面向多規(guī)格螺母的自動(dòng)擰緊機(jī)系統(tǒng)＊

郝欣妮 高 艷 Mohammed Ahmed Ebrahim Alaghbari 鄒 浩

（①揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；②南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

現(xiàn)如今科技發(fā)展迅猛，制造業(yè)也得到蓬勃發(fā)展，而在汽車生產(chǎn)制造過(guò)程中，汽車保險(xiǎn)絲盒的螺紋緊固件裝配仍采用工人手持電批的方式完成。且不同位置的不同連接件所需要的扭矩也不相同，加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量的提升空間也有限[1]。因此，如何提高鎖緊螺母的速度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的自動(dòng)化模式是我國(guó)汽車企業(yè)亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本的需求，提高設(shè)備自動(dòng)化水平[2]，研發(fā)一種能實(shí)現(xiàn)多規(guī)格螺母的自動(dòng)上料擰緊機(jī)是一種必然趨勢(shì)。

目前，常見(jiàn)的自動(dòng)擰緊機(jī)類型有手持式、多頭轉(zhuǎn)盤式、在線式和機(jī)器人式。主流的自動(dòng)擰緊機(jī)在結(jié)構(gòu)上均采用模塊化、分布式[3]的設(shè)計(jì)。國(guó)外比較有代表性的廠家有：瑞典的阿特拉斯、法國(guó)的喬治雷諾、美國(guó)的庫(kù)柏、日本的ESTIC和DDK 等。而國(guó)內(nèi)多以代理的方式，銷售組裝國(guó)外的設(shè)備[4]，部分科技企業(yè)在借鑒學(xué)習(xí)了國(guó)外的技術(shù)后，開(kāi)展自主研發(fā)或?qū)?guó)外產(chǎn)品進(jìn)行改造。針對(duì)螺母自動(dòng)上料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相繼申請(qǐng)了相關(guān)的專利并運(yùn)用到實(shí)際中來(lái)。如錢豐設(shè)計(jì)了一種螺釘螺母柱自動(dòng)上送料機(jī)構(gòu)[5]。張樂(lè)貢等人設(shè)計(jì)了一種螺母自動(dòng)上料鎖絲機(jī)構(gòu)[6]。王振生等人設(shè)計(jì)了一種螺母上料機(jī)構(gòu)以及緊固件自動(dòng)加工設(shè)備[7]。夾取緊固件的方式主要有真空吸附式、磁吸式和機(jī)器人抓取。張方陽(yáng)[8]研制了一種采用真空吸附的自動(dòng)擰緊機(jī)，設(shè)計(jì)的附加檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)漏送、滑頭和滑牙等問(wèn)題；陳緒[9]設(shè)計(jì)了一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的零件抓取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種零件的識(shí)別、定位和機(jī)器人爪手抓??；姜贊[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了裝填不同磁鋼數(shù)量對(duì)批頭吸附效率和緊固件裝配質(zhì)量的影響。這些專利的發(fā)明使得我國(guó)在機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)取代手工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化方式起到了很大的作用。

本文依據(jù)現(xiàn)有全自動(dòng)螺母機(jī)在螺母擰緊方面所表現(xiàn)出的問(wèn)題，進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型的面向多規(guī)格螺母的自動(dòng)擰緊機(jī)（以下簡(jiǎn)稱擰緊機(jī)）。該裝置可以進(jìn)行多規(guī)格螺母的自動(dòng)分類、上料、不同力矩?cái)Q緊和實(shí)現(xiàn)扳手的自動(dòng)更換。

1 擰緊機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文提出的擰緊機(jī)系統(tǒng)，主要由以下部分組成：上料裝置、自動(dòng)換扳手裝置、自動(dòng)擰緊裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 擰緊機(jī)的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

自動(dòng)擰緊裝置采用三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)螺母的自動(dòng)擰緊；上料裝置運(yùn)用旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力進(jìn)行螺母的排序及分類，并將螺母送到指定的位置，該裝置的具體工作步驟如下：

（1）檢查整個(gè)裝置的各部件是否完好，無(wú)任何故障，確認(rèn)無(wú)誤后再接通電源。

（2）操作人員將保險(xiǎn)絲盒固定在加工板上，并在人機(jī)交互界面上輸入不同位置螺母所需的扭矩值，按下裝置的啟動(dòng)按鈕。

（3）工作人員將螺母投入到送料裝置中，同時(shí)振動(dòng)盤開(kāi)始工作，將螺母進(jìn)行分類、排序，并按照要求送到固定的上料位置，等待被取用。

（4）三軸直線滑臺(tái)完成初始化，擰緊機(jī)構(gòu)通過(guò)動(dòng)力和傳動(dòng)部分，確定首先需要擰緊的螺母型號(hào)并從扳手庫(kù)中取出相應(yīng)的扳手。

