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合肥 精密 液压 伺服 系统 设计 CAD

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合肥,某精密压机液压伺服送料系统的设计(带CAD图）,合肥,精密,液压,伺服,系统,设计,CAD

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针对存在的问题，现提出了三种不同的解决方案：(1)利用位移气缸和光电传感器的组合进行粉末填充。位移信号通过光电传感器采集后，传递给控制器，控制器发出信号控制位移气缸的电磁阀阀口开闭量，从而控制气缸的位移和速度。光电传感器是靠接受反射光来传递信号的，其灵敏度随着距离而改变，并且受工作环境和机器震动的影响比较大，这可能造成系统工作异常。 (2)利用滚珠丝杠连接伺服电机和料靴进行粉末的填充。伺服电机的驱动信号来自主传动系统的旋转编码器。旋转编码器每转一周都会累积一定的误差，长期工作后累积的误差会很大，伺服电机的准确度会大大降低，这时就需要对误差进行校正，大大降低了生产效率。 (3)利用与主轴相连的送料凸轮带动双向气缸的导杆产生稳定的位移信号，经过中间变换环节传递给电液伺服阀，电液伺服阀控制送料缸阀口的大小控制其位移和速度，从而稳定、快速、准确的控制料靴进行粉末的填充。 可见，方案三是最符合课题要求的，因此本文围绕方案三展开研究与设计工作。该方案的按总体工作流程如上图所示： 送料系统工作流程可简述为：（1）装粉的粉斗放置在送料系统上方，在其下部安装粉末感应器，当粉末不足时，会发出警告示意；（2）通过同步链轮连接主传动系统的曲轴和送料凸轮，以实现同步转动；（3）在双向气缸的后部活塞杆上装滚子，保证其与送料凸轮外轮廓始终接触，以保证位移传感器持续采集位移信号；（4）控制指令传给电液伺服阀来控制其阀口开闭程度，从而控制传递给送料缸流量的大小，实现对送料缸位移与速度的控制。（5）送料缸和料靴之间通过振动缸相连，通过振动液压回路带动料靴振动，使粉末充填均匀。（6）料靴通过压紧缸和拉杆被压紧在送料面板上，防止粉末外溅。 某精密压机液压伺服送料系统的设计摘 要近年来，随着粉末成型技术的快速发展，成型坯件的种类越来越多，传统的机械式送料系统，己不能满足高性能粉末成型机对送料时间和粉末用量的控制要求。为了满足复杂坯件的成型要求，本文釆用液压伺服控制送料系统代替机械式送料系统，得到了一套新型送料系统的设计方案，对粉末成型机的发展有着重要意义。针对存在的问题，现提出了三种不同的解决方案：(1)利用位移气缸和光电传感器的组合进行粉末填充。(2)利用滚珠丝杠连接伺服电机和料靴进行粉末的填充。(3)利用与主轴相连的送料凸轮带动双向气缸的导杆产生稳定的位移信号，经过中间变换环节传递给电液伺服阀，电液伺服阀控制送料缸阀口的大小控制其位移和速度，从而稳定、快速、准确的控制料靴进行粉末的填充。 最后确定方案三是最符合课题要求的，因此本文围绕方案三展开研究与设计工作。关键词：粉末成型；送料；液压伺服；气缸40AbstractIn recent years, with the rapid development of technology for powder molding, the kind of the press with more traditional mechanical feeding system has not meet the high performance requirements of the powder molding machine to control the time and powder feed amount. In order to meet the requirements of complex molding of the blank herein preclude the use of hydraulic servo control system in place of mechanical feed system feeding, to give a new design of a feeding system, the development of powder molding machine of great significance. Existing problems, it is proposed three different solutions: (1) a combination of using the displacement cylinder and the powder filling the photosensor. (2) filling the powder using a ball screw and a servo motor connected to feed shoe. A cam connected to the feed (3) and the spindle drive using bidirectional guide rod cylinder produce stable displacement signal is transmitted to the hydraulic servo valve through an intermediate conversion part, the size of the electro-hydraulic servo valve controlled the feed