材料成型設備課程設計

1、<p>　　蠆螆芁蒆薅螅莄羋袃螅肅蒄蝿螄膆芇蚅螃羋蒂薁袂羈芅蕆袁肀蒀螆袀膂芃螂衿蒞蕿蚈衿肄莂薄袈膇薇蒀袇艿莀螈袆罿薅蚄羅肁莈薀羄膃薄蒆羃莆莆裊羃肅腿螁羂膇蒅蚇羈芀羋薃羀罿蒃葿罿肂芆螈肈膄蒁蚄肇芆芄薀肇羆蒀薆肆膈莂襖肅芁薈螀肄莃莁蚆肅肅薆薂蝕膅荿蒈蝿芇薄螇螈羇莇蚃螇聿薃蠆螆芁蒆薅螅莄羋袃螅肅蒄蝿螄膆芇蚅螃羋蒂薁袂羈芅蕆袁肀蒀螆袀膂芃螂衿蒞蕿蚈衿肄莂薄袈膇薇蒀袇艿莀螈袆罿薅蚄羅肁莈薀羄膃薄蒆羃莆莆裊羃肅腿螁羂膇蒅蚇羈芀羋薃羀罿蒃葿

2、罿肂芆螈肈膄蒁蚄肇芆芄薀肇羆蒀薆肆膈莂襖肅芁薈螀肄莃莁蚆肅肅薆薂蝕膅荿蒈蝿芇薄螇螈羇莇蚃螇聿薃蠆螆芁蒆薅螅莄羋袃螅肅蒄蝿螄膆芇蚅螃羋蒂薁袂羈芅蕆袁肀蒀螆袀膂芃螂衿蒞蕿蚈衿肄莂薄袈膇薇蒀袇艿莀螈袆罿薅蚄羅肁莈薀羄膃薄蒆羃莆莆裊羃肅腿螁羂膇蒅蚇羈芀羋薃羀罿蒃葿罿肂芆螈肈膄蒁蚄肇芆芄薀肇羆蒀薆肆膈莂襖肅芁薈螀肄莃莁蚆肅肅薆薂蝕膅荿蒈蝿芇薄螇螈羇莇蚃螇聿薃蠆螆芁蒆薅螅莄羋袃螅肅蒄蝿螄膆芇蚅螃羋蒂薁袂羈芅蕆袁肀蒀螆袀膂芃螂衿蒞蕿蚈衿肄莂薄袈膇薇蒀

3、袇艿莀螈袆罿薅蚄羅肁莈薀羄膃薄蒆羃莆莆裊羃肅腿螁羂膇蒅蚇羈芀羋薃羀罿蒃葿罿肂芆螈肈膄蒁蚄肇芆芄薀肇羆蒀薆肆膈莂襖肅芁薈螀肄莃莁蚆肅肅薆薂蝕膅荿</p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　J21-400伺服曲柄壓力機設計分析</p><p>　　學 院： 機械工程學院 </p><p

4、>　　專 業(yè)： 材料成型及控制工程 </p><p>　　學生姓名： ### </p><p>　　學 號： 03####### </p><p>　　指導教師： *** </p><p><b>　　2012 年

5、7月</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 引言1</p><p>　　1.1 伺服壓力機的最新進展1</p><p>　　1.2 本設計的技術(shù)參數(shù)與設計內(nèi)容5</p><p>　　1.3 本設計的目的與意義5<

6、/p><p>　　第二章 伺服曲柄壓力機的設計分析6</p><p>　　2.1 工作原理6</p><p>　　2.2 運動分析6</p><p>　　2.3 受力分析10</p><p>　　第三章 伺服曲柄壓力機的設計計算14</p><p>　　3.1 動力系統(tǒng)

7、設計14</p><p>　　3.2 工作機構(gòu)設計15</p><p>　　第四章 伺服曲柄壓力機的設計制圖16</p><p>　　4.1 工作機構(gòu)設計制圖16</p><p>　　4.2 整機結(jié)構(gòu)設計制圖17</p><p>　　第五章 結(jié)束語18</p><p

8、><b>　　符號說明</b></p><p><b>　　為連桿作用力</b></p><p><b>　　為導軌作用力</b></p><p><b>　　為負載作用力</b></p><p><b>　　標稱壓力</b>&

9、lt;/p><p><b>　　為連桿長度系數(shù)</b></p><p><b>　　為曲柄轉(zhuǎn)角</b></p><p><b>　　為滑塊固定行程</b></p><p><b>　　為標稱壓力行程</b></p><p><b&

