全自動(dòng)制釘機(jī)工程設(shè)計(jì)書

0 全自動(dòng)制釘機(jī)工程設(shè)計(jì)書 1. 簡介 鋼釘是用途極為廣泛的建筑五金制品。在當(dāng)今的建筑行業(yè)中，需要大量的鋼釘作為勞動(dòng)的工具，一棟中等規(guī)模的建筑物，所需要的鋼釘?shù)臄?shù)量可以千萬計(jì)，所以高效、合理、廉價(jià)地生產(chǎn)出鋼釘是十分有必要的。正因?yàn)檫@些要求，制釘機(jī)的設(shè)計(jì)必須整體結(jié)構(gòu)緊湊，科學(xué)合理，性能穩(wěn)定，操作簡單簡便利，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。我們設(shè)計(jì)的全自動(dòng)制釘機(jī)主要采用低碳鋼絲作為原料，通過拉直，冷鐓，冷擠等工序來生產(chǎn)我們?nèi)粘Ｉ钪械乃娩撫?，具有原材料成本低廉，容易取得、來源廣泛，投資較少等優(yōu)點(diǎn)。 2. 功能分解 制造 木工用大大小小的鐵釘是將一卷直徑與鐵釘直徑相等的低碳鋼絲通過下列工藝動(dòng)作來完成的。 1）校直鋼絲，并按節(jié)拍要求間歇地輸送到裝夾工位。 2）夾緊鋼絲。 3）冷鐓釘帽。 4）冷擠釘尖。 5）剪斷鋼絲。 6）夾緊機(jī)構(gòu)松開，回復(fù)，成品鋼釘落下，一個(gè)工藝循環(huán)完成。 3原始數(shù)據(jù)及計(jì)算 1 始數(shù)據(jù) 1）鐵釘直徑 2）鐵釘長度 25 80 3）生產(chǎn)率 360 枚 / 4）最大冷鐓力 3000N，最大剪斷力 2500N。 5）冷鐓滑塊質(zhì)量 8他構(gòu)件質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不計(jì)。 算 1）假設(shè)鋼釘?shù)闹睆綖?2釘?shù)拈L度為 60 2）生產(chǎn)率為 360 枚 /為 1/6 s/枚。也就是說生產(chǎn)周期為1/6 秒。要求原動(dòng)件所固連軸的轉(zhuǎn)速為 12 s。對于冷鐓機(jī)構(gòu)（見圖 1）我們設(shè)定正行程為 1/3 個(gè)周期也就是 1/18 s，而冷鐓機(jī)構(gòu)僅將鋼絲末端大約 的鋼絲（見圖 2）冷鐓為釘帽，而行程總長為 25計(jì)算，開始冷鐓時(shí) =126，冷鐓釘帽的時(shí)間只占了大約1/5 的時(shí)間，由于保證壓力角最 小設(shè)計(jì)，壓力角近似于零，故冷鐓時(shí)的速度近似（滑塊速度與運(yùn)動(dòng)副速度近似相等）為，將 =126帶入，得冷鐓時(shí)滑塊的速度為 s. 3）由于冷鐓力為 3000N，冷鐓時(shí)速度為 s，可得冷鐓時(shí)所需最小功率大約為 圖 2 2 4. 方案的設(shè)計(jì)思路 全自動(dòng)制釘機(jī)分校直鋼絲，并按節(jié)拍要求間歇地輸送到裝夾工位，夾緊鋼絲，冷鐓釘帽，冷擠釘尖，剪斷鋼絲，五個(gè)工序，經(jīng)我們小組四人的討論，決定先單獨(dú)地考慮五個(gè)工序，每個(gè)工序分別準(zhǔn)備多套方案，然后進(jìn)行方案 的優(yōu)劣分析，最后進(jìn)行整合。 5執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型及評價(jià)以及設(shè)計(jì)步驟 直鋼絲，間歇輸送 對于校直鋼絲我們一致認(rèn)為只需要多個(gè)成對稱位置排列的摩擦輪即可實(shí)現(xiàn)（如圖 3）。而為了保證校直的效果，我們在送料前，送料后，都設(shè)置了摩擦輪校直，并圖 1 圖 3 r 3 且為了防止剪切時(shí)使鋼絲彎曲，我們在剪切后也設(shè)置了摩擦輪校直。 而對于間歇送料機(jī)構(gòu)則有 3 種選擇，它們分別是 摩擦輪機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單，為了可靠的輸送需要加軸向的壓緊力。 槽輪機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單，嚙合過程加速度較大，運(yùn)動(dòng)不夠平穩(wěn)，高速時(shí)有較大沖擊。 棘輪機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便運(yùn) 動(dòng)可靠，但齒尖容易磨損，并產(chǎn)生噪聲。棘爪和棘輪輪齒之間有空程和沖擊，不宜用在高速場合。 