自動(dòng)涂膠機(jī)的設(shè)計(jì)

［摘要］自動(dòng)涂膠機(jī)是一種擬人日勺密封機(jī)械裝置，它綜合了人類和機(jī)器的專長(zhǎng)，

是工業(yè)和非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域日勺不可缺

乏日勺自動(dòng)化設(shè)備。

本課題研制的數(shù)控涂膠機(jī)是為一汽集團(tuán)變速箱廠設(shè)計(jì)的涂膠樣機(jī)，規(guī)定自

動(dòng)涂膠機(jī)的X、Y兩軸由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)；Z軸

氣動(dòng)，重要用于作業(yè)工位的轉(zhuǎn)換，以調(diào)整涂膠槍嘴與涂膠平面日勺距離，并且編

寫(xiě)數(shù)控程序完畢對(duì)變速箱前殼體日勺涂膠工作。

該系統(tǒng)是一種經(jīng)典日勺機(jī)電一體化系統(tǒng)。因iM,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為重要由機(jī)械、

電氣、控制三大部分構(gòu)成。其機(jī)械部分重要是控制行程日勺X-Y-Z軸機(jī)械裝置，

它重要由驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行X-Y軸方向運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行裝置、氣缸、導(dǎo)軌等執(zhí)行機(jī)

構(gòu)構(gòu)成。電氣部分是由交流伺服電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、多種檢測(cè)傳感器、電磁

控制閥等構(gòu)成?？刂撇糠种匾扇毡綟ANUC企業(yè)研制日勺FANUC0數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)

成。

［關(guān)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(fā)展概況....................................1

1.3課題的來(lái)源、研究及意義....................................2

1.4課題研究的內(nèi)容.............................................3

第2章自動(dòng)涂膠機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案....................................4

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

2.2系統(tǒng)的構(gòu)成................................................4

2.3系統(tǒng)功能4

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

第3章自動(dòng)涂膠機(jī)機(jī)械系統(tǒng)H勺設(shè)計(jì)....................................6

3.1傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)..............................................6

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

滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)..........................................7

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

3.2導(dǎo)向部件的設(shè)計(jì)..............................................9

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

滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)..........................................10

3.2.3滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的安裝尺寸.............................10

3.3支承件的設(shè)計(jì)...............................................11

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

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

3.4涂膠系統(tǒng)口勺設(shè)計(jì).............................................12

Z軸驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)....................................12

涂膠裝置的設(shè)計(jì)..........................................12

3.5夾具的設(shè)計(jì)..................................................12

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

夾具的設(shè)計(jì)................................................13

定位誤差的計(jì)算……......13

氣動(dòng)系統(tǒng)圖14

第4章自動(dòng)涂膠機(jī)伺服系統(tǒng)H勺設(shè)計(jì)15

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

伺服系統(tǒng)及其分類.........................................15

伺服系統(tǒng)電機(jī)口勺分類及其特點(diǎn)...........................16

4.2電機(jī)的選擇..................................................17

4.3伺服系統(tǒng)的計(jì)算.............................................19

.重要參數(shù)設(shè)定............................................19

X向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算.................................19

4.4伺服電機(jī)計(jì)算...............................................22

慣量計(jì)算22

4.4.2轉(zhuǎn)矩匹配計(jì)算23

4.4.3檢測(cè)裝置的選用23

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

結(jié)論............................................................26

參照文獻(xiàn).........................................

第1章緒論

1.1引言

現(xiàn)今，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的I各個(gè)領(lǐng)域都離不開(kāi)膠接技術(shù)，膠粘劑已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)、農(nóng)

業(yè)、交通、醫(yī)學(xué)、國(guó)防、以及人民生活各個(gè)方面，它們?cè)趪?guó)民經(jīng)濟(jì)中起著越來(lái)

越重要的作用。在許多領(lǐng)域內(nèi)，膠接已經(jīng)逐漸替代老式日勺連接技術(shù)——焊接、

鉀接和螺栓連接，成為一門獨(dú)立日勺學(xué)科。

伴隨科技的發(fā)展，新產(chǎn)品不停出現(xiàn)，產(chǎn)品日勺市場(chǎng)壽命口益縮短，使大量日勺

生產(chǎn)方式碰到挑戰(zhàn)，這就規(guī)定提高制造業(yè)日勺生產(chǎn)設(shè)備柔性和對(duì)產(chǎn)品更新的適應(yīng)

性，以縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量和減少生產(chǎn)成本，從而導(dǎo)致制造業(yè)出現(xiàn)一

系列變化。因而機(jī)械部件中的密封面涂膠技術(shù)和異種材料部件間的粘接劑涂膠

技術(shù)的自動(dòng)化和柔性化成為必然。

當(dāng)今世界汽車生產(chǎn)數(shù)以千萬(wàn)計(jì)，是耗能大戶。國(guó)外對(duì)所生產(chǎn)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(shù)日勺應(yīng)用,

以及客戶對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性、舒適性規(guī)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(yīng)用越來(lái)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(fù)合材料等替代部分金屬材料"而采用膠接密封技術(shù)不僅有助于減輕車

重，并能提高耐腐蝕性和減少生產(chǎn)費(fèi)用。

1.2用于涂密封膠的涂膠機(jī)發(fā)展概況

密封在汽車、摩托車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、化工設(shè)備等產(chǎn)品的機(jī)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(duì)零部件的良好性能至關(guān)重要，并且是評(píng)價(jià)設(shè)備的質(zhì)量和完整性的

一種重要標(biāo)志。

最初的通用密封墊或密封圈是由諸多材料按著預(yù)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(dòng)載荷、溫度變化、液體浸泡

等多種惡劣工況，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)和齒輪箱這樣的應(yīng)用場(chǎng)所，環(huán)境最為惡劣。通

