周向分布螺絲件自動裝配與控制技術(shù)研究

楊 凱，吉曉民

（西安理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，西安 710054）

0 引言

自動化裝配理念最早形成于美國。20世紀(jì)初期，汽車業(yè)巨頭福特公司最先建立了一條汽車裝配生產(chǎn)線，將裝配工序細(xì)分，促進(jìn)了生產(chǎn)的規(guī)?；?，使得裝配時(shí)間減少了90%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國中小型企業(yè)在裝配線上投入的螺釘鎖付人數(shù)占總裝配人數(shù)比例的25%[2]，占用了大量用人成本且效率不高，同時(shí)隨著用人成本的上升導(dǎo)致企業(yè)的利潤下滑嚴(yán)重[3]。基于這種情況，各種半自動、自動鎖螺釘設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。且隨著國外先進(jìn)技術(shù)的不斷流進(jìn)及國內(nèi)各企業(yè)的不斷學(xué)習(xí)創(chuàng)新，目前深圳、東莞、上海的一些廠家如上海野象、深圳馳速、深圳托威斯等自動化裝配廠商生產(chǎn)的手持式鎖螺絲設(shè)備和半自動鎖螺絲設(shè)備的技術(shù)都發(fā)展的較為成熟[4-5]。相對于傳統(tǒng)純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)的方式，自動化設(shè)備的加入可使螺釘鎖付效率大幅提升[6]。

目前，主流的鎖螺絲設(shè)備可分為半自動與全自動兩種[7]。半自動鎖螺絲設(shè)備指手持式鎖螺絲機(jī)，該設(shè)備可在高壓空氣的作用下將篩料裝置篩選出的螺釘通過氣管運(yùn)送至電批頭處，工人將電批頭對準(zhǔn)待鎖附孔位后，按下電批上的鎖附按鈕即可完成螺釘鎖附[8]。全自動式鎖螺絲機(jī)通常分為單軸式鎖螺絲機(jī)與多軸式鎖螺絲機(jī)，在鎖附環(huán)節(jié)中不需要人工介入，兩者原理基本一致，不同點(diǎn)在于多軸式鎖螺絲設(shè)備可同時(shí)鎖附多個(gè)孔位。其螺釘上料也分為兩種。第一種為吹氣式，即上述提到的利用高壓空氣將排序好的螺釘吹至電批頭處，該種方式上料速度快，但需螺釘?shù)拈L徑比大于1.3，否則螺釘會在氣管中發(fā)生翻轉(zhuǎn)[9]。第二種為移動取釘式，電批在機(jī)械手的作用下往返于螺釘出料口與鎖付工位之間，該種方式相對于吹氣式效率較低，優(yōu)點(diǎn)是可兼容各種規(guī)格的螺釘，無長徑比限制[10]。

針對目標(biāo)企業(yè)的需求，本文主要根據(jù)目標(biāo)企業(yè)的加工現(xiàn)狀和自動化需求，對所加工工件特征、螺釘特征等進(jìn)行分析，向企業(yè)提供一套合理且高效的止動環(huán)加工與螺釘裝配方案，并結(jié)合市場上現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)完成自動化設(shè)備的開發(fā)，提高企業(yè)生產(chǎn)該工件的效率。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 工件及螺釘規(guī)格

止動環(huán)（卡箍，定位器）又叫限位環(huán)、止動圈、制動圈等，用于油井抽油管道之上?？砂惭b在套管的任何位置，用來限制扶正器或水泥傘在內(nèi)套管上的軸向滑動，以保證扶正器或水泥傘在設(shè)計(jì)位置上。工件具體的參數(shù)如圖1所示。

圖1 止動環(huán)規(guī)格參數(shù)

內(nèi)六角緊定螺釘（緊定螺釘）又稱為支頭螺絲、定位螺絲。是一種專供固定機(jī)件相對位置用的螺釘。企業(yè)目前使用的緊定螺釘有3種規(guī)格，具體參數(shù)如圖2所示。

圖2 螺釘規(guī)格參數(shù)

該止動環(huán)的生產(chǎn)過程按其工藝可分為沖裁、卷圓、焊接、噴塑、絲孔剔透與螺釘鎖附。工件在噴塑完成后，其絲孔之中不可避免的會附著塑粉，從而影響到后續(xù)的螺釘鎖附工藝，故噴塑完成后工人需操作手動攻絲機(jī)利用絲錐與絲孔內(nèi)螺紋的嚙合將絲孔內(nèi)的塑粉刮出。

1.2 總體布局方案及各工藝模塊結(jié)構(gòu)

結(jié)合工件特點(diǎn)、螺釘特點(diǎn)、鎖螺絲相關(guān)自動化設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種結(jié)合絲孔剔透與螺釘鎖付工藝一體化設(shè)備的技術(shù)方案。如圖3所示，整機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可大致概括為4大模塊，分別是螺釘供料模塊、鎖絲模塊與透絲模塊、定位模塊、分度與固定模塊。

