CN116460573B - 基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力角钢塔螺栓紧固作业技术领域，具体涉及一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法。本发明的电磁离合自适应螺栓拧紧装置包括安装于机架上的自定心卡盘以及用于驱动自定心卡盘产生自回转动作的打击动力源；螺栓紧固时，利用自定心卡盘张开套入待拧紧螺栓的螺母端，同时利用电磁离合器与夹持动力源和打击动力源的配合，确保拧紧作业完成。本发明不仅能一机多用的适应不同规格的螺栓安装操作，无需在线更换套筒，同时具备工作稳定灵活的优点。

Description

基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法

技术领域

本发明属于电力角钢塔螺栓紧固作业技术领域，具体涉及一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法。

背景技术

电力角钢塔是将角钢通过螺栓或焊接而成的桁架结构，主要由四根主角钢主材和一些用于斜拉支撑的辅材构造而成；角钢主材与地基呈一定倾斜角度布置，角钢主材间采用外包角钢并加螺栓固定连接，斜材与角钢主材间采用螺栓直连或外加节点板，同时还会沿角钢塔高度方向布置大量水平外延的脚钉从而供人工检查所用。随着机械化的普及，目前越来越多的角钢塔用机器人开始应运而生，如杆塔机器人等，工作方向包括但不局限于实现日常巡检、线路搭接乃至螺栓紧固甚至复紧等。如专利公告号为“CN113458744A”的名称为“一种套筒辅助更换匣以及应用该辅助更换匣的检修机器人”的专利中就记载有相应的专用于螺栓复紧的杆塔机器人；当前，该类杆塔机器人仍然秉持着“单一规格套筒匹配单一规格螺栓”的点对点式安装思路，而由于电机角钢塔上螺栓众多且规格不一，当螺栓规格产生变化时，就需要通过辅助更换匣来实现套筒更换，显然存在操作上的繁琐问题，也相应的增加了整体结构的复杂度和成本。此外，传统的固定式的套筒由于强调口径的匹配性，因此对定位要求非常高，不仅人工很难每次都精准套入待作业螺栓，机器人也需要配备较高精度的视觉定位设备，对机器成本的影响性较大，这也是本领域近年来亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其不仅能一机多用的适应不同规格的螺栓安装操作，无需在线更换套筒，同时具备工作稳定灵活的优点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：该电磁离合自适应螺栓拧紧装置包括安装于机架上的自定心卡盘以及用于驱动自定心卡盘产生自回转动作的打击动力源；其中：

自定心卡盘包括沿轴向依序同轴布置的从动齿轮、安装座及滑座，滑座处设置径向滑槽从而安放滑动卡爪；从动齿轮上设置涡卷状的弧形导向槽，安装座处布置孔型长度方向沿安装座径向延伸的中间导向孔，滑动卡爪处轴向凸设有滑销，滑销穿过中间导向孔后与弧形导向槽间形成孔轴插接式滑移配合；滑动卡爪产生夹持动作时的从动齿轮回转方向与自定心卡盘作拧紧动作时的转动方向彼此反向；夹持动力源的输出轴通过电磁离合器连接主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮形成啮合配合；

还包括以下步骤：

S1、自定心卡盘张开，三个以上的滑动卡爪所围合形成的套筒套入待拧紧螺栓的螺母端；

S2、电磁离合器通电并进入闭合状态，夹持动力源正转带动主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿轮转动；同时，打击动力源产生反向制动转矩，限制自定心卡盘张开动作时产生自转，直至自定心卡盘完全夹紧待拧紧螺栓；随后，电磁离合器断电，夹持动力源停止动作；

S3、打击动力源通电正转，同时电磁离合器进入低电压工作模式，也即处于小摩擦力吸附状态，限制滑动卡爪产生松动动作；打击动力源持续转动，待拧紧螺栓被拧紧在操作面上；

S4、当螺栓拧紧流程完成后，电磁离合器重新通电并进入闭合状态，夹持动力源开始反转，此时打击动力源同步进行低电压正向制动，从而确保自定心卡盘逐渐张开的同时限制自定心卡盘自转；

