一种面向窄口深腔环境的螺栓自动预紧方法与流程

本发明属于自动装配技术领域，特别涉及一种面向窄口深腔环境的螺栓自动预紧方法。

背景技术：

随着装备制造技术发展与工艺革新，在现代高端装备制造工艺中存在一类窄口深腔式结构环境的预紧装配作业任务。该类任务具有作业空间窄小、狭长、不可视等特点，并对螺栓预紧力度均匀性和一致性要求很高，预紧操作难度大。但是，考虑到装配工艺要求，大多数实际预紧操作不得不在深腔内部完成作业。以某回转体结构螺栓连接为例，操作入口直径不足100mm而操作深度400mm以上，且装配位置上方存在其它零部件遮挡，需要在此狭窄受限的深腔结构环境中完成周向均布的螺母、螺栓预紧装配，实施难度极大。实际生产中，此类预紧操作一般由人工完成，即由手臂细长的工人手持扭矩扳手深入腔内，在可视设备的辅助下执行预紧操作。这种传统的深腔预紧有着诸如劳动强度大、操作效率低、可靠性差、工作环境较危险等问题，同时对工人的心理和技术素质均要求较高。目前，市场上的常规设备根本无法满足灵活、稳定、可视化的操作需求。由此，国内外在此方面装备的自动化应用程度有限，存在很大的技术创新空间。考虑到窄口深腔结构环境装配件通常具有制造周期长、成本高昂等特点，为了兼顾操作安全性和操作简易性，需要融合机械辅助操作、可视化、自动控制等设计思想，开展面向窄口深腔环境的螺栓自动预紧方法研究，并研制专用装备。

2013年，王川等在申请号201320288424.3的专利《一种深入式螺栓紧固器》中，提出了一种带有螺母嵌套部件的深入式螺栓紧固器，但精度不够且无法实现可视化。2014年，黄洪展等在申请号201410612525.0的专利《航空发动机转子组件深腔内螺栓装卸限力转接扳手》中，提出了一种能沿弧形孔运动的棘轮扳手拧紧装置，但自动化程度较低，对工人操作要求较高。

技术实现要素：

本发明是为克服上述现有技术的不足，针对窄口深腔式结构环境内螺栓自动预紧难题，发明了一种面向窄口深腔环境的螺栓自动预紧方法。该方法采用机械辅助定位和自动螺栓预紧的方式，确保高效预紧和安全操作；采用视觉传感器实时反馈内部图像，实现操作过程以及螺栓装配结果可视；采用应变片传感器测量并反馈扭力信息，保证螺栓预紧力的可控性和安全性；采用高质量机械部件与控制器，增强系统可靠性，提高了装配精度和自动化程度。该方法操作效率高、可靠性好、工作环境安全。

本发明所采用的技术方案是一种面向窄口深腔环境的螺栓自动预紧方法，其特征是，该方法采用机械辅助定位和自动螺栓预紧的方式，确保高效预紧和安全操作；采用视觉传感器实时反馈内部图像，实现操作过程以及螺栓装配结果可视；采用应变片传感器测量并反馈扭力信息，保证螺栓预紧力的可控性和安全性；方法的具体步骤如下：

步骤一组装自动预紧装置

自动预紧装置由定位组件i、动力组件ii及扳手组件iii组成；先装配定位组件i：

先组装定位组件i，采用45钢制成的止动套4与定位盘3同轴安装，并通过紧固螺栓固定连接在一起；定位盘3上表面有一圈工字形滑槽a，工字形滑槽上开有周向均布的定位孔d，在工字形滑槽上还有两个偏心滑槽b，止动套4底端有止口台阶c，止口台阶c的尺寸与深腔开口处插口尺寸相配合，以确保其能准确安装在深腔开口处，安装时定位盘3上均布的定位孔d的位置分别与每个需要预紧的螺孔位置相对应；

