自動涂膠機的設計

［摘要］自動涂膠機是一種擬人日勺密封機械裝置，它綜合了人類和機器的專長，

是工業和非產業界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域日勺不可缺

乏日勺自動化設備。

本課題研制的數控涂膠機是為一汽集團變速箱廠設計的涂膠樣機，規定自

動涂膠機的X、Y兩軸由交流伺服電機驅動，可實現直線插補和圓弧插補；Z軸

氣動，重要用于作業工位的轉換，以調整涂膠槍嘴與涂膠平面日勺距離，并且編

寫數控程序完畢對變速箱前殼體日勺涂膠工作。

該系統是一種經典日勺機電一體化系統。因iM,本系統設計成為重要由機械、

電氣、控制三大部分構成。其機械部分重要是控制行程日勺X-Y-Z軸機械裝置，

它重要由驅動滾珠絲杠進行X-Y軸方向運動的執行裝置、氣缸、導軌等執行機

構構成。電氣部分是由交流伺服電動機、光電編碼器、多種檢測傳感器、電磁

控制閥等構成。控制部分重要由日本FANUC企業研制日勺FANUC0數控系統構

成。

［關鍵詞］密封裝置變速箱X-Y-ZFANUC0

TheDesignoftheAutomaticGluingMachine

[Abstract]Automaticcoatingmachineisamechanicaldeviceintendedtoseal

people,whichcombinesthestrengthsofhumansandmachines,industrialand

non-industrialsectorisanimportantproductionandserviceequipment,advanced

manufacturingtechnologyisalsoindispensableautomationequipment.

ThetopicsdevelopedbytheNCcoatingmachineisdesignedFAWGroup

gearboxfactoryprototypeglue,requiringautomaticcoatingmachineX,Ytwo-axis

drivenbyACservomotorscanachievelinearandcircularinterpolation;Zaxis

pneumatic,mainlyforthejobofconvertingthestationtoadjustthedistancebetween

themuzzleandtheadhesiveglueplane,andwritetheNCprogramtocompletethe

workofgluingthefrontgearboxhousing.

Thesystemisatypicalmechatronicsystems.Thus,thesystemdesignedtobe

mainlycomposedofmechanical,electrical,controlofthreemajorcomponents.The

mechanicalpartisamechanicaldevicecontrolXYZaxistravel,itismainlydriven

byballscrewXY-axismotionactuators,cylinders,railsandotherexecutiveagencies.

ElectricalpartbyACservomotors,opticalencoders,variousdetectionsensors,

solenoidcontrolvalve.ControlofsomeofthemajordevelopedbytheJapanese

companyFANUC0FANUCCNCsystem.

[Keywords]SealingmeansTransmissionX-Y-ZFANUC0

目錄

第1章緒論.........................................................1

1.1引言.........................................................1

1.2用于密封涂膠的發展概況....................................1

1.3課題的來源、研究及意義....................................2

1.4課題研究的內容.............................................3

第2章自動涂膠機的總體設計方案....................................4

2.1概述.......................................................4

2.2系統的構成................................................4

2.3系統功能4

2.4密封膠類型選擇...........................................4

第3章自動涂膠機機械系統H勺設計....................................6

3.1傳動部件的設計..............................................6

概述........................................................6

滾珠絲杠副的設計..........................................7

3.1.3滾珠絲杠副的選擇措施...................................7

3.2導向部件的設計..............................................9

概述.......................................................9

滾動導軌的設計..........................................10

3.2.3滾動直線導軌副的安裝尺寸.............................10

3.3支承件的設計...............................................11

概述.......................................................11

支承件的選擇..............................................11

3.4涂膠系統口勺設計.............................................12

Z軸驅動裝置的設計....................................12

涂膠裝置的設計..........................................12

3.5夾具的設計..................................................12

概述.......................................................12

夾具的設計................................................13

定位誤差的計算……......13

氣動系統圖14

第4章自動涂膠機伺服系統H勺設計15

4.1概述........................................................15

伺服系統及其分類.........................................15

伺服系統電機口勺分類及其特點...........................16

4.2電機的選擇..................................................17

4.3伺服系統的計算.............................................19

.重要參數設定............................................19

X向伺服進給系統的計算.................................19

4.4伺服電機計算...............................................22

慣量計算22

4.4.2轉矩匹配計算23

4.4.3檢測裝置的選用23

致謝..............................................................25

結論............................................................26

參照文獻.........................................

