一種基于恒磁鐵的柔性化自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)的研制*

萬海波

（浙江水利水電學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310018）

一種基于恒磁鐵的柔性化自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)的研制*

萬海波

（浙江水利水電學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州 310018）

自動(dòng)化裝配技術(shù)在制造業(yè)中的比重日益增大。文章在分析發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，使用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一種基于恒磁鐵的柔性化自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)，該裝配機(jī)構(gòu)由基于同軸支撐的自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)和基于恒磁鐵的自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)兩部分組成。在三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選型，對(duì)零部件進(jìn)行了加工，并完成了組裝。組裝后將該機(jī)構(gòu)植入裝配機(jī)器人中進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)能完成多類型和多尺寸的零部件裝配，柔性化和自動(dòng)化程度較高。

恒磁鐵；自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)；柔性化

0 引言

裝配是制造業(yè)中非常重要的環(huán)節(jié)，自動(dòng)化裝配隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。自動(dòng)化裝配成為了機(jī)器人應(yīng)用的重要領(lǐng)域［1］。裝配過程復(fù)雜，且有精度要求，這些都給自動(dòng)化裝配帶來了一定的難度，因此精確定位、自動(dòng)與柔性裝配是自動(dòng)裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［2-3］，特別是在汽車、飛機(jī)、船舶行業(yè)中提升裝配的自動(dòng)化程度已經(jīng)變得尤為迫切了［4］。

目前北京航空航天大學(xué)的苗新剛等開發(fā)了基于激光掃描儀技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件自動(dòng)裝配系統(tǒng)［4］。山東科技大學(xué)的葛旋利用機(jī)器視覺技術(shù)，采用圖像處理的方法，建立了一種零件螺紋自動(dòng)識(shí)別和螺栓裝配的系統(tǒng)［5］。北京理工大學(xué)的張靜等提出了標(biāo)準(zhǔn)件批量實(shí)例化裝配方法，實(shí)現(xiàn)了同種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件的成批的自動(dòng)裝配［6］。青島科技大學(xué)的史俊友提出了面向定制產(chǎn)品的零件族建模和自動(dòng)裝配技術(shù)［7］。浙江大學(xué)的楊玲玲提出了一種全新的模型自動(dòng)裝配策略，設(shè)計(jì)了一種具有通用性和完整性的產(chǎn)品自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)模型［8］。

文獻(xiàn)［4-5］中的裝配系統(tǒng)和方法采用了激光和圖像技術(shù)進(jìn)行定位裝配，這對(duì)裝配平面的環(huán)境要求相對(duì)比較高。文獻(xiàn)［6-7］中研制的系統(tǒng)用于標(biāo)準(zhǔn)件和定制產(chǎn)品的裝配，但自動(dòng)和柔性化方面略顯不足。文獻(xiàn)［8］中提出了一種方法建立了機(jī)構(gòu)模型，更側(cè)重于裝配的整體規(guī)劃。本文對(duì)自動(dòng)化裝配機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和功能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)自動(dòng)化裝配的自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套基于雙滑輪的自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)，為達(dá)到多尺寸裝配的要求設(shè)計(jì)基于恒磁鐵的自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步對(duì)以上兩種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了整合，實(shí)現(xiàn)并試制基于恒磁鐵的自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)，并完成對(duì)其功能的測(cè)試。

1 自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及功能分析

自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)需要完成裝配目標(biāo)尋找和自動(dòng)裝配兩個(gè)基本步驟。尋找裝配目標(biāo)，將裝配件與裝配目標(biāo)進(jìn)行精確對(duì)中，通過裝配執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)將裝配件裝配入裝配目標(biāo)中，這是機(jī)械裝配中最為基礎(chǔ)的裝配動(dòng)作。

而螺紋連接是機(jī)械體中最為常見卻也是裝配難度較高的一種連接方式。它在裝配作業(yè)中占有相當(dāng)大的比重。螺紋裝配的好壞直接影響到零件的穩(wěn)定性和整體的質(zhì)量。傳統(tǒng)的手工裝配，對(duì)于繁多的零件裝配起來效率低下，需要人工一一識(shí)別螺紋孔位置手工裝配。為此本文設(shè)計(jì)基于雙滑輪的自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)，讓裝配機(jī)構(gòu)能夠在短時(shí)間內(nèi)快速且精準(zhǔn)的找到裝配的基準(zhǔn)位置。