再装配动力组件ii：动力组件ii中，采用了圆柱凸轮-从动件摆动机构实现棘轮扳手工作所需的运动；圆柱凸轮11的一侧通过轴承与轴承座12连接，另一侧通过轴承、力矩电机13与机架14连接。圆柱凸轮11由力矩电机13驱动，实现圆柱凸轮的运动；球滚10一端安装在圆柱凸轮11的凸轮曲线滚道中，另一端安装在转板8的边孔中，将电机的转动转化为转板8的来回摆动，转轴8中间的孔上通过销与法兰9相连；显示控制器安装底座5上，底座5上端面安装方便操作的扶手6，转板8通过销轴7安装在底座5的上平面上小平台上，底座5的下部焊有两个对称的特制形状定位销e，其尺寸与定位装置3上的工字型滑槽a尺寸一致，并可以伸入定位孔d中，通过螺纹拧紧将动力组件ii固定在定位组件i上；

最后组装扳手组件iii：扳手组件iii中，外壳16直接焊接在外杆套15的下端，在外壳16上装有视觉传感器17与led灯18；固定销19装在外壳16上和扳手臂20上的滑槽中，拉杆21一端连接扳手臂20，另一端伸出外杆套供人工操作，扳手臂20与棘轮扳手22完全固定。

步骤二向窄口深腔式结构的腔体偏心竖直送入扳手组件iii，使底座5的定位销e落在定位盘3的偏心槽b上；拉动拉杆21调整棘轮扳手22姿态与偏心位置，使棘轮扳手22达到水平，并对准螺母；

步骤三在窄口深腔式结构的入口处安装定位组件i

将定位组件i的止动套4穿过外杆套15，插在窄口深腔式结构的深腔入口处，并通过定位装置3上的工字形滑槽a、偏心槽b以及多个周向均布的定位孔d实现机械辅助定位；外杆套15套在法兰9的指定位置上；

步骤四启动力矩电机13实施自动预紧，

采用电机驱动圆柱凸轮-从动件机构，实现棘轮扳手往复摆动与预紧动作；启动力矩电机13，打开led灯18，视觉传感器17工作，利用应变片传感信息预测力及电机力闭环控制的方法实现扳手精准扭矩输出、工作力矩、已预紧螺栓数量等状态信息；利用高清液晶显示器实时显示螺母预紧状态；检测扭矩是否达标，没有达标电机继续预紧，若达标进行分度至下一个螺母；直到完成全部螺母的预紧。

本发明的有益效果是解决了窄口深腔环境连接螺栓预紧操作的现实难题，消除了工人伸入操作导致的效率低下、危险等缺陷；解决了窄口深腔式结构环境螺栓自动化预紧的技术难题，提高了装配精度和自动化程度。该方法可应用于发动机转子内腔螺栓的预紧等实际工况，从而实现高效灵活作业。

附图说明

图1-窄口深腔环境安装螺栓预紧装置的整体结构示意图，图2-定位组件i结构的主视图，图3-是图2的俯视图，图4-动力组件ii的结构示意图，图5-扳手组件iii的结构示意图。

其中：1-窄口深腔环境的上部腔体，2-窄口深腔环境的下部腔体，3-定位盘，4-止动套，5-底座，6-扶手，7-销轴，8-转板，9-法兰，10-球滚，11-圆柱凸轮，12-轴承座，13-力矩电机，14-机架，15-外杆套，16-外壳，17-视觉传感器，18-led灯，19-销，20-扳手臂，21-拉杆，22-棘轮扳手。a-工字型滑槽，b-偏心槽，c-止口台阶，d-定位孔，e-定位销。

图6-窄口深腔环境螺栓自动预紧方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。

图1为窄口深腔环境安装螺栓预紧装置的整体结构示意图，图2为定位组件i的结构示意图，图3是图2的俯视图，参见图1、2、3，定位组件i通过止动装置4上的止口台阶c组装在ф100mm的深腔口处，主要起腔口止动、装置支撑固定以及精确定位的作用。定位盘3上表面有一圈工字形滑槽a，可在完成一个螺母的装卸后旋转底座5来完成其它待装卸螺母的定位，工字形滑槽a上开有径向等间隔的24个定位孔d，位置分别与每个需要预紧的螺孔位置相对应，在工字形滑槽a上还有两个偏心滑槽b，偏心距为30mm，以便在扳手偏心送入后将其恢复为同轴状态。

