自动涂胶机的设计毕业设计

1、自动涂胶机的设计摘要自动涂胶机是一种拟人的密封机械装置，它综合了人类和机器的特长， 是工业和非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域的不可缺 少的自动化设备。本课题研制的数控涂胶机是为一汽集团变速箱厂设计的涂胶样机，要求自 动涂胶机的X、丫两轴由交流伺服电机驱动，可实现直线插补和圆弧插补；Z轴气动，主要用于作业工位的转换，以调整涂胶枪嘴与涂胶平面的距离，并且编 写数控程序完成对变速箱前壳体的涂胶工作。该系统是一个典型的机电一体化系统。因而，本系统设计成为主要由机械、电气、控制三大部分组成。其机械部分主要是控制行程的X-Y-Z轴机械装置，它主要由驱动滚珠丝杠进行 X-Y轴方向运动的执

2、行装置、气缸、导轨等执行机 构组成。电气部分是由交流伺服电动机、光电编码器、各种检测传感器、电磁 控制阀等组成。控制部分主要由日本 FANUC公司研制的FANUC 0数控系统组 成。关键词密封装置 变速箱 X-Y-Z FANUC 0The Design of the Automatic Gluing MachineAbstract Automatic coati ng machi ne is a mecha ni cal device inten ded to seal people, which comb ines the stre ngths of huma ns and machi ne

3、s, in dustrial and non-i ndustrial sector is an importa nt producti on and service equipme nt, adva need manu facturi ng tech no logy is also in dispe nsable automati on equipme nt.The topics developed by the NC coating machine is designed FAW Group gearbox factory prototype glue, requiri ng automat

4、ic coat ing machi ne X, Y two-axis driven by AC servo motors can achieve linear and circular interpolation; Z axis pn eumatic, mai nly for the job of con vert ing the stati on to adjust the dista nee betwee n the muzzle and the adhesive glue plane, and write the NC program to complete the work of gl

5、uing the front gearbox hous ing.The system is a typical mechatr onic systems. Thus, the system desig ned to be mainly composed of mecha ni cal, electrical, con trol of three major comp onen ts. The mecha ni cal part is a mecha ni cal device con trol XYZ axis travel, it is mainly drive n by ball scre

6、w XY-axis motio n actuators, cyli nders, rails and other executive age ncies. Electrical part by AC servo motors, optical en coders, various detect ion sen sors, solenoid control valve. Control of some of the major developed by the Japanese compa ny FANUC 0 FANUC CNC system.FANUC 0Keywords Sealing m

7、eans TransmissionX-Y-Z第1章绪论 11.1引言 11.2用于密封涂胶的发展概况 11.3课题的来源、研究及意义 21.4课题研究的内容 3第2章自动涂胶机的总体设计方案 42.1 概述 42.2系统的组成42.3系统功能 42.4密封胶类型选择 4第3章自动涂胶机机械系统的设计 63.1传动部件的设计 63.1.1 概述 63.1.2 滚珠丝杠副的设计 73.1.3滚珠丝杠副的选择方法 73.2导向部件的设计 93.2.1 概述 93. 2.2滚动导轨的设计103.2.3 滚动直线导轨副的安装尺寸 103.3支承件的设计113.3.1 概述 113.3.2 支承件的选择

8、113.4涂胶系统的设计 123.4.1 Z轴驱动装置的设计 123.4.2涂胶装置的设计 123.5夹具的设计 123.5.1 概述 123.5.2 夹具的设计 133.5.3 定位误差的计算 133.5.4 气动系统图 14第4章 自动涂胶机伺服系统的设计 154.1概述 154.1.1伺服系统及其分类 154.1.2伺服系统电机的分类及其特点 164.2电机的选择 174.3伺服系统的计算 194.3.1.主要参数设定 194.3.2 X向伺服进给系统的计算 194.4伺服电机计算 224.4.1惯量计算 224.4.2转矩匹配计算 234.4.3检测装置的选用 23致谢 25结论 26

9、参考文献 第1章绪论1.1引言现今，国民经济的各个领域都离不开胶接技术，胶粘剂已经进入工业、农 业、交通、医学、国防、以及人民生活各个方面，它们在国民经济中起着越来 越重要的作用。在许多领域内，胶接已经逐渐替代传统的连接技术一一焊接、铆接和螺栓连接，成为一门独立的学科。随着科技的发展，新产品不断出现，产品的市场寿命日益缩短，使大量的 生产方式遇到挑战，这就要求提高制造业的生产设备柔性和对产品更新的适应 性，以缩短生产周期，保证产品质量和降低生产成本，从而导致制造业出现一 系列变化。因而机械部件中的密封面涂胶技术和异种材料部件间的粘接剂涂胶 技术的自动化和柔性化成为必然。当今世界汽车生产数以千万

