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畢業(yè)設計說明書 題 目： 學 號： 姓 名： 班 級：2015級（1）班 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導教師： 學 院：機械工程學院 答辯日期：2016年 月 日 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 摘 要 近年來，隨著生產技術的發(fā)展，機電一體化有非常大的發(fā)展，自動涂膠機在裝配和機械設備的維修在中國得到了廣泛的應用。它不僅能提高勞動生產率，而且能節(jié)約能源和材料。特別是在汽車工業(yè)中，對汽車零部件接頭表面有一定的密封要求，結合表面需要膠水，膠水的精度是至關重要的，汽車的性能，自動涂布機的性質提出了更高的要求。膠水是用來依靠工人手工操作，效率極低，涂膠均勻涂層與膠體厚度難以保證。 自動涂布機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量，降低了工人的勞動強度。因此，為了滿足不同工作的需要，自動涂布機可以將框架式機器人或具有多自由度的機器人用于關節(jié)膠。同時，這一技術的應用也意味著，每天給國有企業(yè)帶來巨大的經濟效益。該自動涂布機可快速、準確、經濟、清潔的方式來完成配料過程，提高產品質量，降低生產成本。 關鍵詞：密封；涂膠；自動涂膠機 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 涂膠機器人發(fā)展現狀及分類 2 1.2.1 涂膠機器人國內外發(fā)展現狀 2 1.2.2 涂膠機器人分類 3 1.3 課題主要研究內容 5 第2章 總體結構方案設計 5 2.1 設計要求 5 2.2 方案擬定 6 2.3 涂膠機主要技術參數 7 第3章. 自動涂膠機機械部分設計 7 3.1 總體結構設計 7 3.2 步進電機選擇 9 3.2.1 Z向電機校核 10 3.2.2 X/Y向電機校核 11 3.3 滾動導軌的選擇 12 3.3.1 X向直線導軌副的選取 12 3.3.2 滾動體的尺寸和數量 12 3.3.3 導軌長度 13 3.3.4 額定壽命計算 13 3.3.5 直線導軌動載荷計算 14 3.3.6 接觸強度計算 15 3.3.7 Y向直線導軌副的選取 16 3.4 滾珠絲杠副的選擇 16 3.4.1 滾珠絲杠副特點 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 滾動軸承壽命校核 23 3.5 涂膠彎臂的螺栓強度校核 25 第4章 硬件及接口電路誰 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 驅動電路設計 27 4.5 傳感器的選擇及PLC接線說明 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 傳感器接線說明 30 結論 32 參考文獻 33 致 謝 35 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 第1章 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 工業(yè)機器人廣泛應用于汽車、工程機械、電子信息、化工等先進制造業(yè)行業(yè)，用于完成焊接、裝配、加工、噴涂等復雜作業(yè)，應用前景廣闊，在將來的生產中將起到越來越重要的作用。 因為我國勞動力資源豐富，人們難以接受價格昂貴的設備。致使工業(yè)機器人在我國的應用水平還很低，因此，推廣經濟型的工業(yè)機器人可以很好地解決我國自動化普及程度的問題。雖然國外的機器人技術已經達到很高的水平，但其價格也相當昂貴。這就要求我們設計、研發(fā)自己的經濟型工業(yè)機器人。經濟型機器人就是低成本、性能好的生產設備，這樣的設備可以使企業(yè)投資少，見效快，有很高的經濟價值。 在產品制造過程中涂膠工序起著很重要的作用，保證涂膠質量就顯得非常重要，目前，國內外很多企業(yè)仍舊采用手工涂膠的辦法，這種方式易產生涂膠不均勻、膠浪費嚴重的現象，并產生大量氣泡，嚴重影響涂膠質量。操作者發(fā)揮水平對手工涂膠方式影響也很大。 為滿足廣大消費者的需要，在保證產品質量的前提下，計劃增加汽車喇叭的生產批量。原有人工涂膠的方法生產效率低，且產品一致性很難保證，而涂膠的好壞直接影密封的質量，決定產品的質量，所以令機器人工作站涂膠代替人工涂膠勢在必行。 直接購買成品涂膠機器人的成本極為昂貴；技術支持水平較低，出現問題時不能及時修理，這就增加了生產成本和無形損耗。綜合考慮多方面因素，為了更好地解決生產產品過程中的技術困難，最好的辦法就是開發(fā)屬于企業(yè)自己涂膠機 器人，現有的SCARA機器人是搬運和裝配作業(yè)的四自由度機器人，如圖1-1所示。