多頭鎖螺絲機(jī)設(shè)計(jì)

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英文題目：An Automatic Screw Tightening Shaft Based on Enhanced Variable Gain PID Control 翻譯：基于增強(qiáng)型變?cè)鲆?PID 控制的螺桿自動(dòng)擰緊機(jī) 資料來(lái)源： pdfs.semanticscholar.org 論文題目：基于增強(qiáng)型變?cè)鲆?PID 控制的螺桿自動(dòng) 擰緊機(jī)構(gòu) 學(xué)生姓名 學(xué)院名稱(chēng) 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 班級(jí)名稱(chēng) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 教師職稱(chēng) 完成時(shí)間 基于增強(qiáng)型變?cè)鲆鍼ID 控制的螺桿自動(dòng)擰緊機(jī)構(gòu) 作者：S. H. Sengar1,*, A. G. Mohod1, Y. P. KhandetodSibang1， Liu2，3, Shuzhi Sam Ge4, Gang Qin2, Min Li5 作者所在單位：中國(guó)電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，成都611731 德日美工程與技術(shù)學(xué)院，達(dá)波里415712 摘要：本文提出了一種基于增強(qiáng)型變?cè)鲆?PID控制的模塊化自動(dòng)擰緊軸系統(tǒng)。 該螺旋擰緊軸適用于自主擰緊作業(yè)，具有巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力。 由于螺桿的不確定性，將螺桿的擰緊軸和擰緊過(guò)程都建立了不確定反饋系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 通過(guò)選擇合適的控制器參數(shù)，證明了閉環(huán)系統(tǒng)在魯斯穩(wěn)定性判據(jù)基礎(chǔ)上是穩(wěn)定的，而轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差指數(shù)收斂到一個(gè)較小的殘差。 對(duì)螺旋擰緊軸系的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的螺旋擰緊自治系統(tǒng)是有效的。 關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì)；自動(dòng)擰緊軸； 預(yù)緊力； PID 控制；可變?cè)鲆? 一 介紹 在裝配行業(yè)中，螺釘連接是最常見(jiàn)的連接方法之一，其中沖擊扳手起著重要的作用[1-3]。然而，在使用沖擊扳手從螺釘孔擰入或擰出螺釘?shù)倪^(guò)程中，需要操作員，這意味著預(yù)擰緊扭矩的適當(dāng)性和組裝過(guò)程的有效性取決于操作員的經(jīng)驗(yàn)。而且，預(yù)緊扭矩不合適可能會(huì)導(dǎo)致螺釘損壞或脫落。因此，在現(xiàn)代裝配行業(yè)中，高度可靠、高效的自動(dòng)螺絲擰緊機(jī)有著重要地位。 眾所周知，預(yù)緊力是螺釘擰緊過(guò)程中最重要的參數(shù)，它是使螺釘緊固在螺釘孔上而不會(huì)松動(dòng)的靜態(tài)力[4，5]。實(shí)際上，要求稍微調(diào)整扭矩以確保足夠的預(yù)緊力，但又不損壞螺釘。由于螺釘和工作條件的不同，即使是熟練的操作人員也很難用適當(dāng)?shù)牧?lái)固定所有螺釘。盡管在將螺絲釘擰入螺絲孔時(shí)，操作員可以輕松確定對(duì)齊方式，但是對(duì)于自動(dòng)機(jī)械而言，這并不是一件容易的事。因此，為了避免損壞螺絲和螺絲孔，需要一種控制方法或機(jī)械方式來(lái)學(xué)習(xí)對(duì)準(zhǔn)。 目前，PID（比例-積分-微分）控制是最常用的控制方法[6-8]，在實(shí)際應(yīng)用中已被廣泛接受并顯示出良好的性能。然而在線性問(wèn)題上，由于螺絲孔和螺絲之間的擰緊摩擦，螺絲和螺絲孔的材料，擰緊條件和環(huán)境溫度以及相應(yīng)的ASTS的動(dòng)力學(xué)，螺絲的擰緊過(guò)程是不確定的并且是非線性的。因此，具有比例、微分和積分增益的固定值的簡(jiǎn)單PID控制器可能無(wú)法提供所需的擰緊性能[9]。 在過(guò)去的幾十年中，由于以下原因，使用模糊邏輯系統(tǒng)（FL）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs）[11、12]的基于逼近的控制[10]已廣泛應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)未知的非線性系統(tǒng)[13-15]。它在某些緊定集上有通用逼近能力。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和FL在處理動(dòng)力學(xué)未知的復(fù)雜系統(tǒng)中具有出色的能力[16]，因此還采用了相關(guān)技術(shù)來(lái)解決實(shí)際系統(tǒng)中的控制問(wèn)題，包括機(jī)器人操縱器[17]，螺釘連接[18]和輪式倒立擺。 [19]。為了控制螺釘?shù)臄Q緊，在一些研究中提出了幾種方法和算法。在[9，18]中，提出了一種無(wú)模型的模糊控制方法。在[20]中，提出了一種預(yù)載控制方法，并提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)摩擦補(bǔ)償?shù)目刂婆ぞ亍４送?，在[21]中，提出了一種角度控制方法。 然而，盡管寶貴的研究文獻(xiàn)[22]、[5]、[9]、[20]、[21]都對(duì)擰緊螺釘做出了重要貢獻(xiàn)，但在設(shè)計(jì)螺釘擰緊工具時(shí)卻忽略了機(jī)械靈活性。并且盡最大知識(shí)儲(chǔ)備的作者，尚無(wú)重大研究報(bào)道將擰緊過(guò)程和螺釘擰緊軸集成為控制模型。在螺絲擰緊行業(yè)中，螺絲擰緊工具的機(jī)械靈活性非常重要，通過(guò)更精確的控制模型可以實(shí)現(xiàn)更好的控制性能。本文首次提出了一種模塊化設(shè)計(jì)的自動(dòng)螺絲擰緊軸（ASTS），它可以檢測(cè)螺絲和螺絲孔之間的未對(duì)準(zhǔn)情況。即使螺釘距螺釘孔偏離5mm，ASTS仍可以將螺釘擰至指定扭矩。ASTS的模型被認(rèn)為是連接有減速器的直流伺服電機(jī)。此外，結(jié)合緊固過(guò)程，設(shè)計(jì)了基于模型的增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器?？刂颇繕?biāo)是使緊固扭矩達(dá)到給定扭矩。數(shù)值仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的有效性。 然后，本文的其余部分組織如下。在第2節(jié)中，介紹了擰緊軸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。在第3節(jié)中，說(shuō)明了ASTS控制模型；在第4節(jié)中，介紹了增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制；在第5和第6節(jié)中，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出控制的有效性；最后一節(jié)即第7節(jié)，是本文的結(jié)論。 二 擰緊軸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì) 從圖1可以看出，本文提出的ASTS安裝在自動(dòng)打開(kāi)密封裝置上，該裝置用于自動(dòng)打開(kāi)和密封400L金屬桶。找到螺絲或螺孔后，ASTS會(huì)自動(dòng)應(yīng)用到螺絲上。如圖2所示，螺釘擰緊軸結(jié)構(gòu)以伺服電機(jī)為動(dòng)力單元，減速器和聯(lián)軸器為傳動(dòng)部件，光電傳感器和動(dòng)態(tài)扭矩傳感器為實(shí)時(shí)扭矩檢測(cè)單元。此外，在前端，使彈簧感應(yīng)板，調(diào)節(jié)套筒和前端套筒適于螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)。彈簧和調(diào)節(jié)套筒具有一定程度的拉伸自由度，因此可以促進(jìn)螺釘?shù)臄Q緊并且可以避免螺釘?shù)幕蝿?dòng)。同時(shí)，作為萬(wàn)向節(jié)，前端套筒可以適應(yīng)不同的螺釘偏轉(zhuǎn)角度，使螺釘?shù)钠钤?mm以?xún)?nèi)。此外，所有四個(gè)模塊都可以輕松卸下和更換。 圖1 電子科技大學(xué)機(jī)器人中心的ASTS 圖2.機(jī)械結(jié)構(gòu)組成： （a）電動(dòng)機(jī); （b）減速器; （c）聯(lián)軸器; （d）扭矩和角度傳感器; （e）擰緊軸固定座; （f）彈簧; （g）光電傳感器;（h）感應(yīng)板; （i）調(diào)節(jié)套筒; （j）前端套筒 固定好定位螺釘后，如果ASTS的前端套筒偏離螺釘5毫米以上，則該螺釘將無(wú)法插入前端套筒。在這種情況下，調(diào)節(jié)模塊的彈簧將被壓縮，導(dǎo)致感應(yīng)板上升，然后由于感應(yīng)板的接近，光電傳感器將發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并停止擰緊螺釘。但是，如果前端套筒與螺釘?shù)钠钚∮?mm，則可以將螺釘成功地插入前端套筒，然后擰緊借助調(diào)節(jié)模塊的靈活性，可以平穩(wěn)地?cái)Q緊螺絲。 在實(shí)際應(yīng)用中，擰緊指示器會(huì)給出擰緊扭矩和規(guī)定的擰緊角度。對(duì)于本文提到的ASTS，其指定角度為2160。10％，以避免在擰緊螺釘時(shí)發(fā)生螺釘卡住。換句話(huà)說(shuō)，角度傳感器和扭矩分別將螺絲擰緊角度和螺絲擰緊扭矩反饋給控制器，一旦螺絲擰緊扭矩達(dá)到所需的扭矩，扭矩控制器就會(huì)停止ASTS，而螺絲擰緊角度則不會(huì)。根據(jù)螺釘擰緊扭矩和螺釘擰緊角度之間的關(guān)系，定義了幾個(gè)規(guī)則來(lái)防止螺釘卡住。同時(shí)，ASTS機(jī)制的適應(yīng)性也防止了螺絲卡死的發(fā)生。 三 軸控制系統(tǒng) 根據(jù)螺絲和螺母的模型，給出了恒定擰緊力矩的擰緊指示器。 因此，控制鑄件達(dá)到給定的擰緊力矩成為控制目標(biāo)。 如圖3所示。 圖3. 控制框圖 圖4.預(yù)緊力與螺旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系 A. 緊固過(guò)程模型 在擰緊過(guò)程中，有三個(gè)關(guān)鍵變量，即預(yù)緊力、螺桿轉(zhuǎn)角和擰緊力矩[5,22,23]。 預(yù)緊力與螺桿轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖4所示。 在圖4中，可以看到預(yù)緊力與螺桿轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。 緊縮過(guò)程可分為四個(gè)階段: 閑置階段、換乘階段、線性階段和超收點(diǎn)階段，圖4分別表示為 oa 段、 ab 段、 bc 段和 cd 段。 在空轉(zhuǎn)階段，由于螺桿和螺孔在擰緊過(guò)程開(kāi)始時(shí)沒(méi)有接觸，因此不存在預(yù)緊力。 在固定階段，當(dāng)螺桿與螺孔接觸時(shí)，預(yù)緊力迅速增大。 