某汽車發(fā)電機生產(chǎn)線自動擰緊工位裝備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計中文摘要螺栓的擰緊被廣泛應(yīng)用在各種機械制造領(lǐng)域的各個部位,一般每臺機器中就有數(shù)百上千的部件需要使用螺栓進行緊固的操作方法來對其進行安裝,并且每臺機器都需要許多人根據(jù)規(guī)定圖紙中所指示的擰緊強度和力矩數(shù)值在不同的操作工位內(nèi)完成擰緊,如果大批量生產(chǎn),單靠一個人的手臂難以完成。為了能夠使得生產(chǎn)的效率大大地提高,并且能夠保證螺栓擰緊的力矩,所以自動式擰緊機就這樣應(yīng)運而生。本課題的目的是設(shè)計一款汽車交流發(fā)電機總成前后蓋的合裝擰緊工位（設(shè)備），該工位節(jié)拍要求較高，必須確保擰緊工序的可靠性。主要的工作原理就是針對雙軸自動擰緊的設(shè)備,設(shè)計出與之相適應(yīng)的電氣控制系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備的自動輸送-擰緊馬達自動推進、自動擰緊和停止,輔助或者自動定位等功能。關(guān)鍵詞：螺栓、擰緊力矩、自動擰緊機第一章前言 41.1課題研究背景和意義 41.2擰緊機發(fā)展現(xiàn)狀 51.3設(shè)計軟件介紹 5第二章螺紋聯(lián)接的預(yù)緊 62.1為何預(yù)緊 62.2螺栓的預(yù)緊力 62.3預(yù)緊不當(dāng)產(chǎn)生的后果 62.4控制預(yù)緊力的方法 72.5本章小結(jié) 8第三章自動擰緊機總體設(shè)計 93.1自動擰緊機結(jié)構(gòu)設(shè)計 93.2擰緊機運行過程 93.3擰緊裝置組成部分 103.4本章小結(jié) 10第四章控制系統(tǒng)設(shè)計 114.1控制系統(tǒng)原理 114.2控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 124.3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 124.4I/O分配及控制電路分析 154.5本章小結(jié) 16第五章擰緊機程序設(shè)計 175.1擰緊機程序 175.2開機和系統(tǒng)初始化 205.3主界面功能說明 205.4擰緊配方界面 215.5參數(shù)修改模塊 215.6本章小結(jié) 22第六章設(shè)備主要核算 236.1標準和法律法規(guī) 236.2本次設(shè)計對安全、環(huán)境的分析 236.3經(jīng)濟核算 236.4本章小結(jié) 23參考文獻： 25第一章前言1.1課題研究背景和意義螺紋聯(lián)接是裝配機器零件的最常用方法之一。在裝配操作中經(jīng)常使用的設(shè)備。是擰緊機，它可以固定的扭矩擰緊螺桿上的螺母，以達到固定的效果。在汽車裝配生產(chǎn)線中更常見，例如，用于安裝汽車的發(fā)動機端蓋或者安裝汽車輪胎。由于它擁有高可靠性和良好的重復(fù)性，這樣就可以保證擰緊過程的要求，這樣可以使工作人員更加輕松，并且能夠減少一些不需要的支出。由于螺紋聯(lián)接是現(xiàn)代機械制造中最經(jīng)濟并且是使用最廣泛的制造方法之一，因此世界各國企業(yè)都非常重視它的研究。目前，工業(yè)生產(chǎn)中使用的大多數(shù)螺母擰緊機是氣動的，其次是電機的，還有一些是液壓推進機。其中單軸電動螺母擰緊機最為廣泛使用，而多軸電動螺母擰緊機因難以制造，所涉及的線程連接機制和組裝過程復(fù)雜，世界上只有很少的國家開發(fā)這種機器，并且性能不是很穩(wěn)定且非常昂貴。