本發明屬于自動裝配技術領域，特別涉及一種面向窄口深腔環境的螺栓自動預緊方法。

背景技術：

隨著裝備制造技術發展與工藝革新，在現代高端裝備制造工藝中存在一類窄口深腔式結構環境的預緊裝配作業任務。該類任務具有作業空間窄小、狹長、不可視等特點，并對螺栓預緊力度均勻性和一致性要求很高，預緊操作難度大。但是，考慮到裝配工藝要求，大多數實際預緊操作不得不在深腔內部完成作業。以某回轉體結構螺栓連接為例，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構環境中完成周向均布的螺母、螺栓預緊裝配，實施難度極大。實際生產中，此類預緊操作一般由人工完成，即由手臂細長的工人手持扭矩扳手深入腔內，在可視設備的輔助下執行預緊操作。這種傳統的深腔預緊有著諸如勞動強度大、操作效率低、可靠性差、工作環境較危險等問題，同時對工人的心理和技術素質均要求較高。目前，市場上的常規設備根本無法滿足靈活、穩定、可視化的操作需求。由此，國內外在此方面裝備的自動化應用程度有限，存在很大的技術創新空間。考慮到窄口深腔結構環境裝配件通常具有制造周期長、成本高昂等特點，為了兼顧操作安全性和操作簡易性，需要融合機械輔助操作、可視化、自動控制等設計思想，開展面向窄口深腔環境的螺栓自動預緊方法研究，并研制專用裝備。

2013年，王川等在申請號201320288424.3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現可視化。2014年，黃洪展等在申請號201410612525.0的專利《航空發動機轉子組件深腔內螺栓裝卸限力轉接扳手》中，提出了一種能沿弧形孔運動的棘輪扳手擰緊裝置，但自動化程度較低，對工人操作要求較高。

技術實現要素：

本發明是為克服上述現有技術的不足，針對窄口深腔式結構環境內螺栓自動預緊難題，發明了一種面向窄口深腔環境的螺栓自動預緊方法。該方法采用機械輔助定位和自動螺栓預緊的方式，確保高效預緊和安全操作；采用視覺傳感器實時反饋內部圖像，實現操作過程以及螺栓裝配結果可視；采用應變片傳感器測量并反饋扭力信息，保證螺栓預緊力的可控性和安全性；采用高質量機械部件與控制器，增強系統可靠性，提高了裝配精度和自動化程度。該方法操作效率高、可靠性好、工作環境安全。

本發明所采用的技術方案是一種面向窄口深腔環境的螺栓自動預緊方法，其特征是，該方法采用機械輔助定位和自動螺栓預緊的方式，確保高效預緊和安全操作；采用視覺傳感器實時反饋內部圖像，實現操作過程以及螺栓裝配結果可視；采用應變片傳感器測量并反饋扭力信息，保證螺栓預緊力的可控性和安全性；方法的具體步驟如下：

步驟一組裝自動預緊裝置

自動預緊裝置由定位組件i、動力組件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偏心滑槽b，止動套4底端有止口臺階c，止口臺階c的尺寸與深腔開口處插口尺寸相配合，以確保其能準確安裝在深腔開口處，安裝時定位盤3上均布的定位孔d的位置分別與每個需要預緊的螺孔位置相對應；

再裝配動力組件ii：動力組件ii中，采用了圓柱凸輪-從動件擺動機構實現棘輪扳手工作所需的運動；圓柱凸輪11的一側通過軸承與軸承座12連接，另一側通過軸承、力矩電機13與機架14連接。圓柱凸輪11由力矩電機13驅動，實現圓柱凸輪的運動；球滾10一端安裝在圓柱凸輪11的凸輪曲線滾道中，另一端安裝在轉板8的邊孔中，將電機的轉動轉化為轉板8的來回擺動，轉軸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，轉板8通過銷軸7安裝在底座5的上平面上小平臺上，底座5的下部焊有兩個對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構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；拉動拉桿21調整棘輪扳手22姿態與偏心位置，使棘輪扳手22達到水平，并對準螺母；

步驟三在窄口深腔式結構的入口處安裝定位組件i

將定位組件i的止動套4穿過外桿套15，插在窄口深腔式結構的深腔入口處，并通過定位裝置3上的工字形滑槽a、偏心槽b以及多個周向均布的定位孔d實現機械輔助定位；外桿套15套在法蘭9的指定位置上；

步驟四啟動力矩電機13實施自動預緊，

采用電機驅動圓柱凸輪-從動件機構，實現棘輪扳手往復擺動與預緊動作；啟動力矩電機13，打開led燈18，視覺傳感器17工作，利用應變片傳感信息預測力及電機力閉環控制的方法實現扳手精準扭矩輸出、工作力矩、已預緊螺栓數量等狀態信息；利用高清液晶顯示器實時顯示螺母預緊狀態；檢測扭矩是否達標，沒有達標電機繼續預緊，若達標進行分度至下一個螺母；直到完成全部螺母的預緊。

