自動(dòng)扭矩扳手設(shè)計(jì)
自動(dòng)扭矩扳手設(shè)計(jì),自動(dòng),扭矩,扳手,設(shè)計(jì)
機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書
序 號(hào): 35
學(xué)生姓名: 郭瑞
學(xué) 號(hào): 0612104678
班 級(jí): 機(jī)電0601
專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師: 楊慕升老師
設(shè)計(jì)時(shí)間: 2009.12.21-2010.01.03
計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)扭矩扳手
前言
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,各種規(guī)格、型號(hào)的機(jī)動(dòng)扳手如液壓扳手、氣動(dòng)扳手、電動(dòng)扳手在產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用,這些機(jī)動(dòng)扳手可以顯著地提高工作效率,大大減輕工作強(qiáng)度。液壓扳手以液壓油為工作介質(zhì),通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)工作;氣動(dòng)扳手以壓縮空氣為工作介質(zhì),通過氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)工作;電動(dòng)扳手直接使用直流電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)。液壓扳手由于附帶一套液壓裝置,投資成本高,傳遞的扭矩一般與扳手的尺寸成正比關(guān)系,使用不方便并且易造成污染而在裝配生產(chǎn)中使用不多;氣動(dòng)扳手由于尺寸小,重量輕,單位重量輸出功率大,對(duì)環(huán)境污染小,可以實(shí)現(xiàn)大的扭矩輸出,成本低而在產(chǎn)品裝配線上得到廣泛應(yīng)用,尤其是一些需要大扭矩的場(chǎng)合;電動(dòng)扳手由于無污染、可以與微型計(jì)算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)螺紋緊固件擰緊過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控,可精確控制作用到緊固件上的扭矩,對(duì)于汽車、船舶、機(jī)車等行業(yè),由于產(chǎn)品中螺紋緊固件多、所需的扭矩較大,需要能長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作、大扭矩的扳手。沖擊式氣動(dòng)扳手由于可快速實(shí)現(xiàn)螺紋緊固件裝配、作用扭矩大等特性而成為產(chǎn)品裝配線上的主要工具,但存在扭矩?zé)o法控制的問題。本文借鑒了目前國內(nèi)外定扭矩氣動(dòng)扳手的扭矩控制方式及工作機(jī)理,提出了一種新的機(jī)理正確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的定扭矩裝置方案,該裝置設(shè)置有超扭矩量程自動(dòng)切斷氣源功能,同時(shí)在該基礎(chǔ)上充分發(fā)揮現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制的柔性化的特點(diǎn),在最大扭矩以內(nèi)人為自由選擇旋緊扭矩的大小,可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同要求的配合零件的擰緊,并且配有不同大小的螺母開口,適合于各種部件的擰緊,有效地解決了上述問題。
目錄
第一章 緒論
1.1課題研究的目的和意義
1.2 自動(dòng)扳手主要技術(shù)指標(biāo)
1.3氣動(dòng)扳手的發(fā)展現(xiàn)狀和問題
第二章 基本原理和總體設(shè)計(jì)
2.1扭矩測(cè)量及擰緊系統(tǒng)的基本原理及總體方案
2.2各組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)·
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2機(jī)械式定扭矩裝置設(shè)計(jì)
3.3氣源自動(dòng)切斷裝置
第四章 信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理及程序舉例
4.1自動(dòng)檢測(cè)控制裝置
4.2電路組成
心得體會(huì)
參考文獻(xiàn)
附錄A主要部分電路連接圖
附錄B新型自檢測(cè)氣動(dòng)扳手結(jié)構(gòu)圖
第1章緒論
1.1課題研究的目的和意義
