机械毕业设计（论文）-围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计【全套图纸UG三维】

编编 号号 无锡太湖学院无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 0923108 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授） 2013 年 5 月 20 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 围板包装箱 自动化生产线铆接装置的设计 是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别 加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包 含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 .学 号： 0923108 II 作者姓名： 2013 年 5 月 20 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 题目 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 课题来源：工厂 选题依据：围板箱是由托盘、箱体和箱盖三部分组成，组成每层围板的四片木 板用铰链连接。由于装箱的灵活性、对装载物的适应性和重复使用性，围板箱 被广泛应用与机械、化工、电子、五金一集其他领域的物流配送，具有能回收、 降低成本、环保等优点。 作为产品外包的物流设施，围板箱越来越受客户的欢迎，使用量巨大。然而， 现有的围板箱生产方式落后， 在生产中人为因素较大，这使得围板箱的生产上 存在着生产效率低，质量不稳定等缺陷。 这严重影响着围板箱的应用。为了提 高劳动生产率， 降低工人劳动强度， 节约生产成本， 我们对围板箱的现有生 产工艺进行了研究，设计出了适应与围板箱生产的围板自动化生产线铆接装置。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉围板包装箱加工的发展历程，以及近几年对围板包装箱生产工艺的改进 方法 II 熟练掌握用 UG 绘制三维模型的方法 了解近几年对围板箱生产工艺的改进 设计出合理的围板包装箱自动化生产线铆接装置 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2011 年年 11 月月 7 日日 至至 2012 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 围板箱作为产品外包的物流设施，具有可重复使用，能回收、降低成本、环保等优 点。且越来越受客户的欢迎，使用量巨大。然而，现有的围板箱生产方式落后，并且在 生产中人工所占工作量较大，这使得围板箱的生产上存在着生产效率低，劳动强度高以 及质量不稳定等隐患，严重影响着围板箱推广和应用。为了提高劳动生产率，降低工人 劳动强度，节约生产成本，我们对围板箱的现有生产工艺进行了分析研究，对现有工艺 进行综合、设计，设计出了适应与围板箱生产的自动化生产线铆接装置。本文就自动铆 接装置的设计做以下说明。 1) 通过对现有围板箱生产工艺的分析研究，并结合实际生产过程中对围板箱生产上 的要求，提出了对围板包装箱生产工艺的改进方案，通过比较，分析其合理性和可行性。 2) 将所设计的围板包装箱自动化生产机构分成七大部分，并以凸轮技术为基础，分 别进行设计，通过试验分析最终完成了自动钻铆机的设计。 3) 设计完成以后，利用三维建模软件 UG 建立了自动钻铆机中的钻孔、钻铆系统的 三维实体模型，包括弧面凸轮转位机构，铆接机构等。 4) 利用动力学分析软件 ADAMS 对弧面凸轮转位机构的虚拟样机进行了运动学分析， 得出了工作时的铆接筒的转位角速度、角加速度。这为弧面凸轮分度机构的优化提供了 参照。 利用建立的铆接系统中的转位机构、钻孔机构的虚拟样机，进行了仿真 分析，得到了机构中从动件的运动规律及受力情况，这对我们在进行围板包装箱 自动化 生产线铆接装置的设计及机构的修改有一定的指导意义，也为我们的设计节省了时间， 减少了经济损失。 关键词关键词：围板箱，自动钻孔、铆接装置，凸轮机构 IV Abstract Coaming box as product outsourcing logistics facilities, is a reusable, can recycling, reduce cost, environmental protection, etc. And more and more popular with customers, huge usage.however, the existing coaming box backward production mode, and in the production of artificial workload is bigger, which makes the coaming box production