自動扭矩扳手設(shè)計

自動扭矩扳手設(shè)計,自動,扭矩,扳手,設(shè)計 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計說明書 序 號： 35 學(xué)生姓名: 郭瑞 學(xué) 號： 0612104678 班 級: 機(jī)電0601 專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師: 楊慕升老師 設(shè)計時間: 2009.12.21-2010.01.03 計算機(jī)控制自動扭矩扳手 前言 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種規(guī)格、型號的機(jī)動扳手如液壓扳手、氣動扳手、電動扳手在產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用，這些機(jī)動扳手可以顯著地提高工作效率，大大減輕工作強度。液壓扳手以液壓油為工作介質(zhì)，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)工作;氣動扳手以壓縮空氣為工作介質(zhì)，通過氣動馬達(dá)驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)工作;電動扳手直接使用直流電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動工作機(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;氣動扳手由于尺寸小，重量輕，單位重量輸出功率大，對環(huán)境污染小，可以實現(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合;電動扳手由于無污染、可以與微型計算機(jī)相連實現(xiàn)螺紋緊固件擰緊過程的實時監(jiān)控，可精確控制作用到緊固件上的扭矩，對于汽車、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，需要能長時間的持續(xù)工作、大扭矩的扳手。沖擊式氣動扳手由于可快速實現(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)簡單的定扭矩裝置方案，該裝置設(shè)置有超扭矩量程自動切斷氣源功能，同時在該基礎(chǔ)上充分發(fā)揮現(xiàn)代計算機(jī)控制的柔性化的特點，在最大扭矩以內(nèi)人為自由選擇旋緊扭矩的大小，可實現(xiàn)對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 自動扳手主要技術(shù)指標(biāo) 1.3氣動扳手的發(fā)展現(xiàn)狀和問題 第二章 基本原理和總體設(shè)計 2.1扭矩測量及擰緊系統(tǒng)的基本原理及總體方案 2.2各組成系統(tǒng)的設(shè)計· 第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 3.1氣動發(fā)動機(jī)的設(shè)計計算 3.2機(jī)械式定扭矩裝置設(shè)計 3.3氣源自動切斷裝置 第四章 信號檢測與數(shù)據(jù)處理及程序舉例 4.1自動檢測控制裝置 4.2電路組成 心得體會 參考文獻(xiàn) 附錄A主要部分電路連接圖 附錄B新型自檢測氣動扳手結(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)計是多學(xué)科的交叉和綜合，設(shè)計的學(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，不但需要強化訓(xùn)練學(xué)科融合的思維能力、加強相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)，還要及時學(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)計的目的是研究怎樣利用系統(tǒng)設(shè)計原理和綜合集成技巧，將控制電動機(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)計的基本概念、基本原理和基本知識；熟悉機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計中的常用機(jī)械量檢測傳感器、控制電動機(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)計的原理和綜合集成技巧，進(jìn)行總體方案的分析和設(shè)計。 1.2課題主要技術(shù)指標(biāo)要求 本課程設(shè)計要求能實現(xiàn)扭矩的微機(jī)自動檢測，扳手開口直徑大小可調(diào)，要求傳感器具有較高的檢測精度。 1.3氣動扳手的發(fā)展現(xiàn)狀和問題[1] 目前，沖擊式氣動扳手在產(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，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扳手都不具有定扭矩的功能。但隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，對產(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，隨著人們環(huán)保意識的增強，綠色產(chǎn)品悄然興起，相應(yīng)的產(chǎn)品綠色設(shè)計成為一種新的設(shè)計方法。對產(chǎn)品進(jìn)行綠色設(shè)計要求改進(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，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)。為此需要氣動扳手?jǐn)Q緊螺紋緊固件時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)。扭矩值變動范圍不能偏大，否則將使螺紋緊固件在工作時因強度不足發(fā)生突然折斷而失效或者在工作時易產(chǎn)生松動導(dǎo)致產(chǎn)品性能不能滿足要求。因此，在使用氣動扳手進(jìn)行產(chǎn)品裝配時，需要氣動扳手能夠精確控制其輸出扭矩。具有精確扭矩控制的氣動扳手成為當(dāng)前氣動扳手的發(fā)展趨勢。