張嘉鈺，楊佳俊，楊碩，牛虎利

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

0 前言

鋼筋套筒連接技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展逐漸變得成熟穩(wěn)定，成本也不斷降低，且其具有無污染、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、適用范圍廣、操作簡單、強度高等諸多優(yōu)點[1-3]，已經(jīng)在工業(yè)、民用、道路、橋梁、水工建筑、海洋工程、核電工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4-6]。但由于鋼筋連接套筒精度高、工件尺寸差異較大，如何準(zhǔn)確快速地識別、檢測套筒工件外觀成為一個難題[7-8]。連接套筒的可視質(zhì)量檢驗中常見的手段有：外觀質(zhì)量檢測：螺紋牙型應(yīng)飽滿(牙底和牙頂均具有完整的牙型)，連接套筒表面不得有裂紋，表面及內(nèi)螺紋不得有嚴(yán)重銹蝕及其他肉眼可見的缺陷；內(nèi)螺紋尺寸的檢驗：用專用的螺紋塞規(guī)檢驗，其塞通規(guī)應(yīng)能順利旋入，塞止規(guī)旋入長度不得超過3個螺距[9-10]。

傳統(tǒng)的人工機械接觸式檢測，由于人工檢測時接觸應(yīng)力不同，應(yīng)力大時會損壞零件，應(yīng)力小時會導(dǎo)致檢測尺寸大于實際尺寸；由于工人的差異和工人長期工作引發(fā)的身體和視覺疲勞，造成檢測數(shù)據(jù)存在偏差；并且檢測效率低、工作強度大、檢測精度不高，無法保證螺紋零件尺寸高精度的要求[11]。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展和自動化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在檢測工藝中采用在線檢測測量和自動定位系統(tǒng)成為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)的有效方法[12-13]，也是提升套筒檢測生產(chǎn)線自動化和智能化程度的重要手段。

基于此，提出一種鋼筋連接套筒自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)，在鋼筋連接套筒檢測中采用在線檢測測量和自動定位系統(tǒng)，實現(xiàn)工件的大批量快速檢測、自動定位，更好地滿足高效率和高安全性的要求，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。系統(tǒng)集成了套筒上下料裝置、清掃裝置、通規(guī)物理檢測裝置、止規(guī)物理檢測裝置、外廓尺寸檢測裝置、光規(guī)檢測裝置、保護套上料安裝裝置和回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位裝置。套筒上下料裝置完成工件的自動上下料，清掃裝置對工件進(jìn)行清掃工作，通規(guī)、止規(guī)、光規(guī)檢測裝置對工件進(jìn)行檢測，外廓尺寸檢測裝置檢測工件的高度和外徑，保護套上料安裝裝置進(jìn)行保護套的上料和安裝，整個系統(tǒng)通過回轉(zhuǎn)盤進(jìn)行轉(zhuǎn)位操作。此系統(tǒng)能夠大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，為鋼筋連接套筒自動化檢測提供了一種新思路。

1 工藝方案設(shè)計

1.1 檢測工件

此設(shè)備擬檢測的應(yīng)用于核電建設(shè)領(lǐng)域的高強鋼筋連接套筒如圖1所示，套筒內(nèi)徑32 mm，外徑51 mm，套筒高度77 mm。

圖1 檢測工件Fig.1 Workpieces to be tested

1.2 工藝方案的確定

對于核電領(lǐng)域高強鋼筋連接套筒的檢測，主要以人工檢測為主，檢測指標(biāo)為：結(jié)構(gòu)尺寸、螺紋牙型、螺距、內(nèi)螺紋中徑、大徑、內(nèi)螺紋小徑、外觀質(zhì)量[14-15]。連接套筒結(jié)構(gòu)尺寸中最重要的參數(shù)為高度及外徑，采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行檢測，卡尺精度為0.02 mm；連接套筒內(nèi)螺紋牙型、螺距、中徑及大徑用自制螺紋塞規(guī)檢測，通端塞規(guī)能順利旋入套筒并達(dá)到旋合長度，止端塞規(guī)旋入量不大于3個螺距(≤3P)且允許從套筒兩端旋合，如圖2所示；螺紋小徑用游標(biāo)卡尺進(jìn)行尺寸檢測，或采用自制光規(guī)剔除超出尺寸范圍的鋼筋連接套筒。

