桌面型自動鎖螺絲機畢業(yè)論文.docx

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1、畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 桌面型自動鎖螺絲機的設(shè)計 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化學 號 學 生 指 導 教 師 蓋玉先 答 辯 日 期 哈爾濱工業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書姓 名： 院 （系）：專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 號： 任務(wù)起至日期：2014 年 03 月 03日起 至 2014 年 06 月26 日止畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：桌面型自動鎖螺絲機的設(shè)計立題的目的和意義：通過本次畢業(yè)設(shè)計，達到培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用所學知識，分析和解決實際工程問題，鍛煉創(chuàng)造能力的目的。是學生在機械、驅(qū)動、控制等方面得到切實的鍛煉和提高。技術(shù)要求與主要內(nèi)容： 為實現(xiàn)工業(yè)裝配生產(chǎn)線上螺釘?shù)娜詣訑Q緊，傳統(tǒng)的手

2、動或半自動擰螺絲已經(jīng)達不到當代生產(chǎn)能力和速度的要求，全自動螺絲機的設(shè)計對于提高生產(chǎn)裝配水平，提高生產(chǎn)速度，減少勞動力需求，實現(xiàn)自動化和智能化有著非同尋常的實際意義。本設(shè)計要求設(shè)計出桌面型機械臂式的全自動鎖螺絲機機械結(jié)構(gòu)，進行必要的控制設(shè)計及分析改進。進度安排：第13周：查閱國內(nèi)外文獻資料，充分了解課題研究現(xiàn)狀、原理、重難點等，做好設(shè)計前期準備；第4周：完成開題報告的撰寫，并進行課題整體系統(tǒng)分析；第57周：完成機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進，繪出完整的三維立體模型；第89周：選定并完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，保證其與機械系統(tǒng)的統(tǒng)一；第1011周：利用控制軟件Matlab及仿真軟件ADAMS進行聯(lián)合初步仿真分析，觀

3、察分析所設(shè)計機械結(jié)構(gòu)是否能和所設(shè)計控制內(nèi)容相協(xié)調(diào)；第1216周 機械結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的重要校驗修正及繪圖二維工程裝配圖，畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫，畢業(yè)設(shè)計的查漏補缺完善以及畢業(yè)答辯。指導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見：教研室主任簽字_ 年 月 日 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要近年來，隨著國內(nèi)生產(chǎn)水平及科技技術(shù)的不斷提高，自動化、智能化的生產(chǎn)理念也在企業(yè)和市場中得到了迅猛的發(fā)展。自動鎖螺絲機作為企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低成本的重要一環(huán)，其發(fā)展對于生產(chǎn)裝配領(lǐng)域的重要意義也愈發(fā)凸顯。在通過分析現(xiàn)有螺絲機產(chǎn)品的利弊后，提出本文的自動螺絲機設(shè)計方案。本文的目的是設(shè)計新型的桌面型機械臂式

4、自動鎖螺絲機。論文首先提出了自動螺絲機的整體設(shè)計方案及所需解決的主要問題，包括各坐標軸的運動形式、驅(qū)動及傳動方式的設(shè)計。然后進行了包括龍門機架、XYZ坐標軸及R主旋轉(zhuǎn)軸的機械部分設(shè)計計算、各坐標軸直線導軌、滾珠絲杠、軸承、同步齒輪及齒輪帶、驅(qū)動電機等的設(shè)計選型及校核計算。之后通過MATLAB控制軟件及ADAMS仿真的分析軟件對所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)進行了聯(lián)合仿真分析，并在此基礎(chǔ)上對機械模型進行了優(yōu)化改進。論文最后部分完成了螺絲機基于可編程控制器的控制部分軟、硬件設(shè)計并總結(jié)了本設(shè)計的創(chuàng)新點及特點。本文設(shè)計的桌面型自動鎖螺絲機不僅有著高穩(wěn)定性、高效率、高度自動化、智能化的優(yōu)點和特點，良好的通用性和廣泛的

5、應(yīng)用范圍更是使其具備了廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：桌面型自動鎖螺絲機；機械設(shè)計；仿真分析；控制設(shè)計 各位如果需要此設(shè)計的全套內(nèi)容（包括二維圖紙、中英文翻譯、完整版論文、程序、答辯PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也請加上述QQ,代做免費講解。AbstractIn recent years, with the continuous improvement of domestic production levels and technology, the automated, intelligent production concept has also been a rapid

6、development in the enterprise and the market. Automatic Screw Machine, as an important part of enterprises to improve production efficiency and reduce costs, the significance of its development is also becoming more prominent. After the analysis of the pros and cons of existing screw machine product

7、s, we propose a design scheme of the automatic screw machine in this paper.The purpose of this paper is to design a new type of desktop manipulator automatic locking screw machine. First, we proposed an overall design of the automatic locking screw machine and major problems needed to be solved, inc

8、luding the design of the form of the axes of motion, drive and transmission methods. Then we design and calculate the mechanical parts of the screw machine, including gantry frame, the XYZ axes and the main axis of rotation R, the design selection and checking calculation of each axis linear guides,

