一种带V字形垫片螺钉的拾取与锁紧装置的研制

0 引言

螺钉是工业自动化生产中大量使用的连接零件，如接线板与固定体的连接需要用到多个螺钉。传统的操作方法是依靠人工一边取螺钉、另一边锁螺钉来完成；采用人工方式作业，存在问题是生产效率低、一致性差、生产成本高。

现代科技不断发展进步，产品生产企业为提高生产效率、降低生产成本，在生产过程中希望通过自动化生产；但是由于螺钉体积较小，数量多，要实现其分料、定位、拾取、锁紧难度较大，特别是带有V字形垫片的螺钉在装配过程中，由于带V字形垫片螺钉本身结构因素导致自动化装配更难以实现。

1 背景技术简介

在工业流水线上旋紧螺钉目前大部分采用电动螺丝刀或者气动螺钉刀操作，这种旋紧的工具虽然具备结构简单的优点，但是仍然需要人工手持操作，不能实现自动化生产，工作效率低，在有大批量的生产订单时，需要大量的人工进行锁螺钉操作，提高生产成本。

现在市场上也有一些简单的自动锁螺钉的装置，工作原理是将螺钉送至需要锁螺钉的位置上方的导向位置，通过简单的气动机械手控制螺丝刀进行锁螺钉，实现锁螺钉的自动化操作。这些简单的装置适合无垫片的螺钉而且螺丝孔上方具有导向位置的情况；当螺钉自身带垫片尤其是V字形垫片或者没有导向位置或者只有部分导向位置时，这些装置就很难实现自动对螺钉定位与锁紧操作。

2 带V字形垫片螺钉拾取与锁紧方案研制

为解决带V字形垫片螺钉目前仍采用人工取螺钉、人工锁螺钉这种人工锁紧的现状，采用一种有效的螺钉的定位拾取与锁紧装置，其能实现螺钉的自动拾取与锁紧，有利于实现螺钉的自动化装配，提高螺钉的装配效率。

带V字形垫片螺钉的结构特点是V字形垫片与螺钉是可以相互自由活动，V字形垫片可以围绕螺钉进行360°旋转，这就给供料装置和定位装置的设计带来很大的难度；V字形垫片本身的结构接近正方形，一侧宽度7.6 mm，另外一侧7.9 mm；在产品上需要保证V字垫片的7.6 mm方向上一致，7.6 mm与7.9 mm不允许互换，这种结构导致螺钉在供料装置和定位装置上时存在很大难度(如图1)。

图1 带V字形垫片的螺钉位置图

在方案设计时通过对螺钉结构和产品的结构进行分析后，要保证达到一致性和高效率，采用图2所示动作顺序完成。在方案设计中核心的装置是螺钉分料与定位与螺钉的拾取与锁紧的研制，螺钉供料系统筛选和产品转盘工装供料以及成品输出这些动作都是工业自动化中比较普遍的动作；螺钉供料系统筛选这部分采用进口的振动筛选器和直线段的输送器，确保螺钉在筛选和输送过程中稳定可靠。为满足效率，在方案设计过程中采用多轴实现带V字形垫片螺钉的同步定位与拾取，利用气动方式实现多轴螺丝刀的移动并在产品锁紧位置进行锁紧操作。

图2 方案设计动作图

3 螺钉分料与定位装置研制

3.1 螺钉分料与定位装置的研制目标

螺钉分料与定位装置的设计目标是快速高效地分料与定位带V字形垫片的螺钉；通过以下条件对伺服电动机、滚珠丝杆、滑轨滑块、轴承进行选型。

3.2 螺钉分料与定位装置的研制方案

螺钉分料与定位装置的设计方案是通过伺服电动机与滚珠丝杆副作为动力装置，带动螺钉分料块沿水平导轨移动；在螺钉分料块两侧有导向装置，使得分料块中的螺钉在分料过程中位置稳定，无偏移。在螺钉分料块上设计有与螺钉拾取与锁紧机构套数相同的螺钉容纳槽，每个螺钉容纳槽贯穿分料块两个侧面，导料块上设计螺钉导入槽，螺钉导入槽的输入端衔接筛选振动输送端；在螺钉分料块旁且靠近螺钉导入槽的输出端处设有螺钉到位检测传感器，在传感器检测到螺钉进入螺钉容纳槽后，通过动力装置驱动下，螺钉分料块有序高效地接收螺钉；在螺钉分料块接入螺钉后通过定位装置对自动状态的螺钉进行定位，上述装置的设计实现螺钉的自动分料和定位，有效提高螺钉装配的自动化水平和装配效率。

