无视觉引导下普通电批超小螺丝锁付结构设计

聂修民，王晓军，刘凤，李国涛

（潍坊职业学院，山东 潍坊 261041）

0 引言

在电子及机械行业的生产制造过程中，螺栓是最为常见的紧固件之一，这是因为螺栓为标准件，安装拆卸方便，易于实现大规模、批量化生产，并且成本低、价格便宜、互换性好[1]。要保证螺丝的正常连接，需对螺丝产生一个预紧力，目前常用的拧紧力控制方法有扭矩法、扭矩转角法、屈服极限法和螺丝预伸长法等[2]，而普通电批就是采用扭矩法实现预紧力的控制。

为了迅速实现螺丝的锁紧，一般在流水线作业中采用螺丝锁附设备对螺丝进行锁紧。现有的螺丝锁付设备一般引入视觉系统或采用智能电批（带力矩反馈信号）进行M2以下螺丝的锁付。引入视觉系统或采用智能电批后，设备成本增加，尤其对多生产线多工位工况，成本显著增加，这显然不符合生产单位降低成本的目的。应厂家要求，为降低锁付M2以下螺丝设备的生产成本，开发了一种无视觉引导下普通电批超小螺丝锁付结构，将此锁付结构安装在XYZ桌面式平台或机器人上，即可实现超小螺丝的自动锁付。

1 真空吸附式螺丝机工作原理

真空吸附式螺丝机结构如图1所示，一般将螺丝锁付结构安装在XYZ桌面式平台或机器人上，采用螺丝排列机进行螺丝分拣，利用在吸嘴内形成的真空腔吸附螺丝，XYZ桌面式平台带动锁付结构到工作位进行螺丝锁付。在工作位利用传感器检测有无产品，通过真空压力表检测吸嘴内的真空值判定吸嘴内有无螺丝。当检测到产品，并且吸嘴内有螺丝时，XYZ桌面式平台Z轴往下移动，带动锁付结构往下移动，同时电批开始旋转，当到达设定的扭矩时，Z轴带动锁付结构往上移动，即完成一个螺丝的锁付。重复同样的动作，就可实现批量螺丝的锁付。

图1 真空吸附式螺丝机

2 超小螺丝锁付结构设计

螺丝锁付结构是螺丝机设备的核心部件，决定螺丝机设备是否可以投入使用。螺丝锁付结构设计不合理，就会造成螺丝锁付的失败。

2.1 螺丝锁付分析

从锁付的结果看，锁付失效形式一般有滑牙、浮锁、漏锁、螺钉歪斜、螺丝帽打花等。造成滑牙的原因一般有扭矩设置过大、或产品材料不合格等；造成浮锁的原因一般有电批轴向力不够、或扭矩设置不合理、或位置检测不合理等；造成漏锁的原因一般是吸嘴被堵塞造成真空压力表误判、或螺丝在进入螺丝孔前被弹飞；造成螺丝歪斜的原因一般是点位偏斜、螺丝吸偏等；造成螺丝帽打花的原因一般有扭矩设置过大、电批轴向力过大或螺钉不合格等原因。

超小螺丝锁付结构将从影响螺丝锁付失败的原因入手，综合分析，重点从电批导向、螺丝刀导向和真空吸附腔三个方面设计超小螺丝锁付结构，并定性分析改进结构对锁付过程的影响。解决螺丝锁付失败的原因，就可以达到节省视觉系统或采用普通电批实现超小螺丝的锁付，进而达到节省成本的目的。

2.2 超小螺丝锁付结构设计

超小螺丝锁付结构如图2所示，双滑块导轨固定在固定板Ⅰ上，而普通电批利用连接板Ⅰ固定在双滑块导轨的双滑块上，这样电批就可以相对固定板Ⅰ移动。改进前，采用单滑块导轨对电批进行导向，结构刚度差。改进后采用双滑块结构，提高结构刚度，增加电批导向精度。气缸缸体固定在固定板Ⅰ上，杠杆与电批连接板Ⅱ利用弹簧弹性连接，这样气缸就可以给电批提供一个弹性动力，实现电批的垂直运动。螺丝锁付时，进给速度与电批转速、螺丝长度、牙距有关[1]，进给速度的确定是个复杂的过程，一般采用弹簧提供弹性动力，以保证轴向进给速度。