圖3 設(shè)備整體布局方案

（1）螺釘供料模塊

采用振動盤篩料、直線振動送料器輔助送料的方式作為該設(shè)備中螺釘供料模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖4所示。振動盤可將料斗中大量放置的無規(guī)則的螺釘進(jìn)行重新排序從而實(shí)現(xiàn)螺釘供料姿態(tài)的一致性[11]，雖然振動盤對工件也有輸送作用，但當(dāng)工件離開振動盤出料口后其振力會隨著距離越來越弱，無法將螺釘有效輸送到加工位，因此需要額外的設(shè)備提供合適的推力，直線振動送料器便可提供穩(wěn)定推力，故常與振動盤配合，用作輔助送料機(jī)構(gòu)[12]。

圖4 螺釘供料模塊結(jié)構(gòu)

（2）鎖絲模塊與絲孔剔透模塊

通過對鎖螺絲設(shè)備結(jié)構(gòu)的調(diào)研，確定使用十字坐標(biāo)的機(jī)器人作為螺釘鎖付模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。二軸分別由水平方向的X軸與豎直方向的Z軸組成，均為伺服電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲桿直線模組。Z軸上固定一伺服電批與氣缸，氣缸用作電批在Z軸方向鎖附過程中小范圍移動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。伺服電批主要在螺釘鎖附過程中提供恒定扭矩，可通過其控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)扭矩調(diào)整，用于螺釘鎖付。

將目前企業(yè)用人工操作手動攻絲機(jī)的整個(gè)過程進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動方式與螺釘鎖付模塊的Z軸運(yùn)動形式完全一致，因此可將鎖絲模塊的Z軸機(jī)械手用作絲孔剔透模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不同點(diǎn)在于電批頭需更換為絲錐頭。鎖絲與透絲模組示意圖如圖5～6所示。

圖5 螺釘鎖附模塊結(jié)構(gòu)

圖6 絲孔剔透模塊結(jié)構(gòu)

（3）定位模塊

本設(shè)備采用反射式光纖傳感器定位工件孔位邊緣位置，在已知工件外徑及螺孔尺寸的情況下，通過在PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可得到被檢測孔位圓心處坐標(biāo)與水平方向的夾角，從而控制分度盤帶動工件將被檢測到孔位分度至水平方向的加工位。

（4）分度與固定模塊

由于工件上的螺孔呈周向分布，因此需要選擇合適的分度機(jī)構(gòu)。此處選擇數(shù)控分度盤做為分度裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，可在保證極高的周向分度精度的同時(shí)也可在周向任意角度啟停。

氣動三爪卡盤，一種常用于機(jī)床上的固定裝置，可通過分布在卡盤上的3個(gè)卡爪的徑向移動外撐或加緊工件。將其安裝于數(shù)控分度盤之上，可提供徑向的夾持力，可用作工件的固定。由于工件已經(jīng)過噴塑處理，如直接裝夾，卡爪可能會破壞工件表面，所以需根據(jù)每個(gè)規(guī)格工件的外形尺寸定制與其匹配的工裝夾具，使工件與卡盤三爪的線接觸狀態(tài)變?yōu)槊娼佑|，以保護(hù)工件外觀的完整性。該模塊具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 分度模塊結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分度模塊選型設(shè)計(jì)

該設(shè)備中分度模塊需選型設(shè)備為三爪氣動卡盤與數(shù)控分度盤。氣動三爪卡盤主要提供徑向的力來固定工件，使工件不與卡盤發(fā)生相對位移。通過調(diào)研與篩選，采用常州比優(yōu)特提供的三爪中實(shí)氣動卡盤，其具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 BK200SG三爪氣動卡盤性能參數(shù)

由于螺紋配合對位置精度有較高要求，因此分度盤選型主要以分割精度與重復(fù)定位精度為準(zhǔn)。最終選用臺灣譚佳的數(shù)控分度盤AR-210L，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 AR-210L數(shù)控分度盤性能參數(shù)

2.2 絲孔剔透與螺釘鎖附模塊選型設(shè)計(jì)

絲孔剔透與螺釘鎖附模塊均使用伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿直線模組，以保證位置精度。滾珠絲桿的選型主要是在絲桿運(yùn)動過程中對其受到的沖擊與載荷進(jìn)行計(jì)算[13]，伺服電機(jī)的選型主要通過總負(fù)載慣量與總加速轉(zhuǎn)矩一同確定。由于計(jì)算過程涉及公式較多，受篇幅所限，故只出示主要公式和滾珠絲桿與伺服電機(jī)選型計(jì)算流程，如圖8～9所示。