汽車有著眾多的零件，每個零部件都有自己的裝配方法和工藝。要是有一個專業(yè)的轉(zhuǎn)配工具，就會事半功倍。本次所要設(shè)計的是一款汽車交流發(fā)電機總成前后蓋的合裝擰緊工位（設(shè)備）的程序。圖1.1螺紋擰緊機1.2擰緊機發(fā)展現(xiàn)狀擰緊機的思想最早起源于美國，隨后日本，英國，德國等西方國家相繼開展研究。誕生了一批高質(zhì)量生產(chǎn)擰緊機的企業(yè)。列如美國的庫柏公司、德國的博世公司、意大利的歐博公司。圖1.2美國的庫柏公司的擰緊機圖1.3意大利的歐博公司的擰緊機但我國自動擰緊機起步較晚，當(dāng)時主要是借鑒日本的技術(shù)參數(shù)，但本身并無知識產(chǎn)權(quán)，所造的設(shè)備成本要遠大于外商，不能很好的立足于市場環(huán)境。所以我國擰緊設(shè)備大多都還依賴進口，或者國外企業(yè)在我國投資生產(chǎn)銷售。1.3設(shè)計軟件介紹本次設(shè)計所使用的程序設(shè)計軟件是西門子的博圖軟件，博途的英文名是TIAportal的簡稱，他是西門子公司開發(fā)的軟件，是業(yè)界第一款具有統(tǒng)一工程配置和軟件項目環(huán)境的自動化軟件。圖1.4博圖軟件第二章螺紋聯(lián)接的預(yù)緊2.1為何預(yù)緊大部分螺紋聯(lián)接的時候都需要預(yù)緊，將螺紋進行預(yù)擰是產(chǎn)品質(zhì)量的首要保障，也是設(shè)備正常運行的前提。為了避免部件之間出現(xiàn)縫或嚴重的錯位，進行螺紋的預(yù)緊就顯的尤為重要了。2.2螺栓的預(yù)緊力螺栓的預(yù)緊力是螺栓與連接件之間由于擰緊螺栓時的擰緊力矩的作用而產(chǎn)生的沿螺栓軸向的預(yù)緊力。對于某些螺栓，擰緊力的大小與螺栓的擰緊力矩、螺栓與螺母之間的摩擦力、螺母與連接件之間的摩擦力有關(guān)。螺栓的軸向力通常與其疲勞程度成正比。將螺栓連接到電機時，將螺栓連接到氣缸蓋，主軸承螺栓等時，可以使用轉(zhuǎn)矩控制方法，充分利用材料的強度，縮小零件的尺寸。2.3預(yù)緊不當(dāng)產(chǎn)生的后果在螺紋連接過程中，螺栓擰得太緊，導(dǎo)致預(yù)緊力過度使用會導(dǎo)致螺栓斷裂，螺紋齒斷裂或零部件擠壓變形。假定螺栓的正壓力和在擰緊連接過程中產(chǎn)生的壓，依靠它們之間的摩擦來承受外部載荷。如果功率不足，則連接不穩(wěn)定。在操作設(shè)備的過程中，螺釘連接會受到設(shè)備本身和外部環(huán)境對螺紋連接的影響。通常，所有螺栓都是由疲勞引起的，為了減少螺栓上的周期性變化，可以通過減小預(yù)緊力來實現(xiàn)。但這也會增加負載變化的范圍。圖2.1擰緊前后蓋設(shè)備2.4控制預(yù)緊力的方法2.4.1通過擰緊力矩控制預(yù)緊力在機械制造中，據(jù)實驗研究預(yù)緊力跟螺栓本身的預(yù)緊力呈單調(diào)函數(shù)，也就是可以通過一些方法的計算就可以得出。但在現(xiàn)實中，要考慮到摩擦系數(shù)帶來的偏差，有時候力矩不變的情況下，預(yù)緊力變化會很大。所以用這個方法的精度不高，誤差較大。2.4.2通過螺母轉(zhuǎn)角控制預(yù)緊力此方法就是在所需的預(yù)緊力下去計算測量螺母的轉(zhuǎn)角量，然后根據(jù)轉(zhuǎn)角量去預(yù)緊，使用這個方法的精度相對較高，大多工人都是用這個方法去測量2.4.3通過螺栓伸長量控制預(yù)緊力這個方法就可以避免摩擦、變形等因素產(chǎn)生的誤差，因為這個方法只與螺栓的應(yīng)力有關(guān)，所以只需要去調(diào)試它的伸長的量就可以控制預(yù)緊力的大小。