3D三維打印機(jī)耗材專用擠出機(jī)設(shè)計(jì)【全套含CAD圖紙、說明書、三維模型】
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壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985摘 要三維打印即快速成形技術(shù)的一種,它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。三維打印機(jī)用到的耗材,如塑料等,需要用到擠出機(jī),本課題針對(duì)該擠出機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的三維打印專用耗材擠出機(jī)采用單螺桿擠出機(jī),單螺桿擠出機(jī)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)架等幾部分組成。本文首先分析了單螺桿擠出機(jī)的工作原理及技術(shù)參數(shù),接著對(duì)擠出機(jī)擠壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與校核,最后使用CAD二維軟件繪制了擠出機(jī)的裝配圖和主要零件圖并采用Solidworks三維軟件設(shè)計(jì)了擠出機(jī)的三維模型。關(guān)鍵詞:擠出機(jī),螺桿,齒輪,CAD,SolidworksAbstractForming a three dimensional printing technique that is rapid, which is a digital model as a base, using a powdered metal or plastic materials may be bonded by way of the printed layer by layer technology to construct the object. 3D printer used supplies, such as plastic, etc., need to use the extruder, the topic for the extruder design. The special design of 3D printing supplies extruder using a single-screw extruder, single screw extruder mainly by the transmission system, feeding system, extrusion systems, heating and cooling systems, control systems, and a framework of several parts. This paper analyzes the working principle and technical parameters of a single-screw extruder, and then on the extruder extrusion system, transmission system, such as a detailed design and verification, finally using a two-dimensional CAD software to draw a diagram of the extruder assembly and major parts drawing and three-dimensional software design using Solidworks three-dimensional model of the extruder.Keywords: Extruder, Screw, Gear, CAD, Solidworks目 錄摘要IABSTRACTI第一章 緒 論51.1 課題背景51.2 擠出機(jī)概述51.2.1擠出成型工藝流程51.2.2 擠出機(jī)主要裝置61.3 擠出機(jī)的工作原理61.3.1 擠出機(jī)的分類61.3.2 單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)71.3.3 單螺桿擠出機(jī)工作原理8第二章 擠壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)92.1 螺桿主要參數(shù)計(jì)算92.1.1 螺桿長徑比的確定92.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速的確定92.1.3 擠出機(jī)產(chǎn)量的確定92.1.4 擠出機(jī)功率的確定102.1.5 螺桿螺紋的設(shè)計(jì)102.2 機(jī)筒的設(shè)計(jì)112.2.1 機(jī)筒結(jié)構(gòu)類型112.2.2 加料口的設(shè)計(jì)112.2.3 機(jī)筒與機(jī)頭的聯(lián)結(jié)方式122.2.4 螺桿與料筒的間隙122.3 螺桿與機(jī)筒材料的選擇及校核122.3.1材料的選擇122.3.2 螺桿強(qiáng)度校核122.3.3 機(jī)筒強(qiáng)度校核14第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)153.1 確定各級(jí)效率153.2 分配傳動(dòng)比153.2.1 總傳動(dòng)比153.2.2 各級(jí)傳動(dòng)比的粗略分配153.3 各軸功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算153.3.1 0軸:(電動(dòng)機(jī)軸)163.3.2軸:(減速器高速軸)163.3.3 軸:(減速器中間軸)163.3.4 軸:(減速器低速軸)163.4減速器高速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算173.4.1 材料的選擇173.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度確定中心距173.4.3 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度193.4.4 驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度203.4.5 齒輪的主要幾何參數(shù)213.5 減速器低速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算213.5.1 材料的選擇213.5.2 按齒面接觸強(qiáng)度確定中心距223.5.3 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度233.5.4 驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度243.5.5 低速級(jí)齒輪主要參數(shù)253.6 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算263.6.1 高速軸的設(shè)計(jì)263.6.2 中間軸的設(shè)計(jì)263.6.3 低速軸的設(shè)計(jì)計(jì)算263.7 軸的強(qiáng)度校核263.7.1 低速軸校核263.7.2 作彎矩圖273.7.3 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度293.7.4 中間軸校核303.8 滾動(dòng)軸承的選擇及其壽命驗(yàn)算343.8.1 低速軸軸承343.8.2 高速軸軸承353.9 鍵聯(lián)接的選擇和驗(yàn)算373.9.1 中間軸上鍵的選擇373.9.2 低速軸上鍵的選擇與驗(yàn)算38第四章 擠出機(jī)輔助零件的設(shè)計(jì)394.1 聯(lián)軸器的選擇394.2 推力軸承的選擇及校核394.2.1 軸承的選擇394.2.2 軸承的校核394.3 花鍵的選擇及校核394.3.1 花鍵的選擇394.3.2 花鍵擠壓強(qiáng)度校核394.4 減速器的潤滑及密封形式選擇40總 結(jié)41參考文獻(xiàn)42致 謝433D三維打印機(jī)耗材專用擠出機(jī)設(shè)計(jì)【全套含CAD圖紙、說明書、三維模型】第一章 緒 論1.1 課題背景三維打?。?D Printing),即快速成形技術(shù)的一種,它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型,現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。特別是一些高價(jià)值應(yīng)用(比如髖關(guān)節(jié)或牙齒,或一些飛機(jī)零部件)已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件?!叭S打印”意味著這項(xiàng)技術(shù)的普及。三維打印機(jī)不僅使立體物品的造價(jià)降低,且激發(fā)了人們的想象力。未來三維打印機(jī)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。 3D 打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或任何模具,就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件,從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期,提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。這項(xiàng)技術(shù)目前正迅猛發(fā)展,已越來越引起人們的廣泛重視。隨著技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)在3D 打印機(jī)在電影動(dòng)漫、氣象、教育、外科醫(yī)療等領(lǐng)域都能發(fā)揮獨(dú)特的作用。在教育領(lǐng)域,3D 打印機(jī)能夠?qū)⒊橄蟾拍顜氍F(xiàn)實(shí)世界,將學(xué)生的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)樗麄兛梢耘踉谑种械恼鎸?shí)立體彩色模型,令教學(xué)更為生動(dòng);在建筑領(lǐng)域,3D 打印機(jī)能夠?yàn)榍娈愋谓ㄖ闹匾軜?gòu)件快速制作精確模型,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑模型制作無法達(dá)到的工藝水平;在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,3D 打印機(jī)可以為金屬鑄件直接打印模型、模型插件和圖案;在地理空間領(lǐng)域,3D 打印機(jī)可以輕松將GIS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維地形及城市景觀模型或沙盤;而在娛樂藝術(shù)領(lǐng)域,3D 打印機(jī)還可根據(jù)電子游戲、三維動(dòng)畫以及其他創(chuàng)作產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)輕松制作自定義頭像和雕像。