小模数齿轮是模数小于或等于1的齿轮，其齿轮部件具有传动比大、质量小和结构紧凑等特点，能够实现微小空间内的运动和动力的高效传递。小模数齿轮零部件广泛应用于航空航天、国防、生物医学、精密仪器和微机电系统等领域，在机械仪表、汽车等行业，市场需求量巨大。当前，多种先进制造技术都可用来加工制造小模数齿轮，包括微细切削技术、电加工技术、激光加工技术、塑性成形和LIGA工艺等，实现了小模数齿轮的高效加工制造，提高了齿轮加工精度和效率。 

小模数齿轮的自动化加工技术相对成熟，但是，小模数齿轮与轮轴之间的高效、高质量装配连接仍面临挑战。一方面，小模数齿轮尺寸小，齿轮与轮轴间装配经历多个工序，人工操作不便，对工人熟练度要求很高，导致小模数齿轮部件装配效率低下;另一方面，齿轮部件装配一致性和表面划伤是影响啮合性能和长期服役性能的关键。人工装配小模数齿轮部件引起齿轮的微观接触特性差异，特别是接触啮合过程中的能量转换及耗散难以保持一致。在装配过程中，要尽量避免在齿轮表面上产生划痕，保持原有表面性质，还需要提高装配一致性和成品率。因此，研究开发小模数齿轮部件自动化装配工艺和装备势在必行。 

近些年，国内外学者研究了面向齿轮部件的自动装配技术和装配工艺，开发了一些非标自动化技术和组装设备。徐杰等设计了一套基于闭塞式锻造成形与穿轴技术相结合的复合成形和组装工艺方案，在成形过程中完成两微型齿轮的装配，制造出质量良好的微型双齿轮件。微型双齿轮复合制造技术集成形、装配及穿轴技术于一体，在生产效率、装配精度及加工重复性等方面具有较好的效果，但两端穿轴复合成形工艺方案也有不足之处。成形的微型双齿轮件中心轴同轴精度较差，容易产生倾斜，且缺少与该工艺适配的可自动化装配装置。Uusitalo等研究并验证了直径为8mm的微型行星齿轮箱的新型装配方法和系统。该系统包括一个4自由度工业机器人、两个视觉系统、机器人腕部的力反馈系统和专门设计的柔性零件馈送器，成功实现了行星齿轮单元的独立装配。该装配装置具有良好的装配精度，但与两端穿轴复合成形工艺装配工艺相比，涉及多个部件的抓取和定位反馈，装配效率低下。日本电产三协电子的夏炜等对齿轮自动组装代替手动组装进行了可行性研究。通过改进齿轮组装工艺，提出一种微型电机齿轮自动组装设备方案。该方案采用振动盘送料，通过PLC程序自动控制设备进行吸料、旋转、组装及排出。该组装装置效率高，但装配精度不足，对工艺的研究不够深入。Ng等针对微小齿轮部件，基于毛细效应和磁效应设计了一种能在流体/空气界面实现自装配的齿轮运动副工艺。该工艺的装配效果良好，但实际应用条件苛刻。可以看出，目前针对小模数齿轮轮系部件的自动化装配工艺和技术的研究较多，但是现有研究难以兼顾高精度的装配工艺和高效率的装配装置，因此，小模数齿轮高装配一致性及高效率的装配工艺和装置研究需求迫切。 

面向小模数齿轮部件装配一致性差和效率低的难题，文中以常见的钟表机构中的擒纵轮部件为对象，研究小模数齿轮部件自动化铆接装配工艺，并设计自动装配装置和系统。首先，根据小模数齿轮部件结构，提出并制订齿轮部件自动铆接装配工艺路线:通过点铆齿轮轴根部的突起区域，利用金属冷变形作用强化齿轮与轴的连接，形成齿轮与轮轴间的紧固连接。其次，根据铆接装配工艺设计压头结构，以及具备治具输送和铆接装配功能的自动装置。最后，基于工控软件LabVIEW开发了小模数齿轮部件自动化铆接装配控制系统，开展验证试验。

文中以钟表机构中的擒纵轮部件为研究对象，擒纵轮和齿轮轴如图1所示。擒纵轮的内齿参数如表1所示。擒纵轮和齿轮轴的装配关系为:擒纵轮轴向对准齿轮轴，其下表面与齿轮轴台阶面接触，齿轮轴铆台翻转压住擒纵轮上表面。根据齿轮轴和擒纵轮的位置和装配关系，需将擒纵轮与齿轮轴对准后沿轴向压入齿轮轴，随后完成自动化铆接装配。

