螺紋抽釘自動(dòng)組裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)多規(guī)格螺紋抽釘?shù)淖詣?dòng)化批產(chǎn)需求，分析螺紋抽釘結(jié)構(gòu)和裝配工藝特點(diǎn)，基于模塊化思想設(shè)計(jì)一種螺紋抽釘自動(dòng)組裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、定位、組裝及檢測(cè)等功能，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：非標(biāo)設(shè)計(jì)；自動(dòng)化裝配；螺紋抽釘；自動(dòng)擰緊；轉(zhuǎn)矩檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）06-0123-05

Abstract：For the demand of automatic batch production of multi-specification thread pulling screws， the structure and assembly process characteristics of thread pulling screws are analyzed， and an automatic assembly system of thread pulling screws is designed based on the idea of modularization to realize the functions of automatic feeding， positioning， assembly and detection， which has the characteristics of compact structure， high reliability and strong practicability.

Keywords：non-standard design; automatic assembly; thread pulling screw; automatic tightening; torque testing

0引言

螺紋抽釘作為一種新型連接件，適用于開(kāi)敞性不夠的場(chǎng)合，已經(jīng)在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)裝配中得到了廣泛應(yīng)用［1］。但目前螺紋抽釘依然大量依賴(lài)人工裝配，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中的效率低、成本高等問(wèn)題，因此急需提高抽釘裝配的自動(dòng)化水平。典型的自動(dòng)化裝配設(shè)備大部分采用螺栓、拉鉚釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)緊固件，其結(jié)構(gòu)和裝配工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，目前已有很多相關(guān)研究，如郝欣妮等［2］設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)多規(guī)格螺母自動(dòng)上料的自動(dòng)擰緊機(jī)系統(tǒng)；田永成等［3］提出了一種在線(xiàn)式輪裝制動(dòng)盤(pán)螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)，利用絲杠變徑機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的輪盤(pán)擰緊。但對(duì)于螺紋抽釘這類(lèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)緊固件，其裝配不僅包括各零件組裝，還包括碾薄和壓窩等收口加工工序，其自動(dòng)裝配難度明顯高于普通緊固件產(chǎn)品， 現(xiàn)有類(lèi)似的復(fù)雜緊固件自動(dòng)裝配系統(tǒng)如某公司［4］研發(fā)的用于膨脹螺栓組裝的專(zhuān)用自動(dòng)化設(shè)備又因其易卡頓、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題難以適應(yīng)螺紋抽釘自動(dòng)裝配要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文開(kāi)展了螺紋抽釘自動(dòng)組裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。在結(jié)構(gòu)和裝配工藝分析的基礎(chǔ)上，基于模塊化思想設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體方案，提出了核心裝配模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯，實(shí)現(xiàn)了多規(guī)格螺紋抽釘產(chǎn)品的自動(dòng)化裝配。

1螺紋抽釘裝配工藝分析

1.1螺紋抽釘組件

如圖1所示，螺紋抽釘組成零件及其材料為芯桿（高溫合金）、管體（不銹鋼）、環(huán)圈（乙縮醛）、釘體（鈦合金）和驅(qū)動(dòng)螺母（合金鋼）。裝配時(shí)需先用工裝釘將環(huán)圈壓至管體，再依次完成管體環(huán)圈組合體、釘體、驅(qū)動(dòng)螺母到芯桿上的裝配，最后進(jìn)行管體碾薄及釘體周邊120°三點(diǎn)壓窩，同時(shí)對(duì)碾薄和壓窩處的尺寸有檢測(cè)要求。

1.2自動(dòng)裝配難點(diǎn)

1）作為一種用于抽釘批量化生產(chǎn)組裝的專(zhuān)用技術(shù)設(shè)備，既要滿(mǎn)足多規(guī)格產(chǎn)品自動(dòng)組裝需求，還要保證一定的生產(chǎn)效率。

2）抽釘組件牙型結(jié)構(gòu)特殊，旋緊工藝難度較大。芯桿后段直徑較粗，旋擰時(shí)螺紋深度不同，且芯桿末端以及釘體螺母旋入端口沒(méi)有倒角，無(wú)法順滑入絲，如圖2所示。如果旋擰時(shí)釘體及芯桿同軸度不滿(mǎn)足要求，便會(huì)導(dǎo)致裝配時(shí)提前擰死。

2組裝系統(tǒng)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

抽釘?shù)淖詣?dòng)組裝過(guò)程以平移和旋轉(zhuǎn)為主，整體產(chǎn)線(xiàn)布局一般可采用平行流水線(xiàn)或分度盤(pán)兩種形式［5］，而這兩種方式各有優(yōu)劣：1）流水線(xiàn)設(shè)置方便，可設(shè)置平行工序，作業(yè)周期時(shí)間短，但對(duì)于多規(guī)格產(chǎn)品而言生產(chǎn)彈性較差；2）分度盤(pán)結(jié)構(gòu)緊湊，可以減少多余的零件夾持、取放動(dòng)作，生產(chǎn)彈性較好，但是對(duì)于生產(chǎn)節(jié)拍控制要求較高。

