自动喷漆设备设计说明书

1 前言要实现喷漆系统的完整功能必须有相应的喷漆设备，用电机控制相应设备的动作，通过其传动系统利用相应的传动形式完成动作。在生产过程中，尤其是在汽车生产线上，喷漆设备应用的越来越广泛，人工喷漆已不能满足生产的需要，这就迫使自动喷漆设备的出现。自动喷漆设备就意味着在无人工或在人工很少干预的情况下自动完成对工件的喷漆工艺。这就需要机器有很高的精度还需要精度较高的相对运动。自动喷漆设备有如下的优点。 （1）柔性大。工作范围大，升级可能性大；可实现多种品种的混线生产。 （2）提高喷涂质量和材料使用率。仿形喷涂轨迹精确，提高涂膜的均匀性等外观喷涂质量；降低过喷涂量和清洗溶剂的用量，提高材料利用率。 （3）易操作和维护。可离线编程，大大缩短现场调试时间；接插件结构和模块化的设计，可实现快速安装和更换元器件，极大缩短了维修的时间；所有部件的维护可接近性好，便于维护保养。 （4）设备利用率高。往复式自动喷涂机利用率一般仅为 40%-60%；人工喷涂:由于存在喷涂操作距离远近、高低位置波动及人的情绪不稳定等主客观因素，油漆的额外耗损无疑是不可避免的。自动喷涂:在相同的客观条件前提下，与人工喷涂相比,由于自动喷枪正交于喷涂面,油漆雾粒含稀释剂量固定、均距、均次、均速、均匀重复涂饰,可较好解决上述因素造成喷涂质量的影响，其光泽性、平坦性、垂流(即“挂泪”) 、针孔、气泡亦易于控制。随着科技的进步，尤其是控制技术和计算机软件水平的不断提高，自动喷漆机也必将在性能上有进一步的提高。2 自动喷漆机总体设计方案本次设计的任务是完成自动喷漆机的机械结构部分的设计，机械结构部分是机器的重要组成部分，是实现机器各个动作的本体，虽然一台自动程度比较高的机械的电气控制部分决定着它的高科技程度，但还必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的系统。本课题要求设计一台自动喷漆机械结构设计，主要对中、大型起重机的横梁进行喷漆。该设备能够实现自行走，能够完成起重机横梁的多面、多角度喷漆。按照设计要求，该机采用龙门式机构。该机的机械结构部分由往复横移机构、上下移动机构、喷头升降机构、走行机构、喷头旋转机构组成；机械部分是设备动作的执行机构，主要是由链条实现往复横移运动，由丝杠螺母机构实现喷头升降，由电机带动走行机构在导轨上行走。本次设计的喷漆机设计总体方案如图 2.1 所示。1走行机构 2上下移动机构 3机械手部分 4往复移动机构图 2.1 自动喷漆机结构图2.1 行走机构442321行走机构采用 Y 系列（IP44）三相异步电动机，经摆线针轮减速器直接驱动龙门架，如图 2.2 所示，行走时 4 轮可完全接触在轨道上,线性启动、运行平稳、无抖动、跳动现象。Y 系列（IP44）三相异步电动机为一般用途全封闭自扇冷式龙型三相异步电动机，具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的的特点。并且效率高，耗电少，性能好，噪声小，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便；摆线针轮减速器具有传动比大，传动效率高，结构紧凑，相对体积小，重量轻的特点；并且通用于中小功率，适用性广，运转平稳，噪声低，适用于连续工作制，允许正、反向运转，满足使用要求。图 2.2 行走机构驱动部分结构图1联轴器 2 减速器 3 电动机2.2 上下移动机构及往复运动机构往复机构是自动喷漆机的重要组成部分。其结构原理如图 2.1 所示。链条借助与电动机传给的动力，驱动链轮做定向的循环往复运动。由于走形装置被固定在链条上，这样被安装在走形装置上的喷枪便实现了自动喷涂；其次链条链轮机构能实现匀速运动，能实现均匀喷漆。321222图 2.3 上下移动机构结构图2.3 机械手部分2.3.1 喷头伸缩机构和喷头旋转机构机械手是由 1 个伸缩液压缸，1 个摆动缸以及一个四杆铰链机构实现要求的动作的。喷漆手臂结构如图 2-3 所示。通过最左侧的液压缸的伸缩来适应工件的不同宽度变化，此缸下方的导杆起导向作用，并且防止活塞杆端部的安装板晃动旋转。机械手中部的是实现喷头俯仰运动的四杆铰链机构，最右侧是摆动缸，可以实现喷涂起重机梁侧板的喷涂。图 2.4 伸展旋转装置22222232 走形装置走形装置沿着导轨往复运动，使喷头实现自动喷漆，因此导轨的平行度、平滑性和耐磨性是影响往复机构走形性能的重要因素，因此导轨的选择很重要，本机采用四滚道型滚动直线导轨副，它的轨道两侧各有互成 45 度的两列承载滚珠。垂直向上、下和左右水平额定载荷相同。额定载荷大，刚性好，运行在低高速，可靠性较高，可以承受冲击机重载，满足要求。