密封圈自动涂胶机设计（二维CAD+三维SW）
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毕业设计说明书题 目：学 号：姓 名：班 级：级（1）班专 业：机械设计制造及其自动化指导教师：学 院：机械工程学院答辩日期：年 月 日毕 业 设 计 说 明 书摘 要近年来，随着生产技术的发展，机电一体化有非常大的发展，自动涂胶机在装配和机械设备的维修在中国得到了广泛的应用。它不仅能提高劳动生产率，而且能节约能源和材料。特别是在汽车工业中，对汽车零部件接头表面有一定的密封要求，结合表面需要胶水，胶水的精度是至关重要的，汽车的性能，自动涂布机的性质提出了更高的要求。胶水是用来依靠工人手工操作，效率极低，涂胶均匀涂层与胶体厚度难以保证。自动涂布机可以保证喷涂均匀性和有效的节省材料，从而大大提高了工作效率和质量，降低了工人的劳动强度。因此，为了满足不同工作的需要，自动涂布机可以将框架式机器人或具有多自由度的机器人用于关节胶。同时，这一技术的应用也意味着，每天给国有企业带来巨大的经济效益。该自动涂布机可快速、准确、经济、清洁的方式来完成配料过程，提高产品质量，降低生产成本。关键词：密封；涂胶；自动涂胶机IIIAbstractIn 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 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 涂胶机器人发展现状及分类21.2.1 涂胶机器人国内外发展现状21.2.2 涂胶机器人分类31.3 课题主要研究内容5第2章 总体结构方案设计52.1 设计要求52.2 方案拟定62.3 涂胶机主要技术参数7第3章. 自动涂胶机机械部分设计73.1 总体结构设计73.2 步进电机选择93.2.1 Z向电机校核103.2.2 X/Y向电机校核113.3 滚动导轨的选择123.3.1 X向直线导轨副的选取123.3.2 滚动体的尺寸和数量123.3.3 导轨长度133.3.4 额定寿命计算133.3.5 直线导轨动载荷计算143.3.6 接触强度计算153.3.7 Y向直线导轨副的选取163.4 滚珠丝杠副的选择163.4.1 滚珠丝杠副特点163.4.2 滚珠丝杆螺母副类型选择173.4.3 滚珠丝杆副计算173.4.4 主要尺寸初选183.4.5 Z向丝杠选取223.4.6 滚动轴承寿命校核233.5 涂胶弯臂的螺栓强度校核25第4章 硬件及接口电路谁264.1 概述264.2 控制系统基本硬件组成264.3 PLC的控制电路组成介绍274.4 驱动电路设计274.5 传感器的选择及PLC接线说明294.5.1 光电传感器的选择294.5.2 压力传感器的选择304.5.3 传感器接线说明30结论32参考文献33致 谢35毕 业 设 计 说 明 书第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义工业机器人广泛应用于汽车、工程机械、电子信息、化工等先进制造业行业，用于完成焊接、装配、加工、喷涂等复杂作业，应用前景广阔，在将来的生产中将起到越来越重要的作用。因为我国劳动力资源丰富，人们难以接受价格昂贵的设备。致使工业机器人在我国的应用水平还很低，因此，推广经济型的工业机器人可以很好地解决我国自动化普及程度的问题。虽然国外的机器人技术已经达到很高的水平，但其价格也相当昂贵。这就要求我们设计、研发自己的经济型工业机器人。经济型机器人就是低成本、性能好的生产设备，这样的设备可以使企业投资少，见效快，有很高的经济价值。在产品制造过程中涂胶工序起着很重要的作用，保证涂胶质量就显得非常重要，目前，国内外很多企业仍旧采用手工涂胶的办法，这种方式易产生涂胶不均匀、胶浪费严重的现象，并产生大量气泡，严重影响涂胶质量。操作者发挥水平对手工涂胶方式影响也很大。为满足广大消费者的需要，在保证产品质量的前提下，计划增加汽车喇叭的生产批量。原有人工涂胶的方法生产效率低，且产品一致性很难保证，而涂胶的好坏直接影密封的质量，决定产品的质量，所以令机器人工作站涂胶代替人工涂胶势在必行。直接购买成品涂胶机器人的成本极为昂贵；技术支持水平较低，出现问题时不能及时修理，这就增加了生产成本和无形损耗。综合考虑多方面因素，为了更好地解决生产产品过程中的技术困难，最好的办法就是开发属于企业自己涂胶机 器人，现有的SCARA机器人是搬运和装配作业的四自由度机器人，如图1-1所示。该机器人的执行部件在运动范围和运动轨迹都能满足要求，故可在原有机器人的基础上，完成更换机械手、增加胶体输送系统、修改控制系统等工作，以改造“搬运和装配”机器人为“涂胶”机器人，达到提高生产率和产品质量的目的，同时适应多品种、变批量的柔性生产。图1-1 四自由度涂胶机器人将废旧机器人进行开发改装，变废为宝是研究与推广经济型的工业机器人的最佳途径之一。