机械原理课程设计压片机设计说明书

机械设计创新设计题目：干粉压片机学校：院系：机电学院专业：工程机械班级：09级2班设计者：指导老师：胡启国2012年5月刖百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和执行机构不同，干粉压片机可以分为单片式压片机，旋转式压片机，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冲压片机改制成国产18冲压片机，这是国内制造的最早制药机械；1957年，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”期间，航空航天部206所HZP26高速压片机研制成功。1980年，上海第一制药机械厂设计制造了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系列旋转式压片机相继出现：上海的ZP35A、山东聊城的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发展，最高产量一般都大于300000片/小时，最大预压力20kN,最大主压力80kN或10080kN。譬如，北京国药龙立科技有限公司的 GZPLS-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。国内压片机的现状：(1)压片机规格众多、数量大；(2)操作简单；(3)技术含量较低，技术创新后力不足。国外压片机的现状：高速高产、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。干粉压片机的研究现状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。对机构进行运动学分析可采用图解法分析和解析法分析.在此，我们采用解析法，应用c语言程序进行分析。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。文献［10］阐述了各种方案的拟定。根据各功能元的解， 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。文献［7］阐述了谐响应分析。分析动态响应实际上是解一个完整的动力学方程， 它是一个二阶常系数线性微分方程：［M］{x(t)}+［c］{x(t)}+［K］{x(t)}={P(t)}式中：［M］、［司、凶— 质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。x(t)、x(t)、x(t)--结点的加速度、速度和位移向量，它们均为时间的函数。fP(t)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，虽然优化后，第三阶固有频率处的位移比其他频率处较大(1.8xlO4)，但小于优化前该频率处的位移(2.1x104),更远远小于机器共振时的(1。6x10一)，振动量降低了接近10倍。(2)经过力的优化以后，由于对整体结构不存在激振力，所以一、二、四、五阶振型不会对动态性能产生影响。 (3)由于该压片机的实际工作转数在每分钟40—60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广泛，以干粉压片机为例，其中的冲压机构对压痕机的性能影响很大。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构组成的多杆机构。采用解析法，建立起 3种目标函数，运用罚函数法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,在蛭量M,A330mm的前提下，尽量取较小值，以避免总体结构过大；送料的左半行程£ L:与右半行程LZ4目围l连杆送料机构原理图当，以满足机构的对称性要求，因此设计第一目标函数为：Fl（x）=I165-LL1 I+I165+LL1I冲床的工作频率为每分钟 30次，为减少送料机构启动时所产生的冲击，使最大送料速度降低，设计送料最大加速度，即开始的加速度Ao与结束时的加速度4:满足第二目标函数：F2（x）=IA1+A2I该送料机构的摇杆长度 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支架高度人进行限制，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， 确定各目标的加权因子分别为 1、l、1、0.1、0.1。采用统一目标函数的加权组合法建立目标函数：F（x）=F1（x）+F2 （x）+F3（x）+0.1F4（x）+0.1F5（x）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本改善，因此该机构只适合于低中速连续生产的场合。结构优化的发展和研究现状文献[8]阐述了国内外压片机的创新与研究。 1.向高速高产量发展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)为了最大程度的提高设备利用率，降低设备使用成本，使设备的清洗更规范，WIP(washing—in—place)在位清洗的理念在更多的压片机上得到了贯彻。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，厚度为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TheDesignoftheDryPowdertabletPressingMachineABSTRACT:Withthedevelopmentofmodemscienceandtechnology，tabletpressingmachineisusedinmoreandmoreindustries.Hightechnology,highefficiencyandlowcosthavebecomethemostimportanttrendofcurrenttabletpressingmachine.Comparedwiththetabletpressingmachineofabroad,thetabletpressingmachinemadeinchinaissmallerscale,loweryield,lowertechnology.Drypowdertabletpressingmachineisamachinethatpressespowdertoaflatblank(30mmindiameter,5mminthickness).Basedonlowcostandsimplestructure,tothestudyofthetabletpressingmachineinthedissertation,contrastthroughtheprogramandpoweranalysistodesignasuitabletabletpressingmachine.Inthispaper,itisshowedthatthedesignprocessofthepressuremechanism,thefeedingmechanismandthetransmission.KeyWords: Tabletpressingmachine;Pressuremechanismofthecoupler;目录TOC\o"1-5"\h\z前言 2摘要 6.设计题目 8.工作原理以及工艺过程 8.原始数据以及设计要求 10.设计题目的分析 10.总功能分析 10.总功能分解 10.功能元求解 11.运动方案确定 12.方案的评价 14.运动循环图 15.尺度计算 16.下冲头对心直动滚子推杆盘形凸轮机 18.下冲头对心直动滚子推杆盘形凸轮机的位移曲线 19.干粉压片机各部件名称以及动作说明 19.参考书目 19.心得体会 19一、设计题目及目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。为了进一步掌握机械原理课程的理论知识，将课堂所学知识运用于实践，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。工作原理及工艺动作过程干粉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。Xh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1—1由图1—1工艺动作分解(1)料筛在模具型腔上方往复振动，将干粉料筛入直径为 26mm、深度为30mm的筒形型腔，然后向左退出45mm。(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。设计原始数据及设计要求压片成形机一般至少包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构在内的三种机构。画出机器的运动方案简图与运动循环图。拟定运动循环图时，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。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。设计计算齿轮机构。