用密封墊或密封圈最明顯的缺陷如下:應(yīng)用此種密封的場(chǎng)所，法蘭間不會(huì)產(chǎn)生金

屬一金屬間日勺直接接觸，因此這種密封不會(huì)使作用于法蘭上的夾緊力到達(dá)最大

值。只有當(dāng)作用在密封墊或密封圈上的）壓縮載荷高于“最小密封應(yīng)力”時(shí)，聯(lián)接

螺栓才能被擰緊。這個(gè)“最小密封應(yīng)力”時(shí)值是封堵微構(gòu)造孔隙并防止液體外漏

的最小許用應(yīng)力。伴隨時(shí)間的推移，密封墊或密封圈就會(huì)松弛并展現(xiàn)?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(chǎn)生彈性，密封墊或密封圈有破裂時(shí)也許。

為了處理這些對(duì)產(chǎn)品的壽命和質(zhì)量至關(guān)重要日勺問(wèn)題，研究人員漸漸地將目

光投向運(yùn)用液體膠的涂膠技術(shù)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的研究和嘗試，最終研制成功一種

在無(wú)空氣環(huán)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(guò)一

種很細(xì)的涂膠頭噴涂到法蘭密封面上，不會(huì)出現(xiàn)膠液沉降并且法蘭裝配前膠液

不會(huì)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(guī)則

區(qū)域，而后在短歸間內(nèi)，膠液開(kāi)始反應(yīng)而形成一種結(jié)實(shí)口勺聚合物。它口勺這一性

質(zhì)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(dòng)又不能有泄漏。研究人員發(fā)現(xiàn)此聚合物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下口勺

潤(rùn)滑油及其他液體具有極強(qiáng)日勺耐蝕性。因此，它在發(fā)動(dòng)機(jī)場(chǎng)所的應(yīng)用尤為合適。

涂膠密封是應(yīng)用在特定H勺場(chǎng)所、只有法蘭裝配后才產(chǎn)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(dá)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(wú)永久變形和破裂現(xiàn)象日勺發(fā)生。因此,

涂膠技術(shù)為剛性法蘭間口勺密封提供了最有效H勺、功能最強(qiáng)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(guó)，伴隨單、

雙組分密封膠口勺深入開(kāi)發(fā)和電子產(chǎn)品的不停發(fā)展，自動(dòng)涂膠機(jī)很快就出目前歐

美口勺汽車制造業(yè)中。與人工涂膠或涂膠槍涂膠相比，自動(dòng)涂膠有許多長(zhǎng)處:愈加

安全的工作環(huán)境，更高口勺精度及復(fù)用性，更高的處理能力，同一設(shè)備可以用于

許多不一樣FI勺應(yīng)用場(chǎng)所。在過(guò)去的幾年中，美國(guó)工業(yè)發(fā)展對(duì)密封膠在制造業(yè)中

的應(yīng)用提出更高的規(guī)定。為了減少密封墊和密封圈的庫(kù)存成本及產(chǎn)品裝配過(guò)程

中有關(guān)的勞動(dòng)內(nèi)容，規(guī)定新研發(fā)向密封材料的固化工藝應(yīng)有所發(fā)展。尤其地，

汽車工業(yè)出臺(tái)了涂膠密封材料的應(yīng)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(guān)H勺降噪音等原則。這些規(guī)定和原則促使密封材

料研發(fā)商和自動(dòng)設(shè)備制造商合作，開(kāi)發(fā)出適應(yīng)新形勢(shì)的涂膠設(shè)備。

國(guó)外口勺機(jī)器人生產(chǎn)廠商各自推出了涂膠機(jī)，如日本莫托曼機(jī)器人、安川機(jī)

器人、美國(guó)ABB機(jī)器人等，我國(guó)機(jī)器人發(fā)展較晚，有北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究

所工業(yè)機(jī)器人與應(yīng)用技術(shù)工程研究中心的“自動(dòng)化涂膠工作站”，濟(jì)南未來(lái)之路

信息工程有限企業(yè)的“金未來(lái)自動(dòng)涂膠機(jī)”，比外，尚有與國(guó)外合資日勺企業(yè)也推

出對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品。以上涂膠機(jī)器人產(chǎn)品都是在機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)歐I，

即用機(jī)器人作為軌跡控制，附加供膠系統(tǒng)。

1.3課題的來(lái)源、研究目的及意義

作為機(jī)械工程及自動(dòng)化口勺學(xué)生，選擇的課題應(yīng)以體現(xiàn)本專業(yè)的特點(diǎn)及各方

面的內(nèi)容為重要根據(jù)。這樣能更有助于自己熟悉本專業(yè)的詳細(xì)應(yīng)用。因而，我

結(jié)合自己的研究方向，選擇了自動(dòng)涂膠機(jī)的研究作為我本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題。

本課題啊來(lái)源是一汽變速箱廠。變速箱箱體前后殼體在汽車生產(chǎn)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(wèn)題。

目前，密封膠的工作是由工人手動(dòng)操作完畢的。不過(guò)有許多弊端。重要有：

①由氣動(dòng)或機(jī)械力驅(qū)動(dòng)施膠槍，從膠筒中擠出膠，靠人工進(jìn)行軌跡控制，會(huì)

使材料涂布H勺位置和數(shù)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(shù)，對(duì)于大批量生產(chǎn)日勺規(guī)定，手

工很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性；

③揮霍大量的人力，延誤生產(chǎn)日勺自動(dòng)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(dòng)化機(jī)械以處理問(wèn)

題。因此，選用自動(dòng)化程度較高日勺自動(dòng)涂膠機(jī)，消除以上這些弊端，保證涂膠

均勻、無(wú)污染、無(wú)傷害、節(jié)省人力，提高效率，增長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)效益。

