非标自动化项目中，自动锁螺丝站点的设计可谓是老生常谈，但真正能做到长期稳定运行的却不多。最近复盘一个项目，核心瓶颈依旧是那几个经典难题。本文不谈基础，只剖析那些决定设备稼动率（OEE）的关键细节。

## 供料稳定性：振动盘的“二次筛选”是关键

螺丝供料90%的项目会选用振动盘，成本和效率的平衡点。但最大的挑战在于螺丝姿态的筛选，特别是头部较重、杆部长短接近直径的螺丝，极易出现“倒栽葱”的情况。

传统振动盘轨道末端的筛选机构，通常依赖机械结构（如异形槽、挡块）利用螺丝重心进行一次筛选。但这套机制的鲁棒性很差，受来料尺寸公差、振盘频率变化影响很大。我们的方案是在取料点前增加“二次筛选”工序。

  • 机械初筛： 保留传统的重心筛选结构，剔除约80%的异常姿态螺丝。
  • 光纤精筛： 在直线轨道末端、电批吸取点前约10mm处，安装一对Keyence对射式光纤传感器（FU系列）。利用螺丝头和螺杆的直径差异，精确识别螺丝姿态。当传感器检测到螺杆而非螺丝头时，PLC会控制一个小型气缸（如SMC CJ2系列）瞬间吹气，将姿态错误的螺丝吹回振盘，实现闭环控制。

这个简单的“吹气”动作，将供料稳定性从98%提升到了99.9%以上，是保障设备连续运行的核心。

## 电批扭力与Z轴随动的“软着陆”策略

很多工程师习惯于Z轴气缸或伺服电机快速下降到位后，再启动电批。这种“硬着陆”方式极易导致批头瞬间冲击力过大，打滑或损坏螺丝十字槽。更优化的控制逻辑是“同步随动”。

我们采用伺服电机（如三菱MR-J4系列）驱动Z轴，PLC程序逻辑如下：

  1. 快速接近： Z轴以高速移动到螺丝孔上方安全位置（例如3mm）。
  2. 寻找槽位： Z轴切换至低速（5mm/s）下降，同时电批以低转速（如50-100rpm）启动。这个过程能让批头温和地“滑入”螺丝的十字槽，实现柔性啮合。
  3. 锁紧阶段： PLC检测到电批扭力信号开始小幅攀升（证明已啮合），立即将Z轴切换至设定的锁付速度，电批也同步提升至额定转速。
  4. 扭力达成： 当伺服电批（如HIOS/Kilews）输出“扭力OK”信号时，PLC立即停止Z轴的下降指令和电批的旋转。

这种“软着陆”策略，不仅保护了螺丝和产品，也显著提升了锁付的直通率（FPY）。

## 沉头螺丝的真空吸嘴设计玄机

对于头部有平面的螺丝，普通的真空吸嘴即可胜任。但项目中的沉头螺丝（Countersunk Screw）头部呈锥形，顶部面积小，传统吸嘴无法形成有效密封。

我们的解决方案是定制吸嘴，材质选用PEEK或ESD POM，防止划伤产品并具备防静电特性。设计的关键在于吸嘴的接触面：

设计方案 优点 缺点 适用场景
内锥面密封 密封性好，吸取稳定 加工精度要求高 首选方案。吸嘴前端加工出与螺丝头部角度匹配的内锥面，形成环形密封。
外径夹持 结构简单 对螺丝头外径公差敏感 备选方案。吸嘴内孔直径略小于螺丝头最大外径，利用材料弹性轻微夹持。

配合SMC的ZK2系列真空发生器，并务必在管路中串联真空过滤器，防止异物堵塞。实践证明，内锥面密封的设计最为可靠，即使在高速移动中也能牢牢吸住螺丝。

## 浮锁检测：位移传感器 VS 电批内置信号

浮锁（螺丝扭力已到，但未锁紧到位）是致命的质量缺陷。检测方案主要有两种：

  1. 高精度激光位移传感器： 在Z轴模组的静止部分安装一台激光位移传感器（如基恩士IL系列），直接测量电批锁紧后停下的最终Z轴坐标。通过设定一个高度公差窗口（例如±0.1mm），可以100%精准地判断是否存在浮锁或滑牙。这是最可靠但成本最高的方案。

  2. 伺服电批内置信号： 许多智能电批除了输出扭力信号，还会输出“转动圈数/角度”。我们可以设定一个逻辑：当螺丝与产品接触后（扭力开始上升），到扭力OK的这个区间内，编码器反馈的角度值必须在一个合理的范围内。如果角度值过小，则很可能是螺丝下方有异物，导致提前达到扭力，判定为浮锁NG。这种方法成本低，但属于间接判断，可靠性稍逊。

选择建议： 对于汽车电子、医疗等高可靠性要求的领域，必须使用激光位移传感器。对于普通消费电子，基于电批角度信号的检测是一个性价比很高的折衷方案。

总之，一个看似简单的锁螺丝动作，背后是供料、执行、感知和控制逻辑的系统工程。只有深入到这些工艺细节中，才能设计出真正稳定可靠的自动化设备。