李小民，黃 棟，李 平，郭偉科

（廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣州 510070）

0 引言

在種類(lèi)繁多的機(jī)械產(chǎn)品中，零件之間應(yīng)用最廣泛的聯(lián)接方式是螺紋連接，目前3C產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中，一般采用自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)將螺絲和產(chǎn)品進(jìn)行連接以提高作業(yè)效率，同時(shí)可以解放勞動(dòng)力。自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)是通過(guò)各類(lèi)電動(dòng)、氣動(dòng)元器件實(shí)現(xiàn)螺絲的自動(dòng)輸送、擰緊、檢測(cè)等工序，通過(guò)設(shè)備來(lái)簡(jiǎn)化螺絲緊固工序，達(dá)到減少人工數(shù)量及減少人工誤操作帶來(lái)的不良因素[1]。自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)按使用形式分為手持式自動(dòng)鎖螺絲機(jī)和全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)；全自動(dòng)鎖附螺絲機(jī)按軸數(shù)可以分為三軸桌面螺絲機(jī)、四軸SCARA螺絲機(jī)；三軸桌面螺絲機(jī)按傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和電機(jī)可以分為絲桿傳動(dòng)伺服型螺絲機(jī)、絲桿傳動(dòng)步進(jìn)型螺絲機(jī)、同步帶伺服型傳動(dòng)螺絲機(jī)和同步帶步進(jìn)型傳動(dòng)螺絲機(jī)。

在3C產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)企業(yè)中，企業(yè)一直追求低成本高效率高品質(zhì)，同步帶步進(jìn)型三種標(biāo)螺絲在效率和精度滿(mǎn)足生產(chǎn)的情況下作為使用成本最低的一種螺絲機(jī)，深得企業(yè)青睞。但是，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)三坐標(biāo)螺絲機(jī)X軸方向上鎖附螺絲偏離孔中心、鎖附不合格、鎖附過(guò)程中整機(jī)振動(dòng)大等現(xiàn)象，影響鎖附效率及整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍。

關(guān)于螺絲機(jī)鎖付質(zhì)量的問(wèn)題已受到了一些學(xué)者的關(guān)注，并取得了一定成果。劉建春[2]針對(duì)小長(zhǎng)徑比螺絲自動(dòng)鎖付過(guò)程中存在歪鎖、浮鎖、滑牙、滑絲等現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)一套適用于小長(zhǎng)徑比螺絲鎖付質(zhì)量檢測(cè)的系統(tǒng)，該研究針對(duì)鎖附質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，并未提高鎖附質(zhì)量。鄧煜[3]針對(duì)螺絲鎖附結(jié)果的判斷建立算法模型，未對(duì)鎖附質(zhì)量研究。石小仕[4]針對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)上的工件螺絲鎖附效率低下，現(xiàn)有螺絲鎖附機(jī)器人獲取工件螺孔坐標(biāo)困難等問(wèn)題，提出了一種基于STM32 ARM Cortex-M3內(nèi)核單片機(jī)的雙工位螺絲鎖附機(jī)器人，是基于控制系統(tǒng)對(duì)螺絲機(jī)進(jìn)行的優(yōu)化，與本文研究方向不同。姚文欽[5]針對(duì)螺絲機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于伺服系統(tǒng)、多種產(chǎn)品共用的高速擰螺絲系統(tǒng)，與本文中步進(jìn)電機(jī)研究應(yīng)用不同。何成[6]針對(duì)自動(dòng)鎖螺絲機(jī)的螺絲擰緊速度進(jìn)行研究，主要與鎖附效率有關(guān)，與本文中鎖附質(zhì)量無(wú)關(guān)。

本文以同步帶步進(jìn)型三坐標(biāo)螺絲機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)三坐標(biāo)螺絲機(jī)）為研究對(duì)象，從機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向進(jìn)行鎖附質(zhì)量、精度及振動(dòng)研究。通過(guò)正交參數(shù)設(shè)置方式多工況測(cè)試，觀(guān)察其運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)用ReniShaw XL-80/QC20-W激光干涉儀和Polytec DMS PSV-500-B激光測(cè)振儀等高精度測(cè)試儀器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，深入分析其重復(fù)定位精度不足、精度保持性能差以及振動(dòng)大等問(wèn)題，剖析其根本，尋找優(yōu)化方案，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化前后測(cè)試對(duì)比，從而完成對(duì)三坐標(biāo)螺絲機(jī)綜合性能提升。

