本發(fā)明屬于自動(dòng)裝配技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種面向窄口深腔環(huán)境的螺栓自動(dòng)預(yù)緊方法。

背景技術(shù)：

隨著裝備制造技術(shù)發(fā)展與工藝革新，在現(xiàn)代高端裝備制造工藝中存在一類窄口深腔式結(jié)構(gòu)環(huán)境的預(yù)緊裝配作業(yè)任務(wù)。該類任務(wù)具有作業(yè)空間窄小、狹長、不可視等特點(diǎn)，并對(duì)螺栓預(yù)緊力度均勻性和一致性要求很高，預(yù)緊操作難度大。但是，考慮到裝配工藝要求，大多數(shù)實(shí)際預(yù)緊操作不得不在深腔內(nèi)部完成作業(yè)。以某回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)螺栓連接為例，操作入口直徑不足100mm而操作深度400mm以上，且裝配位置上方存在其它零部件遮擋，需要在此狹窄受限的深腔結(jié)構(gòu)環(huán)境中完成周向均布的螺母、螺栓預(yù)緊裝配，實(shí)施難度極大。實(shí)際生產(chǎn)中，此類預(yù)緊操作一般由人工完成，即由手臂細(xì)長的工人手持扭矩扳手深入腔內(nèi)，在可視設(shè)備的輔助下執(zhí)行預(yù)緊操作。這種傳統(tǒng)的深腔預(yù)緊有著諸如勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作效率低、可靠性差、工作環(huán)境較危險(xiǎn)等問題，同時(shí)對(duì)工人的心理和技術(shù)素質(zhì)均要求較高。目前，市場(chǎng)上的常規(guī)設(shè)備根本無法滿足靈活、穩(wěn)定、可視化的操作需求。由此，國內(nèi)外在此方面裝備的自動(dòng)化應(yīng)用程度有限，存在很大的技術(shù)創(chuàng)新空間?？紤]到窄口深腔結(jié)構(gòu)環(huán)境裝配件通常具有制造周期長、成本高昂等特點(diǎn)，為了兼顧操作安全性和操作簡易性，需要融合機(jī)械輔助操作、可視化、自動(dòng)控制等設(shè)計(jì)思想，開展面向窄口深腔環(huán)境的螺栓自動(dòng)預(yù)緊方法研究，并研制專用裝備。

2013年，王川等在申請(qǐng)?zhí)?01320288424.3的專利《一種深入式螺栓緊固器》中，提出了一種帶有螺母嵌套部件的深入式螺栓緊固器，但精度不夠且無法實(shí)現(xiàn)可視化。2014年，黃洪展等在申請(qǐng)?zhí)?01410612525.0的專利《航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子組件深腔內(nèi)螺栓裝卸限力轉(zhuǎn)接扳手》中，提出了一種能沿弧形孔運(yùn)動(dòng)的棘輪扳手?jǐn)Q緊裝置，但自動(dòng)化程度較低，對(duì)工人操作要求較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)窄口深腔式結(jié)構(gòu)環(huán)境內(nèi)螺栓自動(dòng)預(yù)緊難題，發(fā)明了一種面向窄口深腔環(huán)境的螺栓自動(dòng)預(yù)緊方法。該方法采用機(jī)械輔助定位和自動(dòng)螺栓預(yù)緊的方式，確保高效預(yù)緊和安全操作；采用視覺傳感器實(shí)時(shí)反饋內(nèi)部圖像，實(shí)現(xiàn)操作過程以及螺栓裝配結(jié)果可視；采用應(yīng)變片傳感器測(cè)量并反饋扭力信息，保證螺栓預(yù)緊力的可控性和安全性；采用高質(zhì)量機(jī)械部件與控制器，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，提高了裝配精度和自動(dòng)化程度。該方法操作效率高、可靠性好、工作環(huán)境安全。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種面向窄口深腔環(huán)境的螺栓自動(dòng)預(yù)緊方法，其特征是，該方法采用機(jī)械輔助定位和自動(dòng)螺栓預(yù)緊的方式，確保高效預(yù)緊和安全操作；采用視覺傳感器實(shí)時(shí)反饋內(nèi)部圖像，實(shí)現(xiàn)操作過程以及螺栓裝配結(jié)果可視；采用應(yīng)變片傳感器測(cè)量并反饋扭力信息，保證螺栓預(yù)緊力的可控性和安全性；方法的具體步驟如下：

