干粉压片机加压机构方案设计书

1 干粉压片机加压机构方案设计书 粉压片机的概述 干粉压片机是指利用传动系统将电动机的转速降低带动执行机构对粉末物质采取上下进行加压而成片状。根据干粉压片机的传动系统和执行机构不同，干粉压片机可以分为 单片式压片机，旋转式压片机， 亚高速旋转式压片机、全自动高速压片机以及旋转式包芯压片机 。 干粉压片机的使用行业很广泛。如 制药厂、电子元件厂、陶瓷厂、化工原料厂等等，而且压片机还能用来做冲压设备。 压片机在欧美出现的较早。而在国内到 1949年，上海市的天祥华记铁工厂仿造成英国式33冲压片机； 1951年， 根据美国 16冲压片机改制成国产 18冲压片机，这是国内制造的最早制药机械； 1957年，设计制造了 1960年，自行设计制造成功 60有自动旋转、压片的功能。同年还设计制造了 “ 七五 ” 期间，航空航天部 206所 1980年，上海第一制药机械厂设计制造了到国际上世纪 80年代初的先进水平，属国内首创产品。 1987年，引进联邦德国 计制造了 有 自动控制片剂重量、压力、自动数片、自动剔除废片等功能，封闭结构严密、净化程度达到 求。 1997年 ,上海天祥健台制药机械有限公司研发了 入 21世纪，随着 全符合 海的 东聊城的 。高速旋转式压片机在产量、压力信号采集、剔废等技术上有了长足的发展，最高产量一般都大于 300000片 /小时，最大预压力 20大主压力 800080如，北京国药龙立科技有 限公司的 海天祥健台制药机械有限公司的 京航空制造工程研究所的 着制造加工工艺水平、自动化控制技术的提高以及压片机使用厂家各种不同的特殊需求，各种特殊用途的压片机也相继出现。譬如，实验室用 于干粉压片的干粉旋转式压片机、用于火药片剂的防爆型 国内压片机的现状： （ 1）压片机规格众多、数量大 ；（ 2）操作简单；（ 3）技术含量较低，技术创新后力不足。国外 压片机的现状： 高速高产、密闭性、模块化 、 自动化、规模化及先进的检测技术是国外压片机技术最主要的发展方向。 粉压片机的研究现状 片机动力学分析及力的优化 文献 6阐述了 主加压机构的运动学分析 。 对机构进行运动学分析可采用图解法分析和解析法分析在此，我们采用解析法，应用 组法运动学分析原理，由机构的组成原理可知，任何平面机构都可分解为原动件、基本杆组和机架三个部分，每一个原 2 动件为一个单杆构件分别对单杆构件和常见的基本杆组进行运动学分析， 并编制成相应的子程序，在对 整个机构进行运动分析时，根据机构组成情况的不同，依次调用这些子程序，从而完成对整体机构的运动分析。 文献 10阐述了各种方案的拟定。根据各功能元的解， 动力源可以采用电动机、汽油机、蒸汽透平机、液压机、气动马达等；上下加压则可采用凸轮机构、齿轮机构、连杆机构、液压缸等；送料可采用连杆机构、齿轮机构、槽轮机构等这样可组合的方案达上百种。 文献 7阐述了谐响应分析。分析动态响应实际上是解一个完整的动力学方程，它是一个二阶常系数线性微分方程 : Mx(t)+cx(t)+Kx(t)=P(t) 式中： M 、 c、 K尼矩阵和刚度矩阵。 x(t)、 x(t)、 x ( t)度和位移向量，它们均为时间的函数。 fP(t)卜一激振力向量，也是时问的函数。谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时问按正弦规律变化载荷时稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在谐波激振力下的响应，即位移响应与应力响应，并得到系统的动态响应与系统激振力频率的曲线，称为幅频曲线。压片机工作时，冲头和压轮周期性接触，这样就会造成有周期性的激振力作用在整个结构上。当激振力的频率与压片机的 固有频率接近时，就会发生共振。共振现象的发生不但不能保证冲压的加工精度，还会对冲头和压轮以致整个机床造成严重破坏，这是一定要避免的。