機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是多學(xué)科的交叉和綜合,設(shè)計(jì)的學(xué)科和技術(shù)非常廣泛,且其應(yīng)用領(lǐng)域眾多。要全面精通它,不但需要強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)科融合的思維能力、加強(qiáng)相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié),還要及時(shí)學(xué)習(xí)新概念、新技術(shù)、將來才能成為機(jī)電一體化復(fù)合型人才。
本課程設(shè)計(jì)的目的是研究怎樣利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧,將控制電動(dòng)機(jī)、傳感器、機(jī)械系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機(jī)電一體化要素組成各種性能優(yōu)良、可靠的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。本課程的具體要求是:掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念、基本原理和基本知識(shí);熟悉機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常用機(jī)械量檢測(cè)傳感器、控制電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用;初步掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和綜合集成技巧,進(jìn)行總體方案的分析和設(shè)計(jì)。
1.2課題主要技術(shù)指標(biāo)要求
本課程設(shè)計(jì)要求能實(shí)現(xiàn)扭矩的微機(jī)自動(dòng)檢測(cè),扳手開口直徑大小可調(diào),要求傳感器具有較高的檢測(cè)精度。
1.3氣動(dòng)扳手的發(fā)展現(xiàn)狀和問題[1]
目前,沖擊式氣動(dòng)扳手在產(chǎn)品裝配流水線上作為主要的低值易耗工具被廣泛應(yīng)用,這種扳手具有輸出扭矩大、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn),但其噪音大,而且作用到螺紋緊固件上的扭矩大小難以控制。因此,目前大部分沖擊式氣動(dòng)扳手都不具有定扭矩的功能。但隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展,對(duì)產(chǎn)品的裝配提出了很高的要求,要求提高螺紋緊固件的裝配質(zhì)量、可靠性和裝配效率。例如對(duì)于汽車、飛機(jī)等產(chǎn)品中的一些重要的螺紋聯(lián)接,要求裝配時(shí)作用到螺紋緊固件上的扭矩非常精確,這樣才能確保聯(lián)接的可靠性,保證產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí),隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),綠色產(chǎn)品悄然興起,相應(yīng)的產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)成為一種新的設(shè)計(jì)方法。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)要求改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu),多使用一些可拆性、可回收性的結(jié)構(gòu)如螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接。這時(shí),為保證產(chǎn)品性能,要求這些聯(lián)接可靠,螺紋緊固件所受的扭矩也需控制在一定值內(nèi)。為此需要?dú)鈩?dòng)扳手?jǐn)Q緊螺紋緊固件時(shí)作用在螺紋緊固件上的扭矩控制在預(yù)定的扭矩范圍內(nèi)。扭矩值變動(dòng)范圍不能偏大,否則將使螺紋緊固件在工作時(shí)因強(qiáng)度不足發(fā)生突然折斷而失效或者在工作時(shí)易產(chǎn)生松動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)品性能不能滿足要求。因此,在使用氣動(dòng)扳手進(jìn)行產(chǎn)品裝配時(shí),需要?dú)鈩?dòng)扳手能夠精確控制其輸出扭矩。具有精確扭矩控制的氣動(dòng)扳手成為當(dāng)前氣動(dòng)扳手的發(fā)展趨勢(shì)。縱觀現(xiàn)有的定扭扭矩氣動(dòng)扳手存在下列問題:
l)實(shí)現(xiàn)扭矩控制的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工制造成本較高;
2)扳手的體積較大,重量重,有的還需要附帶一套控制裝置,使用不方便;
3)扭矩控制精度不高,不能滿足生產(chǎn)需要,并且扭矩調(diào)節(jié)困難;
第2章系統(tǒng)的基本原理和總體設(shè)計(jì)