該機器人的執(zhí)行部件在運動范圍和運動軌跡都能滿足要求，故可在原有機器人的基礎上，完成更換機械手、增加膠體輸送系統(tǒng)、修改控制系統(tǒng)等工作，以改造“搬運和裝配”機器人為“涂膠”機器人，達到提高生產率和產品質量的目的，同時適應多品種、變批量的柔性生產。 圖1-1 四自由度涂膠機器人 將廢舊機器人進行開發(fā)改裝，變廢為寶是研究與推廣經濟型的工業(yè)機器人的最佳途徑之一。將“搬運和裝配”機器人開發(fā)改裝為“涂膠”機器人，是一個經濟實際的選擇，也是一個技術的挑戰(zhàn)。而實現涂膠機器人的開發(fā)改裝將為我國研究與推廣經濟型工業(yè)機器人起到推動作用。 另外，涂膠機器人的特性決定了其特別適合于柔性生產要求。它在對產品質量的提高，高效生產，改善勞動條件和進行較快的產品技術革新等方面有非常重要的作用，并加快機械化取代人工涂膠的進程。 1.2 涂膠機器人發(fā)展現狀及分類 1.2.1 涂膠機器人國內外發(fā)展現狀 為了適應汽車工業(yè)對密封生產工藝的要求，涂膠機器人開始出現并得到了發(fā)展。該變速器與發(fā)動機殼體密封，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)動機之外，對擋風玻璃以及燈具等也要用涂膠來達到密封的效果，隨著對涂膠工藝的不斷改進和技術的提高，涂膠機器人也從簡單的機械式涂膠機發(fā)展到現如今的涂膠工作站，生產技術的提高也使得涂膠的質量和生產效率都達到了一個較高 的水平。 現如今，國內外的涂膠機器人發(fā)展水平參差不齊，在國內從事研究、開發(fā)涂膠機器人的主要有：北京機械工業(yè)自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學、首鋼莫托曼機器人有限公司等公司，這些機構既有從事自主研發(fā)生產涂膠機器人系統(tǒng)的，也有的通過引進國外先進的機器人技術來生產的，并通過對國外技術的消化開發(fā)自 主的涂膠機器人。 總之，存在以下特點：我國國內生產涂膠機器人雖然能夠應用于實際的涂膠工業(yè)生產，但大多是結構簡單，功能較少的小型涂膠機器人。這樣一來，實際應用的范圍受到限制，市場應用較少，這樣也從另一個方面造成了國內生產的涂膠機器人技術不成熟、系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性等缺點，造成了惡性循環(huán)。我國的機器人工 業(yè)起步較晚，產業(yè)鏈不夠完整，特別是下游零部件生產長期制約著我國自主生產、研究機器人技術，再許多機器人生產的關鍵技術方面，我國還處于起步階段，根本不能同國外擁有先進的生產技術的企業(yè)相競爭。 在國外，對機器人的生產、研究起步較早，目前已經取得了較大的發(fā)展。早在1978年，Seaant Equipment and Engineering公司就推出了一種用于涂膠的簡單機械機構。接著，ABB公司、日本安川電機、日本FANUC也先后推出了自己研發(fā)、生產的用于涂膠工業(yè)的機器人產品，和國內研發(fā)的圖機器人相比，國外研發(fā)的途徑機器人性能更加優(yōu)良，精度高，自動化程度高，但是其缺點也是很突出的，因距離較遠，出現問題時技術支持較差，不能及時解決出現的問題。 1.2.2 涂膠機器人分類 按照推出時間的先后，將涂膠機器人可分為以下三種。 （1）機械式涂膠機 機械式的涂膠機的特點是容易控制而且結構相對簡單，但是它的缺點是不能噴涂較為復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動是由噴槍內部的導軌引導來完成的。這種機器人大多采易于生產、安裝的積木式結構，制造成本較低、系統(tǒng)較為可靠、耐用。但是這種結構的缺點在于其靈活性較差，圖1-2中所示的是北京機械工業(yè)自動化研究所開發(fā)生產的機械式涂膠機產品，它主要應用于汽車工業(yè)。 圖1-2 龍門式仿形涂裝機器 （2）軟仿形涂膠機 軟仿形涂膠機在被噴涂表面運動時，通常機器人的三個軸是同時運動的，并由系統(tǒng)控制器控制噴槍運動。該噴膠系統(tǒng)大都是整套的計算機系統(tǒng)，大多這種系統(tǒng)都配有示教盒，通過示教再現的方式，用戶將不同零件的涂膠方法輸入給涂膠機器人，來完成涂膠工作。值得一提的是，這種涂膠機有的還可以通過CAD圖形或編程的方式控制涂膠機的運動?？偟膩碚f此種涂膠機具有以下的特點：操作靈活方便并且生產更加具有柔性化。國內對于此類涂膠機已經能夠進行生產開發(fā)，而且價格相對較低，極具競爭優(yōu)勢，市場應用較為廣泛。 （3）智能涂膠機 近年來，結合人工智能技術生產的智能涂膠機在市場上出現，它結合了先進的感知技術和現代控制的方法，使得在一次涂膠過程中完成 從涂膠到檢測的所有過程，涂膠過程更加智能化，簡化了涂膠作業(yè)。但是國內企業(yè)對于此種涂膠機的生產還為零，大多還處于研制階段， 此方面我國企業(yè)與國外同行業(yè)之間還有很大的差距。