（设备管理）毕业设计固定式多头螺
丝装配设备毕业设计
固定式多头自动螺丝装配设备的设计
摘要
本设计的任务是完成一套螺钉自动装配设备。经过方案拟定、分析、实验等
步骤本次设计完成了机械装置部分的设计跟控制系统方面的设计。在机械装置设
计部分，经过对运动情况，尺寸的设定等分析实验，最终完成了整机的结构设计，
包括机架等。在机械装置的运动系统设计中，以电批为核心部件、实现电批头的
旋转来拧紧螺钉，用气动作为传动方式，采取一个气缸来实现电批头的上下往复
运动。在行程控制方面，采用了十字万向联轴器来解决非同轴的旋转运动，用弹
簧、套筒等来缓冲行程，实现行程控制。在系统控制方面，经过分析了解到，机
械装置需要完成检测螺钉、工件的到位情况，气缸的伸缩情况，电批的旋转停动
情况等一系列自动化动作，因此需要用到控制器来完成。本设计中采用了以 PLC
为核心的控制系统，用传感器、开关等作为信号检测跟输入，用程序编写来完成
计数、气缸的伸缩控制、电批的旋转与否等功能。总体来说，本次设计能够实现
螺钉的自动装配的任务。
关键词：设计；螺钉自动装配；机械装置；控制系统；
Fixedmulti-axisscrewautomaticassemblyequipmentdesign
Abstract
programming,analysisandexperimental,thedesignispletedwithsomemechanic
,th
roughtomovement,suchasanalysisofexperimentalsetsize,thefinalpletionof
thestructuraldesignofthesystemdesign,therotationofthepowergrantedasac
oreponentoftheelectricscrewdrivertotightenthescrews,asatransmissionof
apneumatic,takeacylinderupanddownreciprocatingmotionoftheelectriccont
rolusingacrossuniversalcouplingtosolvethenon-coaxialwiththerotational
movement,withaspringsleevecushioningthesystemcontrolmechanismneedtopl
etethedetectionscrews,telescopiccylinderandaseriesofautomatedactions,
,sensors,et
c.,asthesignalisdetectedwiththeinputpletionofthecount,theexpansionand
contractionofthecylindercontrol,withprogramming,therotationofelectric
,thedesigncanachievethetaskofauto
maticassemblyscrews.
KeyWords:design;screwautomaticassembly;machinery;controlsystem
目录
第 1章绪论 1
课题背景及目的 1
国内外研究状况 1
设计和研究方法 2
设计过程及内容 2
第 2章方案选择 4
总体方案设计 4
装置功能要求 4
技术指标 4
总体方案 4
方案可行性分析 4
传动方案设计 5
机电传动 5
液压传动 5
气压传动 6
第 3章各部分设计与计算 7
总体布局设计 7
万向节部分总体设计 7
万向节部分轴的计算 7
十字万向联轴器的选取 9
气缸的选取与校核 10
气缸的选取 10
气缸的设计计算 11
两直线导轨轴的设计计算 13
轴承 14
轴承的选取 14
直线轴承的强度校核 14
电批、电批头传感器的选取 15
电批的选取 15
电批头的选取 16
传感器的选取 16
上下滑动架的结构设计 18
螺钉输送导套部分结构设计 18
机架设计 18
机架制造方式的选取 18
机架结构的设计 19
第 4章 PLC控制系统的设计 20
控制系统功能分析 20
输入输出设备 I/O分配 20
的选取 20
电磁阀的选取 21
电源模块的选取 21