綜上所述，分析核電領(lǐng)域高強鋼筋連接套筒生產(chǎn)加工環(huán)境較惡劣、需檢測指標(biāo)較多及占地面積等方面問題，設(shè)計一種集成化的回轉(zhuǎn)式、多工位并行檢測系統(tǒng)。采用定制機用螺紋塞規(guī)的方法實現(xiàn)對連接套筒內(nèi)螺紋牙型、螺距、中徑及大徑等參數(shù)的檢測；采用定制機用光規(guī)的方法實現(xiàn)對套筒內(nèi)螺紋小徑的檢測；通過位移傳感器接觸式測量方法完成套筒結(jié)構(gòu)尺寸檢測；為減少套筒加工殘留物及環(huán)境因素對檢測效果的影響，設(shè)備增加套筒清洗功能；并對檢測合格的套筒進(jìn)行保護套安裝。

2 機床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機床總體布局和工作原理

設(shè)備主要分為八大部分：套筒上下料裝置、清掃裝置、通規(guī)物理檢測裝置、止規(guī)物理檢測裝置、外廓尺寸檢測裝置、光規(guī)檢測裝置、保護套上料安裝裝置和回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 機床總體結(jié)構(gòu)布局Fig.3 Overall structural layout of the machine tool

系統(tǒng)按照上料裝置、清掃裝置、通規(guī)物理檢測裝置、止規(guī)物理檢測裝置、外輪廓尺寸檢測裝置、光規(guī)檢測裝置、保護套安裝裝置、下料裝置逆時針排列順序。首先上料裝置夾取套筒放置在回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)盤上，回轉(zhuǎn)盤將套筒旋轉(zhuǎn)至清掃裝置工作位置，完成套筒內(nèi)壁碎屑刷洗；清掃完成后回轉(zhuǎn)盤將套筒送至通規(guī)物理檢測裝置及止規(guī)物理檢測裝置處，為防止螺紋塞規(guī)工作時套筒位置發(fā)生偏移，故在通規(guī)物理檢測裝置處加裝夾緊裝置，夾緊過后進(jìn)行通規(guī)、止規(guī)檢測；檢測完成后回轉(zhuǎn)盤將套筒送至外輪廓尺寸檢測裝置處，通過位移傳感器檢測套筒高度及外徑尺寸；尺寸檢測完成后回轉(zhuǎn)盤將套筒送至光規(guī)檢測裝置處，夾緊定位后進(jìn)行光規(guī)檢測；光規(guī)檢測完成后回轉(zhuǎn)盤將套筒送至保護套安裝裝置處，對檢測合格的套筒安裝保護套；最后旋轉(zhuǎn)至下料裝置處進(jìn)行套筒下料。機床八工位同步進(jìn)行，某一工位檢測不合格，后續(xù)工位不再對該套筒進(jìn)行檢測。

2.2 回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位系統(tǒng)設(shè)計

回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位系統(tǒng)是連接各工位的樞紐，該機構(gòu)是各工位實現(xiàn)套筒連續(xù)檢測的平臺，通過驅(qū)動凸輪分割器帶動回轉(zhuǎn)盤進(jìn)行工位間的轉(zhuǎn)換?；剞D(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)盤、環(huán)形軌道、凸輪分割器、支撐腿、桌面組成，見圖4?；剞D(zhuǎn)盤直徑為700 mm、厚20 mm。將回轉(zhuǎn)盤等分成8等份，使得各工位可以同時進(jìn)行檢測且互不干涉。為減少回轉(zhuǎn)盤自身的轉(zhuǎn)動慣量，其材質(zhì)選用鋁合金。

圖4 回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.4 Structure principle of rotary table indexing system

凸輪分割器帶動圓盤做圓周運動，圓盤帶動套筒在環(huán)形軌道上運動，每45°啟停一次，達(dá)到切換工位的目的。在進(jìn)行間歇分度凸輪機構(gòu)選型設(shè)計時，需要考慮整體的負(fù)載大小，其計算過程如下：

分割等分?jǐn)?shù)S=8；驅(qū)動角度θ=45°；可達(dá)到8個/min的檢測效率。凸輪曲線是變形正弦曲線，因此Vm=1.76，Am=5.53，Qm=0.99；入力軸回轉(zhuǎn)速N=80 r/min；負(fù)載安全系數(shù)fe=1.5；摩擦因數(shù)μ=0.15；回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤尺寸D=700 mm。根據(jù)公式(1)計算各部分慣性扭矩：

(1)

式中：m為各部件質(zhì)量；r為質(zhì)點和轉(zhuǎn)軸的垂直距離。轉(zhuǎn)盤質(zhì)量m1=12 kg，夾具質(zhì)量m2=1.408 kg，工件質(zhì)量m3=0.14 kg。Te為實際負(fù)載扭矩，計算得97.225 8 N·m，慣性扭矩Ti為58.225 8 N·m，凸輪分割器入力軸扭矩Tc為36.089 7 N·m。

