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摘 要
數控機床的廣泛應用，標志著機電一體化技術的高速發(fā)展和取得的成績。本論文主要介紹的是電路板涂膠機設計，共分為以下幾大部分：
一、機床機械結構的設計與計算，主要介紹了一些非標準件，如機架、涂膠頭、吸盤等的設計計算，滾珠絲杠的選用與計算，直線滾動導軌和圓柱導軌的選用及計算，在已知條件下進行步進電動電機的選用；
二、氣壓系統(tǒng)的整體設計與氣壓元件的選用和計算（吸盤采用氣壓系統(tǒng)），整體設計包括氣壓系統(tǒng)原理圖的繪制，氣壓回路的構成，氣壓原件的選擇主要為氣壓缸。
三、控制部分的設計，其中包括了控制器的選用、控制流程圖的繪制、硬件電路圖的繪制、控制程序的編寫，在硬件電路圖的設計中根據機械部分設計時所選用的電機來確定其驅動芯片。
此外，本論文可參詳機械圖進行對照分析，可作為機床工藝說明使用。
關鍵詞 直線滾動導軌 圓柱導軌 氣缸
Abstract
Extensive use of CNC machine tools, mechatronics marked the rapid development and achievements. This paper introduces the processing of CNC surface grinder-link at both ends of the overall design process, a total is divided into the following major parts:
The first part of the mechanical structure for the machine tool design and calculation, introduced a number of non-standard items, such as shaft parts, feed plates, pulley calculation, such as design, selection and calculation of ball screw, V with the selection and use of root to determine the number of known conditions of the selected motor (including the stepper motors and three-phase asynchronous motor);
The second part of the overall design of pneumatic system components and the pressure of selection and calculation of the overall design, including the principle of pressure mapping system, pneumatic circuit components, the original choice of major depression for the pressure tank, pressure pump and valve choice and calculation, as the air pressure pump driven by the needs of electric, so to join in this part of the pump motor selection and calculation;
The third part of the design is divided into control, including the choice of the controller to control the flow chart of the drawing, the rendering hardware circuitry to control the preparation process, the design of the hardware circuit diagram in accordance with the design of mechanical parts of the selected motor to determine the the driver chip.
In addition to three major addition, the paper also presented a rough mechatronics technology development, can be used as the use of machine tool technology
Keywords linear rolling guide rails cylinder cylinder
目 錄
第1章 緒 論 1
1.1題目的來源及意義 1
1.2設計內容 1
第2章 總體方案的設計 2
2.1設計的總體目標 2
2.2機械部分可行性分析 2
2.3控制部分可行性分析 5
第3章 機械結構的設計 7
3.1 X、Y、Z工作臺和涂膠頭導軌副的計算與選型 8
3.1.1 導軌選擇考慮的因素： 8
3.1.2 直線滾動導軌副的計算與選型： 9
3.1.3 圓柱直線導軌副的選型： 10
3.2 傳動部件的計算和選型 11
3.2.1 滾珠絲杠的特點 11
3.2.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型： 11
3.3 絲杠用電機的選用 15
3.4 增量式旋轉編碼器的選用 18
3.5 步進電動機驅動電源的選用 18
3.6 聯軸器的選型 19
3.7 軸承的選型與校核 20
3.8 機架的設計 21
