摘要：針對多規(guī)格螺紋抽釘?shù)淖詣踊a(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)一種螺紋抽釘自動組裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動上料、定位、組裝及檢測等功能，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)；自動化裝配；螺紋抽釘；自動擰緊；轉(zhuǎn)矩檢測

中圖分類號：TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：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，適用于開敞性不夠的場合，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人工裝配，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中的效率低、成本高等問題，因此急需提高抽釘裝配的自動化水平。典型的自動化裝配設(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)和裝配工藝相對簡單，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)格螺母自動上料的自動擰緊機(jī)系統(tǒng)；田永成等［3］提出了一種在線式輪裝制動盤螺栓自動擰緊機(jī)，利用絲杠變徑機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的輪盤擰緊。但對于螺紋抽釘這類復(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，其自動裝配難度明顯高于普通緊固件產(chǎn)品， 現(xiàn)有類似的復(fù)雜緊固件自動裝配系統(tǒng)如某公司［4］研發(fā)的用于膨脹螺栓組裝的專用自動化設(shè)備又因其易卡頓、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題難以適應(yīng)螺紋抽釘自動裝配要求。

針對上述問題，本文開展了螺紋抽釘自動組裝系統(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)對碾薄和壓窩處的尺寸有檢測要求。

1.2自動裝配難點(diǎn)

1）作為一種用于抽釘批量化生產(chǎn)組裝的專用技術(shù)設(shè)備，既要滿足多規(guī)格產(chǎn)品自動組裝需求，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有倒角，無法順滑入絲，如圖2所示。如果旋擰時(shí)釘體及芯桿同軸度不滿足要求，便會導(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)淖詣咏M裝過程以平移和旋轉(zhuǎn)為主，整體產(chǎn)線布局一般可采用平行流水線或分度盤兩種形式［5］，而這兩種方式各有優(yōu)劣：1）流水線設(shè)置方便，可設(shè)置平行工序，作業(yè)周期時(shí)間短，但對于多規(guī)格產(chǎn)品而言生產(chǎn)彈性較差；2）分度盤結(jié)構(gòu)緊湊，可以減少多余的零件夾持、取放動作，生產(chǎn)彈性較好，但是對于生產(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)過對各裝配工藝的初步評估，擰釘體需將釘體旋進(jìn)芯桿，且旋擰距離較長，工藝上所需裝配時(shí)間長。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)長度，mm；P為單線螺紋導(dǎo)程，mm；N0為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。不同抽釘型號導(dǎo)程皆為P=0.635，旋進(jìn)長度Lmax=92.620，Lmin=29.875，計(jì)算得到不同型號抽釘旋進(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以內(nèi)，可以得到最大規(guī)格抽釘?shù)男龜Q驅(qū)動轉(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)。

考慮到抽釘型號較多，采用平行流水線生產(chǎn)彈性較差，因此擬采用分度盤來實(shí)現(xiàn)裝配工位的轉(zhuǎn)換，裝配時(shí)芯桿固定在分度盤上，將其他零件依次裝配在芯桿上。同時(shí)，為了減少各執(zhí)行元件的動作行程，減小諸如氣缸沖擊等對于裝配機(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。整套方案所有動作結(jié)構(gòu)采用螺栓連接的形式組裝在轉(zhuǎn)運(yùn)滑臺以及支撐機(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，本文提出的自動組裝系統(tǒng)主要組成部分如圖3所示。

本自動組裝系統(tǒng)采用分度盤的旋轉(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：振動盤上料后，由氣動手指夾持再利用滑臺氣缸和導(dǎo)軌滑臺完成各向運(yùn)輸，將芯桿轉(zhuǎn)運(yùn)放置在分度盤相應(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)軌滑臺機(jī)構(gòu)向下移動將環(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)裝置類似，都由氣動手指夾持及滑臺轉(zhuǎn)運(yùn)后套至芯桿上。

