CN117415603B - 一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人包括：机械臂；数据库；定位固定模块；图像采集模块，拍摄汽车座椅的型号信息，生成图像信息；选择计算模块，根据图像信息匹配数据库对应选择螺栓，并确定对应螺栓旋紧力；判定控制模块，控制机械臂的旋紧方式；动力驱动模块，提供机械臂旋紧力；水平检测模块，检测螺栓的水平度；复检修正模块，检测旋紧后螺栓的紧固度；通过上述模块实现对旋紧力的精确计算，实现对所需旋紧力的精确控制，可以防止降低松动的风险；过度应力而导致的零件破裂或变形，确保连接的稳定性。

Description

一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人。

背景技术

随着社会的发展和人们经济水平的提高，汽车的普及率越来越高，汽车作为一种交通工具，它由众多的零部件组成，汽车座椅就是其中的一部分，而大部分汽车座椅的组装需要人工完成，在人工装配座椅过程中，存在以下问题：采用人工进行拧紧，劳动强度大；对于产品质量不容易控制，不拧紧的现象时有发生，因此需要发明一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人。

目前一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人为中国专利申请公开号：CN114932400B公开了一种适用于螺栓拧紧的半自动化加工系统，包括旋转式操作台，所述旋转式操作台上分别设置有：校准装置、拧紧装置以及检测装置；所述校准装置包括按预定形状、并沿顶点排布的多个定位杆，多个所述定位杆受驱向下以使其端部插入所述工件螺孔内以对位；所述拧紧装置包括主体架，所述主体架上通过升降导轨机构固定有拧紧驱动件以及连接管，所述连接管的底端连接有组合夹头；所述检测装置包括按预定形状、并沿顶点分布的多个撞针组件，所述撞针组件包括轴向滑动设置的撞击杆以及铜杆。筒校准装置，便于对工件进行校准；通过拧紧装置对螺栓进行拧紧；通过检测装置对拧紧作业完成后的工件进行检测，提高工件最终加工质量，使用效果好。

但是，上述方法存在以下问题：无法对于螺栓旋紧过程中产生的预紧力进行精确控制，从而导致预紧力过大造成螺栓或连接件的失效，预紧力不足造成螺栓松脱。

发明内容

为此，本发明提供一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，用以克服现有技术中无法对于螺栓旋紧过程中产生的预紧力进行精确控制，从而导致预紧力过大造成螺栓或连接件的失效，预紧力不足造成螺栓松脱的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，包括：

