基于某步進電機裝配的自動擰螺絲機構設計

王玉華，宋新月，戴旭升，曹陶敬，趙 聰

(安徽農業大學 經濟技術學院，合肥 230000)

0 引言

步進電機屬于感應電機的一種，是將脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機，由內部電機及外殼組成[1]，內部電機與外殼通過螺絲連接，正面螺絲數量4個，通常在螺絲鎖付工位上工人通過鎖付工具鎖緊螺絲，耗時20s～30s，生產效率低下，同時單調乏味的工作導致工人厭倦，人員流動大，最終致使產品穩定性差，螺絲鎖付工作逐漸成為企業生產效率提高的瓶頸。因此智能生產線自動擰螺絲機構的產生對企業生產效率的提高具有促進作用。

近年來，國內外學者對智能生產線自動擰螺絲機構進行了相關研究，例如Antonio H.J Moreira[2]等人利用嵌入式電腦開發了自動擰螺絲系統，該系統能對加工過程和信息進行實時監控，但電腦拓展性和處理能力有限，對復雜的數據難以處理。姚文欽[3]基于伺服系統設計的高速擰螺絲系統雖然實現了多種產品共用，但該系統編譯能力有限，同時對于產品的鎖付質量未進行外觀檢測，對廢品的處理也未給出詳細工藝方案。王月芹[4]等人利用PLC重新設計了螺絲自動化控制系統，提高了螺絲鎖付過程中的控制能力，有效的提高了生產效率和產品質量，但電批移動路徑仍為傳統的直線運動，直線運動距離較曲線更長，運動耗時也隨之加長。賈廣田[5]開發的自動螺絲機控制系統采用兩塊STM32微處理器，分別開發人機交互觸摸屏和運動控制器，雖然該系統對路徑進行了優化，但該系統存在成本高，編譯難度大，模塊更換困難等不足。

綜上所述，大長徑比螺絲的鎖付機構設計及電批路徑優化尚存在空缺，完整的擰螺絲機構設計也鮮有論述。本文基于某步進電機，針對大長徑比螺絲鎖付工序進行擰螺絲機構設計，該機構采用管道吹送螺釘，詳細設計了螺絲鎖付的控制軟件和主流程工藝，同時對鎖付路徑進行優化，最終以某款電機為加工對象進行實驗，證明了該機構的有效性和可靠性。

1 自動擰螺絲機電氣控制系統設計

步進電機螺絲如圖1所示，公稱直徑為M4，螺絲長度L為31mm，由圖可以看出螺絲為十字槽螺絲，詳細參數如圖表1所示。其中螺絲長度與螺絲直徑比值L/d=5.6，屬于典型的大長徑比螺絲，為保證在自動鎖付過程中螺絲進給的穩定性，輸送方法使用吹氣式，由于大長徑比螺絲長度遠遠大于吹氣管道內經，螺絲在傳送過程中不會發生反轉，同時鎖付電批有專門的中空馬達，保證螺絲能平穩輸送至擰緊端口。

表1 螺絲參數

圖1 大長徑比螺絲

智能擰螺絲機使用三軸電批，根據不同的電機類型，選擇與之相對應的擰螺絲程序，對步進電機進行擰螺絲工作。為提高鎖付效率，需使用多軸聯動并對外部設備反饋信息進行處理，而PLC加觸摸屏方案具有穩定性高、人機交互性好的特點，有利于螺絲鎖付的控制，故采用PLC加觸摸屏與電批聯機，電批與PLC設備聯機展示圖如圖2所示。其中PLC設備采用S7-1200型號，S7-1200是模塊化的中小型PLC，采用模塊化結構，使用搭積木的方式來組成系統，用戶可以根據系統的具體情況選擇合適的模塊，維修及更換模塊方便，同時具有強大的聯網通訊能力，滿足智能擰螺絲機的控制要求。電批本體與驅動器配套使用，不能和其他軸電批驅動器互換，安裝及接線時要使電批本體序列號與驅動器序列號保持一致性。該設計適用螺絲范圍為M1～M6，適用螺絲材料為鐵、銅和不銹鋼等，適用的螺絲花型與表面處理方式多樣，完全滿足工業螺絲鎖付需求。

圖2 電批與PLC設備聯機展示圖

2 鎖付工作流程設計

自動鎖螺絲機開啟后系統會自動配置相應裝配參數，料盤搬運電機至擰螺絲機工作區域，計數傳感器檢測料盤到位后輸入信號至PLC，隨后PLC輸出信號到定位機構固定料盤，隨后搬運機構搬運電機到擰螺絲平臺，并通過檢測系統反饋電機在擰螺絲平臺的信號，PLC根據上述反饋，按照電機的類型輸送對應的螺絲并完成鎖付。鎖付結束后由智能擰螺絲機輸出信號給PLC，使搬運機構再次把電機從擰螺絲平臺送回料盤，運輸到抓取機構，計數傳感器感知料盤到位后傳遞信號至定位機構固定料盤，抓取機構抓起電機旋轉180°進行視覺檢測，通過視覺檢測產品是否合格的信號輸入PLC進行處理，合格則送到充磁區，不合格則送到廢品區。不合格產品繼續通過PLC反饋，推料機構感應料盤到位后，升高推料底盤，推桿把料盤推往廢品傳送帶，使廢品送往廢品區，在廢品區發出的信號傳輸給AGV小車，使AGV小車將廢品搬走。依據智能擰螺絲單元的功能需求，擬定工藝流程如圖3所示。

