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英文题目：An Automatic Screw Tightening Shaft Based on Enhanced Variable Gain PID Control翻译：基于增强型变增益 PID 控制的螺杆自动拧紧机资料来源： 论文题目：基于增强型变增益 PID 控制的螺杆自动 拧紧机构 学生姓名学院名称专业名称班级名称学 号指导教师教师职称完成时间基于增强型变增益PID 控制的螺杆自动拧紧机构作者：S. H. Sengar1,*, A. G. Mohod1, Y. P. KhandetodSibang1， Liu2，3, Shuzhi Sam Ge4, Gang Qin2, Min Li5作者所在单位：中国电子科技大学自动化工程学院，成都611731 德日美工程与技术学院，达波里415712摘要：本文提出了一种基于增强型变增益 PID控制的模块化自动拧紧轴系统。 该螺旋拧紧轴适用于自主拧紧作业，具有巨大的工业应用潜力。 由于螺杆的不确定性，将螺杆的拧紧轴和拧紧过程都建立了不确定反馈系统的数学模型。 通过选择合适的控制器参数，证明了闭环系统在鲁斯稳定性判据基础上是稳定的，而转矩跟踪误差指数收敛到一个较小的残差。 对螺旋拧紧轴系的仿真和实验结果表明，本文提出的螺旋拧紧自治系统是有效的。关键词：模块化设计；自动拧紧轴； 预紧力； PID 控制；可变增益 一 介绍在装配行业中，螺钉连接是最常见的连接方法之一，其中冲击扳手起着重要的作用1-3。然而，在使用冲击扳手从螺钉孔拧入或拧出螺钉的过程中，需要操作员，这意味着预拧紧扭矩的适当性和组装过程的有效性取决于操作员的经验。而且，预紧扭矩不合适可能会导致螺钉损坏或脱落。因此，在现代装配行业中，高度可靠、高效的自动螺丝拧紧机有着重要地位。众所周知，预紧力是螺钉拧紧过程中最重要的参数，它是使螺钉紧固在螺钉孔上而不会松动的静态力4，5。实际上，要求稍微调整扭矩以确保足够的预紧力，但又不损坏螺钉。由于螺钉和工作条件的不同，即使是熟练的操作人员也很难用适当的力来固定所有螺钉。尽管在将螺丝钉拧入螺丝孔时，操作员可以轻松确定对齐方式，但是对于自动机械而言，这并不是一件容易的事。因此，为了避免损坏螺丝和螺丝孔，需要一种控制方法或机械方式来学习对准。目前，PID（比例-积分-微分）控制是最常用的控制方法6-8，在实际应用中已被广泛接受并显示出良好的性能。然而在线性问题上，由于螺丝孔和螺丝之间的拧紧摩擦，螺丝和螺丝孔的材料，拧紧条件和环境温度以及相应的ASTS的动力学，螺丝的拧紧过程是不确定的并且是非线性的。因此，具有比例、微分和积分增益的固定值的简单PID控制器可能无法提供所需的拧紧性能9。在过去的几十年中，由于以下原因，使用模糊逻辑系统（FL）和神经网络（NNs）11、12的基于逼近的控制10已广泛应用于动力学未知的非线性系统13-15。它在某些紧定集上有通用逼近能力。由于神经网络和FL在处理动力学未知的复杂系统中具有出色的能力16，因此还采用了相关技术来解决实际系统中的控制问题，包括机器人操纵器17，螺钉连接18和轮式倒立摆。 19。为了控制螺钉的拧紧，在一些研究中提出了几种方法和算法。在9，18中，提出了一种无模型的模糊控制方法。在20中，提出了一种预载控制方法，并提出了一个数学模型来预测摩擦补偿的控制扭矩。此外，在21中，提出了一种角度控制方法。然而，尽管宝贵的研究文献22、5、9、20、21都对拧紧螺钉做出了重要贡献，但在设计螺钉拧紧工具时却忽略了机械灵活性。并且尽最大知识储备的作者，尚无重大研究报道将拧紧过程和螺钉拧紧轴集成为控制模型。在螺丝拧紧行业中，螺丝拧紧工具的机械灵活性非常重要，通过更精确的控制模型可以实现更好的控制性能。本文首次提出了一种模块化设计的自动螺丝拧紧轴（ASTS），它可以检测螺丝和螺丝孔之间的未对准情况。即使螺钉距螺钉孔偏离5mm，ASTS仍可以将螺钉拧至指定扭矩。ASTS的模型被认为是连接有减速器的直流伺服电机。此外，结合紧固过程，设计了基于模型的增强型可变增益PID控制器。控制目标是使紧固扭矩达到给定扭矩。数值仿真和实际实验结果验证了该控制方法的有效性。然后，本文的其余部分组织如下。在第2节中，介绍了拧紧轴系统的模块化设计。在第3节中，说明了ASTS控制模型；在第4节中，介绍了增强型可变增益PID控制；在第5和第6节中，通过仿真和实验结果验证了所提出控制的有效性；最后一节即第7节，是本文的结论。二 拧紧轴系统的模块化设计从图1可以看出，本文提出的ASTS安装在自动打开密封装置上，该装置用于自动打开和密封400L金属桶。找到螺丝或螺孔后，ASTS会自动应用到螺丝上。如图2所示，螺钉拧紧轴结构以伺服电机为动力单元，减速器和联轴器为传动部件，光电传感器和动态扭矩传感器为实时扭矩检测单元。此外，在前端，使弹簧感应板，调节套筒和前端套筒适于螺钉的调节。弹簧和调节套筒具有一定程度的拉伸自由度，因此可以促进螺钉的拧紧并且可以避免螺钉的晃动。同时，作为万向节，前端套筒可以适应不同的螺钉偏转角度，使螺钉的偏差在5mm以内。此外，所有四个模块都可以轻松卸下和更换。 图1 电子科技大学机器人中心的ASTS 图2.机械结构组成：（a）电动机; （b）减速器; （c）联轴器; （d）扭矩和角度传感器; （e）拧紧轴固定座; （f）弹簧; （g）光电传感器;（h）感应板; （i）调节套筒; （j）前端套筒 固定好定位螺钉后，如果ASTS的前端套筒偏离螺钉5毫米以上，则该螺钉将无法插入前端套筒。