将“搬运和装配”机器人开发改装为“涂胶”机器人，是一个经济实际的选择，也是一个技术的挑战。而实现涂胶机器人的开发改装将为我国研究与推广经济型工业机器人起到推动作用。另外，涂胶机器人的特性决定了其特别适合于柔性生产要求。它在对产品质量的提高，高效生产，改善劳动条件和进行较快的产品技术革新等方面有非常重要的作用，并加快机械化取代人工涂胶的进程。1.2 涂胶机器人发展现状及分类1.2.1 涂胶机器人国内外发展现状为了适应汽车工业对密封生产工艺的要求，涂胶机器人开始出现并得到了发展。该变速器与发动机壳体密封，从最早使用的纸垫密封改性，使使用的涂层密封，密封涂层，密封性能大大提高。除变速箱和发动机之外，对挡风玻璃以及灯具等也要用涂胶来达到密封的效果，随着对涂胶工艺的不断改进和技术的提高，涂胶机器人也从简单的机械式涂胶机发展到现如今的涂胶工作站，生产技术的提高也使得涂胶的质量和生产效率都达到了一个较高 的水平。现如今，国内外的涂胶机器人发展水平参差不齐，在国内从事研究、开发涂胶机器人的主要有：北京机械工业自动化研究所、哈尔滨工业大学、首钢莫托曼机器人有限公司等公司，这些机构既有从事自主研发生产涂胶机器人系统的，也有的通过引进国外先进的机器人技术来生产的，并通过对国外技术的消化开发自 主的涂胶机器人。总之，存在以下特点：我国国内生产涂胶机器人虽然能够应用于实际的涂胶工业生产，但大多是结构简单，功能较少的小型涂胶机器人。这样一来，实际应用的范围受到限制，市场应用较少，这样也从另一个方面造成了国内生产的涂胶机器人技术不成熟、系统缺乏稳定性等缺点，造成了恶性循环。我国的机器人工 业起步较晚，产业链不够完整，特别是下游零部件生产长期制约着我国自主生产、研究机器人技术，再许多机器人生产的关键技术方面，我国还处于起步阶段，根本不能同国外拥有先进的生产技术的企业相竞争。在国外，对机器人的生产、研究起步较早，目前已经取得了较大的发展。早在1978年，Seaant Equipment and Engineering公司就推出了一种用于涂胶的简单机械机构。接着，ABB公司、日本安川电机、日本FANUC也先后推出了自己研发、生产的用于涂胶工业的机器人产品，和国内研发的图机器人相比，国外研发的途径机器人性能更加优良，精度高，自动化程度高，但是其缺点也是很突出的，因距离较远，出现问题时技术支持较差，不能及时解决出现的问题。1.2.2 涂胶机器人分类按照推出时间的先后，将涂胶机器人可分为以下三种。（1）机械式涂胶机机械式的涂胶机的特点是容易控制而且结构相对简单，但是它的缺点是不能喷涂较为复杂的零件且所要喷涂的零件必须是大小形状固定的，这是由于它的喷枪运动是由喷枪内部的导轨引导来完成的。这种机器人大多采易于生产、安装的积木式结构，制造成本较低、系统较为可靠、耐用。但是这种结构的缺点在于其灵活性较差，图1-2中所示的是北京机械工业自动化研究所开发生产的机械式涂胶机产品，它主要应用于汽车工业。图1-2 龙门式仿形涂装机器（2）软仿形涂胶机软仿形涂胶机在被喷涂表面运动时，通常机器人的三个轴是同时运动的，并由系统控制器控制喷枪运动。该喷胶系统大都是整套的计算机系统，大多这种系统都配有示教盒，通过示教再现的方式，用户将不同零件的涂胶方法输入给涂胶机器人，来完成涂胶工作。值得一提的是，这种涂胶机有的还可以通过CAD图形或编程的方式控制涂胶机的运动。总的来说此种涂胶机具有以下的特点：操作灵活方便并且生产更加具有柔性化。国内对于此类涂胶机已经能够进行生产开发，而且价格相对较低，极具竞争优势，市场应用较为广泛。（3）智能涂胶机近年来，结合人工智能技术生产的智能涂胶机在市场上出现，它结合了先进的感知技术和现代控制的方法，使得在一次涂胶过程中完成 从涂胶到检测的所有过程，涂胶过程更加智能化，简化了涂胶作业。但是国内企业对于此种涂胶机的生产还为零，大多还处于研制阶段， 此方面我国企业与国外同行业之间还有很大的差距。从总体来说智能涂胶机的特点是，系统的集成度较高，控制系统能够对整个的涂胶的过程进行检测和控制；由于具有了更为友好的人机界面，所以它操作起来更加的简便；对于系统的控制更加多样，能够实现联网对机器人实现控制。但是由于采用了更多的新技术、新工艺，这类机器人的售价相当昂贵，一般的中小企业难以承受，所市场占有率并不是很高。如图1-3中所示为首钢MOTOMAN机器人公司生产的用于汽车挡风玻璃涂胶机器人工作站。从过去的发展来看，胶水机器人已经取得了很大的进展，并在未来与胶机的生产应用范围越来越广，工业机器人技术是在智能机和智能系统的发展方向，其发展趋势主要是：模块化结构和功能可以重建；控制系统采用开放式设计，网络监测；多传感器融合技术的应用和优化环境的生产灵活和智能完成所有工作。图1-3 风挡玻璃涂胶机器人1.3 课题主要研究内容设计一台自动涂胶机，对汽车密封圈进行自动涂胶，利用步进电机进行驱动控制，保证涂胶的范围、速度和均匀性。