there is a low production efficiency, high labor intensity and the quality is not stable etc, seriously affecting the coaming box promotion and application. In order to improve the labor productivity, reduce the workers labor intensity, saving the production cost, our existing to coaming box, this paper analyzes the production technology, comprehensive, design of the existing technology, designed the coaming box production to adapt to a riveting device of the automatic production line. In this paper, the design of automatic riveting device to do the following instructions. 1) through the analysis of the existing coaming box production technology research, and combining the actual production process to coaming box production request, proposed to the coaming packing production process improvements, through the comparison, analysis of its rationality and feasibility. 2) to the design of the automatic drilling and riveting machine is divided into seven parts, and on the basis of CAM technology, design, respectively, through the test analysis finally completed the design of the automatic drilling and riveting machine. 3) after the completion of the design, the use of three-dimensional modeling software UG to establish the automatic drilling and riveting machine in the virtual prototype model of drilling and riveting system, including the curved CAM indexing mechanism, riveting, etc. 4) using dynamic analysis software ADAMS to curve of CAM indexing mechanism, the authors carried out a kinematical analysis on the virtual prototype, the work is obtained when the riveting tube inversion angular velocity and angular acceleration. For the curve of CAM indexing mechanism that provides reference to optimization. Of riveting system with built in indexing mechanism, the drilling mechanism of virtual prototype and simulatedAnalysis, obtained the institutions of follower motion law and force, it in the coaming for our packing automatic production line riveting device design and mechanism of modification has certain guiding significance, as well as our design saves time, reduces the economic loss. Key words: coaming box, automatic drilling and riveting equipment, the CAM mechanism V 目目 录录 摘 要 .III AbstractIV 目 录.V 1. 