9、 ball screws, bearings, gears, synchronous belt and drive motor. After that, we conduct a joint simulation analysis of the mechanical structure and optimize to improve, based on the software MATLAB and ADAMS. Finally, we summarize the innovation and features of this design.This automatic locking scr

10、ew machine proposed in this paper not only has the advantages of high stability, high efficiency, high degree of automation and intelligence, it also has a broad development and application prospect with its good versatility and wide range of applications. Keywords: desktop automatic locking screw m

11、achine, mechanical design, simulation, control design 目 錄摘要.Abstract .第一章1.1 課題背景及研究的目的和意義11.2自動鎖螺絲機研究的發(fā)展概況11.2.1 自動鎖螺絲機的分類11.2.2 桌面型自動鎖螺絲機的優(yōu)缺點和特點21.2.3桌面型自動鎖螺絲機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展概況21.3本文的主要研究內(nèi)容3第2章 總體方案設(shè)計2.1 引言42.2 桌面型自動鎖螺絲機的整體設(shè)計42.3自動鎖螺絲機各軸的運動形式及驅(qū)動方式52.4 本章小結(jié)6第3章 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、選型及計算3.1 引言73.2 龍門機架的設(shè)計73.2.1 底座的設(shè)計7

12、3.2.2 左右立柱的設(shè)計83.2.3 橫梁的設(shè)計103.3 Y軸直線導軌、伺服電機的選型、計算103.3.1 Y直線導軌的選型及校核計算103.3.2 Y軸伺服電機的選型計算133.4 X軸直線導軌、滾珠絲杠及電機的選型、計算133.4.1 X軸直線導軌的選型及校核計算133.4.2 X軸滾珠絲杠設(shè)計選型及校核計算143.5 Z軸滾珠絲杠滑臺及驅(qū)動電機的選型、計算193.6 R旋轉(zhuǎn)主軸零部件的設(shè)計203.7 本章小結(jié)21第4章 基于MATLAB和ADAMS的聯(lián)合仿真4.1 引言224.2 基于Matlab軟件的控制內(nèi)容設(shè)計224.2.1 Simulink模塊電機仿真控制模型的建立224.2.

13、2 在Matlab中完成C程序控制并導出控制數(shù)據(jù)244.3 模型及數(shù)據(jù)導入ADAMS/View模塊進行聯(lián)合仿真244.4 本章小結(jié)25第5章 自動鎖螺絲機的PLC控制5.1 引言265.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)265.3硬件及梯形圖程序設(shè)計285.4本章小結(jié)30結(jié)論31參考文獻32致謝34附錄35-31-哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論1.1 課題背景及研究的目的和意義隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，生產(chǎn)線的自動化和智能化程度也進行著不斷地進步和更新，對于新生產(chǎn)方式的思想觀念就是以利潤主義為推動企業(yè)改革的原動力，在當今屬自由競爭市場的環(huán)境下，要達到目標利潤就必須努力來達到目標成本。工廠要降低

14、成本，必須從企業(yè)內(nèi)部可掌控的部分，如：人工、設(shè)備及管理成本來作為改善的對象。自動鎖螺絲機（Auto-Screwdriving Machine）又稱自動送螺絲機、自動送鎖螺絲機、工業(yè)擰緊系統(tǒng)、螺絲鎖付機器人等到，是用以取代傳統(tǒng)手工擰緊螺絲的機器。手工的螺絲擰緊又包括純手工擰緊和電動螺絲刀或者氣動螺絲刀擰緊兩種，后者通過電動或者氣動的方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動力，以代替頻繁手工的擰緊動作，在某種程度上減輕了鎖螺絲的工作強度，但由于手工放置螺絲和對準螺絲頭部仍需要占用大量的工作時間和精力，因此整體效率提升比較有限。于是全自動鎖螺絲機的問世及其發(fā)展對于生產(chǎn)裝配領(lǐng)域的重要意義便愈發(fā)凸顯。 1.2自動鎖螺絲機研究的發(fā)

15、展概況1.2.1 自動鎖螺絲機的分類自動鎖螺絲機按其批頭來分，可分為：一軸式自動鎖螺絲機，二軸式自動鎖螺絲機，三軸式自動鎖螺絲機，四軸式自動鎖螺絲機，右圖為益誠自動化生產(chǎn)的四軸自動鎖螺絲機。五軸式自動鎖螺絲機，六軸式自動鎖螺絲機，七軸式自動鎖螺絲機，八軸式自動鎖螺絲機，九軸式自動鎖螺絲機。按其使用形式分為：全自動鎖螺絲機：其又分為自動上料和手工上料兩種，但是其螺絲全都是機器自動供給。手持式自動鎖螺絲機:手持式又分為自動供給螺絲式和批頭提取螺絲。 按不同產(chǎn)品分類，相對就更多了，相對來說任何一種產(chǎn)品,都有相對應(yīng)的鎖螺絲設(shè)備1。1.2.2 桌面型自動鎖螺絲機的優(yōu)缺點和特點桌面型自動鎖螺絲機有以下一些

