CN110919342B - 一种自动打螺丝系统及自动打螺丝机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动打螺丝系统，包括从后向前依次连接的旋转驱动装置、传动装置及螺丝夹头；所述旋转驱动装置包括减速器；所述传动装置包括法兰套以及套接在该法兰套内的滚珠花键轴；所述减速器的输出端与所述法兰套固接；所述滚珠花键轴前端与所述螺丝夹头固接；在所述减速器的输出端与所述滚珠花键轴后端之间设有弹簧。本发明还公开了一种自动打螺丝机器人。本发明的自动打螺丝系统结构紧凑，节省空间，克服了锁不紧、滑丝、打爆、螺丝头花等不良现象。本发明的自动打螺丝机器人节省人力，提高生产效率，提升加工制造的自动化水平。

Description

一种自动打螺丝系统及自动打螺丝机器人

技术领域

本发明涉及一种打螺丝装置，特别涉及一种自动打螺丝系统及自动打螺丝机器人。

背景技术

一般的零部件需要很多的螺丝进行组装固定，对零部件进行组装时，一般需要人工使用电批，对螺丝进行锁紧，耗费时力，并且操作时要使电批的轴线、螺丝轴线及螺纹孔轴线在一条直线上，避免造成歪斜、晃动，否则易造成锁不紧、滑丝、打爆、螺丝头花等不良现象，另外打螺丝的力矩不宜过大，这就需要工人有丰富的经验，才能按要求完成生产任务。

目前，在机械制造加工行业，工业机器人的应用越来越广泛，国内的工业机器人需求快速增长，引领着国内制造业整体升级。由工业机器人代替操作者自动打螺丝成为一种趋势。一些机器人自动锁螺丝系统仍存在以下问题：螺丝夹头的进给速度恒定不变，若螺丝夹头的进给速度大于螺丝的旋进速度时，螺丝夹头与螺丝之间存在相对扭矩，容易出现打爆、螺丝头花等不良现象；若螺丝夹头的进给速度小于螺丝的旋进速度时，易造成工件上螺纹孔滑丝，连接好后螺丝的稳定性差。因此就需要螺丝夹头的进给速度，使螺丝夹头的进给速度与螺丝的旋入速度相等；由于螺丝夹头的进给速度不易检测，而且由于控制系统运行程序存在响应延迟，上述问题不能得到很好的解决。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种自感应变速缓冲式的自动打螺丝系统及自动打螺丝机器人。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种自动打螺丝系统，包括从后向前依次连接的旋转驱动装置、传动装置及螺丝夹头；所述旋转驱动装置包括减速器；所述传动装置包括法兰套以及套接在该法兰套内的滚珠花键轴；所述减速器的输出端与所述法兰套固接；所述滚珠花键轴前端与所述螺丝夹头固接；在所述减速器的输出端与所述滚珠花键轴后端之间设有弹簧。

进一步地，所述减速器的输出端连接有减速器输出轴连接件；所述减速器输出轴连接件设有凹槽；所述滚珠花键轴后端连接有弹簧座；所述弹簧一端位于所述凹槽内，所述弹簧另一端与所述弹簧座连接。

进一步地，还设有检测所述弹簧伸缩位移的直线位移传感器。

进一步地，所述直线位移传感器为LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器的固定部与所述减速器的输出端连接；所述LVDT位移传感器的活动部与所述滚珠花键轴的后端连接或相抵。

