压片机设计方案

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1、第 2 页 共 2 页 I 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；19

2、57 年，设计制造了 ZP25-4型压片机；I960年启行设计制造成功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

3、 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

4、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。 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。对机构进行运动学分析可采用图解法分析和解析法分析

5、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，每一个原第 3 页 共 3 页 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

6、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：Mx(t)+cx(t)+Kx(t)二P(t)式中：M、 c、K-质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。x(t)、x(t)、x ( t)-吉点的 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吉构在承受随时问 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吉 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，

7、这样就会造成有周期性的激振力作用在整个吉 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 得到以下吉论： (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. 8x104)，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 )，振动量降低了接近10倍。(2)经过力的优化以后，由于对整体吉构不存在激振力，所以一、二、 四、五阶振型不会对动态性能

8、产生影响。(3)由于该压片机的实际工作 转数在每分钟 4O 一 6O 转之间，即工作频率为48 73Hz 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

9、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

10、。 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；送料的左半行程L:与 右半

11、行程 L 厶相围 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：FI(x)=|165-LL1| + |165+LL1|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A。与 结束时的加速度 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、 支架高度人进行限制，按实际情况确定第四目标函数为：F4

12、(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、1、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。 1.2

13、.2 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. 21CFR Partll电子记录和电子签名)在压片 机上的应用；6.新颖的压片机及压第 5 页 共 5 页 片机技术层

14、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(washinginplace)在位清洗的理念在更多的压片机上得 到了贯彻。II 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

15、计过程。Ill目录I前言2II摘要5III目录6 IV设计任务书7 1设计题目8 2设计要求8 3原始数据设计&4总功能分解85运动方案10V方案评价12 1运动循环图122尺度计算 14 3执行机构尺寸计算15 4干粉压片机动作说明17 VI心得与体会17 VII参考书目18IV 设计任务书 1.设计题目 1.1 压片成形机介绍 设计自动 压片成形机，将具有一定湿度的粉状原料（如陶瓷干粉、药粉）定量 送入压形位置，经圧制成形后脱离位置。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。 1.2压片成形机的工艺动作 （1） 干粉料均匀筛入圆筒形型

16、腔。（2）下冲头下沉3mm,预防上冲头进入型腔是粉料扑出。（3） 上、下冲头同时加压，并保持一段时间。（4） 上冲头退出， 下冲头随后顶出压好的片坯。 （5） 料筛推出片坯。上冲头1.3 压片成形机设计数据 电动机转速 /（r/min）：940；生产率/（片/min） :25 ;冲头压力/N :150 000 ;机器运转不均匀系数/6： 10% ； 2、设计要求1.上冲头完成往复 直移运动（铅垂上下），下移至终点后有短时间的停歇，起保压作用， 保压时间为0.4s左右。因冲头上升后要留有料筛进入的空间，故冲 头行程为100mm。因冲头压力较大，因而加压机构应有增力能力。2.下冲头先下沉3mm，然

17、后上升8mm，加压后停歇保压，继而上 升 16mm，将成形片坯顶到与台面平齐后停歇，待料筛将片坯推离 冲头后，再下移21mm，到待料位置。3.料筛在模具型腔上方往复 振动筛料，然后向左退回。待坯料成型并被推出型腔后，料筛 在台 面上右移约4550mm，推卸片坯。3、原始数据设计 （1） 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。（2 ）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。（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

18、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。4、总功能分解1、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IV1能量干粉 机械加工成品第$虹典呂贞2、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 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（5） 上冲头往复直线运动，最

19、好实行快速返回等特性。（6）下冲头间歇 直线运动。 例下表所示的树状功能图图IV2树状功能分解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图IV3込动转頼功能下：冲头送料机构成品顶出机构干粉压片机运动方案选择矩阵如图IV4运动方案1254萤传訪f*齿轮传动、姻H传动减速13、無杆传动上沖头运动C移幼推杆圆柱 凸轮曲帮导杆滑块机构I AMWftl 构送料机构D一魁如才第翼出柄常阮 机构F冲头运动E动机构尊动曲轮加护、间舐移动/1V曲域植导将机 构方案1 :方案2I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

20、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

21、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 5、运动方 案方 案 示 意 图 如 下：IV7I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动作，画出 运 动传递框图如下图IV1V、方案评价1、运动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 ），以 机构执行构件

22、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 ）。下冲头下沉完毕，上冲头可下 移到型腔入口处（如图 中 ），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），然后两冲头停歇保压（如图中），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）。下冲头停歇待卸片坯时，料筛已推进到形腔上方推卸

23、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）而进入下一循环。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 ：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=S1+S2 U2=S3+S4+S5+S6U3=S7+S8+S9+S10U4=S11+S12+S13+S14 U5=S15+S16+S17 上述表达式表 示 U1 、 U2 、 U3 、 U4 、 U5 各

