螺絲機(jī)設(shè)備類型及在自動(dòng)化行業(yè)中的應(yīng)用

聶修民，解永輝，王曉軍，郭東峰，苑春影

[1.濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261041；2.北京元科教育（新華店），山東 濰坊 261032]

0 引言

在非標(biāo)自動(dòng)化、汽車、航空、通用行業(yè)和輕工業(yè)等生產(chǎn)制造過程中，螺栓是最為常見的緊固件之一，這是因?yàn)槁菟闃?biāo)準(zhǔn)件，安裝拆卸方便，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、批量化生產(chǎn)，并且成本低、價(jià)格便宜、互換性好[1]。隨著制造業(yè)智能化、自動(dòng)化水平的提高，螺栓鎖付的自動(dòng)化水平顯著提高，各種各樣的螺絲機(jī)設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生。目前市場上的螺絲機(jī)設(shè)備種類繁多，質(zhì)量不同，配置不同，價(jià)格差別很大，從幾萬元的普通螺絲機(jī)設(shè)備到幾十萬，甚至更貴的螺絲機(jī)設(shè)備，以滿足不同行業(yè)、不同客戶、不同需求層次的要求。

1 螺絲機(jī)設(shè)備類型

1.1 按自動(dòng)化程度分

按自動(dòng)化程度，分為手工螺絲機(jī)、半自動(dòng)螺絲機(jī)和自動(dòng)螺絲機(jī)。手工螺絲機(jī)為人工手持螺絲刀進(jìn)行鎖付螺絲，螺絲和產(chǎn)品的上料均由人工完成。優(yōu)點(diǎn)是鎖付質(zhì)量高、良率高，不良螺絲和鎖付不良品隨時(shí)排除。缺點(diǎn)是效率低，人工容易疲勞，不適合連續(xù)生產(chǎn)，綜合成本高。半自動(dòng)螺絲機(jī)為人工進(jìn)行產(chǎn)品的上料，螺絲自動(dòng)進(jìn)行上料，自動(dòng)進(jìn)行鎖付；或者是螺絲自動(dòng)上料，人工進(jìn)行產(chǎn)品的上料和鎖付。半自動(dòng)螺絲機(jī)效率比人工高，鎖付質(zhì)量也能得到保障。自動(dòng)化螺絲機(jī)就是自動(dòng)對產(chǎn)品進(jìn)行定位、自動(dòng)上螺絲、自動(dòng)進(jìn)行鎖付、自動(dòng)周轉(zhuǎn)成品的螺絲機(jī)設(shè)備。自動(dòng)化螺絲機(jī)效率高、成本低，但是良率不一，問題也比較多。

1.2 按平臺類型分

按平臺類型，分為桌面式螺絲機(jī)和機(jī)械關(guān)節(jié)螺絲機(jī)[2]。桌面式螺絲機(jī)，又叫坐標(biāo)式螺絲機(jī)，一般安裝在桌面式平臺上。由于桌面平臺一般都是標(biāo)準(zhǔn)化及系列化，螺絲機(jī)設(shè)備開發(fā)周期短，平臺質(zhì)量穩(wěn)定，成本低，可批量快速復(fù)制。機(jī)械關(guān)節(jié)螺絲機(jī)一般用在對速度和空間有一定需求的場合，但是承載能力和剛性受到一定的限制，由于使用關(guān)節(jié)機(jī)器人，一般成本較高。

1.3 按智能化程度分

按智能化程度，分為普通電批螺絲機(jī)和智能電批螺絲機(jī)。普通電批螺絲機(jī)無力矩或角度反饋信號，不能實(shí)時(shí)顯示鎖付力矩或其他信息，只能通過簡單的力矩或真空負(fù)壓值判定鎖付是否成功。設(shè)備成本低，故障率相對較高，良率相對較低。智能電批螺絲機(jī)帶有力矩或角度反饋信號，能實(shí)時(shí)顯示鎖付過程的力矩、時(shí)間、良率等信息，甚至能夠進(jìn)行退絲，然后再擰緊等功能。智能電批螺絲機(jī)良率高、故障率低，但是設(shè)備成本高，一般用在鎖付質(zhì)量要求較高的場合。

1.4 按視覺能力分

按是否加入視覺，分為無視覺螺絲機(jī)和有視覺螺絲機(jī)。螺絲機(jī)用視覺進(jìn)行定位或判定鎖付質(zhì)量，能顯著提高螺絲鎖付良率，一般用在對鎖付質(zhì)量要求高的場合。加入視覺后，由于需要拍攝，節(jié)拍（鎖付單顆螺絲時(shí)間）會降低，效率會受到影響。