第4章 氣壓系統(tǒng)的設計 26
4.1 氣壓系統(tǒng)原理圖 26
4.2氣壓元件的選擇與計算 27
4.2.1吸盤氣壓缸的計算與選型： 27
4.2.2氣壓閥類的選用 28
4.2.3氣泵的選擇計算 29
4.2.4泵用電機的計算與選型 29
4.2.5其它輔助氣壓元件的選擇 30
第5章 控制系統(tǒng)的設計 32
5.1控制器的選擇 32
5.2 PLC技術基本原理 32
5.3 PLC控制程序設計 37
5.4PLC型號的選擇 38
5.5驅動器的選擇 40
5.6控制流程圖 42
5.7硬件電路的設計 43
第6章 總結 46
6.1關于機器 46
6.2關于設計 46
致 謝 48
參考文獻 49
附錄 50
VI
第1章 緒 論
1.1題目的來源及意義
本次畢業(yè)設計的題目是電路板涂膠機設計。該設備主要是用來實現給電路板涂保護膠，整個涂膠過程將按照事先編好的程序自動完成。屬于典型的機電一體化產品。此題目來源于生產實際。
自20世紀50年代中期起,印刷電路版英文簡稱PCB技術被開始被廣泛采用后電路板的生產實現了自動化，即生產率被大大的提高了。正是此項技術的成熟才出現了給電路板涂保護膠以進行散熱、防水、固定等的要求，而涂膠機為此應運而生。
本次畢業(yè)設計的涂膠機體積小、占地面積少能給企業(yè)減少廠房使用面積。同時，能夠實現自動卡緊電路板，卡緊后本機將根據變好的程序要求要涂覆的區(qū)域覆蓋。涂層薄厚可在規(guī)定范圍內任意調節(jié)（0.1mm到0.3mm為最宜）。即便更換電路板的型號也可以工作。
隨著我國經濟穩(wěn)步發(fā)展，人民的生活水平發(fā)生了翻天覆地的變化。大到彩電、冰箱、洗衣機、空調、電腦、微波爐，小到手機、MP3、MP4、等等，已經幾乎成為大部分家庭的必須品。而這些電器和電子產品使用的正是這種印刷電路板。所以涂膠機是每個電器生產廠家所必備的設備。由此可見，涂膠機有著很強的生命力和廣泛的市場。
1.2設計內容
本設計的內容主要包括三部分：第一部分為機械結構和涂膠頭的設計與計算，主要介紹了一些非標準件，如端蓋，軸，機架等的設計計算。其次，又介紹了一些標準件的計算與選型，如滾珠絲杠副，直線滾動導軌，圓柱滾動導軌，聯軸器，步進電動機等的計算與選型；第二部分為吸盤的氣壓系統(tǒng)的整體設計與氣壓元件的計算與選型。整體設計包括氣壓系統(tǒng)原理圖的繪制，氣壓回路的構成，氣壓原件的選擇主要為氣壓缸；第三部分為控制部分的設計，其中包括了控制器的選用、控制流程圖的繪制、硬件電路圖的繪制、控制程序的編寫，在硬件電路圖的設計中根據機械部分設計時所選用的電機來確定其驅動芯片。
第2章 總體方案的設計
2.1設計的總體目標
本次設計的目標是能夠使涂膠機實現自動卡緊電路板，并根據編好的程序要求，給要涂覆的區(qū)域覆蓋。涂層薄厚可在規(guī)定范圍內任意調節(jié)。
為了能夠深入了解電路板涂膠機的功能特點以完整的完成課題，本人查閱了相關資料。并了解相關設計要求。涂膠機主要工作目的有四方面。一是自動卡緊電路板；二是能夠讓涂膠頭按著要求的軌跡進行運動涂膠。三是能夠調節(jié)涂膠的厚度。四是保證保護膠始終處在適宜工作的稠度，能夠自如涂灑。
按以上述要求計出一套具有結構緊湊，工作效率高、能夠準確定位、涂膠頭（X、Y、Z）三個方向自由運動、應用方便等特點的電路板涂膠機。
2.2機械部分可行性分析
本涂膠機主要包括機械部分，控制部分，組成。根據現有的國內外涂膠機的原理及結構，進行結構、尺寸上的來設計。
如圖2-1所示：
圖2-1 X軸傳動簡圖
圖2-2 Z軸傳動簡圖
圖2-3 Y軸傳動簡圖
圖2-4 工作臺布局簡圖
圖2-5 涂膠頭結構簡圖
如上圖2-1到2-5，本機械部分包括機架、涂膠頭的設計、涂膠頭X、Y、Z三個方向的傳動設計、工作臺的定位。由于機架形狀比較復雜且為了減少制造成本故采用槽鋼焊接。涂膠頭采用氣動裝置，其本身就是一個氣缸，當內部活塞向上抽動時，就在膠的表面形成負壓隨著負壓的不斷增大保護膠便吸入涂膠頭內部。而涂膠頭內部的螺旋桿在外部電機的帶動下不斷的旋轉這樣是為了防止吸入內部的膠凝固。X、Y、Z三個方向傳動的工作原理是相同的，涂膠頭固定在Z軸工作臺上，Z軸工作臺固定再Y軸工作臺上，Y軸工作臺固定在X軸工作臺上。外部步進電機旋轉通過聯軸器帶動絲杠螺母副，螺母帶動與螺母固定的工作臺，從而，完成工作需要的傳動路線。絲杠螺母的精度符合工作的精度要求。導軌從精度要求等綜合要求出發(fā)，直線滾動導軌較易，涂膠頭采用圓柱導軌。涂膠機的工作臺的設計主要取決于工件的定位而本機定位采用人工，所只需設計與工件尺寸配合的模板即可?？ňo采用氣動裝置。
2.3控制部分可行性分析
圖2-6 工作流程圖
圖2-7 控制系統(tǒng)框圖
如圖2-6、2-7控制部分采用PLC控制，這主要是因為它的優(yōu)點，可靠性高，編程方便，控制功能強，擴展及與外部聯接極為方便。其控制的對象為給絲杠螺母和涂膠頭提供動力的步進電機，按工作要求控制其轉動的方向和速度。具體速度需要現場調試。
綜上所述：方案可行。
第3章 機械結構的設計
液體在外力作用下流動時，分子間內聚力的存在使其流動受到牽制，從而，沿其界面產生內摩擦力，這特性稱為液體的粘性，而本機工作所需的吸膠能力必須克服膠的粘性和膠自身重力以及膠進入涂膠頭與膠頭內壁的摩擦力實驗測試表明，流動液體相鄰液層間的速度梯度成正比，
即： （3-1），如圖3-1所示：
圖3-1涂膠頭尺寸圖
查機電一體化系統(tǒng)設計實例表7-1知：，代入上式（3-1）得：，取摩擦系數所以,。由生產實踐知：給長500mm，寬250mm的電路板涂涂層厚度3mm的膠時大概需要107937.5，所以可知涂膠頭容積為10939.5，又因涂膠頭內壁直徑設計為φ=50mm，所以算得涂膠頭推板行程為53.4mm為了制造方便可取h=55mm。
3.1 X、Y、Z工作臺和涂膠頭導軌副的計算與選型
