毕业论文-圆柱形锂电池化成设备的设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘 要 化成是锂电池生产过程中的重要工序， 它是锂电池形成电池后的第一次活化 充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生 电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。 本文针对锂电池的化成工艺，设计了一种化成设备，该设备具有自动化程度 高，结构简单，使用维修方便，生产制造使用成本低等特点。 该设备由升降机构及进料伸缩机构组成， 升降机构和伸缩进料机构由气缸推 动，采用气压传动，设备反应快，使用方便，便于控制，安全可靠，有过载保护 能力。 关键词：化成，锂电池，升降机构，进料机构 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 ABSCTACT Formation is an important process in the production process of the lithium battery, it is the first time theactivation charge discharge process of lithium battery to form the battery, anode of lithium ion electrolyte in the current function by embedding anode graphite formationpotential, voltage, formation depends on the quality of thebattery life value. In this paper, the formation process for lithium battery,designed a kind of chemical equipment, the equipment has a high degree of automation, simple structure, convenient repair and use, the use of low cost manufacturingcharacteristics. The device consists of a lifting mechanism and a feedingtelescopic mechanism, lifting mechanism and a telescopicfeeding mechanism is driven by the cylinder, pneumatic transmission, equipment of quick response, easy to use,easy to control, safe and reliable, with overload protectionability. Keywords: formation, lithium battery, a lifting mechanism, a feeding mechanism 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 目 录 摘 要 I ABSCTACT II 目 录 III 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景 . 1 1.2 锂电池的知识及国内外研究现状 . 1 1.2.1 18650 锂电池 1 1.2.2 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.2.3 锂离子电池原理 . 4 1.2.4 锂离子电池组成 . 6 1.2.5 锂离子电池生产工艺流程 6 1.2.6 锂离子电池的化成 6 1.2.7 锂离子电池的优点 6 1.2.8 锂离子电池的缺点 . 8 第二章 总体方案设计 . 9 2.1 任务要求及参数 . 9 2.2 升降机构方案 . 9 2.3 进料机构方案 . 11 2.4 总体方案拟定 . 12 第三章 气压传动设计 . 14 3.1 气压传动系统图 . 14 3.1 升降气缸设计 . 14 3.2 进料气缸设计 . 16 3.3 升降气缸尺寸设计与校核 . 18 3.4 伸缩气缸尺寸设计与校核 . 19 第四章 结构设计 . 20 4.1 下模板设计 20 4.2 上模板设计 . 21 4.3 机架设计 21 4.4 燕尾导轨设计 22 第五章 三维建模与仿真分析 . 25 5.1 Pro/E 三维软件概述 25 5.2 零件建模 27 5.3 虚拟装配 30 5.4 仿真分析 30 结 论 32 参考文献. 33 致谢 35 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第一章 绪 论 1.1 课题研究的背景 锂离子电池是 20 世纪 90 年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、 环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点，其生产流程主要 由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的 重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电 解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决 定了这个电池的使用寿命价值。 该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今 后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。 1.2 锂电池的知识及国内外研究现状 1.2.1 1.2.1 1865018650 锂电池锂电池 18650 锂电池中的 18650 这几个数字，代表外表尺寸：18 指电池直径 18.0mm ，650 指电池高度 65.0mm。常见的 18650 电池分为锂离子电池、磷酸铁 锂和镍氢电池。