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排钉机 设计

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自动排钉机结构设计 院 系 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 负责教师 I摘摘 要要 自动装配技术是机械自动化的关键技术。本文对基于机械自动化的铁钉自动排序进行了详细研究。 自动排钉机构的设计是个非常重要的工作，这项工作的目标是实现铁钉的自动排序，从而提高工作效率，减少时间、人力和财力的消耗。 首先，考察了国内铁钉的各种形状并总结了它们的共同特征，提出了在理想情况下铁钉的样式，并基于此进行了自动排钉机构的设计；其次，查找了各种资料，比较了各种电动和气动设备，从中选择了比较理想的驱动方式；第三，查找了目前较为流行的 SolidWorks 软件资料， 并在此基础上建立了本次设计中较为重要的部分定向控制部分的三维模型；第四，采用 AutoCAD 软件对驱动部分和装配图进行了绘制。 在设计过程中，充分考虑了设计的“虚拟装配”问题，并在指导老师的帮助下，运用 SolidWorks 软件对所设计的零件进行了装配。 关键词：自动装配；排序；铁钉；虚拟装配 IIAbstract It is the key technology of mechanical automation to assemble technology automatically. The paper is based on the nails automatic order of mechanical concentratively, and has detailedly designed. It is an important job to design the nails order-automatic machine. That is to make nails orderly, to raise working efficiency, and to reduce the expenses of time, manpower and financial resources. First of all, I observe present different forms of nails and have summarized their common character, also design machine of nails automatic order under the ideal cases of the patterns of nails. Secondly, I look up various kinds of materials and compare various kinds of the equipment while being kind and being electronic, and choose the ideal form from them. Thirdly, I look up the software of SolidWorks which is very popular currently, and I use it to draw the most important part in the design-order_control part. Lastly, I use AutoCAD to draw the expel-part and assemble-drawing. During drawing, I consider adequately the “assembling fictitiously” that has already existed, and with the help of my guide-teacher, I have made parts assembled under Solidorks. Keywords: Automatic assembling; order; nail; assembling fictitiously III目目 录录 1 绪论.1 1.1 课题背景 .1 1.2 装配自动化简介 .2 1.2.1 装配自动化的概念.2 1.2.2 装配自动化系统的类型及其选择.2 1.2.3 装配自动化系统应具备的条件.3 1.2.4 国外装配自动化发展概况.6 1.2.5 国内装配自动化发展概况.7 1.3 本文主要研究的内容 .7 2 自动供料及输送的方案设计.8 2.1 机械加工自动化的三种形式.8 2.2 不宜采用自动供料的情况.8 2.3 几种具有代表性的供料器.8 2.3.1 回转式料斗供料器（滚筒式） （A）.9 2.3.2 回转式料斗供料器（滚筒式） （B）.10 2.3.3 提升式料斗供料器.10 2.3.4 带有固定导向刃的料斗式供料器. 11 2.4 自动供料器选择方案的确定. 11 3 给料传送机构的设计.12 3.1 传动总论 .12 3.1.1 传动装置在机器中的应用.12 3.1.2 传动装置的分类.13 3.1.3 传动方案确定.13 3.2 V 带传动的设计.14 3.2.1 V 带轮的设计.14 3.2.2 确定 V 带的型号.15 3.2.3 验算带的速度.15 3.2.4 确定中心距 a 和 V 带的长度 Ld.16 IV3.2.5 确定 V 带的根数 z. 17 3.3 主要传动轴的设计. 