【《某汽车发电机生产线自动拧紧工位装备电气控制系统设计》7000字】

某汽车发电机生产线自动拧紧工位装备电气控制系统设计中文摘要螺栓的拧紧被广泛应用在各种机械制造领域的各个部位,一般每台机器中就有数百上千的部件需要使用螺栓进行紧固的操作方法来对其进行安装,并且每台机器都需要许多人根据规定图纸中所指示的拧紧强度和力矩数值在不同的操作工位内完成拧紧,如果大批量生产,单靠一个人的手臂难以完成。为了能够使得生产的效率大大地提高,并且能够保证螺栓拧紧的力矩,所以自动式拧紧机就这样应运而生。本课题的目的是设计一款汽车交流发电机总成前后盖的合装拧紧工位（设备），该工位节拍要求较高，必须确保拧紧工序的可靠性。主要的工作原理就是针对双轴自动拧紧的设备,设计出与之相适应的电气控制系统,实现设备的自动输送-拧紧马达自动推进、自动拧紧和停止,辅助或者自动定位等功能。关键词：螺栓、拧紧力矩、自动拧紧机第一章前言 41.1课题研究背景和意义 41.2拧紧机发展现状 51.3设计软件介绍 5第二章螺纹联接的预紧 62.1为何预紧 62.2螺栓的预紧力 62.3预紧不当产生的后果 62.4控制预紧力的方法 72.5本章小结 8第三章自动拧紧机总体设计 93.1自动拧紧机结构设计 93.2拧紧机运行过程 93.3拧紧装置组成部分 103.4本章小结 10第四章控制系统设计 114.1控制系统原理 114.2控制系统的设计方案 124.3控制系统的硬件设计 124.4I/O分配及控制电路分析 154.5本章小结 16第五章拧紧机程序设计 175.1拧紧机程序 175.2开机和系统初始化 205.3主界面功能说明 205.4拧紧配方界面 215.5参数修改模块 215.6本章小结 22第六章设备主要核算 236.1标准和法律法规 236.2本次设计对安全、环境的分析 236.3经济核算 236.4本章小结 23参考文献： 25第一章前言1.1课题研究背景和意义螺纹联接是装配机器零件的最常用方法之一。在装配操作中经常使用的设备。是拧紧机，它可以固定的扭矩拧紧螺杆上的螺母，以达到固定的效果。在汽车装配生产线中更常见，例如，用于安装汽车的发动机端盖或者安装汽车轮胎。由于它拥有高可靠性和良好的重复性，这样就可以保证拧紧过程的要求，这样可以使工作人员更加轻松，并且能够减少一些不需要的支出。由于螺纹联接是现代机械制造中最经济并且是使用最广泛的制造方法之一，因此世界各国企业都非常重视它的研究。目前，工业生产中使用的大多数螺母拧紧机是气动的，其次是电机的，还有一些是液压推进机。其中单轴电动螺母拧紧机最为广泛使用，而多轴电动螺母拧紧机因难以制造，所涉及的线程连接机制和组装过程复杂，世界上只有很少的国家开发这种机器，并且性能不是很稳定且非常昂贵。汽车有着众多的零件，每个零部件都有自己的装配方法和工艺。要是有一个专业的转配工具，就会事半功倍。本次所要设计的是一款汽车交流发电机总成前后盖的合装拧紧工位（设备）的程序。图1.1螺纹拧紧机1.2拧紧机发展现状拧紧机的思想最早起源于美国，随后日本，英国，德国等西方国家相继开展研究。诞生了一批高质量生产拧紧机的企业。列如美国的库柏公司、德国的博世公司、意大利的欧博公司。图1.2美国的库柏公司的拧紧机图1.3意大利的欧博公司的拧紧机但我国自动拧紧机起步较晚，当时主要是借鉴日本的技术参数，但本身并无知识产权，所造的设备成本要远大于外商，不能很好的立足于市场环境。所以我国拧紧设备大多都还依赖进口，或者国外企业在我国投资生产销售。1.3设计软件介绍本次设计所使用的程序设计软件是西门子的博图软件，博途的英文名是TIAportal的简称，他是西门子公司开发的软件，是业界第一款具有统一工程配置和软件项目环境的自动化软件。图1.4博图软件第二章螺纹联接的预紧2.1为何预紧大部分螺纹联接的时候都需要预紧，将螺纹进行预拧是产品质量的首要保障，也是设备正常运行的前提。为了避免部件之间出现缝或严重的错位，进行螺纹的预紧就显的尤为重要了。2.2螺栓的预紧力螺栓的预紧力是螺栓与连接件之间由于拧紧螺栓时的拧紧力矩的作用而产生的沿螺栓轴向的预紧力。