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一、市場(chǎng)調(diào)查研究：
螺絲是常見(jiàn)的一種工件，大到重型機(jī)械，小到日常生活用品，我們總能看到螺絲的身影。因此擰螺絲的螺絲刀在生活和生產(chǎn)中占有很重要的地位?，F(xiàn)在出現(xiàn)的比較多的螺絲刀有普通的手動(dòng)螺絲刀和電動(dòng)螺絲刀。普通手動(dòng)螺絲刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但是效率比較低，特別是有較長(zhǎng)的螺釘要擰時(shí)更明顯。電動(dòng)螺絲刀效率高，且省時(shí)省力，適合大規(guī)模生產(chǎn)使用，且可以設(shè)計(jì)成帶電池的電動(dòng)螺絲刀，從而可以抵消對(duì)電源線的依賴。
二、設(shè)計(jì)方案：
基于以上對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有螺絲刀的性能分析，設(shè)計(jì)一款電動(dòng)螺絲刀。
1、設(shè)計(jì)要求：
能快速擰緊/松出螺絲的的多功能手動(dòng)螺絲刀，其特征是：?jiǎn)问植僮?，可?shí)現(xiàn)快速正反轉(zhuǎn)，也可變速為正常螺絲刀一樣工作；可更換多種規(guī)格的螺絲刀頭。
2、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ：
本產(chǎn)品由高效變速裝置、多功能刀頭裝置和變速裝置組成。
1） 高效變速裝置 主要由手柄、螺絲刀架、固定在螺絲刀柄內(nèi)的變速直齒輪組組成。工作時(shí)，操作手法和普通螺絲刀相近，握住手柄正反轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)單并排的變速直齒輪組能使螺絲刀桿直接正反旋轉(zhuǎn)。為了結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)的變速直齒輪組的傳動(dòng)比為1：3.5 ，當(dāng)用于快速擰緊/松開(kāi)螺絲時(shí)，轉(zhuǎn)一圈手柄，可以使螺絲旋進(jìn)/松開(kāi)3.5圈，實(shí)現(xiàn)高效旋
高效變速裝置
2）多功能刀頭裝置 是便于拆裝更換螺絲刀頭的裝置，可以安裝不同規(guī)格的螺絲刀頭。
3）變速裝置 緊固螺釘需要較大力矩時(shí)，將變速裝置小推件拉到如圖中所示位置，則螺絲刀的傳動(dòng)比為1比1，可以滿足擰緊要求，此時(shí)螺絲刀與普通螺絲刀無(wú)異。將變速小推件往右拉，則可實(shí)現(xiàn)1：3.5的高效旋轉(zhuǎn)。
作品整體效果圖如圖-4所示。
圖-2 多功能刀頭裝置
圖-3 變速裝置
圖-4 作品整體效果圖
3、螺絲刀控制部分設(shè)計(jì)：
本設(shè)計(jì)產(chǎn)品帶有自動(dòng)停止控制功能，以下為該產(chǎn)品的控制模塊設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)如下。
1) 硬件設(shè)計(jì) 如圖1。其主要由單片機(jī)、電機(jī)、開(kāi)關(guān)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、力傳感器等組成的。由單刀開(kāi)關(guān)控制正反轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)擰螺絲和松螺絲兩個(gè)動(dòng)作。
當(dāng)需要擰螺絲時(shí)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，打開(kāi)電源。單片機(jī)將控制模數(shù)轉(zhuǎn)換，把扭矩力電壓輸入到單片機(jī)，當(dāng)扭矩力小于一定值時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)扭矩力達(dá)到一定值時(shí)，關(guān)閉電機(jī)。
當(dāng)需要松螺絲時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)S1，打開(kāi)電源。單片機(jī)將控制電機(jī)一直反轉(zhuǎn)，直到手動(dòng)關(guān)閉電源。
圖1
2）程序流程設(shè)計(jì)
3）程序軟件設(shè)計(jì)
程序預(yù)定義 如圖3。預(yù)先定義了有單片機(jī)封裝庫(kù)，ADS7825模數(shù)轉(zhuǎn)換，電機(jī)，PWM，按鍵，扭矩力調(diào)節(jié)值。
圖3
主程序 如圖4。通電以后，首先初始化各個(gè)寄存器，調(diào)整各個(gè)寄存器工作狀態(tài)。然后讀取張反轉(zhuǎn)按鍵ZF的狀態(tài)。如果是正轉(zhuǎn)狀態(tài)，則控制電機(jī)以占空比60%正轉(zhuǎn)，直到達(dá)到一定扭矩力才會(huì)停下來(lái)。如果是反轉(zhuǎn)狀態(tài)，則控制電機(jī)以占空比70%反轉(zhuǎn)，直到手動(dòng)關(guān)閉電源。
圖4
PWM定時(shí)器 如圖5.設(shè)置定時(shí)器T，定時(shí)129us中斷一次。以129us乘以100為一個(gè)PWM控制周期。在電平轉(zhuǎn)換點(diǎn)之前為高電平，之后為低電平。
圖5
寄存器初始化 如圖6。初始化定時(shí)器，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換。
圖6
