电解阴极板矫直自动化系统设计

江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘要本文研究的是电解阴极板矫直自动化系统。当前，电解阴极板大多采用人工矫直的办法，但人工矫直存在着矫直效率低、矫直精度差等诸多缺点。电解阴极板自动化矫直系统的开发可以有效解决这一问题，提高金属生产企业的生产效率。矫直系统由矫直机械和控制系统组成。控制系统根据电解阴极板的原始弯曲曲率计算出相应的矫直参数，并控制矫直机械完成矫直任务。矫直参数的确定方法基于金属弹塑性变形理论以及压力矫直理论。矫直机械是实现矫直操作的基础，矫直机械的设计要能实现对阴极板的升降、夹紧、加载等矫直过程。控制系统是由图像采集模块、图像处理模块、PLC控制模块组成。首先由图像采集模块采集阴极板变形信息，经过处理转化成矫直参数，然后由PLC驱动伺服电机实现矫直过程。关键词：电解阴极板、矫直、图像处理、PLC控制AbstractThis study is the electrolytic cathode plate straightening automation system. Currently, electrolytic cathode plate mostly uses the artificial straightening. But there are many disadvantages of artificial straightening. The straightening efficiency and straightening precision is low. Development of electrolytic cathode plate automatic straightening system can effectively solve this problem, so as to improve enterprise metal production efficiency.Composition of straightening system consists of straightening machine and control system. The control system based on the original curvature of electrolytic cathode plate to calculate the corresponding straightening parameters, and then, control the straightening machine to accomplish straightening task. Method for determining the straightening parameters based on metal elastic-plastic deformation theory and straightening theory. Straightening machine is the foundation of realizing the straightening operation. Design of straightening machine can realize lifting, clamping, loading on the cathode plate and straightening process. The control system is composed of image acquisition module, image processing module, PLC control module. Image acquisition module collects the cathode plate deformation information, then, translate into the straightening parameters. PLC control servo motor to realize the straightening process.Keywords: Electrolytic cathode plate, Flattening, Image processing, PLC