在这种情况下，调节模块的弹簧将被压缩，导致感应板上升，然后由于感应板的接近，光电传感器将发出警报信号，并停止拧紧螺钉。但是，如果前端套筒与螺钉的偏差小于5mm，则可以将螺钉成功地插入前端套筒，然后拧紧借助调节模块的灵活性，可以平稳地拧紧螺丝。在实际应用中，拧紧指示器会给出拧紧扭矩和规定的拧紧角度。对于本文提到的ASTS，其指定角度为2160。10，以避免在拧紧螺钉时发生螺钉卡住。换句话说，角度传感器和扭矩分别将螺丝拧紧角度和螺丝拧紧扭矩反馈给控制器，一旦螺丝拧紧扭矩达到所需的扭矩，扭矩控制器就会停止ASTS，而螺丝拧紧角度则不会。根据螺钉拧紧扭矩和螺钉拧紧角度之间的关系，定义了几个规则来防止螺钉卡住。同时，ASTS机制的适应性也防止了螺丝卡死的发生。三 轴控制系统 根据螺丝和螺母的模型，给出了恒定拧紧力矩的拧紧指示器。 因此，控制铸件达到给定的拧紧力矩成为控制目标。 如图3所示。 图3. 控制框图 图4.预紧力与螺旋转角的关系A. 紧固过程模型 在拧紧过程中，有三个关键变量，即预紧力、螺杆转角和拧紧力矩5,22,23。 预紧力与螺杆转角的关系如图4所示。 在图4中，可以看到预紧力与螺杆转角之间的关系。 紧缩过程可分为四个阶段: 闲置阶段、换乘阶段、线性阶段和超收点阶段，图4分别表示为 oa 段、 ab 段、 bc 段和 cd 段。在空转阶段，由于螺杆和螺孔在拧紧过程开始时没有接触，因此不存在预紧力。 在固定阶段，当螺杆与螺孔接触时，预紧力迅速增大。 然而，在这个阶段，很难预测螺杆的旋转转数。 一旦螺杆与螺孔完全连接，预紧力与螺杆转角呈线性关系，称为线性阶段。 超屈服点阶段从螺杆到达塑性变形点开始。 在这一阶段，预紧力随着螺杆转角的增大而减小。 这个阶段对螺钉和连接的目标是有害的。 因此，在实际应用中，拧紧力矩是在线性阶段控制的。同时，作为最有效的螺杆拧紧方法之一，扭矩-角法首先通过调整输出扭矩实现线性拧紧，然后通过控制转角实现给定的线性拧紧力矩。在实际操作中，由于空闲阶段和合并阶段是非常短暂的，我们假设紧缩过程发生在线性阶段。在线性阶段，我们可以知道: T = KFd ，（1）F=Cs Spq/360，（2）其中T和F分别为拧紧扭矩和预紧力;K是需要通过工程测试确认的实变量；q和d分别是螺钉的旋转角度和螺钉的公称直径，而Cs和Sp是系统刚度和螺距。根据这个方程，所有没有额外声明的变量和函数都与时间有关。根据（1）和（2），可以通过以下方式定义拧紧扭矩和螺钉旋转角度之间的关系：（3）这里 是未知的扭矩角系数应通过试验确认。其实是因为CS和SP都是常数，仅变量K* 受影响由K决定，该系数由综合摩擦系数确定为变量。因此，当综合摩擦系数变化很小时，K几乎等于未知常数。从（3）可以看出，螺丝转动角度和拧紧扭矩之间存在近似线性关系。B. ASTS控制模型该模板用于格式化纸张和设置文本样式。规定了所有页边距、列宽、行间距和文本字体；请不要更改它们。您可能会注意到其特点。例如，此模板中的页边距比常规测量的比例更大。该度量标准和其他度量方法是有意的，使用的规范会将您的论文作为整个程序的一部分，而不是独立的文件。请不要修改任何当前名称。ASTS可以看作是齿轮减速机中的直流伺服电机。此外，直流伺服电动机的电磁转矩方程可表示为: Te = Kti ， （4）机械运动方程可以表示为：（5）同时，直流伺服电机的电枢电路电压平衡方程为：（6）其中Te是电磁转矩；Kt为转矩常数；i代表电枢电路电流；TL是电机轴的负载转矩；为机械电机角速度；J表示电机轴的总等效转动惯量；R是电枢电路电阻；B是电动机的粘性阻尼系数；L和Ke分别为电枢电路电感和反电动势常数；和u是微分算子和电枢电路电压。 在ASTS中使用n：1减速器时，可以通过（3）将负载扭矩定义为TL= Tn,（7）r = 1nm ,（8）r是ASTS末端执行器角速度。然后根据（3），有 , （9）代入(4)、(7)、(8)至(5) ，可以得： （10）结合（6），（9）和（10），可以将ASTS控制模型化为：（11）其中n表示ASTS减速器的减速比。四 增强型可变增益PID 控制器设计对于普通的可变增益PID控制器，其基本思想是使积分值的累积速度与偏差的大小相匹配。积分作用减少为零以防止积分饱和系统偏差较大，但会加剧当系统偏离时提高速度的稳定性。更期望的是使比例系数的大小与偏差匹配。当系统偏差较大时，比例零件的作用会增强系统的动态性能，而当系统偏差较小时，比例零件的作用会减少以防止过冲。本文提出了一种基于改进的可变增益PID控制方法的增强型可变增益PID控制方法。A.增强型可变增益PID方法增强型可变增益PID控制算法的比例项和积分项可以表示为: , (12)其中Kp和Ki是比例增益和积分,常规PID控制方法的增益。T是采样时间,xe(k) 和 ye(k)是偏差 e(k)的函数。 随着e(k)增加，xe(k)增加，ye(k)相应减少。 当 e(k)减少时，xe(k) 减少，ye(k)相应增加。xe(k)的表达式可描述为：（13）其中需要确认参数e1，e2，kp1和kp2，以及0kp1kp2。一方面，选择这四个参数的值必须满足以下条件系统稳定性。另一方面，选择的e2值和kp2必须满足更快转矩的条件（受控对象）。而e1 和 kp1 必须满足无扭矩超调的条件。ye(k)的值在ki1，1之间变化，当|e(k)|e3时，积分项与一般项相同，目的是将积分作用量增加到最大值，并累加e(k)的当前值。