1 机身 2 工作台 3 导轨 4 滚珠 5 滑块图 2.5 走形装置1-工作台 2 连接板 3-链条图 2.6 连接部分结构图425232221221222323 零部件的设计计算3.1 链条的设计链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮组成，通过链轮轮齿与链条链接的啮合来传递运动和动力；链传动主要用在要求工作可靠，两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣，以及其他不宜采用齿轮传动的场合；链条按用途不同分为传动链、输送链和起重链，输送链和起重链主要用在运输和起重机械中，在一般机械中常用的是传动链；传动链又可分为短节距精密滚子链、齿形连等类型，其中滚子链常用于传动系统的低速级， ，一般传递的功率在 100kw 以下，链速不超过 15m/s，推荐使用的最大传动比 imax=8。3.1.1 链条的选择初步选用参数：设计喷漆机的输送链，传动平稳，结构紧凑，选用小节距单排链，传递功率 P=0.55kw、链速 v=0.3m/s、小链轮转速 n1=30r/min、中心距a=3.5m、链条水平布置、转动比为 i=1。1.选择链轮齿数小齿轮齿数 Z1=27，大齿轮齿数 Z2=iZ1=27。2.确定修正功率由表 13-2-3 查得工矿系数 f1=1，由图 13-2-1 查得小齿轮齿形系数 f2=0.9，修正功率Pc=f1f2P=1*0.9*0.55=0.495 kw (3.1)3.选择链条型号和节距根据修正功率 Pc=0.0.495kw 和小链轮转速 n1=30r/min 查图 13-2-2 选用节距12A，查表 13-2-2，链条节距 p=19.05mm。4.计算链节数和中心距初定中心距 a0=183p=3500mm，因为 a0 80p，应有张紧装置或托板以节距计的初定中心距aop=ao/p=183.72 (3.2) 相应的链长节数为=394.45 (3.3)aopzLp2121z取 Lp=290394 节。计算中心距， ac=p（ Lp-z1） /2=3495.67mm，实际中心距 a=ac（ 1-0.003）=3485.19mm5.计算链条长度链条长度 L=pLp/1000=7.505m6.计算链速 v，以确定润滑方式v=z1n1p/(60*1000)=0.257 m/s (3.4)由 v=0.257m/s 和链号 12A，查图 13-2-9 可知采用滴油润滑。7.计算压轴力 Fp有效圆周力 ：Ft=1000P/v=1000*0.55/0.257=2140.08N (3.5)链轮水平布置时压轴力系数 Kfp=1.15，则压轴力为F=1.15f1F=2461.09N (3.6)3.1.2 滚子链的静强度计算由表 13-2-1(参考文献5)查得链条极限拉伸载荷 Q=31100N，由表 13-2-6 查得链条质量 q=1.5Kg/m，由图 13-2-4 查得 Kf=45，np 安全系数取 3，又 f1=1，有效圆周力 Ft=2140.08N，离心力引起的拉力Fc=qv2=1.50.2570.257=0.09 (3.8)悬垂拉力Ff=Kfqa/100=451.53485/100=2352.3N， 链条静强度安全系数n=Q/(f1Ft+Fc+Ff)=31100/（12140.08+0.099+2352.3）=6.923 (3.9) 可以安全使用。3.2 往复运动机构上电动机、减速器的选择及其轴的设计3.2.1 电动机的选择由于喷漆环境恶劣，而 Y 系列（IP44）三相异步电动机为一般用途全封闭自扇冷式龙型三相异步电动机，具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的的特点；并且效率高，耗电少，性能好，噪声小，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便，所以这里选用 Y 系列三相异步电动机。1.电动机的功率的校核电动机的初选功率为 0.55kw工作机所需输入功率(3.10) wP10/fv工作机所需输入功率，kW；wPf工作机的阻力，N；V工作机的线速度，m/s；工作机的效率；W对链条受力分析：Nf G图 3.1 链条的受力分析1重物 2链轮 3链条链条重力 G1=1.57.5059.8=110.3N，走行机构的重量 G2=309.8=294N，总摩擦力 f= （ N1+N2） 404.3N ， Pw404.30.257=0.103kw ，设计方案的总效率 w0.75 ，工作机所需输入功率Pw=0.103/0.75=0.137kw (3.11)所选电机满足条件。2.