control目 录第一章 绪论-11.1 选题的目的和意义-1 1.2 国内外矫直技术的发展现状-2 1.3 本文研究的主要内容-3 1.4 本章小结-4第二章 阴极板的矫直方案及参数计算-52.1 矫直系统的总体方案设计-52.2 矫直系统结构方案-6 2.3 矫直系统控制方案-82.4 阴极板弹塑性变形分析-82.5 阴极板压力矫直原理-92.6 矫直过程中主要参数的计算-10 2.6.1 矫直过程中弯曲力矩的计算-10 2.6.2 阴极板矫直弹复曲率的计算-12 2.6.3 阴极板矫直弹复挠度的计算-132.7 本章小结-13第三章 阴极板矫直机构设计-14 3.1 矫直机总体分析-14 3.2 阴极板加载机构设计-153.2.1 加载机构设计参数的确定-163.2.2 加载机构丝杠的选择-163.2.3 加载机构伺服电机的选用-19 3.3 阴极板夹紧机构设计-213.3.1 夹紧机构丝杠的选择-223.3.2 夹紧机构伺服电机的选用-25 3.4 阴极板支撑辊设计-26 3.5 阴极板升降机构设计-273.5.1 升降机构丝杠的选择-283.5.2 升降机构伺服电机的选用-31 3.6 矫直机总体结构设计-32 3.7 本章小结-34第四章 阴极板矫直机构三维建模-35 4.1 加载机构建模-35 4.2 夹紧机构建模-36 4.3 升降机构建模-38 4.4 矫直机机体建模-39 4.5 矫直机总体装配-40 4.6 本章小结-41第五章 阴极板矫直机控制原理-42 5.1 图像处理流程-42 5.2 Matlab图像处理界面-43 5.3 系统控制流程-43 5.4 本章小结-44结语-45致谢-46参考文献-47IV江苏科技大学本科毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 选题的目的和意义目前在国际上，采用不锈钢作为铜电解精炼的阴极板，已经成为一种趋势。不锈钢阴极板的使用，省去了传统的钛种板制作始极板的工序，并可反复使用，缩短了工艺流程，降低了生产成本，减轻了工人劳动强度。此外，采用不锈钢阴极板可改善阴极铜的质量和提高生产效率。随着不锈钢阴极板的广泛使用，如何解决其在电解铜生产过程中产生的变形损伤成为一个必须要解决的问题。铜的电解生产过程中，电解铜阴极板在电解槽内通电后会因较强的电解力的作用而发生较大弹塑性变形，严重时导致变形的阴极板无法继续应用，缩短了不锈钢阴极板的寿命，并且影响到电解阴极铜的质量1。为了保证电解质量，要求对铜电解阴极板进行矫直，保证其平直度。目前国内绝大多数企业对弯曲的阴极板采用人工矫直的办法。矫直工人根据目测以及自身的工作经验对弯曲的阴极板进行矫直。由于矫直工具极为简单，导致矫直精度和矫直效率普遍偏低，同时矫直后的阴极板表面受到很大划损，阴极板的使用寿命大大降低。随着中国工业的快速发展，铜需求量的急剧增加，人工矫直的办法越来越不能适应现代生产节奏，成为制约企业生产自动化的瓶颈1。因此，需要一种高效率的自动化矫直设备，使在矫直过程中对阴极板造成的损伤最低，同时达到最优的矫直效果。为实现电解铜阴极板的自动矫直过程，亟需解决阴极板矫直过程的理论分析研究。电解阴极板矫直自动化系统以图形图像处理为基础，利用图形图像处理技术获取弯曲后的不锈钢阴极板表面弯曲形状，通过软件处理成不锈钢阴极板的弯曲参数，借助于弹塑性变形理论及有限元仿真的相关结果计算矫直系统的矫直参数，然后利用PLC 控制器控制矫直执行机构完成矫直过程。PLC控制器通过通信接口与计算机连接，实现矫直过程的可视化，并方便操作控制。该系统可以大大提高电解铜阴极板矫直的精度和效率，同时对操作人员的技术要求不高，方便在一般企业中推广使用，具有较为广阔的应用前景。电解阴极板矫直自动化系统的开发，旨在开发出一款基于图形图像处理并实现自动化控制的电解铜阴极板矫直装置，用以取代以前的人工矫直以及非自动化的机械矫直，从而提高电解阴极板的矫直效率以及矫直精度，节约生产成本，促进电解精炼铜产业的发展。1.2 国内外矫直技术的发展现状在电解精炼铜的生产中，传统的生产模式用钛种板制作铜阴极板。铜阴极板制备机组的主要冶金备件工序包括：种板的供给及整形、吊耳的供给、导电棒的供给、导电棒的穿入、吊耳与种板的铆接装配及排列等。由于生产种板的钛母板表面质量和种板槽的操作条件等原因，往往使种板周边不齐，板面带有结瘤，会影响电解铜的表面质量2。