步驟一組裝自動(dòng)預(yù)緊裝置

自動(dòng)預(yù)緊裝置由定位組件i、動(dòng)力組件ii及扳手組件iii組成；先裝配定位組件i：

先組裝定位組件i，采用45鋼制成的止動(dòng)套4與定位盤3同軸安裝，并通過緊固螺栓固定連接在一起；定位盤3上表面有一圈工字形滑槽a，工字形滑槽上開有周向均布的定位孔d，在工字形滑槽上還有兩個(gè)偏心滑槽b，止動(dòng)套4底端有止口臺(tái)階c，止口臺(tái)階c的尺寸與深腔開口處插口尺寸相配合，以確保其能準(zhǔn)確安裝在深腔開口處，安裝時(shí)定位盤3上均布的定位孔d的位置分別與每個(gè)需要預(yù)緊的螺孔位置相對(duì)應(yīng)；

再裝配動(dòng)力組件ii：動(dòng)力組件ii中，采用了圓柱凸輪-從動(dòng)件擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)棘輪扳手工作所需的運(yùn)動(dòng)；圓柱凸輪11的一側(cè)通過軸承與軸承座12連接，另一側(cè)通過軸承、力矩電機(jī)13與機(jī)架14連接。圓柱凸輪11由力矩電機(jī)13驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓柱凸輪的運(yùn)動(dòng)；球滾10一端安裝在圓柱凸輪11的凸輪曲線滾道中，另一端安裝在轉(zhuǎn)板8的邊孔中，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)板8的來回?cái)[動(dòng)，轉(zhuǎn)軸8中間的孔上通過銷與法蘭9相連；顯示控制器安裝底座5上，底座5上端面安裝方便操作的扶手6，轉(zhuǎn)板8通過銷軸7安裝在底座5的上平面上小平臺(tái)上，底座5的下部焊有兩個(gè)對(duì)稱的特制形狀定位銷e，其尺寸與定位裝置3上的工字型滑槽a尺寸一致，并可以伸入定位孔d中，通過螺紋擰緊將動(dòng)力組件ii固定在定位組件i上；

最后組裝扳手組件iii：扳手組件iii中，外殼16直接焊接在外桿套15的下端，在外殼16上裝有視覺傳感器17與led燈18；固定銷19裝在外殼16上和扳手臂20上的滑槽中，拉桿21一端連接扳手臂20，另一端伸出外桿套供人工操作，扳手臂20與棘輪扳手22完全固定。

步驟二向窄口深腔式結(jié)構(gòu)的腔體偏心豎直送入扳手組件iii，使底座5的定位銷e落在定位盤3的偏心槽b上；拉動(dòng)拉桿21調(diào)整棘輪扳手22姿態(tài)與偏心位置，使棘輪扳手22達(dá)到水平，并對(duì)準(zhǔn)螺母；

步驟三在窄口深腔式結(jié)構(gòu)的入口處安裝定位組件i

將定位組件i的止動(dòng)套4穿過外桿套15，插在窄口深腔式結(jié)構(gòu)的深腔入口處，并通過定位裝置3上的工字形滑槽a、偏心槽b以及多個(gè)周向均布的定位孔d實(shí)現(xiàn)機(jī)械輔助定位；外桿套15套在法蘭9的指定位置上；

步驟四啟動(dòng)力矩電機(jī)13實(shí)施自動(dòng)預(yù)緊，

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱凸輪-從動(dòng)件機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)棘輪扳手往復(fù)擺動(dòng)與預(yù)緊動(dòng)作；啟動(dòng)力矩電機(jī)13，打開led燈18，視覺傳感器17工作，利用應(yīng)變片傳感信息預(yù)測(cè)力及電機(jī)力閉環(huán)控制的方法實(shí)現(xiàn)扳手精準(zhǔn)扭矩輸出、工作力矩、已預(yù)緊螺栓數(shù)量等狀態(tài)信息；利用高清液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示螺母預(yù)緊狀態(tài)；檢測(cè)扭矩是否達(dá)標(biāo)，沒有達(dá)標(biāo)電機(jī)繼續(xù)預(yù)緊，若達(dá)標(biāo)進(jìn)行分度至下一個(gè)螺母；直到完成全部螺母的預(yù)緊。