目前螺母裝配通常是通過電動(dòng)螺絲套筒進(jìn)行，人需要手持電動(dòng)螺絲套筒進(jìn)行操作，生產(chǎn)效率較低，且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)器自動(dòng)擰合又容易出現(xiàn)因力矩過大而破壞螺母、螺栓或螺柱的螺紋，甚至出現(xiàn)完成螺母裝配動(dòng)作后無法脫離的現(xiàn)象，這些都影響了產(chǎn)品裝配的可靠性?，F(xiàn)階段的自動(dòng)螺紋裝配機(jī)構(gòu)雖然在生產(chǎn)效率上相比人工裝配大幅度提高，但大多只能完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的同一尺寸零件的螺紋裝配（完成多尺寸必須更換螺絲套筒），生產(chǎn)柔性化低，不能滿足多類零件的批量生產(chǎn)的需求。為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)一種基于恒磁鐵的自適應(yīng)裝配機(jī)構(gòu)，在保證裝配效率的同時(shí)，根據(jù)控制恒磁模塊附著力大小來控制擰合力矩的大小，并通過磁力開關(guān)控制螺母與擰合機(jī)構(gòu)的吸附從而提高擰合效率。

2 自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

裝配過程中，裝配目標(biāo)的尋找和精確對(duì)位是裝配的一大難點(diǎn)，特別是螺母與螺柱的連接。螺柱的螺紋很難通過圖像或者激光識(shí)別其中心位置，而且稍有偏差就很難擰合到位，甚至擰合不當(dāng)會(huì)造成螺紋損壞。為解決以上難點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了雙滑輪同軸機(jī)構(gòu)用于螺母和螺柱的自動(dòng)對(duì)中，把整個(gè)對(duì)中過程分為兩步，第一步為裝配位置對(duì)中，裝配位置初次對(duì)中后，不要求裝配執(zhí)行機(jī)構(gòu)與裝配位置完全對(duì)正。通過第二步位置精調(diào)來精確對(duì)正裝配機(jī)構(gòu)和裝配目標(biāo)。第一步基本都可以通過路徑復(fù)制的形式完成，第二步精調(diào)本文為此設(shè)計(jì)了雙滑輪同軸微調(diào)機(jī)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖

該對(duì)中機(jī)構(gòu)包括支撐座，支撐座上通過豎向滑軌連接上下支撐板，上支撐板位于下支撐板正上方（兩支撐板閉合時(shí)與上方擰合機(jī)構(gòu)同軸），上下支撐板開啟閉合由電機(jī)帶動(dòng)齒條工作。當(dāng)電機(jī)順時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上支撐板的左板和右板分開，當(dāng)電機(jī)逆時(shí)鐘工作時(shí)左右板閉合。下支撐板工作方式與上支撐板相同。

裝配對(duì)位時(shí)，通過下支撐板的閉合將整個(gè)裝配機(jī)構(gòu)與螺柱精確對(duì)中，然后將裝配件螺母輸送入下支撐板，送入后開啟電機(jī)使上支撐板閉合，由于上下板同軸，閉合過程中即將螺母與下方螺柱精確對(duì)中。通過上述步驟實(shí)現(xiàn)螺母和螺柱的精確對(duì)中。

上述機(jī)構(gòu)中的上下支撐板采用4mm鋼板通過折彎機(jī)折成90°，分為左板和右板。左右板中間各截去一直角等腰三角，并將左右板閉合接觸邊套以膠條，防止閉合過程中損壞螺柱螺紋。采用24V低轉(zhuǎn)速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒條控制上下板的開啟閉合，這種組合可以有效的控制位置微調(diào)時(shí)的沖擊以做到精確對(duì)中。

3 自動(dòng)擰合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 自動(dòng)擰合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原理

