（机械电子工程专业论文）在线气动冲孔机的设计与研究.pdf

摘要 摘要 聚氨酯泡沫门片生产线是我校应福建漳州杰龙机电设备有限公司的 要求研制的。本文所设计及研究的在线冲孔机是整个生产线课题的一个 重要组成部分。 本文首先根据冲孔机的工作环境和要求，借鉴相关资料，提出其设 计方案。并对系统的重要部分一同步凸轮机构的设计进行了探讨。 冲裁力的大小直接影响到系统气动部分的动态特性，而传统的冲裁 力计算方法误差比较大，更重要的是它得到的只是整个冲裁过程中的最 大冲裁力，所以本文接着用有限元方法对冲裁力进行研究，为后续的气 动部分动态特性分析奠定了基础。 气动部分动态特性分析是本文的一个重点，本文利用s i m u l i n k 建立 了系统气动部分的动态特性仿真模型，基于模型可以很方便且形象地得 到所需的动态特性，如运动特性、压力特性，更重要的是从充气腔开始 充气到活塞运行至行程终点所需的时间。而且本文还对气动部分工作周 期进行分析，得出了一些主要参数对其影响及可行的减小其大小的方法。 最后，本文通过实验验证了系统设计方案的可行性，同时也验证了 动态特性分析方法对气动动力系统设计的有效性。并且对系统出现的一 些问题进行了相关的分析，为今后的改正及发展奠定了基础。 本文对在线气动冲孔机的研究，对其能在聚氨酯泡沫门片生产线上 的成功运行提供了一定的理论支持与实践经验，具有较强的理论价值和 工程实用价值；同时，对类似设备的研制也具有一定的参考价值。 关键词：在线，气动冲孔机，凸轮机构，动态特性 a b s t r a c t t h ep o l y u r e t h a n ef o a md o o rp r o d u c t i o nl i n ei s d e v e l o p e df o rj i e l o n g e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n tc o ，l t d i nz h a n g z h o u ，f u j i a n t h eo n l i n e p u n c h i n gm a c h i n et h a ti sd e s i g n e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e ri sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to ft h es u b j e c to ft h ep r o d u c t i o nl i n e i nt h i sp a p e r , u n d e ri t s w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dr e q u i r e m e n t s ，t h e d e s i g np r o p o s a lf o rt h ep u n c h i n gm a c h i n ei sf i r s t l yp r o p o s e dd r a w i n go n r e l e v a n ti n f o r m a t i o n a n dt h ed e s i g no fi t si m p o r t a n tp a r t s y n c h r o n o u sc a m m e c h a n i s mi sd i s c u s s e d b l a n k i n gf o r c ei m m e d i a t e l yi n f l u e n c e s t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f p n e u m a t i cp a r t ，b u tt h ee r r o ro ft r a d i t i o n a lc o m p u t a t i o n a lm e t h o df o rb l a n k i n g f o r c ei sr e l a t i v e l yl a r g e ，a n dw h a ti sm o r ei m p o r t a n ti st h ef a c tt h a tt h e t r a d i t i o n a lm e t h o dc a no n l yo b t a i nt h el a r g e s ti nt h ep r o c e s so ft h e e n t i r e b l a n k i n g ，t h e r e f o r et h i sp a p e rt h e nu s e sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc o n d u c tt h e r e s e a r c ho nb l a n k i n gf o r c e ，w h i c hh