硬件连接图 22
第 5章结论 23
致谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
课题背景及目的
固定式多头自动螺丝装配设备也可以称之为固定式多轴自动打螺丝机。随着
社会的发展，科学的进步，社会从原始时代，经过半自动时代，然后辗转到了，
全自动时代。在这个科技迅速发展的时代中，自动化的普及化也迅速展开。当今
工业生产中，用螺钉（栓）来紧固工件已经是相当常用的方法了。在家电、手机、
电脑、塑胶等古老劳动力居多的企业中，手动拧紧螺钉（栓）做占用的时间占到
至少三成，当被打螺钉的材料为硬度高的产品时所用掉是时间更多，况且，如今
的产品设计都很复杂，螺钉（栓）的工位也是非常的多，因此手动，用夹具固定
好被打螺钉（栓），多轴同时一起运动拧紧螺钉（栓），由此方法，可知，无论是
要拧都少个螺钉（栓）跟拧一个螺钉（栓）所用的时间是一样的，从而，大大提
高了企业的生产效率，减轻了工人的劳动强度，增强了生产的自动化水平。同时
还可以增添控制系统功能，让机器具有自动检测功能，如，自动检测螺丝拧紧不
合格产品，方便区分劣质产品，实现计数功能等等。由此可见，多头自动螺丝装
配设备的生产与普及能给当今各大企业带来高效率，提高生产水平。
国内外研究现状
改革开放以来，我国国内的技术生产水平大大加快，效率的提高已经成为各
厂家，各企业追求的目的。因此自动螺丝装配设备的出现也是理所当然的。但是
最开始，这种技术是由国外引进的。当时，德国、美国日本等国的技术处于领先
水平，这些国家的产品大量涌入国内市场。相对来说，国外对于自动螺丝装配设
备的生产技术水平要高些。起初，这种技术的价格是昂贵的，但随着社会的发展，
时代的进步，生产技术的提高，国内的这种技术越来越走向成熟，因此全自动螺
丝机的价格也随着下降。如今，随着国内技术水平的提高，图 国内某品牌多轴
自动螺丝装配设备我国已经生产了许多种类的全自动打螺丝机，在深圳、广州、山
东等地的一些厂家已经设计和生产了许多全自动打螺丝机的产品，广泛应用与电
脑外壳自动装配、手机装配等装配精度要求很高的产品中。同时随着国内劳动力
成本的不断提高以及用工荒的不断加剧，制造企业对全自动打螺丝机的需求不断
上升，产品应用前景进一步得到了稳定。如图 为国内某品牌的一种多轴自动
螺丝装配设备。
现如今，国内对于多轴自动打螺丝机，国内主要有平台固定式、平行切换式、
旋转切换式几种。自动拧螺丝机包含螺丝自动整列单元，自动打螺丝机输送单元
和螺丝自动拧紧单元以及锁付过程中的检测单元。整列单元主要是将散装的螺丝
进行整齐排列并单个输出。整列单元可以通过振动盘分选机构实现也可以通过摇
臂式锁螺丝机整列机构来实现，而自动拧螺丝机紧单元包括旋转动力部分和螺丝
导入部分。旋转动力部分由电批提供，螺丝的导入方式常见的有吹气式和吸附式。
一般而言，吹气式由于工作连续，无需头部来回动作，因此，整体效率优于吸附
式。但吹气式本身收到螺丝外形和长径比的限制，并不是每一种锁螺丝机都适面
采用的是 PLC控制单元，万向连接方式，拥有人机交互界面。在功能方面，能实
现不良产品的检验、报警，锁紧螺钉的数目也可根据用户自行调整，整体来说，
设计比较人性化。
设计和研究方法
本设计主要是完成整机装置的设计。通过分析、计算、运动模拟等，完成打
螺丝机的结构设计。从动力输入、传动、动力输出一步一步设计，绘制运动简图，
对相关的零部件进行参数计算，并进行选型，运用 UG进行三维建模，完成整机
设计检验干涉情况。并利用 AUTOCAD完成工程二维图的绘制。
设计过程及研究内容
本设计内容可以分为两大块：机械装置的设计与控制系统的设计。整个设计
的前半段时间是用来完成机械部分的设计，研究的内容主要有电批延长部分的结
构设计、行程控制、动力输入、传动方式、整体结构等问题的研究与设计。设计
过程中，参考国内外现有产品所采用的运动等方案，进行优化与创新提出自己的
方案，并对自己的方案进行分析、计算、运动模拟来验证方案的可行性。方案拟
定后，通过三维立体建模的方式来检验干涉情况，最终确定整机的结构。当机械
部分设计完成后，开始控制部分的设计，也是整个设计的后半段时间。研究的主
要内容为控制器件的选型、检测器件的选型、控制方式的确定、控制系统原理图
