一種螺釘自動供給與攻入裝置設計

黃昊 王會良 胡鵬宇 莫旭 翟忠奧 杜猛 郭金榮

（河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003）

1 概述

電動螺絲刀廣泛應用于機械、建筑等行業，主要用于攻螺釘，其工作過程為：先往螺絲刀頭上放一顆螺釘，然后將其對準工作點后攻入。這種重復拿放螺釘再將其攻入工作面的操作不僅浪費時間，而且在攻入的過程中常常由于施力不穩，會使得攻入的螺釘不垂直于工作面；如果操作不當，還容易使手指受傷[1]。本文將介紹一種螺釘自動供給與攻入裝置，可以實現螺釘供給與攻入的半自動化，并且能提高工作效率、螺釘被正確攻入的成功率和使用的安全性。

2 設計方案

2.1 總體結構設計

本裝置主體機械結構由螺釘彈夾、旋轉驅動器、滑軌、螺釘軌道約束器和普通手電鉆組成，具有裝拆方便、安全高效等特點。圖1 為螺釘自動供給與攻入裝置總裝配圖，如圖1所示，滑軌后端連接著普通手電鉆，螺釘軌道約束器連接在滑軌前端，螺釘彈夾卡在滑軌的下部，旋轉驅動器裝于螺釘彈夾上方。本裝置操作簡單，先將本裝置的瞄準器對準施工點，按下電鉆的開關，往前方推動，使螺釘完全攻入工作面后再將裝置拿離工作面，就能完成了一次螺釘的攻入。

圖1 螺釘自動供給與攻入裝置總裝配圖

2.2 機構運動過程

隨之旋轉到與螺絲刀（圖2-10）同軸位置。此時，瞄準器達到軸向極限位置，再向前繼續推動電鉆，使得主彈簧（圖2-9）被壓縮，螺絲刀抵達螺釘處。最后，向前繼續推動電圖2為螺釘自動供給與攻入裝置的槍體結構零件圖，如圖2 所示。首先，將瞄準器（圖2-24）準確放在工作面上。然后，按下手電鉆的開關按鈕，向前推動此裝置，瞄準器受到施工面的反作用力向后運動，然后推動旋轉驅動器（圖4），使得上鏈輪（圖4-19）旋轉11.25°，并帶動螺釘鏈條（圖2-27）旋轉。之后，螺釘（圖2-20）鉆，使得螺絲刀將同軸心的螺釘推出螺釘鏈條（圖2-27）。然后，螺釘進入螺釘-軌道約束器（圖2-1），螺釘受到軌道約束器（圖2-1）的約束作用，保持著與螺絲刀同軸方向的運動。最后，螺釘順利地被釘入施工面。之后再向后拉動電鉆，主彈簧（圖2-9）由于受著彈簧的彈力，使前導軌（圖2-6）和后導軌（圖2-8）恢復至最大行程。然后，旋轉驅動器回推彈簧（圖2-22）將旋轉桿（圖2-21）推至卡槽套筒（圖2-16）后端鋸齒的底部，使旋轉桿同向旋轉33.75°，從而帶動上鏈輪（圖2-19）旋轉33.75°而再次驅動螺釘鏈條。

圖2 槍體結構零件圖

2.3 局部結構設計

2.3.1 螺釘軌道約束器

螺釘軌道約束器位于螺釘出口處，作用是約束螺釘的運動，使其沿螺絲刀軸線方向運動。軌道約束器由韌性材料制成，內部含有多組三爪式約束片，模擬人類手指控制螺釘，兼容不同直徑的螺釘。管身有三片方形卡板，便于放置在槍體銜接器（圖3-5）中并調整位置，使裝置兼容不同長度的螺釘。其結構圖如圖3 所示。