第1章緒論

1.1引言

現今，國民經濟的I各個領域都離不開膠接技術，膠粘劑已經進入工業、農

業、交通、醫學、國防、以及人民生活各個方面，它們在國民經濟中起著越來

越重要的作用。在許多領域內，膠接已經逐漸替代老式日勺連接技術——焊接、

鉀接和螺栓連接，成為一門獨立日勺學科。

伴隨科技的發展，新產品不停出現，產品日勺市場壽命口益縮短，使大量日勺

生產方式碰到挑戰，這就規定提高制造業日勺生產設備柔性和對產品更新的適應

性，以縮短生產周期，保證產品質量和減少生產成本，從而導致制造業出現一

系列變化。因而機械部件中的密封面涂膠技術和異種材料部件間的粘接劑涂膠

技術的自動化和柔性化成為必然。

當今世界汽車生產數以千萬計，是耗能大戶。國外對所生產汽車的耗油量

逐年均有明確的限制。乂伴隨汽車制造工藝水平的提高、新材料新技術日勺應用,

以及客戶對汽車經濟性、舒適性規定的提高，粘接劑、密封膠H勺新品種、新工

藝在汽車上日勺應用越來越廣泛。為了汽車日勺輕量化，汽車廠盡量采用多種工程

塑料、復合材料等替代部分金屬材料"而采用膠接密封技術不僅有助于減輕車

重，并能提高耐腐蝕性和減少生產費用。

1.2用于涂密封膠的涂膠機發展概況

密封在汽車、摩托車、拖拉機、飛機、化工設備等產品的機械部件中具有

極其重要的作用。它的重要作用是使得部件在裝配后與外界隔絕并防止泄漏。

此作用不僅對零部件的良好性能至關重要，并且是評價設備的質量和完整性的

一種重要標志。

最初的通用密封墊或密封圈是由諸多材料按著預定口勺形狀切割成型并安裝

到特定的裝配表面。密封墊或密封圈直接承受振動載荷、溫度變化、液體浸泡

等多種惡劣工況，尤其在發動機和齒輪箱這樣的應用場所，環境最為惡劣。通

用密封墊或密封圈最明顯的缺陷如下:應用此種密封的場所，法蘭間不會產生金

屬一金屬間日勺直接接觸，因此這種密封不會使作用于法蘭上的夾緊力到達最大

值。只有當作用在密封墊或密封圈上的）壓縮載荷高于“最小密封應力”時，聯接

螺栓才能被擰緊。這個“最小密封應力”時值是封堵微構造孔隙并防止液體外漏

的最小許用應力。伴隨時間的推移，密封墊或密封圈就會松弛并展現?種由于

密封墊或密封圈原始厚度變化引起的永久變形。并且，由于密封墊或密封圈在

載荷的作用下不能產生彈性，密封墊或密封圈有破裂時也許。

為了處理這些對產品的壽命和質量至關重要日勺問題，研究人員漸漸地將目

光投向運用液體膠的涂膠技術，通過長時期的研究和嘗試，最終研制成功一種

在無空氣環境中不以固化的液體膠，一般稱為厭氧膠。這種液體膠可以通過一

種很細的涂膠頭噴涂到法蘭密封面上，不會出現膠液沉降并且法蘭裝配前膠液

不會流。只有在法蘭裝配后，此膠液將流向呈目前法蘭密封面上的微觀不規則

區域，而后在短歸間內，膠液開始反應而形成一種結實口勺聚合物。它口勺這一性

質為涂膠工藝提供了有利條件。固化后【的密封膠將兩法蘭緊緊地密封在一起，

既不能互相移動又不能有泄漏。研究人員發現此聚合物對發動機運行工況下口勺

潤滑油及其他液體具有極強日勺耐蝕性。因此，它在發動機場所的應用尤為合適。

涂膠密封是應用在特定H勺場所、只有法蘭裝配后才產生效果的一種密封工藝。

作用于此類密封上的夾緊力可以到達最大值，增大了法蘭間的金屬一金屬H勺接

觸。與通用密封墊或密封圈相比，此密封無永久變形和破裂現象日勺發生。因此,

涂膠技術為剛性法蘭間口勺密封提供了最有效H勺、功能最強的措施。

70年代初期，涂膠工藝以人工或涂膠槍涂膠日勺形式出目前法國，伴隨單、

雙組分密封膠口勺深入開發和電子產品的不停發展，自動涂膠機很快就出目前歐

美口勺汽車制造業中。與人工涂膠或涂膠槍涂膠相比，自動涂膠有許多長處:愈加

安全的工作環境，更高口勺精度及復用性，更高的處理能力，同一設備可以用于

許多不一樣FI勺應用場所。在過去的幾年中，美國工業發展對密封膠在制造業中

的應用提出更高的規定。為了減少密封墊和密封圈的庫存成本及產品裝配過程

中有關的勞動內容，規定新研發向密封材料的固化工藝應有所發展。尤其地，

汽車工業出臺了涂膠密封材料的應用原則和性能原則，并且還制定了密封部位

的防泄漏原則，以及與密封有關H勺降噪音等原則。這些規定和原則促使密封材

料研發商和自動設備制造商合作，開發出適應新形勢的涂膠設備。

國外口勺機器人生產廠商各自推出了涂膠機，如日本莫托曼機器人、安川機

器人、美國ABB機器人等，我國機器人發展較晚，有北京機械工業自動化研究

所工業機器人與應用技術工程研究中心的“自動化涂膠工作站”，濟南未來之路

信息工程有限企業的“金未來自動涂膠機”，比外，尚有與國外合資日勺企業也推

出對應的產品。以上涂膠機器人產品都是在機器人的基礎上進行二次開發歐I，

