螺丝机设备类型及在自动化行业中的应用
时间：2023-05-29 14:20:19 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
聂修民，解永辉，王晓军，郭东峰，苑春影
[1.潍坊职业学院，山东 潍坊 261041；
2.北京元科教育（新华店），山东 潍坊 261032]
在非标自动化、汽车、航空、通用行业和轻工业等生产制造过程中，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]。随着制造业智能化、自动化水平的提高，螺栓锁付的自动化水平显著提高，各种各样的螺丝机设备也应运而生。目前市场上的螺丝机设备种类繁多，质量不同，配置不同，价格差别很大，从几万元的普通螺丝机设备到几十万，甚至更贵的螺丝机设备，以满足不同行业、不同客户、不同需求层次的要求。
1.1 按自动化程度分
按自动化程度，分为手工螺丝机、半自动螺丝机和自动螺丝机。手工螺丝机为人工手持螺丝刀进行锁付螺丝，螺丝和产品的上料均由人工完成。优点是锁付质量高、良率高，不良螺丝和锁付不良品随时排除。缺点是效率低，人工容易疲劳，不适合连续生产，综合成本高。半自动螺丝机为人工进行产品的上料，螺丝自动进行上料，自动进行锁付；
或者是螺丝自动上料，人工进行产品的上料和锁付。半自动螺丝机效率比人工高，锁付质量也能得到保障。自动化螺丝机就是自动对产品进行定位、自动上螺丝、自动进行锁付、自动周转成品的螺丝机设备。自动化螺丝机效率高、成本低，但是良率不一，问题也比较多。
1.2 按平台类型分
按平台类型，分为桌面式螺丝机和机械关节螺丝机[2]。桌面式螺丝机，又叫坐标式螺丝机，一般安装在桌面式平台上。由于桌面平台一般都是标准化及系列化，螺丝机设备开发周期短，平台质量稳定，成本低，可批量快速复制。机械关节螺丝机一般用在对速度和空间有一定需求的场合，但是承载能力和刚性受到一定的限制，由于使用关节机器人，一般成本较高。
1.3 按智能化程度分
按智能化程度，分为普通电批螺丝机和智能电批螺丝机。普通电批螺丝机无力矩或角度反馈信号，不能实时显示锁付力矩或其他信息，只能通过简单的力矩或真空负压值判定锁付是否成功。设备成本低，故障率相对较高，良率相对较低。智能电批螺丝机带有力矩或角度反馈信号，能实时显示锁付过程的力矩、时间、良率等信息，甚至能够进行退丝，然后再拧紧等功能。智能电批螺丝机良率高、故障率低，但是设备成本高，一般用在锁付质量要求较高的场合。
1.4 按视觉能力分
按是否加入视觉，分为无视觉螺丝机和有视觉螺丝机。螺丝机用视觉进行定位或判定锁付质量，能显著提高螺丝锁付良率，一般用在对锁付质量要求高的场合。加入视觉后，由于需要拍摄，节拍（锁付单颗螺丝时间）会降低，效率会受到影响。
1.5 按动力方式分
按动力方式，分为电动螺丝机和气动螺丝机。电动螺丝机一般在自动化行业应用普遍，适用于小螺丝，气动螺丝机一般在工程机械，汽车等行业应用广泛，适用于大螺丝。
1.6 按送料方式分
按送料方式，分为负压吸取式螺丝机、正压管道式螺丝机和吹加吸式螺丝机。
1.6.1 负压吸取螺丝机
负压吸取螺丝机是利用真空腔产生负压以达到吸取螺丝的目的。负压吸取螺丝机结构如图1所示，一般将螺丝锁付结构安装在XYZ桌面式平台或自制运动轴上，采用螺丝排列机进行螺丝分拣，利用在吸嘴内形成的负压腔吸附螺丝，负压管道上安装有过滤器，用于过滤螺丝灰尘等杂质。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负压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，就可实现自动螺丝的锁付。负压吸取螺丝机不太适合细长的螺丝，此类螺丝机节拍一般在2～3 s，因为结构简单，成本低，技术最成熟，所以在自动化行业中应用最多。
图1 负压吸取螺丝机
1.6.2 正压管道螺丝机
