萬海波

（浙江水利水電學院機械與汽車工程學院，杭州 310018）

一種基于恒磁鐵的柔性化自動裝配機構的研制*

萬海波

（浙江水利水電學院機械與汽車工程學院，杭州 310018）

自動化裝配技術在制造業(yè)中的比重日益增大。文章在分析發(fā)展趨勢的基礎上，使用三維設計軟件設計了一種基于恒磁鐵的柔性化自動裝配機構，該裝配機構由基于同軸支撐的自動對中機構和基于恒磁鐵的自動裝配機構兩部分組成。在三維設計的基礎上，對驅動機構進行了選型，對零部件進行了加工，并完成了組裝。組裝后將該機構植入裝配機器人中進行了測試，測試結果表明該機構能完成多類型和多尺寸的零部件裝配，柔性化和自動化程度較高。

恒磁鐵；自動裝配機構；柔性化

0 引言

裝配是制造業(yè)中非常重要的環(huán)節(jié)，自動化裝配隨著機器人技術的發(fā)展成為了國內(nèi)外的研究熱點。自動化裝配成為了機器人應用的重要領域［1］。裝配過程復雜，且有精度要求，這些都給自動化裝配帶來了一定的難度，因此精確定位、自動與柔性裝配是自動裝配系統(tǒng)的關鍵技術［2-3］，特別是在汽車、飛機、船舶行業(yè)中提升裝配的自動化程度已經(jīng)變得尤為迫切了［4］。

目前北京航空航天大學的苗新剛等開發(fā)了基于激光掃描儀技術的復雜結構件自動裝配系統(tǒng)［4］。山東科技大學的葛旋利用機器視覺技術，采用圖像處理的方法，建立了一種零件螺紋自動識別和螺栓裝配的系統(tǒng)［5］。北京理工大學的張靜等提出了標準件批量實例化裝配方法，實現(xiàn)了同種規(guī)格的標準件的成批的自動裝配［6］。青島科技大學的史俊友提出了面向定制產(chǎn)品的零件族建模和自動裝配技術［7］。浙江大學的楊玲玲提出了一種全新的模型自動裝配策略，設計了一種具有通用性和完整性的產(chǎn)品自動裝配機構模型［8］。

文獻［4-5］中的裝配系統(tǒng)和方法采用了激光和圖像技術進行定位裝配，這對裝配平面的環(huán)境要求相對比較高。文獻［6-7］中研制的系統(tǒng)用于標準件和定制產(chǎn)品的裝配，但自動和柔性化方面略顯不足。文獻［8］中提出了一種方法建立了機構模型，更側重于裝配的整體規(guī)劃。本文對自動化裝配機構的特點和功能進行分析的基礎上，通過三維設計軟件對自動化裝配的自動對中機構進行設計，設計一套基于雙滑輪的自動對中機構，為達到多尺寸裝配的要求設計基于恒磁鐵的自動裝配機構，進一步對以上兩種機構進行了整合，實現(xiàn)并試制基于恒磁鐵的自動裝配機構，并完成對其功能的測試。

1 自動裝配機構的特點及功能分析

自動裝配機構需要完成裝配目標尋找和自動裝配兩個基本步驟。尋找裝配目標，將裝配件與裝配目標進行精確對中，通過裝配執(zhí)行機構自動將裝配件裝配入裝配目標中，這是機械裝配中最為基礎的裝配動作。

而螺紋連接是機械體中最為常見卻也是裝配難度較高的一種連接方式。它在裝配作業(yè)中占有相當大的比重。螺紋裝配的好壞直接影響到零件的穩(wěn)定性和整體的質(zhì)量。傳統(tǒng)的手工裝配，對于繁多的零件裝配起來效率低下，需要人工一一識別螺紋孔位置手工裝配。為此本文設計基于雙滑輪的自動對中機構，讓裝配機構能夠在短時間內(nèi)快速且精準的找到裝配的基準位置。

目前螺母裝配通常是通過電動螺絲套筒進行，人需要手持電動螺絲套筒進行操作，生產(chǎn)效率較低，且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。機器自動擰合又容易出現(xiàn)因力矩過大而破壞螺母、螺栓或螺柱的螺紋，甚至出現(xiàn)完成螺母裝配動作后無法脫離的現(xiàn)象，這些都影響了產(chǎn)品裝配的可靠性?，F(xiàn)階段的自動螺紋裝配機構雖然在生產(chǎn)效率上相比人工裝配大幅度提高，但大多只能完成點對點的同一尺寸零件的螺紋裝配（完成多尺寸必須更換螺絲套筒），生產(chǎn)柔性化低，不能滿足多類零件的批量生產(chǎn)的需求。為解決以上問題，本文設計一種基于恒磁鐵的自適應裝配機構，在保證裝配效率的同時，根據(jù)控制恒磁模塊附著力大小來控制擰合力矩的大小，并通過磁力開關控制螺母與擰合機構的吸附從而提高擰合效率。