图1 小模数齿轮部件

表1 擒纵轮的内齿参数

文中提出的自动铆接装配工艺由齿轮轴上的铆台受压变形实现齿轮轴和擒纵轮间的机械紧固，制订齿轮铆接工艺步骤如下。

1)齿轮轴上料

齿轮轴上料至专用治具内，保持齿轮轴处于竖直状态，且支撑其齿轮下表面，如图2a所示。 

2)擒纵轮上料

擒纵轮上料，套在齿轮轴上，与齿轮轴轴线对准并接触齿轮轴上端面，等待铆接装配，如图2b所示。 

3)初步铆接装配

擒纵轮向下运动穿过齿轮轴，当齿轮轴铆接区穿过擒纵轮铆台后，向齿轮轴铆台施加铆接力，使其发生变形。铆台向外翻出与擒纵轮上表面接触并挤压，实现紧固的机械连接，如图2c所示。 

4)铆接装配质量检测

将荷重检测压力施加在齿轮轴顶端，并支撑擒纵轮下表面，由铆台变形处承受荷重检测压力以检测铆接部位的牢固程度，如图2d所示。 

5)最终铆接装配

最终铆接装配和初步铆接装配的步骤大致相同，区别在于齿轮轴和擒纵轮经初步铆接已具有了机械连接，再次对铆台施加压力实现二者紧固连接，如图2e所示。

图2 小模数齿轮部件自动装配工艺

2.1 总体设计

根据图2的自动铆接装配工艺，设计自动铆接装配装置总体的工作流程和控制策略。满足技术要求包括:齿轮铆接夹具与治具定位准确，定位偏差不大于±0.05mm。铆接压力和荷重检测压力可人工设定调整。铆接压力设定范围为0~200N，荷重检测压力设定为100~200N。参考现有的冲压铆接装置结构和方案 ，自动铆接装配装置总体结构如图3所示，由铆接平台模块、夹具治具模块、治具输送模块、上下料模块和整体支撑模块5部分构成。铆接平台模块用于对微小齿轮部件施加压装铆接的下压动作。夹具治具模块用于安装和支撑零件并与装置进行定位夹紧。治具输送模块中，治具由支架带动实现其在各工位间的移动。上下料模块不为本次设计的重点模块，根据装置技术要求，上下料模块基本功能应包括承接完成压铆工序的治具，治具的上下料自动运输、自动下料、自动对准上料及托起已完成上料的治具到压铆平台进行新一轮装配。

图3 装置整体示意图

在齿轮自动铆接装配过程中，齿轮轴和擒纵轮上料完成后，治具在治具输送模块带动下依次移动至初步铆接工位、荷重检测工位和最终铆接工位进行自动装配。在治具输送过程中，首先，装有治具的支架初始位于右下限位，如图4a所示。治具输送开始时，气缸动作抬升支架，将所有在位治具抬升至右上限位，如图4b所示。然后，步进电机带动丝杆，推动支架水平运动，使每个被抬升的治具移动到下一个工位，支架整体到达装置的左上限位，如图4c所示。气缸释放，支架带动治具下降到下一工位，如图4d所示，实现治具在各装配工位间的精确移动。

图4 治具输送模块

最后，步进电机带动丝杆，推动支架回到如图4a初始右下限位，开启下一轮治具输送循环。因为每个工位间距相同，支架只在水平方向运动一个工位的间距，实现不同工位间的治具向前输送。

2.2 夹具治具模块设计

夹具与治具模块的设计是基于擒纵轮和齿轮轴尺寸较小，夹取不便。其频繁切换工位易引入额外的定位误差，故设计该模块使微小齿轮部件的定位问题转化为治具与夹具的定位问题。擒纵轮与齿轮轴在治具内定位，随治具整体输送。夹具与治具模块示意图如图5a所示，剖视图如图5b所示。在夹具治具模块中，夹具分为与治具底部整体相连的上夹具和负责定位的下夹具。上夹具与治具整体通过螺栓机械连接，在底部设置了柔性的导向片。根据铆接装置的定位精度要求，夹具位置需要进行精调。当治具移动时，被输送模块放置到夹具上方，定位片的柔性片弯曲，与夹具定位点配合。同时，下夹具内的吸附孔会吸附上夹具底端，将整个治具吸附在夹具上，实现治具的高精度定位和固定。