机械臂，其设置在预设轨道上，用以夹持螺栓，并将螺栓旋拧至对应的螺孔内；

数据库，其用以存储汽车座椅的型号信息和对应汽车座椅型号的螺栓信息；

定位固定模块，其用以对进入预设位置的汽车座椅进行固定；

图像采集模块，其与所述定位固定模块相连，用以通过第一预设方向和第二预设方向拍摄汽车座椅的型号信息并生成图像信息；

选择计算模块，其与所述图像采集模块和所述数据库相连，用以根据所述图像信息匹配所述数据库对应选择螺栓类型，并确定对应的螺栓旋紧力；

判定控制模块，其与所述选择计算模块和所述机械臂相连，用以根据所述旋紧力控制所述机械臂的旋紧方式；

动力驱动模块，其与所述机械臂和所述判定控制模块相连，用以向机械臂提供旋紧力；

水平检测模块，其与所述判定控制模块相连，用以实时检测旋紧过程中的螺栓的水平度；

复检修正模块，其与所述机械臂和所述判定控制模块相连，用以检测旋紧后螺栓的紧固度，并将紧固度低于预设紧固度的螺栓进行二次紧固，紧固度高于预设紧固度的螺栓进行旋松；

其中，所述汽车座椅的型号信息包括座椅螺孔的通孔度、螺孔的长度、螺孔的直径和螺孔的数量。

进一步地，所述图像采集模块以所述第一预设方向拍摄螺孔的通孔度、螺孔的直径和螺孔的数量；

所述图像采集模块以所述第二预设方向拍摄螺孔的长度。

进一步地，所述螺孔的通孔度X由式（1）确定：

（1）

其中，S1为螺孔的通孔面积，S0为螺孔面积。

进一步地，所述通孔度X与预设通孔度X0进行比较，所述定位固定模块根据比较结果对预设位置的汽车座椅进行定位固定；

其中，若所述通孔度X小于预设通孔度X0，所述定位固定模块调节汽车座椅一或多个螺孔的位置，直至通孔度X达到预设通孔度X0，并对汽车座椅利用定位销进行固定；

若所述通孔度X大于等于预设通孔度X0，所述定位模块汽车座椅利用定位销进行固定。

进一步地，所述旋紧力F由公式（2）确定：

（2）

其中，K为螺杆与螺孔间的摩擦系数，D为螺杆直径，F1为螺栓的预紧力，P为螺纹系数，α为螺栓膨胀系数，L为动力臂长度；

其中，所述动力臂长度为旋紧力的作用线到转动轴的距离。

进一步地，所述旋紧力F与对应螺栓的预设旋紧力F0进行比较，所述判定控制模块根据比较结果控制所述机械臂采用对应的旋紧方式旋紧螺栓；

其中，若所述旋紧力F小于等于所述预设旋紧力F0，所述判定控制模块控制所述机械臂采用第一旋紧方式旋紧螺栓；

旋紧力F大于所述预设旋紧力F0，所述判定控制模块控制所述机械臂采用第二旋紧方式旋紧螺栓。

进一步地，所述第一旋紧方式为所述机械臂以预紧力F同一方向旋紧螺栓，直至螺栓完全旋紧；

第二旋紧方式为所述机械臂以所述旋紧力F以旋紧第一预设圈数后反向旋松第二预设圈数为一周期，直至螺栓完全旋紧。

进一步地，所述机械臂分别设置在汽车座椅的两侧，以所述第一旋紧方式或所述第二旋紧方式旋紧螺栓。

进一步地，所述水平检测模块用以检测螺栓中心轴线与水平面所夹锐角，记为水平度β；

其中，若所述水平度β小于等于预设水平度β0，所述判定控制模块判定所述机械臂为正常工况；

若所述水平度β大于预设水平度β0，所述判定控制模块判定所述机械臂为倾斜工况；

其中，所述正常工况下所述机械臂以水平度β对螺栓进行旋紧，直至旋紧完成；

所述倾斜工况下所述判定控制模块控制所述机械臂停止旋紧，对已旋进螺孔部分的螺栓进行旋松，重新调整螺栓的所述水平度β直至小于等于所述预设水平度β0，再次进行旋紧。

进一步地，所述复检修正模块对旋紧完成后的螺栓进行紧固度判定，紧固度Y由公式（3）确定：

（3）

其中，n为螺杆超出螺母的螺纹数，t为汽车座椅所处的环境温度，n0为螺杆底部到螺母底部的预设螺纹数，t0为汽车座椅所处的预设环境温度，Y0为预设紧固度；

其中，若所述紧固度Y小于所述预设紧固度Y0，所述判定控制模块判定螺栓为松弛状态，控制所述机械臂进行二次紧固，直至紧固度Y达到预设紧固度Y0；

若所述紧固度Y大于所述预设紧固度Y0，所述判定控制模块判定螺栓为过紧状态，控制所述机械臂进行旋松，直至紧固度Y达到预设紧固度Y0。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过设置选择计算模块将图像信息匹配数据库，获取汽车座椅型号对应螺栓类型，精确计算所需旋紧力，实现对所需旋紧力的精确控制，可以防止因过度应力而导致的零件破裂或变形，降低松动的风险，确保连接的稳定性，确保螺栓连接部分达到紧固度，从而防止因紧固不足或过度紧固而引起失效；

进一步地，判定控制模块对较大的旋紧力判定采用第二旋紧方式，以先旋紧第一预设圈数再旋松第二预设圈数为周期，采用周期式旋紧的方式有助于消除过大的预紧应力，保持螺栓在后续旋紧过程中的受压力变形还是在弹性形变之中，产生塑性应变和失效的概率大幅降低，使螺栓能保持持续高强度的荷载力，从而有效避免所需旋紧力较大的情况下造成螺栓断裂或弯曲的情况。

附图说明

图1为本发明一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人的结构示意图；

图2为本发明螺孔的设置示意图；

图3为本发明实施例不同螺栓对应旋紧力的对照表；

图4为本发明实施例机械臂旋紧螺栓的工作示意图；

其中，堵塞孔1，通孔2，螺孔3，机械臂4，螺栓5，预设轨道6。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人的结构示意图，一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人包括：