通过以上分析，可以得到以下结论 : (1)经过力的优化以后，避免了在第一、二阶固有频率处的共振现象的发生，虽然优化后，第三阶固有频率处的位移比其他频率处较大 (1 8但小于优化前该频率处的位移 (2 1更远远小于机器共振时的 (1。 6，振动量降低了接近 1(2)经过力的优化以后，由于对整体结构不存在激振力，所以一、二、四、五阶振型不会对动态性能产生 影响。 (3)由于该压片机的实际工作转数在每分钟 4工作频率为 48 73优化后在 96离工作频率范围，所以，机器处于安全良好的工作区域范围，具有良好的动态性能。通过对压片机的模态分析，动力学谐响应分析，得出了压片机在不同工作频率范围下的响应，在此基础上对整体结构进行了力的优化，有效的抑制了共振现象的发生，解决了机器工作时振动和噪音的问题，分析结果对压片机的设计具有很实用的理论参考价值。 文献 13阐述了冲压机构杆件的优化设计。冲压机构的应用非常广泛，以干粉压片机 为例，其中的冲压机构对压痕机的性能影响很大。它要求机构中的滑块在工艺行程中速度尽可能均匀且施加于曲柄的平衡力矩尽可能小，为此有必要对各构件进行优化分析。 运动及受力分析。冲压机构，由一曲柄摇杆机构及一摇杆滑块机构组成的多杆机构。采用解析法，建立起 3种目标函数，运用罚函数法进行程序编制及计算，进行优化设计。首先，按机构的组成原理将机构分解成若干基本杆组，对每一个基本杆组编制相应的运动分析和受力分析的子程序，对具体某一机构只须建立一个简单的主程序和调用相应的子程序即可。 优化设计。采用有约束优化设计问题的间接求 解方法中的罚函数法，编制程序 制目标函数子程序 制各基本杆组的运动和受力分析子程序。 文献 12阐述了连杆送料机构的运动优化。连杆机构推动的推板式送料装置能够实现冲 3 压生产的自动送料，该机构与斜楔推动的推板式送料机构和杠杆推动的推板送料装置相比，可实现较大的行程“。设计连杆迭料机构所需考虑的因素较多，直观性较差容易导致设计失误因此设计了用于优化机构各杆长、送料行程、送料加速度等的多目标函数，综合连杆机构成立的条件、机构大小限制、运动参数要求等建立约束条件，采用直 观的可视化方法对优化结果和连杆送料机构的运动特性进行分析。 目标函数的建立。根据结构要求，连杆机构的迭料行程 蠛跫 M， 330量取较小值，以避免总体结构过大；送料的左半行程 L：与右半行程 满足机构的对称性要求，因此设计第一目标函数为： Fl(x)= 165+ 165+ 冲床的工作频率为每分钟 30次，为减少送料机构启动时所产生的冲击，使最大送料速度降低，设计送料最大加速度，即开始的加速度 A。与结束时的加速度 4：满足第二目标函数： x） = 2 该送料机构的摇杆长度 L，将影响传动的效率，希望它的长度大些，同时不应使该机构因此而变得庞大，就此设计第三且标函数为： x） =90控制机构的总体尺寸，需要对送料机构的连杆长度厶、支架高度 进行限制，按实际情况确定第四目标函数为： x） =五目标函数为： x） =据各目标的重要性、数量级以及对优化结果的影响，确定各目标的加权因子分别为 1、 l、 1、用统一目标函数的加权组合法建立目标函数： F(x)=F1(x)+x） +x） +x） +x） 该优化模型对机构位置的优化效果良好可控制最大速度与加速度，以及在机构总体尺寸限制的情况下实现对各杆长度的优化。机构运动优化的结果能够满足工程使用的要求，利用该模型进行多目标优化是可行的。该连杆机构在启动时存在柔性冲击，其加速度特性难以得到根本改善，因此该机构只适合于低中速连续生产的场合。 构优化的发展和研究现状 文献 8阐述了国内外压片机的创新与研究。 的片剂成型系统是压片机的一个主要发展方向，目前国外的压片机十分注重输入、输出环节的密闭性，尽可能的减少交叉污染及粉尘飞扬，而国内大多数的压片机这个过程是敞开的，断裂的工序致使压片机的粉尘和泄露是药厂的一个通病； 块化使 司的压片机获得巨大进步； 4. 5. 