桌面型自动锁螺丝机毕业论文.docx

毕业设计（论文）题 目 桌面型自动锁螺丝机的设计 专 业 机械设计制造及其自动化学 号 学 生 指 导 教 师 盖玉先 答 辩 日 期 哈尔滨工业大学毕业设计（论文）任务书姓 名： 院 （系）：专 业： 机械设计制造及其自动化 班 号： 任务起至日期：2014 年 03 月 03日起 至 2014 年 06 月26 日止毕业设计（论文）题目：桌面型自动锁螺丝机的设计立题的目的和意义：通过本次毕业设计，达到培养学生综合应用所学知识，分析和解决实际工程问题，锻炼创造能力的目的。是学生在机械、驱动、控制等方面得到切实的锻炼和提高。技术要求与主要内容： 为实现工业装配生产线上螺钉的全自动拧紧，传统的手动或半自动拧螺丝已经达不到当代生产能力和速度的要求，全自动螺丝机的设计对于提高生产装配水平，提高生产速度，减少劳动力需求，实现自动化和智能化有着非同寻常的实际意义。本设计要求设计出桌面型机械臂式的全自动锁螺丝机机械结构，进行必要的控制设计及分析改进。进度安排：第13周：查阅国内外文献资料，充分了解课题研究现状、原理、重难点等，做好设计前期准备；第4周：完成开题报告的撰写，并进行课题整体系统分析；第57周：完成机械结构的设计和改进，绘出完整的三维立体模型；第89周：选定并完成控制系统的设计，保证其与机械系统的统一；第1011周：利用控制软件Matlab及仿真软件ADAMS进行联合初步仿真分析，观察分析所设计机械结构是否能和所设计控制内容相协调；第1216周 机械结构、机械系统、控制系统的重要校验修正及绘图二维工程装配图，毕业设计论文的撰写，毕业设计的查漏补缺完善以及毕业答辩。指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见：教研室主任签字_ 年 月 日 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘 要近年来，随着国内生产水平及科技技术的不断提高，自动化、智能化的生产理念也在企业和市场中得到了迅猛的发展。自动锁螺丝机作为企业提高生产效率、降低成本的重要一环，其发展对于生产装配领域的重要意义也愈发凸显。在通过分析现有螺丝机产品的利弊后，提出本文的自动螺丝机设计方案。本文的目的是设计新型的桌面型机械臂式自动锁螺丝机。论文首先提出了自动螺丝机的整体设计方案及所需解决的主要问题，包括各坐标轴的运动形式、驱动及传动方式的设计。然后进行了包括龙门机架、XYZ坐标轴及R主旋转轴的机械部分设计计算、各坐标轴直线导轨、滚珠丝杠、轴承、同步齿轮及齿轮带、驱动电机等的设计选型及校核计算。之后通过MATLAB控制软件及ADAMS仿真的分析软件对所设计的机械结构进行了联合仿真分析，并在此基础上对机械模型进行了优化改进。论文最后部分完成了螺丝机基于可编程控制器的控制部分软、硬件设计并总结了本设计的创新点及特点。本文设计的桌面型自动锁螺丝机不仅有着高稳定性、高效率、高度自动化、智能化的优点和特点，良好的通用性和广泛的应用范围更是使其具备了广阔的发展和应用前景。关键词：桌面型自动锁螺丝机；机械设计；仿真分析；控制设计 各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、程序、答辩PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也请加上述QQ,代做免费讲解。AbstractIn recent years, with the continuous improvement of domestic production levels and technology, the automated, intelligent production concept has also been a rapid 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 products, 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, including 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, 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 screw 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 machine, mechanical design, simulation, control design 目 录摘要.Abstract .