方波

（廈門宏發(fā)工業(yè)機(jī)器人有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

螺釘是工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)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(gè)螺釘。傳統(tǒng)的操作方法是依靠人工一邊取螺釘、另一邊鎖螺釘來(lái)完成；采用人工方式作業(yè)，存在問(wèn)題是生產(chǎn)效率低、一致性差、生產(chǎn)成本高。

現(xiàn)代科技不斷發(fā)展進(jìn)步，產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)為提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)過(guò)程中希望通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)；但是由于螺釘體積較小，數(shù)量多，要實(shí)現(xiàn)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(guò)程中，由于帶V字形墊片螺釘本身結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致自動(dòng)化裝配更難以實(shí)現(xiàn)。

1 背景技術(shù)簡(jiǎn)介

在工業(yè)流水線上旋緊螺釘目前大部分采用電動(dòng)螺絲刀或者氣動(dòng)螺釘?shù)恫僮?，這種旋緊的工具雖然具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是仍然需要人工手持操作，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，工作效率低，在有大批量的生產(chǎn)訂單時(shí)，需要大量的人工進(jìn)行鎖螺釘操作，提高生產(chǎn)成本。

現(xiàn)在市場(chǎng)上也有一些簡(jiǎn)單的自動(dòng)鎖螺釘?shù)难b置，工作原理是將螺釘送至需要鎖螺釘?shù)奈恢蒙戏降膶?dǎo)向位置，通過(guò)簡(jiǎn)單的氣動(dòng)機(jī)械手控制螺絲刀進(jìn)行鎖螺釘，實(shí)現(xiàn)鎖螺釘?shù)淖詣?dòng)化操作。這些簡(jiǎn)單的裝置適合無(wú)墊片的螺釘而且螺絲孔上方具有導(dǎo)向位置的情況；當(dāng)螺釘自身帶墊片尤其是V字形墊片或者沒(méi)有導(dǎo)向位置或者只有部分導(dǎo)向位置時(shí)，這些裝置就很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)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(xiàn)狀，采用一種有效的螺釘?shù)亩ㄎ皇叭∨c鎖緊裝置，其能實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)淖詣?dòng)拾取與鎖緊，有利于實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)淖詣?dòng)化裝配，提高螺釘?shù)难b配效率。

帶V字形墊片螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是V字形墊片與螺釘是可以相互自由活動(dòng)，V字形墊片可以圍繞螺釘進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，這就給供料裝置和定位裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的難度；V字形墊片本身的結(jié)構(gòu)接近正方形，一側(cè)寬度7.6 mm，另外一側(cè)7.9 mm；在產(chǎn)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(jié)構(gòu)導(dǎo)致螺釘在供料裝置和定位裝置上時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)螺釘結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，要保證達(dá)到一致性和高效率，采用圖2所示動(dòng)作順序完成。在方案設(shè)計(jì)中核心的裝置是螺釘分料與定位與螺釘?shù)氖叭∨c鎖緊的研制，螺釘供料系統(tǒng)篩選和產(chǎn)品轉(zhuǎn)盤工裝供料以及成品輸出這些動(dòng)作都是工業(yè)自動(dòng)化中比較普遍的動(dòng)作；螺釘供料系統(tǒng)篩選這部分采用進(jìn)口的振動(dòng)篩選器和直線段的輸送器，確保螺釘在篩選和輸送過(guò)程中穩(wěn)定可靠。為滿足效率，在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中采用多軸實(shí)現(xiàn)帶V字形墊片螺釘?shù)耐蕉ㄎ慌c拾取，利用氣動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)多軸螺絲刀的移動(dòng)并在產(chǎn)品鎖緊位置進(jìn)行鎖緊操作。

圖2 方案設(shè)計(jì)動(dòng)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(biāo)