表1 螺钉分料与定位装置的设计参数

3.3 螺钉分料与定位装置的结构研制

在螺钉分料与定位装置的结构中包括装置固定支撑脚，支撑脚上连接一导轨固定板，在导轨固定板上设置有横向导轨，横向导轨上配合有横向滑块，导轨固定板上装有伺服电动机固定座。伺服电动机通过滚珠丝杆副带动横向滑块沿横向导轨移动，横向滑块的上端面固连一条分料块，导轨固定板连一个导料块；分料块上设计三个螺钉定位槽，每个螺钉定位槽贯穿分料块前后两侧面，导料块上设计V字形垫片的导入槽，V字形垫片导入槽的输入端与供料直线输送端连接。

随着分料块的移动，V字形垫片的导入槽输出端可分别与分料块上的不同螺钉定位槽相衔接；在分料块旁且靠近垫片的导入槽的输出端处设计有螺钉到位检测传感器；螺钉到位检测传感器检测到螺钉进入螺钉定位槽后，伺服电动机动作使分料块移位让下一个螺钉定位槽衔接垫片导入槽的输出端；在分料块的两侧设有螺钉限位与定位机构，螺钉限位与定位机构使螺钉和垫片在分料块的螺钉定位槽中处于垂直状态。垫片导入槽为直型槽且与分料块相垂直，横截面为倒凸字形。

在横向滑块上设计上盖板，防止异物进入滚珠丝杆和滑轨滑块，较好保护滚珠丝杆和滑轨滑块。在螺钉限位与定位机构中设计分料块前后侧的前限位块和后限位块，前限位块和后限位块分别固连在导轨固定板上。前限位块前面的导轨固定板上设计前纵向导轨，后限位块后面的导轨固定板上设计后纵向导轨，前纵向导轨上配合有前滑块，后纵向导轨上配合有后滑块，前滑块和后滑块分别由前气缸和后气缸带动沿纵向移动；前滑块上装有与三个螺钉定位槽相同且位置相互对应的前夹块，后滑块上装有与三个螺钉定位槽相同且位置相互对应的后夹块，前夹块和后夹块在气缸的带动下分别穿过前限位块和后限位块对处于螺钉定位槽中的螺钉进行夹持定位。前夹块与后夹块的夹持端设计V形槽能有效地定位螺钉，使得螺钉始终处于垂直，实现螺钉的定位，通过伺服电动机驱动滚珠丝杆带动分料块进行高效的分料(如图3)。

图3 螺钉分料与定位装置图

3.4 螺钉分料与定位装置的标准件选型

图4 伺服电动机转矩-转速特性图

图5 额定负载持续率线图

通过以上条件以及伺服电动机、滚珠丝杆、滑轨滑块、轴承的选型样本，根据条件计算在满足使用条件的情况下，根据图4和图5参数，选择伺服电动机型号为R88MK40030H-S2-Z，欧姆龙品牌；滚珠丝杆型号为BSSR1210-320，MISUMI品牌；轴承采用角接触轴承7000C和深沟球轴承608ZZ，滑轨型号为MGN15C2R320Z0C，HIWIN品牌[7-11]。根据这些标准件以及运动条件和精度，设计的带V字形垫片螺钉的分料与定位装置能够高速有效地分料螺钉和对V字形垫片进行定位。

4 拾取与锁紧装置研制

4.1 螺钉拾取与锁紧装置的研制目标

螺钉拾取与锁紧装置的设计目标是快速高效地拾取螺钉并在产品的锁紧位置进行锁紧，保证V字形垫片的朝向一致；通过以下条件对螺丝刀、气缸、滑轨滑块、弹簧进行选型。

4.2 螺钉拾取与锁紧装置的研制方案

表2 螺钉拾取与锁紧装置的设计参数

带V字形垫片螺钉通过分料与定位装置后，需要设计螺钉的拾取与锁紧装置来完成螺钉与接线底座的锁紧。在这过程中需要保证转矩不大于0.6 N·m，V字形垫片方向不得歪斜、朝向正确，螺钉竖直锁入接线底座孔中，锁紧在接线底座上并贴平接线底座无缝隙、变形。在设计方案上通过下述方法实现：1)在装置上设计有两段水平导轨，气缸带动水平导轨上的滑块沿水平导轨来回移动；滑块上装有螺钉拾取与锁紧机构；实现在螺钉分料与定位装置与接线底座来回拾取与锁紧。2)螺钉拾取与锁紧装置包括垂直方向上的导轨滑块，由气缸带动上下移动；在垂直方向滑块自上而下依次设计气动螺丝刀固定导向板与调节杆，在调节杆与导向板之间设计压缩弹簧调节锁紧的压缩行程。3)在垂直方向上的滑块下部设计螺钉拾取装置，该装置包括L形连接块、螺钉拾取块和定位块。L形连接块的上端连接固定在垂直方向的滑块上，L形连接块下端面连接拾取块，在拾取块的下面固定螺钉定位块，在定位与拾取块中间设计磁钢，通过磁钢传替有效的磁力，使得V字形垫片与螺钉定位块有效定位，定位块的两个定位斜面呈八字形，两个定位斜面定位V字形垫片的两侧面，解决了V字形垫片螺钉难于拾取定位的问题。4)螺钉拾取块与定位块上设计垂直方向上的通孔，气动螺丝刀刀头部分通过通孔与螺钉上端面的十字锁紧槽有效连接，起到锁紧的功能。在L形连接块垂直方向上设计固定两根垂直导杆，两根垂直导杆的上端分别穿过固定板且旋有螺母，在固定板与L形连接块之间装有压缩弹簧，这样螺钉拾取头的竖直位置可调整，可更好地拾取螺钉。带V字形垫片螺钉在通过分料与定位装置后，通过上述方式实现螺钉与接线底座的锁紧。

