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畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
題 目：
學(xué) 號(hào)：
姓 名：
班 級(jí)：2015級(jí)（1）班
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師：
學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院
答辯日期：2016年 月 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書
摘 要
近年來(lái)，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化有非常大的發(fā)展，自動(dòng)涂膠機(jī)在裝配和機(jī)械設(shè)備的維修在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。它不僅能提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且能節(jié)約能源和材料。特別是在汽車工業(yè)中，對(duì)汽車零部件接頭表面有一定的密封要求，結(jié)合表面需要膠水，膠水的精度是至關(guān)重要的，汽車的性能，自動(dòng)涂布機(jī)的性質(zhì)提出了更高的要求。膠水是用來(lái)依靠工人手工操作，效率極低，涂膠均勻涂層與膠體厚度難以保證。
自動(dòng)涂布機(jī)可以保證噴涂均勻性和有效的節(jié)省材料，從而大大提高了工作效率和質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，為了滿足不同工作的需要，自動(dòng)涂布機(jī)可以將框架式機(jī)器人或具有多自由度的機(jī)器人用于關(guān)節(jié)膠。同時(shí)，這一技術(shù)的應(yīng)用也意味著，每天給國(guó)有企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該自動(dòng)涂布機(jī)可快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、清潔的方式來(lái)完成配料過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵詞：密封；涂膠；自動(dòng)涂膠機(jī)
III
Abstract
In recent years, with the development of production and technology, mechanical and electrical integration have very large development, automatic gluing machine in the assembly and the maintenance of machinery and equipment in China has been widely used. It will not only improve the labor productivity, but also saves energy and materials. Especially in the automotive industry, to auto parts joint surface has a certain sealing requirements, combined with the surface need glue, glue accuracy is crucial to the performance of automobile, nature of automatic coating machine proposed higher requirements. Glue is used to rely on manual workers, gluing efficiency is extremely low and difficult assurance uniform coating and colloid thickness.
Automatic coating machine can ensure the spraying uniformity and effective material saving, thereby greatly improving the work efficiency and quality, reduce the labor intensity of the workers. Therefore in order to meet the needs of different work, automatic coating machine can frame type robot or robots with many degrees of freedom is used to joint glue. At the same time, the application of this technology also means that every day to state enterprises and bring huge economic benefits. The automatic coating machine can be fast and accurate, economical and clean way to complete dispensing process, improve product quality, reduce production cost.
Key words: Sealing; coating; automatic gluing machine
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究的目的和意義 1
1.2 涂膠機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及分類 2
1.2.1 涂膠機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.2 涂膠機(jī)器人分類 3
1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容 5
第2章 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5
2.1 設(shè)計(jì)要求 5
2.2 方案擬定 6
2.3 涂膠機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 7
第3章. 自動(dòng)涂膠機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì) 7
3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
3.2 步進(jìn)電機(jī)選擇 9
3.2.1 Z向電機(jī)校核 10
3.2.2 X/Y向電機(jī)校核 11
3.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌的選擇 12
3.3.1 X向直線導(dǎo)軌副的選取 12
3.3.2 滾動(dòng)體的尺寸和數(shù)量 12
3.3.3 導(dǎo)軌長(zhǎng)度 13
3.3.4 額定壽命計(jì)算 13
3.3.5 直線導(dǎo)軌動(dòng)載荷計(jì)算 14
3.3.6 接觸強(qiáng)度計(jì)算 15
3.3.7 Y向直線導(dǎo)軌副的選取 16
3.4 滾珠絲杠副的選擇 16
3.4.1 滾珠絲杠副特點(diǎn) 16
3.4.2 滾珠絲桿螺母副類型選擇 17
3.4.3 滾珠絲桿副計(jì)算 17
3.4.4 主要尺寸初選 18
3.4.5 Z向絲杠選取 22
3.4.6 滾動(dòng)軸承壽命校核 23
3.5 涂膠彎臂的螺栓強(qiáng)度校核 25
第4章 硬件及接口電路誰(shuí) 26
4.1 概述 26
4.2 控制系統(tǒng)基本硬件組成 26
4.3 PLC的控制電路組成介紹 27
4.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 27
4.5 傳感器的選擇及PLC接線說(shuō)明 29
4.5.1 光電傳感器的選擇 29
4.5.2 壓力傳感器的選擇 30
4.5.3 傳感器接線說(shuō)明 30
結(jié)論 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 35
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書
第1章 緒論
1.1 課題研究的目的和意義
工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、電子信息、化工等先進(jìn)制造業(yè)行業(yè)，用于完成焊接、裝配、加工、噴涂等復(fù)雜作業(yè)，應(yīng)用前景廣闊，在將來(lái)的生產(chǎn)中將起到越來(lái)越重要的作用。