目前,國內(nèi)外風(fēng)動(dòng)工具生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的各種定扭矩氣動(dòng)扳手所采用的扭矩控制方式是不同的,相應(yīng)的定扭矩控制裝置也不同。下面對(duì)于沖擊式定扭矩氣動(dòng)扳手的扭矩控制應(yīng)采用的方式,提出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理可行的扭矩控制方案,從理論上分析了該方案的可行性。
2.1扭矩測(cè)量及擰緊系統(tǒng)的基本原理
這里采用扭矩測(cè)量傳感器,利用應(yīng)變片檢測(cè)扭矩的大小,經(jīng)放大器放大后,將其送入單片機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與判斷,系統(tǒng)工作的情況下,電磁閥的狀態(tài)是開啟的,如果該測(cè)量值大于單片機(jī)程序中的預(yù)設(shè)值,那么單片機(jī)輸出控制信號(hào)將電磁閥關(guān)閉,從而切斷氣源輸出,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè),自動(dòng)切斷的功能,單片機(jī)中扭矩預(yù)設(shè)值為用戶自己選擇,為控制系統(tǒng)的最大扭矩輸出,在這里設(shè)計(jì)了片簧轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu),當(dāng)預(yù)設(shè)值大于或等于該扳手的最大輸出時(shí),檢測(cè)控制系統(tǒng)將失去作用,因此,該預(yù)設(shè)值必須在最大值下設(shè)定。系統(tǒng)的控制原理圖如下:
扳手檢測(cè)裝置有標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、扭矩測(cè)量?jī)x表和氣源控制器三部分構(gòu)成,硬件構(gòu)架主要包括89S52的單片機(jī)、I/O模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成,具體的工作原理如下圖所示:扳手連接完成后,單片機(jī)將控制信號(hào)通過I/O模塊發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊,驅(qū)動(dòng)模塊控制氣源給氣,內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸開始動(dòng)作,同時(shí)扭矩測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)測(cè)量扭矩,扭矩值通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸給單片機(jī),并由單片機(jī)輸出顯示信息,將測(cè)量的扭矩值顯示在LCD顯示盤上,單片機(jī)判定是否達(dá)到預(yù)設(shè)的扭矩值,比較判斷后繼續(xù)發(fā)出控制信號(hào),進(jìn)而完成系統(tǒng)閉環(huán)控制
2.2 各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.2.1氣動(dòng)扳手的結(jié)構(gòu)[4]
氣動(dòng)扳手按其工作機(jī)理不同可分為沖擊式氣動(dòng)扳手和脈沖扳手,其中沖擊式氣動(dòng)扳手在我國使用最為廣泛。沖擊式氣動(dòng)扳手結(jié)構(gòu)主要由氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和沖擊機(jī)構(gòu)組成,包含氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、沖擊頭、凸輪軸、扳軸、柄體等零部件。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是氣動(dòng)扳手的動(dòng)力來源,它將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能,同時(shí)輸出扭矩。沖擊機(jī)構(gòu)由沖擊頭、凸輪軸、鋼球、扳軸、花鍵聯(lián)接套等組成,是氣動(dòng)扳手的工作機(jī)構(gòu),輸出氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩和能量。沖擊頭和花鍵聯(lián)接套之間通過花鍵相連,沖擊頭內(nèi)端面有一不封閉的凹槽,凸輪軸左端面有一凹槽且凹槽為凸輪輪廓;在沖擊頭和凸輪軸凹槽之間夾著一鋼球,扳軸與凸輪軸之間通過花鍵相連。扳軸端部為四方頭,可配接各種螺帽套。工作時(shí),扳軸與螺紋緊固件相連,氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩通過花鍵聯(lián)接套、沖擊頭、扳軸等傳遞作用到螺紋緊固件上。氣動(dòng)扳手工作時(shí),螺紋緊固件與扳軸、凸輪軸相連,并與之一同轉(zhuǎn)動(dòng);沖擊頭通過花鍵聯(lián)接套與氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)相連,隨氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)一同轉(zhuǎn)動(dòng);沖擊彈簧壓緊沖擊頭,使沖擊頭和凸輪軸與鋼球相互接觸。