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2005年1月目录：一设计要求及任务二功能分解三机构系统的选型与评价四机构选型与方案比较五原动机的选择六传动方案的设计七3D设计效果图八自动制钉机各构件主要功能及尺寸理论计算九运动循环图十心得体会十一参考书目设计任务书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）校直钢丝，并按节拍要求间歇的输送到装夹工位2）冷镦钉帽，在此需夹紧钢丝3）冷挤顶尖4）剪断钢丝2．原始数据及设计要求1）铁钉直径1.6—3.4mm2）铁钉长度25—80mm3）生产率360枚/min4）最大冷镦力3000N，最大剪断力2500N5）冷镦滑块质量8Kg，其他构件质量及转动惯量不计6）要求机构紧凑，传动性能优良，噪声尽量小3．设计任务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，冷挤顶尖机构，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运动方案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的计算设计过程提示一功能分解1、功能要求制钉机主要是用于机械零件的制造，实现低碳钢丝到木工钉的转化。对于它的精度要求肯定比较高，而且在生产上又有着它的速率要求（360枚/min）。此外，由于这个制钉机需要应用在各种场合，需要符合一定范围内的钉子需要。所以我们需要在机器设计与制造的时候，考虑到柔性问题。这样的话，我们必须在各个机构设计上面充分考虑到这些问题，在满足设计要求的前提下，尽可能的使机构紧凑，传动性能好，最终符合实际生产的需要。2、功能分析总功能：将一卷直径与铁钉直径相等的低碳钢丝制造成一个符合木工使用要求的铁钉子功能：(1)送丝校直：把卷在一起的钢丝通过机构校直，并且间歇送料(2)冷镦：把钢丝的一头镦出平头(3)冷挤切断：挤出钉尖，并将做完的铁钉送原料上剪断，得到成品功能分析简图：3、动作分析子功能：校直送丝它有两个动作组成(1)校直送丝：通过执行机构将弯曲的钢丝变成笔直的钢丝，并且按照节拍间歇的送到规定的位置。(2)夹紧机构：在送丝的时候放松，在其他的时候夹紧钢丝，不可移动，以完成别的工作。子功能：冷镦钉头它有一个动作组成(1)冷镦机构：利用镦头，撞击加紧的钢丝，以得到所需要的钉头，镦块在平面内做往复运动。子功能：冷挤切断有两个动作组成(1)冷挤机构：通过挤压，将钢丝做出需要的钉尖，机构在作往复运动(2)剪断机构将挤好的钢丝最终剪断，等到成品，机构在作往复运动制钉机的机构较多，较为复杂，为了使机器运转的合理平稳，相互动作的协调配合相当重要，在设计的时候，我们尽量考虑将执行机构的原动件固连在一个主轴上。必要的时候也可以使用飞轮来减小原动机和机械速度的波动。三、机构系统的选型与评价通过对机器各个功能的分解，以及对动作的研究，将功能分解为功能元，各个动作寻找匹配的各类机构，将功能元作为列，能元解作为行，把匹配的各类机构分别填入表中，得到形态学矩阵表：五机构的形态学矩阵根据以上表格显示的五个执行机构的形态学矩阵，我们可以求出自动制钉机的机械运动方案数为：6025332N我们可以通过按给定的条件、各机构的相容性和尽量使机构简单等等各种要求来选择方案。排除一些不符合的，可以得到相应的结果。不过由于方案太多，我们最后选择对于各类机构逐一选择，选出我们所需要的机构，再将各个机构组合起来，这样的话，虽然没有这种评价方法好，但是比较省时，对于机构比较复杂的，方案多的选型情况时比较适用。我们将在接下来的较大篇幅介绍我们的机构选型和分析过程。四、机构选型与方案比较（1）送丝校直机构方案1：滚筒式送丝校直机构我们第一个想到的就是这样的送丝和校直方法，我们用两个滚筒作间歇的旋转，这样铁丝就可以在滚轮的带动下将钢丝有节奏的送到工件夹紧位置，送料的长度等于滚筒转过的弧长，而后面的两排滚筒是用来保证钢丝可以较为笔直的通过的，因为仅仅是两个大滚筒是比较难以保证的。