多頭鎖螺絲機設計

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英文題目：An Automatic Screw Tightening Shaft Based on Enhanced Variable Gain PID Control 翻譯：基于增強型變增益 PID 控制的螺桿自動擰緊機 資料來源： pdfs.semanticscholar.org 論文題目：基于增強型變增益 PID 控制的螺桿自動 擰緊機構 學生姓名 學院名稱 專業(yè)名稱 班級名稱 學 號 指導教師 教師職稱 完成時間 基于增強型變增益PID 控制的螺桿自動擰緊機構 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：中國電子科技大學自動化工程學院，成都611731 德日美工程與技術學院，達波里415712 摘要：本文提出了一種基于增強型變增益 PID控制的模塊化自動擰緊軸系統(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)應用潛力。 由于螺桿的不確定性，將螺桿的擰緊軸和擰緊過程都建立了不確定反饋系統(tǒng)的數學模型。 通過選擇合適的控制器參數，證明了閉環(huán)系統(tǒng)在魯斯穩(wěn)定性判據基礎上是穩(wěn)定的，而轉矩跟蹤誤差指數收斂到一個較小的殘差。 對螺旋擰緊軸系的仿真和實驗結果表明，本文提出的螺旋擰緊自治系統(tǒng)是有效的。 關鍵詞：模塊化設計；自動擰緊軸； 預緊力； PID 控制；可變增益 一 介紹 在裝配行業(yè)中，螺釘連接是最常見的連接方法之一，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的過程中，需要操作員，這意味著預擰緊扭矩的適當性和組裝過程的有效性取決于操作員的經驗。而且，預緊扭矩不合適可能會導致螺釘損壞或脫落。因此，在現代裝配行業(yè)中，高度可靠、高效的自動螺絲擰緊機有著重要地位。 眾所周知，預緊力是螺釘擰緊過程中最重要的參數，它是使螺釘緊固在螺釘孔上而不會松動的靜態(tài)力[4，5]。實際上，要求稍微調整扭矩以確保足夠的預緊力，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的力來固定所有螺釘。盡管在將螺絲釘擰入螺絲孔時，操作員可以輕松確定對齊方式，但是對于自動機械而言，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械方式來學習對準。 目前，PID（比例-積分-微分）控制是最常用的控制方法[6-8]，在實際應用中已被廣泛接受并顯示出良好的性能。然而在線性問題上，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)境溫度以及相應的ASTS的動力學，螺絲的擰緊過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單PID控制器可能無法提供所需的擰緊性能[9]。 在過去的幾十年中，由于以下原因，使用模糊邏輯系統(tǒng)（FL）和神經網絡（NNs）[11、12]的基于逼近的控制[10]已廣泛應用于動力學未知的非線性系統(tǒng)[13-15]。它在某些緊定集上有通用逼近能力。由于神經網絡和FL在處理動力學未知的復雜系統(tǒng)中具有出色的能力[16]，因此還采用了相關技術來解決實際系統(tǒng)中的控制問題，包括機器人操縱器[17]，螺釘連接[18]和輪式倒立擺。 [19]。為了控制螺釘的擰緊，在一些研究中提出了幾種方法和算法。在[9，18]中，提出了一種無模型的模糊控制方法。在[20]中，提出了一種預載控制方法，并提出了一個數學模型來預測摩擦補償的控制扭矩。此外，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[22]、[5]、[9]、[20]、[21]都對擰緊螺釘做出了重要貢獻，但在設計螺釘擰緊工具時卻忽略了機械靈活性。并且盡最大知識儲備的作者，尚無重大研究報道將擰緊過程和螺釘擰緊軸集成為控制模型。在螺絲擰緊行業(yè)中，螺絲擰緊工具的機械靈活性非常重要，通過更精確的控制模型可以實現更好的控制性能。本文首次提出了一種模塊化設計的自動螺絲擰緊軸（ASTS），它可以檢測螺絲和螺絲孔之間的未對準情況。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的模型被認為是連接有減速器的直流伺服電機。此外，結合緊固過程，設計了基于模型的增強型可變增益PID控制器。控制目標是使緊固扭矩達到給定扭矩。數值仿真和實際實驗結果驗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)的模塊化設計。在第3節(jié)中，說明了ASTS控制模型；在第4節(jié)中，介紹了增強型可變增益PID控制；在第5和第6節(jié)中，通過仿真和實驗結果驗證了所提出控制的有效性；最后一節(jié)即第7節(jié)，是本文的結論。 二 擰緊軸系統(tǒng)的模塊化設計 從圖1可以看出，本文提出的ASTS安裝在自動打開密封裝置上，該裝置用于自動打開和密封400L金屬桶。找到螺絲或螺孔后，ASTS會自動應用到螺絲上。如圖2所示，螺釘擰緊軸結構以伺服電機為動力單元，減速器和聯軸器為傳動部件，光電傳感器和動態(tài)扭矩傳感器為實時扭矩檢測單元。此外，在前端，使彈簧感應板，調節(jié)套筒和前端套筒適于螺釘的調節(jié)。彈簧和調節(jié)套筒具有一定程度的拉伸自由度，因此可以促進螺釘的擰緊并且可以避免螺釘的晃動。同時，作為萬向節(jié)，前端套筒可以適應不同的螺釘偏轉角度，使螺釘的偏差在5mm以內。此外，所有四個模塊都可以輕松卸下和更換。 圖1 電子科技大學機器人中心的ASTS 圖2.機械結構組成： （a）電動機; （b）減速器; （c）聯軸器; （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）感應板; （i）調節(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，則該螺釘將無法插入前端套筒。在這種情況下，調節(jié)模塊的彈簧將被壓縮，導致感應板上升，然后由于感應板的接近，光電傳感器將發(fā)出警報信號，并停止擰緊螺釘。但是，如果前端套筒與螺釘的偏差小于5mm，則可以將螺釘成功地插入前端套筒，然后擰緊借助調節(jié)模塊的靈活性，可以平穩(wěn)地擰緊螺絲。 