1.4課題重要研究?jī)?nèi)容

本課題研制的數(shù)控涂膠機(jī)是為一汽集團(tuán)變速箱廠設(shè)計(jì)的涂膠樣機(jī)，規(guī)定自

動(dòng)涂膠機(jī)的X、Y兩軸由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)；Z

軸氣動(dòng)，重要用于作業(yè)工位的轉(zhuǎn)換，以調(diào)整涂膠槍嘴與涂膠平面的距離，并且

編寫(xiě)數(shù)控程序完畢對(duì)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(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)日勺良好控制，本設(shè)計(jì)重要做了如下工作：

①涂膠機(jī)機(jī)械系統(tǒng)日勺設(shè)計(jì)，包括X、Y方向的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，Z方向日勺氣缸驅(qū)

動(dòng)系統(tǒng)；

②涂膠機(jī)供膠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括膠槍及其驅(qū)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)；

③涂膠機(jī)夾具的設(shè)計(jì)；

④涂膠機(jī)數(shù)控系統(tǒng)日勺簡(jiǎn)樸設(shè)計(jì)。

圖1.1變速箱前殼體零件圖

第2章自動(dòng)涂膠機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案

2.1概述

本課題所設(shè)計(jì)日勺這個(gè)自動(dòng)涂膠機(jī)是一種經(jīng)典H勺機(jī)電一體化系統(tǒng)。所謂的機(jī)

電一體化系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的主功能，信息處理功能和控制功能等方面引進(jìn)了電

了技術(shù)，并把機(jī)械裝置、執(zhí)行部件、計(jì)算機(jī)等電了設(shè)備以及軟件等有機(jī)結(jié)合而

構(gòu)成的系統(tǒng)。即機(jī)械、執(zhí)行、信息處理、接口和軟件等部分在電子技術(shù)的支配

下，以系統(tǒng)日勺觀點(diǎn)進(jìn)行組合而形成的一種新型機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)

械系統(tǒng)（機(jī)構(gòu)）、電子信息處理系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)）、動(dòng)力系統(tǒng)（動(dòng)力源）、傳感檢測(cè)系統(tǒng)（傳

感器）、執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電機(jī)）等五大子系統(tǒng)構(gòu)成。

2.2系統(tǒng)的構(gòu)成

在2.1中講到，該系統(tǒng)是一種經(jīng)典的機(jī)電一體化系統(tǒng)。因而，木系統(tǒng)設(shè)計(jì)成

為重要由機(jī)械、電氣、控制三大部分構(gòu)成。其機(jī)械部分重要是控制行程的X-Y-Z

軸機(jī)械裝置，它重要由驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行X-Y軸方向運(yùn)動(dòng)日勺執(zhí)行裝置、氣缸、

導(dǎo)軌等執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。電氣部分是由交流伺服電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、多種檢測(cè)

傳感器、電磁控制閥等構(gòu)成。控制部分重要由日本FANUC企業(yè)研制的FANUC

0數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成。

2.3系統(tǒng)功能

1.輸入已編制完畢日勺程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)變速箱殼體日勺自動(dòng)涂膠過(guò)程，以適應(yīng)不一

樣型號(hào)日勺變速箱前殼體日勺自動(dòng)涂膠工作；

2.檢測(cè)與控制功能。系統(tǒng)通過(guò)多種傳感器自動(dòng)檢測(cè)膠槍中膠量的多少和膠

槍的位置，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)所測(cè)H勺多種位置信號(hào)來(lái)控制涂膠機(jī)日勺啟動(dòng)、運(yùn)行和

停機(jī)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)供電電源狀況，在電源嚴(yán)重過(guò)壓或欠壓時(shí)停機(jī)。

3.報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)下列狀況之一時(shí)，均同步進(jìn)行報(bào)警:工作臺(tái)未回歸

原點(diǎn)位置時(shí)進(jìn)行啟動(dòng);膠槍未回歸上限位置時(shí)進(jìn)行啟動(dòng);工件沒(méi)有定位時(shí)進(jìn)行啟

動(dòng)；工作臺(tái)超過(guò)行程；系統(tǒng)供電電源嚴(yán)重過(guò)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(yōu)良的耐熱、耐油、耐寒性，其密封填隙能力很

強(qiáng)，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(yīng)用于零部

件產(chǎn)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(chǎn)

企業(yè)的“三漏”問(wèn)題。因此本設(shè)計(jì)選用RTV硅酮密封膠。它可以減少接合面的加

工精度1-2級(jí)。RTV硅酮膠具有優(yōu)秀的填隙功能，可以有效填滿箱體在搬運(yùn)、

裝配過(guò)程中對(duì)接合面導(dǎo)致的磕碰、劃傷等痕跡，而對(duì)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(fā)生滲漏現(xiàn)象。RTV硅酮膠接觸空

氣中日勺濕氣即固化，因此不會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)象。

涂膠施工是將膠從膠槍嘴中擠出，以膠帶H勺形式按規(guī)定涂在工件確實(shí)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(dòng)

狀態(tài)下施工日勺，因此要想到達(dá)上述規(guī)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(shí)間隙:

④膠槍出膠日勺速度（流量Q）與膠槍運(yùn)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(yīng)保持確定H勺夾

角。

第3章自動(dòng)涂膠機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)

概述

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)常用伺服進(jìn)給系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用

是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來(lái)日勺信息，進(jìn)行放大后來(lái)控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)，不僅控制進(jìn)

給運(yùn)動(dòng)的I速度，同步還要精確控制刀具相對(duì)于工件的移動(dòng)位置和軌跡。因此，

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位置和運(yùn)動(dòng)H勺速

度兩方面同步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

一種經(jīng)典的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)，一般由位置比較、放大元件、

驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋元件等幾部分構(gòu)成，而其中的機(jī)械傳動(dòng)裝