电压及容量规格为镍氢电池电压为 1.2V 常见容量为 2500MAH， 锂离子电池电压为 3.6V 常见容量为 1500MAH-3100MAH。 锂电池（Li-ion，Lithium Ion Battery）：锂离子电池具有重量轻、容量 大、无记忆效应等优点，因而得到了 图图 1 1- -1 186501 18650 锂电池锂电池 普遍应用许多数码设备都采用了锂离子电池作电源， 尽管其价格相对来说比 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 较昂贵。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的 1.52 倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不 含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。 1.2.2 1.2.2 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势锂离子电池国内外研究现状及发展趋势 在蓄电池技术领域， 具有重量轻、 储能大、 功率大、 无污染 （也无二次污染） 、 寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛等优点的锂离子电池技术逐渐取代铅 和镍氢电池，成为纯电动汽车中的核心技术之一。截至2006年10月为止，全球主 要国家已有20余家车厂进行锂离子电池研发，如富士重工、NEC、东芝、Johnson Controls、Degussa AG/Enax、Sanyo电机、Panasonic EV Energy等。 我国在锂离子电池方面的研究水平，有多项指标超过了USABC提出的2010年 长期指标所规定的目标。 目前，专家认为锂离子电池技术还需进一步发展。一方面，各企业所公布的 大部分纯电动汽车蓄电池实验室测试数据，如加速性能、充电时间、持续里程数 等，还须在复杂的外部环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化 质量控制。另一方面，我国锂离子电池所需隔膜材料依赖进口，成本尚待降低。 此外，有专家认为，蓄电池使用寿命还不长，造成高额使用成本，成为其商业化 的一大瓶颈。 1） 超快充电技术 采用传统的慢速充电法，纯电动汽车充满一次电要好几个小时。这虽然能够 保证相对较长的续驶里程，但由于要安装许多电池，增加了车辆的重量和成本， 对电池一致性的要求也较高。现在，快速充电电池技术出现，具有寿命长（可充 电2000次以上） 、没有记忆性、可以大容量充电及放电等特点，在几分钟内就可 充70%80%的电。前面所述的东芝可急速充电锂离子技术，即是快速充电技术的 其中之一，这为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。但是也有学者对于蓄电池 的快速充电提出疑问， 认为快速充电时的过充电和过放电有可能会恶化各电池在 电池组内协同工作的环境，造成电池组整体的瓦解崩溃。现在许多企业在这方面 积极进行研发，也有所进展。2005年参考消息报导内华达州有企业研制出纳 米电池，只需6分钟就能充满电，每次充电后的使用时间能达到目前充电电池的 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 10倍，使电池充电次数量高达到2万次，所提供的电流强度最大能到现在的3倍。 这也成为目前纯电动汽车电池技术的发展动向之一。 2） 电池与电容相结合技术 超级电容具有充电快、无记忆充放电、充放电循环次数高、无二次污染等优 异特性，但有放电快的缺点；锂离子电池具有储电量大、储存时间长的优点，但 充电时间比较长。取两者之长，结合起来使用在电动汽车上，除了可以具有传统 纯电动汽车的“电代油”和“零排放”主要优点外，还具有一次充电行驶距离长 （可达300公里） 、速度快（可达100公里/小时） 、行使过程中能量回收效率高等 优点，代表了纯电动汽车的最新发展方向之一。目前已有富士重工和NEC联合开 发“锂离子电容器” ，能量密度达30瓦时/千克，为先前电容器的4倍，达到了用 于电动汽车的实用水平。 中国有上海瑞华集团研制环保型混合电能超级电容电动 汽车， 还有国家电网公司在这方面已经完成了3种电池-电容混合型电力工程车辆 的改装和性能测试，并将开展示范应用。 3）CTC电车蓄电池和360聚光太阳能电池车载充电技术 CTC电车蓄电池和360聚光太阳能充电技术通过在换电站快速更换大容量蓄 电池的技术手段获取足够的电能，并通过360聚光太阳能电池车载充电技术进 行能源补充。这种技术手段简单实用，克服了纯电动车补充电能困难与续行里程 短的缺陷，可使续行里程提高至400KM，并能延长蓄电池的使用寿命。不过这种 技术尚在试验过程之中。 4）电动轮技术 电动轮亦称轮内电动机（In-Wheel Motor） 。目前大部分重型矿用自卸汽车 所采用的电动轮是直流电动机，而第二代纯电动汽车所采用的是交流传动系统。 其工作原理如下： 交流传动系统中的永磁式三相同步伺服交流电动机紧凑地收藏 于车轮内， 电动机的转子通过转子托架与车轮轮毂相联， 而轮毂支撑于转向节上， 轮胎随同电动机的转子一同旋转；而电动机的定子则通过定子托板、轮毂、转向 节连接于车身上。该电动机的转子为永久磁铁，当向电动机的定子线圈中通以交 流电流时，定子便会产生旋转磁场，使永磁式转子连同轮胎一起旋转，即整个车 轮旋转起来。目前已有三菱公司与东洋公司合作开发了用于蓝瑟（Lancer）四轮 驱动纯电动轿车的电动轮。每个电动轮的最大功率为50千瓦，最大扭矩为518 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 牛米，最高转速为1500转/分，一次充电的行驶里程可达250公里，最高车速可 达到150公里/小时。 1.2.3 1.2.3 锂离子电池原理锂离子电池原理 一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线， 安全阀，PTC（正温度控制端子） ，电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多，但其 工作原理大致相同。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌 入到负极材料中，放电以相反过程进行。