自动涂胶机

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第二章
自动涂胶机的总体结构设计
一、 设计任务和内容
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。 4、软件系统设计就是控制程序设计，利用 MCS-51 单片机控制，采用汇编语言进 行程序设计。
二、设计要求
机械部分要考虑整体布局，工作行程要能满足要求，传动装置要平稳且准确，还 要兼顾速度，另外需考虑经济性，该设备要求成本低，尽量选用标准件，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。 电路部分主要是芯片的选取和电路的扩展连接，及三个电机控制电路的设计。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。
由于 Y 向滚珠丝杠的工作载荷要比 X 向滚珠丝杠小些，故用同一型号滚珠丝杠能满足传动要求。 此处省去 NNNNN 需要更多更完整的图纸和说明书请联系 秋 3053703061
3、Z 向传动机构的选取 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： 丝杠螺母的螺距为 2mm 公称直径为 18mm 螺母的高度为 H=ψd2=2.5 18 45 ψ取 2.5 整体式 旋合圈数 n=H/P=45/4=11.25 12
360 i / t 360 0.008 1 / 2 1.5
其中： 脉冲当量δ=0.008 其中 电机的型号 55BF003 电机的参数如下： 相数 步距角 电压 相电流 最大静转矩 最高空载启动频率 3 1.5/3 27 3 质量 0.83 0.686 外径Φ 55 1800 长度 70 轴径 6 I=1.0
Ca'=Fc× 3 nmLn/1.67 × 10 4
Ca Fc nmLn / 1.67 10 4 660
3
3
200 1.5 10 4 1.67 10 4 3274 N
Lh ——额定寿命
nm ——平均转速
（3） 根据 Ca' 选择滚珠丝杠副，假设选用 FC1 型号， 按滚珠丝杠副的额定动载荷 Ca 等于或大于 Ca'的原则， 故选以下型号规格： FC1 —2005—2.5 和 FC1—2004—2.5.考虑到各种因素，最后选用 FC1—2005—2.5。 FC1—2005—2.5 滚珠丝杠副数据为： 公称直径 导程 螺旋角 滚珠直径 滚道半径 D0=20mm P=5mm λ=4o33ˊ d0=3.175mm R=0.52d0=1.651mm
第一章
绪
论
近年来，伴随着生产和技术的发展，机电一体化有了很大的发展,自动涂胶机在 我国机械设备的装配与维修中得到了广泛的应用，不仅提高了劳动生产率，同时也节 省了能源和材料。尤其是汽车行业，对汽车零部件的结合面有一定的密封性要求,其 结合面都需要涂胶， 涂胶的精度对汽车的性能至关重要，自然对自动涂胶机提出了更 高的要求。以往涂胶都是依靠工人的手工来完成，涂胶的效率极低，而且很难保证涂 胶的均匀性和胶体的厚度。自动涂胶机既能保证涂胶的均匀性又能有效的节省材料， 大大提高了工作效率和工作质量， 减少了工人的劳动强度。 因此针对不同的工作需要, 自动涂胶机可以采用框架式机器人或多自由度机器人来实现对结合面进行涂胶，同 时，这项技术的应用也意味着每天给国家企业带来巨大的经济效益。 本次设计的目标是为第一汽车集团设计一台自动涂胶的设备 （轴承座与减速器间 的密封圈）使它能在实现日常工作目的的基础上，尽量使机械结构合理的简化，降低 成本，增加其实用性和性价比。此机构采用框架式机械手操作机，由步进电机作为驱 动装置,X,Y 轴联动可合成各种平面的各种曲线,XYZ 轴联动并可合成空间曲线或直线 (但必须考虑胶的流动)。,保证系统可靠性及涂胶精度的前提下降低造价,提高性能/ 价格比。 本次设计的自动涂胶机硬件控制采用的是 MCS-51 单片机进行三坐标联动运动进 行控制，通过汇编语言编程来实现涂胶机的 X 向、Y 向、Z 向运动的数据量，来控制 涂胶的速度和均匀性。 随着数控技术、 机电行业的不断发展及对机器性能的高要求，自动涂胶机一定会 有着更广泛的应用前景。
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偏心距 丝杠内径 （4）稳定性验算
e=0.707(R-d0/2)=0.004445mm d1=D0+2e-2R=16.7869mm
1、临界载荷 Fcr=π²EIa/(ul) ²=1.09× 1010 安全系数 S=Fcr/Fm>[S],丝杠是安全的，不会失稳。 2、临界转速 ncr=9910×fc²d1/(ul) ²= 1.76 10 r/min
方案框图
