（机械电子工程专业论文）全自动粉末压机电控系统的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 全自动粉末制品液压机是粉末预成型的专用压机，可生产出许多其它冶金设 备难以制造的特殊性能材料和零件。这一技术，能大量生产形状复杂的零件，减 少后续加工，较大程度地节省了工时、降低了成本。同时，因其符合节省资源和 可持续发展的时代需要，故而得到了普遍的推广和应用。目前，制约粉末冶金工 业发展的两个主要因素是粉末材料和粉末冶金的专用压制设备。近年来，由于高 强度、高精度、形状复杂零件在粉末冶金零件中所占比重越来越大，并将逐渐占 主导地位，对粉末冶金压机的性能和压制精度也提出了更高的要求。随着粉末冶 金技术的发展以及市场的需求，多台面的复杂零件在粉末冶金零件生产中所占比 重逐渐增大，根据重庆某机械厂提出的技术要求设计出了4 0 0 t 全自动粉末液压机。 粉末成形液压机由液压系统、控制系统、模架三部分组成，本文在分析国内 外压机的基础上，结合重庆某机械厂提出的技术要求，对4 0 0 t 全自动粉末压机的 一些重要压制因素进行分析，提出了多台面粉末压机的总体方案，设计出了4 0 0 t 全自动粉末压机主要参数表。通过对生产工艺进行分析和研究，编制除了粉末压 机的控制系统流程和工艺分析。在分析液压系统的基础上，对主要元器件进行选 型分析，设计了压机电控的硬件电路设计以及部分软件设计。 论文的控制系统设计是通过对液压系统分析，选择了以p l c 作为控制器的控制 方案，对各个传感器数据进行计算，通过控制各个液压阀，来对整个液压系统进 行控制，为了使系统更加自动化及精确化，还设计出了压坯的重量分选仪，作为 分选不合格压坯的设备，p l c 通过计算分析，调整装粉时模冲位置，实时调整装粉 量，形成闭环控制，提高压坯质量，降低废品率，并设计了操作方便的触摸屏， 采用了模块化的编程思路，使控制系统稳定可靠且便于操作。 关键词：粉末冶金，液压机，控制，p l c ，分选仪 重庆大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i cp o w d e rp r o d u c t sh y d r a u l i cp r e s si sas p e c i a lp r e s s u r em a c h i n ef o rt h e p r e - m o l d i n go fp o w d e r i tc a np r o d u c es p e c i a lp e r f o r m a n c em a t e r i a l s a n dp a r t st h a t m a n yo t h e rm e t a l l u r g i c a le q u i p m e n tc a l l n o tm a k e t h i st e c h n o l o g yi sa d a p tm a s s d r o d u c t i o no fc o m p l e xs h a p e dp a r t s ，r e d u c i n gt h ef o l l o w - u pp r o c e s s i n g ，g r e a t l ys a w n g t i m ea n dr e d u c i n gt h ec o s t a tt h es a m et i m e ，b e c a u s eo fi t sc o n f o r mt o c o n s e r v e r e s o u r c e sa n dt h en e e d so fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n te r a , i th a sa l r e a d yg o tg e n e r a l p r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n a tp r e s e n t ，t h e r e a r et w om a j o rf a c t o r sr e s t r i c t i n gt h e d e v e l o p m e n to fp o w d e rm e t a l l u r g yi n d u s t r y , o n ei sp o w d e rm a t e r i a l sa n dt h eo t h e r i s p o w d e rm e t a l l u r g yo fs p e c i a lp r e s s i n ge q u i p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，a st h ep r o p o m o n o t t h eh i g hs t r e n g t h ，h i g hp r e c i s i o n ，c o m p l i c a t e ds h a p ei nt h ep o w d e rm e t a l l u r g yp a r t s 1 s b e c o m i n gm