再充电，又重复上述过程。以典型的液 态锂离子为例，当以石墨为负极材料，以 LiCoO2为正极材料时，其充放电原理 为： 放电 6C+LiCoO2Li-xCoO2+LixC6； 充电 6C+LiCoO2Li-xCoO2+LixC6； 充电时，Li+从 LiCoO2中发生脱嵌，释放一个电子，C3+被氧化为 C4 +，与此 同时，Li+经过隔膜和电解液迁移到负极石墨表面，进而插入到石墨结构中，石 墨结构同时得到一个电子，形成锂碳层间化合物 LixC6，放电时过程则相反， Li+从石墨结构脱插，嵌入到正极 LiCoO2中。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 1 1- -2 2 锂离子电池锂离子电池充充放电示意图放电示意图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1.2.4 1.2.4 锂离子电池组成锂离子电池组成 正极： 锂离子电池的正极材料为氧化物， 有氧化锰锂(锰酸锂 LiMn2O4)、 氧化钴锂(钴酸锂 LiCoO2)、 氧化镍锂(镍酸锂 LiNiO2)、 磷酸铁 锂(LiFePO4)等。 负极：锂离子电池的负极材料主要是石墨化碳材料(碳素)。 导电剂：乙炔黑。 粘接剂：聚四氟乙烯。 电解质：锂离子电池的电解质主要有两种，液态电解质(碳酸脂)和固态 电解质(聚合物)。 隔膜：锂离子电池用隔膜是聚烯微孔隔膜，此隔膜的优点是离子交换能 力强，保液能力好，强度高，抗氧化性能好。 铝壳或塑壳。 1.1.2 2.5.5 锂离子电池生产工艺流程锂离子电池生产工艺流程 1.2.61.2.6 锂离子电池的化成锂离子电池的化成 组装好的锂离子电池首先进行化成。化成工艺：以 0.1C 恒流(40mA/g)充 电到 3.6V，再以 0.2C 恒流充电到 4.2V，最后以 4.2V 恒压充电 2 小时。静 置 10min，以 0.2C 恒流放电至 2.5V3.0V 终止，充电同前。 1.2.71.2.7 锂离子电池的优点锂离子电池的优点 一、超长寿命，长寿命铅酸电池的循环寿命在 300 次左右，最高也就 500 次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到 2000 次以上，标准充电（5 小时率） 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 使用，可达到 2000 次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半 年” ，最多也就 11.5 年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到 年可以说是“终身制“。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的 5 倍以上。 二、使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴 酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁， 而磷酸 铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸堪为最 特色的锂电池。 三、可大电流 2C 快速充放电，在专用充电器下，1.5C 充电 40 分钟内即可 使电池充满，起动电流可达 2C，而铅酸电池现在无此性能。 四、耐高温，磷酸铁锂电热峰值可达 350500而锰酸锂和钴酸锂只在 200左右。 五、大容量，大力水手生产的磷酸铁锂动力电池的续行里程是同等质量铅酸 电池的 34 倍， 其优点可使电动自行车在适中重量的前提下， 充一次电可跑 100 多公里，对于上班族，充一次电能够使用一周左右的时间。而铅酸电池配备的电 动自行车在整车重量不超标的条件下，其电池容量最大为 12Ah（铅酸电池重量 此时已达 13 公斤，而同容量的磷酸铁锂电池的重量只有 5 公斤） ，充一次电最多 能够行驶 50km 左右。 六、无记忆效应，可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅 速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而 磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充 电。 七、体积小、重量轻，同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积 的 2/3，重量是铅酸电池的 1/3。 八、绿色环保. 磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质不会对环境构成任何污染 被世界公认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中，均无污染，因此该电 池又列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和 鼓励发展的项目。随着中国加入 WTO，中国电动自行车的出口量将迅速增大， 而现在进入欧美的电动自行车已要求配备无污染电池， 配备铅酸电池的电动车很 难出口。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1.2.8 1.2.8 锂离子电池的缺点锂离子电池的缺点 一、电池成本较高。主要表现在 LiCoO2 的价格高（Co 的资源较小） ，电解 质体系提纯困难。 二、不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电 池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在 0.5C 以下，只适合于中小 电流的电器使用。 三、需要保护线路控制。 A、过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使 电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在 4.1V-4.2V 的恒压下充 电； B、过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第二章 总体方案设计 2.1 任务要求及参数 据现有的锂电池化成工艺要求，设计一种化成设备，具有极耳间距调整、极 片或极板夹紧以及充放电功能，完成该化成设备的机械结构设计、主要零件的力 分析、完成该设备三维建模及仿真。 