1、机械系统设计包括机械结构设计和各种标准件的选取。2、自动涂胶机的控制系统设计包括硬件系统和软件系统设计。3、硬件系统设计就是用单片机及驱动电路来控制X向、Y向、Z向电机的正常工作。第2章 总体结构方案设计2.1 设计要求机械零件要考虑整体布局，工作行程要能满足要求，传动装置要平稳准确，还要兼顾速度，也需要考虑经济性，设备需要低成本，尽可能使用标准件，减少额外的工作量。设备的使用寿命不低于15年，每年工作330天，每天工作12小时，载荷持续率为90%，需要批量生产。由于涂胶属于轻载荷工作。对电机功率要求不是太高，所以采用步进电机。设计电路控制电机的运转和方向 以达到设计要求。执行程序要考虑到不同拐点处涂胶量问题，可通过改变X、Y向运动速度调节也可单一Z向运动调节，以保证涂胶均匀，此次设计采用后者方式，原因是一个电机工作方式比较好控制。2.2 方案拟定在最初的方案选择中，在供胶的系统我想的是采用液压或气压传动系统。通过和指导教师的探讨，由于液压很难控制流量，并且结构复杂安装也不方便。虽然也能实现自动涂胶的功能，但涂胶的轨迹只是单一的平面故只适合一种零件的涂胶。而用步进电机来控制丝杠的传动不但有可逆行性能灵活的正反运行，速度均匀，稳定性好；定位精度高和重复定位精度高；而且可以根据零件的形状设计编程涂胶轨迹可以是曲面。故在最终的设计中采用了步进电机带动丝杠的传动方式。方案中共用了三个步进电机，通过程序控制分别做相应运动，来保证涂胶的轨迹和保证涂胶厚度及均匀性。Z是用来控制胶量，流畅的传输，所以在螺母的选择、螺母和自锁能力保证涂层厚度和均匀性。通过改变螺杆转速，保证主轴的升降速度，达到胶的要求。X、Y对运动要求平稳、准确，所以采用滚珠丝杠传动，效率高的滚珠丝杠传动，高刚度，高传动精度和寿命长。导向机构，和需要是稳定的，所以，使用滚动导轨，滚动导轨轴承更大，引导准确。为了满足结构简化的要求，采用步进电机通过联轴器与滚珠丝杠连接的方式，该结构紧凑、工作可靠、寿命长且传动比稳定。2.3 涂胶机主要技术参数1、每一工件涂胶时间：15s-20s2、胶型：奔日厌氧平面密封胶采用奔日硅橡胶平面密封胶。每一工件涂胶时间为15s-20s。奔日电子硅橡胶平面密封胶为单组分室温硫化硅橡胶，本产品为中性，低气味，不含溶剂，在室温条件下即可吸潮固化。具有优异的耐高温，耐冲击，耐化学介质的性能，不腐蚀机件，易拆卸，易清除。电气性能优异，耐候性及柔韧性好，电气性能优异，耐侯性及柔韧性好，尤其耐六氟化硫、变压器油性能好。用于电器设备的密封、也可用于大间隙及挠性连接件的机械平面密封。适合较大间隙（最大间隙小于2.5）的平面密封，能100填满平面间隙。主要特性型号 T5601 外观 黑色、细腻、均匀膏状物密度（ g/cm2 ）1.33挤出性ml/min 200250弹性恢复率 94拉伸模量（MPa） 0.9拉伸强度（MPa）1.7延伸率（） 400工作温度（度） -54210全固时间（h） 24第3章. 自动涂胶机机械部分设计3.1 总体结构设计考虑到整个机构的平衡性，故将承载夹持部分的弯臂方向与Y向电机在一条线上。因为胶棒的夹持严格要求对心，故选用了V型块来设计夹具，具体结构如下图：图3-1 V型夹具上胶机设备传输要求的精度很高，对涂布机的优点是结构简单，滚珠丝杠增加螺钉，消除轴向间隙，用钥匙也匹配也消除了圆周间隙。具体结构框架如下图：图3-2 自动涂胶机总装图3.2 步进电机选择步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相角位移或线位移的控制电机。其转子运动仅与电信号的频率有关，每转一周，都有固定的步数。在不丢步的情况下运行，其步距角误差不会长期积累，因此，它适合于在数字控制系统中作为驱动微电机使用，具有系统简单，运行可靠等明显优点，广泛应用于机床的数字程序控制及其数字控制系统中。步进电动机的种类繁多，按其电磁转矩的产生原理，可分为三大类：反应式（磁阻式）步进电动机；永磁式步进电动机；混合式（永磁感应子式）步进电动机。根据脉冲当量和最大静转矩的主要步进电机和步进电机的模型，从技术参数中对步进电机进行校核，两种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。初选电机型号时应合理选择及i，并满足： （3.1）根据上述要求，选择：Z向选择:55BF003 脉冲当量=0.008 I=1.0 X向Y向:70BF003表3.1 Z向55BF003电机的参数步 距角相数电压相 电流最大静转矩最高空载启动频率质量外径长度轴径1.5/3324V3A0.686Nm1800HZ0.83Kg55mm70mm6mm因为自动涂布保证范围的涂料汽车轴承座和减速器密封圈的设计，速度和均匀性，因此每次胶量不是很多，所以挤胶不多，所以选择步进角1.50/，转矩偏移小于可以满足要求，经过计算，一般在1N25N挤胶的粘接强度，选择保持力矩电机55BF003 0.686N m，可以满足扭矩要求，所以步进电机55bf003类型选择，可以满足设计要求。