CN104749016A - 一种高聚物真空压片设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高聚物真空压片设备，包括四根支撑柱、顶板、动模部分、定模部分、动力源部分、动力执行部分、丝杠固定板、底板，动模部分通过动模固定板以及动模固定板上镶嵌的轴套活动固定在支撑柱上，动模部分下方固定在丝杠固定板上，定模部分通过定模固定板与顶板相固定，动模部分和定模部分分别连接在支撑柱上，动力执行部分借助动力源部分提供的动力控制动模部分以支撑柱为导向往复移动，动模部分向上移动和定模部分共同形成封闭的腔体，动模部分和定模部分设置有用于腔体中聚合物加工的加热和冷却的热循环***，定模部分和抽真空装置连接，该设备占用空间小的特点，同时具备控制精度高、测量数据准确、易耗元件损耗慢、维护成本低的特点。

Description

一种高聚物真空压片设备

技术领域

本发明涉及一种高聚物真空压片设备，在一定温度和一定压力的真空环境中，制备一定厚度的高聚物片状结构。

背景技术

高聚物片主要用于生物、材料和化学实验室的科学研究，高聚物真空压片装置是制备此片的必要设备。

现有的真空压片设备，高度约2m，体积约3m³ ，占用空间大。现有设备利用简单的液压作为动力源，因没有配合油马达等伺服机构，所以自动化程度低，控制精度不高。同时此油路***设计因密封技术差，易发生油泄漏，易污染环境。现有设备在压力测量环节中，在下部液压部分安装压力表，其测量压力由于是通过液压油的测量压强经过简单换算生成，因此在上下模板的压力传递过程中，损失的力无法统计，所以造成最终的测量的压力与作用在样品上的真实压力存在偏差。因设备施加压力较大，而样品面积较小，根据公式P=F/S，F偏差较大，S较小，因此偏差压力对最终作用在试样上的压强会产生较大影响，从而导致最终显示压强不准确。同时在保压阶段，因设定保压压强非实际作用在样品上的压强，所以导致整个保压过程出现失真，此现象影响了实验精度。

现有设备在加热冷却环节中，腔体的大结构设计造成了升温和冷却速率低，从而导致在试验环节不能有效调节变量，实验无法及时达到设定温度。由于设备在工作过程中需要真空环境，因此需要安装密封元件以形成密闭容腔。目前市场上密封元件的最高耐热温度为200℃，而腔体加热部分温度一般高于220℃，所以需要在设备上设计冷却结构对密封件进行冷却。现有设备在密封组件结构设计上，密封元件冷却设计不合理，导致密封元件周围温度不能有效降低，容易造成密封件（O圈等）热疲劳损坏，从而造成密封元件损耗严重，更换频繁，维护成本高。因热辐射对设备测量传感器（非热电偶）影响较大，部分钢结构长时间在高温环境中容易产生热疲劳，从而导致力学性能下降，因此，需要在设备上设计隔热结构，以定向阻止热量的传递。由于现有设备体积大，加热组件多，无效热辐射大，而设备隔热结构设计较繁琐，科技含量较低，从而导致隔热组件效率低，同时增加了设备重量。

因此，就整体而言，现有设备占用空间大，控制精度低，核心参数测量不精准，易耗件消耗大，维护成本高。

要解决以往此类设备存在的问题，必须对目前所使用的设备进行改进，改进之后的设备应该具有以下功能：第一，在满足科研所需基本功能外，应尽量缩小设备的体积，提高空间利用率，摆脱压力设备一贯体积庞大、制造粗糙的形象。第二，由于设备不需要复杂的多路动力，因此应尽量简化动力结构，使动力***达到简洁、易用、稳定、精度高的特点。第三，在核心数据的测量和控制部分，应力求数据准确、反馈迅速，传感器和显示***应能有效的统计数据，从而为后期数据分析提供保证，动力***应和控制***密切配合，根据指令及时调整。具体而言，力传感器应能准确反馈制品表面的压强，动力***应能根据设定压强和当前压强做出调整，传感器和动力***间应形成闭环。第四，加热和冷却***应更加科学的分布于制品周围，应能根据控制需求，做出及时调整，达到高效率、高精度的特点。第五，在密封元件的位置设计上，应尽量避开高温辐射，密封元件的冷却结构设计上，应选用合适的冷却方式和冷却通道，使冷却高效，减少密封元件的损耗，延长密封元件使用寿命。第六，在隔热板的材料选择时，在保证隔热材料使用环境的同时尽量降低导热系数，力求隔热高效。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型制片设备，达到高度在1.2m以内、体积在1m³以内、占用空间小的特点，同时具备控制精度高、测量数据准确、易耗元件损耗慢、维护成本低的特点。