10、计，是耗能大户。国外对所生产汽车的耗油量 逐年都有明确的限制。又随着汽车制造工艺水平的提高、新材料新技术的应用， 以及客户对汽车经济性、舒适性要求的提高，粘接剂、密封胶的新品种、新工 艺在汽车上的应用越来越广泛。为了汽车的轻量化，汽车厂尽量采用各种工程 塑料、复合材料等代替部分金属材料。而采用胶接密封技术不但有利于减轻车 重，并能提高耐腐蚀性和降低生产费用。1.2用于涂密封胶的涂胶机发展概况密封在汽车、摩托车、拖拉机、飞机、化工设备等产品的机械部件中具有 极其重要的作用。它的主要作用是使得部件在装配后与外界隔绝并防止泄漏。 此作用不仅对零部件的良好性能至关重要，而且是评价设备的质量和完整性的

11、一个重要标志。最初的通用密封垫或密封圈是由诸多材料按着预定的形状切割成型并安装 到特定的装配表面。密封垫或密封圈直接承受振动载荷、温度变化、液体浸泡 等各种恶劣工况，尤其在发动机和齿轮箱这样的应用场合，环境最为恶劣。通 用密圭寸垫或密圭寸圈最明显的缺点如下：应用此种密圭寸的场合，法兰间不会产生金 属一金属间的直接接触，因此这种密封不会使作用于法兰上的夹紧力达到最大 值。只有当作用在密圭寸垫或密圭寸圈上的压缩载荷高于最小密圭寸应力”时，联接螺栓才能被拧紧。这个 最小密封应力”的值是封堵微结构孔隙并防止液体外漏 的最小许用应力。随着时间的推移，密圭寸垫或密圭寸圈就会松弛并呈现一种由于 密封垫或密封

12、圈原始厚度变化引起的永久变形。而且，由于密封垫或密封圈在 载荷的作用下不能产生弹性，密圭寸垫或密圭寸圈有破裂的可能。为了解决这些对产品的寿命和质量至关重要的问题，研究人员渐渐地将目 光投向利用液体胶的涂胶技术，经过长时期的研究和尝试，最终研制成功一种 在无空气环境中可以固化的液体胶，通常称为厌氧胶。这种液体胶可以通过一 个很细的涂胶头喷涂到法兰密封面上，不会出现胶液沉降而且法兰装配前胶液 不会流。只有在法兰装配后，此胶液将流向呈现在法兰密封面上的微观不规则 区域，而后在短时间内，胶液开始反应而形成一种坚固的聚合物。它的这一性 质为涂胶工艺提供了有利条件。固化后的密封胶将两法兰紧紧地密封在一起，

13、 既不能相互移动又不能有泄漏。研究人员发现此聚合物对发动机运行工况下的 润滑油及其它液体具有极强的耐蚀性。因此，它在发动机场合的应用尤为合适。 涂胶密封是应用在特定的场合、只有法兰装配后才产生效果的一种密封工艺。 作用于此类密封上的夹紧力可以达到最大值，增大了法兰间的金属一金属的接 触。与通用密封垫或密封圈相比，此密封无永久变形和破裂现象的发生。所以， 涂胶技术为刚性法兰间的密封提供了最有效的、功能最强的方法。70年代初期，涂胶工艺以人工或涂胶枪涂胶的形式出现在法国，随着单、 双组分密封胶的进一步开发和电子产品的不断发展，自动涂胶机很快就出现在 欧美的汽车制造业中。与人工涂胶或涂胶枪涂胶相比，

14、自动涂胶有许多优点：更加安全的工作环境，更高的精度及复用性，更高的处理能力，同一设备可以用 于许多不同的应用场合。在过去的几年中，美国工业发展对密封胶在制造业中 的应用提出更高的要求。为了减少密封垫和密封圈的库存成本及产品装配过程 中有关的劳动内容，要求新研发的密封材料的固化工艺应有所发展。特别地， 汽车工业出台了涂胶密圭寸材料的应用标准和性能标准，而且还制订了密圭寸部位 的防泄漏标准，以及与密封有关的降噪音等标准。这些要求和标准促使密封材 料研发商和自动设备制造商合作，开发出适应新形势的涂胶设备。国外的机器人生产厂商各自推出了涂胶机，如日本莫托曼机器人、安川机 器人、美国ABB机器人等，我国

15、机器人发展较晚，有北京机械工业自动化研究 所工业机器人与应用技术工程研究中心的自动化涂胶工作站”，济南未来之路信息工程有限公司的 金未来自动涂胶机”，另外，还有与国外合资的公司也推 出相应的产品。以上涂胶机器人产品都是在机器人的基础上进行二次开发的， 即用机器人作为轨迹控制，附加供胶系统。13课题的来源、研究目的及意义作为机械工程及自动化的学生，选择的课题应以体现本专业的特点及各方 面的内容为主要依据。这样能更有助于自己熟悉本专业的具体应用。因而，我 结合自己的研究方向，选择了自动涂胶机的研究作为我本科毕业设计的课题。本课题的来源是一汽变速箱厂。变速箱箱体前后壳体在汽车生产中是非常 重要的零部