當(dāng)打開氣閥開關(guān)后,壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),輸出扭矩。若扳軸所受的螺紋緊固件阻力矩小于凸輪軸與鋼球、沖擊頭與鋼球之間的摩擦力矩時(shí),沖擊頭帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),凸輪軸帶動(dòng)扳軸、螺帽一同轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí),螺帽一般沒有與被聯(lián)接件接觸。若扳軸所受的螺紋緊固件阻力矩大于凸輪軸與鋼球、沖擊頭與鋼球之間的摩擦力矩時(shí),鋼球的摩擦力矩不能帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),鋼球在沖擊頭帶動(dòng)下將沿凸輪軸端面內(nèi)凹槽凸輪輪廓爬升,沖擊頭與凸輪軸之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),沖擊頭在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)沿軸向向左運(yùn)動(dòng)。在沖擊頭的左端有一對(duì)牙嵌。當(dāng)鋼球爬升到凸輪軸端面上時(shí),沖擊頭的牙嵌與扳軸發(fā)生碰撞,推動(dòng)扳軸轉(zhuǎn)動(dòng),螺紋緊固件也隨之一同轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí),鋼球又滑回到凸輪軸端面內(nèi)凹槽中,沖擊頭軸向右移,與扳軸脫開結(jié)束碰撞。通常沖擊頭每轉(zhuǎn)一圈,沖擊頭與扳軸碰撞一次。扳軸每碰撞一次就將扭矩傳遞給螺紋緊固件。隨著碰撞次數(shù)增加,螺紋緊固件上積累的扭矩增多。當(dāng)螺紋緊固件上積累扭矩大于氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的最大扭矩時(shí),沖擊頭與扳軸碰撞時(shí)產(chǎn)生反彈,氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)不再對(duì)扳軸作功。此時(shí)操作工需關(guān)閉氣閥,切斷氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣。
2.2.2定扭矩裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)定扭矩氣動(dòng)扳手的扭矩控制的裝置的基本思路是當(dāng)輸出扭矩達(dá)到最大值時(shí),沖擊部分能與氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)安全脫開,不再擰緊螺紋緊固件,使氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不傳遞給螺紋緊固件。出于對(duì)氣動(dòng)扳手的尺寸較小,輸出扭矩大,成本低等要求的考慮,本課題設(shè)計(jì)的定扭裝置采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用方便的機(jī)械式離合器。這樣可以保證定扭裝置在輸出較大扭矩情況下保持較小的尺寸,并且成本低廉,滿足氣動(dòng)扳手的定扭矩精度要求。
2.2.3片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
根據(jù)上面基本思想設(shè)想提出了一種可以控制扭矩的離合器結(jié)構(gòu)一一片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.2(圖(a)為整體結(jié)構(gòu)示意圖,(b)為單個(gè)片簧一轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)放大圖)??紤]到具有扭矩控制的氣動(dòng)扳手的輸出扭矩應(yīng)可以調(diào)節(jié),這樣可使該定扭矩氣動(dòng)扳手的使用范圍更廣,圖2.2所示的轉(zhuǎn)子一片簧結(jié)構(gòu)的定扭矩裝置具有扭矩可調(diào)的功能。在轉(zhuǎn)子一片簧結(jié)構(gòu)中,片簧固結(jié)在內(nèi)圈上,內(nèi)圈和外圈之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)調(diào)節(jié)好內(nèi)圈與外圈之間的相對(duì)位置后,將內(nèi)圈和外圈固定在一起,它們的位置在轉(zhuǎn)子一片簧結(jié)構(gòu)工作時(shí)保持不變。為了減小轉(zhuǎn)子與片簧之間的摩擦和磨損,在轉(zhuǎn)子末端裝有滾柱。若將該結(jié)構(gòu)嵌入到氣動(dòng)扳手中,轉(zhuǎn)子可與氣動(dòng)扳手中的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸相連,片簧、內(nèi)圈、外圈可與氣動(dòng)扳手沖擊部分相連。