第一章1.1 课题背景及研究的目的和意义11.2自动锁螺丝机研究的发展概况11.2.1 自动锁螺丝机的分类11.2.2 桌面型自动锁螺丝机的优缺点和特点21.2.3桌面型自动锁螺丝机的研究现状和发展概况21.3本文的主要研究内容3第2章 总体方案设计2.1 引言42.2 桌面型自动锁螺丝机的整体设计42.3自动锁螺丝机各轴的运动形式及驱动方式52.4 本章小结6第3章 机械结构的设计、选型及计算3.1 引言73.2 龙门机架的设计73.2.1 底座的设计73.2.2 左右立柱的设计83.2.3 横梁的设计103.3 Y轴直线导轨、伺服电机的选型、计算103.3.1 Y直线导轨的选型及校核计算103.3.2 Y轴伺服电机的选型计算133.4 X轴直线导轨、滚珠丝杠及电机的选型、计算133.4.1 X轴直线导轨的选型及校核计算133.4.2 X轴滚珠丝杠设计选型及校核计算143.5 Z轴滚珠丝杠滑台及驱动电机的选型、计算193.6 R旋转主轴零部件的设计203.7 本章小结21第4章 基于MATLAB和ADAMS的联合仿真4.1 引言224.2 基于Matlab软件的控制内容设计224.2.1 Simulink模块电机仿真控制模型的建立224.2.2 在Matlab中完成C程序控制并导出控制数据244.3 模型及数据导入ADAMS/View模块进行联合仿真244.4 本章小结25第5章 自动锁螺丝机的PLC控制5.1 引言265.2 PLC的基本结构265.3硬件及梯形图程序设计285.4本章小结30结论31参考文献32致谢34附录35-31-哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义随着工业生产水平的提高，生产线的自动化和智能化程度也进行着不断地进步和更新，对于新生产方式的思想观念就是以利润主义为推动企业改革的原动力，在当今属自由竞争市场的环境下，要达到目标利润就必须努力来达到目标成本。工厂要降低成本，必须从企业内部可掌控的部分，如：人工、设备及管理成本来作为改善的对象。自动锁螺丝机（Auto-Screwdriving Machine）又称自动送螺丝机、自动送锁螺丝机、工业拧紧系统、螺丝锁付机器人等到，是用以取代传统手工拧紧螺丝的机器。手工的螺丝拧紧又包括纯手工拧紧和电动螺丝刀或者气动螺丝刀拧紧两种，后者通过电动或者气动的方式产生旋转动力，以代替频繁手工的拧紧动作，在某种程度上减轻了锁螺丝的工作强度，但由于手工放置螺丝和对准螺丝头部仍需要占用大量的工作时间和精力，因此整体效率提升比较有限。于是全自动锁螺丝机的问世及其发展对于生产装配领域的重要意义便愈发凸显。 1.2自动锁螺丝机研究的发展概况1.2.1 自动锁螺丝机的分类自动锁螺丝机按其批头来分，可分为：一轴式自动锁螺丝机，二轴式自动锁螺丝机，三轴式自动锁螺丝机，四轴式自动锁螺丝机，右图为益诚自动化生产的四轴自动锁螺丝机。五轴式自动锁螺丝机，六轴式自动锁螺丝机，七轴式自动锁螺丝机，八轴式自动锁螺丝机，九轴式自动锁螺丝机。按其使用形式分为：全自动锁螺丝机：其又分为自动上料和手工上料两种，但是其螺丝全都是机器自动供给。手持式自动锁螺丝机:手持式又分为自动供给螺丝式和批头提取螺丝。 按不同产品分类，相对就更多了，相对来说任何一种产品,都有相对应的锁螺丝设备1。1.2.2 桌面型自动锁螺丝机的优缺点和特点桌面型自动锁螺丝机有以下一些优缺点：由于其单人即可高效操作，一人相当于多人的效率，所以节省成本；其可靠性很好，一天可工作20小时以上；对于锁同样螺丝的产品，只需更换旋具，可锁不同产品，通过简单编程，通用性高；采用高精密度轨道设计，由机器作业，杜绝了人为因素带来的不良影响，有着良好的稳定性。