16、件使用密封胶主要是为了防止 三漏”一-油、漏气和漏水的问题。 目前，密封胶的工作是由工人手动操作完成的。但是有许多弊端。主要有： 由气动或机械力驱动施胶枪，从胶筒中挤出胶，靠人工进行轨迹控制，会 使材料涂布的位置和数量有很大的变化； 涂布的好坏很大程度上取决于操作者的技术，对于大批量生产的要求，手工很难保证产品质量的一致性； 浪费大量的人力，延误生产的自动化。为了尽快消除这些弊端，急于寻求解决的办法，必须用自动化机械以解决问 题。因此，选用自动化程度较高的自动涂胶机，消除以上这些弊端，保证涂胶 均匀、无污染、无伤害、节省人力，提高效率，增长经济效益。14课题主要研究内容本课题研制的数控涂胶机是

17、为一汽集团变速箱厂设计的涂胶样机，要求自 动涂胶机的X、丫两轴由交流伺服电机驱动，可实现直线插补和圆弧插补；Z轴气动，主要用于作业工位的转换，以调整涂胶枪嘴与涂胶平面的距离，并且 编写数控程序完成对变速箱前壳体的涂胶工作（变速箱前壳体零件图如图1.1所示）o为实现涂胶机的良好控制，本设计主要做了以下工作 ： 涂胶机机械系统的设计，包括 X、丫方向的伺服驱动系统，Z方向的气缸驱 动系统； 涂胶机供胶系统的设计，包括胶枪及其驱动气缸的设计； 涂胶机夹具的设计； 涂胶机数控系统的简单设计。图1.1变速箱前壳体零件图第2章自动涂胶机的总体设计方案2.1概述本课题所设计的这个自动涂胶机是一个典型的机电一

18、体化系统。所谓的机 电一体化系统是指在系统的主功能，信息处理功能和控制功能等方面引进了电 子技术，并把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合而 构成的系统。即机械、执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配 下，以系统的观点进行组合而形成的一种新型机械系统。机电一体化系统由机 械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传 感器）、执行元件系统（如电机）等五大子系统组成。2.2系统的组成在2.1中讲到，该系统是一个典型的机电一体化系统。因而，本系统设计成 为主要由机械、电气、控制三大部分组成。其机械部分主要是控制行程的X-Y-Z 轴机械装

19、置，它主要由驱动滚珠丝杠进行 X-Y轴方向运动的执行装置、气缸、 导轨等执行机构组成。电气部分是由交流伺服电动机、光电编码器、各种检测 传感器、电磁控制阀等组成。控制部分主要由日本 FANUC公司研制的FANUC 0数控系统组成。2.3系统功能1. 输入已编制完成的程序实现对变速箱壳体的自动涂胶过程，以适应不同 型号的变速箱前壳体的自动涂胶工作；2. 检测与控制功能。系统通过各种传感器自动检测胶枪中胶量的多少和胶 枪的位置，由数控系统根据所测的各种位置信号来控制涂胶机的启动、运行和 停机。系统实时检测供电电源情况，在电源严重过压或欠压时停机。3. 报警功能。当系统出现下列情况之一时，均同时进行

20、报警：工作台未回归 原点位置时进行启动；胶枪未回归上限位置时进行启动；工件没有定位时进行启 动；工作台超出行程；系统供电电源严重过压或欠压等。2.4密封胶类型选择由于RTV硅酮密封胶具有优良的耐热、耐油、耐寒性，其密封填隙能力很 强，同时不含溶剂，胶固化后形成的膜具有很好的弹性，因此广泛应用于零部 件产品的防漏密封。采用RTV硅铜胶代替纸垫，可以解决困扰汽车零部件生产 企业的 三漏”问题。因此本设计选用RTV硅酮密封胶。它可以降低接合面的加 工精度1-2级。RTV硅酮胶具有优异的填隙功能，可以有效填满箱体在搬运、 装配过程中对接合面造成的磕碰、划伤等痕迹，而对于上述缺陷采用纸垫或者 带胶垫的纸

21、垫很难保证零部件装配完成后不发生渗漏现象。RTV硅酮胶接触空气中的湿气即固化，因此不会出现厌氧胶那种零部件接合面溢出的胶始终固化 不了而致使外观污染的现象。涂胶施工是将胶从胶枪嘴中挤出，以胶带的形式按要求涂在工件的确定位 置上，涂在工件上的胶带要具有均匀一致的截面形状和尺寸。由于是在胶流动 状态下施工的，所以要想达到上述要求，必须满足以下几个条件： 所用的胶具有均匀一致的性能。如粘度，固化特性等等； 胶枪挤出胶带的形状尺寸均匀一致； 胶枪嘴与工件保持恒定的间隙； 胶枪出胶的速度（流量Q）与胶枪运行速度（V）相匹配，即Q=V；胶枪挤出胶带的流线方向与工件上涂胶轨迹曲线切线方向应保持确定的夹订第3

