螺紋連接裝配的研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)綜述1.1螺紋連接擰緊工具研究現(xiàn)狀圖1.1所示，螺紋連接受螺釘材響著工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性及工作性能。螺紋連接也作為機(jī)械制造裝備中應(yīng)用最為廣泛的配工藝技術(shù)具有重要意義[1]。圖1.1螺紋連接示意圖在一次工業(yè)革命席卷歐美各國(guó)不久，世界上第一份螺紋國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)從英國(guó)人手中誕生，由此可見(jiàn)，螺紋連接的發(fā)展離不開(kāi)大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。歐洲的德國(guó)和日本作為眾多發(fā)達(dá)國(guó)家中的領(lǐng)頭羊，于螺紋緊固件的研究和應(yīng)用方面一騎絕塵，在全世界遙遙領(lǐng)先。1841年，惠氏螺紋在英國(guó)橫空出世，緊接著，美國(guó)于三年后不甘示弱地提出了新的螺紋標(biāo)準(zhǔn)，1894年，法國(guó)則后發(fā)制人地制定了公制螺紋標(biāo)準(zhǔn)。這種你追我趕地競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，在螺紋標(biāo)準(zhǔn)過(guò)了雨后春筍冒頭的幾十年后，ISO突然發(fā)布，并立馬被定為國(guó)際通用螺紋連接標(biāo)準(zhǔn)，才逐漸消散。螺紋連接的研究經(jīng)歷了從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝到裝配工藝和技術(shù)、可裝配設(shè)備和裝配控制技術(shù)的轉(zhuǎn)變，并進(jìn)一步深化。首先，裝配技術(shù)、工藝和裝配設(shè)備在國(guó)外汽車(chē)工藝研究機(jī)構(gòu)實(shí)行了重點(diǎn)開(kāi)發(fā)，開(kāi)展各項(xiàng)試驗(yàn)研究和分析，并定制了系統(tǒng)的螺紋接頭裝配標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)螺紋連接中螺栓伸長(zhǎng)與擰緊預(yù)緊力的關(guān)系[2]，美國(guó)首先對(duì)以預(yù)緊力矩和預(yù)緊角為主要研究對(duì)象的控制方法進(jìn)行了深入研究。今后，歐洲和日本也借鑒這一方法制定螺紋連接標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)今，在連接件屈服裝配控制和延伸控制的應(yīng)用方面，許多相關(guān)企業(yè)和研究院所取得了階段性的研究成果，并把其成功由理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。關(guān)于螺紋連接裝配方法的發(fā)展，手動(dòng)裝配、半自動(dòng)裝配和全自動(dòng)控制裝配隨著歷史的發(fā)展逐步替代。其實(shí)，最早的螺紋連接裝配方法得益于操作員手動(dòng)裝配扳手的經(jīng)驗(yàn)，如圖1.2中的a所示；之后，開(kāi)發(fā)出一種能夠方便觀察裝配扭矩的指針式扭矩扳手，如圖1.2中的b所示，更方便的數(shù)字扭矩扳手裝配方法逐漸成為裝配過(guò)程中的主要工具，如圖1.2中c所示。雖然螺紋連接裝配方法正逐步走向自動(dòng)化，但在擰緊過(guò)程中，不僅螺紋摩擦副表面和支承面的影響，而且?jiàn)A緊工具的制造誤差和操作者的讀數(shù)誤差也是影響擰緊效果的因素。（a）純手動(dòng)扳手 （b）表盤(pán)式扭力扳手 （c）數(shù)顯式扭力扳手圖1.2擰緊工具示意圖隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)研發(fā)人員利用螺紋連接裝配的過(guò)程原理，參考裝配技術(shù)的原理，設(shè)計(jì)出適合各種螺紋連接的生產(chǎn)和裝配工具。氣動(dòng)裝配工具和液壓裝配工具如圖1.3中的a和b所示。（a）氣動(dòng)裝配工具 （b）液壓式裝配工具圖1.3氣動(dòng)裝配與液壓裝配工具當(dāng)十幾年前工人們還習(xí)慣使用純手動(dòng)扳手進(jìn)行螺紋連接的裝配作業(yè)方式時(shí)，半自動(dòng)化的螺紋連接裝配方式作為高效的裝配技術(shù)不知不覺(jué)便為新創(chuàng)業(yè)者提供了后來(lái)居上的機(jī)會(huì)，并很大程度上降低了工人們操作時(shí)的工作強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的大規(guī)模裝配生產(chǎn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。