經(jīng)過討論，我們選擇了轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪機(jī)構(gòu)（如圖 4），因?yàn)槲覀冋J(rèn)為對于鋼絲的間歇傳送只需要轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪就滿足要求了，機(jī)構(gòu)簡單實(shí)用，軸向的壓緊力可以由封閉的機(jī)架來提供。而槽輪摩擦輪機(jī)構(gòu)相比而言，結(jié)構(gòu)略為復(fù)雜，機(jī)構(gòu)運(yùn)作時(shí)會有柔性沖擊，并且在槽內(nèi)會有摩擦產(chǎn)生。在長時(shí)間的，循環(huán)的運(yùn)動(dòng)下，機(jī)構(gòu)壽命不會很長。棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最重要的一點(diǎn)，對于鋼絲，很難在鋼絲上安裝棘爪而達(dá)到步進(jìn)的目的。由于我們處理的釘子長度為 600送料階 段， 3 r=60， r=于摩擦輪間要夾著鋼絲，取半徑為57摩擦輪固連齒輪齒數(shù) z=30。 圖 4 4 緊鋼絲 對于夾緊鋼絲的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，我們認(rèn)為可以使用凸輪來實(shí)現(xiàn)，利用凸輪的上休止程來夾緊鋼絲。在討論的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，如果直接利用凸輪的停歇段進(jìn)行夾緊的話，在夾緊時(shí)，凸輪會受到很大的反力作用，增大從動(dòng)輪與凸輪的摩擦，同時(shí)長時(shí)間交變的反力也會容易使凸輪和從動(dòng)輪較早地疲勞破壞。具體計(jì)算如下：無潤滑下鋼對鋼的摩擦系數(shù)為 鐓時(shí)冷鐓力為 3000N，這 就是說需要摩擦力 3000N，即需要壓力為 20很大的力。 因此，我們開始著手尋找一種對凸輪負(fù)擔(dān)小的機(jī)構(gòu)，最好在夾緊時(shí)凸輪盡可能少或者不受力。連桿式快速夾具給了我們靈感。連桿式快速夾具是利用死點(diǎn)位置來夾緊工件的。如圖 5 所示，在連桿 2 的手柄處施以壓力 F 將工件夾緊后，連桿 連架 去外力 F 之后，在工件反彈力 T 作用下，從動(dòng)件 3處于死點(diǎn)位置。即使此時(shí)反彈力很大，也不會使工件松脫。但是此裝置有一缺點(diǎn)，就是死點(diǎn)位置難以保證，后來，經(jīng)過討論和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)只要保證在壓緊時(shí)D 呈直線或 近似直線時(shí)， 法平面上的分力很小，再加上還有省力杠桿的作用，即使死點(diǎn)位置沒有達(dá)到，凸輪所受的力也是很小的。因此圖 5 圖 6 5 我們決定使 用這一機(jī)構(gòu)。最后機(jī)構(gòu)如圖 6。 鐓釘帽 對于冷鐓釘帽的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，我們本想利用有偏心距的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，能夠產(chǎn)生急回運(yùn)動(dòng)特性，從而提高生產(chǎn)效率（如圖 7）。經(jīng)過討論，我們考慮到冷鐓釘帽需要的力至少為 3000N，對于這相對來說較大的力，普通的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可能無法無法達(dá)到要求。因此，我們考慮在普通的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)上裝上一個(gè)類似杠桿的裝置。將原方案中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)替換為 增力機(jī)構(gòu)。既可以增力，又有急回特性。后來我們受牛頭刨床機(jī)構(gòu)的啟發(fā)，最終把冷鐓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖 8 所示的機(jī)構(gòu)。 在確定這個(gè)機(jī)構(gòu)的時(shí)候，我們著手解決兩個(gè)問題，一是機(jī)架位置的確定，二是曲柄長度的確定。 