因此，除了要求钛母板的包边整齐、严格控制种板槽的生产条件并精心操作外，当产生上述弊病时，需用剪切机将周边剪齐，并用圆盘钢刷洗刷或用对辊碾压结瘤，使结瘤脱落或被碾平，以改善其表面质量。铜始极片的主要用途是作为铜生产车间的铜电解阴极板，电解阴极板的始极片质量对于电解作业的稳定、电解铜质量的提高是极其重要的。特别是电解阴极板的表面垂直度，它们不但影响阴极铜的质量，也在很大程度上影响铜电解生产中的电能消耗。现在，越来越多的企业开始采用不锈钢阴极板，省去了传统钛种板制作始极板的工序，降低了生产成本，提高了电解铜的质量和电流效率，而且不锈钢阴极板可以反复使用。不论在电解精炼过程中使用的是何种材料的阴极板，在使用过程中都会遇到阴极板弯曲变形的情况，所以必须要有电解阴极板的矫直措施。矫直在工业生产中有着非常重要的作用。企业中对金属材料和工件的矫直处理是重要的工艺过程。利用金属材料的弹塑性变形理论对各种材料进行矫直和整平。在工业生产中，矫直机被普遍应用于机械加工车间，用于对板材、条材、工件等进行矫直处理。矫直技术在国外的发展起源于上个世纪，并取得了一定的矫直理论。上世纪四十年代，矫直理论逐渐成熟，结合新技术的出现，矫直理论被广泛应用于工业生产。当时的矫直机主要是转毂式矫直机，其工作原理是通过内置于转毂的矫直工具围绕工件旋转，使工件在前进中得到矫直。上世纪八九十年代，新的矫直方法产生，同时传统的矫直方法也得到改进。二十一世纪以来，冶金工业发展迅速，与冶金密切相关的矫直技术也得到迅速发展3。目前多数平面矫直部件采用的是辊式矫直。当弯曲的阴极板在旋转的工作辊之间做直线运动时，经过工作辊的多次弯曲，使曲率趋于一致而得到矫直。这种矫直方法适用于各种金属薄板，通过对不同的金属薄板弹塑性变形特点进行分析，并通过有限元仿真，即可得到对应的矫直参数，从而对矫直设备进行调节4。辊式矫直法是把间断的压力矫直法变成辊式连续矫直法，从入口到出口交错布置若干相互平行的矫直辊，按递减压弯规律进行多次反复压弯以达到矫直目的。根据阴极板的弯曲程度以及需要达到的矫直精度，还可以将矫直过程分为粗矫、精矫等不同阶段。这种矫直法不仅能矫直型材的主弯曲，在增加轴向调节条件下也能矫直其侧向弯曲；不仅能矫直板材的纵向波浪，在增加弯辊措施后，也能矫直其横向波浪，即矫直其瓢曲4。金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大区别，在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减少，甚至会趋于一致。这便是辊式矫直机工作的基本理论基础。目前普遍采用的辊式矫直方法，在具体的实施过程中采用了有限元仿真和金属弹塑性变形理论，使矫直过程中的矫直参数的获得有理有据，可以实现很好的矫直效果。但传统的矫直设备自动化程度不高，操作过程较为繁琐，限制了矫直效率。所以，有必要在此基础上开发一种自动化程度较高，并方便操作的矫直设备。1.3 本文研究的主要内容本文主要研究了不锈钢阴极板矫直方案及其自动化控制方案。结合不锈钢阴极板的材料特性和组成结构等设计出能够满足矫直要求的矫直机。矫直机是矫直系统的机械结构部分，是本文研究的主要内容。矫直机要能实现阴极板的升降、夹紧以及加载的基本功能。本文研究了可以实现以上功能的机械结构及传动方案，并根据研究结果利用三维造型软件设计出矫直机的三维模型，用以说明并展示矫直机的总体形貌、组成部分、结构分布和实现功能的方法等。在建模完成的基础上对矫直机的各主要传动部件以及矫直机总体结构进行二维图设计，用以对矫直机的详细结构进行说明。在自动化控制方面，本文给出了总体上的解决方案，即利用控制软件来采集和分析阴极板的图像数据，根据分析的结果来获得矫直数据，并将相应的控制信号传递给PLC，由PLC驱动伺服电机来实现对矫直机的自动化控制。本文研究内容具体说明如下：（1） 调研收集分析电解阴极板、板材矫直、矫平技术有关资料，总结电解阴极板矫直特点，掌握要求；（2） 确定自动矫直系统总体设计原则和设计方案（运动方案、控制方案、结构方案）；（3） 设计自动矫直系统的硬件系统，并进行结构设计、分析与计算；（4） 绘制结构设计图，三维建模；（5） 设计自动矫直控制系统方案。1.4 本章小结本章首先说明了所选电解阴极板矫直系统自动化研究课题的目的和意义，对矫直系统实现自动化控制的重要性进行了论述。回顾国内外矫直技术的发展史，根据其研究现状及其在国内的应用情况提出自己的设计要求，并列出本次研究的主要内容。