依照批量裝配的效率要求，提出了每分鐘裝配20個(gè)的目標(biāo)，即每3s完成一個(gè)抽釘?shù)难b配。經(jīng)過(guò)對(duì)各裝配工藝的初步評(píng)估，擰釘體需將釘體旋進(jìn)芯桿，且旋擰距離較長(zhǎng)，工藝上所需裝配時(shí)間長(zhǎng)。而釘體旋擰時(shí)間要根據(jù)旋擰圈數(shù)以及電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)決定，旋擰時(shí)間計(jì)算公式為：

式中：N為旋擰到位旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；L為釘體在芯桿上的旋進(jìn)長(zhǎng)度，mm；P為單線(xiàn)螺紋導(dǎo)程，mm；N0為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。不同抽釘型號(hào)導(dǎo)程皆為P=0.635，旋進(jìn)長(zhǎng)度Lmax=92.620，Lmin=29.875，計(jì)算得到不同型號(hào)抽釘旋進(jìn)圈數(shù)分布在48～93圈之間?？紤]到上料、夾持以及轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間，最大旋擰時(shí)間要控制在1.5s以?xún)?nèi)，可以得到最大規(guī)格抽釘?shù)男龜Q驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速需要達(dá)到3 720r/min。初選穩(wěn)定性較好的MINASA4系列轉(zhuǎn)速為5 000r/min的伺服電機(jī)。

考慮到抽釘型號(hào)較多，采用平行流水線(xiàn)生產(chǎn)彈性較差，因此擬采用分度盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配工位的轉(zhuǎn)換，裝配時(shí)芯桿固定在分度盤(pán)上，將其他零件依次裝配在芯桿上。同時(shí)，為了減少各執(zhí)行元件的動(dòng)作行程，減小諸如氣缸沖擊等對(duì)于裝配機(jī)構(gòu)的影響，采用立式的旋擰夾持機(jī)構(gòu)完成各工序的裝配。整套方案所有動(dòng)作結(jié)構(gòu)采用螺栓連接的形式組裝在轉(zhuǎn)運(yùn)滑臺(tái)以及支撐機(jī)構(gòu)上，同時(shí)用伺服電機(jī)以及氣缸提供旋轉(zhuǎn)以及平移所需要的動(dòng)力，其相關(guān)結(jié)構(gòu)一般利用PLC控制運(yùn)行［6］。

2.2總體系統(tǒng)介紹

依照總體工藝流程，本文提出的自動(dòng)組裝系統(tǒng)主要組成部分如圖3所示。

本自動(dòng)組裝系統(tǒng)采用分度盤(pán)的旋轉(zhuǎn)定位實(shí)現(xiàn)螺紋抽釘不同工序的依次加工。抽釘在各個(gè)工位的工作步驟如下。

1）上芯桿模塊：振動(dòng)盤(pán)上料后，由氣動(dòng)手指夾持再利用滑臺(tái)氣缸和導(dǎo)軌滑臺(tái)完成各向運(yùn)輸，將芯桿轉(zhuǎn)運(yùn)放置在分度盤(pán)相應(yīng)工位上。

2）管體環(huán)圈壓裝模塊：在管體和環(huán)圈經(jīng)錯(cuò)料裝置完成分料，由氣動(dòng)手指夾持，再經(jīng)180°回轉(zhuǎn)將夾持好的零件運(yùn)至壓裝工位上，裝有工裝釘?shù)膶?dǎo)軌滑臺(tái)機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)將環(huán)圈壓至管體上。

3）組合體套芯桿模塊：套芯桿轉(zhuǎn)運(yùn)裝置與上芯桿轉(zhuǎn)運(yùn)裝置類(lèi)似，都由氣動(dòng)手指夾持及滑臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)后套至芯桿上。

4）擰釘體模塊：釘體由振動(dòng)盤(pán)排列上料，由氣動(dòng)手指夾持，經(jīng)滑臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)后，由旋擰機(jī)構(gòu)將釘體旋擰至分度盤(pán)上的芯桿內(nèi)。

5）擰螺母模塊：擰螺母機(jī)構(gòu)將螺母由旋擰機(jī)構(gòu)夾持，利用滑臺(tái)模組轉(zhuǎn)運(yùn)，最后完成螺母在芯桿上的旋擰。