该设备包括四根支撑柱、顶板、动模部分、定模部分、动力源部分、动力执行部分、丝杠固定板、底板，四根支撑柱通过螺母，固定在顶板和底板上，顶板和底板通过间隙配合定位在支撑柱上，动模部分通过动模固定板以及动模固定板上镶嵌的轴套活动固定在支撑柱上，其中所述轴套和动模固定板间隙配合定位，动模部分下方固定在丝杠固定板上，丝杠固定板通过间隙配合和支撑柱结合，定模部分通过定模固定板与顶板相固定；动模部分和定模部分分别连接在支撑柱上，动力执行部分借助动力源部分提供的动力控制动模部分以支撑柱为导向并在支撑柱上上下往复移动，动模部分向上移动和定模部分共同形成封闭的腔体，动模部分和定模部分设置有用于腔体中聚合物加工的加热和冷却的热循环***，定模部分和抽真空装置连接。

动模部分包括动模板、力传感器、传感器固定板和热循环***，所述动模板、所述力传感器和热循环***固定在一起，动模板和传感器固定板之间通过小导柱定位，其中所述热循环***的加热功能通过动模加热板上设置的螺旋加热丝实现，螺旋加热丝的导线通过导线孔导出，所述热循环***的冷却功能通过动模冷却板内设置的动模水道的冷却水实现，动模冷却板上设计进出水孔，进出水管和导线通过导出孔一并导出。

定模部分包括定模板、定模隔热板、定模上组件和定模下组件，所述定模板、定模隔热板、定模上组件和定模下组件通过长螺钉固定在一起，定模部分的热循环***设置在定模上组件和定模下组件上，其中所述热循环***的加热功能通过设计在定模上组件上部的加热棒孔中的加热棒实现，所述热循环***的冷却功能，所述热循环***的冷却功能通过设计在定模下组件中的密封冷却水道的冷却水实现，定模上组件上还设置有抽真空孔。

动力源部分包括行星减速机和伺服电机，所述行星减速机和伺服电机通过法兰固定在一起，伺服电机位于行星减速机右侧。

动力执行部分包括丝杠套筒、滚珠丝杠副、滚珠丝杠、丝杠固定座和联轴器，丝杠套筒通过法兰和滚珠丝杠副结合在一起，两者可以实现同步转动，滚珠丝杠和丝杠固定座内轴承的配合固定，联轴器的一端与滚珠丝杆固定在一起，另外一端与所述动力源部分固定。

具体设计内容有：

1.本发明整体结构由支撑柱、顶板、动模固定板、丝杠固定板、底板等五部分组成。四根直径60mm的支撑柱通过螺母，与顶板和底板分别固定。动模固定板和动模通过螺钉固定，动模固定板以支撑柱导向，可以在一定范围内上下移动。顶板、底板、固定板和支撑柱的厚度尺寸和钢材类型，要经过预设压力与钢材屈服应力的比对、计算后确定。本设备最大输出力为5t，对整体结构建模后，运用ANSYS分析，得出顶板、底板的厚度为40mm，支撑柱的直径选用60mm。因支撑柱表面有滑动，在表面镀硬铬，保证光洁度和耐磨性。

2.本发明动力源部分由伺服电机和行星减速机组成。为达到简洁、易用、稳定、精度高的特点，本发明摒弃现有设备的液压动力源，选用电动伺服机构代替。伺服电机精度高，与PLC结合完成闭环控制，易实现较高的自动化。伺服机构缩小设备体积、提高空间利用率的同时，能有效的杜绝油泄露，避免油污染。本设备的电机选择方式为：根据实验所需力和滚珠丝杠的具体类型，推算出滚珠丝杠输入扭矩。根据减速机的减速比，计算出伺服电机的输出扭矩，从而确定电机的具体类型。减速机选择时需考虑要求的输出速度，同时需要电机相匹配。本设备选用输出扭矩为8Nm的伺服电机，选用15：1行星减速机。

3.本发明的动力执行部分由滚珠丝杠、滚珠丝杠副和丝杠套筒结合完成。滚珠丝杠和减速机通过联轴器连接，滚珠丝杠下端通过支撑座与固定板结合。滚珠丝杠副通过法兰与丝杠套筒结合。本发明的滚珠丝杠、滚珠丝杠副采用高强度钢制成，保证在施加1.2倍计算扭矩时，丝杠不会出现损坏。