2 自動對中機構的設計與實現(xiàn)

裝配過程中，裝配目標的尋找和精確對位是裝配的一大難點，特別是螺母與螺柱的連接。螺柱的螺紋很難通過圖像或者激光識別其中心位置，而且稍有偏差就很難擰合到位，甚至擰合不當會造成螺紋損壞。為解決以上難點，本文設計了雙滑輪同軸機構用于螺母和螺柱的自動對中，把整個對中過程分為兩步，第一步為裝配位置對中，裝配位置初次對中后，不要求裝配執(zhí)行機構與裝配位置完全對正。通過第二步位置精調(diào)來精確對正裝配機構和裝配目標。第一步基本都可以通過路徑復制的形式完成，第二步精調(diào)本文為此設計了雙滑輪同軸微調(diào)機構。具體設計如圖1所示。

圖1 自動對中機構的設計圖

該對中機構包括支撐座，支撐座上通過豎向滑軌連接上下支撐板，上支撐板位于下支撐板正上方（兩支撐板閉合時與上方擰合機構同軸），上下支撐板開啟閉合由電機帶動齒條工作。當電機順時鐘轉動時，上支撐板的左板和右板分開，當電機逆時鐘工作時左右板閉合。下支撐板工作方式與上支撐板相同。

裝配對位時，通過下支撐板的閉合將整個裝配機構與螺柱精確對中，然后將裝配件螺母輸送入下支撐板，送入后開啟電機使上支撐板閉合，由于上下板同軸，閉合過程中即將螺母與下方螺柱精確對中。通過上述步驟實現(xiàn)螺母和螺柱的精確對中。

上述機構中的上下支撐板采用4mm鋼板通過折彎機折成90°，分為左板和右板。左右板中間各截去一直角等腰三角，并將左右板閉合接觸邊套以膠條，防止閉合過程中損壞螺柱螺紋。采用24V低轉速直流電機驅動齒條控制上下板的開啟閉合，這種組合可以有效的控制位置微調(diào)時的沖擊以做到精確對中。

3 自動擰合機構的設計與實現(xiàn)

3.1 自動擰合機構設計的目標和原理

當螺母和螺柱實現(xiàn)了精確對中后，下一步就是將螺母和螺柱進行擰合。這個步驟對于手動擰合來說非常簡單，但是需要通過機器自動實現(xiàn)時很多問題就突顯出來。首先螺紋有非常多不同的尺寸，如果通過更換螺母套筒的形式來實現(xiàn)不同尺寸螺紋的裝配時，裝配機構就需要加裝一個裝配工具庫和類似數(shù)控機床的換刀機構，這無疑增加了裝配機構的尺寸和重量，讓裝配變得復雜。其次螺紋連接是一個相對較為脆弱的連接，一旦擰合不規(guī)范或者擰合力矩過大就會直接造成螺紋的損壞。螺紋損壞是一個不可逆的過程。一旦螺紋損壞整個裝配過程就失敗了，還可能造成災難性的后果。為突破以上難點，讓螺紋裝配更加自動化、柔性化，本文設計了基于恒磁鐵的自動擰合機構。如圖2、圖3所示。

圖2 螺母旋轉頭工作示意圖

圖3 螺母旋轉頭與螺母分離示意圖

螺母旋轉頭利用恒磁鐵磁力矩傳遞的原理，利用磁性吸附螺母。螺母旋轉頭具有恒磁鐵水平布置吸附螺母以及恒磁鐵豎直布置不吸附螺母兩個狀態(tài)。螺母旋轉頭包括位于外部的鑄鐵，鑄鐵內(nèi)設置有電工軟鐵，電工軟鐵呈環(huán)形，電工軟鐵內(nèi)設置有可轉動的恒磁鐵，電工軟鐵的內(nèi)壁與恒磁鐵的NS極方向的外壁貼合，電工軟鐵的上端和下端分別穿設有黃銅部，上端的黃銅部的外端延伸至與鑄鐵的上端面平齊，下端的黃銅部的外端延伸至與鑄鐵的下端面平齊，螺母貼在鑄鐵和下端的黃銅部的下方；當恒磁鐵水平布置時，磁力線由N極出發(fā)，通過一側導磁的電工軟鐵、鑄鐵，再沿螺母、另一側導磁的鑄鐵、電工軟鐵回到S極，形成磁力線的包圍圈以吸附螺母，當恒磁鐵豎直布置時，磁力線由非導磁的黃銅部阻擋，磁力線不吸附螺母。