对于某些螺栓，拧紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与连接件之间的摩擦力有关。螺栓的轴向力通常与其疲劳程度成正比。将螺栓连接到电机时，将螺栓连接到气缸盖，主轴承螺栓等时，可以使用转矩控制方法，充分利用材料的强度，缩小零件的尺寸。2.3预紧不当产生的后果在螺纹连接过程中，螺栓拧得太紧，导致预紧力过度使用会导致螺栓断裂，螺纹齿断裂或零部件挤压变形。假定螺栓的正压力和在拧紧连接过程中产生的压，依靠它们之间的摩擦来承受外部载荷。如果功率不足，则连接不稳定。在操作设备的过程中，螺钉连接会受到设备本身和外部环境对螺纹连接的影响。通常，所有螺栓都是由疲劳引起的，为了减少螺栓上的周期性变化，可以通过减小预紧力来实现。但这也会增加负载变化的范围。图2.1拧紧前后盖设备2.4控制预紧力的方法2.4.1通过拧紧力矩控制预紧力在机械制造中，据实验研究预紧力跟螺栓本身的预紧力呈单调函数，也就是可以通过一些方法的计算就可以得出。但在现实中，要考虑到摩擦系数带来的偏差，有时候力矩不变的情况下，预紧力变化会很大。所以用这个方法的精度不高，误差较大。2.4.2通过螺母转角控制预紧力此方法就是在所需的预紧力下去计算测量螺母的转角量，然后根据转角量去预紧，使用这个方法的精度相对较高，大多工人都是用这个方法去测量2.4.3通过螺栓伸长量控制预紧力这个方法就可以避免摩擦、变形等因素产生的误差，因为这个方法只与螺栓的应力有关，所以只需要去调试它的伸长的量就可以控制预紧力的大小。因为精度较高，所以应用极为广泛。2.4.3通过螺栓张紧器控制预紧力使用螺栓张紧器对螺栓施加张力，使螺栓伸长，然后拧入螺母。当载荷卸载时，由于螺栓的收缩，在连接处会产生与拉力相等的预紧力。该方法可以提高预紧力的控制精度。螺栓预紧器对螺栓施加预紧力时没有摩擦力，所以这种方法适用于任何尺寸的螺栓，可以同时对一组螺栓施加预紧力，均匀压紧螺母和垫圈，不至于倾斜，影响预紧力的精确控制。2.4.5利用力矩转角控制预紧力拧紧力矩与控制预紧力的旋转角度的关系是，先给螺栓施加一定的力矩，然后将螺母旋转一定的角度，检查力矩和角度是否满足预期的旋转尺寸，避免过度或过度加重。扭矩角法是控制预紧力:首先用拧紧扭矩控制拧紧过程，直到达到扭矩值，确保螺母、螺栓、螺栓拧紧。然后它可以开始测量螺母的角，然后用这些角来控制拧紧过程和拧紧力矩。这种方法可以利用拧紧力矩和螺母旋转角度给定的信息，精确控制螺栓的预紧力，避免安装时过紧或欠紧。图2.2传统拧紧视图2.5本章小结通过去分析预紧力的重要性和预紧力的一些控制方法，可以有效地减少由于不正当拧紧产生的联接件产生相对位移，从而提高零件的使用寿命，使企业大大降低了生产成本。第三章自动拧紧机总体设计3.1自动拧紧机结构设计图3.1双头螺柱自动拧紧总装图设备框架2、亚克力板3、滑台支架4、工作台5、抬起机构6、床身组件3.2拧紧机运行过程3.2.1工作当需拧紧的配件固定在托盘上时，托盘带动被拧紧物自动旋转到拧紧滑台下方，电机启动使滑台下降到程序所规定的高度，拧紧轴高速旋转达到门槛扭矩值，然后低速旋转，分析额定扭矩值与实际检测到的扭矩值，最后拧紧轴旋转所需拧紧的配件，并到达其工艺拧紧水平。在完成拧紧之后，托盘旋转到拿放位，此时电机带动滑台上升至原高度，等候下一个零件的到来，以此反复。图3.2工作原理图3.2.2急停如果设备在工作过程中出现了一些意外，可以立即按下停止按钮来制动，独杜绝安全问题的发生。3.2.3复位如果设备不正常停止工作，需在工作人员排除故障后，在面板上找到复位键，按下并保持3秒，即会恢复原位。3.3拧紧装置组成部分本次设计的自动拧紧机最重要的组成部件就是检测扭矩的传感器，电机的驱动设备，以及PLC型号，选择适合的部件是决定拧紧机是否能正常使用且使拧紧机拥有较高精度的必要条件。3.4本章小结

