鉚接機(jī)鈑金件鉚接的自動(dòng)送板裝置的設(shè)計(jì)*

榮　云　李支茂　諶永祥

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 ，四川 綿陽(yáng) 621010)

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鉚接機(jī)鈑金件鉚接的自動(dòng)送板裝置的設(shè)計(jì)*

榮云李支茂諶永祥

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 ，四川 綿陽(yáng) 621010)

針對(duì)立式鉚接機(jī)鈑金件人工鉚接效率低，無(wú)專用鈑金件鉚接設(shè)備，而換置自動(dòng)鉚接機(jī)加工時(shí)需專用模具，不適于鈑金件鉚接的問題，提出了一種基于工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)送板，并配合鉚接機(jī)鉚接的方案,設(shè)計(jì)出了可配合機(jī)器人的末端執(zhí)行器。通過(guò)電磁鐵固定工件，使用滑槽調(diào)整可裝夾工件范圍，對(duì)機(jī)器人路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成取板、放板動(dòng)作，并配合光電傳感器實(shí)現(xiàn)鉚接目標(biāo)點(diǎn)定位，利用壓縮彈簧消除鉚接變形，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉚接。該裝置配合工業(yè)機(jī)器人使用，實(shí)現(xiàn)了鈑金件鉚接過(guò)程的全自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率，為鉚接機(jī)自動(dòng)化改造提供了依據(jù)。

立式鉚接機(jī)；工業(yè)機(jī)器人；自動(dòng)送板裝置；自動(dòng)鉚接；全自動(dòng)化；生產(chǎn)效率

鉚接技術(shù)早年主要用于飛機(jī)的鉚接，屬于軍用技術(shù)[1]。但近年來(lái)，鉚接技術(shù)在民用生產(chǎn)中運(yùn)用越來(lái)越廣泛，比如電路板、控制柜等均有廣泛應(yīng)用，但鉚接技術(shù)在民用生產(chǎn)中自動(dòng)化和柔性化程度低，因此提高民用鉚接的自動(dòng)化程度已越來(lái)越迫切[2-4]。在鉚接行業(yè)中，鈑金件鉚接占有重要的市場(chǎng)份額，現(xiàn)存立式鉚接機(jī)大多均只配有自動(dòng)出釘裝置，其余操作均需人工操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鉚接過(guò)程自動(dòng)化，人工鉚接的現(xiàn)象普遍存在，而人工鉚接效率低[5-6]，穩(wěn)定性差；控制柜等鈑金件鉚接尺寸范圍大，種類多；換置自動(dòng)鉚接機(jī)加工時(shí)需專用模具 ，不適于鈑金件鉚接；現(xiàn)存自動(dòng)鉚接機(jī)無(wú)專門適用于鈑金件鉚接 。同時(shí)，在當(dāng)今的加工生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用越來(lái)越廣泛[7-8]。因此本文為了提高鈑金件鉚接的全自動(dòng)化 ，在立式鉚接機(jī)(配有出釘裝置)的基礎(chǔ)上，提出了利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)送板的方案，設(shè)計(jì)出可配合機(jī)器人末端的自動(dòng)送板裝置，協(xié)調(diào)各道工序的控制流程，自動(dòng)完成整個(gè)鉚接過(guò)程。

1　自動(dòng)送板裝置

該裝置的設(shè)計(jì)分為3部分：取板定位部件、鉚接變形消除部分和主體支架部分(圖1)。

2　自動(dòng)送板裝置工作原理

鉚接過(guò)程為：取板—放板—移至原點(diǎn)—移至一目標(biāo)點(diǎn)—出釘—鉚接—移至下一目標(biāo)點(diǎn)—完成所有孔鉚接—回到加工原點(diǎn)。取板定位，變形消除，目標(biāo)點(diǎn)精確定位是裝置設(shè)計(jì)的三大核心部分，取板部分實(shí)現(xiàn)板件拾取、定位功能；消除變形部分可消除鉚接力的作用下板件的變形；機(jī)器人配合檢測(cè)裝置完成鉚接目標(biāo)點(diǎn)的精確定位。因此下面將從上述3方面對(duì)裝置的工作原理進(jìn)行分析。

