机械原理课程设计压片机设计干粉压片机

1、前言1.1 干粉压片机的概述干粉压片机是指利用传动系统将电动机的转速降低带动执行机构对粉末物质采取上下进行加压而成片状。根据干粉压片机的传动系统亚高速旋转式压片机、全自动高速压片机以及旋转式包芯压片机。干粉压片机的使用行业很广泛。如制药厂、电子元件厂、陶瓷厂、化工原料厂等等，而且压片机还能用来做冲压设备。压片机在欧美压片机出现的较早。而在国内到1949年，上海市的天祥华记铁工厂仿造成英国式33冲压片机；1951年，根据美国16冲压设计制造了 ZP25-4型压片机；1960年，自行设计制造成功60-30型压片机，具有自动旋转、压片的功能。同年还设计制造了ZP33型、ZP19型压片机。 “七五”期

2、间，航空航天部206所 HZP26高速压片机研制ZP-21W 型压片机，达到国际上世纪80年代初的先进水平，属国内首创产品。1987年，引进联邦德国Fette 公司微机控制技术，设计制造了P3100-37型旋转式压片机，具有自动控制片剂重量、压力、自动数片、自动剔除废片等功能，封闭结构严密、净化程度达到 GMP 要求。1997，年上海天祥健台制药机械有限公司研发了 ZP100系列旋转式压片机、GZPK100系列高速旋转式压片机。进入21世纪，随着 GMP 认证的深入，完全符合 GMP 的ZP ZP35D 等。高速旋转式压片机在产量、压力信号采集、剔废等技术上有了长足的压力80kN GZPLS-

3、620系列高速旋转式压片机、上海天祥健台制药机械有限公司的GZPK3000系列高速旋转式压片机、北京航空制造工程研究所的PG50系列高速旋转式压片机等。随着制造加工工艺水平、自动化控制技术的提高以及压片机使用厂家各种不同的特殊需求，各种特殊用途的压片机也相继重庆交通大学出现。譬如，实验室用 ZP5旋转式压片机、用于干粉压片的干粉旋转式压片机、用于火药片剂的防爆型 ZPYG51系列旋转式压片机等。速高产、密闭性、模块化、自动化、规模化及先进的检测技术是国外压片机技术最主要的发展方向。1.2 干粉压片机的研究现状1.2.1 压片机动力学分析及力的优化文献6阐述了主加压机构的运动学分析。对机构进行运

4、动学分析程序进行分析。杆组法运动学分析原理，由机构的组成原理可知，任何平面机构都可分解为原动件、基本杆组和机架三个部分，每一个原动件为一个单杆构件分别对单杆构件和常见的基本杆组进行运动学分析， 并编制成相应的子程序，在对整个机构进行运动分析时，根据机构组成情况的不同，依次调用这些子程序，从而完成对整体机构的运动分析。 动力源可以采用电动机、汽油机、蒸汽透平机、液压机、气动马达等；上下加压则可采用凸轮机构、齿轮机构、连杆机构、液压缸等；送料可采用连杆机构、齿轮机构、槽轮机构等这样可组合的方案达上百种。动力学方程，它是一个二阶常系数线性微分方程:Mx(t)+cx(t)+Kx(t)=P(t) x (

5、 卜一激振力向量，也是时问的函数。谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时问按正弦规律变化载荷时稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在谐波激振力下的响应，即位移响应与应力响应，并得到系统的动态响应与系统激振力频率的曲线，称为幅频曲线。压片机工作时，冲头和压轮周期性接触，这样就会造成有周期性的激振力作用在整个结构上。当激振力的频率与压片机的固有频率接近时，就会发生共振。共振现象的发生不但不能保证冲压的加工精度，还会对2重庆交通大学冲头和压轮以致整个机床造成严重破坏，这是一定要避免的。通过以上分析，可以得到以下结论: (1)经过力的优化以后，避免了在第一、二阶固有频率处的共振现象的发生，虽然优