1.2 擠出機(jī)概述1.2.1擠出成型工藝流程擠出成型是橡膠工業(yè)的基本加工工藝之一。它是指利用擠出機(jī)及其輔機(jī),使膠料在螺桿的推動(dòng)下,連續(xù)不斷地向前運(yùn)動(dòng),再借助于口型擠出各種所需形狀的半成品,然后由特定的輔機(jī)配合,來完成擠出成型或其他作業(yè)的工藝過程。擠出成型工藝的優(yōu)點(diǎn)主要是操作簡單、經(jīng)濟(jì),半成品質(zhì)地均勻、致密,容易變換規(guī)格和斷面形狀,設(shè)備占地面積小,結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低,靈活機(jī)動(dòng)性大,生產(chǎn)能力大,且能連續(xù)操作。原料混合擠出機(jī)造粒擠出機(jī)塑化成型三輥壓光冷卻輸送切邊按聚氯乙烯板制品用配方選料計(jì)量牽引切割質(zhì)量檢查入庫圖塑料板的擠出成型可用聚氯乙烯聚乙烯聚丙烯聚碳酸酯ABS聚偏氟乙烯和聚苯乙烯等樹脂。其生產(chǎn)工藝順序如圖一。PVC-U異型材的生產(chǎn)工藝路線主要分為單螺桿擠出機(jī)成型工藝和雙螺桿擠出機(jī)成型工藝。單螺桿擠出成型工藝適用于小批量、小規(guī)格異型材生產(chǎn)及裝飾型材生產(chǎn)。其塑料板擠出機(jī)成型設(shè)備生產(chǎn)線如圖二。圖二 塑料板擠出生產(chǎn)線1擠出機(jī) 2成型模具 3三輥壓光機(jī) 4冷卻輸送輥組5切邊裝置 6牽引裝置 7切斷機(jī) 8制品檢查堆放平臺(tái)1.2.2 擠出機(jī)主要裝置(1)擠出成型裝置擠出機(jī)與成型模具,它是制件成型的主要部件,熔融塑料通過它獲得一定的幾何截面和尺寸。本設(shè)計(jì)將主要針對(duì)擠出機(jī)的工作原理進(jìn)行分析研究。(2)冷卻定型裝置該裝置包括真空定型和水冷卻兩部分。當(dāng)溫度為190左右,PVC-U熔融型坯從機(jī)頭口模出口后,立即進(jìn)入冷卻定型模。模內(nèi)抽真空,使型材外壁和定型模具表面貼緊,并用水通過定型套進(jìn)行冷卻定型。對(duì)真空吸附要求吸附力大而且均勻,定型套分型要求密封性好,特別是在筋與棱角處吸附要好,以保證型材外觀和尺寸精度及表觀質(zhì)量。(3)牽引裝置異型材擠出型坯進(jìn)入定型套后,由于真空吸附力和摩擦力作用,必須配置牽引力牽伸,才能保證正常擠出,同時(shí)也保證型材壁厚、尺寸公差、性能及外觀要求,使型材擠出速度和牽引速度相匹配。門窗異型材生產(chǎn)中通常采用履帶式牽引機(jī),其夾緊面較寬,型材受力均勻,牽引速度穩(wěn)定。(4)切割與翻轉(zhuǎn)裝置為使擠出異型材滿足運(yùn)輸、儲(chǔ)存和裝配要求,需將型材切割成一定長度。這里選用的是行走式圓鋸。翻轉(zhuǎn)裝置主要作用是支承制品,使制品定向,保證制品平直并將其堆積成垛,這里選用的是采用氣動(dòng)翻板式。制品切割后自動(dòng)進(jìn)入托架。1.3 擠出機(jī)的工作原理1.3.1 擠出機(jī)的分類隨著塑料擠出機(jī)成型工藝的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,塑料擠出機(jī)的類型日益增多,分類方法也不一致。按螺桿的空間位置可分為臥式和立式擠出機(jī);按螺桿的轉(zhuǎn)速又可分為普通擠出機(jī)、高速和超速擠出機(jī);按螺桿的數(shù)量來分,分為無螺桿擠出機(jī)、單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)等。目前,我們主要研究的是單螺桿擠出機(jī)和它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及它的工作原理。1.3.2 單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)單螺桿擠出機(jī)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)架等幾部分組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖三所示。圖三 單螺桿擠出機(jī)基本結(jié)構(gòu)1機(jī)頭聯(lián)接板 2分流板 3冷卻器 4加熱器 5螺桿 6機(jī)筒 7液壓泵 8測(cè)速電機(jī) 9止推軸承10料斗 11減速機(jī) 12冷卻管1、傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)8、止推軸承9等組成,其作用是驅(qū)動(dòng)螺桿5旋轉(zhuǎn), 為螺桿5旋轉(zhuǎn)提供所需的扭距和轉(zhuǎn)速,承受螺桿軸向力。2、加料系統(tǒng)由料斗10、加料斗座等組成。料斗用于儲(chǔ)存一定量的塑料。加料斗座除支撐斗外,還在機(jī)筒6和減速機(jī)之間起連接作用。3、擠壓系統(tǒng)由螺桿5、機(jī)筒6等組成,是擠出機(jī)工作的“心臟”部分,完成對(duì)塑料的連續(xù)輸送、塑化、均化、定壓定量擠出。4、加熱冷卻系統(tǒng)由加熱器4、冷卻器3、冷卻管12等組成,以保證擠壓系統(tǒng)中的塑料能夠在一定工藝要求的溫度范圍內(nèi)完成塑化和均化。5、控制系統(tǒng)由電控柜、檢測(cè)元件、儀器、電氣元器件及其他電器裝置等組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)及工藝條件的測(cè)控。1.3.3 單螺桿擠出機(jī)工作原理當(dāng)擠壓系統(tǒng)加熱到給定工藝溫度并保溫一定時(shí)間后,啟動(dòng)電機(jī),通過減速機(jī)提供給螺桿所需的扭矩和轉(zhuǎn)速。料斗中的塑料在自重或加料器推力的作用下,由加料口進(jìn)入螺槽。隨著螺桿的旋轉(zhuǎn),塑料在與機(jī)筒螺桿摩擦力的作用下被向前輸送。物料在擠壓系統(tǒng)中的形態(tài)變化(如圖四所示)。圖四塑料自料口進(jìn)入螺桿后,在旋轉(zhuǎn)著的螺桿作用下,通過料筒內(nèi)壁和螺桿表面的摩擦作用向前輸送。在成型過程中,物料以粉狀或顆粒狀從料斗加入至擠出機(jī)后,要完成輸送,壓實(shí),壓縮,熔融塑化、均化成均勻融體的過程。在螺桿加料段,松散的固體粒料(或料末)充滿螺槽,隨著物料的不斷輸送,物料開始被壓實(shí)。當(dāng)物料進(jìn)入壓縮段后,由于螺桿螺槽深度逐漸變淺以及機(jī)頭的阻力,使塑料逐漸形成高壓,并進(jìn)一步被壓實(shí)與此同時(shí),在料筒外加熱以及螺桿與料筒內(nèi)表面對(duì)物料的強(qiáng)烈攪拌、混合和剪切摩擦所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦剪切熱的作用下,塑料溫度不斷升高,與料筒相接觸的某一點(diǎn),塑料溫度到達(dá)熔點(diǎn),開始熔融。隨著物料的輸送,繼續(xù)加熱,熔融的物料量逐漸增多,而未熔融物料量相應(yīng)減少。大約在壓縮段的結(jié)束處,全部物料都轉(zhuǎn)變黏流態(tài),但這時(shí)各點(diǎn)溫度尚未均勻,經(jīng)過均化段的均化作用就比較均勻了,最后螺桿將熔融物料定量、定壓、定溫地?cái)D入到機(jī)頭。機(jī)頭中口模是個(gè)成型部件,物料通過它而獲得一定截面的幾何形狀和尺寸,再經(jīng)過冷卻定型和其它工序,就可得到成型好的制品。第二章 擠壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 螺桿主要參數(shù)計(jì)算2.1.1 螺桿長徑比的確定查閱三維打印機(jī)產(chǎn)品手冊(cè)可知目前的三維打印機(jī)對(duì)塑料的使用量通常在550Kg/h,參照下表擠出機(jī)規(guī)格參數(shù)選定螺桿直徑D=45mm ,對(duì)于不同塑料所采用的長徑比不同,一般在1525不等,L/D過小對(duì)塑料的混合和塑化都不利;L/D大的螺桿適應(yīng)性強(qiáng),適合多種塑料的擠出,但過大熱敏性塑料會(huì)因受熱時(shí)間太長而出現(xiàn)分解。所以,取L/D=252.1.2 螺桿轉(zhuǎn)速的確定因?yàn)槁輻U的轉(zhuǎn)速越高產(chǎn)量也越大,但過高的轉(zhuǎn)速并不能提高產(chǎn)量,反而會(huì)使物料在機(jī)筒內(nèi)產(chǎn)生膠燒,根據(jù)物料被螺桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的離心力與其重力相等的條件來確定。 (1-2)螺桿轉(zhuǎn)速根據(jù)大徑選大值,小徑取小值,取n=80r/min2.1.3 擠出機(jī)產(chǎn)量的確定根據(jù)螺桿的轉(zhuǎn)速,按經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算擠出機(jī)的產(chǎn)量 (1-3) 2.1.4 擠出機(jī)功率的確定本擠出機(jī)的功率按冷喂料來設(shè)計(jì) (1-4)N擠出機(jī)功率,KWk計(jì)算系數(shù),D螺桿直徑,cmn螺桿轉(zhuǎn)速,r/min根據(jù)表4.2-9確定各部分的效率:彈性聯(lián)軸器效率 滾動(dòng)軸承效率 齒輪傳動(dòng)效率 則傳動(dòng)總效率 = 查表選Y160M-6型步進(jìn)電機(jī),額定功率7.5KW,同步轉(zhuǎn)速1000r/min,額定轉(zhuǎn)速970r/min,效率90.8%2.1.5 螺桿螺紋的設(shè)計(jì)(1)本設(shè)計(jì)采用等距不等深螺桿,螺紋槽深度由進(jìn)料段逐漸變淺螺桿螺紋部分的分段:對(duì)于結(jié)晶型物料聚乙烯、聚丙烯等,按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:L=2545=1125mm加料段:(40%60%)* L=(450675)mm,取塑化段:(35)* D=(135225)mm,取均化段:(30%45%)* L=(337.5506)mm,取(2)目前市場(chǎng)上常用的單螺桿擠出機(jī)的壓縮比范圍為(25)按經(jīng)驗(yàn),是一個(gè)漸變值,取加料段螺紋槽深,均化段螺紋槽深對(duì)于等距不等深螺紋,若螺紋棱寬相等,則壓縮比(3)取螺紋距與螺桿直徑相等按公式 (1-5)則螺桿的螺紋升角為(4) 螺紋棱寬按經(jīng)驗(yàn)公式則螺棱頂部螺槽法向?qū)挾龋?