因為精度較高，所以應(yīng)用極為廣泛。2.4.3通過螺栓張緊器控制預(yù)緊力使用螺栓張緊器對螺栓施加張力，使螺栓伸長，然后擰入螺母。當(dāng)載荷卸載時，由于螺栓的收縮，在連接處會產(chǎn)生與拉力相等的預(yù)緊力。該方法可以提高預(yù)緊力的控制精度。螺栓預(yù)緊器對螺栓施加預(yù)緊力時沒有摩擦力，所以這種方法適用于任何尺寸的螺栓，可以同時對一組螺栓施加預(yù)緊力，均勻壓緊螺母和墊圈，不至于傾斜，影響預(yù)緊力的精確控制。2.4.5利用力矩轉(zhuǎn)角控制預(yù)緊力擰緊力矩與控制預(yù)緊力的旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系是，先給螺栓施加一定的力矩，然后將螺母旋轉(zhuǎn)一定的角度，檢查力矩和角度是否滿足預(yù)期的旋轉(zhuǎn)尺寸，避免過度或過度加重。扭矩角法是控制預(yù)緊力:首先用擰緊扭矩控制擰緊過程，直到達到扭矩值，確保螺母、螺栓、螺栓擰緊。然后它可以開始測量螺母的角，然后用這些角來控制擰緊過程和擰緊力矩。這種方法可以利用擰緊力矩和螺母旋轉(zhuǎn)角度給定的信息，精確控制螺栓的預(yù)緊力，避免安裝時過緊或欠緊。圖2.2傳統(tǒng)擰緊視圖2.5本章小結(jié)通過去分析預(yù)緊力的重要性和預(yù)緊力的一些控制方法，可以有效地減少由于不正當(dāng)擰緊產(chǎn)生的聯(lián)接件產(chǎn)生相對位移，從而提高零件的使用壽命，使企業(yè)大大降低了生產(chǎn)成本。第三章自動擰緊機總體設(shè)計3.1自動擰緊機結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3.1雙頭螺柱自動擰緊總裝圖設(shè)備框架2、亞克力板3、滑臺支架4、工作臺5、抬起機構(gòu)6、床身組件3.2擰緊機運行過程3.2.1工作當(dāng)需擰緊的配件固定在托盤上時，托盤帶動被擰緊物自動旋轉(zhuǎn)到擰緊滑臺下方，電機啟動使滑臺下降到程序所規(guī)定的高度，擰緊軸高速旋轉(zhuǎn)達到門檻扭矩值，然后低速旋轉(zhuǎn)，分析額定扭矩值與實際檢測到的扭矩值，最后擰緊軸旋轉(zhuǎn)所需擰緊的配件，并到達其工藝擰緊水平。在完成擰緊之后，托盤旋轉(zhuǎn)到拿放位，此時電機帶動滑臺上升至原高度，等候下一個零件的到來，以此反復(fù)。圖3.2工作原理圖3.2.2急停如果設(shè)備在工作過程中出現(xiàn)了一些意外，可以立即按下停止按鈕來制動，獨杜絕安全問題的發(fā)生。3.2.3復(fù)位如果設(shè)備不正常停止工作，需在工作人員排除故障后，在面板上找到復(fù)位鍵，按下并保持3秒，即會恢復(fù)原位。3.3擰緊裝置組成部分本次設(shè)計的自動擰緊機最重要的組成部件就是檢測扭矩的傳感器，電機的驅(qū)動設(shè)備，以及PLC型號，選擇適合的部件是決定擰緊機是否能正常使用且使擰緊機擁有較高精度的必要條件。3.4本章小結(jié)

本章通過對擰緊機結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)以及觀看企業(yè)的擰緊設(shè)備獲得了諸多啟發(fā)，讓我對擰緊機的組成有了更深刻的了解，在腦海里已經(jīng)有了部件選擇的初步計劃，和程序設(shè)計的初步思路。第四章控制系統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)的自動擰緊機設(shè)計完全符合本專業(yè)機械電子工程的方向，因為它是由電子的部分和機械的部分組合而來的。