1.5 按動(dòng)力方式分

按動(dòng)力方式，分為電動(dòng)螺絲機(jī)和氣動(dòng)螺絲機(jī)。電動(dòng)螺絲機(jī)一般在自動(dòng)化行業(yè)應(yīng)用普遍，適用于小螺絲，氣動(dòng)螺絲機(jī)一般在工程機(jī)械，汽車等行業(yè)應(yīng)用廣泛，適用于大螺絲。

1.6 按送料方式分

按送料方式，分為負(fù)壓吸取式螺絲機(jī)、正壓管道式螺絲機(jī)和吹加吸式螺絲機(jī)。

1.6.1 負(fù)壓吸取螺絲機(jī)

負(fù)壓吸取螺絲機(jī)是利用真空腔產(chǎn)生負(fù)壓以達(dá)到吸取螺絲的目的。負(fù)壓吸取螺絲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般將螺絲鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺或自制運(yùn)動(dòng)軸上，采用螺絲排列機(jī)進(jìn)行螺絲分揀，利用在吸嘴內(nèi)形成的負(fù)壓腔吸附螺絲，負(fù)壓管道上安裝有過濾器，用于過濾螺絲灰塵等雜質(zhì)。XYZ桌面式平臺帶動(dòng)鎖付結(jié)構(gòu)到工作位進(jìn)行螺絲鎖付。在工作位利用傳感器檢測有無產(chǎn)品，通過真空壓力表檢測吸嘴內(nèi)的負(fù)壓值判定吸嘴內(nèi)有無螺絲。當(dāng)檢測到產(chǎn)品，并且吸嘴內(nèi)有螺絲時(shí)，XYZ桌面式平臺Z軸往下移動(dòng)，帶動(dòng)鎖付結(jié)構(gòu)往下移動(dòng)，同時(shí)電批開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的扭矩時(shí)，Z軸帶動(dòng)鎖付結(jié)構(gòu)往上移動(dòng)，即完成一個(gè)螺絲的鎖付。重復(fù)同樣的動(dòng)作，就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)螺絲的鎖付。負(fù)壓吸取螺絲機(jī)不太適合細(xì)長的螺絲，此類螺絲機(jī)節(jié)拍一般在2～3 s，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，成本低，技術(shù)最成熟，所以在自動(dòng)化行業(yè)中應(yīng)用最多。

圖1 負(fù)壓吸取螺絲機(jī)

1.6.2 正壓管道螺絲機(jī)

正壓管道螺絲機(jī)是利用氣壓通過管道將螺絲吹到吸嘴內(nèi)，然后進(jìn)行鎖付的螺絲機(jī)設(shè)備。正壓管道螺絲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般也將螺絲鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺或自制運(yùn)動(dòng)軸上，吹釘機(jī)構(gòu)利用氣壓將螺絲吹到吸嘴內(nèi)，需注意的是螺帽要在前進(jìn)的后方，氣壓管道上安裝有環(huán)形傳感器，以檢測螺絲是否送到位。由于螺絲要穿過管道，此類螺絲機(jī)適用于長徑比＞0.7的螺絲，長徑比過小的螺絲，在穿過管道時(shí)容易卡住或更改螺帽方向，造成螺絲鎖付失敗。在自動(dòng)化行業(yè)中，細(xì)長的螺絲較適合正壓管道螺絲機(jī)。此類螺絲機(jī)節(jié)拍一般在0.5～1 s，效率高，但是由于采用吹氣原理，螺絲中的灰塵等雜質(zhì)容易污染產(chǎn)品，對清潔度要求較高的產(chǎn)品不適合采用正壓管道螺絲機(jī)。

圖2 正壓管道螺絲機(jī)

1.6.3 吹加吸式螺絲機(jī)

吹加吸式螺絲機(jī)是利用氣壓通過管道將螺絲吹到吸嘴內(nèi)，然后利用負(fù)壓吸取螺絲，再進(jìn)行鎖付的螺絲機(jī)設(shè)備。吹加吸式螺絲機(jī)的鎖付結(jié)構(gòu)一般如圖3旋轉(zhuǎn)式送料氣吹吸螺絲鎖付機(jī)構(gòu)[3]和圖4一種螺釘自動(dòng)送料及擰緊裝置[4]所示。

圖3 負(fù)壓吸取螺絲機(jī)鎖付機(jī)構(gòu)

圖4 正壓管道螺絲機(jī)鎖付機(jī)構(gòu)

吹加吸式螺絲機(jī)吹送螺絲時(shí)螺帽要在前進(jìn)的前方，氣壓管道上安裝有環(huán)形傳感器，以檢測螺絲是否送到位。由于螺絲要穿過管道，此類螺絲機(jī)也適用于長徑比＞0.7的螺絲，以免造成螺絲鎖付失敗。節(jié)拍一般在1 s左右，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率介于負(fù)壓吸取螺絲機(jī)和正壓管道螺絲機(jī)之間，效率較高，而且適用于清潔度要求較高的工況。

