微小型螺钉自动夹持系统技术研究

张少峰

摘要： 微型螺钉在精密电子仪器领域应用极为广泛，目前微型螺钉的生产技术已较为成熟，然而将这些微型螺钉应用于产品中还须要做进一步的机械加工与在线检测，那么就需要对微型螺钉进行二次装夹，目前无法实现微型螺钉自动化单颗的高精度定位与加紧。有鉴于此，本装置的目的在于提供一种微型螺钉自动装夹的功能，以解决现有微型螺釘不能够实现单颗高精度自动定位与夹紧的问题。通过多批次的生产应用，效果良好，将目前的手动装夹完全转换为全自动装夹，极大的减轻了劳动力，不仅满足产品的质量要求，还大幅度的提高生产效率，具有良好的推广应用价值。

关键词： 微小型零件;自动化;独立高精度定位与夹紧

引言

以螺钉为代表的微小型零件是钟表等微型结构系统中重要的连接零件，但是由于其结构微小，需要使用手动装夹的方法安装或检测，将会使辅助时间远远增加，并且劳动强度也比较大。

微、薄、轻、杂是微小型零件的常见特征，导致了零件难以抓取、易被损伤，成为实现自动化的障碍。

自动夹持装置工作原理

典型的微小螺钉，外圆和高度均只有几毫米，进行大批量生产时，之前的装夹方式主要是手动作业，将每一个颗个零件预先拧在一个基板上或安装在三爪卡盘上，然后再进行加工，所以手动拧紧每一颗零件浪费了大量的装夹时间，加工效率极底。

基于此，自动夹持装置的设计遵循以下的思路：

首先要解决零件自动排序的问题，而且是在零件处于杂乱状态下通过装置对零件进行分类、排序和自动送料;

其次要解决自动装夹的问题，这个必须依靠机械装置来实现，它的主要功能是对零件的抓取、运动和定位，这个三个动作必须一气呵成，且定位的同时实现夹紧;

最后，在实现上述两个主要功能的基础上，要对整个系统进行精准的逻辑控制，使得各个动作发生的时序要按照预设的程序进行，整合成一个系统。

整个装置由以下几部分组成：系统控制器、基于振动盘的零件排序装置、直线送料装置、柔性夹持机械手、多功能定位夹紧模块，具体实施的主要流程如下：

把待加工的零件倒入振动盘料斗，通过振动盘的振动作用对零件位置进行筛选排序，将零件自动送入直线送料器;然后在通过直线送料器将零件送入机械手卡槽内，实现机械手对零件的有效抓取;最后直线气缸推动机械手将零件送入工作台的气动三爪中心内，将零件夹紧，从而完成整个装夹过程。

关键单元研制

振动盘

振动盘是一种能自动定向、排序的送料结构，它能实现各种产品有序排列，是自动夹持装置中重要的辅助装置。

振动盘料斗的设计和制造是振动盘实现功能的关键。为了满足这种微型零件的精密排序送料，料斗设计为渐开螺旋线结构，也便于数控机床的加工。同时，为了解决零件排序时在轨道内上升容易出现多排上升的情况，将轨道的宽度设计为小于零件外圆直径，这样可以保证单列零件上升、多余的则会重新掉入振动盘内。

在零件自动排序时，还会出现大端向下，小端向上这种情况，由于在上升过程中位置基本不会发变化，这种情况下零件是不会掉入出料口槽内的，解决方法是在料斗的侧壁上加装一个斜线拨片，因为大端向下，小端向上的零件的高度尺寸大于正常上升的零件尺寸，所以会被斜线拨片重新拨入料斗内，重新调整位置然后再继续上升。

直线送料装置

微型零件在振动盘里面排好序出来将进入直线送料器，等待机械手抓取上料。同时，在该机构中安装了光电传感器，感应直线送料器为满载状态时，系统自动停止振动盘，对振动盘实现自动启停功能，提高振动盘的使用寿命。

柔性夹持机械手

上料机构主要由机械手、底座、直线气缸、动滑轨、静滑轨、弹簧等组成。

机械手上料装置默认为缩回状态，此时活动卡手与固定卡手的位置正好处于动滑轨的开口处。压紧装置与气缸之间产生斜面配合，压紧装置绕旋转中心向右旋转实现打开状态，此时零件由直线上料装置滑入活动卡手与固定卡手的动滑轨内。

当气缸通气时，气缸推动机械手伸出，压紧装置失去与气缸的斜面配合，压紧装置在内部弹簧作用力下向左旋转压紧零件，限制了零件的Z向自由度。零件在固定卡手的推动下在滑轨内向前滑动，直到将零件送入三爪气缸中心准确停止。三爪卡盘在压缩空气的作用力下，自动夹紧零件。

多功能定位夹紧模块

工作台由旋转气缸、三爪气缸、活动三爪、固定三爪、工作台本体、和支撑座等零件组成。

打破传统三爪夹紧的结构，将三爪设计为定爪和动爪相结合的定位方式，实现了进料槽和夹持孔的动态调整，解决了微型螺钉轴向与径向易掉落的难题。通过调节气压控制动爪夹紧力，实现螺纹不被损伤。通过对旋转气缸加装缓冲型限位模块提高立卧式自动转换重复定位精度。

控制系统

控制系统主要作用分为电路控制和气路控制两大部分。

主电路采用低压电源，首先是将220V电降压输出为人体安全电压DC24V，将电压输送给PLC、振动盘变频器、电磁阀、等其它检测报警传感器提供主电源，确保设备的用电安全，系统控制器是采用SIEMENS S7—200的PLC控制整个电路的逻辑关系，设备中加装计数器，实现加工数量的自动计数。

气路控制是利用压缩空气，把空气进行过滤、调压、润滑处理后、使得压缩空气大于0.7Mpa，将压缩空气输送到4组电磁阀，通过电路控制完成各个气动零件的动作。

系统集成与应用效果

使用自动夹持装置可以对微小型螺钉进行多种类型的加工提供装夹，可实现的功能包括;自动测量装夹，自动铣削装夹，自动钻削装夹，自动锯削装夹。工作台可以实现立卧自动转换，更方便的满足了零件的多样性加工。

结论

经过生产验证，全自动装夹系统总体方案可行有效，不仅保证了产品的合格率、质量的稳定性，减轻了劳动力，而且还极大的提高了生产效率，为类似产品的全自动定位装夹提供了良好的借鉴。通过本套装置成功的解决装夹瓶颈难题，本套装置在突破各关键技术的基础上实现小型化、模块化和机电一体化设计，在国内有较高的先进性。

参考文献

罗伯特·诺顿.机械设计[M].第5版.北京：机械工业出版社，2016.

SMC（中国有限公司）.现代实用气动技术[M].第3版.北京：机械工业出版社，2008.

郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].第1版.北京：电子工业出版社，2009.

黄学良.电路基础[M].第1版.北京：机械工业出版社，2009.