從總體來說智能涂膠機的特點是，系統(tǒng)的集成度較高，控制系統(tǒng)能夠對整個的涂膠的過程進行檢測和控制；由于具有了更為友好的人機界面，所以它操作起來更加的簡便；對于系統(tǒng)的控制更加多樣，能夠實現聯(lián)網對機器人實現控制。但是由于采用了更多的新技術、新工藝，這類機器人的售價相當昂貴，一般的中小企業(yè)難以承受，所市場占有率并不是很高。如圖1-3中所示為首鋼MOTOMAN機器人公司生產的用于汽車擋風玻璃涂膠機器人工作站。從過去的發(fā)展來看，膠水機器人已經取得了很大的進展，并在未來與膠機的生產應用范圍越來越廣，工業(yè)機器人技術是在智能機和智能系統(tǒng)的發(fā)展方向，其發(fā)展趨勢主要是：模塊化結構和功能可以重建；控制系統(tǒng)采用開放式設計，網絡監(jiān)測；多傳感器融合技術的應用和優(yōu)化環(huán)境的生產靈活和智能完成所有工作。 圖1-3 風擋玻璃涂膠機器人 1.3 課題主要研究內容 設計一臺自動涂膠機，對汽車密封圈進行自動涂膠，利用步進電機進行驅動控制，保證涂膠的范圍、速度和均勻性。 1、機械系統(tǒng)設計包括機械結構設計和各種標準件的選取。 2、自動涂膠機的控制系統(tǒng)設計包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設計。 3、硬件系統(tǒng)設計就是用單片機及驅動電路來控制X向、Y向、Z向電機的正常工作。 第2章 總體結構方案設計 2.1 設計要求 機械零件要考慮整體布局，工作行程要能滿足要求，傳動裝置要平穩(wěn)準確，還要兼顧速度，也需要考慮經濟性，設備需要低成本，盡可能使用標準件，減少額外的工作量。設備的使用壽命不低于15年，每年工作330天，每天工作12小時，載荷持續(xù)率為90%，需要批量生產。 由于涂膠屬于輕載荷工作。對電機功率要求不是太高，所以采用步進電機。設計電路控制電機的運轉和方向 以達到設計要求。 執(zhí)行程序要考慮到不同拐點處涂膠量問題，可通過改變X、Y向運動速度調節(jié)也可單一Z向運動調節(jié)，以保證涂膠均勻，此次設計采用后者方式，原因是一個電機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系統(tǒng)。通過和 指導教師的探討，由于液壓很難控制流量，并且結構復雜安裝也不方便。雖然也能實現自動涂膠的功能，但涂膠的軌跡只是單一的平面故只適合一種零件的涂膠。而用步進電機來控制絲杠的傳動不但有可逆行性能靈活的正反運行，速度均勻，穩(wěn)定性好；定位精度高和重復定位精度高；而且可以根據零件的形狀設計編程涂膠軌跡可以是曲面。故在最終的設計中采用了步進電機帶動絲杠的傳動方式。 方案中共用了三個步進電機，通過程序控制分別做相應運動，來保證涂膠的軌跡和保證涂膠厚度及均勻性。Z是用來控制膠量，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。通過改變螺桿轉速，保證主軸的升降速度，達到膠的要求。X、Y對運動要求平穩(wěn)、準確，所以采用滾珠絲杠傳動，效率高的滾珠絲杠傳動，高剛度，高傳動精度和壽命長。導向機構，和需要是穩(wěn)定的，所以，使用滾動導軌，滾動導軌軸承更大，引導準確。為了滿足結構簡化的要求，采用步進電機通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接的方式，該結構緊湊、工作可靠、壽命長且傳動比穩(wěn)定。 2.3 涂膠機主要技術參數 1、每一工件涂膠時間：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，耐化學介質的性能，不腐蝕機件，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。用于電器設備的密封、也可用于大間隙及撓性連接件的機械平面密封。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????????????????????????? T－5601 ?外觀???????????????????????? 黑色、細膩、均勻膏狀物 ?密度（ g/cm2 ）????????1.33 擠出性ml/min?????? 200－250 彈性恢復率％????????? 94 拉伸模量（MPa）????? 0.9 拉伸強度（MPa）???????1.7 延伸率（％）????????? 400 工作溫度（度）?????? ? -54～210 全固時間（h）????????? 24 第3章. 自動涂膠機機械部分設計 3.1 總體結構設計 考慮到整個機構的平衡性，故將承載夾持部分的彎臂方向與Y向電機在一條線上。 因為膠棒的夾持嚴格要求對心，故選用了V型塊來設計夾具，具體結構如下圖： 圖3-1 V型夾具 上膠機設備傳輸要求的精度很高，對涂布機的優(yōu)點是結構簡單，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。