當(dāng)螺母和螺柱實(shí)現(xiàn)了精確對(duì)中后，下一步就是將螺母和螺柱進(jìn)行擰合。這個(gè)步驟對(duì)于手動(dòng)擰合來說非常簡(jiǎn)單，但是需要通過機(jī)器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)很多問題就突顯出來。首先螺紋有非常多不同的尺寸，如果通過更換螺母套筒的形式來實(shí)現(xiàn)不同尺寸螺紋的裝配時(shí)，裝配機(jī)構(gòu)就需要加裝一個(gè)裝配工具庫和類似數(shù)控機(jī)床的換刀機(jī)構(gòu)，這無疑增加了裝配機(jī)構(gòu)的尺寸和重量，讓裝配變得復(fù)雜。其次螺紋連接是一個(gè)相對(duì)較為脆弱的連接，一旦擰合不規(guī)范或者擰合力矩過大就會(huì)直接造成螺紋的損壞。螺紋損壞是一個(gè)不可逆的過程。一旦螺紋損壞整個(gè)裝配過程就失敗了，還可能造成災(zāi)難性的后果。為突破以上難點(diǎn)，讓螺紋裝配更加自動(dòng)化、柔性化，本文設(shè)計(jì)了基于恒磁鐵的自動(dòng)擰合機(jī)構(gòu)。如圖2、圖3所示。

圖2 螺母旋轉(zhuǎn)頭工作示意圖

圖3 螺母旋轉(zhuǎn)頭與螺母分離示意圖

螺母旋轉(zhuǎn)頭利用恒磁鐵磁力矩傳遞的原理，利用磁性吸附螺母。螺母旋轉(zhuǎn)頭具有恒磁鐵水平布置吸附螺母以及恒磁鐵豎直布置不吸附螺母兩個(gè)狀態(tài)。螺母旋轉(zhuǎn)頭包括位于外部的鑄鐵，鑄鐵內(nèi)設(shè)置有電工軟鐵，電工軟鐵呈環(huán)形，電工軟鐵內(nèi)設(shè)置有可轉(zhuǎn)動(dòng)的恒磁鐵，電工軟鐵的內(nèi)壁與恒磁鐵的NS極方向的外壁貼合，電工軟鐵的上端和下端分別穿設(shè)有黃銅部，上端的黃銅部的外端延伸至與鑄鐵的上端面平齊，下端的黃銅部的外端延伸至與鑄鐵的下端面平齊，螺母貼在鑄鐵和下端的黃銅部的下方；當(dāng)恒磁鐵水平布置時(shí)，磁力線由N極出發(fā)，通過一側(cè)導(dǎo)磁的電工軟鐵、鑄鐵，再沿螺母、另一側(cè)導(dǎo)磁的鑄鐵、電工軟鐵回到S極，形成磁力線的包圍圈以吸附螺母，當(dāng)恒磁鐵豎直布置時(shí)，磁力線由非導(dǎo)磁的黃銅部阻擋，磁力線不吸附螺母。

磁性螺母旋轉(zhuǎn)頭可以吸附不同尺寸的螺母，同時(shí)能較為方便的通過控制吸附磁性力的通斷控制擰合裝置與螺母以及其他裝配件的結(jié)合與分離，此外由于可以選用不同的磁鐵來控制擰合力矩，以防止擰合力矩過大而造成螺紋損傷。

3.2 自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

螺母旋轉(zhuǎn)頭由電機(jī)帶動(dòng)升降，由另一電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（如圖4）。螺母旋轉(zhuǎn)頭利用恒磁鐵磁力矩傳遞的原理，利用磁性吸附螺母。螺母旋轉(zhuǎn)頭具有恒磁磁鐵水平布置吸附螺母以及恒磁鐵豎直布置不吸附螺母兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)螺母旋轉(zhuǎn)頭與螺母接觸時(shí)，螺母旋轉(zhuǎn)頭吸附螺母。第二電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)頭及螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，螺栓不動(dòng)（由平臺(tái)固定），因此螺母在螺栓上轉(zhuǎn)動(dòng)下降，實(shí)現(xiàn)螺母和螺栓的擰緊。當(dāng)螺母和螺栓擰緊后，由于螺母旋轉(zhuǎn)頭和螺母之間是磁性吸附，當(dāng)螺母旋緊后超過一定力矩會(huì)使得螺母旋轉(zhuǎn)頭打滑脫開，能做到擰螺母的力矩的高度的一致性。輕松實(shí)現(xiàn)了批量旋轉(zhuǎn)螺母，裝配效率高。保證了擰螺母力矩的高度一致性，螺母旋轉(zhuǎn)頭可以適合多種尺寸的螺母，利用恒磁鐵磁力矩原理吸緊螺母并且旋轉(zhuǎn)螺母，一旦螺母被擰緊超過磁性吸附力，螺母就自行脫開，以防止因力矩過大而破壞螺母螺柱的螺紋。