进一步地，所述LVDT位移传感器为笔式LVDT位移传感器。

进一步地，所述旋转驱动装置还包括电机；所述电机与所述减速器通过联轴器连接；所述电机为伺服电机；所述伺服电机的转速随所述直线位移传感器的检测值调整。

进一步地，所述联轴器采用铝合金板簧式联轴器。

进一步地，所述减速器为谐波减速器。

进一步地，所述法兰套前端与所述螺丝夹头后端之间连接有风琴罩。

本发明还提供了一种自动打螺丝机器人，该自动打螺丝机器人包括机器人手臂，其还包括上述的自动打螺丝系统；所述自动打螺丝系统固定在所述机器人手臂上；所述机器人手臂移动所述自动打螺丝系统，使所述螺丝夹头对正待拧入螺丝的螺纹孔；然后所述机器人手臂沿螺纹孔的轴线，与所述旋转驱动装置的旋转同步进给。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的一种自动打螺丝系统，将旋转驱动装置的减速器的输出端与所述法兰套固接；在法兰套内套接滚珠花键轴，使滚珠花键轴与减速器的输出端同步旋转；将滚珠花键轴前端与所述螺丝夹头固接；在所述减速器的输出端与所述滚珠花键轴后端之间设有弹簧；当旋转驱动装置沿螺纹孔轴线进给时；所述减速器的输出端通过弹簧与所述滚珠花键轴之间形成弹性缓冲连接；克服了当旋转驱动装置轴向进给速度与螺丝的旋进速度不匹配所造成锁不紧、滑丝、打爆、螺丝头花等不良现象。

设置直线位移传感器检知弹簧的伸缩量变化，根据弹簧的伸缩量变化，实时调整旋转驱动装置的旋转转速和轴向进给速度。使驱动装置的旋转转速和进给速度与螺丝的旋进速度相匹配。

自动打螺丝系统中的旋转驱动装置、传动装置及螺丝夹头，结构紧凑，节省空间。

可将旋转驱动装置安装在机器人手臂上，制成本发明的一种自动打螺丝机器人。由机器人手臂进行螺纹孔定位；定位精度高，打螺丝过程平稳，节省人力，提高生产效率，提升加工制造的自动化水平。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的分解结构示意图；

图3是图1的剖视图；

图4是本发明的直线位移传感器的安装结构局部剖视图；

图5是本发明的传动装置与螺丝夹头组合后的结构示意图。

图中：

1-连接盘；2-伺服电机；3-联轴器；4-电机连接件；5-减速器输入轴连接件；6-减速器输出轴连接件；7-位移传感器固定件；8-直线位移传感器；9-第六螺栓；10-传感器线缆；11-无线信号传输装置发射端；12-弹簧；13-法兰套；14-风琴罩；15-螺丝夹头；16-批头；17-球头柱塞；18-滚珠花键轴；19-滚珠花键轴套；20-第一螺栓；21-弹簧座；22-第二螺栓；23-第三螺栓；24-第四螺栓；25-减速器；26-滚珠轴承；27-第五螺栓；28-联轴器连接件；29-减速器布线孔；30-减速器输出轴连接件布线孔；31-法兰套布线孔。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图5，一种自动打螺丝系统，包括从后向前依次连接的旋转驱动装置、传动装置及螺丝夹头15；所述旋转驱动装置包括减速器25；所述传动装置包括法兰套13以及套接在该法兰套13内的滚珠花键轴18；所述减速器25的输出端与所述法兰套13固接；所述滚珠花键轴18前端与所述螺丝夹头15固接；在所述减速器25的输出端与所述滚珠花键轴18后端之间设有弹簧12。

滚珠花键轴18可通过滚珠花键轴套19与法兰套13固接；滚珠花键轴套19为带台肩的滚珠花键轴套19；其与滚珠花键轴18配合连接；其台肩通过第一螺栓20与法兰套13固接，第一螺栓20可为M4*12螺栓。

所述减速器25的输出端可连接有减速器输出轴连接件6；所述减速器输出轴连接件6可设有凹槽；所述滚珠花键轴18后端可连接有弹簧座21；所述弹簧12一端可位于所述凹槽内，所述弹簧12另一端可与所述弹簧座21连接。所述减速器输出轴连接件6可为圆盘形；其一侧与所述减速器25的输出法兰或输出轴可通过第三螺栓23固接，第三螺栓23可为M4*30螺栓；其另一侧端面中心设有凹槽，且端面圆周可通过第二螺栓22与所述法兰套13固接。所述凹槽可为圆形凹槽或环形凹槽；其限制所述弹簧12的径向移动。第二螺栓22可为M5*20螺栓。

