高锁螺母自动化安装执行器设计与分析.pdf

Oct.JOURNALOFMACHINEDESIGN20232023年10 月No.10Vol.40第40 卷第10 期设机计械高锁螺母自动化安装执行器设计与分析*姜杰凤（杭州师范大学钱江学院，浙江杭州310036)摘要：利用工业机器人进行高锁螺母自动化安装，是替代人工繁重劳动的有效途径，然而需要设计合适的末端执行器来执行该安装任务。根据高锁螺母的安装工艺特点和拧断力矩，分析确定了动力源和减速器增扭倍率。设计了高锁螺母自动化安装执行器，特别是设计了分离式前、后套筒结构，并用导销导槽连接两部分。建立了螺纹旋合处和导销导槽处受力状态模型，分析并证实了前套筒扳手在扭转的同时，能够伴随高锁螺母实现轴向进给，完成其旋合拧紧。采用PLC控制该执行器，进行高锁螺母安装试验，自动化安装效果良好。关键词：高锁螺母；自动化安装；末端执行器；套筒扳手中图分类号：TH131；V 2 6 2.4文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 3 5 4（2 0 2 3）10-0 0 19-0 5Design and analysis of end-effector for automatic installationof hi-lock nutsJIANG Jiefeng(Qianjiang College,Hangzhou Normal University,Hangzhou 310036)Abstract:The automatic installation of hi-lock nuts by industrial robots is effective to replace heavy manual labor,but a suit-able end-effector is needed to perform the installation task.In this article,according to the characteristics of the installationprocess and the fracture torque of the hi-lock nuts,both the power source and the reducers torque increase rate are determined.Besides,the end-effector for automatic installation of the hi-lock nuts is designed.Especially,the separated front-and-rear socketstructure is developed,and the two parts are jointed with the guide pin and the guide groove.The force model is set up for the po-sitions of the screw engagement as well as the guide pin and the guide groove.It is verified that the front socket wrench realizesaxial feed along with the hi-lock nuts while twisting on one hand,and completes its engagement and tightening on the other hand.PLC is used to control the end-effector and carry out the experiments of hi-lock nut installation.As a result,the task of automaticinstallation achieves desirable outcomes.Key words:hi-lock nut;automatic installation;end-effector;socket wrench装配是飞机制造的主要环节，其工作量在整个制造过程中占到45%6 0%。