三坐標螺絲機結(jié)構(gòu)優(yōu)化實驗研究*

李小民，黃 棟，李 平，郭偉科

（廣東省科學院智能制造研究所，廣州 510070）

0 引言

在種類繁多的機械產(chǎn)品中，零件之間應用最廣泛的聯(lián)接方式是螺紋連接，目前3C產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，一般采用自動鎖附螺絲機將螺絲和產(chǎn)品進行連接以提高作業(yè)效率，同時可以解放勞動力。自動鎖附螺絲機是通過各類電動、氣動元器件實現(xiàn)螺絲的自動輸送、擰緊、檢測等工序，通過設(shè)備來簡化螺絲緊固工序，達到減少人工數(shù)量及減少人工誤操作帶來的不良因素[1]。自動鎖附螺絲機按使用形式分為手持式自動鎖螺絲機和全自動鎖螺絲機；全自動鎖附螺絲機按軸數(shù)可以分為三軸桌面螺絲機、四軸SCARA螺絲機；三軸桌面螺絲機按傳動結(jié)構(gòu)和電機可以分為絲桿傳動伺服型螺絲機、絲桿傳動步進型螺絲機、同步帶伺服型傳動螺絲機和同步帶步進型傳動螺絲機。

在3C產(chǎn)品自動化生產(chǎn)企業(yè)中，企業(yè)一直追求低成本高效率高品質(zhì)，同步帶步進型三種標螺絲在效率和精度滿足生產(chǎn)的情況下作為使用成本最低的一種螺絲機，深得企業(yè)青睞。但是，實際應用中發(fā)現(xiàn)三坐標螺絲機X軸方向上鎖附螺絲偏離孔中心、鎖附不合格、鎖附過程中整機振動大等現(xiàn)象，影響鎖附效率及整個生產(chǎn)線節(jié)拍。

關(guān)于螺絲機鎖付質(zhì)量的問題已受到了一些學者的關(guān)注，并取得了一定成果。劉建春[2]針對小長徑比螺絲自動鎖付過程中存在歪鎖、浮鎖、滑牙、滑絲等現(xiàn)象，開發(fā)一套適用于小長徑比螺絲鎖付質(zhì)量檢測的系統(tǒng)，該研究針對鎖附質(zhì)量檢測系統(tǒng)，并未提高鎖附質(zhì)量。鄧煜[3]針對螺絲鎖附結(jié)果的判斷建立算法模型，未對鎖附質(zhì)量研究。石小仕[4]針對生產(chǎn)線上的工件螺絲鎖附效率低下，現(xiàn)有螺絲鎖附機器人獲取工件螺孔坐標困難等問題，提出了一種基于STM32 ARM Cortex-M3內(nèi)核單片機的雙工位螺絲鎖附機器人，是基于控制系統(tǒng)對螺絲機進行的優(yōu)化，與本文研究方向不同。姚文欽[5]針對螺絲機系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計了基于伺服系統(tǒng)、多種產(chǎn)品共用的高速擰螺絲系統(tǒng)，與本文中步進電機研究應用不同。何成[6]針對自動鎖螺絲機的螺絲擰緊速度進行研究，主要與鎖附效率有關(guān)，與本文中鎖附質(zhì)量無關(guān)。

本文以同步帶步進型三坐標螺絲機（以下簡稱三坐標螺絲機）為研究對象，從機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向進行鎖附質(zhì)量、精度及振動研究。通過正交參數(shù)設(shè)置方式多工況測試，觀察其運行狀態(tài)，同時應用ReniShaw XL-80/QC20-W激光干涉儀和Polytec DMS PSV-500-B激光測振儀等高精度測試儀器對其進行測試，深入分析其重復定位精度不足、精度保持性能差以及振動大等問題，剖析其根本，尋找優(yōu)化方案，并對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化前后測試對比，從而完成對三坐標螺絲機綜合性能提升。