6）收口模塊：螺紋抽釘需要依次實(shí)現(xiàn)管體碾薄和釘體收口，且在管體碾薄后需要對(duì)碾薄尺寸進(jìn)行檢測(cè)，因此需將裝配好的零件夾持至管體碾薄工位完成碾薄后，由另一滑臺(tái)模組轉(zhuǎn)運(yùn)至檢測(cè)工位夾持檢測(cè)，最后送至釘體收口工位完成釘體收口及下料。

7）次品回收模塊：當(dāng)檢測(cè)到次品時(shí)，其余系統(tǒng)停止，由分度盤(pán)將次品運(yùn)至次品回收工位上。

8）分度盤(pán)：在一定時(shí)間內(nèi)所有工位裝配或下料完成后，轉(zhuǎn)動(dòng)60°，將各工位零件運(yùn)送至下一工位，保證生產(chǎn)的同步性。

3釘體旋擰模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1釘體自動(dòng)旋擰方案分析

釘體自動(dòng)擰緊裝置需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：1）可以?shī)A持由錯(cuò)料機(jī)構(gòu)頂起的釘體，且?jiàn)A持機(jī)構(gòu)可更換以適配不同規(guī)格零件；2）將釘體轉(zhuǎn)運(yùn)至分度盤(pán)指定工位上；3）驅(qū)動(dòng)擰緊裝置旋擰，且在旋擰時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)矩的反饋判斷旋擰是否到位。

對(duì)于夾持機(jī)構(gòu)，目前的常規(guī)螺母自動(dòng)擰緊裝置多采用磁吸式套筒以及彈出式快換頭來(lái)滿(mǎn)足多規(guī)格螺母自動(dòng)擰緊的需求；但釘體采用的是鈦合金材料，而且無(wú)法保證裝配時(shí)同軸度。因此采用對(duì)心較好的氣動(dòng)抓手來(lái)夾取，針對(duì)不同規(guī)格釘體直接更換冶具即可。

為提高螺紋旋擰的可靠性，一方面需設(shè)計(jì)扶正機(jī)構(gòu)，利用夾爪夾持芯桿下端提供輔助定位；另一方面在主軸上設(shè)置轉(zhuǎn)矩傳感器，對(duì)釘體是否旋擰到位進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，確保旋擰到位后及時(shí)停止，同時(shí)在分度盤(pán)上設(shè)置壓力傳感器，在壓力異常時(shí)停機(jī)檢查以排除異常情況。

3.2釘體旋擰模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)

釘體旋擰模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包含轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)擰緊機(jī)構(gòu)及扶正機(jī)構(gòu)。擰釘體模塊工作步驟為：釘體通過(guò)上料機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置后，由PLC控制滑臺(tái)氣缸帶動(dòng)擰緊機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)夾取釘體，夾取后上移并通過(guò)安裝限位的導(dǎo)軌滑臺(tái)將擰緊機(jī)構(gòu)移至旋擰工位上方。為防止產(chǎn)生干涉，采用Y型氣動(dòng)手指作為扶正機(jī)構(gòu)夾持芯桿下端。后由滑臺(tái)氣缸下移至指定位置并施加一定壓力，電機(jī)首先慢轉(zhuǎn)將釘體旋入芯桿2～3圈保證入絲，接著增大轉(zhuǎn)速將釘體全部擰至芯桿上，同時(shí)控制扶正夾爪松手。旋擰到位后夾持機(jī)構(gòu)松手離開(kāi)。同時(shí)，由轉(zhuǎn)矩傳感器和壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)數(shù)值出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)停機(jī)，將加工出錯(cuò)零件運(yùn)至次品回收機(jī)構(gòu)，并檢查相關(guān)故障。

3.3釘體旋擰模塊同軸度驗(yàn)證

同軸度的計(jì)算選擇使用求距法［7］。求距法求解同軸度是計(jì)算被測(cè)元素和基準(zhǔn)元素軸線(xiàn)間最大距離的2倍，即用關(guān)系計(jì)算出被測(cè)元素和基準(zhǔn)元素的最大距離后，將其乘2即可。

釘體從上料到旋擰工位的尺寸鏈如圖5所示。

A1為分度盤(pán)旋擰工位軸線(xiàn)與釘體夾持工位軸線(xiàn)之間的距離；

A2為被夾持后釘體的軸線(xiàn)與夾持前釘體軸線(xiàn)之間的偏移距離；

A3為被夾持后釘體的軸線(xiàn)與轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)旋擰工位時(shí)釘體軸線(xiàn)之間的距離；

A4為滑臺(tái)氣缸固定部分與連接件之間的安裝誤差。

式中：ES，A0為A0上偏差；EI，A0為A0下偏差；TA0為最大偏差值；A1=110+0.02-0.01；A2=0+0.01-0.01；A3=110+0.02-0.01；A4=0+0.01-0.02。