a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n g d y n a m i ca n a l y s i so fp n e u m a t i cp a r t t h ed y n a m i ca n a l y s i so fp n e u m a t i cp a r ti sak e y p o i n t ，t h i sp a p e ru s e s s i m u l i n kt oe s t a b l i s has i m u l a t i o nm o d e lf o rt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f p n e u m a t i cp a r t b a s e do nt h em o d e l ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct h a tw ew a n t m i g h tb eo b t a i n e dc o n v e n i e n t l ya n dv i v i d l y t h ec h a r a c t e r i s t i ci n c l u d e st h e s t a t eo fm o t i o n ，t h ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dm o r ei m p o r t a n t l yt h et i m e n e e d e df r o mi n f l a t a b l ec a v i t ys t a r t st ob ei n f l a t e dt ot h ep i s t o nr u n sb yt h ee n d o ft h et r i p t h i sp a p e ra l s of o c u s e so nt h ea c t i o nc y c l eo f p n e u m a t i c p a r t ，t h e n o b t a i n st h ei n f l u e n c eo fs o m em a i np a r a m e t e r so nt h ec y c l ea n ds o m ef e a s i b l e m e t h o d sw h i c hc a nr e d u c ei t ss i z e f i n a l l y , t h i sp a p e re x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fs y s t e md e s i g n ， i i i 武汉工程大学硕士学位论文 s i m u l t a n e o u s l yc o n f i r m st h ee f f e c t i v e n e s so fd y n a m i ca n a l y s i sm e t h o df o r p n e u m a t i cs y s t e md e s i g n a n do ns o m ep r o b l e m st h a ta p p e a r e dt h er e l a t e d a n a l y s i sh a sb e e nd o n e ，h a sl a i dt h ef o u n d a t i o n f o rt h ec o r r e c t i o na n d d e v e l o p m e n t t h er e s e a r c ho no n l i n ep n e u m a t i cp u n c h i n gm a c h i n ei nt h i sp a p e r p r o v i d e sc e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i sa n ds o m ep r a c t i c a le x p e r i e n c e sf o rt h e p r o d u c t i o nl i n e ss u c c e s s ，h a v i n gas t r o n gt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a lv a l u e f o ro t h e rs i m i l a re q u i p m e n t ，i ta l s oh a sd e v e l o p e ds o m er e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：o n l i n e ，p n e u m a t i cp u n c h i n gm a c h i n e ，c a mm e c h a n i s m ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密o 。