cylinder port and displacement control speed, whereby stable, fast, accurate control of the powder material filling shoe.The third is to finalize the program that best meet the requirements of the subject, so this program three around a study and design work.Keywords: powder molding; feeding; hydraulic servo; cylinder目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 粉末成型机概述11.2 粉末压制成型技术21.2.1 粉末压制成型技术简介21.2.2 粉末压制成型原理41.3 粉末成型机送料系统的现状与发展趋势71.3.1 送料系统的研究现状71.3.2 送料系统的发展趋势91.4 本课题的来源、研究内容及意义101.4.1 课题来源101.4.2 课题研究的意义10第2章 送料系统的设计122.1 原有送料系统问题分析122.2 送料系统方案设计122.2.1 主要问题分析122.2.2送料系统方案设计132.3 送料系统关键零部件的结构设计162.3.1到送料凸轮的结构设计162.3.2 送料摆杆的结构设计172.3.3 送粉器拉杆和压板的结构设计172.4本章小结19第3章 送料凸轮-摆杆机构的建模203.1 基于平台的送料系统设计流程203.1.1理论设计203.1.2送料系统的初步设计203.1.3送料系统的装配设计203.1.4送料系统的优化设计203.2 零件实体模型的建立213.3 送料系统的装配224 液压系统的设计与计算234.1液压伺服系统关键技术234.1.1液压伺服系统的工作原理234.1.2 液压伺服闽数学模型的建立与选型244.1.3 液压缸数学模型的建立与选型254.2 液压系统的设计与计算254.2.1 液压缸主要参数的计算264.2.2 伺服液压回路的设计计算27第5章 液压传动系统的设计计算295.1 确定液压系统的主要参数295.1.1载荷的组成与计算295.1.2初选系统压力315.1.3计算液压缸的主要结构尺寸315.1.4确定液压泵的参数335.2 管道尺寸的确定355.3 油箱容量的确定365.4 本章小结36总 结37致 谢38参考文献39第1章 绪论本课题在原有的送料系统之上研究出一种利用液压伺服控制的新型新型系统，具有很好的稳定性与灵活性，能提升生产质量与效率。1.1 粉末成型机概述随着现代工业技术的迅速发展，在汽车工业、航空工业、交通运输、家电等行业，传统的机械制造技术已经不能满足加工特殊零件的需求，然而粉末成型机的出现弥补了传统机械制造技术的缺陷。在粉末成型研究领域，粉末成型机能够压制精度高、形状复杂的不规则零件，并且节约原料、单件能耗少，提高了特种加工零件的加工质量和加工效率，幵辟了研究产品成型的新途径。相对于其它的机械加工方法，粉末成型加工适合生产同一形状而数量较多的产品，特别是像加工传动齿轮、链轮、自润滑轴承等费用较高的产品，能大大降低生产成本。并且，不需要随后的机械加工，即可压制成最终尺寸的还件，省去了繁琐的机械加工工序。基于粉末成型技术的诸多优点，粉末成型机随着工业技术的不断发展，将会越来越广泛地应用于制造业。粉末成型机的前身是锻压行业的曲柄压力机，国外对粉末成型机的开发研究起步比较早，而我国较大规模地将粉末成型机应用于粉末成型行业，仅有三十多年的历史。起初，从德国引进的TPA型粉末成型机（如图1.1），主要应用在软磁铁氧体和硬质合金行业，其压制力并不大。在上世纪九十年代，随着一批台湾和日本的粉末冶金构件工厂的进入，我国粉末成型的应用技术得以迅速发展。这期间，国内粉末成型机的类型以曰本玉川、蒲和及台湾月村、良塚为主（如图1.2）。 图1.1 TPA型压机 图1.2 台湾良塚PC-160MH型压机1.2 粉末压制成型技术1.2.1 粉末压制成型技术简介在粉末冶金领域，粉末压制成型是一种比较传统的粉末成型工艺过程。最基本的粉末压制过程是：在凹模腔内装满粉末，并将四模与下冲模同时固定；上冲模进入凹模腔并向下将粉末压实；凹模下拉（或下冲模上顶）将还件从凹模腔内脱出。由于粉末成型还件的形状越来越复杂，以及还件的压实度越来越高，对成型还件的尺寸精度、体密度均勻性、质量一致性和生产效率有了新的要求。然而，影响粉末压制成型的因素有很多，如：粉末的流动性、粉末成型机工作时的可靠性、模架和模具的结构特点以及调模精度等，都可能对还件的成型产生影响。另外，还件的结构形式、粉末的制造过程、成型工艺、压机制造技术和模具制造技术等，也会在还件成型过程中起到关键性的作用。同时，影响充填不稳定性的因素有：粉末颗粒度的分布与组成、混合料的均匀性、重密度成分的偏析、充填方式、充填速度、主机充填位置重复精度、模架浮动板的充填重复精度等。特别是复杂形状还件的充填，往往是以充填的可靠速度来决定整个压制速度，所以在对送料系统进行设计时还应考虑上述因素的影响。由此可以看出，粉末压制成型技术是一个系统的工程。本文提到的粉末成型机的压制成型过程可简述为：经料靴送至阴模的松散粉末，在上冲模的压制下，一方面粉末会沿着模腔壁向下移动，另一方面粉末也会向模腔的边缘移动；随着上冲模的下压，粉末沿竖直方向的间隙越来越小，同时粉末在内摩擦力的作用下阻碍了粉末的横向移动，促使粉末成型；上冲模继续下压使粉末颗粒相互压缩、变形，直至被挤压成微粒；再进一步的压制下，粉末被压制成具有一定强度和密度的还件。