具體結構框架如下圖： 圖3-2 自動涂膠機總裝圖 3.2 步進電機選擇 步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相角位移或線位移的控制電機。其轉子運動僅與電信號的頻率有關，每轉一周，都有固定的步數。在不丟步的情況下運行，其步距角誤差不會長期積累，因此，它適合于在數字控制系統(tǒng)中作為驅動微電機使用，具有系統(tǒng)簡單，運行可靠等明顯優(yōu)點，廣泛應用于機床的數字程序控制及其數字控制系統(tǒng)中。 步進電動機的種類繁多，按其電磁轉矩的產生原理，可分為三大類：反應式（磁阻式）步進電動機；永磁式步進電動機；混合式（永磁感應子式）步進電動機。 根據脈沖當量和最大靜轉矩的主要步進電機和步進電機的模型，從技術參數中對步進電機進行校核，兩種不同脈沖分配方式對應有兩種步距角。初選電機型號時應合理選擇及i，并滿足： （3.1） 根據上述要求，選擇：Z向選擇:55BF003 脈沖當量δ=0.008 I=1.0 X向Y向:70BF003 表3.1 Z向55BF003電機的參數 步 距 角 相 數 電 壓 相 電 流 最大 靜 轉 矩 最高 空載 啟動 頻率 質 量 外 徑 Φ 長 度 軸 徑 1.5/3 3 24V 3A 0.686N·m 1800HZ 0.83Kg 55mm 70mm 6mm 因為自動涂布保證范圍的涂料汽車軸承座和減速器密封圈的設計，速度和均勻性，因此每次膠量不是很多，所以擠膠不多，所以選擇步進角1.50/，轉矩偏移小于可以滿足要求，經過計算，一般在1N~25N擠膠的粘接強度，選擇保持力矩電機55BF003 0.686N m，可以滿足扭矩要求，所以步進電機55bf003類型選擇，可以滿足設計要求。 表3.2 X向Y向70BF003電機參數 步 距 角 相 數 電 壓 相 電 流 最大 靜 轉 矩 最高 空載 啟動 頻率 質 量 外 徑 Φ 長 度 軸 徑 1.5/3 3 24V 3A 0.392N·m 1600HZ 1.2Kg 75mm 65mm 8mm 3.2.1 Z向電機校核 步進電機的最大靜轉矩Mjmax與步進電機名義啟動轉矩Mmq的關系: 即：Mmq=λMjmax=0.866×0.686=0.594 N/cm 步進電機的空載啟動是指電機在沒有外加工作負載情況下的啟動。 步進電機所需的空載啟動力矩可按下式計算： Mkg=Mka+Mkf+M0 （3.2） Mkg—空載啟動力矩 ； Mka—空載啟動時部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩（N.CM）； Mkf—空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N.CM）； M0 —由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 在選定主電機模型時，步進電機的空載起動轉矩小于步進電機的額定起動轉矩。 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 —傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉動慣量（kg.cm2）； —電機最大角加速度（rad/s2）； nmax —運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速（r/min）； t —運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間（s）； vmax—運動部件最大快進速度（mm/min）； δp—脈沖當量（mm/脈沖）； θb—步進電機的步距角。 空載摩擦力矩： （3.4） =30×0.1×0.2/2л×0.8×1 =0.119(N?cm) G—運動部件的總重力（N）； f′—導軌摩擦系數； i—齒數傳動降速比； η—傳動系數總效率； 取η=0.7-0.85 L0—滾珠絲杠的基本導程（cm）。 附加摩擦力矩: （3.5） =0.2×(1-0.952)/2л×0.8×1 =0.016(N?cm) FYJ—滾珠絲杠預加載荷即預緊力 一般取Fm的1/3； Fm —為進給牽引力（N）； η為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取η0≥0.9； 所以Mkg≤Mmq 符合要求。 3.2.2 X/Y向電機校核 X向電機與Y向電機的校核與Z向原理基本相同，設計中只簡單的對其進行校核。 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 故符合設計要求。 3.3 滾動導軌的選擇 3.3.1 X向直線導軌副的選取 滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、反向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成的。