16、優(yōu)缺點：由于其單人即可高效操作，一人相當于多人的效率，所以節(jié)省成本；其可靠性很好，一天可工作20小時以上；對于鎖同樣螺絲的產(chǎn)品，只需更換旋具，可鎖不同產(chǎn)品，通過簡單編程，通用性高；采用高精密度軌道設(shè)計，由機器作業(yè)，杜絕了人為因素帶來的不良影響，有著良好的穩(wěn)定性。然而由于其自動化程度較高，同時也帶來了如扭力不當造成起子頭磨損、滑牙，軌道卡料、螺絲漏送或者一次送料過多的等問題。因此，螺絲機的設(shè)計及改進要著重解決這些實際問題。另外，桌面型自動鎖螺絲機還有以下幾個重要特點：移動式工作臺，只要針對學習機，平板電腦，平板電視等較大電子產(chǎn)品設(shè)計；上料系統(tǒng)采用直振方式將螺絲排序到振動導軌上，并輸送到螺絲分料系

17、統(tǒng),通過分料系統(tǒng)將螺絲分好，然后用吹氣的方式將螺絲輸送到螺絲鎖付系統(tǒng)，最后由螺絲鎖付系統(tǒng)完成鎖付；具有漏鎖/浮鎖/滑牙檢測功能，客戶可以選配；只要螺絲在規(guī)定的范圍內(nèi)可以通用；靈活性強，對于更換不同的產(chǎn)品，只需更換夾具和調(diào)用相對應(yīng)程序組即可2。1.2.3桌面型自動鎖螺絲機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展概況 隨著越來越多的企業(yè)招工難，一些國內(nèi)外名優(yōu)產(chǎn)品紛紛被引進，以滿足不同企業(yè)生產(chǎn)的需求。全自動螺絲機就是其中之一，它憑借在制造技術(shù)、材質(zhì)和提高效率、無人操作等方面的優(yōu)勢獲得了企業(yè)和市場的青睞。全自動螺絲機的用途與普通電批風批一樣，甚至有過之而無不及，它速度快，效率高，安全性高，并且更能節(jié)省人工。就目前的總體情況而

18、言，它的品種規(guī)格也較為齊全，基本上百分之九十以上的螺釘都能實現(xiàn)自動化擰緊，但由于它的市場價位總的來說要比普通裝配工具高，這也成為了全自動螺絲機沒有普遍被運用起來的主要原因之一。但隨著國內(nèi)生產(chǎn)水平加快了技術(shù)改造的步伐，全自動螺絲機也開始大量進入國內(nèi)市場，隨著國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高和成熟，全自動螺絲機的價格將逐漸下降。所以全自動螺絲機的市場現(xiàn)在逐漸被商家們看好，這主要是因為一方面在于它的技術(shù)要求比較高，以前大部分產(chǎn)品主要是從美國、德國、日本國家引進，而現(xiàn)在隨著國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)的提高，像濟南、深圳、廣州等地的一些企業(yè)都紛紛推出了國產(chǎn)的全自動螺絲機產(chǎn)品。由于全自動螺絲機使用范圍很廣，所以在廣東、山東、上海

19、、江蘇、福建等沿海省市的裝配業(yè)、電器電子、家具制造、儀器儀表、玩具以及電動自行車、摩托車裝配還有汽車制造業(yè)和一些流水線作業(yè)的企業(yè)和廠家都紛紛使用了全自動鎖螺絲機。再加上售后服務(wù)的進一步跟上，打消了以往顧客擔心產(chǎn)品無售后服務(wù)的顧慮，使全自動螺絲機的銷勢進一步得到穩(wěn)定3。隨著勞動力成本的不斷提高，自動化設(shè)備企業(yè)的生存與發(fā)展形勢也使得越來越多的企業(yè)關(guān)注工廠自動化這一領(lǐng)域，也給螺絲機一行業(yè)帶來了發(fā)展商機。目前，我國非標自動化企業(yè)數(shù)量較多，但規(guī)模與分工還有待發(fā)展。如何參與這一行業(yè)的競爭成為一個挑戰(zhàn)！1.3本文的主要研究內(nèi)容 本課題的研究內(nèi)容主要是針對桌面型自動鎖螺絲機的機械結(jié)構(gòu)以及控制方式進行合理的設(shè)計

20、和仿真分析及優(yōu)化。 首先，考慮課題所要求的工作需要，擬訂幾個可行的結(jié)構(gòu)和控制方案，并對每個方案進行可行性分析，經(jīng)過方案比較和各方面的綜合考慮，確定出最佳方案。 然后，確定桌上型三坐標機械臂的安裝配置形式，并完成桌面型自動鎖螺絲機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過Solidworks和AutoCAD工程軟件繪出三維模型和二維工程圖并進行結(jié)構(gòu)改進。 接下來，利用Matlab矩陣實驗室及ADAMS虛擬樣機機械仿真軟件來對所設(shè)計機械結(jié)構(gòu)進行運動及動力分析，找出有欠缺設(shè)計內(nèi)容進行優(yōu)化改進。 確保了結(jié)構(gòu)的合理性之后，即可設(shè)計并合理配置各運動軸的控制方式和控制模式，編制必要的控制程序，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