在實際應用中，擰緊指示器會給出擰緊扭矩和規(guī)定的擰緊角度。對于本文提到的ASTS，其指定角度為2160。10％，以避免在擰緊螺釘時發(fā)生螺釘卡住。換句話說，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到所需的扭矩，扭矩控制器就會停止ASTS，而螺絲擰緊角度則不會。根據螺釘擰緊扭矩和螺釘擰緊角度之間的關系，定義了幾個規(guī)則來防止螺釘卡住。同時，ASTS機制的適應性也防止了螺絲卡死的發(fā)生。 三 軸控制系統(tǒng) 根據螺絲和螺母的模型，給出了恒定擰緊力矩的擰緊指示器。 因此，控制鑄件達到給定的擰緊力矩成為控制目標。 如圖3所示。 圖3. 控制框圖 圖4.預緊力與螺旋轉角的關系 A. 緊固過程模型 在擰緊過程中，有三個關鍵變量，即預緊力、螺桿轉角和擰緊力矩[5,22,23]。 預緊力與螺桿轉角的關系如圖4所示。 在圖4中，可以看到預緊力與螺桿轉角之間的關系。 緊縮過程可分為四個階段: 閑置階段、換乘階段、線性階段和超收點階段，圖4分別表示為 oa 段、 ab 段、 bc 段和 cd 段。 在空轉階段，由于螺桿和螺孔在擰緊過程開始時沒有接觸，因此不存在預緊力。 在固定階段，當螺桿與螺孔接觸時，預緊力迅速增大。 然而，在這個階段，很難預測螺桿的旋轉轉數。 一旦螺桿與螺孔完全連接，預緊力與螺桿轉角呈線性關系，稱為線性階段。 超屈服點階段從螺桿到達塑性變形點開始。 在這一階段，預緊力隨著螺桿轉角的增大而減小。 這個階段對螺釘和連接的目標是有害的。 因此，在實際應用中，擰緊力矩是在線性階段控制的。同時，作為最有效的螺桿擰緊方法之一，扭矩-角法首先通過調整輸出扭矩實現線性擰緊，然后通過控制轉角實現給定的線性擰緊力矩。在實際操作中，由于空閑階段和合并階段是非常短暫的，我們假設緊縮過程發(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緊力;K是需要通過工程測試確認的實變量；θq和d分別是螺釘的旋轉角度和螺釘的公稱直徑，而Cs和Sp是系統(tǒng)剛度和螺距。根據這個方程，所有沒有額外聲明的變量和函數都與時間有關。 根據（1）和（2），可以通過以下方式定義擰緊扭矩和螺釘旋轉角度之間的關系： （3） 這里 是未知的扭矩角系數應通過試驗確認。其實是因為CS和SP都是常數，僅變量K* 受影響由K決定，該系數由綜合摩擦系數確定為變量。因此，當綜合摩擦系數變化很小時，K幾乎等于未知常數。從（3）可以看出，螺絲轉動角度和擰緊扭矩之間存在近似線性關系。 B. ASTS控制模型 該模板用于格式化紙張和設置文本樣式。規(guī)定了所有頁邊距、列寬、行間距和文本字體；請不要更改它們。您可能會注意到其特點。例如，此模板中的頁邊距比常規(guī)測量的比例更大。該度量標準和其他度量方法是有意的，使用的規(guī)范會將您的論文作為整個程序的一部分，而不是獨立的文件。請不要修改任何當前名稱。 ASTS可以看作是齒輪減速機中的直流伺服電機。此外，直流伺服電動機的電磁轉矩方程可表示為: Te = Kti ， （4） 機械運動方程可以表示為： （5） 同時，直流伺服電機的電樞電路電壓平衡方程為： （6） 其中Te是電磁轉矩；Kt為轉矩常數；i代表電樞電路電流；TL是電機軸的負載轉矩；為機械電機角速度；J表示電機軸的總等效轉動慣量；R是電樞電路電阻；B是電動機的粘性阻尼系數；L和Ke分別為電樞電路電感和反電動勢常數；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，可以通過（3）將負載扭矩定義為 TL= Tn,（7） ωr = 1nωm ,（8） ωr是ASTS末端執(zhí)行器角速度。然后根據（3），有 , （9） 代入(4)、(7)、(8)至(5) ，可以得： （10） 結合（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 增強型可變增益PID 控制器設計 對于普通的可變增益PID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，但會加劇當系統(tǒng)偏離時提高速度的穩(wěn)定性。更期望的是使比例系數的大小與偏差匹配。當系統(tǒng)偏差較大時，比例零件的作用會增強系統(tǒng)的動態(tài)性能，而當系統(tǒng)偏差較小時，比例零件的作用會減少以防止過沖。本文提出了一種基于改進的可變增益PID控制方法的增強型可變增益PID控制方法。 A.增強型可變增益PID方法 增強型可變增益PID控制算法的比例項和積分項可以表示為: , (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是采樣時間,x[e(k)] 和 y[e(k)]是偏差 e(k)的函數。 隨著e(k)增加，x[e(k)]增加，y[e(k)]相應減少。 當 e(k)減少時，x[e(k)] 減少，y[e(k)]相應增加。 x[e(k)]的表達式可描述為： （13） 其中需要確認參數e1，e2，kp1和kp2，以及0≤kp1≤kp2。一方面，選擇這四個參數的值必須滿足以下條件系統(tǒng)穩(wěn)定性。另一方面，選擇的e2值和kp2必須滿足更快轉矩的條件（受控對象）。而e1 和 kp1 必須滿足無扭矩超調的條件。 y[e(k)]的值在[ki1，1]之間變化，當|e(k)|≤e3時，積分項與一般項相同，目的是將積分作用量增加到最大值，并累加e(k)的當前值。當e3≤|e(k)|≤e3 +e4時，y[e(k)]的值在[ki1，1]，隨 |e(k)| 的大小而變化，積分項累積部分電流值為e(k)。因此，積分速度的值在[],當|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)的當前值的累加。 為了擴大增強型變增益 PID 控制器的調節(jié)范圍，在期望值變化不固定的情況下，參數e1、e2、e3 和e4 的取值必須根據最大偏差值來確定。 因此,通過（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n1，n2，n3 和n4 需要確定,這一定滿足0和 Ki1>0確定。 表1 數據參數 參數 描述 值 PN 直流額定功率伺服馬達 400W UN 直流額定電壓伺服馬達 48V TN 直流額定轉矩伺服馬達 1.27Nm nN 直流額定轉速伺服馬達 3000rpm J 等效轉動慣量 0.000457kg.