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：韧饥伙 瓣e 只f b 指导教师签名：磊文侈 刹年月j 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究目的 1 1 1 课题的来源 随着汽车工业的发展和生活水平的提高，轿车开始进入家庭，车库 门的需求量日益增加。进入2 1 世纪，我国房地产市场每年以2 0 以上的 速度增长，其中，城镇住宅6 亿平方米，农村住宅7 亿平方米，公共和 工业建筑7 亿平方米。在总共2 0 多亿平方米的建筑中，门窗的需求量高 达5 亿平方米。另外，面对依然严峻的能耗和污染形势，国家将通过进 一步完善有利于节能减排的财税政策，以确保“十一五”节能减排目标 的实现，当前和今后一个时期，国家将制定和完善鼓励节能减排的税收 政策，加大节能减排投入，建立政府引导、企业为主和社会参与的节能 减排投入机制。聚氨酯泡沫作为世界上最好的保温材料之一，它的研究 与应用具有很大的意义。随着汽车工业、房地产业的发展和住宅等节能 设计标准的推广实行，聚氨酯泡沫门窗的应用前景将十分广阔。 聚氨酯泡沫门片生产线最初在国外研制成功。2 0 0 1 年大连舒心科技 建材有限公司首先从德国引进该生产线，并开始生产产品。目前国内已投 产的辊压生产线大多从国外引进，引进这样的生产线需要上千万元，投 资巨大。而外商主要提供设备，对相关技术资料则严格封锁，一旦该类 生产线的某一辊轮因磨损而失效或出现其他一些小问题，则整条生产线 将会瘫痪。为尽快缩短与世界先进水平的差距和满足我国现代化建设的 需要，深入研究辊压成型工艺及开发生产线是非常必要的。 近几年国内有一些厂家，如宜兴市晨阳冶金材料有限公司、江苏无 锡市华中冷弯机械设备有限公司和任丘市顺合门业设备厂等开始研制此 类生产线，但都不太成功。应福建漳州杰龙机电设备有限公司之邀，我 校开始研制聚氨酯泡沫门片生产线。 武汉工程大学硕士学位论文 聚氨酯泡沫门片生产线中，门片成型机用于成型门片的型腔，聚氨 酯发泡机则向门片型腔内填充聚氨酯泡沫，以增加门片的强度，并使门 片具有隔音和保温功能。文献 1 5 、 1 7 已分别对它们有所研究。按照 工艺要求，产品的一侧均匀分布细长的孔。为了完成这一工艺，并配合 生产线其他部分的工作，我们还需要一在线冲孔机，即在线冲孔机的主 要任务就是对在生产线上流动的半成品带材实施在线冲孔。在线冲孔机 的研制对聚氨酯泡沫门片生产线的成功运行至关重要，它是整个生产线 课题的一个重要组成部分。 1 1 2 课题的研究目的 如果从1 8 3 9 年英国成立的s c h u b l e r 公司算起，现代冲压技术已有 一百多年的历史。目前，一些工业国家都拥有世界水平的冲压公司和冲 压技术。冲压生产的作业形式已从过去的简单手工制作发展到现在的冲 压机械化，自动化，甚至无人操作。我国的冲压设备生产，经过几十年 的努力奋斗，已经达到接近国际先进技术水平阶段，现已拥有多种类型 可用于冲压的大型压力机( 或冲床) 。同时，有很多厂家也研发了专门用 于某些特殊场合的简易式冲压系统。但随着冲压工艺越来越广泛的应用， 以及需求的多样化等，冲压设备的发展也显现出它的不完善。例如由于 不同应用场合及经济等原因，现在的供应状况仍然不能完全满足或适应 我们的各种具体的、特定的需要。考虑到成本及特殊应用场合等因素， 因此，我们需要自行开发这一在线冲孔系统。 本文所涉及的系统为一个在线系统，按工艺要求，孔是均匀分布在 一条直线上，即孔与孔之间的距离是相等的，冲孔的密度较大( 孔间距 1 5 m m ，孔长1 5 m m ) ，加上所涉及的冲件( 半成品带材) 为双层，且其是以 较高速度( 4 - 、, 5 m m i n ) 在生产线流动。这样一来，系统的动态特性的要 求会较高，其表现也会较复杂，所以系统设计的可行性，以及如何实现 等研究便十分必要，这也正是本文的研究目的。 2 第1 章绪论 1 2 冲压设备及其动态特性研究状况 1 - 2 1 冲压设备概况 冲压技术是目前被广泛应用的金属压力加工方法之一，它具有效率 高、质量好、能量省、成本低的特点，所以工业先进的国家越来越多地 采用冲压技术来代替切削技术和其他加工技术。冲压技术广泛应用于汽 车工业、农业机械、家用电器、电子仪表、国防工业以及日用品等生产 部门。而冲压设备是完成冲压工艺的先决条件，当今国内外的冲压设备 其冲压系统主要有机械式和液压式两种。机械式主要有曲柄压力机，它 通过曲柄滑块机构将旋转运动转变为往复运动，曲柄滑块机构主要由曲 轴、连杆和滑块等零件组成。另外，为了控制曲柄压力机工作机构的运 动和停止，压力机必须安装离合器和制动器，因而，这种冲压机部件多， 结构复杂，体积笨重，噪声大，生产周期长，成本高，使用不灵活，且易 于发生人身伤害事故。曲柄压力机是比较传统的压力机，目前，在国内大 多数中小企业中，冲压设备仍以机械式冲床为主。 液压式压力机采用液压传动系统来代替曲柄滑块机构，普通液压机 液压系统如图1 1 所示。 