鋼絲螺套自動安裝系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

趙 富， 張 鵬， 楊羲昊， 王小海， 劉文忠

（內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 特種車輛及其傳動系統(tǒng)智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

隨著我國航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域的快速發(fā)展，機(jī)械聯(lián)接的可拆裝性和安全性要求也在不斷提高[1]。由于加工或裝配的誤差，傳統(tǒng)的螺紋聯(lián)接螺紋受力不均，使得螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度降低。特別是目前大量使用的鋁合金、銅合金等材料，其螺紋的抗剪切能力較弱，傳統(tǒng)螺紋連接的強(qiáng)度和疲勞壽命將極大的減小[2-3]。 鋼絲螺套連接是一種低成本且可以有效增強(qiáng)螺紋聯(lián)接強(qiáng)度以及提高使用壽命的方法[4]，手工安裝鋼絲螺套制約著安裝質(zhì)量一致性和效率提升，有必要開展鋼絲螺套自動安裝系統(tǒng)設(shè)計，提高鋼絲螺套安裝質(zhì)量一致性及安裝效率。

1 需求分析

鋼絲螺套自動安裝系統(tǒng)需要完成箱體和軸承座兩種零件，M8×1×12、M10×1×12、M10×1×20、M12×1.5×14 共4種鋼絲螺套的自動安裝，零件及鋼絲螺套參數(shù)如表1 所示。

表1 零件及鋼絲螺套基本情況

通過上表可知，箱體需要在4 個面上安裝鋼絲螺套，而軸承座需要在2 個面上安裝鋼絲螺套， 綜合考慮裝夾定位及布局優(yōu)化等因素， 每個零件均需翻轉(zhuǎn)1 次完成所有鋼絲螺套安裝，箱體零件需要完成3 種規(guī)格43 個鋼絲螺套安裝，軸承座需要完成2 種規(guī)格20 個鋼絲螺套。 為了實(shí)現(xiàn)鋼絲螺套安裝質(zhì)量追溯，需要對扭矩、深度等工藝參數(shù)進(jìn)行采集及存儲， 并對壓裝完鋼絲螺套的效果進(jìn)行拍照存儲。

2 方案設(shè)計

2.1 夾具及上料系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合箱體和軸承座特征，確定了裝夾方式，并設(shè)計了定位夾具，用于保證箱體和軸承座定位，并方便人工上下料及裝夾， 保證了每個零件翻轉(zhuǎn)1 次即可完成所有鋼絲螺套的安裝。

為了滿足M8×1 ×12、M10 ×1 ×20、M10 ×1 ×12、M12 ×1.5×14 四種鋼絲螺套上料需求， 開展了上料系統(tǒng)設(shè)計，包括4 個上料機(jī)構(gòu)，排布在鋼絲螺套自動安裝系統(tǒng)外側(cè)，如圖6 所示，每個上料機(jī)構(gòu)將鋼絲螺套直列排序后送出， 便于安裝機(jī)器人取料，所有振動盤上方都帶有蓋板，加料時人工打開振動盤蓋板，將正確型號的鋼絲螺套放入；并通過提前編制好取料程序， 按照安裝鋼絲螺套的順序?qū)摻z螺套從上料機(jī)構(gòu)抓取進(jìn)行安裝。 相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

圖1 工裝夾具裝夾零件后的狀態(tài)圖

表2 上料系統(tǒng)主要參數(shù)表

如圖2 所示， 上料機(jī)構(gòu)由鋼絲螺套震動盒、 上料氣缸、分切機(jī)構(gòu)、水平切料機(jī)構(gòu)、直線震動送料機(jī)構(gòu)等組成，將對應(yīng)規(guī)格的鋼絲螺套批量的放入震動盒內(nèi)， 當(dāng)上料機(jī)構(gòu)啟動后，通過震動實(shí)現(xiàn)篩選、排列、上料輸出等，將鋼絲螺套運(yùn)送至上料口，等待機(jī)器人抓取。

圖2 上料機(jī)構(gòu)及出料示意圖

2.2 鋼絲螺套抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了提高擰緊槍和機(jī)器人的利用率，對鋼絲螺套抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并通過工裝快換庫實(shí)現(xiàn)了每種鋼絲螺套抓取機(jī)構(gòu)快速更換，提高安裝效率。 將鋼絲螺套抓取機(jī)構(gòu)分為兩個部分：驅(qū)動組件和抓取組件，驅(qū)動組件固定在機(jī)器人第六軸末端，與擰緊軸安裝在一起；而抓取組件放置在工裝快換庫中，根據(jù)需要擰緊的鋼絲螺套規(guī)格來選配，驅(qū)動組件和抓取組件之間通過磁鐵實(shí)現(xiàn)快速連接，動力通過快插方式傳遞，如圖3 所示。