1 三坐標螺絲機

1.1 三坐標螺絲機結(jié)構(gòu)特點

三坐標螺絲機具有X、Y、Z三個方向移動自由度，其X軸滑動系統(tǒng)主要功能為承載并驅(qū)動Z軸滑動系統(tǒng)移動，準確定位到取螺絲和鎖附螺絲兩個工位，其配套一臺步進電機驅(qū)動同步帶傳動系統(tǒng)。Y軸滑動系統(tǒng)采用雙Y軸結(jié)構(gòu)形式，主要功能是承載并驅(qū)動冶具及工件，將待鎖附螺絲的工件移送到螺絲批移動路線正下方，完成螺絲鎖附后返回，其配套兩臺步進電機驅(qū)動同步帶傳動系統(tǒng)。Z軸滑動系統(tǒng)主要功能是承載并驅(qū)動螺絲批，當X軸方向定位后，Z軸驅(qū)動螺絲批上下移動，完成取螺絲和鎖附螺絲工序，其配套一臺步進電機驅(qū)動同步帶傳動系統(tǒng)。螺絲振動料盤將亂序狀態(tài)螺絲通過振動方式按順序規(guī)則進行排列，方便螺絲批進行吸取螺絲，布置于X軸滑動系統(tǒng)下方，雙Y軸滑動系統(tǒng)中間。從上述結(jié)構(gòu)結(jié)合實際運行特性初步分析可知：X軸滑動系統(tǒng)具有高速運動高頻啟停特點，高速運行引起步進電機負載能力不足，易出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，導致X軸重復定位精度變差。同時高頻啟停帶來啟停慣性力，激勵機架振動。結(jié)合表象X方向鎖附偏離，進一步確定了X軸滑動系統(tǒng)是影響三坐標螺絲機性能的根本原因。三坐標螺絲機及軸系如圖1所示。

圖1 三坐標螺絲機及軸系

1.2 正交式工況測試

基于常用工況參數(shù)初速度60 mm/s，加速度1 000 mm/s，通過正交測試方式調(diào)整運行參數(shù)，讓X軸滑動系統(tǒng)在第一鎖附位、取螺絲位和第二鎖附位之間反復啟停運行，每個工況測試時間約45 min，間斷性觀察各工況測試運行結(jié)果。正交測試工況如表1所示。通過表中觀察結(jié)果知，三坐標螺絲機X軸滑動系統(tǒng)隨著初速度和加速度的不斷提高，卡滯漸明顯；機架隨著加速度的提高振動不斷加大。

表1 正交測試工況

1.3 ReniShaw XL-80/QC20-W激光干涉儀重復定位精度測試

ReniShaw XL-80/QC20-W激光干涉儀測量精度為±0.5 ppm，最大測量速度為4 m/s，最大測量距離為80 m。其測試原理：激光頭安裝在地面三腳架上發(fā)出激光束1，經(jīng)與激光頭相對固定的分光鏡分成兩束激光，其中一激光束經(jīng)固定反光鏡反射，形成參考光束2，另一激光束經(jīng)安裝在三坐標螺絲機X軸滑動系統(tǒng)上的移動反光鏡反射，形成測量光束3。參考光束和測量光束匯聚于分光鏡中相疊加干涉，形成干涉光束4，相位相反時形成相消干涉，產(chǎn)生暗條紋；相位相同時形成相長干涉，產(chǎn)生明條紋[7-10]。如果X軸滑動系統(tǒng)移動反光鏡，干涉光束的相對相位將改變，就會出現(xiàn)一個明-暗-明的光強變化循環(huán)，激光干涉儀通過接收到明暗條紋變化，經(jīng)過電子傳感器細分，從而知道X軸滑動系統(tǒng)移動距離的細微和準確的變化，以此來測量移動距離。三坐標螺絲機線性測試原理如圖2所示。

圖2 三坐標螺絲機線性測試原理

X軸滑動系統(tǒng)以常用工作工況運行且對其重復定位精度測試。首先采用GB/T 17421.2-2016《機床檢驗通則第2部分：數(shù)控軸線的定位的精度和重復定位精度》對三坐標螺絲機X軸滑動系統(tǒng)進行間隔20 mm進行多點測試。限于位移量較小，每次移動速度較低，標準檢驗循環(huán)如圖3所示。低速重復定位精度測試曲線如圖4所示，從測試曲線可知，該工況下重復定位精度為0.022 mm，基本與市面同類型螺絲機重復定位精度相同。

圖3 標準檢驗循環(huán)

圖4 低速重復定位精度測試曲線

然后再通過設(shè)置X軸滑動系統(tǒng)鎖附位置點，第一鎖附位置點位為20 mm，取螺絲位點位為240 mm，第二鎖附位置點位為440 mm，對其進高速重復定位精度測試。每次移動位移量為220 mm，移動距離長，移動速快。初步經(jīng)過5 min測試，重復定位精度基本保持不變?；貧w原點后，再次測試經(jīng)過約45 min運行，重復定位精度變大，高速重復定位精度測試曲線如圖5所示，通過測試曲線知，重復定位精度為1.33 mm。

