螺栓上料擰緊機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏 斌

（合肥正進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230011）

0 緒論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線螺栓自動(dòng)擰緊技術(shù)簡(jiǎn)介

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上，螺栓連接是主要的連接方式，原先對(duì)于幾十種螺栓裝配擰緊都是采用人工取料和手動(dòng)力矩扳手?jǐn)Q緊的工藝。 螺栓連接中接觸面摩擦、螺紋處摩擦、螺栓裝配緊固速度要求、合理使用工具等， 隨著生產(chǎn)成本下降要求和產(chǎn)品質(zhì)量上升要求，對(duì)傳統(tǒng)螺栓裝配工藝提出了新的要求。

裝配線工位使用各類標(biāo)準(zhǔn)的擰緊工具可以精確控制擰緊扭矩，確保裝配的可靠性。 在高生產(chǎn)節(jié)拍和高自動(dòng)化要求的情況下，甚至可以采用多軸同步擰緊的方案，以顯著提高裝配速度及自動(dòng)化水平，減少人員的影響。 在這種情況下，如何有效地將螺栓送到產(chǎn)品需要擰緊的位置成為制約整個(gè)裝配過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)， 發(fā)動(dòng)機(jī)工廠在裝配線重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，同時(shí)在老線改造和新增新裝配線時(shí)考慮增加自動(dòng)上料擰緊功能的設(shè)備。

（2）客戶對(duì)螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)的需求

A、 送料方式： 料倉(cāng)—振動(dòng)盤/階梯上料—檢測(cè)段—吹送上料—進(jìn)入輸送料管—螺栓接料單元。

B、料倉(cāng)設(shè)料滿、料缺開關(guān)，料倉(cāng)儲(chǔ)料4 h，工位節(jié)拍符合要求。

C、輸送料管，不銹鋼料管+半透明尼龍管；需要考慮更換料管的方便性，軟管上料端部要有防螺栓回料掉落機(jī)構(gòu)；料管采用機(jī)械止回裝置，傳感器檢測(cè)是否卡料；進(jìn)設(shè)備處設(shè)料滿料缺開關(guān)。

D、螺栓通過(guò)輸送料管與接料單元接口對(duì)接，包含螺栓有無(wú)檢測(cè)開關(guān)。

E、上料零件為2 種螺栓，在節(jié)拍范圍內(nèi)上料數(shù)量滿足需求。

為了確保安裝體的可靠性，在設(shè)計(jì)階段充分體現(xiàn)螺栓及螺母功能的大小，強(qiáng)度及預(yù)緊力根據(jù)使用實(shí)際及強(qiáng)度計(jì)算決定并實(shí)現(xiàn)在實(shí)際安裝工作當(dāng)中。所以有必要充分了解安裝方法的特性和安裝指標(biāo)的正確管理方法。

圖1 螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)

（3）螺栓自動(dòng)上料擰緊機(jī)

隨著工業(yè)自動(dòng)化快速發(fā)展，產(chǎn)品裝配由原來(lái)的手工裝配逐步被自動(dòng)化設(shè)備所代替，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的螺栓裝配工藝效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品裝配質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的要求產(chǎn)品高質(zhì)量、生產(chǎn)低成本、功能更新快的現(xiàn)狀，目前大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)使用的是半自動(dòng)螺栓送料機(jī)和手持式螺栓擰緊機(jī)，在一定程度上減輕了員工勞動(dòng)強(qiáng)度和提高了工作效率，但是還是需要配置一名工人干預(yù)，產(chǎn)線自動(dòng)化程度不高。

螺栓自動(dòng)上料擰緊機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料到裝配位置和自動(dòng)擰緊， 螺栓裝配擰緊過(guò)程中無(wú)須人工干預(yù)，裝配效率高，裝配質(zhì)量穩(wěn)定，采用的是螺栓送料裝置和螺栓擰緊機(jī)構(gòu)組合使用。 螺栓擰緊時(shí)，總體的受力情況是螺栓受拉，零件受壓，在擰緊的過(guò)程中，受力的大小是不同的， 大體上分為4 個(gè)階段： 預(yù)擰緊、擰緊、塑性變形、斷裂。

（4）本文研究?jī)?nèi)容

目前市場(chǎng)上具備單項(xiàng)功能突出的設(shè)備很多，只具備儲(chǔ)料送料功能設(shè)備和只具備單獨(dú)擰緊槍，不能完全滿足產(chǎn)線裝配的需求，也有部分同時(shí)具備儲(chǔ)料送料以及擰緊設(shè)備，但是現(xiàn)場(chǎng)使用效果不好。

研究重點(diǎn)針目前生產(chǎn)中缺少能夠符合產(chǎn)線實(shí)際需要的同時(shí)具備儲(chǔ)料、送料、自動(dòng)擰緊功能的螺栓送料擰緊機(jī)，根據(jù)訂單客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要進(jìn)行了一款螺栓送料擰緊機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 螺栓送料擰緊機(jī)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)研究

