自动拆卸螺母机器人工具的机械设计与研究 摘要

自动拆卸螺母机器人工具的机械设计与研究 摘要

目前国内大多数报废汽车拆解企业所采用的方式是手工拆卸 , 存在劳动强度大 , 作业效率低的缺点。对报废汽车的自动化拆解做一个探索性研究 , 主要研究了报废汽车拆解过程中轮毂上螺母的自动拆卸所用的机器人工具 ; 设计了标准的工具接头 , 该接头使机器人能根据不同规格的螺母自动更换拆卸工具 , 另外工具本身带有扭矩传感器 , 控制系统根据传感器采集的信号来控制电机的启停 , 针对螺母锈死的情况设计了过载保护机构。

引言:

随着汽车工业的飞速发展 , 近年来我国的汽车保有量迅速增长 , 报废汽车的数量也呈现出很高的增长趋势。报废汽车的增长一方面给环境造成了很大的压力 ,另一方面也使很多有用的资源搁置或浪费 , 如何有效地回收和拆解报废汽车的工作成了当务之急 , 而报废汽车的拆卸是回收利用的关键环节。由于汽车上有大量的螺纹连接件 , 对汽车螺纹连接件的拆解是报废汽车拆解的重要组成部分。在传统的拆解方法中 , 工人用扳手或气枪来拆解螺栓或螺母 , 其劳动强度大 , 而且工作效率低。针对这种情况 , 本文对报废汽车的自动化拆解做一个探索性研究 , 设计出一种自动拆卸螺母的机器人工具 , 其旋松对象是报废汽车上的螺母。利用机器人灵活运动的特点 , 把这种工具作为机器人的末端执行器 , 通过对机器人编程实现对报废汽车上螺母的拆卸。该工具与机器人结合 , 可以代替人工操作 , 在很大程度上降低了劳动强度 , 同时也提高了作业效率 , 为将来实现报废汽车的自动化拆解奠定了技术基础。

我国的报废汽车拆解行业起步较晚 , 目前大多数拆解企业所采用的主要是手工气割等比较原始的拆解方式。对汽车上螺纹连接件的拆卸也是以手工扳手或气枪为主 , 其专用的拆解设备很少 , 有限的专用设备绝大部分只是实现了机械化和半自动化。清华大学的杨润泽

自动拆卸螺母机器人工具的机械设计与研究 摘要

等人研制了基于霍尔传感器的螺纹连接件智能拆解 , 可以对拆解状态进行检测分析 , 进而自动决定后续动作的智能控制设备。但该设备工件的装夹和拆卸仍需要人工完成 , 而且只适用于某些特定的螺纹连接件的拆解 , 从而限制了其使用范围。合肥工业大学、上海交通大学等对螺纹自动拧紧机作了大量的研究 , 这种螺纹自动拧紧

机主要针对主减速器装配过程中螺栓螺母的拧紧 , 如合肥工业大学的卫道柱、林巨广和刑刚等 [4, 5] , 采用扭矩转角法来控制螺母螺栓的拧紧 , 控制系统采用闭环控制 ,提高了拧紧力矩的控制。上海交通大学的胡洪国 [6] 对新型汽车主锥全自动拧紧机控制系统作了深入的研究 , 针对国内已有汽车主锥总成拧紧自动化设备工作不可靠和效率低的现状 , 在拧紧机结构设计、力矩参数测量、对孔检测、控制系统设计等方面采用了一系列新的方法。目前这种设备在东风汽车、江淮汽车的主减速器的装配线上已投入使用。

2  报废汽车拆卸机器人自动拆卸螺母工具的设计为了实现报废汽车的大批量拆解自动化 , 必须引入工业机器人。本文研究的机器人拆解工具作为机器人的末端执行器 , 利用机器人的灵活性 , 通过编程方便地实现报废汽车上不同规格螺母的拆卸。这里 , 以拆卸汽车轮胎上的螺母为例 , 设计自动拆卸螺母的机器人工具。

2 1 1  自动拆卸螺母机器人工具的功能设计报废汽车的拆解不同于汽车装配 , 汽车装配时螺母的功能状态基本一致 , 而拆卸时其螺母状态千差万别 , 有的已经破损 , 有的甚至锈死 , 绝大多数处于拧

