周向分布螺絲件自動裝配與控制技術研究

楊 凱，吉曉民

（西安理工大學藝術與設計學院，西安 710054）

0 引言

自動化裝配理念最早形成于美國。20世紀初期，汽車業巨頭福特公司最先建立了一條汽車裝配生產線，將裝配工序細分，促進了生產的規模化，使得裝配時間減少了90%[1]。據統計，我國中小型企業在裝配線上投入的螺釘鎖付人數占總裝配人數比例的25%[2]，占用了大量用人成本且效率不高，同時隨著用人成本的上升導致企業的利潤下滑嚴重[3]。基于這種情況，各種半自動、自動鎖螺釘設備應運而生。且隨著國外先進技術的不斷流進及國內各企業的不斷學習創新，目前深圳、東莞、上海的一些廠家如上海野象、深圳馳速、深圳托威斯等自動化裝配廠商生產的手持式鎖螺絲設備和半自動鎖螺絲設備的技術都發展的較為成熟[4-5]。相對于傳統純人工作業的方式，自動化設備的加入可使螺釘鎖付效率大幅提升[6]。

目前，主流的鎖螺絲設備可分為半自動與全自動兩種[7]。半自動鎖螺絲設備指手持式鎖螺絲機，該設備可在高壓空氣的作用下將篩料裝置篩選出的螺釘通過氣管運送至電批頭處，工人將電批頭對準待鎖附孔位后，按下電批上的鎖附按鈕即可完成螺釘鎖附[8]。全自動式鎖螺絲機通常分為單軸式鎖螺絲機與多軸式鎖螺絲機，在鎖附環節中不需要人工介入，兩者原理基本一致，不同點在于多軸式鎖螺絲設備可同時鎖附多個孔位。其螺釘上料也分為兩種。第一種為吹氣式，即上述提到的利用高壓空氣將排序好的螺釘吹至電批頭處，該種方式上料速度快，但需螺釘的長徑比大于1.3，否則螺釘會在氣管中發生翻轉[9]。第二種為移動取釘式，電批在機械手的作用下往返于螺釘出料口與鎖付工位之間，該種方式相對于吹氣式效率較低，優點是可兼容各種規格的螺釘，無長徑比限制[10]。

針對目標企業的需求，本文主要根據目標企業的加工現狀和自動化需求，對所加工工件特征、螺釘特征等進行分析，向企業提供一套合理且高效的止動環加工與螺釘裝配方案，并結合市場上現有的相關技術完成自動化設備的開發，提高企業生產該工件的效率。

1 總體設計

1.1 工件及螺釘規格

止動環（卡箍，定位器）又叫限位環、止動圈、制動圈等，用于油井抽油管道之上。可安裝在套管的任何位置，用來限制扶正器或水泥傘在內套管上的軸向滑動，以保證扶正器或水泥傘在設計位置上。工件具體的參數如圖1所示。

圖1 止動環規格參數

內六角緊定螺釘（緊定螺釘）又稱為支頭螺絲、定位螺絲。是一種專供固定機件相對位置用的螺釘。企業目前使用的緊定螺釘有3種規格，具體參數如圖2所示。

圖2 螺釘規格參數

該止動環的生產過程按其工藝可分為沖裁、卷圓、焊接、噴塑、絲孔剔透與螺釘鎖附。工件在噴塑完成后，其絲孔之中不可避免的會附著塑粉，從而影響到后續的螺釘鎖附工藝，故噴塑完成后工人需操作手動攻絲機利用絲錐與絲孔內螺紋的嚙合將絲孔內的塑粉刮出。

1.2 總體布局方案及各工藝模塊結構

結合工件特點、螺釘特點、鎖螺絲相關自動化設備技術現狀，提出了一種結合絲孔剔透與螺釘鎖付工藝一體化設備的技術方案。如圖3所示，整機在結構設計方面可大致概括為4大模塊，分別是螺釘供料模塊、鎖絲模塊與透絲模塊、定位模塊、分度與固定模塊。