2.1取板定位原理分析

取板定位部分包括直角定位機(jī)結(jié)構(gòu)、電磁鐵固定機(jī)構(gòu)和滑槽調(diào)整機(jī)構(gòu)(如圖2)。直角定位塊與電磁鐵安裝于同一聯(lián)接塊上，類似機(jī)構(gòu)共有4部分，直角塊安裝在其中一個(gè)結(jié)構(gòu)上，對(duì)稱分布于滑槽上。電磁鐵安裝于同一高度平面上，取板前，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，分別使直角塊的直角面與地面固定板件的X、Y向位置固定塊的基準(zhǔn)面接觸，使直角塊的直角點(diǎn)與板件直角點(diǎn)重合，該點(diǎn)即為X-Y平面內(nèi)的取板點(diǎn)，因此直角塊的直角面與電磁鐵接觸面便形成基準(zhǔn)平面，限制板件的6個(gè)自由度，使板件準(zhǔn)確定位。取板時(shí)，裝置移動(dòng)至取板點(diǎn)，在距離板件一定高度上，由于板件數(shù)量一定，每取一次板，板件高度便有所減少，裝置取板高度每次都會(huì)有變化，不利于取板控制。因此安裝光電傳感器于裝置上，利用光電傳感器的額定檢測(cè)范圍，一旦裝置距離板件到達(dá)額定距離，光電傳感器接收信號(hào)，使板件與裝置距離保持一致，該位置下，裝置再繼續(xù)下移相同距離，即可完成取板。同時(shí)在取板過(guò)程中，電磁鐵與板件接觸是硬接觸，對(duì)機(jī)器人、裝置和板件都會(huì)有所損害，因此利用壓縮彈簧(如圖1)，將電磁鐵機(jī)構(gòu)安裝于其下方，通過(guò)光桿導(dǎo)向，形成簡(jiǎn)單的彈簧緩沖機(jī)構(gòu)。為了使電磁鐵充分與板件接觸，要求裝置下移的位置為：電磁鐵與板件接觸后，繼續(xù)下移1 mm，彈簧壓縮，通電固定住板件，完成取板與定位。取板時(shí)，取板點(diǎn)確定，機(jī)器人與裝置配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取板。滑槽調(diào)整機(jī)構(gòu)由兩側(cè)板、滑動(dòng)支架、鎖緊塊和L型滑塊組成，滑動(dòng)支架在兩側(cè)板的滑槽內(nèi)可調(diào)整，L型滑塊在滑動(dòng)支架槽內(nèi)可移，取板機(jī)構(gòu)聯(lián)接在L型滑塊上(如圖1)。為了加工基準(zhǔn)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，固定直角定位塊所在的滑塊，其余滑塊均可自由滑動(dòng)，并固定外側(cè)的滑動(dòng)支架。由此，在調(diào)整加工范圍時(shí)，調(diào)整3個(gè)自由滑塊，以固定滑塊為基點(diǎn)在X、Y向做直線調(diào)整，能適應(yīng)不同板件尺寸。同時(shí)，滑塊設(shè)計(jì)成L型，有一定的伸出量，可消除鉚接機(jī)床及自身結(jié)構(gòu)對(duì)鉚接過(guò)程的干涉。

2.2鉚接變形消除原理分析

鉚接前，先將工件孔置于出釘位置點(diǎn)上，與鉚釘面接觸，再啟動(dòng)鉚接機(jī)完成壓鉚動(dòng)作。一般的在放置板件時(shí)不可能精確控制將其移動(dòng)至與鉚釘面接觸，而是存在一定的間隙量，同時(shí)鉚釘有一定量凸出，才能使鉚釘壓進(jìn)板件。因此要使鉚釘壓入板件，板件必須下移一定的距離，此時(shí)，板件的初始位置與鉚接完成后的位置會(huì)產(chǎn)生距離差，如圖3所示。該距離差由兩部分組成：一是板件與鉚釘在鉚接前的初始位置間隙，二是鉚釘件鉚接在板件孔內(nèi)所需位移量，不超過(guò)板件厚度。板件厚度為1 mm，間隙量為0.1～0.3 mm，鉚接固定位移量為0.7～0.9 mm，因此距離差為0.8～1.2 mm，若板件固定情況下，要完成鉚接動(dòng)作，在鉚接機(jī)壓鉚力的作用下由于距離差將會(huì)產(chǎn)生大的變形，并導(dǎo)致板件脫落。因此要克服鉚接變形及脫落，需要板件在壓鉚過(guò)程中，隨著壓鉚桿的下壓而隨之下移，直到鉚接完成。因此設(shè)計(jì)了可消除壓鉚變形的機(jī)構(gòu)即取板時(shí)所用的彈簧緩沖機(jī)構(gòu)(如圖4所示)，利用其可壓縮的特性，通過(guò)桿件安裝于L型滑塊與彈簧壓塊之間，彈簧處于壓縮狀態(tài)，可壓縮量為10 mm，在鉚接前，將板移動(dòng)至鉚釘凸起面上方距離1 mm處，在將板繼續(xù)下移2.5 mm，則板件與凸起面接觸時(shí)，彈簧下方機(jī)構(gòu)及板件將不再移動(dòng)，而上方機(jī)構(gòu)由于彈簧壓縮繼續(xù)下移1.5 mm，彈簧為了回復(fù)到原位置，使得板件擁有可移動(dòng)行程1.5 mm。鉚接時(shí)，在鉚接桿的下壓作用力下，1.5 mm的可移動(dòng)行程可完全克服0.8～1.2 mm的距離差，板件可隨之下移，克服鉚接變形，完成鉚接動(dòng)作。

