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自动制钉机设计计划书1 设计题目要求1.1工作原理及工艺动作过程 制造木工用大大小小的铁钉是将一卷直径与铁钉直径相等的低碳钢丝通过下列工艺动作来完成的：（1） 较直钢丝，并按节拍要求间歇地输送到装夹工位；（2） 冷镦钉帽，在此前需夹紧钢丝；（3） 冷挤钉尖；（4） 剪断钢丝；（5） 夹丝装置释放，重新输送钢丝。 1.2原始数据和设计要求（1） 铁钉直径1.63.4mm；（2） 铁钉长度2580mm；（3） 生产率360枚/min；（4） 最大冷镦力3000N，最大剪断力2500N；（5） 冷镦滑块质量8kg，其他构件质量和转动惯量不计；（6） 要求结构紧凑、传动性能优良、噪声尽量小。2 机械系统运动方案的拟定与选择2.1 方案的拟定2.1.1 方案一2.1.1.1机构运动简介如图1所示为方案一的传动示意图，表1列出了方案一的各个机构选择。本方案中的曲柄滑块机构经过计算按照预定的运动规律进行运动，即在曲柄滑块机构下方的推块接触钢丝的时候，推块的运动轨迹为水平线，实现间歇送丝的目的。剪断机构、压紧机构和冷镦钉帽机构均选择了凸轮机构。整个运动过程是：送料机构先送丝到位，接着压紧机构压紧钢丝，然后冷镦钉帽机构进行镦头，最后剪断机构剪断钢丝。图1 方案一传动示意图2.1.1.2 优缺点分析方案一很明显的优点是机构选择简单，凸轮机构很容易实现预定的运动规律，其中三个功能机构均选择了凸轮机构，这样在设计过程中可以一起进行设计，大大减少了设计工作量。该方案的缺点主要有以下方面，用铰链四杆机构作为送丝机构，这样对于送丝的最大长度有限制性，很难在控制机构所占空间不大的前提下，实现大距离的送丝，表1 方案一各机构选择功能机构名称机械机构选择送丝矫直机构曲柄滑块机构剪断机构凸轮推杆机构压紧机构凸轮推杆机构冷镦钉帽机构凸轮推杆机构传动机构齿轮传动2.1.2 方案二2.1.2.1 机构运动简介如图2 所示是方案二的传动示意图，表2列出了方案二的各个机构选择。棘轮的运动是由曲柄摇杆机构带动，由于摇杆的来回摆动使得棘轮间歇运动，从而达到间歇送丝的目的，并且通过棘轮与其他三个小轮的配合，实现矫直的目的。送丝到位之后，凸轮推杆机构运动使压块压紧钢丝。钢丝被压紧之后，镦头机构运动实现镦头过程。镦头完成后，由曲柄滑块机构带动刀具剪切钢丝。剪断之后，压紧机构松开，完成一个钉子的加工过程，循环运行，实现连续加工。2.1.2.2优缺点分析本方案的选择主要有以下优点：通过棘轮送丝，可以配合使用棘轮罩，实现送丝长度的调整。送丝长度和刀具位置同时进行调整，可以实现不同长度钉子的加工。缺点主要是：虽然实现了一定程度上，加工钉子长度的调整，但是，由于棘轮的调整是齿数的整数倍调整，只能实现离散数据的调节，不能够实现连续长度的调节。并且在调节钉子长度的时候要通过调整棘轮送丝和刀具位置两项才能实现，而且两者的调节有一定的关联性，要按一定比例进行调节，调节不方便。表2 方案二各机构选择功能机构名称机械机构选择送丝矫直机构棘轮机构剪断机构曲柄滑块机构压紧机构凸轮推杆机构冷镦钉帽机构曲柄滑块机构传动机构带传动图2 方案二传动示意图2.1.3 方案三2.1.3.1 机构运动简介如图3所示是方案三的传动示意图，表3列出了方案三的各个机构的选择。在方案三中，从定力矩扳手中受到启发，根据定力矩扳手的原理进行改造设计，并且与槽轮结合，组合成为方案三中的送丝矫直机构。槽轮实现了间歇送丝的目的，在本方案中槽轮有6个槽，槽轮转一圈，送丝6次，槽轮每转过一个槽时，与之相配合的依据定力矩扳手原理改造的送丝轮转一圈，送丝轮的周长是本制钉机所能够加工的最长钉子长度加8mm(镦头损失)，在本设计中，送丝轮的长度为88mm，即每次可以送丝88mm。