S5、电磁离合器断电，打击动力源断电，张开状态的自定心卡盘脱离已拧紧的螺栓，拧紧作业完成。

优选的，所述打击动力源为打击电机，打击动力源与自定心卡盘同轴布置；打击动力源的打击轴贯穿从动齿轮后，与安装座间形成止转式的固定配合。

优选的，所述安装座处同轴的贯穿设置有方孔，打击轴为方轴结构，打击轴穿入该方孔后，依靠轴向螺钉将打击轴紧固于方孔处。

优选的，各滑动卡爪绕自定心卡盘的周向依序均布；滑动卡爪的顶端凹设有角槽状的配合口，各滑动卡爪的配合口彼此配合从而抱合待拧紧螺栓的螺母端。

优选的，所述夹持动力源为夹持电机；夹持动力源通过联轴器同轴固定在电磁离合器上。

优选的，该电磁离合自适应螺栓拧紧装置还包括导引组件，导引组件包括固定在举升臂处的升降架，升降架上安装导引电机，且升降架通过滑块固定在机架处的滑轨上；机架处还布置长度方向平行自定心卡盘轴线的齿条，导引电机的输出轴通过第一同步齿轮啮合在齿条处。

优选的，该电磁离合自适应螺栓拧紧装置还包括固定于升降架上的编码器，编码器的输入轴通过第二同步齿轮啮合在齿条处；第一同步齿轮和第二同步齿轮彼此位置避让。

优选的，该电磁离合自适应螺栓拧紧装置还包括用于照射待拧紧螺栓的双目相机，双目相机的照射方向平行自定心卡盘的轴向。

本发明的有益效果在于：

1)、抛弃了单一匹配式的需高空更换套筒的传统作业模式；本发明通过采用自定心卡盘配合打击动力源的协同动作模式，在本发明作业前可将套筒开口也即自定心卡盘张开至最大状态，便于待拧紧螺栓的套入，减少对视觉和机构定位精度的要求。此外，本发明可用于拧紧不同规格的螺栓，套筒可根据不同螺栓规格自适应夹紧，无需更换套筒，可省去在杆塔高空作业环境下机器人更换套筒的繁琐操作，使用起来非常灵活稳定。

2)、进一步的，自定心卡盘采用从动齿轮、安装座及滑座的三层轴向组合构造；工作时，可依托夹持动力源的动作，使得从动齿轮转动，进而带动滑动卡爪产生径向抱合及张开动作，使用十分灵活可靠。同时，需注意滑动卡爪产生夹持动作时的从动齿轮回转方向与自定心卡盘作拧紧动作时的转动方向彼此反向，也即当打击动力源驱动自定心卡盘作拧紧动作时，滑动卡爪因上述反向设计，会越夹越紧，极大的增加了装置的工作稳定性及可靠性，成效显著。

3)、电磁离合器，为本发明的核心部件之一。本发明的电磁离合器具备三种工作模式，一种是通电完全吸附，用于夹持电机实现主动驱动功能，进而实现自定心卡盘的夹紧和放开动作；一种是断电断开，以便确保无干涉下的打击电机的独立工作功能；还有一种是小摩擦力吸附，从而在打击电机工作时提供部分工作阻力，确保自定心卡盘的正常夹紧操作。同时，对于打击电机，也有五种工作状态，即正转、反转、停止、正低电压产生一定的转矩和反低电压产生一定的转矩，以便实现相应工作目的，使用非常灵活。

4)、进一步的，本发明还增设有导引组件，其目的在于实现在恒定高度下，本发明相对各个待拧紧螺栓的轴向动作功能；尤其对于杆塔机器人等类似自动化机器人而言，工作时尽可能减少其他额外部件的动作是很有必要的，这对提升工作稳定性、工作精度乃至整机协调和动力损耗等均有有利影响。至此，本发明仅仅只需单独的拧紧作业区域的动作，就能完全满足螺栓拧紧作业需求，具备构造简洁且功能完善的优点。

5)、本发明在设计时，打击动力源、夹持动力源乃至导引组件的安装或动作方向均为轴向设计，此时搭配轴向照射的双目相机，既进一步确保了各构件的布置紧凑性，又确保了双目相机的无干涉工作效果，视觉定位结构上也更为简化，一举多得。