6、化后，第三阶固有频率处的位移比其他频率处较大(18xlO4)，但小于优化前该频率处的位移实际工作转数在每分钟4O一6O转之间，即工作频率为4873Hz之间，而优化后在96HZ处振动量较大，远离工作频率范围，所以，机器处于安全良好的工作区域范围，具有良好的动态性能。通过对压片机的模态分析，动力学谐响应分析，得出了压片机在不同工作频率范围下的响应，在此基础上对整体结构进行了力的优化，有效的抑制了共振现象的发生，解决了机器工作时振动和噪音的问题，分析结果对压片机的设计具有很实用的理论参考价值。文献13阐述了冲压机构杆件的优化设计。冲压机构的应用非常它要求机构中的滑块在工艺行程中速度尽可能均匀且施加于

7、曲柄的平衡力矩尽可能小，为此有必要对各构件进行优化分析。运动及受力分析。冲压机构，由一曲柄摇杆机构及一摇杆滑块机进行程序编制及计算，进行优化设计。首先，按机构的组成原理将机构分解成若干基本杆组，对每一个基本杆组编制相应的运动分析和受力分析的子程序，对具体某一机构只须建立一个简单的主程序和调用相应的子程序即可。优化设计。采用有约束优化设计问题的间接求解方法中的罚函数法，编制程序suMT，编制目标函数子程序FuNC和约束函数子程序FNT，编制各基本杆组的运动和受力分析子程序。文献12阐述了连杆送料机构的运动优化。连杆机构推动的推板式送料装置能够实现冲压生产的自动送料，该机构与斜楔推动的推板式送料机

8、构和杠杆推动的推板送料装置相比，可实现较大的行程“。设计连杆迭料机构所需考虑的因素较多，直观性较差容易导致设计失误因此设计了用于优化机构各杆长、送料行程、送料加速度等的多目标函数，综合连杆机构成立的条件、机构大小限制、运动参数要求等建立约束条件，采用直观的可视化方法对优化结果和连杆送料机3重庆交通大学构的运动特性进行分析。目标函数的建立。根据结构要求，连杆机构的迭料行程ZI，在蠛跫M，330mm的前提下，尽量取较小值，以避免总体结构过大；送料机构的对称性要求，因此设计第一目标函数为：Fl(x)=165-LL1+165+LL1束时的加速度4：满足第二目标函数：F2（x）=A1+A2该送料机构的摇

9、杆长度L，将影响传动的效率，希望它的长度大些，同时不应使该机构因此而变得庞大，就此设计第三且标函数为：F3（x）=90-L3为控制机构的总体尺寸，需要对送料机构的连杆长度厶、支架高度进行限制，按实际情况确定第四目标函数为：F4（x）=L2-580第五目标函数为：F5（x）=L4-390依据各目标的重要性、数量级以及对优化结果的影响，确定各目标的建立目标函数：该优化模型对机构位置的优化效果良好可控制最大速度与加速度，以及在机构总体尺寸限制的情况下实现对各杆长度的优化。机构运动优化的结果能够满足工程使用的要求，利用该模型进行多目标优化是可行的。该连杆机构在启动时存在柔性冲击，其加速度特性难以得到根

10、本改善，因此该机构只适合于低中速连续生产的场合。1.2.2 结构优化的发展和研究现状是压片机首要发展方向；2.全封闭的一体化的片剂成型系统是压片机的一个主要发展方向，目前国外的压片机十分注重输入、输出环节的密闭性，尽可能的减少交叉污染及粉尘飞扬，而国内大多数的压片机4重庆交通大学这个过程是敞开的，断裂的工序致使压片机的粉尘和泄露是药厂的一个通病；3.集成化、模块化使Courtoy公司、Fette公司的压片机获得巨大进步；4. Courtoy压片机片重控制的新方法；5. 21CFRPartll(电子记录和电子签名)在压片机上的应用；6.新颖的压片机及压片机技术层出不穷, (1)增加预压力, (2