圖3 設備整體布局方案

（1）螺釘供料模塊

采用振動盤篩料、直線振動送料器輔助送料的方式作為該設備中螺釘供料模塊的執行機構，如圖4所示。振動盤可將料斗中大量放置的無規則的螺釘進行重新排序從而實現螺釘供料姿態的一致性[11]，雖然振動盤對工件也有輸送作用，但當工件離開振動盤出料口后其振力會隨著距離越來越弱，無法將螺釘有效輸送到加工位，因此需要額外的設備提供合適的推力，直線振動送料器便可提供穩定推力，故常與振動盤配合，用作輔助送料機構[12]。

圖4 螺釘供料模塊結構

（2）鎖絲模塊與絲孔剔透模塊

通過對鎖螺絲設備結構的調研，確定使用十字坐標的機器人作為螺釘鎖付模塊的執行機構。二軸分別由水平方向的X軸與豎直方向的Z軸組成，均為伺服電機驅動的滾珠絲桿直線模組。Z軸上固定一伺服電批與氣缸，氣缸用作電批在Z軸方向鎖附過程中小范圍移動的驅動機構。伺服電批主要在螺釘鎖附過程中提供恒定扭矩，可通過其控制器進行實時扭矩調整，用于螺釘鎖付。

將目前企業用人工操作手動攻絲機的整個過程進行分解，發現其運動方式與螺釘鎖付模塊的Z軸運動形式完全一致，因此可將鎖絲模塊的Z軸機械手用作絲孔剔透模塊的執行機構，不同點在于電批頭需更換為絲錐頭。鎖絲與透絲模組示意圖如圖5～6所示。

圖5 螺釘鎖附模塊結構

圖6 絲孔剔透模塊結構

（3）定位模塊

本設備采用反射式光纖傳感器定位工件孔位邊緣位置，在已知工件外徑及螺孔尺寸的情況下，通過在PLC中進行數據處理即可得到被檢測孔位圓心處坐標與水平方向的夾角，從而控制分度盤帶動工件將被檢測到孔位分度至水平方向的加工位。

（4）分度與固定模塊

由于工件上的螺孔呈周向分布，因此需要選擇合適的分度機構。此處選擇數控分度盤做為分度裝置的執行機構，通過伺服電機進行驅動，可在保證極高的周向分度精度的同時也可在周向任意角度啟停。

氣動三爪卡盤，一種常用于機床上的固定裝置，可通過分布在卡盤上的3個卡爪的徑向移動外撐或加緊工件。將其安裝于數控分度盤之上，可提供徑向的夾持力，可用作工件的固定。由于工件已經過噴塑處理，如直接裝夾，卡爪可能會破壞工件表面，所以需根據每個規格工件的外形尺寸定制與其匹配的工裝夾具，使工件與卡盤三爪的線接觸狀態變為面接觸，以保護工件外觀的完整性。該模塊具體結構如圖7所示。

圖7 分度模塊結構

2 機械機構設計

2.1 分度模塊選型設計

該設備中分度模塊需選型設備為三爪氣動卡盤與數控分度盤。氣動三爪卡盤主要提供徑向的力來固定工件，使工件不與卡盤發生相對位移。通過調研與篩選，采用常州比優特提供的三爪中實氣動卡盤，其具體性能參數如表1所示。

表1 BK200SG三爪氣動卡盤性能參數

由于螺紋配合對位置精度有較高要求，因此分度盤選型主要以分割精度與重復定位精度為準。最終選用臺灣譚佳的數控分度盤AR-210L，其主要參數如表2所示。

表2 AR-210L數控分度盤性能參數

2.2 絲孔剔透與螺釘鎖附模塊選型設計

絲孔剔透與螺釘鎖附模塊均使用伺服電機驅動滾珠絲桿直線模組，以保證位置精度。滾珠絲桿的選型主要是在絲桿運動過程中對其受到的沖擊與載荷進行計算[13]，伺服電機的選型主要通過總負載慣量與總加速轉矩一同確定。由于計算過程涉及公式較多，受篇幅所限，故只出示主要公式和滾珠絲桿與伺服電機選型計算流程，如圖8～9所示。