当e3|e(k)|e3 +e4时，ye(k)的值在ki1，1，随 |e(k)| 的大小而变化，积分项累积部分电流值为e(k)。因此，积分速度的值在,当|e(k)|e3+e4,ye(k)的值等于ki1，将积分作用减到最小或停止e(k)的当前值的累加。为了扩大增强型变增益 PID 控制器的调节范围，在期望值变化不固定的情况下，参数e1、e2、e3 和e4 的取值必须根据最大偏差值来确定。 因此,通过（15）可以得到（15）其中最大emax 是控制器输入变化后期望值和反馈值之间的最大偏差值。 参数n1，n2，n3 和n4 需要确定,这一定满足0ni1,i=1,2,3,4, 0n1+n21和0n3+n4和 Ki10确定。表1 数据参数参数描述值PN直流额定功率伺服马达400WUN直流额定电压伺服马达48VTN直流额定转矩伺服马达1.27NmnN直流额定转速伺服马达3000rpmJ等效转动惯量0.000457kg.B粘滞阻尼系数0.03Nm/(rad/s)L直流伺服电机电抗0.0036HR直流伺服电机的电阻1.25Ke反电动势常数0.0753V/(rad/s)Kt转矩常数0.49N.m/ATm机电时间常数0.53msn减速比100A.不同控制方法的模拟测试 在该仿真中，将其他两个控制器与采用的增强型可变增益PID控制器进行了比较，它们分别是常规控制器和常规可变增益PID控制器。对应于不同控制方法的螺钉拧紧扭矩如图6所示，模拟结果如表2所示图6.拧紧扭矩的比较（a）使用增强型可变增益PID控制器的转矩（b）使用常规可变增益PID控制器的转矩（c）使用常规PID控制器的转矩 从图6和表2中可以明显看出，在拧紧时间最短且没有超调的情况下，增强型可变增益PID控制器具有最佳的控制性能。实验测试将在下面进行。表2. 不同控制器的仿真结果控制者收紧时间（s）最大扭矩/最终扭力（Nm）常规PID控制器13.151.2/50.375常规可变增益PID控制器10.250/50增强型变增益PID控制器9.150/50B.不同最大拧紧速度的模拟测试在该仿真中，探讨了拧紧螺丝的速度对扭矩精度的影响。直流电动机的实际额定转速为3000rpm，在所有模拟。为了说明角速度的影响，在此仿真中采用了三个最大角速度来调整减速器的减速比n。表3中示出了对应于调整后的减小比n的ASTS的最大角速度的值。此外，由于此仿真中的电枢电路电流无限，而在实际操作中无法实现，因此螺钉拧紧扭矩不会随着n的减小而减小。对应于不同n的螺钉拧紧扭矩如图7所示，模拟结果如表4所示。从图7和表3-4中可以明显看出，随着n的减小，螺钉拧紧的扭矩精度不会降低，即螺钉拧紧的扭矩精度不会随着高速而降低。这意味着使用增强型可变增益PID控制器，可以在较宽的拧紧速度范围内保证拧紧扭矩的精度。表3. 不同速度的ASTS 减速比ASTS的最大角速度100：1180/s50：1360/s10：11800/s扭力：Nm图7.紧固扭矩的比较（a）减速比为100：1的扭矩（b）减速比为50：1的扭矩（c）减速比为10：1的扭矩。表4.不同控制器的仿真结果减速比收紧时间（s）最大扭矩/最终扭力（Nm）10:12.650/5050:15.850/50100:19.150/50六 实验进行了两次测试以验证控制器是否有效。在测试1中，将四个控制器应用于ASTS以查看差异。在测试2中，设置了三个最大的ASTS拧紧速度，以证明不同的拧紧速度下拧紧精度的变化。ASTS拧紧过程如图8所示。A.测试1：使用不同控制器的性能比较在该测试中，采用了两种恒速控制器和常规PID控制器来与增强型可变增益PID控制器进行比较。在这两种恒速控制器中，ASTS末端执行器的转速分别设置为180/ s和90/s。对于PID控制器，通过反复试验获得比例、微分和积分增益。并且将螺钉拧紧扭矩的目标设定为50Nm。在该测试中，进行了三十次试验。但是，由于篇幅所限，在这所有30个试验的结果中，仅选择了一组结果来说明图9中的不同控制性能。表5中列出了每个控制器的平均拧紧扭矩和拧紧时间。图8. ASTS拧紧过程（a）螺钉已定位（b）螺钉正在拧紧（c）螺钉正在拧紧（d）螺钉已拧紧图9.拧紧扭矩的比较（a）恒速控制器的转矩（速度为180/s）（b）增强型可变增益PID控制器的转矩（c）PID控制器的转矩（d）恒速控制器的转矩（具有速度90/s）从测试结果可以看出，采用高电机恒速控制时，紧固扭矩的最终值比设定扭矩的最终值高得多。但是，当电动机转速低时，采用恒速控制的螺钉紧固速度较慢，并且仍然存在过转矩现象。PID控制方法显示出更好的输出性能，但螺丝拧紧速度也很慢，最终扭矩为51.04Nm。不过，增强型可变增益PID控制器可以在确保拧紧速度的同时实现对转矩的精确控制。值得一提的是，由于采用了螺杆的加工工艺和扭矩传感器的精度，即使使用增强型可变增益PID控制器也无法避免过转矩。表5.不同控制器的性能参数控制器平均收紧时间（s）平均拧紧扭矩（Nm）恒速控制器（速度180/s）11.470.105增强型变量的PID 控制器17.550.125PID 控制器23.5651.04恒速控制器（90/s）2653.275图10.不同的最大拧紧速度在增强的可变增益PID控制下输出的螺钉拧紧扭矩（a）最大拧紧速度为180/s的拧紧扭矩（b）最大拧紧速度为120/s的拧紧扭矩最大拧紧速度为90/s的拧紧扭矩表6.