这样的话，就可以完成间歇送丝，校直的工作了。而且，我们在滚筒两边都装有调节系统，可以根据不同钢丝的直径进行调节，这样保证了机器的柔性生产，也符合了设计要求。这个方案的优点：1）结构简单明了，制造方便2）适用性强，传送也较为方便，应用广泛3)加装了调节系统，可以使机构适合更多范围内的钢丝缺点：1）由于机构是依靠摩擦力传动送料的，这样势必会造成对滚轮和钢丝之间的磨损，长期使用后需要更换滚筒，提高成本方案2：凸轮滑块送丝校直机构上图中共有两组凸轮，一个为左边的圆柱凸轮，一个为右边的圆盘凸轮，且两个凸轮均沿着主轴转动。圆柱凸轮的轮廓线的沟槽有四段：a段为上升段，杆上升，固结在杆上的小滑块顺着大滑块中的滑槽顶上去和大滑块一起将钢丝夹紧；b段为送料段，即将小滑块与大滑块夹紧钢丝，同时连杆向右移动，带动大滑块一起右移，这样达到夹紧校直和送料的工作，c段为下降段，连杆上的小滑块下滑，不再夹紧钢丝；d段为返回段，连杆往左平移，同时带动大滑块一起往左平移另一组凸轮机构，为附加的夹紧机构，最上面的机构是固结在机床上的，内部有小槽，固结在连杆上的小滑块可以在这个槽内上下滑动。在夹紧机构送丝的时候放松，其余的时候夹紧。这个机构的优点：1）利用凸轮可以使整个机构实现在任意频率送料缺点：1）机构过于复杂，不容易制造，而且不能很好起到校直的作用，与钢丝撞击，会损毁钢丝。结论两个方案比较下来，我们认为第一种方案更加合理，较之于第二种，第一种更加简单，制造方便，且有可以起到比较好的校直送丝的功能。我们并且利用不完全齿轮和蜗杆传动，使得滚筒可以完成间歇送料。这样就符合了设计要求。所以，我们选择第一种方案(2)冷镦机构方案1：曲柄滑块机构曲柄滑块机构是我们平时最常见，也是接触最多的一种机构。它的特点是低副是规则的几何形状，容易加工制造，由于是低副连接，机构可以承受较大的载荷，在这里可以提供较大的冷镦力，它的结构也较为简单，对于设计上面有着极大的便利。方案2：六杆机构这个机构为曲柄摇杆机构,加上二级杠杆组和滑块它的特点是有一个等速转动的曲柄作主动运动然后，摇杆有急回特性，当滑块调至与摇杆有相同的往返行程时，滑块也有急回特性这就可以提供足够力量的剪切力不过，它的结构复杂，而且尺寸较大，在制造和生产的时候不如曲柄滑块机构来的方便。方案3：六杆急回机构这个机构的特点是，有三个杆是一样长的，且曲柄摇杆机构本身具有急回特性，当曲柄作匀速转动的时候，摇杆作往复摆动，并带动滑块作来回往复的移动使急回特性进一步扩大，且滑块在工作的过程中有一段近似匀速的运动。所以这个机构的回程效率高，但行程也大。结论：考虑到制造工艺和机构尽量简单的原理，我们选择第一种方案作为我们的最终机构(3)冷挤机构方案1：偏心式冷挤压机构特点：结构简单，应用广泛滑块基本上是按正弦曲线运动的，所以速度不是很均匀尤其是在滑块在较远的地方始，速度变化比较大滑块的运动精度较高，有些挤压机采用塑料导轨，使滑块和导轨间的间隙减小到0.05mm以下方案2：压力肘杆式冷挤压机构方案3：拉力肘杆式冷挤压机构优点：滑块在开始挤入的时候速度较小，对模具的冲击较小。工作行程中滑块的速度变化也比较平缓。缺点：行程受到机构的限制，不能很大，所以不适合行程较大的零件三方案比较：通过对它们的运动分析得到，查资料得知：拉力肘杆式冷挤压机构在接近下止点的时候曲线平缓，也就是说此时的速度慢，加速度小，加压力不够大。而偏心式的机构在接近下止点时，行程曲线比较陡，即加压时的速度比其他的要快，但由于它的是正弦变化，不均匀，所以不选。最终决定选取方案2(4)剪切机构方案1：曲柄滑块机构优点：机构简单经济，剪切速度高，剪切面质量也较高缺点：剪切力难以保证方案2：正切机构特点：具有肘杆式冷挤压机构的特点，并且滑块速度在工作行程时运行更为均匀。