置是位置控制環(huán)節(jié)中的一種重要環(huán)節(jié)(這里所說(shuō)的機(jī)械傳動(dòng)裝置是指將驅(qū)動(dòng)源

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變位工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈)。

為保證數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性等，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)提出如

下規(guī)定⑸:

(1)高的傳動(dòng)精度與定位精度數(shù)控機(jī)床H勺進(jìn)給傳動(dòng)裝置的)傳動(dòng)精度和定位

精度對(duì)零件日勺加工精度起著關(guān)鍵性的作用。因此，傳動(dòng)精度和定位精度是數(shù)控

機(jī)床最重要，也是最具有該類機(jī)床特性的指標(biāo)，無(wú)論對(duì)點(diǎn)位、直線控制系統(tǒng)，

還是輪廓控制系統(tǒng)，該項(xiàng)精度部很重要。

(2)寬的進(jìn)給調(diào)速范圍伺服進(jìn)給系統(tǒng)在承受所有工作負(fù)載口勺條件下,應(yīng)具有

很寬的調(diào)速范圍，以適應(yīng)多種工件材料、尺寸和刀具等變化的需要。

(3)響應(yīng)速度要快所謂迅速響應(yīng)特性是指進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響

應(yīng)速度及瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束n勺迅速程度，即跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快；定位速度和

輪廓切削進(jìn)給速度要滿足規(guī)定；工作臺(tái)應(yīng)能在規(guī)定的速度范圍內(nèi)敏捷而精確地

跟蹤指令，進(jìn)行單步或持續(xù)移動(dòng)，在運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)丟步或多步現(xiàn)象。進(jìn)給系統(tǒng)

響應(yīng)速度的大小不僅影響機(jī)床的加工效率，并且影響加工精度。

(4)無(wú)間隙傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)間隙一般指反向間隙，它存在于整個(gè)傳動(dòng)鏈n勺

各傳動(dòng)副中，直接影響數(shù)控機(jī)床日勺加工精度；因此應(yīng)盡量消除傳動(dòng)向隙，減小

反向死區(qū)誤差。設(shè)計(jì)中可采用消除間隙H勺聯(lián)軸節(jié)及有消除間隙措施的傳動(dòng)副等

措施。

(5)穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)穩(wěn)定性是伺服進(jìn)給系統(tǒng)可以正常工作的最基本的

條件，尤其是在低速進(jìn)給狀況下，不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負(fù)載的變化而不

發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等均有關(guān)系，合適選擇各

項(xiàng)參數(shù)。并能到達(dá)最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。為此，構(gòu)成進(jìn)給

機(jī)構(gòu)口勺各傳動(dòng)部件應(yīng)選擇合適的材料及合理的加工工藝與熱處理措施，以延長(zhǎng)

其壽命。

(6)使用維護(hù)以便最大程度地減小維修工作量，以提高機(jī)床的運(yùn)用率。

滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副的工作原理及特點(diǎn)滾珠絲杠副是一種新型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的構(gòu)造

特點(diǎn)是在具TT螺旋槽H勺絲杠螺母間裝有?滾珠作為中間傳動(dòng)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(gè)圓弧形日勺

螺旋槽對(duì)合起來(lái)就形成螺旋線滾道，

在滾道內(nèi)裝有滾珠。當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時(shí)，

滾珠相對(duì)于螺母上日勺軌道滾動(dòng)，因此

圖3」?jié)L珠絲杠“

絲杠與螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來(lái)，在螺母螺

旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動(dòng)。滾珠絲杠副的特點(diǎn)是:

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

的絲杠螺母副提高3—4倍。因此，功率消耗只相稱于常規(guī)絲杠螺母副日勺1/4?

1/3。

②予以合適預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，

定位精度高，剛度好。

③運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。

④有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)絲杠和螺母都可以作為積極件，

也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為積極件。

⑤磨損小，使用壽命長(zhǎng)。

⑥制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件日勺加工精度規(guī)定高，表面粗糙度也規(guī)

定高，故制導(dǎo)致本高。

滾珠絲杠副的選擇措施

(1)滾珠絲杠副構(gòu)造的選擇

滾珠絲杠副的機(jī)構(gòu)類型可以從螺紋滾道的截面性狀、滾珠H勺循環(huán)方式和軸

向間隙的調(diào)整措施進(jìn)行區(qū)別。根據(jù)防塵條件以及對(duì)調(diào)隙及預(yù)緊H勺規(guī)定，可選擇

合適的構(gòu)造型式。由于該自動(dòng)涂膠機(jī)的工作性能規(guī)定，其工作環(huán)境應(yīng)具有良好

的防塵條件，且只需在裝配時(shí)調(diào)整間隙及預(yù)緊力。由于雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式

構(gòu)造簡(jiǎn)樸，軸向剛性好，預(yù)緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好，應(yīng)用廣泛，因

此本設(shè)計(jì)選用雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式構(gòu)造的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副。

(2)滾珠絲杠副構(gòu)造尺寸的選擇

①選擇絲杠的公稱直徑和基本導(dǎo)程

選用滾珠絲杠副時(shí)一般重要選擇絲杠的公稱直徑〃和基本導(dǎo)程?o公稱直

徑〃應(yīng)根據(jù)軸向最大載荷按滾珠絲杠副尺寸系列選擇。螺紋長(zhǎng)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(dǎo)程?應(yīng)按承載能力、傳