22、章自动涂胶机机械系统的设计丨3.1传动部件的设计线|3.1.1概述I数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来驱动。伺服进给系统的作用丨是根据数控系统传来的信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进丨给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。因此，I数控机床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对进给运动的位置和运动的速1度两方面同时实现自动控制。I一个典型的数控机床闭环控制的进给系统，通常由位置比较、放大元件、：驱动元件、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成，而其中的机械传动装I置是位置控制环节中的一个重要环节(这里所说的机械传动装置是指将驱动源旋转运动变位工作台直线运

23、动的整个机械传动链)。为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，对进给系统提出如 下要求5:(1) 高的传动精度与定位精度数控机床的进给传动装置的传动精度和定位 精度对零件的加工精度起着关键性的作用。因此，传动精度和定位精度是数控 机床最重要，也是最具有该类机床特征的指标，无论对点位、直线控制系统， 还是轮廓控制系统，该项精度部很重要。(2) 宽的进给调速范围伺服进给系统在承受全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要。(3) 响应速度要快所谓快速响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定

24、位速度和 轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地 跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象。进给系统 响应速度的大小不仅影响机床的加工效率，而且影响加工精度。(4) 无间隙传动进给系统传动间隙一般指反向间隙， 它存在于整个传动链的 各传动副中，直接影响数控机床的加工精度；因此应尽量消除传动向隙，减小 反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等 方法。(5) 稳定性好、寿命长稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下，不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不 发生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻

25、尼及增益等都有关系，适当选择各 项参数。并能达到最佳的工作性能，是伺服系统设计的目标。为此，组成进给 机构的各传动部件应选择合适的材料及合理的加工工艺与热处理方法，以延长 其寿命。(6) 使用维护方便最大限度地减小维修工作量，以提高机床的利用率。3.1.2滚珠丝杠副的设计滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠副是一种新型的传动机构，它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。 如图3.1所示。图中丝杠和螺母上都磨图弭滚珠丝杠*n 0.920.96，比常规1/4有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形的 螺旋槽对合起来就形成螺旋线滚道， 在滚道内装有滚珠。当丝杠回转时， 滚珠相

26、对于螺母上的轨道滚动，因此 丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。 为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺 母螺旋槽两端设有回程引导装置，使 滚珠能循环流动。滚珠丝杠副的特点是： 传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率 的丝杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/3。 给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区， 定位精度高，刚度好。 运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动丝杠和螺母都可以作为主动件， 也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。 磨损小，使用寿命长。 制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元

27、件的加工精度要求高，表面粗糙度也要 求高，故制造成本高。3.1.3滚珠丝杠副的选择方法(1) 滚珠丝杠副结构的选择滚珠丝杠副的机构类型可以从螺纹滚道的截面性状、滚珠的循环方式和轴 向间隙的调整方法进行区别。根据防尘条件以及对调隙及预紧的要求，可选择 适当的结构型式。由于该自动涂胶机的工作性能要求，其工作环境应具备良好 的防尘条件，且只需在装配时调整间隙及预紧力。由于双螺母垫片调整预紧式 结构简单，轴向刚性好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好，应用广泛，因 此本设计选用双螺母垫片调整预紧式结构的内循环滚珠丝杠副。(2) 滚珠丝杠副结构尺寸的选择 选择丝杠的公称直径和基本导程选用滚珠丝杠副时通常主

28、要选择丝杠的公称直径d0和基本导程Ph。公称直径do应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度Is在允许的情况下要尽量短，一般取Is/d。小于30为宜；基本导程Ph应按承载能力、传动精 度及传动速度选取，Ph大承载能力大，Ph小传动精度较高、要求传动速度快时， 可选用大导程滚珠丝杠副。根据该自动涂胶机的性能要求，并按照国家标准化组织中规定，可选取do =32mm，基本导程Ph =10mm，工作圈数取为3。 滚珠丝杠副支承方式的选择螺母座、丝杠的轴承及其支架等刚度不足将严重地影响滚珠丝杠副的传动 刚度。因此，螺母座应有加强肋，以减少受力的变形，螺母与床身的接触面积 宜大一些，其连接螺钉

29、的刚度也应高，定位销要紧密配合。近来出现一种滚珠丝杠专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊角 接触球轴承，与一般角接触球轴承相比，采用特殊设计的尼龙成形保持架，接 触角增大到60o增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴向;比一般轴承的轴向刚度提高两倍以上，同时不需要预调整，启动转矩小，使用i极为方便。其产品一般成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装:配调试时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的i预紧力。通常需要把2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。:综上所述，本设计选用专用轴承作为丝杠的支承元件，同时由于一端固定,i一端铰支的支承方式