然而這種螺紋連接裝配作業(yè)方式在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，會(huì)產(chǎn)生一定的噪音污染。于此同時(shí)，所產(chǎn)生的裝配誤差使得難以完成較高的裝配精度?，F(xiàn)代化科技的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，帶來(lái)的是對(duì)生產(chǎn)制造業(yè)中的螺紋連接裝配提出了不同于傳統(tǒng)裝配方式的新要求，不僅要能夠保證良好的裝配質(zhì)量，還有實(shí)現(xiàn)更好的裝配效率。所以對(duì)螺紋連接裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其裝配控制技術(shù)的深入研究，己逐漸成為進(jìn)一步提高螺紋連接裝配效率和裝配質(zhì)量的重中之重。國(guó)外部分先進(jìn)汽車(chē)裝配研發(fā)單位和有裝配設(shè)備生產(chǎn)需求的企業(yè)己有較為充分的研究，其針對(duì)的主要對(duì)象是汽車(chē)裝配生產(chǎn)，并研發(fā)了采用電能驅(qū)動(dòng)的螺紋連接裝配控制設(shè)備，如圖1.4所示。（a）單軸電動(dòng)裝配工具（b）多軸電動(dòng)裝配工圖1.4電動(dòng)擰緊裝置隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)發(fā)展，對(duì)制造業(yè)中的螺紋連接裝配提出了不同于傳統(tǒng)裝配作業(yè)方式的新要求，在保證良好的裝配質(zhì)量的同時(shí)，并且要達(dá)到良好的裝配效率。因此，深入研究螺紋連接裝配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和裝配控制技術(shù)，逐漸成為進(jìn)一步提高螺紋連接裝配效率和裝配質(zhì)量的重要課題。對(duì)國(guó)外一些先進(jìn)的汽車(chē)裝配研發(fā)單位針對(duì)的主要對(duì)象是汽車(chē)裝配生產(chǎn)進(jìn)行了充分的研究目前，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝配中的電驅(qū)螺紋連接裝配設(shè)備已經(jīng)成為螺紋連接裝配領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，此標(biāo)志著螺紋連接裝配在工業(yè)生產(chǎn)上高度自動(dòng)化、集成化。1.2螺栓擰緊機(jī)器人的研究現(xiàn)狀上個(gè)世紀(jì)，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域，將機(jī)器人與機(jī)床相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了上下料的自動(dòng)化，極大的縮短輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。工業(yè)機(jī)器人在不同領(lǐng)域中的不同應(yīng)用，導(dǎo)致完成的任務(wù)不盡相同。除此之外，工業(yè)機(jī)器人還應(yīng)用于搬運(yùn)、碼垛，等多個(gè)行業(yè)中，隨著人力成本的不斷增加，工人人身安全重視度的提高，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用不斷受到廣大企業(yè)的認(rèn)可與支持。即使如此，我國(guó)的機(jī)器人大多依賴進(jìn)口而非自造。這是由于螺栓擰緊機(jī)器人的發(fā)展還處于起步階段，一方面螺栓擰緊機(jī)器人的技術(shù)飛速提升，產(chǎn)品多樣化，形成了多頭、多軸、轉(zhuǎn)盤(pán)、手持式等多種自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)器人，另一方面我國(guó)的螺栓擰緊機(jī)器人自主研發(fā)技術(shù)相對(duì)不夠成熟，企業(yè)不敢自主創(chuàng)新自造，而是依靠從日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口相關(guān)自動(dòng)螺栓擰緊機(jī)器人。