然而，在這個(gè)階段，很難預(yù)測(cè)螺桿的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)。 一旦螺桿與螺孔完全連接，預(yù)緊力與螺桿轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系，稱(chēng)為線性階段。 超屈服點(diǎn)階段從螺桿到達(dá)塑性變形點(diǎn)開(kāi)始。 在這一階段，預(yù)緊力隨著螺桿轉(zhuǎn)角的增大而減小。 這個(gè)階段對(duì)螺釘和連接的目標(biāo)是有害的。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，擰緊力矩是在線性階段控制的。同時(shí)，作為最有效的螺桿擰緊方法之一，扭矩-角法首先通過(guò)調(diào)整輸出扭矩實(shí)現(xiàn)線性擰緊，然后通過(guò)控制轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)給定的線性擰緊力矩。在實(shí)際操作中，由于空閑階段和合并階段是非常短暫的，我們假設(shè)緊縮過(guò)程發(fā)生在線性階段。 在線性階段，我們可以知道: T = KFd ，（1） F=Cs Spq/360，（2） 其中T和F分別為擰緊扭矩和預(yù)緊力;K是需要通過(guò)工程測(cè)試確認(rèn)的實(shí)變量；θq和d分別是螺釘?shù)男D(zhuǎn)角度和螺釘?shù)墓Q(chēng)直徑，而Cs和Sp是系統(tǒng)剛度和螺距。根據(jù)這個(gè)方程，所有沒(méi)有額外聲明的變量和函數(shù)都與時(shí)間有關(guān)。 根據(jù)（1）和（2），可以通過(guò)以下方式定義擰緊扭矩和螺釘旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系： （3） 這里 是未知的扭矩角系數(shù)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)。其實(shí)是因?yàn)镃S和SP都是常數(shù)，僅變量K* 受影響由K決定，該系數(shù)由綜合摩擦系數(shù)確定為變量。因此，當(dāng)綜合摩擦系數(shù)變化很小時(shí)，K幾乎等于未知常數(shù)。從（3）可以看出，螺絲轉(zhuǎn)動(dòng)角度和擰緊扭矩之間存在近似線性關(guān)系。 B. ASTS控制模型 該模板用于格式化紙張和設(shè)置文本樣式。規(guī)定了所有頁(yè)邊距、列寬、行間距和文本字體；請(qǐng)不要更改它們。您可能會(huì)注意到其特點(diǎn)。例如，此模板中的頁(yè)邊距比常規(guī)測(cè)量的比例更大。該度量標(biāo)準(zhǔn)和其他度量方法是有意的，使用的規(guī)范會(huì)將您的論文作為整個(gè)程序的一部分，而不是獨(dú)立的文件。請(qǐng)不要修改任何當(dāng)前名稱(chēng)。 ASTS可以看作是齒輪減速機(jī)中的直流伺服電機(jī)。此外，直流伺服電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示為: Te = Kti ， （4） 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程可以表示為： （5） 同時(shí)，直流伺服電機(jī)的電樞電路電壓平衡方程為： （6） 其中Te是電磁轉(zhuǎn)矩；Kt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；i代表電樞電路電流；TL是電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為機(jī)械電機(jī)角速度；J表示電機(jī)軸的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R是電樞電路電阻；B是電動(dòng)機(jī)的粘性阻尼系數(shù)；L和Ke分別為電樞電路電感和反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；和u是微分算子和電樞電路電壓。 在ASTS中使用n：1減速器時(shí)，可以通過(guò)（3）將負(fù)載扭矩定義為 TL= Tn,（7） ωr = 1nωm ,（8） ωr是ASTS末端執(zhí)行器角速度。然后根據(jù)（3），有 , （9） 代入(4)、(7)、(8)至(5) ，可以得： （10） 結(jié)合（6），（9）和（10），可以將ASTS控制模型化為： （11） 其中n表示ASTS減速器的減速比。 四 增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID 控制器設(shè)計(jì) 對(duì)于普通的可變?cè)鲆鍼ID控制器，其基本思想是使積分值的累積速度與偏差的大小相匹配。積分作用減少為零以防止積分飽和系統(tǒng)偏差較大，但會(huì)加劇當(dāng)系統(tǒng)偏離時(shí)提高速度的穩(wěn)定性。更期望的是使比例系數(shù)的大小與偏差匹配。當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí)，比例零件的作用會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，而當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時(shí)，比例零件的作用會(huì)減少以防止過(guò)沖。本文提出了一種基于改進(jìn)的可變?cè)鲆鍼ID控制方法的增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制方法。 A.增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID方法 增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制算法的比例項(xiàng)和積分項(xiàng)可以表示為: , (12) 其中Kp和Ki是比例增益和積分,常規(guī)PID控制方法的增益。T是采樣時(shí)間,x[e(k)] 和 y[e(k)]是偏差 e(k)的函數(shù)。 隨著e(k)增加，x[e(k)]增加，y[e(k)]相應(yīng)減少。 當(dāng) e(k)減少時(shí)，x[e(k)] 減少，y[e(k)]相應(yīng)增加。 x[e(k)]的表達(dá)式可描述為： （13） 其中需要確認(rèn)參數(shù)e1，e2，kp1和kp2，以及0≤kp1≤kp2。一方面，選擇這四個(gè)參數(shù)的值必須滿(mǎn)足以下條件系統(tǒng)穩(wěn)定性。另一方面，選擇的e2值和kp2必須滿(mǎn)足更快轉(zhuǎn)矩的條件（受控對(duì)象）。而e1 和 kp1 必須滿(mǎn)足無(wú)扭矩超調(diào)的條件。 y[e(k)]的值在[ki1，1]之間變化，當(dāng)|e(k)|≤e3時(shí)，積分項(xiàng)與一般項(xiàng)相同，目的是將積分作用量增加到最大值，并累加e(k)的當(dāng)前值。當(dāng)e3≤|e(k)|≤e3 +e4時(shí)，y[e(k)]的值在[ki1，1]，隨 |e(k)| 的大小而變化，積分項(xiàng)累積部分電流值為e(k)。因此，積分速度的值在[],當(dāng)|e(k)|>e3+e4,y[e(k)]的值等于ki1，將積分作用減到最小或停止e(k)的當(dāng)前值的累加。 為了擴(kuò)大增強(qiáng)型變?cè)鲆?PID 控制器的調(diào)節(jié)范圍，在期望值變化不固定的情況下，參數(shù)e1、e2、e3 和e4 的取值必須根據(jù)最大偏差值來(lái)確定。 因此,通過(guò)（15）可以得到 （15） 其中最大emax 是控制器輸入變化后期望值和反饋值之間的最大偏差值。 參數(shù)n1，n2，n3 和n4 需要確定,這一定滿(mǎn)足0和 Ki1>0確定。 表1 數(shù)據(jù)參數(shù) 參數(shù) 描述 值 PN 直流額定功率伺服馬達(dá) 400W UN 直流額定電壓伺服馬達(dá) 48V TN 直流額定轉(zhuǎn)矩伺服馬達(dá) 1.27Nm nN 直流額定轉(zhuǎn)速伺服馬達(dá) 3000rpm J 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.000457kg.㎡ B 粘滯阻尼系數(shù) 0.03Nm/(rad/s) L 直流伺服電機(jī)電抗 0.0036H R 直流伺服電機(jī)的電阻 1.25Ω Ke 反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 0.0753V/(rad/s) Kt 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 0.49N.m/A Tm 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 0.53ms n 減速比 100 A.不同控制方法的模擬測(cè)試 在該仿真中，將其他兩個(gè)控制器與采用的增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器進(jìn)行了比較，它們分別是常規(guī)控制器和常規(guī)可變?cè)鲆鍼ID控制器。對(duì)應(yīng)于不同控制方法的螺釘擰緊扭矩如圖6所示，模擬結(jié)果如表2所示 圖6.擰緊扭矩的比較 （a）使用增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器的轉(zhuǎn)矩 （b）使用常規(guī)可變?cè)鲆鍼ID控制器的轉(zhuǎn)矩 （c）使用常規(guī)PID控制器的轉(zhuǎn)矩 從圖6和表2中可以明顯看出，在擰緊時(shí)間最短且沒(méi)有超調(diào)的情況下，增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器具有最佳的控制性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試將在下面進(jìn)行。 表2. 不同控制器的仿真結(jié)果 控制者 收緊時(shí)間（s） 最大扭矩/最終扭力（Nm） 常規(guī)PID控制器 13.1 51.2/50.375 常規(guī)可變?cè)鲆鍼ID控制器 10.2 50/50 增強(qiáng)型變?cè)鲆鍼ID控制器 9.1 50/50 B.不同最大擰緊速度的模擬測(cè)試 在該仿真中，探討了擰緊螺絲的速度對(duì)扭矩精度的影響。直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，在所有模擬。為了說(shuō)明角速度的影響，在此仿真中采用了三個(gè)最大角速度來(lái)調(diào)整減速器的減速比n。表3中示出了對(duì)應(yīng)于調(diào)整后的減小比n的ASTS的最大角速度的值。此外，由于此仿真中的電樞電路電流無(wú)限，而在實(shí)際操作中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此螺釘擰緊扭矩不會(huì)隨著n的減小而減小。對(duì)應(yīng)于不同n的螺釘擰緊扭矩如圖7所示，模擬結(jié)果如表4所示。 從圖7和表3-4中可以明顯看出，隨著n的減小，螺釘擰緊的扭矩精度不會(huì)降低，即螺釘擰緊的扭矩精度不會(huì)隨著高速而降低。這意味著使用增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器，可以在較寬的擰緊速度范圍內(nèi)保證擰緊扭矩的精度。 表3. 不同速度的ASTS 減速比 ASTS的最大角速度 100：1 180°/s 50：1 360°/s 10：1 1800°/s 扭力：Nm 圖7.緊固扭矩的比較（a）減速比為100：1的扭矩 （b）減速比為50：1的扭矩（c）減速比為10：1的扭矩。 