10、gt;　　為壓力行程次數(shù)</b></p><p><b>　　為電動機功率</b></p><p><b>　　為電動機設計功率</b></p><p><b>　　為電動機轉(zhuǎn)矩</b></p><p><b>　　為曲柄受轉(zhuǎn)矩</b><

11、/p><p>　　為曲柄在標稱壓力角處扭矩值</p><p><b>　　為曲軸上的總轉(zhuǎn)矩</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　1.1伺服壓力機的最新進展</p><p>　?。?）伺服壓力機的發(fā)展歷程</p><p>　

12、　傳統(tǒng)的機械式壓力機其傳動方式主要是由電機的轉(zhuǎn)動經(jīng)過飛輪、曲軸連桿機構(gòu) 轉(zhuǎn)變成滑塊的直線運動, 并用離合器控制滑塊的運動與停止。壓力機的歷史相對于機械工業(yè)來 說非常長,但是它的革新進展卻非常慢。自從1 9 60 年歐洲和美國聯(lián)合開發(fā)了連桿機構(gòu)與連桿運動以來, 驅(qū)動機構(gòu)與壓力機滑塊運動已經(jīng)有4 0 年沒有明顯的改變或進步?，F(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展要求壓力機不僅能夠高速度、高精度、大負載地運轉(zhuǎn),而且應具有更大的柔性,能迅速、方便地改變輸出運動規(guī)律

13、。近年來,快速發(fā)展的粉末成形、難成形材料成形、復雜形狀零件成形、復合成形以及高精度成形技術(shù)對沖壓設備的工作性能提出了更嚴格的要求,迫切需要開發(fā)新一代柔性機械壓力機。隨著微電子技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速進步,各種電機調(diào)速與伺服控制技術(shù)獲得了突飛猛進的發(fā)展,經(jīng)歷了從步進伺服系統(tǒng)到直流伺服系統(tǒng),進而到交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的應用幾乎遍及社會的各個領(lǐng)域,尤其是在制造業(yè)中應用最廣,各種機床運動部件的速度控制、運動軌跡控制、位置

14、控制等,都是利用各種伺服控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。可以說,電機調(diào)速與伺服控制技術(shù)的發(fā)展,對我國裝備制造業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展起到了重要的</p><p>　　目前，國內(nèi)對于伺服壓力機的研究也日趨廣泛和深入。廣東工業(yè)大學孫友松教授等對直流伺服電動機直接驅(qū)動的機械壓力進行了深入的研究，采用超大容量的電容構(gòu)成的“電子飛輪”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械壓力機的飛輪。天津大學孟彩芳教授也研究了交流伺服混合輸入式機械壓力機。于2004年、 2005年又

15、分別開發(fā)出了24000kN 和25000 k N 世界最大級的機械肘桿式伺服壓力機, 隨后日本KOMATSU 也開發(fā)了30000 kN 多工位伺服壓力 機。近幾年, 中國的浙江鍛壓機械集團、 江蘇徐州鍛壓機床廠集團有限公司 、揚州鍛壓機床集團 有限公司等推出了1000kN 以下的機械曲柄式伺服壓力機。 2007年, 濟南二機床廠開發(fā)出一種10000kN 級的混合驅(qū)動型伺服壓力機,2008年齊齊哈爾第二機床集團公司開發(fā)了10000kN 級

16、的 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機械式伺服壓力機, 廣東鍛壓機床廠也開發(fā)了一種機械肘桿傳動式的2000kN 級伺服壓力機, 在國內(nèi)形成了一股壓力機伺服化的潮流 。隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展，一種新型的動力系統(tǒng)——開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)（Switched Reluctance</p><p>　?。?）伺服壓力機的未來趨勢</p><p>　　伺服壓力機所具有的復合性、高效性、

17、高精度、高柔性、低噪聲、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，充分體現(xiàn)了鍛壓機床的未來發(fā)展趨勢。伺服壓力機可根據(jù)不同的生產(chǎn)需要設定不同的行程長度和成形速度，同時，能夠始終保證下止點的成形精度，有效抑制了產(chǎn)品的毛刺等的出現(xiàn)。伺服壓力機運行噪音超低，沖壓工件時噪聲也很小，大大優(yōu)化了工作環(huán)境；同時，模具振動小，可大幅度提高模具壽命。由于沒有傳統(tǒng)機械壓力機的飛輪、離合器、制動器部分，節(jié)省了電力和潤滑油用量等，使機器使用成本大大降低?？傊欧毫C已突破了常規(guī)機械壓

