（机械设计及理论专业论文）玻璃器皿压机中开关模机构的参数化设计与研究.pdf

摘要 开关模机构是玻璃器皿压制机成型玻璃器皿的关键部分，本文根据国内的玻 璃器皿市场需求，结合当今快速设计技术当中的模块化设计技术、参数化设计技 术等技术，进行了整体式开关模机构和铰链式两开模机构的快速设计技术研究。 首先运用c a d 技术设计了整体式开关模机构和铰链式两开模机构，对铰链 式两开模机构的工作原理、结构、动作参数进行了详尽的分析。 其次把模块化设计技术的思想运用到结构设计上，在对铰链式两开模机构结 构设计和功能分解的基础上，对其进行了合理的模块划分，建立了各个模块之间 的连接与约束：采用参数化设计技术和自顶向下设计技术相结合的建模手段，在 p r 0 e 中建立了整体式开关模机构和铰链式两开模机构的参数化设计模型样板， 同时采用数据库m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 建立了此两种机构的装配体和零部件的数 据库。 随后通过应用p r o e 的二次开发工具p r o 厂r 0 0 l k i t 和v c + + 6 o 编写相应的 程序，开发出了整体式开关模机构和铰链式两开模机构的参数化设计人机交互界 面。此界面可实现此两种结构的快速设计。 最后对铰链式两开模机构中受力最为复杂的模块附属模块进行了有限 元分析，采用a n s y s 有限元分析软件对其受力最大时刻的工况进行了静力分析， 得出了该模块装配体在这一工况下的变形和受力云图，并提出了结构改进意见。 关键词：铰链式两开模机构；快速设计；玻璃器皿压机；p r o e 的二次开发；参 数化设计；有限元分析 a b s t r a c t t h eo p e n c l o s em o u l di st h ek e yc o m p o n e n to ft h eg l a s s w a r ep r e s sm a c h i n e b a s e do nt h ed o m e s t i cm a r k e td e m a n d ，c o m b i n e dw i t ht o d a y sf a s t - d e s i g nt e c h n i q u e s a m o n gm o d u l a rd e s i g nt e c h n i q u e s ，p a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n o l o g y ，c a r r y o u tr a p i d d e s i g nt e c h n o l o g yr e s e a r c h f o rt h eo v e r a l lo p e n - c l o s em o u l dm e c h a n i s ma n dt h e h i n g e dd o u b l e - o p e n i n gm o u l d m e c h a n i s m f i r s t l y ，w i t ht h eu s e o fc a d t e c h n o l o g y ，d e s i g n e dt h eo v e r a l lo p e n c l o s em o u l d m e c h a n i s ma n dt h eh i n g e dd o u b l e o p e n i n gm o u l dm e c h a n i s m ，d oad e t a i l e da n a l y s i sf o rt h e w o r k i n gp r i n c i p l e ，s t r u c t u r e ，m o v e f n e n tp a r a m e t e r so ft h eh i n g e dd o u b l e o p e n i n gm o u l d m e c h a n i s m s e c o n d l y ，a p p l i e dt h em o d u l a rd e s i g nt e c h n i q u e st o t h es t r u c t u r a ld e s i g ni d e a s u p l i n k ，b a s e do nt h es t r u c t u r a ld e s i g na n df u n c t i o n a ld e c o m p o s i t i o no ft h eh i n g e d d o u b l e - o p e n i n g m o u l dm e c h a n i s m ，d o n ear e a s o n a b l em o d u l ed i v i s i o n a n d e s t a b l i s h e dt h ec o n n e c t i o na n dc o n s t r a i n t sb e t w e e nt h ev a r i o u sm o d u l e s ；u s i n gt h e c o m b i n a t i o no fp a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n i