30、，丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回i转速度，并且轴向刚度大，因此采用一端固定，一端铰支的支承方式。i滚珠丝杠副滚珠螺母安装连接尺寸i根据JB/T9893-1999确定安装尺寸如下表：订装规格代号公称直径公称导程滚珠螺母安装吏、连接尺寸d。PhD1DD4BD5D6h32103210539071159159图3.2滚珠螺母表3.2安装尺寸 滚珠丝杠精度滚珠丝杠副的制造成本，主要取决于制造精度和长径比。因为制造精度越 高、长径比越大，工艺难度越大，成品合格率越低。精度标准分为1、2、3、4、5、7、10七个等级，1级最高，10级最低。根据精度选择推荐表选定精度为3级。任意300mm内

31、导程误差为0.012mm。 循环滚珠丝杠副系列性能参数本文选用南京工艺装备制造厂生产的FFZD系列滚珠丝杠，其性能参数如下表：表3.2 FFZD系列滚珠丝杠规格代号丝杠底径d2 / mm螺母长度L /mm额定载荷/ KN动载Ca静载Coa3210-327.314625.649.53.2导向部件的设计3.2.1概述导轨主要起导向定位作用，以保证各部件正确的相互位置及运动。机电产 品对导轨的要求主要是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好。3.2.2滚动导轨的设计滚动导轨的特点导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之 间的摩擦为滚动摩擦性质，这种导轨称

32、为滚动导轨。滚动导轨的种类很多，按 运动轨迹分有直线运动导轨和圆运动导轨。滚动直线导轨副是由导轨、滑块、 钢球、反向器、保持架、密封端盖及挡板组成。当导轨与滑块作相对运动时， 钢球沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部 钢球又通过反向器进入反向孔后再进入滚道，钢球就周而复始地进行运动，反 向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘进入滑块内部。与普通滑动导 轨相比，滚动导轨有下列优点： 运动灵敏度高，滚动导轨的摩擦系数为0.00250.005,远小于滑动导轨。不 论在作高速或作低速运动时，其摩擦系数基本不变，故在低速运动时不会产生爬行。 定位精度高。其定位误差为0.1

33、0.2m。 牵引力小，移动轻便。 滚动体一般可运行105 108m，具有较高的耐磨性，磨损小。 润滑系统简单，维修方便。在该自动涂胶机中，滚动导轨副的作用主要是支承工作台和限制工作台的运 动方向。该导轨副沿直线运动，因此根据此系统工作的具体条件及上述滚动直 线导轨副的特点，本设计选择了滚动直线导轨副。3.2.3滚动直线导轨副的安装尺寸根据本设计的特点选择四方向等载荷滚动导轨副，其具体安装尺寸为:图3.3滚动导轨副表3.3荷滚动导轨副安装尺寸表型号装配组合后滑块导轨HWCLMBFd203021.55340M66206063.3支承件的设计3.3.1概述机床的支承件主要指床身、立柱、横梁、底座等大

34、件，它的作用是支承零 部件并保证它们的相互位置及承受各种作用力。承受加工时的静态力和动态力, 如重力、切削力、摩擦力、夹紧力和惯性力等。支承件的种类很多，它们的形 态、几何尺寸和材料是多种多样的，但它们都应满足下列基本要求；1. 刚度 支承件刚度是指支承件在恒定载荷和交变载荷作用下抵抗变形的能 力。前者称为静刚度，后者称为动刚度。静刚度取决于支承件本身的结构刚度 和接触刚度。动刚度不仅与静刚度有关，而且与支承件系统的阻尼、固有频率 有关。支承件要有足够的刚度，即在外载荷作用下，变形量不得超过允许值；2. 抗振性支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。机床在切 削加工时产生振动，将会影

35、响加工质量和刀具的寿命，影响机床的生产率。振 动常常成为机床噪声的主要原因之一。因此，支承件应有足够的抗振性，具有 合乎要求的动态特性；3. 热变形和内应力支承件应具有较小的热变形和内应力。3.3.2支承件的选择(1)形状和尺寸的确定支承件的尺寸大小、，结构形状应满足工作要求。机床的类型、用途和规格 不同，支承件的形状和尺寸也不同。床身、立柱及底座等支承件由于其安装 部位和作用不同所以截面形状也不同。根据该涂胶机的结构形式选择图3.2所示的床身形式和如图3.3所示的立柱形状。这种类型的床身内空间可用于存储润滑油，立柱内有肋板，抗弯刚度高图3.2床身截面形状图3.3立柱截面形状(2)支承件材料的