表4.不同控制器的仿真結(jié)果 減速比 收緊時(shí)間（s） 最大扭矩/最終扭力（Nm） 10:1 2.6 50/50 50:1 5.8 50/50 100:1 9.1 50/50 六 實(shí)驗(yàn) 進(jìn)行了兩次測(cè)試以驗(yàn)證控制器是否有效。在測(cè)試1中，將四個(gè)控制器應(yīng)用于ASTS以查看差異。在測(cè)試2中，設(shè)置了三個(gè)最大的ASTS擰緊速度，以證明不同的擰緊速度下擰緊精度的變化。ASTS擰緊過(guò)程如圖8所示。 A. 測(cè)試1：使用不同控制器的性能比較 在該測(cè)試中，采用了兩種恒速控制器和常規(guī)PID控制器來(lái)與增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器進(jìn)行比較。在這兩種恒速控制器中，ASTS末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為180°/ s和90°/s。對(duì)于PID控制器，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)獲得比例、微分和積分增益。并且將螺釘擰緊扭矩的目標(biāo)設(shè)定為50Nm。在該測(cè)試中，進(jìn)行了三十次試驗(yàn)。但是，由于篇幅所限，在這所有30個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果中，僅選擇了一組結(jié)果來(lái)說(shuō)明圖9中的不同控制性能。表5中列出了每個(gè)控制器的平均擰緊扭矩和擰緊時(shí)間。 圖8. ASTS擰緊過(guò)程 （a）螺釘已定位（b）螺釘正在擰緊 （c）螺釘正在擰緊（d）螺釘已擰緊 圖9.擰緊扭矩的比較 （a）恒速控制器的轉(zhuǎn)矩（速度為180°/s）（b）增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器的轉(zhuǎn)矩（c）PID控制器的轉(zhuǎn)矩（d）恒速控制器的轉(zhuǎn)矩（具有速度90°/s） 從測(cè)試結(jié)果可以看出，采用高電機(jī)恒速控制時(shí)，緊固扭矩的最終值比設(shè)定扭矩的最終值高得多。但是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，采用恒速控制的螺釘緊固速度較慢，并且仍然存在過(guò)轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象。PID控制方法顯示出更好的輸出性能，但螺絲擰緊速度也很慢，最終扭矩為51.04Nm。不過(guò)，增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器可以在確保擰緊速度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的精確控制。值得一提的是，由于采用了螺桿的加工工藝和扭矩傳感器的精度，即使使用增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制器也無(wú)法避免過(guò)轉(zhuǎn)矩。 表5.不同控制器的性能參數(shù) 控制器 平均收緊時(shí)間（s） 平均擰緊扭矩（Nm） 恒速控制器（速度180°/s） 11.4 70.105 增強(qiáng)型變量的PID 控制器 17.5 50.125 PID 控制器 23.56 51.04 恒速控制器（90°/s） 26 53.275 圖10.不同的最大擰緊速度在增強(qiáng)的可變?cè)鲆鍼ID控制下輸出的螺釘擰緊扭矩 （a）最大擰緊速度為180°/s的擰緊扭矩（b）最大擰緊速度為120°/s的擰緊扭矩最大擰緊速度為90°/s的擰緊扭矩 表6.不同最大擰緊速度的性能參數(shù) 最大擰緊速度（°/s） 平均收緊時(shí)間（s） 平均擰緊扭矩（Nm） 180 17.5 50.125 120 31.46 50.085 90 42.35 50.025 B. 測(cè)試2：不同的最大擰緊速度會(huì)導(dǎo)致擰緊精度發(fā)生變化 在此測(cè)試中，由于ASTS電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，并且由于無(wú)法使用通過(guò)減小減速比來(lái)提高擰緊軸轉(zhuǎn)速的方法（在V-B部分中采用），因此ASTS電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速被設(shè)置為最大轉(zhuǎn)速。并且將180°/s，120°/s和90°/s的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為最大轉(zhuǎn)速。然后，使用建議的控制器，ASTS會(huì)以每個(gè)速度將螺釘擰緊十次，以便確定不同速度對(duì)擰緊精度的影響。與測(cè)試1相似，僅使用一組代表性的結(jié)果進(jìn)行演示，如圖10所示。同時(shí)，在三十次試驗(yàn)中獲得的平均值如表6所示。 從圖10和表6可以看出，隨著最大緊固速度的提高，螺釘緊固的精度降低。但是，從該實(shí)驗(yàn)中可以清楚地看到，將擰緊時(shí)間的實(shí)質(zhì)增加（增加142％）換成擰緊精度的小幅提高（提高0.2％）是不值得的。此外，還表明，所提出的控制器對(duì)于大范圍的擰緊速度具有良好的控制精度。 七 結(jié)論 本文研究了安裝在自動(dòng)開(kāi)封裝置上的自動(dòng)螺絲擰緊軸的PID控制方法。首先，模塊化設(shè)計(jì)介紹了由調(diào)節(jié)模塊、監(jiān)控模塊、傳動(dòng)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊組成的自動(dòng)螺絲擰緊軸。然后，結(jié)合擰緊過(guò)程，獲得參數(shù)未知的三階控制對(duì)象。為了在未知時(shí)變參數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)緊固過(guò)程的良好控制性能，采用了增強(qiáng)型可變?cè)鲆鍼ID控制方法。模塊化設(shè)計(jì)有助于確保擰緊過(guò)程中具有一定程度的物理靈活性，并且增強(qiáng)的可變?cè)鲆鍼ID控制可確保穩(wěn)定而準(zhǔn)確的控制效果。最后，基于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。性能如下： (1)所提出的控制方法即使在擰緊模型的部分參數(shù)未知的情況下也可以實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩； （2）與常規(guī)的PID控制相比，所提出的控制方法需要更短的擰緊時(shí)間以實(shí)現(xiàn)更高的擰緊精度。 （3）在相同的動(dòng)態(tài)條件下，所提出的控制方法的緊固精度受最大緊固速度不同的影響要小于等速控制。 致謝 這項(xiàng)工作得到了中國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）的資助（2011CB707005）。 參考文獻(xiàn) [1]S.Ogawa，T.Shimono，A.Kawamura和T.Nozaki，“工業(yè)方向上的位置控制以快速擰緊螺絲”，工業(yè)電子學(xué)會(huì)，IECON 2015年-第41屆年會(huì) [2]S.Ganeshmurthy和S.A.Nassar，“非平行接觸接頭中螺栓緊固過(guò)程控制的有限元模擬”，《制造科學(xué)與工程學(xué)報(bào)》，第1卷。136（2），549–558，2014 [3]C.M.Wolf和R.D.Lorenz，“將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器用作傳感器來(lái)提取空間相關(guān)信息以用于運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用”，《 IEEE工業(yè)應(yīng)用學(xué)報(bào)》，第1卷。47（3），1344–1351，2011 [4] T.Li，“討論螺栓擰緊扭矩的計(jì)算方法”，煉油與化學(xué)工業(yè)，第1卷。11（4）, 419–428，2014 [5]Y. 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Now our country's screw machine demand is still very big. With the development of industry, the technical level of screw machinery is constantly improving, and the products are becoming more and more diversified.There are already multi-head automatic locking screw machines, multi-axis automatic locking screw machines, rotary automatic screw machines, and hand-held automatic locking screw machines, floor-type automatic lock screw machine and other automatic lock screw machine. First of all, most of our automatic closing machines from Japan, Germany, the United Kingdom and other developed countries Imported. Many Last year our personalized equipment industry has developed rapidly, mainly in the Pearl River Delta and Yangtze River Delta Economies. The the main production areas and industrial bases are located in the suburbs of the large and medium-sized cities of Shanghai and Guangdong. It There are others. In recent years, automatic locking screw machines have entered the Chinese market, the Enterprise shows high enthusiasm to the automatic lock screw machine, especially gets the favor of the large-scale manufacture enterprise. But at present, the output of our country's automatic locking screw machine is not high, and the hand-held automatic screw machine, with its price advantage and flexible output, accounts for about half of the domestic market, and some low-end and cheap automatic locking screw machine production occupies a large number of small and micro-manufacturing market, the current high-end automatic locking screw machine production is