冷镦钉帽机构的镦头在送丝过程中距离压紧机构右端面8mm，每次送丝到镦头之后，由于镦头的阻挡，丝不能够继续送，此时送丝轮由于应用了定力矩扳手的原理，送丝轮的外轮由于受力将不再转动。送丝轮的内轮，由于弹簧被压缩，圆柱销进入内轮，内轮可以继续转动，直到转了一整圈为止，从而实现自动调节实际送丝长度。并且通过送丝轮与其他三个小轮的配合使用，实现矫直的目的。送丝到位之后压紧机构将运动使钢丝被压紧，并且由于压头上有花纹，钉子靠近钉头的地方也会被压出花纹，也就是目前市场上钉子的形状。压紧之后，镦头机构运动，进行镦头，之后剪断机构将运动，通过刀具剪出四棱锥形的钉尖，同时剪断钢丝。剪断之后，出钉机构运动，将加工好的钉子运到制钉机之外，并且被运出去的钉子都是朝着同一方向，节省了排钉的工序，提高了工作效率。出钉机构使用不完全齿轮实现间歇运动。2.1.3.2优缺点分析方案三的最大优点是可以轻松的实现不同长度钉子的加工，在调整加工钉子的长度的时候，只需要改变剪断机构的位置即可，而不需要调节送料机构。并且该方案加上了出钉机构，使得加工好的钉子直接就排列整齐，节省了排钉的工序，节省了加工成本，提高了加工效率。该方案的缺点主要是：所用机构比较多，加工生产该机器的成本略高。表3 方案三各机构选择功能机构名称机械机构选择送丝矫直机构槽轮机构剪断机构曲柄滑块机构压紧机构凸轮推杆机构冷镦钉帽机构凸轮推杆机构传动机构齿轮传动出钉机构不完全齿轮机构图3 方案三传动示意图2.2方案的选择经过组内激烈的讨论和与老师交流意见，综合比较三个方案，分析各个方案的优缺点，我们最终确定方案三为我们设计的最终方案。当今社会是一个快速发展的社会，效率和柔性制造已经变得越来越重要。方案三的设计完全满足这两方面的要求，加上出钉机构，可以节省排钉工序，大大提高了效率。槽轮机构和借鉴定力矩扳手原理的送丝机构相结合使用，完美的实现了送丝长度的连续可调节性，并且调节加工钉子长度的步骤十分简单，很容易实现。可轻松调节加工钉子长度的柔性生产，必定能够适应社会高速发展的要求。与该方案的优点相比较，其成本适当高的缺点已经显得不太重要了，这是难以避免的，也是大家可以接受的。3 运动循环图根据方案三的加工过程，首先确定该方案的运动循环图，如图4所示。图4 运动循环图4 原动机的选择该方案设计的原动件采用集中驱动，根据题目要求生产率为360枚/min，为了实现该要求，则各个功能机构的构件的转速如表4所示。表4 各功能机构相关构件的转速功能机构名称相关构件的转速送丝矫直机构送丝轮：6r/s；槽轮:1r/s；槽轮主动拨盘：6r/s剪断机构曲柄：6r/s压紧机构凸轮6r/s冷镦钉帽机构凸轮6r/s出钉机构出钉轮1r/s；不完全齿轮6r/s图5 Y250M-8交流电机由表4可以看出，在该方案中，最大转速360r/s。而目前市场的一般电机的转速如下：一般电机的转速：2级电机 3000转，4级电机 1500转，6级电机 1000转，8级电机 750转，10级电机 600转，16级电机 500转。根据各级数电机的转速，选择8级电机，并且经过一定速比的减速箱进行减速，使得减速箱输出的转速为360r/min，然后再经过齿轮传动，传到各个功能机构，使各个机构以需要的转速转动，达到正常工作。根据以上分析初步选定Y250M-8，该型号电机额定功率为30kw，转速为730r/min。该电机如图5所示。5 各执行机构的设计5.1 基础机构设计 设计制钉机的各个执行机构的尺寸，首先要对各个功能机构进行尺寸设计，设计尺寸实现各功能机构实现预定的运动规律。