36、选择支承件的材料一般应用铸铁、钢以及混凝土等。由于铸铁铸造性能好，容 易获得复杂结构的支承件，同时铸铁的内摩擦系数大，阻尼系数大，使振动衰 减的性能好，成本低。因此本设计选择铸铁作为支撑件的材料。3.4涂胶系统的设计3.4.1 Z轴驱动装置的设计由于气动装置的气源容易获得，机床可以不必再单独配置动力源，装置结 构简单，工作介质不污染环境，工作速度快和动作频率高，适合于完成频繁启 动的辅助工作。过载时比较安全，不易发生过载严重损坏机件等事故。因此Z轴的运动由气缸驱动，主要用于涂胶枪的上下移动，以调整涂胶嘴与涂胶平面 的距离。由于涂胶运动与工件不接触，之间没有相互作用力，气缸只需要克服 移动部件的

37、重力。因此，根据移动部件的质量，选用QGA U系列气缸(外观如图3.4所示)。3.4.2涂胶装置的设计涂胶装置由两部分组成，上半部分为气缸，下半部分为料缸，气缸通气则 顶杆下压，打开料缸内阀门出胶，通过对气缸流量的控制实现对出胶量的控制图3.4 QGA H系列前法兰式气缸外观图3.5夹具的设计3.5.1概述在机床上加工工件时，为了使工件在该工序所加工的表面能达到规定的尺 寸精度和位置公差要求。在开动机床进行加工之前，必须首先使工件占有一个 正确的位置。通常把确定工件在机床上或夹具中占有正确位置的过程称为定位 当工件定位后，为了避免在加工中受到切削力、重力等的作用而破坏定位，还 应该用一定的机构

38、或装置将工件加以固定。工件定位后将其固定，使其在加工 过程中保持定位位置不变的操作称为夹紧。工件装夹是否正确、迅速、方便和 可靠，将直接影响工件的加工质量、生产效率、制造成本和操作安全。按夹具的应用范围可将其分为通用夹具、专用夹具、组合夹具、成组夹具 和随行夹具。按夹具动力源可将其分为手动夹紧夹具、气动夹紧夹具、液压夹 紧夹具、气液联动夹紧夹具、电磁夹具和真空夹具。夹具主要由定位元件、夹 紧装置和夹具体等基本元件组成。3.5.2夹具的设计（1）定位方式的选择工件定位方式不同，夹具定位元件的结构形式也不同。根据变速箱前壳体 的结构特点，选择 一面两孔”的定位方式。一个平面限制三个自由度，一个短

39、圆柱销限制两个自由度，一个削边销限制一个自由度，共限制六个自由度，使 工件完全定位。（2）夹紧方式的选择夹紧装置由动力装置、夹紧元件和中间传动机构三部分组成。同时夹紧装 置应满足夹紧时不破坏工件在夹具中占有的正确位置；夹紧力适当，既要保证 工件在加工过程中定位的稳定性，又要防止因夹紧力过大损伤工件表面及产生 夹紧变形；夹紧机构应该操作安全、省力、夹紧迅速；夹紧机构的复杂程度、 工作效率与生产类型相适应等基本要求。由于铰链夹紧机构是一种增力机构，它具有增力倍数大，摩擦损失小的优点， 广泛应用于气动夹紧。因此本设计采用气缸驱动的铰链夹紧机构。同时本设计应用CATIA软件建立夹具装配体的三维模型（见

40、附图 1）3.5.3定位误差的计算因定位不正确而引起的误差称为定位误差，其值为工序基准在工序尺寸方 向上的最大变动量。定位误差.dw由基准不重合误差.5和定位副制造不准确误 差二db组成。本设计中，涂胶平面的设计基准即为底平面，因此定位元件一一平面的定位误差为零；定位元件一一短圆柱销的基准不重合误差为该圆柱销中心线对底 面的垂直度误差，则 3bi = 0.04mm，由于定位副制造不准确误差与工序尺寸方 向相垂直，则.-：db1 =0 ；定位元件一一削边销的基准不重合误差为该削边销中心 线对底面的垂直度误差，则：jb 0.04m m,定位副制造不准确误差与工序尺寸 方向相垂直，则恤2二。因此总的

41、定位误差为 厶dw =0.04 0.0 0.08mm,在公差允许范围之内，因此该定位方案是合理的3.5.4气动系统图如图3.5所示，阀A通电，活塞右移，压住工件。当气缸内压力达到继电 器YJ的调定压力时，活塞返回。当活塞压住行程换向阀D后，空气泵卸荷。图3.5夹具驱动气缸气动回路第4章自动涂胶机伺服系统的设计4.1概述4.1.1伺服系统及其分类伺服系统亦称随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而 获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。数控机床的进给伺服系统是 以机床的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲 指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反

42、馈，最终实现机床工作 台相对于刀具运动的控制系统。它一般由比较组件、调节组件、执行组件、被 控对象及测量反馈组件组成。进给伺服系统的高性能在很大程度上决定了数控机床的高效率、高精度。 因此，数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传 动等方面都有很高的要求。如高精度、稳定性、快速相应无超调、宽调速范围 等等 从位置控制的角度可将伺服系统分为开环、闭环和半闭环伺服系统： 开环伺服系统（如图4.1所示），它不需要位置检测与反馈，执行组件多采用 步进电机，系统位置正比于指令脉冲的个数，位移速度取决于指令脉冲的频率。 开环系统机构简单，易于控制，但是精度低，低速平稳性差，高速扭矩小

