机械5

目录 第一章绪论 1.1课题研究的目的和意义 1.2自动扳手主要技术指标 1.3气动扳手的发展现状和问题 第二章基本原理和总体设计 2.1扭矩测量及拧紧系统的基本原理及总体方案 2.2各组成系统的设计 第三章机械结构的设计 3.1气动发动机的设计计算 3.2机械式定扭矩装置设计 3.3气源自动切断装置 第四章信号检测与数据处理及程序举例 4.1自动检测控制装置 4.2电路组成 定扭矩气动扳手所采用的片簧一转子结构定扭矩装置的结构设计。由理论分析可知，该结构的定扭矩装置输出扭矩有个最大值，可以用来控制扭矩。当把定扭矩装置放置到气动扳手中，可将定扭矩装置放在气动发动机和冲击部分之间，其结构示意图如图3.6。转子与气动发动机相连，片簧、内圈与气动扳手冲击部分相连。通过控制冲击部分的输入扭矩来控制气动扳手作用到螺纹紧固件上的扭矩。 由于气动扳手是装配生产中使用的机动扳手，通常要求其尺寸小，重量轻，适合单人操作。故对于具有扭矩控制的气动扳手不仅要求能够控制输出扭矩，而且要求气动扳手的尺寸不能很大。同时，要求定扭矩气动扳手在输出扭矩达到预定值后能自动切断气源以便降低气动扳手的耗气量，节约产品的装配成本，并且希望定扭矩气动扳手能够给操作工发出扭矩达到规定值的信号，也就是要求定扭矩气动扳手在扭矩达到预定值时具有自动切断气阀、自动报警功能。考虑到这些因素和功能要求，当把定扭矩装置集成到气动扳手中时，需要对定扭矩装置和气动扳手的结构进行改进。需要考虑定扭矩装置如何与气动扳手中各部件连接，如何在保持定扭矩装置一定输出扭矩时缩小定扭矩装置的尺寸以及如何实现扭矩达到时自动切断气阀、自动报警等功能。本课题中定扭矩气动扳手是以BQG16型气动扳手为基础，根据BQG16型气动扳手应用范围，要求气动扳手的输出扭矩控制在10ON.m，则定扭矩装置中片簧一转子结构所允许的最大扭矩[M]=100N.m。由BQG16型气动扳手的气动发动机输出轴的直径和联接平键的强度要求可确定转子半径r=15mm，滚柱半径rT=5mm，片簧与内圈中心线的夹角α=450。，并由此可确定内圈半径R=25mm。由前面介绍的片簧一转子结构的设计步骤可知:当确定转子半径r、滚柱半径rT、角α和内圈半径R后，可以设计片簧的结构。设计计算时，可先假设片簧的惯性矩I=4mm4，利用式(2.1)(2.2)(2.3)得到片簧一转子结构最大输出扭矩时对应的角βm值，βm=6.527。。由于最大输出扭矩Mmax与片簧的惯性矩I成正比，故对于等截面的片簧，由要求的最大输出扭矩值[M]可确定片簧的惯性矩I=13.5mm4。若片簧的截面为矩形并且知道片簧的宽度b=6mm，则由矩形截面惯性矩计算公式3.3气源自动切断装置 定扭矩气动扳手自动切断气阀装置应在气动扳手输出扭矩达到最大值后，能自动切断气动发动机的进气，并且能在气动扳手关闭后恢复到工作前状态，为气动扳手的下一步正常工作做好准备。根据现有的定扭矩装置和气动扳手的特点，利用气压差特性设计了一套自动切断气动发动机进气的装置，其装置的结构如图3.8。图中(a)为定扭矩部分控制结构图，(b)为自动切断气源部分的视图，(C)为气动发动机进气控制阀的侧视图。 花键联接套上装有花键销，内圈端面上有凸台，用来控制花键销沿径向的伸缩运动，花键销可以与外圈上内花键啮合。控制杆和控制阀杆靠近末端处各有一半圆形槽。由于气动扳手使用压缩空气作为工作介质，气动发动机的进气控制阀的内外存在压力差。当定扭矩气动扳手正常工作、气动扳手的输出扭矩没有达到预定值时，花键联接套上的花键销没有与外圈上的内花键啮合，外圈不随花键联接套转动。由于控制杆末端圆柱体插入控制阀杆的半圆形槽中，勾住控制阀杆，使得控制阀套内外的压力差不能使控制阀杆关闭控制阀套，压缩空气可以通过控制阀套进入气动发动机。当扭矩快达到预定值时，内圈上的凸台开始推动花键销往外运动，与外圈的内花键啮合，从而使花键联接套带动外圈转动。当外圈转动时，外圈上的凸台使控制杆向下运动。这时控制阀杆与控制杆的半圆形槽相对，控制杆无法勾住控制阀杆。控制阀套内外压力差克服控制阀弹簧的弹力，压缩控制阀弹簧使控制阀杆右移，关闭控制阀。这样，压缩空气无法进入气动发动机中，气动发动机不能做功。同时控制阀杆在右移关闭控制阀时，其末端圆柱体插入到控制杆半圆形槽中，挡住控制杆的回退运动，使控制杆不能复位。当操作工关闭气阀后，控制阀套的内外压力差相等，控制阀弹簧的弹力使得控制阀杆离开控制阀套，恢复到工作前的位置。