的设计，采用分析、电路模拟等方式来确定控制方案的合理性。设计说明书的编
写是随着整个设计过程中一点一点的书写的。总的来说，设计过程就是按机械-
控制-说明书结稿的这一大体过程来安排的。
第二章 方案选择
总体方案的设计
装置的功能要求
本次设计的固定式多头自动螺丝装配设备要求实现在塑胶外壳上对零件采
用螺钉装配。可对装配过程的零部件位置进行自动检测、定位和供料，微机通过
相关接口驱动气缸、电动螺丝刀完成装配动作并实现计数，装置并行完成 3~4颗
螺丝的锁定工作，对装置要求具有安全保护功能。
技术指标
固定式螺丝装配设备通俗的讲就是用自动化装配完成一个拧紧螺丝的工作，
该装备其实就是代替手臂的作用，进行螺钉输送，送到指定位置，再拧紧。由此
可以看出该设备主要由两大部分组成。一个是送螺丝机构，一个是拧紧螺丝机构。
本设计的主要任务是识别螺钉到位与否并进行拧紧动作。拧紧的旋转运动主要由
电批完成，但是还要有下降的动作才能完成拧紧，因此还要设计传动机构完成电
批头的下降动作。通过资料参考，决定设计方案以 PLC为核心，通过各种感应开
关识别螺钉到位与否，再通过一定的传动机构下降电批完成拧紧工作。但是考虑
到，电批头的下降运动要符合拧紧螺钉的行程，因此还要设计一缓冲环节来时限
电批下降速度与螺钉拧入速度之间的缓冲让其行进的速度距离符合螺丝的拧紧，
通过实验论证，最终选择用一弹簧来完成缓冲作用。
总体机构运动简图如下图 所示。图 总体运动简图
方案可行性分析
首先从技术上分析，本设计所采用的零件或者选取的部件都是我们所常见的，
并且在装配上都是简单的连接，并没有什么技术难题，而再从经济上考虑，所用
到的东西都是市场上大量存在的，并且没有十分昂贵的东西，也是我们可以承受
的。因此总体来说，本次设计的总体方案是可行的。
电批下降传动方案的设计
经分析，明确电批下降所需要的运动方式为直线上的往复运动。而对于直线
往复运动可以由电、液压或气压几种传动方式。电传动是以电动机为原动机，机
电一体化，驱动生产机械的传动方式；液压是以液体为工作介质，利用液体的压
力能来提供动力输出；气压则是以空气作为工作介质，以空气压缩机为动力源的
传动方式。这几种传动方式在不同场合有着不同的应用。下面就这几种传动方式
在本设计中的利弊进行分析并从中选取最适合本设计的传动方式：
机电传动
机电传动（又称电力传动或电力拖动）顾名思义就是以电动机为原动机，驱
动生产机器的系统总体概括。[1]他的任务是将传来的电能通过能量转换为我们所
需要的机械能，能实现生产机器的开始、停车以及运动快慢的调节，满足种种我
们所需要的生产要求来完成生产，保证各项生产过程能够顺利的进行。一般情况，
机电传动都是用来对大功率的设备进行动力输出。而本设计中，只是驱动电批的
小行程、低功率的动作输出，没有必要选取机电传动。况且，对于机电传动来说，
还要进行电动机等器件的选取，体积大、占地面积多，不利于本机构的简化。再
从经济上考虑，一般电动机都比较昂贵，也会增加设计的成本。因此，综合考虑，
不选取机电作为电批上下往复运动传动方式。
液压传动
液压传动是以液体为工作介质的流体运动，其主要是利用液体的压力能的液
体传动[2]。液压传动与机电传动相比具有大致以下优点：液压传动的各种元件可
以依靠我们的需要，空间的局限等要求来自由安放，灵活性大；他的体积不大，
从而重量也很轻，占用空间小、运动惯性小、反应速度较其他传动方式较快；操
纵控制方便，调速范围可达 2000:1；同时依据他自身的优越性，可以实现过载保
护；一般采用矿物油为介质，相对运动可自行润滑，使用寿命长；很容易实现直
线运动；同时他还可以很容易的实现遥控[2]。但是由于流体流失的阻力损失和泄
露较大，他的传动效率低，如果处理不当，还会发生爆炸和火灾事故，因此安全
系数低。另外工作性能容易受到温度变化的影响，不易在很高或者很低的温度下
工作，工作条件要求高。对于本设计，安全性作为首要考虑因素，再从经济等方
面考虑，液压传动价格昂贵，还需要较高的维修技术水平。因此，综上所述，液
压也不是本设计的最佳传动方案。
气压传动
气压传动简称气动，他的动力来源是空气压缩机。以压缩空气为工作介质，
进行能量和信号传递的工程技术，是实现传动与控制的重要手段之一[2]。气压传
动的工作介质是空气，流动损失小，空气取之不尽，适应远距离输送。废气排放