表3.2 X向Y向70BF003电机参数步距角相数电压相 电流最大静转矩最高空载启动频率质量外径长度轴径1.5/3324V3A0.392Nm1600HZ1.2Kg75mm65mm8mm3.2.1 Z向电机校核步进电机的最大静转矩Mjmax与步进电机名义启动转矩Mmq的关系:即：Mmq=Mjmax=0.8660.686=0.594 N/cm步进电机的空载启动是指电机在没有外加工作负载情况下的启动。步进电机所需的空载启动力矩可按下式计算： Mkg=Mka+Mkf+M0 （3.2） Mkg空载启动力矩 ；Mka空载启动时部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（N.CM）；Mkf空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N.CM）；M0 由于丝杠预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。在选定主电机模型时，步进电机的空载起动转矩小于步进电机的额定起动转矩。即：MkqMmq=Mjmax =Mkq/Mjmax=0.866 （三相六拍）加速力矩 （3.3）=0.6170.121440/602=0.0465(Ncm)J 传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg.cm2）； 电机最大角加速度（rad/s2）；nmax 运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（r/min）； t 运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（s）； vmax运动部件最大快进速度（mm/min）；p脉冲当量（mm/脉冲）；b步进电机的步距角。空载摩擦力矩： （3.4）=300.10.2/20.81=0.119(Ncm) G运动部件的总重力（N）；f导轨摩擦系数；i齿数传动降速比；传动系数总效率； 取=0.7-0.85L0滚珠丝杠的基本导程（cm）。附加摩擦力矩: （3.5）=0.2(1-0.95)/20.81=0.016(Ncm) FYJ滚珠丝杠预加载荷即预紧力 一般取Fm的1/3；Fm 为进给牵引力（N）；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取00.9；所以MkgMmq 符合要求。3.2.2 X/Y向电机校核X向电机与Y向电机的校核与Z向原理基本相同，设计中只简单的对其进行校核。Mmq=Mjmax=0.8660.392=0.3395 N/cm （3.6）=300.10.3/20.84=0.036(Ncm) i =4 （3.7）=0.3(1-0.95)/20.84=0.079(Ncm)Mmq=0.3395Mkf+M0=0.115 故符合设计要求。3.3 滚动导轨的选择3.3.1 X向直线导轨副的选取滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、反向器、保持架、密封端盖及挡板等组成的。当导轨与滑块相对运动时，钢球沿着导轨上的经过淬硬的滚道滚动，在滑块端部钢球又通过反向器进入反向孔再进入滚道，钢球就是这样周而复始地进行滚动运动，反向器两端都装有防尘密封端盖。基于滚动直线导轨副以下的优点：1.导向精度2精度保持性3低速运动平稳性。4结构简单、工艺性好，要便于加工、装配、调整和维修。在设计中由于导轨承受的载荷力小故选用了此导轨。导轨结构紧凑，制造容易，成本较低。导轨用淬硬钢制成，淬硬至60-62HRC。3.3.2 滚动体的尺寸和数量增大滚动体直径，可减少摩擦阻力和接触应力，不易产生滑动。一般选取滚珠直径6-8mm.设计中选用滚珠导轨，滚珠直径选8mm。滚动元件的数量应根据强度、刚度的选择，等等，每个导轨一般不小于12-16，由于滚动体太小，制造误差会显著影响运动部件的定位精度。与之相反，如果滚动体太多，滚动体上的载荷增加，刚度降低，滚动体的数目就被减小，并且按类型选择：Z=18.15 （3.8）所以选取19个。Z滚珠的数目；W每条导轨上所承载的重力(N)； 设计中导轨的承载重力为50*9.8=490N。d滚珠直径(mm)。3.3.3 导轨长度滚动导轨中的滚动体和保持架随着导轨移动，但它的移动速度只是动导轨移动速度的一半。在图中3.1，滚动体与保持架的长度LC：图3.1 滚珠导轨LG=Ld+式中 Ld动导轨长度； l动导轨的行程长度。支承导轨长度L= LG+，这种形式可以在移动的导轨移动到极限位置保证，滚动体刚搬到支撑导轨的边缘，和导轨在全长始终和滚动，滚动导轨刚度。