4.因本发明主要用于实验室科研样品的制作，所以在型腔结构设计上，需保证温度、冷却、隔热等三个***的有效以及压力测量的精准。本发明采用上下模同时加热，上模加热棒分散在制品周围，下模加热***呈阿基米德环形状，排布于样品下方。这样在保证制品均匀受热的同时，可以缩短产品的生产周期。本发明涉及到冷却***的运用，且冷却对最终制品有较大影响。因此冷却水道呈环形分布于上下模中。此外，在密封结构***上加装环形冷却水道，对密封圈进行单独水冷降温，以保证密封元件较长的使用寿命，减少易耗件的消耗。因加热***和冷却***的空间较小，为尽量减小不必要热辐射的区域，较少热量浪费，所以需要设计有效的隔热结构。本设备隔热采用高分子和无机非金属复合材料制成的隔热板，在经受高温的同时，能保证良好的隔热效果。在压力测量上，本发明的力传感器直接放置于型腔下方，在上下模闭合过程中，可直接读出测量数据，避免了在压力传递过程中因压力损失而产生的误差。

附图说明

图1为设备的整体结构示意图：

图2为设备动力源和动力执行部分示意图：

图3为设备定模部分剖视图：

图4为设备定模部分主视图：

图5为设备动模部分剖视图：

图6为设备动模部分主视图：

1——顶板、2——支撑柱、3——动模固定板、4——丝杠固定板、5——底板

A——定模部分、B——动模部分、C——动力执行部分、D——动力源部分

6——丝杠套筒、7——滚珠丝杠副、8——滚珠丝杠、9——丝杠固定座、10——联轴器、11——行星减速机

26——定模密封冷却水道、27——抽真空孔、28——加热棒孔、29——定模水道，21——定模固定板、22——定模板、23——定模上组件、24——定模隔热板、25——定模下组件38——小导柱、39——导出孔、40——进出水孔、41——导线孔、42——动模水道

31——动模加热板、32——动模冷却板、33——密封槽、34——动模隔热板、35——动模板、36——力传感器、37——传感器固定板。

具体实施方式

本发明为高聚物真空压片设备。

本发明整体结构部分：顶板1四周的孔和支撑柱2通过间隙配合定位在一起，通过螺母进行固定。同理，底板5和支撑住2通过间隙配合定位，通过螺母固定。动模固定板3四周的孔内部镶嵌轴套（图中未标出），并通过过盈配合结合在一起，中间无间隙。轴套和动模固定板3通过间隙配合定位，保证动模固定板可以在支撑柱2上自由滑动。丝杠固定板4通过间隙配合和支撑柱2结合，因丝杠固定板4不需要上下移动，所以在丝杠固定板4的孔周围打螺纹孔，安装螺钉进行固定。

本发明动力源部分由行星减速机11和伺服电机（图中未标出）组成，两个组件通过法兰固定在一起。为节省高度空间，本发明采用直角行星减速机，伺服电机位于行星减速机右侧。

在动力执行部分中，丝杠套筒6通过法兰和滚珠丝杠副7结合在一起，两者可以实现同步转动。滚珠丝杠8和丝杠固定座9内轴承的配合，固定在一起，联轴器10的一端与滚珠丝杆8固定在一起，另外一端与行星减速机11的轴固定。这样伺服电机工作带动行星减速机11转动，又带动滚珠丝杆8转动，进而带动滚珠丝杠副7和丝杠套筒6上下移动，从而实现动模固定板的上下移动。动力执行部分通过动模固定板3和动模部分连接。

本发明定模部分通过定模固定板21与顶板1固定在一起。定模板22、定模上组件23、定模隔热板24和定模下组件25通过长螺钉固定在一起。为确保各个组件之间同轴，定模隔热板24的设计内径加大，厚度增加，通过高度差使定模上组件23、定模隔热板24和定模下组件25之间实现精确定位。因设备需要对O圈密封元件进行冷却，因此在定模下组件25上设计定模密封冷却水道26。因设备在工作时需要真空环境，因此定模上组件23上设计抽真空孔27。本设备定模部分的加热通过加热棒孔28中的加热棒实现，冷却通过定模水道29实现。