圖8 滾珠絲桿選型計(jì)算流程

圖9 伺服電機(jī)選型計(jì)算流程

2.2.1 滾珠絲桿選型

（1）軸向平均負(fù)載PM計(jì)算：

（2）平均轉(zhuǎn)速NM計(jì)算：

（3）基本動載荷C計(jì)算:

式中：P1、P2與P3分別為加速、勻速以及減速過程中的軸向負(fù)載；N1、N2與N3分別為加速、勻速以及減速過程中的平均轉(zhuǎn)速；T1、T2、T3分別為加速、勻速以及減速過程所需時(shí)間；H為預(yù)計(jì)壽命；FW為負(fù)荷系數(shù)。

通過將原始參數(shù)代入計(jì)算即可達(dá)到絲桿的基本動載荷，參考上銀滾珠絲桿選型手冊選出適合的絲桿型號，此處不再贅述。

2.2.2 伺服電機(jī)選型

（1）工作臺及負(fù)載質(zhì)量折算到電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量:

（2）絲桿轉(zhuǎn)動慣量:

（3）實(shí)效扭矩：

式中：M為工作臺及負(fù)載質(zhì)量；PB為絲桿導(dǎo)程；MB為絲桿質(zhì)量；DB為絲桿外徑；Ta、Tb、Tc分別為加速、勻速、減速過程中的實(shí)效扭矩；t1、t2、t3分別為加速、勻速以及減速過程所需時(shí)間。

伺服電機(jī)選型條件:（1）連續(xù)工作扭矩小于伺服電機(jī)額定扭矩；（2）瞬時(shí)最大扭矩小于伺服電機(jī)最大扭矩；（3）負(fù)載慣量小于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的3倍；（4）連續(xù)工作速度小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速[14]。參考安川伺服電機(jī)選型手冊，最終選出適合型號的伺服電機(jī)，結(jié)果不再贅述。

2.3 螺釘供料模塊設(shè)計(jì)

螺釘上料模塊主要由振動盤與直線振動送料器組成。振動盤屬于定制設(shè)備，需根據(jù)所篩選工件種類與規(guī)格專門定制，因此將其委托給第三方企業(yè)代工?，F(xiàn)對其提出如下技術(shù)要求：（1）出料速率穩(wěn)定，平均每分鐘輸送螺釘不應(yīng)少于40個(gè)；（2）振動負(fù)載自適應(yīng)調(diào)節(jié)，無須額外配置傳感器和補(bǔ)料系統(tǒng)，設(shè)備自行調(diào)節(jié)，振動速度保持恒定；（3）簡易啟動，無需額外按鈕，可接入PLC中一鍵控制。

直線振動送料器技術(shù)要求：輸送性能穩(wěn)定；噪聲較?。豢山尤隤LC中控制。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)中硬件控制部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的輸入輸出、數(shù)據(jù)的處理與存儲、伺服電機(jī)的運(yùn)動控制以及整個(gè)設(shè)備的監(jiān)控顯示等，由PLC、運(yùn)動控制卡、檢測傳感器、伺服電機(jī)及其驅(qū)動器、觸摸屏、電磁閥等組成。其中以PLC作為其主要控制設(shè)備，四軸運(yùn)動控制卡輔助控制，PLC與運(yùn)動卡之間可通過I/O接口進(jìn)行數(shù)字量信號的傳遞。整個(gè)系統(tǒng)的電氣控制邏輯如圖10所示。

圖10 電氣控制邏輯

3.1 絲孔定位方法

本系統(tǒng)采用反射式激光傳感器定位，具有高精度、響應(yīng)快的特點(diǎn)。傳感器需安裝于電批與絲錐軸線連線形成夾角的角平分線處，水平方向與豎直方向的夾角均為45°，如圖11所示。傳感器發(fā)射的射線在工件外壁所形成的光點(diǎn)需位于工件寬度方向的中心位置，即與螺孔圓心所在平面重合。其具體的定位方式如下所述。

圖11 傳感器安裝位置示意圖

（1）在觸摸屏輸入工件的外徑尺寸與周向分布孔位個(gè)數(shù)。

（2）將工件裝夾于夾具之上，傳感器所發(fā)射光線照射于工件外壁形成直徑1 mm光斑，設(shè)置此時(shí)傳感器狀態(tài)為常開。

（3）啟動按鈕，分度盤帶動工件開始低速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)光斑從工件外壁照射到螺孔邊緣時(shí)，傳感器感光值發(fā)生急變，并向PLC發(fā)送上升沿信號，螺孔邊沿位置確定。