以 18650 锂电池为例， 18650 这几个数字，代表外表尺寸： 18 指电池直径 18.0mm 650 指电池高度 65.0mm 2.2 升降机构方案 升降机构方案一：丝杠传动 如下图所示，采用步进电机和丝杠带动电极工作台升降。此方案的优点是升 降工作台升降速度可调，升降高度可以通控制步进电机转的圈数来调节，升降距 离可以很长。缺点是结构相对较复杂，生产成本较高。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 2-1 方案一方案一：升降台采用丝杠传动升降台采用丝杠传动 升降机构方案二：采用气压传动 如下图所示，方案二采用的是气压传动来控制升降台升降，该传动方案的优 点是结构简单，反应敏捷，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电 击危险，有过载保护能力； 缺点是： （1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速 度和位置控制精度带来很大的影响。 （2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 2 2- -2 2 方案二方案二：升降台采用气缸传动升降台采用气缸传动 在本机械中，所要求升降台提升高度不高，如果采用丝杠传动，会使结构相 对较复杂，如采用气压传动，会使结构更简单，因此，升降机构采用气压传动。 2.3 进料机构方案 进料机构方案一：齿轮齿条传动 如下图所示，方案一采用的是齿轮齿条传动来控制送料台送料，承载力大， 传动精度较高，可达 0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，可 达2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 2-3 进进料机构料机构方案一方案一：齿轮齿条传动方案齿轮齿条传动方案 进料机构方案二：气压传动 如下图所示，进料机构方案二采用的是气压传动来控制进料台工作，该传动 方案的优点是结构简单，反应敏捷，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无 爆炸和电击危险，有过载保护能力； 缺点是： （1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系 统的速度和位置控制精度带来很大的影响。 （2）气压传动系统的噪声大，尤其是 排气时，需要加消音器。 图图 2 2- -4 4 进料机构方案二：进料机构方案二：送料机构传动方案送料机构传动方案 综上所述，为便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险， 有过载保护能力；进料机构和升降机构一样，统一采用气压传动。 2.4 总体方案拟定 根据以上升降机构和进料机构的设计，最后拟定传动方案如下图所示： 由气缸带动进料机构左右运动，气杆伸出，可以往电池模板里放入锂电池， 模板底部弹片与电池负极接通，气杆缩进，电池模板与正电极模板对齐。 由气缸带动升降台作上下运动，升降台上升，正电极与池正极脱开，升降台 下降，正电极与电池正极接合，接通电源便可开始对锂电池化成。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 2 2- -5 5 总体方案总体方案 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第三章 气压传动设计 3.1 气压传动系统图 该系统由左右移动的进料气缸、升降气缸、组成。气源出来的气体经过二联 件处理后进入到汇流板。通过相应的电磁换向阀进入气动执行元件，分别驱动气 缸 1 的左右移动、气缸 2 的上升下降运动. 3.1 升降气缸设计 升降气缸运动参数 升降行程35mm 升降速度5/mm s 1）所要克服的重力 G=170Kg10=1780 N 2）气缸的直径 本气缸主要带动升降板升降， 气缸必须克服升降板的重力和活塞杆工作时 的总阻力，其公式为: zt FF PD F 4 2 1 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 式中: 1 F - 活塞杆上的推力，N t F - 升降板重力G，N z F- 气缸工作时的总阻力，N P- 气缸工作压力，Pa 在设计中，必须考虑负载率的影响，则: 2 4 tz D p FF 由以上分析得气缸的直径: 4() zt FF D p 代入有关数据，可得 所以:D 4() zt FF pn 6 4 (490 1780) 1 10 53.7()mm 查有关手册圆整，得63Dmm 由3 . 02 . 0/Dd,可得活塞杆直径:(0.20.3)13 18.9dDmm 圆整后，取活塞杆直径16dmm校核，按公式)4/( 2 1 dF 有: 5 . 0 )/14(Fd 其中，MPa120 则: 0.5 4 (490 1780)/120d 4.916 满足实际设计要求。 3）缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之 比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: 2/ p DP 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 式中: - 缸筒壁厚，mm D- 气缸内径，mm p P- 实验压力，取PPp5 . 