它的兩個最大組成部分是擰緊動作的執(zhí)行機構(gòu)和其控制系統(tǒng)。這種擰緊機不僅可以實現(xiàn)自動控制并且還可以測量多組數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析來分析結(jié)果。4.1控制系統(tǒng)原理在機械行業(yè)中，為了提高生產(chǎn)率，降低人力成本，企業(yè)通常采用自動化裝配。但采用機械設(shè)備自動化的前提就是需要用系統(tǒng)來進行操作控制，所以控制系統(tǒng)在行業(yè)里就顯得尤為重要。比如在此設(shè)計中當(dāng)主軸扭矩傳感器檢測到了扭矩信號，會將此信號傳遞給中控單元，以此來分析調(diào)整電機來完成擰緊。本次設(shè)計的自動擰緊機的系統(tǒng)主要由動力與傳動系統(tǒng)，軸的升降系統(tǒng)，扭矩的檢測及反饋系統(tǒng)，還有用PLC來實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。圖4.1控制系統(tǒng)原理框圖從控制原理圖可以看出無論擰緊軸的數(shù)目有多少其實控制起來的本質(zhì)都是一樣的。本次畢設(shè)做的是雙軸自動擰緊機，可以看到其是由人機交互的控制面板、1號2號軸控單元、以及主控單元組成的控制系統(tǒng)。這三個最重要的就是后兩者，從圖可以看到一根連接所有軸控的虛線，代表每個軸控部分都是相互連接傳導(dǎo)數(shù)據(jù)的，軸控單元與主控單元也是如此。這樣的設(shè)計簡化了線路所產(chǎn)生的一些復(fù)雜問題，使工作人員能夠更加方便的去操控設(shè)備，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時能夠更好的找到問題所在。軸控部分：軸控單元主要有以下幾點功能：接收主控單元傳過來的指令來完成工作在工作期間將所產(chǎn)生的的數(shù)據(jù)和結(jié)果傳回主控單元接收扭矩信號來控制伺服控制器從而使伺服電機等設(shè)備按規(guī)定工作主控部分：主控單元主要有以下幾點功能：對各個軸控單元發(fā)送指令來控制它們完成工作存儲工作期間產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)方便工作人員進行精度化調(diào)整接收各軸的反饋信息來調(diào)整指令顯示部分：類似于平板一樣的設(shè)備，工作人員就是在上面完成指令的操作。顯示單元能夠在必要的時間提醒工作者設(shè)備是否運轉(zhuǎn)正常、參數(shù)是否發(fā)生改變，避免出現(xiàn)安全事故，并且能夠非常輕松的在上面修改參數(shù)，了解設(shè)備運行狀態(tài)。4.2控制系統(tǒng)的設(shè)計方案本次畢設(shè)所設(shè)計的自動擰緊設(shè)備采用plc進行控制，并且采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用性能較高的PLC型號，發(fā)揮它應(yīng)有的功能，比如兩根軸控單元采用一個PLC來進行擰緊控制。再用一個PLC來控制軸控單元和主控單元，讓他們能夠順利協(xié)作工作。為了降低設(shè)計成本，將選用物美價廉的交流伺服系統(tǒng)控制軸承部分，用平板作為顯示部分，更直觀的讓工作人員進行操作。4.3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.3.1PLC的型號選擇眾所周知根據(jù)項目實際用途能做控制系統(tǒng)的設(shè)備常用的有三種分別是PLC、DCS、FCS.