数控冲床模内自动排废料装置的设计与仿真分析
数控冲床模内自动排废料装置的设计与仿真分析[20200123175801]
【摘要】
为了解决数控冲床在生产过程中无有效排废料的装置的缺陷，解决生产实际中的经济问题，采用NX软件对惰轮式模内自动排废料机构进行设计与仿真。并通过计算对惰轮式模内自动排废料机构在工作中出现的一些问题提供技术参考。使用NX软件的NASTRAN模块对部件进行有限元分析。结果表明惰轮式模内自动排废料机构有很好的工作性能，有使用寿命长，自动化程度高等优点。
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关键字:】数控冲床；设计；优化；应力分析
引言 5
一、 设计方案 2
（一） 方案比较 2
（二）方案比较 2
(三) 废料机构的设计 3
二、可调式上压杆的最大行程计算 4
（一）测量 4
（二）可调式上压杆的最大行程计算 5
三、上压板的有限元分析 8
（一）材料属性及边界条件 8
（二）CAD三维模型 8
（三）网格划分 9
（四）FEM分析 11
（五）模型解算 12
五、总 结 14
参考文献 15
致 谢 16
引言
随着数控技术的不断发展和完善，数控技术被运用到很多领域，大量的市场需求使得数控机床的缺点体现了出来，这也促使我们不断地去完善它。本课题来源于吴江市裕达金属制品有限公司且是省里的专利课题。我是在以前学长的基础之上进行了继续研究，为了使这篇论文更加的完善，在此基础上我着重对其中的可调式上压杆的行程进行了计算，对上压板进行了有限元分析。应为本课题中所用的UG软件符合我所学的专业，因此我选择了此课题。
一、设计方案
（一）方案比较
通过对数控冲床的了解，初步拟出五种设计方案，即齿轮齿条式排废料机构，惰轮式排废料装置，震动气缸排废料装置，模内不锈钢传输线装置和杠杆式排废料机构。下面即为五种方案的工作原理：
方案一：为齿轮齿条式排废料机构，其工作原理是冲床的上台盘下压时，带动齿条下移，由齿轮齿条机构驱动曲柄滑块机构进行直线往复运动，从而驱动模内滑料板进行直线往复运动，排除废料。
方案二：为惰轮式排废料装置，其原理是利用惰轮压合放大的压合原理，将短行程的压合动作通过钢丝绳放大成长距离直线运动，安全系数高，可以有效的解决行程小的问题。
方案三：为震动气缸排废料装置，其工作原理为利用气缸的往复运动，带动滑料板前后振动，滑料板安装在模脚内，废料从落料孔掉在滑料板上，在气缸的驱动下，将废料排除。
方案四：模内不锈钢传输线装置，其原理为通过冲床的压合作用，驱动齿条直线运动，齿条驱动单向棘齿轮进行间隙性转动，带动不锈钢带运动，从而将废料排出。
方案五：杠杆式排废料机构，其工作原理为利用杠杆原理，通过冲床上台盘带动压杆，打在压辊上，从而将废料排出。
（二）方案比较
目前市面上大多数的排废料机构都需附加额外的能量，尽管如此，还是排废料效果不佳，他们之间的比较如下表格所示。
表1-1 五种方案优缺点对比
方案名称优点缺点
方案一震动气缸式成本低，动作平稳维护高，寿命短，能耗大
方案二钢带流水线效果好，寿命长，能耗低价格贵，维护所耗成本大
方案三齿条齿轮式寿命长，能耗低，强度好，传动平稳维护要求高，安全性差
方案四杠杆震动式寿命长，能耗低效果差，调节麻烦，去废料不完全
方案五惰轮压合式寿命长，能耗低无需外加能量，通用性好装配要求相对较高
通过以上表格不难看出惰轮式排废料装置相对来说是一套高效能、自动化的排废料机构，由此我们对他进行了设计与仿真。
(三) 废料机构的设计
惰轮式排废料机构主要有三个部分，分别是可调式上压杆、排废主题和滑料板。具体设计如下:
1、可调式上压杆的设计
可调式上压杆是整个装置的动力来源，将上压杆安装在冲床的上台盘上，随着冲床的冲压通过上压杆将从而将动力传给整个装置。由此可以得出一个结论，可调式上压杆必须具有高度的可调空间以适应各种机床和自动调节平衡，同时还需具有一定的防呆能力。
设计方案：为了突出它的灵活可调节性，在安装固定时采用螺纹旋紧的方式，同时为了使整个机构安全平稳的工作，避免上压杆超出安全行程距离时而损坏整个装置，所以在可调式上压杆中安装了弹簧，可调式上压杆的图如2-1所示。
2、主机的设计
排废主机是惰轮式排废机构的核心部分，其结构主要由主架体、压合轮机构、曲柄滑块机构、缓冲器、座架和滑块等部分组成。此机构零件较多，在安装时要求很高，这部分主要是运用曲柄滑块机构的急回特性，利用惯性将废料甩出去。