導軌（Guideways）的功用是導向和承載。在導軌副（如工作臺和床身導軌）中，運動的另一方（如工作臺導軌）叫作動導軌，不動的另一方（如床身導軌）叫做支承導軌。
按摩擦性質分為滑動導軌和滾動導軌。在滑動導軌中有靜壓導軌、靜壓導軌和普通滑動導軌。靜壓導軌的原理和靜壓滑動軸承相同，該導軌多用于進給運動導軌。動壓倒軌，當導軌面間的相對滑動速度達到一定值后，液體的動壓效應是導軌的油腔處出現壓力油楔，把兩導軌面分開，從而形成以液體摩擦，這種導軌只能用于高速的場合，故僅用作主運動導軌，例如立式銑床導軌。普通滑動導軌的摩擦狀態(tài)有的為混合摩擦。
按受力狀態(tài)可分為開式導軌和閉式導軌。在部件自重和外載作用下，導軌面在導軌全長上可以始終貼合的稱為開式導軌，如龍門銑床的工作臺和床身導軌。部件的自重不能使主導軌面始終貼合，就必須增加壓板，形成輔助導軌面，稱為閉式導軌。
3.1.1 導軌選擇考慮的因素：
1. 導向精度
導軌在空載下運動和在切削條件下運動時，都應具有足夠的導向精度。保證軸承運動的準確性，是保證導軌工作質量的前提。
（1）幾何精度
直線運動導軌的幾何精度一般包括：導軌在豎直平面內的直線度（簡稱A項精度）；導軌在水平平面內的直線度（簡稱B項精度）；兩導軌面間的平行度，也叫作扭曲（簡稱C項精度）。在A、B兩項精度中，都規(guī)定了導軌在每米長度上和導軌全長上，兩導軌面間在橫向每米長度上的扭曲值。
（2）接觸精度
磨削和刮研的導軌表面，接觸精度按的規(guī)定，采用著色法進行檢查。用接觸面所占的百分比或面積內接觸點數衡量。
2. 精度保持性
影響精度保持性的主要因素是磨損。提高耐磨性以保持精度，是提高機床質量的主要內容之一，也是科學研究的一大課題。常見的磨損形式有磨料（硬粒）磨損、粘著磨損（或咬焊）和接觸疲勞。磨料磨損經常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。磨粒夾在導軌面間隨之相對運動，形成對導軌面的切削，使導軌面產生劃傷。磨料的硬度越高，相對滑動速度越大，壓強越大，對摩擦副的危害也越大。磨料磨損很難避免，是導軌防護的重點。粘著磨損也稱為分子——機械磨損。當兩個摩擦表面相互接觸時，在高壓強下材料產生塑性變形，相對運動時的摩擦，又使表面層的氧化膜破壞，在新暴露出來的金屬表面之間，就會產生分子間的相互吸引和滲透，使接觸點粘結而發(fā)生咬焊。接觸面的相對運動又要將咬焊點拉開，就造成撕裂性破壞。咬焊是不允許發(fā)生的。接觸疲勞發(fā)生在滾動摩擦副中，也是無法避免的。
3. 低速運動平穩(wěn)性
當導軌作低速運動或微量位移時，應保證導軌運動的平穩(wěn)性，即不出現滑移現象。低速運動平穩(wěn)性與導軌的結構、材料和潤滑，與動、靜摩擦系數的差值，與傳動導軌運動的傳動鏈的剛度有關。
4. 結構簡單平穩(wěn)性好
大多數機床的導軌都要淬硬，因此導軌的精加工，不能淬硬。設計時要注意使導軌的制造和維修方便，刮研量少。如果采用鑲裝導軌，則應盡量做到更換容易。
5. 導軌的潤滑
潤滑的目的是為了降低摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。潤滑要求供給導軌清潔的潤滑油。油量可以調節(jié)。盡量采取自動和強制潤滑。潤滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導軌在未形成油膜之前不能開車和潤滑不正常有報警信號等。導軌的潤滑方式有很多?？梢匀斯ざㄆ谙驅к壝鏉灿汀４朔ê唵我仔?，但不能經常保證足夠的潤滑。也可在運動部件上裝油杯，使油沿油孔流或滴向導軌面，也可在運動導軌面上裝潤滑電磁泵?；蚴謩訚櫥捅茫〞r拉動幾下供油。為使?jié)櫥驮趯к壝嫔陷^均勻的分布，保證潤滑效果，需在導軌面上開出油溝。
綜上所述：X、Y、Z三個工作臺，工作時不產生切削力。所以，不要求有很強的剛性和抗震性，但要求運動靈敏度高低速運動平穩(wěn)，定位精度高，故選取直線滾動導軌副。涂膠頭選擇圓柱直線導軌副。
3.1.2 直線滾動導軌副的計算與選型：
（1）滑塊承受工作載荷F的計算及導軌型號的選取。
工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本機X，Y工作臺水平布置，采用雙導軌，四滑塊的支持形式。Z工作臺豎直方向布置，同樣采用雙導軌，四滑塊的支持形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：
F （3-2）
其中，移動部件總重量G=2500N,外加載荷==0N帶入式（2-2），得最大工作載荷。
查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-41，根據工作載荷,初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷,額定靜載荷。根據初步設計，最長導軌長度為800mm。
（2）距離額定壽命L的計算。
上述選取的KL系列JSA-LG15型導軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過100℃每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-36～表3-40。分別取硬度系數,溫度系數，接觸系數，精度系數，載荷系數，代入下式：
（3-3）
遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。
3.1.3 圓柱直線導軌副的選型：
圓柱直線導軌As系列：
主要用途：
直線軸在自動傳動裝置上廣泛應用，諸如工業(yè)機器人、自動記錄儀、計算機、精密打印機、特殊氣缸竿、自動塑木機等工業(yè)機器，所以本設計的涂膠頭的活塞桿的傳動也采用圓柱直線導軌副。
材料：
硬度：
精度：g6
粗糙度：不超過1.5u m（）