因?yàn)槲覈?guó)勞動(dòng)力資源豐富，人們難以接受價(jià)格昂貴的設(shè)備。致使工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)的應(yīng)用水平還很低，因此，推廣經(jīng)濟(jì)型的工業(yè)機(jī)器人可以很好地解決我國(guó)自動(dòng)化普及程度的問題。雖然國(guó)外的機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很高的水平，但其價(jià)格也相當(dāng)昂貴。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)、研發(fā)自己的經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)器人。經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人就是低成本、性能好的生產(chǎn)設(shè)備，這樣的設(shè)備可以使企業(yè)投資少，見效快，有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
在產(chǎn)品制造過程中涂膠工序起著很重要的作用，保證涂膠質(zhì)量就顯得非常重要，目前，國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)仍舊采用手工涂膠的辦法，這種方式易產(chǎn)生涂膠不均勻、膠浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，并產(chǎn)生大量氣泡，嚴(yán)重影響涂膠質(zhì)量。操作者發(fā)揮水平對(duì)手工涂膠方式影響也很大。
為滿足廣大消費(fèi)者的需要，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，計(jì)劃增加汽車?yán)鹊纳a(chǎn)批量。原有人工涂膠的方法生產(chǎn)效率低，且產(chǎn)品一致性很難保證，而涂膠的好壞直接影密封的質(zhì)量，決定產(chǎn)品的質(zhì)量，所以令機(jī)器人工作站涂膠代替人工涂膠勢(shì)在必行。
直接購(gòu)買成品涂膠機(jī)器人的成本極為昂貴；技術(shù)支持水平較低，出現(xiàn)問題時(shí)不能及時(shí)修理，這就增加了生產(chǎn)成本和無(wú)形損耗。綜合考慮多方面因素，為了更好地解決生產(chǎn)產(chǎn)品過程中的技術(shù)困難，最好的辦法就是開發(fā)屬于企業(yè)自己涂膠機(jī) 器人，現(xiàn)有的SCARA機(jī)器人是搬運(yùn)和裝配作業(yè)的四自由度機(jī)器人，如圖1-1所示。該機(jī)器人的執(zhí)行部件在運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡都能滿足要求，故可在原有機(jī)器人的基礎(chǔ)上，完成更換機(jī)械手、增加膠體輸送系統(tǒng)、修改控制系統(tǒng)等工作，以改造“搬運(yùn)和裝配”機(jī)器人為“涂膠”機(jī)器人，達(dá)到提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的目的，同時(shí)適應(yīng)多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。
圖1-1 四自由度涂膠機(jī)器人
將廢舊機(jī)器人進(jìn)行開發(fā)改裝，變廢為寶是研究與推廣經(jīng)濟(jì)型的工業(yè)機(jī)器人的最佳途徑之一。將“搬運(yùn)和裝配”機(jī)器人開發(fā)改裝為“涂膠”機(jī)器人，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)際的選擇，也是一個(gè)技術(shù)的挑戰(zhàn)。而實(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)器人的開發(fā)改裝將為我國(guó)研究與推廣經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī)器人起到推動(dòng)作用。
另外，涂膠機(jī)器人的特性決定了其特別適合于柔性生產(chǎn)要求。它在對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提高，高效生產(chǎn)，改善勞動(dòng)條件和進(jìn)行較快的產(chǎn)品技術(shù)革新等方面有非常重要的作用，并加快機(jī)械化取代人工涂膠的進(jìn)程。
1.2 涂膠機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及分類
1.2.1 涂膠機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
為了適應(yīng)汽車工業(yè)對(duì)密封生產(chǎn)工藝的要求，涂膠機(jī)器人開始出現(xiàn)并得到了發(fā)展。該變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體密封，從最早使用的紙墊密封改性，使使用的涂層密封，密封涂層，密封性能大大提高。除變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)之外，對(duì)擋風(fēng)玻璃以及燈具等也要用涂膠來(lái)達(dá)到密封的效果，隨著對(duì)涂膠工藝的不斷改進(jìn)和技術(shù)的提高，涂膠機(jī)器人也從簡(jiǎn)單的機(jī)械式涂膠機(jī)發(fā)展到現(xiàn)如今的涂膠工作站，生產(chǎn)技術(shù)的提高也使得涂膠的質(zhì)量和生產(chǎn)效率都達(dá)到了一個(gè)較高 的水平。
現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外的涂膠機(jī)器人發(fā)展水平參差不齊，在國(guó)內(nèi)從事研究、開發(fā)涂膠機(jī)器人的主要有：北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司等公司，這些機(jī)構(gòu)既有從事自主研發(fā)生產(chǎn)涂膠機(jī)器人系統(tǒng)的，也有的通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)來(lái)生產(chǎn)的，并通過對(duì)國(guó)外技術(shù)的消化開發(fā)自 主的涂膠機(jī)器人。
總之，存在以下特點(diǎn)：我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)涂膠機(jī)器人雖然能夠應(yīng)用于實(shí)際的涂膠工業(yè)生產(chǎn)，但大多是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能較少的小型涂膠機(jī)器人。這樣一來(lái)，實(shí)際應(yīng)用的范圍受到限制，市場(chǎng)應(yīng)用較少，這樣也從另一個(gè)方面造成了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的涂膠機(jī)器人技術(shù)不成熟、系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，造成了惡性循環(huán)。我國(guó)的機(jī)器人工 業(yè)起步較晚，產(chǎn)業(yè)鏈不夠完整，特別是下游零部件生產(chǎn)長(zhǎng)期制約著我國(guó)自主生產(chǎn)、研究機(jī)器人技術(shù)，再許多機(jī)器人生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)方面，我國(guó)還處于起步階段，根本不能同國(guó)外擁有先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)相競(jìng)爭(zhēng)。
在國(guó)外，對(duì)機(jī)器人的生產(chǎn)、研究起步較早，目前已經(jīng)取得了較大的發(fā)展。早在1978年，Seaant Equipment and Engineering公司就推出了一種用于涂膠的簡(jiǎn)單機(jī)械機(jī)構(gòu)。接著，ABB公司、日本安川電機(jī)、日本FANUC也先后推出了自己研發(fā)、生產(chǎn)的用于涂膠工業(yè)的機(jī)器人產(chǎn)品，和國(guó)內(nèi)研發(fā)的圖機(jī)器人相比，國(guó)外研發(fā)的途徑機(jī)器人性能更加優(yōu)良，精度高，自動(dòng)化程度高，但是其缺點(diǎn)也是很突出的，因距離較遠(yuǎn)，出現(xiàn)問題時(shí)技術(shù)支持較差，不能及時(shí)解決出現(xiàn)的問題。
1.2.2 涂膠機(jī)器人分類