由此可见，粉末成型机的成型工步可大致分为四步，如图1.3所示。图1.3 成型工步金属粉末经过压制成型后，得到的成型还件应具有一定的强度，这样在搬运过程中还件就不容易破裂。成型后还件的强度与成型前施加在粉末上的压制力和粉末的物理性质有关。对较软的金属粉末，可以釆用较低的压力（小于35Mpa），压制出的还件就能够进行搬运；但是，对较硬的粉末，就必须釆用较高的压力才能生产出合格的还件产品。根据粉末成型理论，粉末成型可以划分为如图1.4所示的三个阶段。由于粉末粒度对送料系统完成送料的效率有着显著的影响，现对粉末粒度简述如下：粉末粒度按从大到小的顺序可分为：粗粉、细粉、微细粉、超细粉和纳米粉，其粒度范围如表1.1所示。表中，-100目表示粉末颗粒可以通过100目的网孔，+325目表示粉末颗粒用325目的蹄网蹄选时不能通过，其他粒度范围表示的意义按此理论类推。一般情况下，当粉末颗粒的直径大于100um时，粉末的流动性就比较好而如果粉末颗粒的直径小于1um，由于颗粒与颗粒间的比表面积增大，容易引起粉末团聚，所以粉末流动性就变的较差。不同的粉末颗粒，对送料系统的要求也各不相同。因此，在设计送料系统时要考虑到粉末颗粒的特性。1.2.2 粉末压制成型原理在粉末压制过程中，由于模腔壁对粉末的摩擦阻力以及粉末间的成型阻力，使得上冲模对粉末的压制力在向下传递的过程中逐渐衰减，还件的长径比（还件的长度和直径之比）越大这种衰减越严重，这会导致还件的密度成上密下松分布，严重时下部则不能成型。为了使还件的密度分布比较均匀，需使模具的下部也要对粉末加压，即双向压制。由于压还的形状越来越复杂，必须采用多层结构的模架。为此，粉末成型机多数采用“下冲模固定，阴模浮动，下拉脱模”的基本成型方式。在压制成型过程中，下冲模始终固定于粉末成型机的模架上，此时阴模处于浮动状态，所以粉末成型机的基本动作就是上冲模与阴模运动的有机结合。图1.5给出了粉末压制成型的三种基本成型方式单向压制、双向压制以及浮动四模压制。图1.5 压制成型的基本成型方式图1.6 机械式压力机基本压制曲线图1.6为主传动系统旋转一周360的过程中，上冲模与阴模的运动曲线图。由于下冲模是固定的，所以它的运动曲线在图中为一条直线，这条直线的位置代表了固定下模冲的上平面。一般机械式粉末成型机的上冲头运动由“曲柄一摆杆一滑块”机构驱动，曲线在下死点附近位置时变的很平缓，这就形成了一个准保压区间。这种压制曲线不仅有利于压制过程中粉末内气体的排出，而且还有利于粉末之间的机械咱合与变形，同时还能有效地减少回弹率。从图1.6可以看出粉末成型机压制还件的一个压制周期为：料靴进行粉末充填、上冲模压制粉末、下冲模顶出压制还件、料靴推出成型还件并加料，每一阶段完成的主要工作分别是：1.粉末充填阶段粉末成型机上的盛粉料斗通过送料管路把粉末输送至料靴，同时料靴前进至阴模腔，当料靴位于阴模腔上方时，上冲模处于上极限位置，此时料靴中的粉末有足够的时间落入阴模腔内。2.粉末压制阶段在料靴从充填位置退回的过程中，上冲模下压并进入阴模腔内，当主传动系统中的曲轴运动至下死点位置时，上冲模完成压制动作。3.还件顶出阶段压还成型后，上冲模上升，脱模机构在脱模凸轮的驱动下把模架整体下压，使模架与还件之间产生相对位移，利用产生的位移差，下冲模把还件顶出。4.料靴推出成型还件并加料阶段还件被顶出后，料靴再次前进并将成型后的还件推出，之后，脱模机构上升，模具回复至原状态，料靴重新位于阴模腔上方并再次进行充填。图1.7是利用图1.6所示的压制曲线，并采用多层模架结构压制多台阶还件的成型过程。可以看出，利用多层模架压制还件时，由于还件台阶数目较多，增加了送料系统在充填阶段的难度；同时还件每层需要的粉末量也不一致，这对送料系统送料的均勻性提出了更高的要求。所以，对复杂还件成型时，可采取负压式吸料，即浮动在粉末充填时静止不动，待阴模腔吸入足够的粉末后，浮动冲上升，将多余的粉末挤出，之后料靴退回刮去阴模板处多余的粉末。图1.7 多台阶还件的成型过程1.3 粉末成型机送料系统的现状与发展趋势1.3.1 送料系统的研究现状伴随着现代工业技术的进步与发展，在粉末成型行业，生产线中的自动化设备所要完成的动作越来越复杂。生产出的产品质量，在很大程度上取决于自动化设备中送料系统的好坏，一个好的送料系统能够在准确的时刻，定时、定量、稳定、均匀地把粉末送至正确的位置。对于料靴充填阴模腔部分，目前除了大吨位（500T以上）的粉末成型机采用了新型送料系统，其它吨位的粉末成型机基本都釆用“凸轮一摆杆机构”来驱动料靴加料。充填的种类可分为：重力式、负压吸入式、欠量、过量、振动、组合式、多次充填等。事实上，充填过程中的不稳定性是造成还件质量不稳定的主要原因。由于粉末成型在我国属于新兴的产业，粉末压制技术还不是很成熟，同时送料系统的结构形式要与粉末成型机的构造和生产节拍相吻合。所以，目前国内出现的送料系统的类型并不是很多，以下列举几种典型的送料系统并对其结构和原理进行分析。图1.8所示的为一自重式送料系统，它是靠粉末的自重以及进气管中的送粉气流造成的负压，使粉末下落的同时进入出粉管，出粉管的末端与模具进口相连。该送料系统要求粉末具有较好的流动性，同时进气管的气压要根据不同的粉末进行设定，避免粉末的外溅。通过调节送粉气压和改变漏粉孔的孔径，来控制送粉量的大小。自重式送料系统结构简单，操作方便，但送粉量的调节范围较小，工作行程也不方便调节。 图1.8 自重式送料系统示意图图1.9 为螺杆式送料系统的示意图1.9 其工作原理是依据机械力学实现粉末输送。其中，电机用来驱动螺旋杆旋转，螺旋杆的旋转会带动粉末沿着螺旋槽和粉桶的内壁向前移动，将粉末输送至混合器。