(1-6) 導(dǎo)程(螺紋距) 螺紋頭數(shù)(單頭螺紋) e螺棱頂部法向?qū)挾?螺棱頂部螺槽軸向?qū)挾龋?(5) 螺紋截面的形狀有矩形(圖a)和鋸齒形(圖b)兩種。矩形螺紋截面根部圓弧很小,容積很大,適用于加料段和均化段。鋸齒形螺紋截面根部圓弧較大,應(yīng)力集中小,牙根強(qiáng)度高,適用于塑化段。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得:(6) 選擇頭部為半圓形的螺桿,適用于流動(dòng)性較好的材料,如聚氯乙烯、聚丙烯等。2.2 機(jī)筒的設(shè)計(jì)2.2.1 機(jī)筒結(jié)構(gòu)類型根據(jù)冷喂料選擇分段式機(jī)筒,將機(jī)筒分為三段加工,然后用法蘭連接,在機(jī)筒內(nèi)部裝配上可以更換的合金無縫鋼管,壁厚查表1-3-9得(4045)mm,取。襯套也采用分段的形式,襯套壁厚,為加工方便取。為防止襯套和機(jī)筒 可能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),在襯套與機(jī)筒間常用制動(dòng)套或制動(dòng)銷加以緊固。2.2.2 加料口的設(shè)計(jì)加料口的結(jié)構(gòu)必須與物料的形狀相適應(yīng),使被加入的物料能從料斗或加料器中無間斷地自由流入,所以本加料口在其右口壁開斜角,一般為或稍大于此值,加料口的形狀(俯視)為矩形,其長邊平行于軸線,長度約為(1.31.8)*D=(58.581)2.2.3 機(jī)筒與機(jī)頭的聯(lián)結(jié)方式考慮結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,工作可靠,便于裝拆等因素,故采用螺釘聯(lián)結(jié)。2.2.4 螺桿與料筒的間隙其大小影響擠出機(jī)的生產(chǎn)能力和物料的塑化。值大,熱傳導(dǎo)差,剪切速率低,不利于物料的熔融和混合,生產(chǎn)效率也不會(huì)高。但小時(shí),熱傳導(dǎo)和剪切率都相應(yīng)提高。但過于小,就易引起物料降解,按經(jīng)驗(yàn)取2.3 螺桿與機(jī)筒材料的選擇及校核2.3.1材料的選擇螺桿和襯套的材料均選用:機(jī)筒的材料選用:;2.3.2 螺桿強(qiáng)度校核(1) 機(jī)頭壓力:機(jī)頭壓力是由于旋轉(zhuǎn)的螺桿對(duì)物料所作用的作用力的反壓力。同時(shí),由于螺槽容積的漸變和機(jī)頭、口模、分流板等阻礙物料的正向流動(dòng),使物料通道中產(chǎn)生了壓力梯度,因此在機(jī)頭區(qū)域產(chǎn)生了壓力即機(jī)頭壓力。在不同的情況下,機(jī)頭壓力分布是復(fù)雜的。一般按試驗(yàn)中的多點(diǎn)測(cè)量來確定。查表1-3-8,取(2) 軸向力:螺桿的軸向推力由兩部分組成,一部分是機(jī)頭處的物料作用于螺桿端面上總壓力;另一部分是在擠出時(shí)由于動(dòng)載荷產(chǎn)生的附加壓力,因此軸向力的合力。由于、不易求,故按經(jīng)驗(yàn)公式: (3-2) ?。?) 由軸向力產(chǎn)生的正應(yīng)力: (3-3) (4) 由螺桿自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力: (3-4)(5) 由扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力: (3-5) (6) 螺桿的總應(yīng)力: 式中 (3-6)查表得螺桿材料的許用應(yīng)力得,故螺桿強(qiáng)度滿足要求。2.3.3 機(jī)筒強(qiáng)度校核 (3-7) 查表得材料的許用應(yīng)力得,故機(jī)筒強(qiáng)度滿足要求。第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖3-1 傳動(dòng)部分系統(tǒng)圖3.1 確定各級(jí)效率根據(jù)表4.2-9確定各級(jí)的效率:彈性聯(lián)軸器效率 滾動(dòng)軸承效率 齒輪傳動(dòng)效率 則傳動(dòng)總效率 = 3.2 分配傳動(dòng)比3.2.1 總傳動(dòng)比3.2.2 各級(jí)傳動(dòng)比的粗略分配根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程手冊(cè)第二版,取減速箱內(nèi)高速級(jí)齒輪傳動(dòng)比減速箱內(nèi)低速級(jí)齒輪傳動(dòng)比 3.3 各軸功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算3.3.1 0軸:(電動(dòng)機(jī)軸) 3.3.2軸:(減速器高速軸) 3.3.3 軸:(減速器中間軸) 3.3.4 軸:(減速器低速軸) 各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)見表1-1:表1-1 各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)軸功率(kw)轉(zhuǎn)速(r/min)轉(zhuǎn)矩(Nm)傳動(dòng)類型傳動(dòng)比效率軸7.42597073.1聯(lián)軸器10.99軸7.084240281.88齒輪、軸承4.040.95軸6.73480803.87齒輪、軸承30.953.4減速器高速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算工作條件見表1-2:表1-2工作年限工作班制工作環(huán)境載荷性質(zhì)生產(chǎn)批量102清潔平穩(wěn)大批3.4.1 材料的選擇小齒輪 40Cr 調(diào)質(zhì)處理 齒面硬度 241-286HBS大齒輪 45鋼 正火處理 齒面硬度 162-217HBS計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (5-1)查圖5-17,ZN1=1.0 ZN2=1.05 (允許一定點(diǎn)蝕)由式5-29,ZX1=ZX2=1.0 ,取SHmin=1.0 ZW=1.012 ZLVR=1.0(光整齒輪)由圖5-16b,得,計(jì)算許用接觸應(yīng)力因,故取23.4.2 按齒面接觸強(qiáng)度確定中心距小齒輪轉(zhuǎn)矩T1=73100Nmm初定螺旋角=13,。初取,由表5-5得減速傳動(dòng),取端面壓力角基圓螺旋角由式(5-39)計(jì)算中心距a由表4.2-10,取中心距。 估算模數(shù): ,取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 小齒輪齒數(shù):大齒輪齒數(shù):取 實(shí)際傳動(dòng)比傳動(dòng)比誤差,在允許誤差的范圍內(nèi)。修正螺旋角 與初選=130相近, 可不修正。齒輪分度圓直徑 圓周速度由表5-6,取齒輪精度為8級(jí)3.4.3 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度按電機(jī)驅(qū)動(dòng),載荷稍有波動(dòng),由表5-3,取。由圖5-4b,按8級(jí)精度和,得。齒寬:。由圖5-7a,按,考慮軸的剛度較大和齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱布置,得。由表5-4,得。載荷系數(shù)計(jì)算重合度:齒頂圓直徑端面壓力角齒輪基圓直徑端面齒頂壓力角由式5-39,計(jì)算齒面接觸應(yīng)力 (5-2)故安全。3.4.4 驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度按,由圖5-18b,得,。由圖5-19,得,。由式5-32,m=2mm5mm,故。取Y=2.0,S=1.4。由式5-31計(jì)算許用彎曲應(yīng)力由圖5-14得Y=2.60,Y=2.24。由圖5-15得Y=1.65,Y=1.79。由式(5-47)計(jì)算,因3.4.5 齒輪的主要幾何參數(shù), 取3.5 減速器低速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.5.1 材料的選擇根據(jù)工作條件及其載荷性質(zhì),選擇適當(dāng)?shù)牟牧?。小齒輪 40Cr 調(diào)質(zhì)處理 齒面硬度 241-286HBS大齒輪 45鋼 正火處理 齒面硬度 162-217HBS 查圖5-17,(允許一定點(diǎn)蝕)由式5-29,取,(精加工齒輪)由圖5-16b,得,由5-28式計(jì)算許用接觸應(yīng)力因,故取3.5.2 按齒面接觸強(qiáng)度確定中心距小齒輪轉(zhuǎn)矩T=281880Nmm初定螺旋角=13,初取,由表5-5得減速傳動(dòng),;取。由式(5-41)計(jì)算端面壓力角基圓螺旋角由式(5-39)計(jì)算中心距a取中心距a=133mm估算模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)。取Z=22,Z=66。實(shí)際傳動(dòng)比傳動(dòng)比誤差在允許誤差范圍內(nèi)。修正螺旋角與初選=130相近,Z 、Z可不修正.齒輪分度圓直徑 圓周速度,由表5-6,取齒輪精度為8級(jí).3.5.3 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度按電機(jī)驅(qū)動(dòng),載荷稍有波動(dòng),由表5-3,取。由圖5-4b,按8級(jí)精度和,得。齒寬。由圖5-7a,按,考慮軸的剛度較大和齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱布置,得。由表5-4,得。載荷系數(shù) (5-3)計(jì)算重合度:齒頂圓直徑 端面壓力角 齒輪基圓直徑 端面齒頂壓力角 由式5-39,計(jì)算齒面接觸應(yīng)力 (5-4)故安全。3.5.4 驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度按,由圖5-14得由圖5-15得由式5-23計(jì)算由式5-47得 由圖5-18b,得,由圖5-19,得Y=1.0,Y=1.0由式5-32,m=3mmS=1.51.8 所以剖面安全。其它剖面與上述剖面相比,危險(xiǎn)性小,無需校核。3.8 滾動(dòng)軸承的選擇及其壽命驗(yàn)算3.8.1 低速軸軸承作用在齒輪上的圓周力徑向力 軸向力 低速軸軸承選擇一對(duì)圓錐滾子軸承,低速軸軸承校核:條件:轉(zhuǎn)速,工作平穩(wěn),工作溫度低于。(1) 確定軸承的承載能力查表7-2-70,軸承的(2) 計(jì)算徑向支反力垂直面支反力 水平面支反力 , (3) 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 查表得 ,右緊左松 ;查表得;(4) 校核軸承壽命預(yù)計(jì)壽命. 