绪论 1 1.1 对围板包装箱生产工艺方法的分析及意义 .1 1.2 国内外的发展概况 .1 13 围板箱的组成及优点 2 2. 围板箱生产线的工艺分析 3 2.1 围板箱生产现状的介绍 .3 2.2 对围板加工工艺方法的确定4 3. 围板包装箱自动化生产工艺的设计要求及整体结构的分析 6 3.1 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计要求 .6 3.2 自动化钻孔铆接技术的概述 .6 3.3 围板包装箱自动化铆接装置设计的整体结构分析 .6 3.3.1 整体机构的分析 .6 3.3.2 总体结构的设计 .7 3.4 围板包装箱自动化铆接装置的工作循环分析 .8 3.4.1 钻孔机构的工作循环 .8 3.4.2 弧面凸轮分度机构的工作循环 .8 3.4.3 铆接机构的工作循环 .8 3.4.4 压紧机构的工作工作循环 .8 3.4.5 送钉机构的工作循环 .8 4.围板包装箱自动化生产线主体结构的设计 9 4.1 钻孔机构的结构设计 .9 4.2 铆接机构的设计 .10 4.3 主动力轴的设计和校核及齿轮传动系统的设计14 4.3.1 主动力轴的设计和校核 .14 4.3.2 齿轮传动系统的设计 .16 4.3.3 钻孔机构齿轮系统的设计与计算 .17 4.3.4 铆接机构齿轮系统的设计与计算 .20 5. 弧面分度凸轮机构的设计 21 5.1 弧面分度凸轮机构的结构分析 .21 5.2 弧面凸轮具体参数的确定 .22 5.2.1 分度数及分度角的计算 .22 5.2.2 动静比 K 和凸轮动程角.22 5.2.3 计算中心距 .22 5.2.4 计算凸轮的滚子尺寸 .23 VI 5.2.5 从动盘的尺寸 .23 5.2.6 凸轮尺寸的确定 .23 6. 凸轮机构的设计 24 6.1 凸轮机构的设计要求及结构方案的确定 .24 6.2 钻孔、铆接工艺加工过程的分析24 6.3 钻孔凸轮及铆接凸轮结构的设计和分析24 6.3.1 凸轮机构分析 24 6.3.2 凸轮机构中个参数的确定 .25 6.5 沟槽凸轮理论轮廓的设计 .26 7.送钉机构压紧机构的设计及工作原理 28 7.1 压紧机构的设计及工作原理28 7.2 送钉系统的结构设计和工作原理 .28 7.2.1 送钉装置结构组成 .28 7.2.2 铆钉的种类和规格 .29 7.2.3 自动供钉装置的功能需求 .30 7.2.4 自动供钉装置的结构组成 .30 7.2.5 铆钉整理定向模块 .31 7.3 送钉原理介绍 .32 7.3.1 大压块的设计 .32 7.3.2 搓板的设计 .33 8. 动力系统的分析 34 8.1 钻孔铆接机构动力系统分析 .34 8.2 电动机转速的确定 .35 8.3 V 带传动的设计及相关的参数计算36 8.3.1 带传动受力分析 36 8.3.2 带传动的最小初拉力和临界摩擦力 .36 8.3.3 带的应力分析 .37 8.3.4 带传送设计计算 38 9. 总结与展望 39 9.1 总结 .39 9.2 展望 .39 致 谢 .40 参 考 文 献 .41 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 1 1. 绪论绪论 1.1 对围板包装箱生产工艺方法的分析及意义对围板包装箱生产工艺方法的分析及意义 在循环包装系统里，方便灵活的围板箱有着无可比拟的优势。这是一种标准的物流器 具，损坏的顶盖与侧板很容易进行替换，整体循环包装系统的投资比较低廉，而使用寿 命则可达十年之久，这也是一种可靠的坚固的可以折叠的包装系统。由于装箱的灵活性、 对装载物的适应性和重复使用性,围板箱被广泛运用于机械、化工、电子、五金以及其他 领域,围板包装箱作为产品外包的物流设施，越来越受客户的欢迎，使用量巨大。然而， 现有的围板箱生产方式落后， 在生产中人为因素较大，这使得围板箱的生产上存在着生 产效率低， 质量不稳定等缺陷，这严重影响着围板箱的应用。针对现有围板工艺生产方 法进行改进，设计出适用于围板生产的围板自动化生产线铆接装置，提高劳动生产率， 降低工人劳动强度，节约生产成本。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 围板包装箱作为产品的外包物流设备具能够重复使用，可回收、降低运输成本、环 保等优点。在运输产品方面受到广泛的运用，需求日益增加。现有的围板箱生产方式落 后，并且在生产中人为因素较大，这使得围板箱的生产上存在着生产效率低，质量不稳 定等缺陷，严重影响着围板箱的应用。 在国内，围板箱是一款可反复循环使用的新型包装，适用于紧固件、金属球、冲压 件等不规则产品的包装，是出口到欧洲的产品包装的不二选择。围板箱基本以木板为主 要材料，而侧板大多数都是采用模板或者大板制作，使得材料的选取过于苛刻，而且成 本比较高。目前围板箱的生产也主要以人工为主，木板加工以半自动化为主，因此在生 产中人为因素较大，这就导致围板箱的生产上存在着生产效率不高， 质量不稳定等缺陷， 影响了围板的推广和运用。而在国外，德国KTP公司可以说是制造围板箱的代表，经过其 几代人的努力，现今已经研制出了可折叠式塑料围板箱如图1.1所示。