螺絲自動上料裝置的設計與研究

林鐘衛， 王琴， 羅準， 朱邦杰， 葛江宇， 付宗國

（1.浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山316022；2.舟山市知創科技開發有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

隨著工業生產自動化程度不斷提高，采用機械設備替代人工生產逐漸成為企業發展的追求目標，越來越多的自動化設備也被應用于實際生產過程中[1]。螺絲上料是生產線中常見的環節，但由于實際生產時螺絲數量過多，采用人工排序的方法不僅工作效率低，還會造成作業標準差別很大，使得良品率下降[2],為適應生產的需要，半自動化螺絲機應運而生，在一定程度上解決了手動操作的諸多問題。作為實際生產過程中的一種小型自動化設備，半自動化螺絲機減少了工人在安裝時要挑揀螺絲的麻煩，節省了生產時間[3-4]。半自動化螺絲機主要由送料及鎖付系統構成，可以方便快捷地將螺絲排成一排，相比于手動作業的方式[5-6]，現在只需要單手就能操作，然后機器會自動輸送新的螺絲到批嘴下，如此循環作業，大大提高了螺絲上料的效率[7-8]。但是在實際生產的時候也產生了許多問題，影響最大的就是許多螺絲機的上料機構為漏斗狀，通過底部的上料板推動上料，然而螺絲在排序的時候往往由于重力的作用容易堵塞漏斗的底部，導致上料中斷，在一定程度上造成了生產滯后，影響了加工作業效率。除此之外，半自動化螺絲機還存在自動化程度低、故障率高、生產效率低下等問題[9-11]，針對這一系列問題，通過查閱國內外相關研究資料進行討論分析，本文設計提出了一種螺絲自動上料裝置，改變傳統半自動螺絲機的上料方式，將漏斗上料盤改進為螺旋振動上料盤，在上料板上開設防堵槽，并增加了回料槽設計，防止螺絲堵塞上料槽的同時，多余的未成功上料的螺絲重新回到螺旋振動上料盤內，較好地解決了螺絲排序易堵塞上料口的問題。并增加了自動鎖螺絲裝置和螺帽排序箱裝置，進一步提高了螺絲機的生產自動化程度，既保證了自動上下料過程的穩定性，還提高了生產效率，為實際生產應用提供幫助。

1 螺絲自動上料裝置的結構設計

如圖1所示，該裝置主要由上料機構、輸送機構、推動控制機構、下料機構、推料機構、鎖緊機構和其他輔助裝置組成。上料機構中的螺旋振動上料盤與固定板固定連接并固定在支撐柜上，在上料板靠近回料槽一側開設有若干個防堵槽；推動控制機構用于控制上料板的上下滑動同時帶動撥片機構的運動；其他機構將在下文進行詳細介紹。

2 各機構的設計及具體工作過程

2.1 上料機構設計

上料機構包括螺旋振動上料盤、上料板、料板、支架、固定板等。

2.1.1 螺旋振動上料盤的設計

螺旋振動上料盤（如圖2）包括螺旋盤振動器、螺旋盤、上料槽、回料槽、底座等。螺旋振動上料盤通過振動帶動螺旋盤內的螺絲逐個連續地輸送到上料槽，此時推動控制機構控制上料板下降，螺絲從上料槽出料口掉落到料板的斜槽當中，當斜槽內的螺絲達到設定的數量時，推動控制機構控制上料板上升進行上料，在上料板上升的過程中多余未上料的螺絲掉落到回料槽內并重新回料到螺旋盤內，避免了螺絲堵塞料板斜槽、上料板及上料槽。

圖1 螺絲自動上料裝置結構圖

圖2 螺旋振動上料盤

圖3 上料板連接視圖

2.1.2 上料板的設計

上料板與上料槽、料板、回料槽滑動連接（如圖3），為避免螺絲堵塞影響上料板升降，在上料板靠近回料槽的一側設置了若干防堵槽，其中在防堵槽內設置了可以伸縮連接的防堵塊（如圖4），其中防堵塊內設置了斜面板、連接板，兩者之間的角度α為30°～60°。