然而由于其自动化程度较高，同时也带来了如扭力不当造成起子头磨损、滑牙，轨道卡料、螺丝漏送或者一次送料过多的等问题。因此，螺丝机的设计及改进要着重解决这些实际问题。另外，桌面型自动锁螺丝机还有以下几个重要特点：移动式工作台，只要针对学习机，平板电脑，平板电视等较大电子产品设计；上料系统采用直振方式将螺丝排序到振动导轨上，并输送到螺丝分料系统,通过分料系统将螺丝分好，然后用吹气的方式将螺丝输送到螺丝锁付系统，最后由螺丝锁付系统完成锁付；具有漏锁/浮锁/滑牙检测功能，客户可以选配；只要螺丝在规定的范围内可以通用；灵活性强，对于更换不同的产品，只需更换夹具和调用相对应程序组即可2。1.2.3桌面型自动锁螺丝机的研究现状和发展概况 随着越来越多的企业招工难，一些国内外名优产品纷纷被引进，以满足不同企业生产的需求。全自动螺丝机就是其中之一，它凭借在制造技术、材质和提高效率、无人操作等方面的优势获得了企业和市场的青睐。全自动螺丝机的用途与普通电批风批一样，甚至有过之而无不及，它速度快，效率高，安全性高，并且更能节省人工。就目前的总体情况而言，它的品种规格也较为齐全，基本上百分之九十以上的螺钉都能实现自动化拧紧，但由于它的市场价位总的来说要比普通装配工具高，这也成为了全自动螺丝机没有普遍被运用起来的主要原因之一。但随着国内生产水平加快了技术改造的步伐，全自动螺丝机也开始大量进入国内市场，随着国内生产技术的不断提高和成熟，全自动螺丝机的价格将逐渐下降。所以全自动螺丝机的市场现在逐渐被商家们看好，这主要是因为一方面在于它的技术要求比较高，以前大部分产品主要是从美国、德国、日本国家引进，而现在随着国内生产技术的提高，像济南、深圳、广州等地的一些企业都纷纷推出了国产的全自动螺丝机产品。由于全自动螺丝机使用范围很广，所以在广东、山东、上海、江苏、福建等沿海省市的装配业、电器电子、家具制造、仪器仪表、玩具以及电动自行车、摩托车装配还有汽车制造业和一些流水线作业的企业和厂家都纷纷使用了全自动锁螺丝机。再加上售后服务的进一步跟上，打消了以往顾客担心产品无售后服务的顾虑，使全自动螺丝机的销势进一步得到稳定3。随着劳动力成本的不断提高，自动化设备企业的生存与发展形势也使得越来越多的企业关注工厂自动化这一领域，也给螺丝机一行业带来了发展商机。目前，我国非标自动化企业数量较多，但规模与分工还有待发展。如何参与这一行业的竞争成为一个挑战！1.3本文的主要研究内容 本课题的研究内容主要是针对桌面型自动锁螺丝机的机械结构以及控制方式进行合理的设计和仿真分析及优化。 首先，考虑课题所要求的工作需要，拟订几个可行的结构和控制方案，并对每个方案进行可行性分析，经过方案比较和各方面的综合考虑，确定出最佳方案。 然后，确定桌上型三坐标机械臂的安装配置形式，并完成桌面型自动锁螺丝机的机械结构设计，通过Solidworks和AutoCAD工程软件绘出三维模型和二维工程图并进行结构改进。 接下来，利用Matlab矩阵实验室及ADAMS虚拟样机机械仿真软件来对所设计机械结构进行运动及动力分析，找出有欠缺设计内容进行优化改进。 确保了结构的合理性之后，即可设计并合理配置各运动轴的控制方式和控制模式，编制必要的控制程序，实现控制系统与机械结构的协调统一。 最后结合控制再次针对设计内容进行整体优化分析，实现自动锁螺丝机的最终改进。第2章 总体方案设计2.1 引言 本章主要研究内容为选定桌面型自动锁螺丝机的整体结构型式，各运动坐标轴的运动形式，以及他们的驱动方式和控制方式。需要对现有不同方案进行综合分析，经查阅文献及参考各类资料，针对本螺丝机设计的技术和工作要求，最终确定桌面型自动锁螺丝机的总体结构方案龙门式三坐标机械臂结构形式。2.2 桌面型自动锁螺丝机的整体设计 自动送锁螺丝机在进行拧螺丝前需要将螺栓分离开来并输送到指定位置，因此要整个螺丝机分为送料料机构和锁付机构。送料机构选用振动式分料机电产品，通过气压传动讲螺栓送到指定位置4。由于振动式分料机电产品的原理及结构均较为复杂，而且技术和市场也已经非常成熟，所以此螺丝机的设计中主要针对锁付机构进行设计。