其生产方式也采用 了全自动化的生产线模式，箱子规格也都已经基本标准化，方便统一规格生产。 图 1.1 围板国外生产方式 从国内外发展情况来看，国内外的围板箱生产具有以下的优缺点： 1、在国内，围板箱的规格可以根据买家的要求来制定，比较方便灵活；在国外，围 板箱的规格趋于标准化，方便一体化生产，销售，物流规格可渐渐统一，适应以后的发 展前景。 2、在国内，围板箱各部分不存在因箱体的部分损坏而令整箱报废的情况，对于同一 尺寸，可实现完全互换使用；在国外，部分围板箱已经趋于一体化，防水，防尘，全面 保护物品，存储较方便。 3、在国内，使用木板为主材料，成本低廉；在国外，开始使用可完全回收利用的塑 料，从而减少树木的砍伐，保护环境。 4、在国内，围板箱的生产方式采取以半自动化为主，有订单再生产的方式；在国外， 无锡太湖学院学士学位论文 2 围板箱的生产方式采取全自动化生产线的模式。 5.总的来说，国外的标准化生产模式是可以借鉴的，但由于国内基本情况的限制， 所以在国内围板箱的基本材料还是以木板为主材料。 13 围板箱的组成及优围板箱的组成及优点点 图 1-1 围板箱 围板箱(图 11 所示)是由托盘、箱体和箱盖三部分组成，组成每层围板的四片或六片木 板用 L 型铰链连接。由于装箱的灵活性、对装载物的适应性和重复使用性，围板箱被广 泛应用于机械、化工、电子、五金以及其他领域的物流配送领域。 围板箱的优点： 1) 围板箱的长、宽根据托盘的尺寸确定，使用层数由内装物的高度来决定，最大限 度地提高箱体的空间利用率。 2)可重复使用，相同规格的围板，层与层之间，新与旧之间完全可以互换，节约包 装成本。不存在因箱体的部分损坏而令整箱报废的情况，对于同一尺寸，可实现完全互 换使用。 3)无钉化作业，降低了工人操作时发生工伤的风险。 4)周转回收时，可以将折叠起来运输，减少储运体积，有效降低了工人的劳动强度， 节约生产成本。 1.41.4 本文的课题设计依据及设计方法本文的课题设计依据及设计方法 本文主要内容： 1）本文针通过围板现有生产工艺的讨论和分析，提出三种改进方案，通过比较，确 定最为合适的方案，依据所选择的方案实现对围板包装箱生产工艺上的改进。 2）依据凸轮技术为基础，完成围板包装箱自动化生产线铆接装置设计的改进，通过 对所设计机构的工作过程的分析，绘制出机床的工作循环图，装配图，各部分结构工程 图等。 3）利用 UG 软件对围板加工生产系统进行三维建模，完成了对机构主要机构的绘制， 如:凸轮机构，沟槽凸轮机构等，完成机构的实体三维建模。 4）对设计中转位机构、铆接机构、钻孔机构部分复杂零件的进行动力学分析计算和 校核。 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 3 2. 围板箱生产线的工艺分析围板箱生产线的工艺分析 生产工艺是一个企业生产水平的体现。企业生产、管理是依据产品的生产工艺展开 的。因此上说，生产工艺的先进与否，直接影响到企业运营。企业要想提高生产率，就 需要从改进生产工艺开始。围板包装箱自动化生产线铆接装置的研究就是对围板箱的生 产工艺进行改进，因此，在围板包装箱自动化生产线铆接装置设计前只有熟悉了原有生 产工艺才能够对原有生产工艺进行改进，才能提高围板箱的生产效率。 2.1 围板箱生产现状的介绍围板箱生产现状的介绍 在现在的生产中采用的是人工钻空铆接的生产方式，生产效率很低。人工生产围人 工生产围板箱的过程如下： 1)对木板钻孔。依据所装铰链孔的位置确定口位置，在多头钻床上对木板进行钻孔(多轴 钻床)，如图 21(a)。一块木板要分两次操作(钻围板的两端 8 个孔)。 2)将铆钉插入木板孔。在工厂中采用人工插铆钉的方式。取单个铆钉，将铆钉与木板上 的孔对齐，用锤子锤击铆钉，是铆钉插入木板上的孔中(每次仅插入 1 个铆钉)，如图 2- 1(b)。 3)上铰链、铆接。取铰链，将铰链放到木板上，将木板孔中的已放好的铆钉头穿过铰链 上的孔，工人用手将铰链和木板压紧，然后，人工用手将装好铰链和铆钉的木板，在铆 接机上分别对铆钉头进行铆接(单个铆头铆接 4 次，才能铆接半面铰链)，如图 21(c、d)。 铆接不完全时，工人采用锤子敲击，以保证铆接的完好。4)合围。将用铰链连接起来的 4 片或 6 片木板两端铆接起来。连接起来的木板链一端是插好了铆钉，另一端是仅铆接了 半面铰链(另半面没有铆接)，将两端对齐，将插好铆钉的一端的铆钉对准目测对齐穿过 没有铆接的半面铰链上的孔，然后，人工在铆接机上分别进行铆接(每次仅插入 1 个铆钉， 铆接 4 次)，完成合围(类似于图 21(d)。 现存的生产方式有这样一些缺陷： 1)生产工艺分散，生产效率低。 2)铆钉很难与铰链孔对准，导致铆接效率低下、且质量不稳定。 3)在上生产中工人参与生产较多，工人劳动强度大。 4)自动化程度低 a）.钻孔 b）.上铆钉 无锡太湖学院学士学位论文 4 c）.上铰链 d).铆接 图 2.1 传统铆接工艺方式 2.2 对围板加工工艺方法的确定对围板加工工艺方法的确定 通过对现有围板工艺的综合分析，提出针对围板加工工艺的几种设计方案通过比较 分析选择较为合理的方案。 