利用彈簧的可壓縮特性，既能起到取板緩沖的作用，同時(shí)能消除鉚接距離差，有效克服鉚接變形的產(chǎn)生，也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

2.3鉚接目標(biāo)點(diǎn)定位原理分析

板件上的孔精確移動(dòng)至鉚接目標(biāo)點(diǎn)是送板裝置的核心。鉚接目標(biāo)點(diǎn)定位包括各目標(biāo)點(diǎn)之間的定位及加工原點(diǎn)定位。X、Y平面內(nèi)的鉚接目標(biāo)點(diǎn)需要精確定位，定位精度要求為0.1～0.15 mm，Z向運(yùn)動(dòng)控制板件的上下移動(dòng)，不需要精確定位。機(jī)器人的定位精度為0.1 mm。為了實(shí)現(xiàn)精確鉚接，必須在自動(dòng)送板裝置與鉚接機(jī)床之間建立起固定位置關(guān)系。加工原點(diǎn)便是建立兩者關(guān)系的橋梁，為鉚接加工的起始點(diǎn)。加工原點(diǎn)的確定影響著鉚接目標(biāo)點(diǎn)的定位準(zhǔn)確性，因此加工原點(diǎn)的確定對(duì)鉚接加工至關(guān)重要。 在本設(shè)計(jì)中采用光電傳感器與檢測(cè)塊相結(jié)合的方式，確定加工原點(diǎn)。直角定位塊作為檢測(cè)塊，光電傳感器安裝于鉚接機(jī)床上，共兩個(gè)。相對(duì)于鉚接機(jī)床的鉚接中心點(diǎn)位置確定，分別在X、Y向?qū)z測(cè)塊進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。定位加工原點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人移動(dòng)裝置，向光電傳感器靠近，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到直角塊后，停止運(yùn)動(dòng)，由于光電開關(guān)檢測(cè)存在一定的誤差，加工原點(diǎn)還需要進(jìn)行修正。加工原點(diǎn)的位置要求需滿足一定條件：當(dāng)裝置停在加工原點(diǎn)處時(shí)，定位直角點(diǎn)在Y向上與出釘裝置留有2 mm間隙，使其不相干涉，在X向上與鉚釘中心點(diǎn)相距0 mm。因此需要通過(guò)測(cè)量，機(jī)器人移動(dòng)裝置目標(biāo)加工原點(diǎn)。加工原點(diǎn)一旦確定，將不再改變。加工原點(diǎn)的確定方法簡(jiǎn)單可靠，十字滑臺(tái)目標(biāo)點(diǎn)位置，重復(fù)定位準(zhǔn)確度高(如圖5) 。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中利用工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)X、Y、Z三向的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光電傳感器與機(jī)器人通信，檢測(cè)板件及原點(diǎn)位置。待取板后，程序運(yùn)行，檢測(cè)裝置是否回到原點(diǎn)，發(fā)出備妥信號(hào)，裝置運(yùn)行至鉚接目標(biāo)點(diǎn)，板件下降，鉚接，板件上升，移至下一目標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)加工全部完成后，向PLC發(fā)送一脈沖信號(hào)，PLC收到信號(hào)后回到原點(diǎn)，程序停止，等待下一工作循環(huán)?？刂屏鞒虉D如圖6。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證裝置的實(shí)用性和有效性，對(duì)該裝置進(jìn)行了實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于條件限制，無(wú)法配合鉚接機(jī)，因此設(shè)計(jì)了配合裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：由鋼架及實(shí)驗(yàn)桌組成的固定鉚接臺(tái)，自動(dòng)出釘裝置由固定銷釘裝置代替(如圖7)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，裝置可以完成取板、鉚接目標(biāo)點(diǎn)定位，工件原點(diǎn)定位，鉚接完成放板等整個(gè)鉚接過(guò)程，因此該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可充分對(duì)裝置工作原理進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，裝置取板可靠，在運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定，振動(dòng)小。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整確定加工原點(diǎn)，經(jīng)多次測(cè)量，重復(fù)定位誤差在0.05～0.08 mm，在設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)。進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)定位時(shí)，板件孔與實(shí)驗(yàn)銷釘導(dǎo)向部分為間隙裝配，間隙量為0.1～0.15 mm，經(jīng)多次目標(biāo)點(diǎn)定位，實(shí)驗(yàn)銷釘均能準(zhǔn)確插入鉚釘孔內(nèi)。加工完板件后，可將板件放置指定位置。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，裝置在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行順暢，效率高，達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。驗(yàn)證了裝置自動(dòng)化、可用性和有效性，充分實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的動(dòng)作及功能。

