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        無視覺引導(dǎo)下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2022-10-21 04:11:28聶修民王曉軍劉鳳李國濤
        裝備制造技術(shù) 2022年7期
        關(guān)鍵詞:良率連接體螺絲

        聶修民,王曉軍,劉鳳,李國濤

        (濰坊職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊 261041)

        0 引言

        在電子及機(jī)械行業(yè)的生產(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]。要保證螺絲的正常連接,需對(duì)螺絲產(chǎn)生一個(gè)預(yù)緊力,目前常用的擰緊力控制方法有扭矩法、扭矩轉(zhuǎn)角法、屈服極限法和螺絲預(yù)伸長法等[2],而普通電批就是采用扭矩法實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的控制。

        為了迅速實(shí)現(xiàn)螺絲的鎖緊,一般在流水線作業(yè)中采用螺絲鎖附設(shè)備對(duì)螺絲進(jìn)行鎖緊?,F(xiàn)有的螺絲鎖付設(shè)備一般引入視覺系統(tǒng)或采用智能電批(帶力矩反饋信號(hào))進(jìn)行M2以下螺絲的鎖付。引入視覺系統(tǒng)或采用智能電批后,設(shè)備成本增加,尤其對(duì)多生產(chǎn)線多工位工況,成本顯著增加,這顯然不符合生產(chǎn)單位降低成本的目的。應(yīng)廠家要求,為降低鎖付M2以下螺絲設(shè)備的生產(chǎn)成本,開發(fā)了一種無視覺引導(dǎo)下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu),將此鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺(tái)或機(jī)器人上,即可實(shí)現(xiàn)超小螺絲的自動(dòng)鎖付。

        1 真空吸附式螺絲機(jī)工作原理

        真空吸附式螺絲機(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(tái)或機(jī)器人上,采用螺絲排列機(jī)進(jìn)行螺絲分揀,利用在吸嘴內(nèi)形成的真空腔吸附螺絲,XYZ桌面式平臺(tái)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(cè)有無產(chǎn)品,通過真空壓力表檢測(cè)吸嘴內(nèi)的真空值判定吸嘴內(nèi)有無螺絲。當(dāng)檢測(cè)到產(chǎn)品,并且吸嘴內(nèi)有螺絲時(shí),XYZ桌面式平臺(tái)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)批量螺絲的鎖付。

        圖1 真空吸附式螺絲機(jī)

        2 超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        螺絲鎖付結(jié)構(gòu)是螺絲機(jī)設(shè)備的核心部件,決定螺絲機(jī)設(shè)備是否可以投入使用。螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,就會(huì)造成螺絲鎖付的失敗。

        2.1 螺絲鎖付分析

        從鎖付的結(jié)果看,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。造成滑牙的原因一般有扭矩設(shè)置過大、或產(chǎn)品材料不合格等;造成浮鎖的原因一般有電批軸向力不夠、或扭矩設(shè)置不合理、或位置檢測(cè)不合理等;造成漏鎖的原因一般是吸嘴被堵塞造成真空壓力表誤判、或螺絲在進(jìn)入螺絲孔前被彈飛;造成螺絲歪斜的原因一般是點(diǎn)位偏斜、螺絲吸偏等;造成螺絲帽打花的原因一般有扭矩設(shè)置過大、電批軸向力過大或螺釘不合格等原因。

        超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)將從影響螺絲鎖付失敗的原因入手,綜合分析,重點(diǎn)從電批導(dǎo)向、螺絲刀導(dǎo)向和真空吸附腔三個(gè)方面設(shè)計(jì)超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu),并定性分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)鎖付過程的影響。解決螺絲鎖付失敗的原因,就可以達(dá)到節(jié)省視覺系統(tǒng)或采用普通電批實(shí)現(xiàn)超小螺絲的鎖付,進(jìn)而達(dá)到節(jié)省成本的目的。

        2.2 超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)如圖2所示,雙滑塊導(dǎo)軌固定在固定板Ⅰ上,而普通電批利用連接板Ⅰ固定在雙滑塊導(dǎo)軌的雙滑塊上,這樣電批就可以相對(duì)固定板Ⅰ移動(dòng)。改進(jìn)前,采用單滑塊導(dǎo)軌對(duì)電批進(jìn)行導(dǎo)向,結(jié)構(gòu)剛度差。改進(jìn)后采用雙滑塊結(jié)構(gòu),提高結(jié)構(gòu)剛度,增加電批導(dǎo)向精度。氣缸缸體固定在固定板Ⅰ上,杠桿與電批連接板Ⅱ利用彈簧彈性連接,這樣氣缸就可以給電批提供一個(gè)彈性動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)電批的垂直運(yùn)動(dòng)。螺絲鎖付時(shí),進(jìn)給速度與電批轉(zhuǎn)速、螺絲長度、牙距有關(guān)[1],進(jìn)給速度的確定是個(gè)復(fù)雜的過程,一般采用彈簧提供彈性動(dòng)力,以保證軸向進(jìn)給速度。

        圖2 超小螺絲鎖附結(jié)構(gòu)

        2.3 吸嘴組件設(shè)計(jì)