故圓錐滾子軸承適用。3.8.2 高速軸軸承作用在齒輪上的圓周力徑向力 軸向力 高速軸軸承選擇一對(duì)圓錐滾子軸承,高速軸軸承校核:條件:轉(zhuǎn)速,工作平穩(wěn),工作溫度低于。(1) 確定軸承的承載能力查表7-2-70,軸承的(2) 計(jì)算徑向支反力垂直面支反力: : 水平面支反力: , (3) 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 查表得 ,右緊左松 ;查表得;(4) 校核軸承壽命預(yù)計(jì)壽命. (8-4)故圓錐滾子軸承適用。3.8.3 中間軸軸承選擇一對(duì)圓錐滾子軸承,中間軸軸承校核:(1)確定軸承的承載能力查表7-2-70,軸承的(2)計(jì)算徑向支反力 (3)附加軸向力 查表得 查表得(4)校核軸承壽命預(yù)計(jì)壽命. (8-5) 故圓錐滾子軸承適用。3.9 鍵聯(lián)接的選擇和驗(yàn)算3.9.1 中間軸上鍵的選擇(1)中間軸上的平鍵中間軸與大齒輪聯(lián)接鍵的選擇及校核已知,選用普通平鍵,查表5-3-19得a.按擠壓強(qiáng)度校核:平鍵的強(qiáng)度條件: (9-1)查表8-1得因?yàn)?,所以鍵的擠壓強(qiáng)度可以保證。b.按扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度校核 (9-2)查表8-1得因?yàn)?,所以鍵的剪切強(qiáng)度也可以保證。3.9.2 低速軸上鍵的選擇與驗(yàn)算(1)低速軸與大齒輪聯(lián)接鍵的選擇與校核已知,選用普通平鍵,查表5-3-19得a.按擠壓強(qiáng)度校核平鍵的強(qiáng)度條件: (9-3)式中查表8-1得,因?yàn)?,所以鍵的擠壓強(qiáng)度可以保證。b.按扭矩剪切強(qiáng)度校核查表8-1得,因?yàn)?,所以鍵的剪切強(qiáng)度也可以保證。第四章 擠出機(jī)輔助零件的設(shè)計(jì)4.1 聯(lián)軸器的選擇高速軸軸端處選擇彈性柱銷聯(lián)軸器,名義轉(zhuǎn)矩 (10-1) 計(jì)算轉(zhuǎn)矩為 故聯(lián)軸器適用。沈陽化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 擠出機(jī)輔助零件的設(shè)計(jì)4.2 推力軸承的選擇及校核4.2.1 軸承的選擇為了使螺桿可以浮動(dòng)工作,選推力調(diào)心滾子軸承低速軸軸徑為,即軸承的內(nèi)徑為,故選,壽命10年。4.2.2 軸承的校核由前可知,軸向力而軸承的基本額定負(fù)荷為因?yàn)椋栽撝雇戚S承可以保證正常工作。三維打印機(jī)耗材專用擠出機(jī)設(shè)計(jì)4.3 花鍵的選擇及校核4.3.1 花鍵的選擇采用矩形花鍵,根據(jù)螺桿軸徑為,故選擇中系列。4.3.2 花鍵擠壓強(qiáng)度校核強(qiáng)度條件: (12-1)因?yàn)?,故花鍵滿足強(qiáng)度要求。(1)低速軸帶花鍵部分的強(qiáng)度校核將它作為內(nèi)花鍵軸因?yàn)?,所以低速軸段內(nèi)花鍵強(qiáng)度滿足要求。(2)螺桿花鍵強(qiáng)度的校核 將它作為外花鍵軸查表8-1得的因?yàn)?,所以螺桿段外花鍵強(qiáng)度滿足要求。4.4 減速器的潤滑及密封形式選擇(1)減速器的潤滑采用油潤滑,潤滑油選用中負(fù)荷工業(yè)齒輪油GB5903-86。(2)油標(biāo)尺M(jìn)16,材料Q235A。(3)密封圈低速軸選用 FB 065072 GB13871-92高速軸選用 FB 050072 GB13871-92總 結(jié)本文首先分析了單螺桿擠出機(jī)的工作原理及技術(shù)參數(shù),接著對(duì)擠出機(jī)擠壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與校核,最后使用CAD二維軟件繪制了擠出機(jī)的裝配圖和主要零件圖并采用Solidworks三維軟件設(shè)計(jì)了擠出機(jī)的三維模型。通過這次設(shè)計(jì),我學(xué)到了很多知識(shí),鞏固了一些原來遺忘,疏忽的知識(shí)點(diǎn),原來不理解、沒有掌握好的問題,也通過翻閱資料,請(qǐng)教老師,把它們都解決了。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì),我體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)精神的重要性。同時(shí),我也發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)過程中存在的不足,尤其是專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用方面,不能在實(shí)踐中很好的運(yùn)用。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì),使自己有了一種新的感受和認(rèn)識(shí),相信自己在今后的工作和學(xué)習(xí)當(dāng)中會(huì)發(fā)揮的更好。參考文獻(xiàn)1吳大鳴,李曉林,劉穎. 單螺桿精密擠出成型技術(shù)進(jìn)展J. 中國塑料. 2003(02)2影響擠出成型精密度的因素J. 塑料. 2003(01)3高聚物精密擠出的研究J. 化工進(jìn)展. 2001(11)4吳宗澤主編,機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)M,機(jī)械工業(yè)出版社,20035譚建榮、張樹有、施岳定主編,圖學(xué)基礎(chǔ)教程M,高等教育出版社,19996楊明忠、朱家誠主編,機(jī)械設(shè)計(jì)M,武漢理工大學(xué)出版社,20017鄭文緯、吳克堅(jiān)主編,機(jī)械原理M.第七版,高等教育出版社,19978唐照民、汝元功主編,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M,高等教育出版社,19959張麗珍,周殿明.塑料機(jī)械維修技術(shù)問答.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,200510程燕軍,柳舟通.沖壓與塑料成型設(shè)備.北京:科學(xué)出版社,200511張麗珍,周殿明,塑料擠出操作工應(yīng)知會(huì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,200512馬廣,張國文.沖壓與塑料成型機(jī)械.山東:山東科學(xué)技術(shù)出版社,200413虞傳寶.冷沖壓及塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)資料.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199214韓寶仁、朱元吉、馮連勛.塑料異型材制造原理與技術(shù)北京:工業(yè)出版社,200115Andrew AlleyneDanian Zheng, Learning Control of an Injection Molding Machine CycleJ/OL, 2000 NSF Design & Manufacturing Research Conference 16ZHAO Zhenmei WEI Xiuying XIONG Yuhua MAO Changhui, Preparation of Ti-Mo getters by injection moldingJ/OL, RARE METALS 2009 28(2) TG1致 謝時(shí)光飛逝,四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生涯就要結(jié)束了,在這短暫而漫長的四年里,使我更進(jìn)一步的熟悉和掌握了如何去學(xué)習(xí)、生活和工作。同時(shí),也是校園讓我們學(xué)會(huì)了學(xué)習(xí),學(xué)會(huì)了思考,學(xué)會(huì)了做人,雖其短暫,但是在這四年里所學(xué)的知識(shí)必將可以使我受用終生。在這大學(xué)生涯即將結(jié)束的最后半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中,不僅是對(duì)我們每一個(gè)人的一次全面的考查,同時(shí)也是對(duì)我們所學(xué)習(xí)和掌握知識(shí)的一次實(shí)際而綜合運(yùn)用,這不僅僅是只是一次知識(shí)的檢驗(yàn),更是對(duì)我們認(rèn)識(shí)問題、分析問題、解決問題的綜合能力的鍛煉與培養(yǎng)。同時(shí)對(duì)于我們來說,這也是一次難能可貴的在校學(xué)習(xí)的經(jīng)歷,一次知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累的機(jī)會(huì)。為此,我應(yīng)該感謝給予我這個(gè)機(jī)會(huì)的人,是他們給予了我這次學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì),同時(shí)也是他們給予我了關(guān)懷與支持,正是在他們的關(guān)心、支持與幫助下,我的大學(xué)學(xué)習(xí),生活,以及這次畢業(yè)設(shè)計(jì)才能完滿結(jié)束,為我大學(xué)生涯畫上一個(gè)完美的句號(hào)。在這里,我首先要感謝母校,是母校為我提供了這個(gè)平臺(tái),給予我了夢(mèng)寐已久的學(xué)習(xí)和生活的機(jī)會(huì),從而是我的人生更加精彩。其次,要感謝的是我的指導(dǎo)老師,在這幾個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)的日子里,對(duì)我們的耐心的關(guān)懷與輔導(dǎo)。在這四年的大學(xué)生涯中,以前學(xué)的專業(yè)知識(shí),對(duì)于我們來說象一盤散沙,雜亂無章沒有系統(tǒng)性。但是在老師的悉心輔導(dǎo)下,使我們對(duì)自己的知識(shí)進(jìn)行了整理、組織和裝配,使我的知識(shí)結(jié)構(gòu)更加明朗化、體系化了。在此感謝老師在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中給予了我莫大的支持和幫助。 同時(shí),我還要感謝同組的成員,以及關(guān)心和支持我的所有的同學(xué),在我們共同學(xué)習(xí)、和生活的日子里,大家共同努力,克服困難,不斷提出和完善新的設(shè)計(jì)思路和方法,使我們的學(xué)習(xí)、生活和本次畢業(yè)設(shè)計(jì)工作得以順利而完滿的結(jié)束;生活上互相幫助,彼此間留下了最珍貴而溫馨的友誼。