4）擰釘體模塊：釘體由振動盤排列上料，由氣動手指夾持，經(jīng)滑臺轉(zhuǎn)運(yùn)后，由旋擰機(jī)構(gòu)將釘體旋擰至分度盤上的芯桿內(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碾薄尺寸進(jìn)行檢測，因此需將裝配好的零件夾持至管體碾薄工位完成碾薄后，由另一滑臺模組轉(zhuǎn)運(yùn)至檢測工位夾持檢測，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)檢測到次品時(shí)，其余系統(tǒng)停止，由分度盤將次品運(yùn)至次品回收工位上。

8）分度盤：在一定時(shí)間內(nèi)所有工位裝配或下料完成后，轉(zhuǎn)動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釘體自動旋擰方案分析

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

對于夾持機(jī)構(gòu)，目前的常規(guī)螺母自動擰緊裝置多采用磁吸式套筒以及彈出式快換頭來滿足多規(guī)格螺母自動擰緊的需求；但釘體采用的是鈦合金材料，而且無法保證裝配時(shí)同軸度。因此采用對心較好的氣動抓手來夾取，針對不同規(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：釘體通過上料機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置后，由PLC控制滑臺氣缸帶動擰緊機(jī)構(gòu)向下移動夾取釘體，夾取后上移并通過安裝限位的導(dǎo)軌滑臺將擰緊機(jī)構(gòu)移至旋擰工位上方。為防止產(chǎn)生干涉，采用Y型氣動手指作為扶正機(jī)構(gòu)夾持芯桿下端。后由滑臺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。同時(shí)，由轉(zhuǎn)矩傳感器和壓力傳感器進(jìn)行檢測，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)算被測元素和基準(zhǔn)元素軸線間最大距離的2倍，即用關(guān)系計(jì)算出被測元素和基準(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為分度盤旋擰工位軸線與釘體夾持工位軸線之間的距離；

A2為被夾持后釘體的軸線與夾持前釘體軸線之間的偏移距離；

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

A4為滑臺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］對同軸度對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釘體旋入芯桿。

4自動組裝系統(tǒng)仿真驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證螺紋抽釘自動組裝系統(tǒng)的各運(yùn)動機(jī)構(gòu)能否滿足要求，并滿足各部分模塊生產(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)行了各模塊動力學(xué)仿真分析。

4.1自動組裝系統(tǒng)裝配時(shí)間

采用分度盤裝配對于生產(chǎn)節(jié)拍的一致性有很高要求，需要在分度盤旋轉(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軟件可以對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。但對于復(fù)雜模型，ADAMS需要借助專業(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，再通過約束庫以及力庫設(shè)置固定副、平移副和轉(zhuǎn)動副等約束，并且對這些運(yùn)動副添加STEP驅(qū)動函數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

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

通過對各模塊及整體進(jìn)行仿真分析，確保了所設(shè)時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)分度盤上各模塊生產(chǎn)節(jié)拍一致，同時(shí)在裝配過程中各模塊之間不會產(chǎn)生干涉，對于不同規(guī)格型號零件僅需要微調(diào)裝配及等待時(shí)間便可保證生產(chǎn)節(jié)拍一致。因此，針對多型號螺紋抽釘?shù)淖詣友b配，采用分度盤裝配相較平行流水線更加合適。

5自動擰緊機(jī)控制系統(tǒng)

自動擰緊機(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)前文對于各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在對子系統(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；

2）設(shè)計(jì)選取合適的電機(jī)、傳感器、氣動元件的控制方案，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）通過對各子系統(tǒng)信號的控制，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)要將諸如視覺檢測提取的圖像數(shù)據(jù)信息等及時(shí)反饋，將獲得的數(shù)據(jù)信息解讀并完成對于各系統(tǒng)的控制。

6結(jié)語

針對螺紋抽釘自動裝配的問題，本文設(shè)計(jì)研究了螺紋抽釘自動組裝系統(tǒng)。通過對自動組裝系統(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)淖詣咏M裝，實(shí)現(xiàn)了螺紋抽釘各零件自動上料、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題，在自動旋擰時(shí)若螺紋涂層不均勻或者殘余毛刺較大可能會導(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)室開放課題資助項(xiàng)目（TKLF2021-02-B-01）

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

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.024