图1 1 普通冲压机液压系统原理图n 3 武汉工程大学硕士学位论文 y a l 得电时液压油经泵1 、流经电磁阀2 左位进入液压缸下腔，上腔 的油经液控单向阀3 ，电磁阀2 ，流回油箱，活塞杆带动滑块向上运动。 y a 2 得电时电磁阀2 右位工作，活塞杆带动滑块向下运动，冲压工件。 液压式压力机除了具备传统的机械式压力机一般特点之外还有以下 优点： 1 ) 结构简单，加工制造方便。采用液压传动不需飞轮、曲柄连杆机 构、离合器和制动器等复杂构件，可选择通用化程度较高的标准液压元 件，降低了制造成本。 2 ) 液压系统运动平稳、易调速、行程可控，其动力传动为“柔性 传动，可以实现过载保护，能控制滑块的速度和位置。 3 ) 可以由液压系统来调整冲压力大小，并能在整个行程中提供所需 的最大工作压力，可避免机器过载的情况。传统数控压力机只能在压力 角范围内承受额定工作载荷，且大小不能变化。而液压数控压力机的冲 压力大小可由液压系统调定，是可以变化的。同时，采用液压传动的数 控压力机通用性强，适合于多种冲压工艺，除了能冲孔外，还可进行压 印、弯曲、成形等工艺，同时还适于冲压各种材料和不同板厚瞳1 。 4 ) 噪声降低，振动减小，基本上只有板材冲断的声音。 5 ) 冲压频率提高，液压传动简单，运动部件少，控制方便。 当今国外生产的冲压设备几乎全都是液压传动式数控压力机。 随着冲压工艺应用的不断广泛，上述两种冲压系统已经不能完全满 足我们的需要。于是，人们根据不同工作环境等实际情况开发了各种不 同的冲压系统。例如：文献 5 介绍了用直线电机直接驱动的冲压机( 简 称电磁冲压机) 的基本工作原理、结构和性能，和传统式机械冲压机相 比，直线电机驱动的冲压机具有结构简单，体积小，重量轻，制造周期 短，成本低，控制方便，噪音低和省能等优点；文献 6 介绍了利用气缸 作为动力源的气动端面图案自动冲压机的结构，分析了该机的工作原理 及特点。 4 第1 章绪论 1 2 2 冲压设备动态特性的研究现状 随着冲压设备应用的越来越广泛，人们对它的研究也越来越多。针 对其动态特性的研究，人们经常采取的方法有：有限元分析、计算机仿 真、物理模拟、键合图法等等。 有限元是有限单元法的简称，它是一种结构分析方法。弹性有限元 是有限元中的主要组成部分，它的理论基础是弹性力学及线性代数，运 算工具是计算机，它是应用数学的一个重要分支 7 1 。有限元这个概念早在 1 9 3 4 年就已提出，由于它要解很多联立方程组，而当时缺乏合适的计算 工具，所以未为人们所重视。到了5 0 年代，由于航空和空间技术发展的 需要，加上电子计算机已进入实用阶段，所以首先为航空工程师们所应 用。1 9 5 5 年，美国的m j t u r n e r 和h c m a r t i n 等人发表题目为复杂结 构的刚性和挠度分析的论文，介绍有限元在后掠机翼结构分析中的应 用，该文标志着有限元在工程上的实际应用。有了电子计算机这一得力 工具，有限元的应用迅速发展。目前，有限元广泛地应用于机械的动态 特性分析，尤其是近3 0 年来，基于实验数据的结构有限元模型修正研究 工作引起了广泛的重视，国内外学者提出了大量的有限元模型修正方法 【8 】 o 计算机仿真是近几十年发展起来的一门综合性的技术学科，为机械 的设计和研究提供了帮助，有效地缩短了设计周期，降低了设计费用， 已经成为产品开发与研究的主要手段，产生了巨大的经济和社会效益。 其主要步骤就是在计算机上建立仿真模型，模仿实际系统的运动状态及 其随时间变化的规律，通过对仿真试验过程的观察和统计，得到被仿真 系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参 数和真实性能，使系统性能和长期的动态特性能在极短的时间内由计算 机得到全面的实现。通过计算机仿真，可以了解所建立的系统模型是否 适合于系统，我们可以根据仿真的结果对模型进行必要的修正和改进。 5 武汉工程大学硕士学位论文 应用计算机仿真技术，能够让我们在系统的设计阶段就预见到其未来运 行的近似结果，从而更好地了解和研究系统动态特性，同时可以对所建 立的系统提出科学的估计和改进方案，以获得更加完善的新系统的目的。 在计算机仿真技术方面，国内外已取得了巨大成果。文献 9 提出了 跳动心脏的计算机仿真模型，并进行了仿真研究；文献 1 0 开发电火花 成型加工计算机仿真系统和快走丝电火花线切割加工仿真系统，而且能 自动给出指定加工要求下的最优加工数据组合，实现了电火花加工的计 算机仿真研究；文献 1 1 通过计算机仿真技术来实现材料成形过程再现， 对成形过程产生的缺陷进行预测。 物理模拟技术是根据“相似理论”的原理，利用模拟实验对机械的 动态特性进行研究的一种技术。物理模拟过程中，要缩小或放大比例， 或简化条件，或代用材料，用试验模型来代替原型，其关键步骤是实验 台的设计、制造，工况模拟以及相关软件的设计。 诸多文献对物理模拟的作用和意义进行了论述。文献 1 2 利用一套 大型的、仿真的水平井砾石充填防砂模拟实验装置对水平井砾石充填机 理进行了系统的物理模拟研究，得出了水平段的三阶段充填沉积规律，得 出了各影响因素对充填率的关系曲线以及变化规律，开发出了“水平井 砾石充填数学模拟及参数优化系统 。 