圖4 自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖5 基于恒磁磁鐵的自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖

4 機(jī)構(gòu)的整體實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

在以上機(jī)構(gòu)分布設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用了PRO-E進(jìn)行局部的優(yōu)化，并進(jìn)行了組裝（如圖4）。整個(gè)機(jī)構(gòu)由四個(gè)電機(jī)控制，支撐板和裝配機(jī)構(gòu)總成上下運(yùn)動(dòng)通過三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒條上的齒輪來實(shí)現(xiàn)，擰合機(jī)構(gòu)由另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為便于測(cè)試其功能的有效性和便捷性，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型裝配機(jī)器人［10-11］，將機(jī)構(gòu)植入該裝配機(jī)器人上來進(jìn)行測(cè)試（如圖6、圖7）。該裝配機(jī)器人可以從前機(jī)械手中獲取裝配零件，如軸承、墊片、螺絲等，通過傳送帶將零部件傳送至裝配位，對(duì)中機(jī)構(gòu)的精確對(duì)準(zhǔn)裝配位后，將零部件準(zhǔn)確送入裝配位，通過裝配機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配。

測(cè)試該機(jī)構(gòu)時(shí)，控制該裝配機(jī)器人分別對(duì)6310、6308和6306滾動(dòng)軸承進(jìn)行裝配。裝配完軸承后再裝配對(duì)應(yīng)的GB/T97.1-2002標(biāo)準(zhǔn)的36、30和20墊圈最后裝配GB/T6170-2000標(biāo)準(zhǔn)的M30、M24、M16螺母，通過調(diào)校，順利高效地完成了三組裝配工作。測(cè)試結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理，且達(dá)到了本文提出的自動(dòng)化、柔性化目標(biāo)。

圖6 小型裝配機(jī)器人設(shè)計(jì)圖

圖7 小型裝配機(jī)器人裝配圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一整套基于恒磁鐵的自動(dòng)化裝配機(jī)構(gòu)，并對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了加工和組裝。并設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)試該機(jī)構(gòu)的機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。通過測(cè)試表明分析結(jié)果表明：該自動(dòng)化裝配機(jī)構(gòu)能裝配不同類型、不同尺寸的零部件，滿足了裝配機(jī)構(gòu)柔性化的要求；該機(jī)構(gòu)能高效地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)位和裝配，裝配過程自動(dòng)化程度較高且能夠避免裝配過程中造成的不必要損壞。

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Development of A Flexible Automatic Assembly System Based on Permanent Magnet

WAN Hai-bo
（Department of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Water Resources and Electric Power，Hangzhou 310018，China）

Automatic assembly system is more important in the Manufacturing Industry.After analyses of developmental trend，this paper designed a flexible automatic assembly system based on permanent magnet. This system is constituted by two part，a mechanism for automatic alignment and a other mechanism for automatic assembly.After that，a flexible automatic assembly system is developed.Test and analysis of the system show that the automatic assembly system not only Flexible but also Automatic.

permanent magnet；automatic assembly system；flexible

TH122；TG659

A

1001-2265（2015）04-0139-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.037

2014-12-05；

2015-01-21

國家自然科學(xué)基金（11172260）；2013年度高校訪問工程師項(xiàng)目（FW2013002）；浙江水利科技計(jì)劃項(xiàng)目（RC1314）

萬海波（1981—），男，長(zhǎng)沙人，浙江水利水電學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)與設(shè)計(jì)，（E-mail）wanhaibo6@sina.com。