q u e sa n dt o p - d o w nd e s i g nt e c h n i q u e s t o c r e a t em o d e l ，c r e a t e dt h ep a r a m e t r i cd e s i g nm o d e lo fh eo v e r a l lo p e n - c l o s em o u l d m e c h a n i s ma n dt h eh i n g e dd o u b l e o p e n i n gm o u l dm e c h a n i s mi np r o e ，a tt h es a l t l e t i m e ，c r e a t e dt h ea s s e m b l ya n dp a r t sd a t a b a s eo f t h i st w om e c h a n i s mw i t ht h eu s eo f m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 t h e nt h r o u g ht h eu s eo fp r o er e d e v e l o p m e n tt o o l m p r o t o o l k i ta n dv c + + 6 0 d e v e l o p i n g t h e c o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r e s ，e s t a b l i s h e d a p a r a m e t r i cd e s i g n h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c eo f t h eo v e r a l lo p e n - c l o s em o u l dm e c h a n i s ma n dt h eh i n g e d d o u b l e o p e n i n gm o u l dm e c h a n i s m t h i si n t e r f a c ec a nr e a l i z et h er a p i dd e s i g no ft h e t w om e c h a n i s m s f i n a l l y ，c a r r yo u tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ef o r c eo f t h em o s tc o m p l e x m o d u l e s u bm o d u l e so ft h eh i n g e dd o u b l e o p e n i n gm o u l dm e c h a n i s m ，d o n et h e s t a t i c a n a l y s i st oi t sg r e a t e s t m o m e n to ft h ef o r c eo p e r a t i n gc o n d i t i o n su s i n ga n s y s s o f t w a r e ，g e tt h ed e f o r m a t i o na n df o r c ec l o u do ft h i sm o d u l ea s s e m b l yi nt h eo r e r a t i n g c o n d i t i o n sa n dm a d es o m ei m p r o v e m e n t sa b o u ts t r u c t u r a l k e yw o r d s ：t h eh i n g e dd o u b l e o p e n i n gm o u l dm e c h a n i s m ，r a p i dd e s i g n ，g l a s s w a r e p r e s sm a c h i n e ；t h er e d e v e l o p m e n to fp r o e ，p a r a m e t r i c d e s i g n ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s 天津科技大学硕1 ：学位论文 1绪论 近年来机械行业发展越来越快，如何面对竞争日益加剧的国际化市场和同益多样 化与个性化的客户需求，以快速的适应市场( 即以最低的成本( c o s t ) 、最短的时间 ( t i m e ) 、最好的质量( q u a l i t y ) 和最优的服务( s e r v i c e ) 来开发出符合市场需求的 新产品) ，在同益激烈的国际化市场竞争中求得生存与发展，已成为当今企业共同关 注的焦点。一个企业对客户需求的响应速度的快慢、产品一次开发成功率的高低，决 定着这个企业产品在市场上所占份额的多少，更决定着这个企业在市场竞争中的成 败。在这种形势下，产品快速设计技术应运而生。 产品快速设计是一种新的概念，其发展靠学者对其的研究与创新。参数化设计技 术与模块化设计技术都是对此概念的填充与拓展，也是实现快速设计比较常见和有用 的方法。