o r ea n dm o r eb i g ，a n dw i l lg r a d u a l l yb ed o m i n a n t ，t h e s ea l s op u tf o r w a r d h i g h e rr e q u e s tf o rt h ep o w d e rm e t a l l u r g yc o m p r e s s o r sp e r f o r m a n c ea n d i t ss u p p r e s s d r e c i s i o n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w d e rm e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g ya n dt h e d e m 柚do ft h em a r k e t ，a n da st h ep r o p o r t i o no fm _ l l l t i - t a b l e b o a r dc o m p l e xp a r t s 1 1 1 p o w d e rm e t a l l u r g yp a r t sp r o d u c t i o ni s g r a d u a l l yi n c r e a s i n g b a s e do nt h e t e c h n i c a i r e q u i r e m e n t sp r o p o s e db yc h o n g q i n gm a c h i n e r yf a c t o r y , af u l l y a u t o m a t i c4 0 0 - t o n p o w d e rh y d r a u l i cp r e s s w a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r p o w d e rf o r m i n gh y d r a u l i cp r e s sa r ec o m p o s e db y t h r e ec o m p o n e n t sw h i c ha r et h e 1 1 v d r a u l i cs y s t e m ，c o n t r o ls y s t e ma n dt h ef o r m w o r k b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h e d o m e s t i ca n df o r e i g np r e s s u r em a c h i n ea n dt h e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sp r o p o s e db y c h o n g q i n gm a c h i n e r yf a c t o r y , t h ep a p e rm a d eam i n u t ea n a l y s i s o ft h ei l p o r t a l l t s u p p r e s s i n gf a c t o r so ft h ef u l l ya u t o m a t i c4 0 0 - t o np o w d e rh y d r a u l i cp r e s s m a c h i n e t h i sp a p e rp u tf o r w a r da ni n t e g r a t es c h e m eo f am u l t i t a b l e - b o a r dp o w d e rh y d r a u l i cp r e s s m a c h i n e ，a n dd e s i g n e dam a i np a r a m e t e rt a b l eo ff u l l ya u t o m a t i c4 0 0 一t o np o w d e r h y d r a u l i cp r e s s t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h o nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h e c o l l 仃o ls y s t e mp r o c e s sa n dp r o c e s sa n a l y s i so f t h ep o w d e rp r e s s a n gm a c h i n ew e r em a d e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，t h ep a p e rs e l e c t e dt h em a i nc o m p c n e n t s a 1 1 dm a d ea i la n a l y s i s ，a n dd e s i g n e dt h ee l e c t r i