工業(yè)機(jī)器人鑄鋁關(guān)節(jié)緊固與防松技術(shù)

□□ 吳繼青，閔云浩，陸 明

(珠海格力智能裝備有限公司，廣東 珠海 519070)

引言

工業(yè)機(jī)器人作為智能制造領(lǐng)域的代表，在企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，市場(chǎng)前景十分可觀[1]。工業(yè)機(jī)器人是中國(guó)制造業(yè)未來(lái)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，也是格力智能裝備公司發(fā)展智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，一直作為公司的核心產(chǎn)品之一。

在工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器人裝配工藝顯得尤為重要，如何在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)快速、精確地裝配并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，降低產(chǎn)品不良率及售后異常已成為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[2-3]。其中，鑄鐵、鑄鋁關(guān)節(jié)零件是工業(yè)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)組成，關(guān)節(jié)件毛坯為鑄造外觀輪廓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面粗糙。在鑄件的運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、加工過(guò)程可能粘附各種油污、浮銹、殘?jiān)入y以清除干凈，導(dǎo)致鑄件噴涂表面漆層附著力不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生漆層脫落、開(kāi)裂、起皮以及其他表面缺陷等，嚴(yán)重影響了工業(yè)機(jī)器人的外觀質(zhì)量。因此，本文主要對(duì)高強(qiáng)度螺栓在工業(yè)機(jī)器人大型運(yùn)動(dòng)鑄鋁關(guān)節(jié)上的緊固與防松技術(shù)進(jìn)行研究[4-5]。

1 存在問(wèn)題

工業(yè)機(jī)器人J3-J6關(guān)節(jié)件采用鑄鋁ZL101 A，既要滿足關(guān)節(jié)輕量化設(shè)計(jì)，也要承擔(dān)鑄鋁代鋼強(qiáng)度要求，因而將機(jī)器人的鑄鋁關(guān)節(jié)緊固同時(shí)異常處理是急需解決的問(wèn)題。在鑄鋁關(guān)節(jié)緊固鎖緊時(shí)，易出現(xiàn)異常問(wèn)題如下：

(1)鑄鋁ZL101 A螺孔滑牙，在安裝、返修過(guò)程頻繁出現(xiàn)。如圖1所示。

圖1 螺孔滑牙異常

(2)在包裝運(yùn)輸試驗(yàn)、長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)螺栓松脫。如圖2所示。

圖2 螺栓松脫異常

(3)因螺栓松脫，導(dǎo)致諧波減速機(jī)損壞。如圖3所示。

圖3 諧波減速機(jī)損壞異常

關(guān)于力矩緊固值的設(shè)定，原則上需保證螺釘鎖緊且不出現(xiàn)滑絲、斷裂。故對(duì)不同螺釘緊固力矩需作充分分析，尤其是螺釘設(shè)計(jì)選型過(guò)程中需考慮螺釘本身的破壞扭力、最佳鎖緊力等。對(duì)于螺釘緊固過(guò)程中，緊固力矩值并非與破壞扭力直接等同，需通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)分析，確定緊固力矩與破壞扭力之間的關(guān)系[6]。

2 解決方案與實(shí)施

結(jié)合工業(yè)機(jī)器人在裝配和售后過(guò)程中存在問(wèn)題分析，主要為鑄鋁滑牙及螺栓松脫的異常。

2.1 鑄鋁(ZL101 A)強(qiáng)度驗(yàn)證

在對(duì)鑄鋁關(guān)節(jié)緊固與防松研究之前，首先對(duì)基材強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)確認(rèn)，若鑄鋁基材存在質(zhì)量異常，則會(huì)對(duì)后續(xù)研究造成影響，導(dǎo)致結(jié)果異常。因此，必須保證鑄鋁強(qiáng)度合格。

通過(guò)進(jìn)行鑄鋁(ZL101 A)強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果為：δ=Fb/So=35.64×103/(3.14×0.25×12.082)=311 MPa。根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)數(shù)據(jù)查詢，鑄鋁件標(biāo)準(zhǔn)值為295 MPa。則鑄鋁強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)供應(yīng)狀態(tài)要求。

2.2 自攻螺套工藝開(kāi)發(fā)

自攻鑲嵌件是一種新型加強(qiáng)螺紋強(qiáng)度的緊固件，如圖4所示。自攻鑲嵌件整體有內(nèi)外牙，嵌入塑料、鋁合金、鑄鐵、銅等較軟的材料內(nèi)，可以形成較高強(qiáng)度的內(nèi)螺紋孔，自攻鑲嵌件亦可對(duì)已壞的內(nèi)螺紋進(jìn)行修復(fù)。與普通鋼絲螺套比較，最大的區(qū)別在于自攻件鑲嵌具有整體內(nèi)外牙，安裝后可增加螺紋強(qiáng)度，防止螺絲松動(dòng)，即提高產(chǎn)品等級(jí)。

圖4 自攻螺套圖示

2.2.1 自攻鑲嵌件的特點(diǎn)

(1)自攻螺套系成型后再嵌入母材的一種螺紋嵌入件。

(2)不需要使用絲錐，可自行攻螺紋，減少工時(shí)，可降低成本。

(3)強(qiáng)化螺紋。和成品接觸面積大，承受拉力強(qiáng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可使用強(qiáng)度較低的材料。