还可以采用其他方式安装所述弹簧12；比如所述减速器25的输出端与所述滚珠花键轴18后端均连接有弹簧座；弹簧座21的形状可采用现有技术中弹簧座形状；弹簧座21也可为带台肩的轴套或轴；轴套或轴的外径与所述弹簧12的内径相匹配；所述弹簧12套接在轴套或轴上，所述弹簧12的两端与轴套或轴的台肩面相接。

进一步地，本发明还可设有检测所述弹簧12伸缩位移的直线位移传感器8。直线位移传感器8用于检测所述弹簧12伸缩位移量；因所述弹簧12的两端分别与所述减速器25的输出端及所述滚珠花键轴18后端相接；所述弹簧12伸缩位移量即为所述减速器25的输出端与所述滚珠花键轴18后端之间相对位移量。对该位移量进行微分，可以转变为所述减速器25的输出端的进给速度与螺丝的旋进速度的差值。

直线位移传感器8可选用现有技术中的适用产品，所述直线位移传感器8优选LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器的固定部可与所述减速器25的输出端连接；所述LVDT位移传感器的活动部可与所述滚珠花键轴18的后端连接或相抵。

笔式LVDT位移传感器可位于弹簧12内也可以位于弹簧外。位于弹簧内时，直线位移传感器8可通过位移传感器固定件7与减速器25的输出端连接；先将直线位移传感器8的固定部与位移传感器固定件7连接固定，再将位移传感器固定件7与减速器25的输出轴或输出法兰固接。笔式LVDT位移传感器的固定部可选螺纹安装形式，也可在所述减速器输出轴连接件6中心设配合的螺纹孔。笔式LVDT位移传感器的活动部为回弹型，其活动测头可与所述滚珠花键轴18或其连接件的后端面连接或相抵。

还可以在所述减速器输出轴连接件6端面上的位于弹簧12外侧的位置，开孔安装笔式LVDT位移传感器的固定部；设一垂直于回转轴线的连接杆，将其与滚珠花键轴18后端或滚珠花键轴18后端连接的弹簧座21固接；可采用螺纹连接等形式固接连接杆；使笔式LVDT位移传感器的活动测头与连接杆相抵。

所述LVDT位移传感器检测的位移量是其活动部与其固定部之间的位移量；因所述LVDT位移传感器的固定部可与所述减速器25的输出端连接，而所述LVDT位移传感器的活动部与所述滚珠花键轴18的后端连接或相抵；那么，位于所述减速器25的输出端和所述滚珠花键轴18后端之间的弹簧12的伸缩位移量，与所述LVDT位移传感器的活动部和其固定部之间的位移量相同。

所述LVDT位移传感器的固定部与所述减速器25的输出端连接固定后，可将其信号线引出至所述减速器25的外侧面，然后通过无线信号传输装置将检测信号无线发送出去。对于模拟量的采集，一般情况下都是使用有线进行采集与传输，但是在很多的复杂场合下，电缆的敷设可能会有一定的困难，而采用无线传输的方式会极大的方便用户的实现采集与控制的功能。无线信号传输装置可为现有技术中的产品，比如上海迅瞻电子科技有限公司生产的的SSC系列模拟量无线信号传输装置，其分发射端和接收端，发射端型号SSD-RTD01，接收端型号SSD-WD01，可以实现4～20mA无线变送器电流信号无线测量显示传输，通过无线信号发射端和无线信号接收端代替了有线信号传输导线，发送端提供4路4～20mA的模拟量信号接入端子，接收端提供可以直接显示发送到所接传感器的采集值的LCD显示屏，或者通过RS485口输出以标准Modbus RTU协议格式上报给控制器及上位机等。

