黃海濱，姜 贊

(廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)、電子、通訊等產(chǎn)業(yè)加速進(jìn)行自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，而螺紋連接作為廣泛應(yīng)用的零部件裝配工藝，成為影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素之一。國(guó)內(nèi)很多高校和研究機(jī)構(gòu)在螺栓擰緊的控制策略、軌跡優(yōu)化等方面開(kāi)展了卓有成效的研究[1-2]。王德會(huì)等[3]針對(duì)目前螺絲鎖付機(jī)器人作業(yè)提出基于視覺(jué)定位的偏差補(bǔ)償算法,對(duì)螺絲鎖付路徑進(jìn)行優(yōu)化;王月芹等[4]設(shè)計(jì)了表電壓接線端子自動(dòng)鎖螺絲設(shè)備；賈廣田[5]采用遺傳算法對(duì)自動(dòng)螺絲機(jī)鎖付路徑進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)系統(tǒng)的相關(guān)功能軟件?；趯?duì)擰緊理論的深入研究，國(guó)外也開(kāi)發(fā)出了具有高可靠性和高度自動(dòng)化集成水平的電動(dòng)擰緊工具并廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)的自動(dòng)化裝配領(lǐng)域。比較著名的自動(dòng)化擰緊設(shè)備制造商有：英格索蘭、庫(kù)伯、阿特拉斯·科普柯、愛(ài)斯迪克、博世等。在美國(guó)，扭矩-轉(zhuǎn)角控制方法被大量應(yīng)用于汽車(chē)螺栓的自動(dòng)化鎖付生產(chǎn)中[6-7]。綜上可見(jiàn)，研究者主要關(guān)注螺絲擰緊的路徑優(yōu)化算法、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但對(duì)于小長(zhǎng)徑比螺絲擰緊過(guò)程的控制算法和質(zhì)量評(píng)定方法涉及較少，且目前國(guó)內(nèi)諸多廠家應(yīng)用的自動(dòng)螺絲擰緊設(shè)備，雖然采用了電動(dòng)螺絲刀代替人工，但是其對(duì)擰緊預(yù)緊力的控制仍為機(jī)械式調(diào)整方法，無(wú)法快速適應(yīng)螺絲換型需求，也難以判斷螺絲擰緊質(zhì)量。因此，本文針對(duì)小長(zhǎng)徑比螺絲(螺絲長(zhǎng)度L與直徑D比值小于1.3)的規(guī)格特征和擰緊特點(diǎn)進(jìn)行螺絲自動(dòng)擰緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出一種電批扭矩-轉(zhuǎn)角擰緊質(zhì)量判定策略，結(jié)合擰緊過(guò)程中電批的擰緊扭矩和瞬時(shí)轉(zhuǎn)角綜合判斷螺絲擰緊質(zhì)量，為螺絲擰緊質(zhì)量的準(zhǔn)確判定提供理論依據(jù)。

1 螺絲自動(dòng)擰緊系統(tǒng)的搭建

本文在前期研究[8-9]基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了螺絲擰緊系統(tǒng)，采用多軸可調(diào)間距電批布局和自動(dòng)擰緊電批方案，該系統(tǒng)包括電氣控制柜、龍門(mén)式4軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、自動(dòng)螺絲擰緊機(jī)構(gòu)、電視背板夾具等，其中待擰緊的電視機(jī)背板工件放置在夾具上。

1-龍門(mén)式4軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)； 2-自動(dòng)螺絲擰緊機(jī)構(gòu)；3-電視背板夾具； 4-電氣控制柜

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)自動(dòng)螺絲擰緊機(jī)相比具備以下優(yōu)點(diǎn)：(1)移動(dòng)龍門(mén)上并排安裝有多套自動(dòng)螺絲擰緊機(jī)構(gòu)，1個(gè)擰緊周期即可實(shí)現(xiàn)3～4顆螺絲擰緊工作，擰緊效率提高；(2)自動(dòng)螺絲擰緊機(jī)構(gòu)的間距可通過(guò)絲桿螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)背板換型帶來(lái)的螺絲孔位間距變化；(3)采用伺服電機(jī)和扭矩傳感器的自動(dòng)螺絲擰緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)扭矩、轉(zhuǎn)角雙反饋，在扭矩反饋精度上更為準(zhǔn)確，可以根據(jù)不同螺絲規(guī)格合理調(diào)整螺絲的緊固扭矩，同時(shí)為螺絲擰緊質(zhì)量控制算法奠定基礎(chǔ)。螺絲擰緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 螺絲自動(dòng)擰緊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