方案一工作流程:放第一块围板 2 次钻孔(4 钻头) 插 4 个铆钉 放铰链 铆 接围板和铰 放第二块围板 2 次钻孔(4 钻头) 插 4 个铆钉 铆接围板与铰链 插 4 个铆钉 放铰链 铆接围板和铰链 放第三块围板 2 次钻孔(4 钻头) 插 4 个铆钉 铆接围板和铰链 插 4 个铆钉放铰链铆接围板和铰链放第四块围 板2 次钻孔(4 钻头)插 4 个铆钉铆接围板与铰链插 4 个铆钉放铰链铆接围板 和铰链。 方案二工作流程：放第一块围板放铰链放第二块木板定位夹紧钻 8 个孔 插 8 个铆钉移动到铆接工序铆接 8 个铆钉放第三块围板放铰链定位夹紧钻 8 个孔插 8 个铆钉移动到铆接工序铆接 8 个铆钉放第四块围板放铰链定位夹 紧钻 8 个孔插 8 个铆钉移动到铆接工序铆接 8 个铆钉放第五块围板放铰链 定位夹紧钻 8 个孔插 8 个铆钉铆接 4 个铆钉(铆接第四块处的铆钉)。 方案三工作流程：放第一块围板 2 次钻孔(4 钻头)第一块板移动到铆接位置放 铰链放第二块木板定位夹紧插 4 个铆钉铆接一半铰链插四个铆钉铆接移 位 比较这 3 种方案： 方案一：围板箱生产工艺分散，这使生产线的相对较长，在生产过程中，原料的搬 运较为频繁，这无形中增加了生产中的辅助生产时间，同时，相对也必须增加生产线上 的工人数量，来完成辅助加工，这些对提高生产率和降低生产成本起到的负面作用。但 是，在生产线上每一步完成的生产加工动作比较简单，这相对使得生产线上的机械设计 变得简单。 方案二：与方案一相比，围板箱生产工艺现对集中，但是由于在生产中需要移动定 位后的木板和铰链，而在移动过程中木板孔和铰链孔之间容易发生对不准的现象，影响 生产线中的下一步工序(插铆钉)的进行，这使得生产存在可靠性的问题。因此，此方 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 5 案排除。 方案三： 与方案一，二相比，对传送到铆接位置的两块木板上铰链后一次定位夹紧， 避免了因为木板移动而使铰链孔与木板上已加工孔的错位而导致铆钉无法插入的问题。 结构简单生产工艺集中综合分析比较选择方案三为最佳方案。 通过对现有工作方案的研究提出对围板加工的改进方案如下：实现对围板定位夹紧 后的钻孔，对钻孔后围板的一次定位夹紧送铰链铆钉，移动到铆接位置，进行铆接工序。 在自动钻铆机和铆接机的设计制造完成后，依据我们的构思，对整个生产方案生产工艺 进行布局，生产线就可以简化成： a).钻孔 b).装铰链上铆钉 c). 铆接 d).完成铆接移位 图 2.2 改进后的铆接工艺流程 输送木板自动钻孔上铰链送钉机构送钉装配铆钉自动铆接成品入库 这样我们就完成了生产线的设计。通过对传统生产工艺的生产方式的改进，解决了 传统工艺中的人为因素带来的围板质量上的不足，提高了围板箱的生产效率，保证了围 板箱的生产质量。 无锡太湖学院学士学位论文 6 3. 围板包装箱自动化生产工艺的设计要求及整体结构的分析围板包装箱自动化生产工艺的设计要求及整体结构的分析 3.13.1 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计要求围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计要求 生产线的设计是按照产品加工工艺过程，用工件处储存、传送装置把专用自动机以 及辅助机械设备连接起来而形成的、具有独立控制装置的生产系统，在自动生产线上， 工件(原料、毛坯或半成品)上线后便以一定的加工顺序，自动经过各个加工工位，完成 预定的加工，最后成为符合设计要求的成品而下线。 根据生产线生产效率的设计要求，来确定自动线铆接装置的生产效率；按照自动化 生产线的工作特点及功能要求，确定合理的设计参数，根据自动机械设计原理的知识进 行设计；生产产品的稳定性好操作方便工作效率提高；设计加工设备结构简单、易于维 护。围板箱生产线研制与开发必须符合安全可靠、经济实用的原则。要求采用国际上先 进成熟的经验，技术改造起点要高，投资要少，不但要满足当前的工艺要求，还要给工 艺技术的发展进步创造条件，留有空间。根据以上原则，我们对围板箱生产线进行设计。 3.2 自动化钻孔铆接技术的概述自动化钻孔铆接技术的概述 按工作方式分，铆接可分为手工铆接和自动钻铆。手工铆接由于受工人熟练程度和 体力等因素的限制，难以保证稳定的高质量连接。自动钻铆技术即利用其代替手工，自 动完成钻孔、送钉及铆接等工序，是集电气、气动、自动控制为一体的，在装配过程中 不仅可以实现组件(或部件)的自动定位，同时还可以一次完成夹紧、钻孔、送钉、铆接 安装等一系列工作。它可以代替传统的手工铆接技术，提高生产速率、保证质量稳定、 大大减少人为因素造成的缺陷。 3.3 围板包装箱自动化铆接装置设计的整体结构分析围板包装箱自动化铆接装置设计的整体结构分析 3.3.1 整体机构的分析整体机构的分析 依据实际对围板包装箱的生产工艺的要求，结合现代先进钻铆机的机构设计特点以 及围板生产过程中的整体结构分析，围板包装箱自动化生产工艺可以由下面几个部分构 成，在论文中着重论述钻孔机构、压紧机构、送钉机构、电气控制，对于机架部分以及 传动系统部分只作简介。 