圖8 滾珠絲桿選型計算流程

圖9 伺服電機選型計算流程

2.2.1 滾珠絲桿選型

（1）軸向平均負載PM計算：

（2）平均轉速NM計算：

（3）基本動載荷C計算:

式中：P1、P2與P3分別為加速、勻速以及減速過程中的軸向負載；N1、N2與N3分別為加速、勻速以及減速過程中的平均轉速；T1、T2、T3分別為加速、勻速以及減速過程所需時間；H為預計壽命；FW為負荷系數。

通過將原始參數代入計算即可達到絲桿的基本動載荷，參考上銀滾珠絲桿選型手冊選出適合的絲桿型號，此處不再贅述。

2.2.2 伺服電機選型

（1）工作臺及負載質量折算到電機轉動慣量:

（2）絲桿轉動慣量:

（3）實效扭矩：

式中：M為工作臺及負載質量；PB為絲桿導程；MB為絲桿質量；DB為絲桿外徑；Ta、Tb、Tc分別為加速、勻速、減速過程中的實效扭矩；t1、t2、t3分別為加速、勻速以及減速過程所需時間。

伺服電機選型條件:（1）連續工作扭矩小于伺服電機額定扭矩；（2）瞬時最大扭矩小于伺服電機最大扭矩；（3）負載慣量小于電機轉子慣量的3倍；（4）連續工作速度小于電機額定轉速[14]。參考安川伺服電機選型手冊，最終選出適合型號的伺服電機，結果不再贅述。

2.3 螺釘供料模塊設計

螺釘上料模塊主要由振動盤與直線振動送料器組成。振動盤屬于定制設備，需根據所篩選工件種類與規格專門定制，因此將其委托給第三方企業代工。現對其提出如下技術要求：（1）出料速率穩定，平均每分鐘輸送螺釘不應少于40個；（2）振動負載自適應調節，無須額外配置傳感器和補料系統，設備自行調節，振動速度保持恒定；（3）簡易啟動，無需額外按鈕，可接入PLC中一鍵控制。

直線振動送料器技術要求：輸送性能穩定；噪聲較小；可接入PLC中控制。

3 控制系統設計

整個系統中硬件控制部分主要實現數字信號的輸入輸出、數據的處理與存儲、伺服電機的運動控制以及整個設備的監控顯示等，由PLC、運動控制卡、檢測傳感器、伺服電機及其驅動器、觸摸屏、電磁閥等組成。其中以PLC作為其主要控制設備，四軸運動控制卡輔助控制，PLC與運動卡之間可通過I/O接口進行數字量信號的傳遞。整個系統的電氣控制邏輯如圖10所示。

圖10 電氣控制邏輯

3.1 絲孔定位方法

本系統采用反射式激光傳感器定位，具有高精度、響應快的特點。傳感器需安裝于電批與絲錐軸線連線形成夾角的角平分線處，水平方向與豎直方向的夾角均為45°，如圖11所示。傳感器發射的射線在工件外壁所形成的光點需位于工件寬度方向的中心位置，即與螺孔圓心所在平面重合。其具體的定位方式如下所述。