21子记录和电子签名 )在压片机上的应用； 片机技术层出不穷 , (1)增加预压力 , (2)为了最大程度的提高设备利用率，降低设备使用 成本，使设备的清洗更规范， 位清洗的理念在更多的压片机上得到了贯彻。 要 随着现代科技的发展，压片机涉及的行业越来越广泛，高科技、高效率，低成本已成为现代压片机的一个重要的发展趋势。与国外的压片机相比，我国生产的压片机规模小、产量低、技术含量较低。干粉压片机是将干粉压制成直径为 30度为 5圆形片坯状的装置。本文以压片机为研究对象，以造价低、结构简单为基础，通过方案对比及力的分析 ,从而设计出合适的压片机。本文阐述了加压机构、送料机构及传动系统的 设计过程 。 5 录 I 前言 2 要 5 录 6 计任务书 7 1 设计题目 8 2 设计要求 8 3 原始数据设计 8 4 总功能分解 8 5 运动方案 10 V 方案评价 12 1 运动循环图 12 2 尺度计算 14 3 执行 机构尺寸计算 15 4 干粉压片机动作说明 17 得与体会 17 考书目 18 6 计任务书 片成形机介绍 设计自动压片成形机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形位置，经圧制成形后脱离位置。机器的整个工作过程（送料、压形、脱离）均自动完成。该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。 片成形机的工艺动作 （ 1） 干粉料均匀筛入圆筒形型腔。 （ 2） 下冲头下沉 3防上冲头进入型腔是粉料扑出。 （ 3） 上、下冲头同时加压，并保持一段时间。 （ 4） 上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯。 （ 5） 料筛推出片坯。 料筛 型腔 下冲头 粉料 21 3 片坯 下冲头 下冲头 上 5 下冲头 上冲头 8 片坯 21 3 7 片成形机设计数据 电动机转速 /（ r/ 940； 生产率 /(片 / 25； 冲头压力 /N： 150 000； 机器运转不均匀系数 /： 10%； 2、设计要求 1. 上冲头完成往复直移运动（铅垂上下），下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用，保压时间为 右。因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲头行程为 100冲头压力较大，因而加压机构应有增力能力。 2. 下冲头先下沉 3后上升 8压后停歇保压，继而上升 16成形片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离冲头后，再下移 21待料位置。 3. 料筛在模具型腔上方往复振动筛料，然后向左退回。待坯料成型并被推出型腔后 ，料筛在台面上右移约 4550卸片坯。 3、 原始数据设计 （ 1） 压片成形机一般至少包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。 （ 2） 画出机器的运动方案简图与运动循环图。拟定运动循环图时，执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现干涉。 （ 3） 设计凸轮机构，自行确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，计算凸轮廓线。 （ 4） 设计计算齿轮机构。 （ 5） 对连杆机构进行运动设计。并进行连杆机构的运动分析 ，绘出运动线图。如果是采用连杆机构作为下冲压机构，还应进行连杆机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量。 