1 三坐標(biāo)螺絲機(jī)

1.1 三坐標(biāo)螺絲機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三坐標(biāo)螺絲機(jī)具有X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)自由度，其X軸滑動(dòng)系統(tǒng)主要功能為承載并驅(qū)動(dòng)Z軸滑動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)，準(zhǔn)確定位到取螺絲和鎖附螺絲兩個(gè)工位，其配套一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)。Y軸滑動(dòng)系統(tǒng)采用雙Y軸結(jié)構(gòu)形式，主要功能是承載并驅(qū)動(dòng)冶具及工件，將待鎖附螺絲的工件移送到螺絲批移動(dòng)路線(xiàn)正下方，完成螺絲鎖附后返回，其配套兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)。Z軸滑動(dòng)系統(tǒng)主要功能是承載并驅(qū)動(dòng)螺絲批，當(dāng)X軸方向定位后，Z軸驅(qū)動(dòng)螺絲批上下移動(dòng)，完成取螺絲和鎖附螺絲工序，其配套一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)。螺絲振動(dòng)料盤(pán)將亂序狀態(tài)螺絲通過(guò)振動(dòng)方式按順序規(guī)則進(jìn)行排列，方便螺絲批進(jìn)行吸取螺絲，布置于X軸滑動(dòng)系統(tǒng)下方，雙Y軸滑動(dòng)系統(tǒng)中間。從上述結(jié)構(gòu)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行特性初步分析可知：X軸滑動(dòng)系統(tǒng)具有高速運(yùn)動(dòng)高頻啟停特點(diǎn)，高速運(yùn)行引起步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力不足，易出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，導(dǎo)致X軸重復(fù)定位精度變差。同時(shí)高頻啟停帶來(lái)啟停慣性力，激勵(lì)機(jī)架振動(dòng)。結(jié)合表象X方向鎖附偏離，進(jìn)一步確定了X軸滑動(dòng)系統(tǒng)是影響三坐標(biāo)螺絲機(jī)性能的根本原因。三坐標(biāo)螺絲機(jī)及軸系如圖1所示。

圖1 三坐標(biāo)螺絲機(jī)及軸系

1.2 正交式工況測(cè)試

基于常用工況參數(shù)初速度60 mm/s，加速度1 000 mm/s，通過(guò)正交測(cè)試方式調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，讓X軸滑動(dòng)系統(tǒng)在第一鎖附位、取螺絲位和第二鎖附位之間反復(fù)啟停運(yùn)行，每個(gè)工況測(cè)試時(shí)間約45 min，間斷性觀(guān)察各工況測(cè)試運(yùn)行結(jié)果。正交測(cè)試工況如表1所示。通過(guò)表中觀(guān)察結(jié)果知，三坐標(biāo)螺絲機(jī)X軸滑動(dòng)系統(tǒng)隨著初速度和加速度的不斷提高，卡滯漸明顯；機(jī)架隨著加速度的提高振動(dòng)不斷加大。

表1 正交測(cè)試工況

1.3 ReniShaw XL-80/QC20-W激光干涉儀重復(fù)定位精度測(cè)試

ReniShaw XL-80/QC20-W激光干涉儀測(cè)量精度為±0.5 ppm，最大測(cè)量速度為4 m/s，最大測(cè)量距離為80 m。其測(cè)試原理：激光頭安裝在地面三腳架上發(fā)出激光束1，經(jīng)與激光頭相對(duì)固定的分光鏡分成兩束激光，其中一激光束經(jīng)固定反光鏡反射，形成參考光束2，另一激光束經(jīng)安裝在三坐標(biāo)螺絲機(jī)X軸滑動(dòng)系統(tǒng)上的移動(dòng)反光鏡反射，形成測(cè)量光束3。參考光束和測(cè)量光束匯聚于分光鏡中相疊加干涉，形成干涉光束4，相位相反時(shí)形成相消干涉，產(chǎn)生暗條紋；相位相同時(shí)形成相長(zhǎng)干涉，產(chǎn)生明條紋[7-10]。如果X軸滑動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)反光鏡，干涉光束的相對(duì)相位將改變，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明-暗-明的光強(qiáng)變化循環(huán)，激光干涉儀通過(guò)接收到明暗條紋變化，經(jīng)過(guò)電子傳感器細(xì)分，從而知道X軸滑動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)距離的細(xì)微和準(zhǔn)確的變化，以此來(lái)測(cè)量移動(dòng)距離。三坐標(biāo)螺絲機(jī)線(xiàn)性測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 三坐標(biāo)螺絲機(jī)線(xiàn)性測(cè)試原理

