螺絲自動(dòng)擰緊速度的優(yōu)化 自攻螺釘裝配有效提高速率

工業(yè)產(chǎn)品的裝配，廣泛使用螺紋連接來(lái)緊固[1]。大量的螺紋裝配需要人工完成，機(jī)械裝配操作仍然是高度勞動(dòng)密集型的。全球工業(yè)裝配中，近70%由螺紋連接構(gòu)成[2]，螺紋連接占據(jù)全部裝配工作量的三分之一[3]。裝配工藝是否合理，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

采用自攻螺釘裝配可以降低工作量并提高效率，自攻螺絲可以省略螺紋攻絲的初步操作，并將定向的程序、螺紋成型和擰緊組合。這種裝配過(guò)程包括形成一個(gè)由外部施加扭矩產(chǎn)生的孔直徑和結(jié)構(gòu)側(cè)面上的螺紋。螺釘擰入后，會(huì)產(chǎn)生徑向張力，從而使其和螺釘有可靠地連接[4]。

對(duì)整體扭矩的監(jiān)測(cè)和扭矩欠缺是這種技術(shù)的主要不足之處[5]。重要的扭矩要求限制使用這種技術(shù)，并降低了其可靠性。螺紋成型速度的控制，是提供更穩(wěn)定和更精確裝配參數(shù)的基本方法。速度需要在螺紋形成的三個(gè)階段里適當(dāng)?shù)淖兓?br/>
第一階段：從螺桿接觸孔開(kāi)始，持續(xù)到螺桿完全擰入（二到三級(jí)螺紋線圈）。

第二階段：螺紋成型的緊固件的擰入。

第三階：段涵蓋擰緊緊固件。

實(shí)驗(yàn)表明，隨著速度的增加，轉(zhuǎn)矩減小到一個(gè)確定的極限值。通過(guò)改變裝配速度，可以調(diào)整某些在螺紋形成過(guò)程中影響連接質(zhì)量和操作特性的參數(shù)。

這里研究目的是在自攻螺釘不同的攻絲速度下的扭矩，以及可以確定最佳攻絲速度的方法的定義。依據(jù)最佳規(guī)律驅(qū)動(dòng)控制的最終結(jié)果是降低攻絲時(shí)的耗電量，改善螺紋連接的質(zhì)量以及提高裝配過(guò)程中的穩(wěn)定性。

2 螺絲擰緊裝配的動(dòng)力學(xué)特性

螺絲的擰緊裝配屬于多軸拖動(dòng)系統(tǒng)，由一臺(tái)電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)完成。這種情況下，為了列出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，需將各轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸上，電機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和摩擦力矩，拖動(dòng)螺絲刀頭轉(zhuǎn)動(dòng)。

多軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式如下：

式中：TM—電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩。通過(guò)分離變量ω 和t，并積分，得到下列關(guān)系式：

把式（1）、式（2）代入式（3）上式，得到一個(gè)用來(lái)確定裝配第一階段所需時(shí)間的等式：

上面等式的性質(zhì)，如圖1 所示。

開(kāi)始，速度從t=0，ω=0 初始條件以指數(shù)規(guī)律增加。然后，當(dāng)t→∞ 時(shí)，ω（t）曲線逐漸接近值：

這是因?yàn)樵诜嚼ㄌ?hào)中的項(xiàng)迅速接近1。從物理學(xué)上分析，這種現(xiàn)象的原因在于，螺桿開(kāi)始以恒定的速度旋轉(zhuǎn)一次的摩擦轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)扭矩相匹配。

3 螺絲擰入階段速度的理論計(jì)算

裝配過(guò)程控制是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，其解決方案必須考慮到一個(gè)給定的匹配的所有特點(diǎn)和一個(gè)給定的匹配的連接要求。以最大響應(yīng)速度和最低功耗為唯一依據(jù)，來(lái)試圖解決這些問(wèn)題只是一種片面做法，因?yàn)檫@些問(wèn)題有一個(gè)多標(biāo)準(zhǔn)字符。首先，我們必須了解在組裝過(guò)程中擰入的速度變化；特別是，預(yù)測(cè)在這個(gè)階段結(jié)束時(shí)達(dá)到的速度νn 是重要的。在下面的階段，將給予主軸一定的扭矩和低速旋轉(zhuǎn)，直到它停止。對(duì)在裝配過(guò)程中的每個(gè)階段的控制分析來(lái)評(píng)估系統(tǒng)約束。用下面條件系統(tǒng)來(lái)描述裝配過(guò)程的可靠性：

組裝過(guò)程的能力是在保證一定的工藝質(zhì)量指數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)的工作量。裝配過(guò)程的能力是擰入和擰緊的時(shí)間和所需的輔助過(guò)渡時(shí)間的函數(shù)和。確定組裝能力的系統(tǒng)條件如下：

組裝過(guò)程的功率消耗取決于在擰緊和擰緊階段施加的扭矩以及組裝時(shí)間：

所得到的連接質(zhì)量是通過(guò)螺紋部分的幾何特征和對(duì)應(yīng)的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表示的。硬化和鎖定特性以及螺紋剖面的連接強(qiáng)度也被考慮在內(nèi)：

如果我們僅在擰階段來(lái)定義最佳速度函數(shù)（即不能在收緊過(guò)程、預(yù)組裝和后裝配階段考慮到速度），則功效函數(shù)將取決于以下符合條件的因素：

上述系統(tǒng)的多種因素被分在兩個(gè)大組中，X 和F，以及在擰入過(guò)程中有關(guān)轉(zhuǎn)換的三個(gè)特定參數(shù)ν，TI，和T。在這些條件下，效率函數(shù)賦予裝配過(guò)程的特征如下：