然而，这样的导轨，因为在滚筒的一半的笼子里总是暴露在外，这是必要的，以加强对导轨的保护。3.3.4 额定寿命计算当行程长度一定时，由以h为单位的寿命时间的计算公式得： （3.9）式中 LH寿命时间（h），取15000h。 L额定寿命（km）； LA行程长度，取300mm。 N2每分钟往复次数，取4次。L=2000km3.3.5 直线导轨动载荷计算滚动直线导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同。由此公式得动载荷计算：L= P=Fmax （3.10）式中 L额定寿命（km）； Ca额定动载荷（KN）； P当量动载荷（KN）； Fmax受力最大的滑块所受的载荷（KN）； 指数，当滚动体为滚珠时，3。 K额定寿命单位（km），滚珠时，K50km。 硬度系数 由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常可取1。 温度系数，经查新版机械设计手册 第2卷表9.3-45得 工作温度1000C时1。 接触系数，经查新版机械设计手册 第2卷表9.3-46得 每跟导轨上滑块数为2时，0.81。 精度系数，经查新版机械设计手册 第2卷表9.3-47得 等级为2时取1。 载荷系数，经查新版机械设计手册 第2卷表9.3-48得 无明显冲击或振动的中速运动场合 取1.5-2。Ca= （3.11）3.2KN根据动载荷选取GGB16AA2P12*500-4型四方等载荷滚动直线导轨副。图3.2 滚动导轨结构尺寸图表3.3 滚动导轨结构尺寸数据型 号HWL1L2L3DhdM1T1KH1GGB16AA2415.55840.5307.55.34.5M51119.415查表知单根导轨最大长度Lmax为500mm，额定动载荷为6.07KN，额定静载荷为6.8KN。3.3.6 接触强度计算滚动导轨接触强度计算主要是判别受力最大的滚动体处导轨的接触应力是否超过允许值。如果一条导轨上承受一个作用在导轨面重心上的力F和力矩M，则受力最大的滚动体上的载荷为:Fmax=(1+) （3.12）=(1+)=103.6NZ一条导轨上的滚动体数目；L滚动体有效工作长度。在Fmax作用下，滚动体与导轨接触面上的接触应力为，对滚珠钢导轨：max=4.58108 （3.13）=4.581082.75=1.36109Pad滚珠直径；Fmax受力最大的滚动体上的载荷；max滚动体上的接触应力，应小于允许值，即max，为滚动体的许用应力。对于滚珠淬火钢（HRC60-62）的滚动体的许用应力=1.8109Pa。根据计算结果得，设计中选取的数据合理满足要求。3.3.7 Y向直线导轨副的选取由于Y向导轨所承受的载荷比X向导轨的要小的多故可选用与X向相同的导轨，同样满足传动要求。3.4 滚珠丝杠副的选择在螺杆和螺母拧螺旋槽之间设置适当数量的球作为中间传动，与球回传通道，当旋转的螺钉或螺母，促进沿滚道导珠管滚道将继续循环球，为了实现滚动运动的周期。因此，滚动螺旋副的运动机理是用滚动摩擦代替滑动摩擦。3.4.1 滚珠丝杆副计算由设计的尺寸和材质选取可计算出Y向传动滚珠丝杠要带动重量为1009.8=980N的重物做水平直线进给运动，则平均工作载荷Fm=1/3Mg=980/3=326N。丝杠工作长度L=150mm。平均转速nm=200r/min，使用寿命Lh=15000h。3.4.2 主要尺寸初选（1）初算导程Phvmax丝杠副最大移动速度，取8102/min；nmax丝杠副最大相对速度r/min，取200r/min。滚珠丝杠副导程为Phvmax/ nmax （3.14）=800/200 =4（2）当最动载荷Fm滚珠丝杠最大轴向为Fa500；FW载荷性质系数，取为1；摩擦系数，取为0.04。滚珠丝杠最大载荷为Fmax=FWFa+fG (3.15) =1500+0.0459.8 =501.96N滚珠丝杠最小载荷为摩擦为；Fmin fG0.0459.81.96N Fm =1/3（2 Fmax + Fmin） (3.16) =1/3（2501.96+1.96）=335.29N（3）额定动载荷计算CamCam= (3.17)=1175(300/4) 1/3/(0.90.21) 6763.28FW载荷性质系数，取为I；FA精度系数，取为0.9；FC可靠性系数，取为0.21；FE预加载荷系数，取为4.5。附加载荷为Cam=FEFMAX (3.18)=4.5501.96=2258.28N取Cam与Cam中较大者为预期值Cam=2258.28N(4)估算滚珠丝杠允许最大轴向变形m m=(1/31/4)重复定位精度 (3.19) =1/30.045 =0.015umm（1/41/5）定位精度 (3.20) =（1/4）0.07 =0.0175um取m与m中较小值为m值m0.015um(5)估算滚珠丝杠副径d2mF0导轨摩擦为，F0uoG=0.0459.81.96NL滚珠丝杠两轴承支点间距离为1.1行程+（1014）Phd2m= (3.21) =0.039 =8.66mm 两端固定或铰支时，支撑方式系数，取为0.039。