一种螺钉自动供给与攻入装置设计

黄昊 王会良 胡鹏宇 莫旭 翟忠奥 杜猛 郭金荣

（河南科技大学机电工程学院，河南 洛阳 471003）

1 概述

电动螺丝刀广泛应用于机械、建筑等行业，主要用于攻螺钉，其工作过程为：先往螺丝刀头上放一颗螺钉，然后将其对准工作点后攻入。这种重复拿放螺钉再将其攻入工作面的操作不仅浪费时间，而且在攻入的过程中常常由于施力不稳，会使得攻入的螺钉不垂直于工作面；如果操作不当，还容易使手指受伤[1]。本文将介绍一种螺钉自动供给与攻入装置，可以实现螺钉供给与攻入的半自动化，并且能提高工作效率、螺钉被正确攻入的成功率和使用的安全性。

2 设计方案

2.1 总体结构设计

本装置主体机械结构由螺钉弹夹、旋转驱动器、滑轨、螺钉轨道约束器和普通手电钻组成，具有装拆方便、安全高效等特点。图1 为螺钉自动供给与攻入装置总装配图，如图1所示，滑轨后端连接着普通手电钻，螺钉轨道约束器连接在滑轨前端，螺钉弹夹卡在滑轨的下部，旋转驱动器装于螺钉弹夹上方。本装置操作简单，先将本装置的瞄准器对准施工点，按下电钻的开关，往前方推动，使螺钉完全攻入工作面后再将装置拿离工作面，就能完成了一次螺钉的攻入。

图1 螺钉自动供给与攻入装置总装配图

2.2 机构运动过程

随之旋转到与螺丝刀（图2-10）同轴位置。此时，瞄准器达到轴向极限位置，再向前继续推动电钻，使得主弹簧（图2-9）被压缩，螺丝刀抵达螺钉处。最后，向前继续推动电图2为螺钉自动供给与攻入装置的枪体结构零件图，如图2 所示。首先，将瞄准器（图2-24）准确放在工作面上。然后，按下手电钻的开关按钮，向前推动此装置，瞄准器受到施工面的反作用力向后运动，然后推动旋转驱动器（图4），使得上链轮（图4-19）旋转11.25°，并带动螺钉链条（图2-27）旋转。之后，螺钉（图2-20）钻，使得螺丝刀将同轴心的螺钉推出螺钉链条（图2-27）。然后，螺钉进入螺钉-轨道约束器（图2-1），螺钉受到轨道约束器（图2-1）的约束作用，保持着与螺丝刀同轴方向的运动。最后，螺钉顺利地被钉入施工面。之后再向后拉动电钻，主弹簧（图2-9）由于受着弹簧的弹力，使前导轨（图2-6）和后导轨（图2-8）恢复至最大行程。然后，旋转驱动器回推弹簧（图2-22）将旋转杆（图2-21）推至卡槽套筒（图2-16）后端锯齿的底部，使旋转杆同向旋转33.75°，从而带动上链轮（图2-19）旋转33.75°而再次驱动螺钉链条。

图2 枪体结构零件图

2.3 局部结构设计

2.3.1 螺钉轨道约束器

螺钉轨道约束器位于螺钉出口处，作用是约束螺钉的运动，使其沿螺丝刀轴线方向运动。轨道约束器由韧性材料制成，内部含有多组三爪式约束片，模拟人类手指控制螺钉，兼容不同直径的螺钉。管身有三片方形卡板，便于放置在枪体衔接器（图3-5）中并调整位置，使装置兼容不同长度的螺钉。其结构图如图3 所示。