硬帶：0.8～3mm
外徑：3～120（GCr15）3～40（SUS440C）
等級長度：100mm～3010mm（6000mmis available）
長度：100mm不超過5μm
圓度：不超過3.0μ（）
標準型：S:鍍鉻型 As：不銹鋼
3.2 傳動部件的計算和選型
3.2.1 滾珠絲杠的特點
1. 用較小的扭矩轉動絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。
2. 可達到很大的降速比，使降速機構大為簡化，傳動鏈得以縮短。
3. 能達到較高的傳動精。用于進給機構時,還可兼作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小數值可達0.0001mm。
4. 傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率=0.92～0.96,而一般的常規(guī)（滑動）絲杠螺母副的=0.20～0.40。所以滾珠絲杠的傳動效率比常規(guī)絲杠的傳動效率提高了3～4倍。因此功率消耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的。
5. 給予適當的預緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。
6. 運動平穩(wěn)，無爬行現象，傳動精度高。滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運動速度完全無關，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現爬行現象，故傳動精度高。
7. 有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數小，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以由直線運動轉換為旋轉運動。絲杠和螺母都可以作為主動件，也可以作為從動件。
8. 制造工藝復雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。
9. 不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關系，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需要添加制動裝置。
3.2.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型：
在設計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎上，即滾性絲杠在工作過程中受軸向負載時，在滾珠和滾道型面間使產生接觸應力。在這種交變接觸應力的作用下，經過一定的應力循環(huán)次數后，就要使?jié)L珠或滾道型面產生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉一百萬轉后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現象，這個負載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載。
1.X、Y、Z工作臺滾珠絲杠螺母副的計算和選型：
（1）最大工作載荷計算：
(3-4)
其中，移動部件重量包括x工作臺、y工作臺、z工作臺、涂膠頭、y、z工作臺的導軌等，估計重量約為2500N。滾動導軌副的摩擦系數，因為本機工作沒有切削力。故，，，帶入上式（3-4），求得滾珠絲杠副的最大工作載荷。
（2）最大動載荷的計算：
設工作臺在裝滿膠時且涂膠厚度為最薄為1mm時的最快進給速度初選絲杠基本導程，則此時絲杠轉速n=取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入得。
查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-30去載荷系數,取硬度系數，代入下式：
（3-5）
得：。
（3）初選型號 ：
根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式。其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為，精度等級取5級，額定動載荷為9309N,大于滿足要求。
（4）傳動效率的計算 ：
將公稱直徑，導程，代入下式：
（3-6）
得絲杠螺旋升角′。將摩擦角φ=10′，代入，得傳動效率％。
（5）剛度的驗算：
① X-Y-Z工作臺滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左，右支承的中心距離最長約為800mm；鋼的彈性模量；查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-31，得滾珠直徑，絲杠底經，絲杠截面積。絲杠在工作載荷作用下產生的拉壓變形量。
② 根據公式: (3-7)
求得單圈滾珠數Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數列數=，代入公式：，得滾珠總數。絲杠預緊時取軸向預緊力。則由式：
有預緊時 (3-8)
求得：滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量，因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的，所以，實際變形量可減小一半，取。