第二章 阴极板的矫直方案及参数计算2.1 矫直系统的总体方案设计本文所进行的对电解阴极板矫直系统的研究是基于电解精炼铜产业中的不锈钢阴极板进行分析设计的。这种不锈钢阴极板的长度为1500mm，宽度1000mm，厚度为3.25mm，阴极板的具体材料为022Cr17Ni12Mo2。不锈钢阴极板平直度要求如下：板面上部4 mm，板面中部和下部5 mm。即所设计矫直系统的矫直精度要能达到上述要求。在通常情况下，电解生产过程中的阴极板在电解槽中只受到一个方向的电解力的作用，所以通常只发生一个方向的塑性变形。变形的形状通常为轻微的弧形，只在很小的情况下，阴极板由于各种不确定因素（安装不当或磕碰等）而发生较为复杂的变形，这种情况在本文中不予考虑。另外，由于不锈钢阴极板的尺寸较小，刚度较大，并考虑到要便于实现自动化控制等因素，所以本文设计的矫直机械将采用三点压力矫直的方法。三点压力矫直是利用矫直辊的压力对变形工件进行矫直的，其结构的基本组成是两个用于支撑工件的支撑辊和一个用于执行加载过程的加载辊5。考虑到不锈钢阴极板的尺寸较小，所以采用一组基本结构单元即可满足要求。由于暂时不知道矫直机的最佳辊距，所以本文将矫直机的辊距设置为可调，并根据压力矫直理论设置初步辊距。初步设计辊距为220mm，考虑到可能要根据矫直效果对辊距进行调整，调节范围为180mm到330mm，从而两个支撑辊的距离为360mm到660mm。由于最大辊距仍不到阴极板长度的一半，为了能实现阴极板全长度方向的矫直，就需要在长度方向驱动阴极板，使其能够实现长度方向的移动。为了方便设计以及排除重力对阴极板变形的影响，这里将阴极板的移动方向定为竖直方向，而驱动机构则是升降机。加载辊的行程直接关系到矫直机的矫直工作，其运动精度要求较高，并且要求加载速度恒定，所以可以考虑用伺服电机驱动丝杠工作台的方式来驱动加载辊。加载辊的加载行程是矫直过程中的重要参数，要满足矫直精度的要求，加载辊的行程控制精度须控制在0.1mm以内。因为伺服电机运转稳定，而且运动精度较高，因此决定在矫直机的各运动机构中采用伺服电机驱动，通过伺服电机与各工作台的连接实现升降、夹紧和加载过程。考虑到工厂的环境较差，干扰因素较多，决定采用PLC来对伺服电机的运转进行控制。而加载量和加载位置这两个主要的矫直参数可先通过摄像头采集阴极板图像数据，然后利用软件处理拟合得到弯曲曲线，并进一步处理获得矫直参数。所获得的参数可以通过计算机与PLC之间的通信接口进行传送，从而实现对伺服电机的驱动控制。综上所述，阴极板矫直系统可以分为两大模块，即分析控制模块和矫直机构模块，各模块的详细组成及它们之间的相互联系与配合如图2-1所示。图2-1 矫直流程图2.2 矫直系统结构方案根据上文的矫直系统总体设计方案，可以将矫直系统的组成部分细分为五个模块，即分析计算模块、PLC控制模块、阴极板升降模块、阴极板夹紧模块、阴极板加载模块。系统结构功能图如图2-2所示。本节主要对矫直机结构部分的设计方案进行说明。矫直机由三个模块组成，按其功能命名分别是阴极板升降机构、阴极板夹紧机构和阴极板加载机构，具体结构可参照图2-3。图2-2 系统结构功能图图2-3 矫直机结构图如图2-3所示，要实现对阴极板的矫直，首先将阴极板安置到上图中的升降机构上。经过图像采集和分析处理后，PLC将驱动升降机构中的伺服电机使阴极板的最大变形位置移动到两个支撑辊之间。之后，夹紧机构中的伺服电机开始工作，使阴极板在上部支撑辊的位置夹紧，以保证矫直过程中阴极板的稳定。加载过程由伺服电机驱动加载机构完成。一次矫直过程结束之后，各机构由伺服电机驱动回到各自的工作原点，准备下一次矫直过程，如此重复，直到阴极板的弯曲变形程度在允许范围之内。2.3 矫直系统控制方案根据矫直系统的总体设计方案，矫直机控制系统由图像分析处理模块与PLC控制模块组成。控制系统的工作流程图如图2-4所示。图2-4 控制系统方案图装有图像分析处理软件的计算机是控制系统的核心部分。控制系统工作时，首先由计算机控制摄像头采集阴极板的变形图像，将图像输入计算机后通过Matlab软件的图像处理模块获得阴极板边缘变形曲线，并计算出矫直参数。根据矫直参数可以确定各个伺服电机的动作数据，通过计算机与PLC的接口线路将此数据传输到PLC控制器。PLC根据接收到的数据确定各个伺服电机的动作顺序及动作位移，并发送控制脉冲信号到伺服电机驱动器，驱动伺服电机运转，从而使矫直机执行矫直过程。