5.1.1 送丝矫直机构的设计5.1.1.1 送丝矫直机构的基本尺寸设计对于送丝矫直机构，拟采用槽轮（如图6）和应用定力矩扳手原理的送丝轮（如图7），保证每次的送料长度，同时，为了较好的控制以及准确的送料，我们将采用槽轮机构来间歇控制定力矩扳手轮的传动，以最大指定长度为基准，将送丝轮的周长定为最长制钉长度加镦头损失长度共88mm，根据要求 ，每分钟360枚，那么每秒钟需要6枚。于是，一秒钟扳手轮转六圈，六个周期，据此设计槽轮机构。根据运动特点和生产需要，选用外槽轮机构。为了尽量减少运动时间，减少值，提高生产率，不宜采用内槽轮机构，故而采用外槽轮机构；槽轮槽数愈少，角加速度变化越大，运动平稳性越差，所以设计时槽轮的槽数不应选的太少，也不宜太多，因为在尺寸不变的情况下，槽轮的槽数受到结构强度的限制；在外槽轮机构中，当槽数z=3时，槽轮的加速度变化大，运动平稳性差，因此在设计中，大多选z=4-8。图6 槽轮机构设计图图7 送丝轮设计图我们选用槽数为6，圆柱销数为1的外槽轮机构，预计效果：主动拨盘上的圆柱销随着主动拨盘转动，每转动一圈，槽轮转动一个槽，然后再根据齿轮的传动，将运动传递给送丝轮，使得其运动一个周期 ，所以能够实现1:6的运动，齿轮传动比1:6。送丝轮设计根据最长钉子以及墩帽估计量88mm进行设计，外周长为88mm，内部有单槽转盘，其中有弹簧连接，外连一圆柱销，销径与内花纹边微拟合，内转外不转，以此来实现定力矩扳手传动送丝过程。槽轮和送丝轮靠齿轮传动，传动比1:6.5.1.1.2 送丝矫直机构的运动分析 如图8所示，在送丝矫直机构中，主动拨盘转动360，槽轮转动60。主动拨盘转动6圈，槽轮转动1圈，实现间歇送丝目的。图8 槽轮与主动拨盘转角关系图5.1.2 剪断机构的设计5.1.2.1 剪断机构的基本尺寸设计考虑到题目中的设计要求，加工钉子的直径为1.63.4mm，所以切断机构刀具的行程不宜过大，设计其行程为30mm，由于选择的机构为偏距e=0的曲柄滑块机构，则曲柄的长度理论上为行程的一半，即15mm。考虑制钉机的高度问题和刀具的运动情况，设计连杆的长度为200mm。如图9所示为剪断机构的运动简图。 图9 剪断机构的运动简图5.1.2.2 剪断机构的运动分析通过VB软件对该机构进行数据分析，如图10为剪断机构的运动分析结果，从该结果中可以看出，该曲柄滑块机构在整个运动过程中最小传动角为85.69876，由此可知在整个传动过程中，传动角已经很大，传力效果很好。剪断机构的位移曲线如图11所示，剪断机构的速度曲线如图12所示，剪断机构的加速度曲线如图13所示。图10 剪断机构的运动分析图11 剪断机构的位移曲线图12 剪断机构的速度曲线图13 剪断机构的加速度曲线5.1.3 压紧机构的设计5.1.3.1 压紧机构的基本尺寸设计压紧机构的机械机构选择是凸轮推杆机构，该机构的设计主要是对凸轮进行设计，凸轮的设计是根据所需要实现的运动规律来设计的。由于该机构是用来压紧钢丝的，所需要的力比较大，并且运动速度为360r/min,转速也比较高，如表5比较几种从动件运动规律的冲击特性和适合场所，我们最终采用5次多项式运动规律。压紧机构在整个运动循环中要求：在送丝到位之后开始压紧钢丝，直到剪断机构剪断钢丝之后，压紧机构松开钢丝，出钉机构将加工好的钉子运送出去，一个加工周期结束。根据此要求设计压紧机构凸轮的推程角为0=100，远休角为01=160，回程角为0=100,近休角为02=0。并且结合加工钉子的直径和长度，设定压紧机构凸轮的行程为h=20mm，基圆半径为r0=75mm，滚子半径为rr=20mm。且已知凸轮转速为=6r/s。