机械臂，其设置在预设轨道上，用以夹持螺栓，并将螺栓旋拧至对应的螺孔内；

数据库，其用以存储汽车座椅的型号信息和对应汽车座椅型号的螺栓信息；

定位固定模块，其用以对进入预设位置的汽车座椅进行固定；

图像采集模块，其与定位固定模块相连，用以通过第一预设方向和第二预设方向拍摄汽车座椅的型号信息并生成图像信息；

选择计算模块，其与图像采集模块和数据库相连，用以根据图像信息匹配数据库对应选择螺栓类型，并确定对应的螺栓旋紧力；

判定控制模块，其与选择计算模块和机械臂相连，用以根据旋紧力控制机械臂的旋紧方式；

动力驱动模块，其与机械臂和判定控制模块相连，用以向机械臂提供旋紧力；

水平检测模块，其与判定控制模块相连，用以实时检测旋紧过程中的螺栓的水平度；

复检修正模块，其与机械臂和判定控制模块相连，用以检测旋紧后螺栓的紧固度，并将紧固度低于预设紧固度的螺栓进行二次紧固，紧固度高于预设紧固度的螺栓进行旋松；

其中，汽车座椅的型号信息包括座椅螺孔的通孔度、螺孔的长度、螺孔的直径和螺孔的数量。

在实施中，预设位置为汽车座椅螺栓旋紧的工作区域，可根据实际加工场景任意设置；

预设轨道为设置在预设位置两侧，用以承担机械臂在旋紧工作中的自重产生的重力，确保机械臂在运动过程中保持准确的线性轨迹，从而实现精准的定位和操作。

特别的，本发明实施例所用机械臂为C形旋拧轴，获得较大的旋紧扭矩可变宽度的旋拧口，同时可以任意方向进入并退出，大大提高了操作的灵活性，比于一般的旋拧工具降低了对外部机械臂的控制要求。

本发明实施例通过设置选择计算模块将图像信息匹配数据库，获取汽车座椅型号对应螺栓类型，精确计算所需旋紧力，实现对所需旋紧力的精确控制，可以防止因过度应力而导致的零件破裂或变形，降低松动的风险，确保连接的稳定性，确保螺栓连接部分达到紧固度，从而防止因紧固不足或过度紧固而引起失效。

具体而言，图像采集模块以第一预设方向拍摄螺孔的通孔度、螺孔的直径和螺孔的数量；

图像采集模块以第二预设方向拍摄螺孔的长度。

可以理解的是，第一预设方向在水平面投影与第二预设方向在水平面投影相互垂直。

请参阅图2所示，其为本发明螺孔的设置示意图，螺孔的通孔度X由式（1）确定：

（1）

其中，S1为螺孔的通孔2面积，S0为螺孔3面积。

具体而言，通孔度X与预设通孔度X0进行比较，定位固定模块根据比较结果对预设位置的汽车座椅进行定位固定；

其中，若通孔度X小于预设通孔度X0，定位固定模块调节汽车座椅一或多个螺孔的位置，直至通孔度X达到预设通孔度X0，并对汽车座椅利用定位销进行固定；

若通孔度X大于等于预设通孔度X0，定位模块汽车座椅利用定位销进行固定。

在实施中，预设通孔度X0可以由螺纹精度确定，一般的螺纹精度为±5%，对应的预设通孔度为95%～97%，螺纹精度为±10%，对应的预设通孔度为90%～92%。

请参阅图3所示，其为本发明实施例不同螺栓对应旋紧力的对照表，旋紧力F由公式（2）确定：

（2）

其中，K为螺杆与螺孔间的摩擦系数，D为螺杆直径，F1为螺栓的预紧力，P为螺纹系数，α为螺栓膨胀系数，L为动力臂长度；

其中，动力臂长度为旋紧力的作用线到转动轴的距离。

在实施中，优选的，摩擦系数K取值为0.15～0.2，螺纹系数P取值为0.16～0.18，螺栓膨胀系数α为0.9～1.1。

请参阅图4所示，其为本发明实施例机械臂旋紧螺栓的工作示意图，旋紧力F与对应螺栓的预设旋紧力F0进行比较，判定控制模块根据比较结果控制机械臂采用对应的旋紧方式旋紧螺栓；

