1、HUNANUNIVERSITY毕业设计论文设计论文题目固定式多头自动螺丝装配设备的设计学生姓名学生学号专业班级学院名称指导老师学院院长2013年6月1日固定式多头自动螺丝装配设备的设计摘要本设计的任务是完成一套螺钉自动装配设备。经过方案拟定、分析、实验等步骤本次设计完成了机械装置部分的设计跟控制系统方面的设计。在机械装置设计部分，经过对运动情况，尺寸的设定等分析实验，最终完成了整机的结构设计，包括机架等。在机械装置的运动系统设计中，以电批为核心部件、实现电批头的旋转来拧紧螺钉，用气动作为传动方式，采取一个气缸来实现电批头的上下往复运动。在行程控制方面，采用了十字万向联轴器来解决非同轴的旋转运动
2、，用弹簧、套筒等来缓冲行程，实现行程控制。在系统控制方面，经过分析了解到，机械装置需要完成检测螺钉、工件的到位情况，气缸的伸缩情况，电批的旋转停动情况等一系列自动化动作，因此需要用到控制器来完成。本设计中采用了以PLC为核心的控制系统，用传感器、开关等作为信号检测跟输入，用程序编写来完成计数、气缸的伸缩控制、电批的旋转与否等功能。总体来说，本次设计能够实现螺钉的自动装配的任务。关键词设计；螺钉自动装配；机械装置；控制系统；湖南大学毕业设计论文第1页FIXEDMULTIAXISSCREWAUTOMATICASSEMBLYEQUIPMENTDESIGNABSTRACTTHEDESIGNTASKIS
3、TOCOMPLETEASETOFSCREWAUTOMATICASSEMBLYEQUIPMENTAFTERPROGRAMMING,ANALYSISANDEXPERIMENTAL,THEDESIGNISCOMPLETEDWITHSOMEMECHANICALDEVICECONTROLSYSTEMDESIGNASPECTSINTHEMECHANICALDEVICEDESIGNPART,THROUGHTOMOVEMENT,SUCHASANALYSISOFEXPERIMENTALSETSIZE,THEFINALCOMPLETIONOFTHESTRUCTURALDESIGNOFTHEMACHINEMOTIO
4、NSYSTEMDESIGN,THEROTATIONOFTHEPOWERGRANTEDASACORECOMPONENTOFTHEELECTRICSCREWDRIVERTOTIGHTENTHESCREWS,ASATRANSMISSIONOFAPNEUMATIC,TAKEACYLINDERUPANDDOWNRECIPROCATINGMOTIONOFTHEELECTRICSCREWDRIVERSTROKECONTROLUSINGACROSSUNIVERSALCOUPLINGTOSOLVETHENONCOAXIALWITHTHEROTATIONALMOVEMENT,WITHASPRINGSLEEVECU
5、SHIONINGSTROKEINTHESYSTEMCONTROLMECHANISMNEEDTOCOMPLETETHEDETECTIONSCREWS,TELESCOPICCYLINDERANDASERIESOFAUTOMATEDACTIONS,USETHECONTROLLERTOCOMPLETETHEDESIGNUSEDINTHEPLCCONTROLSYSTEM,SENSORS,ETC,ASTHESIGNALISDETECTEDWITHTHEINPUTCOMPLETIONOFTHECOUNT,THEEXPANSIONANDCONTRACTIONOFTHECYLINDERCONTROL,WITHP
6、ROGRAMMING,THEROTATIONOFELECTRICSCREWDRIVERANDOTHERFUNCTIONSOVERALL,THEDESIGNCANACHIEVETHETASKOFAUTOMATICASSEMBLYSCREWSKEYWORDSDESIGNSCREWAUTOMATICASSEMBLYMACHINERYCONTROLSYSTEM湖南大学毕业设计论文第2页目录第1章绪论111课题背景及目的112国内外研究状况113设计和研究方法214设计过程及内容2第2章方案选择421总体方案设计4211装置功能要求4212技术指标4213总体方案4214方案可行性分析422传动方案设计
