Research Findings | 研究成果 |
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石文昌
（贵州大学，贵州 贵阳 550003）
摘 要：我国是一个制造业大国，很多行业都需要进行产品的装配，而螺钉装配在产品的装配环节中十分的重要。鉴于此，文章在三菱工业机器人的基础上，设计了一种螺钉装配夹爪，其主要功用是配合工业机器人从平台上随意抓取螺钉。关键词：螺钉；装配夹爪；工业机器人中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2019）24-0001-03
作者简介：石文昌（1984—），男，实验师，研究方向：机械工程。
装配是产品生产的后续工序，在制造业中有重要地位，在人力、物力、财力消耗中占有很大的比例。随着工业技术的发展，机器人装配应运而生[1]。在产品装配中螺钉的装配是十分重要的装配环节，目前我国螺钉的装配大多数还是采用人工进行，有一些比较先进的制造业已经使用工业机器人自动装配螺钉，例如手机装配、汽车装配等行业。而实现螺钉的自动装配需要螺钉的自动抓取机构，一般为机器人末端执行器，也叫机器人手爪，它是可以实现类似人手功能的机器人部件，是用来抓取工件的重要执行机构之一[2]。文章设计的螺钉自动装配夹爪，是在三菱工业机器人的基础上开发的一种能够进行多种规格螺钉自动夹持的机构。
1 螺钉定位元件的设计
1.1 定位元件的选择
螺钉装配时需要对螺钉进行轴心固定，而在常用定位元件中，V 型块定位元件具有定心的作用，所以采用双V 型块定位元件。文章主要对M3-M20的螺钉装配进行设计，设计定位元件如图1所示。图中1为定位元件V 型块，2为V 型块连接座。V 型定位夹持元件根据常用螺钉规格表可以知道，M3螺钉成品的最小直径2.88mm ，选用90°V 型块作定位夹持元件，使V 型块底部是刀口形状，有利于在桌面上抓取螺钉，同时两块90°的V 型块能够起到螺钉的夹持及自定心作用，让螺钉始终与V 型块成90°。由
于螺钉螺纹如果使用金属夹持很容易损坏，因此90°V 型块采用塑料或尼龙材质。
1.2 定位误差的计算
由于螺钉成品有加工误差，因此使用双V 型块装夹时，中心定位会存在误差，需要进行误差计算。根据已知螺钉尺寸条件，用CAD 软件画出螺钉成品在最大极限尺寸与最小极限尺寸两种情况下的定位，然后直接用软件的标注工具标注，得出定位误差[3]。在这里只需要计算出装夹的最小螺钉M3和装夹的最大螺钉M20的定位误差就可以，如果最小或最大螺钉的定位误差均在螺钉装配的误差允许范围内，那么中间尺寸的螺钉的定位误差就能够满足要求。
螺钉M3-M20定位夹持元件定位误差的计算。在这里只需要计算出安装的最小螺钉M3和最大螺钉M20定位误差即可，因为其他规格螺钉的定位误差在M3与M20之间。最小螺钉M3的定位误差作图如图2所示，步骤为：先作直径Φ2.88的圆，且圆与V 型块夹持斜面相切；然后作直径Φ2.98的圆，且圆与V 型块夹持斜面相切。两个极限圆心的距离O 1O 2就是M3螺钉的定位误差。用CAD 标注工具可以直接测量出O 1O 2=0.07。最大螺钉M20的定位误差作图如图3所示，步骤为先作直径Φ19.71的圆，且圆与V 型块夹持斜面相切；然后作直径Φ19.97的圆，且圆与V 型块夹持斜面相切。两个极限圆心的距离O 1O 2就是M20螺钉的定位误差。用CAD 标注工具可以直接测量出O 1O 2=0.17。从图2、图3可以看出，V 型块夹持定位时会有定位误差，这对螺钉装配时螺钉孔位的定位会有影响，那么就应该进行位
置偏移允许误差计算。如果两个V 型块同时以相同的速度向中间移动夹紧螺钉，那么能保证螺钉的中心都在同一位置，因此设计这样动作的夹紧机构可以不用计算螺钉位置偏移允许误差。1.3 定位元件尺寸设计
由于V 型块在进行圆形零件定位时，要保证圆形零件的中心位置，V 型块的斜面必须与圆形零件相切。这就要求在装夹不同规格的螺钉时，使用的V 型块尺寸可能不一样。为了方便螺钉的装夹以及更换，可以设计不同尺寸的V 型块，每个V 型块可以同时进行几个规格的螺钉的装配。可以根据安装螺钉的规格更换合适的V 型块进行螺钉的安装，如图4、表1所示。图4、表1中的中心高度L 都是15㎜，这是为了缩小夹具尺寸，因为工业机器人抓取重量是有规定的，如果需要安装大于M20的螺钉，可以加大中心高度增加V 型块宽度尺寸。
2 夹紧装置的设计
2.1 夹紧装置的选择
典型的夹紧机构主要有以下几类：楔块夹紧机构、
图
1 夹紧元件图
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·2·乐福特
2019年第24期
螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、联动夹紧机构、定心夹
紧机构。这些机构中，定心夹紧机构是指能够保证工件的对称点、线、面在夹紧过程中始终处于固定准确位置的夹紧机构，其工作特点是夹紧机构的定位元件与夹紧元件是同一元件，并且定位和夹紧动作是同时进行的。所以螺钉装夹机构选择定心夹紧机构进行夹紧。2.2 夹紧机构的设计
由于需要保证夹紧机构两边等速运动，因此选择双连杆滑块机构进行夹紧。螺钉夹紧机构运动简图如图5所示。由平面自由度公式式（1）可得该机构的自由度F 。
F=3n-2p-h （1）式中：F 为该机构的自由度；n 为活动构件数；p 为