即用機器人作為軌跡控制，附加供膠系統。

1.3課題的來源、研究目的及意義

作為機械工程及自動化口勺學生，選擇的課題應以體現本專業的特點及各方

面的內容為重要根據。這樣能更有助于自己熟悉本專業的詳細應用。因而，我

結合自己的研究方向，選擇了自動涂膠機的研究作為我本科畢業設計的課題。

本課題啊來源是一汽變速箱廠。變速箱箱體前后殼體在汽車生產中是非常

重要的零部件使用密封膠重要是為了防止“三漏”——漏油、漏氣和漏水口勺問題。

目前，密封膠的工作是由工人手動操作完畢的。不過有許多弊端。重要有：

①由氣動或機械力驅動施膠槍，從膠筒中擠出膠，靠人工進行軌跡控制，會

使材料涂布H勺位置和數量有很大H勺變化；

②涂布的好壞很大程度上取決于操作者的技術，對于大批量生產日勺規定，手

工很難保證產品質量的一致性；

③揮霍大量的人力，延誤生產日勺自動化。

為了盡快消除這些弊端，急于尋求處理日勺措施，必須用自動化機械以處理問

題。因此，選用自動化程度較高日勺自動涂膠機，消除以上這些弊端，保證涂膠

均勻、無污染、無傷害、節省人力，提高效率，增長經濟效益。

1.4課題重要研究內容

本課題研制的數控涂膠機是為一汽集團變速箱廠設計的涂膠樣機，規定自

動涂膠機的X、Y兩軸由交流伺服電機驅動，可實現直線插補和圓弧插補；Z

軸氣動，重要用于作業工位的轉換，以調整涂膠槍嘴與涂膠平面的距離，并且

編寫數控程序完畢對變速箱前殼體日勺涂膠工作（變速箱前殼體零件圖如圖1.1

所示）。

為實現涂膠機日勺良好控制，本設計重要做了如下工作：

①涂膠機機械系統日勺設計，包括X、Y方向的伺服驅動系統，Z方向日勺氣缸驅

動系統；

②涂膠機供膠系統的設計，包括膠槍及其驅動氣缸的設計；

③涂膠機夾具的設計；

④涂膠機數控系統日勺簡樸設計。

圖1.1變速箱前殼體零件圖

第2章自動涂膠機的總體設計方案

2.1概述

本課題所設計日勺這個自動涂膠機是一種經典H勺機電一體化系統。所謂的機

電一體化系統是指在系統的主功能，信息處理功能和控制功能等方面引進了電

了技術，并把機械裝置、執行部件、計算機等電了設備以及軟件等有機結合而

構成的系統。即機械、執行、信息處理、接口和軟件等部分在電子技術的支配

下，以系統日勺觀點進行組合而形成的一種新型機械系統。機電一體化系統由機

械系統（機構）、電子信息處理系統（計算機）、動力系統（動力源）、傳感檢測系統（傳

感器）、執行元件系統（如電機）等五大子系統構成。

2.2系統的構成

在2.1中講到，該系統是一種經典的機電一體化系統。因而，木系統設計成

為重要由機械、電氣、控制三大部分構成。其機械部分重要是控制行程的X-Y-Z

軸機械裝置，它重要由驅動滾珠絲杠進行X-Y軸方向運動日勺執行裝置、氣缸、

導軌等執行機構構成。電氣部分是由交流伺服電動機、光電編碼器、多種檢測

傳感器、電磁控制閥等構成。控制部分重要由日本FANUC企業研制的FANUC

0數控系統構成。

2.3系統功能

1.輸入已編制完畢日勺程序實現對變速箱殼體日勺自動涂膠過程，以適應不一

樣型號日勺變速箱前殼體日勺自動涂膠工作；

2.檢測與控制功能。系統通過多種傳感器自動檢測膠槍中膠量的多少和膠

槍的位置，由數控系統根據所測H勺多種位置信號來控制涂膠機日勺啟動、運行和

停機。系統實時檢測供電電源狀況，在電源嚴重過壓或欠壓時停機。

3.報警功能。當系統出現下列狀況之一時，均同步進行報警:工作臺未回歸

原點位置時進行啟動;膠槍未回歸上限位置時進行啟動;工件沒有定位時進行啟

動；工作臺超過行程；系統供電電源嚴重過壓或欠壓等。

2.4密封膠類型選擇

由于RTV硅酮密封膠具有優良的耐熱、耐油、耐寒性，其密封填隙能力很

強，同步不含溶劑，膠固化后形成的膜具有很好的彈性，因此廣泛應用于零部

件產品的防漏密封。采用RTV硅銅膠替代紙墊，可以處理困擾汽車零部件生產

企業的“三漏”問題。因此本設計選用RTV硅酮密封膠。它可以減少接合面的加

工精度1-2級。RTV硅酮膠具有優秀的填隙功能，可以有效填滿箱體在搬運、

裝配過程中對接合面導致的磕碰、劃傷等痕跡，而對于上述缺陷采用紙墊或者

帶膠墊的紙墊很難保證零部件裝配完畢后不發生滲漏現象。RTV硅酮膠接觸空

氣中日勺濕氣即固化，因此不會出現厭氧膠那種零部件接合面溢出的）膠一直固化

不了而致使外觀污染的現象。

涂膠施工是將膠從膠槍嘴中擠出，以膠帶H勺形式按規定涂在工件確實定位

置上，涂在工件上的膠帶要具有均勻一致日勺截面形狀和尺寸。由于是在股流動

狀態下施工日勺，因此要想到達上述規定，必須滿足如下幾種條件：

①所用的I膠具有均勻一致的性能。如粘度，固化特性等等；

②膠槍擠出膠帶日勺形狀尺寸均勻一致；

③膠槍嘴與工件保持恒定時間隙:

④膠槍出膠日勺速度（流量Q）與膠槍運行速度（V）相匹配，即QxV；

⑤膠槍擠出膠帶的流線方向與工件上涂膠軌跡曲線切線方向應保持確定H勺夾

角。

第3章自動涂膠機機械系統的設計

3.1傳動部件的設計

概述

數控機床的進給傳動系統常用伺服進給系統來驅動。伺服進給系統的作用

是根據數控系統傳來日勺信息，進行放大后來控制執行部件的運動，不僅控制進

給運動的I速度，同步還要精確控制刀具相對于工件的移動位置和軌跡。因此，

數控機床進給系統，尤其是輪廓控制系統，必須對進給運動的位置和運動H勺速

度兩方面同步實現自動控制。

一種經典的數控機床閉環控制的進給系統，一般由位置比較、放大元件、

驅動元件、機械傳動裝置和檢測反饋元件等幾部分構成，而其中的機械傳動裝

置是位置控制環節中的一種重要環節(這里所說的機械傳動裝置是指將驅動源

旋轉運動變位工作臺直線運動的整個機械傳動鏈)。

為保證數控機床進給系統的傳動精度和工作平穩性等，對進給系統提出如

下規定⑸:

(1)高的傳動精度與定位精度數控機床H勺進給傳動裝置的)傳動精度和定位

精度對零件日勺加工精度起著關鍵性的作用。因此，傳動精度和定位精度是數控

機床最重要，也是最具有該類機床特性的指標，無論對點位、直線控制系統，

還是輪廓控制系統，該項精度部很重要。

(2)寬的進給調速范圍伺服進給系統在承受所有工作負載口勺條件下,應具有

很寬的調速范圍，以適應多種工件材料、尺寸和刀具等變化的需要。

(3)響應速度要快所謂迅速響應特性是指進給系統對指令輸入信號的響

應速度及瞬態過程結束n勺迅速程度，即跟蹤指令信號的響應要快；定位速度和

輪廓切削進給速度要滿足規定；工作臺應能在規定的速度范圍內敏捷而精確地

跟蹤指令，進行單步或持續移動，在運行時不出現丟步或多步現象。進給系統

響應速度的大小不僅影響機床的加工效率，并且影響加工精度。

(4)無間隙傳動進給系統傳動間隙一般指反向間隙，它存在于整個傳動鏈n勺

各傳動副中，直接影響數控機床日勺加工精度；因此應盡量消除傳動向隙，減小

反向死區誤差。設計中可采用消除間隙H勺聯軸節及有消除間隙措施的傳動副等

措施。

(5)穩定性好、壽命長穩定性是伺服進給系統可以正常工作的最基本的

條件，尤其是在低速進給狀況下，不產生爬行，并能適應外加負載的變化而不

發生共振。穩定性與系統的慣性、剛性、阻尼及增益等均有關系，合適選擇各

項參數。并能到達最佳的工作性能，是伺服系統設計的目的。為此，構成進給

機構口勺各傳動部件應選擇合適的材料及合理的加工工藝與熱處理措施，以延長

其壽命。

(6)使用維護以便最大程度地減小維修工作量，以提高機床的運用率。

滾珠絲杠副的設計

滾珠絲杠副的工作原理及特點滾珠絲杠副是一種新型的傳動機構，它的構造

特點是在具TT螺旋槽H勺絲杠螺母間裝有?滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦

如圖3.1所示。圖中絲杠和螺母上都磨

有圓弧形H勺螺旋槽，這兩個圓弧形日勺

螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，

在滾道內裝有滾珠。當絲杠回轉時，

滾珠相對于螺母上日勺軌道滾動，因此

圖3」滾珠絲杠“

絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止滾珠從螺母中滾出來，在螺母螺

旋槽兩端設有回程引導裝置，使滾珠能循環流動。滾珠絲杠副的特點是:

①傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率[]=0.92?0.96,比常規

的絲杠螺母副提高3—4倍。因此，功率消耗只相稱于常規絲杠螺母副日勺1/4?