处理简单，无污染，成本低。同时他的压力等级低，使用安全，气动执行元件响
应速度快，反应动作灵敏，能很好的适应冲击负载，工作环境要求低。但是他也
有定位精度低、信号传递速度慢，不易用于传递速度高的复杂控制系统、输出力
小、输出功率小等缺点。
根据自己的需要，对于要设计的固定式自动螺丝自动装配设备来说，所需要
的运动方式为直线运动，完成四个螺钉的拧紧过程所要求的输出力与输出功率也
不是很大，同时考虑到安装复杂性、经济性、安全性、占用空间等方面，最终选
取气动方案。
第三章 各部分设计与计算
总体布局设计
气缸放在最上端驱动电批上下往复运动，完成拧螺丝所需要的进给。电批需要加
长机构，加长的电批机构用两个滑动架来进行轴向固定。由于每两个螺纹孔的间
距仅为 21mm，而电批直线排列不能满足要求，又要保证完成旋转运动，即满足轴
不在同一直线上的旋转运动，因此要用到万向联轴器来完成。整个过程气缸的伸
缩运动用 PLC来进行控制。
万向节部分总体设计
万向节部分主要是用来延长电批，实现轴线不在同一条直线上得旋转运动，并有
行程缓冲环节，能保证电批头的行程与螺钉拧进的行程一致。经过设计，万向节
部分主要由电批、连接轴 1、十字万向联轴器连接轴、连接轴 2、弹簧、套筒、
滑动轴电批头等组成。其结构如下图 。螺钉经送料装置送到指定位置时，传
感器检测信号，PLC发送信号控制气缸和电批的动作，气缸驱动万向节部分整体
向下运动，电批负责旋转运动，经过弹簧这一缓冲环节，将气缸伸缩的距离缓冲
成拧紧螺钉需要的行程与距离。螺钉拧紧后，再通过 PLC发送信号给气缸与电批，
气缸收缩，电批停止旋转。
1- 电批；2-连接轴 1；3-十字万
向 联 轴器；
4-连接轴 2；5- 套筒；6-压缩弹簧；7-销钉；8-
滑动轴；9-电批头
图 万向节部分装配体
万向节部分轴的设计计算
该部分的轴组要承载扭转力，所以主要根据扭转强度进行设计计算。
螺钉为 M4，螺距 2mm左右，拧进 25mm，初步计算所需要的扭转力为 ·m
根据轴的强度校核公式[3]：
（）
式中：—扭转切应力，MPa
T—轴所受的扭矩，N·mm
WT—轴的抗扭截面系数
n—轴的转速，r/min
P—轴传递的功率
d—计算截面处轴的直径，mm
—许用扭转切应力，MPa
再由：
（）
由上公式可以导出：
（）
根据材料参数，选用 45号钢，=30MPa,带入数据可得许用直径为：
因考虑到，轴的一部分会以空心形式存在，因此初步定轴的直径为 10mm。设空心
部分直径为 6mm。进行强度校核。同样由上公式，但是轴的截面系数公式不同，
如下：[4]
（）
带入数值计算得结果：因此强度有保证。
再根据弯扭条件进行校核：
对于连接轴 2，其直径 10mm，长度 100mm,进行弯扭结合强度校核：
他的扭矩图如下图（）：
图 连接轴 2的扭矩图
其弯矩可进行估算得，并画出弯矩图如下图（）：
图 连接轴 2的弯矩图
根据第三强度理论进行强度校核计算，如下式：
()
可得=。远远小于材料的许用力=85MPa，因此强度足够。
而对于套筒与滑动轴部分，其只受到扭转力的作用，弯曲力的作用可以忽略
不计，因此由扭转力矩计算出的轴满足弯曲强度。
对于套筒与滑动轴的长度，主要跟气缸杆的伸缩相关联。气缸伸缩的行程不
能太长也不能过短。如果太长，那么将会造成较大的缓冲行程，需要很长的轴来
进行缓冲，这样会给整体机构带来不协调，造成细长轴，浪费材料。但是，也不
能过短。如果过于短，那么将会没有足够行程来保证拧紧螺钉，有可能造成螺钉
拧的不紧，螺钉松动，产生次品，这样也会造成成本的提高。因此综上分析，再
根据一般气缸的行程，决定选取气缸的行程在 150mm左右，因而，滑动轴与套筒
相滑动的部分为 150mm，因而滑动轴定为 270mm(因为还一部分要安装电批头),套
筒定为 200mm。
十字万向联轴器的选取
为了完成不同轴线的旋转问题，本设计采取加用十字万向联轴器，根据上边轴
的尺寸的计算，最终选取结果为 WSD1类型的十字万向联轴器。[3]
气缸的选取与计算、校核
气缸的选取
气缸一般可分为单作用气缸、双作用气缸和特殊气缸等。下图 为一般普
通气缸的零件组成。
1-组合防尘圈；2-前端盖；3-轴用 YX密封圈；4-活塞杆；
5-缸筒；6-活塞；7-孔用 YX密封圈；8-缓冲调节阀；9-后端盖