24、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 V 2： 方 案 中 机 构 的 性 能 、 特 点 、 评 价艮V2标蟲枪机1附刚 块肚构简单孟+凸辂机 构心轮;莽hlA1翻J规评走比書功定比传 創和移定比猛 T： _屮: 较朋 达到有%桥汝爆本1ffjft定f创A3樓功耕哎高高高b r.frBl h 血出1kjr较广報广广B2 iifM報处畛:B3 1f/j.i：戦仙一较：jE4出饶 ij7j丈大恤大玆小上Cl泌 度邯值小小軽人-较大较小小C2 W小较屮较水C3门呼tlL狡好X-C4 HWI；Hfir|饰可離lf7r对賈|炸DDI龍哎较M島章较離D2创迄

25、锻憊喙直毅直：L 1 i 13 史D3训蛾方使性较力锲较便较方便力便荻麻烦方帳A小趾m-垃.贮EEl较A较小釧、较小较叮-E2倔卡沬较直较轻E3冷堆蚁抵度m-m-般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，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 V3：为最终方案。2、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

26、第15页共15页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E2b3、执行机构的尺寸计算 根据选定的驱动电机 ( 在图中没画 出 ) 的转速 n=940r/min 和 生产率为 25 件 / 分钟， 它传动系 统的总速比为：1=940/24 =37.6k=1.20=180*( k-阳V4为案從则團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a =20 m = 5第一级皮带减速I二4 z1 = 17 z2= 68第二 级齿轮减速I= 9.8 z1=17 z2= 167 已知如图：n1二n

27、1 = n1 =25 r/min ； n4 =n6=25 r/min 取蜗杆齿数 z 3 =z 5 =4， 则查表可知：d = 50mm, 6=214805; z 6 =z 4 =52则:n5=n6 z 6 /z 5 f=325r/min = n 5 N 3 =n 4 z 4 /z 3 =325r/min=n 3 取 z 5 =20 z 3 =18 z 2 =30 则 z 1 =n 5 z 5 /n 1=260；d=mz=1300mmS3=arctan18/30=31.082=90-31.0=59.0n2=n2 = n3z3/z2=325*18/30=195r/min 取 z 2 =15 贝z

28、 1 =117, 51二arctan15/117=7.31 82 =90 -7.31 =82.69 综合以上计算可得定轴轮系传动 7 个齿轮设计如表 V5：-. V卜冲对t g 浚rit 11：世哆i“i轮机K v6匸屋机沟卜冲对心门別議j怖杆釦却|轮机的何稱阳址4、干粉压片机动作说明 各级传动都为齿轮或蜗轮蜗杆传动，传动精度高，运动可靠；上冲头由曲柄滑块机构带动运动精度高，移动 料筛H至下冲头的型腔上方等待装料，并将上一循环已成型的工件推 出（卸料）然后料筛震动，将粉料筛入型腔，下冲头下沉一定深度 Y ， 以防止上冲头向下压制时将粉料扑出然后上冲头继续向下，下冲头向 上加压，并在一定时间内保

29、持一定的压力；而后上冲头快速退出下冲 头随着将成型的工件推出型腔 ，这便完成了一个循环周期。由于要 求每分钟制成成品 25 件。所以要求 C 、 D 、 E 转速同步，且转 速均为 25r/min 。VI.心得与体会 在一周多的实习设计过程中，我发现了许多的 问题，在设计的过程中有许多我们平时都不太重视的东西，也有很 多的难题，再这一周多里我们每个人都是互相询问和帮助，这给了我 很大的动力，有的不懂我们就会再一起讨论问题，设计完了我们就会 回到宿舍去画图。设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设 计书和指导书。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一 次次翻阅机械设计书是十分必要的，

30、同时也是必不可少的。 这次的 机械设计我学到了很多以前在书本没有学到的东西，知识有了较大的 提升，特别是对干粉压片机的结构原理与设计分析更加清楚深刻。真 用铅笔来做图真的很困难，怪不得大家都喜欢CAD。在这次课程设 计中，充分利用了所学的机械原理知识，根据设计要求和设计分析， 选用组合成机械系统运动方案，从而设计出结构简单，制造方便，性 能优良，工作可靠的机械系统。 这次课程设计让我充分体会到设计 需要大胆创新这一层面。创新也是一个国家、一个社会、一个企业必 不可少的，设计中的创新需要高度和丰富的创造性思维，没有创造性 的构思，就没有产品的创新，产品也就不具有市场竞争性。在设计过 程中，虽然我们的创新是简显的，但这也锻炼了我们的能力，更指明 了我们努力的方向。 整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难 免会有错误，还望老师批评指正。希望答辩时，老师多提些问题，由 此我可用更好地了解到自己的不足，以便课后加以弥补