混合器中的粉末受上方气流的驱使，落入指定的模具腔内。振动器的作用是使料斗中的粉末能够充满螺旋槽，同时方便进行送粉量的精确计量。由于螺旋杆的转速与系统送粉量成正比，所以通过调节带动螺旋杆旋转电机的转速，就能够有效地实现对送粉量的控制。该种送料系统能够实现均匀、稳定可靠地送粉，但如果混合粉末的比重或颗粒度不同的话，容易出现出粉口被粉末堵塞的现象。 图1.9 螺杆式送料系统示意图图1.10 为柔性送料系统，它的工作原理是基于视觉识别原理。在系统送料的过程中，粉末不断的经过传送带和送料板进入阴模，送粉量由传感器来控制。该系统省去了复杂的机械结构，易于控制送粉量，但在送粉过程中传感器受环境因素的影响较大，增加了送粉的不稳定性和不均匀度。图1.10 柔性送料系统示意图1.3.2 送料系统的发展趋势在自动化的生产过程中，既要提高成型还件的质量，又要防止成型还件与模具、模具与送料系统之间的干涉。另外，在保证生产安全的前提下，需要最大限度地提高生产效率是当前制造业面临的一个难题。随着工业化水平的不断进步，粉末冶金结构件的应用范围也随之越来越广，同时对还件质量的要求也越来越高。因此，要想保质保量地完成每一个还件的成型，一个运行可靠的送料系统是必不可少的。粉末冶金结构件成型的原则有：充填时粉末只能装填在阴模腔的上部，并且各层的装料比要基本一致；还件被压制时，保证各部分的粉末不流动或有很少的流动；每一层的压实都要有“双向压实”的效果，且最终要被同时压实。基于以上三条原则，粉末成型工艺中的送料环节必然要实现：自动排还和系统伺服控制等，才能有效地提高送料效率。1.自动排还为了进一步提高生产效率，当述件成型后要自动取出还件，以便对还件进行后续的加工处理（热加工处理和精整处理。送料系统取还和排还方式的发展方向主要有以下几种：(1)料靴将压制成型后的还件推出时，要控制料靴推还吋的速度，不能猛烈碰撞还件或把还件推出盛还容器以外；(2)还件压制完成后，在出还处使用机械夹持装置，把还件放入盛还容器；(3)在阴模板外侧安装简易的夹爪或输送带；(4)使用外部机械手或辅助卸料系统去控制还件的取放。2.系统彳服控制随着多台阶还件的出现，多台阶模架会越来越多地应用到粉末成型机，凸轮一摆杆式送料系统的充填方式已不能满足高精度充填粉末的要求。例如：在充填过程中，一般是阴模腔前部的粉末比后部的少，这主要是由于料靴在后退刮平的过程，粉末的流向朝后以及粉末在阴模腔后部停留时间要长于前面的原因造成。为了解决这个问题送料系统应在料靴后退的过程中，阴模有一个略微向下的运动使阴模腔后部的充填高度略微减少，这种办法靠现在传统的充填机构是不能实现的，需要采用伺服机构来控制料靴与阴模相互运动的微动关系。因此，送料系统在以后的发展过程中要着重解决送料不均匀和不稳定的问题，以及保证送料系统更加灵敏、方便和可靠的运行。1.4 本课题的来源、研究内容及意义1.4.1 课题来源随着我国现代化进程的推进，特别是汽车工业的发展，对粉末成型制品的要求不断提升具体表现在：对制品形状和结构的复杂性、几何尺寸的精确性及制品密度均匀性的要求越来越高；制品性能的一致性要好；生产过程的高效、环保、节能等。因此，传统的粉末成型设备与工艺己不能满足现在工业生产的要求，幵发新一代大吨位粉末成型机已成为当前制造业的必然趋势。本课题中粉末成型机的送料系统，是扬州海力精密机械有限公司与南京理工大学共同合作开发，在原有机械式送料系统的基础上设计、研究出的一种新型送料系统。该送料系统釆用了液压伺服控制技术取代纯粹的机械传动技术，有很好的灵活性和稳定性，提高了送料效率和成型还件的质量，对我国粉末成型机的发展有着重要意义。1.4.2 课题研究的意义粉末冶金技术作为一种应用比较广泛的近洁净成型技术，具有少切削加工，材料利用率高，制造过程清洁高效，生产成本低等特点，在汽车、航空航天、国防等领域得到了广泛地应用。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的比重越来越大，对粉末成型机送料系统的充填粉末的稳定性和均匀性提出了更高的要求。凸轮一摆杆机构驱动送料系统加料，在充填时存在的不稳定性对还件质量会产生很大的影响，通过改机械驱动为液压驱动，釆用液压伺服传动来控制送料系统中料靴的运动位置，可大幅提高送料系统在送料过程中的稳定性和粉末在阴模腔中分布的均匀性。这对提高粉末零件成型质量和发展我国粉末成型机技术有重要的实际意义。第2章 送料系统的设计2.1 原有送料系统问题分析如上文所述，扬州海力精密压机的原送料系统是采用传统的“凸轮-摆杆”机构来驱动料靴装料与推坏的，其送料不平稳、不均匀，；在压制不同类型的压坏时，还需调整送料的形成，以协调主传动与送料系统；而且机械结构复杂、零件数目过多容易受外部因素干扰。 2.2 送料系统方案设计 由于对粉末成型还件质量、形状和压实度等要求的提高，传统的机械式送料系统在实际送料过程中，出现了诸如送料不均匀、不稳定；送料时间不能够很好地与主传动系统的运动规律相吻合等问题。本章对出现的问题进行分析和研究，制订了一套符合大吨位粉末成型机送料要求的设计方案。2.2.1 主要问题分析在粉末成型行业，由于需要成型的粉末零件结构越来越复杂，这就需要更高的压制成型力。因此，大吨位的粉末成型机是以后发展的重中之重。但是，随着吨位的提高，机器本身的结构会变的很庞大。例如，本文中提到的粉末成型机的最大高度为8515mmm，最大宽度为1885mm，总重量约为50吨。如此庞大的机器要保证其正常可靠地运行，每个零部件的结构设计和安装都要十分的紧凑。所以，对送料系统来讲，原有的机械式送料，由于其零部件数量繁多，整体结构过于复杂，在机器运行的过程中难免会受到机器振动、厂区环境以及人为误操作等因素的影响。