在飞机装配的各阶段，即使铆钉被大量采用，螺栓的占有量依然巨大，如每架A340客机有铆钉9 0 万颗、螺栓7 0 万颗。钛合金高锁螺栓系统（包括高锁螺栓和高锁螺母）具有质量小、强度高、夹紧力大等特点，成为飞机重要受力结构部位用量最大的一种紧固件2 。目前，大量的高锁螺母安装*收稿日期：2 0 2 1-0 8-2 4；修订日期：2 0 2 3-0 4-10基金项目：浙江省基础公益研究项目（LGG18E050018）工作主要还是通过人工采用工具来完成3 ，该安装任务繁重，重复性强，人力消耗大，成本高，迫切需要自动化。机器人作为智能化工具，在许多柔性装配系统中得到广泛应用，可解放大量的人力，并提高装配效率和质量4。在飞机自动化装配制造领域，机器人制孔技术已经比较成熟，图la所示为德国宝捷公司开发的机20机计设械第40 卷第10 期器人制孔系统5 ；机器人铆接技术也得到了极大发展6-7 ,图1b为浙江大学开发的双机器人铆接系统8 。在飞机装配连接中，采用工业机器人无疑是实现高锁螺母自动化安装的有效途径，因为高锁螺栓和高锁螺母具有特殊的结构，故其自动化安装的关键在于设计合适的机器人末端执行器(a）德国宝捷公司机器人制孔系统(b）浙江大学双机器人铆接系统图1机器人钻铆系统但是，目前的高锁螺母安装工具主要是最简易的外六角工具和套筒扳手，或者是手持式气动工具，都不能适应机器人自动化装配需求。所以，文中根据高锁螺母安装工艺特点，设计了一电驱动高锁螺母安装执行器，通过套筒分离方式，只需一个动力源，即可实现周向转动和轴向移动。该执行器可安装于工业机器人末端，再配合螺母输送装置9 ，即可实现其全自动安装。1安装工艺需求分析高锁螺母由前端圆螺母和尾部六角头两段组成，中间有一细断颈槽，为定扭矩螺母。如图2 所示,在高锁螺母拧紧时，将内六角套筒扳手卡在高锁螺母六角头上，止动工具插人高锁螺栓尾部的内六角孔内，止动螺栓，用套筒扳手拧紧螺母。达到设计规定拧断力矩或预紧力时，高锁螺母在断颈槽处被拧断，安装完成，套筒扳手和止动工具退回。套筒扳手止动工具断颈槽高锁螺母高锁螺栓图2高锁螺母安装示意图飞机装配中常用的高锁螺栓有M5，M6，M8 和M10,其对应的高锁螺母（LY12）拧断力矩和预紧力如表110 所示。文中拟采用5 7 型步进电机作为动力源，其输出扭矩为0.5 1.5 Nm，明显小于表1中各直径高锁螺母的拧断力矩，故需要增加一大传动比减速器，起到降速增扭作用。例如，采用1：10 的行星减速器，其最大输出扭矩将达到15 Nm，可满足M8及以下高锁螺母拧断力矩。如果传动中再设有降速传动装置，则可进一步提高末端套筒扳手处的扭矩。表1拧断力矩与预紧力螺纹直径M5M6M8M10断力矩/（Nm）1.9 6 2.9 444.156.0812.2515.6819.625.48预紧力/kN4.176.266.359.63 12.2518.3817.1525.73针对不同螺纹直径的高锁螺母，其套筒扳手内六角和止动工具外六角尺寸有所差别，设计时可将其末端制作成可换形式，以提高安装执行器的通用性。但是，为了制作样机方便，同时考虑飞机装配中M6高锁螺栓的用量最大，文中设计了固定尺寸M6的套筒扳手和止动工具。另外，拧紧高锁螺母时，套筒扳手周向回转的同时，需要轴向进给，所以在套筒扳手或整个执行器结构上应该具有这2 个方向的自由度。2末端执行器设计2.1结构设计根据以上工艺需求和分析，设计该高锁螺母自动安装执行器，其结构如图3 a所示。