無視覺引導(dǎo)下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設(shè)計

聶修民，王曉軍，劉鳳，李國濤

（濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261041）

0 引言

在電子及機械行業(yè)的生產(chǎn)制造過程中，螺栓是最為常見的緊固件之一，這是因為螺栓為標(biāo)準(zhǔn)件，安裝拆卸方便，易于實現(xiàn)大規(guī)模、批量化生產(chǎn)，并且成本低、價格便宜、互換性好[1]。要保證螺絲的正常連接，需對螺絲產(chǎn)生一個預(yù)緊力，目前常用的擰緊力控制方法有扭矩法、扭矩轉(zhuǎn)角法、屈服極限法和螺絲預(yù)伸長法等[2]，而普通電批就是采用扭矩法實現(xiàn)預(yù)緊力的控制。

為了迅速實現(xiàn)螺絲的鎖緊，一般在流水線作業(yè)中采用螺絲鎖附設(shè)備對螺絲進(jìn)行鎖緊。現(xiàn)有的螺絲鎖付設(shè)備一般引入視覺系統(tǒng)或采用智能電批（帶力矩反饋信號）進(jìn)行M2以下螺絲的鎖付。引入視覺系統(tǒng)或采用智能電批后，設(shè)備成本增加，尤其對多生產(chǎn)線多工位工況，成本顯著增加，這顯然不符合生產(chǎn)單位降低成本的目的。應(yīng)廠家要求，為降低鎖付M2以下螺絲設(shè)備的生產(chǎn)成本，開發(fā)了一種無視覺引導(dǎo)下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)，將此鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺或機器人上，即可實現(xiàn)超小螺絲的自動鎖付。

1 真空吸附式螺絲機工作原理

真空吸附式螺絲機結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般將螺絲鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺或機器人上，采用螺絲排列機進(jìn)行螺絲分揀，利用在吸嘴內(nèi)形成的真空腔吸附螺絲，XYZ桌面式平臺帶動鎖付結(jié)構(gòu)到工作位進(jìn)行螺絲鎖付。在工作位利用傳感器檢測有無產(chǎn)品，通過真空壓力表檢測吸嘴內(nèi)的真空值判定吸嘴內(nèi)有無螺絲。當(dāng)檢測到產(chǎn)品，并且吸嘴內(nèi)有螺絲時，XYZ桌面式平臺Z軸往下移動，帶動鎖付結(jié)構(gòu)往下移動，同時電批開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的扭矩時，Z軸帶動鎖付結(jié)構(gòu)往上移動，即完成一個螺絲的鎖付。重復(fù)同樣的動作，就可實現(xiàn)批量螺絲的鎖付。

圖1 真空吸附式螺絲機

2 超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺絲鎖付結(jié)構(gòu)是螺絲機設(shè)備的核心部件，決定螺絲機設(shè)備是否可以投入使用。螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，就會造成螺絲鎖付的失敗。

2.1 螺絲鎖付分析

從鎖付的結(jié)果看，鎖付失效形式一般有滑牙、浮鎖、漏鎖、螺釘歪斜、螺絲帽打花等。造成滑牙的原因一般有扭矩設(shè)置過大、或產(chǎn)品材料不合格等；造成浮鎖的原因一般有電批軸向力不夠、或扭矩設(shè)置不合理、或位置檢測不合理等；造成漏鎖的原因一般是吸嘴被堵塞造成真空壓力表誤判、或螺絲在進(jìn)入螺絲孔前被彈飛；造成螺絲歪斜的原因一般是點位偏斜、螺絲吸偏等；造成螺絲帽打花的原因一般有扭矩設(shè)置過大、電批軸向力過大或螺釘不合格等原因。

超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)將從影響螺絲鎖付失敗的原因入手，綜合分析，重點從電批導(dǎo)向、螺絲刀導(dǎo)向和真空吸附腔三個方面設(shè)計超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)，并定性分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)對鎖付過程的影響。解決螺絲鎖付失敗的原因，就可以達(dá)到節(jié)省視覺系統(tǒng)或采用普通電批實現(xiàn)超小螺絲的鎖付，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省成本的目的。

2.2 超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設(shè)計

超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)如圖2所示，雙滑塊導(dǎo)軌固定在固定板Ⅰ上，而普通電批利用連接板Ⅰ固定在雙滑塊導(dǎo)軌的雙滑塊上，這樣電批就可以相對固定板Ⅰ移動。改進(jìn)前，采用單滑塊導(dǎo)軌對電批進(jìn)行導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)剛度差。改進(jìn)后采用雙滑塊結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)剛度，增加電批導(dǎo)向精度。氣缸缸體固定在固定板Ⅰ上，杠桿與電批連接板Ⅱ利用彈簧彈性連接，這樣氣缸就可以給電批提供一個彈性動力，實現(xiàn)電批的垂直運動。螺絲鎖付時，進(jìn)給速度與電批轉(zhuǎn)速、螺絲長度、牙距有關(guān)[1]，進(jìn)給速度的確定是個復(fù)雜的過程，一般采用彈簧提供彈性動力，以保證軸向進(jìn)給速度。

圖2 超小螺絲鎖附結(jié)構(gòu)