對于機(jī)架位置的確定，我們是按照保證在冷鐓過程中壓力角盡可能的小來設(shè)計(jì)確定的，具體計(jì)算過程如下： 圖 7 圖 8 6 要使壓力角最小，則必須保證滑塊的軌跡所在直線 到圓弧頂端與圓弧兩端的距離相等，如圖 9 所示， x=C。 ABC全等， C，由于 25以 25勾股定 理，（ 252 +252 ，解得 x=以，機(jī)架應(yīng)在導(dǎo)路下 。 對于曲柄長度的確定，經(jīng)計(jì)算冷鐓滑塊的速度 v= ，與曲柄的長度無關(guān)，由于曲柄長度與冷鐓滑塊速度無關(guān)，因此曲柄的長度只需考慮結(jié)構(gòu)緊湊這一條件，經(jīng)討論，我們決定以 50把冷鐓結(jié)構(gòu)的尺寸作為其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基準(zhǔn)。 使用 件處理得冷鐓滑塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線圖： 速度與轉(zhuǎn)角曲線： 圖 9 7 加速度與轉(zhuǎn)角曲線： s s co ss )s a 8 擠釘尖 方案一： 一開始我們計(jì)劃冷擠與剪斷由一個(gè)機(jī)構(gòu)來完成，這樣一來，不僅可簡化設(shè)計(jì)，節(jié)省零件，減輕重量，還可提高機(jī)構(gòu)的利用率，因此，可于冷擠模具末端加工一處突起部分，在冷擠釘尖的同時(shí)進(jìn)行剪斷工作（如圖 10）。 但經(jīng)過小組討論與分析，我們認(rèn)為該突 起部分在剪斷前要進(jìn)行擠壓工作，因此，此處的磨損較其他部分要大，同時(shí)更換部件不方便，也造成未磨損部分的浪費(fèi)，而且剪斷難度較大，出現(xiàn)剪不斷的情況。因而，我們決定不在冷擠釘尖的同時(shí)將其剪斷。 方案二： 后來我們認(rèn)為我們認(rèn)為將冷擠結(jié)構(gòu)一端固定，另一端進(jìn)行擠壓，機(jī)構(gòu)能夠得到簡化，減少功率損失，但是擠出的釘尖難以達(dá)到要求，因此，我們只能用兩端進(jìn)行同時(shí)擠壓（見圖 11）。 圖 10 9 我們認(rèn)為冷擠機(jī)構(gòu)采用凸輪較為方便簡單。 方案三： 若干齒輪通過相互配合，繞過阻擋構(gòu)件，達(dá) 到固連的作用。但其太過繁雜，造成材料浪費(fèi)，也增加了成本。（如圖 12） 方案二 通過連桿機(jī)構(gòu)作用，達(dá)到運(yùn)動(dòng)要求。 圖 11 圖 12 圖 13 10 斷鋼絲 對于剪斷鋼絲的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，我們考慮了幾種方案。 第一種方案是利用槽凸輪完成剪切運(yùn)動(dòng)（如圖 14）。該機(jī)構(gòu)的最大好處是結(jié)構(gòu)簡單，利用凸輪能夠方便的獲得所需運(yùn)動(dòng)。但是考慮到剪切鋼釘時(shí)的最大剪斷力可達(dá)2500N， 凸輪承受如此大的力時(shí)會產(chǎn)生一系列問題，如高磨損、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等。 第二種方案是雙四桿剪切機(jī)構(gòu)（如圖15）。該方案由兩套完全對稱的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)組成，剪刃能近似地做平面平行運(yùn)動(dòng)，使剪斷面較為平直，剪切時(shí)刀刃的重疊量也容易保證。該方案的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易保證整套機(jī)構(gòu)的緊湊性，動(dòng)力性也不夠好，刀刃速度不宜太快，不能滿足高速生產(chǎn)。 第三種方案是由齒輪帶動(dòng)的曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖 16）。該機(jī)構(gòu) 的最大特點(diǎn)是由齒輪帶動(dòng)，傳動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，效率高，工作安全可靠。最終我們選擇了這個(gè)方案。 對于機(jī)架位置的確定，與冷鐓機(jī)構(gòu) 類似。 