c a l c o n t r o lh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h e s o f t w a r eo ft h ep r e s s u r em e c h a n i c a l t l u n d u g ht h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cs y s t e m ，t h ep a p e rc h o u s e s p l ca st h ec o n t r o l l e r o ft h ec o n 仃o lp l a n t h r o u g ht h e c a l c u l a t i o no fe a c hs e n s o rd a t a , p l cc o n t r o l sa l l i i i 重庆大学硕士学位论文 h y d r a u l i cv a l v e s ，a n dr e a l i z e st h ec o n t r o lo ft h ew h o l eh y d r a u l i cs y s t e m i no r d e r t o m a k et h es y s t e mm o r ea u t o m a t i ca n dp r e c i s e ，i ta l s od e s i g n e daw e i g h ts o r t i n gd e v i c eo f t h eb i l l e t a s s o r t i n gu n q u a l i f i e dp r e s s u r e i n t h eb i l l e t so fe q u i p m e n t ，t h r o u g h c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，p l ca d j u s t st h eb l u n tp o s i t i o nw h e no u t f i t t i n gt h ep o w d e rd i e ， a n dr e a l t i m e l ya d j u s t st h ep o w d e ra n a o u n tt of o r mac l o s e dl o o pc o n t r o l ，i m p r o v i n g s t e e lq u a l i t yp r e s s u r ea n dr e d u c i n gs c r a p i na d d i t i o nat h et o u c hs c r e e nw a sd e s i g n e d f o rc o n v e n i e n to p e r a t i o n b e c a u s eo ft h eu s eo fm o d u l a rp r o g r a m m i n gi d e a s ，t h e c o n t r o ls y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l ea n de a s i l yo p e r a t i o n a l k e y w o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y , h y d r a u l i cp r e s s ，c o n t r o l ，p l c ，s o r t i n gi n s t r u m e n t 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 作为一种制造机械零件的特殊方法，粉末冶金技术近年来取得了惊人的发展， 在工业界占据了较为重要和坚实的地位。这一技术，能大量生产形状复杂的零件， 减少后续加工，较大程度地节省了工时、降低了成本。目前，粉末产品广泛用于 汽车、摩托车等行业，在国外发达国家的汽车产业中，平均每辆车上粉末冶金零 件大约有1 0 0 种，主要用在离合器、变速箱齿轮等，国内冶金行业发展相对来说 还停留在小规模上，主要原因还在于，目前我国粉末也金零件在强度、精度上不 够高，另外就是多台面的复杂结构零件的生产还主要依靠国外进口粉末冶金机床， 在市场上的占有率低，直接影响我国粉末冶金行业的发展。 近年来虽随着我国工业的迅猛发展，粉末冶金技术的发展也是突飞猛进的。 从上世纪九十年代中期开始，我国在汽车、摩托车上使用的粉末冶金零件逐渐由 国产零件代替进1 2 1 零件，市场占有率的提高，也带动了我国粉末冶金行业的迅速 发展。由于我国独特的优势，如今全球制造中心正在向我国转移，由于粉末冶金 具有节能、节材、高效、少切屑或无切屑等显著优点，并可生产出许多其它冶金 设备难以制造的特殊性能材料和零件，符合节省资源和可持续发展的时代需要， 国家在政策上也大力支持，故而得到了普遍的推广和应用。 全自动粉末制品液压机是粉末预成型的专用压机。随着我国工业化生产的蓬 勃发展，对粉末冶金制品的需求量越来越大，质量要求也越来越高。