附图说明

图1为本发明的电磁离合自适应螺栓拧紧装置的工作状态示意图；

图2为本发明的电磁离合自适应螺栓拧紧装置的装配示意图；

图3和图4为机架沿导引组件动作时的动作状态流程图；

图5为图4的剖视图；

图6为打击动力源和夹持动力源的配合状态立体图；

图7为图6的剖视图；

图8和图9为自定心卡盘的动作状态流程图；

图10为自定心卡盘的结构爆炸图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

a-待拧紧螺栓；

10-机架；

20-自定心卡盘；21-从动齿轮；21a-弧形导向槽；22-安装座；22a-中间导向孔；23-滑座；24-径向滑槽；25-滑动卡爪；25a-滑销；

31-夹持动力源；32电磁离合器；33-主动齿轮；

41-打击动力源；42-轴承；

50-举升臂；

61-升降架；62-导引电机；63-滑块；64-滑轨；65-齿条；66-编码器；

70-双目相机。

具体实施方式

为便于理解，此处以杆塔机器人的电力杆塔螺栓紧固作业举例，结合图1-10，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

在电力杆塔螺栓紧固作业时，本发明可作为作业组件安装在杆塔机器人的作业机械臂也即举升臂50的末端，如图1-2所示，从而实现远程的自动化作业需求。

进一步的，如图1-4所示，本发明的主体结构包括导引组件、自适应螺栓旋紧组件和双目相机70三大部分，其中：

一、导引组件

导引组件用于带动自适应螺栓旋紧组件升降，在作业时向下移动套住待拧紧螺栓a，作业后向上移动脱离待拧紧螺栓a。

如图1-5所示，导引组件包括布置在机架10上的齿条65，并同时包括带有第一同步齿轮的导引电机62、带有第二同步齿轮的编码器66以及相应的滑轨64和滑块63等。滑块63为两组且固定在升降架61上，从而将升降架61导轨配合在机架10的滑轨64处。第一同步齿轮安装在导引电机62的输出轴上，第二同步齿轮安装在编码器66的输入轴上，第一同步齿轮和第二同步齿轮均与齿条65啮合，从而能如图3-5所示的驱动整个自适应螺栓旋紧组件上下移动。编码器66用于同步检测自适应螺栓旋紧组件的升降位置。

二、自适应螺栓旋紧组件及双目相机

自适应螺栓旋紧组件用于拧紧相应螺栓；双目相机70固定于机架10上，用于定位待拧紧螺栓a位置。

如图4所示，自适应螺栓旋紧组件由机架10及位于机架10上的打击系统和夹持系统等组成。其中，作为打击动力源41的打击电机通过轴承42同轴安装在机架10上，打击电机的打击轴与轴承42配合后伸入并定位至自定心卡盘20处；自定心卡盘20安装在该打击轴的底端。构成夹持动力源31的夹持电机安装在机架10上且与打击电机彼此轴线平行，电磁离合器32通过联轴器与夹持电机输出轴连在一起。主动齿轮33安装在电磁离合器32上，主动齿轮33与自定心卡盘20上的从动齿轮21彼此啮合，如图6-7所示。

对于自定心卡盘20而言，如图8-10所示的，包括沿轴向依序布置的从动齿轮21、安装座22、滑座23及带有滑销25a的滑动卡爪25。装配时，从动齿轮21与安装座22同轴配合，可相互转动；滑座23安装在安装座22上，三个滑动卡爪25圆周均布在滑座23处预设的的径向滑槽24内。每个滑动卡爪25上均安装有滑销25a，每个滑销25a穿过安装座22的中间导向孔22a与从动齿轮21上对应的弧形导向槽21a形成滑配。当从动齿轮21相对安装座22转动时，可驱动三个滑动卡爪25同步张开和闭合。