18、力機的概念，它的出現(xiàn)必將引起一場機械壓力機的革命。由于交流伺服電機及其驅(qū)動裝置價格昂貴，目前伺服壓力機的應用受到限制。造成這一問題的主要原因是大功率伺服電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)目前基本被國外所壟斷。隨著國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的開發(fā)以及與進口產(chǎn)品的競爭，市場價格會迅速降低，伺服技術(shù)在成形裝備的應用領(lǐng)域也會越來越廣。</p><p>　　經(jīng)過百余年的發(fā)展，常規(guī)成形設備的品種已基本發(fā)展成為規(guī)格齊全、結(jié)構(gòu)成熟、輔機完整的系列產(chǎn)品。近年

19、來，伺服壓力機得到了很快的發(fā)展，成形設備的面貌正在發(fā)生根本的變化。伺服壓力機正朝著精密、高質(zhì)、高效、節(jié)能、低噪聲及可持續(xù)發(fā)展的方向邁進。具體來說，大體有以下幾點：</p><p>　　1）、高自動化、成套成線化。這是現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然要求，也是控制技術(shù)、物流技術(shù)、計算機技術(shù)等各個方面綜合水平提高的體現(xiàn)。以汽車覆蓋件沖壓設備為例，有兩大發(fā)展趨勢：一是側(cè)重于柔性生產(chǎn)的高性能壓力機生產(chǎn)線配以自動化上下料機械手;二是采用大

20、型多工位壓力機。兩種工藝類型均體現(xiàn)了鍛壓機床向高自動化、成套成線化發(fā)展的趨勢。</p><p>　　2）、節(jié)能、精密、高效。這不僅是設備用戶的要求，同時也是設備制造商不變的追求，只不過在機床技術(shù)日新月異的今天，節(jié)能、精密、高效被賦予了更加豐富的內(nèi)涵。</p><p>　　3）、高速度、多功能也是成形設備追求的目標之一。高速壓力機的行程數(shù)基本都提高到1000次/min以上，為了滿足高速壓力機

21、對速度和精密性的要求，高速精密壓力機都在加大轉(zhuǎn)矩、降低噪聲、提高剛性、減少發(fā)熱、保持滑塊運行平穩(wěn)等方面采取措施，以保證壓力機在生產(chǎn)線上高速運行，確保制件合格。</p><p>　　4）、在設備規(guī)格上，微型與大型并重。為了滿足汽車、電子、信息、生物等領(lǐng)域的需求，成型設備的規(guī)格正在向兩極擴展。</p><p>　　隨著可持續(xù)發(fā)展、綠色生產(chǎn)的呼聲越來越高，在成形設備中注重安全生產(chǎn)與環(huán)境保護、強調(diào)

22、可持續(xù)發(fā)展的傾向也表現(xiàn)得更加明顯。</p><p>　　1.2本設計的技術(shù)參數(shù)與設計內(nèi)容</p><p><b>　　伺服曲柄壓力機,</b></p><p>　　標稱壓力Fg=4000KN; </p><p>　　固定行程：S=250mm；</p><p>　　標稱壓力行程sg=15mm &

23、lt;/p><p>　　壓力行程次數(shù)n=30次/min；</p><p><b>　　連桿系數(shù)λ=0.1</b></p><p>　　1.3本設計的目的與意義</p><p>　　成形機械是制造業(yè)的重要的裝備之一，它也是信息產(chǎn)品、電器機械、汽 車、儀器等行業(yè)中最主要的裝備。我國高檔鍛壓機床制造技術(shù)的落后，不但耗 費大量外匯，

24、而且受制于人，嚴重影響了國家的核心競爭力。機械壓力機是最 主要的鍛壓機床，也是汽車、電器機械、電子信息、儀器儀表、國防工業(yè)等制 造業(yè)最重要的工藝裝備之一。本設計的目的與意義有以下幾個方面：①提高壓力機的通用性及智能化水平。由于具有伺服功能，滑塊運動曲線不再僅僅是正弦曲線，而是可以根據(jù)工藝要求進行優(yōu)化設計的任意曲線。②提高壓力機滑塊運動精度。由于采用位置全閉環(huán)控制，在曲軸、滑塊上分別裝有測量曲軸位置和滑塊位置的傳感器，滑塊在壓力機工作全程

25、中都具有高的運動控制精度。③提高壓力機生產(chǎn)率。由于其保留了曲柄壓力機的優(yōu)點，而生產(chǎn)率遠高于液壓機，體現(xiàn)了液壓機的加工質(zhì)量與機械壓力機的生產(chǎn)效率。④節(jié)能。常規(guī)曲柄壓力機中驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，靠飛輪轉(zhuǎn)動慣性，通過離合器控制滑塊運動。而伺服電動機驅(qū)動壓力機，完全靠電動機的扭矩工作，無離合器，由電動機驅(qū)動單元控制電動機的起停。因省去了飛輪，電動機在沖壓時才旋轉(zhuǎn)，又由于沒有離合器，使普通曲柄壓力機電動機和飛輪空</p>&