键合图方法具有突出的优点【1 3 1 ：一个系统一般不是单一能量范畴，往 往是机、电、液等多种能量范畴的组合。现有各种系统动力学分析方法， 从建立模型到列出数学方程，大都仅适用于某一种能量范畴或特定类型 的系统。键合图法提供一种统一的模式和处理多种能量范畴的复杂工程 系统的动态分析方法，可以有效而简明地进行系统分析【1 4 】。例如，文献 e 6 3 应用键合图理论，建立了汽车发动机液力悬置装置的非线性理论模 型，根据此模型进行了动态特性仿真计算。文献e 6 9 结合功率键合图建模 技术的特点，提出了泵一管一电磁阀一嘴式电控喷油系的功率键合图建模方 法，进行了仿真研究。 6 第1 章绪论 在冲压类机械的动态特性研究中，机构动力学分析具有重要意义。 国内外对机械动力学方面进行了广泛的研究。其中，引人注目的是完全 动力学研究，即将原动机和机械系统进行集成研究。以往的机构动力学 研究中，许多做法是单独地研究机构本身的动力学特性，对原动件作理 想的假设。实际上，机构的动态特性不仅与机构本身的结构参数有关， 而且与原动件的参数和动态性能有关。机构与原动件如电动机往往是相 互作用、相互耦合的。例如，文献 6 8 对电动机、减速器、连杆机构系 统进行了分析研究，应用数值方法得到了曲柄角速度和角加速度的变化 曲线，验证了电机与机构之间的耦合作用。文献 - 6 4 研究了输入转速波 动对柔性连杆机构的影响。该文表明，输入转速波动，不论是微幅高频 波动还是小幅低频波动，都会对机构的振动力、振动力矩和输入转距产 生不同程度的变化。 1 3 关键技术问题 1 冲孔过程与其他成型过程的配合 本文所设计及研究的冲孔系统为一个在线系统，即冲孔机进行冲孔 的同时，被冲对象( 即半成品带材) 是在生产线上流动的，生产线上其 他成型过程同时也在进行，这样就存在一个怎样把冲孔过程与其他成型 过程配合好的问题。凸模接触、冲破半成品带材并退回到不影响半成品 带材流动的位置需要一段时间，而在这段时间里，冲孔机必须保持与半 成品带材的同步以免凸模干扰半成品的正常流动而影响到其他成型过程 的正常进行，也就是在这段时间内冲孔机必须以与半成品带材流动的相 同速度沿相同方向运动。 2 冲孔机的动力装置 选择什么样的装置来为冲孔过程提供动力，以及怎样实现对它的动 作的控制等，又是我们另一个所必须考虑的。动力装置的动态特性对整 个冲孔机的动态特性有着显著的影响，它对是否能顺利完成在线冲孔至 7 武汉工程大学硕士学位论文 关重要。其中最突出的是其频率特性，动力装置完成一个冲孔动作需要 一段时间，即一个周期，如果周期过大，而半成品带材流动速度相对过 快，则会出现凸模不能及时退出，从而导致在线冲孔失败。另外，动力 装置的动态特性同样影响着工作时所产生的振动和噪声，这样不仅影响 工作人员的身心健康，而且污染环境。 1 4 本文的研究内容 在线冲孔机是聚氨酯泡沫门片生产线中一个重要组成部分。针对系 统的设计及研究，本文主要包括如下内容： 1 在充分认识冲孔系统的工作环境及其要求的基础上，借鉴相关资 料，提出在线冲孔机的设计方案，其中主要包括冲孔过程与其他成型过程 配合工作如何实现，即同步装置的设计；以及动力装置的选取与其动作控 制。 2 把m a t l a b 的强大计算功能和c a x a 的方便且实用c a d c a m 辅助功 能结合起来，探讨一种简单且可行的设计同步装置( 即同步凸轮机构) 的方法。 3 从冲裁的基础知识出发，利用有限元方法重点分析有无刃口圆角 对冲裁力的影响，以及获得描述整个冲裁过程的冲裁力一行程曲线，为 气动部分的动态特性分析奠定基础。 4 基于气压传动动力学方面的知识与气缸的数学模型，利用 s i m u l i n k 建立在线冲孔机气动部分的动态特性仿真模型，接着对气动部 分的动态特性进行计算机仿真及分析，并且针对其中的工作周期进行重 点分析。 5 利用动态特性分析的方法，选定元件的相关参数，并最后做出一 套系统成品投入到聚氨酯泡沫门片生产线中，通过实验对系统进行验证 及分析。 8 第2 章系统的工作环境介绍及其设计方案的提出 第2 章系统的工作环境介绍及其设计方案的提出 2 1 系统工作环境的介绍 聚氨酯泡沫门片生产线主要由如下五部分组成：放料装置、门片成 型机、聚氨酯发泡机、在线冲孔机、跟踪切断装置，即在线冲孔机工作 时，与之相关的主要有四部分。放料装置实际上就是一个卷材放料架， 非常简单且实用。下面将重点介绍：门片成型机、聚氨酯发泡机、跟踪 切断装置。 2 1 1 门片成型机 门片成型机是聚氨酯泡沫门片生产线的关键部分。辊压成型时，金 属板料通过串列布置的一系列旋转的辊轮组，逐步形成具有一定截面形 状的产品。成型过程不仅发生在每组辊轮中，而且还发生在辊轮组间的 平缓过渡区。成型过程中，金属板料截面的厚度和面积理论上保持不变。 聚氨酯泡沫门片成型机结构如图2 1 所示。聚氨酯泡沫门片成型机 用于成型门片的型腔，主要由机架、导料装置、主成型装置、减速器、 电动机、副成型装置六部分组成【1 5 16 】。在主成型装置中，模具呈上下水 平放置，副成型装置中模具主要呈竖立放置。