㎡ B 粘滯阻尼系數 0.03Nm/(rad/s) L 直流伺服電機電抗 0.0036H R 直流伺服電機的電阻 1.25Ω Ke 反電動勢常數 0.0753V/(rad/s) Kt 轉矩常數 0.49N.m/A Tm 機電時間常數 0.53ms n 減速比 100 A.不同控制方法的模擬測試 在該仿真中，將其他兩個控制器與采用的增強型可變增益PID控制器進行了比較，它們分別是常規(guī)控制器和常規(guī)可變增益PID控制器。對應于不同控制方法的螺釘擰緊扭矩如圖6所示，模擬結果如表2所示 圖6.擰緊扭矩的比較 （a）使用增強型可變增益PID控制器的轉矩 （b）使用常規(guī)可變增益PID控制器的轉矩 （c）使用常規(guī)PID控制器的轉矩 從圖6和表2中可以明顯看出，在擰緊時間最短且沒有超調的情況下，增強型可變增益PID控制器具有最佳的控制性能。實驗測試將在下面進行。 表2. 不同控制器的仿真結果 控制者 收緊時間（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)可變增益PID控制器 10.2 50/50 增強型變增益PID控制器 9.1 50/50 B.不同最大擰緊速度的模擬測試 在該仿真中，探討了擰緊螺絲的速度對扭矩精度的影響。直流電動機的實際額定轉速為3000rpm，在所有模擬。為了說明角速度的影響，在此仿真中采用了三個最大角速度來調整減速器的減速比n。表3中示出了對應于調整后的減小比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限，而在實際操作中無法實現，因此螺釘擰緊扭矩不會隨著n的減小而減小。對應于不同n的螺釘擰緊扭矩如圖7所示，模擬結果如表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降低，即螺釘擰緊的扭矩精度不會隨著高速而降低。這意味著使用增強型可變增益PID控制器，可以在較寬的擰緊速度范圍內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果 減速比 收緊時間（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 實驗 進行了兩次測試以驗證控制器是否有效。在測試1中，將四個控制器應用于ASTS以查看差異。在測試2中，設置了三個最大的ASTS擰緊速度，以證明不同的擰緊速度下擰緊精度的變化。ASTS擰緊過程如圖8所示。 A. 測試1：使用不同控制器的性能比較 在該測試中，采用了兩種恒速控制器和常規(guī)PID控制器來與增強型可變增益PID控制器進行比較。在這兩種恒速控制器中，ASTS末端執(zhí)行器的轉速分別設置為180°/ s和90°/s。對于PID控制器，通過反復試驗獲得比例、微分和積分增益。并且將螺釘擰緊扭矩的目標設定為50Nm。在該測試中，進行了三十次試驗。但是，由于篇幅所限，在這所有30個試驗的結果中，僅選擇了一組結果來說明圖9中的不同控制性能。表5中列出了每個控制器的平均擰緊扭矩和擰緊時間。 圖8. ASTS擰緊過程 （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）恒速控制器的轉矩（速度為180°/s）（b）增強型可變增益PID控制器的轉矩（c）PID控制器的轉矩（d）恒速控制器的轉矩（具有速度90°/s） 從測試結果可以看出，采用高電機恒速控制時，緊固扭矩的最終值比設定扭矩的最終值高得多。但是，當電動機轉速低時，采用恒速控制的螺釘緊固速度較慢，并且仍然存在過轉矩現象。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，增強型可變增益PID控制器可以在確保擰緊速度的同時實現對轉矩的精確控制。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，即使使用增強型可變增益PID控制器也無法避免過轉矩。 表5.不同控制器的性能參數 控制器 平均收緊時間（s） 平均擰緊扭矩（Nm） 恒速控制器（速度180°/s） 11.4 70.105 增強型變量的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的可變增益PID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 最大擰緊速度（°/s） 平均收緊時間（s） 平均擰緊扭矩（Nm） 180 17.5 50.125 120 31.46 50.085 90 42.35 50.025 B. 測試2：不同的最大擰緊速度會導致擰緊精度發(fā)生變化 在此測試中，由于ASTS電動機的額定轉矩，并且由于無法使用通過減小減速比來提高擰緊軸轉速的方法（在V-B部分中采用），因此ASTS電動機的額定轉速被設置為最大轉速。并且將180°/s，120°/s和90°/s的轉速分別設置為最大轉速。然后，使用建議的控制器，ASTS會以每個速度將螺釘擰緊十次，以便確定不同速度對擰緊精度的影響。與測試1相似，僅使用一組代表性的結果進行演示，如圖10所示。同時，在三十次試驗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，從該實驗中可以清楚地看到，將擰緊時間的實質增加（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，所提出的控制器對于大范圍的擰緊速度具有良好的控制精度。 七 結論 本文研究了安裝在自動開封裝置上的自動螺絲擰緊軸的PID控制方法。首先，模塊化設計介紹了由調節(jié)模塊、監(jiān)控模塊、傳動模塊和驅動模塊組成的自動螺絲擰緊軸。然后，結合擰緊過程，獲得參數未知的三階控制對象。為了在未知時變參數的情況下實現緊固過程的良好控制性能，采用了增強型可變增益PID控制方法。模塊化設計有助于確保擰緊過程中具有一定程度的物理靈活性，并且增強的可變增益PID控制可確保穩(wěn)定而準確的控制效果。最后，基于仿真和實驗結果，驗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未知的情況下也可以實現高精度的轉矩； （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間以實現更高的擰緊精度。 （3）在相同的動態(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 這項工作得到了中國國家基礎研究計劃（973計劃）的資助（2011CB707005）。 