1/3。

②予以合適預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區，

定位精度高，剛度好。

③運動平穩，無爬行現象，傳動精度高。

④有可逆性，可以從旋轉運動轉換為直線運動絲杠和螺母都可以作為積極件，

也可以從直線運動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母都可以作為積極件。

⑤磨損小，使用壽命長。

⑥制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件日勺加工精度規定高，表面粗糙度也規

定高，故制導致本高。

滾珠絲杠副的選擇措施

(1)滾珠絲杠副構造的選擇

滾珠絲杠副的機構類型可以從螺紋滾道的截面性狀、滾珠H勺循環方式和軸

向間隙的調整措施進行區別。根據防塵條件以及對調隙及預緊H勺規定，可選擇

合適的構造型式。由于該自動涂膠機的工作性能規定，其工作環境應具有良好

的防塵條件，且只需在裝配時調整間隙及預緊力。由于雙螺母墊片調整預緊式

構造簡樸，軸向剛性好，預緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好，應用廣泛，因

此本設計選用雙螺母墊片調整預緊式構造的內循環滾珠絲杠副。

(2)滾珠絲杠副構造尺寸的選擇

①選擇絲杠的公稱直徑和基本導程

選用滾珠絲杠副時一般重要選擇絲杠的公稱直徑〃和基本導程?o公稱直

徑〃應根據軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選擇。螺紋長度在容許的狀

況下要盡量短，一般取不不小于30為宜；基本導程?應按承載能力、傳

動精度及傳動速度選用，4大承載能力大，4小傳動精度較高、規定傳動速度

快時，可選用大導程滾珠絲杠副。

根據該自動除膠機的性能規定，并按照國標化組織中規定，可選用

4)=32""〃,基本導程Ph=10〃〃〃，工作圈數取為3。

②滾珠絲杠副支承方式口勺選擇

螺母座、絲杠的軸承及其支架等剛度局限性將嚴重地影響滾珠絲杠副的傳

動剛度。因此，螺母座應有加強肋，以減少受力H勺變形，螺母與床身的接觸面

積宜大某些，其連接螺釘的剛度也應高，定位銷要緊密配合。

近來出現一種滾珠絲杠專用軸承，這是一種可以承受很大軸向力日勺特殊角

接觸球軸承，與一般角接觸球軸承相比，采用特殊設計日勺尼龍成形保持架，接

觸角增大到60。,增長了滾珠的數目并對應減小滾珠的I直徑-這種新構造的I軸向

比一般軸承日勺軸向剛度提高兩倍以上，同步不需要預調整，啟動轉矩小，使用

極為以便。其產品一般成對發售，并且在出廠時已經選配好內外環日勺厚度，裝

配調試時只要用螺母和端蓋將內環和外環壓緊，就能獲得出廠時已經調整好日勺

預緊力。一般需要把2個以上的軸承組合起來，且施加預緊力來使用。

綜上所述，本設計選用專用軸承作為絲杠日勺支承元件，同步由于一端固定,

一端錢支的支承方式，絲杠的靜態穩定性和動態穩定性都較高，合用于中等回

轉速度，并且軸向剛度大，因此采用一端固定，一端錢支的支承方式。

③滾珠絲杠副滾珠螺母安裝連接尺寸

根據JB/T9893-1999確定安裝尺寸如下表:

公稱公稱

規格滾珠螺母安裝、連接尺寸

直徑導程

代號

媒PhDBD,h

32103210539071159159

圖3.2滾珠螺母

表3.2安裝尺寸

④滾珠絲杠精度

滾珠絲杠副的制導致本，重要取決于制造精度和長徑比。由于制造精度越

高、長徑比越大，工藝難度越大，成品合格率越低。精度原則分為1、2、3、4、

5、7、10七個等級，1級最高，10級最低。根據精度選擇推薦表選定精度為3

級。任意3(X)〃"72內導程誤差為0.012mm。

⑤循環滾珠絲杠副系列性能參數

本文選用南京工藝裝備制造廠生產『、JFFZD系列滾珠絲杠，其性能參數如

下表：

表3.2FFZD系列滾珠絲杠

絲杠底徑螺母長度額定載荷/KN

規格代號

動載C”

d2/nvnL/rnm靜載C.

3210-327.314625.649.5

3.2導向部件的設計

概述

導軌重要起導向定位作用，以保證各部件對日勺的I互相位置及運動。機電產

品對導軌的規定重要是導向精度高、剛性好、運動輕便平穩、耐磨性好、溫度

變化影響小以及構造工藝性好。

滾動導軌的設計

滾動導軌的特點導軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，使導軌面之

間日勺摩擦為滾動摩擦性質，這種導軌稱為滾動導軌。滾動導軌日勺種類諸多，按

運動軌跡分有直線運動導軌和圓運動導軌。滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、

鋼球、反向器、保持架、密封端蓋及擋板構成。當導軌與滑塊作相對運動時，

鋼球沿著導軌上的通過淬硬和精密磨削加工而成日勺四條滾道滾動，在滑塊端部

鋼球又通過反向器進入反向孔后再進入滾道，鋼球就周而復始地進行運動，反

向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵進入滑塊內部。與一般滑動導

軌相比，滾動導軌有下列長處：

①運動敏捷度高，滾動導軌日勺摩擦系數為0.0025?0.005,遠不不小于滑動導軌。

不管在作高速或作低速運動時，其摩擦系數基本不變，故在低速運動時不會

產生爬行。

②定位精度高。其定位誤差為0.1?0.2〃〃。

③牽引力小，移動輕便。

④滾動體一般可運行IO、~IO'm，具有較高的耐磨性，磨損小。

⑤潤滑系統簡樸，維修以便。

在該自動涂膠機中，滾動導軌副的作用重要是支承工作臺和限制工作臺的運

動方向。該導軌副沿直線運動，因此根據此系統工作的詳細條件及上述滾動直

線導軌副的特點，本設計選擇了滾動直線導軌副。

滾動直線導軌副的安裝尺寸

根據本設計的特點選擇四方向等載荷滾動導軌副，其詳細安裝尺寸為:

圖3.3滾動導軌副

表3.3荷滾動導軌副安裝尺寸表

裝配組合后滑塊導軌

型號

HWCLM①BFd

203021.55340M6620606

3.3支承件的設計

概述

機床日勺支承件重要指床身、立柱、橫梁、底座等大件，它日勺作用是支承零

部件并保證它們日勺互相位置及承受多種作用力。承受加工時日勺靜態力和動態力,

如重力、切削力、摩擦力、夾緊力和慣性力等。支承件日勺種類諸多，它們日勺形

態、幾何尺寸和材料是多種多樣日勺，但它們都應滿足下列基本規定；

1.剛度支承件剛度是指支承件在恒定載荷和交變載荷作用下抵御變形H勺能

力。前者稱為靜剛度，后者稱為動剛度。靜剛度取決于支承件自身H勺構造剛度

和接觸剛度。動剛度不僅與靜剛度有關，并且與支承件系統日勺阻尼、固有頻率

有關。支承件要有足夠H勺剛度，即在外載荷作用下，變形量不得超過容許值；

2.抗振性支承件H勺抗振性是指其抵御受迫振動和自激振動H勺能力。機床在切

削加工時產生振動，將會影響加工質量和刀具的壽命，影響機床的生產率。振

動常常成為機床噪聲H勺重要原因之一。因此，支承件應有足夠的抗振性，具有

合乎規定的動態特性；

3.熱變形和內應力支承件應具有較小的熱變形和內應力。

支承件的選擇

（1）形狀和尺寸確實定

支承件日勺尺寸大小、，構造形狀應滿足工作規定。機床日勺類型、用途和規格

不一樣，支承件的形狀和尺寸也不一樣。床身、立柱及底座等支承件.由于其

安裝部位和作用不一樣.因此截面形狀也不一樣。根據該涂膠機的構造形式選

擇圖3.2所示日勺床身形式和如圖3.3所示的立柱形狀。這種類型的床身內空間可

用于存儲潤滑油，立柱內有肋板，抗彎剛度高。

圖3.2床身裁面形狀圖3.3立柱截面形狀

（2）支承件材料R勺選擇

支承件的材料一般應用鑄鐵、鋼以及混凝土等。由于鑄鐵鑄造性能好，輕

易獲得復雜構造的支承件，同步鑄鐵的內摩擦系數大，阻尼系數大，使振動衰

減日勺性能好，成本低。因此本設計選擇鑄鐵作為支撐件的I材料。

3.4涂膠系統的設計

z軸驅動裝置的設計

由于氣動裝置日勺氣源輕易獲得，機床可以不必再單獨配置動力源，裝置構

造簡樸，工作介質不污染環境，工作速度快和動作頻率高，適合于完畢頻繁啟

動日勺輔助工作。過載時比較安全，不易發生過載嚴重損壞機件等事故。因此Z

軸日勺運動由氣缸驅動，重要用于涂膠槍日勺上下移動，以調整涂膠嘴與涂膠平面

時距離。由于涂膠運動與工件不接觸，之間沒有互相作用力，氣缸只需要克服

移動部件的重力。因此，根據移動部件日勺質量，選用QGAII系列氣缸（外觀如

圖3.4所示）。

涂膠裝置的設計

涂膠裝置由兩部分構成，上半部分為氣缸，下半部分為料缸，氣缸通氣則

頂桿下壓，打開料缸內閥門出膠，通過對氣缸流量日勺控制實現對出膠量日勺控制。

圖3.4QGAII系列前法蘭式氣缸外觀圖

3.5夾具的設計

概述

在機床上加工工件時，為了使工件在該工序所加工的表面能到達規定的尺

寸精度和位置公差規定。在開動機床進行加工之前，必須首先使工件占有一種

對口勺的位置。一般把確定工件在機床上或夾具中占有對口勺位置的過程稱為定位。

當工件定位后，為了防止在加工中受到切削力、重力等口勺作用而破壞定位，還

應當用一定口勺機構或裝置將工件加以固定。工件定位后將其固定，使其在加工

過程中保持定位位置不變的操作稱為夾緊。工件裝夾與否對的、迅速、以便和

可靠，將直接影響工件的加工質量、生產效率、制導致本和操作安全。

按夾具時應用范圍可將其分為通用夾具、專用夾具、組合夾具、成組夾具

和隨行夾具。按夾具動力源可將其分為手動夾緊夾具、氣動夾緊夾具、液壓夾

緊夾具、氣液聯動夾緊夾具、電磁夾具和真空夾具。夾具重要由定位元件、夾

緊裝置和夾詳細等基本元件構成。

夾具的設計

（1）定位方式日勺選擇

工件定位方式不一樣，夾具定位元件的構造形式也不一樣。根據變速箱前

殼體日勺構造特點，選擇“一面兩孔邛勺定位方式。一種平面限制三個自由度，一

種短圓柱銷限制兩個自由度，一種削邊銷限制一種自由度，共限制六個自由度,

使工件完全定位。

（2）夾緊方式的選擇

夾緊裝置由動力裝置、夾緊元件和中間傳動機構三部分構成。同步夾緊裝

置應滿足夾緊時不破壞工件在夾具中占有的對H勺位置；夾緊力合適，既要保證

工件在加工過程中定位H勺穩定性，又要防止因夾緊力過大損傷工件表面及產生

夾緊變形；夾緊機構應當操作安全、省力、夾緊迅速；夾緊機構的復雜程度、

工作效率與生產類型相適應等基本規定。

由于較鏈夾緊機構是一種增力機構，它具有增力倍數大，摩擦損失小日勺長處，

廣泛應用于氣動夾緊。因此本設計采用氣缸驅動H勺較鏈夾緊機構。

同步本設計應用CATIA軟件建立夾具裝配體的三維模型（見附圖1）。

定位誤差的計算

因定位不對H勺而引起的誤差稱為定位誤差，其值為工序基準在工序尺寸方

向上的最大變動量。定位誤差A.由基準不重疊誤差△巧和定位副制造不精確誤

差A而構成。

本設計中，涂膠平面的設計基準即為底平面，因此定位元件——平面的定

位誤差為零；定位元件——短圓柱俏的基準不重疊誤差為該圓柱銷中心線對底