(6)确定滚珠丝杠副规格代号按上述估算的Ph，Cam及d2m值从机械设计手册表12-1-30表12-1-33中，选出合适的规格代号及有关安装，联接尺寸，并使d2d2m，CaCam，但不宜过大，以免增加起动惯量几何结构尺寸得丝杠副数据：公称直径：d0=27.5导程：P4螺旋角：入2055、滚珠直径：Dw=3.2丝杠底径：d2=25额定动载荷：Ca=6763.28N选择与之接近的2004-3型号的滚珠丝杠副进行校核，此丝杠副有关数据为：公称直径：d0=25导程：P4螺旋角：2055滚珠直径：Dn=3.175丝杠底径：d2= 24.5额定动载荷：Ca=9610N(7)其它尺寸由尺寸公求计算滚道半径：R0.52Dw=0.523.175=1.651偏心距： e=0.07(R-Dw/2)=0.07(1.651-3.175/2)=0.004445丝杠内径： d1=d0+2e-2R =(25+20.004445-21.651)= 21.71(8)稳定性验算因为一头固定螺丝钉在工作中可能是不稳定的，所以在设计时应检查，其安全系数的值应大于丝杠副传动机构的允许安全系数S，查表S=2.53.3临界载荷Fcr(N)按下式计算: (3.22)(E=206GP，l=290mm，) Ia为丝杠危险载面的轴惯性矩（m4）=m则安全系数S S故丝杠安全不会失稳。 (9)共振验算要求nmaxncrncr为临界转速 ncr=9910 （3.23） 查表知临界转数系数fc=3.927; =2则ncr足够大，故不会发生共振。（10）刚度验算滚珠丝杠在工作负载F和转矩T共同作用下引起的每个导程变形量l（m）为 （3.24）丝杠载面积A1/4;丝杠极惯性矩Jc;G为丝杠切变模量对于钢取G83.3GPa； T为转矩TFmtan(+ （3.25）取摩擦系数tan0.0025得T335.2910-3tan（4022+8040”）0.968N.m按最不利的情况取（其中FFm） （3.26） um则线杠在工作长度的弹性变形所引起的导程误差为 （3.27）通常要求0.01515m该丝杠的满足上式，所以刚度满足要求。（11）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为 （3.28）要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。故型号2004-3的滚珠丝杠副各项性能均符合要求。3.4.3 Z向丝杠选取由于Z轴控制出胶的量的多少，且需要考虑突然断电的情况，突然断电需保证胶棒不漏胶。所以Z轴需要具有自锁功能。所以我选择了丝杠螺母传动系统。使其保证系统的稳定性。丝杠螺母的设计与自锁验算：丝杠螺母的螺距p为4mm 公称直径d2为18mm螺母的高度： H=d2=2.5 取2.5 整体式旋合圈数： n=H/P=45/4=11.2512螺纹的工作高度： h=0.5P=0.54=2螺牙根部宽度： b=0.65P=0.65工作比压 ： P=F/0.0024MP自锁的验算： 导程角： 所以丝杠螺母可以自锁。丝杠螺母的效率计算：3.4.4 滚动轴承寿命校核轴承额定寿命为=15000h图3.4 滚动轴承受力情况由力分析可知： =370/420=300370/420=261.2N=- =300-261.2=38.8N求两轴承的计算轴向力和：=0.4261.2=104.48N=0.438.8=15.52N按机械设计教材式13-11得：= = 300+15.52=315.52N= =15.52N= +=300+104.48=404.48N= =104.48N取其中较大者，则=315.52N，=404.48N。由机械设计教材表13-5进行插值计算，得e=0.47，e=0.43求轴承当量动载荷和：因为 /=315.52/261.2=1.21e /=104.48/38.8=2.69 e对于轴承1 =0.44， =1.19对于轴承2 =0.44， =1.30因轴承运转中有中等冲击载荷，按机械设计表13-6， =1.21.8，取=1.2，则： = (+ ) s （3.29） = 1.2(0.44261.2+1.19315.52) = 588N = (+ ) (3.30) =1.2(0.4438.8+1.30104.48) =183N验算轴承寿命： 因为， ，所以按轴承1的受力大小验算 =10/60n(C/) (3.31) =10/60100(4610/588) =79092所以该轴承寿命满足要求，可以选用。3.5 涂胶弯臂的螺栓强度校核为了方便于供胶和涂胶在系统中设计了涂胶弯臂。因为弯臂有竖直向下的载荷，所以以下对其进行了校核计算15。