low. The utility model relates to a multi-head lock screw machine for a metallurgical tool, which belongs to the technical field of mechanical processing equipment. The utility model comprises a feed device for a metallurgical tool, a transmission device for a metallurgical tool, a multi-head lock screw device, a reflux device for a metallurgical tool, and a feed device for a metallurgical tool, which comprises a feed frame for a metallurgical tool and a vibrating feed machine for a metallurgical tool, the transmission curtain of the transmission device for the metallurgical apparatus is arranged on the first transmission roller and the second transmission roller in a circle. The multi-head locking screw device comprises a locking screw rack, a supporting and circulating mechanism for the Metallurgical Apparatus, a locking screw mechanism and a screw feeding mechanism, the reflux device of the metallurgical apparatus comprises a shunt mechanism, a first reflux mechanism and a second reflux mechanism. The Design of this paper has non seulement High Stability, efficient, High Automation, intelligent and other features, but also has good Common and large application prospects. Keywords:Long head;Screw locking machine; mechanical design Ⅱ 第1章 緒論 采用多頭鎖螺絲機(jī)代替常規(guī)的手動(dòng)式鎖絲機(jī)。 手動(dòng)式鎖絲機(jī)內(nèi)容中含有電動(dòng)螺絲刀或氣動(dòng)螺絲刀，他是用電動(dòng)或是氣動(dòng)方式的改變來(lái)產(chǎn)生扭矩，這種產(chǎn)生扭矩的方式比人工操作更為快捷，這將大大減輕人工的體力操作，提高傳統(tǒng)工作的效率?？墒侨斯げ僮鞯脑?huà)也會(huì)需要投入大量的人力。所以不管怎樣，它的工作效率還是不盡人意的，我們還需繼續(xù)在技術(shù)等方面加以改良。 目前，中國(guó)自動(dòng)螺絲機(jī)的發(fā)展仍處于起步階段。中國(guó)對(duì)螺絲機(jī)的需求仍然很高。隨著行業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)螺絲鎖緊機(jī)的技術(shù)水平不斷提高，產(chǎn)品種類(lèi)繁多。當(dāng)前，存在具有自動(dòng)鎖定的多頭螺釘機(jī)，具有鎖定的多軸自動(dòng)螺釘機(jī)，具有鎖定的旋轉(zhuǎn)自動(dòng)螺釘機(jī)，具有鎖定的手動(dòng)自動(dòng)螺釘機(jī)，具有鎖定的落地式自動(dòng)螺釘機(jī)以及其他具有鎖定的自動(dòng)螺釘機(jī)。起初，我國(guó)大部分自動(dòng)鎖緊螺絲機(jī)是從國(guó)外進(jìn)口的。 到如今以來(lái)，中國(guó)的機(jī)械類(lèi)行業(yè)發(fā)展越來(lái)越好，在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、上海、廣東等大中城市郊區(qū)也有主要生產(chǎn)區(qū)。最近這些年，我國(guó)引進(jìn)了自動(dòng)鎖緊螺絲機(jī)，各個(gè)公司企業(yè)對(duì)其抱有很大的期待。在這些螺絲機(jī)類(lèi)型中，便攜式自動(dòng)螺絲機(jī)更受市場(chǎng)的歡迎，它在加工領(lǐng)域比較方便，價(jià)格也是比較便宜的，而一些低端和廉價(jià)的自動(dòng)鎖緊螺釘機(jī)生產(chǎn)占有大量的小型和微型制造市場(chǎng)，目前高端自動(dòng)鎖緊螺釘機(jī)的生產(chǎn)水平較低。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 鎖緊螺絲機(jī)的市場(chǎng)前景 多頭鎖緊螺絲機(jī)的實(shí)用性與普通電動(dòng)配料機(jī)相同，有很多的優(yōu)點(diǎn)：工作效率高，操作方便，危險(xiǎn)性也極低?？偟膩?lái)說(shuō)，它的類(lèi)型是比較全面的。一般情況下，螺絲機(jī)都是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擰緊的，可是它的價(jià)格會(huì)偏高，所以在很少的情況才才會(huì)使用螺絲機(jī)操作。但是如今科技越來(lái)越發(fā)達(dá)，我國(guó)對(duì)機(jī)械行業(yè)也進(jìn)行了一步步改革，所以在我國(guó)，生產(chǎn)使用螺絲機(jī)已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮。現(xiàn)在螺絲機(jī)在技術(shù)方面極為先進(jìn)，價(jià)格方面也是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。所以，各個(gè)企業(yè)也是對(duì)多頭鎖緊螺絲機(jī)的前景極為看好。我國(guó)因?yàn)橹暗募夹g(shù)發(fā)展比較落后，所以大多數(shù)螺絲機(jī)都是從國(guó)外進(jìn)口的。但是如今，中國(guó)的技術(shù)水平，科技水平越來(lái)越發(fā)達(dá)，國(guó)內(nèi)眾多大小企業(yè)紛紛購(gòu)用自動(dòng)螺絲機(jī)的一系列產(chǎn)品。多頭螺絲機(jī)既可用于流水線作業(yè)，也可用于制造商。而且質(zhì)量方面也是能夠得到保證的，很少會(huì)有機(jī)器故障，如果發(fā)生了，技術(shù)工作人員也會(huì)上門(mén)進(jìn)行修理，保養(yǎng)等各項(xiàng)服務(wù)。機(jī)器保證方面做得足夠好，相應(yīng)著，成本也會(huì)相對(duì)較高。所以公司也會(huì)在能夠使產(chǎn)品保證的同時(shí)，希望成本也要降低。所以他們開(kāi)始把目光關(guān)注在自動(dòng)化領(lǐng)域，希望產(chǎn)品自動(dòng)化提高的同時(shí)能降低消耗的成本。到如今，我國(guó)雖然非標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化企業(yè)較多，可是技術(shù)等方面還是不夠健全。而且推動(dòng)各個(gè)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可是從現(xiàn)實(shí)來(lái)說(shuō)，絕大部分的中小型企業(yè)有三大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，資金的不足，人才的缺少以及市場(chǎng)較小。中小型企業(yè)想要發(fā)展，想要做大，就一定要解決這幾個(gè)問(wèn)題，并且能把握住機(jī)會(huì)。所以，管理人員一定要冷靜的思考，工作人員要更加努力，用心做好所做的工作。但是這個(gè)行業(yè)入門(mén)很困難，他需要用到的知識(shí)很多。他整個(gè)加工，生產(chǎn)，售后也涉及到很多方面。所以公司上下萬(wàn)眾一心是最為重要的?！白龊貌渴穑瑒?chuàng)建團(tuán)隊(duì)和領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)”已成為每一個(gè)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人的必修課程。然而，產(chǎn)業(yè)規(guī)格小，怎樣處理各個(gè)分工也是面臨的一個(gè)難題。因?yàn)榻档退枰某杀?，提高產(chǎn)品質(zhì)量等問(wèn)題是企業(yè)需要解決的重要問(wèn)題，所以非標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械制造自動(dòng)化已成為一個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)。目前中國(guó)有大量自動(dòng)螺絲機(jī)制造廠，但規(guī)模小，技術(shù)落后，競(jìng)爭(zhēng)激烈。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)在工業(yè)發(fā)展方面對(duì)全國(guó)乃至全球都做出了卓越貢獻(xiàn)，鞏固了中國(guó)作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體的地位,我國(guó)也被大多數(shù)國(guó)家稱(chēng)之‘世界工廠’?？墒俏覈?guó)大部分公司還是在人工操作的初級(jí)時(shí)期。相比于其他發(fā)展較好的國(guó)家，他們的生產(chǎn)加工基本上實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化全自動(dòng)生產(chǎn)工作車(chē)間。然而在我國(guó)勞動(dòng)力還是生產(chǎn)制造的中堅(jiān)力量，這是兩者最為突出的區(qū)別。 通過(guò)以上分析，本文設(shè)計(jì)的多頭自動(dòng)鎖螺絲機(jī)，它的好處點(diǎn)有：操作方便，加工效率好，能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速加工。并且它有獨(dú)立的機(jī)電一體化系統(tǒng)，獨(dú)立完整的流水線確保了它良好的通用性和實(shí)用性。 1.2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，他們也早已對(duì)自動(dòng)裝配技術(shù)邁出深入研究的步伐。在二十世紀(jì)一二十年代，國(guó)外產(chǎn)生了世界上第一條汽車(chē)零件裝配線，生產(chǎn)時(shí)間縮短為原來(lái)的4倍左右。在20世紀(jì)80年代，一位麻省理工學(xué)院的教授提出了自動(dòng)化面向裝配設(shè)計(jì)技術(shù)。1999年，威奇托州立大學(xué)研發(fā)一個(gè)產(chǎn)品自動(dòng)裝配系統(tǒng)，先進(jìn)的自動(dòng)化裝配廠和生產(chǎn)線的出現(xiàn)，美國(guó)的寶鼎公司開(kāi)發(fā)了一種基于調(diào)制瑞士成功擁有一條自動(dòng)手表生產(chǎn)線這個(gè)先進(jìn)自動(dòng)化的螺絲機(jī)，波音公司的柔性裝配技術(shù)極大地提高了飛機(jī)零部件的裝配效率，帶來(lái)了革命性的變化。 