差速器總成螺栓5軸自動(dòng)擰緊機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵件仿真

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

汽車變速箱是汽車的重要部件之一，是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分。變速箱裝配作為變速箱制造過(guò)程中的關(guān)鍵工序，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用?，F(xiàn)如今變速箱裝配已實(shí)現(xiàn)了流水線裝配，采用了大量的自動(dòng)裝配技術(shù)，從而保證了變速箱的精度、高效、質(zhì)量的裝配。隨著變速箱生成的規(guī)?；a(chǎn)和節(jié)拍的不段提高，能夠節(jié)約人力成本和提高節(jié)拍的自動(dòng)化設(shè)備不斷出現(xiàn)。本文就變速箱裝配過(guò)程中的差速器總成擰緊機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述并對(duì)關(guān)鍵受力部件設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬，提高設(shè)備的節(jié)拍和使用壽命。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

差速器是汽車變速器的重要組成部分。汽車差速器主要由左右半軸齒輪、兩個(gè)行星齒輪及齒輪架等組成。其主要功能是當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎或在不平路面上行駛時(shí)，使左右車輪以不同轉(zhuǎn)速滾動(dòng)，從而保證兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪可以純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。鑒于差速器的重要性，差速器總成螺釘擰緊的質(zhì)量和節(jié)拍就成為變速箱的裝配的重要一環(huán)。本文討論的是某款變速箱的差速器的總成螺栓（如圖1差速器照片所示）擰緊。由于差速器總成螺栓排布緊湊且對(duì)稱分布，10個(gè)擰緊軸布不開，采用5軸帶180°旋轉(zhuǎn)變位的在線設(shè)備方式全自動(dòng)擰緊。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)（如圖2機(jī)械系統(tǒng)所示）由二次定位舉升機(jī)構(gòu)（氣缸驅(qū)動(dòng)）、設(shè)備機(jī)架、伺服升降機(jī)構(gòu)、帶齒輪副的水平伺服旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和5軸擰緊機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 差速器照片

二次定位舉升機(jī)構(gòu)的作用是將在托盤上的要裝配差速器總成精確定位，保證裝配過(guò)程的精度一致。

伺服升降機(jī)構(gòu)的升降實(shí)現(xiàn)在線帶工件托盤的合理的通過(guò)和實(shí)現(xiàn)擰緊。

帶齒輪副的水平伺服旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)5軸擰緊機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)180°。

5軸擰緊機(jī)構(gòu)由5套單軸擰緊機(jī)構(gòu)組成。單套擰緊機(jī)構(gòu)（如圖3單軸擰緊機(jī)構(gòu)所示）由擰緊軸、安裝板、導(dǎo)向外套、標(biāo)準(zhǔn)延長(zhǎng)桿、自制延長(zhǎng)桿、套筒等組成。該型號(hào)差速器螺栓擰緊最終要求力矩160Nm，自制延長(zhǎng)桿受力比較惡劣。根據(jù)以往使用經(jīng)驗(yàn)，自制延長(zhǎng)桿一般使用45#鋼，易損壞，經(jīng)常更換，更換周期約1個(gè)月左右。因此對(duì)單軸擰緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行160Nm工況下的受力仿真模擬。仿真（如圖4所示）分別考慮了45#鋼、強(qiáng)度和淬透性能好42CrMo兩種材料自制延長(zhǎng)桿的受力情況。對(duì)比受力云圖可以看出，采用45#鋼自制延長(zhǎng)桿已超出屈服極限200%。而采用42CrMo自制延長(zhǎng)桿不僅最大應(yīng)力減小約14%，而且也沒(méi)有達(dá)到屈服極限900MPa[1]，在合理彈性范圍內(nèi)。綜合受力云圖分析得出結(jié)論，自制延長(zhǎng)桿設(shè)計(jì)應(yīng)采用42CrMo材料。設(shè)備投入使用后，42CrMo自制延長(zhǎng)桿使用周期可達(dá)6個(gè)月，提高了設(shè)備的使用率。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)

