直线点胶机设计Word下载.docx

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涂胶系统、运动控制系统和执行机构三部分。

涂胶系统的核心部件是涂胶控制器，涂胶控制器精确控制涂胶量的多少。

运动控制系统进行任务及信息处理，向驱动器发出脉冲和方向信号，完成对涂胶机器人执行机构的控制，实现预期的动作，同时控制涂胶信号，共同完成精确涂胶。

涂胶机是专门对流体进行控制，并将流体点滴、涂覆于产品表面或产品内部的自动化机器。

涂胶机的发明及广泛应用，大大的节省了人力成本，实现了自动化的同时还实现了高精度，对提高产品质量有着极其重大的意义。

本课题基于上述现状，提出设计一种直点涂胶机。

本课题的研制对于提高学生的工程能力以及拓展生存空间有着重要的意义；

同时为今后涂胶机的深入研究做前期准备。

因此，本课题的研制具有重要的社会意义。

1.3涂胶技术的发展及现状

涂胶过程实际上就是以某种方式将胶体或粘接剂等输送、配发在指定位置。

据涂胶技术的特征可分成：

接触式涂胶和非接触式涂胶

接触式涂胶根据涂胶头的类型可以分成以下几种：

（1）时间/压力型涂胶技术，见图1-1（a）。

由于时间/压力型点胶技术只采用脉动的空气压力和针管就能实现点胶，因此超过70%的点胶系统采用了这种技术。

它在胶体黏度中等大小时工作最好，能够点出各种形状图案如点、线等。

优点：

经济、操作方便，适用性好，可用于变压器、磁头、芯片等各种对象。

缺点：

采用脉动压缩空气工作会加热胶体并改变其黏度和胶体大小；

随着针筒内的胶量大小改变，点出的胶量会随着变化；

这种技术在高速时难以工作。

（2）活塞式点胶采用类似活塞-气缸的机构来点胶，见图1-1（b）。

首先将胶体引入到一个开口的气缸中，然后由马达驱动的活塞会将气缸密闭并产生运动，直到将腔中的流体全部从点胶头挤出。

由于这种方法实际上控制的是气缸内的流体体积而非流体压力，这样就避免了胶体特性变化的影响。

不管胶体的黏度如何变化，采用这种技术点出的胶量能始终保持不变。

点出胶量一致性较好。

利用机械运动来点胶，点胶速度不会很快；

点胶量大小不好调节；

需要专门设计的点胶头,维护性较差。

（3）螺杆计量泵点胶技术：

见图1中（c）图所示，螺杆计量泵点胶技术，采用新设计的点胶头来提高点胶性能。

典型的计量泵为阿基米得计量管。

点胶过程是采用恒定的气压使胶体流入螺纹空隙，电机带动螺杆使胶水从针头流出。

控制简单，适用的胶体较广；

可以软件编程决定点出的胶量，控制灵活且精确度比时间/压力型高，有较高的一致性。

同时，采用移动式点胶头的方法能够持续不停地旋转螺杆就可以很容易地画出圆和线。

这种技术对胶体粘度同样比较敏感，螺纹反复旋转会降低粘度；

点胶量一致性受到液面高度、气压、胶体粘度、温度等影响。