不同最大拧紧速度的性能参数最大拧紧速度（/s）平均收紧时间（s）平均拧紧扭矩（Nm）18017.550.12512031.4650.0859042.3550.025B.测试2：不同的最大拧紧速度会导致拧紧精度发生变化在此测试中，由于ASTS电动机的额定转矩，并且由于无法使用通过减小减速比来提高拧紧轴转速的方法（在V-B部分中采用），因此ASTS电动机的额定转速被设置为最大转速。并且将180/s，120/s和90/s的转速分别设置为最大转速。然后，使用建议的控制器，ASTS会以每个速度将螺钉拧紧十次，以便确定不同速度对拧紧精度的影响。与测试1相似，仅使用一组代表性的结果进行演示，如图10所示。同时，在三十次试验中获得的平均值如表6所示。从图10和表6可以看出，随着最大紧固速度的提高，螺钉紧固的精度降低。但是，从该实验中可以清楚地看到，将拧紧时间的实质增加（增加142）换成拧紧精度的小幅提高（提高0.2）是不值得的。此外，还表明，所提出的控制器对于大范围的拧紧速度具有良好的控制精度。七 结论 本文研究了安装在自动开封装置上的自动螺丝拧紧轴的PID控制方法。首先，模块化设计介绍了由调节模块、监控模块、传动模块和驱动模块组成的自动螺丝拧紧轴。然后，结合拧紧过程，获得参数未知的三阶控制对象。为了在未知时变参数的情况下实现紧固过程的良好控制性能，采用了增强型可变增益PID控制方法。模块化设计有助于确保拧紧过程中具有一定程度的物理灵活性，并且增强的可变增益PID控制可确保稳定而准确的控制效果。最后，基于仿真和实验结果，验证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拧紧模型的部分参数未知的情况下也可以实现高精度的转矩；（2）与常规的PID控制相比，所提出的控制方法需要更短的拧紧时间以实现更高的拧紧精度。（3）在相同的动态条件下，所提出的控制方法的紧固精度受最大紧固速度不同的影响要小于等速控制。致谢这项工作得到了中国国家基础研究计划（973计划）的资助（2011CB707005）。参考文献1S.Ogawa，T.Shimono，A.Kawamura和T.Nozaki，“工业方向上的位置控制以快速拧紧螺丝”，工业电子学会，IECON 2015年-第41届年会2S.Ganeshmurthy和S.A.Nassar，“非平行接触接头中螺栓紧固过程控制的有限元模拟”，制造科学与工程学报，第1卷。136（2），549558，20143C.M.Wolf和R.D.Lorenz，“将电动机驱动器用作传感器来提取空间相关信息以用于运动控制应用”， IEEE工业应用学报，第1卷。47（3），13441351，20114 T.Li，“讨论螺栓拧紧扭矩的计算方法”，炼油与化学工业，第1卷。11（4）, 419428，20145Y. Fan, C. Guo, and W. Meng，“基于现场总线控制系统的分布式多轴智能拧紧机的研究”，国际智能控制与信息处理会议（ICICIP），第415419，20106D. Lee,J.Allan和H.A .Thompson，“具有智能执行器的分布式系统的点控制”，控制工程实践，第1卷。9（11），1235-1244，20017O.Garpinger，T.Hagglund和K.J.Astrom，“ pid控制中的性能和鲁棒性之间的取舍”，过程控制杂志，第1卷。24（5），第568577，20148S.Ishizuka和I.Kajiwara，“使用同时摄动随机近似值的mimo系统的在线自适应pid控制先进机械设计系统与制造杂志，第一卷。9（2），36-42，20159C. Deters，H.K.Lam，E.L.Secco，H.A.Wurdemann，L.D.Seneviratne和K.Althoefer，“使用无模型模糊控制对风力发电机轮毂轴承组件进行精确的螺栓紧固”，控制系统技术，IEEE卷，第1期。23(1),1-12,201510W.Shi，“具有非对称控制增益矩阵和未知控制方向的mimo非线性系统的自适应模糊控制”，IEEE Transactions on Fuzzy Systems，22(22)，12881300,201411F.Zhao，M.Dong，Y.Qin,L.Gu和J. 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Matsuo，“带速度估计器的轮式倒立摆的自适应反步控制”，国际控制，自动化和系统杂志，第1卷。12, 1040-1048,201420X.Zhang，X.Wang和Y.Luo，“一种改进的扭矩方法，用于在微型螺栓接头的精密组装中进行预紧控制”，斯托尼斯基维斯尼克，第1卷。58(10)，578586,201221B.Housari，A.Alkelani和G.Yocum，“制定屈服后角控制拧紧策略的拧紧规范”，ASME 2012压力容器和管道会议，123-129,201222S.Izumi，T.Yokoyama，A.Iwasaki和S.Sakai，“螺纹紧固件的拧紧和松动机理的三维有限元分析”,工程失效分析，第1卷。12(4),604615,200523F.Esmaeili，M.Zehsaz和T.N. Chakherlou，“使用体积法研究拧紧扭矩对双搭接简单螺栓和混合（螺栓结合）接头疲劳强度的影响，”材料与设计，第1卷。63，349359,2014多头锁螺丝机Multi-head lock screw machine论文题目： 多头锁螺丝机设计 学生姓名学院名称专业名称班级名称学 号指导教师教师职称学 历目录摘要.Abstract.