③ 將以上算出的代入，求得絲杠總變形量。本設計絲杠有效行程為600mm，由機電一體化系統(tǒng)設計表3-27查得，5級精度滾珠絲杠的有效行程在500～630mm時，行程偏差允許達到32μm，可見，絲杠剛度足夠。
（6）壓桿穩(wěn)定性校核：
根據公式 （3-9）
計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-34，去支承系數;由絲杠的底徑，求得截面慣性劇矩，壓桿穩(wěn)定安全系數k一般取為2.5～4，由于水平安裝時k值大于垂直安裝時k的值故k取3(絲杠臥式水平安裝)；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值800mm。代入公式（3-9）得臨界載荷，大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。
綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。
2.涂膠頭絲杠螺母副的計算與選型：
（1）工作載荷的計算：
涂膠頭工作吸膠時需要725N的力與絲杠軸線平行，設為，而與絲杠垂直方向和與工作臺垂直方向的兩個力均為零，即。已知移動部件總重量，按矩形導軌進行計算，查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-29，取顛覆力矩影響系數k=1.1。滾動導軌上的摩擦因數。代入式(3-4),求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：。
（2）最大動載荷的計算：
設涂膠頭在涂膠厚度為3mm是的最快進給速度v=7.2mm/min。初選絲杠導程，則此時絲杠轉速，取絲杠的使用壽命T=15000h，代入，得絲桿壽命系數為(單位為)。查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-30，取載荷系數，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數,代入上式（3-5）得：。
（3）初選型號：
根據計算出最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇深圳市萬臣科技有限公司生產的SFK系列SFK00802型滾珠絲杠副，其公稱直徑為8mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取5級，額定動載荷為1422N，大于,滿足要求。
（4）傳動效率的計算：
將公稱直徑，導程，代入上式（3-6）得絲杠螺旋升角λ=11.257°。將摩擦角φ=10′代入得傳動效率η=98.5％。
（5）剛度的驗算：
①滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左，右支承的中心距離最長約為a=100mm；鋼的彈性模量。查得滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面積。算得絲杠在工作載荷作用下產生的拉/壓變形量。
②根據公式（3-7），求得單圈滾珠數Z=18;該絲杠為單螺母滾珠的圈數×列數為3×1，代入公式得滾珠總數量。絲杠預緊時，取軸向預緊力。則由式（3-8）算得，。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載1/3,所以，實際變形量可減少一半，取。
③將以上算出的代入，求得絲杠總變形量。本設計絲杠有效行程為100mm，由機電一體化系統(tǒng)設計表3-27查得，5級精度滾珠絲杠的有效行程在315mm時，行程偏差允許達到23μm，可見，絲杠剛度足夠。
（6）壓桿穩(wěn)定性校核：
根據公式（3-9）計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查機電一體化系統(tǒng)設計實例表3-34，去支承系數;由絲杠的底徑，求得截面慣性劇矩，壓桿穩(wěn)定安全系數k取2，滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值100mm，代入上式（3-9）得臨界載荷遠大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。
綜上所述，初選的滾珠絲杠副，滿足使用要求。
3.3 絲杠用電機的選用
（1）本設計中共采用4個電機，考慮到設計要求和電機選擇原則等因素，故選擇步進電機。且，步進電動機的選型因主要注意以下幾點：
①步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。
②步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。
③由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,90BYG采用高于直流100V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源， 不過要考慮溫升。
④轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。
⑤電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
⑥高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產廠家少。
⑦電機不應在振動區(qū)內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
⑧電機在600PPS（0.9度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。
