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精密曲线点胶机设计 摘要 精密环形陶瓷组件是c t 机中极为重要的部件，其加工、装配、胶结 的好坏决定了c t 机能否正常工作。本文的任务就是设计专门的点胶设备 来满足精密环形陶瓷组件各沟槽的点胶要求。 首先，设计了陶瓷组件沟槽的点胶方案和点胶流程，利用s o l i d w o r k s 三维设计平台工具对点胶设备的整体进行了建模。然后，对点胶设备的传 动定位机构零部件进行了建模与选型，在此基础上对其传动精度、传动定 位历程响应及其受力校核进行了深入分析与计算。提出基于活塞式点胶技 术的两液混合点胶机构的设计方案，实现两种胶液混合比例和点胶量可调 的要求，阐述了混合比例和出胶量的调节方式。对点胶设备的点胶机构零 部件进行了建模与选型，在此基础上对其计量缸活塞在点胶过程中的受 力、点胶动作响应历程和受力校核进行了详细的分析与计算。最后，确定 了点胶系统的基本硬件结构和可采用的运动控制方案及其计算机实现方 法。论述了软件设计原则和点胶系统设计程序框架，为以后的硬件搭建和 程序编写与调试提供了参考。 本文着重于设计一个实用、可行的点胶运动控制平台。紧密结合陶瓷 组件沟槽点胶要求，从选择方案到建立模型进行了综合分析，所研究的内 容对后续工作的深入开展和设备开发具有一定的指导意义。 关键词：精密环形陶瓷组件；传动定位机构；双液混合点胶；计量原理； d e s i g no fp r e c i s i o nc u r v ed i s p e n s i n gm a c h i n e a b s t r a c t f i r s t w ed e s i g nad i s p e n s i n g s c h e m ea n dad i s p e n s i n gp r o c e s st o r c e r a m i cg r o u p w a r eg r o o v e w ed e s i g nt h e o v e r a l lm o d e lo fd l s p e n s i n g e q u i p m e n tb yu s i n gs o l i d w o r k s3 dd e s i g np l a t f o r mt 0 0 1 t h e n ，w em o d e la n d s e l e c tt h ep a r t so fd r i v ep o s i t i o n i n gm e c h a n i s m ，o n t h i sb a s i s ，t a k eai n - d e p t h a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni t st r a n s m i s s i o ns p e e d ，d r i v i n gf o r c ea n d a c c u r a c yo f p o s i t i o n i n g p r o p o s e dt w o - l i q u i dm i x i n gg l u ed i s p e n s i n gm a c h i n ed e s l g n o n t h ep i s t o nt e c h n o l o g y , a n dr e a l i z et w o q u a n t i t ya d j u s t a b l er e q u i r e m e n t s w e g l u em i x i n gp r o p o r t i o na n dd i s p e n s i n g d e s c r i b eh o wt or e g u l a t em i x i n gr a t i o a n dt h ea m o u n to fg l u e w em o d e la n ds e l e c tt h ed i s p e n s i n gm a c h m ep a r t s o t d i s p e n s i n ge q u i p m e n t ，o n t h i sb a s i s ，t a k eai n d e p t ha n a l y s i sa n dc a l c u l a t l o n f o ri t ，st h ef o r c eo fm e a s u r i n gc y l i n d e rp i s t o ni nt h ed i s p e n s i n g ，d i s p e n s i n g c o u r s eo fa c t i o nt or e s p o n dt oa n df o r c ec a l i b r a t i o n f i n a l l y ，w ed e t e r m m e t h e b