當導軌與滑塊相對運動時，鋼球沿著導軌上的經過淬硬的滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過反向器進入反向孔再進入滾道，鋼球就是這樣周而復始地進行滾動運動，反向器兩端都裝有防塵密封端蓋?；跐L動直線導軌副以下的優(yōu)點： 1.導向精度 2精度保持性 3低速運動平穩(wěn)性。 4結構簡單、工藝性好，要便于加工、裝配、調整和維修。 在設計中由于導軌承受的載荷力小故選用了此導軌。導軌結構緊湊，制造容易，成本較低。導軌用淬硬鋼制成，淬硬至60-62HRC。 3.3.2 滾動體的尺寸和數量 增大滾動體直徑，可減少摩擦阻力和接觸應力，不易產生滑動。一般選取滾珠直徑6-8mm.設計中選用滾珠導軌，滾珠直徑選8mm。 滾動元件的數量應根據強度、剛度的選擇，等等，每個導軌一般不小于12-16，由于滾動體太小，制造誤差會顯著影響運動部件的定位精度。與之相反，如果滾動體太多，滾動體上的載荷增加，剛度降低，滾動體的數目就被減小，并且按類型選擇： Z≤≤=18.15 （3.8） 所以選取19個。 Z──滾珠的數目； W──每條導軌上所承載的重力(N)； 設計中導軌的承載重力為50*9.8=490N。 d──滾珠直徑(mm)。 3.3.3 導軌長度 滾動導軌中的滾動體和保持架隨著導軌移動，但它的移動速度只是動導軌移動速度的一半。在圖中3.1，滾動體與保持架的長度LC： 圖3.1 滾珠導軌 LG=Ld+ 式中 Ld－－動導軌長度； l－－－動導軌的行程長度。 支承導軌長度L= LG+，這種形式可以在移動的導軌移動到極限位置保證，滾動體剛搬到支撐導軌的邊緣，和導軌在全長始終和滾動，滾動導軌剛度。然而，這樣的導軌，因為在滾筒的一半的籠子里總是暴露在外，這是必要的，以加強對導軌的保護。 3.3.4 額定壽命計算 當行程長度一定時，由以h為單位的壽命時間的計算公式得： （3.9） 式中 LH－－－壽命時間（h），取15000h。 L－－－額定壽命（km）； LA－－－行程長度，取300mm。 N2－－－每分鐘往復次數，取4次。 L=＝2000km 3.3.5 直線導軌動載荷計算 滾動直線導軌副額定壽命的計算與滾動軸承基本相同。由此公式得動載荷計算： L= P=Fmax （3.10） 式中 L－－－額定壽命（km）； Ca－－－額定動載荷（KN）； P－－－當量動載荷（KN）； Fmax－－－受力最大的滑塊所受的載荷（KN）； －－－指數，當滾動體為滾珠時，＝3。 K－－－額定壽命單位（km），滾珠時，K＝50km。 －－－硬度系數 由于產品技術要求規(guī)定，滾道硬度不得低于58HRC，故通常可?。?。 －－－溫度系數，經查新版機械設計手冊 第2卷表9.3-45得 工作溫度＜1000C時＝1。 －－－接觸系數，經查新版機械設計手冊 第2卷表9.3-46得 每跟導軌上滑塊數為2時，＝0.81。 －－－精度系數，經查新版機械設計手冊 第2卷表9.3-47得 等級為2時?。?。 －－－載荷系數，經查新版機械設計手冊 第2卷表9.3-48得 無明顯沖擊或振動的中速運動場合 取1.5-2。 Ca= （3.11） ＝＝3.2KN 根據動載荷選取GGB16AA2P12*500-4型四方等載荷滾動直線導軌副。 圖3.2 滾動導軌結構尺寸圖 表3.3 滾動導軌結構尺寸數據 型 號 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 查表知單根導軌最大長度Lmax為500mm，額定動載荷為6.07KN，額定靜載荷為6.8KN。 3.3.6 接觸強度計算 滾動導軌接觸強度計算主要是判別受力最大的滾動體處導軌的接觸應力是否超過允許值。如果一條導軌上承受一個作用在導軌面重心上的力F和力矩M，則受力最大的滾動體上的載荷為: Fmax=(1+) （3.12） =(1+)=103.6N Z──一條導軌上的滾動體數目； L──滾動體有效工作長度。 在Fmax作用下，滾動體與導軌接觸面上的接觸應力為，對滾珠鋼導軌： σmax=4.58×108 （3.13） =4.58×108×2.75=1.36×109Pa d——滾珠直徑； Fmax——受力最大的滾動體上的載荷； σmax——滾動體上的接觸應力，應小于允許值，即σmax≤[σ]，[σ]為滾動體的許用應力。對于滾珠淬火鋼（HRC60-62）的滾動體的許用應力[σ]=1.8×109Pa。 根據計算結果得，設計中選取的數據合理滿足要求。 3.3.7 Y向直線導軌副的選取 由于Y向導軌所承受的載荷比X向導軌的要小的多故可選用與X向相同的導軌，同樣滿足傳動要求。 3.4 滾珠絲杠副的選擇 在螺桿和螺母擰螺旋槽之間設置適當數量的球作為中間傳動，與球回傳通道，當旋轉的螺釘或螺母，促進沿滾道導珠管滾道將繼續(xù)循環(huán)球，為了實現滾動運動的周期。因此，滾動螺旋副的運動機理是用滾動摩擦代替滑動摩擦。 