讀取扭矩力 如圖7.單片機(jī)以一個(gè)超過(guò)25us的低脈沖對(duì)ADS7825的RC引腳進(jìn)行操作，控制BYTE采集16位的扭矩力數(shù)據(jù)。
圖7
控制電機(jī) 如圖8。單片機(jī)控制定時(shí)器的電平轉(zhuǎn)換點(diǎn)來(lái)控制PWM的占空比和電機(jī)轉(zhuǎn)向。
圖8
三 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)：
1、此電動(dòng)螺絲刀可以使用電池操作，抵消了以前的電動(dòng)螺絲刀對(duì)電源線的依賴；
2、其巧妙利用齒輪的變速傳動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)輪，帶動(dòng)從動(dòng)輪高倍轉(zhuǎn)動(dòng)，使被擰螺釘快速擰緊/松開(kāi)，大大提高了工作效率；
3、還可以快速變換不同規(guī)格的螺絲刀頭，適合對(duì)各種規(guī)格的螺絲操作。；
4、其體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、攜帶方便，操作時(shí)只需單手就可以完成，高空作業(yè)的操作人員無(wú)須雙手操作，大大提高了高空作業(yè)的安全系數(shù)；
5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，適合大眾的需求。
四、應(yīng)用前景：
現(xiàn)在市場(chǎng)上主要有普通手動(dòng)螺絲刀和帶電源線的電動(dòng)螺絲刀這兩種。普通手動(dòng)螺絲刀擰螺釘時(shí)，受到手轉(zhuǎn)動(dòng)角度的限制，其速度慢、效率低，工作消耗人的體力高，而且，當(dāng)在高空仰頭工作時(shí)，人容易勞累；而電動(dòng)螺絲刀的工作效率雖高，但由于其購(gòu)買(mǎi)價(jià)格也高，且受到用電的限制，只能在有電源供應(yīng)的地方使用，其體積較大，攜帶不方便。
高效變速螺絲刀克服了上面兩種螺絲刀的缺陷，其體積小巧，便于攜帶，工作時(shí)只需單手操作，傳動(dòng)比可達(dá)1:3.5甚至可以設(shè)計(jì)更高的傳動(dòng)比，工作方便快捷，省時(shí)省力，大大提高了工作效率；而且高效變速螺絲刀的生產(chǎn)流程相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格比較便宜，更適合大眾需求。
附件：部分零件圖
心 得 體 會(huì)
1、從設(shè)計(jì)創(chuàng)意到完成作品的加工制作，我們經(jīng)歷了資料的檢索、查詢、整理與分析，數(shù)據(jù)處理能力得到提升；方案的不斷修改與完善讓我們學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)與加工要統(tǒng)籌兼顧；在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品加工中我們將專(zhuān)業(yè)知識(shí)充分運(yùn)用到了實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。在整個(gè)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中我們進(jìn)一步掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)與加工的步驟和要領(lǐng)，深刻體會(huì)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，同時(shí)團(tuán)隊(duì)成員綜合素質(zhì)和動(dòng)手能力得到了很大的提高。
2、本次制作充分將所掌握的課本知識(shí)融入其中，比如把《機(jī)械原理》，計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)運(yùn)用到機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用《工程力學(xué)》、《金屬工藝學(xué)》和《數(shù)控加工技術(shù)》知識(shí)結(jié)合CAD、PROE軟件對(duì)零件進(jìn)行了合理的選材和設(shè)計(jì)加工制造。
3、從早期的設(shè)計(jì)構(gòu)思到作品加工完成，我們深刻認(rèn)識(shí)到現(xiàn)實(shí)與理論往往有較大差距，理論設(shè)想需要得到實(shí)驗(yàn)和實(shí)際產(chǎn)品的驗(yàn)證，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)不斷循環(huán)反復(fù)完善的過(guò)程。通過(guò)參與作品制作，我們學(xué)到了不少實(shí)用知識(shí)，真正體會(huì)到實(shí)踐出真知的道理。
4、當(dāng)我們耐心地解決一個(gè)又一個(gè)問(wèn)題時(shí)，體會(huì)到機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)牽一發(fā)而動(dòng)全身的工作。因此在加工制造之前考慮整體機(jī)構(gòu)各方面因素的時(shí)候要非常嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)求全面，在追求功能的實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，必須充分地考慮到實(shí)際加工的困難、產(chǎn)品的性價(jià)比等?？傊瑱C(jī)械設(shè)計(jì)要“理論結(jié)合實(shí)際”。