按照推出時(shí)間的先后，將涂膠機(jī)器人可分為以下三種。
（1）機(jī)械式涂膠機(jī)
機(jī)械式的涂膠機(jī)的特點(diǎn)是容易控制而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是它的缺點(diǎn)是不能噴涂較為復(fù)雜的零件且所要噴涂的零件必須是大小形狀固定的，這是由于它的噴槍運(yùn)動(dòng)是由噴槍內(nèi)部的導(dǎo)軌引導(dǎo)來(lái)完成的。這種機(jī)器人大多采易于生產(chǎn)、安裝的積木式結(jié)構(gòu)，制造成本較低、系統(tǒng)較為可靠、耐用。但是這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于其靈活性較差，圖1-2中所示的是北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所開發(fā)生產(chǎn)的機(jī)械式涂膠機(jī)產(chǎn)品，它主要應(yīng)用于汽車工業(yè)。
圖1-2 龍門式仿形涂裝機(jī)器
（2）軟仿形涂膠機(jī)
軟仿形涂膠機(jī)在被噴涂表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常機(jī)器人的三個(gè)軸是同時(shí)運(yùn)動(dòng)的，并由系統(tǒng)控制器控制噴槍運(yùn)動(dòng)。該噴膠系統(tǒng)大都是整套的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，大多這種系統(tǒng)都配有示教盒，通過示教再現(xiàn)的方式，用戶將不同零件的涂膠方法輸入給涂膠機(jī)器人，來(lái)完成涂膠工作。值得一提的是，這種涂膠機(jī)有的還可以通過CAD圖形或編程的方式控制涂膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)。總的來(lái)說(shuō)此種涂膠機(jī)具有以下的特點(diǎn)：操作靈活方便并且生產(chǎn)更加具有柔性化。國(guó)內(nèi)對(duì)于此類涂膠機(jī)已經(jīng)能夠進(jìn)行生產(chǎn)開發(fā)，而且價(jià)格相對(duì)較低，極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛。
（3）智能涂膠機(jī)
近年來(lái)，結(jié)合人工智能技術(shù)生產(chǎn)的智能涂膠機(jī)在市場(chǎng)上出現(xiàn)，它結(jié)合了先進(jìn)的感知技術(shù)和現(xiàn)代控制的方法，使得在一次涂膠過程中完成 從涂膠到檢測(cè)的所有過程，涂膠過程更加智能化，簡(jiǎn)化了涂膠作業(yè)。但是國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于此種涂膠機(jī)的生產(chǎn)還為零，大多還處于研制階段， 此方面我國(guó)企業(yè)與國(guó)外同行業(yè)之間還有很大的差距。從總體來(lái)說(shuō)智能涂膠機(jī)的特點(diǎn)是，系統(tǒng)的集成度較高，控制系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)的涂膠的過程進(jìn)行檢測(cè)和控制；由于具有了更為友好的人機(jī)界面，所以它操作起來(lái)更加的簡(jiǎn)便；對(duì)于系統(tǒng)的控制更加多樣，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制。但是由于采用了更多的新技術(shù)、新工藝，這類機(jī)器人的售價(jià)相當(dāng)昂貴，一般的中小企業(yè)難以承受，所市場(chǎng)占有率并不是很高。如圖1-3中所示為首鋼MOTOMAN機(jī)器人公司生產(chǎn)的用于汽車擋風(fēng)玻璃涂膠機(jī)器人工作站。從過去的發(fā)展來(lái)看，膠水機(jī)器人已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，并在未來(lái)與膠機(jī)的生產(chǎn)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是在智能機(jī)和智能系統(tǒng)的發(fā)展方向，其發(fā)展趨勢(shì)主要是：模塊化結(jié)構(gòu)和功能可以重建；控制系統(tǒng)采用開放式設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)；多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化環(huán)境的生產(chǎn)靈活和智能完成所有工作。
圖1-3 風(fēng)擋玻璃涂膠機(jī)器人
1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容
設(shè)計(jì)一臺(tái)自動(dòng)涂膠機(jī)，對(duì)汽車密封圈進(jìn)行自動(dòng)涂膠，利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，保證涂膠的范圍、速度和均勻性。
1、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各種標(biāo)準(zhǔn)件的選取。
2、自動(dòng)涂膠機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是用單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制X向、Y向、Z向電機(jī)的正常工作。
第2章 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)要求
機(jī)械零件要考慮整體布局，工作行程要能滿足要求，傳動(dòng)裝置要平穩(wěn)準(zhǔn)確，還要兼顧速度，也需要考慮經(jīng)濟(jì)性，設(shè)備需要低成本，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)件，減少額外的工作量。設(shè)備的使用壽命不低于15年，每年工作330天，每天工作12小時(shí)，載荷持續(xù)率為90%，需要批量生產(chǎn)。
由于涂膠屬于輕載荷工作。對(duì)電機(jī)功率要求不是太高，所以采用步進(jìn)電機(jī)。設(shè)計(jì)電路控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和方向 以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
執(zhí)行程序要考慮到不同拐點(diǎn)處涂膠量問題，可通過改變X、Y向運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)也可單一Z向運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，以保證涂膠均勻，此次設(shè)計(jì)采用后者方式，原因是一個(gè)電機(jī)工作方式比較好控制。
2.2 方案擬定
在最初的方案選擇中，在供膠的系統(tǒng)我想的是采用液壓或氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)。通過和
指導(dǎo)教師的探討，由于液壓很難控制流量，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜安裝也不方便。雖然也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)涂膠的功能，但涂膠的軌跡只是單一的平面故只適合一種零件的涂膠。而用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制絲杠的傳動(dòng)不但有可逆行性能靈活的正反運(yùn)行，速度均勻，穩(wěn)定性好；定位精度高和重復(fù)定位精度高；而且可以根據(jù)零件的形狀設(shè)計(jì)編程涂膠軌跡可以是曲面。故在最終的設(shè)計(jì)中采用了步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠的傳動(dòng)方式。
方案中共用了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過程序控制分別做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，來(lái)保證涂膠的軌跡和保證涂膠厚度及均勻性。Z是用來(lái)控制膠量，流暢的傳輸，所以在螺母的選擇、螺母和自鎖能力保證涂層厚度和均勻性。通過改變螺桿轉(zhuǎn)速，保證主軸的升降速度，達(dá)到膠的要求。X、Y對(duì)運(yùn)動(dòng)要求平穩(wěn)、準(zhǔn)確，所以采用滾珠絲杠傳動(dòng)，效率高的滾珠絲杠傳動(dòng)，高剛度，高傳動(dòng)精度和壽命長(zhǎng)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，和需要是穩(wěn)定的，所以，使用滾動(dòng)導(dǎo)軌，滾動(dòng)導(dǎo)軌軸承更大，引導(dǎo)準(zhǔn)確。為了滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的要求，采用步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接的方式，該結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長(zhǎng)且傳動(dòng)比穩(wěn)定。