3.4.1 滾珠絲桿副計算 由設計的尺寸和材質選取可計算出Y向傳動滾珠絲杠要帶動重量為100×9.8=980N的重物做水平直線進給運動，則平均工作載荷Fm=1/3Mg=980/3=326N。絲杠工作長度L=150mm。平均轉速nm=200r/min，使用壽命Lh=15000h。 3.4.2 主要尺寸初選 （1）初算導程Ph vmax—絲杠副最大移動速度，取8×102㎜/min； nmax—絲杠副最大相對速度r/min，取200r/min。 滾珠絲杠副導程為 Ph≥vmax/ nmax （3.14） =800/200 =4㎜ （2）當最動載荷Fm 滾珠絲杠最大軸向為Fa＝500； FW—載荷性質系數，取為1； ｆ—摩擦系數，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）額定動載荷計算Cam Cam= (3.17) =1×175(300/4) 1/3/(0.9×0.21) ＝6763.28 FW—載荷性質系數，取為I； FA—精度系數，取為0.9； FC—可靠性系數，取為0.21； FE—預加載荷系數，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—導軌摩擦為，F0＝uo×G=0.04×5×9.8＝1.96N L—滾珠絲杠兩軸承支點間距離為1.1行程+（10～14）Ph d2m= (3.21) =0.039 =8.66mm 兩端固定或鉸支時，支撐方式系數，取為0.039。 (6)確定滾珠絲杠副規(guī)格代號 按上述估算的Ph，Cam及d2m值從《機械設計手冊》表12-1-30～表12-1-33中，選出合適的規(guī)格代號及有關安裝，聯(lián)接尺寸，并使d2≥d2m，Ca≥Cam，但不宜過大，以免增加起動慣量幾何結構尺寸得絲杠副數據： 公稱直徑：d0=27.5㎜ 導程：P＝4㎜ 螺旋角：入＝2055、 滾珠直徑：Dw=3.2㎜ 絲杠底徑：d2=25㎜ 額定動載荷：Ca=6763.28N 選擇與之接近的2004-3型號的滾珠絲杠副進行校核，此絲杠副有關數據為： 公稱直徑：d0=25㎜ 導程：P＝4㎜ 螺旋角：2055 滾珠直徑：Dn=3.175 絲杠底徑：d2= 24.5㎜ 額定動載荷：Ca=9610N (7)其它尺寸 由尺寸公求計算滾道半徑： 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 絲杠內徑： d1=d0+2e-2R =(25+2×0.004445-2×1.651)= 21.71㎜ (8)穩(wěn)定性驗算 因為一頭固定螺絲釘在工作中可能是不穩(wěn)定的，所以在設計時應檢查，其安全系數的值應大于絲杠副傳動機構的允許安全系數[S]，查表[S]=2.5～3.3 臨界載荷Fcr(N)按下式計算: (3.22) (E=206GP，l=290mm，) Ia為絲杠危險載面的軸慣性矩（m4） =m 則 安全系數S＝ >[S]故絲杠安全不會失穩(wěn)。 (9)共振驗算 要求nmax〈ncr〈ncr為臨界轉速 　　　　 ncr=9910 （3.23） 查表知臨界轉數系數fc=3.927; =2則 ncr足夠大，故不會發(fā)生共振。 （10）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F和轉矩T共同作用下引起的每個導程變形量l（m）為 （3.24） 絲杠載面積A＝1/4; 絲杠極慣性矩Jc＝; G為絲杠切變模量對于鋼取G＝83.3GPa； T為轉矩 T＝Fmtan(λ+ （3.25） 取摩擦系數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 則線杠在工作長度的彈性變形所引起的導程誤差為 （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）效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 （3.28） 要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。 故型號2004-3的滾珠絲杠副各項性能均符合要求。 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傳動系統(tǒng)。使其保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 絲杠螺母的設計與自鎖驗算： 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： 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 自鎖的驗算： 導程角： 所以絲杠螺母可以自鎖。 