当一次矫直过程执行结束后，PLC将控制伺服电机复位，然后计算机会控制摄像头重新采集阴极板变形图像。如果图像分析的结果显示阴极板弯曲程度达到许可范围则停止矫直过程；如果未能达到许可范围则进行新一轮的矫直过程。2.4 阴极板弹塑性变形分析目前在国际上，采用不锈钢作为铜电解精炼的阴极板，已经成为一种趋势。不锈钢阴极板的使用，省去了传统的钛种板制作始极板的工序，并可反复使用，缩短了工艺流程，降低了生产成本，减轻了工人劳动强度。这种不锈钢阴极板的材料通常为316L，国内标准牌号为022Cr17Ni12Mo2。电解时，不锈钢阴极板会因为很大的电解力而发生塑性变形。不锈钢阴极板的变形会经历从弹性变形到弹塑性变形的过程。在阴极板内部应力达到弹性极限之前，阴极板只发生弹性变形，没有塑性变形，当外部载荷卸去后，阴极板的形状会恢复到加载前的状态。当外部载荷继续增加，阴极板内部应力会超过弹性极限，材料进入屈服阶段，阴极板开始发生塑性变形，随着应力的增大，阴极板将产生明显的塑性变形，并且当外部载荷卸去后，阴极板不能恢复到加载前的状态6。电解阴极板的反向弯曲矫直过程涉及到了金属的弹性变形和塑性变形。该过程较为复杂，因为矫直过程中阴极板的应力应变曲线是呈非线性变化的。为了适当简化矫直过程参数的计算，同时不影响矫直精度，可以将阴极板的原始应力应变曲线简化为两段线性的应力应变曲线。根据不锈钢阴极板的标准牌号可以查得材料的力学属性，材料的屈服极限为180MPa，弹性模量为196GPa，强化模量为20GPa。利用以上介绍的不锈钢阴极板的弹塑性变形原理并结合相关材料力学特性，可以进行电解阴极板矫直参数的计算。2.5 阴极板压力矫直原理压力矫直的原理与辊式反向弯曲矫直基本相同。对于电解阴极板这样的小尺寸薄板零件来说，传统的多辊式矫直方法并不适用。而三点反向弯曲矫直法，即压力矫直法对阴极板的矫直非常适用。而且压力矫直法具有结构简单，矫直效率高的特点，并且较易于实现自动化控制，因此这里采用压力矫直法对电解阴极板进行矫直。压力矫直的原理图如图2-5所示。矫直时用两个支撑辊支撑住阴极板，在阴极板变形最大的位置用加载辊向下进行加载，使阴极板产生与原始变形方向相反的弯曲变形。一段时间后将加载辊载荷卸去，阴极板将发生一定程度回弹，当回弹后阴极板的整体弯曲曲率在允许的范围之内，则可认为矫直完成。只有先确定矫直过程中各参数之间的运算关系，以及矫直辊距、矫直加载行程等具体数值才能对电解阴极板进行准确的矫直7。如果考虑到矫直设备的矫直能力以及电解阴极板的应力极限等因素，则还需计算出矫直弯曲力矩，并由此确定矫直过程中的极限载荷。图2-5 压力矫直机原理示意图本章小结本章对电解阴极板矫直系统的总体方案进行分析设计，并在此基础上对矫直参数进行计算。在金属弹塑性变形理论的基础上，分析压力矫直机的矫直特点，对矫直过程中的弹塑变形进行分析计算，从而推导出矫直过程中加载辊的下压量与阴极板的原始弯曲之间的关系。本章的推导过程是进行阴极板矫直机结构设计以及设计自动化控制方案的基础。第三章 阴极板矫直机构设计3.1 矫直机构总体分析电解阴极板的材料为316L不锈钢钢板，国内标准牌号为022Cr17Ni12Mo2。基本尺寸可定为：长1500mm，宽1000mm，厚度3.25mm。电解阴极板在电解的过程中会受到电解力的作用而发生塑性变形，通常电解力对阴极板的载荷是单一方向的，所以阴极板产生的变形通常是简单的单方向小弧度弯曲，少数情况下会出现复杂的多方向弯曲甚至扭曲变形。这里只对一般情况下的单方向弯曲情况进行分析研究。图3-1 矫直机结构示意图压力矫直是依靠加载辊的动作和支撑辊的支撑来实现矫直过程的，所以加载辊和两个支撑辊是压力矫直机最基本的组成部分。根据电解阴极板的尺寸，初步将辊距设定为220mm。考虑到可能要根据矫直效果对辊距进行调整，所以本文在研究中将矫直机的辊距设置为可调，调节范围为180mm到330mm，从而两个支撑辊的距离为360mm到660mm。由于最大辊距仍不到阴极板长度的一半，为了能实现阴极板全长度方向的矫直，就需要在长度方向驱动阴极板，使其能够实现长度方向的移动。为了方便设计以及排除重力对阴极板变形的影响，这里将阴极板的移动方向定为竖直方向，而驱动机构则是升降机。加载辊的行程直接关系到矫直机的矫直工作，其运动精度要求较高，并且要求加载速度恒定，所以可以考虑用伺服电机驱动丝杠工作台的方式来驱动加载辊。