7、5221机电传动5222液压传动5223气压传动6第3章各部分设计与计算731总体布局设计732万向节部分总体设计7321万向节部分轴的计算7322十字万向联轴器的选取933气缸的选取与校核10331气缸的选取10332气缸的设计计算1134两直线导轨轴的设计计算1335轴承14351轴承的选取14352直线轴承的强度校核1436电批、电批头传感器的选取15湖南大学毕业设计论文第3页361电批的选取15362电批头的选取16363传感器的选取1637上下滑动架的结构设计1838螺钉输送导套部分结构设计1839机架设计18391机架制造方式的选取18392机架结构的设计19第4章PLC控制系统的
8、设计2041控制系统功能分析2042输入输出设备I/O分配2043PLC的选取2044电磁阀的选取2145电源模块的选取2146硬件连接图22第5章结论23致谢24参考文献25湖南大学毕业设计论文第1页第一章绪论11课题背景及目的固定式多头自动螺丝装配设备也可以称之为固定式多轴自动打螺丝机。随着社会的发展，科学的进步，社会从原始时代，经过半自动时代，然后辗转到了，全自动时代。在这个科技迅速发展的时代中，自动化的普及化也迅速展开。当今工业生产中，用螺钉（栓）来紧固工件已经是相当常用的方法了。在家电、手机、电脑、塑胶等古老劳动力居多的企业中，手动拧紧螺钉（栓）做占用的时间占到至少三成，当被打螺钉的
9、材料为硬度高的产品时所用掉是时间更多，况且，如今的产品设计都很复杂，螺钉（栓）的工位也是非常的多，因此手动拧紧螺钉在如今这样的市场竞争环境中，在提高效率与利润的上明显占尽劣势。因此从生产效率与自动化生产水平减轻劳动强度等方面来看，自动打螺丝机的设计与生产是时代与工业发展的必然产物。多轴自动打螺丝机是根据需要打螺钉的位置，排好多个螺钉的位置，用夹具固定好被打螺钉（栓），多轴同时一起运动拧紧螺钉（栓），由此方法，可知，无论是要拧都少个螺钉（栓）跟拧一个螺钉（栓）所用的时间是一样的，从而，大大提高了企业的生产效率，减轻了工人的劳动强度，增强了生产的自动化水平。同时还可以增添控制系统功能，让机器具有自
10、动检测功能，如，自动检测螺丝拧紧不合格产品，方便区分劣质产品，实现计数功能等等。由此可见，多头自动螺丝装配设备的生产与普及能给当今各大企业带来高效率，提高生产水平。12国内外研究现状改革开放以来，我国国内的技术生产水平大大加快，效率的提高已经成为各厂家，各企业追求的目的。因此自动螺丝装配设备的出现也是理所当然的。但是最开始，这种技术是由国外引进的。当时，德国、美国日本等国的技术处于领先水平，这些国家的产品大量涌入国内市场。相对来说，国外对于自动螺丝装配设备的生产技术水平要高些。起初，这种技术的价格是昂贵的，但随着社会的发展，时代的进步，生产技术的提高，国内的这种技术越来越走向成熟，因此全自动螺
11、丝机的价格也随着下降。如今，随着国内技术水平的提高，图11国内某品牌多轴自动螺丝装配设备湖南大学毕业设计论文第2页我国已经生产了许多种类的全自动打螺丝机，在深圳、广州、山东等地的一些厂家已经设计和生产了许多全自动打螺丝机的产品，广泛应用与电脑外壳自动装配、手机装配等装配精度要求很高的产品中。同时随着国内劳动力成本的不断提高以及用工荒的不断加剧，制造企业对全自动打螺丝机的需求不断上升，产品应用前景进一步得到了稳定。如图11为国内某品牌的一种多轴自动螺丝装配设备。现如今，国内对于多轴自动打螺丝机，国内主要有平台固定式、平行切换式、旋转切换式几种。自动拧螺丝机包含螺丝自动整列单元，自动打螺丝机输送单
12、元和螺丝自动拧紧单元以及锁付过程中的检测单元。整列单元主要是将散装的螺丝进行整齐排列并单个输出。整列单元可以通过振动盘分选机构实现也可以通过摇臂式锁螺丝机整列机构来实现，而自动拧螺丝机紧单元包括旋转动力部分和螺丝导入部分。旋转动力部分由电批提供，螺丝的导入方式常见的有吹气式和吸附式。一般而言，吹气式由于工作连续，无需头部来回动作，因此，整体效率优于吸附式。但吹气式本身收到螺丝外形和长径比的限制，并不是每一种锁螺丝机都适用于吹气式。在电批的上下往复运动中，绝大多数产品产用的是气动方式，而系统控制方面采用的是PLC控制单元，万向连接方式，拥有人机交互界面。在功能方面，能实现不良产品的检验、报警，锁