計(jì)算得：A0max=0.06，A0min=-0.05，TA0=0.01；同軸度φ=0.12。

根據(jù)李洪等［8］對(duì)同軸度對(duì)螺栓連接的影響研究并結(jié)合抽釘實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定釘體旋擰時(shí)同軸度需要在0.15mm以下，保證在驅(qū)動(dòng)釘體慢轉(zhuǎn)時(shí)可以將釘體旋入芯桿不脫落，再由螺紋旋合作用帶動(dòng)釘體旋入芯桿。

4自動(dòng)組裝系統(tǒng)仿真驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證螺紋抽釘自動(dòng)組裝系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否滿(mǎn)足要求，并滿(mǎn)足各部分模塊生產(chǎn)節(jié)拍的一致性以及生產(chǎn)抽釘?shù)男室?，本文利用ADAMS進(jìn)行了各模塊動(dòng)力學(xué)仿真分析。

4.1自動(dòng)組裝系統(tǒng)裝配時(shí)間

采用分度盤(pán)裝配對(duì)于生產(chǎn)節(jié)拍的一致性有很高要求，需要在分度盤(pán)旋轉(zhuǎn)至下一工位前完成本道工序裝配，且各執(zhí)行機(jī)構(gòu)要及時(shí)退出工位，因此需要驗(yàn)證預(yù)設(shè)時(shí)間能否完成裝配，且生產(chǎn)效率能否達(dá)到要求。本系統(tǒng)依照裝配要求以及所選各型零件對(duì)裝配時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。

4.2ADAMS模塊仿真分析

ADAMS軟件可以對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線(xiàn)。但對(duì)于復(fù)雜模型，ADAMS需要借助專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks、UG等）完成三維建模再進(jìn)行導(dǎo)入。

這里以擰釘體模塊為例，首先設(shè)置各零件相應(yīng)的質(zhì)量，再通過(guò)約束庫(kù)以及力庫(kù)設(shè)置固定副、平移副和轉(zhuǎn)動(dòng)副等約束，并且對(duì)這些運(yùn)動(dòng)副添加STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

經(jīng)過(guò)仿真可得到如圖6所示的某規(guī)格釘體速度以及角速度曲線(xiàn)，整體加工時(shí)間為2.5～2.6s，可以看出在擰釘體模塊運(yùn)行過(guò)程中釘體旋擰時(shí)先緩慢入絲再以相對(duì)順滑的旋轉(zhuǎn)完成釘體旋擰。

通過(guò)對(duì)各模塊及整體進(jìn)行仿真分析，確保了所設(shè)時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)分度盤(pán)上各模塊生產(chǎn)節(jié)拍一致，同時(shí)在裝配過(guò)程中各模塊之間不會(huì)產(chǎn)生干涉，對(duì)于不同規(guī)格型號(hào)零件僅需要微調(diào)裝配及等待時(shí)間便可保證生產(chǎn)節(jié)拍一致。因此，針對(duì)多型號(hào)螺紋抽釘?shù)淖詣?dòng)裝配，采用分度盤(pán)裝配相較平行流水線(xiàn)更加合適。

5自動(dòng)擰緊機(jī)控制系統(tǒng)

自動(dòng)擰緊機(jī)利用PLC控制設(shè)備運(yùn)行，其控制流程如圖7所示。

根據(jù)前文對(duì)于各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)的功能有：

1）制定相應(yīng)的通信協(xié)議，控制各子系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；

2）設(shè)計(jì)選取合適的電機(jī)、傳感器、氣動(dòng)元件的控制方案，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的精確控制；

3）通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)信號(hào)的控制，完成子系統(tǒng)的相互配合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)協(xié)調(diào)同步；

4）上位機(jī)系統(tǒng)要將諸如視覺(jué)檢測(cè)提取的圖像數(shù)據(jù)信息等及時(shí)反饋，將獲得的數(shù)據(jù)信息解讀并完成對(duì)于各系統(tǒng)的控制。

6結(jié)語(yǔ)

針對(duì)螺紋抽釘自動(dòng)裝配的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)研究了螺紋抽釘自動(dòng)組裝系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)自動(dòng)組裝系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了螺紋抽釘?shù)淖詣?dòng)組裝，實(shí)現(xiàn)了螺紋抽釘各零件自動(dòng)上料、組裝、檢錯(cuò)、下料。實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)由于芯桿的制造工藝問(wèn)題，在自動(dòng)旋擰時(shí)若螺紋涂層不均勻或者殘余毛刺較大可能會(huì)導(dǎo)致旋擰擰死而導(dǎo)致加工失敗，但是相比人工旋擰仍然能夠大幅提高生產(chǎn)效率。

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收稿日期：20221107

基金項(xiàng)目：天津市緊固連接技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目（TKLF2021-02-B-01）

第一作者簡(jiǎn)介：郭雙雙（1988—），男，河南新鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化，3335657966@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.024