林钟卫， 王琴， 罗准， 朱邦杰， 葛江宇， 付宗国

（1.浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山316022；2.舟山市知创科技开发有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

随着工业生产自动化程度不断提高，采用机械设备替代人工生产逐渐成为企业发展的追求目标，越来越多的自动化设备也被应用于实际生产过程中[1]。螺丝上料是生产线中常见的环节，但由于实际生产时螺丝数量过多，采用人工排序的方法不仅工作效率低，还会造成作业标准差别很大，使得良品率下降[2],为适应生产的需要，半自动化螺丝机应运而生，在一定程度上解决了手动操作的诸多问题。作为实际生产过程中的一种小型自动化设备，半自动化螺丝机减少了工人在安装时要挑拣螺丝的麻烦，节省了生产时间[3-4]。半自动化螺丝机主要由送料及锁付系统构成，可以方便快捷地将螺丝排成一排，相比于手动作业的方式[5-6]，现在只需要单手就能操作，然后机器会自动输送新的螺丝到批嘴下，如此循环作业，大大提高了螺丝上料的效率[7-8]。但是在实际生产的时候也产生了许多问题，影响最大的就是许多螺丝机的上料机构为漏斗状，通过底部的上料板推动上料，然而螺丝在排序的时候往往由于重力的作用容易堵塞漏斗的底部，导致上料中断，在一定程度上造成了生产滞后，影响了加工作业效率。除此之外，半自动化螺丝机还存在自动化程度低、故障率高、生产效率低下等问题[9-11]，针对这一系列问题，通过查阅国内外相关研究资料进行讨论分析，本文设计提出了一种螺丝自动上料装置，改变传统半自动螺丝机的上料方式，将漏斗上料盘改进为螺旋振动上料盘，在上料板上开设防堵槽，并增加了回料槽设计，防止螺丝堵塞上料槽的同时，多余的未成功上料的螺丝重新回到螺旋振动上料盘内，较好地解决了螺丝排序易堵塞上料口的问题。并增加了自动锁螺丝装置和螺帽排序箱装置，进一步提高了螺丝机的生产自动化程度，既保证了自动上下料过程的稳定性，还提高了生产效率，为实际生产应用提供帮助。

1 螺丝自动上料装置的结构设计

如图1所示，该装置主要由上料机构、输送机构、推动控制机构、下料机构、推料机构、锁紧机构和其他辅助装置组成。上料机构中的螺旋振动上料盘与固定板固定连接并固定在支撑柜上，在上料板靠近回料槽一侧开设有若干个防堵槽；推动控制机构用于控制上料板的上下滑动同时带动拨片机构的运动；其他机构将在下文进行详细介绍。

2 各机构的设计及具体工作过程

2.1 上料机构设计

上料机构包括螺旋振动上料盘、上料板、料板、支架、固定板等。

2.1.1 螺旋振动上料盘的设计

螺旋振动上料盘（如图2）包括螺旋盘振动器、螺旋盘、上料槽、回料槽、底座等。螺旋振动上料盘通过振动带动螺旋盘内的螺丝逐个连续地输送到上料槽，此时推动控制机构控制上料板下降，螺丝从上料槽出料口掉落到料板的斜槽当中，当斜槽内的螺丝达到设定的数量时，推动控制机构控制上料板上升进行上料，在上料板上升的过程中多余未上料的螺丝掉落到回料槽内并重新回料到螺旋盘内，避免了螺丝堵塞料板斜槽、上料板及上料槽。

图1 螺丝自动上料装置结构图

图2 螺旋振动上料盘

图3 上料板连接视图

2.1.2 上料板的设计

上料板与上料槽、料板、回料槽滑动连接（如图3），为避免螺丝堵塞影响上料板升降，在上料板靠近回料槽的一侧设置了若干防堵槽，其中在防堵槽内设置了可以伸缩连接的防堵块（如图4），其中防堵块内设置了斜面板、连接板，两者之间的角度α为30°～60°。

图4 防堵块

设计的斜面板高度低于防堵槽的高度，并且能够伸出防堵槽；上料板的上端设计了斜槽，借助弹簧将连接板与防堵槽底面相互连接，由于弹簧的弹性作用，能够确保防堵槽中的连接板在伸缩时能够重新恢复突出状态并且高于防堵槽口的端面一定距离。实际生产的时候只要保证弹性满足要求，弹簧也可以换成弹片或其他弹性连接件。

工作时，上料板下降，螺丝从上料槽掉落到料板斜槽，同时斜面板在下部推动连接板向内收缩，然后防堵块从上料槽底部穿过，当斜槽内的螺丝达到设定的数量时，推动控制装置控制上料板上升，与此同时，空余的斜面板从上料槽的底部滑过并进一步推动连接板向内收缩，从而使得底部的防堵块能够穿过上料槽重新突出于防堵槽口上，并将多余的螺丝推入回料槽，有效避免了螺丝堵塞上料槽，这样当上料板在上下料需要升降时就不容易被影响，料斗跟上料板的连接处也不会被阻碍，确保了上料板升降过程的稳定性。

2.2 输送机构设计

输送机构（如图5）包括导轨、压板、拨片机构、支撑座、支架等，主要用于将上料板斜槽中的螺丝传送到下料机构下料。当上料板将料板斜槽内的螺丝推到导轨入口处时，拨片机构将螺丝拨入滑轨中，压板能够避免螺丝从滑轨中跳出的情况，当滑轨中布满螺丝之后，拨片机构每拨入一颗螺丝到导轨中，在导轨出口处就有一颗螺丝被推入下料机构的预备下料口处。在拨料时当有螺丝突出于滑轨时能够将其快速地推下滑轨，弹簧拨片的回弹作用还可以将多余的螺丝推入回料槽内并重新回到螺旋盘中，一定程度上避免了卡螺丝的问题，减少故障发生。