26、lt;p>　　伺服曲柄壓力機的設計分析</p><p>　　2.1伺服曲柄壓力機的工作原理</p><p>　　圖2-1、 工作原理圖</p><p>　　1—電動機 2—小帶輪 3—大帶輪 4—小齒輪 5—大齒輪 6—離合器 7—曲軸 8—制動器 9—連桿 10—滑塊 11—上模 12—下模 13—墊板 14—工作臺 15—導軌 16—機身 17—轉(zhuǎn)軸<

27、;/p><p>　　工作原理：電動機1通過v帶把運動傳給大帶輪3，再經(jīng)過小齒輪4、大齒輪5傳給曲柄7，通過連桿9轉(zhuǎn)換為滑塊10的往返直線運動，若在滑塊10和工作臺14上分別安裝上、下模，可完成相應的材料成形工藝。</p><p><b>　　2.2運動分析</b></p><p>　　圖為一通用壓力機曲柄滑塊機構(gòu)簡圖，點為曲柄回轉(zhuǎn)中心，點為連桿與曲

28、柄的連接點，點位連桿與滑塊的連接點，曲柄半徑為，連桿長度為,以角速度旋轉(zhuǎn)，逆時針為正向，點以速度作往復直線運動，為點距下死點的距離，為曲柄與鉛垂線的夾角。</p><p>　　滑塊位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系</p><p>　　圖2-2 結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　1、滑塊位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系</p><p><b>　?。?-1）&

29、lt;/b></p><p>　　式中，R為曲柄半徑，L為連桿長度</p><p>　　令 （2-2）</p><p><b>　　式中，為連桿</b></p><p><b>　　由圖知 si

30、n</b></p><p>　　則 cos （2-3）</p><p>　　根據(jù)幾何關(guān)系將位移式整理得</p><p>　　S=R （2-4）</p><p>　　利用牛頓二項式定理展開成級數(shù)得</p>&l

31、t;p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　又 cos1- (2-6)</p><p><b>　　代入式（2-4）得</b></p><p>　　S=R （2-7）</p>

32、<p>　　式中，s為滑塊行程;為曲柄轉(zhuǎn)角；R為曲柄半徑；L為連桿長度。</p><p>　　2、滑塊速度與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系</p><p>　　在利用微分方程v=求速度時，s應為質(zhì)點所走過的路程，故有</p><p><b>　　v= =‐</b></p><p>　　將式（2-7）代入上式，又由于上述相同原理

33、，有，將上式整理后得</p><p>　　v= （2-8）</p><p>　　式中，v為滑塊速度，方向向下為正；為曲柄角速度，逆時針為正。</p><p>　　3、滑塊的加速度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系</p><p>　　將式（2-8）對時間求導得滑塊加速度</p><p><b&

34、gt;　　a=</b></p><p>　　=‐ （2-9）</p><p>　　式中，a為滑塊加速度，向下為正。</p><p>　　將數(shù)據(jù)分別代入式（2-7）、（2-8）、（2-9）得</p><p><b>　　S=125（mm）</b></p><p&g

35、t;　　V=125（mm/s）</p><p><b>　　a=-125</b></p><p>　　位移、速度、加速度隨角變化曲線如圖</p><p><b>　　表1</b></p><p><b>　　2.3受力分析</b></p><p><

36、;b>　　設</b></p><p>　　1)、連桿與滑塊受力分析：</p><p>　　圖2-3、曲柄滑塊機構(gòu)受力簡圖</p><p><b>　　對于滑塊，</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　一般情況下，，且通

37、用壓力機的 </p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　2）、曲軸受轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　圖2-4、曲軸受力分析圖</p><p>　　由曲軸受力分析知，曲

38、軸受連桿作用力,齒輪驅(qū)動力和機床支承力作用,其所受轉(zhuǎn)矩為</p><p><b>　　（2-13）</b></p><p><b>　　又 </b></p><p>　　因為 </p><p><b>　　故 </b></p

39、><p>　　所以 （2-14）</p><p>　　式中，R為曲柄半徑，為曲柄所受轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　式（2-14）描述了曲軸受轉(zhuǎn)矩、工件變形抗力F和曲軸轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，當F值一定時，曲軸所受轉(zhuǎn)矩隨值變化，越大，越大；當一定時，機構(gòu)能承受的工件變形抗力側(cè)隨值的減小而增加，即在較小的值下，能承受的工件變形