4、总功能分解 1、 该干粉压片机通过一定的机械能把原料（干粉）压制成成品，其功能分解如 图 1 21 3 5 8 上冲头 下冲头 8 图 1 总功能分解 2、 设计干粉压片机，其总功能可以分解成以下几个工艺动作： (1) 送料机构：为 间歇直线运动 , 这一动作可以通过凸轮上升段完成 (2) 筛料：要求筛子往复震动 (3) 推出片坯：下冲头上升推出成型的片坯 (4) 送成品：通过凸轮推动筛子来将成型的片坯挤到滑道 (5) 上冲头往复直线运动，最好实行快速返回等特性。 (6) 下冲头间歇直线运动。 例下表所示的树状功能图： 图 2 树状功能分解 3、 根据功能的要求，进行功能元求解 干粉压片机运动转换功能图如下： 图 3 运动转换功能 干粉压片机运动方案选择矩阵如图 4 运动方案 9 图 4 运动方案 由上表所列矩阵可知，可能的运动方案数目为 N=4*4*4*3*3=576 种。 从此方案中剔除明显不合理的，在进行综合评价：是否满足运动要求；是否满足载要求；运动精度；制造工艺；安全性；是否满足动 力源、生产条件等限制。 根据题目要求，功能元减速 A 而言，带传动结构简单，运转平稳，噪声小，能缓和冲击， 有过载保护作用，安装维修要求不高成本底。齿轮传动工作可靠，效率高，易制造和精确加工。 故可选用带传动或蜗杆传动。 减速 B ：齿轮或蜗杆传动能满足定速比传动要求，且精度较高。应用范围广，承载能力大的优点，故选齿轮或蜗杆传动。 对于上冲头运动 C ，要实现往复直线移动，还有考虑急回特性。因此选曲柄滑块或摇杆机构 。 送料机构 D 主要作用是将胚料送到加工位置，且能实现间歇要求，对承载能力要求低，故采用凸轮或蜗杆机构 。 下冲头运动 E 虽然需要较高的承载能力，但下冲头中可以加两个挡板来增加其承载能力，且 要实现间歇要求，可靠性好，故采用凸轮机构完成下冲头的动作。 综上所述，可初步确定两个方案， 如表中实线、虚线所示的方案 方案 1 ： 4+1+案 2 ： 3+2+、运动方案 方案示意图如下： 10 方案一示意图图 5 方案一 方案二示意图图 6 方案二 11 V、方案评价 1、运动循环图 从上述工艺过程可以看出，由主动件到执行件有三支机构系统顺序动作，画出 运 动传递框图如下 图 1 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 3 4 0 3 2 0 3 0 0 2 8 0 2 6 0 2 4 0 2 2 0 2 0 0 1 8 0运动循环图图 1 循环图 从整个机器的角度上看，它是一种时序式组合机构系统，所以要拟订运动循环 图 。以该主动件的转角为横坐标（ 0360 ），以机构执行构件的位移为纵坐标画出位移曲线。运动循环图上的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，而不是其精确的运动规 律 。料筛从推出片坯的位置经加料位置加料后退回最左边（起始位置）停歇。下冲 头即下沉 4如下图中 ）。下冲头下沉完毕，上冲头可下移到型腔入口处（如图 中 ），待上冲头到达台面下 4时，下冲头开始上升，对粉料两面加压，这时，上、下冲头各移动 12如图中 ），然后两冲头停歇保压（如图中 ），保压时 间约 即相当于主动件转 36 度左右。以后，上冲头先开始退出，下冲头稍后并稍慢地身上移动到和台面平齐，顶出成形片坯（ 如图中 ） 。下冲头停歇待卸片坯时，料筛已推进到形腔上方推卸片坯（ 如图中 ） 。然后，下冲头下移 24同 时，料 筛振动使筛中粉料筛入形腔（ 如图中 ） 而进入下一循环。 机械运动方案的拟订和设计，最终要求通过分析比较以提供最优的方案。一个方案的优劣通过系统综合评价来确定。 下面用机械选型的评价体系，它可用视图的方法来表示： 12 根据个评价指标相互关系，建立评价模型为： H=2*4*式中 1+ 3+5+3=8+10 11+13+15+17 上述表达式表示 指标之间采用了乘法原则，而它们之间用了加法原则。 