目前，自動(dòng)化裝配技術(shù)在美國(guó)、德國(guó)、日本等世界制造大國(guó)已達(dá)到較高水平。 圖1.1為自動(dòng)化裝配線。 圖1.1a 自動(dòng)化生產(chǎn)線 圖1.1b自動(dòng)化生產(chǎn)線 在國(guó)外鎖緊螺釘設(shè)備中，長(zhǎng)期以來(lái)一直用于汽車(chē)、電腦、液晶面板、空氣調(diào)節(jié)、電路板等諸多行業(yè)。1958年，聯(lián)合控制公司開(kāi)發(fā)了第一個(gè)機(jī)器人手。之后美國(guó)發(fā)明了一種具有觸覺(jué)和視覺(jué)的雙臂機(jī)械手，由于機(jī)械手有觸感，所以在不對(duì)準(zhǔn)工件的情況下也能非常精確地完成對(duì)準(zhǔn)任務(wù)。當(dāng)螺絲擰緊時(shí)，如果操縱者遇到阻力，螺絲可以回轉(zhuǎn)。 在國(guó)外，自動(dòng)鎖緊螺釘設(shè)備早已應(yīng)用于工業(yè)化的各個(gè)領(lǐng)域。 二十世紀(jì)四十年代，美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家一起進(jìn)行了有關(guān)螺紋緊固的仔細(xì)探討。制定了螺紋緊固件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由于我國(guó)起步較晚，在這一領(lǐng)域較為落后，我國(guó)就借鑒了日本的三項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然后把這幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)用在了我們工業(yè)技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域。 1.2.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)工業(yè)機(jī)械發(fā)展相比于如美國(guó)、德國(guó)、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展偏晚。我們最開(kāi)始是參考以及模仿它們的自動(dòng)化裝配技術(shù)，然后通過(guò)不斷的引進(jìn)、學(xué)習(xí)還有創(chuàng)新相關(guān)的技術(shù)。到迄今為止，在國(guó)內(nèi)很多家企業(yè)的技術(shù)也已經(jīng)追趕到了其他先進(jìn)國(guó)家的技術(shù)。例如深圳馳速公司，它對(duì)于臺(tái)式X-Y平臺(tái)自動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)的研發(fā)是在世界前沿的，它的性能極其穩(wěn)定，操作也比較簡(jiǎn)易。但是，自動(dòng)鎖螺釘設(shè)備主要是針對(duì)于平面的操作，就像是電腦內(nèi)的螺絲，設(shè)備不能進(jìn)行各種操作。我國(guó)鎖緊螺釘行業(yè)目前還沒(méi)有能夠開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)鎖緊螺釘設(shè)備的龍頭企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)手持式鎖緊螺絲設(shè)備仍占有一半以上的市場(chǎng)。根本原因在于自動(dòng)鎖緊螺釘設(shè)備的價(jià)格較高，許多企業(yè)沒(méi)有能力開(kāi)發(fā)或購(gòu)買(mǎi)設(shè)備，而自動(dòng)鎖緊螺釘設(shè)備是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通用性低，且他對(duì)于螺釘鎖緊方面有著巨大的要求。還有，我國(guó)絕大部分的產(chǎn)品確實(shí)不如國(guó)外的相關(guān)產(chǎn)品。但經(jīng)過(guò)發(fā)展也已經(jīng)逐步完善，可是還有很多的公司對(duì)其他廠家生產(chǎn)的設(shè)備不是很信任，所以他們寧可用更多的資金去從其他國(guó)家采購(gòu)相關(guān)設(shè)備，這也是很大的一個(gè)問(wèn)題，不過(guò)通過(guò)慢慢的發(fā)展溝通，我國(guó)的相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)變得更好，其他企業(yè)也會(huì)更加信任本國(guó)的產(chǎn)品，相信自己的同胞。 圖1.2 多軸式自動(dòng)鎖螺絲機(jī) 當(dāng)?shù)貜S家使用的螺絲機(jī)大多都是廣東、浙江等地的廠家生產(chǎn)的手持式和半自動(dòng)式。手動(dòng)鎖絲機(jī)可完成螺絲一次性輸送并且鎖緊，提高生產(chǎn)效率和減少勞動(dòng)力。但手動(dòng)鎖絲機(jī)需要人們重復(fù)繁重的工作，容易劃傷產(chǎn)品的外觀，增加了生產(chǎn)的成本。半自動(dòng)鎖絲機(jī)主要是一種由振動(dòng)盤(pán)的氣動(dòng)裝置作為驅(qū)動(dòng)部件，再結(jié)合PLC或單片機(jī)、傳感器和接近開(kāi)關(guān)的聯(lián)合控制對(duì)螺絲進(jìn)行鎖緊。其工作過(guò)程是通過(guò)振動(dòng)盤(pán)的振動(dòng)將螺釘分類(lèi)，然后將壓縮空氣高速吹入螺絲刀頭，完成鎖定。但在我國(guó)，相關(guān)鎖絲機(jī)也沒(méi)得到大范圍的使用。它的具體原因有以下幾點(diǎn)： （1）對(duì)螺釘尺寸要求非常嚴(yán)格，長(zhǎng)度必須是5mm-18mm，直徑必須是2.5 mm-5mm，螺釘只要尺寸達(dá)不到要求，那么他需要完成的工作也是很難完成的。 （2）對(duì)螺桿精度也是很?chē)?yán)格，必須是我們所需精度之間，否則機(jī)器總會(huì)發(fā)生各種故障，出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。 （3）它的專(zhuān)一性很高，不能一種零件同時(shí)適用很多種的螺絲機(jī)，所以這點(diǎn)是需要以后我們慢慢進(jìn)行改進(jìn)的。 （4）這種設(shè)備前期投入很大，如資金方面，相關(guān)材料較貴，人力物力的投入也很大。 國(guó)內(nèi)學(xué)者從專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?qū)︽i緊螺釘設(shè)備進(jìn)行了研究，并開(kāi)發(fā)了專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的鎖緊螺釘設(shè)備。按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同、螺絲送料形式及鎖附的形式，自動(dòng)鎖絲機(jī)可以分為以下幾種類(lèi)型： (1)按照機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)不同，能分成以下種類(lèi): 坐標(biāo)機(jī)型、機(jī)械關(guān)節(jié)型和轉(zhuǎn)盤(pán)工作臺(tái)自動(dòng)鎖螺絲機(jī)型。桌面型式和落地式構(gòu)成了坐標(biāo)機(jī)型，按照軸的數(shù)量不同能分成單軸、雙軸和多軸式。機(jī)械關(guān)節(jié)型機(jī)器一般速度、空間上，有一定的使用需要，但是由于承載能力和剛性扭力不好，所以不經(jīng)常被使用。轉(zhuǎn)盤(pán)式自動(dòng)鎖緊螺釘機(jī)是一種多頭集中在圓盤(pán)上的旋轉(zhuǎn)緊固螺釘機(jī)，這種螺釘機(jī)一般用于全自動(dòng)裝配線。 (2)根據(jù)運(yùn)輸方式的不同，能分成兩種形式，吹氣式以及吸取式。吸取式能是螺絲的輸送率達(dá)到我們需要的要求；吹氣式在管道中利用正壓來(lái)傳送螺釘，螺釘總長(zhǎng)度與螺母直徑之比為1:1.3，最小不小于1:1.2，保證了螺絲輸送的準(zhǔn)確性。與前者相比，后者的輸送效率比前者高。所以，當(dāng)螺絲的長(zhǎng)度比滿(mǎn)足所需要求時(shí)使用吹氣式螺絲機(jī)，從而縮短螺桿的鎖緊時(shí)間，提高鎖絲的效率。 (3)根據(jù)鎖的附加形式，可分為手持式自動(dòng)螺桿機(jī)和多軸自動(dòng)螺桿機(jī)XY工作臺(tái)。 ① 本實(shí)用新型涉及一種手持式自動(dòng)鎖緊螺絲機(jī)，要求工人一手握住電動(dòng)螺絲刀頭，另一手握住工件完成工作。成功鎖定一個(gè)螺釘后，將配料器與另一個(gè)螺釘孔對(duì)齊。在當(dāng)下，螺釘繼續(xù)利用機(jī)器進(jìn)給，操作人員再次工作，直到工作完成；另一種實(shí)用型利用氣壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的扭矩來(lái)鎖定螺絲，具有精度高、節(jié)能、扭矩易于控制等優(yōu)點(diǎn)。由于手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的螺絲孔的精度不高，所以這是手持設(shè)備的一個(gè)缺點(diǎn)。 ②機(jī)器為了能夠批量加工，所以設(shè)計(jì)多個(gè)電動(dòng)螺絲刀，再安裝一個(gè)振動(dòng)盤(pán)供料，鎖定螺絲的速度將大大提高。多軸自動(dòng)螺絲機(jī)能自動(dòng)鎖定螺絲并檢查鎖定是否成功，若鎖定失敗，就會(huì)有警報(bào)信息來(lái)提醒工作人員進(jìn)行操作。但由于多軸的軸數(shù)較多，所以不易控制，穩(wěn)定性也不高。 ③X-Y工作臺(tái)面可分為以下三類(lèi): 第一是鎖定工件的水平方向與鎖付平臺(tái)的水平方向相同，電動(dòng)螺絲刀在垂直方向進(jìn)行移動(dòng)。第二種是鎖定工件不移動(dòng)，電動(dòng)批頭在3D空間移動(dòng)。第三種是鎖定工件運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)批頭在另一個(gè)二維空間進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。 X-Y工作臺(tái)式的自動(dòng)螺絲機(jī)的工作較靈活，它可以修改工件上的孔坐標(biāo)，以適應(yīng)不同的鎖緊工件。其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手持式螺絲機(jī)，但不如多軸式自動(dòng)螺絲機(jī)。螺釘鎖緊裝置是自動(dòng)鎖螺絲機(jī)進(jìn)行鎖緊螺釘?shù)闹匾ば?，并且螺釘鎖緊的精度和效率也是非常重要的。 1.3 課題來(lái)源 本題目來(lái)生產(chǎn)企業(yè)，多頭鎖螺絲機(jī)是通過(guò)應(yīng)用二維設(shè)計(jì)軟件結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)完成基于自動(dòng)化三合一運(yùn)送治具、多頭螺絲鎖緊和送出治具的設(shè)計(jì)。通過(guò)該設(shè)計(jì)題目，使我們?cè)诙囝^鎖螺絲機(jī)的工作原理、工作過(guò)程、實(shí)用性。全面培訓(xùn)螺絲機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案論證設(shè)計(jì)和鎖付系統(tǒng)設(shè)計(jì)、技術(shù)文件編制、文獻(xiàn)綜述和二維應(yīng)用能力，在此基礎(chǔ)上鞏固了我們所學(xué)知識(shí)，并加以綜合應(yīng)用，得以使我們熟悉并掌握了正確的設(shè)計(jì)思想和方法，進(jìn)一步培養(yǎng)了我們的工程應(yīng)用能力。 