絲杠螺母的效率計算： 3.4.4 滾動軸承壽命校核 軸承額定壽命為=15000h 圖3.4 滾動軸承受力情況 由力分析可知： =×370/420 =300×370/420 =261.2N =- =300-261.2 =38.8N 求兩軸承的計算軸向力和： =0.4×261.2 =104.48N =0.4×38.8 =15.52N 按《機械設計》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《機械設計》教材表13-5進行插值計算，得e=0.47，e=0.43 求軸承當量動載荷和： 因為 /=315.52/261.2=1.21>e /=104.48/38.8=2.69> e 對于軸承1 =0.44， =1.19 對于軸承2 =0.44， =1.30 因軸承運轉中有中等沖擊載荷，按《機械設計》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 驗算軸承壽命： 因為，> ，所以按軸承1的受力大小驗算 =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 涂膠彎臂的螺栓強度校核 為了方便于供膠和涂膠在系統(tǒng)中設計了涂膠彎臂。因為彎臂有豎直向下的載荷，所以以下對其進行了校核計算[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個螺栓是對稱分布的，故剪切力可以認為均分。 = (3.14) d=12mm 完全可以符合要求。 2.彎臂受到扭轉力的作用，其扭矩為： （1）截面形心： （2）計算截面慣性矩： (3.15) （3）在截面的上下邊緣，分別作用有最大拉應力和最大壓應力： (3.16) (3.17) 取[]=75Mpa ≤[] d=12mm完全可以滿足設計要求。 第4章 硬件及接口電路設計 4.1 概述 本次設計的自動涂膠機控制系統(tǒng)采用的是PLC可編程控制器進行整個涂膠自動化生產線的流程控制。整個自動化生產線的組成部分是，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)行機構，兩套單片機涂膠控制系統(tǒng)和兩套傳送帶系統(tǒng) 。達到PLC分別控制兩套涂膠機組成一個自動涂膠生產線，兩涂膠機可同時工作也可以一臺涂膠機單獨工作。 本次設計的自動涂膠機涂膠執(zhí)行部分采用MCS-51的典型產品8031進行控制，因為其體積小、功能強和價格低廉的優(yōu)點，廣泛地應用于自動化領域。由于8031是沒有ROM的單片機，數據存儲器也只有128K字節(jié)，因此它必須外接EPROM程序存儲器，才能構成最小系統(tǒng)。8031的外部程序存儲器主要存放處理程序，也能存放處理程序所必需的常數?；镜臄U展包括：擴展片外程序存儲器/擴展片外數據存儲器/擴展并行I/O接口。采用74LS373鎖存器 、74LS138譯碼器的輸出作為片選信號。本系統(tǒng)擴展了一片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。有了硬件，軟件才能有效的運行。硬件電路的可靠性直接影響到數控系統(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）輸入設備，包括光電接近開關、壓力傳感器和輸入開關按鈕。 （3）執(zhí)行設備，包括單片機及其擴展電路、皮帶控制電路、機械手控制電路、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接收來自控制面板按鈕開關信號和傳感器的狀態(tài)信號，經程序判斷與運算實現系統(tǒng)流程的控制。PLC在輸出顯示和監(jiān)控信號的同時，分別向傳動帶1、機械手1、加緊機構1、涂膠行程執(zhí)行機構1、傳動帶2、機械手2、夾緊機構2、涂膠機2、機械手2和涂膠行程執(zhí)行機構2以及各安全指示燈發(fā)出運行控制信號。 圖4.1 控制電路 4.4 驅動電路設計 脈沖輸入時，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，必須經過驅動器將信號電流放大到若干安培，才能驅動步進電機，實際上電機的驅動器是一個功率放大器。驅動器要求失真小，有較好的前沿和足夠的幅度。本系統(tǒng)采用55BF003型和70BF003型步進電機作為驅動裝置，它是受脈沖信號進行控制，微安級信號進行控制，若想使27V，5A的步進電機達到需要的額外狀態(tài)，只靠微機8255控制作用不可能提供步進電機需要的輸出功率，因此必須有額外的功率驅動電路，步進電機與控制系統(tǒng)，功率驅動電路組成一體構成了步進電機的驅動系統(tǒng)，如圖： MCS-51 步進 電機 驅動 電路 8255A 分配 系統(tǒng) 圖4.2步進電機系統(tǒng)主框圖 步進電機的控制系統(tǒng)和分配系統(tǒng)中采用匯編語言來實現的，所以采用三級管進行電流放大。下面是功率驅動電動硬件進行說明。 