動(dòng)精度及傳動(dòng)速度選用，4大承載能力大，4小傳動(dòng)精度較高、規(guī)定傳動(dòng)速度

快時(shí)，可選用大導(dǎo)程滾珠絲杠副。

根據(jù)該自動(dòng)除膠機(jī)的性能規(guī)定，并按照國(guó)標(biāo)化組織中規(guī)定，可選用

4)=32""〃,基本導(dǎo)程Ph=10〃〃〃，工作圈數(shù)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(yán)重地影響滾珠絲杠副的傳

動(dòng)剛度。因此，螺母座應(yīng)有加強(qiáng)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?shù)膭偠纫矐?yīng)高，定位銷要緊密配合。

近來(lái)出現(xiàn)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(shè)計(jì)日勺尼龍成形保持架，接

觸角增大到60。,增長(zhǎng)了滾珠的數(shù)目并對(duì)應(yīng)減小滾珠的I直徑-這種新構(gòu)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(yù)調(diào)整，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，使用

極為以便。其產(chǎn)品一般成對(duì)發(fā)售，并且在出廠時(shí)已經(jīng)選配好內(nèi)外環(huán)日勺厚度，裝

配調(diào)試時(shí)只要用螺母和端蓋將內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊，就能獲得出廠時(shí)已經(jīng)調(diào)整好日勺

預(yù)緊力。一般需要把2個(gè)以上的軸承組合起來(lái)，且施加預(yù)緊力來(lái)使用。

綜上所述，本設(shè)計(jì)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(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高，合用于中等回

轉(zhuǎn)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(jù)JB/T9893-1999確定安裝尺寸如下表:

公稱公稱

規(guī)格滾珠螺母安裝、連接尺寸

直徑導(dǎo)程

代號(hào)

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(dǎo)致本，重要取決于制造精度和長(zhǎng)徑比。由于制造精度越

高、長(zhǎng)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(gè)等級(jí)，1級(jí)最高，10級(jí)最低。根據(jù)精度選擇推薦表選定精度為3

級(jí)。任意3(X)〃"72內(nèi)導(dǎo)程誤差為0.012mm。

⑤循環(huán)滾珠絲杠副系列性能參數(shù)

本文選用南京工藝裝備制造廠生產(chǎn)『、JFFZD系列滾珠絲杠，其性能參數(shù)如

下表：

表3.2FFZD系列滾珠絲杠

絲杠底徑螺母長(zhǎng)度額定載荷/KN

規(guī)格代號(hào)

動(dòng)載C”

d2/nvnL/rnm靜載C.

3210-327.314625.649.5

3.2導(dǎo)向部件的設(shè)計(jì)

概述

導(dǎo)軌重要起導(dǎo)向定位作用，以保證各部件對(duì)日勺的I互相位置及運(yùn)動(dòng)。機(jī)電產(chǎn)

品對(duì)導(dǎo)軌的規(guī)定重要是導(dǎo)向精度高、剛性好、運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度

變化影響小以及構(gòu)造工藝性好。

滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)導(dǎo)軌面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動(dòng)體，使導(dǎo)軌面之

間日勺摩擦為滾動(dòng)摩擦性質(zhì)，這種導(dǎo)軌稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌日勺種類諸多，按

運(yùn)動(dòng)軌跡分有直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和圓運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、

鋼球、反向器、保持架、密封端蓋及擋板構(gòu)成。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，

鋼球沿著導(dǎo)軌上的通過(guò)淬硬和精密磨削加工而成日勺四條滾道滾動(dòng)，在滑塊端部

鋼球又通過(guò)反向器進(jìn)入反向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就周而復(fù)始地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，反

向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵進(jìn)入滑塊內(nèi)部。與一般滑動(dòng)導(dǎo)

軌相比，滾動(dòng)導(dǎo)軌有下列長(zhǎng)處：

①運(yùn)動(dòng)敏捷度高，滾動(dòng)導(dǎo)軌日勺摩擦系數(shù)為0.0025?0.005,遠(yuǎn)不不小于滑動(dòng)導(dǎo)軌。

不管在作高速或作低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其摩擦系數(shù)基本不變，故在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)

產(chǎn)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(dòng)輕便。

④滾動(dòng)體一般可運(yùn)行IO、~IO'm，具有較高的耐磨性，磨損小。

⑤潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)樸，維修以便。

在該自動(dòng)涂膠機(jī)中，滾動(dòng)導(dǎo)軌副的作用重要是支承工作臺(tái)和限制工作臺(tái)的運(yùn)

動(dòng)方向。該導(dǎo)軌副沿直線運(yùn)動(dòng)，因此根據(jù)此系統(tǒng)工作的詳細(xì)條件及上述滾動(dòng)直

線導(dǎo)軌副的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的安裝尺寸

根據(jù)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)選擇四方向等載荷滾動(dòng)導(dǎo)軌副，其詳細(xì)安裝尺寸為:

圖3.3滾動(dòng)導(dǎo)軌副

表3.3荷滾動(dòng)導(dǎo)軌副安裝尺寸表

裝配組合后滑塊導(dǎo)軌

型號(hào)

HWCLM①BFd

203021.55340M6620606

3.3支承件的設(shè)計(jì)

概述

機(jī)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?nèi)丈谆ハ辔恢眉俺惺芏喾N作用力。承受加工時(shí)日勺靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)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?nèi)丈仔?/p>

態(tài)、幾何尺寸和材料是多種多樣日勺，但它們都應(yīng)滿足下列基本規(guī)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(dòng)剛度。靜剛度取決于支承件自身H勺構(gòu)造剛度

和接觸剛度。動(dòng)剛度不僅與靜剛度有關(guān)，并且與支承件系統(tǒng)日勺阻尼、固有頻率

有關(guān)。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(guò)容許值；

2.抗振性支承件H勺抗振性是指其抵御受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)H勺能力。機(jī)床在切

