鉚接機鈑金件鉚接的自動送板裝置的設計*

榮　云　李支茂　諶永祥

(西南科技大學制造科學與工程學院 ，四川 綿陽 621010)

?

鉚接機鈑金件鉚接的自動送板裝置的設計*

榮云李支茂諶永祥

(西南科技大學制造科學與工程學院 ，四川 綿陽 621010)

針對立式鉚接機鈑金件人工鉚接效率低，無專用鈑金件鉚接設備，而換置自動鉚接機加工時需專用模具，不適于鈑金件鉚接的問題，提出了一種基于工業機器人自動送板，并配合鉚接機鉚接的方案,設計出了可配合機器人的末端執行器。通過電磁鐵固定工件，使用滑槽調整可裝夾工件范圍，對機器人路徑進行設計，完成取板、放板動作，并配合光電傳感器實現鉚接目標點定位，利用壓縮彈簧消除鉚接變形，實現自動鉚接。該裝置配合工業機器人使用，實現了鈑金件鉚接過程的全自動化，提高了生產效率，為鉚接機自動化改造提供了依據。

立式鉚接機；工業機器人；自動送板裝置；自動鉚接；全自動化；生產效率

鉚接技術早年主要用于飛機的鉚接，屬于軍用技術[1]。但近年來，鉚接技術在民用生產中運用越來越廣泛，比如電路板、控制柜等均有廣泛應用，但鉚接技術在民用生產中自動化和柔性化程度低，因此提高民用鉚接的自動化程度已越來越迫切[2-4]。在鉚接行業中，鈑金件鉚接占有重要的市場份額，現存立式鉚接機大多均只配有自動出釘裝置，其余操作均需人工操作，無法實現鉚接過程自動化，人工鉚接的現象普遍存在，而人工鉚接效率低[5-6]，穩定性差；控制柜等鈑金件鉚接尺寸范圍大，種類多；換置自動鉚接機加工時需專用模具 ，不適于鈑金件鉚接；現存自動鉚接機無專門適用于鈑金件鉚接 。同時，在當今的加工生產中，工業機器人技術運用越來越廣泛[7-8]。因此本文為了提高鈑金件鉚接的全自動化 ，在立式鉚接機(配有出釘裝置)的基礎上，提出了利用工業機器人進行自動送板的方案，設計出可配合機器人末端的自動送板裝置，協調各道工序的控制流程，自動完成整個鉚接過程。

1　自動送板裝置

該裝置的設計分為3部分：取板定位部件、鉚接變形消除部分和主體支架部分(圖1)。

2　自動送板裝置工作原理

鉚接過程為：取板—放板—移至原點—移至一目標點—出釘—鉚接—移至下一目標點—完成所有孔鉚接—回到加工原點。取板定位，變形消除，目標點精確定位是裝置設計的三大核心部分，取板部分實現板件拾取、定位功能；消除變形部分可消除鉚接力的作用下板件的變形；機器人配合檢測裝置完成鉚接目標點的精確定位。因此下面將從上述3方面對裝置的工作原理進行分析。

2.1取板定位原理分析

取板定位部分包括直角定位機結構、電磁鐵固定機構和滑槽調整機構(如圖2)。直角定位塊與電磁鐵安裝于同一聯接塊上，類似機構共有4部分，直角塊安裝在其中一個結構上，對稱分布于滑槽上。電磁鐵安裝于同一高度平面上，取板前，驅動機器人，分別使直角塊的直角面與地面固定板件的X、Y向位置固定塊的基準面接觸，使直角塊的直角點與板件直角點重合，該點即為X-Y平面內的取板點，因此直角塊的直角面與電磁鐵接觸面便形成基準平面，限制板件的6個自由度，使板件準確定位。取板時，裝置移動至取板點，在距離板件一定高度上，由于板件數量一定，每取一次板，板件高度便有所減少，裝置取板高度每次都會有變化，不利于取板控制。因此安裝光電傳感器于裝置上，利用光電傳感器的額定檢測范圍，一旦裝置距離板件到達額定距離，光電傳感器接收信號，使板件與裝置距離保持一致，該位置下，裝置再繼續下移相同距離，即可完成取板。同時在取板過程中，電磁鐵與板件接觸是硬接觸，對機器人、裝置和板件都會有所損害，因此利用壓縮彈簧(如圖1)，將電磁鐵機構安裝于其下方，通過光桿導向，形成簡單的彈簧緩沖機構。為了使電磁鐵充分與板件接觸，要求裝置下移的位置為：電磁鐵與板件接觸后，繼續下移1 mm，彈簧壓縮，通電固定住板件，完成取板與定位。取板時，取板點確定，機器人與裝置配合，實現自動取板。滑槽調整機構由兩側板、滑動支架、鎖緊塊和L型滑塊組成，滑動支架在兩側板的滑槽內可調整，L型滑塊在滑動支架槽內可移，取板機構聯接在L型滑塊上(如圖1)。為了加工基準點的準確性，固定直角定位塊所在的滑塊，其余滑塊均可自由滑動，并固定外側的滑動支架。由此，在調整加工范圍時，調整3個自由滑塊，以固定滑塊為基點在X、Y向做直線調整，能適應不同板件尺寸。同時，滑塊設計成L型，有一定的伸出量，可消除鉚接機床及自身結構對鉚接過程的干涉。