其中FCS是由美國開發(fā)的一個包含十幾個子系統(tǒng)的巨大系統(tǒng)，一般用于軍事、大型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等場景，采用總線控制，具有劃時代意義，其創(chuàng)新的特點，是世界上最具有發(fā)展?jié)摿Φ目刂葡到y(tǒng)。DCS也叫做分散控制系統(tǒng)，一般開發(fā)的時候像類似金字塔一樣，一級一級開發(fā)，且每一級都有自己特定的規(guī)劃，相互協(xié)調(diào)。由于生產(chǎn)水平的提高，DCS的硬件可靠性越來高，并且有眾多開發(fā)人員參與開發(fā)，積累了非常多的技術(shù)，使得在開發(fā)時有很大的容錯率，常用于國家電網(wǎng)的電力控制。PLC系統(tǒng)控制是誕生于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的產(chǎn)物，它集成度極高具有非常高的可靠性，由于面向的是大部分在生產(chǎn)環(huán)境下的人，PLC采用立極為簡單的編程指令，且安裝極為方便運行的時候非常迅速。得到了眾多開發(fā)者的喜愛?？捎糜诙鄨鼍啊D4.3西門子PLCS7-200型號從上述講的幾種控制系統(tǒng)，經(jīng)過多方面考慮，最終選擇了PLC作為本次畢設(shè)的控制系統(tǒng)，然后選擇了一款性價比高的小型PLC型號如圖4.3。經(jīng)過對比和后面器材的一些要求，最終選擇cpu的型號是226型號。當(dāng)然，選擇了PLC具體型號之后就是選擇開發(fā)環(huán)境，在市面上，有不少能夠?qū)lc進行開發(fā)的軟件，但是功能最全的還是屬于西門子自己開發(fā)的全自動化開發(fā)軟件博圖。博圖能夠大大提高編程的可靠性，并且擁有很多實用的功能，所以最終選擇了博圖軟件作為開發(fā)工具。4.3.2顯示部分顯示部分就是咱們經(jīng)常說的人機交互，這是人與計算機溝通的橋梁。當(dāng)今世界計算機發(fā)展越來越快，研究人員一直以來想將計算機做的越來越小，越來越實用，因為人機交互可以解決很多復(fù)雜的問題，工作人員可能只需要手指就能夠控制機器的運行，查看機器的運行狀態(tài)，大大簡化以往改變參數(shù)就需要電腦重新編程的困境。它的輸入方式也很簡單，主要就分為ask模式、sampling模式、event模式并且用于醫(yī)院、航空、駕駛等眾多領(lǐng)域。本次設(shè)計的自動擰緊機顯示部分，將采用觸控式的一體機，因為對比其他品類，觸控式用在自動擰緊機上操控起來最為方便。初步選擇戴爾一體機品牌。4.2.3動力及傳動部分擰緊機軸控部分最重要的部分之一就是動力部分，能夠輸出穩(wěn)定的動力的設(shè)備就是由伺服電機來完成的。圖4.41FL6032-2AF21-1AH1伺服電機及驅(qū)動器伺服電機相比步進電機，其解決了步失問題，大大提高了精度。因為自動擰緊機開始階段需要有一段高速運轉(zhuǎn)，伺服電機的額定轉(zhuǎn)速很高，完美的適配上了。且伺服電機的負載能力很強，能夠適用于像擰緊機這樣需要快速啟動的這種設(shè)備。人們大多選擇伺服電機的原因還有其穩(wěn)定，噪音極低的特性。4.3.4扭矩傳感器擰緊機想要知道自己是否擰緊，就需要知道被擰部件的扭矩值是否達到其工藝要求的扭矩值，扭矩傳感器由此而生。扭矩傳感器的工作原理就是將物體產(chǎn)生的物理信號轉(zhuǎn)化為電信號的過程，它擁有檢測速度快且檢測精度高，使用年限長等一些優(yōu)秀的特點，本次設(shè)計選擇的是如圖4.5選擇的傳感器圖4.5ZRN503扭矩傳感器4.4I/O分配及控制電路分析圖4.6I/O分配表通過本章4.1原理圖的設(shè)計，可列出如圖所示的I/O分配表并作出電路圖圖4.7主電源圖本次設(shè)計的擰緊機采用的是三相交流電（380v）。