目前，制约 粉末冶金工业发展的两个主要因素是粉末材料和粉末冶金的专用压制设备。近年 来，由于高强度、高精度、形状复杂零件在粉末冶金零件中所占比重越来越大， 并将逐渐占主导地位，对粉末冶金压机的性能和压制精度也提出了更高的要求 儿2 。随着粉末冶金技术的发展以及市场的需求。多台面的复杂零件在粉末冶金零 件生产中所占比重逐渐增大。由于其形状复杂，成形技术要求很高，能准确的分 析出对压坯密度影响的因素成为保证零件质量的关键因素。粉末压机在生产的过 程中，压制设备对粉末压制零件最终的成型精度起着至关重要的作用，末压制技 术发展较早，技术已经比较成熟，目前国外粉末压机多采用模架系列压机和多功 能压机，可一次压制形状复杂的多台面零件。但在国内，粉末压机还处于发展阶 段，产品整体质量还不是很高，主要是致密性和精度较低，精度等级可达到i s o 8 级，形位公差一般为7 8 级，与国外大约相差2 3 个等级，目前虽然产量有所提高， 但整体来说能生产出高质量的厂家还是太少，并且还有部分企业依靠的是进口的 昂贵压机。 重庆大学硕士学位论文 目前粉末压机主要分为机械式和液压式两种，我国机械式大吨位压机的发展 已经有了三十年的经验，随着粉末冶金制品向大型化、高精度、高密度的发展， 传统的机械式粉末压机已经不能满足市场需要，液压式压机就成了比较理想的压 制设备。 粉末成形液压机由液压系统、控制系统、模架三部分组成，自动化程度较高。 液压机是一种以液体为工作介质，用来传递能量以实现工艺的机器。液压机一般 由主体( 主机) 、动力系统及控制系统三部分组成，工作是讲动力系统提供的高压 液体在准确的时间和地点输送到所需要的工作缸体，并将各缸排回的低压液体输 送回动力系统。控制系统主要采用可编程控制器来实现压机的自动控制。国内专 用设备生产厂家用专业化模架、模具的都很少，设计制造能力薄弱。目前国内的 粉末压机，多采用三梁四柱式结构，刚性比较差，精度不能得到满足，也有少部 分专用框架式结构，这种框架式结构在刚度、精度上比较高，但对铸造要求较高， 成本较高。 众多原始与专家对我国制造业的现状、作用、地位及发展趋势和对策进行了 调查研究后，于2 0 0 2 年7 月发布了新世纪如何提高和发展我国制造业的报告。 研究报告中指出：处于工业中心地位的制造业，特别是装备制造业，是国民经济 持续发展的基础，是工业化、现代化建设的发动机和动力源。是在国际竞争中取 胜的法宝，是技术进步的主要舞台。缺少了技术先进的装备，要缩小我国粉末冶 金产品与国外同类产品之间的差距，赶超世界的先进水平，扭转我国目前在此方 面的劣势，都只能是一句空话p j 。 目前市场上2 0 0 t , 2 5 0 t , 5 0 0 t , 6 0 0 t 等型号粉末压机已经投入市场，其产品也得 到推广，本4 0 0 t 全自动粉末压机的研制，填补了国内粉末冶金行业的一项空白， 其设计也为后续机型提供了借鉴的依据，可以说4 0 0 t 全自动粉末液压机的研制对 我国高性能、高精度多台面复杂粉末成型压制设备的发展具有重要意义。 1 2 粉末液压机国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 由于发展较早，国外粉末冶金技术相对来说比较成熟，在市场上应用也比较 广泛。2 0 0 3 年，年全球粉末货运总量约为8 8 万吨，其中美国占5 1 ，欧洲1 8 ，日 本1 3 ，其它国家和地区1 8 。铁粉占整个粉末总量的9 0 以上。从2 0 0 1 年起，世 界铁粉市场持续增长，4 年时间增加了近2 0 t 4 1 。 汽车行业仍然是粉末冶金工业发展的最大动力和最大用户。一方面汽车的产 量在不断增加，另一方面粉末冶金零件在单辆汽车上的用量也在不断增加。北美 平均每辆汽车粉末冶金零件用量最高，为1 9 5 公斤，欧洲平均为9 公斤，日本平均 2 1 绪论 为8 公斤。中国由于汽车工业的高速发展，拥有巨大的粉末冶金零部件市场前景， 已经成为众多国际粉末冶金企业关注的热点【5 1 。 粉末冶金铁基零件在汽车上主要应用于发动机、传送系统、a b s 系统、点火 装置等。汽车发展的两大趋势分别为降低能耗和环保；主要技术手段则是采用先 进发动机系统和轻量化【6 】。 最近几年，日本一家公司对这种工艺加以发展，开发了烧结一锻造新工艺，这就 是在将金属粉压制成型后，进行加热模锻，提高材料的致密度，从而继承了粉末冶金 低消耗的长处，通过热处理，大幅度地提高了零件的硬度、强度、塑性和韧性，接近 于一般钢材的性能。现在这家公司已利用这种工艺生产汽车发动机连杆、离合器 部件等零件，与使用熔炼钢材相比，它有以下长处：1 坯料尺寸精度高，一般为士 0 2 m m ，省略了粗加工；2 材料利用率高，达8 0 ；3 切削性能远优于熔炼钢材。因此 与使用钢材相比，耗降低一半，成本降低2 0 。这家公司生产连杆的金属粉成份 是，f e - 3 c u - 0 5 5 c 一0 3 s 。加铜是为了提高淬透性；加硫是为了改善切削性能。与熔 炼钢材不同的是，硫化物呈球状弥散分布，因而对强度的影响不大。使用喷雾法铁 粉。成型时成份必须均匀，一般密度在6 5 9 e m 3 以上。由于预制件强度低，因此零件 的结构须保证锻造时不开裂。锻造时使用炉床旋转式电炉，保护气氛加热，温度 1 1 5 0 。c ，时间1 0 m i n ，锻造时间1 0 s 。