圖5 45 min后重復定位精度曲線

1.4 Polytec DMS PSV-500-B激光測振儀振動測試

Polytec DMS PSV-500-B激光測振儀位移分辨率為皮米級，最大采樣頻率為25 MHz，最大速度為10 m/s。工作原理為：激光頭發(fā)出的激光經(jīng)過分光鏡分成兩束光，參考光束1直接被光檢測器接收；測量光束經(jīng)過一對可擺動的透鏡照射在物體表面上，運動物體表面散射或反射后的光束被集光鏡收集后由光檢測器接收，然后形成干涉光束，產(chǎn)生正比于運動物體速度的多普勒信號,通過頻率和相位解調(diào)便可得到運動物體速度和位移的時間歷程信號[11-12]。三坐標螺絲機振動測試原理如圖6所示。

圖6 三坐標螺絲機振動測試原理

X軸滑動系統(tǒng)以常用工作工況運行，采用激光測振儀對螺絲機機架上下兩端分別進行振動測試，機架上端靠近激勵源，振幅最大，激光測振儀測試現(xiàn)場如圖7所示。機架上端振幅曲線如圖8所示，機架上端振幅最大為0.793 mm。從測試曲線可知，機架振動在X軸滑動系統(tǒng)定位鎖附螺絲和定位取螺絲的時段振幅逐漸變?。辉谶\行時瞬時啟動會產(chǎn)生反向瞬時作用力，從而產(chǎn)生圖中振幅瞬間增大加速度現(xiàn)象。

圖7 激光測振儀測試現(xiàn)場

圖8 機架上端振動曲線

綜合上述，重復定位精度測試結(jié)果與多工況觀察結(jié)果基本相似，X軸滑動系統(tǒng)在低速和低加速度的情況下，要求啟動慣性力和運行慣性力均較小，在驅(qū)動電機負載能力范圍內(nèi)基本無卡滯。隨著速度或加速度不斷增大，要求慣性力增加，受X軸滑動系統(tǒng)瞬時阻力變化，出現(xiàn)驅(qū)動電機負載能力會不足現(xiàn)象，隨著丟步概率增加，誤差累積后三坐標螺絲機X軸滑動系統(tǒng)重復定位精度變差，導致無法正常鎖附螺絲。在高速高頻次運動過程中，X軸滑動系統(tǒng)不停換向，不停啟停，不同方向不同大小慣性力激勵機架，導致三坐標螺絲機機架振動。初速度的增大，增加了電機的瞬時驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，通過同步帶傳遞給X軸滑動系統(tǒng)，形成更大瞬時啟動慣性力，加速度的增大也增大了運行過程慣性力，均可以引起機架振幅增加。

根據(jù)公式F=ma，其中F為同步帶傳遞給X軸滑動系統(tǒng)拉力，m為X軸滑動系統(tǒng)質(zhì)量，a為X軸滑動系統(tǒng)加速度。優(yōu)化途徑有兩種，其一為滿足滑動所需加速a，也就是通過提升X軸驅(qū)動電機負載能力。其二為降低滑動系統(tǒng)質(zhì)量m。受限于安裝空間，X軸驅(qū)動電機負載能力提升空間有限，且負載能力提升只能緩減三坐標螺絲機高速工況下的重復定位精度不足及精度保持性差的情況，無法解決機架振動問題。只有減少X軸滑動系統(tǒng)質(zhì)量，降低了滑動載荷，相對地提升了電機負載，提升升精度，同時降低運行慣性力，降低整機振動。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 三坐標螺絲機結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于以上分析，為減少X軸滑動系統(tǒng)質(zhì)量創(chuàng)新性提出并采用X軸和Z軸換位優(yōu)化技術(shù)。該優(yōu)化技術(shù)旨在將Z軸滑動系統(tǒng)固定于機架，X軸滑動系統(tǒng)再集成到Z軸滑動系統(tǒng)中。優(yōu)化后三坐標螺絲機如圖9所示。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，X軸滑動系統(tǒng)驅(qū)動電機居中布置，保證整體的平衡性。X軸滑動系統(tǒng)中同步帶張緊機構(gòu)采用雙輪式張緊，張緊行程量減半。Z軸滑動采用雙驅(qū)動雙導向結(jié)構(gòu)，同時設(shè)置低位零負載機構(gòu)，降低Z軸方向低位負載，增加Z軸方向低位能力；Z軸滑動系統(tǒng)安裝于同一安裝板，通過加工保證雙滑軌安裝平行度，降低滑動阻力；安裝板通過雙橫桿固定在機架上。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后X軸滑動系統(tǒng)的質(zhì)量由7.2 kg降低到約2.8 kg，降幅達61.2%。優(yōu)化后部分細節(jié)如圖10所示。