2.3 吸嘴組件設(shè)計

吸嘴組件利用連接板Ⅲ固定在固定板Ⅰ上，吸嘴組件結(jié)構(gòu)如圖3所示，連接體上端利用螺母Ⅰ將密封墊片固定住，下端利用螺母Ⅱ?qū)⑽旃潭ㄔ谶B接體上。連接體中間開腔體，利用螺紋孔外接真空源，這樣就在連接體和吸嘴中間形成了真空腔。改進(jìn)前為了保持密封性，吸嘴和連接體設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu)，如果吸嘴損壞后，就需要更換整個吸嘴組件，而且需要重新調(diào)整吸嘴組件和批頭的同軸度，如果吸嘴和批頭同軸度調(diào)整不好，將導(dǎo)致螺絲帽打花、螺絲歪斜，甚至鎖付失敗，造成成本的增加和效率的降低。改進(jìn)后的吸嘴組件將連接體和吸嘴分開，這樣吸嘴損壞后，可以利用吸嘴上端與連接體的配合精度快速精準(zhǔn)更換吸嘴，更換后不需要重新調(diào)整吸嘴和批頭的同軸度，達(dá)到節(jié)省成本和提高效率的目的。

圖3 吸嘴組件

改進(jìn)前連接體內(nèi)采用一個軸承對批頭進(jìn)行導(dǎo)向，批頭在高度旋轉(zhuǎn)下，批頭端部的擺動量大，影響螺絲的鎖付良率。改進(jìn)后采用兩組軸承對批頭進(jìn)行導(dǎo)向，而且兩個軸承的間距在結(jié)構(gòu)允許的條件下盡量遠(yuǎn)、盡量靠近批頭端部，以控制批頭端部的擺動量，提高螺絲的鎖付良率。改進(jìn)前，連接體上端與批頭結(jié)合處的密封墊片采用聚氨酯或硅膠墊片，密封性雖好，但是由于加工精度難以保證，密封墊片對批頭的摩擦力變動量大，造成電批的鎖付力矩波動大，影響螺絲的鎖付質(zhì)量。改進(jìn)后采用POM材質(zhì)，保證加工精度，提高耐磨性，從而提高摩擦力的穩(wěn)定性，達(dá)到穩(wěn)定鎖付力矩的目的。

2.4 吸嘴設(shè)計

吸嘴結(jié)構(gòu)是鎖付結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，吸嘴設(shè)計不合理，會導(dǎo)致無法吸附螺絲，吸偏，掉釘現(xiàn)象。吸嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示，在吸嘴下部設(shè)有批頭可以通過的孔，孔的直徑大于批頭直徑的0.2～0.5 mm，孔直徑的選取要保證吸嘴與螺絲帽有足夠的接觸面積，否則會導(dǎo)致螺釘在吸嘴內(nèi)不穩(wěn)定或?qū)е侣葆斊薄Ｈ绻搅Σ粔颍梢栽谖靸?nèi)開十字槽，如圖4所示，以增大真空腔，提高吸附力。吸附力計算公式如下：

圖4 吸嘴結(jié)構(gòu)

式中，F(xiàn)為吸附力，N；P為真空壓力，Pa；A為吸附面積，m2；N為安全系數(shù)，一般取4以上。

對于加減速度變化大以及高速的情況，還需要考慮慣性力和風(fēng)壓對螺絲的影響。

吸嘴外徑大小要根據(jù)螺絲孔槽及周圍的干涉情況而定，外徑邊緣與干涉物體距離＞0.1 mm，長度要大于螺絲孔槽的深度或干涉物體的高度。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

將設(shè)計的超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺上。控制系統(tǒng)主要用于點位儲存、工作路徑計算、編程操作等。控制系統(tǒng)控制三個步進(jìn)電機和兩個氣動閥的運動與操作，本設(shè)計選用的普通PLC運動控制系統(tǒng)配合手持編程器即可滿足設(shè)計需求[3]。具體工藝流程采用市場上比較成熟的方案，在此不再詳述。

4 驗證數(shù)據(jù)

追蹤4臺設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，連續(xù)7天，統(tǒng)計每天的良率，見表1，去掉一個最高值和最低值，求所有良率的均值，作為本次螺絲鎖付機構(gòu)的驗證數(shù)據(jù)，最終良率在97.8%。

表1 生產(chǎn)良率統(tǒng)計

5 結(jié)語

無視覺引導(dǎo)下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)通過利用雙滑塊導(dǎo)向電批，雙軸承導(dǎo)向批頭，提高批頭的定位精度，從而提高螺絲的鎖付良率；通過更改吸嘴組件真空腔的密封墊片材質(zhì)，減小密封件對批頭摩擦力的影響，提高螺絲鎖付扭矩的穩(wěn)定性；合理設(shè)計吸嘴結(jié)構(gòu)，保證對螺絲的吸附力，提高吸嘴對螺絲的扶正能力和尋孔能力[4]，從而提高螺絲的取料和鎖付穩(wěn)定性。通過以上措施，將M1×1.06螺絲鎖付良率從89%提高到95%以上。良率達(dá)到客戶要求，省去視覺引導(dǎo)或智能電批，每臺螺絲機設(shè)備節(jié)約成本2.5萬元左右。通過將吸嘴設(shè)計成分體式結(jié)構(gòu)，降低了成本、提高了更換吸嘴組件的效率。

本項目是在廠家需求的條件下，為了降低成本而開發(fā)的無視覺引導(dǎo)下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)，并成功應(yīng)用在M1×1.06螺絲上，鎖付良率在95%以上。