1、HUNAN UNIVERSITY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
2、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；湖南大学毕业设计(论文) 第 1 页Fixed multi-axis screw au
3、tomatic assembly equipment designAbstractThe design task is to complete a set of screw automatic assembly equipment. After programming, analysis and experimental, the design is completed with some mechanical device control system design aspects. In the mechanical device design part, through to movem
4、ent, such as analysis of experimental set size, the final completion of the structural design of the machine.Motion system design, the rotation of the power granted as a core component of the electric screwdriver to tighten the screws, as a transmission of a pneumatic, take a cylinder up and down re
5、ciprocating motion of the electric screwdriver.Stroke control using a cross universal coupling to solve the non-coaxial with the rotational movement, with a spring sleeve cushioning stroke.In the system control mechanism need to complete the detection screws, telescopic cylinder and a series of auto
6、mated actions, use the controller to complete. The design used in the PLC control system, sensors, etc., as the signal is detected with the input completion of the count, the expansion and contraction of the cylinder control, with programming, the rotation of electric screwdriver and other functions
7、. Overall, the design can achieve the task of automatic assembly screws.Key Words: design; screw automatic assembly; machinery; control system湖南大学毕业设计(论文) 第 2 页目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及目的 .11.2 国内外研究状况 .11.3 设计和研究方法 .21.4 设计过程及内容 .2第 2 章 方案选择 .42.1 总体方案设计 .42.1.1 装置功能要求 .42.1.2 技术指标 .42.1.3 总体方案 .42.1
8、.4 方案可行性分析 .42.2 传动方案设计 .52.2.1 机电传动 .52.2.2 液压传动 .52.2.3 气压传动 .6第 3 章 各部分设计与计算 .73.1 总体布局设计 .73.2 万向节部分总体设计 .73.2.1 万向节部分轴的计算 .73.2.2 十字万向联轴器的选取 .93.3 气缸的选取与校核 .103.3.1 气缸的选取 .103.3.2 气缸的设计计算 .113.4 两直线导轨轴的设计计算 .133.5 轴承 .143.5.1 轴承的选取 .143.5.2 直线轴承的强度校核 .143.6 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3.6
9、.1 电批的选取 .153.6.2 电批头的选取 .163.6.3 传感器的选取 .163.7 上下滑动架的结构设计 .183.8 螺钉输送导套部分结构设计 .183.9 机架设计 .183.9.1 机架制造方式的选取 .183.9.2 机架结构的设计 .19第 4 章 PLC 控制系统的设计 .204.1 控制系统功能分析 .204.2 输入输出设备 I/O 分配 .204.3 PLC 的选取 .204.4 电磁阀的选取 .214.5 电源模块的选取 .214.6 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 0 页第一章 绪论1.1 课
10、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
11、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
12、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，因此全自动螺湖南大学毕业设计(论文) 第 1 页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
13、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
14、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
15、、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 AUTO CAD 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
16、定整机的结构。当机械部分设计完成后，开始控制湖南大学毕业设计(论文) 第 2 页部分的设计，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。湖南大学毕业设计(论文) 第 3 页第二章 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
17、，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。2.1.2 技术指标电批进给满足不同螺距的要求，电批最大行程 25mm。2.1.3 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
18、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 方案可行性分析湖南大学毕业设计(论文) 第 4 页首先从技术上分析，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
19、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
20、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，