本發(fā)明的有益效果是解決了窄口深腔環(huán)境連接螺栓預(yù)緊操作的現(xiàn)實(shí)難題，消除了工人伸入操作導(dǎo)致的效率低下、危險(xiǎn)等缺陷；解決了窄口深腔式結(jié)構(gòu)環(huán)境螺栓自動(dòng)化預(yù)緊的技術(shù)難題，提高了裝配精度和自動(dòng)化程度。該方法可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔螺栓的預(yù)緊等實(shí)際工況，從而實(shí)現(xiàn)高效靈活作業(yè)。

附圖說明

圖1-窄口深腔環(huán)境安裝螺栓預(yù)緊裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2-定位組件i結(jié)構(gòu)的主視圖，圖3-是圖2的俯視圖，圖4-動(dòng)力組件ii的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5-扳手組件iii的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1-窄口深腔環(huán)境的上部腔體，2-窄口深腔環(huán)境的下部腔體，3-定位盤，4-止動(dòng)套，5-底座，6-扶手，7-銷軸，8-轉(zhuǎn)板，9-法蘭，10-球滾，11-圓柱凸輪，12-軸承座，13-力矩電機(jī)，14-機(jī)架，15-外桿套，16-外殼，17-視覺傳感器，18-led燈，19-銷，20-扳手臂，21-拉桿，22-棘輪扳手。a-工字型滑槽，b-偏心槽，c-止口臺(tái)階，d-定位孔，e-定位銷。

圖6-窄口深腔環(huán)境螺栓自動(dòng)預(yù)緊方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

圖1為窄口深腔環(huán)境安裝螺栓預(yù)緊裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為定位組件i的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是圖2的俯視圖，參見圖1、2、3，定位組件i通過止動(dòng)裝置4上的止口臺(tái)階c組裝在ф100mm的深腔口處，主要起腔口止動(dòng)、裝置支撐固定以及精確定位的作用。定位盤3上表面有一圈工字形滑槽a，可在完成一個(gè)螺母的裝卸后旋轉(zhuǎn)底座5來完成其它待裝卸螺母的定位，工字形滑槽a上開有徑向等間隔的24個(gè)定位孔d，位置分別與每個(gè)需要預(yù)緊的螺孔位置相對(duì)應(yīng)，在工字形滑槽a上還有兩個(gè)偏心滑槽b，偏心距為30mm，以便在扳手偏心送入后將其恢復(fù)為同軸狀態(tài)。

圖4為動(dòng)力組件ii的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖1、4，動(dòng)力組件ii采用了圓柱凸輪-從動(dòng)件擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)棘輪扳手的工作所需運(yùn)動(dòng)。圓柱凸輪11的一側(cè)通過軸承與軸承座12連接，另一側(cè)通過軸承、力矩電機(jī)13與機(jī)架14連接。圓柱凸輪11由力矩電機(jī)13所驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓柱凸輪的運(yùn)動(dòng)。球滾10一端安裝在圓柱凸輪11的凸輪曲線滾道中，另一端安裝在轉(zhuǎn)板8的邊孔中，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)板8的來回?cái)[動(dòng)，同時(shí)可將電機(jī)扭矩放大至高達(dá)200nm。底座5的上平面上裝有扶手6、銷軸7、軸承座12和機(jī)架14。轉(zhuǎn)板8通過銷軸7安裝在底座5的上平面上小平臺(tái)上，底座5的下部有兩個(gè)對(duì)稱的定位銷e，其尺寸與定位裝置3上的工字型滑槽a尺寸一致，并可以伸入定位孔d中，通過螺紋擰緊即可將動(dòng)力組件ii固定在定位組件i的定位盤3上。由于銷軸7的位置與需要裝卸的螺栓位置一致，因此可以保證轉(zhuǎn)軸8精確繞待裝卸螺栓擺動(dòng)。