本发明动模部分动模板35、传感器固定板37与动模固定板3通过螺纹连接固定在一起。动模的加热功能通过动模加热板31内的螺旋加热丝实现，加热元件螺旋加热丝的导线通过导线孔41导出。冷却功能通过动模冷却板32内的动模水道42实现，同时在动模冷却板32上设计进出水孔40。进出水管和导线通过导出孔39一并导出。O圈密封元件安装在动模密封槽33上。设备的测力功能通过力传感器36实现，力传感器36通过螺纹安装于传感器固定板37上。动模板35和传感器固定板37之间通过小导柱38定位，动模板35在上下小幅度移动过程中的位置精度。

本发明外部有一台真空泵和PLC控制***配合作业，图中未标出。

设备工作时，动力源部分（伺服电机和行星减速机11）和动力执行部分联合工作，带动动模固定板3向上移动，动模部分和定模部分逐渐形成一个封闭的腔体。此时开启动模部分和定模部分上的加热装置，定模部分的加热棒和动模部分的螺旋加热丝同时工作，对腔体中的聚合物进行加热。一定时间t后，开启真空泵，通过抽真空孔27对腔体抽真空。在上下模加热的同时，动力源***和动力执行***再次工作，使动模组件继续向上小幅度移动，开始施加压力。此过程中，当真空度达到一定设定数值后，真空泵自动停止工作。一定时间t后，动定模部分的冷却***同时启动，对聚合物进行冷却。当冷却到一定温度后，动力源***和动力执行***联合作用，使动模部分向下移动，取出制备好的聚合物。一个操作循环结束。

Claims (6)

1.一种高聚物真空压片设备，其特征是，包括四根支撑柱、顶板、动模部分、定模部分、动力源部分、动力执行部分、丝杠固定板、底板，四根支撑柱通过螺母，固定在顶板和底板上，顶板和底通过间隙配合定位在支撑柱上，动模部分通过动模固定板以及动模固定板上镶嵌的轴套活动固定在支撑柱上，其中所述轴套和动模固定板间隙配合定位，动模部分下方固定在丝杠固定板上，丝杠固定板通过间隙配合和支撑柱结合，定模部分通过定模固定板与顶板相固定；动模部分和定模部分分别连接在支撑柱上，动力执行部分借助动力源部分提供的动力控制动模部分以支撑柱为导向并在支撑柱上上下往复移动，动模部分向上移动和定模部分共同形成封闭的腔体，动模部分和定模部分设置有用于腔体中聚合物加工的加热和冷却的热循环***，定模部分和抽真空装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种高聚物真空压片设备，其特征在于：所述动模部分包括动模板、力传感器、传感器固定板和热循环***，所述动模板、所述力传感器和热循环***固定在一起，动模板和传感器固定板之间通过小导柱定位，其中所述热循环***的加热功能通过动模加热板上设置的螺旋加热丝实现，螺旋加热丝的导线通过导线孔导出，所述热循环***的冷却功能通过动模冷却板内设置的动模水道的冷却水实现，动模冷却板上设计进出水孔，进出水管和导线通过导出孔一并导出。

3.根据权利要求1或2所述的一种高聚物真空压片设备，其特征在于：所述定模部分包括定模板、定模隔热板、定模上组件和定模下组件，所述定模板、定模隔热板、定模上组件和定模下组件通过长螺钉固定在一起，定模部分的热循环***设置在定模上组件和定模下组件上，其中所述热循环***的加热功能通过设计在定模上组件上部的加热棒孔中的加热棒实现，所述热循环***的冷却功能，所述热循环***的冷却功能通过设计在定模下组件中的密封冷却水道的冷却水实现，定模上组件上还设置有抽真空孔。

4.根据权利要求3所述的一种高聚物真空压片设备，其特征在于：所述动力源部分包括行星减速机和伺服电机，所述行星减速机和伺服电机通过法兰固定在一起，伺服电机位于行星减速机右侧。

5.根据权利要求1或3或4所述的一种高聚物真空压片设备，其特征在于：所述动力执行部分包括丝杠套筒、滚珠丝杠副、滚珠丝杠、丝杠固定座和联轴器，丝杠套筒通过法兰和滚珠丝杠副结合在一起，两者可以实现同步转动，滚珠丝杠和丝杠固定座内轴承的配合固定，联轴器的一端与滚珠丝杆固定在一起，另外一端与所述动力源部分固定。

6.根据权利要求5所述的一种高聚物真空压片设备，其特征在于：行星减速机为直角行星减速机。