图 普通气缸机构
单作用气缸一般可分为活塞式与膜片式两大类，而活塞式又可分为单活塞与
双活塞两类，单活塞又可分为有杆气缸跟无杆气缸两类，其中有杆气缸又分为单
作用与双作用之分，同样双活塞杆也是有这两种。而膜片式一般有平膜片、滚动
膜片、皮囊三类。
单作用气缸一般都是通过对空气的压缩驱动活塞或者柱塞向一个方向运动，
其中活塞式是靠如重力等外界力量复位，活塞式跟薄膜式气缸还可以借助弹簧等
复位。柱塞式气缸拥有较好的负载稳定性，但是输出力小，主要用于小直径气缸。
当活塞式气缸借助弹簧复位时。概括而言，单作用气缸总体适用短行程，小直径。
拥有结构简单等优点。
双作用气缸通俗的讲就是通过压缩空气能够驱动活塞向两个方向运动。有的
安装有缓冲装置来对活塞接近终点时进行降速调节，以免过大载荷的冲击。调节
的就叫做可调缓冲气缸，不可调节缓冲降速数值的就为不可调缓冲气缸。
特殊气缸种类很多，常见的有串联气缸、差动气缸、增压气缸、伸缩气缸、
双活塞气缸、冲击式气缸、多为气缸等等。
通过对气缸资料的参考，本设计所需要气缸驱动完成的运动为上下往复运动，
再从经济性、可行性、安装复杂性、通用性考虑等，最终决定选取一个普通的双
作用气缸就可以。这种气缸也是应用最为广泛的一中气缸，相对来说技术比较成
熟。
气缸的设计计算
气缸作用力的计算：
设本设计所选取的单活塞双作用气缸活塞杆的作用力推力为 F1，拉力 F2。
根据如下公式：
（）
（）
其中为活塞杆的推力(N)，为活塞杆的拉力(N)，D 为活塞直径(m)，d为活塞
杆直径(m)，p为气缸工作压力(Pa)，为负载率。负载率与气缸工作压力有关，基
本关系如下表 。
表负载率与气缸工作压力p的关系
P（MPa） ~1
~
0
~
0
~
0
~
0
~
0
~
0
~
5
~
的最佳值为 ~，气缸高速运转取=，低速时取 ，根据本设计安
装要求，气缸低速运转，气缸工作压力为 ,所以选取=。
气缸内径跟活塞杆直径计算：
根据公式（），（）可求得气缸直径。
由于气缸垂直安装，所以往回的拉力 F2大于推力 F1，所以要根据拉力来进行
计算。大概估计克服重量为 15kg。当用公式 进行计算时，活塞杆的直径可以
先估定，一般取缸径的四分之一。代入公式计算可得：
根据缸径系列如表
表缸筒内径系列
8 10 12 16 20 25 32 40 50 63
80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 180 200 220
所以选取缸径为 32mm便可以符合要求。再根据活塞直径为缸径的四分之一
左右，因此活塞直径定位 8mm。根据表 活塞杆至今系列，定活塞杆直径为
8mm。
表活塞杆直径系列
4 5 6 8 10 12 14 16 18 20
25 28 32 40 45 50 56 63 70 80
气缸筒壁厚的计算：
一般情况下，气缸壁厚与缸径的比值小于十分之一时，可按下公式（）进行
计算：
=（）其中：
（）
D为气缸内直径；ps为实验压力，一般取 ps为工作压力的 倍，为缸筒材
料的许用应力，为缸筒材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取 n=6~8。一般选
取 45号钢为材料，所以=100MPa，带入公式计算得很小，大概为 。但是缸
筒两端会有端盖等其他零件，所以一般缸筒都不会很薄。
综上基本计算出所需要的气缸的基本尺寸，但是考虑到自己加工制造气缸较
为麻烦,从经济性、操作性等方面考虑，所以还是根据计算出的数据来进行气缸
选取。经过对气缸厂家的搜索，资料查询，老师推荐等综合考虑，最终选取了 SMC
公司所生产的的一种标准型单杆双作用气缸，具体型号为 CG1BN32150ZW，样式如
图 。
图 标准型 CG1系列单杆双作用气缸
其规格具体参数如下表 所示：
表气缸CG1BN32150ZW具体规格
缸径（mm） 32mm
动作方式 单杆双作用
给油 不要（不给油）
使用流体 空气
耐压试验压力
最高使用压力
最低使用压力
环境温度及使用流体温度 −10℃~70℃（未冻结时）
使用活塞速度 50~1000mm/s
行程长度允差 ~200mm
缓冲 垫缓冲
安装形式※ 无耳轴安装用螺孔
两直线导轨轴的设计计算
对于这两个直线导轨轴，经受力分析可知，其主要受到弯矩，而没有扭矩。因此