至此，矫直机的结构组成可以划分为五个部分，分别是加载机构、夹紧机构、支撑机构、升降机构以及矫直机机体，如图3-1所示。下面将对每个组成部分进行分析设计。3.2 阴极板加载机构设计加载辊的加载行程是矫直过程中的重要参数，加载行程即矫直弹复挠度，前面已推导出其计算方法。由于加载辊的位移精度要求较高，所以采用伺服电机驱动丝杠工作台的方法来控制其位移量。加载机构由加载辊、丝杠工作台、伺服电机以及一些连接件组成，其结构如图3-2所示。图3-2 加载机构结构图加载机构采用伺服电机驱动。伺服电机通过联轴器直接与滚珠丝杠连接，使滚珠丝杠实现旋转运动。丝杠-螺母副将丝杠的旋转运动转化为螺母的水平移动。由于螺母固定于水平移动工作台上，所以工作台即实现了水平方向的移动。工作台通过四个滑块安装在导轨上，确保工作台移动的稳定性与移动方向的准确性。加载辊通过连接杆安装到水平移动工作台上。加载机构工作时，加载辊在水平移动工作台的驱动下对待矫直阴极板进行加载操作。加载操作完成后，加载机构将在伺服电机的驱动下返回初始位置，等待下一次加载操作。3.2.1 加载机构设计参数的确定本课题重点研究的是电解阴极板矫直机构的自动化方案，在矫直机构的硬件设计模块，重点是研究机构的运动、夹紧、及固定方案。对于具体机构设计中需要确定的一些设计参数，在不影响机构整体功能和布局的情况下，将采取估算和简化计算的方法。加载机构设计的基础参数如下：辊距为220mm，加载辊的加载面是直径为50mm的圆弧面，加载辊的最大加载行程为300mm，加载辊的最大移动速度为25mm/s。可以估算加载过程中塑性弯曲力矩的较大值，进而估算出加载力的大概数值。M=1-23-k02+k0sbh26取k0=0.25，将=0.102,s=180MPa，b=1000mm，h=3.25mm代入上式计算得M=547.2Nm，所以加载力的较大值约为5000N。3.2.2 加载机构丝杠的选择加载辊的传动部分是一个滚珠丝杠工作台，工作台由滚珠丝杠、传动螺母、滚动导轨、导轨滑块以及一些支撑及连接件组成。这里主要对滚珠丝杠进行选择计算，计算部分参考成大先主编机械设计手册第四版第3卷内容。（1） 选择条件工作台质量：50kg 重复定位精度：0.1mm最小进给量：0.02mm/脉冲 行程长度：300mm希望寿命时间：20000h 预期运行距离：25km最大速度：25mm/s AC伺服电机额定转速：3000rpm加速时间：0.15s 减速时间：0.15s电机惯性转矩：0.001kgm2 减速机：无无效行程：0.05mm 每分钟往返次数：4导轨面上的摩擦系数：0.003 导向面阻力：10N（无负载时）（2） 丝杠导程的选择伺服电机的额定转速为nmax=3000rpm，工作台的最大移动速度为Vmax=25mm/s，滚珠丝杠导程的计算如下：Ph=VmaxnmaxPh=2560300=0.5mm因此，必须选择10mm以下的导程，实际取Ph=10mm，可满足速度要求。（3） 当量载荷Fm和当量转速nm的计算滚珠丝杠承重时的摩擦系数为0.003，静摩擦系数稍大，取0.005，则导轨的静摩擦力为：F0=0mg+fF0=0.005509.8+10=12.45N其中，m 工作台质量，约50kg； f 导轨滑块阻力，约10N。由于加载辊的加载运动接近匀速运动，丝杠工作时受加载力及导轨、滑块的摩擦力作用，则有：nmax=nmin=60vPn=602510=150rpmFmax=5000+F0=5012.45NFmin=F0=12.45N从而滚珠丝杠的当量载荷为：Fm=2Fmax+Fmin3=3345.8N滚珠丝杠的当量转速为：nm=nmax+nmin2=150rpm（4） 额定动载荷的计算按照滚珠丝杠的预期工作时间计算：Cam=360nmLhFmfw100fafcCam=360150200003345.81.31000.91=27287.2N其中，nm 当量转速150rpm； Lh 预期工作时间20000h； fw 负载系数，轻微冲击下取fw=1.3； fa 精度系数，5级精度取fa=0.9； fc 可靠性系数，一般取fc=1。按丝杠副的预期工作距离计算：Cam=3LsPhFmfwfafcCam=32510331=6559.1N其中，Ls 预期工作距离25km。按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算：Cam=feFmaxCam=4.55012.45=22556N其中，fe 预加载荷系数，选择fe=4.5； Fmax 丝杠副最大载荷。