17 3.3.1 计算轴所受的初拉力0F . 17 3.3.2 初算轴径. 18 3.4 齿轮的设计. 19 3.4.1 系统传动图. 19 3.4.2 齿轮模数的初步计算 . 20 3.4.3 计算齿轮的具体结构尺寸 . 21 3.5 电动机的选择. 23 4 定向控制机构的设计. 24 4.1 输送管道的设计. 24 4.2 定向机构的设计. 24 4.3 凸轮机构的设计. 24 4.3.1 凸轮机构的分类. 25 4.3.2 凸轮从动件的运动规律 . 25 4.3.3 凸轮机构确定. 26 4.4 定向控制机构设计过程简介. 26 5 定向控制机构的虚拟装配及有限元分析 . 27 5.1 虚拟制造技术. 27 5.2 定向控制机构零件三维造型实例. 28 5.3 零件的装配. 31 5.3.1 装配体工具部分功能简介 . 31 5.3.2 子装配体的展示. 36 5.3.3 总装配体的展示. 39 5.3.4 总装配体爆炸视图的展示 . 39 5.4 轴的校核. 40 5.4.1 有限元分析插件简介 . 40 5.4.2 轴受力的有限元仿真 . 40 5.4.3 结果分析. 47 结 论. 48 参考文献. 49 V致 谢.51 11 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 目前国内射钉枪用射钉最常用的结构形式有六种，而这六种形式之中最最常用的有二三种，此次设计就选择了其中最常用中的一种。 现今国内生产的射钉枪多为单发，这样既耗时又费力，为提高工作效率，需设计出一种连发机构，因此，就需要一种自动排序铁钉的机构，只有这样，才能很好地把铁钉整齐包装，用于连发机构，但是在一般情况下，由于铁钉很不规则，因此在排序方面会出现较大的困难。所以，在此需要寻求一个最佳方案，在某种意义上能够使铁钉规则化。现在对六种铁钉做一个综合分析，根据铁钉都有大端这样一个共同特点来出发考虑问题。六种铁钉结构类型如图 1.1 所示： 图 1.1 常见的六种铁钉类型 21.2 装配自动化简介装配自动化简介 1.2.1 装配自动化的概念装配自动化的概念 装配就是按照技术要求将零件进行组合连接成部件、复合件或成品的过程。装配工艺过程是指装配的方法、路线及内容的安排。其中包括装配、调整、检测和试验等工作。装配工艺规程是指将装配工艺过程按一定的格式以文件的形式固定下来的过程。 装配自动化是指将对某种产品用某种控制的方法和手段，通过执行机构，使其按预先规定的程序自动进行装配，而无需人直接干预的过程1。 1.2.2 装配自动化系统的类型及其选择装配自动化系统的类型及其选择 （1）装配自动化系统的类型2 装配自动化的类型如果按照其系统的装配对象是否可换，是否在一定范围内可调，可以分为柔性自动装配和刚性自动装配。可变换装配对象，在一定范围内可调的为柔性自动装配，反之，就是刚性自动装配。 （2）装配自动化类型的选择 装配自动化类型的选择原则是根据产品的生产纲领和生产类型。产品是大量大批生产类型的要考虑选择自动化装配，如果是单件小批量生产类型要选择柔性自动化装配。 零件生产纲领是包括备品和废品在内的年产量。生产纲领不同，生产规模也不同。人们按照产品的生产纲领，投入生产的批量或生产的连续性，把它分为三种生产类型：大量生产、批生产和单件生产。批生产的类型又分为：大批、中批和小批 3生产。生产类型支配着装配工作而各具特色，如组织形式、装配方法、工艺装配等各方面各有不同3。 大批大量生产类型其装配工艺主要是采取完全互换法装配。而单件及小批量生产类型其装配工艺主要是采取修配法及选配法装配。 因此， 如果考虑采用自动化装配的方式， 大量大批生产应采用刚性自动化装配。对于单件及小批生产类型其装配工艺只能是选配法，所采用的装配方式为柔性自动化装配方式。 如果对于单件小批生产中对那些只能采用修配法的装配一般实行人工装配。 以上方案的选择除技术原因外（如修配法装配很难实现自动化，但不等于绝对不能实现，要以经济损失为代价），主要是从经济效益为原则考虑的。图 1.2 表示不同装配方式下的产量和装配成本的关系曲线。由图中可见：当生产批量不大时，柔性自动化装配的单件成本低于刚性自动化装配。但大批量生产时，刚性自动化装配单件成本最低。而人工装配的单件成本基本上不随年产量的变化而变化4。 图 1.2 产量与装配成本的关系曲线 1.2.3 装配自动化系统应具备的条件装配自动化系统应具备的条件 装配系统的装配功能主要包括零件的传输、抓取和装配。为了实现装配的自动 4化，对零件、装配工具和传输机构等都要提出相关的要求，使装配工作得以顺利进行。 （1）对零部件的结构工艺性的要求 采用自动装配时，对零部件的结构工艺性提出以下要求： 零件几何形状尽量规则，结构要便于自动传输、自动上料和定向识别。 零件结构要便于夹持，其刚度要满足夹持力的要求，受力后的变形应该在弹性范围内，而且变形量不应给装配带来困难。 零件结构设计时应考虑避免采用在自动上料时相互镶嵌等不易顺利分开的结构。 设计者应考虑零件初始连接时易于导入，如设计倒角，锥面等。 零部件间的定位销，从易于装配考虑尽量采用锥销5。 应尽量采用便于装配的联接方式，而且，尽可能的减少零件的数量。 零件的设计尽量做到标准化、 通用化和系列化， 这样可以减少装配工装的种类。 设计时应尽量考虑统一的装配方向，减少翻转装配的次数。 （2）对装配工具的要求 装配工具是自动装配的执行机构，装配效率的高低、质量的好坏与装配工具有直接关系，所以，对装配工具提出以下要求： 根据总体布局、零件结构尺寸和几何形状及重量、经济性等合理选择机械手、机器人还是其他结构装置抓取或推进零件装配。 