模具( 最好经氮化处理) 预热n 1 5 0 。c 左右，使用 水溶性石墨润滑。 目前国外粉末压机大多通过采用计算机技术和液压技术的结合，能够生产出 复杂的产品，产品质量高，达到了一个很高的精度。其产品广泛应用于航天、军 用等。同时为了适应机械工业生产不同层次的需求，还开发出多种经济型粉末压 机，并得到了广发应用。先进的粉末成型机基本在欧美，如德国f e t t e 、k o r s c h ， 英国m a n e s t y ，比利时c o u r t o y ，美国s t o k e s 等。其产品自动化程序高，符合 f d a 要求及21c f r p a r t l1 的要求。 1 ) 高速高产量。高速高产量是粉末成型机生产厂商多年以来始终追求的目标， 目前世界上主要的粉末成型机厂商都已拥有每小时产量达到1 0 0 万片的粉末成型 机。如m a n e s t r y 公司生产的x p r e s s 7 0 0 型粉末成型机高产量达1 0 0 万片；k o r s e h 公 司生产的x l 8 0 0 型粉末成型机最高产量达1 0 2 万片h ；c o u r t o y 公司生产的m o d u l d 型粉末成型机最高产量达1 0 7 万片h ；f e t t e 公司生产的4 0 9 0 i 型粉末成型机最高产 量达1 5 0 万片1 1 。其产量远远高于国内粉末成型机的产量。 2 ) 粉末成型工艺环节的密闭性及人流、物流的隔离。国外的粉末成型机输入输 出的密闭性非常好，尽可能地减少交叉污染。粉末成型用的颗粒通过密闭的料桶 及密闭输送系统进入料斗，粉末成型过程中采取有效的手段防止粉尘飞扬和颗粒 分层，压好的片剂通过筛片、片中检测、金属探测等进入包装工序，整个过程相 重庆大学硕士学位论文 当密闭。而国内大多数粉末成型机粉末成型过程是敞开的，或者是没有完全密闭， 断裂的工序致使粉末成型车间粉尘飞扬。随着g m p 的深入实施，在粉末成型工艺 环节的密闭性及人流、物流的隔离变的尤为重要，这是我们设计生产制造设备所 必须具有的基本功能。 3 ) 在位清洗。w i p ( 在位清洗) 粉末成型机，使得用户设备使用成本大大降低。 改善粉末成型机的清洗功能，除了设计上充分考虑各个部分清洗之外，粉末成 型机的清洗功能是强调可拆卸性，只有方便而快速拆卸，才能保证清晰的彻底性。 4 1 与整条生产线连接的控制技术。把一台粉末成型机能够连接到一条生产线 中，德国和英国的粉末成型机都具有这种功能。它具有开始、结束以及转速调节 功能。利用这一选项功能，可以可靠地、自动地与生产线的其它设备，例如筛 片、吸尘、检测、输送、桶装等连接在一起，同步完成药片的压制生产任务。 同时，在外部设备上也采用了不同的监测手段，提供了很高的安全可靠性能。 利用在线检测仪可以为压制的药片清除毛刺、飞边，清除粉尘；吸尘监控功能 是利用流量监控仪定期地对吸气管中指定位置的吸气压力进行检测。连续地对 设定值和实测值进行比较，若检测仪在吸气管中1 0 s 中内没有检测到吸气压力( 没 有流量) 时，粉末成型机即发出故障报警提示并停止运行【6 j 。这一功能最大程度 地保障了生产的可靠性，能够连续清除药片压制生产过程中的粉尘。与整条片剂 生产线连接的控制技术是片剂生产控制新技术，是今后的发展趋势。 1 2 2 国内研究现状 我国钢铁粉末生产也经过了一个漫长的发展过程，上世纪5 0 年代，采用土法 上马生产铁粉，在鞍钢附近几乎每一个生产队都有土窖生产铁粉。 我国还原法铁粉的工业化生产起始于1 9 6 5 年，即上海粉末冶金厂建成第一座 3 8 5 米的隧道窑。 而水雾工业化大规模生产铁粉则起始于1 9 8 7 年，鞍钢引进德国的年产4 3 2 0 吨水雾化铁粉产生线 2 0 世纪9 0 年代后，我国钢铁粉末生产出现了一个快速发展的局面。图1 1 为 我国近几年铁基粉的产量。 4 1 绪论 3 0 2 5 蘸2 0 m t1 5 钆 1 0 o 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 2 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 10 年份 图1 1 中国近几年铁基粉末的产量 f i g u r e1 1c h i n ai r o nb a s ep o w d e rp r o d u c t i o no f r e c e n tr e a r s 中国的粉末冶金工业在上世纪五十年代初期几乎为零，经过半个多世纪的努 力拼搏在：硬质合金、钢铁粉末、磁性材料、金刚石制品等领域的产量已发展成 为世界性的产业大国。 粉末冶金制品按其产量规模计算，主要是机械零件制品，全球粉末冶金制品 大部分用于汽车工业，汽车用粉末冶金件累计约占粉末冶金件的7 0 左右，超过 1 0 0 种。 一 通过“七五”、“八五”、“九五”技术改造，我国的粉末压机企业技术水平已有较 大的提高，部分企业通过引进国外先进技术，先进设备与国外合资等方式使企业 技术水平、装备水平迅速向国际先进水平靠拢，发展相当迅速。但是发展很不平 衡，还有很多企业规模小，技术装备落后，经济效益差。主要体现在一下几个方 面： 1 ) 产品水平低 在产品精度方面，少数企业精度可达i s 0 7 8 级，形位公差可达8 9 级，与 国外水平相比低l _ 2 级，一般企业约相差2 3 级。