（4）所有規(guī)格工件螺孔大小均為1/2 inch即12.7 mm。此時(shí)在工件正視圖中（圖12），連接螺孔的上下兩個(gè)邊緣，該連線可被認(rèn)作工件外徑所在圓的一條弦，從弦的中點(diǎn)B連接圓心，再從螺孔下邊緣點(diǎn)A處連接圓心，可得到直角三角形ABC。已知AC長為圓的半徑，BC為弦長的一半，AC的值通過觸摸屏輸入得知，BC的值為螺孔直徑的一半，即6.35 mm，故可通過ARCSIN反三角函數(shù)求出∠A的度數(shù)，∠A為螺孔邊緣與螺孔中心位置的夾角。∠A加上45°即為螺孔圓心與水平方向的夾角，記為∠D；分度盤再旋轉(zhuǎn)∠D個(gè)度數(shù)即可使第一個(gè)螺孔對準(zhǔn)水平方向的絲孔剔透工位，進(jìn)入待加工環(huán)節(jié)。

圖12 工件正視圖

3.2 I/O表及透絲工藝流程

圖13所示為絲孔剔透工藝流程。操作人員在準(zhǔn)備開始加工某一規(guī)格的工件時(shí)，需通過工業(yè)觸摸屏提前輸入該工件的相關(guān)規(guī)格參數(shù)。工人將工件裝夾在工裝夾具上后，按下氣動卡盤的控制按鈕，卡盤會將工件固定于其上，待操作人員確認(rèn)裝夾完成后，再按下一鍵啟動按鈕，便可自動完成絲孔剔透與螺釘鎖附工藝。如表3所示。

表3 PLC I/O點(diǎn)數(shù)分配

圖13 絲孔剔透工藝流程

3.3 部分梯形圖程序及人機(jī)交互界面展示

整個(gè)控制系統(tǒng)主要為伺服電機(jī)的運(yùn)動控制、定位數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字量控制，此處主要展示定位數(shù)據(jù)處理部分的梯形圖。整個(gè)控制系統(tǒng)通過臺達(dá)PLC專用編程軟件WPLSOFT完成編寫，搭配RS-232Mini-Din連接器，可實(shí)現(xiàn)梯形圖程序在PC與PLC之間的上載與下載。同時(shí)，還可使用軟件中的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能監(jiān)測PLC的運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)處理涉及梯形圖如圖14所示。

圖14 定位數(shù)據(jù)處理程序段

此處梯形圖程序定位數(shù)據(jù)處理程序區(qū)段，主要為加減乘除以及反三角函數(shù)的運(yùn)算過程。要注意的是，PLC中反三角函數(shù)的運(yùn)算不可直接通過整數(shù)相除求得，需將整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)寫入操作數(shù)后，程序方可正常運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)通過臺達(dá)觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，操作人員可通過觸摸屏進(jìn)行參數(shù)的寫入與讀取，同時(shí)可監(jiān)控設(shè)備中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況。觸摸屏部分人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖15所示。

圖15 觸摸屏部分人機(jī)交互界面

4 實(shí)施情況與結(jié)果分析

設(shè)備整機(jī)已在工廠進(jìn)行組裝，目前尚處在控制程序調(diào)試環(huán)節(jié)，已對其分度模塊、螺釘供料模塊及螺釘鎖附模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，其分度的精度、螺釘供料速度以及螺釘鎖附的速度和準(zhǔn)確率均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)計(jì)算，該設(shè)備完成一個(gè)6孔工件的絲孔剔透與螺釘鎖附工藝預(yù)計(jì)需要時(shí)間35 s左右，單人可同時(shí)操作3臺設(shè)備，單臺設(shè)備的效率相當(dāng)于2～3名人工。

5 結(jié)束語

本文從企業(yè)實(shí)際需求出發(fā)，針對止動環(huán)加工過程中絲孔剔透與螺釘裝配效率低、速度慢的情況，提出了一套自動化加工與螺釘裝配的設(shè)備方案以及具體的實(shí)施步驟，以期減少企業(yè)人工數(shù)量的投入同時(shí)提升其生產(chǎn)效率。在機(jī)械機(jī)構(gòu)方面，該設(shè)備以單軸機(jī)器人與十字坐標(biāo)的二軸機(jī)器人分別作為絲孔剔透與螺釘鎖付工藝的執(zhí)行元件，通過機(jī)器人末端的伺服電批進(jìn)行實(shí)時(shí)扭矩反饋，針對歪鎖、滑牙等現(xiàn)象可報(bào)警，以數(shù)控分度盤作為分度機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)周向孔位的精準(zhǔn)分度，以振動盤與直線振動送料器進(jìn)行螺釘送料。在電氣控制方面，該設(shè)備以PLC作為主要控制單元，運(yùn)動控制卡進(jìn)行輔助控制，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提出了以反射式激光傳感器配合相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)了周向分布螺孔的定位，最終完成了整個(gè)自動化設(shè)備的開發(fā)，提高了目標(biāo)企業(yè)止動環(huán)工件的生產(chǎn)效率。