圖3 螺釘軌道約束器與槍體銜接器結構圖

2.3.2 旋轉驅動器

旋轉驅動器是驅動鏈條運動的裝置，圖4 是旋轉驅動器結構圖，如圖4 所示。旋轉驅動器由推桿17、卡槽套筒16、旋轉桿21 和上鏈輪19 組成。卡槽套筒由三顆螺栓固定在螺釘彈夾（圖1-2）上，無法相對于螺釘彈夾運動，推桿周向的八個矩形突起與卡槽套筒的內部的八個卡槽配合形成滑動副限制推桿周向轉動，旋轉桿21 后端套有回推彈簧（圖2-22），回推彈簧頂住旋轉桿21 后端圓環。旋轉驅動器處于初始狀態時，旋轉桿19 與推桿17 被回推彈簧推入卡槽套筒16 中，此時旋轉桿21 前端的45°斜面與卡槽套筒16 末端的45°斜面共面。推桿17 向后運功，將推動旋轉桿21 脫離卡槽套筒16；脫離過程中，旋轉桿21 四個周向分布凸起的側面與卡槽套筒后的端鋸齒的直平面共面且相對運動；當旋轉桿21 脫離卡槽套16 的同時，由于旋轉桿21 受到回推彈簧的彈力，而且此時旋轉桿21 末端45°斜面未滑至推桿17 鋸齒的最凹處，所以旋轉桿21 脫離卡槽套筒16 時，旋轉桿21 的斜面齒會滑至推桿17 鋸齒的最凹處，導致旋轉桿21 順時針旋轉11.25°。當推桿受到的向后推力減小至小于回推彈簧的彈力時，旋轉桿21 和推桿17 會因為回推彈簧的推力而向前移動；移動過程中，旋轉桿21 的斜面齒將順著卡槽套筒16的下一個鋸齒斜面滑至卡槽套筒16 的鋸齒最底部，導致旋轉桿順時針旋轉33.75°。這兩次旋轉桿的旋轉運動將驅動上鏈輪旋轉45°，從而驅動螺釘鏈條（圖5）運動。

圖4 旋轉驅動器結構圖

2.3.3 螺釘鏈條

螺釘鏈條是用來存儲螺釘的機構，由普通鏈條改進而成，單個鏈節上面都設計有三卡爪，可以適應不同型號的螺釘。螺釘鏈條可以容納36 顆螺釘，而且螺釘鏈條的外殼為雙開門結構，方便裝填螺釘。本機構為鏈傳動設計，傳動平穩、精度高，結構緊湊[2]。另外，四卡槽鏈輪與旋轉驅動器配合，螺釘運動軌跡精確穩定。其結構圖如圖5 所示，單個鏈節結構如圖6 所示。

圖5 螺釘鏈條圖

圖6 螺釘鏈條單鏈節圖

2.3.4 可拆卸式螺釘彈夾

螺釘彈夾置于槍體銜接器下端，如圖7 所示。螺釘彈夾最上端的前后位置存在卡槽，槍體銜接器下端的內部前后存在卡齒，螺釘彈夾可水平向右滑入槍體銜接器，之后由槍體銜接器右側擋板和螺釘彈夾卡扣限制螺釘彈夾位置。如圖7所示，螺釘彈夾卡扣由右齒條、固定螺絲、圓柱銷、上蓋、左齒條、彈簧和中間齒輪組成；處于初始狀態時，兩個彈簧頂住左齒條，左齒條通過中間齒輪使得右齒條受到向前的推力，在右齒條的右側，螺釘彈夾有凸起，與右齒條相接觸可以限制螺釘彈夾向左的位移。向前按動左齒條可以使得右齒條向后移動從而取下螺釘彈夾。螺釘彈夾內可裝配螺釘鏈條裝置（圖5），且螺釘彈夾為雙開門設計，方便裝填螺釘。

圖7 可拆卸式螺釘彈夾結構圖

3 結論

本文所設計的螺釘自動供給與攻入裝置動作可靠、安全高效、操作方法簡單，只要將本工具的瞄準器對準施工點，按住電鉆開關，進行一推一拉的運動，就能將螺釘攻入工作面。螺釘彈夾可容納36 顆螺釘，相較于普通電動螺絲刀，可以減少手動上釘的工作，提高工作效率和安全性。螺釘鏈條單鏈節的三卡爪擁有錐度，可以使得該工具適應不同大徑的螺釘，螺釘軌道約束器可前后調節，使得該工具適應不同長度的螺釘。螺釘彈夾為雙后蓋設計，方便裝填螺釘[3]。本裝置改善了傳統電動螺絲刀攻螺釘效率、安全性和正確攻入工作面的成功率低下等問題，具有較好的應用前景。