涂胶弯臂如下图3.8：图3.8 涂胶弯臂1.先分析剪切力，由于4个螺栓是对称分布的，故剪切力可以认为均分。= (3.14) d=12mm 完全可以符合要求。2.弯臂受到扭转力的作用，其扭矩为：（1）截面形心： （2）计算截面惯性矩： (3.15)（3）在截面的上下边缘，分别作用有最大拉应力和最大压应力： (3.16) (3.17) 取=75Mpa d=12mm完全可以满足设计要求。第4章 硬件及接口电路设计4.1 概述本次设计的自动涂胶机控制系统采用的是PLC可编程控制器进行整个涂胶自动化生产线的流程控制。整个自动化生产线的组成部分是，用一套PLC系统控制系统分别控制一套供胶系统，两套涂胶执行机构，两套单片机涂胶控制系统和两套传送带系统 。达到PLC分别控制两套涂胶机组成一个自动涂胶生产线，两涂胶机可同时工作也可以一台涂胶机单独工作。本次设计的自动涂胶机涂胶执行部分采用MCS-51的典型产品8031进行控制，因为其体积小、功能强和价格低廉的优点，广泛地应用于自动化领域。由于8031是没有ROM的单片机，数据存储器也只有128K字节，因此它必须外接EPROM程序存储器，才能构成最小系统。8031的外部程序存储器主要存放处理程序，也能存放处理程序所必需的常数。基本的扩展包括：扩展片外程序存储器/扩展片外数据存储器/扩展并行I/O接口。采用74LS373锁存器 、74LS138译码器的输出作为片选信号。本系统扩展了一片8255可编程接口芯片和一片8155芯片。4.2 控制系统基本硬件组成控制系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础。有了硬件，软件才能有效的运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指示。系统硬件电路有以下三大部分组成：（1）主控制器，即中央处理器单元PLC。（2）输入设备，包括光电接近开关、压力传感器和输入开关按钮。（3）执行设备，包括单片机及其扩展电路、皮带控制电路、机械手控制电路、供胶控制电路以及夹紧控制电路。4.3 PLC的控制电路组成介绍PLC接收来自控制面板按钮开关信号和传感器的状态信号，经程序判断与运算实现系统流程的控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，分别向传动带1、机械手1、加紧机构1、涂胶行程执行机构1、传动带2、机械手2、夹紧机构2、涂胶机2、机械手2和涂胶行程执行机构2以及各安全指示灯发出运行控制信号。图4.1 控制电路4.4 驱动电路设计脉冲输入时，将脉冲分配给各组绕组，因其功率很小，电压幅度不足5V，电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电机，实际上电机的驱动器是一个功率放大器。驱动器要求失真小，有较好的前沿和足够的幅度。本系统采用55BF003型和70BF003型步进电机作为驱动装置，它是受脉冲信号进行控制，微安级信号进行控制，若想使27V，5A的步进电机达到需要的额外状态，只靠微机8255控制作用不可能提供步进电机需要的输出功率，因此必须有额外的功率驱动电路，步进电机与控制系统，功率驱动电路组成一体构成了步进电机的驱动系统，如图：MCS-51步进电机驱动电路8255A分配系统图4.2步进电机系统主框图步进电机的控制系统和分配系统中采用汇编语言来实现的，所以采用三级管进行电流放大。下面是功率驱动电动硬件进行说明。高低压驱动电路如下图所示： 图4.3 驱动电路图La绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器Tp组成高压控制电路，无脉冲输出时，T1，T2，T3，T4，均截止，电机绕组La中无电流通过，电机不转，有脉冲输入时，T1， T2， T4，饱和导通，在T2由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感生一个电压，使T3导通，80V高压经高压管T3加到绕组La上使电流迅速上升，约经数百微秒，当T2进入稳压状态后，Tp初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到0，T3截止，这时12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值。输入脉冲结束后，T1，T2，T3，T4，又均截止，储存在La中的能量通过18的电阻和二极管泄放，18的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿，由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善。