传送部分 钻孔机构围板 包装 箱自 动化 生产 线铆 接装 置 压紧机构 铆接机构 电气控制部分 送钉机构 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 7 图 3-1 围板自动化生产工艺各部分结构的组成 3.3.2 总体结构的设计总体结构的设计 1）通过对围板加工工艺流程的分析，结合机械设计原理，对整体结构做以下布局， 模型图见图 10-1,总体结构反应整个设计过程的整体思路，用 UG 三维仿真比较直观的反 应出个部分的装配步骤。 围板包装箱自动化铆接装置的设计流程图： 图 3-2 自动化工艺生产流程图 2) 围板生产线铆接装置的设计的总体结构三维实体模型见图 3-3 传送带传送围板 到工作台 钻孔机构对 压紧后的第 一块围板钻 孔 木板通过限位 装置限定到合 适位置 第二块木板传送 到加工位置后压 紧机构下压夹紧 送钉装置完成 送钉动作 铆钉压入装好 铰链的木板中 完成上钉工序 铆接凸轮运转， 带动铆头的向上 共进，进行铆接 工序 通过旋转装置转换 围板位置完成对围 板另一端的钻孔加 工 完成铆接，移位 加工完孔的围 板通过传送带 传送到铆接工 作台 送铰链， 完成围板 铰链的装 配 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 3-3 围板生产工艺机构三维实体模型 图中 1 为铆接压紧机构，2 为钻孔机构，3 为送钉机构，6 为料斗，7 为铰链自动送料装 置，8 为钻孔压紧机构，9 为木板换位装置。 3.4 围板包装箱自动化铆接装置的工作循环分析围板包装箱自动化铆接装置的工作循环分析 根据围板包装箱自动化铆接机的工作行程可以描绘出其工作循环图，循环图以铆接凸 轮顺时针旋转 720作为其坐标，以弧面凸轮分度机构刚刚转过位处于间歇段为起点(0。)为 起点用曲线来表示工作区域和特定位置。循环工作进程依次为钻孔凸轮机构、弧面凸轮 分度机构、铆接机构、压紧机构、送钉机构、压钉机构、导杆凸轮机构。 3.4.1 钻孔机构的工作循环钻孔机构的工作循环 钻孔凸轮从 0开始运动旋转到 62的位置，钻孔动力头向下移动了 23mm，从 62 位置钻孔凸轮运动到 140的位置时 钻孔动力头向下运动了 10mm，完成围板钻孔工序， 从 140开始到 180时，钻孔机构的钻孔动力头上升了 33mm，完成加工后的回程工序， 在 180到 360之间钻孔凸轮处于远休止阶段。 3.4.2 弧面凸轮分度机构的工作循环弧面凸轮分度机构的工作循环 弧面凸轮转动两周，对于机构本身来说是两个工作循环。之所以用两个工作循环作 为基准来绘制工作循环图，原因是在于再完成一次分度机构的工作循环时，仅能够实现 对铰链一半的铆接工序，对整个工艺流程来说并不能满足要求，只有分度机构完成两次 工作循环才能够实现在上号铰链铆钉后一次夹紧定位后完成完成对围板的铆接工序，分 度角为 180，间歇角度为 180。 3.4.33.4.3 铆接机构的工作循环铆接机构的工作循环 铆接机构和弧面凸轮机构一样也必须完成两个工作循环才能完成对围板的铆接工序， 钻铆凸轮从 0上升到 62位置时，铆接动力头向上移动了距离 23，从 62位置上升到 130.5位置时，铆接动力头向上移动距离为 3mm，完成对围板的铆接工序，从 130.5 位置处开始，钻铆凸轮运动到位置 175处时，铆接机构中的铆接动力头或钻孔动力头下 降 26mm，完成铆接工序后的回程，之后在凸轮从 175的位置上升到 360的位置的阶段， 钻铆凸轮处于远休止阶段，在工作循环中第一个循环是完成对一半铰链的铆接，需要第 二个循环完成完整的铆接工序。 3.4.43.4.4 压紧机构的工作工作循环压紧机构的工作工作循环 为实现对上完铰链的围板压紧后完成送钉铆接工序在动力源的输入速度方面就产生 了比率，拟设定弧面凸轮分度机构动力源的输入速度与压紧机构动力源的输入速度比值 为 2：l，也就是说铆接凸轮轴的转动角速度与压紧凸轮轴的转动角速度比为 2：l。在设 计中压紧机构驱动夹具上下运动的凸轮，与压钉机构中用到的下压铆钉的凸轮是同一个， 只是压钉机构中用到的是凸轮的端面，在压紧机构中用到的是凸轮的外圆面。 0257阶段为下压夹紧，对木板定位后的夹紧，确保下面送钉铆接工序的顺利进行， 从 2575297阶段为松开夹具阶段，夹紧机构缓慢的将已经铆接好的木板松开，从 297320段为放完全放松阶段，完成对围板铆接的一个循环工序。从 320360 阶段，又一个循环的开始，夹紧机构缓慢的将放好铰链的围板夹紧。 3.4.53.4.5 送钉机构的工作循环送钉机构的工作循环 送钉机构同样也是用凸轮机构完成的，利用沟槽凸轮的驱动拨叉，拨叉带动搓板前 后运动，同时与大压块相互配合下，控制铆钉沿着料槽轨道沿一个方向运动，从而将铆 钉送到对应的位置。送钉凸轮从 0一 6l阶段，送钉凸轮所控制的搓板处于中间状态 段，随着凸轮的转动即是 61835之间，驱动的搓板开始推动铆钉向前移动 55 厘米，然后随着凸轮的运动(在 8351285阶段)，其驱动铆钉又向前运动 55 厘米。随后凸轮又一次推动搓板缓慢的回到中间状态(在 128151阶段)，之后凸轮 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 9 一直控制着搓板处在中间状态(在 151360阶段） ，等待着铆接的结束，完成一个工 作循环。 4.4.