X軸滑動(dòng)系統(tǒng)以常用工作工況運(yùn)行且對(duì)其重復(fù)定位精度測(cè)試。首先采用GB/T 17421.2-2016《機(jī)床檢驗(yàn)通則第2部分：數(shù)控軸線(xiàn)的定位的精度和重復(fù)定位精度》對(duì)三坐標(biāo)螺絲機(jī)X軸滑動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行間隔20 mm進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試。限于位移量較小，每次移動(dòng)速度較低，標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)如圖3所示。低速重復(fù)定位精度測(cè)試曲線(xiàn)如圖4所示，從測(cè)試曲線(xiàn)可知，該工況下重復(fù)定位精度為0.022 mm，基本與市面同類(lèi)型螺絲機(jī)重復(fù)定位精度相同。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)循環(huán)

圖4 低速重復(fù)定位精度測(cè)試曲線(xiàn)

然后再通過(guò)設(shè)置X軸滑動(dòng)系統(tǒng)鎖附位置點(diǎn)，第一鎖附位置點(diǎn)位為20 mm，取螺絲位點(diǎn)位為240 mm，第二鎖附位置點(diǎn)位為440 mm，對(duì)其進(jìn)高速重復(fù)定位精度測(cè)試。每次移動(dòng)位移量為220 mm，移動(dòng)距離長(zhǎng)，移動(dòng)速快。初步經(jīng)過(guò)5 min測(cè)試，重復(fù)定位精度基本保持不變?；貧w原點(diǎn)后，再次測(cè)試經(jīng)過(guò)約45 min運(yùn)行，重復(fù)定位精度變大，高速重復(fù)定位精度測(cè)試曲線(xiàn)如圖5所示，通過(guò)測(cè)試曲線(xiàn)知，重復(fù)定位精度為1.33 mm。

圖5 45 min后重復(fù)定位精度曲線(xiàn)

1.4 Polytec DMS PSV-500-B激光測(cè)振儀振動(dòng)測(cè)試

Polytec DMS PSV-500-B激光測(cè)振儀位移分辨率為皮米級(jí)，最大采樣頻率為25 MHz，最大速度為10 m/s。工作原理為：激光頭發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)分光鏡分成兩束光，參考光束1直接被光檢測(cè)器接收；測(cè)量光束經(jīng)過(guò)一對(duì)可擺動(dòng)的透鏡照射在物體表面上，運(yùn)動(dòng)物體表面散射或反射后的光束被集光鏡收集后由光檢測(cè)器接收，然后形成干涉光束，產(chǎn)生正比于運(yùn)動(dòng)物體速度的多普勒信號(hào),通過(guò)頻率和相位解調(diào)便可得到運(yùn)動(dòng)物體速度和位移的時(shí)間歷程信號(hào)[11-12]。三坐標(biāo)螺絲機(jī)振動(dòng)測(cè)試原理如圖6所示。

圖6 三坐標(biāo)螺絲機(jī)振動(dòng)測(cè)試原理

X軸滑動(dòng)系統(tǒng)以常用工作工況運(yùn)行，采用激光測(cè)振儀對(duì)螺絲機(jī)機(jī)架上下兩端分別進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，機(jī)架上端靠近激勵(lì)源，振幅最大，激光測(cè)振儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。機(jī)架上端振幅曲線(xiàn)如圖8所示，機(jī)架上端振幅最大為0.793 mm。從測(cè)試曲線(xiàn)可知，機(jī)架振動(dòng)在X軸滑動(dòng)系統(tǒng)定位鎖附螺絲和定位取螺絲的時(shí)段振幅逐漸變??；在運(yùn)行時(shí)瞬時(shí)啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生反向瞬時(shí)作用力，從而產(chǎn)生圖中振幅瞬間增大加速度現(xiàn)象。