21、最后結(jié)合控制再次針對設(shè)計內(nèi)容進行整體優(yōu)化分析，實現(xiàn)自動鎖螺絲機的最終改進。第2章 總體方案設(shè)計2.1 引言 本章主要研究內(nèi)容為選定桌面型自動鎖螺絲機的整體結(jié)構(gòu)型式，各運動坐標軸的運動形式，以及他們的驅(qū)動方式和控制方式。需要對現(xiàn)有不同方案進行綜合分析，經(jīng)查閱文獻及參考各類資料，針對本螺絲機設(shè)計的技術(shù)和工作要求，最終確定桌面型自動鎖螺絲機的總體結(jié)構(gòu)方案龍門式三坐標機械臂結(jié)構(gòu)形式。2.2 桌面型自動鎖螺絲機的整體設(shè)計 自動送鎖螺絲機在進行擰螺絲前需要將螺栓分離開來并輸送到指定位置，因此要整個螺絲機分為送料料機構(gòu)和鎖付機構(gòu)。送料機構(gòu)選用振動式分料機電產(chǎn)品，通過氣壓傳動講螺栓送到指定位置4。由于振動式分

22、料機電產(chǎn)品的原理及結(jié)構(gòu)均較為復雜，而且技術(shù)和市場也已經(jīng)非常成熟，所以此螺絲機的設(shè)計中主要針對鎖付機構(gòu)進行設(shè)計。為了降低返修率可以在螺栓傳動管間加傳感器來檢查三個管是否都有螺栓通過，如果有則可以進行下一步工作，如果沒有就需要將信號傳送給PLC，PLC通過分析計算給分料機構(gòu)和下料機構(gòu)的氣缸下達命令重新輸送螺栓。根據(jù)工藝要求，自動送鎖螺絲機工作時需要電動螺絲刀上下移動調(diào)節(jié)距離，以方便更換工件和調(diào)節(jié)不同工件間的誤差，因此需要一個電機驅(qū)動的滾珠絲杠副來控制電動螺絲刀的上下移動。桌面型自動鎖螺絲機的整體方案為：采用振動分料和吹氣送料機構(gòu)和龍門三坐標機械臂式鎖付機構(gòu)。其中振動分料和吹氣送料機構(gòu)指：由螺釘分離

23、板、檔釘板、固定斜槽板及圓柱銷相配合的電磁振動給料器將螺釘自動分離。利用氣缸驅(qū)動螺釘分離板、擋釘板，利用擋釘板上固定的圓柱銷受固定斜槽板上的起移動凸輪作用的斜槽限制，將位于螺釘輸送槽最前端的一只螺釘分離開，并僅將一只螺釘推入螺釘分離板側(cè)面的落釘口。經(jīng)傳感器判斷后，控制高壓噴氣口噴出高壓氣流，將螺釘通過螺釘輸送軟管吹向電動旋具。其震動分料裝置結(jié)構(gòu)形式如圖2-1所示：圖2-1 螺絲機震動分料盤 龍門三坐標機械臂式鎖付機構(gòu)是指：將XYZ三運動坐標軸置于龍門機架上，其中Z坐標軸上附加一個R旋轉(zhuǎn)軸，即用于鎖付的旋轉(zhuǎn)主軸，當傳感器檢測到由送料機構(gòu)傳送過來的螺釘已就位，便由控制系統(tǒng)發(fā)出信號對工件進行鎖緊，如

24、若沒有正確檢測到就位螺釘，則向送料機構(gòu)發(fā)出信號提示其輸送螺釘。2.3自動鎖螺絲機各軸的運動形式及驅(qū)動方式本自動鎖螺絲機的X坐標軸的運動選擇由滾珠絲杠副帶動的直線導軌。具體設(shè)計為：選定單滑塊直線導軌并在螺絲機底座上雙排對稱安裝配置，將工作平臺平放并固定在雙排直線導軌滑塊上以保證其平穩(wěn)，同時工作平臺也通過某種方式與絲杠螺母相固結(jié)，當電機帶動X軸絲桿轉(zhuǎn)動時，絲杠螺母帶動工作平臺沿X軸直線導軌前后移動5。而螺絲機Y坐標軸的運動則是選擇由伺服電機帶動的同步齒輪和齒輪帶來完成。具體設(shè)計為：選定高精度且有一定承載能力的直線導軌放置在龍門機架左右立柱中間，通過某連接介質(zhì)（如齒輪帶夾），將Y軸導軌滑塊與同步齒輪