为了降低返修率可以在螺栓传动管间加传感器来检查三个管是否都有螺栓通过，如果有则可以进行下一步工作，如果没有就需要将信号传送给PLC，PLC通过分析计算给分料机构和下料机构的气缸下达命令重新输送螺栓。根据工艺要求，自动送锁螺丝机工作时需要电动螺丝刀上下移动调节距离，以方便更换工件和调节不同工件间的误差，因此需要一个电机驱动的滚珠丝杠副来控制电动螺丝刀的上下移动。桌面型自动锁螺丝机的整体方案为：采用振动分料和吹气送料机构和龙门三坐标机械臂式锁付机构。其中振动分料和吹气送料机构指：由螺钉分离板、档钉板、固定斜槽板及圆柱销相配合的电磁振动给料器将螺钉自动分离。利用气缸驱动螺钉分离板、挡钉板，利用挡钉板上固定的圆柱销受固定斜槽板上的起移动凸轮作用的斜槽限制，将位于螺钉输送槽最前端的一只螺钉分离开，并仅将一只螺钉推入螺钉分离板侧面的落钉口。经传感器判断后，控制高压喷气口喷出高压气流，将螺钉通过螺钉输送软管吹向电动旋具。其震动分料装置结构形式如图2-1所示：图2-1 螺丝机震动分料盘 龙门三坐标机械臂式锁付机构是指：将XYZ三运动坐标轴置于龙门机架上，其中Z坐标轴上附加一个R旋转轴，即用于锁付的旋转主轴，当传感器检测到由送料机构传送过来的螺钉已就位，便由控制系统发出信号对工件进行锁紧，如若没有正确检测到就位螺钉，则向送料机构发出信号提示其输送螺钉。2.3自动锁螺丝机各轴的运动形式及驱动方式本自动锁螺丝机的X坐标轴的运动选择由滚珠丝杠副带动的直线导轨。具体设计为：选定单滑块直线导轨并在螺丝机底座上双排对称安装配置，将工作平台平放并固定在双排直线导轨滑块上以保证其平稳，同时工作平台也通过某种方式与丝杠螺母相固结，当电机带动X轴丝杆转动时，丝杠螺母带动工作平台沿X轴直线导轨前后移动5。而螺丝机Y坐标轴的运动则是选择由伺服电机带动的同步齿轮和齿轮带来完成。具体设计为：选定高精度且有一定承载能力的直线导轨放置在龙门机架左右立柱中间，通过某连接介质（如齿轮带夹），将Y轴导轨滑块与同步齿轮带相连接，当伺服电机带动同步齿轮带运动时，同时带动直线导轨滑块沿Y坐标轴方向平行移动。至于Z坐标轴的运动，可以借鉴X轴的运动方式，通过电机驱动的滚珠丝杠副来完成。 2.4 本章小结 本章主要确定了桌面型自动锁螺丝机的总体结构方案龙门式三坐标机械臂结构形式。确定了采用振动分料和吹气送料机构和龙门三坐标机械臂式锁付机构的整体方案6。并且选定了各坐标轴的运动和驱动形式，其中：X坐标轴的运动选择由滚珠丝杠副带动的直线导轨，步进电机驱动；Y坐标轴的运动选择由伺服电机带动的同步齿轮和齿轮带来完成；Z坐标轴通过电机驱动的滚珠丝杠副来完成。第3章 机械结构的设计、选型及计算3.1 引言本章要对桌面型自动锁螺丝机的整体及各部分零部件进行机械结构设计，以及对于XYZR轴直线导轨、滚珠丝杠副、驱动电机、同步齿轮与齿轮带等进行选型计算和校核计算。3.2 龙门机架的设计龙门结构是机床中最常用的一种机械结构之一，其结构简单、容易实现高速运动。典型结构有以下几种：定梁式，横梁固定工作台前后移动；动梁式，横梁上下移动工作台前后移动；动柱式，工作台固定，龙门架立柱前后移动；桥式，工作台固定，横梁前后移动。结合实际设计情况与设计要求，本设计采用动定梁式结构，横梁固定在龙门架立柱之间，工作台可以沿X轴直线导轨前后移动7。X轴工作台的移动采用滚珠丝杠副驱动，安装多导轨，防止倾覆并承受工况轴向力、径向力。Y轴方向上使用伺服电机驱动同步齿轮，提高传动精度。3.2.1 底座的设计底座设计在保证支撑强度和平稳性的前提下以方便和容易加工为主，基本尺寸设定为660 x550 x125mm。底座上需要安装机架左右立柱所以左右两侧对称开出立柱安装槽，为将其稳定的固定住并与工作台面保持较高的垂直度，所以在底座左右侧面分别铰出M12螺纹孔。由于底座上还需放置双排X轴直线导轨，为充分保证其平行度和水平程度并且减少加工面积，底座的上边面相对中心对称的留出接近导轨宽度的凸起部分，以便精确地安装X轴导轨。另外底座上表面正中部分开出的凹槽是为精准安放X轴驱动部件滚珠丝杠滑台特意留出。其初步设计如图3-1所示：图3-1 底座3.2.2 左右立柱的设计龙门机架左右立柱的主要作用是支撑Y轴导轨零部件以及Z轴和主旋转轴部件。所以其设计原则为在保证支撑强度和刚度的前提下，尽量简化并且合理挖出空心以适当减少重量。