（5）換取扳手后，來(lái)到指定的位置吸取對(duì)應(yīng)型號(hào)的螺母，同時(shí)X軸定位到第一擰緊位置；當(dāng)擰緊機(jī)構(gòu)到達(dá)擰緊位置正上方設(shè)定的高度之后，擰緊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，Z軸繼續(xù)進(jìn)給，通過(guò)齒輪傳動(dòng)、軸傳動(dòng)，帶動(dòng)扳手旋轉(zhuǎn)完成認(rèn)帽，并按設(shè)定程序擰緊螺母。

（6）扭矩傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擰緊力矩，是否與理論數(shù)據(jù)相符合，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至人機(jī)交互界面，螺母正確擰緊并且到達(dá)設(shè)定值后，控制電機(jī)停止，擰緊機(jī)構(gòu)上升，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（7）重復(fù)上述步驟（4）～（6）：待全部螺母擰緊完成后，X軸回到初始位置，操作人員拆卸并裝上新的保險(xiǎn)絲盒，繼續(xù)進(jìn)行工作。

2 擰緊機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上料裝置主要由振動(dòng)盤、輸料導(dǎo)軌和定位裝置等構(gòu)成，如圖2 所示。

圖2 上料裝置結(jié)構(gòu)

2.1.1 振動(dòng)盤

經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)在普遍使用的螺母、螺釘上料裝置有插板式給料器、回轉(zhuǎn)盤式給料器、振動(dòng)盤式給料器和葉輪式給料器4 類。其優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

由表1 可知，并依據(jù)本文的設(shè)計(jì)和企業(yè)需求，選擇振動(dòng)盤式給料器。

表1 螺母的給料器方案對(duì)比表

2.1.2 輸料導(dǎo)軌

輸料導(dǎo)軌用于輸送排好序的螺母。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的有：T 型輸料軌道、板式輸料軌道、U型輸料軌道和帶狀輸料軌道等。依據(jù)這4 種輸料軌道的特點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)合，結(jié)合運(yùn)輸多種規(guī)格螺母的實(shí)際需要，選擇使用板式輸料軌道。

2.1.3 定位裝置

定位裝置主要由電機(jī)5、絲桿2和滑塊3 等組成，如圖3 所示。

圖3 定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)定位裝置中，最重要的傳動(dòng)部件就是絲桿，其重要參數(shù)的計(jì)算及校核如下。其中，滾珠絲杠副的導(dǎo)程計(jì)算公式為：

式中：Ph為 滾珠絲杠副的導(dǎo)程；Vmax為絲杠最大移動(dòng)速度；nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；i為傳動(dòng)比。

滾珠絲杠副所受的載荷計(jì)算公式為：

式中：F0為滾珠絲杠副的慣性力；Ff為摩擦阻力；W為負(fù)載的重力。

滾珠絲杠副的預(yù)期額定動(dòng)載荷計(jì)算公式：

式中：Cam為預(yù)期額定動(dòng)載荷；Lh為預(yù)期工作時(shí)間；fa為 精度系數(shù)；fc為可靠性系數(shù)，一般情況下，fc=1；fw為負(fù)荷系數(shù)，根據(jù)工作時(shí)負(fù)荷性質(zhì)為輕微沖擊，取fw=1.2。

將已知的參數(shù)代入對(duì)應(yīng)的公式中，得到本裝置所需的絲桿的導(dǎo)程為10 mm，所需承受的額定動(dòng)載荷為272.54 N。以此為選型依據(jù)，選擇米思米公司型號(hào)為BSSR1505-150-15-10的絲桿。

2.2 自動(dòng)換扳手裝置

國(guó)內(nèi)目前典型的自動(dòng)換刀裝置有機(jī)械回轉(zhuǎn)式自動(dòng)換刀裝置、數(shù)控自動(dòng)換刀裝置和基于PLC 自動(dòng)換刀裝置。依據(jù)現(xiàn)有的各種扳手庫(kù)及裝置的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種新的換扳手裝置，該裝置由轉(zhuǎn)軸、電機(jī)、平板和套筒機(jī)構(gòu)等組成，如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)換扳手裝置結(jié)構(gòu)

電機(jī)4 帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸1 旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸1的另一端通過(guò)固定塊連接平板5，轉(zhuǎn)軸1 旋轉(zhuǎn)90°，平板5 水平旋轉(zhuǎn)90°。（1）扳手更換時(shí)，電批頭移動(dòng)到換扳手裝置的正上方。平板5 旋轉(zhuǎn)至電批頭與套筒裝置6 之間。此時(shí)電批頭向下移動(dòng)，平板5 可以阻擋快換接頭向下移動(dòng)，使扳手落到套筒裝置6 里。（2）電批頭向上移動(dòng)，平板5 旋轉(zhuǎn)回初始位置，電批頭帶動(dòng)快換接頭下降，夾取另一個(gè)扳手，裝上扳手。