螺釘分料與定位裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是快速高效地分料與定位帶V字形墊片的螺釘；通過(guò)以下條件對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲桿、滑軌滑塊、軸承進(jìn)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(shè)計(jì)方案是通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿副作為動(dòng)力裝置，帶動(dòng)螺釘分料塊沿水平導(dǎo)軌移動(dòng)；在螺釘分料塊兩側(cè)有導(dǎo)向裝置，使得分料塊中的螺釘在分料過(guò)程中位置穩(wěn)定，無(wú)偏移。在螺釘分料塊上設(shè)計(jì)有與螺釘拾取與鎖緊機(jī)構(gòu)套數(shù)相同的螺釘容納槽，每個(gè)螺釘容納槽貫穿分料塊兩個(gè)側(cè)面，導(dǎo)料塊上設(shè)計(jì)螺釘導(dǎo)入槽，螺釘導(dǎo)入槽的輸入端銜接篩選振動(dòng)輸送端；在螺釘分料塊旁且靠近螺釘導(dǎo)入槽的輸出端處設(shè)有螺釘?shù)轿粰z測(cè)傳感器，在傳感器檢測(cè)到螺釘進(jìn)入螺釘容納槽后，通過(guò)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)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(guò)定位裝置對(duì)自動(dòng)狀態(tài)的螺釘進(jìn)行定位，上述裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)淖詣?dòng)分料和定位，有效提高螺釘裝配的自動(dòng)化水平和裝配效率。

表1 螺釘分料與定位裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 螺釘分料與定位裝置的結(jié)構(gòu)研制

在螺釘分料與定位裝置的結(jié)構(gòu)中包括裝置固定支撐腳，支撐腳上連接一導(dǎo)軌固定板，在導(dǎo)軌固定板上設(shè)置有橫向?qū)к墸瑱M向?qū)к壣吓浜嫌袡M向滑塊，導(dǎo)軌固定板上裝有伺服電動(dòng)機(jī)固定座。伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)滾珠絲桿副帶動(dòng)橫向滑塊沿橫向?qū)к壱苿?dòng)，橫向滑塊的上端面固連一條分料塊，導(dǎo)軌固定板連一個(gè)導(dǎo)料塊；分料塊上設(shè)計(jì)三個(gè)螺釘定位槽，每個(gè)螺釘定位槽貫穿分料塊前后兩側(cè)面，導(dǎo)料塊上設(shè)計(jì)V字形墊片的導(dǎo)入槽，V字形墊片導(dǎo)入槽的輸入端與供料直線輸送端連接。

隨著分料塊的移動(dòng)，V字形墊片的導(dǎo)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(dǎo)入槽的輸出端處設(shè)計(jì)有螺釘?shù)轿粰z測(cè)傳感器；螺釘?shù)轿粰z測(cè)傳感器檢測(cè)到螺釘進(jìn)入螺釘定位槽后，伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)作使分料塊移位讓下一個(gè)螺釘定位槽銜接墊片導(dǎo)入槽的輸出端；在分料塊的兩側(cè)設(shè)有螺釘限位與定位機(jī)構(gòu)，螺釘限位與定位機(jī)構(gòu)使螺釘和墊片在分料塊的螺釘定位槽中處于垂直狀態(tài)。墊片導(dǎo)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(shè)計(jì)上蓋板，防止異物進(jìn)入滾珠絲桿和滑軌滑塊，較好保護(hù)滾珠絲桿和滑軌滑塊。在螺釘限位與定位機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)分料塊前后側(cè)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(dǎo)軌固定板上。前限位塊前面的導(dǎo)軌固定板上設(shè)計(jì)前縱向?qū)к?，后限位塊后面的導(dǎo)軌固定板上設(shè)計(jì)后縱向?qū)к?，前縱向?qū)к壣吓浜嫌星盎瑝K，后縱向?qū)к壣吓浜嫌泻蠡瑝K，前滑塊和后滑塊分別由前氣缸和后氣缸帶動(dòng)沿縱向移動(dòng)；前滑塊上裝有與三個(gè)螺釘定位槽相同且位置相互對(duì)應(yīng)的前夾塊，后滑塊上裝有與三個(gè)螺釘定位槽相同且位置相互對(duì)應(yīng)的后夾塊，前夾塊和后夾塊在氣缸的帶動(dòng)下分別穿過(guò)前限位塊和后限位塊對(duì)處于螺釘定位槽中的螺釘進(jìn)行夾持定位。前夾塊與后夾塊的夾持端設(shè)計(jì)V形槽能有效地定位螺釘，使得螺釘始終處于垂直，實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)亩ㄎ唬ㄟ^(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿帶動(dòng)分料塊進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)件選型