2.3 涂膠機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
1、每一工件涂膠時(shí)間：15s-20s
2、膠型：奔日厭氧平面密封膠
采用奔日硅橡膠平面密封膠。每一工件涂膠時(shí)間為15s--20s。奔日電子硅橡膠平面密封膠為單組分室溫硫化硅橡膠，本產(chǎn)品為中性，低氣味，不含溶劑，在室溫條件下即可吸潮固化。具有優(yōu)異的耐高溫，耐沖擊，耐化學(xué)介質(zhì)的性能，不腐蝕機(jī)件，易拆卸，易清除。電氣性能優(yōu)異，耐候性及柔韌性好，電氣性能優(yōu)異，耐侯性及柔韌性好，尤其耐六氟化硫、變壓器油性能好。用于電器設(shè)備的密封、也可用于大間隙及撓性連接件的機(jī)械平面密封。適合較大間隙（最大間隙小于2.5）的平面密封，能100％填滿平面間隙。
?主要特性
?型號(hào)????????????????????????? T－5601
?外觀???????????????????????? 黑色、細(xì)膩、均勻膏狀物
?密度（ g/cm2 ）????????1.33
擠出性ml/min?????? 200－250
彈性恢復(fù)率％????????? 94
拉伸模量（MPa）????? 0.9
拉伸強(qiáng)度（MPa）???????1.7
延伸率（％）????????? 400
工作溫度（度）?????? ? -54～210
全固時(shí)間（h）????????? 24
第3章. 自動(dòng)涂膠機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)
3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
考慮到整個(gè)機(jī)構(gòu)的平衡性，故將承載夾持部分的彎臂方向與Y向電機(jī)在一條線上。
因?yàn)槟z棒的夾持嚴(yán)格要求對(duì)心，故選用了V型塊來(lái)設(shè)計(jì)夾具，具體結(jié)構(gòu)如下圖：
圖3-1 V型夾具
上膠機(jī)設(shè)備傳輸要求的精度很高，對(duì)涂布機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滾珠絲杠增加螺釘，消除軸向間隙，用鑰匙也匹配也消除了圓周間隙。具體結(jié)構(gòu)框架如下圖：
圖3-2 自動(dòng)涂膠機(jī)總裝圖
3.2 步進(jìn)電機(jī)選擇
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相角位移或線位移的控制電機(jī)。其轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)僅與電信號(hào)的頻率有關(guān)，每轉(zhuǎn)一周，都有固定的步數(shù)。在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距角誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累，因此，它適合于在數(shù)字控制系統(tǒng)中作為驅(qū)動(dòng)微電機(jī)使用，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠等明顯優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)床的數(shù)字程序控制及其數(shù)字控制系統(tǒng)中。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類繁多，按其電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原理，可分為三大類：反應(yīng)式（磁阻式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；混合式（永磁感應(yīng)子式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩的主要步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的模型，從技術(shù)參數(shù)中對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行校核，兩種不同脈沖分配方式對(duì)應(yīng)有兩種步距角。初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)合理選擇及i，并滿足：
（3.1）
根據(jù)上述要求，選擇：Z向選擇:55BF003 脈沖當(dāng)量δ=0.008 I=1.0
X向Y向:70BF003
表3.1 Z向55BF003電機(jī)的參數(shù)
步
距
角
相
數(shù)
電
壓
相
電
流
最大
靜
轉(zhuǎn)
矩
最高
空載
啟動(dòng)
頻率
質(zhì)
量
外
徑
Φ
長(zhǎng)
度
軸
徑
1.5/3
3
24V
3A
0.686N·m
1800HZ
0.83Kg
55mm
70mm
6mm
因?yàn)樽詣?dòng)涂布保證范圍的涂料汽車軸承座和減速器密封圈的設(shè)計(jì)，速度和均勻性，因此每次膠量不是很多，所以擠膠不多，所以選擇步進(jìn)角1.50/，轉(zhuǎn)矩偏移小于可以滿足要求，經(jīng)過計(jì)算，一般在1N~25N擠膠的粘接強(qiáng)度，選擇保持力矩電機(jī)55BF003 0.686N m，可以滿足扭矩要求，所以步進(jìn)電機(jī)55bf003類型選擇，可以滿足設(shè)計(jì)要求。
表3.2 X向Y向70BF003電機(jī)參數(shù)
步
距
角
相
數(shù)
電
壓
相 電
流
最大
靜
轉(zhuǎn)
矩
最高
空載
啟動(dòng)
頻率
質(zhì)
量
外
徑
Φ
長(zhǎng)
度
軸
徑
1.5/3
3
24V
3A
0.392N·m
1600HZ
1.2Kg
75mm
65mm
8mm
3.2.1 Z向電機(jī)校核
步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax與步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq的關(guān)系:
即：Mmq=λMjmax=0.866×0.686=0.594 N/cm
步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載情況下的啟動(dòng)。
步進(jìn)電機(jī)所需的空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：
Mkg=Mka+Mkf+M0 （3.2）
Mkg—空載啟動(dòng)力矩 ；
Mka—空載啟動(dòng)時(shí)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N.CM）；
Mkf—空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N.CM）；
M0 —由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
在選定主電機(jī)模型時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于步進(jìn)電機(jī)的額定起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
即：Mkq≤Mmq=λMjmax λ=Mkq/Mjmax=0.866 （三相六拍）
加速力矩
（3.3）
=0.617×0.1×2×л×1440×/60×2=0.0465(N?cm)
JΣ —傳動(dòng)系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2）；
—電機(jī)最大角加速度（rad/s2）；
nmax —運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）；
t —運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間（s）；
vmax—運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度（mm/min）；