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用比例已經(jīng)達(dá)到了300臺(tái)/萬(wàn)人以上，而我國(guó)的機(jī)器人應(yīng)用比例僅為68臺(tái)/萬(wàn)人，比世界平均值74臺(tái)/萬(wàn)人較低[3]。不同的工業(yè)機(jī)器人由于自由度數(shù)的不同，其結(jié)構(gòu)形式也不盡相同，在實(shí)施應(yīng)用的過(guò)程中，需要結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際需要進(jìn)行選擇和配置，通過(guò)機(jī)器人的應(yīng)用能夠極大的提升生產(chǎn)效率，節(jié)約大量的人力成本，在未來(lái)的發(fā)展中，機(jī)器人的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越的廣泛。各項(xiàng)專利發(fā)明在中國(guó)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展“雙引擎”下雨后春筍般浮現(xiàn)。高立林等人的研究成果涉及一種全自動(dòng)螺栓緊固機(jī)器人系統(tǒng)，其通過(guò)提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高螺栓的擰緊質(zhì)量和效率[4]；張曉紅則基于機(jī)器人自動(dòng)擰緊螺栓機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)，針對(duì)變速器內(nèi)部相關(guān)零件設(shè)計(jì)和加工上的失誤，改裝了機(jī)器人自動(dòng)擰緊螺栓機(jī)構(gòu)，它除了能夠提高螺栓的裝配效率和質(zhì)量外，還能夠起到防錯(cuò)作用；付小東單獨(dú)發(fā)明并公開(kāi)了一種位置可調(diào)節(jié)的自動(dòng)擰螺栓機(jī)器人，可以進(jìn)行左右前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)，保證其可以與裝配件上的螺栓位置對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擰緊，這大大提高了裝配效率；楚禮幾人通過(guò)對(duì)稱布置兩臺(tái)機(jī)器人，可進(jìn)行對(duì)角位置的螺栓擰緊，防止受力不均勻，這提高了擰緊質(zhì)量，同時(shí)提升了裝配效率[5]；石小仕等人針對(duì)生產(chǎn)線上工件螺栓擰緊效率低下，現(xiàn)有螺栓擰緊機(jī)器人獲取工件螺孔坐標(biāo)困難等問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了一種基于STM32ARMCortex-M3內(nèi)核單片機(jī)的雙工位螺栓擰緊機(jī)器人。在視覺(jué)的運(yùn)用上，劉呈銀等分析了雙目視覺(jué)機(jī)器人擰緊系統(tǒng)的應(yīng)用情況[6]。在機(jī)器人配合視覺(jué)協(xié)同作業(yè)的穩(wěn)定性上，李銘對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行分析并改善，以期促進(jìn)機(jī)器視覺(jué)的高效利用[7]。由于螺栓擰緊機(jī)器人作業(yè)對(duì)夾具定位工件精度要求高且不能自行校正工件孔位偏差的問(wèn)題，王德會(huì)等人通過(guò)改進(jìn)遺產(chǎn)算法優(yōu)化了螺栓擰緊路徑，改進(jìn)了機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，可以進(jìn)行自動(dòng)糾正補(bǔ)償螺栓擰緊工件的偏差，提升了螺栓擰緊的準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確計(jì)量和測(cè)試有限公司（D+P公司）使用史陶比爾SCARA機(jī)器人末端攜帶電動(dòng)擰緊軸的作業(yè)方式，應(yīng)用于黃銅接管螺紋連接裝配生產(chǎn)線，大幅度提高了螺紋連接裝配和生產(chǎn)效率[8]。由于螺栓擰緊在生產(chǎn)作業(yè)中難以分布規(guī)則，鞠佳奇運(yùn)用PLC這款經(jīng)典的工具為其研制了一款柔性機(jī)器人螺栓擰緊系統(tǒng)。