圖3 單軸擰緊機(jī)構(gòu)

圖4 兩種材料應(yīng)力圖

1.2 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)以西門子S7-300PLC為核心，控制多個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作?？刂葡到y(tǒng)方框（如圖5所示）。

圖5 控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)以西門子S7300-CPU315為控制核心，通過(guò)PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，控制各分站的動(dòng)作。

ET200PRO：控制各氣動(dòng)單元的動(dòng)作，主要是各氣缸的電磁閥；

S120：控制伺服軸的動(dòng)作，該設(shè)備有垂直伺服和旋轉(zhuǎn)伺服兩個(gè)伺服電機(jī)；

ATLAS擰緊軸：控制5個(gè)擰緊軸的擰緊與反松。

1.3 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵

本設(shè)備控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是對(duì)伺服軸的控制，本設(shè)備使用西門子SINAMICS-S120對(duì)兩個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，以垂直伺服滑臺(tái)（如圖6所示）為例說(shuō)明控制方法，各控制鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)。

從圖可以看出，一個(gè)矢量或者伺服軸的控制，首先包括外圍接口的設(shè)定，如端子命令或者是通訊指令等，外圍指令直接進(jìn)入到速度設(shè)定點(diǎn)，經(jīng)過(guò)各種限制條件后進(jìn)入斜坡函數(shù)發(fā)生器，然后經(jīng)過(guò)速度閉環(huán)以及電流閉環(huán)調(diào)整。而編碼器接在電機(jī)的軸端，可以將實(shí)際速度反饋給速度環(huán)，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)速度控制。

如圖7所示分別是位置環(huán)和速度環(huán)的PID參數(shù)設(shè)置：位置環(huán)的P增益為1，積分時(shí)間為0，速度環(huán)的P增益為0.125，積分時(shí)間為10。增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，電機(jī)的跟隨性會(huì)變好，在有靜差的情況下有利

圖6 控制鏈

圖7 位置環(huán)和速度環(huán)PID參數(shù)設(shè)置圖

【】【】于減小靜差，但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，更多的是通過(guò)湊試法來(lái)確定PID參數(shù)，在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例后積分的整定步驟。

首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。假如系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已小到答應(yīng)范圍內(nèi)，并且對(duì)響應(yīng)曲線已經(jīng)滿足，則只需調(diào)整比例調(diào)節(jié)器即可。

假如在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加進(jìn)積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略微縮小，然后減小積分時(shí)間，使系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿足的控制過(guò)程和整定參數(shù)。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

本設(shè)備（如圖8所示）工作過(guò)程為：帶減速器的托盤到達(dá)本工位時(shí)，二次定位舉升機(jī)構(gòu)舉升精確定位托盤，伺服升降機(jī)構(gòu)下降，5軸擰緊機(jī)構(gòu)擰緊5個(gè)螺栓，伺服機(jī)構(gòu)上升，水平伺服旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，伺服升降機(jī)構(gòu)下降，5軸擰緊機(jī)構(gòu)擰緊另外5個(gè)螺栓，伺服回原位，二次定位舉升機(jī)構(gòu)下降，托盤自動(dòng)放行。

3 結(jié)束語(yǔ)

該差速器總成螺栓5軸擰緊機(jī)通過(guò)西門子伺服控制升降及旋轉(zhuǎn)，配合5軸擰緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了差速器總成10個(gè)螺栓的自動(dòng)擰緊。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)仿真模擬選擇關(guān)鍵件的材料，有利于設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該設(shè)備已在線通過(guò)了生產(chǎn)，目前設(shè)備狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，滿足用戶的節(jié)拍和質(zhì)量要求。

圖8 設(shè)備實(shí)物圖片

[1]成大先,等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].5版.化學(xué)工業(yè)出版社,2011.