(2)

假設(shè)馬達(dá)的效率為80%，連續(xù)傳動所需的功率為啟動時最大功率的1/2，即P=0.169 kW，見式(2)。通過查詢凸輪分割器選型手冊，選用日照韓德士的凸輪分割器且型號為：RU80DF-08-120-2RS3VW1X。凸輪分割器的定位精度為±30″，故轉(zhuǎn)盤誤差精度為±0.05 mm。

2.3 通止規(guī)物理檢測裝置設(shè)計

通規(guī)、止規(guī)檢測機構(gòu)由螺紋塞規(guī)、塞規(guī)筒夾、刀柄主體、銑削動力頭、伺服電機、浮動機構(gòu)、絲杠模組、夾緊機構(gòu)等組成，見圖5。依據(jù)通止規(guī)檢測要求，對機用螺紋塞規(guī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，使其滿足使用要求。采用伺服電機驅(qū)動動力頭旋轉(zhuǎn)，帶動塞規(guī)回轉(zhuǎn)，將動力頭通過浮動機構(gòu)固定于絲杠模組上，絲杠模組帶動動力頭向下進(jìn)給，以此實現(xiàn)塞規(guī)對零件的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給檢測。浮動機構(gòu)由上下兩組彈簧構(gòu)成，當(dāng)塞規(guī)出現(xiàn)卡頓、空轉(zhuǎn)，彈簧壓緊動力頭回彈，回彈距離超過傳感器位置，設(shè)備報警，塞規(guī)回退，防止因為同心度低等因素?fù)p傷套筒。依據(jù)運行過程中伺服電機功率曲線的變化判定工件合格與否。直線絲杠模組選用絲杠導(dǎo)程5 mm、垂直使用、負(fù)載330 N、絲杠直徑16 mm的絲杠滑臺，驅(qū)動選用研控閉環(huán)步進(jìn)電機。

圖5 通止規(guī)物理檢測裝置結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Structural principle of physical detection device for thread plug gauge

2.4 外廓尺寸檢測裝置設(shè)計

外廓尺寸檢測裝置采用位移傳感器對套筒進(jìn)行接觸式測量，包括夾緊機構(gòu)、STWA滑臺氣缸、KTRC自復(fù)位傳感器，見圖6。套筒送至外廓尺寸檢測工位時，HTF系列大口徑開口夾氣缸夾緊套筒，應(yīng)用開口夾夾頭帶動單邊KTRC位移傳感器完成對套筒的外徑檢測；STWA系列滑臺氣缸帶動KTRC自復(fù)位傳感器豎直運動實現(xiàn)對套筒高度的測量，見式(3)：

圖6 外廓尺寸檢測裝置結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Structural principle of external dimension detection device

H=H0-X+h

(3)

式中：H0為位移傳感器初始安裝高度；X為STWA系列滑臺氣缸行程，選型為50 mm；h是位移傳感器縮進(jìn)量。

2.5 光規(guī)檢測裝置設(shè)計

光規(guī)規(guī)檢測系統(tǒng)由光規(guī)、安裝塊、刀柄主體、光規(guī)筒夾、絲杠模組組成，見圖7。光規(guī)采用定制機加工，根據(jù)機用通規(guī)尾端尺寸選擇浮動夾頭的筒夾和刀柄主體。刀柄主體采用莫氏三號錐度連接至安裝塊上，尾端用拉桿及螺母固定。當(dāng)套筒到達(dá)光規(guī)檢測工位，氣缸夾緊工件，步進(jìn)電機驅(qū)動直線絲杠模組直線運動。絲杠模組設(shè)置初始、兩個極限位置的光電開關(guān)，控制通規(guī)的往復(fù)運動距離。

圖7 光規(guī)規(guī)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.7 Structural principle of optical gauge detection system

2.6 保護套上料安裝裝置設(shè)計

通過各工位檢測合格的套筒，將在此工位進(jìn)行保護套安裝。保護套上料安裝裝置由保護套送料系統(tǒng)及保護套上料及壓帽系統(tǒng)組成。

2.6.1 保護套送料系統(tǒng)設(shè)計

保護套送料系統(tǒng)由振動上料盤、上料軌道、取帽口、推料塊等組成，見圖8。

圖8 保護套送料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.8 Structural principle of protective sleeve feeding system