δp—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；
θb—步進(jìn)電機(jī)的步距角。
空載摩擦力矩：
（3.4）
=30×0.1×0.2/2л×0.8×1
=0.119(N?cm)
G—運(yùn)動(dòng)部件的總重力（N）；
f′—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；
i—齒數(shù)傳動(dòng)降速比；
η—傳動(dòng)系數(shù)總效率； 取η=0.7-0.85
L0—滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（cm）。
附加摩擦力矩:
（3.5）
=0.2×(1-0.952)/2л×0.8×1
=0.016(N?cm)
FYJ—滾珠絲杠預(yù)加載荷即預(yù)緊力 一般取Fm的1/3；
Fm —為進(jìn)給牽引力（N）；
η為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取η0≥0.9；
所以Mkg≤Mmq 符合要求。
3.2.2 X/Y向電機(jī)校核
X向電機(jī)與Y向電機(jī)的校核與Z向原理基本相同，設(shè)計(jì)中只簡(jiǎn)單的對(duì)其進(jìn)行校核。
Mmq=λMjmax=0.866×0.392=0.3395 N/cm
（3.6）
=30×0.1×0.3/2л×0.8×4=0.036(N?cm) i =4
（3.7）
=×0.3×(1-0.952)/2л×0.8×4=0.079(N?cm)
Mmq=0.3395>Mkf+M0=0.115
故符合設(shè)計(jì)要求。
3.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌的選擇
3.3.1 X向直線導(dǎo)軌副的選取
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、反向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成的。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬的滾道滾動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過反向器進(jìn)入反向孔再進(jìn)入滾道，鋼球就是這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，反向器兩端都裝有防塵密封端蓋。基于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副以下的優(yōu)點(diǎn)：
1.導(dǎo)向精度
2精度保持性
3低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好，要便于加工、裝配、調(diào)整和維修。
在設(shè)計(jì)中由于導(dǎo)軌承受的載荷力小故選用了此導(dǎo)軌。導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)緊湊，制造容易，成本較低。導(dǎo)軌用淬硬鋼制成，淬硬至60-62HRC。
3.3.2 滾動(dòng)體的尺寸和數(shù)量
增大滾動(dòng)體直徑，可減少摩擦阻力和接觸應(yīng)力，不易產(chǎn)生滑動(dòng)。一般選取滾珠直徑6-8mm.設(shè)計(jì)中選用滾珠導(dǎo)軌，滾珠直徑選8mm。
滾動(dòng)元件的數(shù)量應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度、剛度的選擇，等等，每個(gè)導(dǎo)軌一般不小于12-16，由于滾動(dòng)體太小，制造誤差會(huì)顯著影響運(yùn)動(dòng)部件的定位精度。與之相反，如果滾動(dòng)體太多，滾動(dòng)體上的載荷增加，剛度降低，滾動(dòng)體的數(shù)目就被減小，并且按類型選擇：
Z≤≤=18.15 （3.8）
所以選取19個(gè)。
Z──滾珠的數(shù)目；
W──每條導(dǎo)軌上所承載的重力(N)； 設(shè)計(jì)中導(dǎo)軌的承載重力為50*9.8=490N。
d──滾珠直徑(mm)。
3.3.3 導(dǎo)軌長(zhǎng)度
滾動(dòng)導(dǎo)軌中的滾動(dòng)體和保持架隨著導(dǎo)軌移動(dòng)，但它的移動(dòng)速度只是動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)速度的一半。在圖中3.1，滾動(dòng)體與保持架的長(zhǎng)度LC：
圖3.1 滾珠導(dǎo)軌
LG=Ld+
式中 Ld－－動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度；
l－－－動(dòng)導(dǎo)軌的行程長(zhǎng)度。
支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度L= LG+，這種形式可以在移動(dòng)的導(dǎo)軌移動(dòng)到極限位置保證，滾動(dòng)體剛搬到支撐導(dǎo)軌的邊緣，和導(dǎo)軌在全長(zhǎng)始終和滾動(dòng)，滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度。然而，這樣的導(dǎo)軌，因?yàn)樵跐L筒的一半的籠子里總是暴露在外，這是必要的，以加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)軌的保護(hù)。
3.3.4 額定壽命計(jì)算
當(dāng)行程長(zhǎng)度一定時(shí)，由以h為單位的壽命時(shí)間的計(jì)算公式得：
（3.9）
式中 LH－－－壽命時(shí)間（h），取15000h。
L－－－額定壽命（km）；
LA－－－行程長(zhǎng)度，取300mm。
N2－－－每分鐘往復(fù)次數(shù)，取4次。
L=＝2000km
3.3.5 直線導(dǎo)軌動(dòng)載荷計(jì)算
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副額定壽命的計(jì)算與滾動(dòng)軸承基本相同。由此公式得動(dòng)載荷計(jì)算：
L= P=Fmax （3.10）
式中 L－－－額定壽命（km）；
Ca－－－額定動(dòng)載荷（KN）；
P－－－當(dāng)量動(dòng)載荷（KN）；
Fmax－－－受力最大的滑塊所受的載荷（KN）；
－－－指數(shù)，當(dāng)滾動(dòng)體為滾珠時(shí)，＝3。
K－－－額定壽命單位（km），滾珠時(shí)，K＝50km。
－－－硬度系數(shù) 由于產(chǎn)品技術(shù)要求規(guī)定，滾道硬度不得低于58HRC，故通?？扇。?。
－－－溫度系數(shù)，經(jīng)查新版機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第2卷表9.3-45得 工作溫度＜1000C時(shí)＝1。
－－－接觸系數(shù)，經(jīng)查新版機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第2卷表9.3-46得 每跟導(dǎo)軌上滑塊數(shù)為2時(shí)，＝0.81。
－－－精度系數(shù)，經(jīng)查新版機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第2卷表9.3-47得 等級(jí)為2時(shí)?。?。
－－－載荷系數(shù)，經(jīng)查新版機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第2卷表9.3-48得 無(wú)明顯沖擊或振動(dòng)的中速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合 取1.5-2。
Ca= （3.11）
＝＝3.2KN
根據(jù)動(dòng)載荷選取GGB16AA2P12*500-4型四方等載荷滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。
圖3.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸圖
表3.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)
型 號(hào)
H
W
L1
L2
L3
D
h
d
M1
T1
K
H1
GGB16AA
24
15.5
58
40.5
30
7.5
5.3
4.5
M5
11
19.4
15
查表知單根導(dǎo)軌最大長(zhǎng)度Lmax為500mm，額定動(dòng)載荷為6.07KN，額定靜載荷為6.8KN。
3.3.6 接觸強(qiáng)度計(jì)算
滾動(dòng)導(dǎo)軌接觸強(qiáng)度計(jì)算主要是判別受力最大的滾動(dòng)體處導(dǎo)軌的接觸應(yīng)力是否超過允許值。如果一條導(dǎo)軌上承受一個(gè)作用在導(dǎo)軌面重心上的力F和力矩M，則受力最大的滾動(dòng)體上的載荷為:
Fmax=(1+) （3.12）
=(1+)=103.6N
Z──一條導(dǎo)軌上的滾動(dòng)體數(shù)目；
L──滾動(dòng)體有效工作長(zhǎng)度。
在Fmax作用下，滾動(dòng)體與導(dǎo)軌接觸面上的接觸應(yīng)力為，對(duì)滾珠鋼導(dǎo)軌：
σmax=4.58×108 （3.13）
=4.58×108×2.75=1.36×109Pa
d——滾珠直徑；
Fmax——受力最大的滾動(dòng)體上的載荷；
σmax——滾動(dòng)體上的接觸應(yīng)力，應(yīng)小于允許值，即σmax≤[σ]，[σ]為滾動(dòng)體的許用應(yīng)力。對(duì)于滾珠淬火鋼（HRC60-62）的滾動(dòng)體的許用應(yīng)力[σ]=1.8×109Pa。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果得，設(shè)計(jì)中選取的數(shù)據(jù)合理滿足要求。
3.3.7 Y向直線導(dǎo)軌副的選取
由于Y向?qū)к壦惺艿妮d荷比X向?qū)к壍囊〉亩喙士蛇x用與X向相同的導(dǎo)軌，同樣滿足傳動(dòng)要求。
3.4 滾珠絲杠副的選擇
在螺桿和螺母擰螺旋槽之間設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的球作為中間傳動(dòng)，與球回傳通道，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的螺釘或螺母，促進(jìn)沿滾道導(dǎo)珠管滾道將繼續(xù)循環(huán)球，為了實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的周期。因此，滾動(dòng)螺旋副的運(yùn)動(dòng)機(jī)理是用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。
3.4.1 滾珠絲桿副計(jì)算
由設(shè)計(jì)的尺寸和材質(zhì)選取可計(jì)算出Y向傳動(dòng)滾珠絲杠要帶動(dòng)重量為100×9.8=980N的重物做水平直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，則平均工作載荷Fm=1/3Mg=980/3=326N。絲杠工作長(zhǎng)度L=150mm。平均轉(zhuǎn)速nm=200r/min，使用壽命Lh=15000h。
3.4.2 主要尺寸初選
（1）初算導(dǎo)程Ph
vmax—絲杠副最大移動(dòng)速度，取8×102㎜/min；
nmax—絲杠副最大相對(duì)速度r/min，取200r/min。
滾珠絲杠副導(dǎo)程為
Ph≥vmax/ nmax （3.14）
=800/200 =4㎜
（2）當(dāng)最動(dòng)載荷Fm
滾珠絲杠最大軸向?yàn)镕a＝500；
FW—載荷性質(zhì)系數(shù)，取為1；
ｆ—摩擦系數(shù)，取為0.04。
滾珠絲杠最大載荷為
Fmax=FW×Fa+f×G (3.15)
=1×500+0.04×5×9.8
=501.96N
滾珠絲杠最小載荷為摩擦為；
Fmin ＝f×G
＝0.04×5×9.8
＝1.96N
Fm =1/3（2 Fmax + Fmin） (3.16)
=1/3（2×501.96+1.96）
=335.29N
（3）額定動(dòng)載荷計(jì)算Cam
Cam= (3.17)
=1×175(300/4) 1/3/(0.9×0.21) ＝6763.28
FW—載荷性質(zhì)系數(shù)，取為I；
FA—精度系數(shù)，取為0.9；
FC—可靠性系數(shù)，取為0.21；
FE—預(yù)加載荷系數(shù)，取為4.5。
附加載荷為
Cam=FEFMAX (3.18)
=4.5×501.96
=2258.28N
取Cam與Cam中較大者為預(yù)期值Cam=2258.28N
(4)估算滾珠絲杠允許最大軸向變形m
m=(1/3～1/4)重復(fù)定位精度 (3.19)
=1/3×0.045
=0.015um
m≤（1/4～1/5）定位精度 (3.20)
=（1/4）×0.07
=0.0175um
取 m與m中較小值為m值
m＝0.015um
(5)估算滾珠絲杠副徑d2m
F0—導(dǎo)軌摩擦為，F(xiàn)0＝uo×G=0.04×5×9.8＝1.96N
L—滾珠絲杠兩軸承支點(diǎn)間距離為1.1行程+（10～14）Ph
d2m= (3.21)
=0.039
=8.66mm
兩端固定或鉸支時(shí)，支撐方式系數(shù)，取為0.039。
(6)確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)
按上述估算的Ph，Cam及d2m值從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表12-1-30～表12-1-33中，選出合適的規(guī)格代號(hào)及有關(guān)安裝，聯(lián)接尺寸，并使d2≥d2m，Ca≥Cam，但不宜過大，以免增加起動(dòng)慣量幾何結(jié)構(gòu)尺寸得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑：d0=27.5㎜
導(dǎo)程：P＝4㎜
螺旋角：入＝2055、
滾珠直徑：Dw=3.2㎜
絲杠底徑：d2=25㎜
額定動(dòng)載荷：Ca=6763.28N
選擇與之接近的2004-3型號(hào)的滾珠絲杠副進(jìn)行校核，此絲杠副有關(guān)數(shù)據(jù)為：
公稱直徑：d0=25㎜
導(dǎo)程：P＝4㎜
螺旋角：2055
滾珠直徑：Dn=3.175
絲杠底徑：d2= 24.5㎜
額定動(dòng)載荷：Ca=9610N
(7)其它尺寸
由尺寸公求計(jì)算滾道半徑：
R＝0.52×Dw=0.52×3.175=1.651㎜
偏心距： e=0.07(R-Dw/2)=0.07×(1.651-3.175/2)=0.004445
絲杠內(nèi)徑： d1=d0+2e-2R
=(25+2×0.004445-2×1.651)= 21.71㎜
(8)穩(wěn)定性驗(yàn)算
因?yàn)橐活^固定螺絲釘在工作中可能是不穩(wěn)定的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)檢查，其安全系數(shù)的值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的允許安全系數(shù)[S]，查表[S]=2.5～3.3
臨界載荷Fcr(N)按下式計(jì)算:
(3.22)
(E=206GP，l=290mm，)
Ia為絲杠危險(xiǎn)載面的軸慣性矩（m4）
=m
則
安全系數(shù)S＝ >[S]故絲杠安全不會(huì)失穩(wěn)。
(9)共振驗(yàn)算
要求nmax〈ncr〈ncr為臨界轉(zhuǎn)速
ncr=9910 （3.23）
查表知臨界轉(zhuǎn)數(shù)系數(shù)fc=3.927; =2則
ncr足夠大，故不會(huì)發(fā)生共振。
（10）剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載F和轉(zhuǎn)矩T共同作用下引起的每個(gè)導(dǎo)程變形量l（m）為
（3.24）
絲杠載面積A＝1/4;
絲杠極慣性矩Jc＝;
G為絲杠切變模量對(duì)于鋼取G＝83.3GPa；
T為轉(zhuǎn)矩
T＝Fmtan(λ+ （3.25）
取摩擦系數(shù)tan＝0.0025得 ＝
T＝335.29××10-3×tan（4022’+8040”）＝0.968N.m
按最不利的情況?。ㄆ渲蠪＝Fm）
（3.26）
um
則線杠在工作長(zhǎng)度的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
（3.27）
通常要求＝0.015㎜＝15m
該絲杠的滿足上式，所以剛度滿足要求。
（11）效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
（3.28）
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
故型號(hào)2004-3的滾珠絲杠副各項(xiàng)性能均符合要求。
3.4.3 Z向絲杠選取
由于Z軸控制出膠的量的多少，且需要考慮突然斷電的情況，突然斷電需保證膠棒不漏膠。所以Z軸需要具有自鎖功能。所以我選擇了絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)。使其保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
絲杠螺母的設(shè)計(jì)與自鎖驗(yàn)算：
絲杠螺母的螺距p為4mm
公稱直徑d2為18mm
螺母的高度： H=ψd2=2.5 ψ取2.5 整體式
旋合圈數(shù)： n=H/P=45/4=11.25＜12
螺紋的工作高度： h=0.5P=0.54=2
螺牙根部寬度： b=0.65P=0.65
工作比壓 ： P=F/0.0024MP
自鎖的驗(yàn)算：
導(dǎo)程角：