根据题目要求，功能元比较如 表 V 2 ：方案中机构的性能、特点、评价 表 V 2 性能指标 具体指标 评价 带传动 齿轮机 构 曲杆滑块机构 简单六杆机构 凸轮机 构 蜗轮蜗杆机 构 A 功能 动规律 定比传动 定比传动和移动 定比传动 任意性较差能达到有限精度 基本上任意 定比传动和移动 动精度 高 高 高 较高 较高 高 B 工作性能 用范围 较广 广 较广 较广 较广 广 调性 很好 较差 一般 较好 较差 较差 动精度 较高 较高 较高 高 较高 高 载能力 大 大 大 较大 较小 大 C 速度峰值 小 小 较大 较大 较小 小 音 小 小 一般 较小 较大 较小 磨性 较好 较好 一般 较好 差 较好 靠性 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 D 造难度 较易 较难 易 易 难 较难 造误差敏感性 敏感 敏感 敏感 不敏感 敏感 敏感 13 整方便性 较方便 较便 较方便 方便 较麻烦 方便 耗大小 一般 一般 一般 一般 一般 一般 E 寸 较大 较小 较小 较大 较小 较小 量 较轻 较重 较轻 较轻 较重 较重 果复杂度 简单 一般 一般 简单 复杂 复杂 表示上述两个机构方案的评价指标体系、评价值及计算结果。表中，所以的指标值分为 5 个等 级 ：“ 很好 ” 、 “ 好 ” 、 “ 较好 ” 、 “ 不太好 ” 、 “ 不好 ” ，分别用 1 、 0 表示。如表 V 3： 表 V 3 评价指标 系统工程评价法 方案 一 方案二 1 2 1 2 4 5 3 8 9 10 4 12 13 14 5 16 17 值 表中 H 值可知，方案 1 较方案 2 好，故可优先选用方案 1 为最终方案。 2、尺度计算 A. 上冲头 B. 下冲头 C. 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构 D. 曲柄滑块机构 E 曲柄滑块机构 F. 蜗轮蜗杆机构 G. 蜗轮蜗杆机构 14 J. 圆锥齿轮 动齿轮 图 V 4 方案说明图 3、执行机构的尺寸计算 根据选定的驱动电机 ( 在图中没画出 ) 的转速 n=940r/ 生 产率为 25 件 / 分钟， 它传动系统的总速比为： I=940/24 = k=180 *( (k+1)=180 *()= 以下压力角和模数均取标准值 =20 m=5 第一级皮带减速 I= 4 7 68 第二级齿轮减速 I= 7 167 已知如图： n1=25 r/ 5 r/蜗杆齿数 z 3 =z 5 =4，则查表可知： d=50=21 48 05 ; z 6 =z 4 =52,则 ： n 5 =n6 z 6 /z 5 =325r/n 5 N 3 =n 4 z 4 /z 3 =325r/n 3 取 z 5 =20 z 3 =18 z 2 =30 则 z 1 =n 5 z 5 /n 1 =260 ； d=3003=0=2 =90 = =n2=n3 z3/=325*18/30=195r/ z 2 =15 则 z 1 =117, 1 =17= 2 =90 = 综合以上计算可得定轴轮系传动 7 个齿轮设计如表 V 5： 15 表 V 5 / 模数 m 齿数 z 转速 r/度圆直径 d 5 117 25 / 20 5 / 25 / 20 5 260 25 1300 5 15 195 / 5 30 195 / 5 18 325 / 214805 5 4 325 50 20 5 52 25 120 20 5 20 325 100 214805 5 4 325 50 20 5 52 25 265 下冲头对心直动滚子推杆盘形凸轮机 6 凸轮机构 下冲头对心直动滚子推杆盘形凸轮机的位移曲线 16 位移曲线注：采取余弦加速度运动规律图 V 7 位移曲线 4、干粉压片机动作说明 各级传动都为齿轮或蜗轮蜗杆传动，传动精度高，运动可靠；上冲头由曲柄滑块机构带动运动精度高，移动料筛至下冲头的型腔上方等待装料，并将上一循环已成型的工件推出（卸料）然后料筛震动，将粉料筛入型腔，下冲头下沉一定深度 Y ，以防止上冲头向下压制时将粉料扑出然后上冲头继续向下，下冲头向上加压