43、，一 般用于轻载、负载变化不大或经济型数控机床上。 闭环伺服系统（如图4.2所示），是误差控制随动系统，通常有位置环和速度 环组成。在位置环中，根据插补运算得到的位置指令，与位置检测装置反馈回 来的机床坐标轴的实际位置相比较， 形成位置误差，经变换的到速度给定电压。 在速度控制中，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转 速对伺服电动机进行控制，以驱动机床的传动部件，从而把速度量变为位置量。 闭环伺服系统传动链的误差，环内组件的误差以及运动中造成的误差都可以得 到补偿，从而大大提高位移精度和定位精度，系统精度只取决于装置制造精度 和安装精度。图4.2闭环伺服系统结构示意图 半闭环

44、伺服系统（如图4.2）所示，位置检测反馈组件没有直接安装在进给坐 标的最终运动部件上，将部分机械勾践封闭在反馈控制环之外，其性能介于开4.1.2伺服系统电机的分类及其特点 步进电机开环位置伺服系统亦叫步进式伺服系统，其驱动元件为步进电动机。功率步进电动机盛行于20世纪70年代，且控制系统的结构最简单、控制 最容易，维修最方便，控制为全数字化。数控系统与步近电动机的驱动控制电 路结为一体。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它硬件电路均可由软件 实现，从而简化了系统结构，降低成本，提高了系统的可靠性。而步进电动机 的耗能太多，速度也不高。日前的步进电动机在脉冲当量为1Jm时，最高移动速度

45、仅有2mm/min，且功率越大，移动速度越低，改主要用于速度与精度要 求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。 直流伺服电机直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便 地在宽范围内实现平滑无级调速故多采用在对伺服电动机的调速性能要求较 高的生产设备中。 交流伺服电机长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的 是应用直流电动机的调速系统，但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷 和换向器易磨损，需经常维护；换向器换向时会产生火花，使电功价的最高速 度受到限制，也使应用环境受到限制；而且直流电动机结构复杂，制造困难， 所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式

46、感应电动机 没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。在同样体积下， 交流电动机输出功率可比直流电动机提高 10%-70%。此外，交流电动机的容量 可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。随着新型大功率电力电子器件、新型变频技术、现代控制理论以及微机数 控等在实际应用中取得的重要进展，到了 20世纪80年代，交流伺服驱动技术 已取得了突破性的进展。在日本、欧、美等国形成了一个生产交流伺服电动机 的新兴产业。德国1988年的机床进给驱动中交流伺服电动机驱动已占80%，日本1985年销售的交流与直流电动机驱动系统之比为 3: 1。机床主轴驱动中，采用交流电动机的占销售总量的 90

47、%交流伺服电机可分为异步型交流伺服电动机和同步交流伺服电动机。异步型交流伺服电动机其定子由绕组构成，通入交流电后产生旋转磁场。当转子的转 速与定子电路产生的旋转磁场转速存在转速差时，转子的导体将切割旋转磁场 的磁力线而产生电流，电流与旋转磁场相互作用，使转子受到磁力，使之转动， 其方向与旋转磁场方向一致。异步交流伺服电动机的特点：转子的重量轻，相 应速度快。同步型交流伺服电动机与异步型交流伺服电动机的区别： 同步型交流伺服电 动机的转子是一个磁极，它受到定子电路旋转磁场的吸引，与旋转磁场的转速 始终保持同步。当电源电压和频率固定不变时，同步型交流伺服电动机的转速 是固定不变得。由变频电源供电时

48、，可以方便地获得与频率成正比的可变转速， 可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。4.2电机的选择由前面所述的交流伺服电机的优点，并结合本设计的特点，选择交流伺服 电机作为进給系统的驱动装置，同时采用半闭环的控制方式。BA系列交流伺服电机是北京机床研究所开发的换代产品，是为了驱动机床 伺服进给机构而专门设计的。同时也适用于其它各种驱动装置。主要特点为： 最佳的磁路设计，结构紧凑，体积小，重量轻；采用了最新的高性能磁性材料， 承受过载能力强；采用高可靠性脉冲编码器，运行可靠，使用寿命长。其主要 参数如下表：表4.1 电机主要参数电机型号对应电机标准代号输出功 率KW额定转 矩Nm最大转 速rpm转