4.3 螺钉拾取与锁紧装置的结构研制

在螺钉拾取与锁紧装置的结构中包括装置的固定支撑板，在水平方向上设计有两段水平导轨，气缸带动水平导轨上的滑块沿水平方向来回移动；滑块上装有螺钉拾取与锁紧机构。在竖直滑块上自上而下依次设计第一水平板、第二水平板，气动螺丝刀可活动穿设在第一水平板和第二水平板上，在第一水平板上设计螺丝刀的固定连接块；其中一根调节杆穿过第二水平板和第一水平板与支撑块固连，调节螺杆与螺丝刀相互平行，在调节螺杆的下部设计有一条压簧，压簧驱使支撑块的下端面靠在第一水平板的上端面上，用以控制螺丝刀上下收缩量。竖直滑块的顶部与气缸连接座之间设计拉簧连接，防止气缸在气压不足或者不通气时，由于拾取机构本身的自重导致竖直滑块出现滑落，避免设备的损坏。

在竖直滑块的下部装有螺钉拾取与定位块，螺钉拾取与定位块包括连接块、拾取块和定位块；连接块的上端连接竖直滑块，连接块下端面连接拾取块，拾取块的下端面连接定位块，拾取块的外面设计磁钢，连接块的下端面设计有第一竖直通孔，拾取块上端面设计有第二竖直通孔，在定位块上设计有第三竖直通孔。第一竖直通孔、第二竖直通孔、第三竖直通孔相互贯通使得螺丝刀头旋转轴的下端能伸入第二竖直通孔，拾取块的下端面与第三竖直通孔内周面定位螺钉头部。定位块上端面设计一凹槽，凹槽连通第三竖直通孔，磁钢嵌在凹槽内，磁钢的中间设有第四竖直通孔，拾取块下部嵌入第四竖直通孔，凹槽一侧的定位块向上延伸一连接部，连接部固定在连接块的下端，以方便定位块、磁钢和拾取块的装配。

定位块在第三竖直通孔下端边缘的两侧设计两个定位斜面，两个定位斜面呈八字形，两个定位斜面定位在V字形垫片的上端面，解决了带V形垫片的螺钉难于拾取与定位的问题。

在螺钉拾取与定位块上设计竖直滑块，在拾取块上部固定两根竖直导杆，两根竖直导杆的上端分别穿过调节平板且旋有螺母，在拾取块上部设计第二弹簧孔与调节平板之间设计第二压簧；这样螺钉拾取块的竖直位置可自动调整，更好地拾取螺钉(如图6)。

图6 螺钉拾取装置图

设计上设计一水平移动的安装板用以安装三套螺钉拾取与锁紧机构，三套螺钉拾取与锁紧机构的下面还设计螺钉分料与定位机构；通过气缸带动拾取好的螺钉移动到产品锁紧位置实现快速的锁紧(如图7)。

图7 螺钉锁紧装置图

4.4 螺钉拾取与锁紧装置的标准件选型

通过以上条件以及螺丝刀、气缸、滑轨滑块、轴承的选型样本，根据条件计算在满足使用条件的情况下，选择螺丝刀的型号为347-520-31，DEPRAG品牌；气缸型号为CP96SDB32-160，SMC品牌；滑轨型号为HGH20HA1R260Z0C，HIWIN品牌[12-13]。

5 安装调试与效果分析

螺钉分料与定位、拾取与锁紧装置在完成设计图样与采购件清单输出后，以及相关零件加工和元器件采购后，通过精细装配与调试，整体安装在自动化设备上进行调试。通过调试后，对数据进行统计与对比分析表1。

表3 操作效率与V字形垫片方向放错率统计

螺钉分料与定位、拾取与锁紧装置的研制，将该装置与生产线的机台自动化融合，使得设备的效率提升了将近20%。使用该装置后，对产品上有带V字形垫片螺钉方向做到100%，不存在放反的螺钉，大幅提高了产品的品质。该带V字形垫片螺钉的拾取与锁紧装置的研制，设计简单，配合自动化设备作业，可提高产品的稳定性与生产效率。

6 结语

通过对一种带V字形垫片螺钉的拾取与锁紧装置的研制，借助工业自动化对产品不断地完善和优化，提升产品的质量，减少设备的故障率，提高设备的综合使用率，提高了效益。