工作時(shí),如果轉(zhuǎn)子一片簧結(jié)構(gòu)中內(nèi)圈受到阻力矩,固定不動(dòng),轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)力矩作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)片簧產(chǎn)生作用力,使片簧產(chǎn)生彎曲變形。若內(nèi)圈所受的阻力矩小于片簧所承受的最大力矩時(shí),片簧、內(nèi)圈、外圈和沖擊部分隨轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動(dòng),使該結(jié)構(gòu)輸出扭矩;若內(nèi)圈所受的阻力矩大于片簧所承受的最大力矩時(shí),轉(zhuǎn)子打滑,片簧、內(nèi)圈和外圈不再隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),沒有扭矩輸出。
這樣可使片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的扭矩輸出值控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。該裝置除可以控制扭矩外,還可以實(shí)現(xiàn)扭矩的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍士20%。當(dāng)調(diào)節(jié)扭矩時(shí),可以調(diào)節(jié)內(nèi)、外圈之間的相對(duì)位置。研究表明,該結(jié)構(gòu)輸出的最大扭矩與片簧和內(nèi)圈中心線之間的夾角a值有很大關(guān)系。設(shè)計(jì)片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí),需要確定計(jì)算出片簧、內(nèi)圈等的基本參數(shù)。片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程如圖2.4。轉(zhuǎn)子的半徑廠由所傳遞的扭矩按與轉(zhuǎn)子相配合的軸的強(qiáng)度來計(jì)算確定滾柱半徑,按與滾柱配合的軸的剪切強(qiáng)度確定。內(nèi)圈的半徑R的確定需要考慮片簧的變形,應(yīng)使片簧的變形較小并且片簧在工作時(shí)不應(yīng)與內(nèi)圈發(fā)生干涉,這里取(r+rT)=0.8R。對(duì)于片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說,其輸出扭矩的主要影響因素是片簧的截面尺寸,故片簧的設(shè)計(jì)成為該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。由于片簧的截面尺寸結(jié)構(gòu)決定于片簧的慣性矩I,設(shè)計(jì)時(shí)確定片簧慣性矩就可以確定片簧尺寸。由式(2.3)可知,若片簧各處截面相等,在其它參數(shù)一定條件下輸出扭矩M與片簧慣性矩I成正比,并且片簧慣性矩I值變化對(duì)結(jié)構(gòu)的最大輸出扭矩值所對(duì)應(yīng)的βm值沒有影響。設(shè)計(jì)時(shí),初選片簧的慣性矩I0,計(jì)算出此時(shí)該結(jié)構(gòu)的最大輸出扭矩Mmax。比較最大輸出扭矩Mmax和所允許的最大扭矩[M]值,可以確定片簧的慣性矩I。若片簧的截面為矩形,當(dāng)給定片簧截面的寬度或高度尺寸后,就可以確定片簧的高度或?qū)挾瘸叽纭?紤]片簧要有彈性,片簧的材料選用彈簧鋼。
若所允許的最大扭矩[M]=26N·m,現(xiàn)設(shè)計(jì)片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型。按照上述片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程,取α=45,片簧的材料選擇彈簧鋼55Si2Mn,其彈性模量E=206GPa,片簧的截面為矩形。根據(jù)所傳遞的最大扭矩,按照強(qiáng)度要求計(jì)算得r=23mm,:rT=5mm,則R=35mm。初定片簧的慣性矩為I=7.8mm4。由式(2.3)可得到最大輸出扭矩Mmax對(duì)應(yīng)的βm值,此時(shí)βm=5.7。。由于最大輸出扭矩Mmax與片簧慣性矩I成正比,由所允許的[M]值可確定片簧的慣性矩為I=4mm4。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的片簧慣性矩I,當(dāng)給定片簧截面的寬度或高度尺寸時(shí),就可確定高度或?qū)挾瘸叽纭H羝傻膶挾葹?mm,則高度為2mm。
第3章其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