紧状态。螺母拆卸的目的就是把拧紧状态的螺母旋松 ,并将其取下 , 或者直接通过暴力破坏该螺纹连接。该工具是针对第一种情况 , 将螺母旋松并取下。旋松过程需要驱动机构和执行机构共同完成 , 在此过程中 , 由控制器来控制整个机构的运行。如果遇到螺母锈死的状况 , 会使负载超过电机的最大功率 , 以致电机烧坏和机械机构破损 , 所以系统需要有过载保护的功能。过载保护通过控制器控制电磁离合器的开闭来实现。控制功能由计算机来实现 , 主要控制电机的开启和接收传感器信息 , 以判断是否执行过载保护。为了获得工具正常的工作速度 , 需在电机和执行机构中间加一减速机构。工具的功能原理图见图 1 。2 1 2  自动拆卸螺母机器人工具的工作原理根据前述功能的设计要求 , 初拟自动拆卸螺母机器人工具的工作原理 , 见图 2 。电机在控制系统的控制下启动 , 通过减速机构将动力传送至旋松装置。扭矩传感器用来采集旋松主轴的旋松扭矩信号 , 控制系统根据此信号控制电机的转速和过载保护机构的工作。根据此工作原理 , 设计了一个多轴型自动拆卸螺母或螺栓机器人工具 , 这样会更大程度地提高报废汽车的拆卸效率。但是就目前的技术来看 , 设计多轴自动拆卸螺母的机器人工具存在着一些难以解决的问题。针对这种情况 , 本文设计了一个单轴自动拆卸螺母的机器人工具。工具本身带有电机 , 在工作过程中由电机驱动执行机构旋松螺母。由于汽车型号不同 , 其轮胎上所用螺母的大小、规格也不尽相同 , 机器人工具可以根据螺母大小和规格的不同自动更换工具。该工具有两种工作状态 : 由于工作对象是拧紧状态的螺母 , 需要工具的初始工作状态是低转速大扭矩 , 一般情况下 , 此时的转速是3 r/min ~5 r /min, 扭矩以旋动螺母为参考 ; 随着工作对象的旋松 , 所需的扭矩越来越小 , 工作状态转为高转速小扭矩 , 此时主轴转速可达到 20 r/m in ~ 30 r/m in, 而扭矩则小到不用考虑。但是 , 在工作的过程中如果遇到螺母拧不下来的情况 , 控制系统则会根据扭矩传感器检测到的信号来判断是否过载 , 如果过载 , 控制系统发出指令给过载保护机构来切断动力 , 从而保护电机和工具。

自动拆卸螺母机器人工具的机械设计与研究 摘要

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2 1 3  自动拆卸螺母机器人工具的机械结构设计图 3 是自动拆卸螺母的机器人工具的机械结构简图 , 该机器人工具能与工业机器人结合起来完成对螺母的自动拆卸。由于交流伺服电机的功率范围大 , 最高转动速度低 , 且随着功率的增大速度快速降低 , 适合在低速平稳运动的场合 , 所以在此选用交流伺服电机。为了使机器人能根据不同的工作对象来自动更换工具 , 工具与机器人连接的接头做成了标准的。控制部分以计算机为核心 , 另外配备一块 DSP2812 板 ,DSP2812 板具备 A / D 、 D / A 和 I /O 等多种功能 , 控制系统根据扭矩传感器采集的信号控制电机的转速和过载保护机构的工作。下面对该机器人工具的主要部分进行详细的说明。

(1) 标准的自动更换接头。它是正六棱柱形的柱体 ,每个侧面上切有一个凹槽 , 用于工具的定位和锁紧。

(2) 蜗轮蜗杆减速机构。减速机构的作用有两个 :一是将电机的转速降下来 , 达到使用要求 , 因为一般电机的转速都在每分钟几千转 , 而最终旋松装置只需要每分钟几转 , 这就需要减速机构把速度降下来 ; 二是通过减速机构的减速来增大输出扭矩 , 从而达到工作的要求。

(3) 过载保护机构。此处的过载保护机构是一个电磁离合器 , 控制系统根据扭矩传感器采集信号 , 随时监控工具的工作状况 , 从而起到保护电机和工具的作用。

(4) 扭矩传感器。扭矩传感器与旋松装置直接相连 , 用来采集旋松螺母时的扭矩信号。它采用应变电测技术 , 利用应变片感应弹性轴受力变形而输出电压信号。扭矩传感器测得扭矩信号作为反馈信号 , 经转换、放大传递到控制部分 , 再由控制部分控制电机的运转和过载保护机构的工作。

(5) 旋松装置。由轴套、旋松主轴和套筒组成 , 旋松主轴与套筒的配合原理图见图 4 。套筒的一端开有方孔 , 在方孔内开有凹槽与主轴末端方头上的钢珠相配合 , 旋松的扭矩就是靠方头来传递的 , 而钢珠和凹槽的配合用来保证轴向的锁定。这样 , 套筒可以根据

工作对象的不同来更换套筒 ( 如不同大小、规格的螺母),一方面扩大了工具的应用范围 , 另一方面提高了工具的自动化程度。

自动拆卸螺母机器人工具的机械设计与研究 摘要

结论

本文初步探讨了报废汽车自动拆卸螺母的机器人

工具 , 利用机器人灵活运动的特点 , 将拆卸螺母的工

具作为机器人的末端执行器 , 通过机器人编程方便地

实现报废汽车上不同规格螺母的拆卸。机器人可以根

据不同的工况自动更换工具 , 扩大了机器人的使用范

围。这种工具较之其他拆卸螺母工具的优点是能实现

螺母的完全自动化拆解 , 可以适应将来大批量报废汽

车的自动化拆解。报废汽车自动拆卸螺母机器人工具

在报废汽车拆卸过程中的应用可以改善工人的劳动环

境 , 降低劳动强度 , 提高作业效率 , 也为下一步报废

汽车的自动化拆解打下基础。

螺栓和螺母装配机

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