图5 夹具与治具模块示意图

在夹具治具模块中，治具由治具上盖、活动治具、缓冲弹簧和下治具4部分组成。治具上盖限制了活动治具的多个运动自由度，活动治具只能沿着导向槽进行竖直方向的运动。在铆接过程中，擒纵轮放置在活动治具上侧，齿轮轴放置在下治具上侧，活动治具受压向下运动时会受到缓冲弹簧向上的缓冲张力。在荷重检测过程中，压头接触齿轮轴顶端进行下压，底部有顶杆支撑活动治具，限制其受压向下位移，由变形的铆台承受荷重检测的压力，实现铆接质量检测。

2.3 铆接平台模块设计

初步铆接、铆接质量检测和最终铆接3个工位的结构和功能类似，铆接模块均采用铆接平台对齿轮轴和擒纵轮结合处施加点铆压力，铆接质量检测模块是对齿轮轴顶部施加检测压力。铆接平台模块示意图如图6a和图6b所示。根据铆接装置的压力F设定要求，以及实际铆接动作的负载率，利用式(1)计算所需直线运动气缸缸径D为:

式中:P———空压机输出气压，取0.5MPa; 

η———气缸运动动作负载率，取70%。

图6 铆接平台模块设计与校核图

经计算，选取缸径为40mm的直线运动气缸，保证铆接作用力能达到最大设计值。考虑到气缸向下运动会使气缸固定部件受到一定的反作用力，为了保证装置的强度，设计了龙门架的气缸固定结构。以最大铆接力200N为输入条件，采用ABAQUS软件进行了有限元分析校核结构强度。铆接支撑台选取6061铝合金材质，采用CNC加工整体外形特征，如图6c所示。从应力云图中可得出，在正确的装配方式下，广义位移仅有0.9μm。在误差敏感方向的位移小于0.9μm，如图6d所示。因此，设计的铆接平台模块可满足精度和强度要求。

2.4 治具输送模块设计

铆接装配平台的3个工位的治具输送过程为初铆接—荷重检测—终铆接，3个工位可独立运行。因此，设计了一套高效的治具输送系统，实现各工位并行运行如图7所示。该系统由气缸、步进电机、丝杆、导轨及治具托块构成。考虑到该输送装置的驱动气缸工况为气缸速度在50~500mm∕s内的直线运动，负载率为50%。根据式(1)计算结果，选用4个缸径为12mm、行程为30mm的直线运动微型气缸。选取丝杆导程为2mm，则根据治具输送的长度选取丝杆长度为250mm，外径为8mm。

图7 治具输送模块示意图

气缸的选型需要考虑抬升力和抬升部件的整体质量，如表2所示。

表2 治具输送模块各部分质量

治具输送模块除了支架的抬升和下降，需额外驱动来控制水平方向的位移，设计了步进电机和丝杆结构来控制支架运动。根据驱动平台总质量，计算出轴向力负载和摩擦力，如式(2)~式(5)。因此，选用额定扭矩为大于0.15N·m的步进电机2S42Q-0240，确保治具输送装置的正常运行。

式中:

f———支架沿导轨运动所受摩擦力; 

μ———导轨摩擦因数，取0.05; 

Fa———支架启动所需惯性力; 

M———治具输送模块总质量; 

Fz———治具输送模块运动总负载; 

T———步进电机转动负载扭矩; 

i———丝杆导程，取2mm; 

n———步进电机传动效率，取0.9。 

2.5 铆接装配压头设计

为满足铆接装配需求，设计了一种中空压头结构，如图8a所示，使受压面覆盖齿轮面和铆台面。压头具有一种类冲压结构的成型区，压头下压时，首先与齿轮接触，带动齿轮在活动治具上向下运动。当压头接触到齿轮轴的铆台时，铆台会受压变形为成型区轮廓，铆接在擒纵轮上表面。压头内孔径p为2mm，大于齿轮轴轴径。压头外径N为10mm，能覆盖整个齿轮表面，并保证下压的平整性。 

考虑到多次铆接产生的磨损，以及铆接接触面积较小，易产生应力集中区域，压头材料选用Cr12MoV合金工具钢。在ABAQUS仿真软件中进行了压头强度仿真，网格划分如图8b所示。铆接力设定最大值为200N，压头上表面简化为固定约束，成型区上表面视为均匀受铆接力，如图8c所示。从结果可知，该压头在铆接工况下最大应力值为186MPa，位移仅为0.22mm，具有高可靠性，如图8d所示。

