全自动制钉机工程设计书.doc

全自动制钉机工程设计书1. 简介钢钉是用途极为广泛的建筑五金制品。在当今的建筑行业中，需要大量的钢钉作为劳动的工具，一栋中等规模的建筑物，所需要的钢钉的数量可以千万计，所以高效、合理、廉价地生产出钢钉是十分有必要的。正因为这些要求，制钉机的设计必须整体结构紧凑，科学合理，性能稳定，操作简单简便利，能够实现自动化生产。我们设计的全自动制钉机主要采用低碳钢丝作为原料，通过拉直，冷镦，冷挤等工序来生产我们日常生活中的所用钢钉，具有原材料成本低廉，容易取得、来源广泛，投资较少等优点。2. 功能分解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）校直钢丝，并按节拍要求间歇地输送到装夹工位。2）夹紧钢丝。3）冷镦钉帽。4）冷挤钉尖。5）剪断钢丝。6）夹紧机构松开，回复，成品钢钉落下，一个工艺循环完成。3原始数据及计算3.1 原始数据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。3.2 计算1）假设钢钉的直径为2mm，钢钉的长度为60mm。图22）生产率为360枚/min，即为1/6 s/枚。也就是说生产周期为1/6秒。要求原动件所固连轴的转速为12rad/s。对于冷镦机构（见图1）我们设定正行程为1/3个周期也就是1/18 s，而冷镦机构仅将钢丝末端大约1.5mm长的钢丝（见图2）冷镦为钉帽，而行程总长为25mm，经计算，开始冷镦时=126，冷镦钉帽的时间只占了大约1/5的时间，由于保证压力角最小设计，压力角近似于零，故冷镦时的速度近似（滑块速度与运动副速度近似相等）为，将=126带入，得冷镦时滑块的速度为0.57m/s. 3）由于冷镦力为3000N，冷镦时速度为0.57m/s，可得冷镦时所需最小功率大约为1.71KW。r图14. 方案的设计思路全自动制钉机分校直钢丝，并按节拍要求间歇地输送到装夹工位，夹紧钢丝，冷镦钉帽，冷挤钉尖，剪断钢丝，五个工序，经我们小组四人的讨论，决定先单独地考虑五个工序，每个工序分别准备多套方案，然后进行方案的优劣分析，最后进行整合。5执行机构的选型及评价以及设计步骤5.1 校直钢丝，间歇输送图3对于校直钢丝我们一致认为只需要多个成对称位置排列的摩擦轮即可实现（如图3）。而为了保证校直的效果，我们在送料前，送料后，都设置了摩擦轮校直，并且为了防止剪切时使钢丝弯曲，我们在剪切后也设置了摩擦轮校直。而对于间歇送料机构则有3种选择，它们分别是摩擦轮机构：结构简单，为了可靠的输送需要加轴向的压紧力。槽轮机构：结构简单，啮合过程加速度较大，运动不够平稳，高速时有较大冲击。棘轮机构：结构简单，制造方便运动可靠，但齿尖容易磨损，并产生噪声。棘爪和棘轮轮齿之间有空程和冲击，不宜用在高速场合。图4经过讨论，我们选择了转动摩擦轮机构（如图4），因为我们认为对于钢丝的间歇传送只需要转动摩擦轮就满足要求了，机构简单实用，轴向的压紧力可以由封闭的机架来提供。而槽轮摩擦轮机构相比而言，结构略为复杂，机构运作时会有柔性冲击，并且在槽内会有摩擦产生。在长时间的，循环的运动下，机构寿命不会很长。棘轮机构结构复杂，最重要的一点，对于钢丝，很难在钢丝上安装棘爪而达到步进的目的。由于我们处理的钉子长度为60mm，0-60为送料阶段，r=60，r=57.32，由于摩擦轮间要夹着钢丝，取半径为57mm，与摩擦轮固连齿轮齿数z=30。5.2 夹紧钢丝对于夹紧钢丝的执行机构，我们认为可以使用凸轮来实现，利用凸轮的上休止程来夹紧钢丝。在讨论的过程中，我们发现，如果直接利用凸轮的停歇段进行夹紧的话，在夹紧时，凸轮会受到很大的反力作用，增大从动轮与凸轮的摩擦，同时长时间交变的反力也会容易使凸轮和从动轮较早地疲劳破坏。具体计算如下：无润滑下钢对钢的摩擦系数为0.15，冷镦时冷镦力为3000N，这就是说需要摩擦力3000N，即需要压力为20KN，是很大的力。图6图5因此，我们开始着手寻找一种对凸轮负担小的机构，最好在夹紧时凸轮尽可能少或者不受力。连杆式快速夹具给了我们灵感。连杆式快速夹具是利用死点位置来夹紧工件的。如图5所示，在连杆2的手柄处施以压力F将工件夹紧后，连杆BC与连架CD成一条直线，撤去外力F之后，在工件反弹力T作用下，从动件3处于死点位置。