图3 螺钉轨道约束器与枪体衔接器结构图

2.3.2 旋转驱动器

旋转驱动器是驱动链条运动的装置，图4 是旋转驱动器结构图，如图4 所示。旋转驱动器由推杆17、卡槽套筒16、旋转杆21 和上链轮19 组成。卡槽套筒由三颗螺栓固定在螺钉弹夹（图1-2）上，无法相对于螺钉弹夹运动，推杆周向的八个矩形突起与卡槽套筒的内部的八个卡槽配合形成滑动副限制推杆周向转动，旋转杆21 后端套有回推弹簧（图2-22），回推弹簧顶住旋转杆21 后端圆环。旋转驱动器处于初始状态时，旋转杆19 与推杆17 被回推弹簧推入卡槽套筒16 中，此时旋转杆21 前端的45°斜面与卡槽套筒16 末端的45°斜面共面。推杆17 向后运功，将推动旋转杆21 脱离卡槽套筒16；脱离过程中，旋转杆21 四个周向分布凸起的侧面与卡槽套筒后的端锯齿的直平面共面且相对运动；当旋转杆21 脱离卡槽套16 的同时，由于旋转杆21 受到回推弹簧的弹力，而且此时旋转杆21 末端45°斜面未滑至推杆17 锯齿的最凹处，所以旋转杆21 脱离卡槽套筒16 时，旋转杆21 的斜面齿会滑至推杆17 锯齿的最凹处，导致旋转杆21 顺时针旋转11.25°。当推杆受到的向后推力减小至小于回推弹簧的弹力时，旋转杆21 和推杆17 会因为回推弹簧的推力而向前移动；移动过程中，旋转杆21 的斜面齿将顺着卡槽套筒16的下一个锯齿斜面滑至卡槽套筒16 的锯齿最底部，导致旋转杆顺时针旋转33.75°。这两次旋转杆的旋转运动将驱动上链轮旋转45°，从而驱动螺钉链条（图5）运动。

图4 旋转驱动器结构图

2.3.3 螺钉链条

螺钉链条是用来存储螺钉的机构，由普通链条改进而成，单个链节上面都设计有三卡爪，可以适应不同型号的螺钉。螺钉链条可以容纳36 颗螺钉，而且螺钉链条的外壳为双开门结构，方便装填螺钉。本机构为链传动设计，传动平稳、精度高，结构紧凑[2]。另外，四卡槽链轮与旋转驱动器配合，螺钉运动轨迹精确稳定。其结构图如图5 所示，单个链节结构如图6 所示。

图5 螺钉链条图

图6 螺钉链条单链节图

2.3.4 可拆卸式螺钉弹夹

螺钉弹夹置于枪体衔接器下端，如图7 所示。螺钉弹夹最上端的前后位置存在卡槽，枪体衔接器下端的内部前后存在卡齿，螺钉弹夹可水平向右滑入枪体衔接器，之后由枪体衔接器右侧挡板和螺钉弹夹卡扣限制螺钉弹夹位置。如图7所示，螺钉弹夹卡扣由右齿条、固定螺丝、圆柱销、上盖、左齿条、弹簧和中间齿轮组成；处于初始状态时，两个弹簧顶住左齿条，左齿条通过中间齿轮使得右齿条受到向前的推力，在右齿条的右侧，螺钉弹夹有凸起，与右齿条相接触可以限制螺钉弹夹向左的位移。向前按动左齿条可以使得右齿条向后移动从而取下螺钉弹夹。螺钉弹夹内可装配螺钉链条装置（图5），且螺钉弹夹为双开门设计，方便装填螺钉。

图7 可拆卸式螺钉弹夹结构图

3 结论

本文所设计的螺钉自动供给与攻入装置动作可靠、安全高效、操作方法简单，只要将本工具的瞄准器对准施工点，按住电钻开关，进行一推一拉的运动，就能将螺钉攻入工作面。螺钉弹夹可容纳36 颗螺钉，相较于普通电动螺丝刀，可以减少手动上钉的工作，提高工作效率和安全性。螺钉链条单链节的三卡爪拥有锥度，可以使得该工具适应不同大径的螺钉，螺钉轨道约束器可前后调节，使得该工具适应不同长度的螺钉。螺钉弹夹为双后盖设计，方便装填螺钉[3]。本装置改善了传统电动螺丝刀攻螺钉效率、安全性和正确攻入工作面的成功率低下等问题，具有较好的应用前景。