圖3 放置在機(jī)器人末端的快換機(jī)構(gòu)示意圖

工裝快換庫可以同時存放4 種抓取組件，按照既定的順序放置， 實(shí)現(xiàn)了位置防錯，并設(shè)置在位檢測傳感器，保證抓取組件未抓取成功或者是上一個抓取組件未脫落時進(jìn)行自動報警提示，進(jìn)而確保整個抓取組件更換過程的正確性，進(jìn)而提高自動安裝系統(tǒng)的可靠性。 在工裝快換庫的每個存儲位置設(shè)計了批頭鎖緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)裝配需要更換抓取組件時，機(jī)器人首先要將已經(jīng)磁鐵吸合在擰緊軸上的抓取組件放置在工裝快換庫對應(yīng)位置，脫卸后再去吸合需要的抓取組件，進(jìn)而完成整個驅(qū)動組件快速更換，如圖4 所示。

圖4 工裝快換庫

2.3 系統(tǒng)組成及布局

該系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、影像系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、擰緊系統(tǒng)、抓取組件快換系統(tǒng)、夾持工裝、電氣系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成，外形尺寸2000×2500×2800 mm，在安全防護(hù)方面進(jìn)行了可靠設(shè)計，所有門和開口處使用安全光柵，只要光柵被觸發(fā)，設(shè)備自動停機(jī)，提高設(shè)備本質(zhì)安全度，設(shè)備整體布局如圖5 所示。

圖5 鋼絲螺套集成驗(yàn)證系統(tǒng)布局示意圖

6 軸機(jī)器人承擔(dān)鋼絲螺套的自動拾取與安裝，具備結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性高、體積小巧、高速度、高精度等特征，并可適用于狹窄空間，可保證識別、安裝效率最大化；機(jī)器人末端安裝的擰緊槍負(fù)責(zé)鋼絲螺套的準(zhǔn)確擰入， 視覺識別模塊負(fù)責(zé)零件螺紋孔與鋼絲螺套的識別與判定；4 個上料機(jī)構(gòu) （4 種規(guī)格）負(fù)責(zé)不同規(guī)格鋼絲螺套的篩選和送料，工裝快換機(jī)庫放置4 種規(guī)格的鋼絲螺套拾取裝置， 人機(jī)交互界面可以通過交互界面控制鋼絲螺套整個安裝過程， 并對安裝過程工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。工作時，機(jī)器人帶動視覺識別模塊拍照并確定裝配位置、螺紋孔位置等，再由擰緊裝置完成零件所有規(guī)格鋼絲螺套的裝配。

3 實(shí)施效果

鋼絲螺套自動安裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了2 種典型關(guān)鍵零件、4種鋼絲螺套的自動識別、自動防錯、精準(zhǔn)安裝、扭矩控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測，達(dá)到了單個鋼絲螺套自動化安裝節(jié)拍（含拾取鋼絲螺套、視覺判斷、安裝、檢測等）37s/個，一次裝配合格率＞99%，擰緊裝置對鋼絲螺套擰入螺紋孔的扭矩、擰入深度能夠?qū)崟r感（深度誤差≤±0.5mm）的技術(shù)指標(biāo)，大幅提高了鋼絲螺套安裝質(zhì)量的一致性及可靠性。

4 結(jié)論

本文開展了鋼絲螺套自動安裝工程化方案設(shè)計，并通過箱體、軸承座零件鋼絲螺套安裝進(jìn)行了驗(yàn)證，通過實(shí)踐證明，鋼絲螺套自動安裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鋼絲螺套的自動、精準(zhǔn)安裝，并對扭矩、深度等工藝參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測并存儲，并對安裝效果圖進(jìn)行了存儲，為基于大數(shù)據(jù)的鋼絲螺套安裝工藝參數(shù)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 并為質(zhì)量追溯提供了有效方法， 技術(shù)思路及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以在自動化裝配中進(jìn)行推廣，特別是多品種、變批量的離散制造行業(yè)具有較大的借鑒意義。