5机械手或机器人的手腕夹爪的夹紧力要与零件的允许变形量和零件表面的精度的要求相匹配。应尽量避免抓取零件精加工表面，如果无法避免时，不得损坏零件表面精度，并且夹爪要采取保护措施6。 在计算装配工具对零件的夹紧力时，应考虑装配力和零件的重力，其装配力与零件的配合种类有直接关系。 机械手或机器人手腕移动时一定要平稳， 注意惯性力， 接近装配位置时要减速。 零件初始装入时，装配工具在装配力的作用下应有一定的柔性，发生异常应发报警信号。 （3）对传输机构和整体布局的要求 为满足自动装配，对传输机构和整体布局提出以下要求： 设计传输机构时要方便零件的传输和定向。 零件传输到装配位置时，要有准确的定位系统及安全保护系统，不到位不能发生装配指令。 如果采用柔性自动化装配，应考虑传输系统设计时的柔性，以适应零件种类规格的变换。 零件的传输和自动上料机构设计时，要尽量减少振动和噪声。 在考虑自动化装配线时，应该考虑装配中的自动检测、清理、不合格零件的自动识别和剔除、故障诊断和报警等7。 总体平面布置时充分利用现有面积、计算好装配的节拍和设备及工位的数量。 6对于单件小批生产的柔性自动化装配的选配法，应该做好分组选配的装配方式的设计，分组选配即是组内的完全互换法1。 1.2.4 国外装配自动化发展概况国外装配自动化发展概况 随着国际关系多极化、消费多样化、经济全球化和贸易的自由化，促使世界各国更加重视制造业的社会地位和作用，重新审视生产方式，对制造业的发展提出更高的要求，加速了自动化的进程。 然而，由于加工技术远远超前于装配技术，目前大多数产品还都是传统的手工装配，所以说装配工艺已成为现代生产的薄弱环节，必须加大力度进行装配自动化技术的研究工作。 装配自动化比加工自动化实现起来难度大，它是一项更为复杂的生产过程，具有很多特殊性。在某些装配情况下，施力的大小、推进的速度、安装的姿态等需要感知、需要判断、需要决策、需要经验，这一切属于智能的要求，所以人工操作较多。但是人工操作已经难以适应现代制造技术发展的要求，因为这样难以保证产品质量的一致性和稳定性8-10。 自动化水平的高低，已成为一个国家科技水平的重要标志之一。一些发达国家在自动装配技术和柔性装配技术的研究方面都取得了卓越的成果，有的已经成功的在生产中得以运用。如美国的克罗斯公司除从事小型产品、汽车发动机及有关部件的自动装配机的研制外，还从事装配机器人、集成装配系统、装配单元等方面的研究。该公司从 1986 年到 1990 年间开发制造了 30 条左右自动装配机和生产装配线。另外，日本的小汽车柔性装配线；瑞士成功研制的手表自动装配线；比利时 New 7Lachaussee 公司研制的具有模块化工作的雷管自动装配线；美国的 King Sburg 公司研制的全自动或半自动装配系统，可用于家用冰箱压缩机、汽车主动转向泵、汽车自动化变速器和减振器以及制动器等多种产品的装配。美国政府 1980 年拨款由伦敦 BRSL 公司用 8 年时间对柔性装配系统 （FAS） 作了可行性研究， 研究出一种 FAS,能对质量小于 15 千克，体积小于 0.03 米3的电器、电子和机械产品进行柔性装配，年产量可达 2030 万套，更换产品的调整时间仅为 12 小时11,12。 1.2.5 国内装配自动化发展概况国内装配自动化发展概况 我国在装配自动化技术的研究方面还很少，这里面既有观念问题，也有客观需求不够迫切的问题。但是从现代化工业发展的总趋势看，装配自动化技术研究的尽快开展是具有战略意义的一项工作。 1.3 本文主要研究的内容本文主要研究的内容 本文内容是有关自动排钉机构的设计，重点内容是机构的核心部件控制器定向机构的设计。所要研究的主要内容包括： 1. 自动供料及输送的方案设计； 2. 给料传送机构的设计； 3. 定向控制机构的设计； 4. 定向控制机构的虚拟装配及有限元仿真； 5. 绘制二维工程图。 82 自动供料及输送的方案设计自动供料及输送的方案设计 2.1 机械加工自动化的三种形式机械加工自动化的三种形式 机械加工自动化可分为半自动、全自动及完全自动化三种类型。 1. 半自动化加工系指被加工零件的装夹及卸料凭靠人手进行，仅仅加工过程是自动进行的。 2. 全自动化加工又称为滑道式自动化加工或称料仓式自动化加工，它仅利用人手将被加工的零件装入滑道或者是料仓，而零件的装夹、加工、卸料全部都由机器自动完成。 3. 完全自动化加工是指利用具有定向能力的供料器、料斗等设备向滑道或者料仓供给被加工零件的自动化加工，这种机械允许一次向供料器和料斗投放较多的零件1。 2.2 不宜采用自动供料的情况不宜采用自动供料的情况 有下列情况时，不宜采用自动供料，应该考虑采用半自动化供料： 1零件的生产纲领偏低； 2零件品种繁多； 3不希望零件外表有毛疵、碰伤等缺陷； 4切屑缠绕在工装设备上面将导致故障时； 5零件形状复杂或者是不宜采用简单的方法对零件定向时； 6自动机制造经费不足时； 7在刚开始搞自动化工作而经验不足时。 2.3 几种具有代表性的供料器几种具有代表性的供料器 具有代表性的供料器是有螺旋槽的圆盘式振动供料器。此外，还有其他形式的 9供料器，这些供料器对于各种不同的零件通用性较差，但是当供料器的特性与零件的特性相适应时，可以高效的完成定向及供料等工作。 振动供料器对供应的零件损伤较轻，适用于多种零件，堪称为供料器中的第一流设备，其缺点是有噪音（由零件碰撞引起），不过，其它一些供料器有的噪音和它一样大，有的甚至比它还要大。 通常的供料器可以分为振动式、回转式、往复式、皮带传动式、气动式、气泡式等2。 