优选地，所述LVDT位移传感器可为笔式LVDT位移传感器。笔式LVDT位移传感器体积小，回弹式，安装简便。笔式LVDT位移传感器可选现有技术中的适用产品。

所述旋转驱动装置还可包括电机；所述电机与所述减速器25可通过联轴器3连接；优选地，所述电机可为伺服电机2；所述伺服电机2的转速随所述直线位移传感器8的检测值调整。伺服电机2、联轴器3及减速器25的连接可采用现有技术的连接方式。所述旋转驱动装置可采用电机旋转驱动，也可采用液压马达等装置驱动，液压马达也可选用可控制液压马达转速的伺服液压马达。可根据直线位移传感器8的检测信号对伺服电机2或伺服液压马达进行调速，将直线位移传感器8的检测信号作为反馈信号，采用PID等自动控制调节方法，对伺服电机2或伺服液压马达进行调速。

优选地，所述减速器25可为谐波减速器。采用谐波减速器，使系统结构紧凑，节省空间。谐波减速器，其具有体积小，重量轻，承载能力高，传动比大，传动效率高，传动平稳，无冲击，无噪声，寿命长，运动精度高等优点。

优选地，所述联轴器3可采用铝合金板簧式联轴器。铝合金板簧式联轴器，其具有重量轻、高扭矩刚性、传动精度高的特点。

进一步地，所述法兰套13前端与所述螺丝夹头15后端之间可连接有风琴罩14。风琴罩14可一端可安装于所述法兰套13前端面或前端外周面；另一端可安装于所述螺丝夹头15后端面或后端外周面。风琴罩14对所述法兰套13前端与所述螺丝夹头15后端之间间隙起到防尘作用。

本发明还提供了一种自动打螺丝机器人实施例，该自动打螺丝机器人包括机器人手臂，其还包括上述的自动打螺丝系统；所述自动打螺丝系统固定在所述机器人手臂上；所述机器人手臂移动所述自动打螺丝系统，使所述螺丝夹头15对正待拧入螺丝的螺纹孔；然后所述机器人手臂沿螺纹孔的轴线，与所述旋转驱动装置的旋转同步进给，即对螺丝的轴向进给与其旋转同步。所述自动打螺丝系统的旋转驱动装置的后端可固定在所述机器人手臂上；然后所述机器人手臂沿螺纹孔轴线前进的轴向进给，与所述旋转驱动装置的旋转同步。由机器人手臂进行螺纹孔定位；定位精度高，打螺丝过程平稳，节省人力，提高生产效率，提升加工制造的自动化水平。而且直线位移传感器8的检测信号，还可以输入到控制机器人手臂工作的控制系统中，通过控制系统的控制，使机器人手臂的打螺丝进给速度与螺丝的旋进速度相匹配。

下面结合本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作过程及工作原理；

本发明的一种自动打螺丝系统，包括从后向前依次连接的旋转驱动装置、传动装置及螺丝夹头15；所述旋转驱动装置包括依次连接的伺服电机2、联轴器3及减速器25；所述传动装置包括法兰套13以及套接在该法兰套13内的滚珠花键轴18；所述减速器25的输出端与所述法兰套13固接；所述滚珠花键轴18前端与所述螺丝夹头15固接；在所述减速器25的输出端与所述滚珠花键轴18后端之间设有弹簧12，减速器25与所述滚珠花键轴18同轴。

为便于组装及固定，还包括圆筒状的电机连接件4及与之固接的减速器输入轴连接件5，电机连接件4与减速器输入轴连接件5通过第四螺栓24固接；第四螺栓24可为M4*40螺栓。