第一章 绪论.11.2 国内外发展现状.11.2.1 锁紧螺丝机的市场前景.21.2.2 国外发展现状.31.2.3 国内发展现状.41.3 课题来源.61.4 课题的主要要求.71.4.1 设计的主要内容.71.4.2 主要技术参数.71.4.3 设计要求.71.5 总体方案和技术路线.81.5.1 总体方案设计.81.5.2 技术路线.11第二章 传动装置的总体设计.122.1 传动方案设计.122.2 电动机的选择设计.122.2.1 电动机的选择类型.122.2.2 确定传动装置效率.122.2.3 选择电机的型号.132.2.4 计算传动装置的运动和动力参数.14第三章 丝杠传动的设计3.1 滚珠丝杠与滑动丝杠对比.153.2 丝杠传动的设计.153.2.1 滚珠丝杆的工作原理及结构形式.153.2.2 丝杠副的选用及计算.163.3 螺母的设计.243.3.1 选取螺母材料.243.3.2 确定螺母的高度.253.3.3 确定螺文工作圈数.253.3.4 螺母的实际高度.253.3.5 螺母螺纹牙的强度计算.253.3.6 螺母的强度计算.26第四章 滚动轴承的选择和设计.284.1 蜗杆轴承的选择设计.284.2 蜗杆轴承的校核.28第5章 项目管理和经济分析.315.1 项目管理内容.315.1.1 外购清单.315.2 结构安装说明.325.3 调试及验收管理.335.4 功能消耗、环境分析.335.5 本设计的成本核算.34总 结.35致 谢.36参考文献.37 摘要目前，中国固定螺丝机的发展才刚刚开始。国内的市场需求较大。随着中国工业力量的不断扩大，对工业技术方面的资金投入量的增加，涌入了大量的专业技术人才，加速了中国工业技术改革。通过不断发展，如今自动紧固螺丝机的类型也有许多种，如多轴自动紧固类螺丝机，旋转自动型，多头自动型，手持式自动型，落地式自动型等。一开始，我国的绝大部分自动螺丝机都是从国外进口的，如美国，德国等。我国机械行业不断地在进步，螺丝机等机械类产品也顺势而起，而且前景十分广阔，相关企业也在全面发展技术优化，成本改良。现如今，我国定制装备工业等领域发展极为优先，具体在珠江三角洲、上海、广东等大中城市郊区为主要生产基地。 最近这些年，我国引进了自动锁紧螺丝，各个公司对其对其抱有很大的期待。在这些螺丝机类型中，便携式自动螺丝机更受市场的欢迎，它在加工领域比较方便，价格也是比较便宜的，而一些低端和廉价的自动锁紧螺钉机生产占有大量的小型和微型制造市场，目前高端自动锁紧螺钉机的生产水平较低。本文设计是一种冶金工具用多头锁紧螺丝机，属于机械加工设备技术领域。 本实用新型包括冶金工具进给装置、冶金工具传动装置、多头锁紧螺钉装置、冶金工具回流装置和冶金工具进给装置，其包括: 冶金工具进给架和冶金工具振动进给机，冶金设备传动装置的传动帘设置在第一传动辊和循环中的第二传动辊上。多头锁紧螺钉装置包括锁紧螺钉架、锁紧螺钉机构和螺钉进料机构、冶金设备支承循环机构。本文中设计的多头锁紧螺钉机有很多的优点，它的稳定性高、效率高、自动化程度高、智能化程度高的优点和特点，而且具有良好的通用性和广泛的应用前景。关键词：多头 ；锁紧螺丝机 ；自动化 AbstractAt present, the development of screw engine in China is still in its infancy. Now our countrys 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 countrys 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第1章 绪论采用多头锁螺丝机代替常规的手动式锁丝机。 手动式锁丝机内容中含有电动螺丝刀或气动螺丝刀，他是用电动或是气动方式的改变来产生扭矩，这种产生扭矩的方式比人工操作更为快捷，这将大大减轻人工的体力操作，提高传统工作的效率。可是人工操作的话也会需要投入大量的人力。所以不管怎样，它的工作效率还是不尽人意的，我们还需继续在技术等方面加以改良。目前，中国自动螺丝机的发展仍处于起步阶段。中国对螺丝机的需求仍然很高。随着行业的发展，自动螺丝锁紧机的技术水平不断提高，产品种类繁多。当前，存在具有自动锁定的多头螺钉机，具有锁定的多轴自动螺钉机，具有锁定的旋转自动螺钉机，具有锁定的手动自动螺钉机，具有锁定的落地式自动螺钉机以及其他具有锁定的自动螺钉机。起初，我国大部分自动锁紧螺丝机是从国外进口的。 到如今以来，中国的机械类行业发展越来越好，在长江三角洲地区、上海、广东等大中城市郊区也有主要生产区。最近这些年，我国引进了自动锁紧螺丝机，各个公司企业对其抱有很大的期待。在这些螺丝机类型中，便携式自动螺丝机更受市场的欢迎，它在加工领域比较方便，价格也是比较便宜的，而一些低端和廉价的自动锁紧螺钉机生产占有大量的小型和微型制造市场，目前高端自动锁紧螺钉机的生产水平较低。1.2 国内外发展现状1.2.1 锁紧螺丝机的市场前景多头锁紧螺丝机的实用性与普通电动配料机相同，有很多的优点：工作效率高，操作方便，危险性也极低。总的来说，它的类型是比较全面的。一般情况下，螺丝机都是可以实现自动拧紧的，可是它的价格会偏高，所以在很少的情况才才会使用螺丝机操作。