产品质量方面，质量不够稳 定，内在质量与外观质量均有较大差距。 2 ) 工艺装备落后 大多数企业仍采用通用压机，生产效率低，质量不稳定，不能生产出复杂结 构件，后续加工量大。 3 ) 发展趋势 进行企业联合、重组，培育大企业，大集团，实现规模经营，加快新工艺， 新产品的开发，提高设计及制造水平，应用计算机辅助设计与制造，产品向高强 度，复杂形状和特殊性能发展。 虽然我国粉末冶金行业与国外还有一段差距，但是我国粉末冶金行业也有独 重庆大学硕士学位论文 特的优势 1 ) 中国将成为国际产业链中的制造业大国， 力及低廉的成本。 2 ) 中国汽车行业( 粉末冶金品最大的客户) 机遇。 兼备巨大的市场，雄厚的制造能 的发展将会给本行业带来极大的 3 ) 国际制造业正在加速向中国转移，粉末冶金制品的出口前景广阔。 中国的粉末冶金结构件生产领域四十年来在国家产业政策护持下，经历了曲 折和磨练，当前已经进入高速发展期。虽然还在起步阶段，但增长速度超过国民 经济的增长。特别是我国加入w t o 后，使本行业融入国际产业链，给行业内的发 展带来了巨大的空间。随之而来的是国外著名厂家的进入以及行业内部竞争的加 剧。然而不管行业竞争如何剧烈，新一轮的发展期必将到来，而且业已来临。今 后一段时间我国粉末冶金行业的发展趋势将为： 趋势一：世界著名企业逐鹿中国。由于中国汽车的需求量不断攀升，各国列 强纷纷登陆中国，现在正在进入的和准备进入的有： 趋势二：质量求新高、价格创新低 趋势三：国产优质原材料将逐步替代进口材料 趋势四：优质国产设备将被普遍采用 趋势五：高、中、低三类产品自动分工 趋势六：行业内企业加速联合、兼并 现在我国自行研制和开发的粉末冶金成形和精整压机已取得一定的成绩，近 年来，国内的研究学者对电液比例技术在液压机上的应用取得了一定的成果，主 要有： 1 1 9 9 0 年江阴市利港电力工程设备厂引进开发y a 7 9 1 2 5 型粉末制品液压机。 可进行手动、半自动、全自动操作、采用进口程序控制器( p l c ) ，1 9 9 5 年开发了 y a 7 9 1 6 0 ，y a 7 9 6 3 0 ，y a 7 9 4 0 0 等型号。 2 北京锻压机床厂于1 9 8 7 年研制和开发的机械液压混合式b d d 0 1 2 0 0 心粉末 成形压机，机械式b d f 0 2 2 0 0 k n 粉末精整压机【7 ； 3 南通锻压机床厂1 9 9 3 年开发和研制的n t d y 7 9 2 6 3 a 1 0 0 a 干粉自动成形液 压机，而南通国龙锻压设备有限公司生产的y g l 7 9 z 系列全自动粉末压制成形机 所配模架采用液压驱动，每一活动模板可通过自控程序进行控制，确保位置控制 的精确性【8 j 。 4 华南理工大学机电工程系与两家公司合作开发的y a 6 2 6 3 0 粉末冶金制品全 自动压机，己于1 9 9 6 年1 0 月试制成功，采用p l c 控制，主要用于生产高密度、 高强度、复杂形状的粉末冶金齿轮零件； 6 1 绪论 5 1 9 9 8 年，华中理工大学的熊晓红等人进行了智能型粉末成形液压机的研究， 讨论了现代粉末成形液压机液压系统、模架、控制系统三个方面的设计要求，提 出了控制系统的结构，讨论了基于规则的智能p i d 控制和自动装粉校正1 9 9 9 年， 熊晓红等人讨论了粉末成形液压机c n c 控制系统，针对粉末成形液压机的特点， 提出了其控制系统的结构，给出了控制系统的软件功能；详细讨论了基于系统压力 曲线的自动装粉校正方法。2 0 0 0 年，熊晓红做了塑性成形设备通用数控系统及粉 末成形液压机控制技术研究，该文对塑性成形设备通用数控系统的体系结构、软 件组成和功能以及全自动粉末成形液压机的计算机数字控制技术这两个领域进行 了研究【9 1 。 6 华中理工大学机械学院威奇数控公司，一汽散热器公司和南通锻压机床厂合 作研制的y f 6 3 0 全自动智能型粉末冶金液压机，采用p l c 控制，自动化程度高， 主要用于生产复杂的，精度要求高的多台面粉末冶金零件； 7 华南理工大学设计制造了一套与粉末冶金精密成形压机相匹配、用于成形带 上二台面和下三台面复杂粉末冶金零件的集成油缸驱动多层模板粉末压制成形模 架【l 。此设备通过直线位移传感器采集各模板的位置信息，并采用液压系统闭环 精确控制压制过程中各模冲的位移，模冲的轴向位置精度为士o 0 2 m m ，大幅度提高 了零件质量，但结构复杂，体积较大，设备成本较高。 一 2 0 0 4 年华南理工大学机械工程学院设计制造一种环形油缸驱动的粉末成形模 架，该模架具备了压制高精度、高强度、上二下三台面复杂形状零件的能力。在 设计过程中采用有限元分析方法对模架的静特性和动特性进行了计算分析，验证 了该粉末成形模架结构设计的合理性。此设备粉末成形模架的结构独特，减小了 模架的体积，节约了制造成本【1 1 】。 1 3 本文所做的工作和主要研究内容 本次课题的任务是粉末压机控制系统的设计。过查阅大量与该课题密切相关 的中外文资料以及国内外已有的粉末压机设备资料，采用p l c 可编程控制器来实 现对粉末压机的控制，简单实用，能够实现产业化，复合工业经济型，可以达到 技术要求。