其中，若旋紧力F小于等于预设旋紧力F0，判定控制模块控制机械臂采用第一旋紧方式旋紧螺栓；

旋紧力F大于预设旋紧力F0，判定控制模块控制机械臂采用第二旋紧方式旋紧螺栓。

在实施中，预设旋紧力由螺栓的直径和螺栓的材质确定；

一般的，8mm铸铁螺栓预设旋紧力为200N；

10mm铸铁螺栓预设旋紧力为300N；

8mm不锈钢螺栓预设旋紧力为400N。

具体而言，第一旋紧方式为机械臂以预紧力F同一方向旋紧螺栓，直至螺栓完全旋紧；

第二旋紧方式为机械臂以旋紧力F以旋紧第一预设圈数后反向旋松第二预设圈数为一周期，直至螺栓完全旋紧。

在实施中，优选的第一预设圈数设定为2.5～3.0圈，第二预设圈数设定为0.5～1.0圈

可以理解的是，第一旋紧方式所使用的旋紧力小于预设旋紧力，旋紧过程中不会使螺栓发生塑性形变而失效，因此采用同一方向进行旋紧。

本发明实施例的第二旋紧方式周期性进行旋紧，旋紧后反向旋使螺栓弹性形变恢复，同时消除过大的预紧应力，保持螺栓在后续旋紧过程中的受压力变形还是在弹性形变之中，产生塑性应变和失效的概率大幅降低，使螺栓能保持持续高强度的荷载力，从而有效避免所需旋紧力较大的情况下造成螺栓断裂或弯曲的情况。

具体而言，机械臂分别设置在汽车座椅的两侧，以第一旋紧方式或第二旋紧方式旋紧螺栓。

本发明实施例通过采用机械臂对称旋紧螺栓可以实现旋紧过程中载荷在汽车座椅上的均匀分布，减缓旋紧过程中的惯性和冲击，有助于抵消旋紧过程中产生的拧紧反力矩造成的汽车座椅发生偏移，避免螺栓与对应螺孔相对位置发生偏移，造成打偏的现象。

具体而言，水平检测模块用以检测螺栓中心轴线与水平面所夹锐角，记为水平度β；

其中，若水平度β小于等于预设水平度β0，判定控制模块判定机械臂为正常工况；

若水平度β大于预设水平度β0，判定控制模块判定机械臂为倾斜工况；

其中，正常工况下机械臂以水平度β对螺栓进行旋紧，直至旋紧完成；

倾斜工况下判定控制模块控制机械臂停止旋紧，对已旋进螺孔部分的螺栓进行旋松，重新调整螺栓的水平度β直至小于等于预设水平度β0，再次进行旋紧。

在实施中，优选的预设水平度2°≤β0≤4°。

本发明实施例通过设置水平检测模块，实时检测水平度确保螺栓连接在正确的水平位置旋紧，在旋紧时发生偏斜时，实时检测水平度可以帮助及时发现并纠正这种偏斜，确保结构的垂直和水平位置，防止过度的应力或变形，确保汽车座椅在紧固后保持形状。

具体而言，复检修正模块对旋紧完成后的螺栓进行紧固度判定，紧固度Y由公式（3）确定：

（3）

其中，n为螺杆超出螺母的螺纹数，t为汽车座椅所处的环境温度，n0为螺杆底部到螺母底部的预设螺纹数，t0为汽车座椅所处的预设环境温度，Y0为预设紧固度；

其中，若紧固度Y小于预设紧固度Y0，判定控制模块判定螺栓为松弛状态，控制机械臂进行二次紧固，直至紧固度Y达到预设紧固度Y0；

若紧固度Y大于预设紧固度Y0，判定控制模块判定螺栓为过紧状态，控制机械臂进行旋松，直至紧固度Y达到预设紧固度Y0。

在实施中，预设紧固度可根据实际应用场景任意设置，如汽车座椅用于旋转处的螺栓紧固度优选的可设定为0.7～0.8，底部固定处的螺栓紧固度优选的可设定为0.9～0.95。

本发明实施例通过设置复检修正模块确保螺栓在实际使用中保持适当的紧固度，避免在旋紧过程中可能会受到外部力和环境的影响导致连接部分的松动，合适的紧固力有助于减少摩擦和磨损，从而延长螺栓的使用寿命。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，其特征在于，包括：