扬州海力精密机械有限公司所生产的粉末成型机的送料系统，都是利用“凸轮一摆杆机构”（如图2.1）来驱动料靴，并进行粉末的充填和推还。根据产品使用客户的反映，该送料机构在充填时存在不稳定现象，并且由于送料系统无振动机构使得充填完成后，在料靴后退的过程中，会造成阴模腔与料靴脱离处的粉末分布不均匀（如图2.2）。同时，当压制不同的还件时，需要调整增减料的行程，以使送料系统的动作时间与曲轴的旋转角度相协调，这时就必须停机才能进行，大大降低了产品的生产效率。图2.1 凸轮摆杆送料机构 图2.2 料靴送料示意图2.2.2送料系统方案设计1 初步解决方案针对机械式送料系统在工作时出现的问题，现提出三种不同的解决方案：方案一：利用伺服电机通过滚珠丝杠，直接与料靴相连接进行充填。该方案中，控制伺服电机工作的信号来自主传动系统中的旋转编码器，采集到的信号经中间运算器转换后直接驱动伺服电机。方案二：利用光电传感器与位移气缸的组合进行充填。该方案中，位移气紅的活塞杆与料靴固定在一起，光电传感器把接收到的气位移信号反馈至控制器，然后由控制器发出信号控制气紅中的电磁阀，通过改变电磁阀阀口的幵闭量来改变气缸的进气量，进一步控制气組活塞杆的运动位移和速度。方案三：利用电液伺服阀控制液压缸，带动料靴完成充填动作。该方案中，电液伺服阀的信号来自“凸轮一双向气社机构”，曲轴通过链轮带动送料凸轮进行同步转动，双向气社后部的活塞杆通过滚子始终与送料凸轮外轮廓相接触。同时，气缸内部的位移检测装置把检测到的位移信号传输到控制器，信号经过控制器演算，利用横算后的信号去控制电液伺服阀。电液伺服阀根据反馈信号的强弱，控制阀口的开闭程度，以给送料液压提供油量，液压紅根据给油量的多少来决定料靴前进和后退的速度。2 方案确定及可行性分析对提出的三种方案进行分析，确定最终所要选择的方案。方案一：该方案中，伺服电机的控制信号来自旋转编码器，旋转编码器每转一周都会存在一定的累积误差。粉末成型机每天工作约10个小时，每分钟压制8-12个还件，每压制一个还件编码器即旋转一周。因此，旋转编码器的累积误差会越来越大，那么受累计误差的影响，伺服电机送料的准确度会大大降低。为了提高送料的准确度，需要定期对旋转编码器进行误差矫正，这在很大程度上影响了产品生产效率的提高。方案二：该方案中，利用光电传感器釆集料靴运动的位移信号，经中间运算单元反馈给控制器，进一步控制执行元件完成送料动作。光电传感器的原理为：发光二极管发出的调制光可以落在任意形状和颜色的物体上，光被漫反射，部分反射光返回接受器，从而把接收到的信号传输出去。但是，光电传感器的灵敏度会随着距离的变化而变化如图2.3，并且受机器震动或工作环境的影响比较大，这可能导致送料系统不能正常地进行工作。图2.3 光电传感器的检测距离与灵敏度关系方案三：该方案中，用于控制送料社的信号来自送料凸轮机构，双向气紅根据凸轮的运动情况产生稳定的位移变化信号，该信号不受其它外部因素的影响，经中间环节传输到伺服阀，能够实现稳定、快速、准确地控制送料缸进行粉末的充填。通过对每个方案的分析与讨论，可以看出第三种方案能够最大限度地满足送料的要求，故本文采用该方案进行后续的设计与研究工作。方案的工作流程图可以用图2.4所示的图框表示。图2.4 送料系统工作流程图综上所述，液压伺服控制送料系统的设计方案可定性地表述为：（1）粉斗为盛装粉末的容器，其下部安装有粉末感应器，当粉末需要补给时，粉末感应器会报警提示；（2）送料凸轮机构中的凸轮轴，通过两个同步链轮，实现了与主传动系统中曲轴的等速同步转动；（3）双向气缸（行程为60mm）的后部活塞杆，通过滚子与送料凸轮的外轮廓始终保持接触，这样送料凸轮所产生的位移信号被位移传感器稳定地釆集；（4）位于副油箱上的电液伺服阀得到控制指令后，为送料紅供油，并根据信号的强弱来决定阀口的幵闭程度，有效地控制流量的大小，实现对送料缸位移和速度的调节，从而保证了料靴在送料过程中准确、稳定地到达阴模腔，同时送料结束后料靴能够快速地进行复位；（5）压紧缸通过料靴拉杆，将料靴压紧在送料面板上，避免料靴在送料过程中出现粉末外溅的现象；（6）振动社直接与料靴连接，在送料液压站中设有液控振动回路，为振动缸提供动力，振动社带动料靴来回抖动，实现了充填时粉末在阴模腔中的均匀分布。图2.5和图2.6为初步设计的机械结构原理图。 图2.5 送料凸轮机构原理图 图2.6 送料器结构原理图前面的内容给出了原机械式送料系统，在压机压制还件时存在送料不稳定和不均匀的问题分析。对提出的三种方案，选择了采用液压伺服系统控制整个送料过程，解决了送料过程中存在的不稳定问题；采用振动缸带动料靴，使得在充填阶段粉末在阴模腔中分布的更均匀；利用压紧紅压紧料靴送料，避免了在送料过程中粉末的外溅。同时，该系统受到来自外界的影响很小，能够实现稳定、准确、快速的送料。由此分析，本文所采用的送料系统方案在实际的生产过程中是可行的。在后续的章节中，将对该设计方案中的机械系统和液压系统做更进一步的分析与研究，以验证设计方案的可行性。2.3 送料系统关键零部件的结构设计2.3.1到送料凸轮的结构设计在本送料系统中，送料凸轮为系统控制信号的来源，其结构的好坏将直接关系到整个系统能否稳定、正常地运行。由于凸轮的从动件为摆杆，现依据“凸轮一摆杆机构”的运动原理，进行送料凸轮的结构设计。2.3.2 送料摆杆的结构设计由图2.5可看出，送料摆杆在送料凸轮机构中，依靠凸轮的转动使双博气社做往复运动，以便产生位移信号。在运动的过程中，双向气缸活塞杆后部的滚子应始终与摆杆压块表面相接触；同时，凸轮的外轮廓也要始终与摆杆上的滚子相接触。