a s i ch a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ed i s p e n s i n gs y s t e m ，a n dv i a b l em o t i o n c o n t r o l p r o g r 锄sa n dc o m p u t e rr e a l i z a t i o nm e t h o d d i s c u s s e st h e s o f t w a r ed e s l g n p r i n c i p l e sa n df r a m e w o r ka n di t ss o f t w a r ep r o g r a ms t r u c t u r e ，a n dp r o v l d e s a r e f e r e n c ef b rh a r d w a r es t r u c t u r e sf o rf u t u r ep r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n g t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ed e s i g no f ap r a c t i c a l ，w o r k a b l ed i s p e n s i n g m o t i o nc o n t r o lp l a t f o r m t om e e tt h er e q u i r e m e n t s o fc e r a m i cg r o u p w a r e d i s p e n s i n g ，w et a k ea ni n d e p t ha n a l y s i sf r o ma l t e r n a t i v e st oe s t a b l i s h m o d e i t h e r eh a sc e r t a i nd i r e c t i v es i g n i f i c a n c ef o rr e s e a r c h i n go n t h ec o n t e n to ft h e f o l l o w u pw o r k i na n de q u i p m e n td e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：c e r a m i cg r o u p w a r e ，d r i v ep o s i t i o n i n g m e c h a n i s m ，t w o l i q u i d m i x i n gg l u ed i s p e n s i n g ，m e a s u r e m e n tp r i n c i p l e n k n r ， 1 锄冰帆 期n 圩 e s k 泔 哦 嘶 ；甲薰 = 一 1 1 一 姚 盯 眦 m 眦 m m p m r u 屺 v ，唧础凹 “ n ； 矿埘 炝 m m 畸 e a m 嘶掣一 插图清单 图1 一l ：点胶技术种类3 图2 1 ：c t 机中的陶瓷组件5 图2 3 ：点胶方案6 图2 4 ：总体平台7 图3 一l ：传动定位机构设计示意图9 图3 1 ：传动定位平台的爆炸视图9 图3 3 ：夹具1 0 图3 4 ：定位传动机构圆弧运动示意图1 0 图3 5 ：s g 3 3 单轴模块1l 图3 川：s g 3 3 单轴模块静力矩方向1 1 图3 7 ：传动定位机构数学模型及其受力分析1 3 图3 - 8 ：甄c ( 刀) 、如d ( 挖) 与( ，2 ) 的关系1 4 图3 q ：丝杠刚度k s 计算分析图1 7 图3 - 1 0 ：h x 作用下圆弧滑块接触变形1 9 图3 - 1 1 ：圆弧滑块自重产生接触变形2 0 图3 - 1 2 ：定位原理及其参数2 2 图3 - 1 3 ：陶瓷组件定位基准选取2 2 图3 - 1 4 ：陶瓷组件产生最大倾角产生的误差分析2 3 图3 - 1 5 ：启动、制动特性2 6 图4 1 ：计量机构示意图及其等效运动图3 2 图4 2 ：点胶液路原理3 4 图4 3 ：点胶机构总体建模3 4 图4 _ 4 ：计量机构建模3 5 图4 5 ：吸胶管路3 5 图4 q ：挤胶管路3 6 图4 7 ：点胶针头结构3 6 图4 8 ：微元立体模型3 8 图4 _ ：微元立体模型4 0 图5 - - 1 ：硬件框架图4 6 图5 2 ：闭环控制系统4 7 图5 3 ：软件框架图4 9 图5 4 ：程序流程图5 0 图5 5 ：吸胶、挤胶过程示意及其对应的子程序流程图5 0 表格清单 传动定位机构零部件质量1 1 s g 3 3 单轴模块参数1 2 p a n a s o n i cm s m a 系列小惯量电机参数参数1 2 运动模型参数1 2 点胶要求3 