2.2鉚接變形消除原理分析

鉚接前，先將工件孔置于出釘位置點上，與鉚釘面接觸，再啟動鉚接機完成壓鉚動作。一般的在放置板件時不可能精確控制將其移動至與鉚釘面接觸，而是存在一定的間隙量，同時鉚釘有一定量凸出，才能使鉚釘壓進板件。因此要使鉚釘壓入板件，板件必須下移一定的距離，此時，板件的初始位置與鉚接完成后的位置會產生距離差，如圖3所示。該距離差由兩部分組成：一是板件與鉚釘在鉚接前的初始位置間隙，二是鉚釘件鉚接在板件孔內所需位移量，不超過板件厚度。板件厚度為1 mm，間隙量為0.1～0.3 mm，鉚接固定位移量為0.7～0.9 mm，因此距離差為0.8～1.2 mm，若板件固定情況下，要完成鉚接動作，在鉚接機壓鉚力的作用下由于距離差將會產生大的變形，并導致板件脫落。因此要克服鉚接變形及脫落，需要板件在壓鉚過程中，隨著壓鉚桿的下壓而隨之下移，直到鉚接完成。因此設計了可消除壓鉚變形的機構即取板時所用的彈簧緩沖機構(如圖4所示)，利用其可壓縮的特性，通過桿件安裝于L型滑塊與彈簧壓塊之間，彈簧處于壓縮狀態，可壓縮量為10 mm，在鉚接前，將板移動至鉚釘凸起面上方距離1 mm處，在將板繼續下移2.5 mm，則板件與凸起面接觸時，彈簧下方機構及板件將不再移動，而上方機構由于彈簧壓縮繼續下移1.5 mm，彈簧為了回復到原位置，使得板件擁有可移動行程1.5 mm。鉚接時，在鉚接桿的下壓作用力下，1.5 mm的可移動行程可完全克服0.8～1.2 mm的距離差，板件可隨之下移，克服鉚接變形，完成鉚接動作。

利用彈簧的可壓縮特性，既能起到取板緩沖的作用，同時能消除鉚接距離差，有效克服鉚接變形的產生，也是本設計的創新點之一。

2.3鉚接目標點定位原理分析

板件上的孔精確移動至鉚接目標點是送板裝置的核心。鉚接目標點定位包括各目標點之間的定位及加工原點定位。X、Y平面內的鉚接目標點需要精確定位，定位精度要求為0.1～0.15 mm，Z向運動控制板件的上下移動，不需要精確定位。機器人的定位精度為0.1 mm。為了實現精確鉚接，必須在自動送板裝置與鉚接機床之間建立起固定位置關系。加工原點便是建立兩者關系的橋梁，為鉚接加工的起始點。加工原點的確定影響著鉚接目標點的定位準確性，因此加工原點的確定對鉚接加工至關重要。 在本設計中采用光電傳感器與檢測塊相結合的方式，確定加工原點。直角定位塊作為檢測塊，光電傳感器安裝于鉚接機床上，共兩個。相對于鉚接機床的鉚接中心點位置確定，分別在X、Y向對檢測塊進行信號檢測。定位加工原點時，機器人移動裝置，向光電傳感器靠近，當光電傳感器檢測到直角塊后，停止運動，由于光電開關檢測存在一定的誤差，加工原點還需要進行修正。加工原點的位置要求需滿足一定條件：當裝置停在加工原點處時，定位直角點在Y向上與出釘裝置留有2 mm間隙，使其不相干涉，在X向上與鉚釘中心點相距0 mm。因此需要通過測量，機器人移動裝置目標加工原點。加工原點一旦確定，將不再改變。加工原點的確定方法簡單可靠，十字滑臺目標點位置，重復定位準確度高(如圖5) 。

3　控制系統設計

本系統中利用工業機器人協調X、Y、Z三向的運動，通過光電傳感器與機器人通信，檢測板件及原點位置。待取板后，程序運行，檢測裝置是否回到原點，發出備妥信號，裝置運行至鉚接目標點，板件下降，鉚接，板件上升，移至下一目標點，當目標點加工全部完成后，向PLC發送一脈沖信號，PLC收到信號后回到原點，程序停止，等待下一工作循環。控制流程圖如圖6。