如圖 17， 將剪切的行程 H 定為 20以刀刃連接點(diǎn)與機(jī)架的距離 0計(jì)算得刀刃導(dǎo)圖 14 圖 15 圖 16 11 路與機(jī)架的垂直距離 D=由于剪切力為 2500N，剪切時(shí)速度為 s，可得剪切時(shí)所需最小功率大約為 使用 件處理得冷鐓滑塊運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線圖： 速度與轉(zhuǎn)角的曲線： 圖 17 12 加速度與轉(zhuǎn)角曲線： s s co ss )s a 13 6. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 整合 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)完成后，接下來就是各機(jī)構(gòu)之間的整合，由于機(jī)構(gòu)較多，相互動(dòng)作協(xié)調(diào)十分重要，所以我們盡量考慮將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件固連在一個(gè)主軸上，這樣不僅能使動(dòng)作協(xié)調(diào)，而且能保證運(yùn)行的穩(wěn)定。 如圖 18 是各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)簡圖： 為了使原動(dòng)件固連在一個(gè)主軸上，我們打算這樣，將凸輪按順序固定在主軸上，對于冷鐓這個(gè)曲柄機(jī)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)用固連在主軸上的斜齒輪進(jìn)行交錯(cuò)軸斜齒輪圓柱齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合傳動(dòng)，改變軸的方向，從而實(shí)現(xiàn)與主軸共面的冷鐓運(yùn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)簡圖如圖 19： 圖 8 圖 18 圖 19 14 從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性比較 與適用場合如下表 1 表 1 本機(jī)構(gòu)的凸輪是主要部件，要求中速轉(zhuǎn)動(dòng)，并能承受一定載荷，因此我們選擇簡諧（余弦加速度）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?；诔叽缁鶞?zhǔn) 冷鐓機(jī)構(gòu)的尺寸，并且考慮盡可能減小電機(jī)負(fù)載，我們確定槽凸輪基圓半徑為 500子半徑為 5 使用凸輪設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)凸輪，設(shè)計(jì)圖如下： 緊機(jī)構(gòu)： 0 70 290 推程 遠(yuǎn)停歇程 回程 凸輪的形狀與參數(shù)：（如圖 20） 運(yùn)動(dòng)規(guī) 律 沖擊特性 /h/v 22h/a 33h/j 適用場合 等速（直線） 剛性 窮 無窮 低速輕載 等加等減速（拋物線） 柔性 窮 中速輕載 簡諧（余弦加速度） 柔性 窮 中速中載 擺線（正弦加速度） 無 速輕載 3多項(xiàng)式（五次多項(xiàng)式） 無 速中載 15 凸輪的位移與轉(zhuǎn)角關(guān)系：（如圖 21） s o o 圖 21 圖 20 16 凸輪的速度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系：（如圖 22） v 36029029012600s i i 如圖 23） a 36029029012600c o o 圖 22 17 擠機(jī)構(gòu)： 0 140 200 300 近停歇程 推程 遠(yuǎn)停歇程 回程 凸 輪的形狀與參數(shù)：（如圖 24） 凸輪的位移與轉(zhuǎn)角關(guān)系：（如圖 25） 圖 23 圖 24 18 s o o 凸輪的速度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系：（如圖 26） v 36030030010800s i i 5 19 凸輪加速度與轉(zhuǎn)角關(guān)系：（如圖 27） a 36030030010800c o o 圖 26 圖 27 20 從上圖可以看出， 2個(gè)凸 輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是非常平穩(wěn)的，適合于中速的，往復(fù)的，中載運(yùn)動(dòng)。 