低副数；h 为高副数。
该机构中活动构件数是5件，平面移动副数是2，平面转动副数是3，没有高副，所以有F=3×5-2×5-0=1。
由结果可知，该螺钉夹紧机构的自由度是1，从而保证了该机构运动的唯一性，也就保证了螺钉夹紧的可靠性。其运动原理是原动件1作上下运动，带动连杆2、3作摆动，而连杆2、3又带动夹紧滑块4和5在导轨上作等速的相向（夹紧）运动和背向（松开）运动，从而实现螺钉的夹紧和松开。
3 动力源装置的设计
螺钉夹紧机构运动简图如图5所示。要驱动图中的夹紧机构，就需要选用合理的动力源执行装置。夹紧机构原动件是直线运动，而能够直接实现直线运动的有气缸和液压缸等，又因为在三菱机器人上留有专门的气路外接口，所以该夹紧机构选择气缸作为夹紧装置的动力源驱动装置是最合理的。
3.1 气缸行程的确定
因为螺钉装配时，需要螺钉手爪松开螺钉，且松开的口要能够通过螺钉拧紧套筒，而最大的螺钉是M20，相对应的拧紧套筒最大尺寸是50mm ，所以螺钉夹紧连杆滑块机构的行程要大于50㎜。夹紧机构的行程图如图6所示，为了防止传动死角的出现，角α的范围应该在0°＜α＜180°。设当气缸在活塞
杆在最上方时（夹紧状态），α=15°，AB=AC=35㎜，BC1=12.16，则当行程大于50㎜时，即BC22012宝来
＞BC1+50，BC2＞62.16。由三角函数关系可得式（2）。
（2）
当BC2=62.16时，α≈125.26°。则当125.6°＜α
＜180°时，夹紧机构行程可以大于50㎜。
气缸行程H ＞（α=15°时AE
的长度）-（α=125.26°时AE 的长度），即
，可知
H ＞18.61，故气缸的行程可取H=25。
4 夹具体的设计
夹具体图如图7所示。其工作原理：夹具体是直接
表1 V 型块规格数据
中心高L/㎜V 型角α/°V 型块宽度/㎜
使用的螺钉规格1590 3.6M3/M4/M51590 5.5M4/M5/M615907.75M6/M8/M1015
9010.5M8/M10/M12/M1415
90
14.7
M12/M14/16/M18/M20
图2 M3螺钉定位误差图
图3 M20螺钉定位误差图
图4 V 型块规格图图5 螺钉夹紧机构运动简图
1.气缸推杆；2、3.夹紧连杆；4、5.V 型定位元件；6.夹具体。
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2019年第24期1.夹具体；2.连杆；3.气缸；4.导轨（与夹具体一体）；5.滑块；
6.V 型块连接座（与滑块连接一体）；
7.V 型块；
8.
螺钉。
图7 夹具体图tt99
图江铃陆风风尚
8 螺钉夹爪安装图
Design of Screw Automatic Assembly Gripping Jaw Based on Mitsubishi Industrial
Robot
Abstract ：Our country is a large manufacturing country,In many industries, product assembly is req
uired, and screw assembly is very important in product assembly.This paper designs and studies a screw assembly clamping jaw based on Mitsubishi industrial robot.The main function of screw assembly jaws is to cooperate with industrial robots to grab screws from the platform at will.
Key Words ：screw,assembling jaw,mitsubishi industrial robot
Shi Wenchang
(Guizhou university,Guiyang,Guizhou 550003)
防撞钢梁连接在工业机器人第六轴的末端，气缸固定在夹具体上，当气缸上下运动时，带动连杆2运动，从而使滑块5左右运动，从而实现螺钉的夹紧与松开。把夹具体连接在三菱工业机器人末端关节上，就可以跟随工业机器人运动从而实现螺钉的自动抓取，如图8所示。
5 结束语
随着工业机器人技术的发展，现在中国的装配业发展十分的迅速，工业机器人在装配业上的应用越来越多，而螺钉装配是完成产品装配的重要工序。文章在基于三菱工业机器人的基础上设计了一款螺钉夹爪，能够在桌面上抓取M3-M20的不同类型的螺钉，对定位元件尺寸进行修改后，该机构同样适用其他规格的螺钉。
参考文献：
[1]董欣胜，张传思，李新.装配机器人的现状与发展趋势[J].
组合机床与自动化加工技术,2007(8):1-4+13.[2]骆敏舟，杨秀清，梅涛.机器人手爪的研究现状与发展[J].
机器人技术与应用,2008(2):24-35.[3]余凤燕.基于绘图快速获取V 型块定位误差的方法[J].企
业技术开发,2019,38(2):45-46+54.
grandedition图
6 机构行程图
1.气缸推杆；2、3.夹紧连杆；4、5.V 型定位元件；6.夹具体。
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