13、紧螺钉的数目也可根据用户自行调整，整体来说，设计比较人性化。13设计和研究方法本设计主要是完成整机装置的设计。通过分析、计算、运动模拟等，完成打螺丝机的结构设计。从动力输入、传动、动力输出一步一步设计，绘制运动简图，对相关的零部件进行参数计算，并进行选型，运用UG进行三维建模，完成整机设计检验干涉情况。并利用AUTOCAD完成工程二维图的绘制。14设计过程及研究内容本设计内容可以分为两大块机械装置的设计与控制系统的设计。整个设计的前半段时间是用来完成机械部分的设计，研究的内容主要有电批延长部分的结构设计、行程控制、动力输入、传动方式、整体结构等问题的研究与设计。设计过程中，参考国内外现有产品所
14、采用的运动等方案，进行优化与创新提出自己的方案，并对自己的方案进行分析、计算、运动模拟来验证方案的可行性。方案拟定后，通过三维立体建模的方式来检验干涉情况，最终确定整机的结构。当机械部分设计完成后，开始控制部分的设计，也是整个设计的后半段时间。研究的主要内容为控制器件的选型、检测器件的选型、控湖南大学毕业设计论文第3页制方式的确定、控制系统原理图的设计，采用分析、电路模拟等方式来确定控制方案的合理性。设计说明书的编写是随着整个设计过程中一点一点的书写的。总的来说，设计过程就是按机械控制说明书结稿的这一大体过程来安排的。湖南大学毕业设计论文第4页第二章方案选择21总体方案的设计211装置的功能要
15、求本次设计的固定式多头自动螺丝装配设备要求实现在塑胶外壳上对零件采用螺钉装配。可对装配过程的零部件位置进行自动检测、定位和供料，微机通过相关接口驱动气缸、电动螺丝刀完成装配动作并实现计数，装置并行完成34颗螺丝的锁定工作，对装置要求具有安全保护功能。212技术指标电批进给满足不同螺距的要求，电批最大行程25MM。213总体方案固定式螺丝装配设备通俗的讲就是用自动化装配完成一个拧紧螺丝的工作，该装备其实就是代替手臂的作用，进行螺钉输送，送到指定位置，再拧紧。由此可以看出该设备主要由两大部分组成。一个是送螺丝机构，一个是拧紧螺丝机构。本设计的主要任务是识别螺钉到位与否并进行拧紧动作。拧紧的旋转运动
16、主要由电批完成，但是还要有下降的动作才能完成拧紧，因此还要设计传动机构完成电批头的下降动作。通过资料参考，决定设计方案以PLC为核心，通过各种感应开关识别螺钉到位与否，再通过一定的传动机构下降电批完成拧紧工作。但是考虑到，电批头的下降运动要符合拧紧螺钉的行程，因此还要设计一缓冲环节来时限电批下降速度与螺钉拧入速度之间的缓冲让其行进的速度距离符合螺丝的拧紧，通过实验论证，最终选择用一弹簧来完成缓冲作用。总体机构运动简图如下图21所示。图21总体运动简图214方案可行性分析首先从技术上分析，本设计所采用的零件或者选取的部件都是我们所常见的，并且在装配上都是简单的连接，并没有什么技术难题，而再从经济
17、上考虑，所用到的东西都湖南大学毕业设计论文第5页是市场上大量存在的，并且没有十分昂贵的东西，也是我们可以承受的。因此总体来说，本次设计的总体方案是可行的。22电批下降传动方案的设计经分析，明确电批下降所需要的运动方式为直线上的往复运动。而对于直线往复运动可以由电、液压或气压几种传动方式。电传动是以电动机为原动机，机电一体化，驱动生产机械的传动方式；液压是以液体为工作介质，利用液体的压力能来提供动力输出；气压则是以空气作为工作介质，以空气压缩机为动力源的传动方式。这几种传动方式在不同场合有着不同的应用。下面就这几种传动方式在本设计中的利弊进行分析并从中选取最适合本设计的传动方式221机电传动机电
18、传动（又称电力传动或电力拖动）顾名思义就是以电动机为原动机，驱动生产机器的系统总体概括。1他的任务是将传来的电能通过能量转换为我们所需要的机械能，能实现生产机器的开始、停车以及运动快慢的调节，满足种种我们所需要的生产要求来完成生产，保证各项生产过程能够顺利的进行。一般情况，机电传动都是用来对大功率的设备进行动力输出。而本设计中，只是驱动电批的小行程、低功率的动作输出，没有必要选取机电传动。况且，对于机电传动来说，还要进行电动机等器件的选取，体积大、占地面积多，不利于本机构的简化。再从经济上考虑，一般电动机都比较昂贵，也会增加设计的成本。因此，综合考虑，不选取机电作为电批上下往复运动传动方式。2
19、22液压传动液压传动是以液体为工作介质的流体运动，其主要是利用液体的压力能的液体传动2。液压传动与机电传动相比具有大致以下优点液压传动的各种元件可以依靠我们的需要，空间的局限等要求来自由安放，灵活性大；他的体积不大，从而重量也很轻，占用空间小、运动惯性小、反应速度较其他传动方式较快；操纵控制方便，调速范围可达20001；同时依据他自身的优越性，可以实现过载保护；一般采用矿物油为介质，相对运动可自行润滑，使用寿命长；很容易实现直线运动；同时他还可以很容易的实现遥控2。但是由于流体流失的阻力损失和泄露较大，他的传动效率低，如果处理不当，还会发生爆炸和火灾事故，因此安全系数低。另外工作性能容易受到温