25、帶相連接，當伺服電機帶動同步齒輪帶運動時，同時帶動直線導軌滑塊沿Y坐標軸方向平行移動。至于Z坐標軸的運動，可以借鑒X軸的運動方式，通過電機驅(qū)動的滾珠絲杠副來完成。 2.4 本章小結(jié) 本章主要確定了桌面型自動鎖螺絲機的總體結(jié)構(gòu)方案龍門式三坐標機械臂結(jié)構(gòu)形式。確定了采用振動分料和吹氣送料機構(gòu)和龍門三坐標機械臂式鎖付機構(gòu)的整體方案6。并且選定了各坐標軸的運動和驅(qū)動形式，其中：X坐標軸的運動選擇由滾珠絲杠副帶動的直線導軌，步進電機驅(qū)動；Y坐標軸的運動選擇由伺服電機帶動的同步齒輪和齒輪帶來完成；Z坐標軸通過電機驅(qū)動的滾珠絲杠副來完成。第3章 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、選型及計算3.1 引言本章要對桌面型自動鎖螺絲

26、機的整體及各部分零部件進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及對于XYZR軸直線導軌、滾珠絲杠副、驅(qū)動電機、同步齒輪與齒輪帶等進行選型計算和校核計算。3.2 龍門機架的設(shè)計龍門結(jié)構(gòu)是機床中最常用的一種機械結(jié)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)高速運動。典型結(jié)構(gòu)有以下幾種：定梁式，橫梁固定工作臺前后移動；動梁式，橫梁上下移動工作臺前后移動；動柱式，工作臺固定，龍門架立柱前后移動；橋式，工作臺固定，橫梁前后移動。結(jié)合實際設(shè)計情況與設(shè)計要求，本設(shè)計采用動定梁式結(jié)構(gòu)，橫梁固定在龍門架立柱之間，工作臺可以沿X軸直線導軌前后移動7。X軸工作臺的移動采用滾珠絲杠副驅(qū)動，安裝多導軌，防止傾覆并承受工況軸向力、徑向力。Y軸方向上使用伺服

27、電機驅(qū)動同步齒輪，提高傳動精度。3.2.1 底座的設(shè)計底座設(shè)計在保證支撐強度和平穩(wěn)性的前提下以方便和容易加工為主，基本尺寸設(shè)定為660 x550 x125mm。底座上需要安裝機架左右立柱所以左右兩側(cè)對稱開出立柱安裝槽，為將其穩(wěn)定的固定住并與工作臺面保持較高的垂直度，所以在底座左右側(cè)面分別鉸出M12螺紋孔。由于底座上還需放置雙排X軸直線導軌，為充分保證其平行度和水平程度并且減少加工面積，底座的上邊面相對中心對稱的留出接近導軌寬度的凸起部分，以便精確地安裝X軸導軌。另外底座上表面正中部分開出的凹槽是為精準安放X軸驅(qū)動部件滾珠絲杠滑臺特意留出。其初步設(shè)計如圖3-1所示：圖3-1 底座3.2.2 左右

28、立柱的設(shè)計龍門機架左右立柱的主要作用是支撐Y軸導軌零部件以及Z軸和主旋轉(zhuǎn)軸部件。所以其設(shè)計原則為在保證支撐強度和剛度的前提下，盡量簡化并且合理挖出空心以適當減少重量。其主體尺寸初步設(shè)定為：100 x80 x450mm。左立柱機構(gòu)設(shè)計如圖3-2所示：圖3-2 左立柱右立柱機構(gòu)設(shè)計如圖3-3所示：圖3-3 右立柱其中，由于左立柱除與右立柱一同支撐Y軸導軌零部件以及Z軸和主旋轉(zhuǎn)軸部件之外，還需安放驅(qū)動Y軸同步齒輪帶運動的伺服電機，所以左右立柱的主要區(qū)別則在于前者要設(shè)計伺服電機放置槽，而后者只需對應(yīng)打出同步齒輪軸安裝孔即可。3.2.3 橫梁的設(shè)計本設(shè)計中橫梁的作用就是將Y軸直線導軌置于其上，所以選定了

29、導軌之后再來確定橫梁的形狀尺寸。3.3 Y軸直線導軌、伺服電機的選型、計算3.3.1 Y直線導軌的選型及校核計算直線導軌由導軌、滑塊、鋼球、反向裝置、保持架、密封裝置等組成，用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載，同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現(xiàn)高精度的直線運動。由于其大承載、高精度、高速度、低磨損、高可靠性及標準化等優(yōu)良特性，已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于數(shù)控機械、自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域。桌面型自動鎖螺絲機對于各坐標軸的運動精度要求很高，所以為保證Y軸坐標運動的精確度，首選THK直線導軌。其機構(gòu)特征如下圖3-4所示：圖3-4 THK直線導軌8設(shè)定使用條件其選型步驟如下圖所示：初步