凸輪分割器帶動圓盤約9 s轉(zhuǎn)動一個工位，因此上料速度需要大于7 個/min，且可以實現(xiàn)料滿停止上料的功能。取帽動作采用吸盤，上料需要滿足物料大頭向上且不發(fā)生疊料卡料情況。上料機構(gòu)采用震動上料盤以順時針旋向送料，其料道為單軌道設(shè)計，大頭朝上，水平懸掛出料。對接直振軌道300 mm。其盤面尺寸600 mm，出口高度305 mm左右，儲料數(shù)量500 個，出料速度為30 個/min以上并且可吹氣輔助調(diào)整出料速度。出口長度為平切線面，表面用PU處理，穩(wěn)定快速送料。設(shè)計了滿倉時的卡料機構(gòu)，滿料停機功能卡料率小于0.1%。為避免卡料疊料問題，采用錯位機構(gòu)將每次要取走的物料與料道物料分離。

2.6.2 保護套上料及壓帽系統(tǒng)設(shè)計

保護套上料及壓帽系統(tǒng)由STWA滑臺氣缸、TR雙軸氣缸、真空吸盤、壓帽氣缸、壓帽塊等組成，見圖9。保護套上料系統(tǒng)要實現(xiàn)將保護帽從上料盤運送至套筒上，保護帽輸送過程中，需要控制其放料位置誤差，將保護帽放置在套筒內(nèi)螺紋中心處便于壓帽動作。由于保護帽質(zhì)量較輕且體積較小，因此采用真空吸盤吸取。真空吸盤套組要包含吸盤來吸取物料，真空發(fā)生器調(diào)節(jié)正負(fù)壓，兩通閥控制氣壓通斷。吸盤型號為ZP3P-T32JT2SF-W-A20-10，真空發(fā)生器型號為ZH13BSA-08-10，兩通閥型號為VZ210HA。由于吸帽動作時間小于放氣狀態(tài)，因此采用通電通氣的方式。帶動吸盤運動由氣缸實現(xiàn)，送料機構(gòu)由STWA滑臺氣缸、TR雙軸氣缸組成。當(dāng)回轉(zhuǎn)盤攜帶內(nèi)螺紋連接套筒轉(zhuǎn)至壓帽機構(gòu)處，停留9 s，上帽機構(gòu)先由雙軸氣缸攜帶真空吸盤做豎直向下的運動，至振動上料盤錯位機構(gòu)中的保護帽處，吸盤通氣吸取保護帽。隨后回升至初始位置，由滑臺氣缸做橫向移動至回轉(zhuǎn)盤套筒上方。雙軸機構(gòu)做豎直向下的運動將保護帽放置螺栓孔上，吸盤停止通氣將保護帽放置套筒孔中，雙軸機構(gòu)回升。

圖9 保護套上料及壓帽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.9 Structural principle of protective sleeve feeding and pressing cap system

壓帽動作要求將保護帽安裝入套筒內(nèi)，根據(jù)保護套材質(zhì)及安裝方式，采用三軸氣缸利用沖量將保護套砸入套筒內(nèi)。

2.7 套筒上下料裝置設(shè)計

套筒上下料裝置由支撐座、RMT滑臺氣缸、HFZ手指氣缸、TCL三軸氣缸組成，見圖10。套筒運送至上料工位，RMT滑臺氣缸推動HFZ手指氣缸到達(dá)套筒上方，TCL三軸氣缸推動夾爪下降，手指氣缸實現(xiàn)對工件的夾持并輸送至上料工位處；各工位檢測完成后套筒送至下料工位，三軸氣缸推動夾爪下降，手指氣缸實現(xiàn)對工件的夾持，滑臺氣缸推動夾爪氣缸送至套筒收集處，完成檢測。手指氣缸的選型設(shè)計決定著機械手能否將套筒穩(wěn)定地抓取，在實際運行中手爪的夾持力應(yīng)該保證大于所有力的總和。套筒經(jīng)過稱重質(zhì)量為0.618 kg，為了保證工件能穩(wěn)定地被夾住夾緊力為

圖10 套筒上下料裝置結(jié)構(gòu)原理Fig.10 Structural principle of sleeve loading and unloading device

(4)