高低压驱动电路，采用四个三极管，线路比较简单，工作稳定实用性强，它具有以下特点：a 本回路采用两种电源供电80V12Vb 驱动电路采用了三级放大，使电路合理，稳定性好。c 由于电机转动产生的反电动势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降。滤波后电压波形电容值越大，滤波的效果会越好，但电容值过大也会使电容两端电压值偏低，所以我们选用了电容值为4.9mF的极性电容。4.5 传感器的选择及PLC接线说明传感器在工业的自动化生产中占有重要的地位。通过传感器不仅可能确定工件的工作情况，而且可以检测生产的某些过程，以便控制生产流程。传感器是将非电量的物位参量转换为可测量的点信号，提供给中央处理单元。4.5.1 光电传感器的选择系统设计要求对工件在传送带上到达指定位置的位置信号进行检测。我们选择了洞光光电开关厂出产的DC二线长闭光电开关LA1-1K。其各项性能指标如下：1. 检测距离: 动作距离是指检测体按照一定方式移动时，从基准位置（接近开关处的感应表面）到开关动作时测的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。本型号的检测距离为1mm20% 2. 设定距离：接近开关在实际工作中整定的距离，一般是额定动作距离的0.8倍。本型号的设定距离为0.4mm3. 回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。本型号的回差值为检测距离的10%。4. 标准检测体：使接近开关作比较的金属检测体。本厂所采用的检测体为正方形的A3钢，厚度为大于1mm，采用的边长是接近开关检测面的2.5倍。5. 输出状态：为常闭，即当无检测物体时，常开型的接近开关接通的负载，由于接近开关内部的输出晶体管截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。6. 检测方式：非埋入式，即接近开关则需把感应头露出，以实现其长检测距离的目的。7.响应频率f：按规定的1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的次数。响应时间t：接近开关检测到物体的时间到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。4.5.2 压力传感器的选择本系统对压力传感器的选择为奈士德 NDA波登管压力开关。压力传感器在本系统中的作用是检测供胶系统的系统压力。当供胶系统的供胶压力超出设定的正常范围时向中央处理单元发出电信号，中央处理单元发出报警并根据系统程序做出处理。涂胶过程中，需要保证胶棒内有足够的胶为下一工件能够涂完为止，所以设计了胶棒内胶量不足的报警子程序。每一工件涂完胶后提醒工人换件，这样就可以节省不必要的时间，提高了劳动生产率。4.5.3 传感器接线说明传感器的种类很多，其输出方式也各不相同。当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可能出现错误的输入信号从而导致PLC的错误动作，此时，可在PLC输入端并联旁路电阻，如图4-4所示。当漏电流不足lmA时可以不考虑影响。图4.4 PLC与两线式传感器的连接旁路电阻的估算公式如下：式中：I为传感器漏电流（mA），UOFF为PLC输入电压低电平的上限值（V），RC为PLC的输入阻抗（K），的值根据输入点的不同存在差异。光电开关接入，其为5v， I约为4mA，约为1。通过计算取值为2。压力开关接入，其为5v， I约为3.8mA，约为1。通过计算R也出值为2。33结论1、此次设计的涂胶机体积小，结构简单，操作方便，有利于它的通用性。2、此次设计的自动涂胶机完全脱离了手工涂胶，实现了全自动涂胶，使工人从繁琐的劳动中解脱出来，减少了工人的劳动强度，这将大大的提高劳动生产效率。3、在涂胶的过程中，保证了涂胶的厚度和胶的均匀性，这样，不仅提高了机器零件的密封性，而且机器的性能将更加良好。涂胶机的研制，将为企业带来巨大的经济效益。参考文献1 王会香 ，孙全颖.自动涂胶机械手的PLC控制，哈尔滨理工大学报,2000.7.2 贾方.半导体放电管全自动涂胶机研制关键技术.沈阳：电子专用设备,2008.123 吴荣兵, 杜润生.自动涂胶机伺服控制系统的研制,机床与液压报，2004.7.4 时圣勇, 李宏伟. 涂胶机液压系统改造，液压与气动报，2007.10.5 刘民青.简易涂胶机的研制，工艺装备报，2004.2.6 陈世雄，陈杨技. 涂胶机的设计及涂胶工艺的研究，广西机械报，2006.3.7 Mitsubishi Programmable Controller Melsec Fl Series Pro
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