2 点胶运动部分机构质量3 7 s g 3 3 - 1 5 0 单轴模块参数3 7 点胶参数3 8 液路管道参数3 8 1 2 3 4 1 2 3 4 5 一 一 一 一 一 一 一 一 一 3 3 3 3 4 4 4 4 4 表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 佥筵工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：饧磊 签字日期：力炉年甥了参日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 目巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢钐磊 签字日期：勿f c 7 年中月勿日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新虢呻钌p 瘟 签字日期：沙妒年年月知日 电话： 邮编： 致谢 在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了我的导师陶晓杰副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还 是到收集资料、系统软硬件设计、论文成稿，都倾注了陶晓杰老师的心血， 我由衷地感谢陶晓杰老师! 陶老师在学业指导及生活等各方面给予我关心 和帮助，使我从其言传身教中学到了很多为人品质和道德情操。老师广博 的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对教育事业的忠诚，必 使我终身受益，并激励我勇往直前。 在课题进行过程中，我得到了仪器科学与光电工程学院的支持，实验 室老师和我的很多同学为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多必要 条件和学习、试验的机会。在此向他们表示衷心的感谢。 同时，我还要真诚地感谢我的父母和家人，他们的理解、体谅和关爱， 给我创造了良好的学习、研究和生活氛围。 感谢所有给予我帮助的人。 作者：苗磊 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 课题来源、研究内容及意义 1 1 1 课题来源及意义 本课题是外资企业委托的开发设计项目。 本课题的主要目的是研究设计一台用于c t 机制造的专用设备，实现对c t 机中精密环形陶瓷组件的精确点胶。 随着医学的发展，人们对健康的要求越来越高，进而对先进的医疗设备需 求也越来越大，尤其是c t 机，它广泛用于对头、胸、腹、骨盆、四肢、关节 等部位的检查及定位，是鉴别疾病良恶性的重要手段，也是现代临床不可缺少 的检查设备。国内医院的c t 机都是从国外进口，而且价格非常昂贵。其原因 在于国内对c t 机加工制造技术落后于国外，由其是对c t 机的精密环形陶瓷组 件的精确点胶加工，其精确对胶质量的好坏关系到c t 机是否能够正常运转。 而本项目所研制的点胶设备就是针对精密环形陶瓷组件的精确点胶加工而设计 的专用设备，对国内准备生产c t 机的企业提供一个可行的方案，实现国产化 具有重要的意义。 1 1 2 课题主要研究内容 本课题设计了集机械、液压、计算机软硬件等技术相结合的精密点胶机系 统，系统可以完成对陶瓷组件的点胶要求，结构灵活，成本低，运行可靠，便 于推广应用。主要内容如下： 1 、点胶机械平台的设计 根据精密环形陶瓷组件点胶要求，设计机械传动定位平台，实现对精密环 形陶瓷组件中需要点胶的位置定位。并对其传动精度、定位动作响应和受力校 核进行了分析与计算。 2 、两种比例可调的混合点胶液路设计 设计双液点胶系统，实现两种胶液可按一定比例混合对精密环形陶瓷组件 进行点胶。并对计量缸活塞在点胶过程中的受力、点胶动作响应和受力校核进 行了分析与计算。 3 、控制平台的设计 设计点胶系统的了硬件结构框架和软件程序流程，为以后的硬件搭建和程 序编写与调试提供了指导。 1 2 国内外环形陶瓷组件点胶设备的现状和发展趋势 点胶设备又称涂胶设备，灌胶设备，打胶设备等，是专门对流体进行控制， 并将液体点滴、涂覆、灌封于产品表面或产品内部的自动化机器。点胶设备主 要用于产品工艺中的胶水、油漆以及其他液体精确点、灌、注、涂、点滴到每 个产品精确位置，可以用来实现打点、画线、圆型或弧型。 在国内，一开始没有专门针对于c t 机的精密环形陶瓷组件精确点胶的设 备，其点胶位置的确定和出胶量多少都是通过人工手动操作，导致劳动强度大， 点胶精度和质量都很低。然后发展到利用通用点胶设备对环形陶瓷组件进行点 胶，虽然挤出的胶量比手动均匀一致，但其点胶位置确定任旧人工手动，点胶 的质量任然难以保证。因此设计专门针对环形陶瓷组件精确点胶的设备是极为 重要的。 在国外，对c t 机的环形陶瓷组件精确点胶的设备研制生产在技术，硬件 结构和软件功能等方面均处于领先地位，但其中的一些关键技术实行保密。