20、度变化的影响，不易在很高或者很低的温度下工作，工作条件要求高。对于本设计，安全性作为首要考虑因素，再从经济等方面考虑，液压传动价格昂贵，还需要较高的维修技术水平。因此，综湖南大学毕业设计论文第6页上所述，液压也不是本设计的最佳传动方案。223气压传动气压传动简称气动，他的动力来源是空气压缩机。以压缩空气为工作介质，进行能量和信号传递的工程技术，是实现传动与控制的重要手段之一2。气压传动的工作介质是空气，流动损失小，空气取之不尽，适应远距离输送。废气排放处理简单，无污染，成本低。同时他的压力等级低，使用安全，气动执行元件响应速度快，反应动作灵敏，能很好的适应冲击负载，工作环境要求低。但是他也有定
21、位精度低、信号传递速度慢，不易用于传递速度高的复杂控制系统、输出力小、输出功率小等缺点。根据自己的需要，对于要设计的固定式自动螺丝自动装配设备来说，所需要的运动方式为直线运动，完成四个螺钉的拧紧过程所要求的输出力与输出功率也不是很大，同时考虑到安装复杂性、经济性、安全性、占用空间等方面，最终选取气动方案。湖南大学毕业设计论文第7页第三章各部分设计与计算31总体布局设计气缸放在最上端驱动电批上下往复运动，完成拧螺丝所需要的进给。电批需要加长机构，加长的电批机构用两个滑动架来进行轴向固定。由于每两个螺纹孔的间距仅为21MM，而电批直线排列不能满足要求，又要保证完成旋转运动，即满足轴不在同一直线上的
22、旋转运动，因此要用到万向联轴器来完成。整个过程气缸的伸缩运动用PLC来进行控制。32万向节部分总体设计万向节部分主要是用来延长电批，实现轴线不在同一条直线上得旋转运动，并有行程缓冲环节，能保证电批头的行程与螺钉拧进的行程一致。经过设计，万向节部分主要由电批、连接轴1、十字万向联轴器连接轴、连接轴2、弹簧、套筒、滑动轴电批头等组成。其结构如下图31。螺钉经送料装置送到指定位置时，传感器检测信号，PLC发送信号控制气缸和电批的动作，气缸驱动万向节部分整体向下运动，电批负责旋转运动，经过弹簧这一缓冲环节，将气缸伸缩的距离缓冲成拧紧螺钉需要的行程与距离。螺钉拧紧后，再通过PLC发送信号给气缸与电批，气
23、缸收缩，电批停止旋转。1电批；2连接轴1；3十字万向联轴器；4连接轴2；5套筒；6压缩弹簧；7销钉；8滑动轴；9电批头图31万向节部分装配体321万向节部分轴的设计计算湖南大学毕业设计论文第8页该部分的轴组要承载扭转力，所以主要根据扭转强度进行设计计算。螺钉为M4，螺距2MM左右，拧进25MM，初步计算所需要的扭转力为02NM根据轴的强度校核公式3TTTDNPWT3209550000（31）式中T扭转切应力，MPAT轴所受的扭矩，NMMWT轴的抗扭截面系数N轴的转速，R/MINP轴传递的功率D计算截面处轴的直径，MMT许用扭转切应力，MPA再由TW316D（32）由上公式可以导出D316TT（
24、33）根据材料参数，选用45号钢，T30MPA,带入数据可得许用直径为MMD33因考虑到，轴的一部分会以空心形式存在，因此初步定轴的直径为10MM。设空心部分直径为6MM。进行强度校核。同样由上公式，但是轴的截面系数公式不同，如下4TW11643D（34）带入数值计算得结果TMPA71因此强度有保证。再根据弯扭条件进行校核对于连接轴2，其直径10MM，长度100MM,进行弯扭结合强度校核湖南大学毕业设计论文第9页他的扭矩图如下图（32）图32连接轴2的扭矩图其弯矩可进行估算得，并画出弯矩图如下图（33）图33连接轴2的弯矩图根据第三强度理论进行强度校核计算，如下式221TMW35可得221TM
25、W54MPA。远远小于材料的许用力85MPA，因此强度足够。而对于套筒与滑动轴部分，其只受到扭转力的作用，弯曲力的作用可以忽略不计，因此由扭转力矩计算出的轴满足弯曲强度。对于套筒与滑动轴的长度，主要跟气缸杆的伸缩相关联。气缸伸缩的行程不能太长也不能过短。如果太长，那么将会造成较大的缓冲行程，需要很长的轴来进行缓冲，这样会给整体机构带来不协调，造成细长轴，浪费材料。但是，也不能过短。如果过于短，那么将会没有足够行程来保证拧紧螺钉，有可能造成螺钉拧的不紧，螺钉松动，产生次品，这样也会造成成本的提高。因此综上分析，再根据一般气缸的行程，决定选取气缸的行程在150MM左右，因而，滑动轴与套筒相滑动的部