该执行器由步进电212023年10 月姜杰凤：高锁螺件目设计与分析机驱动，通过行星减速器和一对齿轮传动，将动力传递给后套筒，前套筒扳手小直径段插入后套筒前端大孔内，并通过导销联系，最终将扭矩传递到前套筒扳手前端内六角处，可实现对高锁螺母拧紧。前、后套筒设计为中空结构，止动轴贯穿于两套筒，其前端为外六角头，可插人高锁螺栓尾部内六角孔；后端扁平面穿过止动板，用于螺栓周向止动。另外，通过轴肩和挡销控制止动轴轴向窜动。根据结构设计制作了高锁螺母安装执行器样机，如图3 b所示。该执行器可以通过底板连接于6 R工业机器人末端，作为机器人末端执行器来进行高锁螺母的自动化安装。步进电机行星减速器后支撑板小齿轮导销弹簧前套筒扳手底板止动轴挡销止动板大齿轮后套筒前支撑板(a)三维模型前套筒扳手前端内六角头止动轴-前端外六角头(b)实物样机图3末端执行器传动装置该执行器设计的核心是将套筒扳手分为两部分，用于实现拧紧螺母时周向回转和轴向进给。如图4所示（为反映内部结构，部分零件进行了透明化处理），前套筒扳手小直径段和后套筒前端大孔段设计为间隙配合轴套关系，前套筒上开有导槽，后套筒上装有导销。导销和导槽形成移动副，既保证了将后套筒扭矩传递给前套筒扳手，又能满足拧紧螺母时前套筒轴向进给的需求。为了保证传递扭矩的可靠性和轴向移动的平稳性，在圆周上对称设置了两套导销导槽机构。此外，在两套筒之间设有弹簧，安装螺母时可以保证前套筒扳手将高锁螺母始终预压在螺栓尾部，同时，为前套筒轴向位移提供推力。前套筒高锁螺母高锁螺栓导槽导销扳手（透明化）（透明化）后套筒弹簧前支撑板止动轴铝板（透明化）前端六角头(a)初始状态(b)结束状态图4轴套与套筒安装状态根据高锁螺母安装轴向位移行程，设计并确定了后套筒大孔深度、前套筒导槽长度和导销在后套筒上的固定位置等关联尺寸。图4a和图4b分别示出了高锁螺母自动化安装中套筒扳手运动的初始状态和结束状态，也揭示了其极限位置2.2受力分析根据前面执行器结构和运动设计，在前套筒扳手扭矩T的作用下，高锁螺母逐渐旋人。那么前套筒扳手和后套筒间导套和导槽处的受力状态，决定了高锁螺母周转的同时轴向进给是否可以持续执行。首先分析高锁螺母与螺栓旋合处的受力状态，获得轴向力，然后再分析导套和导槽处受力情况。将螺距p和螺纹升角入的螺栓螺纹沿中径d，展开,将高锁螺母简化为一物块，建立螺栓螺母旋合模型（图5）。该物块与斜面的相对运动表示了螺母与螺栓旋合的物理过程。在扭矩T的作用下，如果物块沿斜面匀速向上移动，进行受力分析，如图5 所示。螺母受驱动力F轴向力Q、支持力N和摩擦力F.的共同作摩擦角,p=arctanf、;式中：入一螺纹升角，入=arctanLp/(rd,)22机计设第40 卷第10 期械用。R为支持力与摩擦力的合力，为支持力与摩擦力之间的夹角，即摩擦角。NR入FFRFP元dQ图5螺纹旋合处受力状态驱动力F，由套筒扳手扭矩T引起，两者关系为：T=F,(d,/2)(1)轴向力Q由前套筒扳手对高锁螺母施加，可理解为两者内外六角面间的摩擦作用。根据图5 受力状态模型，驱动力和轴向力存在如下关系：F,=Qtan(入+p)（2)J一一三角螺纹螺母和螺栓之间的当量摩擦因数，J、=f/cos;螺母与螺栓间的摩擦因数；一牙型角。由式(1)和式(2)可得：Q=(2T/d,)/tan(入+p)(3)进一步建立前导套扳手导槽和导销处受力模型，如图6 所示。前套筒扳手小直径d导槽处受导销压力Fid、摩擦力Fa、轴向力Q和弹簧力F、的共同作用。H+FTFidtd图6前套筒扳手导槽处受力情况此处Q为高锁螺母对前套筒扳手的轴向摩擦作用力，与螺母处轴向力Q大小相等,方向相反，即：Q=-Q(4)根据导槽导销处受力状态，在扭矩T的作用下，可得导销对导槽的压力和摩擦力：Fad=T/(d/2)(5)Fra=faFia=a(2T/d)(6)式中：f导销和导槽之间的摩擦因数在轴线前进方向上，前套筒扳手受轴向力和弹簧力的合力：Q+F,=(2T/d,)/tan(入+p)+F(7)比较式(6)和式(7),因为fad，t a n(入+p)1,故存在F,Q。