但是如今科技越来越发达，我国对机械行业也进行了一步步改革，所以在我国，生产使用螺丝机已经屡见不鲜。现在螺丝机在技术方面极为先进，价格方面也是经济实惠。所以，各个企业也是对多头锁紧螺丝机的前景极为看好。我国因为之前的技术发展比较落后，所以大多数螺丝机都是从国外进口的。但是如今，中国的技术水平，科技水平越来越发达，国内众多大小企业纷纷购用自动螺丝机的一系列产品。多头螺丝机既可用于流水线作业，也可用于制造商。而且质量方面也是能够得到保证的，很少会有机器故障，如果发生了，技术工作人员也会上门进行修理，保养等各项服务。机器保证方面做得足够好，相应着，成本也会相对较高。所以公司也会在能够使产品保证的同时，希望成本也要降低。所以他们开始把目光关注在自动化领域，希望产品自动化提高的同时能降低消耗的成本。到如今，我国虽然非标准自动化企业较多，可是技术等方面还是不够健全。而且推动各个企业竞争也会推动相关产业的发展，可是从现实来说，绝大部分的中小型企业有三大现实问题，资金的不足，人才的缺少以及市场较小。中小型企业想要发展，想要做大，就一定要解决这几个问题，并且能把握住机会。所以，管理人员一定要冷静的思考，工作人员要更加努力，用心做好所做的工作。但是这个行业入门很困难，他需要用到的知识很多。他整个加工，生产，售后也涉及到很多方面。所以公司上下万众一心是最为重要的。“做好部署，创建团队和领导团队”已成为每一个企业领导人的必修课程。然而，产业规格小，怎样处理各个分工也是面临的一个难题。因为降低所需要的成本，提高产品质量等问题是企业需要解决的重要问题，所以非标准的机械制造自动化已成为一个优先事项。目前中国有大量自动螺丝机制造厂，但规模小，技术落后，竞争激烈。近年来，随着经济的快速发展，中国在工业发展方面对全国乃至全球都做出了卓越贡献，巩固了中国作为世界第二大经济体的地位,我国也被大多数国家称之世界工厂。可是我国大部分公司还是在人工操作的初级时期。相比于其他发展较好的国家，他们的生产加工基本上实现了无人化全自动生产工作车间。然而在我国劳动力还是生产制造的中坚力量，这是两者最为突出的区别。 通过以上分析，本文设计的多头自动锁螺丝机，它的好处点有：操作方便，加工效率好，能实现产品快速加工。并且它有独立的机电一体化系统，独立完整的流水线确保了它良好的通用性和实用性。1.2.2 国外发展现状在工业发达的国家中，他们也早已对自动装配技术迈出深入研究的步伐。在二十世纪一二十年代，国外产生了世界上第一条汽车零件装配线，生产时间缩短为原来的4倍左右。在20世纪80年代，一位麻省理工学院的教授提出了自动化面向装配设计技术。1999年，威奇托州立大学研发一个产品自动装配系统，先进的自动化装配厂和生产线的出现，美国的宝鼎公司开发了一种基于调制瑞士成功拥有一条自动手表生产线这个先进自动化的螺丝机，波音公司的柔性装配技术极大地提高了飞机零部件的装配效率，带来了革命性的变化。 目前，自动化装配技术在美国、德国、日本等世界制造大国已达到较高水平。 图1.1为自动化装配线。图1.1a 自动化生产线 图1.1b自动化生产线在国外锁紧螺钉设备中，长期以来一直用于汽车、电脑、液晶面板、空气调节、电路板等诸多行业。1958年，联合控制公司开发了第一个机器人手。之后美国发明了一种具有触觉和视觉的双臂机械手，由于机械手有触感，所以在不对准工件的情况下也能非常精确地完成对准任务。当螺丝拧紧时，如果操纵者遇到阻力，螺丝可以回转。 在国外，自动锁紧螺钉设备早已应用于工业化的各个领域。 二十世纪四十年代，美国、德国等工业发达的国家一起进行了有关螺纹紧固的仔细探讨。制定了螺纹紧固件的国家标准。由于我国起步较晚，在这一领域较为落后，我国就借鉴了日本的三项技术标准。然后把这几项标准用在了我们工业技术的相关领域。1.2.3 国内发展现状我国工业机械发展相比于如美国、德国、日本等一些发达国家的发展偏晚。我们最开始是参考以及模仿它们的自动化装配技术，然后通过不断的引进、学习还有创新相关的技术。到迄今为止，在国内很多家企业的技术也已经追赶到了其他先进国家的技术。例如深圳驰速公司，它对于台式X-Y平台自动锁紧机构的研发是在世界前沿的，它的性能极其稳定，操作也比较简易。但是，自动锁螺钉设备主要是针对于平面的操作，就像是电脑内的螺丝，设备不能进行各种操作。我国锁紧螺钉行业目前还没有能够开发标准化自动锁紧螺钉设备的龙头企业或科研机构。国内手持式锁紧螺丝设备仍占有一半以上的市场。根本原因在于自动锁紧螺钉设备的价格较高，许多企业没有能力开发或购买设备，而自动锁紧螺钉设备是非标准设备，通用性低，且他对于螺钉锁紧方面有着巨大的要求。还有，我国绝大部分的产品确实不如国外的相关产品。但经过发展也已经逐步完善，可是还有很多的公司对其他厂家生产的设备不是很信任，所以他们宁可用更多的资金去从其他国家采购相关设备，这也是很大的一个问题，不过通过慢慢的发展沟通，我国的相关企业的产品质量会变得更好，其他企业也会更加信任本国的产品，相信自己的同胞。 图1.2 多轴式自动锁螺丝机当地厂家使用的螺丝机大多都是广东、浙江等地的厂家生产的手持式和半自动式。手动锁丝机可完成螺丝一次性输送并且锁紧，提高生产效率和减少劳动力。但手动锁丝机需要人们重复繁重的工作，容易划伤产品的外观，增加了生产的成本。半自动锁丝机主要是一种由振动盘的气动装置作为驱动部件，再结合PLC或单片机、传感器和接近开关的联合控制对螺丝进行锁紧。其工作过程是通过振动盘的振动将螺钉分类，然后将压缩空气高速吹入螺丝刀头，完成锁定。但在我国，相关锁丝机也没得到大范围的使用。