1, Pa 材料为:ZL3,=6MPa 代入己知数据，则壁厚为: 2/ p DP 56 65 6 10 /(2 6 10 ) 3.25()mm 取5mm，则缸筒外径为: 1 63 5 273()Dmm 3.2 进料气缸设计 进料气缸运动参数 伸缩行程1100mm 伸缩速度200/mm s 最大加速度 1m/s 2 1）所要克服的摩擦阻力 f=150Kg100.17=255N 2）气缸的直径 本气缸主要带动移动板伸缩， 气缸必须克服移动板和活塞杆工作时的总阻 力，其公式为: 2 1 4 z D P FfF 式中: 1 F - 活塞杆上的推力， 1 150 1 150Fma N t F - 升降板重力G，N z F- 气缸工作时的总阻力，N P- 气缸工作压力，Pa 在设计中，必须考虑负载率的影响，则: 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2 1 4 tz D p FFF 由以上分析得气缸的直径: 1 4() zt FFF D p 代入有关数据，可得 所以:D 1 4() zt FFF pn 6 4 (550255 150) 1 10 34.8()mm 查有关手册圆整，得50Dmm 由3 . 02 . 0/Dd,可得活塞杆直径:(0.20.3)10 15dDmm 圆整后，取活塞杆直径15dmm校核，按公式)4/( 2 1 dF 有: 5 . 0 )/14(Fd 其中，MPa120 则: 0.5 4 (550255 150)/120d 3.1816 满足实际设计要求。 3）缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之 比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: 2/ p DP 式中: - 缸筒壁厚，mm D- 气缸内径，mm p P- 实验压力，取PPp5 . 1, Pa 材料为:ZL3,=6MPa 代入己知数据，则壁厚为: 2/ p DP 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 56 50 6 10 /(2 6 10 ) 2.5()mm 取5mm，则缸筒外径为: 1 505 260()Dmm 3.3 升降气缸尺寸设计与校核 1）尺寸设计 气缸运行长度设计为l=40mm,气缸内径为 1 D =63mm，气缸运行速度，加速度 时间 t =0.1s,压强p=1MPa,则驱动力： 2 0 . RpG 62 1 103.14 0.063 12462()N 2）尺寸校核 （1）测定上模板质量为170kg,则重力： mgG 170 10 1700()N （2）设计加速度 2 1(/)am s，则惯性力： maG 1 170 1 170()N （3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数1 . 0k， 1 .GkGm 0.1 850 85()N 总受力 mq GGGG 1 =1955N 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 0 GGq 所以设计尺寸符合实际使用要求。 3.4 伸缩气缸尺寸设计与校核 1）尺寸设计 气缸运行长度设计为l=1100mm,气缸内径为 1 D =50mm，气缸运行速度，加速 度时间 t =0.1s,压强p=1MPa,则驱动力： 2 0 . RpG 62 1 103.14 0.05 7850()N 2）尺寸校核 （1）设计加速度 2 5(/)am s，则惯性力： maG 1 150 1 150()N （3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数1 . 0k， 1 .GkGm 0.1 150 15()N 总受力 1qm GGG=165N 0 GGq 所以设计尺寸符合实际使用要求。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第四章 结构设计 4.1 下模板设计 图图 4 4- -1 1 下模板下模板 下模板设计如上图所示，下模板由支撑板、绝缘层、电极层、模框及燕尾槽 组成，支撑板的材料为不锈钢板，主要起支撑作用，燕尾槽块材料为 45 钢，与 支撑板焊接在一起。支撑板上边为绝缘层，材料是绝缘塑料，绝缘层有一方形凹 坑，坑中安放有铜片电极，铜片电极上压着模框。支撑板、绝缘层、电极层、模 框由螺栓联接。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.2 上模板设计 图图 4 4- -2 2 上模板上模板 上模板设计如上图所示，上模板由支撑板、绝缘层、电极层、模框及导向套 组成，支撑板的材料为不锈钢板，主要起支撑作用，导向套为 45 钢，与支撑板 联接在一起。支撑板下边为绝缘层，材料是绝缘塑料，绝缘层有一方形凹坑，坑 中安放有铜片电极，铜片电极下压着模框。支撑板、绝缘层、电极层、模框由螺 栓联接，弹簧电极与铜片电极层焊接在一起。 4.3 机架设计 1）机架设计准则 底座、机架、箱体、基板等零件都属于机架零件。 机架零件可划分为四大类：即机座类、机架类、基板类和箱壳类，对机架零 件一般可提出下列要求: (1)工况要求：即任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保 证机架上安装的零部件能顺利运转， 机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通 过的突起,设置执行某一工况所必需的平台；保证上下料的要求、人工操作的方 便及安全等。 (2)刚度要求：在必须保证特定的外形条件下，对机架的主要要求是刚度。如果 基础部件的刚性不足，则在工作的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 的作用下，就会产生变形，振动或爬行，而影响产品定位精度、加工精度及其它 性能。 例如机床的零部件中，床身的刚度则决定了机床的生产率和加工产品的精 度。 (3)强度要求：对于一般设备的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度的要求 (4)稳定性要求：对于细长的或薄壁的受压结构及受弯-压结构存在失稳问题，某 些板壳结构也存在失稳问题或局部失稳问题。失稳对结构会产生很大的破坏，设 计时必须校核。 (5)美观：目前对机器的要求不仅要能完成特定的工作，还要使外形美观。 (6)其它：如散热的要求，防腐蚀及特定环境的要求。 在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑 下列各项要求，并有所偏重。 (1)机架的重量轻，材料选择合适，成本低。 (2)结构合理，便于制造。 (3)结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。 (4)结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，由温度变化引起的 变形应力小。 (5)抗振性能好。 (6)耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。 (7)有导轨的机架要求机架导轨面受力合理，耐磨性良好。 2）机架 图图 4 4- -3 3 机架机架 4.4 燕尾导轨设计 沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下： 1）一定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关 基面间的相互位置的准确性。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2）运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。 3）良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。 导轨在使用过程中要磨损，但应使磨损量小，且磨损后能自动补偿或便于调整。 4）足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接 触刚度。为此，常用加大导轨面宽度，以降低导轨面比压；设置辅助导轨，以承 受外载。 5）温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。 6）结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加 工、测量、装配和调整，降低成本。 上述六点要求是相互影响的。 导轨设计的主要内容导轨设计的主要内容 ： 设计导轨应包括下列几方面内容： 1）根据工作条件，选择合适的导轨类型。 2）选择导轨的截面形状，以保证导向精度? 3）选择适当的导轨结构及尺寸，使其在给定的载荷及工作温度范围内，有足够 的刚度，良好的耐磨性，以及运动轻便和平稳。 4）选择导轨的补偿及调整装置，经长期使用后，通过调整能保持需要的导向精 度。 5）选择合理的润滑方法和防护装置，使导轨有良好的工作条件，以减少摩擦和 磨损。 6）制订保证导轨所必须的技术条件，如选择适当的材料，以及热处理、精加工 和测量方法等。 导轨的结构设计导轨的结构设计 燕尾槽结构示意标准如下： 按如下标准取第二组数据， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 4 4- -4 4 燕尾槽燕尾槽 导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度，设计时根据使用要求，按如下 技术条件实行： 两导轨面间的不平度一般为 3 微米； 导轨不直度一般为 10-15 微米，精密的小于 10 微米； 滚动体的直径差，对于一般的导轨，全部滚动体的直径差不大于 2 微米，每 组滚动体的直径差不大于 1 微米；对于精密导轨，全部滚动体的直径差不大于 1 微米，每组滚动体的直径差不大于 0.5 微米； 表面光洁度通常应刮研；在 2525 厘米 2 内，其接触斑点为 20-25 个点， 精密的取上限，一般的取下限。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第五章 三维建模与仿真分析 5.1 Pro/E 三维软件概述 Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一 体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用 者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer 作为当今世 界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一 体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用 者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer 作为当今世 界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 1）Pro/Engineer Pro/Engineer 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包 括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工 程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转） 。 Pro/Engineer 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来 实现，其中包括：筋（Ribs） 、槽（Slots） 、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells） 等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复 杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其 他系统是直接指定一些固定数值于形体， 这样工程师可任意建立形体上的尺寸和 功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能 使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可 传送到绘图机上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印机。