是你們讓我擁有了一段美好的大學(xué)生活。最后,我要感謝所有的教過我的老師們,感謝您們的辛勤培育和無微不至的關(guān)懷,是你們的高尚品德和人格魅力影響了并改變了我。在以后的學(xué)習(xí)、生活、工作中,我將牢記您們的諄諄教誨,不斷學(xué)習(xí),不斷進(jìn)步。在此,衷心地祝福和感謝你們!英文原文FUZZYDECOUPLING CONTROL OF MELTTEMPERATURE AND MELT PRESSURE FOR PLASTICELECTROMAGNETISM DYNAMIC EXTRUDERWEN Shengping,QU JinpingNational Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing,Dept of Industrial Equipment and Controlling ,South China University of Technology,Guangzhou 510640,ChinaKeywords: Melt temperature, melt pressure, fuzzy decoupling control, electromagnetism dynamic extruder.AbstractThe plastic electromagnetism dynamic extruder has gained wide applications because of its novel structure and fine engineering performance。In the polymer processing,melt temperature and melt pressure control is crucial to the quality of the extruded product。A new fuzzy decoupling control algorithm of melt temperature and melt pressure for the novel extruder is introduced in the transfer function matrix system,which is obtained through the experimental data with system identification。The control system is implemented on programmable computer controller。Experimental results show melt temperature and melt pressure can be successful individually controlled by the heater power and the screw speed。The good system performance verifies the control strategys validity。1 IntroductionPolymer extrusion is a complex nonlinear multivariable coupling process。There are many factors affecting the stability of extrusion process and the quality of extruded products。The equipment is the crucial factor。There are already many kinds of extruder。Unlike the traditional extruder。a new kind of electromagnetism dynamic extruder was invented by professor Qu Jinping5.He introduced the vibration force field into the whole process of polymer extrusion。The vibration force field brings new changes to the energy balance,quality balance and momentum balance of the whole extrusion process。Control of vibration frequency and vibration magnitude can effectively control the dynamic extrusion process。The electromagnetism dynamic extruder is shown in Fig.l,Researches on the dynamic extruder show the good performance of the machine。Besides the extruder,melt pressure and melt temperature are key variables to the extrusion process。Melt pressure directly influences the output of the product。While melt temperatures fluctuation can change melt viscosity and consequently influences melt pressure and flow rate. Therefore,the dominant variables are melt temperature and melt pressure in the dynamic extrusion process.Fig.l: the structure of electromagnetism dynamic Plasticating extruder.1 screw,2 barrel,3 rotor,4 stator,5 support base,6 hopperIn order to get high product quality,control of melt pressure and melt temperature for the traditional extruder has been done with different control method。In 1970s,Dormeier,S.4 firstly introduced the digital PID control to melt Temperature cascade control。The diameter of the screw is 45mm.Because of the limit of hardware development,the sample period is 15s.The cascade PID control is shown in Fig.2.Fig.2: melt temperature cascade PID control.ntroduced into the barrel-wall temperature control。Richey Dubay,Adam C.Bell and Yash P.Gupta used model prediction method to establish the multiple-input multiple-output model for the temperature control of the different sections of the barrel6.Ching-Chih Tsai and Chi-Huang Lu investigated the multivariable temperature control of the barrel based on the generalized predictive algorithm2.The mathematic model of the heating process shown in Fig.3 was built according to the energy balance。Chi-Huang Lu also adopted the self-adaptive prediction control to the barrel temperature control3。Achievements gained were mainly about the traditional extruder。Melt temperature and melt pressure control of the electromagnetism dynamic extruder has seldom reported by now。Melt temperature and melt pressure control based on a new fuzzy control algorithm for the electromagnetism dynamic extruder is investigated in this paper.Fig.3: physical model of the extruder barrelAchievements gained were mainly about the traditional extruder。Melt temperature and melt pressure control of the electromagnetism dynamic extruder has seldom reported by now。Melt temperature and melt pressure control based on a new fuzzy control algorithm for the electromagnetism dynamic extruder is investigated in this paper.2 Modelling of the systemThe electromagnetism dynamic extruder has five heating zones。Temperatures of the first four heaters are set by manual。The temperature of the heater on the die is to be controlled by the new control strategy。There are five thermocouples positioned in the barrel-wall to measure the barrel wall temperature。One infrared temperature transducer is positioned nearest the exit of the melt to measure melt temperature。Melt pressure is measured by a strain-gauge-type pressure transducer positioned in the die-wall。