(4)保護(hù)螺牙。具防震效果，可防止螺紋松動(dòng)。

(5)螺紋虧牙再生。對(duì)于磨損后潰牙只螺紋具有維修作用，使用自攻螺紋套可繼續(xù)使用原尺寸的螺絲。

(6)同樣規(guī)格的自攻螺紋襯套，可適用于多種不同的材質(zhì)，符合經(jīng)濟(jì)效益需求。

(7)安裝簡(jiǎn)便，迅速，只需一種裝入工具，成本低，不良率低。

2.2.2 自攻螺套安裝方法

(1)當(dāng)安裝數(shù)量較少時(shí)，可采取簡(jiǎn)易安裝方法。采取對(duì)應(yīng)規(guī)格螺栓和螺母的方法，將自攻螺套固定在對(duì)應(yīng)型號(hào)的螺絲上，用同型號(hào)螺母進(jìn)行固定，使三者成為一個(gè)整體，用扳手把螺套擰入底孔，后把螺絲退出即可。

(2)當(dāng)安裝數(shù)量較多時(shí)，可使用專用螺套安裝工具，尾端為六角頭，可連手動(dòng)攻牙扳手，也可接電動(dòng)或氣動(dòng)工具。

2.2.3 安裝注意事項(xiàng)

(1)針對(duì)不同加工材質(zhì)，參考鉆孔尺寸規(guī)格，進(jìn)行預(yù)鉆孔加工。當(dāng)對(duì)應(yīng)材質(zhì)硬度較高時(shí)，應(yīng)在鉆孔范圍內(nèi)稍微加大所開(kāi)的底孔。

(2)開(kāi)槽一端向下將自攻螺套完全裝進(jìn)工具前端，須垂直接觸工件，裝入時(shí)(1～2螺距)確認(rèn)對(duì)準(zhǔn)底孔，絕不可傾斜。發(fā)現(xiàn)傾斜時(shí)，不可反轉(zhuǎn)工具，應(yīng)重新調(diào)整再使用，當(dāng)進(jìn)入1/3～1/2后，便不可重新再來(lái)。另外，請(qǐng)不可反向旋轉(zhuǎn)工具，否則會(huì)造成產(chǎn)品故障。

2.2.4 不銹鋼牙套鑲嵌

針對(duì)鑄鋁件鑲嵌304不銹鋼牙套，如圖5所示。該材料經(jīng)過(guò)特殊工藝處理，牙孔螺旋表面的硬度在HRC45以上，是普通不銹鋼的2倍，更是高出鑄鋁基材的5倍以上，可以有效杜絕滑絲，具體見(jiàn)表1。

圖5 自攻螺套鑲嵌示意圖

表1 牙孔螺旋表面硬度

鑄鋁件鑲嵌304不銹鋼牙套后，螺牙耐磨性得到改進(jìn)，可有效杜絕滑絲，但牙套的有效擰入深度還需根據(jù)材料強(qiáng)度與安全系數(shù)來(lái)計(jì)算，才能保證牙套的準(zhǔn)確安裝與使用。

2.2.5 牙套受力分析

牙套受力分析如圖6所示。

圖6 牙套受力分析圖示

F′(保證載荷)=(0.6～0.7)δs(屈服強(qiáng)度)×As(公稱應(yīng)力截面積)，以螺栓的極限抗拉強(qiáng)度來(lái)反推螺孔保證載荷，即視為：δs·As≈材料Sp(保證應(yīng)力)×As(公稱應(yīng)力截面積)。因此，以M3為例，強(qiáng)度等級(jí)為12.9，則：As×295=5.03×970=4 880，As=(N-2)×πd×5/8P。由此可以初略計(jì)算：N(有效螺紋圈數(shù))=5.6+2=8(取整)，Lmin(擰入深度)=N×p=8×0.5=4。故牙套需選M3×2D以上，并保證安裝正確時(shí)，螺孔可承受12.9級(jí)螺栓最大保證載荷鎖緊拉力。

以此類推，可求出M4，M5，M6，M8…對(duì)應(yīng)的牙套需求規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 牙套需求規(guī)格表

對(duì)已鑲嵌好牙套的螺孔施加最大破壞扭矩，直至破壞，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖7所示。結(jié)果顯示螺栓不同程度損壞，牙孔完好無(wú)損，滑絲不良率顯著下降，具體見(jiàn)表3。

圖7 牙套試驗(yàn)過(guò)程圖示

表3 牙套試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.3 自攻螺套裝配工藝要求

(1)牙套安裝應(yīng)按要求進(jìn)行開(kāi)孔，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 牙套底孔對(duì)應(yīng)參數(shù)表

(2)選擇與牙套規(guī)格對(duì)應(yīng)的T型扳手及滾花套筒的型號(hào)，具體見(jiàn)表5。

表5 牙套對(duì)應(yīng)工具表

(3)將牙套穿在T型扳手桿上，如圖8所示。應(yīng)注意牙套有直桿的一側(cè)朝左。

圖8 牙套裝配示意圖

(4)使用T型扳手及滾花套筒將牙套對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的螺牙孔，如圖9所示。

圖9 牙套裝配工具圖示

(5)將牙套順時(shí)針擰入螺孔(牙套上平面低于安裝平面約2 mm即可)，然后逆時(shí)針擰斷尾端直桿即可，如圖10所示。

圖10 牙套裝配圖示

2.4 應(yīng)用案例

通過(guò)開(kāi)發(fā)研究機(jī)器人鑄鋁關(guān)節(jié)緊固與防松技術(shù)，使用牙套緊固，效果如圖11所示。

圖11 牙套緊固效果圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)工業(yè)機(jī)器人在鑄鋁件關(guān)節(jié)緊固與防松技術(shù)進(jìn)行研究，提出了使用自攻螺套的安裝工藝對(duì)基材強(qiáng)度合格的鑄鋁關(guān)節(jié)件進(jìn)行裝配，通過(guò)力學(xué)分析計(jì)算保證載荷鎖緊拉力，同時(shí)對(duì)裝配工藝進(jìn)行系統(tǒng)化分析，降低了機(jī)器人產(chǎn)品不良率，減少了售后異常問(wèn)題。