其主体尺寸初步设定为：100 x80 x450mm。左立柱机构设计如图3-2所示：图3-2 左立柱右立柱机构设计如图3-3所示：图3-3 右立柱其中，由于左立柱除与右立柱一同支撑Y轴导轨零部件以及Z轴和主旋转轴部件之外，还需安放驱动Y轴同步齿轮带运动的伺服电机，所以左右立柱的主要区别则在于前者要设计伺服电机放置槽，而后者只需对应打出同步齿轮轴安装孔即可。3.2.3 横梁的设计本设计中横梁的作用就是将Y轴直线导轨置于其上，所以选定了导轨之后再来确定横梁的形状尺寸。3.3 Y轴直线导轨、伺服电机的选型、计算3.3.1 Y直线导轨的选型及校核计算直线导轨由导轨、滑块、钢球、反向装置、保持架、密封装置等组成，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。由于其大承载、高精度、高速度、低磨损、高可靠性及标准化等优良特性，已经越来越多的应用于数控机械、自动化生产线等领域。桌面型自动锁螺丝机对于各坐标轴的运动精度要求很高，所以为保证Y轴坐标运动的精确度，首选THK直线导轨。其机构特征如下图3-4所示：图3-4 THK直线导轨8设定使用条件其选型步骤如下图所示：初步选定直线导轨型号设定滑块尺寸及数目计算滑块最大负荷比较需求寿命最终型号确认 图3-5 THK直线导轨选型流程设定Y轴直线导轨横跨在两龙门立柱之间侧立安装，其导轨滑块上承载负荷总重为20Kg，即Fc=200N（此设定值已添加了一定的安全系数）。考虑到Z轴及主旋转轴零部件全部安装在此Y轴导轨滑块之上，所以初步选定HRW 35CA全滚珠LM宽幅滚动导轨。其主要参数如下：表3-1HRW 35CA直线导轨主要参数导轨宽度W1安装高度M滑块总长W滑块安装孔个数滑块安装孔尺寸导轨总长精度等级69mm35mm120mm6个M8600mm高级基本额定载荷静容许力矩质量(动载)C（静载）CoMAMBMCLM滑块LM轨道27.2KN45.9KN529Nm529Nm1490Nm1.4Kg/个9.9Kg/m1）静容许力矩校核2）寿命校核3.3.2 Y轴伺服电机的选型计算 伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的电机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机把输入的信号电压转变为转轴的角位移或角速度输出。伺服电机具有较小的转动惯量和较大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压，以此满足机械设备对高精度、快速响应的要求；伺服电机还具有较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求，并能够承受频繁启动、制动和正、反转9。计算负载转矩：克服摩擦力所需转矩：加速时所需转矩：伺服电机额定转矩 ，最大转矩 根据以上计算结果，参考BONMET电机选型手册可选JEF 571530 BF 1000伺服电机，其主要参数为：额定转矩T=0.5Nm，额定转速n=3000r/s，额定功率P=0.15KW。BONMET伺服驱动器型号SFC配置：SA3L04C，SFC+配置：SA3L04C。3.4 X轴直线导轨、滚珠丝杠及电机的选型、计算3.4.1 X轴直线导轨的选型及校核计算设定X轴直线导轨对称安装在底座上，双排导轨滑块上承载负荷总重为10Kg，即Fc=100N（此设定值已添加了一定的安全系数）。初步选定球保持器型LM直线导轨。其主要参数如下：表3-2SHS 25C直线导轨主要参数导轨宽度W1安装高度M滑块总长W滑块安装孔个数滑块安装孔尺寸导轨总长精度等级23mm36mm70mm4个M8400mm高级基本额定载荷静容许力矩质量(动载)C（静载）CoMAMBMCLM滑块LM轨道31.7KN52.4KN566Nm566Nm563Nm0.54Kg/个3.2Kg/m1）静容许力矩校核2）寿命校核3.4.2 X轴滚珠丝杠设计选型及校核计算滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。