縱觀現(xiàn)有的定扭扭矩氣動扳手存在下列問題: l)實現(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 目前，國內(nèi)外風(fēng)動工具生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的各種定扭矩氣動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。下面對于沖擊式定扭矩氣動扳手的扭矩控制應(yīng)采用的方式，提出了結(jié)構(gòu)簡單、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扭矩測量及擰緊系統(tǒng)的基本原理 這里采用扭矩測量傳感器，利用應(yīng)變片檢測扭矩的大小，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)輸出控制信號將電磁閥關(guān)閉，從而切斷氣源輸出，實現(xiàn)自動檢測，自動切斷的功能，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，檢測控制系統(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： 扳手檢測裝置有標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、扭矩測量儀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)將控制信號通過I/O模塊發(fā)送給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊控制氣源給氣，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸開始動作，同時扭矩測量儀實時測量扭矩，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，進(jìn)而完成系統(tǒng)閉環(huán)控制 2.2 各分系統(tǒng)的設(shè)計 2.2.1氣動扳手的結(jié)構(gòu)[4] 氣動扳手按其工作機(jī)理不同可分為沖擊式氣動扳手和脈沖扳手，其中沖擊式氣動扳手在我國使用最為廣泛。沖擊式氣動扳手結(jié)構(gòu)主要由氣動發(fā)動機(jī)和沖擊機(jī)構(gòu)組成，包含氣動發(fā)動機(jī)、沖擊頭、凸輪軸、扳軸、柄體等零部件。氣動發(fā)動機(jī)是氣動扳手的動力來源，它將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為氣動發(fā)動機(jī)的動能，同時輸出扭矩。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，是氣動扳手的工作機(jī)構(gòu)，輸出氣動發(fā)動機(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，扳軸與螺紋緊固件相連，氣動發(fā)動機(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。氣動扳手工作時，螺紋緊固件與扳軸、凸輪軸相連，并與之一同轉(zhuǎn)動;沖擊頭通過花鍵聯(lián)接套與氣動發(fā)動機(jī)相連，隨氣動發(fā)動機(jī)一同轉(zhuǎn)動;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)動氣動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動，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，沖擊頭帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動，凸輪軸帶動扳軸、螺帽一同轉(zhuǎn)動。此時，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，鋼球的摩擦力矩不能帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動，鋼球在沖擊頭帶動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運動，沖擊頭在轉(zhuǎn)動的同時沿軸向向左運動。在沖擊頭的左端有一對牙嵌。當(dāng)鋼球爬升到凸輪軸端面上時，沖擊頭的牙嵌與扳軸發(fā)生碰撞，推動扳軸轉(zhuǎn)動，螺紋緊固件也隨之一同轉(zhuǎn)動。同時，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發(fā)動機(jī)所能產(chǎn)生的最大扭矩時，沖擊頭與扳軸碰撞時產(chǎn)生反彈，氣動發(fā)動機(jī)不再對扳軸作功。此時操作工需關(guān)閉氣閥，切斷氣動發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣。 2.2.2定扭矩裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計定扭矩氣動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，沖擊部分能與氣動發(fā)動機(jī)安全脫開，不再擰緊螺紋緊固件，使氣動發(fā)動機(jī)的扭矩不傳遞給螺紋緊固件。出于對氣動扳手的尺寸較小，輸出扭矩大，成本低等要求的考慮，本課題設(shè)計的定扭裝置采用結(jié)構(gòu)簡單、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轉(zhuǎn)動。當(dāng)調(diào)節(jié)好內(nèi)圈與外圈之間的相對位置后，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)嵌入到氣動扳手中，轉(zhuǎn)子可與氣動扳手中的氣動發(fā)動機(jī)的輸出軸相連，片簧、內(nèi)圈、外圈可與氣動扳手沖擊部分相連。