螺絲自動(dòng)上料裝置的設(shè)計(jì)與研究

林鐘衛(wèi)， 王琴， 羅準(zhǔn)， 朱邦杰， 葛江宇， 付宗國(guó)

（1.浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山316022；2.舟山市知?jiǎng)?chuàng)科技開發(fā)有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度不斷提高，采用機(jī)械設(shè)備替代人工生產(chǎn)逐漸成為企業(yè)發(fā)展的追求目標(biāo)，越來越多的自動(dòng)化設(shè)備也被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程中[1]。螺絲上料是生產(chǎn)線中常見的環(huán)節(jié)，但由于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)螺絲數(shù)量過多，采用人工排序的方法不僅工作效率低，還會(huì)造成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)差別很大，使得良品率下降[2],為適應(yīng)生產(chǎn)的需要，半自動(dòng)化螺絲機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，在一定程度上解決了手動(dòng)操作的諸多問題。作為實(shí)際生產(chǎn)過程中的一種小型自動(dòng)化設(shè)備，半自動(dòng)化螺絲機(jī)減少了工人在安裝時(shí)要挑揀螺絲的麻煩，節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間[3-4]。半自動(dòng)化螺絲機(jī)主要由送料及鎖付系統(tǒng)構(gòu)成，可以方便快捷地將螺絲排成一排，相比于手動(dòng)作業(yè)的方式[5-6]，現(xiàn)在只需要單手就能操作，然后機(jī)器會(huì)自動(dòng)輸送新的螺絲到批嘴下，如此循環(huán)作業(yè)，大大提高了螺絲上料的效率[7-8]。但是在實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)候也產(chǎn)生了許多問題，影響最大的就是許多螺絲機(jī)的上料機(jī)構(gòu)為漏斗狀，通過底部的上料板推動(dòng)上料，然而螺絲在排序的時(shí)候往往由于重力的作用容易堵塞漏斗的底部，導(dǎo)致上料中斷，在一定程度上造成了生產(chǎn)滯后，影響了加工作業(yè)效率。除此之外，半自動(dòng)化螺絲機(jī)還存在自動(dòng)化程度低、故障率高、生產(chǎn)效率低下等問題[9-11]，針對(duì)這一系列問題，通過查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料進(jìn)行討論分析，本文設(shè)計(jì)提出了一種螺絲自動(dòng)上料裝置，改變傳統(tǒng)半自動(dòng)螺絲機(jī)的上料方式，將漏斗上料盤改進(jìn)為螺旋振動(dòng)上料盤，在上料板上開設(shè)防堵槽，并增加了回料槽設(shè)計(jì)，防止螺絲堵塞上料槽的同時(shí)，多余的未成功上料的螺絲重新回到螺旋振動(dòng)上料盤內(nèi)，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(dòng)鎖螺絲裝置和螺帽排序箱裝置，進(jìn)一步提高了螺絲機(jī)的生產(chǎn)自動(dòng)化程度，既保證了自動(dòng)上下料過程的穩(wěn)定性，還提高了生產(chǎn)效率，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供幫助。

1 螺絲自動(dòng)上料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該裝置主要由上料機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和其他輔助裝置組成。上料機(jī)構(gòu)中的螺旋振動(dòng)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(cè)開設(shè)有若干個(gè)防堵槽；推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)用于控制上料板的上下滑動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)撥片機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；其他機(jī)構(gòu)將在下文進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及具體工作過程

2.1 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

上料機(jī)構(gòu)包括螺旋振動(dòng)上料盤、上料板、料板、支架、固定板等。

2.1.1 螺旋振動(dòng)上料盤的設(shè)計(jì)

螺旋振動(dòng)上料盤（如圖2）包括螺旋盤振動(dòng)器、螺旋盤、上料槽、回料槽、底座等。螺旋振動(dòng)上料盤通過振動(dòng)帶動(dòng)螺旋盤內(nèi)的螺絲逐個(gè)連續(xù)地輸送到上料槽，此時(shí)推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)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(dāng)中，當(dāng)斜槽內(nèi)的螺絲達(dá)到設(shè)定的數(shù)量時(shí)，推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)控制上料板上升進(jìn)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(nèi)并重新回料到螺旋盤內(nèi)，避免了螺絲堵塞料板斜槽、上料板及上料槽。

圖1 螺絲自動(dòng)上料裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 螺旋振動(dòng)上料盤

圖3 上料板連接視圖

2.1.2 上料板的設(shè)計(jì)