设计方案：为了使曲柄滑块机构在很小的范围内能运动较大的范围，此机构中采用了双压合结构，利用两个滑轮下压钢丝绳，使曲柄滑块机构运动。为了保护整个主体的工作安全性，在此机构中特地安装了缓冲机构，为了避免上压杆在工作时超出安全距离而使机构瘫痪，进一步提高了此机构的安全使用性，为了使滑块机构具有急回的特性，特地在主机导柱上安装了弹簧，利用弹簧的反弹将机构快速的拉回，使排料效果达到更佳。排废机主体的三维设计图如图2-2所示。
3、滑料板机构的设计
滑料板机构相对来说要求较低，设计也相对简单些，它最主要的作用是排废料，因此它要有较好的排废料的功能。为了达到快速装配的效果，特地采用了弹性钢珠作为定位和固定。
图2-1 可调式上压杆的三维模型 图2-2 排废料主机的三维模型
二、可调式上压杆的最大行程计算
（一）测量
在进行计算之前，首先要对构建进行分析，那些是运动的，那些是固定的，以及他们运动的范围，是如何运动的。为了解决这些问题，更直观的得出结论，和侧得所需要的数据，需对构建用UG软件进行处理，利用UG软件自带的运动仿真模块，对构建进行模拟运动，滑块在允许的安全距离下运动范围需达到最大，由于在UG仿真中不允许存在连杆有变形的情况，因此要想知道上压杆的最大行程需通过计算得解，但是由于上压杆与整个主体机构的关联部分乃是钢丝绳，所以计算的主要关键就在于钢丝绳在整个工作过程中释放了多长的距离，利用UG的自带测量功能，将钢丝绳在安全工作时所释放的总长度测出。侧得当滑块行程为100mm时钢丝绳所释放的长度为37.0367，记为L2，如图1-1所示。
图1-1 测得的弧长
（二）可调式上压杆的最大行程计算
利用UG的自带功能可以测得钢丝绳在运动过程中所释放的弧长，通过几何关系可以得出可调式上压杆的最大行程，运动过程中可以分为四个部分，在这里我们取其中的四分之一来进行推到运算如图2-1所示。
图2-1 简化后的钢丝绳与惰轮
图2-2 辅助线图
根据图2-1作出辅助线。延长BO1至E，连接O1O2，O1C，EC，过O2点作竖直直线，过01点作水平直线，这两条直线交于一点记为D，O2与直线O2D相交于一点记为F。最终作好的图如图2-2所示。
【摘要】
为了解决数控冲床在生产过程中无有效排废料的装置的缺陷，解决生产实际中的经济问题，采用NX软件对惰轮式模内自动排废料机构进行设计与仿真。并通过计算对惰轮式模内自动排废料机构在工作中出现的一些问题提供技术参考。使用NX软件的NASTRAN模块对部件进行有限元分析。结果表明惰轮式模内自动排废料机构有很好的工作性能，有使用寿命长，自动化程度高等优点。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】数控冲床；设计；优化；应力分析
引言 5
一、 设计方案 2
（一） 方案比较 2
（二）方案比较 2
(三) 废料机构的设计 3
二、可调式上压杆的最大行程计算 4
（一）测量 4
（二）可调式上压杆的最大行程计算 5
三、上压板的有限元分析 8
（一）材料属性及边界条件 8
（二）CAD三维模型 8
（三）网格划分 9
（四）FEM分析 11
（五）模型解算 12
五、总 结 14
参考文献 15
致 谢 16
引言
随着数控技术的不断发展和完善，数控技术被运用到很多领域，大量的市场需求使得数控机床的缺点体现了出来，这也促使我们不断地去完善它。本课题来源于吴江市裕达金属制品有限公司且是省里的专利课题。我是在以前学长的基础之上进行了继续研究，为了使这篇论文更加的完善，在此基础上我着重对其中的可调式上压杆的行程进行了计算，对上压板进行了有限元分析。应为本课题中所用的UG软件符合我所学的专业，因此我选择了此课题。
一、设计方案
（一）方案比较
通过对数控冲床的了解，初步拟出五种设计方案，即齿轮齿条式排废料机构，惰轮式排废料装置，震动气缸排废料装置，模内不锈钢传输线装置和杠杆式排废料机构。下面即为五种方案的工作原理：
方案一：为齿轮齿条式排废料机构，其工作原理是冲床的上台盘下压时，带动齿条下移，由齿轮齿条机构驱动曲柄滑块机构进行直线往复运动，从而驱动模内滑料板进行直线往复运动，排除废料。
方案二：为惰轮式排废料装置，其原理是利用惰轮压合放大的压合原理，将短行程的压合动作通过钢丝绳放大成长距离直线运动，安全系数高，可以有效的解决行程小的问题。
