上的轴向力矩，从而使动力工具驱使螺栓与螺孔及工件自适应柔顺接触。本发明所提供的一种基于阻抗控制原理控制螺栓紧固力矩的方法，具有以下有益效果：

(1)采用基于阻抗控制的螺栓紧固力控制方法会降低动力工具高速运转时螺栓对工件的冲击力，并且柔顺地将螺栓拧入螺孔，紧固工件。

(2)根据牛顿第三定律，降低螺栓对工件的冲击力，即是降低对紧固工具和操作员手臂的冲击。

(3)在螺栓被拧入螺孔的过程中，遇到力矩异常情况可以自动停止，降低螺栓及工件的损坏率，从而降低产品成本。

(4)此螺栓紧固力矩控制方法可以提高螺栓预紧力的精度。

附图说明

图1是螺栓紧固的两段式策略示意图。

图2是螺栓紧固过程中工件所受力矩示意图。

图3是本发明的基于阻抗控制原理控制螺栓紧固力矩的控制框图。

附图标记：1-批头，2-螺栓，3-工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于阻抗控制原理的控制螺栓紧固力矩的方法，采用阻抗控制方法调整螺栓紧固工具的输出阻抗，从而调整螺栓旋入力矩与转速的动态关系，使螺栓达到期望力矩的同时，平滑地停止旋转，降低螺栓头对工件表面的冲击，使螺栓头与工件平滑接触。所述阻抗控制方法，是控制系统在传统力矩控制系统基础上，增加阻抗外环，阻抗外环根据螺栓速度决定力矩控制系统的输入。

所述阻抗外环，如图3所示，阻抗外环根据螺栓运动状态决定力矩内环的输入。控制系统可利用编码器2检测螺栓位置θ2。由动力工具输入速度Vt及螺栓位置的微分Vrr得：ΔV＝Vt-Vrr。根据计算出动力工具应对螺栓施加多大的力矩，其中K，D，I为阻抗参数，分别对应弹性、阻尼和惯性项。由编码器1与编码器2的角度θ1与θ2得：Δθ＝θ1-θ2。根据Tr＝k_sΔθ函数可计算出力矩Tr作为力矩传感器的力矩反馈，其中k_s为橡胶或扭簧的刚度。Vr为电机速度反馈信息，作为速度控制器的输入，Ir为电机的电流反馈，作为电流控制器的输入，两者构成了底层电机力矩控制环。

所述阻抗控制的控制方法的实现步骤如下：

S1：通过上位机设置参数控制动力工具紧固螺栓；

S2：启动动力工具；

S3：动力工具使螺栓轴向进给；

S4：编码器检测螺栓头的位置并反馈；

S5：控制系统根据反馈的螺栓头速度决定力矩控制系统的输入力矩。

以上参数包含预期力矩值、输入速度值、阻抗参数值、上位机通过串口修改参数，上述S1-S5步骤采用STM32F407芯片进行控制。

以上所述为本发明的较佳实施方式而已，但本发明不局限于该实施方式和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于阻抗控制原理的控制螺栓紧固力矩的方法，其特征在于：采用阻抗控制方法调整螺栓紧固工具的输出阻抗，从而调整螺栓旋入力矩与转速的动态关系，使螺栓达到期望力矩的同时，平滑地停止旋转，降低螺栓头对工件表面的冲击，使螺栓头与工件平滑接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述阻抗控制方法，是控制系统在传统力矩控制系统基础上，增加阻抗外环，阻抗外环根据螺栓位置决定力矩控制系统的输入。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述阻抗外环，是通过编码器检测螺栓头位置，控制系统将螺栓位置作为阻抗控制器的输入；平衡位置是指动力工具开始拧螺栓时，螺栓头所处的轴向位置；控制系统给力矩控制器输入一个力矩阈值，此力矩阈值作为一个前馈补偿。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述阻抗控制方法的实现步骤如下：

S1：通过上位机设置参数控制动力工具紧固螺栓；

S2：启动动力工具；

S3：动力工具使螺栓轴向进给；

S4：编码器检测螺栓头的位置并反馈；

S5：控制系统根据反馈的螺栓头位置决定力矩控制系统的输入力矩。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述参数包含力矩阈值、阻抗参数值、平衡位置值，上位机能够通过串口修改参数，S1-S5步骤采用单片机芯片进行控制。