全自动制钉机的设计书(课程设计)
机械原理课程设计 题目
学 院
专业年级
学号姓名
指导教师 机电工程学院 10级机械设计制造及自动化 2010011070 靳飞
二○○九 年
六 月
机械原理课程设计任务书
专业 机械工程及自动化 学号 20070141 姓名 侯捷
全自动制钉机的设计
一、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)校直钢丝。并按节拍要求间歇地输送到装夹工位。
2)冷镦钉帽,在此前夹紧钢丝。
3)冷挤钉尖。
4)剪断钢丝。
二、原始数据及设计要求:
1)铁钉直径Φ1.6—Φ3.4mm。
2)铁钉长度25—80mm。
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。
三、设计方案提示:
1)送丝校直机构,要求使送丝与校直动作合一来考虑机构型
式。同时应附夹紧机构,在送丝时放松,其余时间夹紧。送丝校直机构可采用间歇运动机构带动摆动爪,摆动爪压紧钢丝并送丝校直。夹紧季候利用联动关系开合。
2)冷镦钉帽机构,可以采用移动或摆动式冲压机构,一般可用平面六杆机构或四杆机构,其移动、摆动的行程可在25mm左右为宜。为了减少电动机容量和机械速度波动可加飞轮。
3)冷挤和剪断机构在性能要求上与冷镦机构相同,因而采用机构也十分类似。
4)由于机构较多,相互动作协调十分重要,尽量考虑将各执行机构的原动件固连在一个主轴上。
四、设计的主要任务
1)按工艺动作要求拟定运动循环图。
2)进行送丝校直机构、冷镦钉帽机构、剪断钢丝机构的选型。
3)机械运动方案的评价和选择。
4)按选定的电动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案。
5)设计飞轮和确定电动机型号。
6)画出机械运动方案简图。
7)对传动机构和执行机构进行运动尺寸计算。
五、撰写设计说明书:
(课程设计说明书是技术说明书的一种,是对课程设计的总结。主要内容包括:(1)课程设计题目简介; (2) 功能分解;(3) 原始数据及计算;(4)机械传动系统的设计计算(简述方案设计思路
及讨论、改进); (5) 执行机构的选型及评价以及设计步骤或分析计算过程;(6) 机械运动方案简图的绘制、机械运动系统尺度计算、机构运动分析等(7) 对所设计的结果分析讨论; (8) 感想与建议。说明书用16K纸张书写,并按以下顺序装订成册:封面(按指定的统一格式)、课程设计任务书、摘要、目录、正文、参考文献。)
全自动制钉机设计说明书
摘要
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。在设计时我们采用功能分解,逐个设计提出方案,筛选方案,机构整合的方法,设计出了这个全自动制钉机机构。机构分6个部分,分别为校直,送料,压紧,冷镦,冷挤和剪切机构。校直我们使用对称摩擦轮机构,送料我们使用不完整摩擦轮送料机构,压紧我们使用凸轮和连杆式快速夹具来实现,而冷镦、剪切机构我们则使用类似于牛头刨床运动机构的平面四连杆机构,冷挤机构我们使用凸轮和对称运动机构实现。本机构结构层次分明、紧凑,运行平稳,效率高,成本低廉。
目录
1. 简介 ————————————————— 6
2. 功能分解 ——————————————— 6
3. 原始数据及计算 ———————————— 7
3.1 原始数据 —————————————————— 7
3.2 计算 ———————————————————— 7
4. 方案的设计思路 ———————————— 8
5.执行机构的选型及评价以及设计步骤 ———— 8
5.1 校直钢丝,间歇输送 ————————————— 8
5.2 夹紧钢丝 —————————————————— 9
5.3 冷镦钉帽 —————————————————— 10
5.4 冷挤钉尖 —————————————————— 14
5.5 剪断钢丝 —————————————————— 16
6. 执行机构的整合 ————————————— 19
6.1凸轮设计 —————————————————— 20
6.1.1 夹紧机构 ————————————————— 20
6.1.2 冷挤机构 ————————————————— 23
6.1.3 齿轮设计 ————————————————— 26
6.1.4电机飞轮选择 ——————————————— 26
7. 机构运动简图的绘制 ——————————— 26
8.感想 —————————————————— 29
9.参考文献 ————————————————— 30
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Φ1.6—Φ3.4mm。
2)铁钉长度25—80mm。
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。
2)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
0.3sin
54sin,将θ=126°带入,得冷镦时滑块的速度为0.57m/s. 图2
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1
4. 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
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
图3
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。
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,
图4 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,3r=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。
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
图6 图5 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