图8 压头设计与校核图

3.1 系统硬件设计

该铆接装置应用了多个气动元件，气动回路设计如图9a所示。在气缸输出部分采用模拟量输入控制的电气比例阀，用于控制气路气压值。装置的运行需避免过速启停，在气路端口加入调速阀实现治具输送的速度调节。气缸的运行有伸出、保持和收回3种状态，选用了三位五通电磁阀对工作状态进行控制。为了避免在行程保持状态下气路压力过大，在气路节点采用了溢流阀实现保护功能。

铆接装置控制系统有多个控制部件，其中，步进电机和三位五通电磁阀为系统数字信号的输出对象，用于控制不同工位的切换。电气比例阀为系统模拟信号的输出对象，用于控制铆接压力。限位开关提供系统工位反馈的数字信号输入，压力传感器提供系统铆接结果反馈的模拟信号输入。根据铆接装置需要的控制系统部件和信号分类，控制系统需要选用运动控制卡、数据采集卡、数据输出卡及电机驱动器等硬件使整个装置运行。 

根据信号的输出数量和种类，运动控制卡、数据采集卡和数据输出卡分别选用阿尔泰科技基于USB总线的板卡；根据支架的运行负载和功率控制要求，驱动器选用了步科2CM525。该驱动器运用了脉冲动态滤波技术，整体装置的治具输送设计也基于点对点工位的逻辑，减少了设备运动过程中振动产生的误差，实现低功率下的高精度控制。控制部件示意图如图9b所示。

图9 控制系统架构图

3.2 系统软件设计

根据铆接装配装置要求，选用了具有可视化编程、数据采集及数据处理等功能的NI LabVIEW 2020软件编写控制程序。在运行过程中，首先进行装置的初始化复位，支架复位到右下限位位置。装配开始时，右下限位开关检测到数字输入，并对支架抬升气缸的电磁阀输入数字信号，抬升支架。当右上限位开关检测到数字信号输入时，停止电磁阀输入信号，使其切换到保持位。此时，步进电机开始转动推动丝杆水平运动，当左上限位开关接收到数字输入时步进电机停止转动。左上限位开关触发了抬升气缸电磁阀的下降位输出，支架抬升气缸持续下降。当左下限位开关检测到数字信号输入时，停止对支架抬升气缸的电磁阀输入信号，使其切换到保持位。至此，完成治具输送。

治具输送完成，各工位独立完成相应的铆接装配工序。电气比例阀控制设定的铆接压力，同时力传感器接收模拟信号，向上位机输送压力数据。若荷重检测压力曲线在上升过程中突然急剧波动，则检测到初铆接不合格。该控制系统有多个控制参数，考虑到人机协同提高产品质量与生产效率、优化生产管理具有的极其重要的意义 ，设计了基于NI LabVIEW的人机控制界面。该控制界面主要包括主界面、检测界面。用户可以在主界面输入目标产量、铆接力值和荷重检测力值。控制系统会根据运转情况输出当前实际产量值、实际铆接力、当前荷重检测力、合格品和失效品数量，如图10所示。

图10 控制系统软件设计

3.3 小模数齿轮自动铆接装置试验验证

完成铆接装置的实际搭建后，在设备上开始调试，整体设备如图11a所示，治具如图11b所示。实际生产成品装配效果良好，如图11c所示。

图11 试验设备、治具、成品图

经试验验证，装置运行过程中可以实现对铆接力和荷重检测力的控制，并且可通过程序实时监控当前压力。用采集的压力数据绘制的曲线如图12所示。通过上位机读取力传感器采集的压力数据，采样时间为压装工位动作时间。为了采集到能反映压装过程力变化的试验数据，调节调速阀延长气缸压装的动作时间。设置压装力为160N，设置工作时间7s，采样频率为1000Hz，实现了高精度装配，定位误差小于0.05mm。该装置满足了预定的技术要求，大幅提高了小模数齿轮部件的铆接效率和成品质量。

图12 压装压力曲线

1)提出了小模数齿轮自动铆接装配工艺，该铆接装配工艺包括初步铆接装配、铆接装配质量检测、最终铆接装配等工序。基于该装配工艺，划分了各个工位，确定了自动铆接装配装置的工作流程。

2)设计了一种小模数齿轮自动铆接装配装置，由夹具治具模块、初步铆接工位和铆接质量检测工位、最终铆接工位和治具输送模块构成，可有效提高小模数齿轮自动铆接装配的效率。 

3)设计了小模数齿轮自动铆接装配装置的控制系统方案，该控制方案基于LabVIEW软件，实现了人机协同操作，以及对小模数齿轮的装配压力的反馈和装置运行工位的监控，提升了装配过程的自动化水平。