11、)为了最大程度的提高设备place)在位清洗的理念在更多的压片机上得到了贯彻。5重庆交通大学摘要：随着现代科技的发展，压片机涉及的行业越来越广泛，高科技、高效率，低成本已成为现代压片机的一个重要的发展趋势。与国外的压片机相比，我国生产的压片机规模小、产量低、技术含量较低。干粉压片机是将干粉压制成直径为 30mm 5mm 的圆形片坯状的装置。本文以压片机为研究对象，以造价低、结构简单为基础，通过方案对比及力的分析 ,从而设计出合适的压片机。本文阐述了加压机构、送料机构及传动系统的设计过程。关键词：压片机；连杆加压机构；凸轮The Design of the Dry Powder tablet P

12、ressing MachineABSTRACT: With the development of modem science and technology ，tablet pressing machine is used in more and more industries. Hightechnology, high efficiency and low cost have become the most importanttrend of current tablet pressing machine. Compared with the tablet pressingmachine of

13、 abroad, the tablet pressing machine made in china is smallerscale, lower yield, lower technology. Dry powder tablet pressing machineis a machine that presses powder to a flat blank (30mm in diameter, 5mmin thickness) .Based on low cost and simple structure, to the study of thetablet pressing machin

14、e in the dissertation, contrast through the programand power analysis to design a suitable tablet pressing machine. In thispaper, it is showed that the design process of the pressure mechanism, thefeeding mechanism and the transmission.Key Words:Tablet pressing machine; Pressure mechanism of the cou

15、pler;6重庆交通大学目 录前言2摘要 6一.设计题目 81.程 82.求 10工作原理以及工艺过要分分分原始数据以及设计二.设计题目的析 101.析 102.解 10总功能总功能7重庆交通大学3.解 114.定 125.价 146.图 157.算 16功能元求确评环计运动方案方案的运动循尺度8. 下 冲 头 对 心 直 动 滚 子 推 杆 盘 形 凸 轮机 189. 下 冲 头 对 心 直 动 滚 子 推 杆 盘 形 凸 轮 机 的 位 移 曲线 19三 . 干 粉 压 片 机 各 部 件 名 称 以 及 动 作 说明 19四.参考书目 19五.心得体会 198重庆交通大学一、设计题目及目

16、的干粉压片机机械设计是一个逐步求精和细化的过程，随着设计过程的发展，产品结构和参数将逐渐清晰和不断完善。设计方案是多解的，能够满足一定功能和要求的设计方案不是唯一的，所以机械设计过程也是一个创新的过程。机械设计根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据。机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。于实践，理解和加深机械原理和设计方法，为今后专业课程的学习打一定基础，我们积极参加了这次机械创新设计。9重庆交通大学1.1、 工作原理及工艺动作过程干粉

17、压片机的功用是将不加粘结剂的干粉料（如陶瓷干粉、药粉）定量送入压形置压制成 h 圆型片坯， 经压制成形后脱离该位置。机器的整个工作过程（送料、压 形脱离）均自动完成。该机器可以压制陶瓷圆形片坯、药剂（片）等。其工艺动作的分解如图 11图11 工艺动作分解（ 1 ） 26mm 、深度为 30m m 的筒形型腔，然后向左退出 45 mm 。（ 2 ） 下冲头下沉 4mm ，以防上冲头进入型腔时把粉料扑出。（ 3 ） 上冲头进入型腔 4mm 。（ 4 ） 上、下冲头同时加压，各移动 12mm ，将产生压力，要求保压一定时间，保压时约占整个循环时间的 1/10 。（ 5 ） 上冲头退回，下冲头随后以稍

18、慢速度向上运动，顶出压好的片坯。（ 6 ） 为避免干涉，待上冲头向上移动 90mm 后，料筛向右运动推10重庆交通大学走片坯，接着料筛往复振动，继续下一个运动循环。压片机工艺流程压片机是将陶瓷干粉或煤粉料压制成厚度为 5mm 的圆形片坯。其工艺流程是：(1) 干粉料均匀筛入团筒形型腔(图 a)；(2) 下冲头下沉 3mm，预防上冲头进入型腔时将粉料扑出(图b)；(3) 上、下冲头同时加压(图c)，并保压一段时间；(4) 上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯(图d)；(5) 料筛推出片坯。11重庆交通大学1.2、 设计原始数据及设计要求12重庆交通大学（1） 压片成形机一般至少包括连杆机构、凸轮