⑨應遵循先選電機后選驅動的原則。
（2）X軸電機的計算與選型：
①計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量：
已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長，材料密度；移動部件總重力；查機電一體化設計實例表4-1知，絲杠的轉動慣量: (3-10)
其中：-絲杠的質量1.36kg
D -絲杠的直徑2cm
L -絲杠的長度55cm
代入上式（2-10）算得：；
工作臺這算到絲杠上的轉動慣量： （3-11）
其中：-工作臺質量150kg
絲杠導程0.5cm
代入（3-11）算得：初選步進電動機型號為90BYG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產兩相八拍驅動時步矩角為0.75°，查機電一體化設計實例表4-5查得該型號電動機轉子的轉動慣量。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為。
②計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩分快進空載啟動和承受最大工作載荷兩種情況進行計算。
快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由下式：
(3-12)
可知，包括三部分：一部分是快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T。因為滾珠絲杠副轉動效率很高，根據下式：
（3-13）
可知，相對于很小，可以忽略不計。
則有： （3-14）根據式： （3-15）
可以算得：。
式中：對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位r/min
步進電動機由靜止到加速至轉速所需要時間，單位為s
其中： （3-16）
式中：空載最快移動速度本機
步進電動機步矩角，預選步進電動機的步矩角為0.75°
脈沖當量，本例
將以上各值代入（3-16）算得。設步進電動機由靜止到加速至轉速所需時間則由式（3-7）求得：由式（3-13）可算得移動部件運動時折算到電動機軸上的摩擦轉矩為：
（3-17）
式中：導軌的摩擦因數，滾動導軌取0.005
滾珠絲杠導程，單位0.005m
傳動鏈總效率，一般取本設計取0.7
i-總傳動比i=1
則由上式（3-17）算得：最后由式（2-14），求得快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩為：經過上述計算后，得到加步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為：。
③步進電動機最大靜轉矩的選定：考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能會丟步，甚至堵轉。因此，根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數，本例中取安全系數k=6則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：
（3-18）
上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，由機電一體化系統(tǒng)設計實例表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩?？梢姡瑵M足上述式（3-18）要求。
④步進電動機的性能校核：
㈠最快工進速度時電動機輸出轉矩校核：本機最快工進速度，脈沖當量，由式求出電動機對應的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖6-1可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩
遠大于最大工作載荷轉矩，滿足要求。
㈡最快空載移動時電動機輸出轉矩校核：本機工作臺最快空載移動速度，仿照式求出電動機對應的運行頻率。從圖6-1查得在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于快速空載時啟動時的負載轉矩滿足要求。
㈢最快空載負載移動時電動機運行頻率校核與最快空載移動速度對應的電動機運行頻率為。查機電一體化系統(tǒng)設計實例表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000HZ，可見沒有超出上限。
㈣起動頻率的計算：已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率則可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率上式說明，要想保證不經電動機啟動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于1160HZ。實際上在采用軟件升降頻時，起動頻率選的更低，通常只有100HZ（即100脈沖/s）。
綜上所述，本機中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。
3.4 增量式旋轉編碼器的選用
本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步矩角相匹配。由步進電動機的步矩角，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)生360/α=480個步進脈沖。考慮到增量式編碼器輸出的A,B相信號，可以送到四倍頻率電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個不進脈沖，電動機轉過一個步矩角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。