面日勺垂直度誤差，則△加=0,必〃〃〃，由于定位副制造不精確誤差與工序尺寸方

向相垂直，則△如=（）;定位元件——削邊銷日勺基準不重疊誤差為該削邊銷中心

線對底面的垂直度誤差，則△M=03〃〃〃，定位副制造不精確誤差與工序尺寸

方向相垂直,則△他2=°。因此總的定位誤差為△曲=02+0.04=0.08加,在

公差容許范圍之內，因此該定位方案是合理日勺。

氣動系統圖

如圖3.5所示，閥A通電，活塞右移，壓住工件。當氣缸內壓力到達繼電

器YJ的調定壓力時，活塞返回。當活塞壓住行程換向閥D后，空氣泵卸荷。

圖3.5夾具驅動氣缸氣動向路

第4章自動涂膠機伺服系統的設計

4.1概述

伺服系統及其分類

伺服系統亦稱隨動系統，是一種可以跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而

獲得精確的位置、速度或力輸出H勺自動控制系統。數控機床的進給伺服系統是

以機床的位置和速度為控制量，接受來自插補裝置或插補軟件生成的進給脈沖

指令，通過一定的信號變換及電壓、功率放大、檢測反饋，最終實現機床工作

臺相對于刀具運動的控制系統。它一般由比較組件、調整組件、執行組件、被

控對象及測量反饋組件構成。

進給伺服系統口勺高性能在很大程度上決定了數控機床的高效率、高精度。

因此，數控機床對進給伺服系統口勺位置控制、速度控制、伺服電動機、機械傳

動等方面均有很高的規定。如高精度、穩定性、迅速對應無超調、寬調速范圍

等等。

從位置控制口勺角度可將伺服系統分為開環、閉環和半閉環伺服系統：

①開環伺服系統（如圖4.1所示），它不需要位置檢測與反饋，執行組件多采用

步進電機，系統位置正比丁指令脈沖的個數，位移速度取決丁指令脈沖口勺頻率。

開環系統機構簡樸，易于控制，不過精度低，低速平穩性差，高速扭矩小，

般用于輕載、負載變化不大或經濟型數控機床上。

②閉環伺服系統（如圖4.2所示），是誤差控制隨動系統，一般有位置環和速度

環構成。在位置環中，根據插補運算得到日勺位置指令，與位置檢測裝置反饋回

來H勺機床坐標軸H勺實際位置相比較，形成位置誤差，經變換H勺到速度給定電壓。

在速度控制中，伺服驅動裝置根據速度給定電壓和速度檢測裝置反饋日勺實際轉

速對伺服電動機進行控制，以驅動機床的傳動部件，從而把速度量變為位置量。

閉環伺服系統傳動鏈H勺誤差，環內組件H勺誤差以及運動中導致日勺誤差都可以得

到賠償，從而大大提高位移精度和定位精度，系統精度只取決于裝置制造精度

和安裝精度。

③半閉環伺服系統（如圖4.2）所示，位置檢測反饋組件沒有直接安裝在進給坐

標H勺最終運動部件上，將部分機械勾踐封閉在反饋控制環之外，其性能介于開

環和閉環系統之間。

半

閉

環

圖4.3半閉環伺服系統構造示意圖

伺服系統電機的分類及其特點

①步進電機開環位置伺服系統亦叫步進式伺服系統，其驅動元件為步進電動

機。功率步進電動機盛行于20世紀70年代，且控制系統的構造最簡樸、控制

最輕易，維修最以便，控制為全數字化。數控系統與步近電動機的驅動控制電

路結為一體。

伴隨計算機技術的發展，除功率驅動電珞之外，其他硬件電路均可由軟件

實現，從而簡化了系統構造，減少成本，提高了系統的可靠性。而步進電動機

的耗能太多，速度也不高。日前的步進電動機在脈沖當量b為四〃時，最高移

動速度僅有2〃〃77/min,且功率越大，移動速度越低，改重要用于速度與精度規

定不高日勺經濟型數控機床及舊設備改造中。

②直流伺服電機直流伺服電動機具有良好日勺啟動、制動和調速特性，可很以便

地在寬范圍內實現平滑無級調速.故多采用在對伺服電動機H勺調速性能規定較

高日勺生產設備中。

③交流伺服電機長期以來，在規定調速性能較高H勺場所，一直占據主導地位H勺

是應用直流電動機的調速系統，但直流電動機都存在某些固有H勺缺陷，如電刷

和換向器易磨損，需常常維護；換向器換向忖會產生火花，使電功價的最高速

度受到限制，也使應用環境受到限制；并且直流電動機構造復雜，制造困難，

所用鋼鐵材料消耗大，制導致本高。而交流電動機，尤其是鼠籠式感應電動機

沒有上述缺陷，且轉子慣量較直流電機小，使得動態響應更好。在同樣體積下,

交流電動機輸出功率可比直流電動機提高10%-70%o此外，交流電動機口勺容最

可比直流電動機造得大，到達更高的電壓和轉速。

伴隨新型大功率電力電子器件、新型變頻技術、現代控制理論以及微機數

控等在實際應用中獲得口勺重要進展，到了20世紀80年代，交流伺服驅動技術

已獲得了突破性的進展。在日本、歐、美等國形成了一種生產交流伺服電動機

的新興產業。德國1988年口勺機床進給驅動中交流伺服電動機驅動已占80%,日

本1985年銷售的交流與直流電動機驅動系統之比為3：1。機床主軸驅動中，

采用交流電動機的占銷售總量的90%o

交流伺服電機可分為異步型交流伺服電動機和同步交流伺服電動機。異步型

交流伺服電動機其定子由繞組構成，通入交流電后產生旋轉磁場。當轉子的轉

速與定子電路產生『'J旋轉磁場轉速存在轉速差時，轉子口勺導體將切割旋轉磁場

