全自动制钉机的设计书(课程设计)

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和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，要求使送丝和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和冷镦机构相同，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)感想和建议。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—————————————————62.功能分解———————————————63.原始数据及计算————————————73.1原始数据——————————————————73.2计算————————————————————74.方案的设计思路————————————85．执行机构的选型及评价以及设计步骤————85.1校直钢丝，间歇输送—————————————85.2夹紧钢丝——————————————————95.3冷镦钉帽——————————————————105.4冷挤钉尖——————————————————145.5剪断钢丝——————————————————166.执行机构的整合—————————————196.1凸轮设计——————————————————206.1.1夹紧机构—————————————————206.1.2冷挤机构—————————————————236.1.3齿轮设计—————————————————266.1.4电机飞轮选择———————————————267.机构运动简图的绘制———————————268.感想——————————————————299.参考文献—————————————————301.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和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1/6s/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12rad/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1/18s，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（滑块速度和运动副速度近似相等）为图2sin45sin3.0，将θ=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。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1图3r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，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，3r=60，r=57.32，由于摩擦轮间要夹着钢丝，取半径为57mm，和摩擦轮固连齿轮齿数z=30。图45.2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，增大从动轮和凸轮的摩擦，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和连架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和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。图5图65.3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。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7图8要使压力角最小，则必须保证滑块的轨迹所在直线AC在到圆弧顶端和圆弧两端的距离相等，如图9所示，x=BC=B’C’。△ABC和△A’B’C’全等，AC=A’C’，由于AA’=25mm，所以CC’=25mm，由勾股定理，（25-2x）2+12.52=252，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=sin45sin3.0，和曲柄的长度无关，由于曲柄长度和冷镦滑块速度无关，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：速度和转角曲线：sin45sin3.0v图9加速度和转角曲线：sin45)sin45(cossin6.0cos3.0)sin45(a5.4冷挤钉尖方案一：一开始我们计划冷挤和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）。但经过小组讨论和分析，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10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）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，我们图11图12图13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