1.4 課題的主要要求 1.4.1 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 該設(shè)計(jì)包括多頭鎖螺絲機(jī)用途分析、多頭鎖螺絲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輸送電機(jī)選取計(jì)算，鎖螺絲驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取計(jì)算、螺絲鎖緊桿計(jì)算、部分傳動(dòng)軸計(jì)算、多頭鎖螺絲機(jī)總圖繪制、標(biāo)準(zhǔn)零部件選取、項(xiàng)目管理和經(jīng)濟(jì)分析。 多頭鎖螺絲機(jī)工作過(guò)程自動(dòng)化，機(jī)動(dòng)性好，操作簡(jiǎn)單。工作時(shí)需實(shí)現(xiàn)治具的自動(dòng)送料和鎖螺絲后的自動(dòng)出料，雙工位同時(shí)多頭螺絲鎖緊。輸送速度可調(diào)、鎖緊螺絲間距可調(diào)、鎖緊力和鎖緊速度可調(diào)。除鎖緊工位位置調(diào)整手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，輸送調(diào)速、鎖緊調(diào)速、鎖緊力均采用電機(jī)自動(dòng)化控制?？傮w設(shè)計(jì)難度尚可。完成該畢業(yè)設(shè)計(jì)題目應(yīng)具備二維軟件應(yīng)用能力 1.4.2 主要技術(shù)參數(shù) 1.鎖螺絲機(jī)基于治具模型設(shè)計(jì)，治具信息詳見(jiàn)任務(wù)書(shū)后附件。 2.被鎖螺旋長(zhǎng)度<30mm，2-5秒/PCS。 3. 工作電壓220V，頻率50Hz，功率小于1000W。 4.適用領(lǐng)域自動(dòng)鎖螺絲機(jī)應(yīng)用于大小家電、玩具、等產(chǎn)品上螺絲鎖副。 1.4.3 設(shè)計(jì)要求 1.總體方案設(shè)計(jì)合理、準(zhǔn)確； 2.各部分設(shè)計(jì)應(yīng)該滿(mǎn)足裝配的要求； 3.設(shè)計(jì)者應(yīng)該熟悉多頭鎖螺絲機(jī)設(shè)計(jì)及相關(guān)知識(shí)； 4.設(shè)計(jì)者應(yīng)該熟悉CAD（二維）設(shè)計(jì)軟件相關(guān)知識(shí)； 5.設(shè)計(jì)進(jìn)度合理，按時(shí)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 1.5 總體方案和技術(shù)路線 1.5.1 總體方案設(shè)計(jì) 總體機(jī)械機(jī)構(gòu)： 本設(shè)備中電動(dòng)螺絲刀的速度由控制系統(tǒng)控制，控制系統(tǒng)包括整體控制板以及控制器。結(jié)構(gòu)頂部升降機(jī)操作著電動(dòng)改錐的上下加工，機(jī)架的后面兩個(gè)機(jī)構(gòu)都存在多螺絲分離和傳動(dòng)裝置。 工作原理： 氣缸上端固定在上機(jī)架上，通過(guò)氣缸上端滑塊與導(dǎo)柱相互連接，導(dǎo)柱固定在主支架上。在氣缸限位桿伸出后，上托架以及下托架被操控致向下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。在下托架與下滑塊相碰后，它停止運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，上托架繼續(xù)下移。在上滑塊撞擊上開(kāi)關(guān)擋塊后，電動(dòng)螺絲刀進(jìn)行工作，把螺絲擰進(jìn)到我們的加工工件中。萬(wàn)向節(jié)位置螺絲控制著從螺絲到工件的部分路程。接下來(lái)，PLC控制。使氣缸操縱桿縮回，上端滑動(dòng)臺(tái)提高，在限位桿下螺母和下托架相碰后，上下托架一起上升，完成擰緊工作。 螺絲的多頭分離及輸送裝置： 這是一種螺絲的多頭分離輸送裝置，適用于移動(dòng)電話(huà)及各種數(shù)碼產(chǎn)品的多頭裝配線，可完成螺絲的分離和輸送。 在手機(jī)和各種數(shù)碼產(chǎn)品的多頭裝配線上，產(chǎn)品的裝配通常是通過(guò)手動(dòng)擰緊小螺絲來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 因?yàn)槁萁z直徑一般都在2毫米以?xún)?nèi)，由于太小，所以手工分離和擰緊的難度都很大，導(dǎo)致擰緊螺絲的速度較慢，效率較低。 螺絲的多頭分離輸送裝置可多頭實(shí)現(xiàn)螺絲的分離輸送，從而實(shí)現(xiàn)多頭裝配。為解決電磁振動(dòng)給料機(jī)精加工后螺絲在輸送槽內(nèi)的分離問(wèn)題，提出了一種多頭螺絲分離裝置，該裝置包括一個(gè)螺絲分隔板，一個(gè)螺絲擋板，一個(gè)固定的開(kāi)槽板和一個(gè)圓柱銷(xiāo)。氣缸驅(qū)動(dòng)螺絲分離板和螺絲擋板，使安裝在螺絲擋板上的圓柱銷(xiāo)由帶有凹槽的固定板的凹槽限制將輸送到凹槽中的螺絲分開(kāi)，再將螺絲送入側(cè)面板的螺絲出口 ，再接下來(lái)經(jīng)傳感器傳感操作，操控高壓噴射槍進(jìn)行噴射高壓氣流，利用輸送軟管把螺絲送入到電動(dòng)螺絲刀。 技術(shù)方案： 在螺絲分離裝置部件的振動(dòng)盤(pán)中。因?yàn)檎駝?dòng)盤(pán)發(fā)生亞共振，把散亂的螺釘有序地分布在用于輸送螺釘?shù)陌疾壑?。螺釘分離孔是在螺釘分離板與螺釘輸送槽接觸的一側(cè)上，這個(gè)分離孔的寬度剛好可以容納螺釘頭，而在分隔板側(cè)板上的螺釘分離孔只能對(duì)應(yīng)于螺釘桿的直徑。當(dāng)螺絲分離板和螺絲擋板被氣缸驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，能且只能從螺絲輸送槽中分離出一個(gè)螺絲，螺絲頭可懸掛在擋板一側(cè)的螺絲分離口上。當(dāng)螺絲分隔板和螺絲擋板進(jìn)一步由氣缸驅(qū)動(dòng)時(shí)，安裝在螺絲擋板上的圓柱銷(xiāo)受到作用在固定開(kāi)槽板上的凹槽限制，從而將螺桿擋板向左驅(qū)動(dòng)，最終脫離控制，螺絲通過(guò)螺絲落孔送到螺絲輸送軟管的上部。最終由傳感器進(jìn)行最終操作。 本次設(shè)計(jì)的是一種應(yīng)用在電腦、手機(jī)、電視及中小型電器產(chǎn)品的多頭流水裝配線上，可多頭完成螺絲的篩選分離、輸送、精準(zhǔn)鎖附的裝置，從而實(shí)現(xiàn)多頭裝配。該裝置解決了傳統(tǒng)手工進(jìn)行微小螺絲的篩選拾取和鎖附擰緊時(shí)存在的誤差大、速度慢、效率低等諸多問(wèn)題。 工作原理：螺絲通過(guò)螺絲多頭分離輸送裝置從輸送管進(jìn)入管道的右開(kāi)口。 在空氣壓力和重力的作用下，螺絲被擠壓在下面的螺絲噴嘴上，當(dāng)傳感器檢測(cè)到三個(gè)噴嘴的螺絲都就位時(shí)，信號(hào)發(fā)送到控制電動(dòng)螺絲刀旋轉(zhuǎn)的電控箱。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)螺絲刀旋轉(zhuǎn)并將螺絲釘鎖緊在工件上。 電動(dòng)螺絲刀： 擰緊螺絲時(shí)，電錐頭的軸向運(yùn)動(dòng)傳遞到變速箱開(kāi)關(guān)，該變速箱開(kāi)關(guān)與電機(jī)軸齒合。 開(kāi)關(guān)與支撐錐形頭枕的離合器之間的距離非常小，從而消除了開(kāi)關(guān)行程的偏差。 因此，電錐頭部的運(yùn)動(dòng)可以精準(zhǔn)地傳遞到開(kāi)關(guān)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停也是比較穩(wěn)定的。推動(dòng)式電動(dòng)螺絲刀部分有：電動(dòng)機(jī)變速箱、電動(dòng)機(jī)、離合器、用于傳遞扭矩的錐形頭，該錐形頭可與螺釘、螺母及一些類(lèi)似零件相齒合；用于打開(kāi)和關(guān)閉電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān) 、電動(dòng)螺絲刀的整體外殼。當(dāng)錐形頭受壓時(shí)，拉桿運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)開(kāi)關(guān)，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。其主要特征是減速器包括多個(gè)直齒圓柱齒輪，每個(gè)直齒圓柱齒輪可圍著中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在錐頭沿軸向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)部位的機(jī)械進(jìn)行工作，讓開(kāi)關(guān)閉合或者打開(kāi)。 萬(wàn)向聯(lián)軸器： 聯(lián)軸器類(lèi)型包括齒輪聯(lián)軸器、萬(wàn)向聯(lián)軸器、鏈節(jié)聯(lián)軸器、滑動(dòng)聯(lián)軸器等諸多類(lèi)型。由于制造和安裝誤差的影響，通過(guò)離合器連接的兩根軸在軸承變形或是溫度發(fā)生改變了的情況下，能使兩軸相對(duì)位置發(fā)生變化，一般很難無(wú)差別對(duì)應(yīng)上。按照聯(lián)軸器是不是具備彈性元件，或者能不能補(bǔ)償其他的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，他也可以分成以下幾種：剛性聯(lián)軸器、揉性聯(lián)軸器以及安全聯(lián)軸器。在通常情況下，對(duì)剛性聯(lián)軸器來(lái)說(shuō)，它只有傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩功能。對(duì)其他兩種聯(lián)軸器來(lái)說(shuō)，它們可以保證傳遞功能以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償功能 圖 1.3 萬(wàn)向聯(lián)軸器 萬(wàn)向聯(lián)軸器按照結(jié)構(gòu)的不同也能分成不同種類(lèi)，其中有球籠狀、凸型、十字軸、球銷(xiāo)型、三叉型等等。生活中普遍常用聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型是十字軸型。那么萬(wàn)向聯(lián)軸器通常都是角度的補(bǔ)償當(dāng)量較大。軸線角度不一樣，致使他們的結(jié)構(gòu)類(lèi)型也不相同。一般角度的大小應(yīng)為五到十度。 我們?cè)谄綍r(shí)，一般通過(guò)扭矩不同把他們分為小、輕、中、重四大類(lèi)。這些不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型的聯(lián)軸器都是將連接機(jī)構(gòu)傳遞扭矩的兩根軸作為聯(lián)軸器的核心部件，使得聯(lián)軸器不僅具有減小沖擊力、使振動(dòng)幅度減小的優(yōu)點(diǎn)。它也能使軸系動(dòng)態(tài)性能變好。所以，聯(lián)軸器被廣泛應(yīng)用于工作機(jī)和動(dòng)力機(jī)之間的連接。 聯(lián)軸器的種類(lèi)有許許多多，我們根據(jù)連接軸的相對(duì)位置變化，將聯(lián)軸器分為固定式、可移動(dòng)式兩大類(lèi): (1)前者主要是由凸緣、套筒、夾殼聯(lián)軸器組成的。它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，常規(guī)化，而且也比較好生產(chǎn)。一般都是用在兩連接軸都要求按規(guī)定對(duì)中的地點(diǎn)中。（2）可移動(dòng)式聯(lián)軸器按位移補(bǔ)償法可分為剛性可動(dòng)式以及彈性可動(dòng)式，一般都是用在兩連接軸有斜角的場(chǎng)合中。