圖9 優(yōu)化后三坐標螺絲機

圖10 優(yōu)化后部分細節(jié)

2.2 優(yōu)化后多工況測試

優(yōu)化后采用優(yōu)化前正交測試方式設(shè)置同樣參數(shù)，每種工況測試時間約45 min，發(fā)現(xiàn)多工況運行均未發(fā)生卡滯或者卡滯不明顯現(xiàn)象，且振動明顯減小。通過逐步試探式測試，當初速度v0=120 mm/s或加速度a=1 500 mm/s2時，在運行的時段里會產(chǎn)生明顯卡滯，振動變大。初步觀察判斷優(yōu)化后X軸滑動系統(tǒng)綜合性能明顯提升。

2.3 優(yōu)化后激光干涉儀重復定位精度測試

優(yōu)化后采用激光干涉儀對X軸滑動系統(tǒng)間隔20 mm進行多點低速測試。測得重復定位精度為0.020 mm，基本與優(yōu)化前測試重復定位精度相近。進一步證實，小位移量使得X軸滑動系統(tǒng)移動最高速度與初速度相近，保持在低速滑動的狀態(tài)，無卡滯情況。

在常用工況參數(shù)設(shè)置下對X軸滑動系統(tǒng)進行重復定位精度測試，運行約45 min后，測得X軸滑動系統(tǒng)重復定位精度為0.031 mm。為了進一步驗證X軸滑動系統(tǒng)的精度保持性能，進行了長時間測試，經(jīng)過約5 h連續(xù)測試后，重復定位精度基本保持不變。優(yōu)化后X軸滑動系統(tǒng)在常用工況下重復定位精度與優(yōu)化前相比提升明顯，且精度保持性良好。優(yōu)化后激光干涉儀測試現(xiàn)場如圖11所示。優(yōu)化后重復定位精度曲線如圖12所示。

圖11 優(yōu)化后激光干涉儀測試現(xiàn)場

圖12 優(yōu)化后重復定位精度測試曲線

圖13優(yōu)化后機架上端振動曲線

2.4 優(yōu)化后螺絲機振動測試

優(yōu)化后采用激光測振儀在常用工況參數(shù)對螺絲機機架上端進行振動測試，測得其最大振幅為0.275 mm，與優(yōu)化前對比，X軸滑動系統(tǒng)在高頻啟停情況下作用于機架上的慣性力減小，機架振幅減小65.4%。優(yōu)化后機架上端振動曲線如圖13所示。

3 結(jié)束語

通過測試分析優(yōu)化，優(yōu)化前三坐標螺絲機性能與X軸滑動系統(tǒng)移動速度有明顯關(guān)系：當X軸滑動系統(tǒng)移動速度慢時，鎖附質(zhì)量高，鎖附重復定位精度高及機架振動小，但是螺絲鎖附效率低；當X軸滑動系統(tǒng)移動速度逐步加快時，鎖附會出現(xiàn)不良，鎖附重復定位精度變差及機架振動變大。

創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)優(yōu)化后效果如下：（1）正交式設(shè)置多工況參數(shù)且運行觀察，X軸滑動系統(tǒng)無明顯卡滯，且初速度v0和加速度a均可適當提高，提升升螺絲鎖附效率；（2）常用（高速）工況參數(shù)設(shè)置下高速運行，重復定位精度由原1.33 mm提升到0.031 mm，且精度保持性能也得到提升，機架振幅由原0.793 mm降低到0.275 mm，振幅減小約65.4%。

該結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅能夠提升三坐標螺絲機鎖附良率及穩(wěn)定性，而且為后續(xù)螺絲機研究應用奠定了基礎(chǔ)。