上料板與上料槽、料板、回料槽滑動(dòng)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(cè)設(shè)置了若干防堵槽，其中在防堵槽內(nèi)設(shè)置了可以伸縮連接的防堵塊（如圖4），其中防堵塊內(nèi)設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)能夠重新恢復(fù)突出狀態(tài)并且高于防堵槽口的端面一定距離。實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)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(shí)，上料板下降，螺絲從上料槽掉落到料板斜槽，同時(shí)斜面板在下部推動(dòng)連接板向內(nèi)收縮，然后防堵塊從上料槽底部穿過，當(dāng)斜槽內(nèi)的螺絲達(dá)到設(shè)定的數(shù)量時(shí)，推動(dòng)控制裝置控制上料板上升，與此同時(shí)，空余的斜面板從上料槽的底部滑過并進(jìn)一步推動(dòng)連接板向內(nèi)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(dāng)上料板在上下料需要升降時(shí)就不容易被影響，料斗跟上料板的連接處也不會(huì)被阻礙，確保了上料板升降過程的穩(wěn)定性。

2.2 輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸送機(jī)構(gòu)（如圖5）包括導(dǎo)軌、壓板、撥片機(jī)構(gòu)、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(jī)構(gòu)下料。當(dāng)上料板將料板斜槽內(nèi)的螺絲推到導(dǎo)軌入口處時(shí)，撥片機(jī)構(gòu)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(dāng)滑軌中布滿螺絲之后，撥片機(jī)構(gòu)每撥入一顆螺絲到導(dǎo)軌中，在導(dǎo)軌出口處就有一顆螺絲被推入下料機(jī)構(gòu)的預(yù)備下料口處。在撥料時(shí)當(dāng)有螺絲突出于滑軌時(shí)能夠?qū)⑵淇焖俚赝葡禄墸瑥椈蓳芷幕貜椬饔眠€可以將多余的螺絲推入回料槽內(nèi)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(fā)生。

2.3 推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)（如圖6）包括上料氣缸、活動(dòng)鉸鏈、固定鉸鏈、撥片連接桿和上料板連接桿。推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)主要用于驅(qū)動(dòng)上料板進(jìn)行上下滑動(dòng)，并且同時(shí)帶動(dòng)撥片機(jī)構(gòu)進(jìn)行撥料運(yùn)動(dòng)。具體實(shí)施方式：當(dāng)上料氣缸伸出時(shí)，因?yàn)樯狭蠚飧谆顒?dòng)端連接桿分別和固定底座、上料板鉸接在一起，此時(shí)的上料板只能做上升運(yùn)動(dòng)，并且?guī)?dòng)撥片機(jī)構(gòu)的撥片將螺絲撥入導(dǎo)軌中；同理，上料氣缸在收縮的時(shí)候，上料板就只能做下降運(yùn)動(dòng)，并且與彈簧一起帶動(dòng)撥片機(jī)構(gòu)的撥片復(fù)位進(jìn)行下一次撥料。

2.4 下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 輸送機(jī)構(gòu)

圖6 推動(dòng)控制機(jī)構(gòu)

下料機(jī)構(gòu)（如圖7）包括滑動(dòng)氣缸、下料座、滑動(dòng)塊、推料氣缸、滑動(dòng)片、預(yù)備下料口、下料口、下料箱和下料管。工作時(shí)，螺絲經(jīng)導(dǎo)軌輸送至預(yù)備下料口的卡槽內(nèi)，然后滑動(dòng)氣缸帶動(dòng)滑動(dòng)塊在下料座內(nèi)滑動(dòng)并帶動(dòng)螺絲送至下料口處，然后螺絲從下料口進(jìn)入下料箱中，經(jīng)過下料箱之后，螺絲從下料管出口逐個(gè)送至螺帽連接板的預(yù)定孔位中進(jìn)行預(yù)備鎖緊。

圖7 下料機(jī)構(gòu)

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

當(dāng)滑動(dòng)氣缸帶動(dòng)滑動(dòng)塊在下料座內(nèi)滑動(dòng)并帶動(dòng)螺絲送至下料口處，推料氣缸推動(dòng)滑動(dòng)片，將螺絲推入下料口中進(jìn)入下料箱，經(jīng)過下料箱排序之后，螺絲從下料管出口被逐個(gè)送至螺帽連接板的預(yù)定孔位中進(jìn)行預(yù)備鎖緊。

圖8 推料機(jī)構(gòu)視圖1

圖9 推料機(jī)構(gòu)視圖2

2.5 鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鎖緊機(jī)構(gòu)（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(dǎo)入螺帽排序箱內(nèi)，通過螺帽連接板將螺帽陣列排列在連接板的預(yù)定孔位中，當(dāng)螺帽連接板移動(dòng)至下料管正下方并與下料管的孔位相對(duì)應(yīng)時(shí)，螺絲通過下料管逐個(gè)輸送到螺母連接板的預(yù)定孔位中，當(dāng)所有預(yù)定孔位布滿螺絲后，螺帽連接板移動(dòng)至電批嘴正下方并與相應(yīng)的批嘴口對(duì)齊，然后電批對(duì)螺絲進(jìn)行鎖緊，鎖緊之后連接板底部打開，將已經(jīng)完成鎖付的連接件倒入計(jì)數(shù)框內(nèi)從而完成最后一步工序。