螺絲擰緊控制系統(tǒng)架構(gòu)采用上下位機(jī)形式，其組成主要包括了工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、螺絲擰緊機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集卡、觸摸屏等，系統(tǒng)控制圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)上位機(jī)為工控機(jī)，其通過(guò)以太網(wǎng)接口與下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，而運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)RJ45接口與伺服驅(qū)動(dòng)器建立通信，實(shí)時(shí)接收由編碼器反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)轉(zhuǎn)角信號(hào)；扭矩傳感器將檢測(cè)到的電批瞬時(shí)擰緊扭矩，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡usb傳輸線實(shí)時(shí)上傳給工控機(jī)。

圖2 螺絲擰緊系統(tǒng)控制框圖

3 螺絲自動(dòng)擰緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 改進(jìn)前后的電批結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

原有的傳統(tǒng)電批如圖3(a)所示。傳統(tǒng)電批雖然能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)螺絲自動(dòng)擰緊，但是存在以下局限性。(1)轉(zhuǎn)速為有級(jí)調(diào)整。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采用無(wú)碳刷馬達(dá)，為有級(jí)調(diào)速模式，通常只有固定幾檔轉(zhuǎn)速可調(diào)。(2)機(jī)械式螺絲緊固扭力調(diào)整。在電批終端安裝扭力彈簧，通過(guò)旋轉(zhuǎn)扭力調(diào)整環(huán)至相應(yīng)扭力刻度，達(dá)到改變螺絲緊固扭力的目的。這種機(jī)械式扭力調(diào)整方式精度較差，且無(wú)法實(shí)時(shí)、柔性地適應(yīng)不同螺絲規(guī)格帶來(lái)的緊固扭矩變化要求。(3)無(wú)法實(shí)現(xiàn)螺絲擰緊質(zhì)量監(jiān)測(cè)。開(kāi)環(huán)式控制結(jié)構(gòu)，電批不具備反饋功能。

改進(jìn)后電批機(jī)構(gòu)如圖3(b)所示。改進(jìn)后電批采用伺服電機(jī)和扭矩傳感器結(jié)構(gòu)形式，相較于傳統(tǒng)電批，其具備如下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。(1)轉(zhuǎn)速無(wú)極可調(diào)。機(jī)構(gòu)以伺服電機(jī)為動(dòng)力源，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)需要在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)任意設(shè)定。(2)緊固扭矩調(diào)整便捷。扭矩傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)電批扭矩的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在螺絲換型時(shí)，可以通過(guò)預(yù)定程序改變緊固扭矩設(shè)定值。(3)可實(shí)現(xiàn)螺絲擰緊質(zhì)量監(jiān)測(cè)。伺服電機(jī)后置編碼器能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合扭矩傳感器的扭矩反饋，為螺絲擰緊質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)。

4 螺絲自動(dòng)擰緊控制算法

為實(shí)現(xiàn)小長(zhǎng)徑比螺絲擰緊運(yùn)動(dòng)控制及擰緊質(zhì)量檢測(cè)，開(kāi)發(fā)了一套螺絲擰緊控制軟件，采用扭矩-轉(zhuǎn)角檢測(cè)方法對(duì)螺絲擰緊質(zhì)量進(jìn)行判定。

圖4為螺絲擰緊質(zhì)量判定流程圖。開(kāi)啟擰緊程序后，以設(shè)定的起始扭矩為基準(zhǔn)，當(dāng)螺絲實(shí)時(shí)擰緊扭矩到達(dá)起始扭矩時(shí)，將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)角值初始為0°，在電機(jī)擰緊全過(guò)程(0°～1 080°)中，通過(guò)實(shí)時(shí)扭矩相較于轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，判定螺絲擰緊質(zhì)量，即為正常、漏鎖、滑牙或浮鎖。

圖4 擰緊質(zhì)量判定流程圖

5 螺絲擰緊實(shí)驗(yàn)