2.3.1 回转式料斗供料器（滚筒式）（回转式料斗供料器（滚筒式）（A） 图 2.1 为回转式料斗供料器，当零件没有完全落入滑道时，料斗不能转动，所以，料斗应作间歇转动，若将滑道做成双导轨时，可以对带有凸缘的零件进行定向供料。这种供料器送料量比较大，但是料筒与零件、零件与零件间的摩擦较大，因而，零件表面的碰伤比较严重。 图 2.1 回转式料斗供料器（A）2 102.3.2 回转式料斗供料器（滚筒式）（回转式料斗供料器（滚筒式）（B） 当被提起的零件落到滑道上，零件滑出的形态与滑道的形状吻合时，零件就可沿滑道送出，料斗可以连续转动，但是速度不宜太高，否则离心力太大。滑道的形状可以做成吊头形、鞍形、槽形等，如图 2.2 所示。 图 2.2 回转式料斗供料器（B）2 2.3.3 提升式料斗供料器提升式料斗供料器 提升式料斗是一个圆弧板围绕一点在料斗内做上下往复摆动。根据圆弧板上的轨道形式可以分为两种：一可对圆柱型的零件进行定向送料；二则能对带头的零件进行定向送料（例如：木钉、螺钉、铆钉等）。轨道的形状应与工件的形状相吻合。 与回转式供料器相比， 这种供料器对零件的损伤较小， 但是损伤仍然是难免的。有些零件的形状使其不易落入滑道，可以在滑道的入口处设置一个小转轮，使其转动，将不合适的零件剔回料斗。 112.3.4 带有固定导向刃的料斗式供料器带有固定导向刃的料斗式供料器 图 2.3 为带有固定导向刃的料斗，底盘是转动的，由于底盘的回转及固定导向刃的作用，将零件逼靠外圈，并送入导向滑道。 调节底盘的转速，可以改变供料器的供料速度。 2.4 自动供料器选择方案的确定自动供料器选择方案的确定 本课题所选择的钉子本身具有大端和小端， 钉子总长 50mm， 大端直径 D=7mm，小端直径 d=4mm，表面进行了淬火处理。利用这些特点，可以设计定向机构；又钉子本身是圆柱形，从而选择出供料器。 图 2.3 带有固定导向刃的料斗式供料器2 根据所选的钉子的特点，选图 2.3 所示供料器模板，对其作进一步的改进处理，去除固定导向刃，转动的底盘改装设计成圆锥形，当它以一定速度旋转的时候，工件（铁钉）自动靠在料斗壁上，然后被送入滑道，进而输送到下一个机构。 123 给料传送机构的设计给料传送机构的设计 给料传送机构是把原料（铁钉）输送到定向机构以及把由定向机构出来后整齐排序的铁钉输出的机构。因此，本节主要是论述铁钉如何实现传送的问题。 3.1 传动总论传动总论 3.1.1 传动装置在机器中的应用传动装置在机器中的应用 机器一般都有传动装置，它是将原动机的运动和动力传给工作机的中间装置，它常起以下的作用： （1）减速(或者增速)。工作机速度往往和原动机速度不一致，用传动装置可以达到改变速度的目的。 （2）调速。许多工作机的转速需要能根据工作要求进行调整，而依靠原动机调速往往不经济，甚至不可能，而用传动装置很容易达到调速的目的。 （3）改变运动形式。原动机的输出轴常用等速回转运动，而工作机要求的运动形式则是多种多样的，如直线运动、螺旋运动、间歇运动等，靠传动装置可以实现运动形式的改变。 （4） 增大转矩。 工作机需要的转矩往往是原动机输出转矩的几倍甚至是几十倍，通过减速装置可实现增大转矩的要求。 （5）动力和运动的传递和分配。一台原动机常要带动若干个不同速度、不同负载的工作机，这时传动装置还起到分配动力和运动的作用。 显然，传动装置是机器的重要组成部分，机器质量的好坏常与传动装置的质量密切相关，机器的成本也常取决于传动装置的造价，因此，合理的设计传动装置是机械设计工作的重要组成部分。 133.1.2 传动装置的分类传动装置的分类 （1）传动装置按工作原理分类如下： 机械传动，包括摩擦传动（如摩擦轮传动、V 带传动、绳传动）和啮合传动（如齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动、链传动、同步带传动）。 流体传动，包括液力传动和气力传动。 电力传动，包括交流电力传动和直流电力传动。 （2）机械传动按改变传动比可能性分类如下： 定传动比传动，如带、键、摩擦轮、齿轮、蜗杆传动。 变传动比传动，包括有级变速传动（如齿轮变速箱、塔轮传动）、无级变速传动（如各种机械无级变速器）、按周期性规律变化传动（如非圆齿轮、凸轮、连杆机构）。 3.1.3 传动方案确定传动方案确定 如前所述，机器的工作性能很大程度取决于传动装置的性能、质量及设计布局的合理性，因此，合理拟定传动方案具有重要的意义。对传动方案的要求最主要是能实现工作部分的工作要求，另外还要求结构简单、效率高、尺寸紧凑、工作可靠、成本低、使用维护方便等，应针对各种可能的方案结合各种传动形式的主要特点和性能，分析比较，合理选择。 传动方案选择时常考虑以下情况： （1）大功率、高速度、长期工作的工况，宜用齿轮传动。 （2）低速、大传动比，可用单级蜗杆传动和多级齿轮传动，也可采用带齿轮 14传动；带齿轮链传动；但是带宜放在高速级，链放在低速级。 （3）带传动多用于平行轴传动，链传动只能用于平行轴传动，齿轮可用于各向轴线传动，蜗杆常用于空间垂直交错轴传动。 （4）带传动可以缓冲吸振，同时还有过载保护作用，但是因摩擦生电，不宜用于易燃、易爆的场合。 （5）链传动、闭式齿轮传动和蜗杆传动，可用于高温、潮湿、粉尘、易燃、易爆的场合。 （6）有自锁要求的时候宜用螺旋传动或者是蜗杆传动。 （7）改变运动形式的机构（连杆、凸轮等）应布置在运动系统的末端或者是低速级。 （8） 一般外廓尺寸较大的传动 （如带传动） 和传动能力较低的传动 （如锥齿轮） ，分配给较小的传动比。 （9）小功率的机械宜用结构简单的、标准化高的传动，如减速器、液压缸、带传动、链传动等。 由上面可以知道，在本次设计中，采用的传动类型是皮带传动与齿轮传动的混合型。 