把此两种设计技术相结合，找到两者之间的接合点，运用于实际的产品设计 中，是实现快速设计的更有效的途径。 1 1 参数化设计技术 产生于8 0 年代中后期，兴起于9 0 年代的参数化设计理论发展至今已十分成熟， 参数化设计技术j 下被越来越广泛地应用在各个领域中，成为c a d 技术领域的一个重 要课题。参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，又叫尺寸驱动，是指在对图形建立的几何约 束( 尺寸约束和拓扑约束) 基础上，通过修改图形中的一组尺寸，使相关尺寸随之变动， 从而实现自动更改整个图形的技术。 金昊炫、应济等【列认为，参数化设计的核心是一种驱动机制，即参数驱动。参数 驱动机制是基于对图形数据的操作，其目的是对图形的几何数据进行参数化修改，但 是在修改的同时，还要满足图形的约束条件，需要约束问关联性的驱动手段来约束联 动。换言之，参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的 参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。其简要 流程如图1 1 ： 图l - 1 ：参数化驱动过程 f i g1 - 1p a r a m e t e r - d r i v e np r o c e s s 参数化设计的本质【”1 是对统一的系列产品通过已定义好的参数来生成新规格的 产品，利用计算机来进行参数化c a d 设计，只需在计算机上输入已定义好的几个关 键参数，利用参数驱动机制就会快速和准确的生成新产品。所以这种设计方法可以大 大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用c a d 系统开 l 绪论 发方面都具有较大的应用价值。目前，参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几 何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三 维实体或曲面模型。 1 2 模块化设计技术 1 2 1 模块化设计技术的基本概念 模块化设计是近年来发达国家普遍采用的一种先进快速的设计方法。从5 0 年代 一些发达国家提出这一设计方法以来，它已扩展到许多行业，并与参数化设计技术， c a d 技术，成组技术，柔性加工技术等先进的技术紧密联系到一起，发挥了重要的 作用。 模块化产品设计方法的原理是，在对一定范围内的不同功能或相同功能、不同性 能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模 块的选择和组合构成不同的顾客定制的产品，以满足市场的不同需求。这是相似性原 理在产品功能和结构上的应用，是一种实现标准化与多样化的有机结合及多品种、小 批量与效率的有效统一的标准化方法。 模块化设计是绿色设计方法之一，它已经从理念转变为较成熟的设计方法。将绿 色设计思想与模块化设计方法结合起来，可以同时满足产品的功能属性和环境属性， 一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场 变化；另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品 废弃后的拆卸、回收和处理。由于运用此种设计方法不需要设计新的结构要素，省去 了具体设计的过程，只是对已有产品的组合，能达到快速设计的目的，所以模块化设 计属于快速设计的一种方法。 1 2 2 模块化设计技术的优点 ( 一) 对企业产品研发的贡献 由于模块化推进了创新的速度，使得企业领导者对竞争者的举动做出的反应时间 大大缩短。作为一条规则，管理者不得不更加适应产品设计上的各种发展，仅仅了解 直接竞争厂商的竞争战略是远远不够的，这个产品的其他模块的创新及行业内部易变 的联盟都有可能招致激烈的竞争。模块是产品知识的载体，模块的重用就是设计知识 的重用，大量利用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提 高产品的可靠性和设计质量。模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专 业化和深入，可以不断通过升级自身性能来提高产品的整体性能和可靠性，而不会影 响到产品其他模块。模块功能的独立性和接口的一致性，使各个模块可以相对独立地 设计和发展，可以进行并行设计、开发和并行试验、验证。模块的不同组合能满足用 户的多样性需求，易于产品的配置和变型设计，同时又能保证这种配置变型可以满足 企业批量化生产的需求。 天津科技人学硕一i ：学位论文 ( 二) 对企业工作效率和成本控制的贡献 设计和零部件的重用可以大大缩短设计周期；并行的产品开发和测试可以大大缩 短设计周期；利用已有成熟模块可大大缩短采购周期、物流周期和生产制造周期，从 而加快产品上市时间；如果划分模块时考虑到企业售后服务的特定需求，同样可以缩 短服务周期和耗费资源时间。模块和知识的重用可以大大降低设计成本；采用成熟的 经过验证的模块，可以提高采购批量，降低采购和物流成本；采用成熟的经过生产验 证的模块，可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易 生产制造，可以降低生产制造成本；产品平台中及平台之问存在大量的互换模块，可 以降低售后服务成本。 ( 三) 对企业组织的贡献 模块化有利于企业研发团队分工，规范不同团队间的信息接口，进行更为深入的 专业化研究和不同模块系统的并行开发；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织 结构与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基，工艺、财务、采购和 售后服务可以在产品研发早期就介入产品研发项目；标准规范的模块接口有利于形成 产品的供应商规范，有利于产业分工的细化。 1 3 课题的来源研究的目的和主要内容 本课题来源于天津市重点科技攻关项目( 0 6 y f g z g x o l o o o ) ：智能化异形玻璃器皿 开模压机的研制。 玻璃器皿产品市场需求的特点为：多品种，中小批量，面向订单，产品非标及变 型较多，客户定制要求变化较大。原有的玻璃器皿压机设计方法主要是沿用以f j i 的二 维计算机绘图的思想，由于设计者并没有真j 下建立起三维的形象，对复杂的空间问题 只能靠断面图，一旦经验不足，考虑不周，空间干涉就再所难免；由多人合作共同设 计机械的不同部分时，设计人员必须经常协调以保证产品的可装配性，但仍时常出现 一些重要因素被忽略的情况；当对个别零件进行修改后，则必须逐个修改与之相关的 零件；由零件图绘制装配图或由装配图绘制零件图时都很繁琐：许多工作属重复劳动， 浪费很多时间，特别是如电机、电磁离合器等复杂外购件的绘制；不能充分利用现有 资料，稍有变化就必须重新绘制。 综上，以前的设计方法无论对旧产品的改进还是对新产品的开发，都是从无到有 重新设计的过程，设计重用性极低，设计成本高，设计周期长，效率低下，这些都迫 切需要一场革新来改变这种形势。通过把参数化设计技术与模块化设计技术相结合的 方式应用到玻璃器皿压制机子机构的设计当中，开发出了一套基于p r o e 的快速设计 系统，流程如图1 2 ，其内容包括以下几个方面： 1 ) 整体式开关模机构的结构设计。 2 ) 铰链式两开模机构的模块化的规划。 3 ) 整体式开关模机构与铰链式两开模机构参数化模型库的建立。 4 ) 参数化快速设计系统的实现。 i 绪论 5 ) 运用v c + + 60 、数据库m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 和p r o e 来完成玻璃器皿压机总 体界面的建立和铰链式三开模机构的快速设计。 6 ) 铰链式两开模机构的有限元分析。 一一一一一一一一一一一一一一一一 图1 - 2 ：课题流程 f i g1 - 2p r o c e s si s s u e s 1 4 本章小结 本章介绍了快速设计技术中两种重要的设计技术参数化设计技术和模块化 设计技术，最后介绍了论文课题的来源，研究的目的和主要内容。 一|l i ll l l l卜l l 一 一 c a d c a e 天津科技人学硕f ：学位论文 2 整体式开关模机构与铰链式两开模机构的设计 玻璃器皿以其晶莹剔透、美观实用的特点深受人们的青睐，调查表明：玻璃器皿 盛放食物是最安全、最时尚的。餐饮用器皿、厨房用器皿、室内装饰、艺术摆件等都 有很大的市场。玻璃器皿是直接面对消费市场，它是同用玻璃行业今后发展的增长点 之一。在发达国家，玻璃制品的人均消费量每年为5 0 - - - 6 0 千克，而我国人均每年不 足5 千克。 现在国内玻璃器皿生产企业的情况为：企业个体实力不强，企业规模小且无规模 效益，大多数企业技术装备水平低，生产效率低，产品质量差，档次低，与国外相比， 总体水平相差近二十年。达到国际先进水平的装备仅占5 左右，尚有4 0 的生产设备 属国内一般和落后水平；生产工序自动化的企业仅占1 3 ，将计算机技术应用于生产 控制、管理、设计等领域，实现生产工序自动化的企业则更少；玻璃机械自主开发能 力弱，整机性能差，尤其是机电一体化水平低于国际水平，制约了行业水平的提高。 种种原因导致企业经济效益差，积累少，自我更新改造能力薄弱，只能在低水平的圈 子罩重复生产。 玻璃器皿压制机是玻璃器皿压制成形的主要设备，其作用是对熔融的玻璃料液施 加冲压力使其在模具中成形。该设备目i j i 主要用于生产杯、盘、烟缸、碟等同用品以 及建筑砖、壳、罩等工业制品。 玻璃器皿压制机的规格很多：按冲压系统的不同可分为气动和液压两种；按冲压 数有单冲和双冲之分；按模具形式可分为整体模、两开模、铰链开、荷花开等；此外 还有多种工位可供选择，常见的有6 、8 、1 2 、1 6 等工位数。 图2 1 【3 3 】所示为一台典型玻璃器皿压机的结构见图。它包括顶杯机构、传动机构、 取杯机构、冷风机构、冲压系统、导料系统、承托机构等。 玻璃器皿压制机的工作过程为：电动机的动力经蜗轮蜗杆减速器传递给槽轮机 构，驱动工作台3 ( 大盘) 做间歇运动。工作台3 停歇时，冲压系统7 ( 气动或液压) 将模 具中熔融的玻璃料液( 由导料系统8 导入) 压制成形。 压制过程中，承托装置l o 支撑工作台3 以保证其刚度；冷风系统6 提供低压冷 风，用于冷却制品和模具；制品到达取杯工位时，顶杯装置1 将制品顶起，取杯装置 5 将制品取出并送到下一工序。 顶杯装置l 、开模的动作由气缸完成：取杯装置5 一般为气动机械手或真空吸头。 所有部件的协同动作由控制系统和定时器控制。系统可根据压制不同产品的工艺要 求，调整各工作装置的工作次序和时间。 