5　結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)鉚接過(guò)程的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)出了基于機(jī)器人的自動(dòng)送板裝置，解決了裝置的三大核心問題：(1)機(jī)器將裝置移至取板點(diǎn)，由電磁鐵吸緊工件，通過(guò)直角塊定位，完成取板。(2)對(duì)于鉚接過(guò)程中的鉚接變形和取板過(guò)程中的硬接觸問題，利用壓縮彈簧，起到了消除變形和緩沖的作用，保證了鉚接質(zhì)量。(3)通過(guò)機(jī)器人及光電傳感器配合，有效地實(shí)現(xiàn)了鉚接目標(biāo)點(diǎn)及原點(diǎn)的精確定位。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)裝置與機(jī)器人的配合使用，裝置取板、原點(diǎn)定位、目標(biāo)點(diǎn)定位和放板至指定位置均達(dá)到了預(yù)期效果，可自動(dòng)完成整個(gè)鉚接過(guò)程，解決了人工鉚接難的問題，提高了鉚接的自動(dòng)化水平、改善了鉚接質(zhì)量及效率[9-10]，為無(wú)人化生產(chǎn)提供了依據(jù)。

[1]樓阿麗.國(guó)內(nèi)外自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2005(6):50-52.

[2]德派組裝技術(shù)有限公司.AGME自動(dòng)徑向鉚接技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2005(3):112-113.

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[5]趙玲.自動(dòng)鉆鉚機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究[J].航空制造工程,1995(4):21-23.

[6]費(fèi)軍.自動(dòng)鉆鉚技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用分析[J].航空學(xué)報(bào),2005(9):42-43.

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Design of automatic feeding device for the riveting of the sheet metal parts of the rivet machine

RONG Yun, LI Zhimao, CHEN Yongxiang

(School of Manufacturing Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, CHN)

For the low hand riveting efficiency of vertical rivet machine of sheet metal parts, without specifically applicable to sheet metal riveting, and transposition of automatic rivet machine not in a series of problems in sheet metal riveting, an automatic feeding board based on industrial robot is presented, and it can be matched with the rivet machine. Design the end actuator which can cooperate with the robot. By using an electromagnet to fix workpiece, workpiece clamping range can be adjusted. Through the path of the robot design, complete the actions of picking plate, placing plate parts. Device with photoelectric sensor to achieve precise positioning of the target point, while the use of compression spring to eliminate the distortion, realize automatic riveting. The device can realize the full automation of the whole process of the riveting process of the sheet metal parts, improve the production efficiency, and provide the basis for the automation of the rivet machine.

vertical rivet machine; industrial robot; automatic feeding device; automatic riveting; full automation; production efficiency

TH122

A

榮云，女，1992年生，在讀研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，已發(fā)表論文2篇。

(編輯李靜)(2015-09-08)

160423

*四川省科技廳支撐計(jì)劃項(xiàng)目( 2010GZ0135)