氣動(dòng)扳手使用壓縮空氣作為工作介質(zhì),采用沖擊碰撞的機(jī)理進(jìn)行工作。氣動(dòng)扳手涉及到熱工學(xué)、碰撞理論等方面的知識(shí),設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合應(yīng)用這些知識(shí)。定扭矩氣動(dòng)扳手主要由氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、沖擊機(jī)構(gòu)和定扭矩部分組成,故定扭矩氣動(dòng)扳手的設(shè)計(jì)還包括氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、定扭矩裝置設(shè)計(jì)以及氣動(dòng)扳手中氣路設(shè)計(jì)、氣閥設(shè)計(jì)等輔助控制裝置設(shè)計(jì)。
3.1氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[5]
氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)也稱為氣馬達(dá),按結(jié)構(gòu)形式分有活塞式氣馬達(dá)、葉片式氣馬達(dá)、齒輪式氣馬達(dá)、渦輪式氣馬達(dá)。葉片式氣馬達(dá)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形尺寸小、單位重量輸出功率大、維護(hù)性好等特點(diǎn),在氣動(dòng)工具中被廣泛用作動(dòng)力源件。氣動(dòng)扳手常采用正反轉(zhuǎn)性能相同的葉片式氣馬達(dá)。
3.1.1氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理
正反轉(zhuǎn)性能相同的葉片式氣馬達(dá)的工作原理圖如圖3.1。當(dāng)氣馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí),壓縮空氣自左邊口1進(jìn)氣,壓縮空氣對(duì)葉片5作功,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直到氣馬達(dá)轉(zhuǎn)子內(nèi)氣腔的氣體與排氣口3接通,則進(jìn)行排氣;尚有部分未從排氣口3排完的氣體則從右邊口2(反轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣口)排到大氣中。當(dāng)氣馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí),壓縮空氣自右邊口2進(jìn)氣,壓縮空氣對(duì)葉片5作功,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)到一定位置,轉(zhuǎn)子內(nèi)氣腔的氣體與排氣口3接通,則進(jìn)行排氣;尚有部分未從排氣口3排完的氣體則從左邊口l(正轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣口)排到大氣中。排氣口3相對(duì)于左邊口1(正轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣口)和右邊口2(反轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣口)的位置是對(duì)稱的,故氣馬達(dá)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)性能相同。
3.2機(jī)械式定扭矩裝置設(shè)計(jì)
第二章中介紹了定扭矩氣動(dòng)扳手所采用的片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定扭矩裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由理論分析可知,該結(jié)構(gòu)的定扭矩裝置輸出扭矩有個(gè)最大值,可以用來控制扭矩。當(dāng)把定扭矩裝置放置到氣動(dòng)扳手中,可將定扭矩裝置放在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和沖擊部分之間,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.6。轉(zhuǎn)子與氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)相連,片簧、內(nèi)圈與氣動(dòng)扳手沖擊部分相連。通過控制沖擊部分的輸入扭矩來控制氣動(dòng)扳手作用到螺紋緊固件上的扭矩。
由于氣動(dòng)扳手是裝配生產(chǎn)中使用的機(jī)動(dòng)扳手,通常要求其尺寸小,重量輕,適合單人操作。故對(duì)于具有扭矩控制的氣動(dòng)扳手不僅要求能夠控制輸出扭矩,而且要求氣動(dòng)扳手的尺寸不能很大。同時(shí),要求定扭矩氣動(dòng)扳手在輸出扭矩達(dá)到預(yù)定值后能自動(dòng)切斷氣源以便降低氣動(dòng)扳手的耗氣量,節(jié)約產(chǎn)品的裝配成本,并且希望定扭矩氣動(dòng)扳手能夠給操作工發(fā)出扭矩達(dá)到規(guī)定值的信號(hào),也就是要求定扭矩氣動(dòng)扳手在扭矩達(dá)到預(yù)定值時(shí)具有自動(dòng)切斷氣閥、自動(dòng)報(bào)警功能。考慮到這些因素和功能要求,當(dāng)把定扭矩裝置集成到氣動(dòng)扳手中時(shí),需要對(duì)定扭矩裝置和氣動(dòng)扳手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。