因 此其相关材料很少。 就通用点胶设备发展而言，目前单液点胶设备已经做得很成熟，世界品牌 主要是e f d 和i & j 、m u s a s h i 、武藏等。国内单液点胶设备在通用性上做得 可以，在普通的控制器和自动化设备这块技术比较成熟，然而在高精度要求上 还是有很大差距。双组份的点胶机目前国外的机器挺多，技术也相对成熟，只 是价位太高。国内双液点胶技术已经走向成熟，国内点胶机第一品牌腾盛 ( t e n s u n ) 目前已经有专业双液设备存在，而且质量稳定，很适合国内用户使 用。 1 3 点胶技术的种类 在点胶行业中，主要的点胶技术有一下四种：时间压力型点胶技术、阿基 米德螺线管点胶技术、活塞点胶技术和喷射式点胶技术。现分述如下【6 1 ： ( 1 ) 时间压力型点胶技术 时间压力型( t i m e p r e s s u r e ) 点胶技术通过针管和脉动的空气压力来达到 点胶，如图1 1 所示。当采用的胶液的粘度大小中等时，工作性能最稳定，并 可以点涂出点、线和复杂图案。 优点：性价比高、操作简单。灵活性好，适用于磁头、变压器和芯片等各 种点胶对象。 缺点：由于空气具有可压缩性，在点胶过程中会加热胶体，导致胶液的粘 度和胶体大小变化。随着点胶过程的进行，针筒内的胶量也越来越少，出胶量 也会随之变化。 ( 2 ) 阿基米德计量管点胶技术 2 阿基米德计量管( a r c h i m e d e sm e t e r i n gv a l v e s ) 点胶是将胶体注入计量管 内点出，如图1 - 1 所示。其工作原理是胶体在螺杆旋转产生作用力的推动下， 使胶体顺着螺线运动。由于流动面积的限制的影响，当胶液流动到针头时会产 生流动阻力。这样点出的胶体的实际大小就由螺杆运动产生的作用力和流体所 收的阻力决定。并且，在恒定的空气压力作用下，胶体从进料管流动到计量管 内。 优点：通过软件编程来确定点出的胶量：出胶量可以比时间压力型点胶多， 适用于变压器点胶等场合：控制出胶量的精确度比时间一压力型的难度高。 缺点：出胶量和肢体的粘度相关：结构很复杂。 ( 3 ) 活塞式点胶技术 活塞式点胶( p i s t o np u m p ) 采用与活塞一气缸相似的机构来点胶，如图l 一1 所示。其工作原理是：首先将胶液引入到开口的气缸内然后将针管密闭，由 活塞运动推动胶液流出针头，直到将缸体内的流体全部从点胶头挤出。由针管 内壁的截面积和活塞每次前进的距离确定了点胶量的大小。由于此方法实质上 是控制缸内的胶液的体积而非胶液的压力，从而避免了胶体特性变化带来的影 响。无论胶液粘度如何变化，采用此种技术的出胶量可以恒定保持不变。 优点：出胶量一致性好。 缺点：采用机械运动来点胶，点胶响应和速度不能很快：出胶量大小不好 调节，维护比较难。 图1 1 点腔技术种类 ( 4 ) 流体喷射点胶技术 流体喷射( f l u i de j e e t i n g ) 点胶是目前点胶行业的热点国内外已有些公 司能够生产此类设备，它的工作原理与喷墨打印机类似。基本原理是在胶液上 施加波动的压力，在此压力作用下，胶液通过一个小孔后能够自动分离，从而 在基板上点出一个胶点。致动器太多采用压电晶体来实现，专门的温度控制装 置对温度进行控制。 优点：无机械运动，能够达到高速点胶。 缺点：胶液清洁麻烦，机械结构复杂；成本高、维护不方便：出胶量受流 体粘度变化的影响 1 4 精密环形陶瓷组件点胶设备的特点 本项目设计针对精密环形陶瓷组件精确点胶的专用设备具有以下特点： 1 、传动定位机构尺寸小 由于该陶瓷组件的曲率半径大，如果用一个半径与陶瓷组件圆弧半径大致 相当的旋转工作台实现对精密环形陶瓷组件各点胶位置的定位，将导致旋转工 作台尺寸大，制造安装精度难以保证，实现工作要求具有很大困难。而本项目 设计了基于圆弧导轨的传动定位机构，实现对陶瓷组件各点胶位置的定位，大 大缩小了传动定位机构的尺寸，减小了成本，便于加工。 2 、点胶精度高 传动定位机构的传动定位方案采用c c d 图像采集系统构成的闭环，对精密 环形陶瓷组件的各点胶位置进行微调，达到其各点胶位置的精确定位。并对传 动方式产生的原理误差，整个机构的传动受力变化产生的误差和夹具的装夹误 差进行分析与计算，为以后传动定位机构的传动定位精度的提高提供了理论依 据。 3 、双液混合点胶 基于活塞式点胶技术的特点，设计了双液混合点胶系统，实现两种胶液的 混合比例和出胶量可调，且避免了胶体特性变化的影响，出胶量一致性好。并 对计量缸活塞在点胶过程中的受力、点胶动作响应历程和受力校核进行了分析 与计算。 4 第二章点胶机系统的总体设计 2 1 点胶机系统总体拍设计模型 2 2l 待点胶陶瓷组件各参数说明 t = 量呈i 韭! = 量 1 陶瓷片 23 2 0 块2 0 x 2 6 o1 t m 畦属钼* 圉2 - 1 ：c t 机中的陶瓷组件 精密环形陶瓷组件，如图2 一l 所示，由两片扇形陶瓷片和3 2 0 块金属铝片 装配而成，形成3 1 9 对沟槽( 图中蓝色区域) ，即为点胶区域位萱，其点胶的位 置精度为15u m 。