2 整体式开关模机构与铰链式两开模机构的设计 图2 1 玻璃器皿压机结构 f i g 2 1t h ef r a m eo ft h eg l a s s w a r em a c h i n e 1 一顶杯装置2 一传动系统3 一大盘4 一开关模装置5 一钳杯机械手6 一冷风系统7 一冲 压装置8 一导料系统9 一夹模装置1 0 一承托装置11 一底座 玻璃器皿的形状与尺寸大小是在模具与开关模机构的共同作用下形成的，模具决 定了玻璃器皿的具体结构与尺寸，进而决定了开关模机构的结构，由于模具的外形尺 寸是固定的，所以开关模机构成为了整个玻璃器皿压制机中关键而复杂的组成部分。 现有的开关模种类如图2 2 ： 图2 2 开关模机构种类 f i g 2 2t h ek i n do fo p e n - c l o s em o u l dm e c h a n i s m 使用整体模可以生产出简单的玻璃器皿，例如常见的圆柱形玻璃水杯；而对于形 状稍微复杂的玻璃器皿制品，则必须打开模具才能将已压制成型的制品从模具中取 天津科技大学硕士学位论文 出，这种模具就成为剖分模，目前国内使用的剖分模全部为两开模，即玻璃器皿成型 模具由两部分组成，压制成型时关闭，然后取制件时则打开。相对整体模而言，两开 模压机可以压制结构稍复杂( 有柄或杯体有凸凹) 的玻璃器皿( 如啤酒杯、冰淇淋杯 等。对于结构更为复杂的玻璃器皿则必须用三开模或者荷花开式的开关模机构才能完 成开模动作。 2 1 整体式开关模机构的设计 如图2 3 所示为单冲式压机整体模机构的示意图，冲头l 与盖板2 安装在冲压系 统之上，冲头是成型玻璃器皿的型芯部分，盖板，模底与模具是成型玻璃器皿的型腔 部分，模具固定在模座上，模座则固定在大盘上。工作过程中，先在模具中由导料机 构滴入熔融的玻璃溶液，当模具由大盘带动到冲压工位时，冲压系统带动冲头与盖板 向下倒盖板底部与模具上部相接触，自此完成冲压动作，其中盖板起到成型与防止玻 璃溶液溢出的双重作用，到模具冷却到一定程度后，由模底下部的顶杯装置将玻璃器 皿顶起，接着由机械手装置将玻璃器皿取出放到下一加工工序。 图2 3 单冲式压机整体模结构 f i g 2 - 3s i n g l e i m p u l s e - t y p ep r e s s e st h eo v e r a l lm o d u l es t r u c t u r e l - 冲头2 盖板3 模具4 模底5 模座6 大盘 2 整体式开关模机构与铰链式两开模机构的设计 当把模座安装到玻璃器皿压制机大盘的工位孔时，由于加工误差等原因，会造成 玻璃器皿压制机冲头上的凸模与开关模机构中的模具凹模中心线发生偏差，从而导致 生产出来的玻璃器皿产品走形、变形等不合格现象的发生。为了避免如上述情况，双 冲式压机整体模结构的模座设计成了一个可以用来调节对齐压机冲头的凸模和开关 模中的凹模中心线的微调装置，如图2 4 所示， 整体模主要成型形状比较简单的玻璃器皿，如图2 5 所示，这种机构的特点是结 构简单，无需打丌模具，不需夹模机构，生产率高，适合大批量生产，但无法生产更 为结构复杂的玻璃器皿产品。 ( a )( b ) 图2 _ 4 双冲式压机整体模结构 f i g 2 _ 4d o u b l e i m p u l s e t y p ep r e s s e st h eo v e r a l lm o d u l es t r u c t u r e ( a ) 图2 - 5 简单玻璃器皿 f i g 2 - 5s i m p l eg l a s s 季 专 f 违 天津科技大学硕：i ：学位论文 2 2 铰链式两开模机构的设计与研究 2 2 1 铰链式两开模机构的设计 对于如图2 - 6 所示的带把手的玻璃杯，采用整体模可以压制成型，但是无法把杯 子取出，因为把手部分会受到模具型腔部分的阻碍，这时必须把模具剖分开，剖分后 的模具部分由可以实现打开与闭合的机构装置带动，以实现取出杯子的目的。 l ， 图2 6 带把手的玻璃器皿 f i g 2 6t h eg l a s s w a r ew i t hh a n d l e 1 铰链式两开模机构机械原理的确定 模具的模套，分为左右两半模，由模套后栓连接着，为了实现左右两半模的张开 与闭合，我们采用了机械结构中最常见的曲柄滑块机构，如图2 7 所示， 图2 - 7 曲柄滑块机构 f i g 2 - 7s l i d e r - c r a n km e c h a n i s m 曲柄滑块机构由最基本的连杆机构演化而来，连杆机构是一种应用十分广泛的机 构，它不仅在众多工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星太阳能 板的展开机构，机械手的传动机构，折叠伞的收放机构以及人体假肢等等，也都用到 连杆机构。以往的机构设计中，曲柄一般为原动件，滑块为从动件，但是要实现左右 半模的张开与闭合，必须使滑块为原动件来驱动左右半模实现相应的动作；我们采用 气缸推动的方式来实现半模的张开，采用凸轮来实现半模的闭合，这样可以保证迅速 2 整体式开关模机构与铰链式两开模机构的设计 打开模具，并且在冲压玻璃器皿时，模具关闭可靠，产生合模线的可能性较小，保证 了产品的外观质量，这一阶段设计后的结构如图2 8 ： 块 图2 8 曲柄滑块机构的厩刖 f i g 2 - 8t h ea p p l i c a t i o no fs l i d e r - c r a n km e c h a n i s m 2 开模动作机构的设计 在众多可以实现直线往复动作的机构中，气缸有着自身独特的优点： 设计制造成本低廉，使用和维护简便； 气缸动作速度反应快，可实现短时间内需求的动作要求； 气缸本身工作压力低，输出压力小，j 下符合丌模时所需的压力； 便于同玻璃器皿压制机的其他机构协调，由于玻璃器皿压制机的其他部分如取杯 机械手，顶出机构和冲压机构都是采用气缸驱动，采用气缸便于集中供气。 