圖3 螺絲鎖付工藝流程圖

3 鎖付路徑優化

基于某款步進電機如圖4所示，該步進電機擰螺絲面平整，料盤將其固定好后螺絲面與電批Z軸垂直，螺絲通過吹氣系統輸送至螺絲孔端部。由于螺絲分別處于端蓋四角，故在鎖付過程中不論選擇順時針或逆時針鎖付都很容易引起端蓋翹曲，嚴重時將影響最后需鎖付螺絲的對準，未正確入位的螺絲在鎖付過程中易產生錯動，從而導致擰螺絲機的損壞和工件表面的劃傷。為保證螺絲正確入位，鎖螺絲機采用對角鎖付，通過修改擰螺絲子程序中的識別順序，保證在鎖螺絲過程中的鎖付質量。

圖4 某款步進電機

通過分析螺絲鎖付流程可知，為提高鎖付效率，除了提高鎖付電批的移動速度和鎖付轉速，縮短移動路徑同樣可以節省時間。通常電批移動路徑如圖5所示，鎖付前位于零點位置A，當開始進行鎖付動作時移動至螺絲孔上方位置，延Z軸下降至C，此時螺絲通過吹氣供給系統被搬運至C處，最終螺絲被鎖付下降至D。鎖付完成后電批先后移動至B、E、F、G完成對角螺絲的鎖付，其中CD、BC和BE直線距離分別為31mm、12mm和43mm。通過研究路徑發現在電批在鎖付過程中移動路程仍有優化空間，同時鎖付前后進行6次加減速，頻繁的加減速會引起機臺震動，影響螺絲的鎖付質量。

圖5 電批移動路徑

綜上所述，對現移動路徑優化，優化結果如圖3中虛線所示，電批對第一個螺絲鎖付完成后從C點弧線移動至F點，為保證移動過程中不產生干涉，CF路線為橢圓路徑，長軸為兩螺絲孔直線距離，短軸為不發生干涉的點C至B的距離，由于路徑DC與CF銜接夾角大，故在移動過程中無較大速度變化，縮短了頻繁加減速的時間。同時由于弧線相較于多段直線路程更短，故在移動過程中縮短時間，提高了效率。通過將優化后的路徑嵌入PLC程序試運行，電批能夠按照優化路徑移動，移動過程中不發生干涉。

4 實驗

以圖4步進電機為實驗對象，使用設計后的自動鎖螺絲機構對步進電機進行鎖付實驗，實驗60個共計240個螺絲，同時為對比優化路徑與初始路徑，其中30個電機采用初始路徑鎖付，30個電機采用優化路徑鎖付。實驗過程中記錄鎖付時間和電批移動時間，同時記錄螺絲鎖付系統信息，鎖付現場如圖6所示。

圖6 鎖付現場

為避免電批運動過程中加速及減速過程所造成的速度不均勻現象，不能單純的采用分段控制速度的方法，而應該根據電批運動坐標變化，動態監控電批運動過程中的各時間節點，精準得出各運動過程中的時間，主要為鎖付時間（CD段）和空行程（CF段）時間，每次記錄的時間取平均值，同時使用人工鎖付電機10個，并記錄人工鎖付時間平均值。通過記錄整個鎖付過程，得出各個階段時間如表2所示。

表2 實驗結果

由實驗結果可知，在相同鎖付質量下，優化路徑機器鎖付時間較初始路徑機器鎖付時間縮短了8.6%，而自動擰螺絲機構鎖付時間較人工鎖付時間縮短了45.2%，鎖付效率顯著提高。

5 結語

本文通過設計自動擰螺絲運動控制機構，擬定鎖付優化流程，結合PLC加觸摸屏方案具有穩定性高、人機交互性好的特點，有利于螺絲鎖付的控制，同時對初始鎖付路徑進行優化，使得優化后的路徑在不產生干涉的條件下能夠更快速的到達鎖付位置。最后通過步進電機進行對比實驗得出，相同鎖付質量下，優化路徑鎖付時間較初始路徑時間平均減少8.6%，而優化路徑機器鎖付時間較人工鎖付時間平均減少45.2%，證明了該智能自動擰螺絲機構能夠完成大長徑比螺絲的鎖付，起到了減少鎖付時間，提高鎖付效率的作用。