首先，從不同的工作狀態(tài)分析中，分別針對(duì)不同情況，對(duì)系統(tǒng)概覽規(guī)劃了總體方案；其后，在D-H法的基礎(chǔ)上計(jì)算出工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并對(duì)其求解，由此，在空間上建立了機(jī)器人末端執(zhí)行器軌跡規(guī)劃和軌跡程序；緊隨其后，對(duì)控制系統(tǒng)展開(kāi)整體設(shè)計(jì)。為了形成集成系統(tǒng)，通過(guò)集散控制的方式把PLC，機(jī)器人單元，識(shí)別設(shè)備和擰緊工具有機(jī)的結(jié)合起來(lái)；最后，在完成裝配系統(tǒng)之后，對(duì)工業(yè)機(jī)器人，PLC和系統(tǒng)性能進(jìn)行了有實(shí)際意義的調(diào)試，完成了設(shè)備的過(guò)程能力和經(jīng)濟(jì)性分析。值得一提的是，在改良人工檢修風(fēng)電機(jī)塔筒連接螺栓的這一現(xiàn)實(shí)突出問(wèn)題上，崔家平等研究達(dá)人為其研制出的一款擰緊螺栓的機(jī)器人——自動(dòng)進(jìn)行螺栓擰緊的同時(shí)可以自主沿塔筒法蘭周向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。這是圍繞機(jī)器人的控制核心單片機(jī)模塊，在塔筒連接螺栓的實(shí)際裝配中實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化檢修功能，此為檢修作業(yè)大大提高了自動(dòng)化程度和檢修質(zhì)量。另外，他們還研究一種周向運(yùn)動(dòng)擰緊螺栓機(jī)器人，此機(jī)器人涵蓋了包括運(yùn)動(dòng)，夾緊和自適應(yīng)三種功能的裝置，這為現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題提供了有效參考，并且其極高的檢修準(zhǔn)確性，超越同等功能機(jī)器的效率，低廉的成本，不用攀登塔筒且安全風(fēng)險(xiǎn)小的優(yōu)勢(shì)顯露無(wú)疑。參考文獻(xiàn)[1]姜立華.發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓連接及擰緊工具應(yīng)用技術(shù)[D].吉林：吉林大學(xué)，2004.[2]D.R.J，Hinton，Ernest.Finiteelementsinplasticity：theoryandpractice[M].PineridgePress，1980：33-34.[3]劉楚輝，姚寶國(guó)，柯映林.工業(yè)機(jī)器人切削加工離線編程研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，44(3)：426-431.[4]高立林，王朋，盧松，等.一種全自動(dòng)螺栓緊固機(jī)器人系統(tǒng)：中國(guó)，CN201820137069.2[P]，2018-10-26.[5]楚禮，段小剛，曾維棟.一種對(duì)稱布置的雙機(jī)器人螺栓自動(dòng)擰緊系統(tǒng)：中國(guó)，CN201822225050.6[P]，2019-09-20.[6]劉呈銀，南輝.雙目視覺(jué)機(jī)器人擰緊系統(tǒng)的應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2020，638(32)：35-36.[7]李銘.基于視覺(jué)的機(jī)器人擰緊座椅螺栓穩(wěn)定性研究[J].環(huán)球市場(chǎng)，2020(6)：383-383.[8]Ralf，Hogel.螺紋接頭的機(jī)器人裝配[J].現(xiàn)代制造，2016(11)：36-37.[9]袁軍.汽車(chē)關(guān)鍵零部件螺紋聯(lián)接的扭矩加轉(zhuǎn)角控制方法研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.[10]黃恭偉.螺紋擰緊技術(shù)研究及擰緊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.[11]李偉超，蔣明明.發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊技術(shù)[J].中國(guó)科技縱橫，2015，40(19)：53-54.[12]GhorashiM，InmanDJ.ShapeMemoryAlloyinTensionandCompressionanditsApplicationasClampingForceActuatorinaBoltedJoint：Part2-Modeling[J].Journal