为了避免运动间隙的出现，摆杆要有足够的强度，以承受上述两处接触所产生的弯矩，摆杆受力简图和弯矩图如图2.9所示。图2.9 摆杆受力简图2.3.3 送粉器拉杆和压板的结构设计在送料系统中，送料缸通过拉杆使料靴在面板上前后移动；压紧社安装在拉杆上，并通过压板使料靴贴紧面板运动，图2.6为其结构示意图。为了使料靴稳定的送料，就要保证料靴始终贴紧面板，这就要求压板和拉杆都要有足够的强度，同时考虑到机构的耐用度等因素。合理的设计拉杆和压板的结构，对送料器快速、准确地实现送料运动至关重要。送料器中的拉杆既要承受送料缸送料时的推力和拉力，又要承受振动紅的抖动力，同时又是压板的运动载体。通过査阅其它吨位的技术资料，对拉杆的设计可以釆用厚度为20mm的Q235A钢板，按照拉杆承受的最大拉力为150N进行设计计算。为了防止料靴在送料过程中出现被卡死的现象，故料靴在面板上运动时，受到的压紧力不能太大。假定压板施加给料靴每侧的力为75N，其材料选择45钢。图2.11为压杆受力图。经相关地理论计算，拉杆和压板的最终设计结构图，如图2.12与图2.13所示。图2.11 压杆受力图图2.12 料靴拉杆结构图图2.13 料靴压板结构图2.4本章小结本章首先针对现有机械式送料系统在实际生产过程中出现的问题进行了分析，提出了解决方案，并确定采用液压伺服送料系统取代机械式送料系统的设计方案，同时对设计方案在实际生产过程中的可行性进行了分析与论证；其次，为了得到一个紧凑、灵敏的系统，进行了关键零部件的结构设计与分析，为第章零件的实体建模及送料系统的整体刚度分析奠定了基础。第3章 送料凸轮-摆杆机构的建模3.1 基于平台的送料系统设计流程本送料系统分为两部分：送料凸轮机构和送料器机构。利用对其进行设计的主要步骤如下所述：3.1.1理论设计通过对现有机械式送料系统的调研，保留原有机构的料斗和送料面板部分。根据送料系统的要求，对其它部件进行新的结构设计，制定机构的总体布局、外形尺寸，并完成对零件尺寸设计的理论计算。3.1.2送料系统的初步设计利用对各个零部件进行实体建模，并对所建数字模型进行初步的模拟装配。在装配的过程中随时检测零件是否受到干涉，以便确定所建机构能否满足实际的生产技术要求，同时还要保证送料系统在实际生产过程中送料系统机械结构三维设计与整体结构分析硕士论文的可行性和机构的紧凑性。3.1.3送料系统的装配设计对完成的各个零部件的数字模型，进行完整的虚拟装配。在这一过程中，要考虑零部件之间的配合关系和每个零件在实际加工过程中的工艺要求。在完整的结构设计基础上，对零件进行尺寸、公差和表面粗糖度等技术要求的标注。3.1.4送料系统的优化设计针对装配完整的数字模型，首先要确定各个零部件之间有无干涉的存在，其次观察零部件在整体结构中的相对位置和外观设计是否合理。同时，利用相关的动态分析软件对整个系统进行动态仿真，以确定各部件之间的运动规律是否符合实际的运动关系。进而找出不合理的结构，并对其进行优化，让系统达到最佳的工作状态。3.2 零件实体模型的建立图3.1料靴拉杆图3.2料靴压板图3.3送料摆杆3.3 送料系统的装配利用的装配模块，将建立的零部件模型装配，使之成为一个有实际效果的装配体。在进行零部件的装配过程中，零部件的三维实体模型只是在装配的时候被引用，而不是直接复制到装配体中去。送料凸轮机构和送粉器机构的装配模型，以及整个送料系统在粉末成型机中的位置整体装配完成后，利用内置的干涉检测功能，对装配体模型进行全局干涉检测，检查零件在设计时是否存在偏差。如果零件装配时某部位有偏差的存在，该部位会被高亮显示，以便对零件的尺寸进行修正。4 液压系统的设计与计算本文所述伺服送料系统的液压元件主要包括：伺服阀、液压缸、节流阀、换向阀、溢流阀和调压阀等。其中，伺服阀控制着整个液压系统油液的压力、流量和流向，对液压系统的性能、经济性和可靠性有着重要的影响。同时，液压姑作为系统的主要执行元件，其参数的变化也会对送料过程产生显著的影响。本章对液压系统中的主要元件进行分析和研究，确定元件的主要技术参数，为下一章的联合仿真分析作准备。4.1液压伺服系统关键技术液压伺服系统是使系统的输出量（如位移、速度、加速度或力等），能够自动、快速而准确地跟随输入量（时间函数）的变化而变化，将小功率电信号转换为大功率液压信号的闭环液压控制系统。同时，液压伺服系统以其负载刚度大、响应速度快、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。4.1.1液压伺服系统的工作原理液压伺服系统按照输出的物理量可分为：力（或压力）伺服系统、位置伺服系统和速度伺服系统等。本文釆用的是位置伺服系统，为了便于说明伺服系统的工作原理利用简化的伺服系统给予说明，如图4.1所示。 图4.1 液压伺服控制原理图图4.1中，液压作为系统的动力源，通过溢流阀调节系统的供油压力，为系统提供恒定压力的液压油。该液压系统的动力元件，由执行元件液压社和控制元件伺服阀组成，伺服阀按节流原理控制流入执行元件的液流方向、压力和流量，同时液压缸的缸体与伺服阀的阀体之间的连接为刚性连接，并构成反馈回路。系统的工作过程简述如下：a、b、c、d为伺服阀的四个控制阀口，当伺服阀处于中间位置时，四个阀口均处于关闭状态，液压缸无油量进入，液压缸的活塞处于静止状态。若给伺服阀的阀芯一向右的位移Xi,则阀口a、c被开启，a、b仍处于关闭状态。液压缸左腔液压油经阀口a流回油箱，同时液压油经阀口c进入液压社右腔，此时液压的缸体向右移动Xm的位移量。图4.1所示的液压缸体与伺服阀阀体固连在一起，所以当缸体右移的同时，体也被带动右移，使阀的开口量减少，即当缸体位移Xm与阔输入位移Xi相等时，阀的幵口量Xv=0，此时阀无输出流量，液压缸停止运动，处于一个新的平衡状态，至此完成了液压缸输出位移对阀芯输入位移的跟随运动。