图4为动力组件ii的结构示意图，参见图1、4，动力组件ii采用了圆柱凸轮-从动件摆动机构实现棘轮扳手的工作所需运动。圆柱凸轮11的一侧通过轴承与轴承座12连接，另一侧通过轴承、力矩电机13与机架14连接。圆柱凸轮11由力矩电机13所驱动，实现圆柱凸轮的运动。球滚10一端安装在圆柱凸轮11的凸轮曲线滚道中，另一端安装在转板8的边孔中，将电机的转动转化为转板8的来回摆动，同时可将电机扭矩放大至高达200nm。底座5的上平面上装有扶手6、销轴7、轴承座12和机架14。转板8通过销轴7安装在底座5的上平面上小平台上，底座5的下部有两个对称的定位销e，其尺寸与定位装置3上的工字型滑槽a尺寸一致，并可以伸入定位孔d中，通过螺纹拧紧即可将动力组件ii固定在定位组件i的定位盘3上。由于销轴7的位置与需要装卸的螺栓位置一致，因此可以保证转轴8精确绕待装卸螺栓摆动。

图5为扳手组件iii的结构示意图，参见图1、5，扳手组件iii中，将外杆套15套在法兰9上的适当位置，外杆套15的长度能将底端扳手送入400mm深的腔内。外壳16直接焊接在外杆套15底端，为实现操作过程可视化，外壳16上装有视觉传感器17与照明用led灯18。考虑装卸部分的空间约束，扳手机构采用滑槽拉动精确调整姿态。销19穿过并固定在外壳16上，与扳手臂20上的滑槽配合实现滑动，通过在外杆套15外部拉动拉杆21即可改变扳手臂20的姿态，实现棘轮扳手22与需要预紧的螺母准确配合。扳手末端操作扭矩的精度采用应变片力传感反馈和离线标定相结合的方式控制。

扳手组件iii是将力矩从腔外传递至腔内的执行机构，带动棘轮扳手22围绕需要预紧的螺母来回摆动实现预紧。

图6是窄口深腔环境螺栓自动预紧流程图，方法的具体步骤如下：

步骤一组装自动预紧装置

参照图1-图5分别组装定位组件i、动力组件ii、扳手组件iii

三个组件。

步骤二向窄口深腔式结构的腔体偏心竖直送入扳手组件iii，以避免干涉；底座5的定位销e落在定位装置3的偏心槽b上，送入腔体后手动调节棘轮扳手22的姿态与偏心位置，拉动拉杆21调整棘轮扳手22姿态，使棘轮扳手达到水平，头部对准螺母。

步骤三在窄口深腔式结构的入口处安装定位组件i

将定位组件i的止动套4穿过外杆套15，插在窄口深腔式结构的深腔入口处，手动调整使底座5的定位销e落在定位装置3的偏心槽b上，再移动底座5，使定位销e在定位装置3从偏心槽b上滑到工字型滑槽a上，并准确落入定位孔d内，实现机械辅助定位；将外杆套15套在法兰9的指定位置上。

步骤四启动力矩电机13实施自动预紧，

采用电机驱动圆柱凸轮-从动件机构，实现棘轮扳手往复摆动与预紧动作；启动力矩电机13，打开led灯18，视觉传感器17工作，利用应变片传感信息预测力及电机力闭环控制的方法实现扳手精准扭矩输出、工作力矩、已预紧螺栓数量的状态信息；利用高清液晶显示器实时显示螺母预紧状态。

步骤五检测扭矩是否达标，没有达标电机继续预紧，若达标进行分度至下一个螺母；重复步骤四、五，直到完成全部螺母的预紧。

本发明提高了窄口深腔结构环境内连接螺栓自动预紧的精度和效率，消除了其他人为因素对装卸过程的影响。采用了手动定位与自动装卸相结合的方法，实现了实时可见，易于操控的目的。该方法可以应用于发动机内腔等窄口深腔式结构环境螺栓的自动预紧操作，实现高效灵活作业。