2 螺絲機(jī)設(shè)備在自動(dòng)化行業(yè)中的應(yīng)用及效果分析

螺絲機(jī)設(shè)備的應(yīng)用可分為1971年之前的探索萌芽階段，1972-2005年之間的初步增長階段和2006至今的快速增長階段[5]。開始時(shí)為手持電批進(jìn)行鎖付，后期發(fā)展為半自動(dòng)鎖付，到目前的自動(dòng)螺絲機(jī)進(jìn)行鎖付，螺絲機(jī)設(shè)備在自動(dòng)化行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。普通電批負(fù)壓吸取式螺絲機(jī)在自動(dòng)化線體上主要應(yīng)用于中低市場，技術(shù)成熟、節(jié)拍長、成本低、良率相對降低，但是在廠家可接受范圍內(nèi)。隨著高端市場的開拓，特殊工藝的出現(xiàn)，鎖付質(zhì)量和良率隨之提高，發(fā)展了智能電批、基于機(jī)器人或基于視覺的螺絲機(jī)設(shè)備。這些螺絲機(jī)設(shè)備鎖付質(zhì)量高、效果好、良率高，但是成本也相對較高。隨著生產(chǎn)效率提高和特殊工藝的需求，出現(xiàn)了正壓管道螺絲機(jī)和吹加吸式螺絲機(jī)，這兩類螺絲機(jī)節(jié)拍短，效率高。

3 螺絲機(jī)設(shè)備存在的問題

螺絲機(jī)的鎖付失效形式一般有滑牙、浮鎖、漏鎖、螺釘歪斜、螺絲帽打花等，這些問題可通過合理的設(shè)計(jì)，以及增加智能電批、視覺和激光傳感器等檢測手段避免鎖付失效形式的發(fā)生。增加智能電批和視覺后，成本也隨之增加，如何開發(fā)低成本高質(zhì)量的螺絲鎖付設(shè)備，成為當(dāng)前螺絲機(jī)發(fā)展的第一個(gè)問題。

隨著微型機(jī)械的發(fā)展，目前的螺絲機(jī)設(shè)備已不能適應(yīng)微型螺絲的鎖付要求，開發(fā)特殊的微型螺絲自動(dòng)鎖付設(shè)備成為當(dāng)前螺絲機(jī)發(fā)展的第二個(gè)問題。

隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的增加，目前的螺絲機(jī)設(shè)備已不能滿足特殊工況的鎖付要求。比如螺絲正上方，有障礙物，需要“Z”形鎖付結(jié)構(gòu)，如何高質(zhì)量地完成有一定折彎角度的鎖付路徑，成為螺絲機(jī)發(fā)展的第三個(gè)問題。某公司曾經(jīng)開發(fā)過“Z”形鎖付結(jié)構(gòu)，但使用壽命只有兩天，無法滿足批量生產(chǎn)的要求。

當(dāng)螺絲周圍有磁鐵等影響螺絲吸釘效果時(shí)，螺絲機(jī)設(shè)備故障率較高，良率較低，無法滿足生產(chǎn)的需要。開發(fā)適應(yīng)磁場環(huán)境下的螺絲機(jī)設(shè)備成為螺絲機(jī)發(fā)展的第四個(gè)問題。

4 螺絲機(jī)設(shè)備使用及改進(jìn)建議

在自動(dòng)化行業(yè)中，成本低、精度低的工況下，一般用普通電批，不加視覺進(jìn)行鎖付；成本高、精度高、良率高的工況下，一般使用普通電批+視覺、或智能電批、或智能電批+視覺進(jìn)行鎖付，鎖付良率達(dá)99.9%以上。負(fù)壓吸取式螺絲機(jī)使用最普通，成本最低、結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便，能夠吸取螺絲灰塵等雜物，鎖付節(jié)拍在2～3 s；正壓管道式螺絲機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是鎖付節(jié)拍在0.5～1 s，效率高；吹加吸式螺絲機(jī)具有負(fù)壓吸取式螺絲機(jī)和正壓管道式螺絲機(jī)效率高、清潔等的優(yōu)點(diǎn)，鎖付節(jié)拍在1 s左右，但是成本相對較高。

隨著自動(dòng)化水平、智能化水平的提高、微型機(jī)械的發(fā)展、產(chǎn)品復(fù)雜程度的增加以及特殊工況的使用，開發(fā)微型螺絲鎖付設(shè)備、“Z”形鎖付結(jié)構(gòu)和磁場環(huán)境下螺絲鎖付設(shè)備成為螺絲機(jī)發(fā)展的改進(jìn)方向。