49、子惯 量NmS2最大转 矩Nm重量Kg0145SJT/M000.652.920000.0015269交流伺服电机的控制采用正弦波脉宽调制 （SPWM）变额器。SPWM变频器 属于交一直一交静止变频装置，它先将 50HZ交流市电经整流变压器变到所需 电压后，经二极管可控整流和电容滤波，形成恒定直流电压，再送入常用6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正 弦波的脉宽调制波（SPWM波），即可拖动三相异步电机运转。这种变频器结构 简单，电网功率因数接近于1,且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快， 输出波形好，使电机可在近似正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展

50、了 调速范围，提高了调速性能，因此在数控机床的交流驱动中得到的广泛应用20。SPWM逆变器用来产生正弦脉宽调制波即 SPWM波形。其工作原理是把1个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积 都用1个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。它对应着1个正弦波的半周，对正负半周都这样处理即可得到 相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波。其波形如图4.4所示。SPWM变频器的主电路的原理及电机线电压波形图如4.5所示。图（a）中V1-V6为6个大功率晶体管，并各有1个二极管与之反并联，作为续流用。来 自控制电路的SPWM波形作为

51、基极控制电压加于各功率管的基极。按相序要求和频率要求，从参考信号振荡器上产生频率与电压协调控制的三路正弦波电路， 与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器，产生三路SPWM波形, 经各相分路后可得到六路SPWM信号加于V1-V6 6个功率晶体管基极，作为 驱动控制信号、当逆变器工作于双极性工作方式时，可得到如图4.5所示的线电 压波形。血图4.4 与正弦波等效的 SPWM波图4.5 SPWM主电路工作原理图4.3伺服系统的计算4.3.1主要参数设定直线工作台面尺寸（长汉宽汉高）：710><400><50mm；材料为铝;工件及夹具的最大重量为100kg；X向工作行

52、程为400mm , 丫向工作行程为300 mm;工作进给速度为200-4000mm/min，快速进给速度为20m/ min。4.3.2 X向伺服进给系统的计算（1）工作台质量及工作台承重的计算直线工作台质量 G, = Wg =2.7 103 710 500 50 9.81 10 =471N 工作台承重为G2 =100 9.8仁981N根据以上估算得总的质量为 G = G G2 =471 981 =1452N（2）切削力估算由于胶枪与工件不接触，两者之间没有相互作用力，因此切削力为零（3）滚珠丝杠副的验算 滚珠丝杠副导程由3.1.2.2所述，滚珠丝杠的导程 Ph = 10mm 丝杠的等效转速最大

53、进给时，丝杠的转速为 nmax二Vmax/Ph = 20000/10 = 2000r/min最小进给时，丝杠的转速为nmin二Vmin/Ph = 200/10 = 20r/min则得到丝杠的等效转速（估算t2t2 ）为nmnmaxt1nmin t2二 1340r / min 丝杠的等效载荷动作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值 可用进给牵引力的试验公式计算。由于选定为滚动导轨，而一般情况下，滚动 导轨的摩擦系数为0.003 0.005,取摩擦系数为0.003,则丝杠所受的最大牵引 力为：Fmax 二 KFx f （Fy Fz G） = 0 0.004 （0 0 145

54、2） = 6N而丝杠的最小工作负载为摩擦力，与最大值一致。故其等效负载 Fm = Fmax = 6N 丝杠所受的最大动载荷Ca验算查表，取丝杠的工作寿命Lh为15000h,同时取精度系数fa =0.9，负载性质系数fw =1.2，温度系数ft =0.95，硬度系数仏=1,可靠性系数仁=0.53 ；60Lh nm= 60 15000 1340 = 1.206 109rFm fw (60Lh nm ftfhfafc( 106)1/36 ".2(1.206"09、1/30.95 1 0.9 0.53106= 20N如前所述FFZD3210系列滚珠丝杠的额定动载荷为 25.6KN，

55、远大于最大动载荷，符合要求。 临界压缩载荷Fcr验算Fcrfi"EIKFL?r i 兰厂 max式中E材料的弹性模量，E = 2.1 1011 N/m2 ；I丝杠最小截面惯性矩：I d；（27.3 10）4 =2.8 10-8m46464L0 最大受压长度，L° = 772mm ；K1 安全系数，一般取 心=1/3；f1 丝杠支承方式系数，查表得 人=2 ；Fcr(772 10 冷2fr：2EI 2 3.142 2.1 1011 2.8 10* K1 二L0可见远大于最大负载，符合要求。2 230 f 2ccZdz心 I -A 2LCA丝杠最小横截面：Ad；(27.3 10”)2=5.85 10*m244Lc 临界转速计算长度Lc = 764mmK2 安全系数，一般取0.5；30 f22Sts31'nmax式中223123.9272 27.3 10厂=9910厂7148r/minLC(764汉10°)2 临界转速验算ncr2 EI K29910 f2 dL；A 2可见大于最高转速，符合要求。 验算轴承动载荷本设计采用一端固定一端游动的支承方式，型号为20TAC47A，其额定动载荷 Ca =29110N，预紧力 Ft =220N。C严Ftfn