26、分为150MM，因而滑动轴定为270MM因为还一部分要安装电批头,套筒定为200MM。322十字万向联轴器的选取为了完成不同轴线的旋转问题，本设计采取加用十字万向联轴器，根据上边轴的尺寸的计算，最终选取结果为WSD1类型的十字万向联轴器。3湖南大学毕业设计论文第10页33气缸的选取与计算、校核331气缸的选取气缸一般可分为单作用气缸、双作用气缸和特殊气缸等。下图34为一般普通气缸的零件组成。1组合防尘圈；2前端盖；3轴用YX密封圈；4活塞杆；5缸筒；6活塞；7孔用YX密封圈；8缓冲调节阀；9后端盖图34普通气缸机构单作用气缸一般可分为活塞式与膜片式两大类，而活塞式又可分为单活塞与双活塞两类，单
27、活塞又可分为有杆气缸跟无杆气缸两类，其中有杆气缸又分为单作用与双作用之分，同样双活塞杆也是有这两种。而膜片式一般有平膜片、滚动膜片、皮囊三类。单作用气缸一般都是通过对空气的压缩驱动活塞或者柱塞向一个方向运动，其中活塞式是靠如重力等外界力量复位，活塞式跟薄膜式气缸还可以借助弹簧等复位。柱塞式气缸拥有较好的负载稳定性，但是输出力小，主要用于小直径气缸。当活塞式气缸借助弹簧复位时。概括而言，单作用气缸总体适用短行程，小直径。拥有结构简单等优点。双作用气缸通俗的讲就是通过压缩空气能够驱动活塞向两个方向运动。有的安装有缓冲装置来对活塞接近终点时进行降速调节，以免过大载荷的冲击。调节的就叫做可调缓冲气缸，
28、不可调节缓冲降速数值的就为不可调缓冲气缸。特殊气缸种类很多，常见的有串联气缸、差动气缸、增压气缸、伸缩气缸、双活塞气缸、冲击式气缸、多为气缸等等。通过对气缸资料的参考，本设计所需要气缸驱动完成的运动为上下往复运动，再从经济性、可行性、安装复杂性、通用性考虑等，最终决定选取一个普通的双作用气缸就湖南大学毕业设计论文第11页可以。这种气缸也是应用最为广泛的一中气缸，相对来说技术比较成熟。332气缸的设计计算气缸作用力的计算设本设计所选取的单活塞双作用气缸活塞杆的作用力推力为F1，拉力F2。根据如下公式PDF421（36）PDDF4222（37）其中1F为活塞杆的推力N，2F为活塞杆的拉力N，D为活
29、塞直径M，D为活塞杆直径M，P为气缸工作压力PA，为负载率。负载率与气缸工作压力有关，基本关系如下表31。表31负载率与气缸工作压力P的关系P（MPA）0160200240300400500600701010030015040020050025050030060035070040075045075的最佳值为0305，气缸高速运转取03，低速时取05，根据本设计安装要求，气缸低速运转，气缸工作压力为06MPA,所以选取05。气缸内径跟活塞杆直径计算根据公式（35），（36）可求得气缸直径。由于气缸垂直安装，所以往回的拉力F2大于推力F1，所以要根据拉力来进行计算。大概估计克服重量为15KG。当用
30、公式36进行计算时，活塞杆的直径可以先估定，一般取缸径的四分之一。代入公式计算可得CMD82湖南大学毕业设计论文第12页根据缸径系列如表32表32缸筒内径系列810121620253240506380（90）100（110）125（140）160180200220所以选取缸径为32MM便可以符合要求。再根据活塞直径为缸径的四分之一左右，因此活塞直径定位8MM。根据表33活塞杆至今系列，定活塞杆直径为8MM。表33活塞杆直径系列456810121416182025283240455056637080气缸筒壁厚的计算一般情况下，气缸壁厚与缸径的比值小于十分之一时，可按下公式（37）进行计算2SDP
31、（38）其中NB（39）D为气缸内直径；PS为实验压力，一般取PS为工作压力的15倍，为缸筒材料的许用应力，B为缸筒材料的抗拉强度，N为安全系数，一般取N68。一般选取45号钢为材料，所以100MPA，带入公式计算得很小，大概为001CM。但是缸筒两端会有端盖等其他零件，所以一般缸筒都不会很薄。综上基本计算出所需要的气缸的基本尺寸，但是考虑到自己加工制造气缸较为麻烦,从经济性、操作性等方面考虑，所以还是根据计算出的数据来进行气缸选取。经过对气缸厂家的搜索，资料查询，老师推荐等综合考虑，最终选取了SMC公司所生产的的一种标准型单杆双作用气缸，具体型号为CG1BN32150ZW，样式如图35。图3
