吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)的設(shè)計(jì)

聶榮臻， 盛希寧， 蔡舒旻

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國(guó)鈞分院，江蘇 常州 213025)

研究與設(shè)計(jì)

吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)的設(shè)計(jì)

聶榮臻， 盛希寧， 蔡舒旻

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國(guó)鈞分院，江蘇 常州 213025)

吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)可廣泛用于家電、家具螺絲的自動(dòng)安裝。闡述了吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)的設(shè)計(jì)原理、工作過(guò)程和應(yīng)用特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中采用該機(jī)可有效地減少企業(yè)裝配線上的人力資源配置，節(jié)約人力資源成本，提高生產(chǎn)效率。

吹氣式；螺絲；安裝機(jī)；設(shè)計(jì)

螺紋連接和緊固在各行各業(yè)的裝配中均有十分廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也是裝配線上占用人力資源比較大的環(huán)節(jié)之一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在家具和家電裝配線上，投入與螺絲安裝相關(guān)崗位上的人力資源一般要占裝配線上總?cè)肆Y源的1/4左右。電動(dòng)工具的使用可以減輕相關(guān)崗位工人的勞動(dòng)強(qiáng)度并在一定程度上提高勞動(dòng)效率，但不能從根本上消除大量簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)給工人帶來(lái)精神上的疲乏和心理上的壓力，也不能從根本上消減企業(yè)在這項(xiàng)簡(jiǎn)單工作中投入的大量人力資源[2]。

筆者所在團(tuán)隊(duì)受相關(guān)企業(yè)委托，設(shè)計(jì)出一種可以自動(dòng)完成螺絲安裝及緊固的機(jī)器，可用于企業(yè)升級(jí)裝配線，實(shí)現(xiàn)裝配的自動(dòng)化、無(wú)人化，從而降低企業(yè)的人力資源成本。

1 吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)的工作原理

吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)如圖1所示，該機(jī)利用坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行程序編制或系統(tǒng)“記憶”螺絲孔位的方法完成螺絲孔位的輸入，系統(tǒng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和同步帶操作，使螺絲槍移動(dòng)至待加工的位置，螺絲儲(chǔ)存在螺絲儲(chǔ)存、分揀機(jī)構(gòu)中，通過(guò)分揀，螺絲被送至吹出口，隨后在壓縮空氣的作用下螺絲沿導(dǎo)管被吹入導(dǎo)向裝置，經(jīng)定位導(dǎo)向后氣缸將螺絲槍壓緊在工件表面待攻絲位置或待安裝緊固螺絲的位置，然后螺絲槍帶動(dòng)螺絲旋轉(zhuǎn)直到攻絲或緊固完成，隨后螺絲槍進(jìn)入下一個(gè)工作位置，如此循環(huán)直至完成設(shè)定工作。

圖1 吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)

2 吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)主要用于螺絲儲(chǔ)存，將螺絲排列整齊并推至送料口。其工作原理是通過(guò)壓縮氣體產(chǎn)生的壓力將螺絲送至螺絲緊固裝置上。

自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)采用葉輪式振動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)葉輪將螺絲揚(yáng)起，然后螺絲在自身重力的作用下自動(dòng)掉入送料口前端的導(dǎo)向裝置中，通過(guò)振子振動(dòng)使螺絲在導(dǎo)向裝置中自然排列整齊，且保證螺絲頭部在上，螺絲在導(dǎo)向裝置中向送料口移動(dòng)。送料氣壓通常按照螺絲的規(guī)格和管徑進(jìn)行選擇，例如常用家電設(shè)備的安裝中，氣壓一般控制為1.5～2 MPa[3]。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)主要控制工作臺(tái)的X向和Y向兩個(gè)方向的移動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)螺絲緊固裝置的Z向移動(dòng)控制，用于螺絲緊固裝置的定位。工作臺(tái)的X向和Y向，以及緊固裝置的Z向在電機(jī)及同步帶傳動(dòng)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)平移，從而帶動(dòng)工作臺(tái)上的工件沿X、Y向平移，以及螺絲緊固裝置做Z向的移動(dòng)[4]。