a）时间/压力型b）活塞式c）计量泵式

图1-1接触式点胶示意图

非接触式涂胶技术常用的涂胶方式有：

（1）喷射式涂胶技术（JetDispensing）：

其结构如图1-2中（a）图所示，流体喷射点胶是一种最近发展出的一种点胶技术。

其基本原理与喷墨打印机喷墨的原理类似，通过向流体上施加一个足够大的力使得材料能够自动分离。

这种技术并不依靠重力或表面张力来分离流体，因此就点胶头不必再做垂直运动，点胶速度也大大提高。

制动器一般由压电晶体或流体喷射阀来实现，并配有专用的温度控制装置。

其优点：

不需要机械运动，点胶速度快。

适用的流体材料有限；

点出的胶点大小固定，不易调节。

（2）压电式涂胶技术（PiezoelectricDispensing）：

其结构如图1-2中（b）图所示，压电式点胶是利用压电陶瓷制成的一种点胶泵。

压电陶瓷是具有双向作用的介质，可以实现电-力相互转化。

在压电陶瓷上通以高频率交流电，产生的作用力可以使压电陶瓷做同频震动。

在点胶过程中，胶体被注射器内的恒压挤到喷嘴和压电陶瓷之间的空腔内，压电陶瓷沿喷嘴轴向震动，挤出胶体，从而实现点胶动作。

非接触式点胶过程中，喷嘴不与工作面接触，喷嘴尺寸一定的情况下，可以通过在同一位置连续喷射多点叠加来达到调节胶点尺寸的目的。

影响非接触式点胶质量的主要因素有：

喷嘴内径、活塞的直径和行程、胶体温度等。

a）喷射式点胶b）压电式点胶

图1-2两种非接触式点胶

上述方法均可以涂胶各种胶体,但是每一种都有其适用的胶体和特定的场合以及各自的特点。

由于时间/压力型涂胶技术成本低，操作方便，易于维护，在涂胶工艺中超过70%都采用该涂胶技术。

本设计也采用此种点胶方法点胶。

一个典型的时间/压力型涂胶系统主要包括以下几个部分：

气压稳定装置（比例调压阀和气罐），控制装置（控制阀），连接气管，控制器以及试管。

控制器通过设定正压源的空气压力和电磁阀的通断时间来调节从针头处流出的流体体积大小。

为了在重力作用下流体流出，通常还加上一定大小真空将胶体在稳态时吸附住。

可以看出，通过压力和时间的共同作用可以影响点出胶体的大小。

由于涂胶所用的胶体多为非牛顿流体，其复杂多变的性能，使得涂胶质量难以保证。

模型分析能够让我们对事物本质规律性有比较明确的认识，建立过能够确定参数影响、观察系统结果以及对过程中的变化做出适当的处理。

1.4涂胶机器人的发展

随着机器人技术的发展和成熟，机器人由于具有灵活性，开放性，生产制造柔化的特点，各种形式的机器人开始在涂胶系统中采用。

目前应用比较广泛的是三自由度直角坐标机器人和六自由度串联机器人。

前者可以满足绝大多数的涂胶作业任务，后者，机器人的末端可以达到工作空间内的任意一点，同时可以调整末端的姿态，因此可以达到较好的涂胶效果，图1-3为Reinhartd公司设计的采用两台库卡机器人粘贴汽车整个前照灯外壳。