以上述算法為基礎(chǔ)，利用自研軟件編寫(xiě)控制程序，在小長(zhǎng)徑比螺絲自動(dòng)擰緊平臺(tái)上開(kāi)展螺絲擰緊實(shí)驗(yàn)[10]。實(shí)驗(yàn)采用的擰緊螺絲規(guī)格為M3，實(shí)驗(yàn)參數(shù)具體設(shè)定值見(jiàn)表1。

表1 螺絲擰緊實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

螺絲擰緊實(shí)驗(yàn)中采用M3規(guī)格螺絲，主要模擬了4種擰緊工況，分別為正常擰緊、浮鎖、滑牙和漏鎖。圖5螺絲擰緊扭矩-轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)圖內(nèi)包含了4種工況的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線。

圖5 螺絲擰緊扭矩-轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)圖

1)正常擰緊。選用20顆合格的M3螺絲，按照表1參數(shù)進(jìn)行20組螺絲擰緊實(shí)驗(yàn)，圖5顯示了其中2組螺絲擰緊的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線。

2)浮鎖。螺絲擰緊過(guò)程中產(chǎn)生浮鎖的原因主要為螺紋軸線偏心和螺紋牙體損壞，實(shí)驗(yàn)里通過(guò)改變螺絲與螺紋孔軸線的偏心距離，模擬浮鎖工況，偏心距離為0.04～1.00 mm，每組間隔0.04 mm,共25組。圖5中，浮鎖1扭矩-轉(zhuǎn)角曲線對(duì)應(yīng)的是偏心距離為0.50 mm的擰緊情況，而浮鎖2扭矩-轉(zhuǎn)角曲線對(duì)應(yīng)的是偏心距離為1.00 mm的擰緊情況，當(dāng)產(chǎn)生浮鎖情況時(shí)，電批沿z軸反方向提升以避免損壞背板螺絲孔。

3)滑牙和漏鎖。選用螺牙已磨損的螺絲進(jìn)行擰緊實(shí)驗(yàn)，模擬螺絲擰緊過(guò)程中的滑牙現(xiàn)象；通過(guò)電批不吸取螺絲模擬實(shí)際擰緊過(guò)程中漏鎖的情況。

文中質(zhì)量合格的螺紋或螺紋孔，其加工精度一致性較高，對(duì)起始扭矩影響有限。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：(1)相較于正常擰緊，浮鎖的扭矩峰值較早出現(xiàn)，其中偏心距離為0.50 mm情況下，扭矩峰值出現(xiàn)在螺紋嚙合后630°左右；偏心距離為1.00 mm情況下，扭矩峰值出現(xiàn)在螺紋嚙合后400°左右。(2)滑牙的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線略高于漏鎖，其扭矩值呈現(xiàn)一定的振蕩趨勢(shì)；雖然嚙合過(guò)程中因出現(xiàn)滑牙無(wú)法達(dá)到緊固扭矩，但是在嚙合前期(0°～360°)，其扭矩值高于漏鎖，與正常擰緊和浮鎖趨于一致。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)小長(zhǎng)徑比螺絲自動(dòng)擰緊的過(guò)程控制，設(shè)計(jì)了帶有扭矩和轉(zhuǎn)角檢測(cè)功能的自動(dòng)螺絲擰緊系統(tǒng)及其控制軟件，并提出一種適用于小長(zhǎng)徑比螺絲擰緊過(guò)程控制的扭矩-轉(zhuǎn)角質(zhì)量評(píng)定算法。螺絲擰緊實(shí)驗(yàn)和螺絲擰緊過(guò)程中正常、滑牙、浮鎖、漏鎖等情況的扭矩曲線檢測(cè)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小長(zhǎng)徑比螺絲自動(dòng)擰緊功能，提出的扭矩-轉(zhuǎn)角質(zhì)量評(píng)定算法是可靠的。今后可在以下兩個(gè)方面繼續(xù)開(kāi)展研究工作：(1)在上述控制算法基礎(chǔ)上，開(kāi)展不同規(guī)格尺寸螺絲擰緊實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)螺絲柔性擰緊；(2)為進(jìn)一步提高螺絲擰緊質(zhì)量檢測(cè)可靠性，考慮通過(guò)工業(yè)相機(jī)的視覺(jué)檢測(cè)手段加強(qiáng)螺絲擰緊質(zhì)量判定的可靠性。