高低壓驅動電路如下圖所示： 圖4.3 驅動電路圖 La繞組的高低壓驅動電路，脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路，無脈沖輸出時，T1，T2，T3，T4，均截止，電機繞組La中無電流通過，電機不轉，有脈沖輸入時，T1， T2， T4，飽和導通，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電流急速增加，在變壓器次級感生一個電壓，使T3導通，80V高壓經高壓管T3加到繞組La上使電流迅速上升，約經數百微秒，當T2進入穩(wěn)壓狀態(tài)后，Tp初級電流暫時恒定，次級的感應電壓降到0，T3截止，這時12V低壓電流經D2加到繞組La上，維持La中的電流為恒定值。輸入脈沖結束后，T1，T2，T3，T4，又均截止，儲存在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間常數，改善電流波形后沿，由于采用高低壓驅動，電流增長快，電機的力矩和運行頻率都得到改善。 高低壓驅動電路，采用四個三極管，線路比較簡單，工作穩(wěn)定實用性強，它具有以下特點： a 本回路采用兩種電源供電80V12V b 驅動電路采用了三級放大，使電路合理，穩(wěn)定性好。 c 由于電機轉動產生的反電動勢，使電流波形頂部下凹，使平均電流下降，轉矩下降。 濾波后電壓波形電容值越大，濾波的效果會越好，但電容值過大也會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接線說明 傳感器在工業(yè)的自動化生產中占有重要的地位。通過傳感器不僅可能確定工件的工作情況，而且可以檢測生產的某些過程，以便控制生產流程。傳感器是將非電量的物位參量轉換為可測量的點信號，提供給中央處理單元。 4.5.1 光電傳感器的選擇 系統(tǒng)設計要求對工件在傳送帶上到達指定位置的位置信號進行檢測。我們選擇了洞光光電開關廠出產的DC二線長閉光電開關LA1-1K。其各項性能指標如下： 1. 檢測距離: 動作距離是指檢測體按照一定方式移動時，從基準位置（接近開關處的感應表面）到開關動作時測的基準位置到檢測面的空間距離。額定動作距離是指接近開關動作距離的標稱值。本型號的檢測距離為1mm±20% 2. 設定距離：接近開關在實際工作中整定的距離，一般是額定動作距離的0.8倍。?本型號的設定距離為0.4mm 3. 回差值: 動作距離與復位距離之間的絕對值。本型號的回差值為檢測距離的10%。 4. 標準檢測體：使接近開關作比較的金屬檢測體。本廠所采用的檢測體為正方形的A3鋼，厚度為大于1mm，采用的邊長是接近開關檢測面的2.5倍。 5. 輸出狀態(tài)：為常閉，即當無檢測物體時，常開型的接近開關接通的負載，由于接近開關內部的輸出晶體管截止而不工作，當檢測到物體時，晶體管導通，負載得電工作。 6. 檢測方式：非埋入式，即接近開關則需把感應頭露出，以實現其長檢測距離的目的。 7.響應頻率f：按規(guī)定的1秒的時間間隔內，接近開關動作循環(huán)的次數。?響應時間t：接近開關檢測到物體的時間到接近開關出現電平狀態(tài)翻轉的時間之差。 4.5.2 壓力傳感器的選擇 本系統(tǒng)對壓力傳感器的選擇為奈士德 NDA波登管壓力開關。壓力傳感器在本系統(tǒng)中的作用是檢測供膠系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力。當供膠系統(tǒng)的供膠壓力超出設定的正常范圍時向中央處理單元發(fā)出電信號，中央處理單元發(fā)出報警并根據系統(tǒng)程序做出處理。涂膠過程中，需要保證膠棒內有足夠的膠為下一工件能夠涂完為止，所以設計了膠棒內膠量不足的報警子程序。每一工件涂完膠后提醒工人換件，這樣就可以節(jié)省不必要的時間，提高了勞動生產率。 4.5.3 傳感器接線說明 傳感器的種類很多，其輸出方式也各不相同。當采用接近開關、光電開關等兩線式傳感器時，由于傳感器的漏電流較大，可能出現錯誤的輸入信號從而導致PLC的錯誤動作，此時，可在PLC輸入端并聯(lián)旁路電阻Ｒ，如圖4-4所示。當漏電流不足lmA時可以不考慮影響。 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），的值根據輸入點的不同存在差異。光電開關接入，其為5v， I約為4mA，約為1。通過計算取值為2。壓力開關接入，其為5v， I約為3.8mA，約為1。通過計算R也出值為2。 33 結論 1、此次設計的涂膠機體積小，結構簡單，操作方便，有利于它的通用性。 2、此次設計的自動涂膠機完全脫離了手工涂膠，實現了全自動涂膠，使工人從繁瑣的勞動中解脫出來，減少了工人的勞動強度，這將大大的提高勞動生產效率。 3、在涂膠的過程中，保證了涂膠的厚度和膠的均勻性，這樣，不僅提高了機器零件的密封性，而且機器的性能將更加良好。涂膠機的研制，將為企業(yè)帶來巨大的經濟效益。 參考文獻 [1] 王會香 ，孫全穎.自動涂膠機械手的PLC控制，哈爾濱理工大學報,2000.7. [2] 賈方.半導體放電管全自動涂膠機研制關鍵技術.沈陽：電子專用設備,2008.12