圖4 防堵塊

設計的斜面板高度低于防堵槽的高度，并且能夠伸出防堵槽；上料板的上端設計了斜槽，借助彈簧將連接板與防堵槽底面相互連接，由于彈簧的彈性作用，能夠確保防堵槽中的連接板在伸縮時能夠重新恢復突出狀態并且高于防堵槽口的端面一定距離。實際生產的時候只要保證彈性滿足要求，彈簧也可以換成彈片或其他彈性連接件。

工作時，上料板下降，螺絲從上料槽掉落到料板斜槽，同時斜面板在下部推動連接板向內收縮，然后防堵塊從上料槽底部穿過，當斜槽內的螺絲達到設定的數量時，推動控制裝置控制上料板上升，與此同時，空余的斜面板從上料槽的底部滑過并進一步推動連接板向內收縮，從而使得底部的防堵塊能夠穿過上料槽重新突出于防堵槽口上，并將多余的螺絲推入回料槽，有效避免了螺絲堵塞上料槽，這樣當上料板在上下料需要升降時就不容易被影響，料斗跟上料板的連接處也不會被阻礙，確保了上料板升降過程的穩定性。

2.2 輸送機構設計

輸送機構（如圖5）包括導軌、壓板、撥片機構、支撐座、支架等，主要用于將上料板斜槽中的螺絲傳送到下料機構下料。當上料板將料板斜槽內的螺絲推到導軌入口處時，撥片機構將螺絲撥入滑軌中，壓板能夠避免螺絲從滑軌中跳出的情況，當滑軌中布滿螺絲之后，撥片機構每撥入一顆螺絲到導軌中，在導軌出口處就有一顆螺絲被推入下料機構的預備下料口處。在撥料時當有螺絲突出于滑軌時能夠將其快速地推下滑軌，彈簧撥片的回彈作用還可以將多余的螺絲推入回料槽內并重新回到螺旋盤中，一定程度上避免了卡螺絲的問題，減少故障發生。

2.3 推動控制機構設計

推動控制機構（如圖6）包括上料氣缸、活動鉸鏈、固定鉸鏈、撥片連接桿和上料板連接桿。推動控制機構主要用于驅動上料板進行上下滑動，并且同時帶動撥片機構進行撥料運動。具體實施方式：當上料氣缸伸出時，因為上料氣缸活動端連接桿分別和固定底座、上料板鉸接在一起，此時的上料板只能做上升運動，并且帶動撥片機構的撥片將螺絲撥入導軌中；同理，上料氣缸在收縮的時候，上料板就只能做下降運動，并且與彈簧一起帶動撥片機構的撥片復位進行下一次撥料。

2.4 下料機構設計

圖5 輸送機構

圖6 推動控制機構

下料機構（如圖7）包括滑動氣缸、下料座、滑動塊、推料氣缸、滑動片、預備下料口、下料口、下料箱和下料管。工作時，螺絲經導軌輸送至預備下料口的卡槽內，然后滑動氣缸帶動滑動塊在下料座內滑動并帶動螺絲送至下料口處，然后螺絲從下料口進入下料箱中，經過下料箱之后，螺絲從下料管出口逐個送至螺帽連接板的預定孔位中進行預備鎖緊。

圖7 下料機構

為避免螺絲卡住下料口，在滑動塊上設計了推料氣缸和滑動片，其中滑動片能夠與滑動塊滑動連接并且插接在滑動塊中；推料氣缸的活動端與滑動片固定連接并且嵌在滑動塊內（如圖8）。

當滑動氣缸帶動滑動塊在下料座內滑動并帶動螺絲送至下料口處，推料氣缸推動滑動片，將螺絲推入下料口中進入下料箱，經過下料箱排序之后，螺絲從下料管出口被逐個送至螺帽連接板的預定孔位中進行預備鎖緊。

