吹气式螺丝自动安装机的设计

聂荣臻， 盛希宁， 蔡舒旻

(江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院，江苏 常州 213025)

研究与设计

吹气式螺丝自动安装机的设计

聂荣臻， 盛希宁， 蔡舒旻

(江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院，江苏 常州 213025)

吹气式螺丝自动安装机可广泛用于家电、家具螺丝的自动安装。阐述了吹气式螺丝自动安装机的设计原理、工作过程和应用特点，在实际生产中采用该机可有效地减少企业装配线上的人力资源配置，节约人力资源成本，提高生产效率。

吹气式；螺丝；安装机；设计

螺纹连接和紧固在各行各业的装配中均有十分广泛的应用，同时也是装配线上占用人力资源比较大的环节之一[1]。据统计，在家具和家电装配线上，投入与螺丝安装相关岗位上的人力资源一般要占装配线上总人力资源的1/4左右。电动工具的使用可以减轻相关岗位工人的劳动强度并在一定程度上提高劳动效率，但不能从根本上消除大量简单重复劳动给工人带来精神上的疲乏和心理上的压力，也不能从根本上消减企业在这项简单工作中投入的大量人力资源[2]。

笔者所在团队受相关企业委托，设计出一种可以自动完成螺丝安装及紧固的机器，可用于企业升级装配线，实现装配的自动化、无人化，从而降低企业的人力资源成本。

1 吹气式螺丝自动安装机的工作原理

吹气式螺丝自动安装机如图1所示，该机利用坐标点进行程序编制或系统“记忆”螺丝孔位的方法完成螺丝孔位的输入，系统通过步进电机和同步带操作，使螺丝枪移动至待加工的位置，螺丝储存在螺丝储存、分拣机构中，通过分拣，螺丝被送至吹出口，随后在压缩空气的作用下螺丝沿导管被吹入导向装置，经定位导向后气缸将螺丝枪压紧在工件表面待攻丝位置或待安装紧固螺丝的位置，然后螺丝枪带动螺丝旋转直到攻丝或紧固完成，随后螺丝枪进入下一个工作位置，如此循环直至完成设定工作。

图1 吹气式螺丝自动安装机

2 吹气式螺丝自动安装机的设计

2.1 自动送料机构设计

自动送料机构主要用于螺丝储存，将螺丝排列整齐并推至送料口。其工作原理是通过压缩气体产生的压力将螺丝送至螺丝紧固装置上。

自动送料机构采用叶轮式振动结构设计，通过叶轮将螺丝扬起，然后螺丝在自身重力的作用下自动掉入送料口前端的导向装置中，通过振子振动使螺丝在导向装置中自然排列整齐，且保证螺丝头部在上，螺丝在导向装置中向送料口移动。送料气压通常按照螺丝的规格和管径进行选择，例如常用家电设备的安装中，气压一般控制为1.5～2 MPa[3]。

2.2 运动控制机构设计

运动控制机构主要控制工作台的X向和Y向两个方向的移动，同时实现螺丝紧固装置的Z向移动控制，用于螺丝紧固装置的定位。工作台的X向和Y向，以及紧固装置的Z向在电机及同步带传动的带动下实现平移，从而带动工作台上的工件沿X、Y向平移，以及螺丝紧固装置做Z向的移动[4]。

运动控制机构采用步进电机及同步带传动方式，由于普通家电和家具对螺丝孔位的精度要求不高及螺丝孔与螺丝之间本身存在的导向作用，普通步进电机与同步带组成的开环控制系统即能满足设计需求。若特殊产品需有更高的定位精度要求时，则可改为伺服电机-滚珠丝杠-磁栅组成的闭环系统。

2.3 自动紧固装置设计

螺丝紧固装置在螺丝定位后可用于对螺丝进行紧固操作，也可用于对塑料、木材等材料的攻丝。自动紧固装置可采用普通电动螺丝刀固定在支架上，紧固过程中采用气压缸对电动螺丝刀进行压紧。

2.4 控制系统设计

控制系统主要用于点位储存、工作路径计算、编程操作等。控制系统控制三个步进电机和两个气动阀的运动与操作，对此市场上有非常成熟的解决方案，本设计选用的普通PLC运动控制系统配合手持编程器即可满足设计需求[5]。

控制系统工作流程如图2所示，工作中控制系统发出指令，自动送料机构的气阀打开，将螺丝推送至自动紧固装置前端，然后气阀关闭，运动控制系统根据控制指令将螺丝紧固装置和工件移动到相应的工作位置，按照预先编制的程序进行螺丝自动安装或攻丝工作[6-7]。