主要根据弯曲强度来进行轴径的设计计算并进行校核。因为这两根轴起到一个导
轨的作用，因此要让滑动架能够平稳的滑动，所以两根轴的直径不易过小，这样
会造成滑动不平稳。同时又考虑到材料解约，避免装置过于笨重等原因，可采用
空心处理。因此可以暂定，轴的直径为 30mm，内径 10mm。
下面进行弯曲强度校核：
根据公式[4]：
()
现根据计算，算出该轴所受的弯矩并作出弯矩图如下图 。
图 滑动导轨轴的弯矩图
得出结果：=。远小于材料 45号钢的许用力=100MPa,强度足够。
轴承
轴承的选取
两个滑动架要在两直线轴导轨上平稳滑动，因此还要选择滑动轴承。根据运
动方式我们知道，主要为直线的往复运动，因此轴承类型选择直线轴承。
直线轴承是一种用于无限行程与圆柱轴配合的轴承[5]。一般可分为标准型、
开口型、加长型、通用型等，也可以根据法兰分为圆法兰型、方法兰型、椭圆法
兰型、导向圆法兰型、导向方法兰型、导向椭圆法兰型、加长圆法兰型等。本设
计选择圆法兰型，具体型号及参数如下（图 为样式跟尺寸标明）：
型号：LMF30
球列数：6
内径：30mm
外径：45mm
长度：64mm
法兰：51mm
连接孔:
图 直线轴承样式跟尺寸标注
法兰垂直度：
径向跳动：
基本额定载荷：动，160kg；静，280kg
直线轴承的强度校核
根据长度寿命进行计算，由公式：
(单位：10km)()
其中：
硬度系数:FH
硬度 HRC58以上，FH=；硬度 HRC52-58，FH=
动载荷:C
工作载荷:PC(单位：kg公斤)
温度系数:FT
工 作 温 度 小 于 100摄 氏 度 ， FT=， 工 作 温 度 100-125摄 氏 度 ，
FT=。
接触系数:FC
每根轴装一套轴承，FC=每根轴装二套轴承 FC=每根轴装三套轴承，
FC=每根轴装四套轴承，FC=
载荷系数:FW
运行速度小于15米/分钟，无冲击、无振动，FW=；
运行速度小于60米/分钟，微小冲或振动，FW=；
运行速度大于 60米/分钟，或有较大冲击、振动，FW=
由 本 设 计 内 容 可 定 个 项 系 数 值 如 下 ： FH=1，
C=160kg,PC=5kg,FT=,FC=,FW=
可得结果：L=(10km)
再由公式：
（单位：小时）（）
其中：L长度寿命（万米）；
Ls工作行程；
N1每分钟往返次数
带入数据可得：Ls=10000(小时)，满足要求。
电批、电批头、传感器的选取
电批的选取
由工件上得螺钉可知为 M4的螺钉，根据此螺钉选取电批为 HIMAX设计的一
种。具体型号参数如下：（实物见图 ）
型号：TLF3000电源：24VDC 图 电批
扭力输出范围(kgf-cm)：~
无负载转速()：HI,1000;
螺距(mm)：~
通用起子头规格：H4
同时，该电批还具有计数功能。
电批头的选取
电 批 头 选 司 力 速 电 批 头 ， 规 格 为
PH240100E4具体参数为:=，样式为右图（）：
图 电批头
传感器的选取
本设计中，要自动检测工件是否到位、螺钉是否到位、气缸的伸缩运动要有极限
位置等等，这些功能可借助传感器来实现。
传感器有很多种，比如说光电传感器、红外传感器、压力传感器等等。
首先，要对工件进行检测，也就是说，要检测工件是否到位，如果到位，
那么进行下一个动作，如果没到位则继续等待。因此这里可以选取一个光电传感
器来进行检测。将光电传感器放在工件夹具的两端，当工件运动到指定位置时，
传感器收到信号，并将信号发给 PLC，PLC来输出命令进行下一个动作。实际测
量，工件大小为，据此进行传感器的选取。最终选取上海蓝宝所生产的一种对射
式传感器，型号为：PSF
分为一发射器与接收器。外形尺寸如图 。
主要技术参数为如下：
电源电压：24VDC响应时间：小于 1ms
最大测力距离：5m光源:红外 LED880nm
重复精度：小于 5%
图 传感器外形尺寸
其次要对螺钉是否到位进行检测，因为检测距离较小，因此选取槽型光电传
感器就可以。选取结果为超逸电子所生产的一种小型槽型光电传感器，型号为
ITR9608-F.它的外形尺寸为；，电源为 DC24V。产品见下图 。
图 -F槽型光电 传感器
同时，装置还要有一定的 安全性，保证机器在工作时，当