方案三：为震动气缸排废料装置，其工作原理为利用气缸的往复运动，带动滑料板前后振动，滑料板安装在模脚内，废料从落料孔掉在滑料板上，在气缸的驱动下，将废料排除。
方案四：模内不锈钢传输线装置，其原理为通过冲床的压合作用，驱动齿条直线运动，齿条驱动单向棘齿轮进行间隙性转动，带动不锈钢带运动，从而将废料排出。
方案五：杠杆式排废料机构，其工作原理为利用杠杆原理，通过冲床上台盘带动压杆，打在压辊上，从而将废料排出。
（二）方案比较
目前市面上大多数的排废料机构都需附加额外的能量，尽管如此，还是排废料效果不佳，他们之间的比较如下表格所示。
表1-1 五种方案优缺点对比
方案名称优点缺点
方案一震动气缸式成本低，动作平稳维护高，寿命短，能耗大
方案二钢带流水线效果好，寿命长，能耗低价格贵，维护所耗成本大
方案三齿条齿轮式寿命长，能耗低，强度好，传动平稳维护要求高，安全性差
方案四杠杆震动式寿命长，能耗低效果差，调节麻烦，去废料不完全
方案五惰轮压合式寿命长，能耗低无需外加能量，通用性好装配要求相对较高
通过以上表格不难看出惰轮式排废料装置相对来说是一套高效能、自动化的排废料机构，由此我们对他进行了设计与仿真。
(三) 废料机构的设计
惰轮式排废料机构主要有三个部分，分别是可调式上压杆、排废主题和滑料板。具体设计如下:
1、可调式上压杆的设计
可调式上压杆是整个装置的动力来源，将上压杆安装在冲床的上台盘上，随着冲床的冲压通过上压杆将从而将动力传给整个装置。由此可以得出一个结论，可调式上压杆必须具有高度的可调空间以适应各种机床和自动调节平衡，同时还需具有一定的防呆能力。
设计方案：为了突出它的灵活可调节性，在安装固定时采用螺纹旋紧的方式，同时为了使整个机构安全平稳的工作，避免上压杆超出安全行程距离时而损坏整个装置，所以在可调式上压杆中安装了弹簧，可调式上压杆的图如2-1所示。
2、主机的设计
排废主机是惰轮式排废机构的核心部分，其结构主要由主架体、压合轮机构、曲柄滑块机构、缓冲器、座架和滑块等部分组成。此机构零件较多，在安装时要求很高，这部分主要是运用曲柄滑块机构的急回特性，利用惯性将废料甩出去。
设计方案：为了使曲柄滑块机构在很小的范围内能运动较大的范围，此机构中采用了双压合结构，利用两个滑轮下压钢丝绳，使曲柄滑块机构运动。为了保护整个主体的工作安全性，在此机构中特地安装了缓冲机构，为了避免上压杆在工作时超出安全距离而使机构瘫痪，进一步提高了此机构的安全使用性，为了使滑块机构具有急回的特性，特地在主机导柱上安装了弹簧，利用弹簧的反弹将机构快速的拉回，使排料效果达到更佳。排废机主体的三维设计图如图2-2所示。
3、滑料板机构的设计
滑料板机构相对来说要求较低，设计也相对简单些，它最主要的作用是排废料，因此它要有较好的排废料的功能。为了达到快速装配的效果，特地采用了弹性钢珠作为定位和固定。
图2-1 可调式上压杆的三维模型 图2-2 排废料主机的三维模型
二、可调式上压杆的最大行程计算
（一）测量
在进行计算之前，首先要对构建进行分析，那些是运动的，那些是固定的，以及他们运动的范围，是如何运动的。为了解决这些问题，更直观的得出结论，和侧得所需要的数据，需对构建用UG软件进行处理，利用UG软件自带的运动仿真模块，对构建进行模拟运动，滑块在允许的安全距离下运动范围需达到最大，由于在UG仿真中不允许存在连杆有变形的情况，因此要想知道上压杆的最大行程需通过计算得解，但是由于上压杆与整个主体机构的关联部分乃是钢丝绳，所以计算的主要关键就在于钢丝绳在整个工作过程中释放了多长的距离，利用UG的自带测量功能，将钢丝绳在安全工作时所释放的总长度测出。侧得当滑块行程为100mm时钢丝绳所释放的长度为37.0367，记为L2，如图1-1所示。
图1-1 测得的弧长
（二）可调式上压杆的最大行程计算
利用UG的自带功能可以测得钢丝绳在运动过程中所释放的弧长，通过几何关系可以得出可调式上压杆的最大行程，运动过程中可以分为四个部分，在这里我们取其中的四分之一来进行推到运算如图2-1所示。
图2-1 简化后的钢丝绳与惰轮
图2-2 辅助线图
根据图2-1作出辅助线。延长BO1至E，连接O1O2，O1C，EC，过O2点作竖直直线，过01点作水平直线，这两条直线交于一点记为D，O2与直线O2D相交于一点记为F。最终作好的图如图2-2所示。
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