本章通过对拧紧机结构的学习以及观看企业的拧紧设备获得了诸多启发，让我对拧紧机的组成有了更深刻的了解，在脑海里已经有了部件选择的初步计划，和程序设计的初步思路。第四章控制系统设计传统的自动拧紧机设计完全符合本专业机械电子工程的方向，因为它是由电子的部分和机械的部分组合而来的。它的两个最大组成部分是拧紧动作的执行机构和其控制系统。这种拧紧机不仅可以实现自动控制并且还可以测量多组数据进行大数据分析来分析结果。4.1控制系统原理在机械行业中，为了提高生产率，降低人力成本，企业通常采用自动化装配。但采用机械设备自动化的前提就是需要用系统来进行操作控制，所以控制系统在行业里就显得尤为重要。比如在此设计中当主轴扭矩传感器检测到了扭矩信号，会将此信号传递给中控单元，以此来分析调整电机来完成拧紧。本次设计的自动拧紧机的系统主要由动力与传动系统，轴的升降系统，扭矩的检测及反馈系统，还有用PLC来实现的控制系统。图4.1控制系统原理框图从控制原理图可以看出无论拧紧轴的数目有多少其实控制起来的本质都是一样的。本次毕设做的是双轴自动拧紧机，可以看到其是由人机交互的控制面板、1号2号轴控单元、以及主控单元组成的控制系统。这三个最重要的就是后两者，从图可以看到一根连接所有轴控的虚线，代表每个轴控部分都是相互连接传导数据的，轴控单元与主控单元也是如此。这样的设计简化了线路所产生的一些复杂问题，使工作人员能够更加方便的去操控设备，当设备出现故障时能够更好的找到问题所在。轴控部分：轴控单元主要有以下几点功能：接收主控单元传过来的指令来完成工作在工作期间将所产生的的数据和结果传回主控单元接收扭矩信号来控制伺服控制器从而使伺服电机等设备按规定工作主控部分：主控单元主要有以下几点功能：对各个轴控单元发送指令来控制它们完成工作存储工作期间产生的各项数据方便工作人员进行精度化调整接收各轴的反馈信息来调整指令显示部分：类似于平板一样的设备，工作人员就是在上面完成指令的操作。显示单元能够在必要的时间提醒工作者设备是否运转正常、参数是否发生改变，避免出现安全事故，并且能够非常轻松的在上面修改参数，了解设备运行状态。4.2控制系统的设计方案本次毕设所设计的自动拧紧设备采用plc进行控制，并且采用模块化结构设计，使用性能较高的PLC型号，发挥它应有的功能，比如两根轴控单元采用一个PLC来进行拧紧控制。再用一个PLC来控制轴控单元和主控单元，让他们能够顺利协作工作。为了降低设计成本，将选用物美价廉的交流伺服系统控制轴承部分，用平板作为显示部分，更直观的让工作人员进行操作。4.3控制系统的硬件设计4.3.1PLC的型号选择众所周知根据项目实际用途能做控制系统的设备常用的有三种分别是PLC、DCS、FCS.其中FCS是由美国开发的一个包含十几个子系统的巨大系统，一般用于军事、大型网络监控等场景，采用总线控制，具有划时代意义，其创新的特点，是世界上最具有发展潜力的控制系统。DCS也叫做分散控制系统，一般开发的时候像类似金字塔一样，一级一级开发，且每一级都有自己特定的规划，相互协调。由于生产水平的提高，DCS的硬件可靠性越来高，并且有众多开发人员参与开发，积累了非常多的技术，使得在开发时有很大的容错率，常用于国家电网的电力控制。PLC系统控制是诞生于工业生产环境下的产物，它集成度极高具有非常高的可靠性，由于面向的是大部分在生产环境下的人，PLC采用立极为简单的编程指令，且安装极为方便运行的时候非常迅速。得到了众多开发者的喜爱。可用于多场景。图4.3西门子PLCS7-200型号从上述讲的几种控制系统，经过多方面考虑，最终选择了PLC作为本次毕设的控制系统，然后选择了一款性价比高的小型PLC型号如图4.3。经过对比和后面器材的一些要求，最终选择cpu的型号是226型号。当然，选择了PLC具体型号之后就是选择开发环境，在市面上，有不少能够对plc进行开发的软件，但是功能最全的还是属于西门子自己开发的全自动化开发软件博图。博图能够大大提高编程的可靠性，并且拥有很多实用的功能，所以最终选择了博图软件作为开发工具。4.3.2显示部分显示部分就是咱们经常说的人机交互，这是人与计算机沟通的桥梁。