综上所述，预期额定动载荷取其中的较大值，因此Cam=27287.2N。（5） 估算滚珠丝杠最大允许轴向变形m1413重复定位精度m140.1=0.025mm（6） 估算滚珠丝杠底径根据行程为300mm，计算固定支撑的最大距离为L1.11.2l+1014PhL=1.2300+1410=500mm按照滚珠丝杠的安装方式为两段固定式，则有滚珠丝杠底径：d2m=aF0Lmd2m=0.03912.455000.025=19.46mm其中，F0 导轨静摩擦力12.45N； L 滚珠螺母至丝杠固定端的最大距离500mm。（7） 导程精度的选择已知定位精度为0.1mm/1000mm，则任意300mm长度的导程精度为0.03mm。（8） 确定滚珠丝杠副的规格按照上述估算的Ph、Cam以及d2m值可以从相关手册中选出合适的规格代号及相关安装、连接尺寸。尺寸需要满足d2d2m，CaCam，但不宜过大，以免增加转动惯量及结构尺寸。现拟选择南京工艺装备制造厂生产的外循环滚珠丝杠副系列，规格代号为5006-5，参数为：d2=45.9mm，Ca=28.9kN，C0a=95.4kN，R=1026N/m，螺母长度69mm14。3.2.3 加载机构伺服电机的选用AC伺服电机的额定转速为3000rpm，惯性转矩为0.001kgm2，工作台质量约为50kg，根据以上条件可以进行伺服电机的选型计算。（1） 外部载荷的转动惯量滚珠丝杠部分转动惯量：J1=12mv2J1=127.660.0252=0.00239kgm2外部负载的负载转动惯量：JL=J1+mPh22JL=0.00239+500.0122=0.00252kgm2JLJm=0.003660.001=2.52J=JL+Jm=0.00252+0.001=0.00352kgm2（2） 外部负载产生的摩擦力矩Tp=FPh210-3Tp=5012.451020.910-3=8.87Nm其中，Ph 滚珠丝杠副导程； 未预紧的滚珠丝杠副效率，取=0.9； F 包含导轨摩擦力的外加轴向载荷。（3） 预紧力产生的摩擦扭矩TD=FpPh21-2210-3TD=1115.31021-0.920.9210-3=0.6241Nm其中，Fp 滚珠丝杠副间的预紧力Fp=Fmax3=5012.453=1115.3N（4） 支承轴承间的摩擦扭矩选择HRC轴承，摩擦力矩Tb1=0.23Nm。（5） 加速度产生的负载扭矩规定工作台运动速度为25mm/s，伺服电机转速为n2=150rpm，加速时间为0.15s，则当伺服电机从n1=0加速到n2=150rpm时，其负载扭矩为Tj=J2n2-n160tTj=0.003522150-0600.15=0.3684Nm（6） 伺服电机总负载扭矩Tm=Tp+TD+Tj+TbTm=8.87+0.6241+0.3684+0.23=10.09Nm综上所述，所选伺服电机的额定转速为3000rpm，额定扭矩应在10.09Nm以上。3.3 阴极板夹紧机构设计夹紧机构的设计参考了加载机构，同样用伺服电机驱动滚珠丝杠工作台的方案。夹紧机构的作用是在电解阴极板的矫直过程中保证阴极板的稳定性，因此对夹紧机构的要求是要能提供足够且稳定的夹紧力。夹紧辊的设计与加载辊略有不同，采用矩形截面，以保证夹紧辊和阴极板之间有足够的接触面积，获得良好的夹紧效果。夹紧辊是由两根成对使用的，其中位置固定的一根充当支撑辊的作用，虽然与支撑机构中的支撑辊有所不同，但对矫直精度的影响不大。另一根夹紧辊连接到丝杠工作台上，由伺服电机驱动工作台使其在水平方向移动。阴极板夹紧机构的结构如图3-3所示。图3-3 夹紧机构结构图夹紧机构同样用伺服电机驱动。伺服电机通过联轴器直接与滚珠丝杠连接，使滚珠丝杠实现旋转运动。丝杠-螺母副将丝杠的旋转运动转化为螺母的水平移动。由于螺母固定于水平移动工作台上，所以工作台即实现了水平方向的移动。工作台通过四个滑块安装在导轨上，确保工作台移动的稳定性与移动方向的准确性。夹紧辊通过连接杆安装到水平移动工作台上。夹紧机构工作时，夹紧辊在工作台的驱动下将待矫直阴极板挤向上部支撑辊，从而实现阴极板的夹紧操作，确保矫直过程中阴极板的稳定。一次矫直过程结束后，夹紧机构在伺服电机的驱动下松开阴极板，并返回初始位置，等待下一次夹紧操作。3.3.1 夹紧机构丝杠的选择夹紧辊的传动部分是一个滚珠丝杠工作台，工作台由滚珠丝杠、传动螺母、滚动导轨、导轨滑块以及一些支撑及连接件组成。