參考文獻 [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)電子學會，IECON 2015年-第41屆年會 [2]S.Ganeshmurthy和S.A.Nassar，“非平行接觸接頭中螺栓緊固過程控制的有限元模擬”，《制造科學與工程學報》，第1卷。136（2），549–558，2014 [3]C.M.Wolf和R.D.Lorenz，“將電動機驅動器用作傳感器來提取空間相關信息以用于運動控制應用”，《 IEEE工業(yè)應用學報》，第1卷。47（3），1344–1351，2011 [4] T.Li，“討論螺栓擰緊扭矩的計算方法”，煉油與化學工業(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 采用多頭鎖螺絲機代替常規(guī)的手動式鎖絲機。 手動式鎖絲機內容中含有電動螺絲刀或氣動螺絲刀，他是用電動或是氣動方式的改變來產生扭矩，這種產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?？墒侨斯げ僮鞯脑捯矔枰度氪罅康娜肆?。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)在技術等方面加以改良。 目前，中國自動螺絲機的發(fā)展仍處于起步階段。中國對螺絲機的需求仍然很高。隨著行業(yè)的發(fā)展，自動螺絲鎖緊機的技術水平不斷提高，產品種類繁多。當前，存在具有自動鎖定的多頭螺釘機，具有鎖定的多軸自動螺釘機，具有鎖定的旋轉自動螺釘機，具有鎖定的手動自動螺釘機，具有鎖定的落地式自動螺釘機以及其他具有鎖定的自動螺釘機。起初，我國大部分自動鎖緊螺絲機是從國外進口的。 到如今以來，中國的機械類行業(yè)發(fā)展越來越好，在長江三角洲地區(qū)、上海、廣東等大中城市郊區(qū)也有主要生產區(qū)。最近這些年，我國引進了自動鎖緊螺絲機，各個公司企業(yè)對其抱有很大的期待。在這些螺絲機類型中，便攜式自動螺絲機更受市場的歡迎，它在加工領域比較方便，價格也是比較便宜的，而一些低端和廉價的自動鎖緊螺釘機生產占有大量的小型和微型制造市場，目前高端自動鎖緊螺釘機的生產水平較低。 1.2 國內外發(fā)展現狀 1.2.1 鎖緊螺絲機的市場前景 多頭鎖緊螺絲機的實用性與普通電動配料機相同，有很多的優(yōu)點：工作效率高，操作方便，危險性也極低?？偟膩碚f，它的類型是比較全面的。一般情況下，螺絲機都是可以實現自動擰緊的，可是它的價格會偏高，所以在很少的情況才才會使用螺絲機操作。但是如今科技越來越發(fā)達，我國對機械行業(yè)也進行了一步步改革，所以在我國，生產使用螺絲機已經屢見不鮮?，F在螺絲機在技術方面極為先進，價格方面也是經濟實惠。所以，各個企業(yè)也是對多頭鎖緊螺絲機的前景極為看好。我國因為之前的技術發(fā)展比較落后，所以大多數螺絲機都是從國外進口的。但是如今，中國的技術水平，科技水平越來越發(fā)達，國內眾多大小企業(yè)紛紛購用自動螺絲機的一系列產品。多頭螺絲機既可用于流水線作業(yè)，也可用于制造商。而且質量方面也是能夠得到保證的，很少會有機器故障，如果發(fā)生了，技術工作人員也會上門進行修理，保養(yǎng)等各項服務。機器保證方面做得足夠好，相應著，成本也會相對較高。所以公司也會在能夠使產品保證的同時，希望成本也要降低。所以他們開始把目光關注在自動化領域，希望產品自動化提高的同時能降低消耗的成本。到如今，我國雖然非標準自動化企業(yè)較多，可是技術等方面還是不夠健全。而且推動各個企業(yè)競爭也會推動相關產業(yè)的發(fā)展，可是從現實來說，絕大部分的中小型企業(yè)有三大現實問題，資金的不足，人才的缺少以及市場較小。中小型企業(yè)想要發(fā)展，想要做大，就一定要解決這幾個問題，并且能把握住機會。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。但是這個行業(yè)入門很困難，他需要用到的知識很多。他整個加工，生產，售后也涉及到很多方面。所以公司上下萬眾一心是最為重要的?！白龊貌渴?，創(chuàng)建團隊和領導團隊”已成為每一個企業(yè)領導人的必修課程。然而，產業(yè)規(guī)格小，怎樣處理各個分工也是面臨的一個難題。因為降低所需要的成本，提高產品質量等問題是企業(yè)需要解決的重要問題，所以非標準的機械制造自動化已成為一個優(yōu)先事項。目前中國有大量自動螺絲機制造廠，但規(guī)模小，技術落后，競爭激烈。近年來，隨著經濟的快速發(fā)展，中國在工業(yè)發(fā)展方面對全國乃至全球都做出了卓越貢獻，鞏固了中國作為世界第二大經濟體的地位,我國也被大多數國家稱之‘世界工廠’?？墒俏覈蟛糠止具€是在人工操作的初級時期。相比于其他發(fā)展較好的國家，他們的生產加工基本上實現了無人化全自動生產工作車間。然而在我國勞動力還是生產制造的中堅力量，這是兩者最為突出的區(qū)別。 通過以上分析，本文設計的多頭自動鎖螺絲機，它的好處點有：操作方便，加工效率好，能實現產品快速加工。并且它有獨立的機電一體化系統(tǒng)，獨立完整的流水線確保了它良好的通用性和實用性。 1.2.2 國外發(fā)展現狀 在工業(yè)發(fā)達的國家中，他們也早已對自動裝配技術邁出深入研究的步伐。在二十世紀一二十年代，國外產生了世界上第一條汽車零件裝配線，生產時間縮短為原來的4倍左右。在20世紀80年代，一位麻省理工學院的教授提出了自動化面向裝配設計技術。1999年，威奇托州立大學研發(fā)一個產品自動裝配系統(tǒng)，先進的自動化裝配廠和生產線的出現，美國的寶鼎公司開發(fā)了一種基于調制瑞士成功擁有一條自動手表生產線這個先進自動化的螺絲機，波音公司的柔性裝配技術極大地提高了飛機零部件的裝配效率，帶來了革命性的變化。 目前，自動化裝配技術在美國、德國、日本等世界制造大國已達到較高水平。 圖1.1為自動化裝配線。 圖1.1a 自動化生產線 圖1.1b自動化生產線 在國外鎖緊螺釘設備中，長期以來一直用于汽車、電腦、液晶面板、空氣調節(jié)、電路板等諸多行業(yè)。1958年，聯合控制公司開發(fā)了第一個機器人手。之后美國發(fā)明了一種具有觸覺和視覺的雙臂機械手，由于機械手有觸感，所以在不對準工件的情況下也能非常精確地完成對準任務。當螺絲擰緊時，如果操縱者遇到阻力，螺絲可以回轉。 在國外，自動鎖緊螺釘設備早已應用于工業(yè)化的各個領域。 二十世紀四十年代，美國、德國等工業(yè)發(fā)達的國家一起進行了有關螺紋緊固的仔細探討。制定了螺紋緊固件的國家標準。由于我國起步較晚，在這一領域較為落后，我國就借鑒了日本的三項技術標準。