正压管道螺丝机是利用气压通过管道将螺丝吹到吸嘴内，然后进行锁付的螺丝机设备。正压管道螺丝机结构如图2所示，一般也将螺丝锁付结构安装在XYZ桌面式平台或自制运动轴上，吹钉机构利用气压将螺丝吹到吸嘴内，需注意的是螺帽要在前进的后方，气压管道上安装有环形传感器，以检测螺丝是否送到位。由于螺丝要穿过管道，此类螺丝机适用于长径比＞0.7的螺丝，长径比过小的螺丝，在穿过管道时容易卡住或更改螺帽方向，造成螺丝锁付失败。在自动化行业中，细长的螺丝较适合正压管道螺丝机。此类螺丝机节拍一般在0.5～1 s，效率高，但是由于采用吹气原理，螺丝中的灰尘等杂质容易污染产品，对清洁度要求较高的产品不适合采用正压管道螺丝机。
图2 正压管道螺丝机
1.6.3 吹加吸式螺丝机
吹加吸式螺丝机是利用气压通过管道将螺丝吹到吸嘴内，然后利用负压吸取螺丝，再进行锁付的螺丝机设备。吹加吸式螺丝机的锁付结构一般如图3旋转式送料气吹吸螺丝锁付机构[3]和图4一种螺钉自动送料及拧紧装置[4]所示。
图3 负压吸取螺丝机锁付机构
图4 正压管道螺丝机锁付机构
吹加吸式螺丝机吹送螺丝时螺帽要在前进的前方，气压管道上安装有环形传感器，以检测螺丝是否送到位。由于螺丝要穿过管道，此类螺丝机也适用于长径比＞0.7的螺丝，以免造成螺丝锁付失败。节拍一般在1 s左右，结构复杂，效率介于负压吸取螺丝机和正压管道螺丝机之间，效率较高，而且适用于清洁度要求较高的工况。
螺丝机设备的应用可分为1971年之前的探索萌芽阶段，1972-2005年之间的初步增长阶段和2006至今的快速增长阶段[5]。开始时为手持电批进行锁付，后期发展为半自动锁付，到目前的自动螺丝机进行锁付，螺丝机设备在自动化行业中已得到广泛应用。普通电批负压吸取式螺丝机在自动化线体上主要应用于中低市场，技术成熟、节拍长、成本低、良率相对降低，但是在厂家可接受范围内。随着高端市场的开拓，特殊工艺的出现，锁付质量和良率随之提高，发展了智能电批、基于机器人或基于视觉的螺丝机设备。这些螺丝机设备锁付质量高、效果好、良率高，但是成本也相对较高。随着生产效率提高和特殊工艺的需求，出现了正压管道螺丝机和吹加吸式螺丝机，这两类螺丝机节拍短，效率高。
螺丝机的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，这些问题可通过合理的设计，以及增加智能电批、视觉和激光传感器等检测手段避免锁付失效形式的发生。增加智能电批和视觉后，成本也随之增加，如何开发低成本高质量的螺丝锁付设备，成为当前螺丝机发展的第一个问题。
随着微型机械的发展，目前的螺丝机设备已不能适应微型螺丝的锁付要求，开发特殊的微型螺丝自动锁付设备成为当前螺丝机发展的第二个问题。
随着产品复杂程度的增加，目前的螺丝机设备已不能满足特殊工况的锁付要求。比如螺丝正上方，有障碍物，需要“Z”形锁付结构，如何高质量地完成有一定折弯角度的锁付路径，成为螺丝机发展的第三个问题。某公司曾经开发过“Z”形锁付结构，但使用寿命只有两天，无法满足批量生产的要求。
当螺丝周围有磁铁等影响螺丝吸钉效果时，螺丝机设备故障率较高，良率较低，无法满足生产的需要。开发适应磁场环境下的螺丝机设备成为螺丝机发展的第四个问题。
在自动化行业中，成本低、精度低的工况下，一般用普通电批，不加视觉进行锁付；
成本高、精度高、良率高的工况下，一般使用普通电批+视觉、或智能电批、或智能电批+视觉进行锁付，锁付良率达99.9%以上。负压吸取式螺丝机使用最普通，成本最低、结构简单、加工制造方便，能够吸取螺丝灰尘等杂物，锁付节拍在2～3 s；
正压管道式螺丝机结构复杂，但是锁付节拍在0.5～1 s，效率高；
吹加吸式螺丝机具有负压吸取式螺丝机和正压管道式螺丝机效率高、清洁等的优点，锁付节拍在1 s左右，但是成本相对较高。
随着自动化水平、智能化水平的提高、微型机械的发展、产品复杂程度的增加以及特殊工况的使用，开发微型螺丝锁付设备、“Z”形锁付结构和磁场环境下螺丝锁付设备成为螺丝机发展的改进方向。
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