32、5标准型CG1系列单杆双作用气缸湖南大学毕业设计论文第13页其规格具体参数如下表34所示表34气缸CG1BN32150ZW具体规格缸径（MM）32MM动作方式单杆双作用给油不要（不给油）使用流体空气耐压试验压力15MPA最高使用压力10MPA最低使用压力005MPA环境温度及使用流体温度1070（未冻结时）使用活塞速度501000MM/S行程长度允差200MM缓冲垫缓冲安装形式无耳轴安装用螺孔34两直线导轨轴的设计计算对于这两个直线导轨轴，经受力分析可知，其主要受到弯矩，而没有扭矩。因此主要根据弯曲强度来进行轴径的设计计算并进行校核。因为这两根轴起到一个导轨的作用，因此要让滑动架能够平稳的滑动
33、，所以两根轴的直径不易过小，这样会造成滑动不平稳。同时又考虑到材料解约，避免装置过于笨重等原因，可采用空心处理。因此可以暂定，轴的直径为30MM，内径10MM。下面进行弯曲强度校核根据公式4WMMAXMAX310现根据计算，算出该轴所受的弯矩并作出弯矩图如下图36。图36滑动导轨轴的弯矩图湖南大学毕业设计论文第14页得出结果MAX02MPA。远小于材料45号钢的许用力100MPA,强度足够。35轴承351轴承的选取两个滑动架要在两直线轴导轨上平稳滑动，因此还要选择滑动轴承。根据运动方式我们知道，主要为直线的往复运动，因此轴承类型选择直线轴承。直线轴承是一种用于无限行程与圆柱轴配合的轴承5。一般
34、可分为标准型、开口型、加长型、通用型等，也可以根据法兰分为圆法兰型、方法兰型、椭圆法兰型、导向圆法兰型、导向方法兰型、导向椭圆法兰型、加长圆法兰型等。本设计选择圆法兰型，具体型号及参数如下（图37为样式跟尺寸标明）型号LMF30球列数6内径30MM外径45MM长度64MM法兰51MM连接孔455955图37LMF直线轴承样式跟尺寸标注法兰垂直度0015径向跳动0015基本额定载荷动，160KG；静，280KG352直线轴承的强度校核根据长度寿命进行计算，由公式35PCCFWFCFTFHL单位10KM311其中湖南大学毕业设计论文第15页硬度系数FH硬度HRC58以上，FH10；硬度HRC525
35、8，FH0610动载荷C工作载荷PC单位KG公斤温度系数FT工作温度小于100摄氏度，FT10，工作温度100125摄氏度，FT10095。接触系数FC每根轴装一套轴承，FC10每根轴装二套轴承FC081每根轴装三套轴承，FC072每根轴装四套轴承，FC066载荷系数FW运行速度小于15米/分钟，无冲击、无振动，FW1015；运行速度小于60米/分钟，微小冲或振动，FW1520；运行速度大于60米/分钟，或有较大冲击、振动，FW2050由本设计内容可定个项系数值如下FH1，C160KG,PC5KG,FT10,FC081,FW10可得结果L388810KM再由公式602100001NLLLSH（
36、单位小时）（312）其中L长度寿命（万米）；LS工作行程；N1每分钟往返次数带入数据可得LS10000小时，满足要求。36电批、电批头、传感器的选取361电批的选取由工件上得螺钉可知为M4的螺钉，根据此螺钉选取电批为HIMAX设计的一种。具体型号参数如下（实物见图38）型号TLF3000电源24VDC图38电批湖南大学毕业设计论文第16页扭力输出范围KGFCM0525无负载转速RPMHI,1000LOW670螺距MM1023通用起子头规格H4同时，该电批还具有计数功能。362电批头的选取电批头选司力速电批头，规格为PH240100E4具体参数为LDP100042，样式为右图（39）图39电批头
37、363传感器的选取本设计中，要自动检测工件是否到位、螺钉是否到位、气缸的伸缩运动要有极限位置等等，这些功能可借助传感器来实现。传感器有很多种，比如说光电传感器、红外传感器、压力传感器等等。首先，要对工件进行检测，也就是说，要检测工件是否到位，如果到位，那么进行下一个动作，如果没到位则继续等待。因此这里可以选取一个光电传感器来进行检测。将光电传感器放在工件夹具的两端，当工件运动到指定位置时，传感器收到信号，并将信号发给PLC，PLC来输出命令进行下一个动作。实际测量，工件大小为453590，据此进行传感器的选取。最终选取上海蓝宝所生产的一种对射式传感器，型号为PSF分为一发射器与接收器。外形尺寸