圖4 伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性圖

圖5 額定負(fù)載持續(xù)率線圖

通過(guò)以上條件以及伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲桿、滑軌滑塊、軸承的選型樣本，根據(jù)條件計(jì)算在滿足使用條件的情況下，根據(jù)圖4和圖5參數(shù)，選擇伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)為R88MK40030H-S2-Z，歐姆龍品牌；滾珠絲桿型號(hào)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(hào)為MGN15C2R320Z0C，HIWIN品牌[7-11]。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)件以及運(yùn)動(dòng)條件和精度，設(shè)計(jì)的帶V字形墊片螺釘?shù)姆至吓c定位裝置能夠高速有效地分料螺釘和對(duì)V字形墊片進(jìn)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(biāo)

螺釘拾取與鎖緊裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是快速高效地拾取螺釘并在產(chǎn)品的鎖緊位置進(jìn)行鎖緊，保證V字形墊片的朝向一致；通過(guò)以下條件對(duì)螺絲刀、氣缸、滑軌滑塊、彈簧進(jìn)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(shè)計(jì)參數(shù)

帶V字形墊片螺釘通過(guò)分料與定位裝置后，需要設(shè)計(jì)螺釘?shù)氖叭∨c鎖緊裝置來(lái)完成螺釘與接線底座的鎖緊。在這過(guò)程中需要保證轉(zhuǎn)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(wú)縫隙、變形。在設(shè)計(jì)方案上通過(guò)下述方法實(shí)現(xiàn)：1)在裝置上設(shè)計(jì)有兩段水平導(dǎo)軌，氣缸帶動(dòng)水平導(dǎo)軌上的滑塊沿水平導(dǎo)軌來(lái)回移動(dòng)；滑塊上裝有螺釘拾取與鎖緊機(jī)構(gòu)；實(shí)現(xiàn)在螺釘分料與定位裝置與接線底座來(lái)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(dǎo)軌滑塊，由氣缸帶動(dòng)上下移動(dòng)；在垂直方向滑塊自上而下依次設(shè)計(jì)氣動(dòng)螺絲刀固定導(dǎo)向板與調(diào)節(jié)桿，在調(diào)節(jié)桿與導(dǎo)向板之間設(shè)計(jì)壓縮彈簧調(diào)節(jié)鎖緊的壓縮行程。3)在垂直方向上的滑塊下部設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)磁鋼，通過(guò)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(gè)定位斜面呈八字形，兩個(gè)定位斜面定位V字形墊片的兩側(cè)面，解決了V字形墊片螺釘難于拾取定位的問(wèn)題。4)螺釘拾取塊與定位塊上設(shè)計(jì)垂直方向上的通孔，氣動(dòng)螺絲刀刀頭部分通過(guò)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(shè)計(jì)固定兩根垂直導(dǎo)桿，兩根垂直導(dǎo)桿的上端分別穿過(guò)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(diào)整，可更好地拾取螺釘。帶V字形墊片螺釘在通過(guò)分料與定位裝置后，通過(guò)上述方式實(shí)現(xiàn)螺釘與接線底座的鎖緊。