40、抗力較大。在滿足一定工作行程的情況下，我們定義一臨界角（標稱壓力角），在此點能承受的工作變形抗力稱標稱壓力，壓力機工作時壓力全部小于，此點作為機構(gòu)設計的計算基礎(chǔ)。在臨界角點，式（2-14）可寫為</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　令 </p><p>　　則

41、 （2-16）</p><p>　　3)、 壓力機許用負荷圖</p><p>　　通常情況下可以認為是恒定的，以標稱壓力點作為計算依據(jù)，則有</p><p><b>　　（2-17）</b></p><p>　　式（2-17）即為理想狀態(tài)下滑塊的許用負荷圖，考慮到

42、機械的強度和剛度，對時，限定F=。</p><p>　　標稱壓力：Fg=4000KN 0°<α<90°曲柄半徑R=125mm。</p><p><b>　　標稱壓力角</b></p><p><b>　　許用扭矩</b></p><p>　　=4000*125*(si

43、n27.08+0.05 sin54.16)</p><p>　　=248 (KN*m)</p><p>　　=1984((KN)</p><p><b>　　=30°時， </b></p><p><b>　　=60°時， </b></p><p><

44、;b>　　=90°時，</b></p><p>　　第三章 伺服曲柄壓力機的設計計算</p><p><b>　　3.1動力系統(tǒng)設計</b></p><p>　　1）、當標稱壓力行程為時</p><p>　　理論電機功率在曲軸上的動力轉(zhuǎn)矩計算，</p><p><

45、b>　　工件變形功：</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，為工件變形功；為標稱壓力；為板料厚度。</p><p><b>　　有效能量：</b></p><p><b>　　工作能量：</b></p>

46、<p><b>　　電機功率：</b></p><p>　　2）、考慮伺服曲柄壓力機，無離合器，電機在曲軸轉(zhuǎn)角180度范圍內(nèi)儲能，電機功率應設計為：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　考慮開關(guān)磁阻電機具備起動轉(zhuǎn)矩2倍以上的過載能力，設計電機功率為71kW。</p>

47、<p>　　3）、電動機的扭矩為：</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　在設計時不可在理想狀態(tài)下工作：</p><p>　　曲軸上的總轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　因未知，所以取</b></p><p><b>

48、　　工作時壓力：</b></p><p>　　取標稱壓力點處曲軸受轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　帶入數(shù)據(jù)得：</b></p><p><b>　　因此取 </b></p><p><

49、;b>　?。?-4）</b></p><p>　　由曲軸轉(zhuǎn)矩分析， 得到如下關(guān)系式：</p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　第四章 伺服曲柄壓力機的設計制圖</p><p>　　4.1 工作機構(gòu)設計制圖</p><p>　　1-連桿 2-軸瓦 3-

50、曲瓦 4-打料橫桿 5-滑塊 6-調(diào)節(jié)螺桿 7-下支承座 8-保護裝置 9-鎖緊螺釘 10-鎖緊塊 11-磨具夾持塊 12-鎖緊塊導向銷</p><p>　　4.2 整機結(jié)構(gòu)設計制圖</p><p>　　工作臺 2-滑塊部件 3-曲柄連桿機構(gòu) 4-機身部件 5-反饋系統(tǒng) </p><p>　　6-伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng) 7-計算機控制系統(tǒng)</p>

51、<p><b>　　第五章 結(jié)束語</b></p><p>　　交流伺服電機驅(qū)動的壓力機可提高設備的自動化、智能化水平，改善壓力機的工作特性，是新一代成形設備的發(fā)展方向。伺服壓力機可根據(jù)不同的生產(chǎn)需要設定不同的行程長度和成形速度，同時，能夠始終保證下止點的成形精度，有效抑制了產(chǎn)品的毛刺等的出現(xiàn)。伺服壓力機運行噪音超低，沖壓工件時噪聲也很小，大大優(yōu)化了工作環(huán)境；同時，模具振動小，

52、可大幅度提高模具壽命。由于沒有傳統(tǒng)機械壓力機的飛輪、離合器、制動器部分，節(jié)省了電力和潤滑油用量等，使機器使用成本大大降低。伺服壓力機已突破了常規(guī)機械壓力機的概念，它的出現(xiàn)必將引起一場機械壓力機的革命?？梢韵胂?，伺服壓力機將在一些重要制造領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品、汽車等精密制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，并將逐步取代液壓機、普通機械壓力機、機械折彎機、螺旋壓力機等，引領(lǐng)壓力機的發(fā)展方向。伺服壓力機已突破了常規(guī)機械壓力機的概念，它的出現(xiàn)必將引起一場機