它具有以下几个重要特点：摩擦损失小，传动效率高；釆用双螺母预紧后，可以很好地消除间隙，提高了传动刚度；摩擦阻力小，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；寿命长、精度保持性好。3.5 Z轴滚珠丝杠滑台及驱动电机的选型、计算借鉴上节中X轴丝杠滑台及电机的选型。丝杠由于不承受径向力，轴向力主要为安装在Z机械臂滑台滑块上的R主轴零部件的自重。设定R 主轴零部件的总质量为10Kg。 已知，上节中所选的滚珠丝杠滑台的垂直承载可达20Kg，其精度和运动速度也可满足Z轴运动要求，所以可选择相同型号的产品。电机负载转矩：所以，电机也可选择上节中X轴上所选用的42步进电机。此滚珠丝杠滑台的整体结构形式如图3-5所示：图3-7 滚珠丝杠滑台3.6 R旋转主轴零部件的设计 R旋转主轴零部件自上而下依次连接，主要包括刀杆接头、联结轴、万向联轴器（上）、滑动轴、滑动弹簧、滑动套管、调整螺杆螺帽、万向联轴器（下）、刀杆轴、电动改锥、护套、夹嘴。其结构及内部连接设计如图3-6所示：图3-8 R旋转主轴其中，万向联轴器的使用和滑动缓冲部分的设计是主轴设计的重点环节。1） 万向联轴器十字万向联轴器是一种挠性联轴器，它可以使轴在转动时能够运转流畅不至于因为轴线不在一条直线上而发生干涉问题，实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运动。万向联轴器最大的特点是具有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高，有时还能起到缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。而且和其他的挠性联轴器相比，十字万向联轴器有更好的调节范围而且使用两个万向联轴器能更好的解决本次设计中出现的问题11。考虑本设计中对于精度的要求较高，选定SC型精密二节式万向联轴器SC10A（上）和SC06A（下）。2） 滑动缓冲设计留出一定的缓冲距离，在螺丝机进行拧螺丝工作时，主轴的下压在滑动缓冲下不至于产生太大的下压冲力，导致起子头及螺丝头的破坏。当然根据螺丝的大小及扭力大小的不同，缓冲预留长度也不同，基本保持在26mm之间。当缓冲长度不在要求之内时，用调整螺杆来加以改善。3.7 本章小结本章对桌面型自动锁螺丝机龙门机架、各坐标轴、机械臂、旋转主轴等全部机械结构内容进行了详尽的设计、选型、校核计算。并且按照相关技术及结构要求对螺丝机机械结构建立了三维立体模型，通过观察分析，消除了结构干涉及对各类不合理设计的优化改进。第4章 基于Matlab和ADAMS的联合仿真4.1 引言本章中介绍利用控制软件Matlab及虚拟样机仿真分析软件ADAMS，对上章中所设计的桌面型自动锁螺丝机的机械结构进行联合仿真。在Matlab的Simulink模块中建立电机控制模型，并编制控制程序，导入模型及控制数据至ADAMS中生成仿真动画和图线，并基于此进行分析改进。4.2 基于Matlab软件的控制内容设计4.2.1 Simulink模块电机仿真控制模型的建立在Matlab的Simulink模块下，利用SimPowerSyste-mToolbox丰富的模块库，在分析伺服电机和步进电机数学模型的基础上，建立电机控制系统的仿真模型12。1） 步进电机步进电机作为数字控制系统中的一种执行元件，非常适合在精度和稳定性要求不高的位置或速度控制系统中开环运行，且控制方式简单。步进电机开环控制的缺点是无法知道电机是否失步或者超步,在高精度的位置伺服系统中，这一缺点将直接影响系统性能。位置闭环控制通过在步进电机转轴上安装位置传感器，可将位置信号实时地传给控制核心，然后根据位置偏差控制电机运行。建立步进电机Simulink模型如图4-1所示：图4-1 步进电机Simulink模型2） 伺服电机伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。建立伺服电机Simulink模型如图4-2所示：图4-2 伺服电机Simlink模型4.2.2 在Matlab中完成C程序控制并导出控制数据按照预先设定的工作内容分别创建XYZ三坐标轴及R主旋转轴的数学函数模型，然后据此来编制C程序。