輪設(shè)計(jì) 剪切機(jī)構(gòu)和冷鐓機(jī)構(gòu)我們使用的是同一種機(jī)構(gòu)，只是在齒輪尺寸選擇上有所不同。為了使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與軸共面，必須用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)改變轉(zhuǎn)軸方向，因此我們想到了交錯(cuò)軸斜齒輪圓柱齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合傳動(dòng)，并且將軸固連在齒輪上。齒輪參數(shù)，取 ，m=2，為了滿足尺寸要求，主軸上的斜齒輪齒數(shù) z=20，冷鐓機(jī)構(gòu)的過渡齒輪齒數(shù) z=20，剪切機(jī)構(gòu)的過渡齒輪 z=40。其他齒輪，摩擦輪過渡齒輪齒數(shù) z=22與曲柄固連的齒輪齒 數(shù) z=20。 機(jī)飛輪選擇以及其他問題 冷鐓和剪切時(shí)需要最小功率為 他構(gòu)件質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不記，故電機(jī)應(yīng)選功率為 4。故選 N=4KW,n=2630 的電機(jī)。這樣一來電機(jī)齒輪與軸連齒輪齒數(shù)比為 1。為了減小機(jī)器的速度波動(dòng)和減小原動(dòng)機(jī)的功率，為了轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，需在摩擦輪，凸輪和與曲柄固連的齒輪上安裝飛輪。 為了使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能夠成功運(yùn)作并完成工作，在裝配時(shí)應(yīng)該注意，當(dāng)凸輪如圖 20， 24位置串在軸上時(shí)，在初始狀態(tài)應(yīng)保證冷鐓機(jī)構(gòu) =300（ 為圖 1 中 ，且圖示方向?yàn)檎?，剪切機(jī)構(gòu) =180。 7. 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制，尺度計(jì)算 過上述設(shè)計(jì)，最終機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖 28： 21 度計(jì)算 在上述執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)的整合中，已經(jīng)涉及到了一些的構(gòu)件的尺寸，關(guān)于機(jī)械系統(tǒng)的尺寸，我們的設(shè)計(jì)結(jié)果如下： 圖 28 22 23 8. 感想 第一次做課程設(shè)計(jì)的過程對我來說是一個(gè)全新的體 驗(yàn)，從完全不知道從何著手到學(xué)會查閱資料，再到加入自己的設(shè)計(jì)思想，接著再發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，仔細(xì)琢磨反復(fù)推敲，不斷發(fā)現(xiàn)新的不足之處，不斷改良，終于完成了這個(gè)全自動(dòng)制釘機(jī)的設(shè)計(jì)說明書。 回頭看看這近兩星期的設(shè)計(jì)過程，真是感慨萬千。 首先，課程設(shè)計(jì)是對我們所學(xué)知識的綜合考驗(yàn)，在整個(gè)設(shè)計(jì)中，始終使我感到力不從心的是知識的捉襟見肘，所學(xué)的知識只是皮毛，真要解決實(shí)際問題就會遇到各種各樣的困難，未知的知識太多，感覺肚子里沒貨，面對問題不知所措。比如冷鐓機(jī)構(gòu)，對于冷鐓滑塊速度的計(jì)算，由于角度都不是特殊角，反復(fù)使用正弦，余弦 定理，對于小角度也不會使用近似，算了很久，也錯(cuò)了好多次，特別是最后快去打印時(shí)，發(fā)現(xiàn)先前的計(jì)算有一處近似使用錯(cuò)誤，結(jié)果急忙改正，改了好多處，多花了好多時(shí)間。 其次，課程設(shè)計(jì)考驗(yàn)了我們的團(tuán)結(jié)合作能力，以及集體處理問題的能力。現(xiàn)在的我們說實(shí)話還不是很會合作辦事，不是各抒己見，就是工作都是由幾個(gè)人來做。這次課程設(shè)計(jì)使我們加強(qiáng)了團(tuán)結(jié)協(xié)作的意識。一開始，我們都不知道怎么合作，