Melt pressure is controlled by screw speed。Step response of melt pressure and melt temperature to heater power on the die and screw speed were acquired through experiments.Fig.4 and Fig.5 are experimental step responses of melt temperature. Fig.4: step response of melt temperature to Heater 5 temperatureFig.5: step response of melt pressure to Heater 5 temperatureResponse of melt pressure and melt temperature to the heater power and screw speed is a self-balanced system。The response is over damping。So the system is considered as a second order system and system parameters can be identified from experimental data 8.The transfer function of the second order self-balance system with a pure delay is expressed as following.Where K is system gain is delay time,T is time constant, is damping ratio. Then we get the transfer function identified from experimental data.Where Tm,Pm are melt temperature and melt pressure W is the heater5 power,and n is the screw speed.3 Fuzzy decoupling control algorithm。According to the coupling relationship of melt temperature and melt pressure,we bring about a fuzzy decoupling controller for melt temperature and melt pressure control shown in Fig.61,7.Fig.6: system structure of the fuzzy decoupling controlWhere Tm and Pm are actual outputs of melt temperature and melt pressure。Tm set and Pm set are set points of melt temperature and melt pressure。The whole system consists of fuzzy controller,decoupling compensator unit and fuzzy adjusting components unit。Decoupling coefficients d21 and dl2 vary according to the fuzzy adjusting components,so that the coupling of the two loops can be eliminated.3.1 Decoupling coefficients under steady stateUnder steady state,according to the Equ.2,The steady state gain matrix is given byDecoupling coefficients 8 defined by the principle of decoupling compensator are given by From(3)and(4),we get the decoupling coefficients under steady state.3.2 Adjusting of decoupling coefficients under dynamic processDecoupling coefficients mentioned above are derived from the steady state。It can entirely eliminate the coupling of melt temperature and melt pressure under steady state。In order to reduce the coupling under dynamic process,decoupling coefficients should be regulated。The modification unit is shown in Fig.7.Fig.7 Diagram of multivariable fuzzy control with modifyingCompensatorThe system output response can be written as below:Here,ui(i=1,2)is the output of the fuzzy controller,Yi (i=1,2)is the increment of the system output,and aij (i=1,2;j=1,2)is modifying coefficient. According to equ.7, output increment LYI at time step n-1 and n can be expressed as:After eliminating all from equ.8,a12 can be written as:In the same way, a21 can be written as:In order to eliminate the coupling between loops under dynamic process,it must let aij=O(i=1,2;j=1,2;i:I;j).If aijO (i=1,2;j=1,2;i*-j),it means that decoupleing coefficients is unreasonable。Decoupling coefficients are adjusted according to modifying coefficient by fuzzy logic. Fuzzy sets of decoupling coefficients and modifying coefficients are defined as NB,NS,ZO,PS,PB.The fuzzy control rule table of adjusting decoupling coefficients is shown in Table 1.Table 1: fuzzy control rule table of adjusting decoupling coefficient。3.3 Design of fuzzy controller FLCI and FLC2 Design of FLCI is the same as that of FLC2,so we only introduce the design of FLC 1.Two dimension fuzzy controller is adopted。Inputs of the fuzzy controller are error (E)and ratio of error change(EC).Output(U)is the control signal sent to the plant。Fuzzy sets of E,EC and U are defined asNB,NM,NS,ZO,PS,PM,PBand universe is chosen as -6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4, 5,6.The membership function is the triangular function shown in Fig.8.Fig.8:membership function.In the dynamic extrusion process,we have gained such experiences “as if temperature is low,rising of temperature is slow,then heater power should be increased”,and “if temperature is high,rising of temperature is quick,then the heater should be stopped”。Based on manual experience,we get the fuzzy rules as following.(1)If E=NB or NM and EC=NB or NM then U=PB(2)If E=NB or NM and EC=NS or ZO then U=PB(3)If E=NB or NM and EC=PS then U=PM According to the rules,we can get the fuzzy control table。After fuzzy decoupling,melt temperature is controlled by the averaged heater power and melt pressure is controlled by the screw speed。For melt temperature control,the output of the controller is directly transferred to the PWM signal,which is amplified to regulate the average power of heater。For melt pressure control,incremental method is adopted。