圖11 傳感器安裝位置示意圖

（1）在觸摸屏輸入工件的外徑尺寸與周向分布孔位個數。

（2）將工件裝夾于夾具之上，傳感器所發射光線照射于工件外壁形成直徑1 mm光斑，設置此時傳感器狀態為常開。

（3）啟動按鈕，分度盤帶動工件開始低速旋轉，當光斑從工件外壁照射到螺孔邊緣時，傳感器感光值發生急變，并向PLC發送上升沿信號，螺孔邊沿位置確定。

（4）所有規格工件螺孔大小均為1/2 inch即12.7 mm。此時在工件正視圖中（圖12），連接螺孔的上下兩個邊緣，該連線可被認作工件外徑所在圓的一條弦，從弦的中點B連接圓心，再從螺孔下邊緣點A處連接圓心，可得到直角三角形ABC。已知AC長為圓的半徑，BC為弦長的一半，AC的值通過觸摸屏輸入得知，BC的值為螺孔直徑的一半，即6.35 mm，故可通過ARCSIN反三角函數求出∠A的度數，∠A為螺孔邊緣與螺孔中心位置的夾角。∠A加上45°即為螺孔圓心與水平方向的夾角，記為∠D；分度盤再旋轉∠D個度數即可使第一個螺孔對準水平方向的絲孔剔透工位，進入待加工環節。

圖12 工件正視圖

3.2 I/O表及透絲工藝流程

圖13所示為絲孔剔透工藝流程。操作人員在準備開始加工某一規格的工件時，需通過工業觸摸屏提前輸入該工件的相關規格參數。工人將工件裝夾在工裝夾具上后，按下氣動卡盤的控制按鈕，卡盤會將工件固定于其上，待操作人員確認裝夾完成后，再按下一鍵啟動按鈕，便可自動完成絲孔剔透與螺釘鎖附工藝。如表3所示。

表3 PLC I/O點數分配

圖13 絲孔剔透工藝流程

3.3 部分梯形圖程序及人機交互界面展示

整個控制系統主要為伺服電機的運動控制、定位數據處理以及數字量控制，此處主要展示定位數據處理部分的梯形圖。整個控制系統通過臺達PLC專用編程軟件WPLSOFT完成編寫，搭配RS-232Mini-Din連接器，可實現梯形圖程序在PC與PLC之間的上載與下載。同時，還可使用軟件中的實時監控功能監測PLC的運行情況。數據處理涉及梯形圖如圖14所示。

圖14 定位數據處理程序段

此處梯形圖程序定位數據處理程序區段，主要為加減乘除以及反三角函數的運算過程。要注意的是，PLC中反三角函數的運算不可直接通過整數相除求得，需將整數轉換為二進制浮點數寫入操作數后，程序方可正常運行。

整個系統通過臺達觸摸屏作為人機交互設備，操作人員可通過觸摸屏進行參數的寫入與讀取，同時可監控設備中各個執行機構的運行情況。觸摸屏部分人機交互界面設計如圖15所示。

圖15 觸摸屏部分人機交互界面

4 實施情況與結果分析

設備整機已在工廠進行組裝，目前尚處在控制程序調試環節，已對其分度模塊、螺釘供料模塊及螺釘鎖附模塊進行單獨調試，其分度的精度、螺釘供料速度以及螺釘鎖附的速度和準確率均達到設計要求。根據計算，該設備完成一個6孔工件的絲孔剔透與螺釘鎖附工藝預計需要時間35 s左右，單人可同時操作3臺設備，單臺設備的效率相當于2～3名人工。

5 結束語

本文從企業實際需求出發，針對止動環加工過程中絲孔剔透與螺釘裝配效率低、速度慢的情況，提出了一套自動化加工與螺釘裝配的設備方案以及具體的實施步驟，以期減少企業人工數量的投入同時提升其生產效率。在機械機構方面，該設備以單軸機器人與十字坐標的二軸機器人分別作為絲孔剔透與螺釘鎖付工藝的執行元件，通過機器人末端的伺服電批進行實時扭矩反饋，針對歪鎖、滑牙等現象可報警，以數控分度盤作為分度機構，實現周向孔位的精準分度，以振動盤與直線振動送料器進行螺釘送料。在電氣控制方面，該設備以PLC作為主要控制單元，運動控制卡進行輔助控制，采用觸摸屏實現人機交互，提出了以反射式激光傳感器配合相應算法實現了周向分布螺孔的定位，最終完成了整個自動化設備的開發，提高了目標企業止動環工件的生產效率。