一種帶V字形墊片螺釘的拾取與鎖緊裝置的研制

方波

（廈門宏發工業機器人有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

螺釘是工業自動化生產中大量使用的連接零件，如接線板與固定體的連接需要用到多個螺釘。傳統的操作方法是依靠人工一邊取螺釘、另一邊鎖螺釘來完成；采用人工方式作業，存在問題是生產效率低、一致性差、生產成本高。

現代科技不斷發展進步，產品生產企業為提高生產效率、降低生產成本，在生產過程中希望通過自動化生產；但是由于螺釘體積較小，數量多，要實現其分料、定位、拾取、鎖緊難度較大，特別是帶有V字形墊片的螺釘在裝配過程中，由于帶V字形墊片螺釘本身結構因素導致自動化裝配更難以實現。

1 背景技術簡介

在工業流水線上旋緊螺釘目前大部分采用電動螺絲刀或者氣動螺釘刀操作，這種旋緊的工具雖然具備結構簡單的優點，但是仍然需要人工手持操作，不能實現自動化生產，工作效率低，在有大批量的生產訂單時，需要大量的人工進行鎖螺釘操作，提高生產成本。

現在市場上也有一些簡單的自動鎖螺釘的裝置，工作原理是將螺釘送至需要鎖螺釘的位置上方的導向位置，通過簡單的氣動機械手控制螺絲刀進行鎖螺釘，實現鎖螺釘的自動化操作。這些簡單的裝置適合無墊片的螺釘而且螺絲孔上方具有導向位置的情況；當螺釘自身帶墊片尤其是V字形墊片或者沒有導向位置或者只有部分導向位置時，這些裝置就很難實現自動對螺釘定位與鎖緊操作。

2 帶V字形墊片螺釘拾取與鎖緊方案研制

為解決帶V字形墊片螺釘目前仍采用人工取螺釘、人工鎖螺釘這種人工鎖緊的現狀，采用一種有效的螺釘的定位拾取與鎖緊裝置，其能實現螺釘的自動拾取與鎖緊，有利于實現螺釘的自動化裝配，提高螺釘的裝配效率。

帶V字形墊片螺釘的結構特點是V字形墊片與螺釘是可以相互自由活動，V字形墊片可以圍繞螺釘進行360°旋轉，這就給供料裝置和定位裝置的設計帶來很大的難度；V字形墊片本身的結構接近正方形，一側寬度7.6 mm，另外一側7.9 mm；在產品上需要保證V字墊片的7.6 mm方向上一致，7.6 mm與7.9 mm不允許互換，這種結構導致螺釘在供料裝置和定位裝置上時存在很大難度(如圖1)。

圖1 帶V字形墊片的螺釘位置圖

在方案設計時通過對螺釘結構和產品的結構進行分析后，要保證達到一致性和高效率，采用圖2所示動作順序完成。在方案設計中核心的裝置是螺釘分料與定位與螺釘的拾取與鎖緊的研制，螺釘供料系統篩選和產品轉盤工裝供料以及成品輸出這些動作都是工業自動化中比較普遍的動作；螺釘供料系統篩選這部分采用進口的振動篩選器和直線段的輸送器，確保螺釘在篩選和輸送過程中穩定可靠。為滿足效率，在方案設計過程中采用多軸實現帶V字形墊片螺釘的同步定位與拾取，利用氣動方式實現多軸螺絲刀的移動并在產品鎖緊位置進行鎖緊操作。