運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)及同步帶傳動(dòng)方式，由于普通家電和家具對(duì)螺絲孔位的精度要求不高及螺絲孔與螺絲之間本身存在的導(dǎo)向作用，普通步進(jìn)電機(jī)與同步帶組成的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)即能滿足設(shè)計(jì)需求。若特殊產(chǎn)品需有更高的定位精度要求時(shí)，則可改為伺服電機(jī)-滾珠絲杠-磁柵組成的閉環(huán)系統(tǒng)。

2.3 自動(dòng)緊固裝置設(shè)計(jì)

螺絲緊固裝置在螺絲定位后可用于對(duì)螺絲進(jìn)行緊固操作，也可用于對(duì)塑料、木材等材料的攻絲。自動(dòng)緊固裝置可采用普通電動(dòng)螺絲刀固定在支架上，緊固過(guò)程中采用氣壓缸對(duì)電動(dòng)螺絲刀進(jìn)行壓緊。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要用于點(diǎn)位儲(chǔ)存、工作路徑計(jì)算、編程操作等?？刂葡到y(tǒng)控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)氣動(dòng)閥的運(yùn)動(dòng)與操作，對(duì)此市場(chǎng)上有非常成熟的解決方案，本設(shè)計(jì)選用的普通PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配合手持編程器即可滿足設(shè)計(jì)需求[5]。

控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示，工作中控制系統(tǒng)發(fā)出指令，自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的氣閥打開(kāi)，將螺絲推送至自動(dòng)緊固裝置前端，然后氣閥關(guān)閉，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)控制指令將螺絲緊固裝置和工件移動(dòng)到相應(yīng)的工作位置，按照預(yù)先編制的程序進(jìn)行螺絲自動(dòng)安裝或攻絲工作[6-7]。

圖2 控制系統(tǒng)工作流程

3 吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用前景

吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)、多個(gè)螺絲孔的攻絲或螺絲安裝，從而減少或取代裝配線上的人工。該機(jī)的操作方式非常靈活，既可以采用G指令編程進(jìn)行點(diǎn)位控制，也可以采用點(diǎn)位記憶的方法來(lái)設(shè)置螺絲安裝點(diǎn)，便于無(wú)數(shù)控編程基礎(chǔ)的人員進(jìn)行操作。

(1)傳統(tǒng)的螺絲送料機(jī)構(gòu)通常采用電磁吸取或真空吸取兩種方式。這兩種方式都存在定位不正的問(wèn)題，導(dǎo)致在后面攻絲和緊固過(guò)程中容易發(fā)生攻絲孔不正、螺絲卡住等問(wèn)題，需要人工干預(yù)修正后才能重新投入生產(chǎn)，影響正常生產(chǎn)進(jìn)度[8]。吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)采用吹氣方式送料并配合導(dǎo)向裝置，螺絲在壓縮空氣的作用下被吹入導(dǎo)向裝置中，利用導(dǎo)向裝置能夠引導(dǎo)螺絲擺正，然后再進(jìn)行攻絲和緊固，這樣就可避免定位不正、卡住等問(wèn)題的發(fā)生。

(2)傳統(tǒng)的螺絲自動(dòng)安裝設(shè)備大多只能沿固定軌跡移動(dòng)，而且移動(dòng)軌跡一般為直線，對(duì)于形狀比較復(fù)雜的安裝形式則難以實(shí)現(xiàn)，這將大大限制機(jī)器的使用范圍。吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)增加了手持式編程操作器，采用坐標(biāo)點(diǎn)編程輸入方式，可使螺絲按照預(yù)定軌跡進(jìn)行安裝，既可實(shí)現(xiàn)各類多邊形、圓形、曲線等復(fù)雜形狀螺絲的安裝，也可實(shí)現(xiàn)按照如文字、圖案等圖形的螺絲安裝，大大提高了安裝機(jī)的實(shí)用性和應(yīng)用范圍。