运行程序检查是否有误，修改更正后生成电机转动角位移时间的关系数据，步长初步设定为0.1s。验证数据的正确性，反复校验无误后导出数据并存成.txt格式文档。4.3 模型及数据导入ADAMS/View模块进行联合仿真首先，将在Solidworks软件中建立的三维立体模型精简为简化模型并存成能与ADAMS兼容的.x_t格式文件；然后，进入ADAMS/View界面导入简化版三维模型，然后，在此基础上做一些合并和删除零部件等必要的模型修改，以保证仿真运动的协调一致；添加必要的约束、运动及作用力13，添加后其效果如下图所示：图4-3 联合仿真模型（3） 将Matlab中建立的控制模型及数据导入到ADAMS/View中，完成两软件的联合仿真，保存反正动画，分析仿真数据和图线并作出修正和改进10。4.4 本章小结 本章中通过Matlab及ADAMS两个软件的联合仿真分析，完成了螺丝机机械结构设计的运动干涉检查11，并且通过对动画及各类运动及力图线的分析研究，对之前的结构模型做出了修正和改进，为下面控制的设计奠定良好的基础。第5章 自动锁螺丝机的PLC控制5.1 引言可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。使用PLC控制有以下优点和特点：（1）编程简单，使用方便；（2）控制灵活，程序可变，具有很好的柔性；（3）功能强，扩充方便，性价比高；（4）控制系统设计及施工的工作量少，维修方便；（5）可靠性高，抗干扰能力强；（6）体积小、重量轻、能耗低，是“机电一体化”特有的产品。目前PLC已基本替代了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，PLC已跃居工业自动化三大支柱的首位。5.2 PLC的基本结构可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。其控制系统示意图如图5-1所示：图5-1 PLC控制系统示意图PLC实际上是一种工业控制计算机，它的硬件结构与一般微机控制系统相似，甚至与之无异。可编程序控制器主要由CPU（中央处理单元）、存储器（RAM和EPROM）、输入/输出模块（简称I/O模块）、编程器和电源五大部分组成14。1）CPU模块CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微机处理器（CPU）和存储器组成。CPU类似于人类的大脑和心脏。它采用扫描方式工作，每一次扫描要完成输入处理、程序执行、输出处理几个工作。2）I/O模块I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使可编程序控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与噪声隔离的作用。3）编程器编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连续在可编程序控制器上，将它取下来后可编程序控制器也可以运行。一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程序控制器公用。4）开关量I/O模块开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上，外部I/O接线一般接在模块的接线端子上，某些模块使用可拆除的插座型端子板，在不拆去端子的外部连线的情况下，可以迅速地更换模。5.3硬件及梯形图程序设计（1）资源分配如下表5-1所示：表5-1 I/O分配图（2）PLC控制原理接线图如下图5-2所示：图5-2 PLC控制原理接线图 （3）PLC控制流程图如下图5-3所示： 图5-3 PLC控制流程图（4）梯形图控制程序的设计见附录。5.4本章小结本章针对螺丝机的运动控制需求，详细设计了运动控制方案，完成了基于可编程控制器PLC的伺服电机和步进电机控制系统的软、硬件设计。并通过设定工作内容完成了控制原理及控制流程的设计。