圖2 方案設計動作圖

3 螺釘分料與定位裝置研制

3.1 螺釘分料與定位裝置的研制目標

螺釘分料與定位裝置的設計目標是快速高效地分料與定位帶V字形墊片的螺釘；通過以下條件對伺服電動機、滾珠絲桿、滑軌滑塊、軸承進行選型。

3.2 螺釘分料與定位裝置的研制方案

螺釘分料與定位裝置的設計方案是通過伺服電動機與滾珠絲桿副作為動力裝置，帶動螺釘分料塊沿水平導軌移動；在螺釘分料塊兩側有導向裝置，使得分料塊中的螺釘在分料過程中位置穩定，無偏移。在螺釘分料塊上設計有與螺釘拾取與鎖緊機構套數相同的螺釘容納槽，每個螺釘容納槽貫穿分料塊兩個側面，導料塊上設計螺釘導入槽，螺釘導入槽的輸入端銜接篩選振動輸送端；在螺釘分料塊旁且靠近螺釘導入槽的輸出端處設有螺釘到位檢測傳感器，在傳感器檢測到螺釘進入螺釘容納槽后，通過動力裝置驅動下，螺釘分料塊有序高效地接收螺釘；在螺釘分料塊接入螺釘后通過定位裝置對自動狀態的螺釘進行定位，上述裝置的設計實現螺釘的自動分料和定位，有效提高螺釘裝配的自動化水平和裝配效率。

表1 螺釘分料與定位裝置的設計參數

3.3 螺釘分料與定位裝置的結構研制

在螺釘分料與定位裝置的結構中包括裝置固定支撐腳，支撐腳上連接一導軌固定板，在導軌固定板上設置有橫向導軌，橫向導軌上配合有橫向滑塊，導軌固定板上裝有伺服電動機固定座。伺服電動機通過滾珠絲桿副帶動橫向滑塊沿橫向導軌移動，橫向滑塊的上端面固連一條分料塊，導軌固定板連一個導料塊；分料塊上設計三個螺釘定位槽，每個螺釘定位槽貫穿分料塊前后兩側面，導料塊上設計V字形墊片的導入槽，V字形墊片導入槽的輸入端與供料直線輸送端連接。

隨著分料塊的移動，V字形墊片的導入槽輸出端可分別與分料塊上的不同螺釘定位槽相銜接；在分料塊旁且靠近墊片的導入槽的輸出端處設計有螺釘到位檢測傳感器；螺釘到位檢測傳感器檢測到螺釘進入螺釘定位槽后，伺服電動機動作使分料塊移位讓下一個螺釘定位槽銜接墊片導入槽的輸出端；在分料塊的兩側設有螺釘限位與定位機構，螺釘限位與定位機構使螺釘和墊片在分料塊的螺釘定位槽中處于垂直狀態。墊片導入槽為直型槽且與分料塊相垂直，橫截面為倒凸字形。

在橫向滑塊上設計上蓋板，防止異物進入滾珠絲桿和滑軌滑塊，較好保護滾珠絲桿和滑軌滑塊。在螺釘限位與定位機構中設計分料塊前后側的前限位塊和后限位塊，前限位塊和后限位塊分別固連在導軌固定板上。前限位塊前面的導軌固定板上設計前縱向導軌，后限位塊后面的導軌固定板上設計后縱向導軌，前縱向導軌上配合有前滑塊，后縱向導軌上配合有后滑塊，前滑塊和后滑塊分別由前氣缸和后氣缸帶動沿縱向移動；前滑塊上裝有與三個螺釘定位槽相同且位置相互對應的前夾塊，后滑塊上裝有與三個螺釘定位槽相同且位置相互對應的后夾塊，前夾塊和后夾塊在氣缸的帶動下分別穿過前限位塊和后限位塊對處于螺釘定位槽中的螺釘進行夾持定位。前夾塊與后夾塊的夾持端設計V形槽能有效地定位螺釘，使得螺釘始終處于垂直，實現螺釘的定位，通過伺服電動機驅動滾珠絲桿帶動分料塊進行高效的分料(如圖3)。