4.3 螺釘拾取與鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)研制

在螺釘拾取與鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)中包括裝置的固定支撐板，在水平方向上設(shè)計(jì)有兩段水平導(dǎo)軌，氣缸帶動(dòng)水平導(dǎo)軌上的滑塊沿水平方向來(lái)回移動(dòng)；滑塊上裝有螺釘拾取與鎖緊機(jī)構(gòu)。在豎直滑塊上自上而下依次設(shè)計(jì)第一水平板、第二水平板，氣動(dòng)螺絲刀可活動(dòng)穿設(shè)在第一水平板和第二水平板上，在第一水平板上設(shè)計(jì)螺絲刀的固定連接塊；其中一根調(diào)節(jié)桿穿過(guò)第二水平板和第一水平板與支撐塊固連，調(diào)節(jié)螺桿與螺絲刀相互平行，在調(diào)節(jié)螺桿的下部設(shè)計(jì)有一條壓簧，壓簧驅(qū)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(shè)計(jì)拉簧連接，防止氣缸在氣壓不足或者不通氣時(shí)，由于拾取機(jī)構(gòu)本身的自重導(dǎo)致豎直滑塊出現(xiàn)滑落，避免設(shè)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(shè)計(jì)磁鋼，連接塊的下端面設(shè)計(jì)有第一豎直通孔，拾取塊上端面設(shè)計(jì)有第二豎直通孔，在定位塊上設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(nèi)周面定位螺釘頭部。定位塊上端面設(shè)計(jì)一凹槽，凹槽連通第三豎直通孔，磁鋼嵌在凹槽內(nèi)，磁鋼的中間設(shè)有第四豎直通孔，拾取塊下部嵌入第四豎直通孔，凹槽一側(cè)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(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)定位斜面，兩個(gè)定位斜面呈八字形，兩個(gè)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(wèn)題。

在螺釘拾取與定位塊上設(shè)計(jì)豎直滑塊，在拾取塊上部固定兩根豎直導(dǎo)桿，兩根豎直導(dǎo)桿的上端分別穿過(guò)調(diào)節(jié)平板且旋有螺母，在拾取塊上部設(shè)計(jì)第二彈簧孔與調(diào)節(jié)平板之間設(shè)計(jì)第二壓簧；這樣螺釘拾取塊的豎直位置可自動(dòng)調(diào)整，更好地拾取螺釘(如圖6)。

圖6 螺釘拾取裝置圖

設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)一水平移動(dòng)的安裝板用以安裝三套螺釘拾取與鎖緊機(jī)構(gòu)，三套螺釘拾取與鎖緊機(jī)構(gòu)的下面還設(shè)計(jì)螺釘分料與定位機(jī)構(gòu)；通過(guò)氣缸帶動(dòng)拾取好的螺釘移動(dòng)到產(chǎn)品鎖緊位置實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)件選型

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

5 安裝調(diào)試與效果分析

螺釘分料與定位、拾取與鎖緊裝置在完成設(shè)計(jì)圖樣與采購(gòu)件清單輸出后，以及相關(guān)零件加工和元器件采購(gòu)后，通過(guò)精細(xì)裝配與調(diào)試，整體安裝在自動(dòng)化設(shè)備上進(jìn)行調(diào)試。通過(guò)調(diào)試后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析表1。

表3 操作效率與V字形墊片方向放錯(cuò)率統(tǒng)計(jì)

螺釘分料與定位、拾取與鎖緊裝置的研制，將該裝置與生產(chǎn)線的機(jī)臺(tái)自動(dòng)化融合，使得設(shè)備的效率提升了將近20%。使用該裝置后，對(duì)產(chǎn)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(chǎn)品的品質(zhì)。該帶V字形墊片螺釘?shù)氖叭∨c鎖緊裝置的研制，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，配合自動(dòng)化設(shè)備作業(yè)，可提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性與生產(chǎn)效率。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一種帶V字形墊片螺釘?shù)氖叭∨c鎖緊裝置的研制，借助工業(yè)自動(dòng)化對(duì)產(chǎn)品不斷地完善和優(yōu)化，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，減少設(shè)備的故障率，提高設(shè)備的綜合使用率，提高了效益。