圖7 激光測(cè)振儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖8 機(jī)架上端振動(dòng)曲線(xiàn)

綜合上述，重復(fù)定位精度測(cè)試結(jié)果與多工況觀(guān)察結(jié)果基本相似，X軸滑動(dòng)系統(tǒng)在低速和低加速度的情況下，要求啟動(dòng)慣性力和運(yùn)行慣性力均較小，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載能力范圍內(nèi)基本無(wú)卡滯。隨著速度或加速度不斷增大，要求慣性力增加，受X軸滑動(dòng)系統(tǒng)瞬時(shí)阻力變化，出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載能力會(huì)不足現(xiàn)象，隨著丟步概率增加，誤差累積后三坐標(biāo)螺絲機(jī)X軸滑動(dòng)系統(tǒng)重復(fù)定位精度變差，導(dǎo)致無(wú)法正常鎖附螺絲。在高速高頻次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，X軸滑動(dòng)系統(tǒng)不停換向，不停啟停，不同方向不同大小慣性力激勵(lì)機(jī)架，導(dǎo)致三坐標(biāo)螺絲機(jī)機(jī)架振動(dòng)。初速度的增大，增加了電機(jī)的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)同步帶傳遞給X軸滑動(dòng)系統(tǒng)，形成更大瞬時(shí)啟動(dòng)慣性力，加速度的增大也增大了運(yùn)行過(guò)程慣性力，均可以引起機(jī)架振幅增加。

根據(jù)公式F=ma，其中F為同步帶傳遞給X軸滑動(dòng)系統(tǒng)拉力，m為X軸滑動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，a為X軸滑動(dòng)系統(tǒng)加速度。優(yōu)化途徑有兩種，其一為滿(mǎn)足滑動(dòng)所需加速a，也就是通過(guò)提升X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載能力。其二為降低滑動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量m。受限于安裝空間，X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載能力提升空間有限，且負(fù)載能力提升只能緩減三坐標(biāo)螺絲機(jī)高速工況下的重復(fù)定位精度不足及精度保持性差的情況，無(wú)法解決機(jī)架振動(dòng)問(wèn)題。只有減少X軸滑動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，降低了滑動(dòng)載荷，相對(duì)地提升了電機(jī)負(fù)載，提升升精度，同時(shí)降低運(yùn)行慣性力，降低整機(jī)振動(dòng)。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 三坐標(biāo)螺絲機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于以上分析，為減少X軸滑動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量創(chuàng)新性提出并采用X軸和Z軸換位優(yōu)化技術(shù)。該優(yōu)化技術(shù)旨在將Z軸滑動(dòng)系統(tǒng)固定于機(jī)架，X軸滑動(dòng)系統(tǒng)再集成到Z軸滑動(dòng)系統(tǒng)中。優(yōu)化后三坐標(biāo)螺絲機(jī)如圖9所示。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，X軸滑動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)居中布置，保證整體的平衡性。X軸滑動(dòng)系統(tǒng)中同步帶張緊機(jī)構(gòu)采用雙輪式張緊，張緊行程量減半。Z軸滑動(dòng)采用雙驅(qū)動(dòng)雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)置低位零負(fù)載機(jī)構(gòu)，降低Z軸方向低位負(fù)載，增加Z軸方向低位能力；Z軸滑動(dòng)系統(tǒng)安裝于同一安裝板，通過(guò)加工保證雙滑軌安裝平行度，降低滑動(dòng)阻力；安裝板通過(guò)雙橫桿固定在機(jī)架上。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后X軸滑動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量由7.2 kg降低到約2.8 kg，降幅達(dá)61.2%。優(yōu)化后部分細(xì)節(jié)如圖10所示。

圖9 優(yōu)化后三坐標(biāo)螺絲機(jī)

圖10 優(yōu)化后部分細(xì)節(jié)