3.2 V 带传动的设计带传动的设计 本文设计的要求是钉子输出量 3 枚秒，由于设计时分料轮采用了 12 等分圆周的设计，所以，钉子每分钟输出 180 枚，亦即轴的转速 n = 180/12 = 15 r/min。假设转速可提高十倍，即最大转速为 n = 150 r/min10。 3.2.1 V 带轮的设计带轮的设计 由于本设计需要降速， 而且降速比也不大， 从而根据经验以及指导老师的推荐，初步设计大、小带轮的直径尺寸如下： 15大带轮直径：2dd=160mm，为孔板轮； 小带轮直径：1dd=75mm，为实心轮。 3.2.2 确定确定 V 带的型号带的型号 在本设计中选用 A 型 V 带，因为 A、B 型为传动时最常用的 V 带，此处又没有特殊要求，所以选用 A 型 V 带。 3.2.3 验算带的速度验算带的速度 由 P=Fv1000 可知，传递一定功率时，带速愈高，圆周力越小，所需带的根数就愈少，但是带速过大，带在单位时间绕过带轮的次数就增加，使疲劳寿命降低。同时，增加带速会显著地增大带的离心力，减少带与带轮之间的接触压力。当带速达到某一数值后，不利因素将大于有利因素，致使设计功率 Pd 降低，设计时应使vvmax，一般在v= 525m/s 之间选择，以v2025 最有利3。 验算公式为 v=10006011ndd (3.1) 式中 1dd小带轮直径（mm）; 1n 小带轮转速（r/min）。 因为1dd75mm，1n150（16075）320r/mim，所以，由式（3.1）有 V带的速度为 v =100060320751.25625m/s 16故V带符合要求。 3.2.4 确定中心距确定中心距 a 和和 V 带的长度带的长度 Ld 中心距小，可以使传动结构紧凑，但是也会因带的长度小，使得带在单位时间内绕过带轮的次数增多，降低带的寿命。同时，在传动比i和小带轮直径1dd一定的情况下，小带轮包角1减小，传动能力降低。中心距大则反之。其次，中心距过大，当带速高时，易引起带在工作时抖动。 在设计时，考虑到各种情况，可在下列范围内选取0a 0.7（1dd2dd）0a2(1dd2dd) (3.2) 初选0a后，可按下面第一式计算带的基准长度dL，根据初算的0dL再选取接近的标准基准长度dL，然后按下面第二式近似的计算中心距。 0dL=20a+ （1dd2dd）/2+（1dd2dd）2/（40a） (3.3) a=0a+（1dd2dd）/2 (3.4) 式中 0dL带的初算基准长度（mm）； 0a 初选的中心距（mm）； dL 标准基准长度（mm）； 从而，在1dd=75mm，2dd=160mm的情况下，由式（3.2）算得： 164.50a470 因为要求结构紧凑，故取偏低值0a=200mm； 17再根据式（3.3）计算V带基准长度0dL 0dL=2200+ （160+75）+（16075）2/（4200）=723mm； 从而，查得标准V带基准长度dL=800mm； 于是，再由式（3.4）算得实际中心距a a=200+（16075）/2=242.5mm； 3.2.5 确定确定 V 带的根数带的根数 z 在转距一定的条件下，速度越高，功率越大，如果想输送更多的工件，可提高输出带的速度，加大功率，就可以输出较多的工件，而转矩不变，由此可以根据具体的需要增加V带的根数，此处在保持一定的输送条件下，又不需要更高的转速，取V带12根。此处V带轮设计为两根槽，既能保证传动，又可以在比较广阔的范围内变速，以致通过实验取得最佳进给速度，此处V带根数z2。 3.3 主要传动轴的设计主要传动轴的设计 3.3.1 计算轴所受的初拉力计算轴所受的初拉力0F 0F=500dp（2.5ak）/（vzak）m2v (3.5) 式中 m普通V带每米长度的质量；这里m0.1kg/m; z V带根数；这里z2； ak包角修正系数；这里ak0.9； vV带的速度；这里v1.256m/s； 18 dp设计功率；dpnT/9550152/95500.00314kw 从而，初拉力0F： 0F 5000.00314（2.50.9）/(1.25620.9)+0.11.25622 =1.269N 由于最大转速n150r/min，故而当此转速达到时，v10v12.56m/s, dp10dp0.0314kw。从而，此时的初拉力0F 0F5000.0314（2.50.9）/(12.5620.9)+0.112.5622 16.9N 由于考虑安全，取值可以稍微大一些，即0F20N。 3.3.2 初算轴径初算轴径 由材料力学可知，轴受转矩作用的时候，其强度条件为： d 336/)2 . 0/(1055. 9npCnp= mm (3.6) 式中 p轴传递的功率，kw；这里p0.0314kw； n轴的转速，r/min；这里n150r/min； 许用扭转剪应力，MPa； C有扭转剪应力确定的系数；这里C106； 从而，由式（3.6）有： d1063150/0314. 06.294mm 19按扭矩初算的直径太细， 考虑刚度问题， 也为了避免再次按刚度校核轴的直径，此处确定轴的最细端为dmin10mm。 3.4 齿轮的设计齿轮的设计 3.4.1 系统传动图系统传动图 本课题无需精密的传动比，只要料斗的转速大于传送带的速度，使得给料机构能供应充足的工件，以免在传送带上出现空位即可。因此，在设计时分料轮的线速度与传送带的线速度完全一致，二者之间需要精确的传动关系，因此需要求传送带必须是类似同步带式样的传送。而在去料斗的传送线上应该设计升速传动。 