(3)傳統(tǒng)的自動(dòng)安裝設(shè)備在進(jìn)行螺絲的安裝和緊固時(shí)通常有兩種形式：一種是類似鉆模板的方式進(jìn)行安裝，即一臺(tái)設(shè)備只能對(duì)應(yīng)同一個(gè)零件，雖然加工效率高，但適應(yīng)性差，一旦產(chǎn)品改型則必須重新定做模版，不符合現(xiàn)代柔性化制造的要求，而且造成浪費(fèi)；另一種是編程式定位安裝的方式，這種方式有一定的適應(yīng)性，但對(duì)操作者要求較高，需要企業(yè)有一定的培訓(xùn)，也造成成本的增加。吹氣式螺絲自動(dòng)安裝機(jī)兼具了上述兩者的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避了相關(guān)缺點(diǎn)。該機(jī)采用氣動(dòng)方式輔以導(dǎo)向裝置可實(shí)現(xiàn)螺絲定位，采用坐標(biāo)點(diǎn)編程方式可實(shí)現(xiàn)螺絲安裝路徑的變化?？紤]到操作者的水平和能力，編程方式采用的是坐標(biāo)點(diǎn)值輸入的方式，降低了操作難度，而編程設(shè)備設(shè)計(jì)的“記憶”功能則可以進(jìn)行程序記憶，即讓設(shè)備自主“學(xué)習(xí)”，“記憶”加工點(diǎn)位代替編程過(guò)程，降低了操作難度，減少了人工投入，提高了工作效率。

利用吹氣送料方式進(jìn)行螺絲安裝可實(shí)現(xiàn)螺絲的自動(dòng)安裝與緊固，解決了在螺絲安裝過(guò)程中必須投入大量人力的問(wèn)題。若將該設(shè)備的控制臺(tái)進(jìn)行改造，即可配合流水線的傳送帶完成自動(dòng)送料、安裝、卸料等操作，有效嵌入企業(yè)原有的生產(chǎn)線中，可取代工人的人工操作，而且無(wú)需對(duì)原有生產(chǎn)線進(jìn)行較大改造，操作簡(jiǎn)便。

目前該設(shè)備已經(jīng)在數(shù)家家電制造企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的使用效果，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。

[1] 賈廣田.全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 李泳龍.永宏P(guān)LC在全自動(dòng)螺絲機(jī)上的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2015(9).

[3] 蔡湘云.中小批量上螺絲機(jī)的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015(3).

[4] 賀昌勇，張厚江，祖漢松，等.基于虛擬儀器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，42(2)：9-12.

[5] 孫燕良，張厚江，翟艷鳳，等.基于PLC氣動(dòng)機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)[J].森林工程，2011，27(3)：45-50.

[6] 劉軒，崔登乾.方便裝螺絲機(jī)[J].科學(xué)大眾，2012(10).

[7] 羅隆.基于PLC技術(shù)的全自動(dòng)螺絲機(jī)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014(7).

[8] 侯柏林.鉆孔攻牙自動(dòng)上螺絲機(jī)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2013(2).

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Design of Automatic Aspirated Screw Installation Equipment

NIE Rong-zhen， SHENG Xi-ning， CAI Shu-min

(Changzhou Liuguojun Branch，Jiangsu Union Technical Institute，Changzhou Jiangsu 213025，China)

Automatic aspirated screw installation equipment is widely used in the automatic installation of screws used in home appliances and furniture.The design principle，working process and application characteristics of automatic aspirated screw installation equipment are stated，and the use of such equipment can effectively reduce the allocation of human resources in the enterprise assembly line，save cost of human resource and improve production efficiency in the actual production.

aspirated；screw；installation equipment；design

2016-10-10

聶榮臻(1969-)，男，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)。

TH131

A

2095-2953(2017)02-0032-03