本例選擇編碼器的型號為ZLK-A-120-05V0-10-H:盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生產廠家為長春光機數顯技術有限公司。
3.5 步進電動機驅動電源的選用
本例中所用的步進電動機均為90BYG2602型，生產廠家為常州寶馬集團公司。查機電一體化系統(tǒng)設計實例表4-14，選擇與之配套的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓100VAC，相電流4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖（3-2）所示。
圖3-2 電源接線圖
3.6 聯軸器的選型
聯軸器是用來聯接兩進給機構的兩根軸使之一起回轉傳遞扭矩和運動的一種裝置。目前聯軸器的類型繁多，有液力式、電磁式和機械式。機械式聯軸器的應用最為廣泛。
套筒聯軸器構造簡單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動）。且要求兩軸嚴格對中，不允許有徑向或角度偏差，因此使用時受到一定限制。
繞行聯軸器采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動力傳遞沒有方向間隙。
凸緣式聯軸器構造簡單、成本的、可傳遞較大扭矩，常用于轉速低、五種及、軸的剛性大及對中性好的場合。他的主要缺點是對兩軸的對中性要求很高。若兩軸間存在位移與傾斜，救在機件內引起附加載荷，使工作狀況惡化。
根據所設計的系統(tǒng)為小轉矩，低轉速的小型設備，，又因為軸徑較小，軸的對中性好，且被連接兩軸的軸徑大小有相同的也有不同的，所以選擇了套同式聯軸器和凸緣式連軸器兩種一滿足上述兩種不同的情況。
3.7 軸承的選型與校核
機床傳動軸的滾動軸承的失效形式，主要是在循環(huán)接觸應力下的作用，滾動體和滾道表面上出現疲勞破環(huán)。即通常所說的疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺的重量外，一般無外載荷，對絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，其主要特點如下：
（1）接觸角大，鋼球數多，承載能力高，剛度高。
（2）既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支撐結構可以簡化。
（3）軸承啟動摩擦力矩小，降低絲杠副的驅動功率，提高進給系統(tǒng)的靈敏度。
現選用7000C型號，基本尺寸為:d=10mm,外徑D=35mm,寬度B=8mm,基本額定動負荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN，極限轉速（油潤滑）為28000。
對軸承的疲勞壽命進行校核：由《機械設計》可知,軸承的基本額定壽命為：
L= （3-19）
式中：P-當量動載荷；
L-基本額定壽命；
ε—壽命指數，球軸承ε=3；
n—軸承工作轉速，n=1250；
C——基本額定動載荷，C=2250N；
其中：P=f(X+YF)
f——沖擊載荷系數，取1.1；
F——徑向載荷；
X、Y——徑向動載荷系數和軸向動載荷系數。X=0.44,Y=1；
P=1.1×(0.44×305+415)=604N
將上述各值代入上式（3-19）得：L==21000h>15000h
所以該軸承的選用也是合格的。
3.8 機架的設計
（1）本機由一個工人站立操作。由人體工程學可知站姿的操作范圍如下圖3-3所示。整個操作過程是：將電路板搬起放置于工作臺上，按啟動開關機器自動運行，整個涂膠過程完成后再將電路板搬下。本機擬一次只給一塊電路板涂膠。
圖3-3站姿操作范圍
（2）機架是一個多功能構件，是整機的基礎，要求有足夠的靜動剛度，熱變形對精度的影響盡可能小，原始精度和尺寸的穩(wěn)定性要好，外型美觀，運輸安裝方便。在這些要求當中，強度和剛度是機架的基本技術指標。在許多情況下，剛度尤為重要。本機為單件小批量生產，可用焊接機架。焊接機架與鑄造機架相比具有強度高、剛性好、重量輕、生產周期短、施工簡便的特點。機架材料選擇45鋼。
焊接的簡介：
焊接是指利用加熱或熱加壓，或兩者并用的方法，使分離的金屬零件形成原子間的結合的一種加工方法。它是現代工業(yè)生產中用來制造各種金屬結構和機械零件的一種主要工藝方法。
焊接結構工藝設計焊接結構件種類各式各樣，在其材料確定以后，對焊接結構件進行工藝設計主要包括三方面內容：焊縫布置、焊接方法選擇和焊接接頭設計等。
1. 焊縫的布置
焊縫布置是否合理，直接影響結構件的焊接質量和生產率。因此，設計焊縫位置時應考慮下列原則：
①焊縫應盡量處于平焊位置各種位置的焊縫，其操作難度不同。以焊條電弧焊焊縫為例，其中平焊操作最方便，易于保證焊接質量，是焊縫位置設計中的首選方案，立焊、橫焊位置次之，仰焊位置施焊難度最大，不易保證焊接質量。
②焊縫要布置在便于施焊的位置焊條電弧焊時，焊條要能伸到焊縫位置。點焊、縫焊時，電極要能伸到待焊位置。埋弧焊時，要考慮焊縫所處的位置能否存放焊劑。設計時若忽略了這些問題，無法施焊。
③焊縫布置要有利于減少焊接應力與變形接頭處的硬化組織，影響加工質量，焊縫布置應避開機加工表面。
2. 焊接方法的選擇
各種焊接方法都有其各自特點及適用范圍，選擇焊接方法時要根據焊件的結構形狀及材質、焊接質量要求、生產批量和現場設備等，在綜合分析焊件質量、經濟性和工藝可能性之后，確定最適宜的焊接方法。選擇焊接方法時應依據下列原則：
① 焊接接頭使用性能及質量要符合結構技術要求