电动机转速的选择链条转速 n=30r/min,在该系统中选用一级摆线针轮减速机，存在传动比 i1，其他传动比都为 1，又摆线针轮传动比范围为 11-87，所以322MMMM21MM2nd=i1nw=11,87nw (3.12)所以 nd 的范围是 （ 330,2610） r/min,初选同步转速为的 1500r/min 电动机。3.电机型号的确定由表 17-1-35 查的，选用 Y801-4 电动机，额定功率为 0.55kw，转速为1500r/min,质量为 25kg。322 减速器的选择由于工作机需要往复运动，需要正反转；而摆线针轮减速器的传动比大；传动效率高；结构紧凑，相对体积小，重量轻；通用与中小功率，适用性广，运转平稳，噪声低。结构复杂，制造精度较高，适用于连续工作制，允许正、反向运转，广泛用于动力传动中。这里选用直连型摆线针轮减速器。（1）已知条件a从动机：匀速运动的链条。b工作时间： 8-10h/日c低速轴转速 n=30r/mind电机频率为 50Hze输出轴链接方法：联轴器（无轴向力）（2）选型a使用系数：查表 16-2-148， k=1.2。b输出转速 30r/min，电机频率 50Hz，计算传动比 1500/30=50，选传动比为51，实际输出转速为 29.4r/minc电机功率 0.55kwd按表 16-2-138 选型号为 XW DY0.558115-51W323 轴的设计以知条件：链条运动平稳，以摆线针轮减速器作为减速装置，输入轴与电动机相连，输出轴与工作机相连。以知电动机功率 P=0.55kW，转速 n1=1500r/min，链轮轴的转速 n1=30r/min，链轮的有效圆周力 Ft=2140.08N(1)选择轴的材料选择轴的材料为 45 钢，调制处理。由表 6-1-1 查得：b=590MPa ， s=295MPa ， -1=255MPa ， -1=140MPa(2)输出轴的功率 P3，转速 n3 和转矩 T3若减速器的传动效率 0.9，则 P3=0.80.55=0.44kW (3.13)又 n3=n1/i=29.4r/min (3.14)于是 T3=9550 000P3/n3=142 925Nmm (3.15)(3)初步确定轴端直径取 A=120(按表 6-1-19 选取)。轴的输入端直径d= A0 =28.93mm (3.16)3nP考虑轴有键槽，轴径应增大 4%-5%，取 d=30mm为了安全考虑，轴的直径取 38mm图 3.2 轴的结构图3.3 导轨的设计条件：采用两根水平滚动直线导轨，每根有两个滑块，总载荷 P 约为 200N，单向行程 2.5m，每分钟往返次数 n=2.5，每日开机 8h，要求使用 5 年以上。图 3.1 导轨（1） 按每年 300 个工作日计算， Lh=53008=12000h（2） 每个滑块上的计算载荷 Pc=150N。（3） 代入式 L=lnLh/8.3=2.52.512000/8.3=9036.1km。（4） 每根导轨使用两个滑块，从表 7-3-7，可取 fc=1；工作温度低于 100 ，由表 7-3-6 得 fr=1； 工作中有中等冲击但速度小于 15m/min，由表 7-3-8，可取 fw=1.5，导轨副原件硬度在 58HRC 以上，取 fH=1， 带入下式可得=1.27kN (3.17)3/50LfHTCwPc（5） 可由表 7-3-19 选两轨道型GGC7BA， C=1.26Kn,Co=1.07Kn,Co/Po=1.07/0.15=7.13,大于表 7-3-9 的静态安全系数 fs 的要求3.4 走行机构电机、减速器及轴设计3.4.1 电机的选择假设整个龙门架及其上面的东西质量为 600kg，喷漆喷漆机的行进速度v=16m/min，喷漆机行走机构的小轮的直径 D=0.25m，周长 S=2 r=0.785m。所以小轮转速 n=16/0.785=20r/min小车的牵引力：F= F + F (3.18)12NtgvG60.2=1609.84=3658.1式中：G参与运动的零部件所受的重力（包括工件重量） （N ） ；g重力加速度，取 9.81m/s ；2由静止加速到常速的变化量（m/s） ，此处取 0.2m/s；v启动过程的时间（s） ，一般取 0.010.5s，此处取 0.2s；t摩擦系数，此处取为 0.3。由公式：(3.19)10wFvP得：（3203658.7wK）式中：从电动机到驱动轴的传动效率的总和。w传动轴所需的总功率。P链条转速 n=20r/min,在该系统中选用一级摆线针轮减速机，存在传动比 i1，其他传动比都为 1，又摆线针轮传动比范围为 11-87，所以nd=i1nw=11,87nw所以 nd 的范围是 （ 220,1740） r/min,初选同步转速为的 1500r/min 电动机。