30、選定直線導軌型號設(shè)定滑塊尺寸及數(shù)目計算滑塊最大負荷比較需求壽命最終型號確認 圖3-5 THK直線導軌選型流程設(shè)定Y軸直線導軌橫跨在兩龍門立柱之間側(cè)立安裝，其導軌滑塊上承載負荷總重為20Kg，即Fc=200N（此設(shè)定值已添加了一定的安全系數(shù)）?？紤]到Z軸及主旋轉(zhuǎn)軸零部件全部安裝在此Y軸導軌滑塊之上，所以初步選定HRW 35CA全滾珠LM寬幅滾動導軌。其主要參數(shù)如下：表3-1HRW 35CA直線導軌主要參數(shù)導軌寬度W1安裝高度M滑塊總長W滑塊安裝孔個數(shù)滑塊安裝孔尺寸導軌總長精度等級69mm35mm120mm6個M8600mm高級基本額定載荷靜容許力矩質(zhì)量(動載)C（靜載）CoMAMBMCLM滑塊L

31、M軌道27.2KN45.9KN529Nm529Nm1490Nm1.4Kg/個9.9Kg/m1）靜容許力矩校核2）壽命校核3.3.2 Y軸伺服電機的選型計算 伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的電機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機把輸入的信號電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。伺服電機具有較小的轉(zhuǎn)動慣量和較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓，以此滿足機械設(shè)備對高精度、快速響應(yīng)的要求；伺服電機還具有較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求，并能夠承受頻繁啟動、制動和正、反轉(zhuǎn)9。計算負載轉(zhuǎn)矩：克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩：加速時所需轉(zhuǎn)矩：伺服電機額定轉(zhuǎn)矩 ，最大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)以上計算結(jié)

32、果，參考BONMET電機選型手冊可選JEF 571530 BF 1000伺服電機，其主要參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)矩T=0.5Nm，額定轉(zhuǎn)速n=3000r/s，額定功率P=0.15KW。BONMET伺服驅(qū)動器型號SFC配置：SA3L04C，SFC+配置：SA3L04C。3.4 X軸直線導軌、滾珠絲杠及電機的選型、計算3.4.1 X軸直線導軌的選型及校核計算設(shè)定X軸直線導軌對稱安裝在底座上，雙排導軌滑塊上承載負荷總重為10Kg，即Fc=100N（此設(shè)定值已添加了一定的安全系數(shù)）。初步選定球保持器型LM直線導軌。其主要參數(shù)如下：表3-2SHS 25C直線導軌主要參數(shù)導軌寬度W1安裝高度M滑塊總長W滑塊安裝孔個

33、數(shù)滑塊安裝孔尺寸導軌總長精度等級23mm36mm70mm4個M8400mm高級基本額定載荷靜容許力矩質(zhì)量(動載)C（靜載）CoMAMBMCLM滑塊LM軌道31.7KN52.4KN566Nm566Nm563Nm0.54Kg/個3.2Kg/m1）靜容許力矩校核2）壽命校核3.4.2 X軸滾珠絲杠設(shè)計選型及校核計算滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。它具有以下幾個重要特點：摩擦損失小，傳動效率高；釆用雙螺母預(yù)緊后，可以很好地消除間隙，提高了傳動剛度；摩擦阻力小，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；壽命長

34、、精度保持性好。3.5 Z軸滾珠絲杠滑臺及驅(qū)動電機的選型、計算借鑒上節(jié)中X軸絲杠滑臺及電機的選型。絲杠由于不承受徑向力，軸向力主要為安裝在Z機械臂滑臺滑塊上的R主軸零部件的自重。設(shè)定R 主軸零部件的總質(zhì)量為10Kg。 已知，上節(jié)中所選的滾珠絲杠滑臺的垂直承載可達20Kg，其精度和運動速度也可滿足Z軸運動要求，所以可選擇相同型號的產(chǎn)品。電機負載轉(zhuǎn)矩：所以，電機也可選擇上節(jié)中X軸上所選用的42步進電機。此滾珠絲杠滑臺的整體結(jié)構(gòu)形式如圖3-5所示：圖3-7 滾珠絲杠滑臺3.6 R旋轉(zhuǎn)主軸零部件的設(shè)計 R旋轉(zhuǎn)主軸零部件自上而下依次連接，主要包括刀桿接頭、聯(lián)結(jié)軸、萬向聯(lián)軸器（上）、滑動軸、滑動彈簧、滑動

35、套管、調(diào)整螺桿螺帽、萬向聯(lián)軸器（下）、刀桿軸、電動改錐、護套、夾嘴。其結(jié)構(gòu)及內(nèi)部連接設(shè)計如圖3-6所示：圖3-8 R旋轉(zhuǎn)主軸其中，萬向聯(lián)軸器的使用和滑動緩沖部分的設(shè)計是主軸設(shè)計的重點環(huán)節(jié)。1） 萬向聯(lián)軸器十字萬向聯(lián)軸器是一種撓性聯(lián)軸器，它可以使軸在轉(zhuǎn)動時能夠運轉(zhuǎn)流暢不至于因為軸線不在一條直線上而發(fā)生干涉問題，實現(xiàn)所聯(lián)接的兩軸連續(xù)回轉(zhuǎn)，并可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。萬向聯(lián)軸器最大的特點是具有較大的角向補償能力，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，有時還能起到緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。而且和其他的撓性聯(lián)軸器相比，十字萬向聯(lián)軸器有更好的調(diào)節(jié)范圍而且使用兩個萬向聯(lián)軸器能更好的解決本次設(shè)計中出現(xiàn)的問題11。考慮本