削加工時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，將會(huì)影響加工質(zhì)量和刀具的壽命，影響機(jī)床的生產(chǎn)率。振

動(dòng)常常成為機(jī)床噪聲H勺重要原因之一。因此，支承件應(yīng)有足夠的抗振性，具有

合乎規(guī)定的動(dòng)態(tài)特性；

3.熱變形和內(nèi)應(yīng)力支承件應(yīng)具有較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力。

支承件的選擇

（1）形狀和尺寸確實(shí)定

支承件日勺尺寸大小、，構(gòu)造形狀應(yīng)滿足工作規(guī)定。機(jī)床日勺類型、用途和規(guī)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(jù)該涂膠機(jī)的構(gòu)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(nèi)空間可

用于存儲(chǔ)潤(rùn)滑油，立柱內(nèi)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(yīng)用鑄鐵、鋼以及混凝土等。由于鑄鐵鑄造性能好，輕

易獲得復(fù)雜構(gòu)造的支承件，同步鑄鐵的內(nèi)摩擦系數(shù)大，阻尼系數(shù)大，使振動(dòng)衰

減日勺性能好，成本低。因此本設(shè)計(jì)選擇鑄鐵作為支撐件的I材料。

3.4涂膠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

z軸驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

由于氣動(dòng)裝置日勺氣源輕易獲得，機(jī)床可以不必再單獨(dú)配置動(dòng)力源，裝置構(gòu)

造簡(jiǎn)樸，工作介質(zhì)不污染環(huán)境，工作速度快和動(dòng)作頻率高，適合于完畢頻繁啟

動(dòng)日勺輔助工作。過(guò)載時(shí)比較安全，不易發(fā)生過(guò)載嚴(yán)重?fù)p壞機(jī)件等事故。因此Z

軸日勺運(yùn)動(dòng)由氣缸驅(qū)動(dòng)，重要用于涂膠槍日勺上下移動(dòng)，以調(diào)整涂膠嘴與涂膠平面

時(shí)距離。由于涂膠運(yùn)動(dòng)與工件不接觸，之間沒(méi)有互相作用力，氣缸只需要克服

移動(dòng)部件的重力。因此，根據(jù)移動(dòng)部件日勺質(zhì)量，選用QGAII系列氣缸（外觀如

圖3.4所示）。

涂膠裝置的設(shè)計(jì)

涂膠裝置由兩部分構(gòu)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(kāi)料缸內(nèi)閥門出膠，通過(guò)對(duì)氣缸流量日勺控制實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)

概述

在機(jī)床上加工工件時(shí)，為了使工件在該工序所加工的表面能到達(dá)規(guī)定的尺

寸精度和位置公差規(guī)定。在開(kāi)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工之前，必須首先使工件占有一種

對(duì)口勺的位置。一般把確定工件在機(jī)床上或夾具中占有對(duì)口勺位置的過(guò)程稱為定位。

當(dāng)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(yīng)當(dāng)用一定口勺機(jī)構(gòu)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(guò)程中保持定位位置不變的操作稱為夾緊。工件裝夾與否對(duì)的、迅速、以便和

可靠，將直接影響工件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、制導(dǎo)致本和操作安全。

按夾具時(shí)應(yīng)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(dòng)力源可將其分為手動(dòng)夾緊夾具、氣動(dòng)夾緊夾具、液壓夾

緊夾具、氣液聯(lián)動(dòng)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(xì)等基本元件構(gòu)成。

夾具的設(shè)計(jì)

（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(gòu)造形式也不一樣。根據(jù)變速箱前

殼體日勺構(gòu)造特點(diǎn)，選擇“一面兩孔邛勺定位方式。一種平面限制三個(gè)自由度，一

種短圓柱銷限制兩個(gè)自由度，一種削邊銷限制一種自由度，共限制六個(gè)自由度,

使工件完全定位。

（2）夾緊方式的選擇

夾緊裝置由動(dòng)力裝置、夾緊元件和中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。同步夾緊裝

置應(yīng)滿足夾緊時(shí)不破壞工件在夾具中占有的對(duì)H勺位置；夾緊力合適，既要保證

工件在加工過(guò)程中定位H勺穩(wěn)定性，又要防止因夾緊力過(guò)大損傷工件表面及產(chǎn)生

夾緊變形；夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)操作安全、省力、夾緊迅速；夾緊機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度、

工作效率與生產(chǎn)類型相適應(yīng)等基本規(guī)定。

由于較鏈夾緊機(jī)構(gòu)是一種增力機(jī)構(gòu)，它具有增力倍數(shù)大，摩擦損失小日勺長(zhǎng)處，

廣泛應(yīng)用于氣動(dòng)夾緊。因此本設(shè)計(jì)采用氣缸驅(qū)動(dòng)H勺較鏈夾緊機(jī)構(gòu)。

同步本設(shè)計(jì)應(yīng)用CATIA軟件建立夾具裝配體的三維模型（見(jiàn)附圖1）。

定位誤差的計(jì)算

因定位不對(duì)H勺而引起的誤差稱為定位誤差，其值為工序基準(zhǔn)在工序尺寸方

向上的最大變動(dòng)量。定位誤差A(yù).由基準(zhǔn)不重疊誤差△巧和定位副制造不精確誤

差A(yù)而構(gòu)成。

本設(shè)計(jì)中，涂膠平面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(zhǔn)不重疊誤差為該圓柱銷中心線對(duì)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(zhǔn)不重疊誤差為該削邊銷中心