Z 向是用来控制出胶的量的，且要求传动平稳，故选用丝杠螺母工作，丝杠螺 母有自锁能力，可保证涂胶的厚度和均匀性。 通过改变 Z 向丝杠螺母的转速，以 保证 Z 轴的升降速度，来达到涂胶的要求。 由于 X，Y 向运动要求平稳、准确，所以采用了滚珠丝杠传动，滚珠丝杠传动 效率高、刚度好、传动精度高且使用寿命长。 导向机构承载大，且需要平稳，所以 X 、Y 向采用滚动导轨，滚动导轨承载较 大，且导向准确。为了满足传动比和结构简化的要求，采用齿轮系统进行变速，齿 轮的结构紧凑、工作可靠、寿命长且传动比稳定。
涂胶机装置传递要求精度很高，为了使涂胶机的结构简单，齿轮间隙的调整采 用偏心轴套进行消隙，滚珠丝杠增加了紧定螺钉，消除了轴向间隙，同时与键配合下 也消除了周向间隙。具体结构框架如下图：
二、 传动装置设计
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（一） 、电机和连轴器的选取
1、Z 向电机的选取： 电机的选取原则是满足精度要求即步距角，满足输出功率要求即转矩问题。 步距角：
0.99 tgr / tg (r v ) 0.99 tg 2.02 / tg (2.02 4.73) 29.5%
（三） 、滚动导轨的选取 1、X 向导轨的选取
（1）行程长度寿命 Ts Ts=2Lsn60Th/1000=2×0.3×4×60×1.5× 10 4 / 10 3 Ls——工作单行程长度（m）取 300mm n——往复次数 取 300mm Th——工作时间寿命取 15000h （2）计算动载荷 Ca=Ffw³√(Ts/k)/mfTfcfH= 1.04 10 4 N F——作用在滑座上的载荷 m —— 滑座个数 =1960Km
四、 自动涂胶机的主要技术参数
1、每一工件涂胶时间：15s---20s 2、胶型：东泰严氧平面密封胶 51s 3、步进电机型号： 4、步进电机相数： 5、步进电机拍数： X.Y 取 70BF003 Z 取 55BF003 3相 6拍 αy=3º αz=1.5º
6、步进电机步距角：αx=3º 7、步进电机电压：
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连轴器
2、X 向电机的选取： 中拖板和上拖版加上涂胶装置总重量<=50Kg,则滚珠丝杠上的平均工作载荷为 Fm=490/3N 取螺旋角偏大点，设λ=3.20 则受力分析如下图：
λ
Fm Fn x
设周向分力为 xN,则： x=Fm tanλ=490/3 tan3.20=9.13N (D0/2) x=30/2 10-3 9.13=0.137N·m 以上取值都是取最大可能值，实际值一定比 0.137N·m 小得多，为了安全起见，故选 用 70BF003 型号，保持转距为 0.784N·m 的步进电机。 3、Y 向电机的选取： Y 向电机的选取也需要满足扭矩的大小，以保证丝杠的正常运转。由于密封圈是 圆形工件，可选用同一型号的电机就能满足涂胶的精度。且更有利于电路的控制，程
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n cr n max 所以丝杠不会共振。
3、此外丝滚珠丝杠还受 D0n 值的限制 D0n=20×200=4000mmr/min<70000 mmr/min 所以丝杠副工作稳定。 （5）效率验算 滚珠丝杠副的传动效率η为： η=tgλ/tg（λ+ρ） =tg（4o33ˊ）/tg（4o33ˊ+4o40ˊ） =94.8% ρ——摩擦角 所以 FC1-2005-2.5 各项性能均符合要求，可选用。 2、Y 向滚珠丝杠的选取：
X 向，Y 向用 DC27V Z 向电机 用 DC27V
8、步进电机电流： X 向.Y 向 3.0A
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Z向 9、步进电机最大静转距：
3.0A
X 向，Y 向电机 0.784Nm Z 向 电机 0.49Nm 保持转距： X 向，Y 向 0.646Nm， Z 向 0.3Nm 10、步进电机空载起动频率： X 向，Y 向 1800pps Z向 运行频率： 3100pps
三、自动涂胶机总体方案的拟定
结构的详细说明：由于涂胶过程中存在拐点涂胶量的控制，本设计采用了在 X.Y 向运动速度不改变的前提下，调整 Z 向挤胶活塞速度的方式，三向运动的形式不尽相 同，所以共用了三个电机，通过程序控制分别做相应运动，来保证涂胶的厚度和均匀 性。
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涂胶轨迹 电路部分 机械部分 涂胶的量
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螺纹的工作高度： h=0.5P=0.5 4=2 螺牙根部宽度 b=0.65P=0.65 4 2.6mm 工作比压 P=F/ d 2 hn 3 / 18 2 11 0.0024MP 自锁的验算： v arctgf / cos / 2 arctg 0.08 / cos 30 / 2 4.73 导程角 r arctgs / d 2 arctg 2 / 18 2.02 4.73 所以丝杠螺母可以自锁。 丝杠螺母的效率计算：