它的具体原因有以下几点：（1）对螺钉尺寸要求非常严格，长度必须是5mm-18mm，直径必须是2.5 mm-5mm，螺钉只要尺寸达不到要求，那么他需要完成的工作也是很难完成的。（2）对螺杆精度也是很严格，必须是我们所需精度之间，否则机器总会发生各种故障，出现各种各样的问题。 （3）它的专一性很高，不能一种零件同时适用很多种的螺丝机，所以这点是需要以后我们慢慢进行改进的。（4）这种设备前期投入很大，如资金方面，相关材料较贵，人力物力的投入也很大。 国内学者从专业领域对锁紧螺钉设备进行了研究，并开发了专业领域的锁紧螺钉设备。按照内部结构不同、螺丝送料形式及锁附的形式，自动锁丝机可以分为以下几种类型：(1)按照机械执行结构不同，能分成以下种类: 坐标机型、机械关节型和转盘工作台自动锁螺丝机型。桌面型式和落地式构成了坐标机型，按照轴的数量不同能分成单轴、双轴和多轴式。机械关节型机器一般速度、空间上，有一定的使用需要，但是由于承载能力和刚性扭力不好，所以不经常被使用。转盘式自动锁紧螺钉机是一种多头集中在圆盘上的旋转紧固螺钉机，这种螺钉机一般用于全自动装配线。(2)根据运输方式的不同，能分成两种形式，吹气式以及吸取式。吸取式能是螺丝的输送率达到我们需要的要求；吹气式在管道中利用正压来传送螺钉，螺钉总长度与螺母直径之比为1:1.3，最小不小于1:1.2，保证了螺丝输送的准确性。与前者相比，后者的输送效率比前者高。所以，当螺丝的长度比满足所需要求时使用吹气式螺丝机，从而缩短螺杆的锁紧时间，提高锁丝的效率。 (3)根据锁的附加形式，可分为手持式自动螺杆机和多轴自动螺杆机XY工作台。 本实用新型涉及一种手持式自动锁紧螺丝机，要求工人一手握住电动螺丝刀头，另一手握住工件完成工作。成功锁定一个螺钉后，将配料器与另一个螺钉孔对齐。在当下，螺钉继续利用机器进给，操作人员再次工作，直到工作完成；另一种实用型利用气压驱动电机马达转动所产生的扭矩来锁定螺丝，具有精度高、节能、扭矩易于控制等优点。由于手动对准的螺丝孔的精度不高，所以这是手持设备的一个缺点。机器为了能够批量加工，所以设计多个电动螺丝刀，再安装一个振动盘供料，锁定螺丝的速度将大大提高。多轴自动螺丝机能自动锁定螺丝并检查锁定是否成功，若锁定失败，就会有警报信息来提醒工作人员进行操作。但由于多轴的轴数较多，所以不易控制，稳定性也不高。X-Y工作台面可分为以下三类: 第一是锁定工件的水平方向与锁付平台的水平方向相同，电动螺丝刀在垂直方向进行移动。第二种是锁定工件不移动，电动批头在3D空间移动。第三种是锁定工件运动，电动批头在另一个二维空间进行相应的运动。X-Y工作台式的自动螺丝机的工作较灵活，它可以修改工件上的孔坐标，以适应不同的锁紧工件。其效率远远高于手持式螺丝机，但不如多轴式自动螺丝机。螺钉锁紧装置是自动锁螺丝机进行锁紧螺钉的重要工序，并且螺钉锁紧的精度和效率也是非常重要的。1.3 课题来源本题目来生产企业，多头锁螺丝机是通过应用二维设计软件结合专业知识完成基于自动化三合一运送治具、多头螺丝锁紧和送出治具的设计。通过该设计题目，使我们在多头锁螺丝机的工作原理、工作过程、实用性。全面培训螺丝机产品结构方案论证设计和锁付系统设计、技术文件编制、文献综述和二维应用能力，在此基础上巩固了我们所学知识，并加以综合应用，得以使我们熟悉并掌握了正确的设计思想和方法，进一步培养了我们的工程应用能力。1.4 课题的主要要求1.4.1 设计的主要内容该设计包括多头锁螺丝机用途分析、多头锁螺丝机结构设计、输送电机选取计算，锁螺丝驱动电机选取计算、螺丝锁紧杆计算、部分传动轴计算、多头锁螺丝机总图绘制、标准零部件选取、项目管理和经济分析。多头锁螺丝机工作过程自动化，机动性好，操作简单。工作时需实现治具的自动送料和锁螺丝后的自动出料，双工位同时多头螺丝锁紧。输送速度可调、锁紧螺丝间距可调、锁紧力和锁紧速度可调。除锁紧工位位置调整手动实现，输送调速、锁紧调速、锁紧力均采用电机自动化控制。总体设计难度尚可。完成该毕业设计题目应具备二维软件应用能力1.4.2 主要技术参数1.锁螺丝机基于治具模型设计，治具信息详见任务书后附件。2.被锁螺旋长度=13589N4.确定丝杠副预紧力=其中2200733N5.行程补偿值与拉伸力（1）行程补偿值C=11.8式中查现代机床设计手册950110，（24）15温差取代入数据得C=32(2)预拉伸力1.95代入得4807N6.起支撑作用的轴承定型（1）计算支撑轴承所受的最大轴向载荷480722007007（2）轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60角接触推力球轴承（3）轴承内径d略小于40，=，取d30带入数据得2336N（4） 轴承预紧力：预力负荷（5） 参考现代机械设计手册选用轴承型号在d等于30mm时，求得预加负荷：所以选用型号为7602030TVP的轴承d30，预加负荷为29002336N7.丝杠副工作图设计(1)丝杠螺纹长度由表查得余程（2）两固定支承距离，丝杠L(3)行程起点离固定支承距离1290，13501410，308.