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。编写3000字左右的设计计算说明书二、设计题目分析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。下面采用黑箱法进行分析：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。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——1能量广干粉 机械加工 *成品图2—1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：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筛料：要求筛子往复震动推出片坯：下冲头上升推出成型的片坯送成品：通过凸轮推动筛子来将成型的片坯挤到滑道上冲头往复直线运动，最好实行快速返回等特性。下冲头间歇直线运动。例如下表所示的树状功能图：上冲去间狄室政电动 同歇运动f恳0转性)下冲长间歙血稣运动干粉A片机下冲长间歙血稣运动图2—2树状功能分解2.3、根据功能的要求，进行功能元求解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:冲头送料机构成品顶出机构冲头送料机构成品顶出机构图2—3运动转换功能干粉压片机运动方案选择矩阵如图 2—4运动方案功能无场转元分解1134减速A带传动',一•一 齿轮传动、躯杆传动减速B传动1、黑杆伤动上冲头运动C送料机构D移动推杆阅柱凸轮蜗检蜗杆机构曲柄导杆滑块机构一可商7后耽移送崎武碎柄滑块机内柄提杆机二■构F冲头运助L双导杆间歇运、动机构\彩动凸粒机力’、（向题移动，曲线槽导H■机构方案1:方案2图2-4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。从此方案中剔除明显不合理的，在进行综合评价：是否满足运动要求；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。根据题目要求，功能元减速A而言，带传动结构简单，运转平稳，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主要作用是将胚料送到加工位置，且能实现间歇要求，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+E2运动方案的确定方案示意图如下：图2图2—6方案二、▲、户上息图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：

H根据个评价指标相互关系，建立评价模型为： H=U1*U2*U3*U4*U5在式中U1=Si+S2U2=S3+S4+S5+S6U3=S7+S8+S9+S10U4=S11+S12+S13+S14U5=S15+S16+S17上述表达式表示U1,U2、U3、U4、U5各指标之间采用了乘法原则,而它们之间用了加法原则。根据题目要求，功能元比较如表一1:方案中机构的性能、特点、评价1性能指标具体指标评价带传动齿轮机构曲杆滑块机构简单六杆机构凸轮机构蜗轮蜗杆机构A功能A1运动规律定比定比和移动定比任意性较差能达到有限精度基本上任意定比和移动A2传动精度高高高较局较局高B工作性台匕目匕B1应用范围较广广较广较广较广广B2可调性很好较差较好较差较差B3较局较局较局高较局高

运动精度B4承载能力大大大较大较/」、大CC1加速度峰值小小较大较大较/」、小C2噪音小小较小较大较/」、C3耐磨性较好较好较好差较好C4可靠性可靠可靠可靠可靠可靠可靠DD1制造难度较易较难易易难较难D2制造误差敏感性敏感敏感敏感不敏感敏感敏感D3调整方便性较为便较便较为便方便较麻烦方便D4能耗大小EE1尺寸较大较小较小较大较/」、较/」、

E2重量较轻较重较轻较轻较重较重E3结果复杂度简单简单复杂复杂表示上述两个机构方案的评价指标体系、评价值及计算结果。表中，为5个等级：“很好”、“好”、“较好”“不好”，分别用1 、0.75 、0.5 、0.25 、0表一2评价指标系统工程评价法方案一方案二UiSi0.750.75S210.75U2S310.75S40.750.5S50.751S60.750.75U3S70.750.75S80.750.5S90.750.5S100.750.75U4S110.750.5S120.50.5S130.750.5S140.50.5U5S150.750.75S160.50.75S170.750.75H值85.3156.95由表中H值可知，方案1较方案2好，故可优先选用方案所以的指标值分、“不太好”表不。如表一2:所以的指标值分、“不太好”表不。如表一2:1为最终方案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动作，画出运动传递框图如下图2—7运动循环图图2—运动循环图图2—7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（0~360 ）,以机构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o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②）。下冲头下沉完毕，上冲头可下移到型腔入口处（如图中③），待上冲头到达台面下4mm处时，下冲头开始上升，对粉料两面加压，这时，上、下冲头各移动12mm（如图中④），然后两冲头停歇保压（如图中⑤），保压时间约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⑥）。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）。然后，下冲头下移24cm的同时，料筛振动使筛中粉料筛入形腔（如图中⑧）而进入下一循环尺度计算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G.蜗轮蜗杆机构H.料筛I.圆锥齿轮J.圆锥齿轮K.L 传动齿轮M.传动齿轮N.传动蜗杆O.电动机图2—8方案说明图执行机构的尺寸计算根据选定的驱动电机（率为24件/分钟，在图中没画出）的转速n=940r/min它传动系统的总速比为：1=940/24k=1.20=1800*(k-1)/(k+1)=180*(1.2-1)/(1.2+1)=16.4和生产=39.2o以下压力角和模数均取标准值 a=20m=5第一级皮带减速1=4z1=17z2=68，2，2=30°'〃48055=265第二级齿轮减速I=9.8z1=17z已知如图：n1=n1=n1=24r/min取蜗杆齿数z3=z5=4z6=z4=53, 贝U:n5N3 '=n4z取z5=20z3=17zd=mz=1325mmS3=arctan17/30=29.52=167;n5=n6=24r/minTOC\o"1-5"\h\z,则查表可知：d=50mm, 0=21=n6z6/z5 =318r/min=n4/z3 =318r/min=n 3一,‘‘ ‘贝Uz1=n5z5/n1S2'=90 °-29.5 0