Pro/Engineer 还可 输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是 通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer 软件的其它模块或 自行利用 C 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下（没有任何附加 模块）具有大部分的设计能力，组装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图能力（不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 标准） ，并且支持符合工业标准的绘 图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer 功能如下： 1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等） ； 2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等） ； 3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等） 的关系来进行设计。 4支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列， Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等） 。 5贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的 每个地方变动） 。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER 的基本功能。 2）Pro/E 机构运动仿真 工程师无需等待物理原型就能测试产品的动力行为。 利用 Pro/ENGINEER 机 构动力学仿真，您可以虚拟地仿真包含运动元件的系统中的作用力和加速度。而 且，您可以综合考虑诸如弹簧、电动机、摩擦力和重力等动力影响，相应地调整 产品性能。改善检验和认证过程并最大程度地提高设计信心，而无需承受制造昂 贵原型的负担。 与设计和分析工具完全集成，从而无需再花费时间、精力和金钱来处理数据 转换和关联的错误。 利用 Pro/E 机构仿真有以下优点： 可以创建虚拟样机在桌面计算机中进行测试， 从而降低开发成本 模拟赛 车悬架所受到的实际作用力。 能够更快速和更早地将变更反映在产品中， 并从桌面计算机测试中即时获 得结果。 通过缩短开发时间率先向市场推出更优质的产品。 通过对产品寿命进行更准确的估计，从而可降低保修成本。 利用具体的动画式生产指令进行装配，可以避免代价高昂的制造错误。 通过利用从虚拟测试中所节省的时间来评估更多设计构思， 从而可开发出 更新颖的产品。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 在易于学习、直观明了的用户界面中工作。 5.2 零件建模 1）底座零件 图图 5 5- -1 1 底座零件底座零件 2）上模板 图图 5 5- -2 2 上模板上模板零件零件 3）下模板 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 5 5- -3 3 底座零件底座零件 4）盖板 图图 5 5- -4 4 底座零件底座零件 5）导轨 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 5 5- -5 5 底座零件底座零件 6）升降气缸 图图 5 5- -6 6 底座零件底座零件 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 7）伸缩气缸 图图 5 5- -7 7 底座零件底座零件 5.3 虚拟装配 将零件虚拟装配如下：应用前述建立的各零件的三维图型进行虚拟装配，首 先进行子装配，完成子装配工作后，进行总装配。零件装配好了以后，进行装配 体的干涉检查，以便确定装配体中各零件之间是否存在实体边界冲突(即干涉)、 冲突发生在何处、进而为消除冲突做好准备。一般对零件较多或装配要求较严格 的装配体，应该装配好个零件就进行一次装配检查，这样可以及时发现错误， 及时修正。 图图 5 5- -8 8 装配装配图图 5.4 仿真分析 （1）点“应用程序”-“机构”进入动画仿真模块，将各电机轴设置为“伺服 电机” 。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图图 5 5- -9 9 机构动画机构动画 （2）生成仿真动画如下： 图图 5 5- -1 10 0 运动动画文件运动动画文件 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 结 论 转眼间，毕业设计已经接近尾声，想想自己在这学期所走过的路，实在是要 比其他学期学到了很多的东西。 此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。 从最初的选 题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流， 反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 “实践出真知”这句话一点不错，做毕业设计可以学到很多我们无法理解的 东西，可以很好的拓展我们的知识面。怎么去做主要靠我们自己，常去工厂观察 设备的结构，研究其中的奥妙，以至于我们在很短的时间里就基本了解了设备的 结构。 通过这次实践，我了解了机械设计的基本方法，熟悉了机械的设计步骤， 锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业 知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热 身。学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了 许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努 力去完善。 但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。 比如缺乏综合应用专 业知识的能力，对材料的不了解，等等。 这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅 薄， 虽然