即使此时反弹力很大，也不会使工件松脱。但是此装置有一缺点，就是死点位置难以保证，后来，经过讨论和计算，发现设计时只要保证在压紧时BC,CD呈直线或近似直线时，BC与CD夹角极小，轴法平面上的分力很小，再加上还有省力杠杆的作用，即使死点位置没有达到，凸轮所受的力也是很小的。因此我们决定使用这一机构。最后机构如图6。5.3 冷镦钉帽图7对于冷镦钉帽的执行机构，我们本想利用有偏心距的曲柄滑块机构，能够产生急回运动特性，从而提高生产效率（如图7）。经过讨论，我们考虑到冷镦钉帽需要的力至少为3000N，对于这相对来说较大的力，普通的曲柄滑块机构可能无法无法达到要求。因此，我们考虑在普通的曲柄滑块机构上装上一个类似杠杆的装置。将原方案中的曲柄滑块机构替换为增力机构。既可以增力，又有急回特性。后来我们受牛头刨床机构的启发，最终把冷镦机构设计为如图8所示的机构。图8在确定这个机构的时候，我们着手解决两个问题，一是机架位置的确定，二是曲柄长度的确定。对于机架位置的确定，我们是按照保证在冷镦过程中压力角尽可能的小来设计确定的，具体计算过程如下：图9要使压力角最小，则必须保证滑块的轨迹所在直线AC在到圆弧顶端与圆弧两端的距离相等，如图9所示，x=BC=BC。ABC与ABC全等，AC=AC，由于AA=25mm，所以CC=25mm，由勾股定理，（25-2x）+12.5=25，解得x=1.67mm，所以，机架应在导路下23.33mm处。对于曲柄长度的确定，经计算冷镦滑块的速度v=，与曲柄的长度无关，由于曲柄长度与冷镦滑块速度无关，因此曲柄的长度只需考虑结构紧凑这一条件，经讨论，我们决定以50mm作为曲柄长度，并把冷镦结构的尺寸作为其他执行机构的基准。使用MATLAB软件处理得冷镦滑块运动参数曲线图：速度与转角曲线：加速度与转角曲线：5.4 冷挤钉尖方案一：一开始我们计划冷挤与剪断由一个机构来完成，这样一来，不仅可简化设计，节省零件，减轻重量，还可提高机构的利用率，因此，可于冷挤模具末端加工一处突起部分，在冷挤钉尖的同时进行剪断工作（如图10）。图10 但经过小组讨论与分析，我们认为该突起部分在剪断前要进行挤压工作，因此，此处的磨损较其他部分要大，同时更换部件不方便，也造成未磨损部分的浪费，而且剪断难度较大，出现剪不断的情况。因而，我们决定不在冷挤钉尖的同时将其剪断。方案二：后来我们认为我们认为将冷挤结构一端固定，另一端进行挤压，机构能够得到简化，减少功率损失，但是挤出的钉尖难以达到要求，因此，我们只能用两端进行同时挤压（见图11）。图11我们认为冷挤机构采用凸轮较为方便简单。方案三：若干齿轮通过相互配合，绕过阻挡构件，达到固连的作用。但其太过繁杂，造成材料浪费，也增加了成本。（如图12） 图12图13方案二通过连杆机构作用，达到运动要求。5.5 剪断钢丝对于剪断钢丝的执行机构，我们考虑了几种方案。图14第一种方案是利用槽凸轮完成剪切运动（如图14）。该机构的最大好处是结构简单，利用凸轮能够方便的获得所需运动。但是考虑到剪切钢钉时的最大剪断力可达2500N，凸轮承受如此大的力时会产生一系列问题，如高磨损、强度、稳定性等。图15第二种方案是双四杆剪切机构（如图15）。该方案由两套完全对称的铰链四杆机构组成，剪刃能近似地做平面平行运动，使剪断面较为平直，剪切时刀刃的重叠量也容易保证。该方案的缺点是结构复杂，不易保证整套机构的紧凑性，动力性也不够好，刀刃速度不宜太快，不能满足高速生产。第三种方案是由齿轮带动的曲柄摇杆滑块机构（如图16）。该机构图16的最大特点是由齿轮带动，传动准确、平稳，效率高，工作安全可靠。最终我们选择了这个方案。对于机架位置的确定，与冷镦机构类似。如图17，将剪切的行程H定为20mm,所以刀刃连接点与机架的距离AB=20mm,经计算得刀刃导路与机架的垂直距离D=18.66mm。由于剪切力为2500N，剪切时速度为0.57m/s，可得剪切时所需最小功率大约为1.43KW。图17使用MATLAB软件处理得冷镦滑块运动参数曲线图：速度与转角的曲线：加速度与转角曲线：6. 执行机构的整合执行机构的设计完成后，接下来就是各机构之间的整合，由于机构较多，相互动作协调十分重要，所以我们尽量考虑将各执行机构的原动件固连在一个主轴上，这样不仅能使动作协调，而且能保证运行的稳定。