对挤压件的塑性变型比较有利特点：HtgS可以快速趋紧而后慢切方案3：双四杆剪切机构方案4：摆式剪切机构方案5：偏心摆式剪切机构优点：剪刀能近似的作平面平行运动，故刀刃在剪切时刀刃垂直于轧件，使剪切面较为平直，剪切时刀刃的重叠量也容易得到保证缺点：机构结构复杂，机构运动质量较大，动力性能不好，刀刃运动速度不宜太快优点：适当改进可实现任意剪切速度，运动精度较高，应用范围较广缺点：剪切速度不高，加速度较小，制造较难，调整也比较麻烦优点：基本实现任意剪切速度，运动精度高，应用范围广，动力性能可靠缺点：剪切速度不高，机构复杂，机构较重，尺寸太大机构不够紧凑，制造难度大。结论：通过我们的分析，最终觉得如果我们使用两个机构，即把冷挤和剪断作为两套机构来设计的话，这样势必会使机器变得复杂，也不适合布局。而且，在冷挤之后钢丝已接近断裂，我们可以在冷挤滑块上面挤上一个很小的曲柄滑块机构，用来进行剪断，在挤块完成冷挤动作后，切刀体移到挤块最旁边，最总起到切断的作用。(5)夹紧机构方案1：凸轮连杆组合机构一方案2：凸轮连杆组合机构二：优点：运动精度高，容易制造，夹紧力较大。机械效率较高，可在较小的驱动力下得到较大的夹紧力。且里可以调节。缺点：机构可能比较复杂结论：考虑到机械的稳定性，我们选用方案一，并且使用内封闭凸轮。五、原动机的选择原动机常用原动机的运动形式分为：连续转动、往复移动、往复摆动。由于制钉机各个机构的主动件基本上都采用转动形式，所以决定采用连续转动形式的原动机。符合条件的原动机有电动机、油压马达、气动马达、柴油机、汽油机。考虑到整个制钉机对功率的要求不高，也不需要太大的起动转矩，所以我们决定采用电动机。它的优点是驱动能源容易获得，方便。初始的成本也较低，运转费用低、维护要求也较少。因此，我们就选择了电动机作为原动机。电动机的选择在选择电动机的时候，我们考虑到各种不同电机的机械特性，通过查询资料，得到各种电机的机械特性曲线图，即n-T图结论：考虑到要使得机构远转平稳，符合要求的有1，2，3型的电动机，其中最常见，应用最广泛的是3。它的负载转矩在允许的范围内变化时转速不变或者变化不大。而且，31：同步电动机2：直流并励电动机3：一般交流异步电动机4：直流串励电动机5：交流绕线型异步电动机优点：机构简单，容易制造；弹簧使连杆与凸轮紧密接触，减小冲击缺点：连杆与凸轮之间有摩擦型的价格也相对便宜。虽然其起动转矩较小，但是这个不影响我们的整体设计。所以，通过对经济性、稳定性以及对制钉机的工作性能要求，我们综合考虑，最终选择了3型，一般异步电动机，通过查手册，确定为：型号为：Y802-4,额定功率0.75kW，转速1390r/min六、传动方案的设计链传动：优点：用于距离较远的平行两轴之间的传动。结构简单，加工方便，容易实现多轴传动。缺点：它的瞬时速度有波动，不适用于紧密传动，速度高时噪声较大，不适用于转向经常反复变化的场合。摩擦轮传动：优点：结构简单，经济，尺寸比带传动紧凑，表面采用金属材料，噪声低，不需要润滑，结构简单。缺点：传动比不准确，传动功率小，需要较大的压紧力，轴承的载荷大。带传动：结构最简单，最容易制造、安装，在中心距大的时候最经济，，噪声低，有弹性缓和冲击，有过载保护作用，可以多轴传动。传动比不准确，不能用于精密传动，尺寸较大，带的寿命短。蜗杆传动优点：能实现较大的传动比，传动平稳，噪声低缺点：效率低，容易胶合螺旋传动优点：用于把回转运动化为直线运动，，并提供很大的轴向力，结构简单，容易制造，噪声低，能自锁缺点：效率低，速度较慢齿轮传动：优点：外廓尺寸小，紧凑，效率高，传动比恒定准确，寿命长，适用功率和速度范围广缺点：要求制造安全精度高，不能缓冲，高速传动精度不够时有噪声，没过载保护结论：考虑到制钉机的平稳运转，以其配件的制造难易程度，我们选择用皮带轮从电动机传出，然后带动主轴，其余都用齿轮进行传动。这样的话，可以较为有效的完成传动工作，且传动比较为稳定，适应性也比较好。齿轮配合也比较容易。七、3D设计效果图八、自动制钉机各构件主要功能及尺寸理论计算一冷镦机构曲柄滑块1、如图示，滑块冲程H，极位角，曲柄x，连杆L，偏心距e。求取H,