且所有的沟槽延长线均通过陶瓷片的圆弧中心。陶瓷片的 尺寸如图2 2 所示，上面有3 2 0 个齿槽，其各齿槽宽度只有0 1 7 m m 。 。b 自麓转 图22 ：陶瓷片尺寸 21 2 点胶方案的设计 点胶方案如图2 - 3 所示，精密环形陶瓷组件在圆弧导轨上作圆弧运动，实 现各沟槽的定位作用，针头的出胶位置是针头端两侧出胶，实现点胶针头在作 z 方向的往复运动时对两侧的金属钼片与陶瓷片的接触区域进行点胶。 由于点胶位置精度要求高，一般开环控制系统达不到精密环形陶瓷组件上 待点胶位置定位精度要求，因此在点胶针头旁加装一个c c d 图像采集系统， c c d 的焦点与针头位置重合，当传动定位机构带动精密环形陶瓷组件作圆弧运 动定位时，c c d 的焦点刚好落在沟槽中心线上，此时进行图像采集并分析，计 算出针头与陶瓷组件沟槽在x 方向上的位置偏差，然后传动定位机构带动精密 警 环形陶瓷组件在圆弧导轨上做微调，然后进行点胶。 一x 点 屹 针头中心铁 冬x - - - 0 2 1 ) c 一沟槽中心线与陶径片上边缘交点 d 一沟榴中心线与陶瓷片下边缘交点 图2 3 ：点胶方案 根据沟槽点胶位置精度要求，当沟槽定位完成后，点胶针头作z 方向的点 胶时，点胶针头中心线相对于沟槽中线的位置偏差始终都在1 5i tr n 范围内， 为简化后续精度计算，可理解为传动定位机构的水平定位误差折算到c 和d 两 点相对于点胶针头中心线的误差应在1 51 tm 内，并且要使点胶针头能伸入沟 槽里面进行点胶，点胶针头在整个点胶过程中不能碰触两侧的金属钼片。结合 陶瓷片的尺寸，下面来计算点胶针头外径允许范围。 沟槽的上底边、下底边长度按下面公式计算： 11 2 5 5 2 万堕一o 1 7 3 2 0 上底 3 2 1 1 0 9 9 5 2 万x 堂一o 1 7 3 2 0 戽底2 _ 晋l 一 = 0 4 4 5 5 m m = o 4 3 1 3 m m 点胶针头的外径r 应满足下面公式：r + 2 o 0 1 5 l 下底，即r o 4 0 1 m m 。 这里选用国内腾盛流体控制有限公司生产的塑座不锈钢点胶针头，型号为3 0 g 针头外径为o 3 1 m m ，满足点胶要求。 闭环系统中的检测环节c c d 的精度选取越高越好，但这也会增加成本，因 此选择合适是最重要的。本设计选用北京微视新纪元科技有限公司生产的c c d ， 型号为m v c i i 1 m m ，有效像素为1 2 8 0 x1 0 2 4 ，像素尺寸为5 2 5 2um ，具有很 高的性价比。采用的放大倍率为l ：1 ，则检测分辨力5 2um 。 2 2 点胶系统总体平台设计 如图2 4 所示，为精密环形陶瓷组件点胶系统总体平台三维视图。 此点胶设备分为三部分，说明如下： ( 1 ) 试胶槽和清洗槽 图中1 为试胶槽，在精密环形陶瓷组件各沟槽进行点胶之前，用于对点胶 6 管路进行试点胶过程，检测点胶机构是否能够正常运行，为后续对精密环形陶 瓷组件的点胶作准备。2 为清洗槽，在对精密环形陶瓷组件各沟槽点胶结束后， 用于对点胶管路进行清洗过程，防止管路堵塞，为f 一次点胶作准备。 1e 镕：日一* 4 e 4h e # 一$ hr 目1c c lj h 1 4 2 9 - 女al * 一* # 图2 - 4 ：总体平台 ( 2 ) 传动定位机构 图中3 为传动定位机构，滚珠丝杠推动圆弧滑块在圆弧导轨上作圆弧运动， 并与c c d 图像采集系统来形成闭环系统，实现陶瓷组件上每个点胶位骨的精确 定位； ( 3 ) 点胶机构 图中4 为点胶机构，滚珠丝杠推动摆杆双液混合点胶机构实现双液按一定 比例混合，并带动点胶针头在精密环形陶瓷组件中两相连金属钼片与陶瓷片形 成的沟槽底部进行均匀点胶。 点胶流程分为四步，说明如下 ( 1 ) 试点胶 当精密环形陶瓷组件装夹在夹具上，两胶桶灌入胶液完成后，驱动x 轴伺 服电机，让试胶槽对准点胶针头，然后驱动z 轴伺服电机，重复吸胶和挤胶过 程，当有均匀的胶液挤入试胶槽时，说明可以进行对陶瓷组件各沟槽进行点胶。 ( 2 ) 精密环形陶瓷组件沟槽位置的定位过程 x 轴伺服电机旋转推动丝杠，丝杠螺母带动推杆推动圆弧滑块，圆弧滑块 上的精密环形陶瓷组件从左至右在圆弧导轨上作圆弧运动，当c c d 的焦点剐好 落在精密环形陶瓷组件上沟槽位置( 相邻金属钼片与陶瓷片形成的空间) 时， 进行图像采集并分析，计算出点胶针头与沟槽位置在x 轴上的坐标偏差，然后 驱动x 方向的丝杠进行微调。 ( 3 ) 吸胶、挤胶过程 z 轴伺服电机旋转推动丝杠螺母作垂直向下运动，带动摆杆顺时针旋转， 7 在摆杆的推动下，两计量缸活塞相对于计量缸向上运动，同时，二位三通电磁 阀连通胶桶与计量缸管路，实现吸胶过程。当架设在丝杠螺母上的点胶针头向 下运动到沟槽位置的始端时，z 轴伺服电机反转推动丝杠作垂直向上运动，带 动摆杆逆时针旋转，在摆杆的推动下，两计量缸活塞相对于计量缸向下运动， 同时，二位三通电磁阀连通计量缸与混合头管路，混合胶液从点胶针头挤出， 实现挤胶过程。