围板包装箱自动化生产线主体结构的设计围板包装箱自动化生产线主体结构的设计 围板包装箱自动化铆接系统需要完成围板的钻孔，铆接动力头的转位与压紧机构相 配合完成围板的铆接。钻孔动力头和铆接动力头的空间位置，铆接动力头的转位，以及 动力头的工进以及之间的动力传递是设计时需要的考虑关键问题。 设计过程中依据铰链上孔的位置（如图 4-1 所示)确定钻头铆头的空间位置,电机通 过皮带轮将动力传递给主动力轴，再通过主动力轴将动力传递到齿轮系统。再由齿轮系 统带动钻头铆头的转动，完成整个系统的动力结构设计模型。 图 4-1 铰链结构图 4.1 钻孔机构的结构设计钻孔机构的结构设计 木板通过传送带传送到钻孔机构，夹紧装置对木板进行定位夹紧工序，钻孔机构为 有四个钻头，确保每次定位完成木板一端的钻孔动作，钻孔机构的动力系统拟设计为， 通过皮带轮将电动机的动力传送到主轴，再由主轴将动力传递到齿轮系统，给钻孔动力 头提供动力，考虑到钻孔过程中，钻头到达正确位置后，完成钻头向下做进给运动完成 对木板的钻孔动作，采用凸轮机构来实现这一动作。利用钻孔凸轮推动导杆的上下动作， 从而带动整个箱体的上下动作，实现钻孔动力头对木板的钻孔加工，以及钻孔结束后回 复到原来位置的回程动作。 无锡太湖学院学士学位论文 10 图 4-1 钻孔机构 4.2 铆接机构的设计铆接机构的设计 对完成钻孔工序的围板，传送到铆接位置时，铆接动力头的相互转位（旋转 180） 的问题上采用的是弧面凸轮结构，为实现对装配好铰链的围板的一次定位压紧送钉铆接 过程做准备，拟采用弧面凸轮驱动旋铆桶弧（面凸轮分度机构）来实现的，利用弧面凸 轮分度机构使铆接装置整体大为简化，而且使各部分结构运转相互协调，整体结构更为 紧凑。 考虑到在对围板的钻孔，铆接加工过程中，钻孔动力头或铆接动力头转到准确的位 置后，依靠齿轮系统传动无法让钻孔机构和铆接机构完成上下工进的动作，需要给系统 提供一个上下工进的动力系统。基于对结构的分析，拟采用钻孔凸轮实现钻孔动力头的 上下运动，至于铆接部分拟采用旋铆凸轮驱动拨叉来实现铆接动力头的上下运动。 具体的工作流程为，拨叉固定于一根定位轴上，拨叉的一端旋铆凸轮啮合，另一端 安装于一个弧形滑块上，滑块置于一个半圆形导轨上，当弧面凸轮驱动从动盘带动旋铆 桶的旋转移位（180换位） ，实现铆头的转位时，滑块能在半圆形槽型轨道中做转动滑 动的运动，半圆形槽型导轨与拖杆相连接，当旋铆凸轮转动时，旋铆凸轮作为动力驱动 拨叉带动半圆形槽型轨道向上下运动，从而带动铆头向上的动作，完成铆接这一工序， 然后回程向下回到原来位置。 国外对铆接过程已经开始进行了研究。法国的 Langrand,B 等基于 FE 模型的材料疲 劳特性模型特征的数值过程进行了铆接分析，并测量了再准静态和动态条件下应变速度 的影响，提出了考虑铆钉材料的非线性因素。UrbanMR 等对于旋翼飞机机身结构中使用普 通铆接的误差传播进行了测试和分析。BillyKelly 等仿真了铆钉的安装过程。 VBlanehot 等人建立部分、轴对称和 3D 这 3 种可调整数值模型来仿真铆钉连接。我国 在铆接过程研究方面还处于初级阶段。 1)施加铆接力的最初阶段，由于铆钉刚刚开始发生弹性形变，还没有产生塑性变形， 因此满足胡克定律 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 11 EA lF l N 式中： 是铆钉杆原有长度：FN 为施加的铆接力；E 为弹性模量；A 为铆钉横截面积。l 设铆钉头部的微小变形为，铆钉半径为 d，则对公式求导得： x d 4/ 2 dA x 4/ 2 dE Fd EA Fd ld x x x 故当施加力 F 时，铆钉头的变形为 0 22 4 4/dE Fl dE Fd l x 2)随着冲头逐渐下压，铆钉刚开始接触到孔周，尚未形成镦头，此时铆钉杆的受力 状态与平面镦粗的受力状态相似，如图 322 所示。 图 3.22 镦粗时基元受力分析 根据平衡方程得 02 11 xxxxx dldllF 整理得 （4-1）dx l mK d 2 式中：，m 为摩擦因子，Y 为真实应力。mK3/YK 3)铆钉杆塑性变形开始后，铆钉中部金属向下流动，近似于挤压型的金属流动；而铆 钉镦头部分的金属向两侧流动，如图 323(a)所示。到了镦粗末期，作为极端情况，当纵 向流动阻力大于横向流动阻力时，可以近似认为只有侧向金属流动，而没有轴向的金属 流动，即只发生镦粗变形，这个阶段的铆接力达到最大。 此时，铆钉可以分为区和区，如图 323(b)所示。 无锡太湖学院学士学位论文 12 a 镦粗初期的金属流动 b 镦粗末期的金属流动 图 3.23 镦粗的金属流动 对于区，式(3.21)转化为3/YK （4-2）dx l K d 2 因为是镦粗变形，可以直观的认为 xy 按绝对值列出的简化屈服方程为 （4-3） xyxy ddK,2 将式（4-2)和(4-3)联立求解，得 Cx l K y 2 应用应力边界条件求积分常数 C，当 yeye xx, 故有 yee x l K C 2 代入得 （4-4） yeey xx l K 2 式中：表示铆钉镦粗的长度；是区边界处的垂直压应力。