具体的传动系统图如图3.1所示： 图 3.1 传动系统图 203.4.2 齿轮模数的初步计算齿轮模数的初步计算 一般同一变速组中的齿轮取同一个模数，选择负荷最重的小齿轮，按简化的接触疲劳强度公式（3.7）进行计算： jm=16338321)/() 1(jjmdnuZNu（mm） （3.7） 式中 jm按接触疲劳强度计算的齿轮模数（mm）； dN驱动电动机功率（kw）； jn计算齿轮的计算转速（r/min）； u大齿轮齿数与小齿轮齿数之比u1，外啮合取“”号，内啮合取“”号； Z1小齿轮齿数； m齿宽系数，mB/m（B为齿宽，m为模数）； j许用接触应力（MPa）。 （1）计算通往料斗传送线上的齿轮的模数 由于u3，dN0.56，m10，Z130，jn45，j630，且齿轮是外啮合的，则由式（3.7）有jm jm16338322)3456303010/(56. 0) 13(+ 2.726 所以，取jm3 21（2）计算通往分料轮和传送带传送线上的齿轮模数 由于u1，dN0.0613，m10，Z144，jn15，j630，且齿轮是外啮合的，则由式（3.7）有jm jm16338322) 1156304410/(0613. 0) 11 (+ 1.668 所以，取jm2 3.4.3 计算齿轮的具体结构尺寸计算齿轮的具体结构尺寸 （1）齿顶高 1ah*ahjm122mm 2ah*ahjm133mm （2）齿根高 1fh（*ah*c）jm（10.25）22.5mm 2fh（*ah*c）jm（10.25）33.75mm （3）计算各个齿轮的具体尺寸如下： 1djmZ1380240mm； 1ad1d22ah24023246mm； 1fd1d22fh24023.75232.5mm； 2djmZ2340120mm； 2ad2d22ah12023126mm； 22df22d22fh12023.7582.5mm； 3djmZ3380240mm； 3ad3d22ah24023246mm； 3fd3d22fh24023.75232.5mm； 4djmZ4340120mm； 4ad4d22ah12023126mm； 4fd4d22fh12023.75112.5mm； 5djmZ524488mm； 5ad5d21ah882292mm； 5fd5d21fh8822.583mm； 6djmZ624488mm； 6ad6d21ah882292mm； 6fd6d21fh8822.583mm； 7djmZ724488mm； 7ad7d21ah882292mm； 7fd7d21fh8822.583mm； 8djmZ824488mm； 8ad8d21ah882292mm； 238fd8d21fh8822.583mm； 3.5 电动机的选择电动机的选择 步进电动机是一种把电脉冲信号变换成直线位移和角位移的执行元件。步进电动机的转子做成多极，定子上嵌装有多相星形连接的控制绕组，由专用电源供给电脉冲。每输入一个脉冲，步进电机前进一步，所以称为脉冲电动机。步进电动机的位移或者角位移量与脉冲数成正比，它的线速度或转速与脉冲频率成正比。在负载能力范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化，步进电动机可以在宽广的范围内，通过改变脉冲的频率进行调速，能够快速的启动、反转和制动。在一相绕组长期不通电的情况下，还有定位转矩。随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用越来越广。步进电动机主要用于开环系统中，在某种情况下也可用于闭环系统。 在本次设计中，所选择的步进电机的型号为90BF08，具体参数如表3.1所列： 表 3.1 步进电机 90BF08 参数 型 号 相数 步距角 (度) 额定 电压 (V) 静态电流 (A) 最大 静转 矩 (Nm) 空载起动频率 (Hz) 空载运行频率 (Hz) 每相电感 (mh) 分配方式 90BF08 5 0.75 80 7 3.92 3600 6000 15 12 244 定向控制机构的设计定向控制机构的设计 钉铁在从料斗中输送到输送管道后以及到进入分料斗之前，必须进行定向处理，即统一它们的方向。这项工作就由定向机构来执行。 4.1 输送管道的设计输送管道的设计 在本设计中，输送管道的设计主要参考了机械设计手册（3）中的第30篇“管道与管道附件” ， 遵循了GB/T10471995中的 “管道元件的公称通径” 的规定，在此不作过多的论述。 4.2 定向机构的设计定向机构的设计 在本设计中，利用步进电机控制和专门设计的输送通道来实现机械定向方式，使钉子输出后排列的方向完全一致，实现本机构的定向功能。在分料轮每秒输出3枚钉子的工作条件下，则定向轴的转速也须为3r/s，才能保证钉子在传送带上不出现空位。而且，为保证钉子能顺利从输入管道进入定向机构，以及钉子由定向机构进入输出管道，换向器需要每转半周有一个停顿时间，设钉子进入或者是送出定向机构时间为t1，换向器停顿的时间为t2，而且，设一个脉冲持续时间为t3，则还要求2t3t2。当满足上述两个要求时，该机构可以正常工作，实现钉子定向功能。 4.3 凸轮机构的设计凸轮机构的设计 凸轮机构是含有凸轮的一种高副机构，也是一种常用的机构。在自动机械和半自动机械中得到了广泛的运用。 25凸轮是一具有曲面轮廓的构件，一般多为原动件；当凸轮为原动件时，通常做等速连续转动或者是移动，而从动件则按预期输出特性要求做连续或间歇的往复摆动、移动或者平面复杂运动。 4.3.1 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 在凸轮机构中，凸轮可以为原动件也可以为机架；但是多数情况下，凸轮为原动件。