然后把這幾項標準用在了我們工業(yè)技術的相關領域。 1.2.3 國內發(fā)展現狀 我國工業(yè)機械發(fā)展相比于如美國、德國、日本等一些發(fā)達國家的發(fā)展偏晚。我們最開始是參考以及模仿它們的自動化裝配技術，然后通過不斷的引進、學習還有創(chuàng)新相關的技術。到迄今為止，在國內很多家企業(yè)的技術也已經追趕到了其他先進國家的技術。例如深圳馳速公司，它對于臺式X-Y平臺自動鎖緊機構的研發(fā)是在世界前沿的，它的性能極其穩(wěn)定，操作也比較簡易。但是，自動鎖螺釘設備主要是針對于平面的操作，就像是電腦內的螺絲，設備不能進行各種操作。我國鎖緊螺釘行業(yè)目前還沒有能夠開發(fā)標準化自動鎖緊螺釘設備的龍頭企業(yè)或科研機構。國內手持式鎖緊螺絲設備仍占有一半以上的市場。根本原因在于自動鎖緊螺釘設備的價格較高，許多企業(yè)沒有能力開發(fā)或購買設備，而自動鎖緊螺釘設備是非標準設備，通用性低，且他對于螺釘鎖緊方面有著巨大的要求。還有，我國絕大部分的產品確實不如國外的相關產品。但經過發(fā)展也已經逐步完善，可是還有很多的公司對其他廠家生產的設備不是很信任，所以他們寧可用更多的資金去從其他國家采購相關設備，這也是很大的一個問題，不過通過慢慢的發(fā)展溝通，我國的相關企業(yè)的產品質量會變得更好，其他企業(yè)也會更加信任本國的產品，相信自己的同胞。 圖1.2 多軸式自動鎖螺絲機 當地廠家使用的螺絲機大多都是廣東、浙江等地的廠家生產的手持式和半自動式。手動鎖絲機可完成螺絲一次性輸送并且鎖緊，提高生產效率和減少勞動力。但手動鎖絲機需要人們重復繁重的工作，容易劃傷產品的外觀，增加了生產的成本。半自動鎖絲機主要是一種由振動盤的氣動裝置作為驅動部件，再結合PLC或單片機、傳感器和接近開關的聯合控制對螺絲進行鎖緊。其工作過程是通過振動盤的振動將螺釘分類，然后將壓縮空氣高速吹入螺絲刀頭，完成鎖定。但在我國，相關鎖絲機也沒得到大范圍的使用。它的具體原因有以下幾點： （1）對螺釘尺寸要求非常嚴格，長度必須是5mm-18mm，直徑必須是2.5 mm-5mm，螺釘只要尺寸達不到要求，那么他需要完成的工作也是很難完成的。 （2）對螺桿精度也是很嚴格，必須是我們所需精度之間，否則機器總會發(fā)生各種故障，出現各種各樣的問題。 （3）它的專一性很高，不能一種零件同時適用很多種的螺絲機，所以這點是需要以后我們慢慢進行改進的。 （4）這種設備前期投入很大，如資金方面，相關材料較貴，人力物力的投入也很大。 國內學者從專業(yè)領域對鎖緊螺釘設備進行了研究，并開發(fā)了專業(yè)領域的鎖緊螺釘設備。按照內部結構不同、螺絲送料形式及鎖附的形式，自動鎖絲機可以分為以下幾種類型： (1)按照機械執(zhí)行結構不同，能分成以下種類: 坐標機型、機械關節(jié)型和轉盤工作臺自動鎖螺絲機型。桌面型式和落地式構成了坐標機型，按照軸的數量不同能分成單軸、雙軸和多軸式。機械關節(jié)型機器一般速度、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，所以不經常被使用。轉盤式自動鎖緊螺釘機是一種多頭集中在圓盤上的旋轉緊固螺釘機，這種螺釘機一般用于全自動裝配線。 (2)根據運輸方式的不同，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到我們需要的要求；吹氣式在管道中利用正壓來傳送螺釘，螺釘總長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確性。與前者相比，后者的輸送效率比前者高。所以，當螺絲的長度比滿足所需要求時使用吹氣式螺絲機，從而縮短螺桿的鎖緊時間，提高鎖絲的效率。 (3)根據鎖的附加形式，可分為手持式自動螺桿機和多軸自動螺桿機XY工作臺。 ① 本實用新型涉及一種手持式自動鎖緊螺絲機，要求工人一手握住電動螺絲刀頭，另一手握住工件完成工作。成功鎖定一個螺釘后，將配料器與另一個螺釘孔對齊。在當下，螺釘繼續(xù)利用機器進給，操作人員再次工作，直到工作完成；另一種實用型利用氣壓驅動電機馬達轉動所產生的扭矩來鎖定螺絲，具有精度高、節(jié)能、扭矩易于控制等優(yōu)點。由于手動對準的螺絲孔的精度不高，所以這是手持設備的一個缺點。 ②機器為了能夠批量加工，所以設計多個電動螺絲刀，再安裝一個振動盤供料，鎖定螺絲的速度將大大提高。多軸自動螺絲機能自動鎖定螺絲并檢查鎖定是否成功，若鎖定失敗，就會有警報信息來提醒工作人員進行操作。但由于多軸的軸數較多，所以不易控制，穩(wěn)定性也不高。 ③X-Y工作臺面可分為以下三類: 第一是鎖定工件的水平方向與鎖付平臺的水平方向相同，電動螺絲刀在垂直方向進行移動。第二種是鎖定工件不移動，電動批頭在3D空間移動。第三種是鎖定工件運動，電動批頭在另一個二維空間進行相應的運動。 X-Y工作臺式的自動螺絲機的工作較靈活，它可以修改工件上的孔坐標，以適應不同的鎖緊工件。其效率遠遠高于手持式螺絲機，但不如多軸式自動螺絲機。螺釘鎖緊裝置是自動鎖螺絲機進行鎖緊螺釘的重要工序，并且螺釘鎖緊的精度和效率也是非常重要的。 1.3 課題來源 本題目來生產企業(yè)，多頭鎖螺絲機是通過應用二維設計軟件結合專業(yè)知識完成基于自動化三合一運送治具、多頭螺絲鎖緊和送出治具的設計。通過該設計題目，使我們在多頭鎖螺絲機的工作原理、工作過程、實用性。全面培訓螺絲機產品結構方案論證設計和鎖付系統(tǒng)設計、技術文件編制、文獻綜述和二維應用能力，在此基礎上鞏固了我們所學知識，并加以綜合應用，得以使我們熟悉并掌握了正確的設計思想和方法，進一步培養(yǎng)了我們的工程應用能力。 1.4 課題的主要要求 1.4.1 設計的主要內容 該設計包括多頭鎖螺絲機用途分析、多頭鎖螺絲機結構設計、輸送電機選取計算，鎖螺絲驅動電機選取計算、螺絲鎖緊桿計算、部分傳動軸計算、多頭鎖螺絲機總圖繪制、標準零部件選取、項目管理和經濟分析。 多頭鎖螺絲機工作過程自動化，機動性好，操作簡單。工作時需實現治具的自動送料和鎖螺絲后的自動出料，雙工位同時多頭螺絲鎖緊。輸送速度可調、鎖緊螺絲間距可調、鎖緊力和鎖緊速度可調。除鎖緊工位位置調整手動實現，輸送調速、鎖緊調速、鎖緊力均采用電機自動化控制?？傮w設計難度尚可。完成該畢業(yè)設計題目應具備二維軟件應用能力 1.4.2 主要技術參數 1.鎖螺絲機基于治具模型設計，治具信息詳見任務書后附件。 2.被鎖螺旋長度<30mm，2-5秒/PCS。 3. 工作電壓220V，頻率50Hz，功率小于1000W。 4.適用領域自動鎖螺絲機應用于大小家電、玩具、等產品上螺絲鎖副。 1.4.3 設計要求 1.