图2 超小螺丝锁附结构

2.3 吸嘴组件设计

吸嘴组件利用连接板Ⅲ固定在固定板Ⅰ上，吸嘴组件结构如图3所示，连接体上端利用螺母Ⅰ将密封垫片固定住，下端利用螺母Ⅱ将吸嘴固定在连接体上。连接体中间开腔体，利用螺纹孔外接真空源，这样就在连接体和吸嘴中间形成了真空腔。改进前为了保持密封性，吸嘴和连接体设计成整体式结构，如果吸嘴损坏后，就需要更换整个吸嘴组件，而且需要重新调整吸嘴组件和批头的同轴度，如果吸嘴和批头同轴度调整不好，将导致螺丝帽打花、螺丝歪斜，甚至锁付失败，造成成本的增加和效率的降低。改进后的吸嘴组件将连接体和吸嘴分开，这样吸嘴损坏后，可以利用吸嘴上端与连接体的配合精度快速精准更换吸嘴，更换后不需要重新调整吸嘴和批头的同轴度，达到节省成本和提高效率的目的。

图3 吸嘴组件

改进前连接体内采用一个轴承对批头进行导向，批头在高度旋转下，批头端部的摆动量大，影响螺丝的锁付良率。改进后采用两组轴承对批头进行导向，而且两个轴承的间距在结构允许的条件下尽量远、尽量靠近批头端部，以控制批头端部的摆动量，提高螺丝的锁付良率。改进前，连接体上端与批头结合处的密封垫片采用聚氨酯或硅胶垫片，密封性虽好，但是由于加工精度难以保证，密封垫片对批头的摩擦力变动量大，造成电批的锁付力矩波动大，影响螺丝的锁付质量。改进后采用POM材质，保证加工精度，提高耐磨性，从而提高摩擦力的稳定性，达到稳定锁付力矩的目的。

2.4 吸嘴设计

吸嘴结构是锁付结构的关键部件，吸嘴设计不合理，会导致无法吸附螺丝，吸偏，掉钉现象。吸嘴结构如图4所示，在吸嘴下部设有批头可以通过的孔，孔的直径大于批头直径的0.2～0.5 mm，孔直径的选取要保证吸嘴与螺丝帽有足够的接触面积，否则会导致螺钉在吸嘴内不稳定或导致螺钉偏斜。如果吸附力不够，可以在吸嘴内开十字槽，如图4所示，以增大真空腔，提高吸附力。吸附力计算公式如下：

图4 吸嘴结构

式中，F为吸附力，N；P为真空压力，Pa；A为吸附面积，m2；N为安全系数，一般取4以上。

对于加减速度变化大以及高速的情况，还需要考虑惯性力和风压对螺丝的影响。

吸嘴外径大小要根据螺丝孔槽及周围的干涉情况而定，外径边缘与干涉物体距离＞0.1 mm，长度要大于螺丝孔槽的深度或干涉物体的高度。

3 控制系统设计

将设计的超小螺丝锁付结构安装在XYZ桌面式平台上。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，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[3]。具体工艺流程采用市场上比较成熟的方案，在此不再详述。

4 验证数据

追踪4台设备的生产数据，连续7天，统计每天的良率，见表1，去掉一个最高值和最低值，求所有良率的均值，作为本次螺丝锁付机构的验证数据，最终良率在97.8%。

表1 生产良率统计

5 结语

无视觉引导下普通电批超小螺丝锁付结构通过利用双滑块导向电批，双轴承导向批头，提高批头的定位精度，从而提高螺丝的锁付良率；通过更改吸嘴组件真空腔的密封垫片材质，减小密封件对批头摩擦力的影响，提高螺丝锁付扭矩的稳定性；合理设计吸嘴结构，保证对螺丝的吸附力，提高吸嘴对螺丝的扶正能力和寻孔能力[4]，从而提高螺丝的取料和锁付稳定性。通过以上措施，将M1×1.06螺丝锁付良率从89%提高到95%以上。良率达到客户要求，省去视觉引导或智能电批，每台螺丝机设备节约成本2.5万元左右。通过将吸嘴设计成分体式结构，降低了成本、提高了更换吸嘴组件的效率。

本项目是在厂家需求的条件下，为了降低成本而开发的无视觉引导下普通电批超小螺丝锁付结构，并成功应用在M1×1.06螺丝上，锁付良率在95%以上。