文献中的汽车车窗涂胶系统就采用了多自由度串联机器人作为机械本体。

图1-3KUKA机器人

随着控制技术的发展，涂胶机器人经历了由简单涂胶发展到了智能化涂胶四个阶段。

目前可以分为四类：

（1）一般涂胶机：

它只有一个运动轴，只能做往复运动，因此只适合对简单的工作平面进行喷涂。

（2）机械式涂胶机：

这种涂胶机控制比较简单，其喷枪运动是靠安装在喷枪内部的仿形导轨来引导的，所以其所能喷涂的零件较简单，只能对固定形状和尺寸的零件进行喷涂。

该类涂胶机的特点是结构控制形式简单。

优点是造价低廉、工作可靠；

缺点是灵活性差。

图1-4为北京机械工业自动化研究所研制的用于汽车外壳喷涂的龙门式仿形喷涂设备。

图1-4龙门式仿形喷涂设备

（3）软仿形涂胶机器人：

喷涂系统在被喷涂表面运动时，一般需要三个运动轴同时运动，喷枪的运动轨迹是靠计算机软件控制的。

涂胶机器人通常采用工控机+运动控制卡或者专用运动控制器+示教盒的模式实现对涂胶机器人末端的控制。

基于工控机的控制系统具有可靠性高，接口丰富，扩展性和开放性好，系统通信功能强等特点，适合工业应用。

基于PCI运动控制卡简化控制系统的硬件设计，有良好的控制界面，开发难度降低，缩短开发时间。

该类涂胶机器人通过CAD图形输入方式获得轨迹运行参数，可以适应多种图形的涂胶。

而采用运动控制器+示教盒模式的涂胶机器人控制系统，成本相对较低，并且能够满足大部分涂胶作业任务。

采用示教编程方式，仅需实物即可快捷方便完成编程。

具有良好的推广应用性。

缺点是对于高精密涂胶不能完好的保证轨迹精度。

图1-5为东莞市天豪自动化设备有限公司生产的涂胶机器人产品。

图1-5软仿形涂胶机

（4）智能涂胶机器人：

该类涂胶机器人集成了上述涂胶机器人的优点，同时引入了视觉系统和现代控制方法，使得涂胶系统从开始涂胶到涂胶后质量检测高度集成，实现了涂胶系统的智能化。

采用摄像机和计算机代替人眼对目标进行定位、跟踪和测量，提高了定位的精确性和检测的准确性。

目前机器视觉正广泛应用于视觉检测、机器人视觉引导中。

这类涂胶系统的特点是，系统集成度高，系统对整个涂胶过程都进行了检测及控制；

人机界面更加友好，对系统的操作控制更加方便简单；

系统的功能更加强大，可以实现连网控制等。

由于系统价格昂贵，仅在特殊行业中应用。

图1-6为首钢莫托曼机器人有限公司推出的汽车挡风玻璃涂胶工作站。

图1-6风挡玻璃涂胶机器人

目前，点胶行业产品比较成熟的品牌有武藏（MUSASHI）、LCC、EFD、CAMALOT、scheugenpflug等。

涂胶机器人采用的传动方式包括精密滚珠丝杠/伺服电机与步进电机/同步带两种方式，其中采用精密滚珠丝杠/伺服电机这种传动方式，可以达到较高的精度，世椿自动化设备有限公司生产的SEC-500Y5T采用了这种传动方式，达到了分辨率0.001mm。