表5 从动件常用运动规律特性比较及使用场合运动规律冲击特性适合场所等速刚性低速中载等加等减柔性中速轻载余弦柔性中速中载正弦无高速轻载5次多项式无高速中载对于5次多项式运动规律的位移s，速度v，加速度a的计算公式如下：34500023410000232120000101563026032shhvhaddddddwdddddddwddddddd=-+=-+=-+推程过程中，00：回程过程中，考虑凸轮的转动方向和从动件的偏置方向的影响，凸轮理论廓线上任一点的坐标为：若凸轮逆时针转动M=+1,凸轮顺时针转动M=-1。在本方案设计中，凸轮逆时针转动，表示转角，并且偏距e=0，则s0=r0,所以该凸轮理论廓线上任一点的坐标为：x=( r0+s)siny=( r0+s)cos考虑凸轮的转动方向的影响，凸轮实际廓线上任一点的坐标修正为:在该公式中，若凸轮逆时针转动M=+1,凸轮顺时针转动M=-1。且上面的一组“”和“”表示外包络廓线；下面的一组“”和“”表示内包络廓线。本设计中凸轮逆时针转动，则实际内包络廓线上任一点的坐标为：实际外包络廓线上任一点的坐标为：根据以上设计数据和计算公式可以做出excel表格如表6所示。由excel可作出凸轮的理论廓线如图14所示。图14 压紧机构凸轮的理论廓线表6 压紧凸轮设计数据5.1.3.2 压紧机构的运动分析根据excel表格做出的压紧机构的设计数据，可以做出在运动过程中，压块的位移曲线如图15所示，速度曲线如图16所示，加速度曲线如图17所示。图15 压紧机构压块的位移曲线图16 压紧机构压块的速度曲线图17 压紧机构压块的加速度曲线通过VB软件对压紧机构进行数据分析，如图18所示。由分析结果可以看出在整个运动过程中，最大压力角为14.268。由压力角和传动角互余可以知道在整个运动过程中，最小传动角为75.732，也就说，该方案设计的传力效果非常好！图18 VB软件对压紧机构运动参数压力角的分析结果5.1.4 冷镦钉帽机构的设计5.1.4.1 冷镦钉帽机构的基本尺寸设计冷镦钉帽机构的设计需要考虑到送丝机构的可调节性，为了配合送丝机构使用，要求冷镦钉帽机构在送丝的过程中，墩头一直处于距离压紧机构8mm处。当送丝到位，并且压紧机构压紧钢丝之后，冷镦机构开始运动，进行镦头，镦头结束之后，回到初始位置。根据冷镦钉帽的运动要求，使用凸轮机构，很容易实现这一要求。根据表5中从动件常用运动规律特性比较及使用场合可以选择5次多项式运动规律。根据运动规律要求，并且结合实际加工尺寸，设定冷镦钉帽机构中凸轮的推程角0=50，远休角为01=50，回程角为0=50,近休角为02=210，行程为h=8mm，基圆半径为r0=75mm，滚子半径为rr=20mm，且已知凸轮转速为=6r/s。根据5次多项式的运动规律公式，可以做出冷镦钉帽机构中凸轮的各项有关数据如表7所示。由excel可作出凸轮的理论廓线如图19所示。图19 冷镦钉帽机构凸轮的理论廓线表7 冷镦钉帽机构凸轮设计数据5.1.4.2 冷镦钉帽机构的运动分析根据excel表格做出的冷镦钉帽机构的设计数据，可以做出在运动过程中，镦头的位移曲线如图20所示，速度曲线如图21所示，加速度曲线如图22所示。图20 冷镦钉帽机构的位移曲线图21 冷镦钉帽的速度曲线图22 冷镦钉帽机构的加速度曲线通过VB软件对压紧机构进行数据分析，如图23所示。由分析结果可以看出在整个运动过程中，最大压力角为12.282。由压力角和传动角互余可以知道在整个运动过程中，最小传动角为77.718，也就说，该方案设计的传力效果非常好！图23 VB软件对冷镦钉帽机构运动参数压力角的分析结果5.1.5 出钉机构的设计5.1.5.1 出钉机构的基本尺寸设计出钉机构由不完全齿轮（如图24）和旋转出钉盘（如图25）构成，旋转出钉盘的尺寸按照预想机器大小，并结合实际运动和加工情况给出，出钉盘每秒钟转动1圈，所以在上面设计6个圆弧槽，来配合压紧机构压紧以及短暂存放钉子，为了保证压紧效果，槽的尺寸按照制钉的最小直径来设计，要求最小直径为1.6mm，所以设计槽直径为1.5mm.