兩聯(lián)軸器中，前者利用聯(lián)軸器各工件之中發(fā)生的動(dòng)態(tài)來(lái)補(bǔ)償一個(gè)或多個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)程度，工業(yè)中常見(jiàn)的剛性可動(dòng)式聯(lián)軸器有交叉槽聯(lián)軸器、鏈?zhǔn)铰?lián)軸器、萬(wàn)向聯(lián)軸器、齒輪聯(lián)軸器等。彈性可移動(dòng)式聯(lián)軸器利用具有緩沖和阻尼特性的彈性單元產(chǎn)出的彈性變形以補(bǔ)償兩連接軸的斜角和相對(duì)位移。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，聯(lián)軸器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，我們?cè)诠I(yè)設(shè)計(jì)制造中根據(jù)工作要求選擇其相應(yīng)的規(guī)格型號(hào)，然后計(jì)算對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從相應(yīng)的手冊(cè)中找出相應(yīng)的模型，并對(duì)一些關(guān)鍵部件進(jìn)行必要的校核計(jì)算及試驗(yàn)。當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩根軸不能分開(kāi)，只有當(dāng)機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)，聯(lián)接被拆下時(shí)，兩根軸才能彼此分離。 1.5.2 技術(shù)路線 (1) 多頭鎖螺絲機(jī)的驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)。 (2) 多頭鎖螺絲機(jī)的鎖付機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 (3) 多頭鎖螺絲機(jī)的分離、輸送螺絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 (4) 多頭鎖螺絲機(jī)整體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) (5) 多頭鎖螺絲機(jī)的項(xiàng)目管理和經(jīng)濟(jì)分析  第二章 傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì) 2.1傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 按照所需要求，制定了單級(jí)蝸桿減速器。傳動(dòng)路線為:25W電動(dòng)馬達(dá)ー柔性聯(lián)軸器ー滾珠絲杠—多頭鎖螺絲機(jī)整體。結(jié)合現(xiàn)實(shí)中來(lái)看，設(shè)計(jì)出來(lái)的蝸桿圓周速度要為4m/s到5m/s的區(qū)間。所以設(shè)計(jì)的蝸桿減速器是將蝸桿置于絲杠的下方，這樣的布置方式使嚙合處的冷卻速度快且潤(rùn)滑性好。 2.2電動(dòng)機(jī)的選擇設(shè)計(jì) 2.2.1電動(dòng)機(jī)的選擇類(lèi)型 現(xiàn)在中國(guó)廣泛使用的Y系列三相交流異步電機(jī)早在80年代就取代了以往的舊產(chǎn)品。它具有很多的優(yōu)點(diǎn)性能如：工作效率強(qiáng)、振動(dòng)不大、加工產(chǎn)生的聲音很小、產(chǎn)品安全性足夠。而且此電動(dòng)機(jī)均是按照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和功率等級(jí)來(lái)安裝，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)械設(shè)備中。 Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)包括YZ型和YZR型，這類(lèi)電機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)、抗振、抗壓、抗沖擊能力強(qiáng)并且它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小，適用于啟停和換向頻繁的起重機(jī)械設(shè)備。 由于生產(chǎn)車(chē)間使用三相交流電且多頭鎖螺絲機(jī)屬于起重機(jī)械設(shè)備，所以Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)中的 YZ型和YZR型可以?xún)?yōu)先考慮。 2.2.2確定傳動(dòng)裝置效率 式中：蝸桿傳動(dòng)效率 ； 攪油效率 ； 滾動(dòng)軸承效率（一對(duì)）； 聯(lián)軸器效率； -------工作機(jī)的效率，取 2.2.3選擇電機(jī)的型號(hào) 1．計(jì)算多頭鎖螺絲機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率 (2-1) 式中：P---驅(qū)動(dòng)功率，KW；---起升力，； ---傳遞總效率； ----起升速度， 2． 確定電動(dòng)機(jī)的額定功率 電動(dòng)機(jī)的額定功率按下式計(jì)算 ～ 3． 確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 絲杠多頭鎖螺絲機(jī)的轉(zhuǎn)速為 (2-2) 式中：----上升速度，；---絲桿的導(dǎo)程，mm； ---多頭鎖螺絲機(jī)的轉(zhuǎn)速 故：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 通過(guò)查詢(xún)電動(dòng)機(jī)手冊(cè)找到符合這一轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)，綜合考慮其總傳動(dòng)比，結(jié)構(gòu)尺寸以及成本，我們選擇最大轉(zhuǎn)矩較大的Y系列IP44的三相異步電機(jī)。 結(jié)論：取電動(dòng)機(jī)的規(guī)格為Y132M2-6，其參數(shù)如表2-1： 表2-1 電動(dòng)機(jī)參數(shù) 同步轉(zhuǎn)速 滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速 額定功率 1000 960 5.5 2.2.4計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 1．計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速： 電機(jī)軸：960 蝸桿軸：960 絲桿軸： 2．計(jì)算各軸輸入功率： 電動(dòng)機(jī)軸：==5.5 蝸桿軸： 絲杠軸： 3．計(jì)算各軸輸入轉(zhuǎn)矩： 電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 ： (2-3) 絲杠軸：  第三章 絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 3.1滾珠絲杠與滑動(dòng)絲杠對(duì)比 滾珠絲杠在平時(shí)的機(jī)械加工，機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域極為常見(jiàn)。它是一種傳動(dòng)部件。而且它的精度較好，效率也比較高，它也可以使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及直線運(yùn)動(dòng)互相轉(zhuǎn)化，這說(shuō)明它的可逆性是比較良好的。所以，絕大部分大型機(jī)械以及小型精密機(jī)械都有它的身影。 滾珠絲杠與滑動(dòng)絲杠相對(duì)比來(lái)說(shuō)，他有很多的較好優(yōu)點(diǎn)： 1.它的傳動(dòng)效率比較好，最高能達(dá)到98%的傳動(dòng)效率。 2.對(duì)機(jī)械的摩擦影響小、工作性能比較穩(wěn)定。 3.能降低軸向間隙。 4.磨損率偏小、工件壽命也是比較長(zhǎng)的。 3.2絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 3.2.1滾珠絲杠螺母副的工作原理及結(jié)構(gòu)形式 　　1.滾珠絲杠螺母副的工作原理 　 工作原理:通常把絲桿和螺母上加工一個(gè)弧形螺旋槽，把他們套在一塊變?yōu)槁菪凉L道，然后把滾珠放在其中，滾珠沿滾道滾動(dòng)，回珠管起循環(huán)作用。而且珠管兩端能擋住滾珠，避免滾珠脫落。經(jīng)過(guò)不斷的循環(huán)，導(dǎo)致絲桿與螺母從滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，使摩擦力變得很小，保證了機(jī)械的進(jìn)一步加工精度要求。 滾珠絲桿是以螺母、絲桿、滾珠以及回珠管、螺母座等構(gòu)成的。 　　2.滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)型式 　　 （1）滾道型面在機(jī)械行業(yè)中是比較常見(jiàn)的。它主要分為兩種類(lèi)型，一種是單圓弧，一種是雙圓弧。 　　在這兩種螺紋法向型螺母副中,一般把通過(guò)滾珠中心與滾道接觸點(diǎn)的連線和螺紋軸線的垂線間的夾角β叫做接觸角。單圓弧螺紋滾道的接觸角隨著軸向載荷的變化而變化，當(dāng)軸向載荷增大時(shí)，接觸角隨之增大，軸向剛度和承載能力也就越大，所以絲桿傳動(dòng)效率同樣升高。雙圓弧螺紋滾道的接觸角在加工時(shí)基本保持原本狀態(tài)。對(duì)單圓弧單圓弧螺紋滾道來(lái)說(shuō)，顯而易見(jiàn)，后者的型面砂輪修整和加工較為復(fù)雜、所以它的所需成本是比較大的。 （2） 滾珠的循環(huán)方式 滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有兩種：內(nèi)循環(huán)以及外循環(huán)。 內(nèi)循環(huán)滾珠絲桿有很多優(yōu)點(diǎn)，摩擦度偏低，工作效率好，螺母徑向尺寸小。所以在通常機(jī)械加工中，一般使用它。 3.2.2絲杠的選用及計(jì)算 　　1.絲杠的選用原則 螺桿的使用時(shí)間長(zhǎng)短各不相同，因?yàn)楦鞣N加工環(huán)境不一樣，承受的壓力等等有關(guān)原因都是導(dǎo)致壽命不同的原因。 螺桿副選用一般都是通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)考慮： 　?。?）通常在高速工作載荷情況下選取絲杠副； 　?。?）是在改變工作載荷改變轉(zhuǎn)速的情況下選用絲杠副； 　　（3）是在在承受動(dòng)載荷條件下選用絲杠副； 　　（4）是按額定靜載荷選用絲杠副。 　　2.絲杠副的校核計(jì)算 　　絲杠副的承載能力決定著它的抗疲勞能力。要按照它使用壽命以及額定動(dòng)載荷來(lái)選取絲桿副。也得對(duì)絲杠的剛性，精度等方面去考慮。這就對(duì)螺桿副的精度要求較高，外加上其加工的復(fù)雜性，所以絲桿副通常是由專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)。 由設(shè)計(jì)要求可知工作臺(tái)重量=800N ，工件及夾具最大重量=200N ，工作臺(tái)最大行程=950mm，總行程是25um，快速進(jìn)給速度=4m/min ，工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0.1 ，定位精度為20um / 300mm，可重復(fù)定位精度是10um。