磁性螺母旋轉頭可以吸附不同尺寸的螺母，同時能較為方便的通過控制吸附磁性力的通斷控制擰合裝置與螺母以及其他裝配件的結合與分離，此外由于可以選用不同的磁鐵來控制擰合力矩，以防止擰合力矩過大而造成螺紋損傷。

3.2 自動裝配機構設計的實現(xiàn)

螺母旋轉頭由電機帶動升降，由另一電機進行驅動（如圖4）。螺母旋轉頭利用恒磁鐵磁力矩傳遞的原理，利用磁性吸附螺母。螺母旋轉頭具有恒磁磁鐵水平布置吸附螺母以及恒磁鐵豎直布置不吸附螺母兩個狀態(tài)。當螺母旋轉頭與螺母接觸時，螺母旋轉頭吸附螺母。第二電機啟動帶動螺母旋轉頭及螺母轉動，螺栓不動（由平臺固定），因此螺母在螺栓上轉動下降，實現(xiàn)螺母和螺栓的擰緊。當螺母和螺栓擰緊后，由于螺母旋轉頭和螺母之間是磁性吸附，當螺母旋緊后超過一定力矩會使得螺母旋轉頭打滑脫開，能做到擰螺母的力矩的高度的一致性。輕松實現(xiàn)了批量旋轉螺母，裝配效率高。保證了擰螺母力矩的高度一致性，螺母旋轉頭可以適合多種尺寸的螺母，利用恒磁鐵磁力矩原理吸緊螺母并且旋轉螺母，一旦螺母被擰緊超過磁性吸附力，螺母就自行脫開，以防止因力矩過大而破壞螺母螺柱的螺紋。

圖4 自動裝配機構設計圖

圖5 基于恒磁磁鐵的自動裝配機構的設計圖

4 機構的整體實現(xiàn)與測試

在以上機構分布設計的基礎上，采用了PRO-E進行局部的優(yōu)化，并進行了組裝（如圖4）。整個機構由四個電機控制，支撐板和裝配機構總成上下運動通過三個電機驅動齒條上的齒輪來實現(xiàn)，擰合機構由另一個電機驅動。為便于測試其功能的有效性和便捷性，設計了一個小型裝配機器人［10-11］，將機構植入該裝配機器人上來進行測試（如圖6、圖7）。該裝配機器人可以從前機械手中獲取裝配零件，如軸承、墊片、螺絲等，通過傳送帶將零部件傳送至裝配位，對中機構的精確對準裝配位后，將零部件準確送入裝配位，通過裝配機構進行裝配。

測試該機構時，控制該裝配機器人分別對6310、6308和6306滾動軸承進行裝配。裝配完軸承后再裝配對應的GB/T97.1-2002標準的36、30和20墊圈最后裝配GB/T6170-2000標準的M30、M24、M16螺母，通過調(diào)校，順利高效地完成了三組裝配工作。測試結果表明該機構的設計合理，且達到了本文提出的自動化、柔性化目標。

圖6 小型裝配機器人設計圖

圖7 小型裝配機器人裝配圖

5 結束語

本文設計一整套基于恒磁鐵的自動化裝配機構，并對整個機構進行了加工和組裝。并設計了一個測試該機構的機器人對其進行了測試。通過測試表明分析結果表明：該自動化裝配機構能裝配不同類型、不同尺寸的零部件，滿足了裝配機構柔性化的要求；該機構能高效地實現(xiàn)精準對位和裝配，裝配過程自動化程度較高且能夠避免裝配過程中造成的不必要損壞。

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Development of A Flexible Automatic Assembly System Based on Permanent Magnet

WAN Hai-bo
（Department of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，Hangzhou 310018，China）

Automatic assembly system is more important in the Manufacturing Industry.After analyses of developmental trend，this paper designed a flexible automatic assembly system based on permanent magnet. This system is constituted by two part，a mechanism for automatic alignment and a other mechanism for automatic assembly.After that，a flexible automatic assembly system is developed.Test and analysis of the system show that the automatic assembly system not only Flexible but also Automatic.

permanent magnet；automatic assembly system；flexible

TH122；TG659

A

1001-2265（2015）04-0139-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.037

2014-12-05；

2015-01-21

國家自然科學基金（11172260）；2013年度高校訪問工程師項目（FW2013002）；浙江水利科技計劃項目（RC1314）

萬海波（1981—），男，長沙人，浙江水利水電學院講師，碩士，研究方向為機械振動與設計，（E-mail）wanhaibo6@sina.com。