Sample time for melt pressure is 20ms.Sample time for melt temperature is 500ms and period of the PWM signal is 10ms.4 Implementation of the control system and experimental results4.1 Implementation of the control systemHardware design of the control system includes the choice of the master controller,design of the interface circuit,design of the drive and amplifier circuit,and design of hand machine interface(HMI).According to the control requirements and the characteristics of the plant,B&R PCC2003 is chosen as the master controller,Programmable computer controller (PCC)has the standard functions of the Programmable logic controller(PLC) and has the time division multiplexing operating system of the industry computer。PCC can conveniently process the analogous and digital signals and is easy to configuration because of its modular structure. Program based on PCC can be developed with the advanced language and mixture of different languages。The configuration is shown in Fig.9.Fig.9: configuration of the control system.4.2 Experimental resultsLLDPE is chosen as experimental material。The temperatures of heater 1-4 are set to be 165C,180C,180C,and 175C individually。Melt pressure is set to be 10Mpa and melt temperature is set to be 170C.When the operation becomes stable,melt pressure is changed to 12Mpa.Fig.IO shows that actual pressure can quickly come to the set point while temperature remains to be 170C.Fig.II shows that when melt temperature set point is changed to be 180C,the response of melt temperature is quick。Melt temperature comes to the set point while melt pressure is almost remain unchanged.Fig.5 shows that the effect of the open loop control and melt pressure decreases rapidly with the rise of melt temperature。After adopting the fuzzy logic decoupling control,F(xiàn)ig.II verifies the validity of the new control method and melt pressure remains constant despite the variability of melt temperature.。The case is the same to melt temperature versus variability of melt pressure and details are omitted here.Fig.I0: change of melt pressure with unchanged melt temperature.Fig.1I: change of melt temperature with unchanged melt pressure.5 ConclusionsThis paper investigated the decoupling control of melt pressure and melt temperature for the electromagnetism dynamic extruder。A new control algorithm based on fuzzy logic is introduced,which consists of fuzzy controller, decoupling compensator unit and fuzzy adjusting componentsUnit。The implementation of the control system is based on B&R PCC2003.Experimental results show that melt temperature and melt pressure can be successful individually controlled and verifies the validation of the fuzzy control strategy.AcknowledgementsThe authors gratefully acknowledge the Instrument Foundation of National Natural Science Foundation of China (No.20027002).ReferencesIAbdullah S.Alwadie,Analysis,Design,and Tuning of the Two-Input Two-Output Fuzzy Control Systems Using the Simplified Fuzzy Rules,Doctor of Philosophy,2003.2Ching-Chih Tsai,Member,IEEE,Chi-Huang Lu. 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Extruder control,IFAC PRP 4 Automation,Ghent,Belgium,551-560,1980.5Qu Jinping,The novel method and equipment for polymer extrude processing,China Plastics,11,3,69-73,1997.6Rickey Dubay,Adam C.Bell,Yash P.Gupta.Control of plastic melt temperature::A multiple input multiple output model predictive approach,Polymer Engineering and Science,37,9,1150-1563,1997.7Sun qu,Li renhou.Fuzzy control of multivariable systems based on fuzzy dynamic model,Acta Automatica Sinica, 27,5,719-723,2001.8Song zhian,Wang wenxin。Diagrammatic Method of Transfer Function Identified by Step-up Response Curves,Journal of Shandong University of Science& Technology(NaturalScience),22,1,61-63,2003.中文譯文模糊解耦控制熔體 溫度和熔體壓力塑料 電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)文生平平 瞿金平摘要塑料電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)由于其新穎的結(jié)構(gòu)和良好的工程業(yè)績已獲得廣泛的應(yīng)用。在聚合物加工,熔融溫度和熔體壓力的控制對(duì)擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。一種新的模糊解耦控制算法控制熔融溫度和熔體壓力的新型擠出機(jī)引進(jìn)了系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣, 這是通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)辨識(shí)來實(shí)現(xiàn)的。可編程計(jì)算控制器通過控制系統(tǒng)來執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過加熱器功率和螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)能成功地對(duì)熔融溫度和熔體壓力進(jìn)行單獨(dú)控制。良好的系統(tǒng)性能驗(yàn)證了控制方法的有效性。關(guān)鍵詞:熔體溫度,熔體壓力,模糊解耦控制,電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)1導(dǎo)言聚合物擠出是一個(gè)復(fù)雜的非線性多變量耦合過程。有許多因素影響擠壓工藝的穩(wěn)定和擠出產(chǎn)品的質(zhì)量,設(shè)備是關(guān)鍵因素?,F(xiàn)在已經(jīng)有許多種類的擠出機(jī),與傳統(tǒng)的擠出機(jī)不同的是,瞿金平教授發(fā)明了一種新型的電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)。他介紹了振動(dòng)力場(chǎng)到全過程的聚合物擠出,振動(dòng)力場(chǎng)作用帶來了整個(gè)擠壓工藝新的變化的能量平衡,質(zhì)量平衡,動(dòng)量平衡。控制振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度可有效控制動(dòng)態(tài)擠壓過程。電磁動(dòng)態(tài)擠出如圖1所示,對(duì)動(dòng)態(tài)擠出機(jī)的研究表明這機(jī)器性能良好。 圖1:電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)。 1螺桿, 2機(jī)筒, 3轉(zhuǎn)子, 4定子, 5支撐座, 6漏斗 此外,擠出機(jī)熔體壓力和熔體溫度是變量擠出過程的關(guān)鍵。熔體壓力直接影響輸出制品的質(zhì)量。雖然熔體溫度的波動(dòng)會(huì)改變?nèi)垠w粘度和進(jìn)而影響熔體壓力和流量。但是,在動(dòng)態(tài)擠壓工藝中占主導(dǎo)地位的變量是熔體溫度和熔體壓力。