3 合模动作机构的设计 在各种机械中，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸 轮机构。凸轮机构一般是由凸轮，从动件和机架三个构件组成的高副机构。凸轮通常 作连续等速转动，从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动凸轮机构能实 现复杂的运动要求，广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中。 凸轮机构的最大优点是：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到 各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。在合模动作过程中，只需要保证使推杆的 行程达到模套闭合的要求即可。 凸轮按形状可分为： 1 ) 盘形凸轮：如图2 - 9 ( a ) 所示，这种凸轮是一个具有变化向径的盘形构件饶固定轴 线回转。图2 - 9 ( b ) 所示的凸轮，可看作是转轴在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它可 天津科技大学硕：l ：学位论文 作往复直线移动，故称其为移动凸轮。盘形凸轮可作往复直线运动，结构比较简单， 应用也最广泛，但其推杆的行程不能太大，否则将使凸轮的尺寸过大。 2 ) 圆柱凸轮：如图2 - 9 ( c ) p 7 i ：示，这种凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在 圆柱端面上作出曲线轮廓的构建。由于凸轮与推杆的运动不在同一平面内，所以是一 种空间凸轮机构。 副 ( a ) ( b ) 图2 - 9 凸轮种类 f i g 2 9t h ek i n do fc a m 由于滑块需要做往复直线运动，所以我们采用盘形凸轮， 推杆按形状可以分为： r 譬 ( c ) 如图2 一1 0 所示。 图2 - 1 0 盘形凸轮 f i g 2 - 1 0d i s cc 啪 2 整体式开关模机构与铰链式两开模机构的设计 1 ) 尖顶推杆：如图2 1 l ( a ) 所示，这种推杆的构造最简单，但易磨损，所以只适用 于作用力不大和速度较低的场合，如用于仪表等机构中。 2 ) 滚子推杆：如图2 1 l ( b ) 所示，这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦， 所以磨损较小，故可用来传递较大的动力因而应用较广。 3 ) 平底推杆：如图2 1 l ( c ) 所示，这种推杆的优点是凸轮与平底的接触面间易形成 油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中。 、 ( a )( b )( c ) 图2 11 凸轮推杆种类 f i g 2 - 11t h ek i n do fc a mp u r e r 综上，由于合模所需要的力和大盘的转速均处于中等水平，故采用应用较广的 滚子推杆，这样可以减少摩擦，增加使用寿命。 凸轮机构的一个重要设计要点为确保闭模时间。闭模时间是由压机工位数及其工 艺参数确定，进而决定凸轮远休角。凸轮加速和减速运动规律取决于压机精度和工作 平稳性的要求。凸轮近休角也会影响到玻璃器皿冷却的质量和生产率。如果近休角过 于小，玻璃器皿冷却时间不过，取出时很可能会变形；如果近休角过于大，那么玻璃 器皿的生产率会有所下降。 经过详细的设计后铰链式两丌模机构的初步二维装配图如图2 1 2 所示 天津科技人学硕i ：学位论文 图2 1 2 铰链式两开模机构装配图 f i g 2 - 12 t h ea s s e m b l yo ft h eh i n g e dt y p ed o u b l e o p e n i n gm o u l dm e c h a n i s m 1 右上盖2 上盖顶丝杠3 左上盖4 一气缸盖5 - 气缸6 凸块7 气缸活塞8 导杆9 开关模 拨片l o 开关模拨杆l1 拨片连接螺栓1 2 模套后栓1 3 模套销子1 4 模套1 5 连接杆 1 6 模座1 7 模底1 8 连接板1 9 大连扳2 0 开模槽盘支柱2 1 开模槽盘 2 2 小连杆2 3 连杆销子 2 整体式开关模机构与铰链式两开模机构的设计 2 2 2 铰链式两开模机构的运动原理分析 如图2 1 3 所示为铰链式两开模机构的运动原理简图，该机构由凸轮l 、开模槽盘 2 、滚子3 、推杆4 、小连杆5 、模套6 、模套底座7 等构件组成。开模槽盘2 上等分 度开有1 2 个槽，对应着开模压机的1 2 个工位位置，每个工位上装有由构件3 、4 、5 、 6 、7 组成的连杆模套组件，图示的状态为机构闭模时的状态。 