图2 控制系统工作流程

3 吹气式螺丝自动安装机的特点及应用前景

吹气式螺丝自动安装机可以实现单个、多个螺丝孔的攻丝或螺丝安装，从而减少或取代装配线上的人工。该机的操作方式非常灵活，既可以采用G指令编程进行点位控制，也可以采用点位记忆的方法来设置螺丝安装点，便于无数控编程基础的人员进行操作。

(1)传统的螺丝送料机构通常采用电磁吸取或真空吸取两种方式。这两种方式都存在定位不正的问题，导致在后面攻丝和紧固过程中容易发生攻丝孔不正、螺丝卡住等问题，需要人工干预修正后才能重新投入生产，影响正常生产进度[8]。吹气式螺丝自动安装机采用吹气方式送料并配合导向装置，螺丝在压缩空气的作用下被吹入导向装置中，利用导向装置能够引导螺丝摆正，然后再进行攻丝和紧固，这样就可避免定位不正、卡住等问题的发生。

(2)传统的螺丝自动安装设备大多只能沿固定轨迹移动，而且移动轨迹一般为直线，对于形状比较复杂的安装形式则难以实现，这将大大限制机器的使用范围。吹气式螺丝自动安装机增加了手持式编程操作器，采用坐标点编程输入方式，可使螺丝按照预定轨迹进行安装，既可实现各类多边形、圆形、曲线等复杂形状螺丝的安装，也可实现按照如文字、图案等图形的螺丝安装，大大提高了安装机的实用性和应用范围。

(3)传统的自动安装设备在进行螺丝的安装和紧固时通常有两种形式：一种是类似钻模板的方式进行安装，即一台设备只能对应同一个零件，虽然加工效率高，但适应性差，一旦产品改型则必须重新定做模版，不符合现代柔性化制造的要求，而且造成浪费；另一种是编程式定位安装的方式，这种方式有一定的适应性，但对操作者要求较高，需要企业有一定的培训，也造成成本的增加。吹气式螺丝自动安装机兼具了上述两者的优点，规避了相关缺点。该机采用气动方式辅以导向装置可实现螺丝定位，采用坐标点编程方式可实现螺丝安装路径的变化。考虑到操作者的水平和能力，编程方式采用的是坐标点值输入的方式，降低了操作难度，而编程设备设计的“记忆”功能则可以进行程序记忆，即让设备自主“学习”，“记忆”加工点位代替编程过程，降低了操作难度，减少了人工投入，提高了工作效率。

利用吹气送料方式进行螺丝安装可实现螺丝的自动安装与紧固，解决了在螺丝安装过程中必须投入大量人力的问题。若将该设备的控制台进行改造，即可配合流水线的传送带完成自动送料、安装、卸料等操作，有效嵌入企业原有的生产线中，可取代工人的人工操作，而且无需对原有生产线进行较大改造，操作简便。

目前该设备已经在数家家电制造企业得到实际应用，并取得了良好的使用效果，大大提高了企业的生产效率，降低了企业生产成本。

[1] 贾广田.全自动锁螺丝机控制系统设计与开发[D].杭州：浙江工业大学，2015.

[2] 李泳龙.永宏PLC在全自动螺丝机上的应用[J].可编程控制器与工厂自动化，2015(9).

[3] 蔡湘云.中小批量上螺丝机的设计[J].科技创新导报，2015(3).

[4] 贺昌勇，张厚江，祖汉松，等.基于虚拟仪器运动控制技术的现状与发展趋势[J].林业机械与木工设备，2014，42(2)：9-12.

[5] 孙燕良，张厚江，翟艳凤，等.基于PLC气动机械手的研究设计[J].森林工程，2011，27(3)：45-50.

[6] 刘轩，崔登乾.方便装螺丝机[J].科学大众，2012(10).

[7] 罗隆.基于PLC技术的全自动螺丝机控制系统研究与开发[J].工业控制计算机，2014(7).

[8] 侯柏林.钻孔攻牙自动上螺丝机设计[J].机械研究与应用，2013(2).

(责任编辑 张雅芳)

Design of Automatic Aspirated Screw Installation Equipment

NIE Rong-zhen， SHENG Xi-ning， CAI Shu-min

(Changzhou Liuguojun Branch，Jiangsu Union Technical Institute，Changzhou Jiangsu 213025，China)

Automatic aspirated screw installation equipment is widely used in the automatic installation of screws used in home appliances and furniture.The design principle，working process and application characteristics of automatic aspirated screw installation equipment are stated，and the use of such equipment can effectively reduce the allocation of human resources in the enterprise assembly line，save cost of human resource and improve production efficiency in the actual production.

aspirated；screw；installation equipment；design

2016-10-10

聂荣臻(1969-)，男，实验师，主要研究方向为数控加工技术。

TH131

A

2095-2953(2017)02-0032-03