电磁离合器32，为本发明的核心部件之一。本发明的电磁离合器32具备三种工作模式，一种是通电完全吸附，用于夹持电机实现主动驱动功能，进而实现自定心卡盘20的夹紧和放开动作；一种是断电断开，以便确保无干涉下的打击电机的独立工作功能；还有一种是小摩擦力吸附，从而在打击电机工作时提供部分工作阻力，确保自定心卡盘20的正常夹紧操作，可通过现场调节实现。同时，对于打击电机，也有无种工作状态，即正转、反转、停止、正低电压产生一定的转矩和反低电压产生一定的转矩，以便实现以下工作目的：

使用方法一：自定心卡盘20张开至如图8所示的最大开口，三个滑动卡爪25所围合形成的套筒套上待拧紧螺栓a，套筒旋转拧紧待拧紧螺栓a。参照图1所示。更具体为：

导引组件驱动自适应螺栓旋紧组件如图3所示下移，套入待拧紧螺栓a，随后电磁离合器32通电并进入闭合状态。再后，参照图6-7所示的，夹持动力源31正转带动主动齿轮33转动，主动齿轮33带动从动齿轮21转动；此时，由于自定心卡盘20会因其内部结构件间的相互摩擦而一起转动，一起转动时从动齿轮21不会产生相对安装座22的相对转动，滑动卡爪25无法闭合；所以，在滑动卡爪25张开动作时，需要打击动力源41产生一个反向的制动转矩；当打击动力源41因反低电压产生一定的转矩时，此转矩可使自定心卡盘20张开动作时不会在打击动力源41的驱动下转动。当打击电机处于上述低电压反向制动状态时，自定心卡盘20逐渐完全夹紧待拧紧螺栓，同时电磁离合器32断电，夹持动力源31停止。再后，打击动力源41通电正转，同时给电磁离合器32通一个较低电压，使电磁离合器32产生一定的摩擦力而又不完全闭合，也即处于小摩擦力吸附状态，这完全可以通过现场调节实现；否则，在打击拧紧时，由于会产生较大的振动，会使自定心卡盘20内部结构件相对转动而使得滑动卡爪25松动。

当然，为避免上述功能，本发明还对装置的安装方式有一定要求，要求三个滑动卡爪25闭合时，从动齿轮21的转动方向与打击动力源41的正转方向相反，也即滑动卡爪25产生夹持动作时的从动齿轮21回转方向与自定心卡盘20作拧紧动作时的转动方向彼此反向；这样，在拧紧时，给从动齿轮21一定的摩擦阻力，使其产生一个相对打击动力源41反向的相对转动趋势，就能使自定心卡盘20在拧紧过程中越夹越紧。

当上述流程完成后，待拧紧螺栓a如图1所示的被彻底拧紧在相应操作面上，随后电磁离合器32通电并进入闭合状态-夹持动力源31反转-打击动力源41低电压正向制动-自定心卡盘20张开-电磁离合器32和相应电机全部断电-导引组件驱动自适应螺栓旋紧组件如图4-5所示上移，脱离已拧紧的螺栓，拧紧作业完成。

当然，在上述核心操作方法的基础上，本发明的电磁离合自适应螺栓拧紧装置也具备以下的另一种操作方法，也即：

使用方法二：本发明的三个滑动卡爪25均张开至最大开口，套上待拧紧螺栓a，打击电机正转，边旋转边夹紧待拧紧螺栓a。更具体为：

导引组件驱动自适应螺栓旋紧组件下移，套入待拧紧螺栓a，随后打击动力源41通电正转，同时给电磁离合器32通一个较低电压，使电磁离合器32产生一定的摩擦力而又不完全闭合。再后，打击电机在正转的同时，自定心卡盘20也逐渐夹紧待拧紧螺栓a，直至自适应螺栓旋紧组件下移到位的同时自定心卡盘20也夹持到位，打击电机继续正转直至拧紧结束。

当拧紧作业结束后，电磁离合器32通电并进入闭合状态-夹持动力源31反转-打击动力源41低电压正向制动-自定心卡盘20张开-电磁离合器32和相应电机全部断电-导引组件驱动自适应螺栓旋紧组件上移，脱离已拧紧的螺栓，拧紧作业完成。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：该电磁离合自适应螺栓拧紧装置包括安装于机架(10)上的自定心卡盘(20)以及用于驱动自定心卡盘(20)产生自回转动作的打击动力源(41)；其中：