總體方案設計合理、準確； 2.各部分設計應該滿足裝配的要求； 3.設計者應該熟悉多頭鎖螺絲機設計及相關知識； 4.設計者應該熟悉CAD（二維）設計軟件相關知識； 5.設計進度合理，按時完成設計任務。 1.5 總體方案和技術路線 1.5.1 總體方案設計 總體機械機構： 本設備中電動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。結構頂部升降機操作著電動改錐的上下加工，機架的后面兩個機構都存在多螺絲分離和傳動裝置。 工作原理： 氣缸上端固定在上機架上，通過氣缸上端滑塊與導柱相互連接，導柱固定在主支架上。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)生運動。在下托架與下滑塊相碰后，它停止運動，與此同時，上托架繼續(xù)下移。在上滑塊撞擊上開關擋塊后，電動螺絲刀進行工作，把螺絲擰進到我們的加工工件中。萬向節(jié)位置螺絲控制著從螺絲到工件的部分路程。接下來，PLC控制。使氣缸操縱桿縮回，上端滑動臺提高，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，適用于移動電話及各種數碼產品的多頭裝配線，可完成螺絲的分離和輸送。 在手機和各種數碼產品的多頭裝配線上，產品的裝配通常是通過手動擰緊小螺絲來實現的。 因為螺絲直徑一般都在2毫米以內，由于太小，所以手工分離和擰緊的難度都很大，導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現螺絲的分離輸送，從而實現多頭裝配。為解決電磁振動給料機精加工后螺絲在輸送槽內的分離問題，提出了一種多頭螺絲分離裝置，該裝置包括一個螺絲分隔板，一個螺絲擋板，一個固定的開槽板和一個圓柱銷。氣缸驅動螺絲分離板和螺絲擋板，使安裝在螺絲擋板上的圓柱銷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，再將螺絲送入側面板的螺絲出口 ，再接下來經傳感器傳感操作，操控高壓噴射槍進行噴射高壓氣流，利用輸送軟管把螺絲送入到電動螺絲刀。 技術方案： 在螺絲分離裝置部件的振動盤中。因為振動盤發(fā)生亞共振，把散亂的螺釘有序地分布在用于輸送螺釘的凹槽中。螺釘分離孔是在螺釘分離板與螺釘輸送槽接觸的一側上，這個分離孔的寬度剛好可以容納螺釘頭，而在分隔板側板上的螺釘分離孔只能對應于螺釘桿的直徑。當螺絲分離板和螺絲擋板被氣缸驅動工作時，能且只能從螺絲輸送槽中分離出一個螺絲，螺絲頭可懸掛在擋板一側的螺絲分離口上。當螺絲分隔板和螺絲擋板進一步由氣缸驅動時，安裝在螺絲擋板上的圓柱銷受到作用在固定開槽板上的凹槽限制，從而將螺桿擋板向左驅動，最終脫離控制，螺絲通過螺絲落孔送到螺絲輸送軟管的上部。最終由傳感器進行最終操作。 本次設計的是一種應用在電腦、手機、電視及中小型電器產品的多頭流水裝配線上，可多頭完成螺絲的篩選分離、輸送、精準鎖附的裝置，從而實現多頭裝配。該裝置解決了傳統(tǒng)手工進行微小螺絲的篩選拾取和鎖附擰緊時存在的誤差大、速度慢、效率低等諸多問題。 工作原理：螺絲通過螺絲多頭分離輸送裝置從輸送管進入管道的右開口。 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，當傳感器檢測到三個噴嘴的螺絲都就位時，信號發(fā)送到控制電動螺絲刀旋轉的電控箱。啟動電動機來帶動螺絲刀旋轉并將螺絲釘鎖緊在工件上。 電動螺絲刀： 擰緊螺絲時，電錐頭的軸向運動傳遞到變速箱開關，該變速箱開關與電機軸齒合。 開關與支撐錐形頭枕的離合器之間的距離非常小，從而消除了開關行程的偏差。 因此，電錐頭部的運動可以精準地傳遞到開關，并且發(fā)動機的啟停也是比較穩(wěn)定的。推動式電動螺絲刀部分有：電動機變速箱、電動機、離合器、用于傳遞扭矩的錐形頭，該錐形頭可與螺釘、螺母及一些類似零件相齒合；用于打開和關閉電動機的開關 、電動螺絲刀的整體外殼。當錐形頭受壓時，拉桿運動，推動開關，使電動機啟動。其主要特征是減速器包括多個直齒圓柱齒輪，每個直齒圓柱齒輪可圍著中心軸進行旋轉。在錐頭沿軸向運動的過程中，開關部位的機械進行工作，讓開關閉合或者打開。 萬向聯軸器： 聯軸器類型包括齒輪聯軸器、萬向聯軸器、鏈節(jié)聯軸器、滑動聯軸器等諸多類型。由于制造和安裝誤差的影響，通過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，能使兩軸相對位置發(fā)生變化，一般很難無差別對應上。按照聯軸器是不是具備彈性元件，或者能不能補償其他的相對運動的情況，他也可以分成以下幾種：剛性聯軸器、揉性聯軸器以及安全聯軸器。在通常情況下，對剛性聯軸器來說，它只有傳遞運動和扭矩功能。對其他兩種聯軸器來說，它們可以保證傳遞功能以及相對運動的補償功能 圖 1.3 萬向聯軸器 萬向聯軸器按照結構的不同也能分成不同種類，其中有球籠狀、凸型、十字軸、球銷型、三叉型等等。生活中普遍常用聯軸器的結構類型是十字軸型。那么萬向聯軸器通常都是角度的補償當量較大。軸線角度不一樣，致使他們的結構類型也不相同。一般角度的大小應為五到十度。 我們在平時，一般通過扭矩不同把他們分為小、輕、中、重四大類。這些不同的結構類型的聯軸器都是將連接機構傳遞扭矩的兩根軸作為聯軸器的核心部件，使得聯軸器不僅具有減小沖擊力、使振動幅度減小的優(yōu)點。它也能使軸系動態(tài)性能變好。所以，聯軸器被廣泛應用于工作機和動力機之間的連接。 聯軸器的種類有許許多多，我們根據連接軸的相對位置變化，將聯軸器分為固定式、可移動式兩大類: (1)前者主要是由凸緣、套筒、夾殼聯軸器組成的。它的結構比較簡單，常規(guī)化，而且也比較好生產。一般都是用在兩連接軸都要求按規(guī)定對中的地點中。（2）可移動式聯軸器按位移補償法可分為剛性可動式以及彈性可動式，一般都是用在兩連接軸有斜角的場合中。兩聯軸器中，前者利用聯軸器各工件之中發(fā)生的動態(tài)來補償一個或多個方向上的運動程度，工業(yè)中常見的剛性可動式聯軸器有交叉槽聯軸器、鏈式聯軸器、萬向聯軸器、齒輪聯軸器等。彈性可移動式聯軸器利用具有緩沖和阻尼特性的彈性單元產出的彈性變形以補償兩連接軸的斜角和相對位移。隨著科學技術的進步，聯軸器已經標準化，我們在工業(yè)設計制造中根據工作要求選擇其相應的規(guī)格型號，然后計算對應的轉矩和轉速，從相應的手冊中找出相應的模型，并對一些關鍵部件進行必要的校核計算及試驗。當機器運轉時，兩根軸不能分開，只有當機器停止運轉，聯接被拆下時，兩根軸才能彼此分離。 1.5.2 技術路線 (1) 多頭鎖螺絲機的驅動及傳動方式的設計。 (2) 多頭鎖螺絲機的鎖付機構的設計。 (3) 多頭鎖螺絲機的分離、輸送螺絲機構的設計。 (4) 多頭鎖螺絲機整體機構的設計 (5) 多頭鎖螺絲機的項目管理和經濟分析  第二章 傳動裝置的總體設計 2.1傳動方案設計 按照所需要求，制定了單級蝸桿減速器。傳動路線為:25W電動馬達ー柔性聯軸器ー滾珠絲杠—多頭鎖螺絲機整體。結合現實中來看，設計出來的蝸桿圓周速度要為4m/s到5m/s的區(qū)間。所以設計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滑性好。 2.2電動機的選擇設計 2.2.1電動機的選擇類型 現在中國廣泛使用的Y系列三相交流異步電機早在80年代就取代了以往的舊產品。它具有很多的優(yōu)點性能如：工作效率強、振動不大、加工產生的聲音很小、產品安全性足夠。而且此電動機均是按照國家的標準規(guī)格和功率等級來安裝，可廣泛應用于各種工業(yè)機械設備中。 Y系列三相異步電動機包括YZ型和YZR型，這類電機過載能力強、抗振、抗壓、抗沖擊能力強并且它的轉動慣量比較小，適用于啟停和換向頻繁的起重機械設備。 由于生產車間使用三相交流電且多頭鎖螺絲機屬于起重機械設備，所以Y系列三相異步電動機中的 YZ型和YZR型可以優(yōu)先考慮。 2.2.2確定傳動裝置效率 式中：蝸桿傳動效率 ； 攪油效率 ； 滾動軸承效率（一對）； 聯軸器效率； -------工作機的效率，取 2.2.3選擇電機的型號 1．計算多頭鎖螺絲機的驅動功率 (2-1) 式中：P---驅動功率，KW；---起升力，； ---傳遞總效率； ----起升速度， 2． 確定電動機的額定功率 電動機的額定功率按下式計算 ～ 3． 確定電動機的轉速 絲杠多頭鎖螺絲機的轉速為 (2-2) 式中：----上升速度，；---絲桿的導程，mm； ---多頭鎖螺絲機的轉速 故：電動機的轉速為 通過查詢電動機手冊找到符合這一轉速的電動機，綜合考慮其總傳動比，結構尺寸以及成本，我們選擇最大轉矩較大的Y系列IP44的三相異步電機。 結論：取電動機的規(guī)格為Y132M2-6，其參數如表2-1： 表2-1 電動機參數 同步轉速 滿載轉速 額定功率 1000 960 5.5 2.2.4計算傳動裝置的運動和動力參數 1．計算各軸轉速： 電機軸：960 蝸桿軸：960 絲桿軸： 2．計算各軸輸入功率： 電動機軸：==5.5 蝸桿軸： 絲杠軸： 3．計算各軸輸入轉矩： 電動機輸出轉矩 ： (2-3) 絲杠軸：  第三章 絲杠傳動的設計 3.1滾珠絲杠與滑動絲杠對比 滾珠絲杠在平時的機械加工，機械設計等領域極為常見。它是一種傳動部件。而且它的精度較好，效率也比較高，它也可以使旋轉運動以及直線運動互相轉化，這說明它的可逆性是比較良好的。所以，絕大部分大型機械以及小型精密機械都有它的身影。 滾珠絲杠與滑動絲杠相對比來說，他有很多的較好優(yōu)點： 1.它的傳動效率比較好，最高能達到98%的傳動效率。 2.對機械的摩擦影響小、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的。 3.2絲杠傳動的設計 3.2.1滾珠絲杠螺母副的工作原理及結構形式 　　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，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。經過不斷的循環(huán)，導致絲桿與螺母從滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，使摩擦力變得很小，保證了機械的進一步加工精度要求。 滾珠絲桿是以螺母、絲桿、滾珠以及回珠管、螺母座等構成的。 　　2.滾珠絲杠螺母副的結構型式 　　 （1）滾道型面在機械行業(yè)中是比較常見的。它主要分為兩種類型，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,一般把通過滾珠中心與滾道接觸點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，當軸向載荷增大時，接觸角隨之增大，軸向剛度和承載能力也就越大，所以絲桿傳動效率同樣升高。雙圓弧螺紋滾道的接觸角在加工時基本保持原本狀態(tài)。對單圓弧單圓弧螺紋滾道來說，顯而易見，后者的型面砂輪修整和加工較為復雜、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：內循環(huán)以及外循環(huán)。 內循環(huán)滾珠絲桿有很多優(yōu)點，摩擦度偏低，工作效率好，螺母徑向尺寸小。所以在通常機械加工中，一般使用它。 3.2.2絲杠的選用及計算 　　1.絲杠的選用原則 螺桿的使用時間長短各不相同，因為各種加工環(huán)境不一樣，承受的壓力等等有關原因都是導致壽命不同的原因。 螺桿副選用一般都是通過以下幾點來考慮： 　?。?）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速的情況下選用絲杠副； 　　（3）是在在承受動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載荷來選取絲桿副。也得對絲杠的剛性，精度等方面去考慮。這就對螺桿副的精度要求較高，外加上其加工的復雜性，所以絲桿副通常是由專業(yè)廠家生產。 由設計要求可知工作臺重量=800N ，工件及夾具最大重量=200N ，工作臺最大行程=950mm，總行程是25um，快速進給速度=4m/min ，工作臺導軌的摩擦系數為u=0.1 ，定位精度為20um / 300mm，可重復定位精度是10um。就可以確定絲桿要有10000小時的壽命(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和時間比例q的參數： 表3-1縱向切削力Fa,速度V和工作時間比例q 切削方式 縱向切削力Pxi(N) 垂向切削力Pzi(N) 進給速度 Vi(m/min) 工作時間百分比q（%） 絲杠軸向載荷(N) 絲杠轉速r/min 強力切削 一般切削 精切削 快速進給 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.