38、如图310。主要技术参数为如下电源电压24VDC响应时间小于1MS最大测力距离5M光源红外LED880NM重复精度小于5图310LHU050传感器外形尺寸湖南大学毕业设计论文第17页其次要对螺钉是否到位进行检测，因为检测距离较小，因此选取槽型光电传感器就可以。选取结果为超逸电子所生产的一种小型槽型光电传感器，型号为ITR9608F它的外形尺寸为；10613，电源为DC24V。产品见下图311。图311ITR9608F槽型光电传感器同时，装置还要有一定的安全性，保证机器在工作时，当手等人体进入机器工作区时，机器能够自动停止运转，这里还要用到一个传感器，能够坚持到人体等。为了避免选取过多种类的传感
39、器，给生产制造带来不必要的麻烦，所以决定选取同检测工件一样的传感器，但是要并排两个，形成一个面的对射面即可。对于上限位也用这样的传感器，选取一种槽型光电传感器，同样为上海蓝宝所生产，型号为PU30。主要参数如下电源电压24VDC光源红外线LED调制检测物体2MM以上不透明物体外形尺寸如图312。图312PU30槽型光电传感器对于下限位，则用一个电流传感器来感应电批电流变化的大小来发出信号。当检测到电批的电流发生较大升高时，则表明螺丝已经拧紧或者出现螺丝卡死等情况，此时应当停止运动，气缸收回。因此选择了北京科海电子的电流传感器如图313产品名称KT电流传感器检测电流13A直流输出电流25MA有效
40、值电源电压24VDC工作温度070摄氏度内阻60欧姆图313电流传感器湖南大学毕业设计论文第18页37上下滑动架的结构设计上滑动架主要是用来固定电批，连接运动活塞，而下滑动架主要是用来扶持电批头，导向电批头让其准确对准螺孔。因此可设计出上下滑动架子的大致结构如右图313。下滑动架与上滑动架大致相同，只是把固定电批的孔的换成扶持电批头的装置即可。图314上滑动架38螺钉输送导套结构设计对于这部分结构的设计，查阅很多资料，再通过与老师的沟通交流得知，这以机构主要用手指式结构居多，并且这种方式可靠性好，因此，本设计同样选用手指式结构，其基本结构图如下图314315手指式结构39机架设计391机架制造
41、方式的选取机架是用来放装备的，所有设计的零件都在机架上。可见机架必须拥有足够的强度与刚度，能够承受设备的载荷，以避免承载力不够，机架瘫垮，破坏整个设备，并在运行过程中保持很小的变形，以满足装配精度的要求一般情况下，机架有两种方式来制造，焊接或者是铸造6。湖南大学毕业设计论文第19页铸造在机械工程的制造方面应用十分的普及，在如今各种各样的的机械装置中，如车床、发动机、内燃机等中，铸造的地位举足轻重。铸造一般分为手工铸造、机器造型、压力铸造等等7。通过铸造能够制造出很复杂的造型，铸造件相比焊接来说，有较强的抗震效果，但是铸造也有很多缺点跟不足，如铸件成分内部晶体粗大不细腻、成分均匀性不足、质量不稳
42、定、笨重、不易修改制造、废品率高等。焊接形成是一种比较先进的、高效的金属连接方法，是现代工业生产中重要的连接方法之一，在国内的生产经济中，占有很大的比重7。焊接同样广泛应用在机械制造。冶金航空航天等部门。相比铸造件来说，焊接具有结构质量轻、材料利用率高、成本低、强度刚度好等优点，但是焊接也有很多缺点，如某些材料难以焊接、焊接产生材料变形、吸收震动效果差等。综上，本设计多轴自动锁螺丝机工作时比较平稳，负荷变动不大，不会有大幅度的震动，整个装置重量也不是很大。再考虑经济等因素，相对来说焊接方法容易制造，成型快、成本低节省材料，因此最后选定以焊接方式来制造机架。392机架结构的设计选取焊接方式制造机
43、架后，我们知道，该机架的承载能力是没用铸造机架好。所以，为了增加机架的承载能力，必须采取措施来增大机架的强度与刚度。在过去的学习中，我们知道，增加加强板或者改变受力方向可以增大机构的承载能力，因此从这两方面着手，把机架的四个脚设计成斜置来改变受力方向，再在每两个脚之间加上加强板来增加强度7。所以基本结构如图315。图316机架结构310机械装置总机设计部分总结至此，机械装置设计部分基本完成。概括来说，整机采用电批来驱动电批头的旋转运动，用气动的方式来驱动电批的直线上下往复运动，用弹簧、套筒等设计来完成行程速度的控制。在结构设计上，设计了手指结构、万向节装配体等机构，并且做了整个机架等构件的设计