圖5為扳手組件iii的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖1、5，扳手組件iii中，將外桿套15套在法蘭9上的適當(dāng)位置，外桿套15的長度能將底端扳手送入400mm深的腔內(nèi)。外殼16直接焊接在外桿套15底端，為實(shí)現(xiàn)操作過程可視化，外殼16上裝有視覺傳感器17與照明用led燈18?？紤]裝卸部分的空間約束，扳手機(jī)構(gòu)采用滑槽拉動(dòng)精確調(diào)整姿態(tài)。銷19穿過并固定在外殼16上，與扳手臂20上的滑槽配合實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)，通過在外桿套15外部拉動(dòng)拉桿21即可改變扳手臂20的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)棘輪扳手22與需要預(yù)緊的螺母準(zhǔn)確配合。扳手末端操作扭矩的精度采用應(yīng)變片力傳感反饋和離線標(biāo)定相結(jié)合的方式控制。

扳手組件iii是將力矩從腔外傳遞至腔內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)棘輪扳手22圍繞需要預(yù)緊的螺母來回?cái)[動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。

圖6是窄口深腔環(huán)境螺栓自動(dòng)預(yù)緊流程圖，方法的具體步驟如下：

步驟一組裝自動(dòng)預(yù)緊裝置

參照?qǐng)D1-圖5分別組裝定位組件i、動(dòng)力組件ii、扳手組件iii

三個(gè)組件。

步驟二向窄口深腔式結(jié)構(gòu)的腔體偏心豎直送入扳手組件iii，以避免干涉；底座5的定位銷e落在定位裝置3的偏心槽b上，送入腔體后手動(dòng)調(diào)節(jié)棘輪扳手22的姿態(tài)與偏心位置，拉動(dòng)拉桿21調(diào)整棘輪扳手22姿態(tài)，使棘輪扳手達(dá)到水平，頭部對(duì)準(zhǔn)螺母。

步驟三在窄口深腔式結(jié)構(gòu)的入口處安裝定位組件i

將定位組件i的止動(dòng)套4穿過外桿套15，插在窄口深腔式結(jié)構(gòu)的深腔入口處，手動(dòng)調(diào)整使底座5的定位銷e落在定位裝置3的偏心槽b上，再移動(dòng)底座5，使定位銷e在定位裝置3從偏心槽b上滑到工字型滑槽a上，并準(zhǔn)確落入定位孔d內(nèi)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械輔助定位；將外桿套15套在法蘭9的指定位置上。

步驟四啟動(dòng)力矩電機(jī)13實(shí)施自動(dòng)預(yù)緊，

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱凸輪-從動(dòng)件機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)棘輪扳手往復(fù)擺動(dòng)與預(yù)緊動(dòng)作；啟動(dòng)力矩電機(jī)13，打開led燈18，視覺傳感器17工作，利用應(yīng)變片傳感信息預(yù)測(cè)力及電機(jī)力閉環(huán)控制的方法實(shí)現(xiàn)扳手精準(zhǔn)扭矩輸出、工作力矩、已預(yù)緊螺栓數(shù)量的狀態(tài)信息；利用高清液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示螺母預(yù)緊狀態(tài)。

步驟五檢測(cè)扭矩是否達(dá)標(biāo)，沒有達(dá)標(biāo)電機(jī)繼續(xù)預(yù)緊，若達(dá)標(biāo)進(jìn)行分度至下一個(gè)螺母；重復(fù)步驟四、五，直到完成全部螺母的預(yù)緊。

本發(fā)明提高了窄口深腔結(jié)構(gòu)環(huán)境內(nèi)連接螺栓自動(dòng)預(yù)緊的精度和效率，消除了其他人為因素對(duì)裝卸過程的影響。采用了手動(dòng)定位與自動(dòng)裝卸相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)可見，易于操控的目的。該方法可以應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔等窄口深腔式結(jié)構(gòu)環(huán)境螺栓的自動(dòng)預(yù)緊操作，實(shí)現(xiàn)高效靈活作業(yè)。