这里主要对滚珠丝杠进行选择计算，计算部分参考成大先主编机械设计手册第四版第3卷内容。（1） 选择条件工作台质量：50kg 重复定位精度：0.1mm最小进给量：0.02mm/脉冲 行程长度：150mm希望寿命时间：20000h 预期运行距离：25km最大速度：25mm/s AC伺服电机额定转速：3000rpm加速时间：0.15s 减速时间：0.15s电机惯性转矩：0.001kgm2 减速机：无无效行程：0.05mm 每分钟往返次数：4导轨面上的摩擦系数：0.003 导向面阻力：10N（无负载时）最大夹紧力：2500N（2） 丝杠导程的选择伺服电机的额定转速为nmax=3000rpm，工作台的最大移动速度为Vmax=25mm/s，滚珠丝杠导程的计算如下：Ph=VmaxnmaxPh=2560300=0.5mm因此，必须选择10mm以下的导程，实际取Ph=10mm，可满足速度要求。（3） 当量载荷Fm和当量转速nm的计算滚珠丝杠承重时的摩擦系数为0.003，静摩擦系数稍大，取0.005，则导轨的静摩擦力为：F0=0mg+fF0=0.005509.8+10=12.45N其中，m 工作台质量，约50kg； f 导轨滑块阻力，约10N。由于加载辊的加载运动接近匀速运动，丝杠工作时受加载力及导轨、滑块的摩擦力作用，则有：nmax=nmin=60vPn=602510=150rpmFmax=2500+F0=2512.45NFmin=F0=12.45N从而滚珠丝杠的当量载荷为：Fm=2Fmax+Fmin3=1679.1N滚珠丝杠的当量转速为：nm=nmax+nmin2=150rpm（4） 额定动载荷的计算按照滚珠丝杠的预期工作时间计算：Cam=360nmLhFmfw100fafcCam=360150200001679.11.31000.91=13694.1N其中，nm 当量转速150rpm； Lh 预期工作时间20000h； fw 负载系数，轻微冲击下取fw=1.3； fa 精度系数，5级精度取fa=0.9； fc 可靠性系数，一般取fc=1。按丝杠副的预期工作距离计算：Cam=3LsPhFmfwfafcCam=32510161=3291.7N其中，Ls 预期工作距离25km。按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算：Cam=feFmaxCam=4.52512.45=11306N其中，fe 预加载荷系数，选择fe=4.5； Fmax 丝杠副最大载荷。综上所述，预期额定动载荷取其中的较大值，因此Cam=13694.1N。（5） 估算滚珠丝杠最大允许轴向变形m1413重复定位精度m140.1=0.025mm（6）估算滚珠丝杠底径根据行程为300mm，计算固定支撑的最大距离为L1.11.2l+1014PhL=1.2150+1410=320mm按照滚珠丝杠的安装方式为两段固定式，则有滚珠丝杠底径：d2m=aF0Lmd2m=0.03912.453200.025=15.57mm其中，F0 导轨静摩擦力12.45N； L 滚珠螺母至丝杠固定端的最大距离320mm。（7） 导程精度的选择已知定位精度为0.1mm/1000mm，则任意300mm长度的导程精度为0.03mm。（8） 确定滚珠丝杠副的规格按照上述估算的Ph、Cam以及d2m值可以从相关手册中选出合适的规格代号及相关安装、连接尺寸。尺寸需要满足d2d2m，CaCam，但不宜过大，以免增加转动惯量及结构尺寸。现拟选择手册南京工艺装备制造厂生产的外循环滚珠丝杠副系列，规格代号为2505-5，参数为：d2=21.7mm，Ca=16.4kN，C0a=37.2kN，R=542N/m，螺母长度54mm14。3.3.2 夹紧机构伺服电机的选用AC伺服电机的额定转速为3000rpm，惯性转矩为0.001kgm2，工作台质量约为50kg，根据以上条件可以进行伺服电机的选型计算。（1） 外部载荷的转动惯量滚珠丝杠部分转动惯量：J1=12mv2J1=1250.0252=0.00156kgm2外部负载的负载转动惯量：JL=J1+mPh22JL=0.00156+500.0122=0.00169kgm2JLJm=0.002830.001=1.69J=JL+Jm=0.00169+0.001=0.00269kgm2（2） 外部负载产生的摩擦力矩Tp