所有模具经过淬火渗氮等 热处理工艺。 机架：焊接件，由槽钢焊接而成。 导料装置：用于辅助金属板料j a 骄s j 进入成型辊。 电动机：为辊轮的旋转提供驱动力。 减速器：将电机主轴的高转速转换成辊轮所需的低转速。 主成型装置和副成型装置：负责聚氨酯泡沫门片的成型，共有2 3 组 辊轮，其中正辊轮1 8 组、立辊4 组、斜辊1 组，所有辊轮均采用优质铬 钢材料经真空淬火而成，硬度高，耐磨损。 9 武汉工程大学硕士学位论文 1 机架2 导料装置3 主成型装置4 减速器5 电机6 副成型装置 图2 1门片成型机 聚氨酯泡沫门片成型机工作过程：电机通电，电机主轴开始旋转， 经皮带传动将动力传至减速器，减速后通过链传动装置传给各组辊轮轴， 带动辊轮转动，金属板料经送料装置，在旋转辊轮摩擦力的作用下，被 咬入成型辊轮，渐次成型。板料从导料装置进入主成型部分，首先在主 成型装置中成型弧面部分，然后在副成型装置中成型上下钩。 2 1 2 聚氨酯发泡机【1 7 】 聚氨酯发泡机用来向f - j p r 型腔填充聚氨酯泡沫，以增加门片的强度， 并使门片具有隔音和保温功能。 聚氨酯发泡机按计量泵和管线压力可分为低压机械搅拌式和高压碰 撞式两类。本生产线使用的发泡机属低压机械搅拌式。该聚氨酯发泡机 主要由机架、储料装置、清洗装置、计量装置、混合器、恒温装置和控 制系统等七部分组成。 聚氨酯发泡机工作过程：设备通电，启动计量装置的电机和混合器 的搅拌电机，两计量泵在计量装置电机的作用下开始工作，将黑料和白 料按一定比例经管路输送至混合头，两物料在混合器搅拌电机的高速旋 1 0 第2 章系统的工作环境介绍及其设计方案的提出 转作用下，迅速混合，随即排出并注入门片型腔，并在型腔中反应、固 化成型。 2 1 3 跟踪切断装置 跟踪切断装置可以实现聚氨酯泡沫门片的自动跟踪和定尺寸切断。 它主要由机架、移动小车、门片夹紧装置、切割机、推杆、定位挡块、 配重和液压驱动系统八部分组成。门片夹紧装置、切割机均安装在移动 小车上，小车在力的作用下可沿机架上的导轨来回移动。 跟踪切断装置工作原理及工作过程n 朝：依靠行程开关和定位挡块实 现自动定尺寸，当成型好的门片的前端接触到安装在推杆上的定位挡块 时，推杆开始移动，带动小车移动，小车移动时触动行程开关，夹紧油 缸开始工作，门片被夹紧，同时切割机开始切割门片，切割完毕，切割 机和夹紧油缸退回，小车在配重作用下复位，完成一次切断。若想改变 门片长度，只需将安装在推杆上的定位挡块前后移动即可。 整个生产线工作顺序为：板料经主成型装置形成门片型腔后，聚氨 酯发泡机向型腔注入聚氨酯泡沫，接着经副成型装置整型，然后，冲孔 机对半成品带材实施在线冲孔工艺，最后，跟踪切断装置实现门片的自 动跟踪和定尺寸切断。 2 2 系统设计方案的提出 关于如何设计这个在线冲孔系统，首先我们就得考虑如下两个问题： 1 ) 用什么装置或机构来实现冲孔机与半成品带材的同步；2 ) 冲孔机用 什么作为动力源。 凸轮机构是一种最容易实现预定运动的机构，即只需设计适当的凸 轮轮廓，便可使从动件得到预定的运动规律；而且结构简单、紧凑、动作 可靠。因此，凸轮机构在纺织机械、自动机床、内燃机、印刷机械、农 业机械、包装机械、矿山机械以及轻工、食品、医药等领域运行的工作 武汉工程大学硕士学位论文 机械中获得广泛应用，例如自动机床上控制刀架运动的凸轮机构、铣削 加工用的靠模、剑杆式织绸机的两组凸轮驱动机构、内燃机的气门凸轮、 家用缝纫机中实现缝料间歇性送进的凸轮机构等。其中，盘形凸轮机构 是常用的凸轮机构之一，且又以滚子从动件凸轮机构应用最广。 气动系统具有结构简单、成本低廉、安全可靠、无污染、便于控制 且维修方便等优点，因而近年来已经广泛地应用于各种领域。很自然地， 人们也会想到用气缸来作为冲压设备的动力源。例如，文献 6 介绍的气 动防盗盖端面花纹自动冲压机，文献 1 8 介绍的春卷皮冲压机，文献 1 9 介绍的气动卡扣冲压机，它们的动力源都是气缸。而且实践证明，它们 的应用取得了很好的预定效果。 本文所讨论的冲孔机力求简单、实用、成本低，而且被冲对象( 半 成品带材) 属于薄材，孔是均匀分布在一条直线上，呈现很强的规律性， 其精度要求不是很苛刻。 综合上述分析，借鉴相关资料，我们提出了如下设计方案：用直动 滚子盘形凸轮机构作为同步装置，以实现冲孔过程与其他成型过程的同 时进行，互不干涉；以气缸作为冲孔机的动力源。其具体实施方案简单 叙述如下。 如图2 2 所示为冲孔系统设计方案的部分简图。 图2 2 冲孔系统设计方案的部分简图 1 2 第2 章系统的工作环境介绍及其设计方案的提出 其中，凸轮与一个链轮( 设为链轮a ) 固定连接，从而将生产线上电 机的动力传到凸轮机构上，驱动凸轮转动。而半成品带材的前进速度与 门片成型机上的链轮( 设为链轮b ) 的转速存在一定的对应关系，所以只要 我们选择正确的链轮a 与链轮b 的齿数比例，就可以使得冲孔机在凸模 接触半成品带材或正在进行冲孔过程时与半成品带材的同步运动，以防 止凸模干扰半成品带材正常流动。 气缸的应用，其动作控制方式的选择非常重要。气缸的动作控制指 的就是选择合适的辅助元件和回路控制气缸进、排气口的转换，从而达 到控制气缸动作的目的。