当架设在丝杠螺母上的点胶针头离开沟槽位置的末端时，精密 环形陶瓷组件的第一个沟槽点胶完成。如此循环依次( 2 ) 、( 3 ) 两步对精密环 形陶瓷组件上余下的3 1 8 个沟槽进行点胶。 ( 4 ) 清洗管路 当陶瓷组件上3 1 9 个沟槽点胶完成后，两胶桶灌入清洗液，驱动x 轴伺服 电机，让清洗槽对准点胶针头，然后驱动z 轴伺服电机，重复吸胶和挤胶过程， 当有均匀的清洗液挤入清洗槽时，说明管路的清洗完成。 2 3 本章小结 本章首先说明本设计的点胶机构所要加工的精密环形陶瓷组件各尺寸参 数，并根据其胶加工要求设计了两种基于c c d 视频定位点胶的控制方案，确定 了精密环形陶瓷组件的进给方向和点胶针头的点胶运动方向，为后续设计提供 了依据。其次对总体点胶机构进行了s o l i d w o r k s 建模，把模型划分为三个部分， 分别是为试胶槽和清洗槽、传动定位机构和点胶机构，并说明了点胶流程。 8 第三章定位传动部分的设计 3 1 传动机构的设计与自由度计算 工作原理如图3 - l 所示，丝杠1 在伺服电机的转动下，推动螺母2 沿水平 方向移动带动推杆3 ，推动圆弧滑块4 沿圆弧导轨5 运动实现陶瓷组件相对 与点胶针头之间的位嚣要求。该机构中丝杠1 与丝杠螺母2 构成的移动低副， 推杆3 与凸轮6 构成的线接触高副，圆弧滑块4 与圆弧导轨5 构成移动低副。 其自由度为： f - 3 n 一2 p l - p h = 3 2 2 2 1 = 1 其中n 为活动件数，p l 为低副个数，p l 为高副个数 由此可知作为原动件的伺服电机的运动目确定，机构中的其他构件也随 之确定。通过控制电机的转动角度可实现陶瓷组件的确定移动。 善美亨莹纂；， 1 - 丝杠2 2 杠螺母3 一推秆4 一z 弧楫块5 圆弧导轨6 滚轮7 精密环尾陶瓷组件 8 一 腔针* 9 一c ( t l 图3 1 ：传动定位机构设计示意目 根据陶瓷片的尺寸可知x 方向的行程为： l h = 2 r s i n r0 2 ) = 1 9 7l7 m 3 2 传动机构零部件的设计与s o l i d w o r k 建模 图3 - 2 ：传动定位平台的爆炸视图 根据上述传动定位机构设计的示意图，下面对其进行3 d 建模，如图3 - 2 所示为传动定位平台的爆炸视图，零部件设计说明如下： 夹具 1 角i $ 擐 +2 三& 二2 = 目7 圜枉 c 要孽、g 一 图3 - 3 ：夹具 如图3 - 3 所示是精密环形陶瓷组件夹具设计的放大图，本夹具的设计特点 是利用两定位销和一平面定位，利用固定手柄压紧螺钉l 和勾型压板2 形成的 回转压板机构来给陶瓷组件提供预紧力。从而使精密环形陶瓷组件装夹方便， 定位精确，其定位误差小。 2 、圆弧滑块、圆弧导轨 图3 4 ：定位传动机构圆弧运动不葸图 如图3 - 4 所示为圆弧滑块与圆弧导轨配合放太图，夹具固定于圆弧滑块上， 圆弧滑块在圆弧导轨上作同心圆弧运动，其圆弧滑块接触圆柱心轴的运动轨迹 为r 1 0 7 25 的圆弧与圆弧导轨的r 1 0 7 6 5 同心，从而带动夹具上的陶瓷组件做 r 1 1 2 55 的同心圆弧运动，e 角度代表其圆弧行程，其圆弧范围口l 最，0 2 l ， a ：9 0 一1 00 5 。2 ：8 49 7 5 。，鼠= 9 0 。+ 1 00 5 2 = 9 50 2 5 。弹簧为推杆于圆弧滑块的 接触提供预紧力，预紧力不应过大，其大小应在保证两部件运动过程中不脱离 的基础上取最小。 3 、推杆 如图3 - 2 所示推杆固定于滚珠丝杠螺母上，推杆与圆弧滑块的接触为线面 接触( 图3 4 中蓝色标记区域) ，在推杆水平推动圆弧滑块的过程中，接触面的 相对运动为z 轴的移动和y 轴的转动。在整个推动过程中，为了保证接触面的 质量，用拉伸弹簧提供接触线面的预紧力，预紧力不应过大，其大小应在保证 两部件运动过程中不脱离的基础上取最小。其中推杆的水平位移等于圆弧滑块 接触圆柱心轴的水平位移分量。 4 、滚珠丝杠与丝杠螺母 目前有很多生产商提供高精度的单轴模块即滚珠丝杠模块，如p a r k e r 、 k u r o d a 、t h k 等，这种单轴模块把滚珠丝杆、导轨、电机连接法兰盘集成到 一起，具有高精度、结构紧凑、高刚性等优点，使用非常方便。根据传动要求， 奉设计采用k u r o d a 的s g 3 3 单轴模块作水平x 方向进给，导轨长度为 3 0 0 r a m ，最大行程为2 1 0 m m 满足本设计的行程需要。如图3 - 5 所示。 3 3 特征参数 图3 - 5 ：s g 3 3 单轴模块 在前面进行零部件造型与建模的基础上，这里以表格的形式列出键零部件 的关键参数，为后续的精度分析、定位响应历程分析和受力校核提供参数。对 于从制造商选购的零部件，首先采用制造商提供的手册数据，其它参数则根据 模型计算得到。 