圖8 推料機構視圖1

圖9 推料機構視圖2

2.5 鎖緊機構的設計

鎖緊機構（如圖10）包括螺帽排序箱、螺帽連接板和鎖緊電批。將螺帽原料導入螺帽排序箱內，通過螺帽連接板將螺帽陣列排列在連接板的預定孔位中，當螺帽連接板移動至下料管正下方并與下料管的孔位相對應時，螺絲通過下料管逐個輸送到螺母連接板的預定孔位中，當所有預定孔位布滿螺絲后，螺帽連接板移動至電批嘴正下方并與相應的批嘴口對齊，然后電批對螺絲進行鎖緊，鎖緊之后連接板底部打開，將已經完成鎖付的連接件倒入計數框內從而完成最后一步工序。

2.6 其他輔助裝置設計

其他裝置結構包括氣配箱、控制開關、成品框、螺絲原料框、螺帽原料框、固定座、固定板、氣泵等（如圖12、圖13）。氣配箱用于控制本裝置的總電源開關及本裝置各工作環節的控制參數設置。控制開關用于控制裝置的運行及制動，裝置運行過程中如出現緊急故障，可按下控制開關上的紅色急停按鈕，能夠及時制動并斷電，便于故障維修及保證生產安全。

圖10 鎖緊機構視圖1

圖11 鎖緊機構視圖2

圖12 氣配箱、控制開關、氣泵

圖13 各類料框

3 螺絲自動上料裝置的工作原理和效率評價

螺絲自動上料裝置如圖14所示，根據實際生產的工序要求，預先設定螺絲機的各工作環節的參數，并導入到裝置的氣配箱內進行程序流程的設定。開始工作前，先將螺絲原料和螺帽原料分別倒入到螺旋振動上料盤和排序上料箱內，然后打開氣配箱的上電開關給裝置進行上電，按下控制開關上的綠色啟動按鈕，裝置開始自動運行，通過螺旋振動上料盤帶動螺絲上料，通過上料板將螺絲輸入料板中，通過撥片機構將螺絲撥入輸送滑軌中，并推動螺絲進入預備下料口，然后滑動氣缸帶動滑動板將螺絲輸送到下料口位置，通過滑動板上的推料氣缸將螺絲推入下料箱中，此時鎖緊機構中的螺母排序箱將排好序的螺母連接板輸送到下料管正下方，通過下料出口將螺絲按照對應孔位逐一插入，然后整塊螺母連接板滑動到電批嘴正下方預定位置，最后電批嘴將對應孔位的螺絲進行鎖緊，然后出料，完成所有整個自動上下料及鎖緊的過程。裝置運行過程中如出現緊急故障，可一鍵按下控制開關上的紅色急停按鈕，能夠及時制動并斷電，便于故障維修及保證生產安全。

自動螺絲機工作效率計算公式為

圖14 螺絲自動上料裝置

式中: T為工作總時間; TA為非機器故障停機時間; TB為機器故障停機時間。

根據林敏等[12]的研究表明，采用改進的自動螺絲機后可以大大減少人工勞動力并且進一步提高生產效率，滿足設計的要求和實際生產需要。

根據石小仕等[13]的研究表明，在同等作業時間內，機器完成的工件數遠大于人工完成的工件數；人工作業的折線波動相較于機器大得多，表明自動螺絲機機器具有更好的穩定性和工作效率，如圖15所示。

圖15 效率評價

4 結語

本文設計的螺絲自動上料裝置，將漏斗上料盤改進為螺旋振動上料盤，在上料板上開設防堵槽，并增加了回料槽設計，防止螺絲堵塞上料槽的同時，多余的未成功上料的螺絲重新回到螺旋振動上料盤內，較好地解決了螺絲排序易堵塞上料口的問題。增加了自動鎖螺絲裝置和螺帽排序箱裝置，進一步提高了螺絲機的生產自動化程度，既保證了自動上下料過程的穩定性，還提高了生產效率，為實際生產應用提供幫助。