2.6 其他輔助裝置設(shè)計(jì)

其他裝置結(jié)構(gòu)包括氣配箱、控制開關(guān)、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(guān)及本裝置各工作環(huán)節(jié)的控制參數(shù)設(shè)置。控制開關(guān)用于控制裝置的運(yùn)行及制動(dòng)，裝置運(yùn)行過程中如出現(xiàn)緊急故障，可按下控制開關(guān)上的紅色急停按鈕，能夠及時(shí)制動(dòng)并斷電，便于故障維修及保證生產(chǎn)安全。

圖10 鎖緊機(jī)構(gòu)視圖1

圖11 鎖緊機(jī)構(gòu)視圖2

圖12 氣配箱、控制開關(guān)、氣泵

圖13 各類料框

3 螺絲自動(dòng)上料裝置的工作原理和效率評(píng)價(jià)

螺絲自動(dòng)上料裝置如圖14所示，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的工序要求，預(yù)先設(shè)定螺絲機(jī)的各工作環(huán)節(jié)的參數(shù)，并導(dǎo)入到裝置的氣配箱內(nèi)進(jìn)行程序流程的設(shè)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(dòng)上料盤和排序上料箱內(nèi)，然后打開氣配箱的上電開關(guān)給裝置進(jìn)行上電，按下控制開關(guān)上的綠色啟動(dòng)按鈕，裝置開始自動(dòng)運(yùn)行，通過螺旋振動(dòng)上料盤帶動(dòng)螺絲上料，通過上料板將螺絲輸入料板中，通過撥片機(jī)構(gòu)將螺絲撥入輸送滑軌中，并推動(dòng)螺絲進(jìn)入預(yù)備下料口，然后滑動(dòng)氣缸帶動(dòng)滑動(dòng)板將螺絲輸送到下料口位置，通過滑動(dòng)板上的推料氣缸將螺絲推入下料箱中，此時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)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(duì)應(yīng)孔位逐一插入，然后整塊螺母連接板滑動(dòng)到電批嘴正下方預(yù)定位置，最后電批嘴將對(duì)應(yīng)孔位的螺絲進(jìn)行鎖緊，然后出料，完成所有整個(gè)自動(dòng)上下料及鎖緊的過程。裝置運(yùn)行過程中如出現(xiàn)緊急故障，可一鍵按下控制開關(guān)上的紅色急停按鈕，能夠及時(shí)制動(dòng)并斷電，便于故障維修及保證生產(chǎn)安全。

自動(dòng)螺絲機(jī)工作效率計(jì)算公式為

圖14 螺絲自動(dòng)上料裝置

式中: T為工作總時(shí)間; TA為非機(jī)器故障停機(jī)時(shí)間; TB為機(jī)器故障停機(jī)時(shí)間。

根據(jù)林敏等[12]的研究表明，采用改進(jìn)的自動(dòng)螺絲機(jī)后可以大大減少人工勞動(dòng)力并且進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，滿足設(shè)計(jì)的要求和實(shí)際生產(chǎn)需要。

根據(jù)石小仕等[13]的研究表明，在同等作業(yè)時(shí)間內(nèi)，機(jī)器完成的工件數(shù)遠(yuǎn)大于人工完成的工件數(shù)；人工作業(yè)的折線波動(dòng)相較于機(jī)器大得多，表明自動(dòng)螺絲機(jī)機(jī)器具有更好的穩(wěn)定性和工作效率，如圖15所示。

圖15 效率評(píng)價(jià)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的螺絲自動(dòng)上料裝置，將漏斗上料盤改進(jìn)為螺旋振動(dòng)上料盤，在上料板上開設(shè)防堵槽，并增加了回料槽設(shè)計(jì)，防止螺絲堵塞上料槽的同時(shí)，多余的未成功上料的螺絲重新回到螺旋振動(dòng)上料盤內(nèi)，較好地解決了螺絲排序易堵塞上料口的問題。增加了自動(dòng)鎖螺絲裝置和螺帽排序箱裝置，進(jìn)一步提高了螺絲機(jī)的生產(chǎn)自動(dòng)化程度，既保證了自動(dòng)上下料過程的穩(wěn)定性，還提高了生產(chǎn)效率，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供幫助。