1 、零部件质量 表3 1 传动定位机构零部件质鸷 零件陶瓷组什 夹具 吲弧滑块 导轨推杆 质量( k g ) 图3 - 6 ：s g 3 3 单轴模块静力矩方向 2 、s g 3 3 单轴模块参数 表3 2s g 3 3 单轴模块参数 系列s g 3 3 导轨长度 3 0 0 m m 丝杠额定动载荷c 一 2 1 1 k n 导轨许用静力矩m i i 4 l ln m 最大行程 2 1 0 r a m丝杠额定静载荷c 舳2 9 5k n轴承额定动载荷c z4 4 0k n 丝杠导程 b m m 导轨额定动载荷c 1 1 8k n 轴承额定静载荷c z 。 4 3 9k n 丝杠轴颈1 0 r a m导轨额定静载荷c o 1 9 9k n 滑块重量 0 3 k g 重复定位精度 3um导轨许用静力矩1 6 9 n m允许速度5 5 0m m s 定位精度 2 0um 导轨许用静力矩m v 2 0 1n m 总重量1 6 k g 丝杠转动惯量 2 6 0 8 丝杠螺母轴向刚度2 2 0 n u m摩擦系数 0 0 0 3 5 1 0 一k g m 值 ( 注) 允许静力矩m p 、m y 、m r 的方向参考图3 - 6 。 3 、p a n a s o n i cm s m a 系列小惯量电机参数 表3 3p a n a s o n i cm s m a 系y l j d , 惯量电机参数 l 额定功率额定转矩最大转矩电机惯量额定转速最高转速重量编码器 1 0 0 5 k w0 1 6 n m o 4 8n m0 0 4 1 0 。4k go3 0 0 0 r p m 5 0 0 0 r p m0 5 9 k g 2 5 0 0 l 4 、传动定位机构的运动模型参数 如图所示，推杆水平移动推动圆弧滑块在圆弧导轨上作同心圆弧运动，从 而带动夹具上的陶瓷组件也作同心圆弧运动。 表3 4 运动模型参数 推杆水平位移圆弧滑块接触圆柱心轴陶瓷组件 1 9 7 1 7 m mr 1 0 7 2 5 m mr 1 1 2 5 5 m m 0 8 4 9 7 5 。9 5 0 2 5 。0 8 4 9 7 5 。，9 5 0 2 5 。 3 4 传动定位机构误差分析与精度计算 传动定位机构的定位精度决定精密环形陶瓷组件上每个沟槽的定位精度， 其沟槽定位的准确性决定了点胶针头点胶的质量，因此分析传动定位机构的定 位误差是必要的。由于传动定位机构选用的$ g 3 3 单轴模块的定位误差为2 0u m ，已经超精密环形陶瓷组件的定位精度要求，所以传动定位机构的定位控制 必须采用闭环定位控制系统，进而修正定位误差的影响。在下面的几节中，主 要对传动定位机构设计的传动方式产生的原理误差、整个机构的传动受力变化 产生的误差、夹具的装夹误差和s g 单轴模块定位误差进行分析与计算，得出 各自的误差范围，及其加和的总误差范围，进而对影响传动定位机构的定位精 度有深入的认识，为后续的误差修正提供理论基础。 】2 3 4 1 传动定位机构原理误差分析与计算 在前面的章节中可知本设计的传动定位机构是一丝杠的水平位移带动推 杆，推动圆弧滑块在圆弧导轨上作圆弧运动，其传动特点是丝杠螺母的水平运 动转化为圆弧滑块的圆弧运动。在传动过程中，待定位的3 1 9 个沟槽是均匀分 布于精密环形陶瓷组件上，由图2 - l 所示。相邻两个沟槽的e 是一定值，每 个沟槽的定位所需圆弧滑块在圆弧导轨上移动的角度也为0 ，但所需丝杠螺 母带动推杆推动圆弧滑块产生的水平x 却不是恒定不变的。 下面对这种非线性关系进行计算，讨论这种传动方式所产生的原理误差。 0 一圆弧滑块的行稷使爱由一圆弧导鞔爰危g 一强弧滑块、哭具襁陶瓷组件的自 重x 一匮弧导轨对匮弧滑块的支撂力f h 一推符对匮甄滑块的水平维力。f 一隧弧 淆块所受肇擦力f t f 在局部坐标系z o x 的x ，上的分解量 图3 7 ：传动定位机构数学模型及其受力分析 机械传动定位机构的数学模型如图3 7 所示，其中x 代表丝杠螺母实际位置 所映射的位置，o 角度代表圆弧滑块的行程位置，且口l8 4 9 7 5 , 9 5 0 2 5 。l ，。由传 动机构的自由度分析结论得知丝杠螺母的位置x 与圆弧滑块的位置0 是一一对 应的，因此我们由图3 7 所示x 与0 的几何关系可推得： x ( 秒) = 1 0 7 2 5 c o s ( 8 4 9 7 5 。) - 1 0 7 2 5 c o s ( 0 ) ，、 其中口9 4 9 7 5 。, 9 5 0 2 5 。1 叫 精密环形陶瓷组件上3 1 9 个沟槽均分布于陶瓷组件上，其相邻两个沟槽所 对应的角度差为o = o 0 3l3l 。，l 3 1 9 个沟槽所对应的杠螺母的映射位置x 为： x 伽) 21 0 7 2 5 c o s ( 8 4 9 7 5 。) 一1 0 7 2 5 c o s ( 8 4 9 7 5 。+ n x 0 0 3 1 3 1 ) ，、 其中珂f l ，2 ，3 3 1 9 1 假设陶瓷组件上第一个沟槽的位置已经定位成功，则精密环形陶瓷组件2 3 1 9 沟槽定位所需丝杠螺母带动推杆推动圆弧滑块产生的水平x 为： 麟( n ) = x ( n ) 一x ( n - i ) = 1 0 7 2 5 c o s l8 4 9 7 5 。