式中：α為余裕率，為了安全考慮，取4；μ為摩擦因數(shù)，取0.1～0.2。夾緊力在工件重力的10～20倍以上，選定型號為MHZ2-16D的手爪氣缸。

2.8 清掃裝置設(shè)計

清掃裝置由單相電機、銑削動力頭、毛刷、絲杠模組等組成。普通單相電機通過皮帶驅(qū)動動力頭，帶動毛刷轉(zhuǎn)動勻速轉(zhuǎn)動，毛刷自轉(zhuǎn)清除套筒內(nèi)部毛刺及油漬。步進(jìn)電機驅(qū)動直線模組實現(xiàn)上下進(jìn)給運動。工作期間絲杠直線模組帶動動力頭在起始位置、終止位置兩個傳感器之間做勻速直線運動。

2.9 夾具設(shè)計

設(shè)計夾具的目的為通過摩擦力來阻止工件轉(zhuǎn)動和移動，此機床夾具主要作用是防止套筒在力矩M的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動和在軸向力Fr的作用下發(fā)生軸向移動。根據(jù)機床軌道及回轉(zhuǎn)盤安裝位置等設(shè)計夾緊機構(gòu)，最終選擇四點定位的夾緊方式。在每個夾持點使套筒轉(zhuǎn)動的力為M/(4R)，使套筒軸向移動的力為Fr/4，夾緊力FJ產(chǎn)生的摩擦力為μFJ。

μFJcosα=-Fr/4

(5)

μFJsinα=-M/(4R)

(6)

將式(5)(6)分別二次方相加后與安全系數(shù)相乘得到實際夾緊力為

(7)

式中：K為安全系數(shù)；K0為基本安全系數(shù)，考慮工件材料、余量是否均勻，一般取1.2～1.5；K1為加工性質(zhì)因數(shù)，精加工取1.0，粗加工取1.2；K2為鈍化因數(shù)，一般取1.1～1.3；K3為切削特點因數(shù)，連續(xù)切削取1.0，斷續(xù)切削取1.2；FJ為理論夾緊力，N；FJ0為實際夾緊力，N；μ為摩擦因數(shù)；R為工件半徑，mm；Fr為軸向力，N；M為力矩，N·mm。經(jīng)計算，為防止套筒回轉(zhuǎn)，通規(guī)止規(guī)物理檢測裝置需要夾緊力為29.456 9 N。根據(jù)氣缸的選型原則要求及有效夾持力變化曲線，最終選擇大口徑開口夾式手指氣缸HFT32，行程60 mm。光規(guī)檢測裝置及外廓尺寸檢測裝置夾緊是為了使零件具有較高的同心性，故其夾緊氣缸不需要較大的夾緊力。

3 實驗與驗證

通規(guī)物理檢測裝置作為核心裝置，合理地裝配該裝置是此生產(chǎn)線的重中之重。為驗證套筒檢測生產(chǎn)線的設(shè)計可行性及檢測準(zhǔn)確性，針對通規(guī)物理檢測裝置開展實驗驗證，見圖11。

圖11 實驗樣機制作Fig.11 Experimental prototype production：(a)prototype； (b)pass gauge test device

完成組件裝配及控制系統(tǒng)調(diào)整后，隨機抽取2個套筒進(jìn)行手動通規(guī)檢測，檢測合格后，放入通規(guī)檢測工位，調(diào)整通規(guī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行4組對比實驗，測量出不同轉(zhuǎn)速下的通規(guī)扭矩變化，實驗結(jié)果見圖12。

可以看出：通規(guī)向下旋入及向上旋出時產(chǎn)生較大扭矩且兩點關(guān)于通規(guī)反轉(zhuǎn)點呈對稱分布；空載帶量具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩明顯小于量具在套筒中的扭矩；4組數(shù)據(jù)在通規(guī)反轉(zhuǎn)時均產(chǎn)生了較明顯的急停急起的扭矩變化趨勢。綜上所述，該裝置設(shè)計合理，能滿足檢測要求。

4 結(jié)論

針對核電高強鋼筋連接套筒現(xiàn)有檢測手段效率低、人工成本高、各項指標(biāo)隨機抽檢、漏檢等問題，提出了以塞規(guī)檢測及高精度位移傳感器測量為主的多工位智能檢測生產(chǎn)線的解決方案，并進(jìn)行三維建模與樣機測試，設(shè)計一種全自動鋼筋連接套筒智能檢測生產(chǎn)線。該檢測生產(chǎn)線實現(xiàn)對連接套筒內(nèi)螺紋牙型、螺距、中徑及大徑、內(nèi)螺紋小徑及結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)的檢測。經(jīng)理論計算：與傳統(tǒng)人工方式相比，效率高出10倍左右。該檢測生產(chǎn)線自動化程度高、操作簡單，應(yīng)用前景廣泛，同時為其他類型檢測生產(chǎn)線的設(shè)計提供了較好的借鑒作用。