从不同的锁合方式分类有：力锁合、形锁合等。 凸轮机构的优点是：只要设计出适当的凸轮轮廓，就可以使从动件实现任意预定的运动规律，并且机构简单、紧凑、工作可靠。其缺点是：凸轮为高副接触（点或者线），压强较大，容易磨损，从凸轮轮廓加工比的角度出发凸轮可作如下分类： （1）按活动构件之间相对运动特性分类有：平面凸轮机构（如盘形凸轮、移动凸轮等）、空间凸轮机构。 （2）按从动件运动副元素形状分类有：尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件等。 4.3.2 凸轮从动件的运动规律凸轮从动件的运动规律 从动件运动规律可以分为基本运动规律和组合运动规律。 （1）基本运动规律，包括：等速运动规律，等加速等减速运动规律，余弦加速度运动规律，正弦加速度运动规律等等。 （2）组合运动规律，是在工程实际中，为使凸轮机构获得更好的工作性能，经常采用以某种基本运动规律为基础，辅之以其他运动规律与其组合，从而获得组合运动规律。常用的组合运动规律有：改进型等速运动规律，改进型正弦加速度运动规律和改进型梯形加速度运动规律等。 264.3.3 凸轮机构确定凸轮机构确定 在本设计中，凸轮机构的作用是推动撞杆上下运动，进而使压杆运动，从而控制输送管道中钉子的通过。 设计采用了余弦加速度运动规律， 设计为平面凸轮机构，采用了小圆角尖顶从动件，具体尺寸及形状见图纸。 4.4 定向控制机构设计过程简介定向控制机构设计过程简介 由于本部分定向控制机构的设计是整个传送机构的核心部分，故本部分花费较多的时间，约占了整个设计时间的40%左右。在此设计过程中，零件全部采用当前较为流行的三维绘图软件Solidworks15绘制，并在微机上进行了虚拟装配操作。所谓虚拟装配，是指将实际中已经存在的各种零件，按照一定的设计准则、国家标准，利用特定软件在计算机上设计出零件模型，并将其装配成一体的过程。 本部分设计时，先利用Solidworks将定向控制机构的各个零件绘制出来，然后利用此软件进行虚拟装配。这就要求每个零件之间的尺寸得满足一定的要求，才能装配起来。因此，在设计零件基本尺寸时，要考虑到零件本身尺寸以及零件与零件之间相关尺寸等因素，这是一项比较庞大的工作。 275 定向控制机构的虚拟装配及有限元分析定向控制机构的虚拟装配及有限元分析 5.1 虚拟制造技术虚拟制造技术 随着社会的进步和人民生活水平的日益提高，传统的批量、大规模的、长周期的生产模式正面临着多样化、个性化需求的挑战，全球制造业之间的竞争越来越激烈。为了赢得市场机遇，企业如何能做到以最短的上市时间(Time)、最优的质量(Quality)、最低的成本(Cost)、最佳的售后服务(Service)，即“TQCS”，去赢得用户、响应市场需求， 是关系到企业生存和发展的关键。 虚拟制造正是在这样一种需求下，以企业或产品的柔性、快速响应市场,以及一次制造成功为标志，以虚拟现实技术为其基础而提出的，其研究和发展得到人们的极大重视，将为制造业带来革命性的影响。虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology，or VMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真16,17。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。 虚拟制造技术按其功能可划分为： （1）产品的虚拟设计技术。面向产品的原理、结构和性能的设计、分析、模拟和评测，以优化产品本身的性能、成本为目标。 （2）产品的虚拟制造技术。面向产品制造过程模拟、检验和优化，检验产品的可制造性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺过程、保证产品的制 28造质量、制造周期和最低的制造成本为目标。 虚拟制造系统着重于生产过程的规划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模、 仿真与优化， 如虚拟企业、 虚拟研发中心等。 虚拟制造技术是CADCAECAMCAPP和仿真技术的更高阶段。利用虚拟现实技术、仿真技术等在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境， 人们的视觉、触觉和听觉都与实际环境接近。人们在这样环境中进行产品的开发，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，大大提高产品开发的质量和缩短开发周期。 虚拟制造技术虽然于80年代才刚刚提出来的，但随着计算机技术的迅速发展，得到人们的极大重视而获得迅速发展。我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的CADCAECAM和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。 5.2 定向控制机构零件三维造型实例定向控制机构零件三维造型实例 三维零件的造型实现是通过对零件的各种三维特征的描述的综合的过程。Solidworks是一款功能完善的三维工程设计软件，在提高设计精度和开发效率方面具有广泛应用， 本次设计采用该软件进行了三维建模， 建立零件模型的工作量很大，建模过程也各不相同，限于篇幅这里不一一介绍了，下面是我对主要零件建模后零件实体的展示。 