聶修民,王曉軍,劉鳳,李國濤
(濰坊職業(yè)學院,山東 濰坊 261041)
在電子及機械行業(yè)的生產(chǎn)制造過程中,螺栓是最為常見的緊固件之一,這是因為螺栓為標準件,安裝拆卸方便,易于實現(xiàn)大規(guī)模、批量化生產(chǎn),并且成本低、價格便宜、互換性好[1]。要保證螺絲的正常連接,需對螺絲產(chǎn)生一個預緊力,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伸長法等[2],而普通電批就是采用扭矩法實現(xiàn)預緊力的控制。
為了迅速實現(xiàn)螺絲的鎖緊,一般在流水線作業(yè)中采用螺絲鎖附設備對螺絲進行鎖緊?,F(xiàn)有的螺絲鎖付設備一般引入視覺系統(tǒng)或采用智能電批(帶力矩反饋信號)進行M2以下螺絲的鎖付。引入視覺系統(tǒng)或采用智能電批后,設備成本增加,尤其對多生產(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。應廠家要求,為降低鎖付M2以下螺絲設備的生產(chǎn)成本,開發(fā)了一種無視覺引導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桌面式平臺或機器人上,即可實現(xiàn)超小螺絲的自動鎖付。
真空吸附式螺絲機結(jié)構(gòu)如圖1所示,一般將螺絲鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺或機器人上,采用螺絲排列機進行螺絲分揀,利用在吸嘴內(nèi)形成的真空腔吸附螺絲,XYZ桌面式平臺帶動鎖付結(jié)構(gòu)到工作位進行螺絲鎖付。在工作位利用傳感器檢測有無產(chǎn)品,通過真空壓力表檢測吸嘴內(nèi)的真空值判定吸嘴內(nèi)有無螺絲。當檢測到產(chǎn)品,并且吸嘴內(nèi)有螺絲時,XYZ桌面式平臺Z軸往下移動,帶動鎖付結(jié)構(gòu)往下移動,同時電批開始旋轉(zhuǎn),當?shù)竭_設定的扭矩時,Z軸帶動鎖付結(jié)構(gòu)往上移動,即完成一個螺絲的鎖付。重復同樣的動作,就可實現(xiàn)批量螺絲的鎖付。
圖1 真空吸附式螺絲機
螺絲鎖付結(jié)構(gòu)是螺絲機設備的核心部件,決定螺絲機設備是否可以投入使用。螺絲鎖付結(jié)構(gòu)設計不合理,就會造成螺絲鎖付的失敗。
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、或扭矩設置不合理、或位置檢測不合理等;造成漏鎖的原因一般是吸嘴被堵塞造成真空壓力表誤判、或螺絲在進入螺絲孔前被彈飛;造成螺絲歪斜的原因一般是點位偏斜、螺絲吸偏等;造成螺絲帽打花的原因一般有扭矩設置過大、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,重點從電批導向、螺絲刀導向和真空吸附腔三個方面設計超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu),并定性分析改進結(jié)構(gòu)對鎖付過程的影響。解決螺絲鎖付失敗的原因,就可以達到節(jié)省視覺系統(tǒng)或采用普通電批實現(xiàn)超小螺絲的鎖付,進而達到節(jié)省成本的目的。
超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)如圖2所示,雙滑塊導軌固定在固定板Ⅰ上,而普通電批利用連接板Ⅰ固定在雙滑塊導軌的雙滑塊上,這樣電批就可以相對固定板Ⅰ移動。改進前,采用單滑塊導軌對電批進行導向,結(jié)構(gòu)剛度差。改進后采用雙滑塊結(jié)構(gòu),提高結(jié)構(gòu)剛度,增加電批導向精度。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彈性動力,實現(xiàn)電批的垂直運動。螺絲鎖付時,進給速度與電批轉(zhuǎn)速、螺絲長度、牙距有關[1],進給速度的確定是個復雜的過程,一般采用彈簧提供彈性動力,以保證軸向進給速度。
圖2 超小螺絲鎖附結(jié)構(gòu)
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。改進前為了保持密封性,吸嘴和連接體設計成整體式結(jié)構(gòu),如果吸嘴損壞后,就需要更換整個吸嘴組件,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,達到節(jié)省成本和提高效率的目的。
圖3 吸嘴組件
改進前連接體內(nèi)采用一個軸承對批頭進行導向,批頭在高度旋轉(zhuǎn)下,批頭端部的擺動量大,影響螺絲的鎖付良率。改進后采用兩組軸承對批頭進行導向,而且兩個軸承的間距在結(jié)構(gòu)允許的條件下盡量遠、盡量靠近批頭端部,以控制批頭端部的擺動量,提高螺絲的鎖付良率。改進前,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,密封墊片對批頭的摩擦力變動量大,造成電批的鎖付力矩波動大,影響螺絲的鎖付質(zhì)量。改進后采用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,達到穩(wěn)定鎖付力矩的目的。
吸嘴結(jié)構(gòu)是鎖付結(jié)構(gòu)的關鍵部件,吸嘴設計不合理,會導致無法吸附螺絲,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,否則會導致螺釘在吸嘴內(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壓對螺絲的影響。
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。
將設計的超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)安裝在XYZ桌面式平臺上??刂葡到y(tǒng)主要用于點位儲存、工作路徑計算、編程操作等??刂葡到y(tǒng)控制三個步進電機和兩個氣動閥的運動與操作,本設計選用的普通PLC運動控制系統(tǒng)配合手持編程器即可滿足設計需求[3]。具體工藝流程采用市場上比較成熟的方案,在此不再詳述。
追蹤4臺設備的生產(chǎn)數(shù)據(jù),連續(xù)7天,統(tǒng)計每天的良率,見表1,去掉一個最高值和最低值,求所有良率的均值,作為本次螺絲鎖付機構(gòu)的驗證數(shù)據(jù),最終良率在97.8%。
表1 生產(chǎn)良率統(tǒng)計
無視覺引導下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu)通過利用雙滑塊導向電批,雙軸承導向批頭,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),減小密封件對批頭摩擦力的影響,提高螺絲鎖付扭矩的穩(wěn)定性;合理設計吸嘴結(jié)構(gòu),保證對螺絲的吸附力,提高吸嘴對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。良率達到客戶要求,省去視覺引導或智能電批,每臺螺絲機設備節(jié)約成本2.5萬元左右。通過將吸嘴設計成分體式結(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)的無視覺引導下普通電批超小螺絲鎖付結(jié)構(gòu),并成功應用在M1×1.06螺絲上,鎖付良率在95%以上。