电机连接件4设有前后两个容腔，伺服电机2的外壳固定在电机连接件4后部容腔内，联轴器3等零部件位于电机连接件4的前端容腔内，两个容腔之间设有伺服电机2输出轴穿过的孔，电机连接件4后端固定连接盘1。联轴器3后端与伺服电机2输出轴固接，联轴器3前端通过键连接一联轴器连接件28，联轴器连接件28可通过第五螺栓27固定在减速器25输入轴上，第五螺栓27可为M3*10螺栓；同时减速器25输入轴又与减速器输入轴连接件5通过滚珠轴承26连接。所述减速器25可采用谐波减速器，减速器25输出轴可通过螺栓固定连接一减速器输出轴连接件6，减速器25输出轴通过该减速器输出轴连接件6固接法兰套13。

减速器输出轴连接件6背对减速器25的一侧中心可设有圆形凹槽；减速器输出轴连接件6与法兰套13可通过螺栓固定连接，法兰套13内套接滚珠花键轴18，滚珠花键轴18前端与螺丝夹头15相连，滚珠花键轴18后端连接一弹簧座21，安装时将弹簧12套到弹簧座21上，弹簧座21用于支承和定位弹簧12。弹簧座21为带台肩的短轴，将弹簧12套接在该短轴上，弹簧12的一端与台肩端面相接，弹簧12的另一端位于减速器输出轴连接件6前侧的圆形凹槽内，并与凹槽底面相接。短轴中心开有中心孔，在滚珠花键轴18后端中心开有螺纹孔；用螺栓穿过短轴的中心孔将短轴与滚珠花键轴18固定连接。

可在所述减速器输出轴连接件6中心开孔，将笔式LVDT位移传感器的固定部插接在该孔内，将笔式LVDT位移传感器的活动测头，与滚珠花键轴18或其连接件的端面相抵，并用位移传感器固定件7将笔式LVDT位移传感器固定。位移传感器固定件7可为带台肩的套筒；套筒内设与笔式LVDT位移传感器相配合的螺纹孔等，使套筒与笔式LVDT位移传感器锁紧；套筒肩部与减速器25输出轴通过第六螺栓9固接。第六螺栓9可为M3*5螺栓。

这样，打螺丝时，笔式LVDT位移传感器的活动测头与弹簧12同时伸缩，笔式LVDT位移传感器的活动测头相对其固定部的位移量，即弹簧12的伸缩位移量。

所述减速器输出轴连接件6等处开布线孔，比如开减速器布线孔29、减速器输出轴连接件布线孔30、法兰套布线孔31等，直线位移传感器线缆10可依次穿过减速器布线孔29、减速器输出轴连接件布线孔30、法兰套布线孔31等布线孔后引出。

将笔式LVDT位移传感器的线缆10引出至减速器25外侧，可在法兰套13的外表面安装模拟量的无线信号传输装置发射端11；将引出的线缆10与无线信号传输装置发射端11的输入信号端连接；无线信号传输装置接收端可设置在控制柜内。无线信号传输装置接收端可与控制器等连接，笔式LVDT位移传感器的检测信号，就通过无线信号传输装置发射端及无线信号传输装置接收端，发送至控制器等装置。

滚珠花键轴18前端与螺丝夹头15相连，批头16通过球头柱塞17固定在螺丝夹头15上，在螺丝夹头15后端和法兰套13前端之间还安装有一用于防尘的风琴罩14。螺丝夹头15可采用现有技术中结构。

在圆筒状的电机连接件4后端连接的连接盘1可为法兰结构；连接盘1周向开有通孔，电机连接件4与机器人手臂通过螺栓穿过连接盘1的通孔固接，机器人可以带动自动打螺丝系统移动。伺服电机2、减速器25、减速器输出轴连接件6与所述滚珠花键轴18等旋转部件同轴。