其中，加權(quán)系數(shù)α1…α4是由優(yōu)先級(jí)處理的方法來(lái)測(cè)定，還原系數(shù)k1…k4 是通過(guò)一種關(guān)系分析來(lái)確定的。以一系列螺距，速度和旋擰長(zhǎng)度來(lái)評(píng)價(jià)功效函數(shù)，執(zhí)行此計(jì)算遵循如下程序：

在三個(gè)階段中，在每個(gè)線程增量Δz 中我們測(cè)試了一些可能的速度增量Δvi。通過(guò)所有這些速度的增量和總速度vik 計(jì)算能量ΔEik，我們可以測(cè)量的效率S 代表該線程增量。以每個(gè)螺距Δz 為單位，選擇與S 的極小值有關(guān)的速度增量，從而得到以下函數(shù)：

4 最佳擰緊速度的實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)驗(yàn)，專門開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)擰螺絲機(jī)，用于自動(dòng)擰緊螺絲。實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4 所示。自動(dòng)擰螺絲裝置的組成包括：螺絲振動(dòng)盤、螺絲自動(dòng)上料裝置、電動(dòng)數(shù)控螺絲刀及其控制器、螺絲刀運(yùn)動(dòng)裝置。螺絲振動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)螺絲的自動(dòng)分離，通過(guò)螺絲自動(dòng)上料裝置給電動(dòng)螺絲槍供料，螺絲刀運(yùn)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)螺絲刀上下運(yùn)動(dòng)，擰緊螺絲，實(shí)現(xiàn)裝配。

通過(guò)具有以下特征的螺紋連接我們轉(zhuǎn)向計(jì)算控制動(dòng)作的推導(dǎo)：一個(gè)M5、螺距P=1mm 的螺釘擰入鋁合金本體。螺釘?shù)穆菁y圈數(shù)為z=8。首先，我們計(jì)算從螺釘擰入材料引起形變到該螺釘?shù)那皟蓚€(gè)線圈已被擰入的這個(gè)時(shí)間段的速度。接下來(lái)我們計(jì)算攻絲速度從（0.020——0.0731）m/s 的轉(zhuǎn)矩和Z =2…8 的擰入深度。當(dāng)螺紋的兩個(gè)線圈已被擰入基座時(shí)，第一值對(duì)應(yīng)階段1 的結(jié)束。這也是該緊固件的螺紋連接開(kāi)始穩(wěn)定的時(shí)刻。為了找到最佳的裝配參數(shù)，我們使用效率函數(shù)，并在每個(gè)深度選擇那些最小S 值對(duì)應(yīng)的速度。對(duì)應(yīng)于表1 的ν 和z 的增量，如表2 所示。在Mathcad 中優(yōu)化處理矩陣時(shí)，此表為其提供了依據(jù)。

ν 和扭矩為6 線圈深度的效率函數(shù)的二維輪廓，如圖3 所示。擰入深度為2 個(gè)線圈的最佳速度為0.05m/s。對(duì)于3 個(gè)線圈擰入深度，最佳速度為0.06m/s，以此類推。由于已擰入線圈數(shù)目的增加，因此擰緊速度最大限度減少了效率函數(shù)S。徑向速度對(duì)形成的螺紋線圈的數(shù)量具有規(guī)律性，如圖4 所示。通過(guò)自動(dòng)擰螺絲機(jī)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論
根據(jù)螺絲擰入速度的理論模型，結(jié)合最佳擰緊速度的實(shí)驗(yàn)，可以得出這樣的結(jié)論：自動(dòng)擰螺絲機(jī)在擰緊螺絲過(guò)程中，對(duì)于不同的工件材料，在不同的擰入階段，需要采用不同的擰緊速度，可以最大限度的減少扭矩，實(shí)際施加的扭矩可以降低（15——20）％，同時(shí)創(chuàng)造了更均勻的預(yù)定特性的螺紋連接，節(jié)約了能源，減少了對(duì)被擰緊工件的破壞。

寧波市德維特智能智造科技有限公司坐落于風(fēng)光秀麗的中國(guó)東方大港,海濱城市---寧波，距寧波市中心、櫟社機(jī)場(chǎng)、寧波北侖港、火車站、汽車客運(yùn)中心僅半小時(shí)交通路程,距上海國(guó)際大都市僅兩個(gè)半小時(shí)路程。于2009年正式注冊(cè)成立，是集生產(chǎn)，銷售，服務(wù)于一體的綜合性工貿(mào)公司。公司主要經(jīng)營(yíng)五金緊固件和非標(biāo)五金加工兩大類產(chǎn)品，公司業(yè)績(jī)逐年攀升，其營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋到全國(guó)各地，并一直延伸海外。德維特工貿(mào)今天的發(fā)展，是憑著不同領(lǐng)域廣大客戶的鼎力支持和公司員工的不懈努力的結(jié)果。

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主要產(chǎn)品有：內(nèi)六角螺釘、外六角螺栓、膨脹螺絲、雙頭螺柱、馬車螺絲、螺母、自攻自鉆螺釘、機(jī)螺釘、木螺釘?shù)取Ｆ噷Ｓ眉㈦娏Ｓ眉⒔煌▽Ｓ眉⒔ㄖＳ眉⑹瘜Ｓ眉?br/>產(chǎn)品廣泛配套使用在工業(yè)設(shè)備、工程機(jī)械、液壓傳動(dòng)機(jī)械、風(fēng)機(jī)、電梯、汽車、化工、工業(yè)制冷工程、建筑等行業(yè)。