再根据铁钉长度范围，设计一个合适的出钉盘厚度我们取8mm。对于出钉，我们应配合机器的整体运动，采用间歇运动机构，与其他间歇运动机构相比，不完全齿轮机构结构简单，主动轮转动一周时，其从动轮的停歇次数、每次停歇的时间和每次转动的角度等变化的范围大，因而设计灵活。我们的出钉机构拟采用外啮合不完全齿轮传动，根据间歇次数，不完全齿轮的从动轮需要6个锁止弧，我们设计主动轮齿数1，先根据标准齿轮进行设计，选取模数为m=2；根据国标，取分度圆压力角为标准值，=20。；根据正常齿制标准，ha*=1(齿顶高系数)，c*=0.25。我们设计总齿数为：主动轮齿数：Z1=12,;从动轮齿数：Z2=24.确定了基本参数z、m、ha*及c*的值，其主要尺寸及齿廓形状就完全确定了，计算过程如下：图24 不完全齿轮的设计尺寸图图25 出钉机构的设计尺寸表8 渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸公式表名称计算公式分度圆直径主动轮d1=m*z1=24，从动轮d2=m*z2=48基圆直径db1=m*z1*cos=22.6，db2=m*z2*cos=45.1齿顶高主动轮ha=ha*m=2，从动轮ha=ha*m=2齿根高主动轮 hf=(ha*+c*)*m=2.5，从动轮hf=(ha*+c*)*m=2.5齿顶圆直径主动轮da1=d1+2ha=m(z1+2ha*)=28从动轮da2=d2+2ha=m(z2+2ha*)=52齿根圆直径主动轮df1=d1-2hf=m(z1-2ha*-2c*)=19从动轮df2=d2-2hf=m(z2-2ha*-2c*)=43分度圆齿距主动轮=从动轮：p=*m=2分度圆齿厚主动轮=从动轮：s=*m=基圆齿距主动轮=从动轮：pb=*m*cos=1.9中心距a=m(z2+z1)=36根据标准齿轮设计之后，按照制钉机设计要求，将其改造成不完全齿轮，首先，主动轮齿数z=3,从动轮则每两个齿做成一个锁止弧，剩下有两个齿与主动轮配合传动，主动轮齿数z1，在设计时候，首末齿的齿顶高都有降低。5.1.5.2 出钉机构的运动分析如图26所示，出钉轮与不完全齿轮的的转角关系为：不完全齿轮转360，出钉轮转动60，达到间歇出钉目的。图26 出钉轮与不完全齿轮的的转角关系图5.2 方案综合尺寸 根据各个机构的设计尺寸，并结合加工钉子的长度，进行综合尺寸的设计，如图27所示。图27 方案综合尺寸6 传动机构的设计根据所选电机的转速为730r/min，经过一定速比的减速器，使减速器输出的转速为360r/min，选用模数为2的齿轮。可直接用带轮传动到槽轮的主动拨盘和墩头凸轮的转轴，使得槽轮的主动拨盘和墩头凸轮转速为360r/min，达到生产要求。同样，剪断机构的曲柄、压紧机构的凸轮、冷镦钉帽的凸轮以及出钉机构的不完全齿轮转速均为360r/min，转动方向如图28所示。图28 各机构转动方向示意图下面设计如何把各个机构的运动用齿轮传动系统连接起来，如图29所示。图29 整体传动机构示意图由于各机构的转速均相同，所以z1=z2=z3,z4=z5,z6=z8=z9。这样各机构之间的传动比都是1:1。具体齿数设计：下刀具驱动的轴与槽轮驱动的轴之间距离是200mm。则d1=d2=d3=100mm，m=2 ,z=d/m。m1=m2=m3=50。出钉机构的轴向运动与其它的轴向运动垂直，z3p,、z4、z4p、z5可以适当设计为：z3p=100,z4=100,z4p=50,z5=50。