传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度1）丝杠最小抗压刚度6.6 (3-6):丝杠底径：固定支承距离代入数据782N/2）丝杠最大抗压刚度 6 .6 (3-7)代入数据得9000 N/（2）支承轴承组合刚度1）一对预紧轴承的组合刚度 (3-8)：滚珠直径mm， Z：滚珠数：最大轴向工作载荷N 轴承接触角由现代机床设计手册查得7602030TVP轴承是预加载荷得3倍8700N/=375 N/ 2）支承轴承组合刚度750 N/3)丝杠副滚珠和滚道的接触刚度：现代机床设计手册上的刚度2150 N/, =2200N, =733N代入数据得1491 N/9.度验算及精度选择=3.5，Z17，（1） (3-9)代入前面所算数据得代入前面所算数据得已知800N, =0.2, =160N:静摩擦力，：静摩擦系数，：正压力（2）验算传动系统刚度；已知反向差值或重复定位精度为103025.6（3）传动系统刚度变化引起得定位误差（），代入5（4）确定精度：任意300mm内行程变动量对系统而言0.8定位精度定位精度为20/30014.3,丝杠精度取为3级12=15003.3螺母的设计3.3.1选取螺母材料螺旋传动常用的材料1.铸锡青铜合金：ZCuSn10P1,ZCuSn10Zn2,ZCuSn5PbZn5这一类材料的耐磨性好、耐蚀性好、切削性能良好，能适用于一般传动。2.铸铝青铜：ZCuAl9Fe4Ni4Mn2，ZCuAl10Fe3;铸铝黄铜:ZCuZn25Al6Fe3Mn3.3.2确定螺母的高度mm取65mm式中：-螺母的高度，/mm ； d2-螺纹中经，/mm ； =1.13.5，取=确定螺文工作圈数分析螺母整体，因为它在工作后，无法避免摩擦，摩擦后间隙也会随之改变，它也无法的及时调整过来。所以螺纹工作圈数不能够太多，最好的情况不能超过十圈。10圆整后取73.3.4螺母的实际高度3.3.5螺母螺纹牙的强度计算螺纹牙总会发生损坏，其他工件的挤压，工作后发生摩擦导致损坏，这都是它发生损坏的原因。而且螺母的硬度相比螺杆硬度要小。所以，要对其进行剪切强度以及弯曲强度的计算。比方说把一圈螺纹牙沿着大径D展开来看。那么能把它看成宽度是D的悬臂梁。所以，螺母每圈螺纹所受平均压力是，这个平均压力就作用在以螺纹中径D2为直径的圆周上，那么螺纹牙危险截面aa上的剪切强度条件就为： (3-10)在3-10公式中：b是螺纹牙根厚度，单位mm ；梯形螺纹b=0.65P，螺距P，单位mm。D是螺母的大经，单位mm ；-螺母材料的许用切应力，/Mpa ；可取80100MPa ；结论：螺母剪切强度够螺纹牙危险截面aa上的弯曲强度条件为：(3-11) 式中： l弯曲力臂，/mm。l(DD2）/ 2；b 螺母材料的许用弯曲应力，/MPa；可取b100150MPa 。b结论：螺母弯曲强度够3.3.6螺母的强度计算螺母被重载荷F作用，那么螺母下段悬置部分就会产生拉伸应力，螺母凸缘与底座的接触面上有挤压力，凸缘根部有弯曲应力。这些强度条件计算式分别为：螺母下段悬置部分的抗拉强度条件为：螺母凸缘的挤压强度条件为：螺母凸缘根部的弯曲强度条件为： (3-12) 式中： 螺母材料的许用拉伸应力，/MPa。可取0.83b；P螺母材料的许用挤压应力，/MPa。可取p（1.51.7）b内螺纹大径D4,=98mm , 外螺纹小径D3=70mm。则：59.9Mpa0.83150=124.5Mpa结论：螺母抗拉强度够26.5Mpap（1.51.7）b=1.560=90Mpa结论：螺母接触表面的挤压强度够b=120 Mpa结论：螺母凸缘根部的弯曲强度够第四章 滚动轴承的选择和设计4.1蜗杆轴承的选择设计蜗杆轴承由固定端和游动端两端支承，通常情况下固定端都是用两个角接触球轴承来承受蜗杆的轴向作用力。我们根据轴径初选固定端的轴承型号为7211AC；游动端只承受径向力，我们选用深沟球轴承，按照轴径我们初选游动端的轴承型号为6202。4.2蜗杆轴承的校核1蜗杆轴承的主要性能参数。通过查找设计手册，得到了7211AC轴承主要性能参数如下：查手册6202轴承主要性能参数如下：2轴承受力情况；X、Y值：冲击载荷系数 ：3当量动载荷4轴承寿命（球轴承）L10h48000h 寿命合格5当量静载荷、 、 、两式中取大值安全系数 6计算额定静载荷静载合格载荷系数 载荷分布系数f: 7可以用的转速N比实际工作转速1440r/min要大一些。结果：选择的轴承可以达到寿命和静载荷的要求。第五章 项目管理和经济分析5.1 项目管理内容本题目来自生产企业，多头锁螺丝机是通过应用二维设计软件结合专业知识完成基于自动化三合一运送治具、多头螺丝锁紧和送出治具的设计。项目来自于企业实际工厂生产所以除了对机构进行设计之外对项目的管理也至关重要。5.1.1 外购清单 类别内容序号 名称型号单位数量总价（元）供货周期备注1米思米联轴器MCSSC32-14个122711日2米思米联轴器SRJ-40C-19K6X12个1224.13日3米思米联轴器MCSLCLK40-12-10个1414.8711日4米思米联轴器CPCX19-8-6个1280.259日5三相异步电机Y132M2-6个141503日625W伺服电机MHMD042G1A个24383.143日7松下伺服电机MHMD042G32N个243503日9丝杆副FFZD4005-3-P31410x1290米31943个工作日10螺母ZCuSn10Pb1个212.42日11深沟球轴承7211AC/6202个238.72日5.2 结构安装说明图5.1a 多头锁螺丝机的结构示意图图5.1b 多头锁螺丝机的结构示意图在图5.1a中我们顺时针来看：1
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