就可以確定絲桿要有10000小時(shí)的壽命(一日一班的工作10年)。下表是多種切削的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q的參數(shù)： 表3-1縱向切削力Fa,速度V和工作時(shí)間比例q 切削方式 縱向切削力Pxi(N) 垂向切削力Pzi(N) 進(jìn)給速度 Vi(m/min) 工作時(shí)間百分比q（%） 絲杠軸向載荷(N) 絲杠轉(zhuǎn)速r/min 強(qiáng)力切削 一般切削 精切削 快速進(jìn)給 2000 1000 500 0 1200 500 200 0 0.6 0.8 1 4 10 30 50 5 2200 1150 620 1000 60 80 100 375 1.確定絲杠副的導(dǎo)程 ：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度 ：電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速； i ：傳動(dòng)比 電動(dòng)機(jī)用一級(jí)減速齒輪來(lái)齒合連接絲杠，其傳動(dòng)比：i=4 由表3-1可知： =4m/min， 絲桿轉(zhuǎn)速為375r/min 已知傳動(dòng)比計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速： =1500r/min 代入絲桿導(dǎo)程公式得： Ph=0.67mm 通過(guò)查尋《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，我們選取Ph=5mm 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷 （1） 不同的切削方式下絲杠轉(zhuǎn)速計(jì)算公式 (3-1) 由上表查的=0.6, =0.8, =1, =4 代入得120，160，200，800 在各種切削方式下絲杠所受的軸向載荷 ：絲杠軸向載荷，：絲桿縱向切削力，：絲桿垂向切削力 由上表得(i=1,2,3,4)分別為2000 N,1000N,500N,0N (i=1,2,3,4)分別為1200N,500N,200N,0N 已知＝800 N，＝200 N 代入絲桿軸向載荷的計(jì)算公示(i=1,2,3,4)分別得2200N，1150N，620N，1000N （2） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速的計(jì)算 (3-2) /100+/100+/100+/100數(shù)據(jù)代入得240r/min （3） 當(dāng)量載荷 (3-3) 帶入數(shù)據(jù)得＝1057N 1.初選絲杠副 由公式《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》（3.7－24）知： (3-4) 查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表（3.7－51）—表（3.7－54） 得＝1，＝1，＝1，＝0.53，=1.3，＝10000h 代入數(shù)據(jù)可求得＝13589N=13.58KN 2.確定允許的最小螺紋底徑 （1）估算絲杠允許的最大軸向變形量 ①（1/3—1/4）重復(fù)定位精度 ② (1/4—1/5 )定位精度 ：最大軸向變形量 已知重復(fù)定位精度10 定位精度25 ③＝3，②＝6 取兩種結(jié)果最小值＝3 （2）估算最小螺紋底徑 絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 (3-5) ：最小螺紋底徑mm L＝（1.1—1.2）行程+(10—14) 靜摩擦力= 已知行程950mm，＝800N, =0.2 代入數(shù)據(jù)得L=1110mm，＝160N, =9.5mm 3.絲桿的定型 ⑴選取了內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，采用直筒螺母型墊片預(yù)緊形式 ⑵把參數(shù)代入計(jì)算公式得出，，在《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查詢(xún)符合這些計(jì)算數(shù)據(jù)要求的絲桿副，確定絲桿的規(guī)格為：FFZD4005-5 =5, =22000N>=13589N 4.確定絲杠副預(yù)緊力 = 其中＝2200 ＝733N 5.行程補(bǔ)償值與拉伸力 （1）行程補(bǔ)償值C=11.8 式中＝ 查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》＝950 ＝110，＝（2—4）＝15 溫差取 代入數(shù)據(jù)得C=32 (2)預(yù)拉伸力 ＝1.95 代入得＝4807N 6.起支撐作用的軸承定型 （1）計(jì)算支撐軸承所受的最大軸向載荷 ＝4807＋2200＝7007 （2）軸承類(lèi)型 兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承 （3）軸承內(nèi)徑 d略小于＝40，=，取d＝30 帶入數(shù)據(jù)得＝2336N （4） 軸承預(yù)緊力：預(yù)力負(fù)荷 （5） 參考《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用軸承型號(hào) 在d等于30mm時(shí)，求得預(yù)加負(fù)荷： 所以選用型號(hào)為7602030TVP的軸承 d＝30，預(yù)加負(fù)荷為2900>＝2336N 7.絲杠副工作圖設(shè)計(jì) (1)絲杠螺紋長(zhǎng)度 由表查得余程 （2）兩固定支承距離，絲杠L (3)行程起點(diǎn)離固定支承距離 ＝1290，＝1350 ＝1410，＝30 8.傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 （1）絲杠抗壓剛度 1）絲杠最小抗壓剛度 ＝6.6 (3-6) :絲杠底徑 ：固定支承距離 代入數(shù)據(jù)＝782N/ 2）絲杠最大抗壓剛度 ＝6 .6 (3-7) 代入數(shù)據(jù)得9000 N/ （2）支承軸承組合剛度 1）一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度 (3-8) ：滾珠直徑mm， Z：滾珠數(shù) ：最大軸向工作載荷N 軸承接觸角 由《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得 7602030TVP軸承是預(yù)加載荷得3倍 ＝8700N/=375 N/ 2）支承軸承組合剛度 ＝750 N/ 3)絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 ：《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》上的剛度 ＝2150 N/, =2200N, =733N 代入數(shù)據(jù)得＝1491 N/ 9.度驗(yàn)算及精度選擇 =3.5，Z＝17，＝ （1） (3-9) 代入前面所算數(shù)據(jù)得＝ 代入前面所算數(shù)據(jù)得 已知＝800N, =0.2, =160N :靜摩擦力，：靜摩擦系數(shù)，：正壓力 （2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 ＝；已知反向差值或重復(fù)定位精度為10 ＝30>25.6 （3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差 ＝（－），代入＝5 （4）確定精度 ：任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)而言 0.8×定位精度－ 定位精度為20/300 <14.3,絲杠精度取為3級(jí) ＝12<14.3 （6） 絲桿的定型及主要參數(shù) 型號(hào)：FFFZD 公稱(chēng)直徑D=40 ；導(dǎo)程L=5 螺紋長(zhǎng)度=1290 ；絲杠長(zhǎng)度=1410 精度：P類(lèi)3級(jí)精度 取用絲桿型號(hào)及主要參數(shù)：FFZD4005-3-P3/1410×1290 10.驗(yàn)算臨界壓縮載荷 絲杠所受大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力F，不用驗(yàn)算 11.驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 ：臨界轉(zhuǎn)速n/min f：與支承形式有關(guān)的系數(shù) ：絲杠底徑 ：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度mm 由《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得f＝21.9, =40, = 可得：＝5028>=1500 3.3螺母的設(shè)計(jì) 3.3.1選取螺母材料 螺旋傳動(dòng)常用的材料 1.鑄錫青銅合金：ZCuSn10P1,ZCuSn10Zn2,ZCuSn5PbZn5 這一類(lèi)材料的耐磨性好、耐蝕性好、切削性能良好，能適用于一般傳動(dòng)。 2.鑄鋁青銅：ZCuAl9Fe4Ni4Mn2，ZCuAl10Fe3;鑄鋁黃銅:ZCuZn25Al6Fe3Mn 3.3.2確定螺母的高度 mm 取65mm 式中：-----螺母的高度，/mm ； d2----螺紋中經(jīng)，/mm ； Ф=1.1～3.5，取Ф=1.5 3.3.3確定螺文工作圈數(shù) 分析螺母整體，因?yàn)樗诠ぷ骱螅瑹o(wú)法避免摩擦，摩擦后間隙也會(huì)隨之改變，它也無(wú)法的及時(shí)調(diào)整過(guò)來(lái)。所以螺紋工作圈數(shù)不能夠太多，最好的情況不能超過(guò)十圈。 ＜10 圓整后取7 3.3.4螺母的實(shí)際高度 3.3.5螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算 螺紋牙總會(huì)發(fā)生損壞，其他工件的擠壓，工作后發(fā)生摩擦導(dǎo)致?lián)p壞，這都是它發(fā)生損壞的原因。而且螺母的硬度相比螺桿硬度要小。所以，要對(duì)其進(jìn)行剪切強(qiáng)度以及彎曲強(qiáng)度的計(jì)算。 比方說(shuō)把一圈螺紋牙沿著大徑D展開(kāi)來(lái)看。那么能把它看成寬度是πD的懸臂梁。所以，螺母每圈螺紋所受平均壓力是，這個(gè)平均壓力就作用在以螺紋中徑D2為直徑的圓周上，那么螺紋牙危險(xiǎn)截面a－a上的剪切強(qiáng)度條件就為： (3-10) 在3-10公式中：b是螺紋牙根厚度，單位mm ；梯形螺紋b=0.65P，螺距P，單位mm。D是螺母的大經(jīng)，單位mm ； -----螺母材料的許用切應(yīng)力，/Mpa ；可取[τ]＝80～100MPa[ ]； ＜ 結(jié)論：螺母剪切強(qiáng)度夠 螺紋牙危險(xiǎn)截面a－a上的彎曲強(qiáng)度條件為： (3-11) 式中： l──彎曲力臂，/mm。l＝(D－D2）/ 2； [σb] ──螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，/MPa；可取[σb]＝100～150MPa[ ]。 ＜[σb] 結(jié)論：螺母彎曲強(qiáng)度夠 3.3.6螺母的強(qiáng)度計(jì)算 螺母被重載荷F作用，那么螺母下段懸置部分就會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，螺母凸緣與底座的接觸面上有擠壓力，凸緣根部有彎曲應(yīng)力。這些強(qiáng)度條件計(jì)算式分別為： 螺母下段懸置部分的抗拉強(qiáng)度條件為： 螺母凸緣的擠壓強(qiáng)度條件為： 螺母凸緣根部的彎曲強(qiáng)度條件為： (3-12)