44、，进行了运动模拟、干涉问题的检验等等。设计内容能够实现螺钉装配的运动。湖南大学毕业设计论文第20页第四章PLC控制系统的设计41控制系统功能分析由运动情况知道，控制系统的功能主要是处理运动的动与停。具体的说就是，先检测工件与螺丝的到位情况，若都到位，则控制气缸带动电批下降，同时电批接通旋转。当检测到螺丝拧紧，则控制气缸收回，电批停止运转。机器同时具有安全保护功能。42输入输出设备I/O分配输入端有启动开关、停止开关、急停开关、上限为传感器、下限位传感器、检测螺钉传感器、检测工件传感器；输出端有电磁阀、电批、工作指示灯、停止指示灯。具体分配见下表41表41I/O分配43PLC的选取由本设计机构的
45、运动分析可以知道，该机构的输出端主要由两个，一个是驱动气缸往复直线运动，一个是驱动电批的旋转，而气缸主要通过电磁阀来驱动，同时还可以适输入信号输出信号名称输入点编号名称输入点编号启动按钮SB1I00电磁阀（气缸伸缩运动）YC1Q01停止按钮SB2I01电批开关YC2Q02上限位传感器I02工作指示灯YC3Q03下限位传感器I03停止指示灯YC4Q04检测螺钉传感器I04检测工件传感器I06安全防护传感器I07急停开关SB3I11湖南大学毕业设计论文第21页当增加指示灯环节的输出以便系统更加完善。而对于输入端，主要有开始、停止、急停、还有若干传感器的信号输入，所以我们可以看出，本机构并不需要过多
46、的I/O点数。普通的PLC即可。所以经过资料查阅再考虑经济因素等各方面，最后选取西门子所生产的一种S7200CPU224X系列的PLC控制器。该主机由14个输入端，10个数字量输出。提供两种供电电压DC/DC/DC和AC/DC/RELAY。两种类型供电电压分别提供204288V直流跟85264V交流电压。产品实物如右图3179。图41S7200PLC44电磁阀的选取电磁阀是用来控制气缸的往复运动，本设计中，气缸的往复运动比较简单，因此选择普通的二位四通电磁阀控制即可。具体选择了SMK提供的一种24D两位四通电磁阀。具体参数如下流通介质水液、空气、油等无腐蚀性液体介质温度60（不冻结）允许温升8
47、5工作寿命60万天电源电压AC220VDC24V消耗功率20W左右45电源模块的选取由于上面一些器材的选取后，用到的电压主要为DC24V，因此，系统中需要用到一个将220V交流电压转变为24V直流的电源模块，因此选择了深圳市奥普源科技有限公司提供的一种开关电源。实物尺寸如右图42具体参数如下图42奥普源24V3A电源开关湖南大学毕业设计论文第22页输入电压110、220（V）输出电压24（V）DC输出功率72（W）类型AC/DC电源晶体管连接方式单端式型号24V3A品牌奥普源调制方式脉冲宽度调制PWM式产品认证CE属性属性值46硬件电路连接图见附件5湖南大学毕业设计论文第23页第五章结论本次设
48、计完成了固定式多头自动螺钉装配设备的机械装置与控制系统的设计，设计内容能够实现工件、螺钉的位置检测，螺钉的自动装配并计数的任务要求。在机械装置设计过程中，采用了电批作为拧紧螺钉的旋转运动的动力来源。而对于电批的上下往复运动的动力则选取气缸作为动力来源，安装简便，安全可靠。与此同时，在电批头的行程速度控制上，采用了弹簧、套筒等部件来进行控制。在控制系统这一方面，采取了以PLC为核心控制单元的控制系统，用光电传感器等进行检测并输入信号给PLC。总的来说，本次设计基本完成了设计任务，但是在整机的精简结构方面做的还不够好。比如说，这个设备的尺寸过大，而设备内部空间没有能够充分利用，造成了空间浪费。因此
49、，这一方面是本次设计所需加强改进的地方。湖南大学毕业设计论文第24页致谢本次设计是在颜运昌老师呕心沥血的帮助下完成的。在整个设计过程中，颜老师不仅在设计上给了我很大的帮助，同时在心态上，学习方式等各个方面都给与了诚恳的指导，让自己这几个月的时间里学到了很多知识，无论是在专业知识还是在学习方法、思考方式。这里对颜老师表示衷心的感谢同样也要感谢在开题答辩、中期答辩、交叉评阅等环节，给与了自己很多宝贵的意见的全体老师以及同学，在每位师长的帮助下，自己的设计才变得更加的完善。最后感谢湖南大学，给了我们这么好的实验平台、给我们分配了这么多负责人的老师、给与了自己一个做毕业设计的机会让自己在这么短的时间里学到了这么多东西。再次感谢所有帮助过我的领导、老师、同学,谢谢你们湖南大学毕业设计论文第25页参考文献1邓星钟机电传动控制M武汉华中科技大学出版社，2007152杨曙东，何存兴液压与气压传动M武汉华中科技大学出版社，200834，263264,295301,3163173JB/T59011991，中华人民共和国机械行业标准S北京中国标准出版社，19914濮良