選擇焊接方法時既要考慮焊件能否達到力學性能要求，又要考慮接頭質量能否符合技術要求。如點焊、縫焊都適于薄板輕型結構焊接，縫焊才能焊出有密封要求的焊縫。焊接低碳鋼薄板，若要求焊接變形小時，應選用 CO2焊或點（縫）焊，而不宜選用氣焊。
②提高生產率，降低成本如果是位于不同空間位置的短曲焊縫，單件或小批量生產，采用焊條電弧焊為好。氬弧焊幾乎可以焊接各種的金屬及合金，但成本較高，所以主要用于焊接鋁、鎂、鈦合金結構及不銹鋼等重要焊接結構。
③焊接現場設備條件及工藝可能性
選擇焊接方法時，要考慮現場是否具有相應的焊接設備，野外施工有沒有電源等。
此外，要考慮擬定的焊接工藝能否實現。
3. 焊接接頭
設計焊接接頭設計包括焊接接頭形式設計和坡口形式設計。設計接頭形式主要考慮焊件的結構形狀和板厚、接頭使用性能要求等因素。設計坡口形式主要考慮焊縫能否焊透、坡口加工難易程度、生產率、焊條消耗量、焊后變形大小等因素。焊接接頭形式設計焊接接頭按其結合形式分為對接接頭、蓋板接頭、搭接接頭、T 形接頭、十字形接頭、角接接頭和卷邊接頭等。
（3）機架危險部分的校核，在機架的結構中，主要受力部分為Z工作臺與涂膠頭的連接架，該連接架承受的靜載為涂膠頭及涂膠頭內部液體的重力，此外連接架還要承受其他外力，如工人扶住涂膠頭時，連接架要承受人的壓力。所以，要對上述兩部件進行分析。根據設計，兩部件均可視為懸臂梁。
對橫梁分析如下：
梁的撓曲線方程為：
（3-20）
其撓度為：
（3-21）
其轉角為：
rad （3-22）
受力圖
ω F=1KN
x
A l B
剪力圖
Fs
x
-F
彎矩圖
M
X
-Fl
圖3-4 梁的分析
梁的剪力為：
Fs(x)=-F=-1000N 0< x ≤l （3-23）
彎矩為：
M(x)=-Fx=-1000*0.34=-340Nm 0≤x≤l （3-24）
彎曲應力的校核：
≤[σ]=170MPa （3-25）
截面慣性矩為：
I=,am,a （3-26）
第4章 氣壓系統(tǒng)的設計
4.1 氣壓系統(tǒng)原理圖
氣壓系統(tǒng)如下圖：
圖4-1氣壓系統(tǒng)原理圖
電磁閥動作順序如下表4.1所示：
表4.1電磁閥動作順序表
1YA
吸緊
+
放開
-
4.2氣壓元件的選擇與計算
4.2.1吸盤氣壓缸的計算與選型：
吸盤的作用就是讓機械在涂膠時保證電路板不會因為膠的黏著力而移動。而由于電路板本身材質的原因故不能采用機械卡緊又因其是電子元件所以也不允許采用電磁卡緊，所以本機采用氣動吸盤卡緊。在卡緊時需要克服的外力很小，所以本設計采用氣動裝置。
（1）根據工作需要選擇雙作用活塞氣缸，安裝形式選擇后法蘭式。
（2）本設計為雙作用普通氣缸，因其只在活塞一側有活塞桿，所以壓縮空氣作用在有桿腔向無桿腔運行時產生拉力,相反時，產生推力,由生產實際知,故采用計算氣缸內徑D。由已知得=350N，下式：
(4-1)
其中：p為氣缸工作壓力，為氣缸的總阻力。它與眾多因素有關，如運動部件慣性背壓力，密封處摩擦力等。以上因素可以載荷率的形式計入公式，如要求缸的靜推力在計入載荷率后：
（4-2）
因氣缸動態(tài)參數要求較高，且工作頻率高速度低，查設計手冊知取0.5當推力作功時： (4-3)
求得：查機械設計手冊第四版表24.2-4缸筒內徑系列取D=40mm。
（3）活塞桿的計算，按強度條件計算，當活塞桿的長度較小時即,可以只按強度條件計算，活塞桿直徑d
（4-4）
式中:氣缸的推力為350N
活塞桿材料的許用應力為235MPa
代入（4-4）算得：，查機械設計手冊第四版表24.2-5取d=16mm。
（4）缸筒壁厚的計算，缸筒直接承受壓力，須有一定厚度，由于一般氣缸壁厚與內徑比,所以，通常可按薄壁筒公式計算：
（4-5）
式中：氣缸筒的壁厚（m）已知
D-氣缸筒內徑 （m） 已知
氣缸實驗壓力，一般取=1.5p=0.9MPa
-缸筒材料許用應力（Pa）為100MPa
代入（4-5）求得：查機械設計手冊第四版表24.2-7取。
（5）氣缸工作行程根據工作需要去L=50mm。
（6）活塞的密封選擇，由于查機械設計手冊選擇o型密封圈該密封圈結構簡單，密封可靠，磨擦阻力小。
綜上所述：查機械設計手冊第4版表24.2-14選QM系列型號小型氣缸。
4.2.2氣壓閥類的選用
在該涂膠機設備中，氣壓閥類元件主要使用了電磁換向閥和單向調速閥。電磁換向閥主要控制吸盤氣缸的動作順序，而單向調速閥主要是控制吸盤氣缸的動作速度，也起到預防失壓的作用。
兩位四通電磁換向閥的選擇：
兩位位四通電磁換向閥主要控制的是帶動上料滑塊的雙作用氣壓缸，由已知條件可得，輸入流量為：
（4-6）
，，
因此，
（4-7）
排除流量為：
（4-8）
由以上參數，查標準可選得兩位四通電磁換向閥的型號為3K25D2-14。
單向調速閥的選擇：
調速閥是由定差減壓閥與節(jié)流閥串聯組成的，而單向調速閥只是在原有的結構上增加了一個單向閥，油液正向流動時起調速作用，反向流動時起單向閥的作用。根據設計要求，查《機械設計手冊》，選擇型單向調速閥。
表4.2單向調速閥主要技術參數表
通徑：
流量：
最小穩(wěn)定流量：
最高壓力：
質量：
4.2.3氣泵的選擇計算
根據以上所選用的氣壓原件，選擇空氣壓縮機的型號為HPFWJD-11.5/7型，滑片式回轉空氣壓縮機，風冷、無基礎、低噪聲罩式。排氣量為11.5m3/min，排氣壓力為0.6MPa。
4.2.4泵用電機的計算與選型
1.電機的選擇
設計負載重量為2kg（觸頭，導軌滑塊），速度v=0.1m/s。
負載轉矩: (4-9)
其中：F-負載力
R-帶輪半徑
電機轉矩： (4-10)
其中：
總效率
根據電機轉矩選擇電機,其參數如表4.3所示：
表3.3電機參數表
型號
額定功率（kw）
電機長度(mm)
額定轉矩(N.m)
外形尺寸（mm）
電壓(v)
額定轉速（r/min）
電機重量(kg)
適配驅動器
zy80-150
0.75
150
2
φ80×150
24
910
14.1
Q3HB220M