通过分析国内外高精度粉末压机的现状，借鉴国外先进经验，针对国 内目前不足，提出一个能精密成行多台面复杂粉末零件的大吨位压制设备及模架 的总体方案，并详细了解了框架机身部分及整体液压传动系统的设计，设计出相 应的电路原理图和软件部分，并进行调试和仿真。 该课题的具体任务内容如下： ( 1 ) 了解、熟悉粉末压机的发展及现状、主要功能、应用领域、工作原理、主要 构成特点 重庆大学硕士学位论文 ( 2 ) 掌握粉末压机的用途、性能、特点、工作原理及压制流程 ( 3 ) 掌握粉末压机控制系统的功能、原理及构成 ( 4 ) 粉末压机控制系统的选择及设计 ( 5 ) 粉末压机系统分析、计算 一 ( 6 ) 粉末压机总体方案选择及设计 ( 7 ) 主要元器件计算及选型 ( 8 ) 重量分选仪的设计 ( 9 ) 主要控制系统电路原理图设计 ( 1 0 ) 部分软件设计 1 4 本章小结 本章以课题的背景以及意义为出发点，主要就国内外粉末压机现状做出介绍， 最后对论文研究的主要内容做出介绍。 2 总体方案设计 2 总体方案设计 2 1 总体分析 粉末压机结构上主要分为机身、模架、驱动方式、控制系统等几个部分，本 章分别从这几个方面和压制工艺及分选仪对总体进行一个方案设计。 压制设备机械结构如图2 1 所示。多层模架由上二下三共五层模冲及模板组成， 每层模冲均能独立运动，用于成形上二下三台面的压坯。多层模架由多层模冲、 模冲连接座、多层模板、模板驱动杆、集成油缸、阴模、导柱等组成，两层上模 板由框架上横梁内的上油缸和滑块油缸驱动，三层下模冲通过模冲连接座分别固 定在三层下模板上，三层下模板由模架自带油缸驱动，阴模座和专用压机下油缸 相连，芯杆和专用压机下油缸的中心缸相连。 粤譬 崤f 出 拦氍蔷 矧 = 臣姿： ”鼍。争“ 醪毒蟊 - ，_ “ 零弗 ：j ；： - = - l 一主缸装置2 一补液箱3 一上横梁4 一滑块5 一 立柱6 l i 多层摸板模架7 送料装置8 一导轨 9 一底座i o 底缸装置 图2 1 多层模板粉末压制设备 f i g u r e2 1m u l t i l a y e rt e m p l a t ep o w d e rp r e s s i n ge q u i p m e n t 9 重庆大学硕士学位论文 2 2 机身结构 压制设备采用组合预紧式结构，此结构通过事先预加载荷预紧的叫根拉杆将 上下横梁及左右立柱组成一个整体，使整个框架机身的刚度得到加强。预紧式框 架机身( 含模架) 的机械设计图如图2 2 所示。可分为主体框架和模架两大部分。上 横梁、左右立柱和底座与四根拉杆经预紧后共同组成框架，框架采用整体焊接结 构。特点是此结构力d i - f _ 艺性较好、容易保证加工精度、框架通过拉杆预加载荷、 减小了机架的弹性变形、避免在载荷作用下发生弧度挠曲，为压制成高精度的零 件提供保证【l6 1 。 fi】l l _ 一 _ r 1j- f r - j刖i 薏 - e - nld 刁i v n l 牛i _ j l _ j 血 v v 卜争 缎合蓣繁式机赛 图2 2 组合预紧式机身 f i g u r e2 2c o m b i n a t i o np r e l o a d e dt y p ef u s e l a g e 2 3 模架方案设计 2 3 1 模架方案选择 方案一：可控模冲接合器( c p a ) 在先进的多功能自动压制过程的研究中，曼内斯曼公司推荐的c p a ( c o n t r o l l e d p u n c h a d a p t e r ) 取代了传统的机械挡块。它不仅可以做到多层台阶、复杂结构件各 1 0 2 总体方案设计 层时序、定位的独立动作，而且还能精细地控制压坯的尺寸精度。 c p a 是一个安装在模架上的一台小型的复合油缸。这个小型复合油缸，由它的 多层活塞产生独立的多层次动作去带动多层的上、下模冲独立动作。它的每一层 动作时序是由电脑控制的。而每层动作的行程是靠各自传感器标定的。将带有这 种c p a 的模架装在特定的自动压机上，运动匹配自如。如果有一台上2 、下3 的c p a ， 它就可以在原自动压机动作上又增加了上2 、下3 个自由动作。无疑，它将一台压 机的功能丰富到如获双翼。在使用配有c p a 自动模架的自动压机进行连续生产中， 压坯的一致性精度可以控制在- 4 - 1 0 u r n 。可以说这是压坯生产的顶尖精度【1 7 】。 c p a 支撑的各层模冲的自由动作均由电脑设定参数而执行动作；通过传感器获 得的位置度参数反馈到电脑，电脑根据设定参数指令c p a 各层油缸动作，使各层模 冲在优化工艺参数下执行运动。这保证了多台阶复杂结构件的压坯在粉末质量、 几何尺寸、密度分布等参数连续一致【l8 1 。 方案二：多模板模架( m p a ) 多层模架由上二下三共五层模冲及模板组成，每层模冲均能独立运动用于成 形上二下三台面的压坯。多层模架由多层模冲、模冲连接座、多层模板、模板驱 动杆、集成油缸、阴模、导柱等组成，两层上模板由框架上横梁内的上油缸和滑 块油缸驱动，三层下模冲通过模冲连接座分别固定在三层下模板上三层下模板 由模架自带油缸驱动，阴模座和专用压机下油缸相连，芯杆和专用压机下油缸的 中心缸相连【l9 1 。阴模板由安装在框架底座内部的底缸驱动控制，芯杆由嵌套在底 缸的活塞杆上的底中心缸驱动控制，其余下层三个模冲通过下层三个模板由集成 油缸分别驱动控制。