需要考慮定扭矩裝置如何與氣動(dòng)扳手中各部件連接,如何在保持定扭矩裝置一定輸出扭矩時(shí)縮小定扭矩裝置的尺寸以及如何實(shí)現(xiàn)扭矩達(dá)到時(shí)自動(dòng)切斷氣閥、自動(dòng)報(bào)警等功能。本課題中定扭矩氣動(dòng)扳手是以BQG16型氣動(dòng)扳手為基礎(chǔ),根據(jù)BQG16型氣動(dòng)扳手應(yīng)用范圍,要求氣動(dòng)扳手的輸出扭矩控制在10ON.m,則定扭矩裝置中片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所允許的最大扭矩[M]=100N.m。由BQG16型氣動(dòng)扳手的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑和聯(lián)接平鍵的強(qiáng)度要求可確定轉(zhuǎn)子半徑r=15mm,滾柱半徑rT=5mm,片簧與內(nèi)圈中心線的夾角α=450。,并由此可確定內(nèi)圈半徑R=25mm。由前面介紹的片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟可知:當(dāng)確定轉(zhuǎn)子半徑r、滾柱半徑rT、角α和內(nèi)圈半徑R后,可以設(shè)計(jì)片簧的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),可先假設(shè)片簧的慣性矩I=4mm4,利用式(2.1)(2.2)(2.3)得到片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最大輸出扭矩時(shí)對(duì)應(yīng)的角βm值,βm=6.527。。由于最大輸出扭矩Mmax與片簧的慣性矩I成正比,故對(duì)于等截面的片簧,由要求的最大輸出扭矩值[M]可確定片簧的慣性矩I=13.5mm4。若片簧的截面為矩形并且知道片簧的寬度b=6mm,則由矩形截面慣性矩計(jì)算公式 3.3氣源自動(dòng)切斷裝置
定扭矩氣動(dòng)扳手自動(dòng)切斷氣閥裝置應(yīng)在氣動(dòng)扳手輸出扭矩達(dá)到最大值后,能自動(dòng)切斷氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣,并且能在氣動(dòng)扳手關(guān)閉后恢復(fù)到工作前狀態(tài),為氣動(dòng)扳手的下一步正常工作做好準(zhǔn)備。根據(jù)現(xiàn)有的定扭矩裝置和氣動(dòng)扳手的特點(diǎn),利用氣壓差特性設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)切斷氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的裝置,其裝置的結(jié)構(gòu)如圖3.8。圖中(a)為定扭矩部分控制結(jié)構(gòu)圖,(b)為自動(dòng)切斷氣源部分的視圖,(C)為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制閥的側(cè)視圖。
花鍵聯(lián)接套上裝有花鍵銷,內(nèi)圈端面上有凸臺(tái),用來控制花鍵銷沿徑向的伸縮運(yùn)動(dòng),花鍵銷可以與外圈上內(nèi)花鍵嚙合??刂茥U和控制閥桿靠近末端處各有一半圓形槽。由于氣動(dòng)扳手使用壓縮空氣作為工作介質(zhì),氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣控制閥的內(nèi)外存在壓力差。當(dāng)定扭矩氣動(dòng)扳手正常工作、氣動(dòng)扳手的輸出扭矩沒有達(dá)到預(yù)定值時(shí),花鍵聯(lián)接套上的花鍵銷沒有與外圈上的內(nèi)花鍵嚙合,外圈不隨花鍵聯(lián)接套轉(zhuǎn)動(dòng)。由于控制桿末端圓柱體插入控制閥桿的半圓形槽中,勾住控制閥桿,使得控制閥套內(nèi)外的壓力差不能使控制閥桿關(guān)閉控制閥套,壓縮空氣可以通過控制閥套進(jìn)入氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)扭矩快達(dá)到預(yù)定值時(shí),內(nèi)圈上的凸臺(tái)開始推動(dòng)花鍵銷往外運(yùn)動(dòng),與外圈的內(nèi)花鍵嚙合,從而使花鍵聯(lián)接套帶動(dòng)外圈轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)外圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),外圈上的凸臺(tái)使控制桿向下運(yùn)動(dòng)。這時(shí)控制閥桿與控制桿的半圓形槽相對(duì),控制桿無法勾住控制閥桿。控制閥套內(nèi)外壓力差克服控制閥彈簧的彈力,壓縮控制閥彈簧使控制閥桿右移,關(guān)閉控制閥。這樣,壓縮空氣無法進(jìn)入氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)中,氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)不能做功。同時(shí)控制閥桿在右移關(guān)閉控制閥時(shí),其末端圓柱體插入到控制桿半圓形槽中,擋住控制桿的回退運(yùn)動(dòng),使控制桿不能復(fù)位。當(dāng)操作工關(guān)閉氣閥后,控制閥套的內(nèi)外壓力差相等,控制閥彈簧的彈力使得控制閥桿離開控制閥套,恢復(fù)到工作前的位置。此時(shí),控制閥打開,控制閥桿上的半圓形槽與控制桿相對(duì),控制桿在控制桿彈簧作用下復(fù)位,控制桿末端圓柱體插入到控制閥桿的半圓形槽中,控制桿重新勾住控制閥桿。