如果改变阀芯的运动方向，则液压缸也会反向跟随伺服阀运动。对于本文所设计的液压系统，伺服阀安装在液压站中，通过管路与送料社相连接。在上述的液压系统中，阀的开口量Xv即为系统运动过程中的偏差量，液压伺服系统实际就是根据反馈偏差来工作的，利用的是靠偏差来消除偏差的负反馈控制原理。其控制框图口图4.2所示。图4.2 液压伺服系统控制框图4.1.2 液压伺服闽数学模型的建立与选型伺服阀由液压控制阀、电一机械转换器和反馈机构三部分组成。其工作原理为：阀芯位置控制器接收到电信号指令，直线马达在励磁电流的作用下，使阀芯产生一定的位移量。指令信号的强弱与阀芯的位移量成正比，并且阀芯的压力降和位移量为伺服阀实际流量的函数。伺服阀的原理图和功能图分别如图4.3和图4.4所示。图4.3 伺服阀原理图 图4.4 伺服阀功能图4.1.3 液压缸数学模型的建立与选型液压缸为液压系统的执行元件，它将流体的压力能转化为机械能，为系统提供动力。本系统中的液压缸行程要求为：送料缸应实现120mm的送料行程，压紧缸的行程为5.5mm振动的行程为10mm。图4.6为简化的液压缸原理模型图：图4.6 液压缸原理图4.2 液压系统的设计与计算一个液压系统的控制部分有开环和闭环两种形式，其所构成的液压系统分别称为液压传动系统和液压控制系统。本文釆用的伺服控制系统属于后者，具体的设计内容与设计步骤如图4.2 所示。图4.8 液压控制系统的设计内容与设计步骤以下主要针对送料器中的三个液压社（送料缸、振动紅和压紧缸）和伺服阀进行具体的工作参数计算，为后续联合仿真过程中参数的设定奠定基础。本节的计算未把具体的参数值代入求解，表5.1和表5.2 给出了计算参数的最终结果。4.2.1 液压缸主要参数的计算液压缸活塞杆在前进行程和返回行程中的运动速度，受到粉末成型机在单位时间内成型还件个数的限制。因为如果单位时间内粉末成型机成型还件的个数若不相同，主传动系统中曲轴的转速就不相同，那么送料赶推动料靴送料的进程与回程所需要的时间也会随之变化。4.2.2 伺服液压回路的设计计算液压回路的基本形式有：压力控制回路、速度控制回路、方向控制回路和多执行元件控制回路等，任何一个液压系统都是有一个或几个基本回路组合而成的。本文所设计送料系统的液压回路，是在速度控制回路的基础上，通过添加其它为满足工作要求的回路，同时根据设计内容和送料系统所要完成的动作需求，来进行液压回路的设计。送料系统液压回路的一个工作循环可以用图4.9来表示，并且在整个工作循环过程中，压紧始终压紧料靴，使之贴紧面板运动。图4.9 送料系统的工作循环通过前面对液压系统所要实现动作的分析，设计的液压回路原理图如图4.10所示。图中1为柱销式叶片泵，2为溢流阀，3、5、12为调压阀，4为压紧杠，6为平衡阀，7为伺服阀，8为送料缸，9为振动缸，10为振动回路，11为二位四通电磁换向阀，13为系统压力表，14为过滤器。图4.10 送料系统液压回路原理图第5章 液压传动系统的设计计算5.1 确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。5.1.1载荷的组成与计算某精密压机液压伺服送料系统在最低点时液压缸的推力由前面分析可知，某精密压机液压伺服送料系统在最低点时，此时液压缸的推力是整个过程中所需推力最大值，选择液压系统时根据推力最大值确定。下面就根据载荷量来选取合适的液压缸。图5.1 液压缸本图表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注于图上，其中是作用在活塞杆上的外部载荷， 是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。作用在活塞杆是的外部载荷包括工作载荷 ，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。（1）工作载荷常见的工作载荷有作用于活塞杆上轴线的重力、切削力、挤压力等，这些作用力的方向与活塞的运动方向相同为负，相反为正。在实际工作过程中，由于载荷量较大，活塞自身的重力可以忽略不计，切削力与挤压力共同组成的外力即为工作载荷 =P。由于本设计按最大载荷量定为2t来计算，所以每个液压缸=P=108040N。（2）导轨摩擦载荷对于直动型安装的液压缸一般都附有活塞导轨以固定其运动方向，导轨摩擦相对于总载荷可以忽略不计，因此=0。（3）惯性载荷 ， （5.1）速度变化量m/s起动或制动时间s。一般机械0.10.5s，对轻度载荷低速运动部件取小值，对重载荷高速部件取大值。行走机械一般取=0.51.5s加速度初步选定速度变化量=0.16m/s，=0.6s，则=0.27，以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷， =108040+0+270=108310N。起动加速时 ， 稳态运动时 ， 减速制动时 。工作载荷并非每阶段都存在，该阶段没有工作，则=0。但在计算和校核时，应按照最大值取。 除了外载荷外，作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力，由于各种液压缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为 （5.2） 式中液压缸的机械效率，一般取0.900.95，这里取0.95， 。