2.3 推动控制机构设计

推动控制机构（如图6）包括上料气缸、活动铰链、固定铰链、拨片连接杆和上料板连接杆。推动控制机构主要用于驱动上料板进行上下滑动，并且同时带动拨片机构进行拨料运动。具体实施方式：当上料气缸伸出时，因为上料气缸活动端连接杆分别和固定底座、上料板铰接在一起，此时的上料板只能做上升运动，并且带动拨片机构的拨片将螺丝拨入导轨中；同理，上料气缸在收缩的时候，上料板就只能做下降运动，并且与弹簧一起带动拨片机构的拨片复位进行下一次拨料。

2.4 下料机构设计

图5 输送机构

图6 推动控制机构

下料机构（如图7）包括滑动气缸、下料座、滑动块、推料气缸、滑动片、预备下料口、下料口、下料箱和下料管。工作时，螺丝经导轨输送至预备下料口的卡槽内，然后滑动气缸带动滑动块在下料座内滑动并带动螺丝送至下料口处，然后螺丝从下料口进入下料箱中，经过下料箱之后，螺丝从下料管出口逐个送至螺帽连接板的预定孔位中进行预备锁紧。

图7 下料机构

为避免螺丝卡住下料口，在滑动块上设计了推料气缸和滑动片，其中滑动片能够与滑动块滑动连接并且插接在滑动块中；推料气缸的活动端与滑动片固定连接并且嵌在滑动块内（如图8）。

当滑动气缸带动滑动块在下料座内滑动并带动螺丝送至下料口处，推料气缸推动滑动片，将螺丝推入下料口中进入下料箱，经过下料箱排序之后，螺丝从下料管出口被逐个送至螺帽连接板的预定孔位中进行预备锁紧。

图8 推料机构视图1

图9 推料机构视图2

2.5 锁紧机构的设计

锁紧机构（如图10）包括螺帽排序箱、螺帽连接板和锁紧电批。将螺帽原料导入螺帽排序箱内，通过螺帽连接板将螺帽阵列排列在连接板的预定孔位中，当螺帽连接板移动至下料管正下方并与下料管的孔位相对应时，螺丝通过下料管逐个输送到螺母连接板的预定孔位中，当所有预定孔位布满螺丝后，螺帽连接板移动至电批嘴正下方并与相应的批嘴口对齐，然后电批对螺丝进行锁紧，锁紧之后连接板底部打开，将已经完成锁付的连接件倒入计数框内从而完成最后一步工序。

2.6 其他辅助装置设计

其他装置结构包括气配箱、控制开关、成品框、螺丝原料框、螺帽原料框、固定座、固定板、气泵等（如图12、图13）。气配箱用于控制本装置的总电源开关及本装置各工作环节的控制参数设置。控制开关用于控制装置的运行及制动，装置运行过程中如出现紧急故障，可按下控制开关上的红色急停按钮，能够及时制动并断电，便于故障维修及保证生产安全。

图10 锁紧机构视图1

图11 锁紧机构视图2

图12 气配箱、控制开关、气泵

图13 各类料框

3 螺丝自动上料装置的工作原理和效率评价

螺丝自动上料装置如图14所示，根据实际生产的工序要求，预先设定螺丝机的各工作环节的参数，并导入到装置的气配箱内进行程序流程的设定。开始工作前，先将螺丝原料和螺帽原料分别倒入到螺旋振动上料盘和排序上料箱内，然后打开气配箱的上电开关给装置进行上电，按下控制开关上的绿色启动按钮，装置开始自动运行，通过螺旋振动上料盘带动螺丝上料，通过上料板将螺丝输入料板中，通过拨片机构将螺丝拨入输送滑轨中，并推动螺丝进入预备下料口，然后滑动气缸带动滑动板将螺丝输送到下料口位置，通过滑动板上的推料气缸将螺丝推入下料箱中，此时锁紧机构中的螺母排序箱将排好序的螺母连接板输送到下料管正下方，通过下料出口将螺丝按照对应孔位逐一插入，然后整块螺母连接板滑动到电批嘴正下方预定位置，最后电批嘴将对应孔位的螺丝进行锁紧，然后出料，完成所有整个自动上下料及锁紧的过程。装置运行过程中如出现紧急故障，可一键按下控制开关上的红色急停按钮，能够及时制动并断电，便于故障维修及保证生产安全。

自动螺丝机工作效率计算公式为

图14 螺丝自动上料装置

式中: T为工作总时间; TA为非机器故障停机时间; TB为机器故障停机时间。

根据林敏等[12]的研究表明，采用改进的自动螺丝机后可以大大减少人工劳动力并且进一步提高生产效率，满足设计的要求和实际生产需要。

根据石小仕等[13]的研究表明，在同等作业时间内，机器完成的工件数远大于人工完成的工件数；人工作业的折线波动相较于机器大得多，表明自动螺丝机机器具有更好的稳定性和工作效率，如图15所示。

图15 效率评价

4 结语

本文设计的螺丝自动上料装置，将漏斗上料盘改进为螺旋振动上料盘，在上料板上开设防堵槽，并增加了回料槽设计，防止螺丝堵塞上料槽的同时，多余的未成功上料的螺丝重新回到螺旋振动上料盘内，较好地解决了螺丝排序易堵塞上料口的问题。增加了自动锁螺丝装置和螺帽排序箱装置，进一步提高了螺丝机的生产自动化程度，既保证了自动上下料过程的稳定性，还提高了生产效率，为实际生产应用提供帮助。