2.2 優(yōu)化后多工況測(cè)試

優(yōu)化后采用優(yōu)化前正交測(cè)試方式設(shè)置同樣參數(shù)，每種工況測(cè)試時(shí)間約45 min，發(fā)現(xiàn)多工況運(yùn)行均未發(fā)生卡滯或者卡滯不明顯現(xiàn)象，且振動(dòng)明顯減小。通過(guò)逐步試探式測(cè)試，當(dāng)初速度v0=120 mm/s或加速度a=1 500 mm/s2時(shí)，在運(yùn)行的時(shí)段里會(huì)產(chǎn)生明顯卡滯，振動(dòng)變大。初步觀(guān)察判斷優(yōu)化后X軸滑動(dòng)系統(tǒng)綜合性能明顯提升。

2.3 優(yōu)化后激光干涉儀重復(fù)定位精度測(cè)試

優(yōu)化后采用激光干涉儀對(duì)X軸滑動(dòng)系統(tǒng)間隔20 mm進(jìn)行多點(diǎn)低速測(cè)試。測(cè)得重復(fù)定位精度為0.020 mm，基本與優(yōu)化前測(cè)試重復(fù)定位精度相近。進(jìn)一步證實(shí)，小位移量使得X軸滑動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)最高速度與初速度相近，保持在低速滑動(dòng)的狀態(tài)，無(wú)卡滯情況。

在常用工況參數(shù)設(shè)置下對(duì)X軸滑動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)定位精度測(cè)試，運(yùn)行約45 min后，測(cè)得X軸滑動(dòng)系統(tǒng)重復(fù)定位精度為0.031 mm。為了進(jìn)一步驗(yàn)證X軸滑動(dòng)系統(tǒng)的精度保持性能，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，經(jīng)過(guò)約5 h連續(xù)測(cè)試后，重復(fù)定位精度基本保持不變。優(yōu)化后X軸滑動(dòng)系統(tǒng)在常用工況下重復(fù)定位精度與優(yōu)化前相比提升明顯，且精度保持性良好。優(yōu)化后激光干涉儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。優(yōu)化后重復(fù)定位精度曲線(xiàn)如圖12所示。

圖11 優(yōu)化后激光干涉儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖12 優(yōu)化后重復(fù)定位精度測(cè)試曲線(xiàn)

圖13優(yōu)化后機(jī)架上端振動(dòng)曲線(xiàn)

2.4 優(yōu)化后螺絲機(jī)振動(dòng)測(cè)試

優(yōu)化后采用激光測(cè)振儀在常用工況參數(shù)對(duì)螺絲機(jī)機(jī)架上端進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)得其最大振幅為0.275 mm，與優(yōu)化前對(duì)比，X軸滑動(dòng)系統(tǒng)在高頻啟停情況下作用于機(jī)架上的慣性力減小，機(jī)架振幅減小65.4%。優(yōu)化后機(jī)架上端振動(dòng)曲線(xiàn)如圖13所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試分析優(yōu)化，優(yōu)化前三坐標(biāo)螺絲機(jī)性能與X軸滑動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)速度有明顯關(guān)系：當(dāng)X軸滑動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)速度慢時(shí)，鎖附質(zhì)量高，鎖附重復(fù)定位精度高及機(jī)架振動(dòng)小，但是螺絲鎖附效率低；當(dāng)X軸滑動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)速度逐步加快時(shí)，鎖附會(huì)出現(xiàn)不良，鎖附重復(fù)定位精度變差及機(jī)架振動(dòng)變大。

創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)優(yōu)化后效果如下：（1）正交式設(shè)置多工況參數(shù)且運(yùn)行觀(guān)察，X軸滑動(dòng)系統(tǒng)無(wú)明顯卡滯，且初速度v0和加速度a均可適當(dāng)提高，提升升螺絲鎖附效率；（2）常用（高速）工況參數(shù)設(shè)置下高速運(yùn)行，重復(fù)定位精度由原1.33 mm提升到0.031 mm，且精度保持性能也得到提升，機(jī)架振幅由原0.793 mm降低到0.275 mm，振幅減小約65.4%。

該結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅能夠提升三坐標(biāo)螺絲機(jī)鎖附良率及穩(wěn)定性，而且為后續(xù)螺絲機(jī)研究應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。