19、机构、齿轮机构在内的三种机构。（2） 执行构件的动作起止位置可根据具体情况重叠安排，但必须满足工艺上各个动作的配合，在时间和空间上不能出现干涉。（3） 设计凸轮机构，自行确定运动规律，选择基圆半径，校核最大压力角与最小曲率半径，计算凸轮廓线。（4） 设计计算齿轮机构。（5） 对连杆机构进行运动设计。并进行连杆机构的运动分析，绘出运动线图。如果是采用连杆机构作为下冲压机构，还应进行连杆机构的动态静力分析，计算飞轮转动惯量。（6） 编写3000 字左右的设计计算说明书。二、设计题目分析2.1、总功能分析根据题目要求，要最终将干粉压制成片坯。若要求获得质量较好的成品，可采用诸多方法。下面采用黑箱法进

20、行分析：13重庆交通大学由黑箱法分析可得到：为了达到高效、方便的目的，采用机械自动加工的方法比较好，因此本题采用了自动加工的方法压制片坯。2.2、总功能分解该干粉压片机通过一定的机械能把原料（干粉）压制成成品，其功能分解如图21图21 总功能分解设计干粉压片机，其总功能可以分解成以下几个工艺动作：(1) 送料机构：为 间歇直线运动 , 这一动作可以通过凸轮上升段完成(2) 筛料：要求筛子往复震动(3) 推出片坯：下冲头上升推出成型的片坯(4) 送成品：通过凸轮推动筛子来将成型的片坯挤到滑道(5) 上冲头往复直线运动，最好实行快速返回等特性。(6) 下冲头间歇直线运动。例如下表所示的树状功能图：

21、14重庆交通大学图22 树状功能分解2.3、根据功能的要求，进行功能元求解干粉压片机运动转换功能图如下：图23 运动转换功能干粉压片机运动方案选择矩阵如图 24 运动方案15重庆交通大学图24 运动方案由上表所列矩阵可知，可能的运动方案数目为 N=4*4*4*3*3=576种。是否满足载要求；运动精度；制造工艺；安全性；是否满足动力源、生产条件等限制。 A噪声小，能缓和冲击， 有过载保护作用，安装维修要求不高成本底。齿轮传动工作可靠，效率高，易制造和精确加工。故可选用带传动或蜗杆传动。减速B ：齿轮或蜗杆传动能满足定速比传动要求，且精度较高。应用范围广，承载能力大的优点，故选齿轮或蜗杆传动。对

22、于上冲头运动 C ，要实现往复直线移动，还有考虑急回特性。因此选曲柄滑块或摇杆机构 。送料机构D对承载能力要求低，故采用凸轮或蜗杆机构。下冲头运动 E虽然需要较高的承载能力，但下冲头中可以加两个挡板来增加其承载能力，且 要实现间歇要求，可靠性好，故采用凸轮机构完成下冲头的动作。综上所述，可初步确定两个方案， 如表中实线、虚线所示的方案方案1 ： A3+B4+C3+D1+E2方案2 ： A1+B3+C4+D2+E22.4、运动方案的确定方案示意图如下：16重庆交通大学方案一示意图图25 方案一方案二示意图17重庆交通大学图26 方案二2.5、方案评价机械运动方案的拟订和设计，最终要求通过分析比较

23、以提供最优的方案。一个方案的优劣通过系统综合评价来确定。下面用机械选型的评价体系，它可用视图的方法来表示：根据个评价指标相互关系，建立评价模型为：H=U *U *U *U *U12345在式中U =S +SU =S +S +S +S41122356U =S +S +S +S8U4=S +S +S +S U =S +S +S53791011121314151617上述表达式表示 U 、 U 、 U 、 U 、 U 各指标之间采用了乘12345法原则，而它们之间用了加法原则。根据题目要求，功能元比较如 表 1 ：方案中机构的性能、特点、评价表 1性能 具体指指标 标带传 齿轮 曲杆 简单 凸轮 蜗