查表 17-1-35 选电机 Y90L-4，额定功率为 1.5kW，转速为 1500r/min,质量为 27kg。3.4.2 减速器的选择由于工作机需要往复运动，需要正反转；而摆线针轮减速器的传动比大；传动效率高；结构紧凑，相对体积小，重量轻；通用与中小功率，适用性广，运转平稳，噪声低。结构复杂，制造精度较高，适用于连续工作制，允许正、反向运转，广泛用于动力传动中。所以此处仍选用摆线针轮减速器。在这里选直连型减速器（1）已知条件a从动机：匀速运动的链条。b工作时间： 8-10h/日c低速轴转速 n=30r/mind电机频率为 50Hze输出轴链接方法：联轴器（无轴向力）（2）选型a使用系数：查表 16-2-148， k=1.2。b输出转速 20r/min，电机频率 50Hz，计算传动比 1500/20=75，选传动比71，实际输出转速为 21.1r/minc电机功率 1.5kwd按表 16-2-138 选型号为 XW DY1.58135-71W3.4.3 轴的设计及校核以知条件：以摆线针轮减速器作为减速装置，输入轴与电动机相连，输出轴与工作机相连。以知电动机功率 P=1.5kW，转速 n1=1500r/min， 车轮轴的转速n1=20r/min，(1)选择轴的材料选择轴的材料为 45 钢，调制处理。由表 6-1-1 查得：b=590MPa ， s=295MPa ， -1=255MPa ， -1=140MPa(2)输出轴的功率 P3，转速 n3 和转矩 T3若减速器的传动效率 0.9，则 P3=0.91.5=1.35kW (3.21)又 n3=n1/i=21.1r/min (3.22)于是 T3=9550 000P3/n3=611 018.9Nmm (3.23)(3)初步确定轴端直径取 A=120(按表 6-1-19 选取)。轴的输入端直径d= A0 =47.99mm (3.24)3nP考虑轴有键槽，轴径应增大 4%-5%，取 d=50mm图 3.4 轴的结构图（4）主动轴的校核估算喷漆机的总体质量为 600Kg，共有四根轴所以每根承受的重力为 1500N，轴的载荷分布图见图 3-2。由于心轴固定，考虑到启动、停车等的影响，弯矩在轴截面上引起的应力可视为脉动循环变应力，故 取值为 0.6。3.2 轴的载荷分布图由图 3.2 间截面是轴的危险截面，A,B 两点的支反力为 750N，所以 B 截面的弯矩MMMMM2TMMMM2M=50Nm，扭矩 T=9549 Nm kP1.35=9460.9n2（3.25）WM（3.26） 350=4.7Pa2（3.27）3tT61.9.50所以，由弯扭合成强度公式：2ca=+4()（3.28）得： 22ca4.07+(.6490)15.8MPa前边选定轴的材料为 45 钢，调质处理，可查得 -1=60MPa。因此 ca2，所以动片选择的合适。（2） 确定缸体的厚度由公式：3-12CPD)3.(得： 28.0)12.06.2(6.1=10mm式中：p液压缸内的工作压力（Pa） ，此处 p=1.2 Pa；610强度系数，此处取 =0.8；C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准值，此处取 C=2mm；D液压缸的内径； 缸体材料的许用应力，此液压缸体的材料为铸铁，故取 =60MPa。 3.9 联轴器的选择这里采用凸缘式联轴器，它构造简单，成本低，可用于传递较大扭矩，因此可以用于低速的时候；凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用普通平键分别与相连，然后用螺栓把两个联轴器连成一体，以传递运动和扭矩。5 结 论通过此次的毕业设计我收获了以下几点:(1)一个好的设计依赖于前期的资料收集，资料收集的越全面后期的思路越多(2)资料收集的途径有期刊、专利、书籍等参 考 文 献1荆恒恩,荆园园. 钢罐内壁自动喷砂除锈和自动喷漆装置 J. 中国调味品, 1999, (09)：15-16.2 温俊帆. 自动喷漆产品的研究与制备J. 广东建材, 2005, (08):17-18.3 黄耀文. 红外线跟踪控制自动喷漆装置制作J. 广船科技 , 1998, (03):21-23.4 大连理工大学工程画教研室. 机械制图（第四版）M. 高等教育出版.1993:2-260.5 成大先.机械设计手册.中国有色设计研究总院.6 濮良贵,纪明刚. 机械设计（第七版）. 高等教育出版社 , 2002:271-298.7 业机械手图册编写组.工业机械手图册.机械工业出版社， 1978:1-132.8 天津大学.工业机械手设计基础。天