為了獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品,傳統(tǒng)擠出機(jī)對(duì)熔體壓力和熔體溫度的控制已經(jīng)應(yīng)用了不同的控制方法。在20世紀(jì)70年代, 由Dormered首先介紹了數(shù)字PID控制熔化溫度串級(jí)控制。螺桿直徑是45毫米。由于硬件開發(fā)的限制,樣本時(shí)間為15s。梯級(jí)PID控制如圖2所示 。 圖2 :熔體溫度串級(jí)PID控制。20世紀(jì)90年代以來,現(xiàn)代控制理論已逐漸引入到對(duì)每段機(jī)筒壁溫度控制。里奇達(dá)貝、亞當(dāng)角貝爾和佳日體育古普塔使用模型預(yù)測(cè)方法,建立了多輸入多輸出模式,溫度控制每段機(jī)筒的不同部分。蔡清池和盧紀(jì)宏研究了基于廣義預(yù)測(cè)算法多變量的機(jī)筒溫度控制。該數(shù)學(xué)模型的加熱過程依據(jù)能量平衡,中如圖3所示。盧紀(jì)宏還通過自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制用在每段機(jī)筒的溫度控制。其取得的成就主要是對(duì)傳統(tǒng)擠出機(jī)、熔融溫度和熔體壓力控制電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)、熔體溫度和熔體壓力控制的基礎(chǔ)上新的模糊控制算法的電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)進(jìn)行了研究。圖3 :擠出機(jī)筒的物理模型2 系統(tǒng)建模電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)有五個(gè)加熱區(qū)。溫度的前四個(gè)加熱器由手動(dòng)控制。新的控制策略所控制是加熱溫度。有5個(gè)熱電偶安裝在每段機(jī)筒內(nèi)來衡量每段機(jī)筒溫度。一個(gè)紅外線溫度傳感器安裝在最近的熔體出口處以測(cè)量熔體溫度。測(cè)量熔體壓力的應(yīng)變式壓力傳感器定位在模具壁。熔體壓力通過螺桿轉(zhuǎn)速控制。加熱器功率的芯片和螺桿轉(zhuǎn)速的熔體壓力和熔體溫度的階躍響應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)獲得。圖4和圖5是實(shí)驗(yàn)步驟反應(yīng)熔體溫度。圖4 :熔體溫度階躍響應(yīng)隨加熱器溫度的變化圖5 :熔體壓力階躍響應(yīng)隨加熱器溫度的變化加熱器功率和螺桿轉(zhuǎn)速的熔體壓力和熔體溫度響應(yīng)是一個(gè)自我平衡系統(tǒng)。這響應(yīng)是過阻尼。因此,該系統(tǒng)被視為二階系統(tǒng),系統(tǒng)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。傳遞函數(shù)的二階自平衡系統(tǒng)與滯后表示為以下幾點(diǎn): K是系統(tǒng)增益, T是延遲時(shí)間, T是時(shí)間常數(shù),是阻尼比。 然后我們得到的傳遞函數(shù)查明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。是熔體溫度和熔體壓力。 W為加熱器功率, n為螺桿轉(zhuǎn)速。3模糊解耦控制算法 根據(jù)熔體溫度和熔體壓力耦合關(guān)系,我們得到一個(gè)模糊解耦控制器的熔融溫度和熔體壓力控制如圖6所示。圖6 :系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模糊解耦控制這里的和是的熔體溫度和熔體壓力實(shí)際產(chǎn)生值。和是對(duì)熔體溫度和熔體壓力設(shè)定值。整個(gè)系統(tǒng)由模糊控制器,解耦補(bǔ)償器和模糊調(diào)整部分。解耦系數(shù)d21和d12主要根據(jù)模糊調(diào)整部分確定,因此,耦合的兩個(gè)循環(huán)是可以消除的。3.1解耦系數(shù)狀態(tài)下的穩(wěn)定 在穩(wěn)定狀態(tài),根據(jù)方程2穩(wěn)態(tài)增益矩陣,解耦補(bǔ)償給出了解耦系數(shù)所確定的原則 解耦系數(shù) 8 所確定的原則,解耦補(bǔ)償給出了由( 3 )和( 4 ) ,我們得到的解耦系數(shù)下的穩(wěn)態(tài)3.2調(diào)整動(dòng)態(tài)解耦系數(shù)的進(jìn)程 解耦系數(shù)來自上述穩(wěn)態(tài)。它可以完全消除耦合熔體溫度和熔體壓力下的穩(wěn)態(tài)。為了降低耦合下的動(dòng)態(tài)過程,解耦系數(shù)應(yīng)加以k控制。修改單位如圖7所示: 圖7 圖的多變量模糊控制與修改補(bǔ)償該系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如下:在這里, ( 1 = 1,2 )是模糊控制器輸出,( 1 = 1,2 )是系統(tǒng)輸出增量,(i= 1,2 ; j = 1,2 )是修改系數(shù)。根據(jù)方程7 ,產(chǎn)量增量在時(shí)間步長n-1和N上可以表示為:在消除一切從方程8 , 可寫為:同理可得:為了消除與動(dòng)態(tài)過程下循環(huán)之間的耦合,它必須讓。如果,那么這意味著解耦系數(shù)是不合理的。解耦系數(shù)根據(jù)模糊邏輯的修改系數(shù)調(diào)整的。模糊集的解耦系數(shù)和修改系數(shù)是指。模糊控制規(guī)則表的調(diào)整解耦系數(shù)如表1所示: 表1 :模糊控制規(guī)則表的調(diào)整解耦系數(shù)。3.3模糊控制器FLC1和FLC2的設(shè)計(jì)FLC1的設(shè)計(jì)和FLC2一樣 ,所以我們只介紹FLC1的設(shè)計(jì)。二維模糊控制器獲得通過。對(duì)模糊控制器輸入錯(cuò)誤的( E)和錯(cuò)誤的比例變化(EC) 。輸出( U )是發(fā)送到工廠的控制信號(hào)。(E)、(EC)和(U)的模糊集被定義為NB NM NS ZO PS PM PB和天地寫為為 (-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6 )。隸屬函數(shù)為三角形函數(shù),如圖8所示圖8 :隸屬函數(shù)。在動(dòng)態(tài)擠出過程中,經(jīng)驗(yàn)告訴我們:“如果溫度低或者溫度上升緩慢,那么加熱器功率應(yīng)增加”,“如果氣溫高,溫度上升很快,那么加熱器應(yīng)停止加熱” ?;谝酝?jīng)驗(yàn),我們得到的模糊規(guī)則如下。( 1 )如果E=NB或者NM和EC=NB或者NM然后U=PB( 2 )如果E=NB或者NM和EC=NS或者ZO接著U=PB( 3 )如果E=NB或者NM和EC=PS接著U=PM . . . . . 根據(jù)以上規(guī)則,我們可以得到的模糊控制表。 模糊解耦后,熔體溫度由加熱器平均功率控制,熔體壓力由螺桿轉(zhuǎn)速控制。對(duì)于熔體溫度控制,控制器的輸出直接移交給PWM信號(hào),PWM被放大用于校正加熱器的平均功率。熔體壓力控制通過增量法獲得。熔體壓力的采樣時(shí)間為20ms,熔體溫度采樣時(shí)間為500ms,PWM的周期信號(hào)為10ms ,4控制系統(tǒng)執(zhí)行情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1執(zhí)行控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括選擇主控制器、接口電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器和放大器電路設(shè)計(jì)、和機(jī)器手的界面( HMI )設(shè)計(jì) 。根據(jù)控制要求和廠的特點(diǎn),B&R PCC2003被評(píng)為主控制器??删幊逃?jì)算機(jī)控制器(PCC)作為了可編程邏輯控制器( PLC )的標(biāo)準(zhǔn)功能配置,有時(shí)用于波分復(fù)用系統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)。PCC因其模塊化結(jié)構(gòu)可以方便地處理類似的信號(hào)和數(shù)字信號(hào),很容易配置。一個(gè)先進(jìn)的語言和混合不同的語言計(jì)劃在PCC的基礎(chǔ)上發(fā)展起來,如圖9所示:圖9 :配置的控制系統(tǒng)。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)材料是LLDPE。溫度加熱器1-4列分別設(shè)為165, 180,180 ,175 。熔體壓力為10Mpa和熔體溫度為170 ,當(dāng)操作變得穩(wěn)定時(shí)熔體壓力改12Mpa 。圖10表明, 實(shí)際壓力迅速增加到設(shè)置點(diǎn)時(shí)的溫度仍然是170 。圖11表明,當(dāng)熔體溫度設(shè)定值更改為180時(shí), 反應(yīng)熔體溫度迅速增加到設(shè)置點(diǎn),熔體的壓力幾乎保持不變。圖5表明,開環(huán)控制的效果和熔體壓力跌幅的快慢隨熔體溫度的變化。通過模糊邏輯解耦控制,驗(yàn)證圖11改變?nèi)垠w壓力,熔體溫度保持不變的情況下新的控制方法的有效性。以改變?nèi)垠w溫度,不改變?nèi)垠w壓力與該例子方法是相同,具體細(xì)節(jié)這里省略。圖10 :改變?nèi)垠w壓力,熔體溫度不變。圖11 :改變?nèi)垠w溫度與不該變?nèi)垠w壓力。5結(jié)論本文討論了解耦控制熔體壓力和熔體溫度的電磁動(dòng)態(tài)擠出機(jī)。介紹了一種基于模糊邏輯新的控制算法,其中包括模糊控制器,解耦補(bǔ)償器單元和模糊調(diào)整組成部分單元。執(zhí)行控制系統(tǒng)是基于B&R PCC2003 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,熔體溫度和熔體壓力能成功取得單獨(dú)控制和驗(yàn)證了模糊控制方法的有效性。鳴謝作者非常感謝中國國家自然科學(xué)基金會(huì)儀器基金會(huì)( No.20027002 ) 。參考資料1 阿卜杜拉南“基于經(jīng)簡化的模糊規(guī)則雙輸入雙輸出模糊控制系統(tǒng)的分析,設(shè)計(jì)和調(diào)整” 哲學(xué)博士, 2003年。2 蔡清池,IEEE協(xié)會(huì)會(huì)員,盧紀(jì)宏?!岸嘧兞孔孕U郎囟瓤刂扑芰献⑸涑尚凸に嚒?IEEE行業(yè)應(yīng)用匯刊,34,2,310-318,1998 。3 盧紀(jì)宏; 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