鋼絲螺套自動安裝系統設計及應用

趙 富， 張 鵬， 楊羲昊， 王小海， 劉文忠

（內蒙古第一機械集團股份有限公司 特種車輛及其傳動系統智能制造國家重點實驗室， 內蒙古 包頭 014030）

0 引言

隨著我國航空航天、機械制造等領域的快速發展，機械聯接的可拆裝性和安全性要求也在不斷提高[1]。由于加工或裝配的誤差，傳統的螺紋聯接螺紋受力不均，使得螺紋聯接的強度降低。特別是目前大量使用的鋁合金、銅合金等材料，其螺紋的抗剪切能力較弱，傳統螺紋連接的強度和疲勞壽命將極大的減小[2-3]。 鋼絲螺套連接是一種低成本且可以有效增強螺紋聯接強度以及提高使用壽命的方法[4]，手工安裝鋼絲螺套制約著安裝質量一致性和效率提升，有必要開展鋼絲螺套自動安裝系統設計，提高鋼絲螺套安裝質量一致性及安裝效率。

1 需求分析

鋼絲螺套自動安裝系統需要完成箱體和軸承座兩種零件，M8×1×12、M10×1×12、M10×1×20、M12×1.5×14 共4種鋼絲螺套的自動安裝，零件及鋼絲螺套參數如表1 所示。

表1 零件及鋼絲螺套基本情況

通過上表可知，箱體需要在4 個面上安裝鋼絲螺套，而軸承座需要在2 個面上安裝鋼絲螺套， 綜合考慮裝夾定位及布局優化等因素， 每個零件均需翻轉1 次完成所有鋼絲螺套安裝，箱體零件需要完成3 種規格43 個鋼絲螺套安裝，軸承座需要完成2 種規格20 個鋼絲螺套。 為了實現鋼絲螺套安裝質量追溯，需要對扭矩、深度等工藝參數進行采集及存儲， 并對壓裝完鋼絲螺套的效果進行拍照存儲。

2 方案設計

2.1 夾具及上料系統設計

結合箱體和軸承座特征，確定了裝夾方式，并設計了定位夾具，用于保證箱體和軸承座定位，并方便人工上下料及裝夾， 保證了每個零件翻轉1 次即可完成所有鋼絲螺套的安裝。

為了滿足M8×1 ×12、M10 ×1 ×20、M10 ×1 ×12、M12 ×1.5×14 四種鋼絲螺套上料需求， 開展了上料系統設計，包括4 個上料機構，排布在鋼絲螺套自動安裝系統外側，如圖6 所示，每個上料機構將鋼絲螺套直列排序后送出， 便于安裝機器人取料，所有振動盤上方都帶有蓋板，加料時人工打開振動盤蓋板，將正確型號的鋼絲螺套放入；并通過提前編制好取料程序， 按照安裝鋼絲螺套的順序將鋼絲螺套從上料機構抓取進行安裝。 相關參數如表2 所示。

圖1 工裝夾具裝夾零件后的狀態圖

表2 上料系統主要參數表

如圖2 所示， 上料機構由鋼絲螺套震動盒、 上料氣缸、分切機構、水平切料機構、直線震動送料機構等組成，將對應規格的鋼絲螺套批量的放入震動盒內， 當上料機構啟動后，通過震動實現篩選、排列、上料輸出等，將鋼絲螺套運送至上料口，等待機器人抓取。

圖2 上料機構及出料示意圖

2.2 鋼絲螺套抓取機構設計

為了提高擰緊槍和機器人的利用率，對鋼絲螺套抓取機構進行了設計，并通過工裝快換庫實現了每種鋼絲螺套抓取機構快速更換，提高安裝效率。 將鋼絲螺套抓取機構分為兩個部分：驅動組件和抓取組件，驅動組件固定在機器人第六軸末端，與擰緊軸安裝在一起；而抓取組件放置在工裝快換庫中，根據需要擰緊的鋼絲螺套規格來選配，驅動組件和抓取組件之間通過磁鐵實現快速連接，動力通過快插方式傳遞，如圖3 所示。

圖3 放置在機器人末端的快換機構示意圖

工裝快換庫可以同時存放4 種抓取組件，按照既定的順序放置， 實現了位置防錯，并設置在位檢測傳感器，保證抓取組件未抓取成功或者是上一個抓取組件未脫落時進行自動報警提示，進而確保整個抓取組件更換過程的正確性，進而提高自動安裝系統的可靠性。 在工裝快換庫的每個存儲位置設計了批頭鎖緊機構，當裝配需要更換抓取組件時，機器人首先要將已經磁鐵吸合在擰緊軸上的抓取組件放置在工裝快換庫對應位置，脫卸后再去吸合需要的抓取組件，進而完成整個驅動組件快速更換，如圖4 所示。

圖4 工裝快換庫

2.3 系統組成及布局

該系統由機器人系統、影像系統、供料系統、擰緊系統、抓取組件快換系統、夾持工裝、電氣系統、軟件系統等組成，外形尺寸2000×2500×2800 mm，在安全防護方面進行了可靠設計，所有門和開口處使用安全光柵，只要光柵被觸發，設備自動停機，提高設備本質安全度，設備整體布局如圖5 所示。

圖5 鋼絲螺套集成驗證系統布局示意圖

6 軸機器人承擔鋼絲螺套的自動拾取與安裝，具備結構緊湊、靈活性高、體積小巧、高速度、高精度等特征，并可適用于狹窄空間，可保證識別、安裝效率最大化；機器人末端安裝的擰緊槍負責鋼絲螺套的準確擰入， 視覺識別模塊負責零件螺紋孔與鋼絲螺套的識別與判定；4 個上料機構 （4 種規格）負責不同規格鋼絲螺套的篩選和送料，工裝快換機庫放置4 種規格的鋼絲螺套拾取裝置， 人機交互界面可以通過交互界面控制鋼絲螺套整個安裝過程， 并對安裝過程工藝參數進行實時監控。工作時，機器人帶動視覺識別模塊拍照并確定裝配位置、螺紋孔位置等，再由擰緊裝置完成零件所有規格鋼絲螺套的裝配。

3 實施效果

鋼絲螺套自動安裝系統實現了2 種典型關鍵零件、4種鋼絲螺套的自動識別、自動防錯、精準安裝、扭矩控制、數據監測，達到了單個鋼絲螺套自動化安裝節拍（含拾取鋼絲螺套、視覺判斷、安裝、檢測等）37s/個，一次裝配合格率＞99%，擰緊裝置對鋼絲螺套擰入螺紋孔的扭矩、擰入深度能夠實時感（深度誤差≤±0.5mm）的技術指標，大幅提高了鋼絲螺套安裝質量的一致性及可靠性。

4 結論

本文開展了鋼絲螺套自動安裝工程化方案設計，并通過箱體、軸承座零件鋼絲螺套安裝進行了驗證，通過實踐證明，鋼絲螺套自動安裝系統實現了鋼絲螺套的自動、精準安裝，并對扭矩、深度等工藝參數進行了實時監測并存儲，并對安裝效果圖進行了存儲，為基于大數據的鋼絲螺套安裝工藝參數優化提供了數據基礎， 并為質量追溯提供了有效方法， 技術思路及實踐經驗可以在自動化裝配中進行推廣，特別是多品種、變批量的離散制造行業具有較大的借鑒意義。