手等人体进入机器工作区时，机器能够自动停止运转，这里还要用到一个传感器，
能够坚持到人体等。为了避免选取过多种类的传感器，给生产制造带来不必要的
麻烦，所以决定选取同检测工件一样的传感器，但是要并排两个，形成一个面的
对射面即可。
对于上限位也用这样的传感器，选取一
种槽型光电传感器，同样为上海蓝宝所生
产，型号为 PU30。主要参数如下：
电源电压：24VDC
光源:红外线 LED(调制)
检测物体Φ2mm以上不透明物体
外形尺寸如图 。
图 槽型光电传感器
对于下限位，则用一个电流传感器来感应电批电流变化的大小来发出信号。
当检测到电批的电流发生较大升高时，则表明螺丝已经拧紧或者出现螺丝卡死等
情况，此时应当停止运动，气缸收回。因此选择了北京科海电子的电流传感器如
图 ：
产品名称：KT电流传感器
检测电流：1~3A(直流)
输出电流：25mA有效值
电源电压：24VDC
工作温度：0~70摄氏度
内阻：60欧姆图 电流传感器
上下滑动架的结构设计
上滑动架主要是用来固定电批，连接运动活塞，而下滑动架主要是用来扶持
电批头，导向电批头让其准确对准螺孔。因此可设计出上下滑动架子的大致结构
如右图 。
下滑动架与上滑动架大致相同，只是把固定电批的孔的换成扶持电批头的装
置即可。
图 上滑动架
螺钉输送导套结构设计
对于这部分结构的设计，查阅很多资料，再通过与老师的沟通交流得知，这以机
构主要用手指式结构居多，并且这种方式可靠性好，因此，本设计同样选用手指
式结构，其基本结构图如下图 ：
手指式结构
机架设计
机架制造方式的选取
机架是用来放装备的，所有设计的零件都在机架上。可见机架必须拥有足够的强
度与刚度，能够承受设备的载荷，以避免承载力不够，机架瘫垮，破坏整个设备，
并在运行过程中保持很小的变形，以满足装配精度的要求一般情况下，机架有两
种方式来制造，焊接或者是铸造[6]。
铸造在机械工程的制造方面应用十分的普及，在如今各种各样的的机械装置
中，如车床、发动机、内燃机等中，铸造的地位举足轻重。铸造一般分为手工铸
造、机器造型、压力铸造等等[7]。通过铸造能够制造出很复杂的造型，铸造件相
比焊接来说，有较强的抗震效果，但是铸造也有很多缺点跟不足，如铸件成分内
部晶体粗大不细腻、成分均匀性不足、质量不稳定、笨重、不易修改制造、废品
率高等。
焊接形成是一种比较先进的、高效的金属连接方法，是现代工业生产中重要
的连接方法之一，在国内的生产经济中，占有很大的比重[7]。焊接同样广泛应用
在机械制造。冶金航空航天等部门。相比铸造件来说，焊接具有结构质量轻、材
料利用率高、成本低、强度刚度好等优点，但是焊接也有很多缺点，如某些材料
难以焊接、焊接产生材料变形、吸收震动效果差等。
综上，本设计多轴自动锁螺丝机工作时比较平稳，负荷变动不大，不会有大
幅度的震动，整个装置重量也不是很大。再考虑经济等因素，相对来说焊接方法
容易制造，成型快、成本低节省材料，因此最后选定以焊接方式来制造机架。
机架结构的设计
选取焊接方式制造机架后，我们知道，该机架的承载能力是没用铸造机架好。
所以，为了增加机架的承载能力，必须采
取措施来增大机架的强度与刚度。在过去
的学习中，我们知道，增加加强板或者改变
受力方向可以增大机构的承载能力，因此从
这两方面着手，把机架的四个脚设计成斜
置来改变受力方向，再在每两个脚之间加上加强板来增加强度[7]。所以基本结构
如图 。图 机架结构
机械装置总机设计部分总结
至此，机械装置设计部分基本完成。概括来说，整机采用电批来驱动电批头
的旋转运动，用气动的方式来驱动电批的直线上下往复运动，用弹簧、套筒等设
计来完成行程速度的控制。在结构设计上，设计了手指结构、万向节装配体等机
构，并且做了整个机架等构件的设计，进行了运动模拟、干涉问题的检验等等。
设计内容能够实现螺钉装配的运动。
第四章 PLC控制系统的设计
4．1控制系统功能分析
由运动情况知道，控制系统的功能主要是处理运动的动与停。具体的说就是，
先检测工件与螺丝的到位情况，若都到位，则控制气缸带动电批下降，同时电批
接通旋转。当检测到螺丝拧紧，则控制气缸收回，电批停止运转。机器同时具有
安全保护功能。
输入输出设备 I/O分配
输入端有启动开关、停止开关、急停开关、上限为传感器、下限位传感器、
检测螺钉传感器、检测工件传感器；输出端有电磁阀、电批、工作指示灯、停止