结 论本文以桌面型机械臂式自动锁螺丝机为设计对象，通过对国内外文献系统全面的查阅和分析后，根据自动化，机械化，智能化的标准，对螺丝机的机械结构、驱动及控制方式进行了系统全面的设计，经过认真的仿真分析，又对设计内容进行了全面的修正和改进。本研究内容的主要成果包括以下几点内容：首先，现有的螺丝机大多属于专用产品，不具有通用性，而本桌面型自动螺丝机的设计可以很轻易的通过改变控制程序及更换螺丝刀旋具，即可应用于不同工作内容的螺丝拧紧，通用性大大提高；其次，螺丝机XZ坐标轴选择了高精度滚珠丝杠滑台的使用，配以精准地电机驱动控制，充分提高了自动螺丝机的可靠性、稳定性和精确度；最后，本设计中XY运动坐标轴选用了THK球保持器型直线导轨，其绝对优良的精度保持及负载能力，使得螺丝机机械臂的运动精准度有了质的提升。 总体而言，本设计内容迎合了当代技术及市场的发展趋势，其发展有着广阔的空间。但是，此桌面型自动锁螺丝机的设计也存在着一些不足之处，螺丝机的智能化水平还有待进一步提高，例如，连续送料、定扭矩、可选择提供记数功能、防漏打功能、螺丝滑牙及浮锁检测等15，这些都是在未来的发展中需要着重努力的地方。参考文献1 赵成家. 自动紧螺丝机J/OL. 矿山机械，1980/03期.2 何俊. 多轴自动螺丝机的机械设计及控制系统研究D. 南京：东南大学，2012.3 郑凡超. 自动送锁螺丝机的设计与分析D. 宁波：宁波大红鹰学院，2011.4 K. Hanjalic, N. Stosic. Development and Optimization of Screw Machines With a Simulation Model J. Fluids Eng. 1997，119(3)： 664-670 (7 pages). Ahmed.5 Kuang-Chao Fan. Development of an automatic cumulative-lead error measurement system for ballscrew nutsJ/OL. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, Vol.72 (1-4), pp.17-23.6 Jan-Mark Vorstenbosch, Fabien Bourgeois, Sandra Koelemeijer Chollet, Marcel Tichem. First results on vibration feeding of small parts in the presence of adhesive forcesJ/OL. Assembly Automation, 2004, Vol.24 (2).7 王士军. 三自由度龙门切割机数控及等距伺服系统研究D. 青岛：山东科技大学2003.8 A. Dadalau, K. Groh, M. Reu, A. Verl. Modeling linear guide systems with CoFEM: equivalent models for rolling contactJ/OL. Production Engineering, 2012, Vol.6 (1), pp.39-46.9 黄迅. 三伺服电机驱动机械压力机的设计与研究D. 上海：上海交通大学，2013.10 许向荣. 滚珠丝杠副直线导轨进给单元动态性能研究D. 济南：山东大学，2011.11 毛文杰. 万向联轴器的有限元分析D. 长春：吉林大学，2006.12 刘金琨. 机器人控制系统的设计与MATLAB仿真M. 北京：清华大学出版社，2008：28-53.13 陈峰华. ADAMS 2012虚拟样机技术从入门到精通M. 北京：清华大学出版社，2013：15-108.14 蔡军爽. 螺丝机控制系统研究与开发D. 沈阳：东北大学，2008.15 Kovacevic. Analysis of Clearances in Combined Screw Machines J/OL. ASME，2005，281： 2005-11-05.哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）致 谢附 录PLC程序图如下所示：- 35- 36 - 37 -