5.1.2初选系统压力液压缸的选择要遵循系统压力的大小，要根据载荷的大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不是很经济；反之，压力选的太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于某些固定尺寸不太受限的设备，压力可选低一些，行走机械重载设备压力要选的高一些。按表5.2所示初步选取16Mpa。表5.2各种机械常用的系统工作压力机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械液压机大中型挖掘机重型机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力MPa0.80.23528810101820325.1.3计算液压缸的主要结构尺寸（1）液压缸的相关参数和结构尺寸15液压缸有关的设计参数见图5.2所示：图5.2 液压缸设计参数图5.2a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图5.3b表示活塞杆受拉状态。活塞杆受压时： （5.3）活塞杆受拉时： （5.4）式中 无杆腔活塞有效工作面积，；有杆腔活塞有效工作面积，；液压缸工作腔压力，Pa；液压缸回油腔压力 Pa，其值根据回路的具体情况而定，一般可以按照下表估算；D活塞直径，m；d活塞杆直径，m。表5.3 执行元件背压力系 统 类 型背 压 力 MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，可直接回油路可忽略不计在这里本文取背压力值在本设计中，液压缸不存在受拉的状态，所以只考虑其收压。一般液压缸在收压状态下工作时，其活塞面积为： （5.5）用式（5.5）须先确定与的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比=d/D，其比值可按表5.4选取。按工作压力选取d/D表5.4 工作压力选取表工作压力MPa5.05.07.07.0d/D0.50.530.620.70.7按速度比要求确定d/D表5.5 速度比选取表（）1.251.331.460.1612d/D0.40.50.550.620.71注：速度比 ，为活塞两侧有效面积与之比。即 （5.6）如按工作压力应选取d/D=0.7，则相应的速度比=2，由于活塞不受拉力作用，所以活塞杆收缩时可以适当提高其速度， =2也是完全可以的。运用直径求法公式，可以求出d=71.8mm。液压缸的直径D和活塞杆径d的计算值要按国家标准规定的液压缸的有关标准进行圆整，如与标准液压缸参数相近，最好选用国产液压缸，免于自行设计加工。按照机械手册中工程液压缸技术规格,可以选择圆整后的参数：缸径为100mm，活塞杆为45mm,速度比=2，工作压力16Mpa，推力125.66kN。5.1.4确定液压泵的参数（1）确定液压泵的最大工作压力 ， Pa，式中液压缸最大工作压力，根据可以求出从液压泵出口到液压缸入口之间的总的管路损失。初算可按经验数据选取：管路简单、流速不大的取0.20.5Mpa；管路复杂，进油口有调速阀的，一般取0.51.5 Mpa。这里取0.5Mpa。即（2）确定液压泵的流量 K系统泄漏系数，一般取1.11.3，这里取1.2液压缸的最大流量，对于在工作中用节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取在前面已经初步选定台面速度变化量=0.16m/s， 本文就设定台面起升的最大速度，则活塞的运动速度应用公式，（这是在台面刚刚起升状态时，）所以（3）选择液压泵的规格 根据以上求得的和值，按系统中拟订的液压泵的形式，从手册中选择相应的液压泵产品。为使液压泵油一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大2560%。查找手册选择CB-型齿轮泵，其参数如表5.6所示。表5.6 CB-型齿轮泵型号排量压 力转 速特点生产厂额定最高额定最高CB-1040162018002400铝合金壳体，可作双联泵榆次液压件厂（4）确定液压泵的驱动功率在工作中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，则，其中液压泵的总效率，参考表5.7所示，选择=0.7。表5.7 液压泵效率液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.60.70.650.800.600.750.800.85则，据此可选择合适的电机型号。5.2 管道尺寸的确定在液压、气压传动及润滑的管道中常用的管子有钢管、铜管、胶管等，钢管能承受较高的压力，价廉，但安装时的弯曲半径不能太小，多用在装配位置比较方便的地方。这里本文采用钢管连接。管道内径计算 （5.7）式中 Q通过管道内的流量v管道内允许流速 ，取值见表5.8所示。表5.8 管道尺寸油液流经的管道推荐流速 m/s液压泵吸油管道0.51.5，一般取1以下液压系统压油管道36，压力高，管道粘度小取大值液压系统回油管道1.52.6取=0.8m/s，=4m/s, =2m/s.分别应用公式（5.7）得=20.2mm,=10.7mm,=15.2mm，根据内径按标准系列选取相应的管子，经过圆整后分别选取=20mm，=10.7mm, =15mm，对应管子壁厚。5.3 油箱容量的确定在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。初设计时，按式 选取。式中：液压泵每分钟排出压力油的容积； 经验系数，按表5.9所示取 =4。表5.9 油箱容量系统类型行走机械低压系统