所以，下式成立：FaQ+F(8)式（8)可作为前套筒扳手沿导销轴向向前移动的必要条件，表明前套筒扳手在周转的同时，可跟随高锁螺母轴向进给，实现旋合拧紧。需要说明的是，为了方便得出轴向可移动条件，在图6 受力分析中只考虑了导销对导槽的摩擦力。实际上，前支撑板（孔）和后套筒（前端大孔）也会在前套筒扳手向前进给时对其产生摩擦阻力。最终，前套筒扳手在轴向上将形成一个平衡力系，使其能够平稳进给。3安装试验该执行器只有一个动力来源，即步进电机，所以控制系统比较简单。文中采用PLC控制器，通过驱动器，带动步进电机旋转。根据高锁螺母需要旋合的圈数，计算步进电机旋转圈数，从而获得理论脉冲数，据此编写PLC控制程序。因为要保证高锁螺母旋合到位并且待到尾部扭断，而扭断后套筒扳手即处于空转状态，所以可将实际脉冲数设置略大于理论值。利用该执行器进行了高锁螺母安装试验，如图7所示。准备钛合金高锁螺栓和LY12高锁螺母（表面均有涂层），在6 0 6 1铝合金板上钻制6mm孔。采用文中设计的执行器，进行高锁螺母的电驱动安装试验。试验过程中，前套筒扳手对高锁螺母进行旋合拧紧，操作平稳，并成功拧断高锁螺母尾部，完成了自动安装任务。(a)高锁螺栓和高锁螺母232023年10 月姜杰凤：高锁螺母自动化安装执行行器设计与分析(b)试验过程(c)试验结果图7高锁螺母自动安装试验试验结果表明：电驱动执行器的高锁螺母安装工作平稳，安装效果良好。因该执行器速度易控可调，可实现高效安装，将该执行器安装到机器人末端，可实现机器人自动安装。下一步将设计高锁螺母的自动输送装置，为自动安装提供物流支持，最终实现高锁螺母的机器人全自动安装。4结论根据高锁螺母的自动化安装需求，分析确定了动力源扭矩和降速增扭倍率。设计了安装执行器，特别是设计了分离式前、后套筒结构，并用导销导槽移动副连接两部分。导槽处存在轴向力大于摩擦力的条件，证明前套筒扳手在旋转的同时，能够实现轴向进给，完成高锁螺母的旋合拧紧。采用该执行器安装高锁螺母的效果得到了试验验证，将其安装于工业机器人末端，用于高锁螺母的机器人自动安装。参考文献1贾玉红，何景武现代飞行器制造工艺学M2 版.北京：北京航空航天大学出版社，2 0 2 0：13 5-13 8.2韦红余，陈文亮，蒋红宇，等.面向现代飞机装配的长寿命机械连接技术J.航空制造技术，2 0 0 9（17）：3 4-3 7.3姜杰凤.高锁螺栓干涉安装及其对螺接结构力学性能的影响D.杭州：浙江大学，2 0 14.4毕树生，梁杰，战强机器人技术在航空工业中的应用J.航空制造技术，2 0 0 9(4)：3 4-49.5Mehlenhoff T,Vogl S.Automated fastening of aircraft cargodoor structures with a standard articulating robot system C/Aerospace Technology Conference and Exposition,Los An-geles,California,US,17-20 Sep.,2007.6陈修强，田卫军，薛红前飞机数字化装配自动钻铆技术及其发展J.航空制造技术，2 0 16(5）：5 2-5 6.7杜兆才，姚艳彬机器人钻铆系统研究现状及发展趋势J.航空制造技术，2 0 15（4）：2 6-3 1.8宦红伦双机器人气动铆接关键技术及其在机身壁板装配中的应用D.杭州：浙江大学，2 0 16.9姜杰凤，马宝丽，王琦晖基于机器视觉的高锁螺母智能安装系统及其安装方法：中国，2 0 18 10 0 6 6 6 2 1.8 P.2019-06-25.10 G JB2 8 9 2 A 2 0 0 8 高锁螺母通用规范S.作者简介：姜杰凤（19 8 1一），男，副教授，博士，研究方向：数字化装配与先进连接技术。E-mail：j i a n g i f h z n u.e d u.c n