第四章 信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理方法及程序舉例
4.1自動(dòng)檢測(cè)控制裝置
原理:工作時(shí),單片機(jī)通過I/O模塊和驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)氣源加載,實(shí)施采集扭矩扳手測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù),檢測(cè)判定達(dá)到峰值后,記錄數(shù)據(jù),并驅(qū)動(dòng)關(guān)閉氣源。
4.2電路組成
控制程序主要功能包括采集數(shù)據(jù),發(fā)出控制信號(hào),數(shù)據(jù)處理與維護(hù)等,單片機(jī)與檢測(cè)儀器實(shí)時(shí)通訊,單片機(jī)的P0口的八位接I/O模塊,用來接收扭矩傳感器的信號(hào),中間的電路部分見附錄A,其中8255A為方式0,A口輸入,B口輸出,8255的片選信號(hào)CS及地址線A0,A1,分別由單片機(jī)的P0.7和P0.0,P0.1經(jīng)地址鎖存器提供,因此8255A的A,B,C口及控制口地址分別是FF7CH,F(xiàn)F7DH,F(xiàn)F7EH,F(xiàn)F7FH.下面是利用匯編語言編制的信號(hào)采集程序片段:
MOV AL , 98H
OUT FF7FH, AL
MOV AL , 00H
OUT FF7DH, AL
ADD AL , 10H
OUT FF7DH, AL
SUB AL , 10H
LOOP: IN AL , FF7EH
TEST AL , FF70H
JZ LOOP
IN AL , FF8OH
IN AL , FF7CH
HLT
單片機(jī)的P1.0接電磁換向閥,采用雙向可控硅電路,
假設(shè)預(yù)設(shè)值存入寄存器R0中,采樣值存入寄存器R1中,則邏輯判斷程序如下
ORG 0000H
START: MOV AL, PO
CMP AL, @RO
JC LP1
MOV AL, 00H
OUT P1.0,AL
LP1: MOV AL, 01H
OUT P1.0,AL
HLT
下面是采用LCD顯示的程序片段:
心得體會(huì):
通過本課程設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)制作過程,初步了解了利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和綜合集成技巧,以及如何將控制電動(dòng)機(jī)、傳感器、機(jī)械系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、接口及控制軟件等機(jī)電一體化要素進(jìn)行優(yōu)化配置,合理選型,從而組成各種性能優(yōu)良、可靠的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。初步掌握了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念、基本原理和基本知識(shí);基本熟悉了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常用機(jī)械量檢測(cè)傳感器、控制電動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用;初步掌握了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和綜合集成技巧,從而為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)及工作奠定良好的基礎(chǔ)。
在本課程設(shè)計(jì)的過程中,得到了楊慕升老師及其他各位老師親切指導(dǎo)。楊老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)精神使我受益匪淺,是我今后學(xué)習(xí)的榜樣。同時(shí)老師的和藹可親、平易近人的態(tài)度,也是非常值得我學(xué)習(xí)的。老師時(shí)刻關(guān)心我的課題研究的進(jìn)展程度,并提出了許多寶貴的建議。在此,對(duì)楊老師等致以最崇高的敬意。
向他們表示我最誠摯的謝意
最后,對(duì)所有關(guān)心支持我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同事和同學(xué)致以深深的謝意。
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