上刀具驱动轴与压紧凸轮轴之间的距离为100mm,则d9=100，z9=d9/m=50，z6=z8=z9=50。压紧凸轮轴与墩头凸轮轴间距是370mm，d7=370-d9=270， z7=d7/m=135。7 飞轮的设计飞轮应该安装在转速最高的轴上，在本方案设计中，电机的转速最高，所以讲将飞轮安装在电动机上。由已知条件可以知道最大冷镦力3000N，最大剪断力2500N，冷镦滑块质量8kg，其他构件质量和转动惯量不计。并且在设计冷镦钉帽机构的凸轮时，已经得到了冷镦滑块的加速度曲线，根据F=m*a，可以得到冷镦滑块的受力F的曲线如图30所示，根据冷镦钉帽机构凸轮的运动VB分析知，在运动过程中，最大压力角为=12.282，取其为13，如图31所示，压力角为运动方向和受力方向的夹角，这推杆的受力Ft =F/cos。由于冷镦机构凸轮的行程较小，可以将此凸轮简化为半径为75mm的基圆，则推杆受力的力臂r=75*sin,取r=17mm，则等效阻抗力矩Mr=Ft *r的变化曲线如图32所示。图30 冷镦滑块的受力曲线由于所选电机为Y250M-8，该型号电机额定功率为30kw，转速为730r/min。则由P=Md*,其中P=30kw，=730r/min,由此可以求出Md=0.393kN*m。如图33所示可以做出Md-Mr的图形变化曲线，由图可知最大盈功为12003.58488N*m,最大亏功为-12002.74888N*m，则可近似取最大盈亏功Wmax=24kN*m。图31 冷镦钉帽机构受力关系简化图图32 等效阻抗力矩变化曲线图33 Md-Mr图形变化设计确定=1/50， ，=730r/min=76.4rad/s。计算得JF=0.2056kg*m2。飞轮的转动惯量：，其中，mA为轮缘的质量：mA=DHb，为材料的密度（kg/m3)：，材料选铸铁=7000kg/m3。设计D=0.4m ,H/b=1。则计算得mA=5.14kg，H=b=24mm。飞轮形状如图34所示。图34 飞轮形状及尺寸图8 其他细节机构的设计经过查阅资料和对市场上产品的调查，加工成型的钉子形状应如图35所示。该钉子的顶尖为四棱锥形，钉帽的附近还有压头压出的花纹。图35 加工成型的钉子形状8.1 钉尖成型的设计为了使钉子的顶尖加工成四棱锥形，我们查阅了大量资料，并且与老师进行了讨论，虽然确定了一定的解决方案，但是总存在一定的缺陷，最终我们决定实际调研考察。经过网上查询和打电话预约，最后我们联系到了北京中机科通公司，并且得到了对方的允许，于2012年6月26日下午来到该公司的厂区进行实地考察，并找到了完美的答案。图36 新型713制钉机的剪断机构刀具如图36所示是我们实际考察该公司时，拍下的该公司的新型713制钉机的剪断机构的刀具，其三维模拟图如图37所示。由该刀具的形状可以很容易明白钉头的加工过程。在加工过程中，由两个刀头夹住钢丝，使钢丝被两个刀头中间的两个刀刃切去多余的钢料，自然的加工成四棱锥形。该设计的特别之处在于，中间两刀刃两边还有两个槽，这两个槽的作用是使切除的钢料从中滑落出去，以免影响刀具的正常工作。不仅如此，连个槽之外还有两个三角形状的凸台，该凸台的高度与刀刃高度相同，这两个凸台的作用是承受压力，保护刀刃的。这样的几个方面相结合，完美的解决了加工四棱锥钉头的问题。图37 新型713制钉机的剪断机构刀具的三维模型图8.2 压紧机构的设计压紧机构的设计主要需要考虑压紧力的作用，但是考虑到实际应用中，需要在钉帽的附近压出花纹，以此来增大使用钉子时夹稳钉子所需要的摩擦力。所以设计压紧机构的压头和与之配合使用的出钉机构上有明显的花纹，一方面可以压出所需要的花纹，另一方面也可以增加墩头过程中的稳定性。9 心得体会通过本次的课程设计，我们真正的将所学的知识运用到了实践中去，真正的掌握了