+ ( n - 1 ) o 0 3 1 3 1l 一1 0 7 2 5 c o s ( 8 4 9 7 5 。+ n x 0 0 3 1 3 1 ) ， ( 3 3 ) 其中刀2 ，3 3 1 9 1 】3 传动定位机构采用伺服电机位置脉冲控制，其每个脉冲产生的位移量为 0 0 0 2 m m ，则陶瓷组件上2 3 1 9 沟槽定位所需的伺服电机脉冲数为： n p ( n ) 2 0 0 尘0 2 ， 其中刀【2 ，3 3 1 9 】 ( 3 4 ) 把式( 3 8 ) 代入式( 3 9 ) 得： n p ( n ) k = 1 0 7 2 5 c o s 8 4 9 7 5 。+ ( n - 1 ) x 0 0 3 1 丽3 1 万- 1 0 7 2 5 e o s ( 8 4 9 7 5 。+ n x 0 一0 3 1 3 1 ) ( 3 - 5 ) 其畅【2 ，3 3 1 9 m a x e n ，( 胛) 取整= 2 7 3 ，m i n e n ，( 刀) 取整= 2 7 1 对n p ( n ) 进行四舍五入取整，便得到定位陶瓷组件上2 - 3 1 9 沟槽所需要的 伺服电机脉冲数，也因为四舍五入取整的关系引入了原理误差6y l x ，计算公式 如下： ( 行) = 从( 刀) - 0 0 0 2 x e n ，( n ) l 整其中玎【2 ，3 3 1 9 】 ( 3 - 6 ) m a x 6 r l x ( 4 8 ) = 0 9 8 , u r n ，m i n s r u ( 2 71 ) = - 0 9 9 , u r n 通过上面的分析与计算得到的n p ( n ) 为如前所述的点胶定位方式( 如图2 3 ) 提供理论每个沟槽的定位脉冲数。 根据传动定位机构的传动特点，推杆水平移动推动圆弧滑块在圆弧导轨上 作同心圆弧运动，从而带动夹具上的精密环形陶瓷组件也作同心圆弧运动。传 动定位机构的水平原理误差如r 0 ) 与其折算到作圆弧运动的精密环形陶瓷组件 沟槽上c 、d 两点的原理误差如c ( 疗) 、如d ( 刀) 是有差别的，如c ( 刀) 、( ，z ) 与( 刀) 的关系如图3 8 所示。其中，o 是圆弧滑块接触圆柱心轴的行程，也是精密环 形陶瓷组件的行程，精密环形陶瓷组件上31 9 个沟槽的理论位置为 o ( n ) = 8 4 9 4 7 0 + o 0 3 1 3 0 疗，磊( 行) 是第n 个沟槽的理论位置与其传动定位误差引起 位置的夹角，屏，( 刀) 的计算过程如下： 图3 - 8 ： c ( 丹) 、如) ( 刀) 与( 刀) 的关系 1 4 塑等型：毗吼功+ 磊( 明 r l 、7叭7 j ( 功= 础等 o ( n ) = 8 4 9 4 t + o 0 3 1 3 。n 跏1s ( 塑掣h 聆) 删砌墨等砌置型二菩兰型 7 ， 把式( 3 11 ) 眩舯劫喀 卜 害嘞 z 王3 1 q ( 3 - 9 ) m a x = 1 0 3 t m ，m i n s r l c = 一1 0 4 , u r n 同理计算( ，z ) ： 啦舯= 琏 删，9 _ ( 删均伽啦( 1 9 u a 啪 叫磅 r 妻渤串l 3 均 ( 3 8 ) m a x ( 4 8 ) = 1 o l , u m ， m i n s z , = - 1 0 2 t m 3 4 2 传动定位机构受力变化引起的误差分析与计算 传动定位机构在自左向右的定位过程中，由于其传动定位方式特点导致机 构上的推杆推动圆弧滑块的推力f t x 不是常值，而是一个关于0 的函数，这样 传动定位机构中其它传动部件所受载荷力也必然是关于e 的函数。下面计算对 其受力进行分析，过程如下： 精密环形陶瓷组件运动定位过程取自左向右，x 向的负载主要是滚珠丝杆 的摩擦f s 、推杆的摩擦f g 力和圆弧滑块所受的推力f t x 。单轴模块上的滚珠丝 杆预紧力f b 可以由下述经验公式估算得到。轻载荷时，其系数b 取0 0 5 ，c a 是单轴模块的额定动载荷，见3 2 表： e = 6 c a = 0 0 5 x 2 1 l x l 0 3 = 1 0 5 5 滚珠丝杠的摩擦力： b = 从1 0 5 5 = 0 3 7 n其中以一丝杠摩擦系数，取0 0 0 3 5 。 推杆的摩擦f g 力： 1 尼= 去心g 推杆= o 1 8 6 n 其中心一推杆摩擦系数，取o i 。 二 对圆弧滑块的受力分析如图3 7 所示，对圆弧滑块受推杆推力和圆弧滑块、 夹具与陶瓷组件总的自重在局部坐标系z o x 上进行受理分解，由受力平衡可 得： s i n t 9 = u ( f t xc o s 秒+ g s i n 乡) + g c o s 秒 其中为摩擦系数，取o 1 弓r ：u g s i n 0 + g c o s 0 ( 3 - 9 ) ，r y = 一 “ s i n 臼一“c o s 0 下面就分别计算机构中传动部件s g 3 3 滚珠丝