机械臂，其设置在预设轨道上，用以夹持螺栓，并将螺栓旋拧至对应的螺孔内；

数据库，其用以存储汽车座椅的型号信息和对应汽车座椅型号的螺栓信息；

定位固定模块，其用以对进入预设位置的汽车座椅进行固定；

图像采集模块，其与所述定位固定模块相连，用以通过第一预设方向和第二预设方向拍摄汽车座椅的型号信息并生成图像信息；

选择计算模块，其与所述图像采集模块和所述数据库相连，用以根据所述图像信息匹配所述数据库对应选择螺栓类型，并确定对应的螺栓旋紧力；

判定控制模块，其与所述选择计算模块和所述机械臂相连，用以根据所述旋紧力控制所述机械臂的旋紧方式；

动力驱动模块，其与所述机械臂和所述判定控制模块相连，用以向机械臂提供旋紧力；

水平检测模块，其与所述判定控制模块相连，用以实时检测旋紧过程中的螺栓的水平度；

复检修正模块，其与所述机械臂和所述判定控制模块相连，用以检测旋紧后螺栓的紧固度，并将紧固度低于预设紧固度的螺栓进行二次紧固，紧固度高于预设紧固度的螺栓进行旋松；

其中，所述汽车座椅的型号信息包括座椅螺孔的通孔度、螺孔的长度、螺孔的直径和螺孔的数量；

所述旋紧力F由公式（2）确定：

（2）

其中，K为螺杆与螺孔间的摩擦系数，D为螺杆直径，F1为螺栓的预紧力，P为螺纹系数，α为螺栓膨胀系数，L为动力臂长度；

其中，所述动力臂长度为旋紧力的作用线到转动轴的距离；

所述旋紧力F与对应螺栓的预设旋紧力F0进行比较，所述判定控制模块根据比较结果控制所述机械臂采用对应的旋紧方式旋紧螺栓；

其中，若所述旋紧力F小于等于所述预设旋紧力F0，所述判定控制模块控制所述机械臂采用第一旋紧方式旋紧螺栓；

旋紧力F大于所述预设旋紧力F0，所述判定控制模块控制所述机械臂采用第二旋紧方式旋紧螺栓；

所述第一旋紧方式为所述机械臂以预紧力F同一方向旋紧螺栓，直至螺栓完全旋紧；

第二旋紧方式为所述机械臂以所述旋紧力F以旋紧第一预设圈数后反向旋松第二预设圈数为一周期，直至螺栓完全旋紧。

2.根据权利要求1所述的汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，其特征在于，所述图像采集模块以所述第一预设方向拍摄螺孔的通孔度、螺孔的直径和螺孔的数量；

所述图像采集模块以所述第二预设方向拍摄螺孔的长度。

3.根据权利要求2所述的汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，其特征在于，所述螺孔的通孔度X由式（1）确定：

（1）

其中，S1为螺孔的通孔面积，S0为螺孔面积。

4.根据权利要求3所述的汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，其特征在于，所述通孔度X与预设通孔度X0进行比较，所述定位固定模块根据比较结果对预设位置的汽车座椅进行定位固定；

其中，若所述通孔度X小于预设通孔度X0，所述定位固定模块调节汽车座椅一或多个螺孔的位置，直至通孔度X达到预设通孔度X0，并对汽车座椅利用定位销进行固定；

若所述通孔度X大于等于预设通孔度X0，所述定位固定模块汽车座椅利用定位销进行固定。

5.根据权利要求4所述的汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，其特征在于，所述机械臂分别设置在汽车座椅的两侧，以所述第一旋紧方式或所述第二旋紧方式旋紧螺栓。

6.根据权利要求5所述的汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，其特征在于，所述水平检测模块用以检测螺栓中心轴线与水平面所夹锐角，记为水平度β；

其中，若所述水平度β小于等于预设水平度β0，所述判定控制模块判定所述机械臂为正常工况；

若所述水平度β大于预设水平度β0，所述判定控制模块判定所述机械臂为倾斜工况；

其中，所述正常工况下所述机械臂以水平度β对螺栓进行旋紧，直至旋紧完成；

所述倾斜工况下所述判定控制模块控制所述机械臂停止旋紧，对已旋进螺孔部分的螺栓进行旋松，重新调整螺栓的所述水平度β直至小于等于所述预设水平度β0，再次进行旋紧。

7.根据权利要求6所述的汽车座椅生产用螺栓旋拧机器人，其特征在于，所述复检修正模块对旋紧完成后的螺栓进行紧固度判定，紧固度Y由公式（3）确定：

（3）

其中，n为螺杆超出螺母的螺纹数，t为汽车座椅所处的环境温度，n0为螺杆底部到螺母底部的预设螺纹数，t0为汽车座椅所处的预设环境温度，Y0为预设紧固度；

其中，若所述紧固度Y小于所述预设紧固度Y0，所述判定控制模块判定螺栓为松弛状态，控制所述机械臂进行二次紧固，直至紧固度Y达到预设紧固度Y0；

若所述紧固度Y大于所述预设紧固度Y0，所述判定控制模块判定螺栓为过紧状态，控制所述机械臂进行旋松，直至紧固度Y达到预设紧固度Y0。