如圖4.7所示圖4.8控制電源電路圖本次設(shè)計的電路右側(cè)為為交流電出處，左側(cè)電路用整流器將交流電轉(zhuǎn)化為24v的直流電對電源進行分配圖4.9控制電路圖大部分的伺服電機都是采用24v的直流電進行運轉(zhuǎn)的，此次設(shè)計的圖4.9的左側(cè)就是它的控制區(qū)域。4.5本章小結(jié)通過本章的設(shè)計與學(xué)習(xí)懂得了設(shè)計部件時候要綜合考慮成本、型號、大小等因素，只有適合的才是最好的，不能一昧的追求貴的，只有這樣才能造出物美價廉的產(chǎn)品，這樣才能提高產(chǎn)品的競爭力。第五章擰緊機程序設(shè)計圖5.1結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5.1所示，通過對設(shè)計圖及原理圖的分析，便可利用開發(fā)工具進行程序的編寫5.1擰緊機程序在此次設(shè)計中，采用的是博圖作為開發(fā)工具去編寫擰緊機的程序圖5.2圖5.3圖5.4圖5.5圖5.65.2開機和系統(tǒng)初始化打開主機需要做一些前期的準備，首先要確保設(shè)備處于設(shè)計時候規(guī)定的電壓，并且還要確認設(shè)備是否接地，來確保不會發(fā)生安全問題，然后打開主機且打開PLC的電源，程序即可啟動，PLC首先會對硬件設(shè)備進行自檢，在確定沒有任何問題之后，會給程序變量一個初始值，系統(tǒng)便進入了初始化狀態(tài)。5.3主界面功能說明圖5.7自動擰緊機控制系統(tǒng)主界面自動擰緊機操作界面如圖所示，可以看到中間綠框有“設(shè)備原點”、“設(shè)備運行中”這是反應(yīng)設(shè)備是否啟動的標志。旁邊可切換手動狀態(tài)，離線狀態(tài)的時候可以進行手動切換我們所需的型號。當(dāng)設(shè)備做完一系列操作時，可以按復(fù)位啟動來重新初始化啟動。中間的坐標就是此時的具體方位信息。最右側(cè)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單。5.4擰緊配方界面圖5.8擰緊配方界面通過如圖界面，我們可以看到上方有“參數(shù)寫入”“參數(shù)讀取”的選項，在我們進行測試的時候可以看到所測的數(shù)據(jù)，可以隨時切換來進行調(diào)試，極為方便。最下方為一些列菜單。5.5參數(shù)修改模塊圖5.8用戶登錄界面為了防止其他人修改數(shù)據(jù)導(dǎo)致擰緊機工作失效，故專門設(shè)計了登錄系統(tǒng)來防止他人篡改，只有工作人員才有權(quán)限進行登錄調(diào)試。圖5.9參數(shù)調(diào)整設(shè)置界面此界面是專門用來進行伺服調(diào)整的，只需要按下每個伺服旁邊調(diào)角度的按鈕就可以完成調(diào)整，如果調(diào)整完畢只需按下界面最右邊傳送即可。5.6本章小結(jié)通過本章的學(xué)習(xí)設(shè)計了程序的結(jié)構(gòu)框圖，這對于后面的編程方式起到了很大的作用，這讓我知道了做任何事情之前需要有一定的計劃，這樣會事半功倍不至于難以取得進展。第六章設(shè)備主要核算6.1標準和法律法規(guī)本次自動擰緊機的設(shè)計有電路的設(shè)計標準、控制系統(tǒng)的設(shè)計標準、界面的設(shè)計標準。此次設(shè)計為設(shè)計相關(guān)法律法規(guī)6.2本次設(shè)計對安全、