所以絲杠螺母可以自鎖。
絲杠螺母的效率計(jì)算：
3.4.4 滾動(dòng)軸承壽命校核
軸承額定壽命為=15000h
圖3.4 滾動(dòng)軸承受力情況
由力分析可知： =×370/420
=300×370/420
=261.2N
=-
=300-261.2
=38.8N
求兩軸承的計(jì)算軸向力和：
=0.4×261.2
=104.48N
=0.4×38.8
=15.52N
按《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材式13-11得：
= ±
= 300+15.52
=315.52N
= =15.52N
= +
=300+104.48
=404.48N
=
=104.48N
取其中較大者，則=315.52N，=404.48N。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材表13-5進(jìn)行插值計(jì)算，得e=0.47，e=0.43
求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷和：
因?yàn)? /=315.52/261.2=1.21>e
/=104.48/38.8=2.69> e
對(duì)于軸承1 =0.44， =1.19
對(duì)于軸承2 =0.44， =1.30
因軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-6， =1.2～1.8，取=1.2，
則：
= (+ ) s （3.29）
= 1.2(0.44×261.2+1.19×315.52)
= 588N
= (+ ) (3.30)
=1.2(0.44×38.8+1.30×104.48)
=183N
驗(yàn)算軸承壽命：
因?yàn)椋? ，所以按軸承1的受力大小驗(yàn)算
=10/60n(C/) (3.31)
=10/60×100×(4610/588)
=79092>
所以該軸承壽命滿足要求，可以選用。
3.5 涂膠彎臂的螺栓強(qiáng)度校核
為了方便于供膠和涂膠在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了涂膠彎臂。因?yàn)閺澅塾胸Q直向下的載荷，所以以下對(duì)其進(jìn)行了校核計(jì)算[15]。涂膠彎臂如下圖3.8：
圖3.8 涂膠彎臂
1.先分析剪切力，由于4個(gè)螺栓是對(duì)稱分布的，故剪切力可以認(rèn)為均分。
=
(3.14)
d=12mm 完全可以符合要求。
2.彎臂受到扭轉(zhuǎn)力的作用，其扭矩為：
（1）截面形心：
（2）計(jì)算截面慣性矩：
(3.15)
（3）在截面的上下邊緣，分別作用有最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力：
(3.16)
(3.17)
取[]=75Mpa
≤[] d=12mm完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。
第4章 硬件及接口電路設(shè)計(jì)
4.1 概述
本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)涂膠機(jī)控制系統(tǒng)采用的是PLC可編程控制器進(jìn)行整個(gè)涂膠自動(dòng)化生產(chǎn)線的流程控制。整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的組成部分是，用一套PLC系統(tǒng)控制系統(tǒng)分別控制一套供膠系統(tǒng)，兩套涂膠執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩套單片機(jī)涂膠控制系統(tǒng)和兩套傳送帶系統(tǒng) 。達(dá)到PLC分別控制兩套涂膠機(jī)組成一個(gè)自動(dòng)涂膠生產(chǎn)線，兩涂膠機(jī)可同時(shí)工作也可以一臺(tái)涂膠機(jī)單獨(dú)工作。
本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)涂膠機(jī)涂膠執(zhí)行部分采用MCS-51的典型產(chǎn)品8031進(jìn)行控制，因?yàn)槠潴w積小、功能強(qiáng)和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域。由于8031是沒有ROM的單片機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也只有128K字節(jié)，因此它必須外接EPROM程序存儲(chǔ)器，才能構(gòu)成最小系統(tǒng)。8031的外部程序存儲(chǔ)器主要存放處理程序，也能存放處理程序所必需的常數(shù)?；镜臄U(kuò)展包括：擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器/擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器/擴(kuò)展并行I/O接口。采用74LS373鎖存器 、74LS138譯碼器的輸出作為片選信號(hào)。本系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8255可編程接口芯片和一片8155芯片。
4.2 控制系統(tǒng)基本硬件組成
控制系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指示。系統(tǒng)硬件電路有以下三大部分組成：
（1）主控制器，即中央處理器單元PLC。
（2）輸入設(shè)備，包括光電接近開關(guān)、壓力傳感器和輸入開關(guān)按鈕。
（3）執(zhí)行設(shè)備，包括單片機(jī)及其擴(kuò)展電路、皮帶控制電路、機(jī)械手控制電路、供
膠控制電路以及夾緊控制電路。
4.3 PLC的控制電路組成介紹
PLC接收來(lái)自控制面板按鈕開關(guān)信號(hào)和傳感器的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)程序判斷與運(yùn)算實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流程的控制。PLC在輸出顯示和監(jiān)控信號(hào)的同時(shí)，分別向傳動(dòng)帶1、機(jī)械手1、加緊機(jī)構(gòu)1、涂膠行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、傳動(dòng)帶2、機(jī)械手2、夾緊機(jī)構(gòu)2、涂膠機(jī)2、機(jī)械手2和涂膠行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)2以及各安全指示燈發(fā)出運(yùn)行控制信號(hào)。
圖4.1 控制電路
4.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
脈沖輸入時(shí)，將脈沖分配給各組繞組，因其功率很小，電壓幅度不足5V，電流為mA級(jí)，必須經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)電流放大到若干安培，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)際上電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)功率放大器。驅(qū)動(dòng)器要求失真小，有較好的前沿和足夠的幅度。本系統(tǒng)采用55BF003型和70BF003型步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，它是受脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，微安級(jí)信號(hào)進(jìn)行控制，若想使27V，5A的步進(jìn)電機(jī)達(dá)到需要的額外狀態(tài)，只靠微機(jī)8255控制作用不可能提供步進(jìn)電機(jī)需要的輸出功率，因此必須有額外的功率驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電機(jī)與控制系統(tǒng)，功率驅(qū)動(dòng)電路組成一體構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖：
MCS-51
步進(jìn)
電機(jī)
驅(qū)動(dòng)
電路
8255A
分配
系統(tǒng)
圖4.2步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)主框圖
步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)和分配系統(tǒng)中采用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以采用三級(jí)管進(jìn)行電流放大。下面是功率驅(qū)動(dòng)電動(dòng)硬件進(jìn)行說(shuō)明。