工作時，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，轉(zhuǎn)子在驅(qū)動力矩作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，對片簧產(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，片簧、內(nèi)圈、外圈和沖擊部分隨轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動，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，轉(zhuǎn)子打滑，片簧、內(nèi)圈和外圈不再隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，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，可以調(diào)節(jié)內(nèi)、外圈之間的相對位置。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)計片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時，需要確定計算出片簧、內(nèi)圈等的基本參數(shù)。片簧一轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程如圖2.4。轉(zhuǎn)子的半徑廠由所傳遞的扭矩按與轉(zhuǎn)子相配合的軸的強度來計算確定滾柱半徑，按與滾柱配合的軸的剪切強度確定。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不應(yīng)與內(nèi)圈發(fā)生干涉，這里取(r+rT)=0.8R。對于片簧一轉(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)計成為該結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(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)計時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值變化對結(jié)構(gòu)的最大輸出扭矩值所對應(yīng)的βm值沒有影響。設(shè)計時，初選片簧的慣性矩I0，計算出此時該結(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?。考慮片簧要有彈性，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，按照強度要求計算得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對應(yīng)的βm值，此時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)計計算的片簧慣性矩I，當(dāng)給定片簧截面的寬度或高度尺寸時，就可確定高度或?qū)挾瘸叽?。若片簧的寬度?mm，則高度為2mm。 第3章其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 氣動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。氣動扳手涉及到熱工學(xué)、碰撞理論等方面的知識，設(shè)計時需要綜合應(yīng)用這些知識。定扭矩氣動扳手主要由氣動發(fā)動機(jī)、沖擊機(jī)構(gòu)和定扭矩部分組成，故定扭矩氣動扳手的設(shè)計還包括氣動發(fā)動機(jī)設(shè)計、沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)計、定扭矩裝置設(shè)計以及氣動扳手中氣路設(shè)計、氣閥設(shè)計等輔助控制裝置設(shè)計。 3.1氣動發(fā)動機(jī)的設(shè)計計算[5] 氣動發(fā)動機(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)簡單、外形尺寸小、單位重量輸出功率大、維護(hù)性好等特點，在氣動工具中被廣泛用作動力源件。氣動扳手常采用正反轉(zhuǎn)性能相同的葉片式氣馬達(dá)。 3.1.1氣動發(fā)動機(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，壓縮空氣自左邊口1進(jìn)氣，壓縮空氣對葉片5作功，驅(qū)動轉(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)時的進(jìn)氣口)排到大氣中。當(dāng)氣馬達(dá)反轉(zhuǎn)時，壓縮空氣自右邊口2進(jìn)氣，壓縮空氣對葉片5作功，驅(qū)動轉(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)時的進(jìn)氣口)排到大氣中。排氣口3相對于左邊口1(正轉(zhuǎn)時的進(jìn)氣口)和右邊口2(反轉(zhuǎn)時的進(jìn)氣口)的位置是對稱的，故氣馬達(dá)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時性能相同。 3.2機(jī)械式定扭矩裝置設(shè)計 第二章中介紹了定扭矩氣動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。由理論分析可知，該結(jié)構(gòu)的定扭矩裝置輸出扭矩有個最大值，可以用來控制扭矩。當(dāng)把定扭矩裝置放置到氣動扳手中，可將定扭矩裝置放在氣動發(fā)動機(jī)和沖擊部分之間，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.6。轉(zhuǎn)子與氣動發(fā)動機(jī)相連，片簧、內(nèi)圈與氣動扳手沖擊部分相連。通過控制沖擊部分的輸入扭矩來控制氣動扳手作用到螺紋緊固件上的扭矩。 由于氣動扳手是裝配生產(chǎn)中使用的機(jī)動扳手，通常要求其尺寸小，重量輕，適合單人操作。故對于具有扭矩控制的氣動扳手不僅要求能夠控制輸出扭矩，而且要求氣動扳手的尺寸不能很大。同時，要求定扭矩氣動扳手在輸出扭矩達(dá)到預(yù)定值后能自動切斷氣源以便降低氣動扳手的耗氣量，節(jié)約產(chǎn)品的裝配成本，并且希望定扭矩氣動扳手能夠給操作工發(fā)出扭矩達(dá)到規(guī)定值的信號，也就是要求定扭矩氣動扳手在扭矩達(dá)到預(yù)定值時具有自動切斷氣閥、自動報警功能。