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,能够产生急回运动图7
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=B’C’。△ABC
与△A’B’C’全等,AC=A’C’,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。
0.3sin222
对于曲柄长度的确定,经计算冷镦滑块的速度v=54sin,
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:
v0.3sin
54sin
加速度与转角曲线:
a
(54sin)0.3cos0.6sincos
(54sin)54sin
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13
方案二 图12
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。
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。
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
图15 图14 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。v0.24sin
54sin。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:
v0.3sin
54sin
加速度与转角曲线:
a
(54sin)0.3cos0.6sincos
(54sin)54sin
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。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19
6.1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 等速(直线) 等加等减速(抛物线) 简谐(余弦
柔性
加速度) 摆线(正弦加速度) 3-4-5次多项式(五次多项式)
无
1.88
5.77
60.0
高速中载
无
2.00
6.28
39.5
高速轻载
1.57
4.93
无穷
中速中载
柔性
2.00
4.00
无穷
中速轻载
冲击特性 刚性
h/vmax /
1.00
h/ amax /
2
2
jmax / h/
33
无穷
适用场合 低速轻载
无穷
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:
20
图20
凸轮的位移与转角关系:(如图21)
2o
51cos 07012600
s
10 70290
o
o
2
51cos290
12600
o
290
o
70
o
图21
21
凸轮的速度与转角的关系:(如图22)
67
2
2
070sin12600
70 290
o
v
67
2
2
sin29012600
290 360
凸轮加速度与转角关系:(如图23)
2
070 cos24512600
36
4
图22
a
36
4
70290
2
cos24512600
290 290360
22
6.1.2 冷挤机构:
凸轮的形状与参数:(如图24)
图23
凸轮的位移与转角关系:(如图25)
23
图24
0 0140
o
s
2
51cos10800
140140200
o
o
10 2
30051cos
10800
o
200300
o
300
o
360
o
图25
凸轮的速度与转角的关系:(如图26)
2
0 0140
v2
sin10800
2
140140200
200300
2
sin300
10800
o
300 360
24
图26 凸轮加速度与转角关系:(如图27)
0 2
cos108005
0140
4
a
140 140200
200300
0 2
cos510800
4
300 300360
图27
25
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90o,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:
26
图28
7.2 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:
27
28
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,一些人抱着别人做事我拿成果的思想,又有一些人正好相反,不喜欢别人插手,想完全按自己的思路,事事包办。我属于后者,后来,我尝试着组织了几次讨论,分了下工,发现每个人的想法中都有我想不到的地方,每个人都很好的完成了任务。现在,我学会了相信别人,向别人学习,这点也是我最受益的一点。
29
接着,课程设计需要我们活用工具,活学工具,学会找工具。其中工具就是指各式各样的辅助软件,它们是别人智慧的结晶,学会使用它们能节省非常多的工作量。像凸轮的描绘和参数的体现,非常繁杂的计算仅用一个400K的小软件就完全解决问题了。我对描绘位移,速度加速度曲线很头疼,不知道怎么办,后来从同学那得知,MATLAB中可以实现曲线的绘制,而且使用简单方便,一下子就解决了我的困难。
课程设计还给了很多平时无法体会到的经验,比如细节的重要性,很多细节牵一发而动全身,让我深深感到想好每一步,注意细节的重要性。这些经验都很有用,这两个星期虽然过得很累,但是我认为很值得,我很期待下一次课程设计。
9. 参考文献
[1]申永胜,机械原理教程(第2版),清华的大学出版社
[2]申永胜,机械原理教程辅导与习题(第2版),清华大学出版社
[3]邹慧君,机械原理课程设计手册,高等教育出版社
[4]符炜,机构设计学,湖南大学出版社
[5][德]J.伏尔默凸轮机构,机械工业出版社
[6]殷鸿梁,朱邦贵,间歇运动机构设计,上海科学技术出版社
完成日期: 2009 年 6 月 18 日 指导教师 廖华丽 30