高低壓驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：
圖4.3 驅(qū)動(dòng)電路圖
La繞組的高低壓驅(qū)動(dòng)電路，脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路，無(wú)脈沖輸出時(shí)，T1，T2，T3，T4，均截止，電機(jī)繞組La中無(wú)電流通過，電機(jī)不轉(zhuǎn)，有脈沖輸入時(shí)，T1， T2， T4，飽和導(dǎo)通，在T2由截止到飽和期間，其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級(jí)電流急速增加，在變壓器次級(jí)感生一個(gè)電壓，使T3導(dǎo)通，80V高壓經(jīng)高壓管T3加到繞組La上使電流迅速上升，約經(jīng)數(shù)百微秒，當(dāng)T2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后，Tp初級(jí)電流暫時(shí)恒定，次級(jí)的感應(yīng)電壓降到0，T3截止，這時(shí)12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上，維持La中的電流為恒定值。輸入脈沖結(jié)束后，T1，T2，T3，T4，又均截止，儲(chǔ)存在La中的能量通過18Ω的電阻和二極管泄放，18Ω的電阻的作用是減小放電回路的時(shí)間常數(shù)，改善電流波形后沿，由于采用高低壓驅(qū)動(dòng)，電流增長(zhǎng)快，電機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率都得到改善。
高低壓驅(qū)動(dòng)電路，采用四個(gè)三極管，線路比較簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定實(shí)用性強(qiáng)，它具有以下特點(diǎn)：
a 本回路采用兩種電源供電80V12V
b 驅(qū)動(dòng)電路采用了三級(jí)放大，使電路合理，穩(wěn)定性好。
c 由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，使電流波形頂部下凹，使平均電流下降，轉(zhuǎn)矩下降。
濾波后電壓波形電容值越大，濾波的效果會(huì)越好，但電容值過大也會(huì)使電容兩端電壓值偏低，所以我們選用了電容值為4.9mF的極性電容。
4.5 傳感器的選擇及PLC接線說(shuō)明
傳感器在工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)中占有重要的地位。通過傳感器不僅可能確定工件的工作情況，而且可以檢測(cè)生產(chǎn)的某些過程，以便控制生產(chǎn)流程。傳感器是將非電量的物位參量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的點(diǎn)信號(hào)，提供給中央處理單元。
4.5.1 光電傳感器的選擇
系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求對(duì)工件在傳送帶上到達(dá)指定位置的位置信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。我們選擇了洞光光電開關(guān)廠出產(chǎn)的DC二線長(zhǎng)閉光電開關(guān)LA1-1K。其各項(xiàng)性能指標(biāo)如下：
1. 檢測(cè)距離: 動(dòng)作距離是指檢測(cè)體按照一定方式移動(dòng)時(shí)，從基準(zhǔn)位置（接近開關(guān)處的感應(yīng)表面）到開關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)的基準(zhǔn)位置到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離是指接近開關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值。本型號(hào)的檢測(cè)距離為1mm±20%
2. 設(shè)定距離：接近開關(guān)在實(shí)際工作中整定的距離，一般是額定動(dòng)作距離的0.8倍。?本型號(hào)的設(shè)定距離為0.4mm
3. 回差值: 動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值。本型號(hào)的回差值為檢測(cè)距離的10%。
4. 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體：使接近開關(guān)作比較的金屬檢測(cè)體。本廠所采用的檢測(cè)體為正方形的A3鋼，厚度為大于1mm，采用的邊長(zhǎng)是接近開關(guān)檢測(cè)面的2.5倍。
5. 輸出狀態(tài)：為常閉，即當(dāng)無(wú)檢測(cè)物體時(shí)，常開型的接近開關(guān)接通的負(fù)載，由于接近開關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管截止而不工作，當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。
6. 檢測(cè)方式：非埋入式，即接近開關(guān)則需把感應(yīng)頭露出，以實(shí)現(xiàn)其長(zhǎng)檢測(cè)距離的目的。
7.響應(yīng)頻率f：按規(guī)定的1秒的時(shí)間間隔內(nèi)，接近開關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。?響應(yīng)時(shí)間t：接近開關(guān)檢測(cè)到物體的時(shí)間到接近開關(guān)出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間之差。
4.5.2 壓力傳感器的選擇
本系統(tǒng)對(duì)壓力傳感器的選擇為奈士德 NDA波登管壓力開關(guān)。壓力傳感器在本系統(tǒng)中的作用是檢測(cè)供膠系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力。當(dāng)供膠系統(tǒng)的供膠壓力超出設(shè)定的正常范圍時(shí)向中央處理單元發(fā)出電信號(hào)，中央處理單元發(fā)出報(bào)警并根據(jù)系統(tǒng)程序做出處理。涂膠過程中，需要保證膠棒內(nèi)有足夠的膠為下一工件能夠涂完為止，所以設(shè)計(jì)了膠棒內(nèi)膠量不足的報(bào)警子程序。每一工件涂完膠后提醒工人換件，這樣就可以節(jié)省不必要的時(shí)間，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
4.5.3 傳感器接線說(shuō)明
傳感器的種類很多，其輸出方式也各不相同。當(dāng)采用接近開關(guān)、光電開關(guān)等兩線式傳感器時(shí)，由于傳感器的漏電流較大，可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的輸入信號(hào)從而導(dǎo)致PLC的錯(cuò)誤動(dòng)作，此時(shí)，可在PLC輸入端并聯(lián)旁路電阻Ｒ，如圖4-4所示。當(dāng)漏電流不足lmA時(shí)可以不考慮影響。
圖4.4 PLC與兩線式傳感器的連接
旁路電阻Ｒ的估算公式如下：
式中：I為傳感器漏電流（mA），UOFF為PLC輸入電壓低電平的上限值（V），RC為PLC的輸入阻抗（KΩ），的值根據(jù)輸入點(diǎn)的不同存在差異。光電開關(guān)接入，其為5v， I約為4mA，約為1。通過計(jì)算取值為2。壓力開關(guān)接入，其為5v， I約為3.8mA，約為1。通過計(jì)算R也出值為2。
33
結(jié)論
1、此次設(shè)計(jì)的涂膠機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，有利于它的通用性。
2、此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)涂膠機(jī)完全脫離了手工涂膠，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)涂膠，使工人從繁瑣的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，這將大大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。
3、在涂膠的過程中，保證了涂膠的厚度和膠的均勻性，這樣，不僅提高了機(jī)器零件的密封性，而且機(jī)器的性能將更加良好。涂膠機(jī)的研制，將為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
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