29 图 5.1 定向机构箱体 图 5.2 联轴器 30 图 5.3 定向轴 图 5.4 弹簧 31 图 5.5 定向套 图 5.6 压杆 5.3 零件的装配零件的装配 5.3.1 装配体工具部分功能简介装配体工具部分功能简介 本次的设计我所使用的工具软件版本是Solidworks2006。 32Solidworks2006装配体中的特征管理器设计树如图5.7： 图 5.7 特征管理器设计树 装配特征管理器设计树用于显示装配体中的相关项目的名称、显示装配体的层次关系或特征细节，提供了有关该零部件与其他零部件关系的信息，并且可以再次选择零部件或特征等。装配体中的特征管理器设计树规则如下： （1）根据使用情况显示以下项目的名称： 名称：显示的是顶层装配体的名称。 注解：注解文件夹。右键单击注解文件夹，可以控制尺寸和注解的显示。 设计活页夹：设计日志文件夹。 光源：光源文件夹。可以调整模型的上色视图中光线的方向、强度和颜色，可以添加各种类型的光源，然后根据需要修改其特征以照射模型。 方程式：方程式文件夹用右键单击方程式文件夹并选择所需操作，可以添加新的方程式，或者编辑或删除方程式（将第一个方程式添加到零件或装配体时，方 33程式文件夹出现）。 实体：实体文件夹。观阅文件在实体文件夹中所包含的所有实体。 曲面实体：曲面实体文件夹观阅文件在曲面实体文件夹所包含的所有曲面实体。 前视基准面：装配体的前视基准面。 上视基准面：装配体的上视基准面。 右视基准面：装配体的右视基准面。 原点：装配体的原点。 ：装配体的单个零件。 ：装配体或子装配体。 配合：配合组与配合关系。 装配体特征（切除或孔），零部件阵列等。 （2）在特征管理器设计树中，单击项目名称右侧的，或者双击该项目名称，可以展开或折叠该项目以查看其中包含的内容（例如草图）。 （3）如果所作更改要求重建零件，则特征之前显示重建模型符号。 （4）特征管理器设计树中一般包含如下零部件图表： 还原：零部件完全装入内存中，其所有特征和配合都可以编。 轻化：在轻化零件的图标上重叠出现一根羽毛。 压缩：一个灰色图标表示在激活的配置中没有使用此零部件。 34隐藏：一个透明图标表示零部件为激活状态但不可见。 隐藏轻化：透明零部件上的一透明羽毛表示零部件为轻化并隐藏。 隐藏、过时及轻化：上有一红色羽毛的透明图标表示零部件为隐藏，过时并轻化。 （5）零部件名称的前缀。提供该零部件与其他零部件关系的信息，包含以下前缀： （固定）：表示该零部件的位置已固定。 （）：表示该零部件的位置欠定义。 （）：表示该零部件的位置过定义。 （？）：表示该零部件的位置无解。 没有前缀：表示该零部件的位置已完全定义。 （6）零部件名称的后缀nN表示在装配体中多次使用该零部件的数目。 （7）在装配体中，配合名称前面显示的符号含义定义如下： （）：表示配合关系牵涉到过定义零部件的位置。 （？）：表示配合无法解出。 ：装配体配合如果有其所有参考，则在配合前显示该图标。 （8）外部参考引用状态显示： 如果零件或特征具有外部参考引用，则去名称之后跟有。 任何具有外部参考引用的特征名称后也跟有。 如果外部参考引用不在当前的关联中，则特征名称和零件名称之后跟有 35？。 后缀*表示该参考引用被锁定。 后缀x表示该参考引用被中断。 其装配体工具栏如下： 图 5.8 装配体工具栏 其具体作用依次是： 插入零部件：添加插入需要装配的零部件。当一个零部件（单个零件或子装配体）被放入装配体时，这个零部件文件会与装配体文件链接。零部件出现在装配体中，但零部件的数据还保持在源零部件的文件中，且对零部件文件所进行的任何改变都会更新装配体。 显示/隐藏零部件：显示或隐藏零部件在装配体中的状态改变压缩状态。 编辑零部件：可在装配体文件中对零部件的特征进行编辑。 无外部参考。 配合：零部件与装配体、零部件与零部件间的配合关系。 移动零部件：可以在配合关系允许的自由度范围内移动所选定的零部件，以便大致确定零部件的位置。一个位置已经固定或完全定义的零部件是不能移动的。 旋转零部件：可以在配合关系允许的自由度范围内旋转所选定的零部件，但 36不能旋转一个位置已经固定或完全定义的零部件。 智能扣件：可以自动建立某些类型的配合关系。 爆炸视图：装配体的爆炸视图可以将装配体中的零部件分离显示，用于指导装配， 便于形象地分析零部件之间的相互关系。 在Solidworks2006系统爆炸装配体后，可以对装配体爆炸视图进行编辑、解除、显示、删除等操作。装配体爆炸后，不能再给装配体添加配合。另外，必须完全还原装配体中所包含的全部轻化零件后，才可以爆炸该装配体。 其他内容包括爆炸直线草图，干涉检查，特征，模拟等。 5.3.2 子装配体的展示子装配体的展示 图 5.9 轴承端盖部分 37 图 5.10 压杆部分 图 5.11 轴部分 38 图 5.12 电机端盖部分 图 5.13 定向轴部分 395.3.3 总装配体的展示总装配体的展示 图 5.14 定向机构 5.3.4 总装配体爆炸视图的展示总装配体爆炸视图的展示 图 5.15 定向机构爆炸视图 405.4 轴的校核轴的校核 5.4.1 有限元分析插件简介有限元分析插件简介 COSMOSWorks是一个内置于SolidWorks 3D 建模软件中的点击式应力分析插件，可帮助设计者确定SolidWorks设计的工作情况。即使以前没有虚拟仿真经验，COSMOSWorks也可以逐步指导完成整个设计分析过程。 COSMOSWorks提供的设计检验和验证功能已经能够满足我们的需求。COSMOSWorks适用于对简单零件进行应力、位移、应变、变形分析，而且可以在这些零件上模拟从SolidWorks物理模拟获得的力、压力和运动载荷的效果。一旦获得应力分析结果后，我们还可以使用COSMOSWorks生成报告，以便将