如图2 3 所示为气缸控制方式示意图。其工作 原理如下：旋转机构5 固定在上述的凸轮上，与凸轮一起转动，它们每 转一圈，就会使得触点开关4 闭合一次，从而控制电磁阀2 的换向，最 终达到控制气缸3 的动作换向的目的。 5 2 1 气源2 电磁阀3 气缸4 触点开关5 旋转机构 图2 3 气缸控制方式示意图 2 3 本章小结 本章首先介绍了在线冲孔机的工作环境，即整个聚氨酯泡沫门片生 产线上的其他组成部分，主要包括门片成型机、聚氨酯发泡机、跟踪切 断装置。接着分析了凸轮机构与气缸的优点及其应用情况，根据系统设 计的具体要求，借鉴相关资料，最后提出了以凸轮机构为同步装置、气 1 3 武汉工程大学硕士学位论文 缸为动力源的在线冲孔机的设计方案。 1 4 第3 章同步凸轮机构的设计 第3 章同步凸轮机构的设计 根据具体情况，参考相关资料，本文所涉及的在线冲孔机选择了用直 动滚子盘形凸轮机构作为其同步装置，以实现冲孔机与半成品带材的同 步。而且凸轮机构中，利用弹簧力来维持凸轮与从动件的接触。针对直 动滚子盘形凸轮机构，为了获得从动件预定的输出运动，我们还须合理 地选择从动件与凸轮轮廓的尺寸及其它结构参数。本章将就这些内容进 行探讨。 3 1 概述 传统的盘形凸轮设计主要有图解法和解析法，加工方法有手工画线 加工和数控铣削加工，大批量生产亦可采用仿形铣。图解法直观、简单， 但是手工作图选取的等分数有限、精度差。以此为基础的手工画线加工 的精度和加工表面精度都比较低。解析法设计虽然解决了凸轮精度问题， 但要得到完整的凸轮轮廓曲线就要编制复杂的程序。尤其在滚子推杆盘 形凸轮设计中，对于理论轮廓曲线的等距线的编程更为复杂，以此为基 础的数控铣床加工也就同样存在着编程复杂的问题。因此它的应用也就 受到了很大的限制。利用c a d 软件的强大计算和作图功能，可以十分方便 地进行凸轮的基本参数的优化计算和凸轮廓形的精确绘制，且精度好效 率高。c a x a 制造工程师是由北航海尔软件公司开发的基于w i n d o w s 风格的 c a d c a m 软件，功能强大，易学易用，全中文界面，具备二维电子图板 的功能，在草图环境中利用公式曲线草图绘制工具，只要在公式曲线的 对话框中填入曲线公式及相关参数就可以画出曲线，可以很容易地完成 凸轮廓形曲线的设计，无需任何形式的语言编程；它通过加工工艺参数 和机床后置的设定，选取需加工的部分，自动生成适用于任何数控系统 的加工代码。 下面利用m a t l a b 软件对凸轮的相关参数进行辅助计算，利用c a x a 系 武汉工程大学硕士学位论文 列c a d c a m 软件对同步凸轮机构的廓线进行设计。 3 2 凸轮的相关参数 凸轮机构主要依靠凸轮轮廓或凸轮凹槽来推动从动件进行运动，所 以凸轮轮廓直接关系到从动件的运动状况，而以下就是凸轮的一些主要 相关参数。 1 ) 压力角a 凸轮轮廓线上某点的法线n n 与从动件速度v 之间所夹的锐角称为 从动件的压力角a ( 如图3 1 所示) 。 图3 1 凸轮的压力角 压力角表示了传力的难易程度，即压力角越大，凸轮推动从动件运 动的阻力越大，而且当压力角增大到一定程度，以致有害分力所引起的 摩擦阻力大于或等于有用分力时，无论凸轮加给从动件的作用多大，也 不能使从动件运动，即出现自锁现象。而压力角小，凸轮的运转就比较 轻快，所以从传力的角度看，希望压力角越小越好，但压力角小又会使 凸轮尺寸变大，因此应该控制在一个合适的范围内。生产中为了保证凸 轮机构工作正常并具有一定的效率，通常把最大压力角限制在一定数值 内，这个数值就是许用压力角 a 。一般对于直动件凸轮机构推程中，取 1 6 第3 章同步凸轮机构的设计 许用压力角 a 3 0 。；对于摆动从动件凸轮机构推程中，取许用压力角 e a 3 0 。 - - - 4 5 。从动件处于回程中，从动件实际上不是由凸轮推动， 而是在弹簧或重力作用下返回的，因此回程不会出现自锁。故通常只须 对凸轮机构推程的压力角进行校核。显然，凸轮轮廓曲线上各点的压力 角是变化的，因此在凸轮的设计中应保证凸轮轮廓线上各点的压力角均 不大于许用压力角，即a a 。 2 ) 滚子半径r r 当凸轮机构采用尖顶从动件时，尖项移动的轨迹就是凸轮的轮廓曲 线，即凸轮节线- - 凸轮轮廓线。但当采用滚子从动件时，滚子中心移动的 轨迹并非凸轮的轮廓线，而是大于轮廓线，即凸轮节线 凸轮轮廓线。 所以当凸轮节线不变时，滚子半径r ，的大小将影响凸轮轮廓线，滚子半径 越大，凸轮实际轮廓线就越小( 如图3 2 所示) ， 鑫) r ，妒 c ”r - p 图3 2 滚子半径对凸轮轮廓线的影响 设凸轮节线的曲率半径为p ，凸轮轮廓线的曲率半径为p c ，则当凸轮节线 外凸时，p = p c + r r 。如果p 为定值，那么r ，增大，p c 就要减小，当r 增大到 与p 相等时，p c = o ，此时凸轮轮廓线变尖。这种变尖的轮廓线使滚子的中 心不能沿着预期的运动节线运动，从而产生运动失真。 因此滚子半径r ，的选择很重要，一方面增大滚子半径可以缩小凸轮尺 寸、减轻机构，但另一方面滚子半径大将使推杆运动时的惯性力增大， 1 7 武汉工程大学硕士学位论文 引起凸轮承受较大的动力负荷，同时可能引起滚子的运动失真。