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扳手中時，需要對定扭矩裝置和氣動扳手的結(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縮小定扭矩裝置的尺寸以及如何實現(xiàn)扭矩達(dá)到時自動切斷氣閥、自動報警等功能。本課題中定扭矩氣動扳手是以BQG16型氣動扳手為基礎(chǔ)，根據(jù)BQG16型氣動扳手應(yīng)用范圍，要求氣動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型氣動扳手的氣動發(fā)動機(jī)輸出軸的直徑和聯(lián)接平鍵的強度要求可確定轉(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)計片簧的結(jié)構(gòu)。設(shè)計計算時，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)最大輸出扭矩時對應(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算公式 3.3氣源自動切斷裝置 定扭矩氣動扳手自動切斷氣閥裝置應(yīng)在氣動扳手輸出扭矩達(dá)到最大值后，能自動切斷氣動發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣，并且能在氣動扳手關(guān)閉后恢復(fù)到工作前狀態(tài)，為氣動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扳手的特點，利用氣壓差特性設(shè)計了一套自動切斷氣動發(fā)動機(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)為自動切斷氣源部分的視圖，(C)為氣動發(fā)動機(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，用來控制花鍵銷沿徑向的伸縮運動，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。由于氣動扳手使用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，氣動發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣控制閥的內(nèi)外存在壓力差。當(dāng)定扭矩氣動扳手正常工作、氣動扳手的輸出扭矩沒有達(dá)到預(yù)定值時，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。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)入氣動發(fā)動機(jī)。當(dāng)扭矩快達(dá)到預(yù)定值時，內(nèi)圈上的凸臺開始推動花鍵銷往外運動，與外圈的內(nèi)花鍵嚙合，從而使花鍵聯(lián)接套帶動外圈轉(zhuǎn)動。當(dāng)外圈轉(zhuǎn)動時，外圈上的凸臺使控制桿向下運動。這時控制閥桿與控制桿的半圓形槽相對，控制桿無法勾住控制閥桿?？刂崎y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)入氣動發(fā)動機(jī)中，氣動發(fā)動機(jī)不能做功。同時控制閥桿在右移關(guān)閉控制閥時，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動，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，控制閥打開，控制閥桿上的半圓形槽與控制桿相對，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 信號檢測與數(shù)據(jù)處理方法及程序舉例 4.1自動檢測控制裝置 原理：工作時，單片機(jī)通過I/O模塊和驅(qū)動模塊驅(qū)動氣源加載，實施采集扭矩扳手測量儀的數(shù)據(jù)，檢測判定達(dá)到峰值后，記錄數(shù)據(jù)，并驅(qū)動關(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，數(shù)據(jù)處理與維護(hù)等，單片機(jī)與檢測儀器實時通訊，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，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： 通過本課程設(shè)計的整個設(shè)計制作過程，初步了解了利用系統(tǒng)設(shè)計原理和綜合集成技巧，以及如何將控制電動機(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)計的基本概念、基本原理和基本知識；基本熟悉了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計中的常用機(jī)械量檢測傳感器、控制電動機(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)計的原理和綜合集成技巧，從而為今后的畢業(yè)設(shè)計及工作奠定良好的基礎(chǔ)。 在本課程設(shè)計的過程中，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、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。 參考文獻(xiàn)： 1甘作霖，王鶴.液壓脈沖氣扳機(jī). 1991(3):15一20 2劉志峰.綠色產(chǎn)品設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展.機(jī)械設(shè)計.1997(1):l一3 3黎永泉.80年代國外鑿巖機(jī)械氣動工具的發(fā)展. 1990(2):28一37 4黎永泉.國外裝配用氣動工具現(xiàn)狀.1993(l):35一38 5劉見恒譯.沖擊式氣扳機(jī)的緊固扭矩自動控制裝置.1982(2):52一53 6《機(jī)械設(shè)計手冊》聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計手冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1987.12 7李富成.葉片式氣動馬達(dá)氣缸上進(jìn)、排氣口位置及大小的確定.鑿巖機(jī)械與風(fēng)動工具.1986(2):17一26 19