圖3 螺釘分料與定位裝置圖

3.4 螺釘分料與定位裝置的標準件選型

圖4 伺服電動機轉矩-轉速特性圖

圖5 額定負載持續率線圖

通過以上條件以及伺服電動機、滾珠絲桿、滑軌滑塊、軸承的選型樣本，根據條件計算在滿足使用條件的情況下，根據圖4和圖5參數，選擇伺服電動機型號為R88MK40030H-S2-Z，歐姆龍品牌；滾珠絲桿型號為BSSR1210-320，MISUMI品牌；軸承采用角接觸軸承7000C和深溝球軸承608ZZ，滑軌型號為MGN15C2R320Z0C，HIWIN品牌[7-11]。根據這些標準件以及運動條件和精度，設計的帶V字形墊片螺釘的分料與定位裝置能夠高速有效地分料螺釘和對V字形墊片進行定位。

4 拾取與鎖緊裝置研制

4.1 螺釘拾取與鎖緊裝置的研制目標

螺釘拾取與鎖緊裝置的設計目標是快速高效地拾取螺釘并在產品的鎖緊位置進行鎖緊，保證V字形墊片的朝向一致；通過以下條件對螺絲刀、氣缸、滑軌滑塊、彈簧進行選型。

4.2 螺釘拾取與鎖緊裝置的研制方案

表2 螺釘拾取與鎖緊裝置的設計參數

帶V字形墊片螺釘通過分料與定位裝置后，需要設計螺釘的拾取與鎖緊裝置來完成螺釘與接線底座的鎖緊。在這過程中需要保證轉矩不大于0.6 N·m，V字形墊片方向不得歪斜、朝向正確，螺釘豎直鎖入接線底座孔中，鎖緊在接線底座上并貼平接線底座無縫隙、變形。在設計方案上通過下述方法實現：1)在裝置上設計有兩段水平導軌，氣缸帶動水平導軌上的滑塊沿水平導軌來回移動；滑塊上裝有螺釘拾取與鎖緊機構；實現在螺釘分料與定位裝置與接線底座來回拾取與鎖緊。2)螺釘拾取與鎖緊裝置包括垂直方向上的導軌滑塊，由氣缸帶動上下移動；在垂直方向滑塊自上而下依次設計氣動螺絲刀固定導向板與調節桿，在調節桿與導向板之間設計壓縮彈簧調節鎖緊的壓縮行程。3)在垂直方向上的滑塊下部設計螺釘拾取裝置，該裝置包括L形連接塊、螺釘拾取塊和定位塊。L形連接塊的上端連接固定在垂直方向的滑塊上，L形連接塊下端面連接拾取塊，在拾取塊的下面固定螺釘定位塊，在定位與拾取塊中間設計磁鋼，通過磁鋼傳替有效的磁力，使得V字形墊片與螺釘定位塊有效定位，定位塊的兩個定位斜面呈八字形，兩個定位斜面定位V字形墊片的兩側面，解決了V字形墊片螺釘難于拾取定位的問題。4)螺釘拾取塊與定位塊上設計垂直方向上的通孔，氣動螺絲刀刀頭部分通過通孔與螺釘上端面的十字鎖緊槽有效連接，起到鎖緊的功能。在L形連接塊垂直方向上設計固定兩根垂直導桿，兩根垂直導桿的上端分別穿過固定板且旋有螺母，在固定板與L形連接塊之間裝有壓縮彈簧，這樣螺釘拾取頭的豎直位置可調整，可更好地拾取螺釘。帶V字形墊片螺釘在通過分料與定位裝置后，通過上述方式實現螺釘與接線底座的鎖緊。

4.3 螺釘拾取與鎖緊裝置的結構研制

在螺釘拾取與鎖緊裝置的結構中包括裝置的固定支撐板，在水平方向上設計有兩段水平導軌，氣缸帶動水平導軌上的滑塊沿水平方向來回移動；滑塊上裝有螺釘拾取與鎖緊機構。在豎直滑塊上自上而下依次設計第一水平板、第二水平板，氣動螺絲刀可活動穿設在第一水平板和第二水平板上，在第一水平板上設計螺絲刀的固定連接塊；其中一根調節桿穿過第二水平板和第一水平板與支撐塊固連，調節螺桿與螺絲刀相互平行，在調節螺桿的下部設計有一條壓簧，壓簧驅使支撐塊的下端面靠在第一水平板的上端面上，用以控制螺絲刀上下收縮量。豎直滑塊的頂部與氣缸連接座之間設計拉簧連接，防止氣缸在氣壓不足或者不通氣時，由于拾取機構本身的自重導致豎直滑塊出現滑落，避免設備的損壞。