確定絲杠副的導程 ：工作臺最高移動速度 ：電動機的最大轉速； i ：傳動比 電動機用一級減速齒輪來齒合連接絲杠，其傳動比：i=4 由表3-1可知： =4m/min， 絲桿轉速為375r/min 已知傳動比計算出電動機的最大轉速： =1500r/min 代入絲桿導程公式得： Ph=0.67mm 通過查尋《現代機床設計手冊》，我們選取Ph=5mm 確定當量轉速與當量載荷 （1） 不同的切削方式下絲杠轉速計算公式 (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算公示(i=1,2,3,4)分別得2200N，1150N，620N，1000N （2） 當量轉速的計算 (3-2) /100+/100+/100+/100數據代入得240r/min （3） 當量載荷 (3-3) 帶入數據得＝1057N 1.初選絲杠副 由公式《現代機床設計手冊》（3.7－24）知： (3-4) 查《現代機床設計手冊》表（3.7－51）—表（3.7－54） 得＝1，＝1，＝1，＝0.53，=1.3，＝10000h 代入數據可求得＝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）重復定位精度 ② (1/4—1/5 )定位精度 ：最大軸向變形量 已知重復定位精度10 定位精度25 ③＝3，②＝6 取兩種結果最小值＝3 （2）估算最小螺紋底徑 絲杠要求預拉伸，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 代入數據得L=1110mm，＝160N, =9.5mm 3.絲桿的定型 ⑴選取了內循環(huán)浮動式法蘭，采用直筒螺母型墊片預緊形式 ⑵把參數代入計算公式得出，，在《現代機床設計手冊》中查詢符合這些計算數據要求的絲桿副，確定絲桿的規(guī)格為：FFZD4005-5 =5, =22000N>=13589N 4.確定絲杠副預緊力 = 其中＝2200 ＝733N 5.行程補償值與拉伸力 （1）行程補償值C=11.8 式中＝ 查《現代機床設計手冊》＝950 ＝110，＝（2—4）＝15 溫差取 代入數據得C=32 (2)預拉伸力 ＝1.95 代入得＝4807N 6.起支撐作用的軸承定型 （1）計算支撐軸承所受的最大軸向載荷 ＝4807＋2200＝7007 （2）軸承類型 兩端固定的支承形式，選背對背60角接觸推力球軸承 （3）軸承內徑 d略小于＝40，=，取d＝30 帶入數據得＝2336N （4） 軸承預緊力：預力負荷 （5） 參考《現代機械設計手冊》選用軸承型號 在d等于30mm時，求得預加負荷： 所以選用型號為7602030TVP的軸承 d＝30，預加負荷為2900>＝2336N 7.絲杠副工作圖設計 (1)絲杠螺紋長度 由表查得余程 （2）兩固定支承距離，絲杠L (3)行程起點離固定支承距離 ＝1290，＝1350 ＝1410，＝30 8.傳動系統(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 代入數據＝782N/ 2）絲杠最大抗壓剛度 ＝6 .6 (3-7) 代入數據得9000 N/ （2）支承軸承組合剛度 1）一對預緊軸承的組合剛度 (3-8) ：滾珠直徑mm， Z：滾珠數 ：最大軸向工作載荷N 軸承接觸角 由《現代機床設計手冊》查得 7602030TVP軸承是預加載荷得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 ：《現代機床設計手冊》上的剛度 ＝2150 N/, =2200N, =733N 代入數據得＝1491 N/ 9.度驗算及精度選擇 =3.5，Z＝17，＝ （1） (3-9) 代入前面所算數據得＝ 代入前面所算數據得 已知＝800N, =0.2, =160N :靜摩擦力，：靜摩擦系數，：正壓力 （2）驗算傳動系統(tǒng)剛度 ＝；已知反向差值或重復定位精度為10 ＝30>25.6 （3）傳動系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差 ＝（－），代入＝5 （4）確定精度 ：任意300mm內行程變動量對系統(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 ＝12<14.3 （6） 絲桿的定型及主要參數 型號：FFFZD 公稱直徑D=40 ；導程L=5 螺紋長度=1290 ；絲杠長度=1410 精度：P類3級精度 取用絲桿型號及主要參數：FFZD4005-3-P3/1410×1290 10.驗算臨界壓縮載荷 絲杠所受大軸向載荷小于絲杠預拉伸力F，不用驗算 11.驗算臨界轉速 ：臨界轉速n/min f：與支承形式有關的系數 ：絲杠底徑 ：臨界轉速計算長度mm 由《現代機床設計手冊》得f＝21.9, =40, = 可得：＝5028>=1500 3.3螺母的設計 3.3.1選取螺母材料 螺旋傳動常用的材料 1.鑄錫青銅合金：ZCuSn10P1,ZCuSn10Zn2,ZCuSn5PbZn5 這一類材料的耐磨性好、耐蝕性好、切削性能良好，能適用于一般傳動。 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，/mm ； Ф=1.1～3.5，取Ф=1.5 3.3.3確定螺文工作圈數 分析螺母整體，因為它在工作后，無法避免摩擦，摩擦后間隙也會隨之改變，它也無法的及時調整過來。所以螺紋工作圈數不能夠太多，最好的情況不能超過十圈。 ＜10 圓整后取7 3.3.4螺母的實際高度 3.3.5螺母螺紋牙的強度計算 螺紋牙總會發(fā)生損壞，其他工件的擠壓，工作后發(fā)生摩擦導致損壞，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，要對其進行剪切強度以及彎曲強度的計算。 比方說把一圈螺紋牙沿著大徑D展開來看。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，那么螺紋牙危險截面a－a上的剪切強度條件就為： (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，單位mm ； -----螺母材料的許用切應力，/Mpa ；可取[τ]＝80～100MPa[ ]； ＜ 結論：螺母剪切強度夠 螺紋牙危險截面a－a上的彎曲強度條件為： (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力，/MPa；可取[σb]＝100～150MPa[ ]。 ＜[σb] 結論：螺母彎曲強度夠 3.3.6螺母的強度計算 螺母被重載荷F作用，那么螺母下段懸置部分就會產生拉伸應力，螺母凸緣與底座的接觸面上有擠壓力，凸緣根部有彎曲應力。這些強度條件計算式分別為： 螺母下段懸置部分的抗拉強度條件為： 螺母凸緣的擠壓強度條件為： 螺母凸緣根部的彎曲強度條件為： (3-12)