高精度的点胶设备适合于LCD、TFT、LCM等液晶组点胶。

采用步进电机/同步带传动方式的涂胶机器人，精度较低，武藏的SHOTMASTER300S的分辨率为0.01mm。

涂胶机器人的运行速度高达到1000mm/s。

随着涂胶轨迹速度的增加，出胶速度也相应增加。

目前广泛采用的时间/压力型点胶技术，精确控制其出胶量困难，则对气泵中高压气压的均匀性提出了更高的要求。

涂胶机器人的高速运动，对于阵列涂胶点有一定的意义，可以减少点胶过程中空走行程的时间，提高生产效率。

电声行业元器件尺寸较小，桌面型涂胶机器人已经满足使用要求，基于工控机+运动控制卡的控制系统相对成本较高，且体积大不方便。

而采用运动控制器+示教盒模式的控制系统，成本较低，放置方便，便于操作，易于推广。

实际生产中应用在电声行业的涂胶机器人，大多数是桌面型直角坐标涂胶机器人，其控制系统采用的是控制器+示教盒的模式。

目前主要通过以下三个方面衡量涂胶机器人性能：

（1）是否具备高的运行速度；

（2）涂胶轨迹的精度；

（3）精密涂胶量的控制精度。

开发针对某一行业的涂胶机器人可以降低成本，提高产品的竞争力，降低开发难度。

将产学研很好地结合，为提高我国自动化生产提供强有力的推动性。

2设计任务

本课题的要求：

1）技术要求：

自动送料并能加紧工件，工件的移动速度4000mm/min，横向的进给涂胶速度3000mm/s。

2）根据技术要求拟定设计方案，包括整体结构，机械传动方案和控制方案，完成整体的机械机构设计。

3）整体的控制装置设计：

按工作要求确定控制系统类型，设计控制硬件以及编制相应控制软件，选择合适的传感器。

4）选择驱动方式，设计传动系统。

5）设计详细结构，画出总装配图、部件图，电气原理图。

6）挑选部分典型零件设计零件工作图。

7）完成控制电路原理图。

8）撰写设计计算说明书。

3总体设计方案

3.1传动方案的比较

首先排除直线电机的选择，因为是经济型，虽然直线电机的各方面性能和精度都比一般机械传动要高但造价抬昂贵，一般中小企业承受不了。

然后是滚珠丝杠螺母机构，齿轮齿条机构的对比。

齿轮齿条机构在轴向上能传动较大的力，具有传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比；

缺点是制造及安装精度要求高，成本高，X轴向不需要较大的传动力所以X轴向的运动不采用齿轮齿条，滚珠丝杠螺母拥有比齿轮齿条更高的传动精度和传动刚度，所以X轴向采用的是滚珠丝杠螺母机构。

同理Z轴方向的上升和下降也采用丝杠螺母传动。

3.2传感器

点胶机三种工位的判断准备在点胶针头两侧放置金属传感器来判断工件是否接近，是否开始点胶和关闭点胶。

3.3自动送料的进给传动结构的设计

自动送料的机械结构：

图3-1结构一

在图3-1结构一中运用了旋转运动，两个圆盘一起旋转，带动了当中一大块物件做旋转运动，能间歇性的将平台上的物体向前移动，达到了送料的目的。

所以采用图7的结构进行自动送料过程。

3.4电气控制设计及选择

虽然单片机在价格方面比较经济实惠点，但PLC就是成型的单片机，操作方便、稳定型好、易于维护、检修，所以选用PLC来控制。

3.5点胶技术

通过对比时间/压力型点胶技术、活塞式点胶、螺杆计量泵点胶技术这三种点胶技术，得出活塞式点胶、螺杆计量泵点胶技术成本较高而时间/压力型点胶技术只采用脉动的空气压力和针管就能实现点胶，涂胶技术成本低，操作方便，易于维护，在涂胶工艺中超过70%都采用该涂胶技术，在经济方面有巨大优势。

因此本设计也选择采用此种点胶方法点胶。

就是采用普通的压缩空气送入胶瓶或注射器的方式。

3.6电机的选择

交流伺服电机在速度稳定性和合调速性能方面都比步进电机要好的多，但伺服驱动器的价格比步进电机驱动的价格要高很多，虽然步进电机在带负载高速运动情况下会产生失步的情况，但所要求的点胶速度并不是很快，所以不用担心失步的情况会发生，步进电机的价格方面比较经济实用。

3.7定位夹紧装置

点胶不碰触工件本体，夹紧力不用很大，采用气缸夹紧，分别有上下推动的定位气缸和左右推动的夹紧气缸。

气泵同时也供给气源给涂胶使用。

上抬气缸负责将两只夹紧用气缸上推定位，两只夹紧气缸负责前后推动达到夹紧工件目的。

3.8整体框架

整体的框架采用铝合金型材来支承，型材与型材之间可以用焊接来固定，也可以用螺钉来进行固定，由于铝合金重量轻，而且装拆比较方便，在运输上也十分便利。

整体构架以长方形为主，这样下箱体的空间也十分充裕，可以摆放各种需要的物品。

3.9本章小结

在撰写开题报告的一个月中，在张老师的建议建议下，我很快找到了做毕设的着手点。

主要是查找相关点胶机以及有关机电控制的资料，确定各部件的传动方案，初步选用了滚珠丝杠螺母副来达到直线进给的目的，利用一套简单的连杆机构达到自动送料的目的，在控制方面选用PLC来控制，定位加紧装置用气缸来实现，电动机用了性价比较高的步进电动机，这样PLC控制起来方便灵敏度也比较高。

通过这次的搜集资料，我学会了比较几种方案的优劣的能力，让设计变的有方向，而不是漫无目的的做到哪里就是哪里，限定了进度完成的时间，这样让我能更有动力在规定的时间内能完成任务，同时也使我的毕业设计有规划的进行着，然后达到在规定时间内能完成毕业设计的目的。