图2 1 3 铰链式两开模机构运动原理图 f i g 2 - 13t h em o v e m e n tp r i n c i p l eo ft h eh i n g e dt y p ed o u b l e - o p e n i n gm o u l dm e c h a n i s m 1 凸轮2 开模槽盘3 滚子4 推杆5 小连杆6 一模套7 。羹套底座 从图中可以看出，此机构为曲柄滑块机构与凸轮机构的组合，其组合的纽带为推 杆4 。其中构件2 和构件4 构成移动副，构件4 和构件5 构成转动副，构件5 和构件 6 在c 点也构成转动副。模套底座7 固定在大转盘上，丌模槽盘与大转盘式刚性联接， 凸轮l 固定不动。开模槽盘与大转盘一起在槽轮机构的带动下做间歇转动，每转一下 行走3 0 。的角，运行到下一工位。此外，推杆4 一头通过滚子3 与凸轮接触，推杆4 和丌模槽盘2 一起转动的同时，凸轮轮廓驱使推杆4 沿着丌模槽盘的槽作径向移动， 它的移动又由小连杆5 传到模套6 ，带动模套6 在模套底座7 上做闭模运动。 如图2 一1 3 所示，开模槽盘2 做逆时针转动，从全关到风微开工位，凸轮半径不变， 因此模套6 一直是关闭状态，从风微开工位到全开工位，凸轮半径开始慢慢减小，在 d , g b 凸轮块的作用下( 图中未画) ，到气缸开工位时凸轮半径最小，由气缸上的活塞 杆带动推杆完成开模动作。从气缸开工位到全关工位，凸轮半径渐渐增大，凸轮轮廓 驱使推杆4 伸出，使模套逐渐关闭。 天津科技人学硕1 ：学位论文 2 2 3 铰链式两开模机构的受力分析 铰链式两开模机构加工出的玻璃器皿常在两开模模具结合处出现两条外凸棱，使 产品外形不美观，达不到顾客的要求，下面从机构受力分析入手，分析对玻璃器皿凸 棱出现的影响。分析假设前提是模套制造、配合精度均符合设计要求。 根据图2 1 3 拆开杆件做受力分析，其中重力和运动副中的摩擦力忽略不计。构件 5 为二力杆件。 6 r 刘 ( a )( b ) 图2 1 4 两开模机构受力分析 f i g 2 14t h ef o r c ea n a l y s i so fd o u b l e - o p e n i n gm o u l dm e c h a n i s m 由图列出力平衡方程式： 片+ r 7 6 i = 另+ 氏s i n c r 恐6c o s 口= r 7 6 2 只( d + 2 r ) + r 5 6 l = p 2 r 式中：p i 为模具夹紧力，p 2 为冲压力 由式2 1 得： r 5 6 = t i 【p ! r p i ( d + 2 ，) 】 代入式2 1 得 马。= 罡一片+ s m ，a 。 p ：, ，一日( d + 2 ，) 】 由两开模机构尺寸关系可得关系式 c s i n ( 三刊= 孚咖s c r - s i n a ) 代入式2 - 5 得：= 昱唧等彘【肛删圳 r 7 6 2 j 式( 2 i ) 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 式( 2 4 ) 式( 2 5 ) 2 整体式开关模机构与铰链式两开模机构的设计 即 州+ 巫兰肾，+ 咝善 日 rc o s 口一s l n 口 i r c o s 口一s l n 口l 上式中d 、r 、l 在依据不同玻璃器皿设计的模套大小确定后均为定值。冲力只根 据玻璃器皿冲压加工成型要求，取值应有一定的范围。 综上可得出以下结论： ( 1 ) r ，。的大小和央紧力片有关。为避免玻璃器皿外凸棱的出现，在d 点处应 增大夹紧力眉，但随鼻增大，尺，。减小，意味着在e 处左右两半模套的结合力减小，在 此处出现凸棱的可能性增大，所以不能一味增大央紧力，否则会使两半模另一侧的结 合力减小。 ( 2 ) 由r ，。i 0 ，得p l 熹p 2 ，所以d 点处央紧力最大值不应超过去p 2 。 z 厂+ 口2 r + d ( 3 ) r ，。的大小跟角度口有关。 2 2 4 凸轮行程的设计计算 凸轮的行程由推杆所要移动的距离所决定，将图2 1 3 简化成摇杆滑块机构( 见图 2 1 5 ) ，原动件为滑块3 ，从动件为摇杆l ，图中虚线为合模位置，实线为丌模位置， 以玻璃器皿所需要的半模转角一般为2 4 。为例。 图2 1 5 机构简图 f i g 2 - 15t h em e c h a n i s ms i m p l i f i e dd i a g r a m 为了求出滑块3 上c 点的位移和摇杆l 上的转角的函数关系式，首先建立个 直角坐标系x 心y ，原点o 为a 点，则摇杆上b 点及滑块上c 点的坐标为： 2 r c 0 s q y b = r s i n q ； 式( 2 6 ) y c2 e 由于b 、c 两点受到连杆定长的约束，因此存在以下关系式， 式( 2 - 7 ) 天津科技火学硕一l ：学位论文 ( 一) 2 + ( j ，口一y c ) 2 = ，2 由2 - 6 、2 - 7 式代入2 8 式并整理，得滑块的位移方程为 s c 2 + 2 r c o s o i s c + ( ，| 2 + p 2 - 1 2 - 2 r 守s i n 0 1 ) = 0 去除不合理的根，解得 s c = 一r c o s 8 i + ，2 一( r s i n o i e ) 2 由初始结构的设计确定各个参数： r = 1 2 5 m m1 = 2 1 3 m me = 1 0 5 m m 利用m a t l a b 计算得出与秒关系变化图如下。 