的磁力線而產生電流，電流與旋轉磁場互相作用，使轉子受到磁力，使之轉動,

其方向與旋轉磁場方向一致。異步交流伺服電動機的特點：轉子的重量輕，對

應速度快。

同步型交流伺服電動機與異步型交流伺服電動機的區別：同步型交流伺服電

動機的轉子是一種磁極，它受到定子電路旋轉磁場的吸引，與旋轉磁場的轉速

一直保持同步。當電源電壓和頻率固定不變時，同步型交流伺服電動機的轉速

是固定不變得。由變頻電源供電時，可以以便地獲得與頻率成正比的可變轉速,

可得到非常硬的機械特性及寬的調速范圍。

4.2電機的選擇

由前面所述日勺交流伺服電機的長處，并結合本設計日勺特點，選擇交流伺服

電機作為進給系統的I驅動裝置，同步采用半閉環日勺控制方式。

BA系列交流伺服電機是北京機床研究所開發的換代產品，是為了驅動機床

伺服進給機構而專門設計的。同步也合用于其他多種驅動裝置。重要特點為：

最佳的磁路設計，構造緊湊，體積小，重量輕；采用了最新H勺高性能磁性材料,

承受過載能力強；采用高可靠性脈沖編碼器，運行可靠，使用壽命長。其重要

參數如下表：

表4.1電機重要參數

輸出功額定轉最大轉轉子慣最大轉

電機型對應電機原重量

率矩速量矩

號則代號Kg

KWNmrpmNmS1Nm

0145SJT/M000.652.920230.0015269

交流伺服電機日勺控制采用正弦波脈寬調制(SPWM)變額器。SPWM變頻器

屬于交一直一交靜止變頻裝置，它先將50HZ交流市電經整流變壓器變到所需

電壓后，經二極管可控整流和電容濾波，形成恒定直流電壓，再送入常用6個

大功率晶體管構成的逆變器主電路，輸出三相頻率和電壓均可調整日勺等效于正

弦波的脈寬調制波(SPWM波)，即可拖動三相異步電機運轉。這種變頻器構造

簡樸，電網功率因數靠近于1,且不受逆變器負載大小日勺影響，系統動態響應快,

輸出波形好，使電機可在近似正弦波的交變電壓下運行，脈動轉矩小，擴展了

調速范圍，提高了調速性能，因此在數控機床的交流驅動中得到日勺廣泛應用⑵〃

SPWM逆變器用來產生正弦脈寬調制波即SPWM波形。其工作原理是把1

個正弦半波提成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標軸所包圍H勺面積

都用1個與此面積相等的等高矩形脈沖來替代，這樣可得到N個等高而不等寬

的脈沖序列。它對應著I個正弦波H勺半周，對正負半周都這樣處理.即可得到

對應的I2N個脈沖，這就是與正弦波等效日勺正弦脈寬調制波。其波形如圖4.4所

小O

SPWM變頻器的主電路日勺原理及電機線電壓波形圖如4.5所示。圖（a）中

V1-V6為6個大功率晶體管，并各有1個二極管與之反并聯，作為續流用。來

自控制電路的SPWM波形作為基極控制電壓加于各功率管的基極。按相序規定

和頻率規定，從參照信號振蕩器上產生頻率與電壓協調控制的三路正弦波電路,

與等腰三角波發生器來日勺載波信號一同送入電壓比較器，產生三路SPWM波形,

經各相分路后可得到六路SPWM信號.加于V1-V66個功率晶體管基極，作為

驅動控制信號、當逆變器工作于雙極性工作方式時，可得到如圖4.5所示口勺線電

壓波形。

0

圖

4.3伺服系統的計算

.重要參數設定

直線工作臺面尺寸(長x寬x高)：710x400x50/wn；材料為鋁;

工件及夾具的最大重量為100kg；

X向工作行程為400mm,Y向工作行程為300〃-；

工作進給速度為200-4000〃〃〃/min,迅速進給速度為2()^2/min0

X向伺服進給系統的計算

(I)工作臺質量及工作臺承重日勺計算

直線工作臺質量G1=pV^=2.7xl03x710x500x50x9.81xlO-9=471/V

工作臺承重為G2=100x9.81=981N

根據以上估算得總的質量為G=G1+G2=471+981=1452/V

(2)切削力估算

由于膠槍與工件不接觸，兩者之間沒有互相作用力，因此切削力為零。

(3)滾珠絲杠副日勺驗算

①滾珠絲杠副導程

由.2所述，滾珠絲杠的導程6=10""〃

②絲杠的等效轉速

最大進給時，絲杠日勺轉速為〃max=匕皿/笈=20000/10=2000r/min

最小進給時,絲杠口勺轉速為nmin=Vmin//>=200/10=20"min

則得到絲杠的等效轉速(估算4=2%)為

=+〃min.二］詢“

…2

③絲杠的等效載荷

動作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上日勺軸向壓力，它的數值

可用進給牽引力的試驗公式計算。由于選定為滾動導軌，而一般狀況下，滾動

導軌的I摩擦系數為().003—0.005,取摩擦系數為().003,則絲杠所受的最大牽引

力為：

丁二峪+/(Fr++G)=0+0.(XMX(0+0+1452)=6^

而絲杠H勺最小工作負載為摩擦力，與最大值一致。

故其等效負載F『Fmax=6N

④絲杠所受口勺最大動載荷C“驗算

查表，取絲杠的工作壽命4為15000h,同步取精度系數A=0.9,負載性

質系數九=1.2,溫度系數￡