36、設(shè)計中對于精度的要求較高，選定SC型精密二節(jié)式萬向聯(lián)軸器SC10A（上）和SC06A（下）。2） 滑動緩沖設(shè)計留出一定的緩沖距離，在螺絲機進行擰螺絲工作時，主軸的下壓在滑動緩沖下不至于產(chǎn)生太大的下壓沖力，導致起子頭及螺絲頭的破壞。當然根據(jù)螺絲的大小及扭力大小的不同，緩沖預(yù)留長度也不同，基本保持在26mm之間。當緩沖長度不在要求之內(nèi)時，用調(diào)整螺桿來加以改善。3.7 本章小結(jié)本章對桌面型自動鎖螺絲機龍門機架、各坐標軸、機械臂、旋轉(zhuǎn)主軸等全部機械結(jié)構(gòu)內(nèi)容進行了詳盡的設(shè)計、選型、校核計算。并且按照相關(guān)技術(shù)及結(jié)構(gòu)要求對螺絲機機械結(jié)構(gòu)建立了三維立體模型，通過觀察分析，消除了結(jié)構(gòu)干涉及對各類不合理設(shè)計的優(yōu)化

37、改進。第4章 基于Matlab和ADAMS的聯(lián)合仿真4.1 引言本章中介紹利用控制軟件Matlab及虛擬樣機仿真分析軟件ADAMS，對上章中所設(shè)計的桌面型自動鎖螺絲機的機械結(jié)構(gòu)進行聯(lián)合仿真。在Matlab的Simulink模塊中建立電機控制模型，并編制控制程序，導入模型及控制數(shù)據(jù)至ADAMS中生成仿真動畫和圖線，并基于此進行分析改進。4.2 基于Matlab軟件的控制內(nèi)容設(shè)計4.2.1 Simulink模塊電機仿真控制模型的建立在Matlab的Simulink模塊下，利用SimPowerSyste-mToolbox豐富的模塊庫，在分析伺服電機和步進電機數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，建立電機控制系統(tǒng)的仿真模

38、型12。1） 步進電機步進電機作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，非常適合在精度和穩(wěn)定性要求不高的位置或速度控制系統(tǒng)中開環(huán)運行，且控制方式簡單。步進電機開環(huán)控制的缺點是無法知道電機是否失步或者超步,在高精度的位置伺服系統(tǒng)中，這一缺點將直接影響系統(tǒng)性能。位置閉環(huán)控制通過在步進電機轉(zhuǎn)軸上安裝位置傳感器，可將位置信號實時地傳給控制核心，然后根據(jù)位置偏差控制電機運行。建立步進電機Simulink模型如圖4-1所示：圖4-1 步進電機Simulink模型2） 伺服電機伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控

39、制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。建立伺服電機Simulink模型如圖4-2所示：圖4-2 伺服電機Simlink模型4.2.2 在Matlab中完成C程序控制并導出控制數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)定的工作內(nèi)容分別創(chuàng)建XYZ三坐標軸及R主旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)學函數(shù)模型，然后據(jù)此來編制C程序。運行程序檢查是否有誤，修改更正后生成電機轉(zhuǎn)動角位移時間的關(guān)系數(shù)據(jù)，步長初步設(shè)定為0.1s。驗證數(shù)據(jù)的正確性，反復校驗無誤后導出數(shù)據(jù)并存成.txt格式文檔。4.3 模型及數(shù)據(jù)導入ADAMS/View模塊進行聯(lián)合仿真首先，將在Solidwor

40、ks軟件中建立的三維立體模型精簡為簡化模型并存成能與ADAMS兼容的.x_t格式文件；然后，進入ADAMS/View界面導入簡化版三維模型，然后，在此基礎(chǔ)上做一些合并和刪除零部件等必要的模型修改，以保證仿真運動的協(xié)調(diào)一致；添加必要的約束、運動及作用力13，添加后其效果如下圖所示：圖4-3 聯(lián)合仿真模型（3） 將Matlab中建立的控制模型及數(shù)據(jù)導入到ADAMS/View中，完成兩軟件的聯(lián)合仿真，保存反正動畫，分析仿真數(shù)據(jù)和圖線并作出修正和改進10。4.4 本章小結(jié) 本章中通過Matlab及ADAMS兩個軟件的聯(lián)合仿真分析，完成了螺絲機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的運動干涉檢查11，并且通過對動畫及各類運動及力