xxe ye 对于区，从式（3.20），推出mKY ye 3 2 Cx l K ye 2 应用应力边界条件求积分常数 C，当 , yeye xx 得出 2 yee x l K C 代入得 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 13 （4-5） 3 2 )( 3 2Y xx l mY eye 故所需铆接力为 （4-6） yey ssF 21 把式(3.24)和(3.25)代入(3.26)得 3 2 )( 3 2 3 2 )( 3 2 )( 3 2 21 Y xx l mY s Y xx l mY xx l Y sF eyeee 整理得 ) 3 2 )( 3 2 ()(x 3 2 21e1 xx l m ssx l sF es 式中, 为铆钉杆面积；为铆钉镦头的圆环面面积。 1 s 2 s 本设计中铆钉直径 d=5mm，铆接后镦头直径约为，钉杆原有长度 l=15mm，mmd10 0 钢与钢接触有润滑的情况静摩擦系数，屈服极限。2 . 01 . 0mMPa s 235 将数据代入公式得： 3 2 84 . 3 153 1 . 02 )368 . 5 (3(84 . 3 153 2 3235 2222 F N33.30172 由得，接力为 308 吨力。aFm 钻孔结构和铆接结构结构图见图 4-1，图 4-2 图 4-2 铆接机构结构简图 无锡太湖学院学士学位论文 14 4.3 主动力轴的设计和校核及齿轮传动系统的设计主动力轴的设计和校核及齿轮传动系统的设计 4.3.14.3.1 主动力轴的设计和校核主动力轴的设计和校核 轴是设计也和其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两部分内容。轴 的结构设计是根据轴上零件的安装定位以及轴的生产工艺等方面的要求，合理的确定轴 的结构形式和尺寸，轴的结构形式不正确，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠 性，还会增加轴的制造成本，和轴上零件的难装配等问题。因此轴的结构设计是轴设计 中的重要内容。轴的材料主要是碳钢和合金钢。 轴的计算通常都是在初步完成结构设计后进行的校核计算的，计算准则满足轴的强 度或刚性要求必要时还应校核轴的振动稳定性。 按扭转强度条件计算 适用：用于只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算； 结构设计前按扭 矩初估轴的直径 min d 这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度，如果还有受有不大的弯矩时，则用 降低许用扭转切应力的办法考虑。在做轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。 轴的扭转强度条件为 T T T d n P W T 3 2 . 0 955000 为扭转切应力，T 为轴的扭矩,轴的抗扭截面系数，n 为轴的转速，P 为轴 T mmN T W 传递的功率，d 计算截面处轴的直径。 表 4-1 轴常用集中材料及值 T 0 A 轴的材料 、20AQ235、35275Q iir TNC 18135 45 、 r C40 niM S35 0 38MMS ni aT MP/2515352045255535 0 A12615911213510312697112 轴的直径 式中 3 0 3 2 . 0 9550000 n P A P d T 3 0 2 . 0 9550000 T A 初步估算动力轴的最小直径 围板包装箱自动化生产线铆接装置的设计 15 mm n P Ad99.38 2 1 16 5 1430 41 . 9 112 3 3 0min 轴的最小直径显然是安装联轴器的直径。需要键槽，故将最小轴增加，变为%5 40.9mm，查机械手册选择标准直径为 45mm 选择联轴器，取载荷系数，则联轴器的计算转矩为3 . 1 A K mmNTKT Aca 6207504775003 . 1 3 根据计算转矩、最小轴径、轴速度，查手册选择 HL4 弹性柱销联轴器 。 初选轴承，因轴承同时受有径向力和轴向力的作用。故选用角接触球轴承。根据工作要 求及输入端的直径(为 45mm)，由轴承产品目录中选取型号为 7211C 的滚动轴承，其尺 寸（内径外径宽度）为，2110055bDd 轴的结构设计 图 4-3 动力轴 由于联轴器型号已定，左端用轴端挡圈定位 ,右端用轴肩定位。故轴段 6 的直径即 为相配合的半联轴器的直径，取为 45mm。联轴器是靠轴段 2 的轴肩来进行轴向定位的， 为了保证定位可靠，轴段 2 要比轴段 1 的直径大 510mm，取轴段 2 的直径为 52mm。 轴段 1 和轴段 4 均是放置滚动轴承的，所以直径与滚动轴承内圈直径一样为 55mm。 考虑拆卸的方便，轴段 3 的直径只要比轴段 4 的直径大 12mm 就行了，这里取为 58mm。 轴段 2 是一轴环，右侧用来定位齿轮，左侧用来定位滚动轴承，查滚动轴承的手册， 可得该型号的滚动轴承内圈安装尺寸最小为 64mm，同时轴环的直径还要满足比轴段 3 的直径(为 58mm)大 510mm 的要求，故这段直径最终取为 66mm。 (3)确定轴的各段长度 轴段 1 的长度比半联轴器的毂孔长度要 (为 84mm)短 23mm，这样可保证轴端挡圈只