4　實驗驗證分析

為了驗證裝置的實用性和有效性，對該裝置進行了實物實驗驗證。由于條件限制，無法配合鉚接機，因此設計了配合裝置的實驗平臺：由鋼架及實驗桌組成的固定鉚接臺，自動出釘裝置由固定銷釘裝置代替(如圖7)，通過該實驗平臺，裝置可以完成取板、鉚接目標點定位，工件原點定位，鉚接完成放板等整個鉚接過程，因此該實驗平臺可充分對裝置工作原理進行驗證。

實驗過程中，裝置取板可靠，在運行過程中穩定，振動小。經過多次調整確定加工原點，經多次測量，重復定位誤差在0.05～0.08 mm，在設計誤差范圍內。進行目標點定位時，板件孔與實驗銷釘導向部分為間隙裝配，間隙量為0.1～0.15 mm，經多次目標點定位，實驗銷釘均能準確插入鉚釘孔內。加工完板件后，可將板件放置指定位置。

通過多次實驗驗證，裝置在實驗過程中運行順暢，效率高，達到預期實驗效果。驗證了裝置自動化、可用性和有效性，充分實現設計要求的動作及功能。

5　結語

為了實現鉚接過程的自動化，設計出了基于機器人的自動送板裝置，解決了裝置的三大核心問題：(1)機器將裝置移至取板點，由電磁鐵吸緊工件，通過直角塊定位，完成取板。(2)對于鉚接過程中的鉚接變形和取板過程中的硬接觸問題，利用壓縮彈簧，起到了消除變形和緩沖的作用，保證了鉚接質量。(3)通過機器人及光電傳感器配合，有效地實現了鉚接目標點及原點的精確定位。經過實驗驗證，通過裝置與機器人的配合使用，裝置取板、原點定位、目標點定位和放板至指定位置均達到了預期效果，可自動完成整個鉚接過程，解決了人工鉚接難的問題，提高了鉚接的自動化水平、改善了鉚接質量及效率[9-10]，為無人化生產提供了依據。

[1]樓阿麗.國內外自動鉆鉚技術的發展現狀及應用[J].航空制造技術,2005(6):50-52.

[2]德派組裝技術有限公司.AGME自動徑向鉚接技術[J].航空制造技術,2005(3):112-113.

[3]王仲奇,殷俊清,康永剛，等.飛機自動鉆鉚仿真技術[J].航空制造技術,2008(20):44-47.

[4]夏華，陳善民，黃虹.鉚接新技術及其現狀[J].現代制造工程,2004(1):101一103.

[5]趙玲.自動鉆鉚機技術應用研究[J].航空制造工程,1995(4):21-23.

[6]費軍.自動鉆鉚技術發展現狀與應用分析[J].航空學報,2005(9):42-43.

[7]吳振彪．工業機器人[M]．武漢：華中理工大學出版社， 2006： 20-23.

[8]顧震宇．全球工業機器人產業現狀與趨勢[J].機電一體化，2006(2):6-9.

[9]民機公司工程技術部.自動鉆鉚技術在民機制造中的應用[J]．成飛科技，2006(2)：27.

[10]馮淑敏，談理，趙麗萍．鉚釘壓入機傳動系統的設計及研究[J]．機械設計與制造，2008(10)：113-114.

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Design of automatic feeding device for the riveting of the sheet metal parts of the rivet machine

RONG Yun, LI Zhimao, CHEN Yongxiang

(School of Manufacturing Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, CHN)

For the low hand riveting efficiency of vertical rivet machine of sheet metal parts, without specifically applicable to sheet metal riveting, and transposition of automatic rivet machine not in a series of problems in sheet metal riveting, an automatic feeding board based on industrial robot is presented, and it can be matched with the rivet machine. Design the end actuator which can cooperate with the robot. By using an electromagnet to fix workpiece, workpiece clamping range can be adjusted. Through the path of the robot design, complete the actions of picking plate, placing plate parts. Device with photoelectric sensor to achieve precise positioning of the target point, while the use of compression spring to eliminate the distortion, realize automatic riveting. The device can realize the full automation of the whole process of the riveting process of the sheet metal parts, improve the production efficiency, and provide the basis for the automation of the rivet machine.

vertical rivet machine; industrial robot; automatic feeding device; automatic riveting; full automation; production efficiency

TH122

A

榮云，女，1992年生，在讀研究生，研究方向為先進制造技術，已發表論文2篇。

(編輯李靜)(2015-09-08)

160423

*四川省科技廳支撐計劃項目( 2010GZ0135)