41、圖線的分析研究，對之前的結(jié)構(gòu)模型做出了修正和改進，為下面控制的設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)。第5章 自動鎖螺絲機的PLC控制5.1 引言可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心，將自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體而發(fā)展起來的嶄新的工業(yè)自動控制裝置。使用PLC控制有以下優(yōu)點和特點：（1）編程簡單，使用方便；（2）控制靈活，程序可變，具有很好的柔性；（3）功能強，擴充方便，性價比高；（4）控制系統(tǒng)設(shè)計及施工的工作量少，維修方便；（5）可靠性高，抗干擾能力強；（6）體積小、重量輕、能耗低，是“機電一體化”特有的產(chǎn)品。目前PLC已基本替代了傳統(tǒng)的繼電器控制而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，PLC已躍居工

42、業(yè)自動化三大支柱的首位。5.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)可編程序控制器簡稱為PLC（ProgrammableLogicController）主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。其控制系統(tǒng)示意圖如圖5-1所示：圖5-1 PLC控制系統(tǒng)示意圖PLC實際上是一種工業(yè)控制計算機，它的硬件結(jié)構(gòu)與一般微機控制系統(tǒng)相似，甚至與之無異?？删幊绦蚩刂破髦饕蒀PU（中央處理單元）、存儲器（RAM和EPROM）、輸入/輸出模塊（簡稱I/O模塊）、編程器和電源五大部分組成14。1）CPU模塊CPU模塊又叫中央處理單元或控制器，它主要由微機處理器（CPU）和存儲器組成。CPU類似于人類的大腦和心臟。它采用掃描方

43、式工作，每一次掃描要完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個工作。2）I/O模塊I/O模塊是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號。從外部引入的尖蜂電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使可編程序控制器不能正常工作，所以CPU模塊不能直接與外部輸入/輸出裝置相連。I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與噪聲隔離的作用。3）編程器編程器除了用來輸入和編輯程序外，還可以用來監(jiān)視可編程序控制器運行時梯形圖中各種編程元件的工作狀態(tài)。編程器可以永久地連續(xù)在可編程序控制器上，將它取下來后可編程序控制器也可以運行。一般只在程序輸入、調(diào)試階段和檢修時使用，一

44、臺編程器可供多臺可編程序控制器公用。4）開關(guān)量I/O模塊開關(guān)量模塊的輸入輸出信號僅有接通和斷開兩種狀態(tài)。各I/O點的通/斷狀態(tài)用發(fā)光二極管或其它元件顯示在面板上，外部I/O接線一般接在模塊的接線端子上，某些模塊使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部連線的情況下，可以迅速地更換模。5.3硬件及梯形圖程序設(shè)計（1）資源分配如下表5-1所示：表5-1 I/O分配圖（2）PLC控制原理接線圖如下圖5-2所示：圖5-2 PLC控制原理接線圖 （3）PLC控制流程圖如下圖5-3所示： 圖5-3 PLC控制流程圖（4）梯形圖控制程序的設(shè)計見附錄。5.4本章小結(jié)本章針對螺絲機的運動控制需求，詳細設(shè)計了運

45、動控制方案，完成了基于可編程控制器PLC的伺服電機和步進電機控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。并通過設(shè)定工作內(nèi)容完成了控制原理及控制流程的設(shè)計。結(jié) 論本文以桌面型機械臂式自動鎖螺絲機為設(shè)計對象，通過對國內(nèi)外文獻系統(tǒng)全面的查閱和分析后，根據(jù)自動化，機械化，智能化的標準，對螺絲機的機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動及控制方式進行了系統(tǒng)全面的設(shè)計，經(jīng)過認真的仿真分析，又對設(shè)計內(nèi)容進行了全面的修正和改進。本研究內(nèi)容的主要成果包括以下幾點內(nèi)容：首先，現(xiàn)有的螺絲機大多屬于專用產(chǎn)品，不具有通用性，而本桌面型自動螺絲機的設(shè)計可以很輕易的通過改變控制程序及更換螺絲刀旋具，即可應(yīng)用于不同工作內(nèi)容的螺絲擰緊，通用性大大提高；其次，螺絲機XZ坐標

46、軸選擇了高精度滾珠絲杠滑臺的使用，配以精準地電機驅(qū)動控制，充分提高了自動螺絲機的可靠性、穩(wěn)定性和精確度；最后，本設(shè)計中XY運動坐標軸選用了THK球保持器型直線導軌，其絕對優(yōu)良的精度保持及負載能力，使得螺絲機機械臂的運動精準度有了質(zhì)的提升。 總體而言，本設(shè)計內(nèi)容迎合了當代技術(shù)及市場的發(fā)展趨勢，其發(fā)展有著廣闊的空間。但是，此桌面型自動鎖螺絲機的設(shè)計也存在著一些不足之處，螺絲機的智能化水平還有待進一步提高，例如，連續(xù)送料、定扭矩、可選擇提供記數(shù)功能、防漏打功能、螺絲滑牙及浮鎖檢測等15，這些都是在未來的發(fā)展中需要著重努力的地方。參考文獻1 趙成家. 自動緊螺絲機J/OL. 礦山機械，1980/03期

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