線對(duì)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(nèi)，因此該定位方案是合理日勺。

氣動(dòng)系統(tǒng)圖

如圖3.5所示，閥A通電，活塞右移，壓住工件。當(dāng)氣缸內(nèi)壓力到達(dá)繼電

器YJ的調(diào)定壓力時(shí)，活塞返回。當(dāng)活塞壓住行程換向閥D后，空氣泵卸荷。

圖3.5夾具驅(qū)動(dòng)氣缸氣動(dòng)向路

第4章自動(dòng)涂膠機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1概述

伺服系統(tǒng)及其分類

伺服系統(tǒng)亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種可以跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而

獲得精確的位置、速度或力輸出H勺自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是

以機(jī)床的位置和速度為控制量，接受來(lái)自插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件生成的進(jìn)給脈沖

指令，通過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大、檢測(cè)反饋，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作

臺(tái)相對(duì)于刀具運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)。它一般由比較組件、調(diào)整組件、執(zhí)行組件、被

控對(duì)象及測(cè)量反饋組件構(gòu)成。

進(jìn)給伺服系統(tǒng)口勺高性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度。

因此，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)口勺位置控制、速度控制、伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳

動(dòng)等方面均有很高的規(guī)定。如高精度、穩(wěn)定性、迅速對(duì)應(yīng)無(wú)超調(diào)、寬調(diào)速范圍

等等。

從位置控制口勺角度可將伺服系統(tǒng)分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)：

①開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)（如圖4.1所示），它不需要位置檢測(cè)與反饋，執(zhí)行組件多采用

步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)位置正比丁指令脈沖的個(gè)數(shù)，位移速度取決丁指令脈沖口勺頻率。

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)樸，易于控制，不過(guò)精度低，低速平穩(wěn)性差，高速扭矩小，

般用于輕載、負(fù)載變化不大或經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。

②閉環(huán)伺服系統(tǒng)（如圖4.2所示），是誤差控制隨動(dòng)系統(tǒng)，一般有位置環(huán)和速度

環(huán)構(gòu)成。在位置環(huán)中，根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算得到日勺位置指令，與位置檢測(cè)裝置反饋回

來(lái)H勺機(jī)床坐標(biāo)軸H勺實(shí)際位置相比較，形成位置誤差，經(jīng)變換H勺到速度給定電壓。

在速度控制中，伺服驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)速度給定電壓和速度檢測(cè)裝置反饋日勺實(shí)際轉(zhuǎn)

速對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，以驅(qū)動(dòng)機(jī)床的傳動(dòng)部件，從而把速度量變?yōu)槲恢昧俊?/p>

閉環(huán)伺服系統(tǒng)傳動(dòng)鏈H勺誤差，環(huán)內(nèi)組件H勺誤差以及運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)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(tǒng)精度只取決于裝置制造精度

和安裝精度。

③半閉環(huán)伺服系統(tǒng)（如圖4.2）所示，位置檢測(cè)反饋組件沒(méi)有直接安裝在進(jìn)給坐

標(biāo)H勺最終運(yùn)動(dòng)部件上，將部分機(jī)械勾踐封閉在反饋控制環(huán)之外，其性能介于開(kāi)

環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。

半

閉

環(huán)

圖4.3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

伺服系統(tǒng)電機(jī)的分類及其特點(diǎn)

①步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)位置伺服系統(tǒng)亦叫步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件為步進(jìn)電動(dòng)

機(jī)。功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)盛行于20世紀(jì)70年代，且控制系統(tǒng)的構(gòu)造最簡(jiǎn)樸、控制

最輕易，維修最以便，控制為全數(shù)字化。數(shù)控系統(tǒng)與步近電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電

路結(jié)為一體。

伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電珞之外，其他硬件電路均可由軟件

實(shí)現(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)造，減少成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

的耗能太多，速度也不高。日前的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在脈沖當(dāng)量b為四〃時(shí)，最高移

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

定不高日勺經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造中。

②直流伺服電機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好日勺啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很以便

地在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速.故多采用在對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)H勺調(diào)速性能規(guī)定較

高日勺生產(chǎn)設(shè)備中。

③交流伺服電機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)，在規(guī)定調(diào)速性能較高H勺場(chǎng)所，一直占據(jù)主導(dǎo)地位H勺

是應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，但直流電動(dòng)機(jī)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(hù)；換向器換向忖會(huì)產(chǎn)生火花，使電功價(jià)的最高速

度受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；并且直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)造復(fù)雜，制造困難，

所用鋼鐵材料消耗大，制導(dǎo)致本高。而交流電動(dòng)機(jī)，尤其是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

沒(méi)有上述缺陷，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣體積下,

交流電動(dòng)機(jī)輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10%-70%o此外，交流電動(dòng)機(jī)口勺容最

可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，到達(dá)更高的電壓和轉(zhuǎn)速。

伴隨新型大功率電力電子器件、新型變頻技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及微機(jī)數(shù)

控等在實(shí)際應(yīng)用中獲得口勺重要進(jìn)展，到了20世紀(jì)80年代，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

已獲得了突破性的進(jìn)展。在日本、歐、美等國(guó)形成了一種生產(chǎn)交流伺服電動(dòng)機(jī)

的新興產(chǎn)業(yè)。德國(guó)1988年口勺機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)已占80%,日

本1985年銷售的交流與直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之比為3：1。機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)中，

采用交流電動(dòng)機(jī)的占銷售總量的90%o

交流伺服電機(jī)可分為異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)和同步交流伺服電動(dòng)機(jī)。異步型

交流伺服電動(dòng)機(jī)其定子由繞組構(gòu)成，通入交流電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)

速與定子電路產(chǎn)生『'J旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速存在轉(zhuǎn)速差時(shí)，轉(zhuǎn)子口勺導(dǎo)體將切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

的磁力線而產(chǎn)生電流，電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)互相作用，使轉(zhuǎn)子受到磁力，使之轉(zhuǎn)動(dòng),