图8如图18是各机构的运动循环简图：图18为了使原动件固连在一个主轴上，我们打算这样，将凸轮按顺序固定在主轴上，对于冷镦这个曲柄机构，我们设计用固连在主轴上的斜齿轮进行交错轴斜齿轮圆柱齿轮机构的啮合传动，改变轴的方向，从而实现与主轴共面的冷镦运动。设计简图如图19：图196.1凸轮设计从动件常用运动规律特性比较与适用场合如下表1表1运动规律冲击特性适用场合等速（直线）刚性1.00无穷无穷低速轻载等加等减速（抛物线）柔性2.004.00无穷中速轻载简谐（余弦加速度）柔性1.574.93无穷中速中载摆线（正弦加速度）无2.006.2839.5高速轻载3-4-5次多项式（五次多项式）无1.885.7760.0高速中载本机构的凸轮是主要部件，要求中速转动，并能承受一定载荷，因此我们选择简谐（余弦加速度）的运动规律。基于尺寸基准冷镦机构的尺寸，并且考虑尽可能减小电机负载，我们确定槽凸轮基圆半径为50mm推程为10mm，滚子半径为5mm。使用凸轮设计软件设计凸轮，设计图如下：6.1.1 夹紧机构：0-7070-290290-360推程远停歇程回程图20凸轮的形状与参数：（如图20）图20凸轮的位移与转角关系：（如图21） 图21凸轮的速度与转角的关系：（如图22） 图22凸轮加速度与转角关系：（如图23） 图236.1.2 冷挤机构：0-140140-200200-300300-360近停歇程推程远停歇程回程凸轮的形状与参数：（如图24）图24凸轮的位移与转角关系：（如图25） 图25凸轮的速度与转角的关系：（如图26） 图26凸轮加速度与转角关系：（如图27） 图27从上图可以看出，2个凸轮的运动规律是非常平稳的，适合于中速的，往复的，中载运动。6.1.3 齿轮设计剪切机构和冷镦机构我们使用的是同一种机构，只是在齿轮尺寸选择上有所不同。为了使机构的运动与轴共面，必须用一个转动机构改变转轴方向，因此我们想到了交错轴斜齿轮圆柱齿轮机构的啮合传动，并且将轴固连在齿轮上。齿轮参数，取，m=2，为了满足尺寸要求，主轴上的斜齿轮齿数z=20，冷镦机构的过渡齿轮齿数z=20，剪切机构的过渡齿轮z=40。其他齿轮，摩擦轮过渡齿轮齿数z=22与曲柄固连的齿轮齿数z=20。6.1.4 电机飞轮选择以及其他问题冷镦和剪切时需要最小功率为1.43+1.71=3.14KW,其他构件质量和转动惯量不记，故电机应选功率为4KW的。故选Z4-100-1系列中PN=4KW,n=2630的电机。这样一来电机齿轮与轴连齿轮齿数比为7.3：1。为了减小机器的速度波动和减小原动机的功率，为了转动平稳，需在摩擦轮，凸轮和与曲柄固连的齿轮上安装飞轮。为了使机构运动协调能够成功运作并完成工作，在装配时应该注意，当凸轮如图20，24位置串在轴上时，在初始状态应保证冷镦机构=300（为图1中，且图示方向为正），剪切机构=180。7. 机构运动简图的绘制，尺度计算7.1 经过上述设计，最终机构运动简图如图28：图287.2 尺度计算在上述执行机构的设计和机构的整合中，已经涉及到了一些的构件的尺寸，关于机械系统的尺寸，我们的设计结果如下：8. 感想第一次做课程设计的过程对我来说是一个全新的体验，从完全不知道从何着手到学会查阅资料，再到加入自己的设计思想，接着再发现问题，解决问题，仔细琢磨反复推敲，不断发现新的不足之处，不断改良，终于完成了这个全自动制钉机的设计说明书。回头看看这近两星期的设计过程，真是感慨万千。首先，课程设计是对我们所学知识的综合考验，在整个设计中，始终使我感到力不从心的是知识的捉襟见肘，所学的知识只是皮毛，真要解决实际问题就会遇到各种各样的困难，未知的知识太多，感觉肚子里没货，面对问题不知所措。比如冷镦机构，对于冷镦滑块速度的计算，由于角度都不是特殊角，反复使用正弦，余弦定理，对于小角度也不会使用近似，算了很久，也错了好多次，特别是最后快去打印时，发现先前的计算有一处近似使用错误，结果急忙改正，改了好多处，多花了好多时间。其次，课程设计考验了我们的团结合作能力，以及集体处理问题的能力。现在的我们说实话还不是很会合作办事，不是各抒己见，就是工作都是由几个人来做。这次课程设计使我们加强了团结协作的意识。一开始，我们都不知道怎么合作，一些人抱着别人