在豎直滑塊的下部裝有螺釘拾取與定位塊，螺釘拾取與定位塊包括連接塊、拾取塊和定位塊；連接塊的上端連接豎直滑塊，連接塊下端面連接拾取塊，拾取塊的下端面連接定位塊，拾取塊的外面設計磁鋼，連接塊的下端面設計有第一豎直通孔，拾取塊上端面設計有第二豎直通孔，在定位塊上設計有第三豎直通孔。第一豎直通孔、第二豎直通孔、第三豎直通孔相互貫通使得螺絲刀頭旋轉軸的下端能伸入第二豎直通孔，拾取塊的下端面與第三豎直通孔內周面定位螺釘頭部。定位塊上端面設計一凹槽，凹槽連通第三豎直通孔，磁鋼嵌在凹槽內，磁鋼的中間設有第四豎直通孔，拾取塊下部嵌入第四豎直通孔，凹槽一側的定位塊向上延伸一連接部，連接部固定在連接塊的下端，以方便定位塊、磁鋼和拾取塊的裝配。

定位塊在第三豎直通孔下端邊緣的兩側設計兩個定位斜面，兩個定位斜面呈八字形，兩個定位斜面定位在V字形墊片的上端面，解決了帶V形墊片的螺釘難于拾取與定位的問題。

在螺釘拾取與定位塊上設計豎直滑塊，在拾取塊上部固定兩根豎直導桿，兩根豎直導桿的上端分別穿過調節平板且旋有螺母，在拾取塊上部設計第二彈簧孔與調節平板之間設計第二壓簧；這樣螺釘拾取塊的豎直位置可自動調整，更好地拾取螺釘(如圖6)。

圖6 螺釘拾取裝置圖

設計上設計一水平移動的安裝板用以安裝三套螺釘拾取與鎖緊機構，三套螺釘拾取與鎖緊機構的下面還設計螺釘分料與定位機構；通過氣缸帶動拾取好的螺釘移動到產品鎖緊位置實現快速的鎖緊(如圖7)。

圖7 螺釘鎖緊裝置圖

4.4 螺釘拾取與鎖緊裝置的標準件選型

通過以上條件以及螺絲刀、氣缸、滑軌滑塊、軸承的選型樣本，根據條件計算在滿足使用條件的情況下，選擇螺絲刀的型號為347-520-31，DEPRAG品牌；氣缸型號為CP96SDB32-160，SMC品牌；滑軌型號為HGH20HA1R260Z0C，HIWIN品牌[12-13]。

5 安裝調試與效果分析

螺釘分料與定位、拾取與鎖緊裝置在完成設計圖樣與采購件清單輸出后，以及相關零件加工和元器件采購后，通過精細裝配與調試，整體安裝在自動化設備上進行調試。通過調試后，對數據進行統計與對比分析表1。

表3 操作效率與V字形墊片方向放錯率統計

螺釘分料與定位、拾取與鎖緊裝置的研制，將該裝置與生產線的機臺自動化融合，使得設備的效率提升了將近20%。使用該裝置后，對產品上有帶V字形墊片螺釘方向做到100%，不存在放反的螺釘，大幅提高了產品的品質。該帶V字形墊片螺釘的拾取與鎖緊裝置的研制，設計簡單，配合自動化設備作業，可提高產品的穩定性與生產效率。

6 結語

通過對一種帶V字形墊片螺釘的拾取與鎖緊裝置的研制，借助工業自動化對產品不斷地完善和優化，提升產品的質量，減少設備的故障率，提高設備的綜合使用率，提高了效益。