此时，控制阀打开，控制阀杆上的半圆形槽与控制杆相对，控制杆在控制杆弹簧作用下复位，控制杆末端圆柱体插入到控制阀杆的半圆形槽中，控制杆重新勾住控制阀杆。 第四章信号检测与数据处理方法及程序举例 4.1自动检测控制装置 原理：工作时，单片机通过I/O模块和驱动模块驱动气源加载，实施采集扭矩扳手测量仪的数据，检测判定达到峰值后，记录数据，并驱动关闭气源。 根据上面基本思想设想提出了一种可以控制扭矩的离合器结构一一片簧一转子结构，其结构示意图如图2.2(图(a)为整体结构示意图，(b)为单个片簧一转子的结构放大图)。考虑到具有扭矩控制的气动扳手的输出扭矩应可以调节，这样可使该定扭矩气动扳手的使用范围更广，图2.2所示的转子一片簧结构的定扭矩装置具有扭矩可调的功能。在转子一片簧结构中，片簧固结在内圈上，内圈和外圈之间可以相对转动。当调节好内圈与外圈之间的相对位置后，将内圈和外圈固定在一起，它们的位置在转子一片簧结构工作时保持不变。为了减小转子与片簧之间的摩擦和磨损，在转子末端装有滚柱。若将该结构嵌入到气动扳手中，转子可与气动扳手中的气动发动机的输出轴相连，片簧、内圈、外圈可与气动扳手冲击部分相连。工作时，如果转子一片簧结构中内圈受到阻力矩，固定不动，转子在驱动力矩作用下产生转动，对片簧产生作用力，使片簧产生弯曲变形。若内圈所受的阻力矩小于片簧所承受的最大力矩时，片簧、内圈、外圈和冲击部分随转子一同转动，使该结构输出扭矩;若内圈所受的阻力矩大于片簧所承受的最大力矩时，转子打滑，片簧、内圈和外圈不再随转子转动，没有扭矩输出。 这样可使片簧一转子结构的扭矩输出值控制在规定的范围内。该装置除可以控制扭矩外，还可以实现扭矩的调节，调节范围士20当调节扭矩时，可以调节内、外圈之间的相对位置。研究表明，该结构输出的最大扭矩与片簧和内圈中心线之间的夹角a值有很大关系。设计片簧一转子结构时，需要确定计算出片簧、内圈等的基本参数。片簧一转子结构设计计算过程如图2.4。转子的半径厂由所传递的扭矩按与转子相配合的轴的强度来计算确定滚柱半径，按与滚柱配合的轴的剪切强度确定。内圈的半径R的确定需要考虑片簧的变形，应使片簧的变形较小并且片簧在工作时不应与内圈发生干涉，这里取(r rT)=0.8R。对于片簧一转子结构来说，其输出扭矩的主要影响因素是片簧的截面尺寸，故片簧的设计成为该结构设计的主要内容。由于片簧的截面尺寸结构决定于片簧的惯性矩I，设计时确定片簧惯性矩就可以确定片簧尺寸。由式(2.3)可知，若片簧各处截面相等，在其它参数一定条件下输出扭矩M与片簧惯性矩I成正比，并且片簧惯性矩I值变化对结构的最大输出扭矩值所对应的βm值没有影响。设计时，初选片簧的惯性矩I0，计算出此时该结构的最大输出扭矩Mmax。比较最大输出扭矩Mmax和所允许的最大扭矩[M]值，可以确定片簧的惯性矩I。若片簧的截面为矩形，当给定片簧截面的宽度或高度尺寸后，就可以确定片簧的高度或宽度尺寸。考虑片簧要有弹性，片簧的材料选用弹簧钢。 若所允许的最大扭矩[M]=26Nm，现设计片簧一转子结构模型。按照上述片簧一转子结构设计过程，取α=45，片簧的材料选择弹簧钢55Si2M
n，其弹性模量E=206GPa，片簧的截面为矩形。根据所传递的最大扭矩，按照强度要求计算得r=23mm，:rT=5mm，则R=35mm。初定片簧的惯性矩为I=7.8mm4。由式(2.3)可得到最大输出扭矩Mmax对应的βm值，此时βm=5.7。。由于最大输出扭矩Mmax与片簧惯性矩I成正比，由所允许的[M]值可确定片簧的惯性矩为I=4mm4。根据设计计算的片簧惯性矩I，当给定片簧截面的宽度或高度尺寸时，就可确定高度或宽度尺寸。若片簧的宽度为6mm，则高度为2mm。 第3章其他机械结构的设计 气动扳手使用压缩空气作为工作介质，采用冲击碰撞的机理进行工作。气动扳手涉及到热工学、碰撞理论等方面的知识，设计时需要综合应用这些知识。定扭矩气动扳手主要由气动发动机、冲击机构和定扭矩部分组成，故定扭矩气动扳手的设计还包括气动发动机设计、冲击机构设计、定扭矩装置设计以及气动扳手中气路设计、气阀设计等辅助控制装置设计。 3.1气动发动机的设计计算[5] 气动发动机也称为气马达，按结构形式分有活塞式气马达、叶片式气马达、齿轮式气马达、涡轮式气马达。叶片式气马达由于结构简单、外形尺寸孝单位重量输出功率大、维护性好等特点，在气动工具中被广泛用作动力源件。气动扳手常采用正反转性能相同的叶片式气马达。