轉(zhuǎn)軸屬于重要部件，此處進(jìn)行校核，經(jīng)受力分析，其受力簡(jiǎn)圖以及彎矩圖如圖5、6 所示。

圖5 轉(zhuǎn)軸受力簡(jiǎn)圖

校核公式為：

式中：FN為拉力或壓力；A為受力處對(duì)應(yīng)的截面積；Mmax為最大彎矩；W為抗彎截面系數(shù)。

圖6 轉(zhuǎn)軸受力彎矩圖

此處為軸類，則其抗彎截面系數(shù)公式為：

式中：d為對(duì)應(yīng)受力截面處直徑。

將相關(guān)參數(shù)代入公式求解得：σ=46.85 MPa，查手冊(cè)可得45 鋼的許用應(yīng)力為70 MPa。轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)是安全的。

2.3 自動(dòng)擰緊裝置

自動(dòng)擰緊裝置由擰緊裝置和控制單元組成。擰緊裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，可分為電機(jī)模塊、減速器模塊、扭矩傳感器模塊、扭矩限制器模塊和擰緊頭模塊。整體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 自動(dòng)擰緊裝置結(jié)構(gòu)

該裝置適用于速度的控制，要想實(shí)現(xiàn)速度的優(yōu)良控制，不僅需要精度較高的電機(jī)，性能良好的減速器也很重要。國(guó)內(nèi)各減速器的類型以及特點(diǎn)如表2所示。

表2 不同種類減速器的特點(diǎn)

依據(jù)本裝置的特點(diǎn)，選取行星減速器。行星減速器常用于步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)并對(duì)控制精度要求較高的場(chǎng)合。本課題選用億星科技57 高精度行星減速器，減速比取10。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)的功能是連接3 個(gè)工位，從而實(shí)現(xiàn)擰緊過(guò)程自動(dòng)化。傳動(dòng)系統(tǒng)由X、Y、Z 這3 個(gè)方向組成，各部分的結(jié)構(gòu)如圖8、9 所示。

圖8 X、Y 方向傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖9 Z 方向傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該部分絲桿的選型與定位裝置采用相同的方式。Z軸方向上的導(dǎo)軌需要進(jìn)行選型。

直線導(dǎo)軌的靜態(tài)安全系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：fS為靜態(tài)安全系數(shù)；C0為基本靜態(tài)額定負(fù)載；Pn為額定功率。

額定壽命的計(jì)算公式：

式中：L為額定壽命，km；fH為硬度系數(shù)，取fH=1；fr為溫度系數(shù)，取fr=1；fC為接觸系數(shù)；fW為負(fù)載系數(shù)；C為基本動(dòng)額定負(fù)載；P為作用負(fù)載。

將相關(guān)參數(shù)代入上述公式可得，本裝置的靜態(tài)安全系數(shù)為57.3，滿足使用要求。直線導(dǎo)軌的壽命約為333 744 km。

3 自動(dòng)擰緊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)

下位機(jī)控制系統(tǒng)采用的控制芯片為STM32，STM32F407IGT6 微控制器常用的資源包括：192KB RAM、1024KB FLASH、多個(gè)定時(shí)器、串口、USB和IO 口等眾多資源。其控制流程圖如圖10 所示。

圖10 下位機(jī)控制系統(tǒng)流程圖

根據(jù)現(xiàn)有資料及前文研究成果進(jìn)一步分析在對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)的功能：

（1）制定相應(yīng)的串口通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通訊，進(jìn)一步控制擰緊機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

（2）選擇合適的電機(jī)、傳感器等硬件設(shè)備，利用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)的原理，設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路。

（3）采用合適的電機(jī)控制方法，對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置的精確控制。

（4）通過(guò)每個(gè)子系統(tǒng)傳遞到嵌入式控制系統(tǒng)的信號(hào)指令，完成子系統(tǒng)的相互配合控制。

依據(jù)上述對(duì)控制系統(tǒng)的要求，分析設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖11 所示。

圖11 控制系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

3.2 上位機(jī)控制系統(tǒng)

上位機(jī)系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通訊，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，顯示實(shí)時(shí)畫面。上位機(jī)系統(tǒng)由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成，機(jī)器視覺(jué)主要用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，從現(xiàn)實(shí)世界中提取客觀事物的圖像，并對(duì)圖像中的關(guān)鍵信息進(jìn)行篩選，最終把篩選的數(shù)據(jù)信息運(yùn)用于實(shí)際項(xiàng)目。上位機(jī)系統(tǒng)的工作流程如圖12所示。

圖12 上位機(jī)工作流程圖

依據(jù)系統(tǒng)的工作流程，設(shè)計(jì)出了上位機(jī)的工作界面，工作界面如圖13 所示。

圖13 上位機(jī)主操作界面

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)汽車保險(xiǎn)絲盒螺母擰緊的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)研究了一種面向多規(guī)格螺母的自動(dòng)擰緊機(jī)。通過(guò)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車保險(xiǎn)絲盒螺母的定扭擰緊。實(shí)現(xiàn)了多規(guī)格螺母的自動(dòng)上料、定位、擰緊、擰緊力矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)更換扳手的自動(dòng)化模式。經(jīng)過(guò)樣機(jī)試制測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，擰緊效果良好，可應(yīng)用于由多規(guī)格螺母裝配的不同型號(hào)汽車保險(xiǎn)絲盒的自動(dòng)裝配，生產(chǎn)效率較人工至少可提高20%。