式( 2 8 ) 式( 2 9 ) 图2 - 1 6s r 与0 关系曲线图 f i g 2 1 6t h ec u r v eo fs ca n d0 由上图及m a t l a b 中计算结果，可知初始位置s c 0 = 1 6 7 8 7 8 m m ，s c l = 1 2 3 9 5 4 m m 。 则此过程中滑块位移为1 6 7 8 7 8 1 2 3 9 5 4 = 4 3 9 2 4 m m 。 则凸轮的行程必须大于4 3 9 2 4 m m ，对于不同的压机型号，计算方法相同。 2 3 本章小结 本章介绍了首先介绍了开关模机构的种类，介绍了整体式开关模机构和铰链式两 开模机构的具体的设计过程，然后对铰链式两开模机构进行了力与运动参数等方面的 计算。 3 整体式与铰链式两开模机构快速设计的实现 3 铰链式两开模机构快速设计的实现 快速设计技术【1 】与方法以现代设计理论为基础，融合并行设计、模块化设计、基 于知识的智能化设计技术与方法，集成各种先进设计工具( 如c a d 等) 、计算机技 术、网络、仿真技术、产品数据建模及数据管理和分享技术等，构建特定产品的设计 系统，加快产品设计进度，提高设计质量，快速响应市场需求。 进行产品设训2 7 】要在先进设计理论和方法( 如模块化设计方法、参数化、变量化 设计方法等) 的指导下，充分利用各种先进设计工具和软硬件资源( 计算机、网络、 设计经验、设计知识等) ，系统化、高效地进行产品设计开发。因此，实施机械产品 快速设计是一项系统化工程。 机械产品快速设计基本技术和方法包捌2 4 】模块化设计技术，参数化设计技术，智 能化设计技术和各种先进设计工具，如图3 1 所示。模块化设计技术是实施快速设计 构建机械产品快速设计系统的核心和基础技术，包括模块化产品族规划、模块化产品 数据建模和管理、模块化产品方案设计、方案评价技术等；智能化设计技术是提高产 品设计速度和质量的重要手段，主要任务包括产品设计经验和知识的采集、整理、表 达、建模以及基于知识的推理求解技术等；各种先进的设计工具是快速设计的重要工 具。 机械产品快速设计技术uh删 可h 先掌粪计吲模块化设计 智能化设 计技术 知识 采集与管理 基于知识的设 计推理 模块化产品族规划ll 模装釜嘉器模 i 馘嚣旅ii 鼢嚣鸺 图3 1 机械产品快速设计技术的构成 f i g 3 1t h ec o n s t i t u t eo fm e c h a n i c a lp r o d u c tr a p i dd e s i g nt e c h n i q u e s 将计算机技术和智能化技术引入机械产品快速设计系统，构建机械产品的专家系 统：采用先进设计工具平台，建立产品数字化三维实体模型、进行产品装配、运动仿 真，实现数字化的产品设计。 经过分析玻璃器皿压制机中【2 8 】本身的设计特点，结合平常所见的典型的快速设计 方法，我们在铰链式两开模结构的快速设计中综合运用了模块化设计技术、参数化设 天津科技人学硕1 ：学位论文 计技术、自项向下设计技术、计算机辅助设计技术( c a d ) ，并以p r o e n g i n e e r 为整个 设计的平台，实现了铰链式两开模机构的快速设计。其思路框图如下： 图3 2 快速设计技术的思路 f i g 3 2t h ei d e a so f r a p i dd e s i g nt e c h n o l o g y 由于整体式开关模机构比较简单，所以不对进行模块化设计，只对其进行参数化 设计，下面来具体说明各个设计技术在整个铰链式两开模机构快速设计中的实现过 程。 3 1 铰链式两开模机构的模块化技术 3 1 1 模块化设计原理概述 产品模块化设计是将模块化思想引入到产品设计中，针对一定范围内的不同功 能，或相同功能条件下不同性能、不同规格的产品需求，按模块化的要求设计一系列 功能模块，并建立结构模块体系，通过模块的选择和组合，以构成不同产品、形成产 品系列的全过程。模块化设计是目前常采用的产品设计方法，它是实现产品系列化、 多样化和大批量定制的基础。从上世纪5 0 年代欧美一些国家提出这一设计方法，现已 应用到许多行业，并与c a d 技术，成组加工技术，柔性加工技术等联系起来，应用于产品 的设计与制造中，特别是在系列化产品中应用广泛。其优点如下： ( 1 ) 便于产品的更新换代并发展变型产品模块化设计需经常研究，可根据技 术的发展，用新技术设计性能好的模块取代旧的模块，也可根据用户要求设计新模块。 组合出新功能的产品。 ( 2 ) 缩短设计和供货的时间采用模块化设计，一次设计可满足多种要求，得出 一批不同品种的产品，根据用户的需求，只需更换部分模块就可生产出产品来。 ( 3 ) 提高质量降低成本产品模块化，同一模块可以用于多种产品，有利于组织 专业化生产。 3 整体式与铰链式两开模机构快速设计的实现 ( 4 ) 维修方便若设备发生故障，只需更换有关模块，对生产影响不大。 3 1 2 模块化设计在玻璃器皿压制机中的设计实现 根据现有玻璃器皿压制机的结构形式和模块化要求【3 7 1 【3 8 】【3 9 1 ，模块划分原则可总 结如下：以独立的功能单元作为模块，即对于已分解的功能单元在结构上尽可能做到 相对独立，这样的模块易于拼组和搭配，便于构成多种变形产品；以各子机构作为模 块，这样的模块具有完整性，容易保证装配质量；功能分解细化后，还可进一步将各