本发明的自动打螺丝装置的工作过程为：伺服电机2旋转驱动，输出转矩，转矩通过联轴器3传递至减速器25，再通过减速器输出轴连接件6依次传递至法兰套13和滚珠花键轴18，最后通过螺丝夹头15传递至批头16，通过批头16进行打螺丝。伺服电机2、联轴器3、减速器25输入轴、减速器25输出轴、滚珠花键轴18、批头16依次连接，同步旋转。机器人手臂带动自动打螺丝系统，移动到对正螺丝孔位置，伺服电机2开始旋转驱动，同时由机器人手臂同步实现轴向进给，实施打螺丝。

在打螺丝过程中，螺丝旋进的速度，指的是伺服电机2带动螺丝夹头15旋转，通过批头16使螺丝逐渐旋进所需工件。机器人手臂实施轴向进给驱动，机器人手臂带动安装在其上的旋转驱动装置轴向移动，再通过传动装置带动批头16轴向移动，批头16旋转并推进螺丝，使螺丝旋进。螺丝旋进速度与机器人手臂实施的轴向进给速度应匹配。当螺丝旋进速度小于机器人手臂的轴向进给速度时，螺丝旋进工件的长度小于机器人手臂的运动位移，使得弹簧12和风琴罩14被压缩，当安装在减速器输出轴连接件6上的直线位移传感器8，检测到弹簧12伸缩位移时，将反应弹簧12的相对伸缩位移的检测信号发送给外部的控制器，外部控制器接收到检测信号，将直线位移传感器8的检测信号作为反馈信号。根据反馈信号，采用比例、积分和/或微分等调节方式，控制伺服电机2调整其输出转速，同时调节机器人手臂的轴向进给速度，使机器人手臂的轴向进给速度与螺丝旋进速度相匹配，使螺丝的旋进速度与机器人的进给速度接近同步，实现自感应变速控制。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简介，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种自动打螺丝系统，其特征在于，包括从后向前依次连接的旋转驱动装置、传动装置及螺丝夹头；所述旋转驱动装置包括减速器；所述传动装置包括法兰套以及套接在该法兰套内的滚珠花键轴；所述减速器的输出端与所述法兰套固接；所述滚珠花键轴前端与所述螺丝夹头固接；在所述减速器的输出端与所述滚珠花键轴后端之间设有弹簧；还设有检测所述弹簧伸缩位移的直线位移传感器；所述旋转驱动装置还包括伺服电机或伺服液压马达；伺服电机或伺服液压马达的转速随所述直线位移传感器的检测值调整。

2.根据权利要求1所述的自动打螺丝系统，其特征在于，所述减速器的输出端连接有减速器输出轴连接件；所述减速器输出轴连接件设有凹槽；所述滚珠花键轴后端连接有弹簧座；所述弹簧一端位于所述凹槽内，所述弹簧另一端与所述弹簧座连接。

3.根据权利要求1所述的自动打螺丝系统，其特征在于，所述直线位移传感器为LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器的固定部与所述减速器的输出端连接；所述LVDT位移传感器的活动部与所述滚珠花键轴的后端连接或相抵。

4.根据权利要求3所述的自动打螺丝系统，其特征在于，所述LVDT位移传感器为笔式LVDT位移传感器。

5.根据权利要求1所述的自动打螺丝系统，其特征在于，所述伺服电机与所述减速器通过联轴器连接。

6.根据权利要求5所述的自动打螺丝系统，其特征在于，所述联轴器采用铝合金板簧式联轴器。

7.根据权利要求1所述的自动打螺丝系统，其特征在于，所述减速器为谐波减速器。

8.根据权利要求1所述的自动打螺丝系统，其特征在于，所述法兰套前端与所述螺丝夹头后端之间连接有风琴罩。

9.一种自动打螺丝机器人，包括机器人手臂，其特征在于，还包括权利要求1至8任一所述的自动打螺丝系统；所述自动打螺丝系统固定在所述机器人手臂上；所述机器人手臂移动所述自动打螺丝系统，使所述螺丝夹头对正待拧入螺丝的螺纹孔；然后所述机器人手臂沿螺纹孔的轴线，与所述旋转驱动装置的旋转同步进给。

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