        吸嘴組件利用連接板Ⅲ固定在固定板Ⅰ上,吸嘴組件結(jié)構(gòu)如圖3所示,連接體上端利用螺母Ⅰ將密封墊片固定住,下端利用螺母Ⅱ?qū)⑽旃潭ㄔ谶B接體上。連接體中間開腔體,利用螺紋孔外接真空源,這樣就在連接體和吸嘴中間形成了真空腔。改進(jìn)前為了保持密封性,吸嘴和連接體設(shè)計(jì)成整體式結(jié)構(gòu),如果吸嘴損壞后,就需要更換整個(gè)吸嘴組件,而且需要重新調(diào)整吸嘴組件和批頭的同軸度,如果吸嘴和批頭同軸度調(diào)整不好,將導(dǎo)致螺絲帽打花、螺絲歪斜,甚至鎖付失敗,造成成本的增加和效率的降低。改進(jìn)后的吸嘴組件將連接體和吸嘴分開,這樣吸嘴損壞后,可以利用吸嘴上端與連接體的配合精度快速精準(zhǔn)更換吸嘴,更換后不需要重新調(diào)整吸嘴和批頭的同軸度,達(dá)到節(jié)省成本和提高效率的目的。

        圖3 吸嘴組件

        改進(jìn)前連接體內(nèi)采用一個(gè)軸承對(duì)批頭進(jìn)行導(dǎo)向,批頭在高度旋轉(zhuǎn)下,批頭端部的擺動(dòng)量大,影響螺絲的鎖付良率。改進(jìn)后采用兩組軸承對(duì)批頭進(jìn)行導(dǎo)向,而且兩個(gè)軸承的間距在結(jié)構(gòu)允許的條件下盡量遠(yuǎn)、盡量靠近批頭端部,以控制批頭端部的擺動(dòng)量,提高螺絲的鎖付良率。改進(jìn)前,連接體上端與批頭結(jié)合處的密封墊片采用聚氨酯或硅膠墊片,密封性雖好,但是由于加工精度難以保證,密封墊片對(duì)批頭的摩擦力變動(dòng)量大,造成電批的鎖付力矩波動(dòng)大,影響螺絲的鎖付質(zhì)量。改進(jìn)后采用POM材質(zhì),保證加工精度,提高耐磨性,從而提高摩擦力的穩(wěn)定性,達(dá)到穩(wěn)定鎖付力矩的目的。

        2.4 吸嘴設(shè)計(jì)

        吸嘴結(jié)構(gòu)是鎖付結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件,吸嘴設(shè)計(jì)不合理,會(huì)導(dǎo)致無法吸附螺絲,吸偏,掉釘現(xiàn)象。吸嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示,在吸嘴下部設(shè)有批頭可以通過的孔,孔的直徑大于批頭直徑的0.2~0.5 mm,孔直徑的選取要保證吸嘴與螺絲帽有足夠的接觸面積,否則會(huì)導(dǎo)致螺釘在吸嘴內(nèi)不穩(wěn)定或?qū)е侣葆斊?。如果吸附力不夠,可以在吸嘴?nèi)開十字槽,如圖4所示,以增大真空腔,提高吸附力。吸附力計(jì)算公式如下:

        圖4 吸嘴結(jié)構(gòu)

        式中,F(xiàn)為吸附力,N;P為真空壓力,Pa;A為吸附面積,m2;N為安全系數(shù),一般取4以上。

        對(duì)于加減速度變化大以及高速的情況,還需要考慮慣性力和風(fēng)壓對(duì)螺絲的影響。

        吸嘴外徑大小要根據(jù)螺絲孔槽及周圍的干涉情況而定,外徑邊緣與干涉物體距離>0.1 mm,長度要大于螺絲孔槽的深度或干涉物體的高度。

        3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        將設(shè)計(jì)的超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺(tái)上??刂葡到y(tǒng)主要用于點(diǎn)位儲(chǔ)存、工作路徑計(jì)算、編程操作等??刂葡到y(tǒng)控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)氣動(dòng)閥的運(yùn)動(dòng)與操作,本設(shè)計(jì)選用的普通PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配合手持編程器即可滿足設(shè)計(jì)需求[3]。具體工藝流程采用市場(chǎng)上比較成熟的方案,在此不再詳述。

        4 驗(yàn)證數(shù)據(jù)

        追蹤4臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù),連續(xù)7天,統(tǒng)計(jì)每天的良率,見表1,去掉一個(gè)最高值和最低值,求所有良率的均值,作為本次螺絲鎖付機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證數(shù)據(jù),最終良率在97.8%。

        表1 生產(chǎn)良率統(tǒng)計(jì)

        5 結(jié)語

        無視覺引導(dǎo)下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)通過利用雙滑塊導(dǎo)向電批,雙軸承導(dǎo)向批頭,提高批頭的定位精度,從而提高螺絲的鎖付良率;通過更改吸嘴組件真空腔的密封墊片材質(zhì),減小密封件對(duì)批頭摩擦力的影響,提高螺絲鎖付扭矩的穩(wěn)定性;合理設(shè)計(jì)吸嘴結(jié)構(gòu),保證對(duì)螺絲的吸附力,提高吸嘴對(duì)螺絲的扶正能力和尋孔能力[4],從而提高螺絲的取料和鎖付穩(wěn)定性。通過以上措施,將M1×1.06螺絲鎖付良率從89%提高到95%以上。良率達(dá)到客戶要求,省去視覺引導(dǎo)或智能電批,每臺(tái)螺絲機(jī)設(shè)備節(jié)約成本2.5萬元左右。通過將吸嘴設(shè)計(jì)成分體式結(jié)構(gòu),降低了成本、提高了更換吸嘴組件的效率。

        本項(xiàng)目是在廠家需求的條件下,為了降低成本而開發(fā)的無視覺引導(dǎo)下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu),并成功應(yīng)用在M1×1.06螺絲上,鎖付良率在95%以上。

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