自动涂胶机的设计毕业设计.doc
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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、Y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FANUC0数控系统组成。
[关键词]密封装置变速箱X-Y-ZFANUC0
TheDesignoftheAutomaticGluingMachine
[Abstract]Automaticcoatingmachineisamechanicaldeviceintendedtosealpeople,whichcombinesthestrengthsofhumansandmachines,industrialandnon-industrialsectorisanimportantproductionandserviceequipment,advancedmanufacturingtechnologyisalsoindispensableautomationequipment.
ThetopicsdevelopedbytheNCcoatingmachineisdesignedFAWGroupgearboxfactoryprototypeglue,requiringautomaticcoatingmachineX,Ytwo-axisdrivenbyACservomotorscanachievelinearandcircularinterpolation;Zaxispneumatic,mainlyforthejobofconvertingthestationtoadjustthedistancebetweenthemuzzleandtheadhesiveglueplane,andwritetheNCprogramtocompletetheworkofgluingthefrontgearboxhousing.
Thesystemisatypicalmechatronicsystems.Thus,thesystemdesignedtobemainlycomposedofmechanical,electrical,controlofthreemajorcomponents.ThemechanicalpartisamechanicaldevicecontrolXYZaxistravel,itismainlydrivenbyballscrewXY-axismotionactuators,cylinders,railsandotherexecutiveagencies.ElectricalpartbyACservomotors,opticalencoders,variousdetectionsensors,solenoidcontrolvalve.ControlofsomeofthemajordevelopedbytheJapanesecompanyFANUC0FANUCCNCsystem.
[Keywords]SealingmeansTransmissionX-Y-ZFANUC0
目录
第1章绪论………………………………………………………………………1
1.1引言………………………………………………………………………1
1.2用于密封涂胶的发展概况…………………………………………1
1.3课题的来源、研究及意义……………………………………………2
1.4课题研究的内容……………………………………………………3
第2章自动涂胶机的总体设计方案……………………………………………4
2.1概述……………………………………………………………………4
2.2系统的组成……………………………………………………4
2.3系统功能…………………………………………………………4
2.4密封胶类型选择…………………………………………………4
第3章自动涂胶机机械系统的设计……………………………………………6
3.1传动部件的设计………………………………………………………6
3.1.1概述……………………………………………………………6
3.1.2滚珠丝杠副的设计……………………………………………7
3.1.3滚珠丝杠副的选择方法……………………………………………7
3.2导向部件的设计………………………………………………………9
3.2.1概述……………………………………………………………9
3.2.2滚动导轨的设计…………………………………………10
3.2.3滚动直线导轨副的安装尺寸…………………………………10
3.3支承件的设计……………………………………………………11
3.3.1概述………………………………………………………………11
3.3.2支承件的选择……………………………………………………11
3.4涂胶系统的设计……………………………………………………12
3.4.1Z轴驱动装置的设计………………………………………12
3.4.2涂胶装置的设计………………………………………………12
3.5夹具的设计……………………………………………………………12
3.5.1概述…………………………………………………………12
3.5.2夹具的设计…………………………………………………13
3.5.3定位误差的计算……………………………………………13
3.5.4气动系统图……………………………………………………14
第4章自动涂胶机伺服系统的设计…………………………………………15
4.1概述…………………………………………………………………15
4.1.1伺服系统及其分类………………………………………………15
4.1.2伺服系统电机的分类及其特点……………………………16
4.2电机的选择……………………………………………………………17
4.3伺服系统的计算………………………………………………………19
4.3.1.主要参数设定………………………………………………19
4.3.2X向伺服进给系统的计算……………………………………19
4.4伺服电机计算………………………………………………………22
4.4.1惯量计算………………………………………………………22
4.4.2转矩匹配计算………………………………………………23
4.4.3检测装置的选用………………………………………………23
致谢……………………………………………………………………………25
结论………………………………………………………………………26
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——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。
通用密封垫或密封圈最明显的缺点如下:
应用此种密封的场合，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。
只有当作用在密封垫或密封圈上的压缩载荷高于“最小密封应力”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，密封垫或密封圈就会松弛并呈现一种由于密封垫或密封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，密封垫或密封圈有破裂的可能。
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，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，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封材料的应用标准和性能标准，而且还制订了密封部位的防泄漏标准，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。
1.3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件使用密封胶主要是为了防止“三漏”——漏油、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：
①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；
②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；
③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。
1.4课题主要研究内容
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、Y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）。
为实现涂胶机的良好控制，本设计主要做了以下工作:
①涂胶机机械系统的设计，包括X、Y方向的伺服驱动系统，Z方向的气缸驱动系统；
②涂胶机供胶系统的设计，包括胶枪及其驱动气缸的设计；
③涂胶机夹具的设计；
④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FANUC0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：
①所用的胶具有均匀一致的性能。
如粘度，固化特性等等；
②胶枪挤出胶带的形状尺寸均匀一致；
③胶枪嘴与工件保持恒定的间隙；
④胶枪出胶的速度（流量Q）与胶枪运行速度（V）相匹配，即QV；
⑤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角。
第3章自动涂胶机机械系统的设计
3.1传动部件的设计
3.1.1概述
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，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度两方面同时实现自动控制。
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：
①传动效率高，摩擦损失小。
滚珠丝杠副的传动效率η＝0.92～0.96，比常规的丝杠螺母副提高3—4倍。
因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/4～1/3。
②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。
③运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
④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。
⑤磨损小，使用寿命长。
⑥制造工艺复杂。
滚珠丝杠和螺母等元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
①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要选择丝杠的公称直径和基本导程。
公称直径应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。
螺纹长度在允许的情况下要尽量短，一般取小于30为宜；基本导程应按承载能力、传动精度及传动速度选取，大承载能力大，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，基本导程，工作圈数取为3。
②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预紧力。
通常需要把2个以上的轴承组合起来，
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