当今世界计算机发展越来越快，研究人员一直以来想将计算机做的越来越小，越来越实用，因为人机交互可以解决很多复杂的问题，工作人员可能只需要手指就能够控制机器的运行，查看机器的运行状态，大大简化以往改变参数就需要电脑重新编程的困境。它的输入方式也很简单，主要就分为ask模式、sampling模式、event模式并且用于医院、航空、驾驶等众多领域。本次设计的自动拧紧机显示部分，将采用触控式的一体机，因为对比其他品类，触控式用在自动拧紧机上操控起来最为方便。初步选择戴尔一体机品牌。4.2.3动力及传动部分拧紧机轴控部分最重要的部分之一就是动力部分，能够输出稳定的动力的设备就是由伺服电机来完成的。图4.41FL6032-2AF21-1AH1伺服电机及驱动器伺服电机相比步进电机，其解决了步失问题，大大提高了精度。因为自动拧紧机开始阶段需要有一段高速运转，伺服电机的额定转速很高，完美的适配上了。且伺服电机的负载能力很强，能够适用于像拧紧机这样需要快速启动的这种设备。人们大多选择伺服电机的原因还有其稳定，噪音极低的特性。4.3.4扭矩传感器拧紧机想要知道自己是否拧紧，就需要知道被拧部件的扭矩值是否达到其工艺要求的扭矩值，扭矩传感器由此而生。扭矩传感器的工作原理就是将物体产生的物理信号转化为电信号的过程，它拥有检测速度快且检测精度高，使用年限长等一些优秀的特点，本次设计选择的是如图4.5选择的传感器图4.5ZRN503扭矩传感器4.4I/O分配及控制电路分析图4.6I/O分配表通过本章4.1原理图的设计，可列出如图所示的I/O分配表并作出电路图图4.7主电源图本次设计的拧紧机采用的是三相交流电（380v）。如图4.7所示图4.8控制电源电路图本次设计的电路右侧为为交流电出处，左侧电路用整流器将交流电转化为24v的直流电对电源进行分配图4.9控制电路图大部分的伺服电机都是采用24v的直流电进行运转的，此次设计的图4.9的左侧就是它的控制区域。4.5本章小结通过本章的设计与学习懂得了设计部件时候要综合考虑成本、型号、大小等因素，只有适合的才是最好的，不能一昧的追求贵的，只有这样才能造出物美价廉的产品，这样才能提高产品的竞争力。第五章拧紧机程序设计图5.1结构框图系统结构设计如图5.1所示，通过对设计图及原理图的分析，便可利用开发工具进行程序的编写5.1拧紧机程序在此次设计中，采用的是博图作为开发工具去编写拧紧机的程序图5.2图5.3图5.4图5.5图5.65.2开机和系统初始化打开主机需要做一些前期的准备，首先要确保设备处于设计时候规定的电压，并且还要确认设备是否接地，来确保不会发生安全问题，然后打开主机且打开PLC的电源，程序即可启动，PLC首先会对硬件设备进行自检，在确定没有任何问题之后，会给程序变量一个初始值，系统便进入了初始化状态。5.3主界面功能说明图5.7自动拧紧机控制系统主界面自动拧紧机操作界面如图所示，可以看到中间绿框有“设备原点”、“设备运行中”这是反应设备是否启动的标志。旁边可切换手动状态，离线状态的时候可以进行手动切换我们所需的型号。当设备做完一系列操作时，可以按复位启动来重新初始化启动。中间的坐标就是此时的具体方位信息。最右侧就是螺栓的扭矩信息和角度信息。最后就是下面的一系列菜单。5.4拧紧配方界面图5.8拧紧配方界面通过如图界面，我们可以看到上方有“参数写入”“参数读取”的选项，在我们进行测试的时候可以看到所测的数据，可以随时切换来进行调试，极为方便。最下方为一些列菜单。5.5参数修改模块图5.8用户登录界面为了防止其他人修改数据导致拧紧机工作失效，故专门设计了登录系统来防止他人篡改，只有工作人员才有权限进行登录调试。图5.9参数调整设置界面此界面是专门用来进行伺服调整的，只需要按下每个伺服旁边调角度的按钮就可以完成调整，如果调整完毕只需按下界面最右边传送即可。5.6本章小结通过本章的学习设计了程序的结构框图，这对于后面的编程方式起到了很大的作用，这让我知道了做任何事情之前需要有一定的计划，这样会事半功倍不至于难以取得进展。第六章设备主要核算6.1标准和法律法规本次自动拧紧机的设计有电路的设计标准、控制系统的设计标准、界面的设计标准。此次设计为设计相关法律法规6.2本次设计对安全、