液压驱动式模架的结构比传统机械式模架的结构简单，模架 采用标准化、系列化设计，且模架的结构柔性高，生产不同的零件只需更换模具 和连接座即可。模架也可以根据成形要求进行更换，更换模架时，采用导轨导入 方式，导入时由安装在模架上可进行上下微调的滑轮在导轨上滑动，进入工作位 置后调整滑轮的位置，使滑轮与导轨脱离【2 0 1 。在各层模板侧边安装有直线位移传 感器各个模冲、阴模和芯杆的位移，压制出的压坯高度精度可达n 土0 0 2 m m 。设计 制造的多层模板粉末压制设备如图2 1 所示。 c p a 模架的设计与制造难度比m p a 大，目前国内技术难以完成设计，而且费 用高。此设计制造可成形多台面复杂粉末冶金零件选用多层模板模架，在满足精 度要求的基础上，既能提高原有设备水平，有能节省投资和降低成本。 2 3 2 模架结构设计 模具架为上二下三结构。模架结构如图2 3 模架各模板采用4 5 钢锻件，须进行 调质处理，提高其力学性能。阴模板、限位块硬度= 5 5 h r c 模架导柱及拉杆采用g r l 5 锻件，须进行中频淬火处理，淬硬层深度= 2 m m ，硬度= 5 5 h r c ，以提高其耐磨性。 重庆大学硕士学位论文 象。 统。 性能特点： 可靠的机械限位装置有效保证了批量制品的质量稳定性。 一般式与保护式两种任选脱模工艺，有效避免了制品内裂及脱模掉边的现 可实现保护性脱模。 根据产品成型工艺要求，可重新设定内部工艺动作程序，使之成为柔性系 提高了产品的复杂程度，使复杂零件更容易成形。 一一一“ ” ”+ ： 一 l 图2 3 环形模架 f i g 2 3a n n u l u sa d a p t e r 结构介绍： 多层模架具备上二下三共五层模板，可成形上二下三台面的压坯，多层模架 采用液压驱动，每层模板和阴模座都有独立的动力源，保证各层模板和阴模座能 够独立运动，多层模架由多层模冲、模冲连接座、多层模板、模板驱动杆、集成 油缸、阴模、导柱等组成。上内模冲和上外模冲通过模冲连接座分别固定在上内 模板和上外模板上，下外模冲、下中模冲以及下内模冲通过模冲连接座分别固定 在下外模板、下中模板以及下内模板上，下层模板通过模板驱动杆与油缸活塞杆 1 2 2 总体方案设计 相连接。 模架可以根据成形要求进行更换，更换模架时，采用导轨导入方式。导入时 可以采用手动调整和自动调整，导入时由安装于模架上可上下微调的滑轮在导轨 上滑动，进入工作位置后调整滑轮的位置，使滑轮与导轨脱离。模板自动调整， 用伺服电机控制每个模板位置，通过p l c 形成闭环控制模架进入工作位置。 2 4 驱动方式选择 2 4 1 几种传动系统比较 工作机械的传动系统主要有机械传动、电气传动、液压传动和气压传动4 种， 也可以是这几种传动系统的组合。液压传动系统与其他传动系统相比较，具有以 下工作特点： 传递的能量密度高。由于液压油易于高压化，因而与电气及气压传动相比， 传递的能量密度要高得多，可使传动装置的体积大为缩小。适宜在传动功率较大 而要求装小型化的场合使用。 控制性能好，响应速度快。液压油的压力与流量控制都比较容易，容易获 得高精度的控制。且由于能量密度高，装置易于小型化，与电气传动相比，输出 力( 力矩) 与惯性之比要大得多，因而容易获得较高的响应速度。 缺点：容易漏油，维护工作量较大。管接头及密封处的外泄漏，不但污染 了环境，还容易令液压元件因受到污染而发生故障，在设计时必须加以注意。并 且管理和定期检修的工作量都比较大【1 2 1 。 2 4 2 方案选择 粉末压制设备按照驱动方式可分为机械式、液压式。 方案一：机械式模架。特点：通用性差，结构复杂，调整困难，成形复杂， 零件密度不均匀，目前我国生产的粉末成形压机，机械式压机的压制能力普遍还 比较小，大多不高于1 0 0 吨，目前国内大部分粉末零件生产商大都采用该类模架。 方案二：液压式模架，液压控制系统的最大工作压力为2 5 m p a ，采用电液比例 阀控制与直线位移传感器检测系统相结合，能够在零件压坯的高度方向达到和机 械式压制设备同样的精度采用位置闭环控制，成形精度较高，和机械式粉末压制 设备相比，行程较长的液压式粉末压制设备比行程相同的机械式粉末压制设备造 价低。所以本机器选是方案二 2 4 3 液压系统构成 系统组成共需本液压系统中一共采用了9 个油缸，其中主缸装置及嵌套油缸装 置、底缸装置、滑块内置油缸装置、送料装置、底缸中心缸装置、模架用油缸装 置( 三个缸) 。本液压系统中，行程大、对油液流量需求多的油缸主要是主缸、底 重庆大学硕士学位论文 缸及滑块上的嵌套油缸，下图为粉末压制的压力曲线。 图2 4 粉末压制的压力时间曲线 f i g u r e2 4p o w d e rs u p p r e s s e sp r e s s u r e s - t i m ec u r v e 底缸中心缸在压制设备中用于驱动压制有中心孔粉末零件时所用到的芯杆， 工作压力较小，也无快速运动的要求，控制较简单。 底缸用来驱动阴模，动也比较简单。 送( 出) 料油缸工作压力较低，要求在送料到作台位置后来回抖动几下，令 粉末填充均匀，除此之外没有其他的复杂动作，其运动路线及精度要求是本液压 传动系统中最为简单的。 模架用油缸用于驱动压制设备模架上的下三层模板，此三层模板相互独立， 每层均出4 个均布油缸进行驱动。因为各层模板驱动油缸的