固定式多头螺丝装配设备毕业设计毕业设计.docx
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固定式多头螺丝装配设备毕业设计毕业设计
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
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，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；
Fixedmulti-axisscrewautomaticassemblyequipmentdesign
Abstract
Thedesigntaskistocompleteasetofscrewautomaticassemblyequipment.Afterprogramming,analysisandexperimental,thedesigniscompletedwithsomemechanicaldevicecontrolsystemdesignaspects.Inthemechanicaldevicedesignpart,throughtomovement,suchasanalysisofexperimentalsetsize,thefinalcompletionofthestructuraldesignofthemachine.Motionsystemdesign,therotationofthepowergrantedasacorecomponentoftheelectricscrewdrivertotightenthescrews,asatransmissionofapneumatic,takeacylinderupanddownreciprocatingmotionoftheelectricscrewdriver.Strokecontrolusingacrossuniversalcouplingtosolvethenon-coaxialwiththerotationalmovement,withaspringsleevecushioningstroke.Inthesystemcontrolmechanismneedtocompletethedetectionscrews,telescopiccylinderandaseriesofautomatedactions,usethecontrollertocomplete.ThedesignusedinthePLCcontrolsystem,sensors,etc.,asthesignalisdetectedwiththeinputcompletionofthecount,theexpansionandcontractionofthecylindercontrol,withprogramming,therotationofelectricscrewdriverandotherfunctions.Overall,thedesigncanachievethetaskofautomaticassemblyscrews.
KeyWords:
design;screwautomaticassembly;machinery;controlsystem
目录
第1章绪论1
1.1课题背景及目的1
1.2国内外研究状况1
1.3设计和研究方法2
1.4设计过程及内容2
第2章方案选择4
2.1总体方案设计4
2.1.1装置功能要求4
2.1.2技术指标4
2.1.3总体方案4
2.1.4方案可行性分析4
2.2传动方案设计5
2.2.1机电传动5
2.2.2液压传动5
2.2.3气压传动6
第3章各部分设计与计算7
3.1总体布局设计7
3.2万向节部分总体设计7
3.2.1万向节部分轴的计算7
3.2.2十字万向联轴器的选取9
3.3气缸的选取与校核10
3.3.1气缸的选取10
3.3.2气缸的设计计算11
3.4两直线导轨轴的设计计算13
3.5轴承14
3.5.1轴承的选取14
3.5.2直线轴承的强度校核14
3.6电批、电批头传感器的选取15
3.6.1电批的选取15
3.6.2电批头的选取16
3.6.3传感器的选取16
3.7上下滑动架的结构设计18
3.8螺钉输送导套部分结构设计18
3.9机架设计18
3.9.1机架制造方式的选取18
3.9.2机架结构的设计19
第4章PLC控制系统的设计20
4.1控制系统功能分析20
4.2输入输出设备I/O分配20
4.3PLC的选取20
4.4电磁阀的选取21
4.5电源模块的选取21
4.6硬件连接图22
第5章结论23
致谢24
参考文献25
第一章绪论
1.1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，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。
1.2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，因此全自动螺丝机的价格也随着下降。
如今，随着国内技术水平的提高，图1.1国内某品牌多轴自动螺丝装配设备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1.1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。
1.3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。
1.4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。
第二章方案选择
2.1总体方案的设计
2.1.1装置的功能要求
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3~4颗螺丝的锁定工作，对装置要求具有安全保护功能。
2.1.2技术指标
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2.1所示。
图2.1总体运动简图
2.1.4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，而再从经济上考虑，所用到的东西都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。
2.2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：
2.2.1机电传动
机电传动（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。
2.2.2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2000:
1；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，综上所述，液压也不是本设计的最佳传动方案。
2.2.3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。
第三章各部分设计与计算
3.1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。
3.2万向节部分总体设计
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3.1。
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3.1万向节部分装配体
3.2.1万向节部分轴的设计计算
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0.2N·m
根据轴的强度校核公式[3]：
（3.1）
式中：
—扭转切应力，MPa
T—轴所受的扭矩，N·mm
WT—轴的抗扭截面系数
n—轴的转速，r/min
P—轴传递的功率
d—计算截面处轴的直径，mm
—许用扭转切应力，MPa
再由：
（3.2）
由上公式可以导出：
（3.3）
根据材料参数，选用45号钢，
=30MPa,带入数据可得许用直径为：
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：
[4]
（3.4）
带入数值计算得结果：
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：
他的扭矩图如下图（3.2）：
图3.2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（3.3）：
图3.3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：
（3.5）
可得
=5.4MPa。
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。
3.2.2十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]
3.3气缸的选取与计算、校核
3.3.1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3.4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3.4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，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。
3.3.2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：
（3.6）
（3.7）
其中
为活塞杆的推力（N），
为活塞杆的拉力（N），D为活塞直径（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3.1。
表3.1负载率
与气缸工作压力p的关系
P（MPa）
0.16
0.20
0.24
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70~1
0.10~0.30
0.15~0.40
0.20~0.50
0.25~0.50
0.30~0.60
0.35~0.70
0.40~0.75
0.45~
0.75
的最佳值为0.3~0.5，气缸高速运转取
=0.3，低速时取0.5，根据本设计安装要求，气缸低速运转，气缸工作压力为0.6MPa,所以选取
=0.5。
气缸内径跟活塞杆直径计算：
根据公式（3.5），（3.6）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。
当用公式3.6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：
根据缸径系列如表3.2
表3.2缸筒内径系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
180
200
220
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3.3活塞杆至今系列，定活塞杆直径为8mm。
表3.3活塞杆直径系列
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
25
28
32
40
45
50
56
63
70
80
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（3.7）进行计算：
=
（3.8）其中：
（3.9）
D为气缸内直径；ps为实验压力，一般取ps为工作压力的1.5倍，
为缸筒材料的许用应力，
为缸筒材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=6~8。
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0.01cm。
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
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