1.1 螺栓送料擰緊機(jī)主要結(jié)構(gòu)和影響因素

螺栓送料擰緊機(jī)包括物料倉(cāng)儲(chǔ)部分、振動(dòng)送料部分、螺栓輸送部分、螺栓擰緊部分。

倉(cāng)儲(chǔ)部分料斗存儲(chǔ)產(chǎn)線螺栓，在振動(dòng)盤內(nèi)進(jìn)行螺栓姿勢(shì)調(diào)整和排序，通過(guò)頂料或者吹送方式，將物料送至安裝點(diǎn)，再通過(guò)擰緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行擰緊（滿足安裝扭矩要求）。

1.2 螺栓送料擰緊機(jī)優(yōu)化工作內(nèi)容

本文研究重點(diǎn)針對(duì)一種螺栓的送料和擰緊進(jìn)行研究，具體研究?jī)?nèi)容如下：

（1） 借助3D 軟件完成了該螺栓送料擰緊機(jī)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，以確定設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸：1）振動(dòng)盤規(guī)格尺寸；2）料道規(guī)格尺寸；3）擰緊機(jī)構(gòu)外形規(guī)格尺寸以及現(xiàn)場(chǎng)避讓要求。

（2）擰緊現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試校正。

（3）擰緊裝置是由氣缸、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳感器、擰緊軸、控制系統(tǒng)等組成。

通過(guò)驗(yàn)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果得到以下結(jié)果：

（1）螺栓送料設(shè)備穩(wěn)定

螺栓儲(chǔ)料采用料斗形式，按照要求儲(chǔ)備4 小時(shí)用料，單班加兩次料，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

（2）螺栓送料機(jī)對(duì)錯(cuò)誤型號(hào)物料具備識(shí)別功能

螺栓通過(guò)料斗加料進(jìn)入送料系統(tǒng)， 當(dāng)物料中混合其他不同螺栓時(shí)， 在振動(dòng)盤中通過(guò)識(shí)別板進(jìn)行剔除物料（成功率99%），在物料輸送到裝配位置時(shí)，再次進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，出現(xiàn)錯(cuò)誤物料時(shí)報(bào)警，避免裝配錯(cuò)誤物料。

（3）擰緊機(jī)構(gòu)改造和批頭可選擇定型非定制

擰緊機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人手臂，在使用過(guò)程中可以避開周圍機(jī)構(gòu)和線纜，批頭采用標(biāo)準(zhǔn)普通規(guī)格，市場(chǎng)上易采購(gòu)，使用壽命符合現(xiàn)場(chǎng)期望。

2 總結(jié)和后續(xù)工作建議

2.1 全文總結(jié)

本文研究工作主要圍繞這種螺栓上料擰緊機(jī)。

（1）學(xué)習(xí)了螺栓上料擰緊機(jī)構(gòu)的原理，根據(jù)螺栓安裝力、扭矩、轉(zhuǎn)角、扭矩系數(shù)等基本概念， 建立了安裝螺栓上料擰緊過(guò)程的三維模型。

（2）研究螺栓擰緊4 種技術(shù)，對(duì)這些擰緊技術(shù)所能控制的擰緊力的一致性作了數(shù)值對(duì)比分析，并對(duì)使用的范圍、場(chǎng)合和制造成本進(jìn)行比較，為研究各類型螺栓有效擰緊技術(shù)提供了依據(jù)。

（3）考慮了氣缸體使用的材料的特性和缸體承壓性能，設(shè)計(jì)承受工作負(fù)載的螺栓擰緊工藝，設(shè)計(jì)提供了支持。

（4）研究分析了不同類型的螺栓擰緊負(fù)載的螺栓預(yù)緊力的影響，設(shè)計(jì)了更為實(shí)用的擰緊方式。

2.2 后續(xù)工作建議

螺栓上料擰緊機(jī)是結(jié)合儲(chǔ)料、送料、運(yùn)送、識(shí)別、擰緊、判定過(guò)程主體體，本文的研究工作僅考慮了一個(gè)周期中擰緊前所有過(guò)程都相對(duì)穩(wěn)定的情況，并以理論上符合正常生產(chǎn)的姿態(tài)簡(jiǎn)化處理。本文的研究工作是開展更深入研究的第一步，為了全方面了解螺栓送料擰緊的過(guò)程特點(diǎn)，尤其是隨時(shí)間的變化情況，需要進(jìn)一步考慮送料、識(shí)別、判定過(guò)程。

下步工作計(jì)劃開展多種螺栓在單機(jī)上運(yùn)送、識(shí)別、判定的模擬工作。

因此建議在對(duì)整套系統(tǒng)能兼容不同螺栓規(guī)格尺寸、在不同擰緊力的情況下結(jié)合在一起進(jìn)行。

圖2 擰緊機(jī)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)