指示灯。具体分配见下表 ：
输入信号 输出信号
名称 输入点编号 名称 输入点编号
启动按钮 SB1 电磁阀（气缸伸缩运动）YC1
表
的选取
由本设计机构的运动分析可以知道，该机构的输出端主要由两个，一个是驱
动气缸往复直线运动，一个是驱动电批的旋转，而气缸主要通过电磁阀来驱动，
同时还可以适当增加指示灯环节的输出以便系统更加完善。而对于输入端，主要
有开始、停止、急停、还有若干传感器的信号输入，所以我们可以看出，本机构
并不需要过多的 I/O点数。普通的 PLC即可。所以经过资料查阅再考虑经济因素
等各方面，最后选取西门子所生产的一种 S7-200CPU224X系列的 PLC控制器。该
主机由 14个输入端，10个数字量输出。提供两种供电电压 DCDC和 ACRelay。两
种类型供电电压分别提供 ~直流跟
85~264V交流电压。产品实物如右图 [9]。
图
-200PLC
电磁阀的选取
电磁阀是用来控制气缸的往复运动，本设计中，气缸的往复运动比较简单，因此
停止按钮 SB2 电批开关 YC2
上限位传感器 工作指示灯 YC3
下限位传感器 停止指示灯 YC4
检测螺钉传感器
检测工件传感器
安全防护传感器
急停开关 SB3
选择普通的二位四通电磁阀控制即可。具体选择了 SMK提供的一种 24D两位四通
电磁阀。具体参数如下：
流通介质：水液、空气、油等无腐蚀性液体
介质温度：≤60℃（不冻结）
允许温升：85℃
工作寿命：60万天
电源电压：AC220VDC24V
消耗功率：20W左右
电源模块的选取
由于上面一些器材的选取后，用到的电压主要为 DC24V，因此，系统中需要
用到一个将 220V交流电压转变为 24V直流的电源模块，因此选择了深圳市奥普
源科技有限公司提供的一种开关电源。
实物尺寸如右图
具体参数如下：图 奥普源 24V3A电源开关
输入电压：110、220（V）输出电压：24（V）DC
输出功率：72（W）类型：AC/DC电源
晶体管连接方式：单端式型号：24V3A
品牌：奥普源调制方式：脉冲宽度调制(PWM)式
产品认证：CE属性：属性值
硬件电路连接图
见附件 5
第五章 结论
本次设计完成了固定式多头自动螺钉装配设备的机械装置与控制系统的设
计，设计内容能够实现工件、螺钉的位置检测，螺钉的自动装配并计数的任务要
求。在机械装置设计过程中，采用了电批作为拧紧螺钉的旋转运动的动力来源。
而对于电批的上下往复运动的动力则选取气缸作为动力来源，安装简便，安全可
靠。与此同时，在电批头的行程速度控制上，采用了弹簧、套筒等部件来进行控
制。在控制系统这一方面，采取了以 PLC为核心控制单元的控制系统，用光电传
感器等进行检测并输入信号给 PLC。总的来说，本次设计基本完成了设计任务，
但是在整机的精简结构方面做的还不够好。比如说，这个设备的尺寸过大，而设
备内部空间没有能够充分利用，造成了空间浪费。因此，这一方面是本次设计所
需加强改进的地方。
致谢
本次设计是在颜运昌老师呕心沥血的帮助下完成的。在整个设计过程中，颜
老师不仅在设计上给了我很大的帮助，同时在心态上，学习方式等各个方面都给
与了诚恳的指导，让自己这几个月的时间里学到了很多知识，无论是在专业知识
还是在学习方法、思考方式。这里对颜老师表示衷心的感谢！同样也要感谢在开
题答辩、中期答辩、交叉评阅等环节，给与了自己很多宝贵的意见的全体老师以
及同学，在每位师长的帮助下，自己的设计才变得更加的完善。
最后感谢湖南大学，给了我们这么好的实验平台、给我们分配了这么多负责
人的老师、给与了自己一个做毕业设计的机会！让自己在这么短的时间里学到了
这么多东西。
再次感谢所有帮助过我的领导、老师、同学,谢谢你们！
参考文献
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[2]杨曙东，何存兴．液压与气压传动[M]．武汉：华中科技大学出版社，2008：
3-4，263-264,295-301,316-317．
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社，1991．
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2009：30-40．