24、轮18重庆交通大学机构 滑块 六杆 机构 蜗杆机构定比传动和移动A2 传动精度B1 应用范围B2 可调性高广很好 较差 一般 较好 较差 较差B3 运动精度B4 承载能力C1 加高大小值19重庆交通大学一般 较小 较大 较小较好 较好 一般 较好较好可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠D1 制造难度D2 制较难造误差 敏感 敏感 敏感敏感 敏感敏感性D较麻方便烦整方便性D4 能耗大小E1 尺寸一般 一般 一般 一般 一般 一般较大 较小 较小 较大 较小 较小较轻 较重 较轻 较轻 较重 较重EE3 结 简单 一般 一般 简单 复杂 复杂20重庆交通大学果复杂度表示上述两个机构方案的评价指标体系

25、、评价值及计算结果。表中，所以的指标值分为 5 个等 级 很好 ” 好 ” 较好 ”、“ 不太好 ” 、 “ 不好 ” ，分别用 1 、 0.75 、 0.5 、 0.25 、0 表示。如表2：表2SSSSSSSSS123456789UU110.750.750.750.750.750.750.750.7521UU30.5SS0.750.51011421重庆交通大学SSSSSS0.50.750.750.7556.95U50.7585.31H值由表中 H 值可知，方案 1 较方案 2 好，故可优先选用方案 1 为最终方案。2.6、运动循环图从上述工艺过程可以看出，由主动件到执行件有三支机构系统顺序

26、动作，画出 运动传递框图如下图 2722重庆交通大学运动循环图180 160 140 120 100 80 60 40 20 0340 320 300 280 260240 220 200180图27 循环图从整个机器的角度上看，它是一种时序式组合机构系统，所以要拟订运动循环 图 。以该主动件的转角为横坐标（ 0360 执行构件的位移为纵坐标画出位移曲线。运动循环图上的位移曲线主要着眼于运动的起迄位置，而不是其精确的运动规 律 。料筛从推出片坯的位置经加料位置加料后退回最左边（起始位置）停歇。下冲头即下沉 4mm （如下图中 腔入口处（如图 中 4mm 处时，下冲头开始上升，对粉料两面加压，这

27、时，上、下冲头各移动12mm （如图中 间约 0.2s ，即相当于主动件转 36 度左右。以后，上冲头先开始退出，下冲头稍后并稍慢地身上移动到和台面平齐，顶出成形片坯（ 如图中 ） 。下冲头停歇待卸片坯时，料筛已推进到形腔上方推卸片坯（如图中23重庆交通大学 ） 24cm 筛振动使筛中粉料筛入形腔（ 如图中 ） 而进入下一循环。2.7、尺度计算A. 上冲头B. 下冲头C. 对心直动滚子推杆盘形凸轮机构D. 曲柄滑块机构E 曲柄滑块机构F. 蜗轮蜗杆机构 蜗轮蜗杆机构料筛I.圆锥齿轮J. 圆锥齿轮K.L 传动齿轮M.传动齿轮传动蜗杆 电动机24重庆交通大学图28 方案说明图执行机构的尺寸计算根据

28、选定的驱动电机 ( 在图中没画出 ) 的转速 n=940r/min 和生产率为 24 件 / 分钟， 它传动系统的总速比为： I=940/24 =39.2k=1.2=180*( k-1)/(k+1)=180*(1.2-1)/(1.2+1)=16.4以下压力角和模数均取标准值 =20 m=5第一级皮带减速 I= 4 z =17 z = 6812第二级齿轮减速 I= 9.8 z =17 z = 16712已知如图：n =n =n =24 r/min ； n =n =24 r/min11561取蜗杆齿数 z =z =4d=50mm,=21 48 5 ; z3525重庆交通大学=z =53,则 ：n =n z /z =318r/min=n6456655N =n