差速器总成螺栓5轴自动拧紧机系统设计及关键件仿真

2018-01-18

制造业自动化 2017年10期

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

汽车变速箱是汽车的重要部件之一，是汽车传动系统的主要组成部分。变速箱装配作为变速箱制造过程中的关键工序，对产品质量起着决定性作用。现如今变速箱装配已实现了流水线装配，采用了大量的自动装配技术，从而保证了变速箱的精度、高效、质量的装配。随着变速箱生成的规模化生产和节拍的不段提高，能够节约人力成本和提高节拍的自动化设备不断出现。本文就变速箱装配过程中的差速器总成拧紧机的系统设计进行阐述并对关键受力部件设计进行仿真模拟，提高设备的节拍和使用寿命。

1 系统设计

差速器是汽车变速器的重要组成部分。汽车差速器主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架等组成。其主要功能是当汽车转弯或在不平路面上行驶时，使左右车轮以不同转速滚动，从而保证两侧驱动车轮可以纯滚动运动。鉴于差速器的重要性，差速器总成螺钉拧紧的质量和节拍就成为变速箱的装配的重要一环。本文讨论的是某款变速箱的差速器的总成螺栓（如图1差速器照片所示）拧紧。由于差速器总成螺栓排布紧凑且对称分布，10个拧紧轴布不开，采用5轴带180°旋转变位的在线设备方式全自动拧紧。

1.1 机械系统

设备机械系统（如图2机械系统所示）由二次定位举升机构（气缸驱动）、设备机架、伺服升降机构、带齿轮副的水平伺服旋转机构和5轴拧紧机构等组成。

图1 差速器照片

二次定位举升机构的作用是将在托盘上的要装配差速器总成精确定位，保证装配过程的精度一致。

伺服升降机构的升降实现在线带工件托盘的合理的通过和实现拧紧。

带齿轮副的水平伺服旋转机构实现5轴拧紧机构准确旋转180°。

5轴拧紧机构由5套单轴拧紧机构组成。单套拧紧机构（如图3单轴拧紧机构所示）由拧紧轴、安装板、导向外套、标准延长杆、自制延长杆、套筒等组成。该型号差速器螺栓拧紧最终要求力矩160Nm，自制延长杆受力比较恶劣。根据以往使用经验，自制延长杆一般使用45#钢，易损坏，经常更换，更换周期约1个月左右。因此对单轴拧紧机构进行160Nm工况下的受力仿真模拟。仿真（如图4所示）分别考虑了45#钢、强度和淬透性能好42CrMo两种材料自制延长杆的受力情况。对比受力云图可以看出，采用45#钢自制延长杆已超出屈服极限200%。而采用42CrMo自制延长杆不仅最大应力减小约14%，而且也没有达到屈服极限900MPa[1]，在合理弹性范围内。综合受力云图分析得出结论，自制延长杆设计应采用42CrMo材料。设备投入使用后，42CrMo自制延长杆使用周期可达6个月，提高了设备的使用率。

图2 机械系统

图3 单轴拧紧机构

图4 两种材料应力图

1.2 控制系统的组成

控制系统以西门子S7-300PLC为核心，控制多个伺服系统协调工作。控制系统方框（如图5所示）。

图5 控制系统

本控制系统以西门子S7300-CPU315为控制核心，通过PROFINET现场总线技术，控制各分站的动作。

ET200PRO：控制各气动单元的动作，主要是各气缸的电磁阀；

S120：控制伺服轴的动作，该设备有垂直伺服和旋转伺服两个伺服电机；

ATLAS拧紧轴：控制5个拧紧轴的拧紧与反松。

1.3 控制系统的关键

本设备控制系统的关键是对伺服轴的控制，本设备使用西门子SINAMICS-S120对两个伺服电机进行控制，以垂直伺服滑台（如图6所示）为例说明控制方法，各控制链的各个环节。

从图可以看出，一个矢量或者伺服轴的控制，首先包括外围接口的设定，如端子命令或者是通讯指令等，外围指令直接进入到速度设定点，经过各种限制条件后进入斜坡函数发生器，然后经过速度闭环以及电流闭环调整。而编码器接在电机的轴端，可以将实际速度反馈给速度环，以实现闭环速度控制。

如图7所示分别是位置环和速度环的PID参数设置：位置环的P增益为1，积分时间为0，速度环的P增益为0.125，积分时间为10。增大比例系数P一般将加快系统的响应，电机的跟随性会变好，在有静差的情况下有利

图6 控制链

图7 位置环和速度环PID参数设置图

【】【】于减小静差，但过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。

在实际应用中，更多的是通过凑试法来确定PID参数，在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例后积分的整定步骤。

首先整定比例部分。将比例参数由小变大，观察相应的系统响应，直至得到反应快，超调小的响应曲线。假如系统没有静差或静差已小到答应范围内，并且对响应曲线已经满足，则只需调整比例调节器即可。

假如在比例调节的基础上系统静差不能满足设计要求，则必须加进积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略微缩小，然后减小积分时间，使系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满足的控制过程和整定参数。