自定心卡盘(20)包括沿轴向依序同轴布置的从动齿轮(21)、安装座(22)及滑座(23)，滑座(23)处设置径向滑槽(24)从而安放滑动卡爪(25)；从动齿轮(21)上设置涡卷状的弧形导向槽(21a)，安装座(22)处布置孔型长度方向沿安装座(22)径向延伸的中间导向孔(22a)，滑动卡爪(25)处轴向凸设有滑销(25a)，滑销(25a)穿过中间导向孔(22a)后与弧形导向槽(21a)间形成孔轴插接式滑移配合；滑动卡爪(25)产生夹持动作时的从动齿轮(21)回转方向与自定心卡盘(20)作拧紧动作时的转动方向彼此反向；夹持动力源(31)的输出轴通过电磁离合器(32)连接主动齿轮(33)，主动齿轮(33)与从动齿轮(21)形成啮合配合；

还包括以下步骤：

S1、自定心卡盘(20)张开，三个以上的滑动卡爪(25)所围合形成的套筒套入待拧紧螺栓的螺母端；

S2、电磁离合器(32)通电并进入闭合状态，夹持动力源(31)正转带动主动齿轮(33)转动，主动齿轮(33)带动从动齿轮(21)转动；同时，打击动力源(41)产生反向制动转矩，限制自定心卡盘(20)夹紧动作时产生自转，直至自定心卡盘(20)完全夹紧待拧紧螺栓；随后，电磁离合器(32)断电，夹持动力源(31)停止动作；

S3、打击动力源(41)通电正转，同时电磁离合器(32)进入低电压工作模式，也即处于小摩擦力吸附状态，限制滑动卡爪(25)产生松动动作；打击动力源(41)持续转动，待拧紧螺栓被拧紧在操作面上；

S4、当螺栓拧紧流程完成后，电磁离合器(32)重新通电并进入闭合状态，夹持动力源(31)开始反转，此时打击动力源(41)同步进行低电压正向制动，从而确保自定心卡盘(20)逐渐张开的同时限制自定心卡盘(20)自转；

S5、电磁离合器(32)断电，打击动力源(41)断电，张开状态的自定心卡盘(20)脱离已拧紧的螺栓，拧紧作业完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：所述打击动力源(41)为打击电机，打击动力源(41)与自定心卡盘(20)同轴布置；打击动力源(41)的打击轴贯穿从动齿轮(21)后，与安装座(22)间形成止转式的固定配合。

3.根据权利要求2所述的一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：所述安装座(22)处同轴的贯穿设置有方孔，打击轴为方轴结构，打击轴穿入该方孔后，依靠轴向螺钉将打击轴紧固于方孔处。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：各滑动卡爪(25)绕自定心卡盘(20)的周向依序均布；滑动卡爪(25)的顶端凹设有角槽状的配合口，各滑动卡爪(25)的配合口彼此配合从而抱合待拧紧螺栓的螺母端。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：所述夹持动力源(31)为夹持电机；夹持动力源(31)通过联轴器同轴固定在电磁离合器(32)上。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：该电磁离合自适应螺栓拧紧装置还包括导引组件，导引组件包括固定在举升臂(50)处的升降架(61)，升降架(61)上安装导引电机(62)，且升降架(61)通过滑块(63)固定在机架(10)处的滑轨(64)上；机架(10)处还布置长度方向平行自定心卡盘(20)轴线的齿条(65)，导引电机(62)的输出轴通过第一同步齿轮啮合在齿条(65)处。

7.根据权利要求6所述的一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：该电磁离合自适应螺栓拧紧装置还包括固定于升降架(61)上的编码器(66)，编码器(66)的输入轴通过第二同步齿轮啮合在齿条(65)处；第一同步齿轮和第二同步齿轮彼此位置避让。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种基于电磁离合自适应螺栓拧紧装置的螺栓紧固方法，其特征在于：该电磁离合自适应螺栓拧紧装置还包括用于照射待拧紧螺栓的双目相机(70)，双目相机(70)的照射方向平行自定心卡盘(20)的轴向。