其方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向一致。異步交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子的重量輕，對(duì)

應(yīng)速度快。

同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)與異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)的區(qū)別：同步型交流伺服電

動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是一種磁極，它受到定子電路旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的吸引，與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速

一直保持同步。當(dāng)電源電壓和頻率固定不變時(shí)，同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

是固定不變得。由變頻電源供電時(shí)，可以以便地獲得與頻率成正比的可變轉(zhuǎn)速,

可得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。

4.2電機(jī)的選擇

由前面所述日勺交流伺服電機(jī)的長(zhǎng)處，并結(jié)合本設(shè)計(jì)日勺特點(diǎn)，選擇交流伺服

電機(jī)作為進(jìn)給系統(tǒng)的I驅(qū)動(dòng)裝置，同步采用半閉環(huán)日勺控制方式。

BA系列交流伺服電機(jī)是北京機(jī)床研究所開(kāi)發(fā)的換代產(chǎn)品，是為了驅(qū)動(dòng)機(jī)床

伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)而專門設(shè)計(jì)的。同步也合用于其他多種驅(qū)動(dòng)裝置。重要特點(diǎn)為：

最佳的磁路設(shè)計(jì)，構(gòu)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(guò)載能力強(qiáng)；采用高可靠性脈沖編碼器，運(yùn)行可靠，使用壽命長(zhǎng)。其重要

參數(shù)如下表：

表4.1電機(jī)重要參數(shù)

輸出功額定轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子慣最大轉(zhuǎn)

電機(jī)型對(duì)應(yīng)電機(jī)原重量

率矩速量矩

號(hào)則代號(hào)Kg

KWNmrpmNmS1Nm

0145SJT/M000.652.920230.0015269

交流伺服電機(jī)日勺控制采用正弦波脈寬調(diào)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(jīng)整流變壓器變到所需

電壓后，經(jīng)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(gè)

大功率晶體管構(gòu)成的逆變器主電路，輸出三相頻率和電壓均可調(diào)整日勺等效于正

弦波的脈寬調(diào)制波(SPWM波)，即可拖動(dòng)三相異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種變頻器構(gòu)造

簡(jiǎn)樸，電網(wǎng)功率因數(shù)靠近于1,且不受逆變器負(fù)載大小日勺影響，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,

輸出波形好，使電機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，擴(kuò)展了

調(diào)速范圍，提高了調(diào)速性能，因此在數(shù)控機(jī)床的交流驅(qū)動(dòng)中得到日勺廣泛應(yīng)用⑵〃

SPWM逆變器用來(lái)產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波即SPWM波形。其工作原理是把1

個(gè)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(biāo)軸所包圍H勺面積

都用1個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)替代，這樣可得到N個(gè)等高而不等寬

的脈沖序列。它對(duì)應(yīng)著I個(gè)正弦波H勺半周，對(duì)正負(fù)半周都這樣處理.即可得到

對(duì)應(yīng)的I2N個(gè)脈沖，這就是與正弦波等效日勺正弦脈寬調(diào)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(jī)線電壓波形圖如4.5所示。圖（a）中

V1-V6為6個(gè)大功率晶體管，并各有1個(gè)二極管與之反并聯(lián)，作為續(xù)流用。來(lái)

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(guī)定

和頻率規(guī)定，從參照信號(hào)振蕩器上產(chǎn)生頻率與電壓協(xié)調(diào)控制的三路正弦波電路,

與等腰三角波發(fā)生器來(lái)日勺載波信號(hào)一同送入電壓比較器，產(chǎn)生三路SPWM波形,

經(jīng)各相分路后可得到六路SPWM信號(hào).加于V1-V66個(gè)功率晶體管基極，作為

驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)、當(dāng)逆變器工作于雙極性工作方式時(shí)，可得到如圖4.5所示口勺線電

壓波形。

0

圖

4.3伺服系統(tǒng)的計(jì)算

.重要參數(shù)設(shè)定

直線工作臺(tái)面尺寸(長(zhǎng)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(jìn)給速度為200-4000〃〃〃/min,迅速進(jìn)給速度為2()^2/min0

X向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算

(I)工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)承重日勺計(jì)算

直線工作臺(tái)質(zhì)量G1=pV^=2.7xl03x710x500x50x9.81xlO-9=471/V

工作臺(tái)承重為G2=100x9.81=981N

根據(jù)以上估算得總的質(zhì)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(méi)有互相作用力，因此切削力為零。

(3)滾珠絲杠副日勺驗(yàn)算

①滾珠絲杠副導(dǎo)程

由.2所述，滾珠絲杠的導(dǎo)程6=10""〃

②絲杠的等效轉(zhuǎn)速

最大進(jìn)給時(shí)，絲杠日勺轉(zhuǎn)速為〃max=匕皿/笈=20000/10=2000r/min

最小進(jìn)給時(shí),絲杠口勺轉(zhuǎn)速為nmin=Vmin//>=200/10=20"min

則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速(估算4=2%)為

=+〃min.二］詢“

…2

③絲杠的等效載荷

動(dòng)作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上日勺軸向壓力，它的數(shù)值

可用進(jìn)給牽引力的試驗(yàn)公式計(jì)算。由于選定為滾動(dòng)導(dǎo)軌，而一般狀況下，滾動(dòng)

導(dǎo)軌的I摩擦系數(shù)為().003—0.005,取摩擦系數(shù)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(fù)載為摩擦力，與最大值一致。

故其等效負(fù)載F『Fmax=6N

④絲杠所受口勺最大動(dòng)載荷C“驗(yàn)算

查表，取絲杠的工作壽命4為15000h,同步取精度系數(shù)A=0.9,負(fù)載性

質(zhì)系數(shù)九=1.2,溫度系數(shù)￡