本發明的有益效果是解決了窄口深腔環境連接螺栓預緊操作的現實難題，消除了工人伸入操作導致的效率低下、危險等缺陷；解決了窄口深腔式結構環境螺栓自動化預緊的技術難題，提高了裝配精度和自動化程度。該方法可應用于發動機轉子內腔螺栓的預緊等實際工況，從而實現高效靈活作業。

附圖說明

圖1-窄口深腔環境安裝螺栓預緊裝置的整體結構示意圖，圖2-定位組件i結構的主視圖，圖3-是圖2的俯視圖，圖4-動力組件ii的結構示意圖，圖5-扳手組件iii的結構示意圖。

其中：1-窄口深腔環境的上部腔體，2-窄口深腔環境的下部腔體，3-定位盤，4-止動套，5-底座，6-扶手，7-銷軸，8-轉板，9-法蘭，10-球滾，11-圓柱凸輪，12-軸承座，13-力矩電機，14-機架，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-止口臺階，d-定位孔，e-定位銷。

圖6-窄口深腔環境螺栓自動預緊方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和技術方案詳細說明本發明的實施方式。

圖1為窄口深腔環境安裝螺栓預緊裝置的整體結構示意圖，圖2為定位組件i的結構示意圖，圖3是圖2的俯視圖，參見圖1、2、3，定位組件i通過止動裝置4上的止口臺階c組裝在ф100mm的深腔口處，主要起腔口止動、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，可在完成一個螺母的裝卸后旋轉底座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個定位孔d，位置分別與每個需要預緊的螺孔位置相對應，在工字形滑槽a上還有兩個偏心滑槽b，偏心距為30mm，以便在扳手偏心送入后將其恢復為同軸狀態。

圖4為動力組件ii的結構示意圖，參見圖1、4，動力組件ii采用了圓柱凸輪-從動件擺動機構實現棘輪扳手的工作所需運動。圓柱凸輪11的一側通過軸承與軸承座12連接，另一側通過軸承、力矩電機13與機架14連接。圓柱凸輪11由力矩電機13所驅動，實現圓柱凸輪的運動。球滾10一端安裝在圓柱凸輪11的凸輪曲線滾道中，另一端安裝在轉板8的邊孔中，將電機的轉動轉化為轉板8的來回擺動，同時可將電機扭矩放大至高達200nm。底座5的上平面上裝有扶手6、銷軸7、軸承座12和機架14。轉板8通過銷軸7安裝在底座5的上平面上小平臺上，底座5的下部有兩個對稱的定位銷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，因此可以保證轉軸8精確繞待裝卸螺栓擺動。

圖5為扳手組件iii的結構示意圖，參見圖1、5，扳手組件iii中，將外桿套15套在法蘭9上的適當位置，外桿套15的長度能將底端扳手送入400mm深的腔內。外殼16直接焊接在外桿套15底端，為實現操作過程可視化，外殼16上裝有視覺傳感器17與照明用led燈18。考慮裝卸部分的空間約束，扳手機構采用滑槽拉動精確調整姿態。銷19穿過并固定在外殼16上，與扳手臂20上的滑槽配合實現滑動，通過在外桿套15外部拉動拉桿21即可改變扳手臂20的姿態，實現棘輪扳手22與需要預緊的螺母準確配合。扳手末端操作扭矩的精度采用應變片力傳感反饋和離線標定相結合的方式控制。

扳手組件iii是將力矩從腔外傳遞至腔內的執行機構，帶動棘輪扳手22圍繞需要預緊的螺母來回擺動實現預緊。

圖6是窄口深腔環境螺栓自動預緊流程圖，方法的具體步驟如下：

步驟一組裝自動預緊裝置

參照圖1-圖5分別組裝定位組件i、動力組件ii、扳手組件iii

三個組件。

步驟二向窄口深腔式結構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，送入腔體后手動調節棘輪扳手22的姿態與偏心位置，拉動拉桿21調整棘輪扳手22姿態，使棘輪扳手達到水平，頭部對準螺母。

步驟三在窄口深腔式結構的入口處安裝定位組件i

將定位組件i的止動套4穿過外桿套15，插在窄口深腔式結構的深腔入口處，手動調整使底座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，并準確落入定位孔d內，實現機械輔助定位；將外桿套15套在法蘭9的指定位置上。

步驟四啟動力矩電機13實施自動預緊，

采用電機驅動圓柱凸輪-從動件機構，實現棘輪扳手往復擺動與預緊動作；啟動力矩電機13，打開led燈18，視覺傳感器17工作，利用應變片傳感信息預測力及電機力閉環控制的方法實現扳手精準扭矩輸出、工作力矩、已預緊螺栓數量的狀態信息；利用高清液晶顯示器實時顯示螺母預緊狀態。

步驟五檢測扭矩是否達標，沒有達標電機繼續預緊，若達標進行分度至下一個螺母；重復步驟四、五，直到完成全部螺母的預緊。

本發明提高了窄口深腔結構環境內連接螺栓自動預緊的精度和效率，消除了其他人為因素對裝卸過程的影響。采用了手動定位與自動裝卸相結合的方法，實現了實時可見，易于操控的目的。該方法可以應用于發動機內腔等窄口深腔式結構環境螺栓的自動預緊操作，實現高效靈活作業。