按照实 际经验，一般应保证r ，pn l i n ( pm i n 为凸轮节线中最小的曲率半径) 。 3 ) 偏距e 对于偏置从动件盘形凸轮，从动件相对凸轮旋转中心的偏距e 的大小 直接影响了从动件导路的受力情况，偏距e 越大，导路的受力情况越差， 所以一般要求e r b 4 ，其中r 。是凸轮的基圆半径，并且偏距应偏向凸轮工 作旋转方向相反的一侧。本章所讨论的凸轮机构取其偏距为零。 4 ) 基圆半径r 。 如果从动件位移已给出，增大基圆半径，则凸轮上各点对应的向径 也增大，凸轮机构的尺寸也会增大。所以凸轮的基圆半径应尽可能取得 小些，以使所设计的凸轮机构尽可能紧凑些。显然，基圆半径越大，凸 轮推程轮廓越平缓，压力角也越小；而基圆半径越小，凸轮推程轮廓越 陡峻，压力角也越大，致使机构工作情况变坏。因此实际设计中，只是 在保证凸轮推程轮廓的最大压力角不超过许用值的前提下，考虑缩小凸 轮的尺寸。 3 3 凸轮机构的设计 3 3 1 盘形凸轮基圆半径及滚子半径的确定 已知基圆半径的计算公式为： n i v l 赐( d s d 事d _ e ) 一- - s + e 2 式中，s - - - s ( 6 ) 为推杆的位移方程。 求得r 蛐。 若可写出凸轮的理论轮廓曲线方程： 的理论轮廓曲线曲率计算公式为： 1 8 ( 3 1 ) 要确定r 。，就要由公式( 3 1 ) x = x ( 6 ) ，y = y ( 6 ) 。则凸轮 第3 章同步凸轮机构的设计 舻 鲨塑丛型! ： ( 3 2 ) 。 i x ( 万) + y 。( 回一x 。( 万) + y 7 ( 艿) 】 要使滚子推杆凸轮不失真，必须满足r ，p 凼。这就需要由公式( 3 - - 2 ) 求出p 幽。 公式( 3 一1 ) 、( 3 2 ) 由人工计算是比较难的，这里我们采用k a t l a b 计算软件则十分方便，根据具体应用确定推程运动为等速运动，以下就 是用m a t l a b 为计算凸轮基圆半径与滚子半径所编写的m 文件： f i l e n a m e ：t u l u n s h j m t o = i n p u t ( 请输入凸轮推程运动角d e l t a o = ) ； t = i n p u t ( 请输入凸轮转角d e l t a = ) ： e = i n p u t ( 请输入偏距e 一) ： h = i n p u t ( 请输入推杆行程h = ) ： s = h 木饥o ：推杆运动规律 d s = h t o ； d d s = o ； a o = i n p u t ( 请输入许用压力角 a l p h a = ) ； r b h = s q r t ( ( ( d s - e ) t a n ( a o ) s ) 人2 + e 2 ) ；基圆半径计算公式 r b m = m i n ( r b h ) 基圆半径最小值 r b = i n p u t ( 请输入凸轮基圆半径r b = ) ： s o = s q r t ( ( r b ) 2 - ( e ) 2 ) ； x = ( s o + s ) 球s i n ( t ) + e 木c o s ( t ) ； y ：( s 0 + s ) 木c o s ( t ) - e 木s i n ( t ) ；凸轮理论轮廓曲线方程 d x = ( d s - e ) 木s i n ( t ) + ( s o + s ) 拳c o s ( t ) ； d y = ( d s - e ) 木c o s ( t ) - ( s o + s ) 木s i n ( t ) ； d d x = ( d d s - s o s ) 木s i n ( t ) + ( 2 木d s e ) 宰c o s ( t ) ； d d y = ( d d s - s o s ) * c o s ( o - ( 2 串d s - e ) 术s i n ( t ) ； r h o = ( d x 2 + d y 人2 ) 1 5 a b s ( d d y * d x d d x 幸d y ) ；凸轮理论轮廓曲率半 1 9 武汉工程大学硕士学位论文 径 r r m = m i n ( r h o ) 凸轮理论轮廓曲率半径最小值，即滚子半径的最大 值 运行以上程序，就可得到基圆半径最小值r 蛐，根据实际情况确定r 。， 然后再得出滚子半径的最大值r x ，相应地得出r r 。 3 3 2 设计凸轮轮廓曲线 确定了凸轮基圆半径r b 和滚子半径r r ，己知推杆运动规律为等速运 动，接着求得盘形凸轮轮廓曲线的解析公式，就可用e b 中的公式曲线功 能来画出凸轮轮廓曲线。其设计过程如下： 先作出滚子中心的理论轮廓曲线。 x = ( s o + s ) s i n6 + e c o s6 y = ( s o + s ) c o s6 + e s i n6 其中，因为工作廓线与理论廓线在法线方向的距离处处相等，且等于 滚子半径。那么工作廓线为理论廓线的等距线。这样一来，在e b 中作出理 论廓线，再用e