4直线点胶机器人机械以及基本框架设计

4.1主要参数指标

（1）水平X方向脉冲当量δX=0.005mm/脉冲

（2）水平X方向最快移动速度VXMAX=3000mm/min

（3）水平X方向最大加工长度2200mm

4.2滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）工作载荷的计算，按照竖直导轨移动的部件总重量估算，采用双滚动导轨组合，查表4-1用公式其中，由于Fm=KFx+m（Fz+Fy+G）其中µ

=0.005K=1.1，因为点胶机不和工件直接接触，只是在槽中点胶，所以Fz=Fy=0，竖直方向Fx=G=200N。

所以得：

Fm=KFx=1.1×

200=220N

表4-1实验参考公式

（2）最大动载荷FQ的计算，公式为：

式中：

L—滚珠丝杠副的寿命，单位为

，

（其中T为使用寿命，普通机械

取T=5000~10000h，数控机床及一般机电设备取T=15000h；

n为丝杠每分钟转速）；

fW—载荷系数；

fH—硬度系数（大于等于58HRC时，取1.0；

等于55HRC时，取1.11；

等于52.5HRC时，去1.35；

等于50HRC时，取1.56；

等于45HRC时，取2.40）

Fm—滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。

最大进给速度为VXMAXf=3000mm/min，初选丝杠基本导程Ph=6mm。

此时丝杠转速：

。

取滚珠丝杠寿命T=15000h，带入

单位为106r。

查表4-2系数fW=1.2，取硬度系数fH=1，带入公式得出最大动载荷：

表4-2载荷系数

（3）初选型号，根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31选择G4006-3型滚珠丝杠其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为3圈，精度等级取5级，额定动载荷为15860N，远大于FQ满足要求，最大工件长度有2000mm，特点螺纹段2100mm。

（4）传动效率计算，将公称直径d0=40mm，基本导程Ph=6mm带入公式：

λ—为丝杠螺旋升角。

将摩擦角ϕ=10′带入效率公式：

（5）刚度的验算

1）竖直X方向滚珠丝杠副的支承采用“双推——简支”的方式，丝杠左端各采用一对推力角接触球轴承，丝杠右端采用一对深沟球轴承座简单支承，左右支承中心距离约为2200mm。

钢的弹性模量E=2.1×

105MPa，滚珠直径Dw=3.969mm，丝杠底径d2=35.2mm。

则丝杠截面积：

丝杠的拉伸或压缩变形量：

2）单圈滚珠数：

丝杠预紧时取轴向预紧力

则：

3）那么δ总=δ1+δ2=0.02+0.005=0.025mm，丝杠有效行程为2100mm，5级精度的滚珠丝杠有效行程在2000mm~2500mm内行程偏差允许达到78μm，可见丝杠刚度足够。

（6）压杆稳定性校核，取支承系数fk=2，由于水平安装所以压杆稳定系数K=4。

截面惯性矩：

滚动螺母至轴向固定处的距离最大值取2200mm，得临界载荷：

，故丝杠不会失稳。

4.3水平方向步进电机的选用

（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量已知：

滚珠丝杠的公称直径d0=40mm，总长l=2300mm，导程Ph=6mm，材料密度ρ=7.85×

10−3kg/cm3，水平移动部件总重量G=400N，丝杠与电机由联轴器连接，传动比i=1。

则丝杠的转动惯量：

则工作台折算到丝杠上的转动惯量：

初选步进电机型号为110BYG2602，2相8拍驱动时，步距角为0.75°

，该型号电动机转子的转动惯量Jm=15kg⋅cm2

加在步进电机转轴上的总转动惯量为：

Jeq=Jm+JW+JS=15+39.9+0.73=55.63kg⋅cm2

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩，分快速空载启动和承受最大工作负载。

因点胶机直接接触工件所以没有产生额外的工作负载，故只要计算快速空载启动转矩。

1）快速空载起动时折算懂啊电动机转轴上的最大加速转矩：

移动部件运动时，折算到电动机转轴上面的摩擦转矩F摩=µ

G=0.005×

400=2N。

快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

（3）步进电机最大静转矩的选定，考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。

因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。

取安全系数K=4，电动机最大静转矩Tjmax≥4Teq=4×

3.4755=13.9