课程设计说明书

。一．明确设计任务。

设计一台自动制钉机，设计要求为：

1）铁钉直径d=1.6~3.4mm.

2）铁钉长度25~80mm

3）生产率360枚/分。

4）最大冷镦力3000n，最大剪切力2500n

5）冷镦滑块质量8kg，其他构件质量和转动惯量不计。

6）要求结构紧凑，传动性能优良，噪声尽量减小。

7）自动制钉机的功能分解。

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。

二。自动制钉机的功能分解。

自动制钉机要依次完成送丝校直，夹紧，剪断，冷挤，冷镦五个动作。

图1所示为自动制钉机的树状功能图。

图1自动制钉机的树状功能图。

因为钉子的原材料是一卷直径与铁钉直径相等的低碳钢丝或钢条，为了使我们设计的机构能够满足产品的设计要求，我们的设计思路是：

1）送丝校直：将钢丝传送的同时利用摩擦轮将弯曲的钢丝校直，并且送丝与校直动作要协调，但考虑到为配合接下来的操作过程，不能使钢丝不停的传送，所以要考虑用间歇机构，使送丝有间隙性地传递。同时附加夹紧机构，能够在送丝时放松，其余操作时间夹紧。

2）冷镦钉帽：我们所看到的钉子都有钉帽，由夹紧机构夹持钢丝时，露出一段钢丝进行冷镦钉帽，可采用移动或者摆动式的冲压机构。

3）冷挤钉尖：通过模具挤压出钉尖形状。

4）切断钢丝：挤压完成后，剪断机构剪断钢丝，可采用急回运动机构。

5）夹紧机构松开，铁钉落下。

6）送丝机构重新送丝，工序重复，实现自动制钉的目的。

机构相对较多，相互动作也比较复杂，协调就变得尤为重要，所以我们考虑用齿轮及皮带连接各主动件，使其有联动的效果。

三．螺钉头冷镦机的运动转换功能图。

图2自动制钉机的运动转换功能图。

自动制钉机的形态学矩阵。

矩阵法创建机械系统运动方案。

根据机械系统运动功能转换功能图可构成下表所示形态学矩阵。由表所示的形态学矩阵可求出自动制钉机系统运动方案为。

n=3 x 3 x 3 x 3 x 3=243

可由给定的条件，各机构的相容性，各机构的空间布置，类似产品的借鉴和设计者的经验等，从中选出若干个较为实际可行的方案，然后从选出的若干个方案中用评价方法选出最优方案。

表 1 螺钉头冷镦机的形态学矩阵。

功能元功能元解(匹配机构或载体。

减速 a带传动链传动齿轮传动。

减速 b带传动链传动齿轮传动。

夹紧 c齿轮齿条机构曲柄滑块机构移动推杆盘形凸轮

冷镦 d齿轮齿条机构曲柄滑块机构移动推杆盘形凸轮

间歇送料 e槽轮机构棘轮摩擦轮机构移动推杆圆柱凸轮

轴线变向 f蜗杆传动锥轮传动单万向连轴节传动

冷挤 g齿轮齿条机构曲柄滑块机构移动推杆盘形凸轮

剪断 h齿轮齿条机构曲柄滑块机构移动推杆盘形凸轮

根据树状功能图及运动转换功能框图，已获得各功能元及执行构件所要实现的运动形式，然后，根据这些运动形式，匹配相应的执行机构。把功能元作为列，功能元解(即匹配的执行机构)作为行，可获得表1所示的自动制钉机的形态学矩阵。

对该形态学矩阵求解，即把实现每一功能的任一解法进行组合，可得到多种运动方案。理论上求得的组合方案数为。

n=4*4*4*4*4*4*4*4=65536 个方案。

在这些运动方案中，必须剔除那些有明显缺点和不能实现的方案。有的方案，就单个执行机构来说能实现执行动作，但把这些机构组合成系统后，就会发现在结构安排上是不可行的，整个机器太庞杂，制造成本太高。这些方案可以先加以否定，然后列出一批可行的方案，从中优选出好的运动方案。

以下方案是经过综合考虑后得出的相对最佳方案。

送丝机构：槽轮机构、齿轮传动、摩擦轮校值。

夹紧机构：内槽凸轮机构、固定板。

挤钉尖机构：内槽凸轮机构、固定板。

镦钉帽机构：加力机构。

切断机构：曲柄滑块机构。

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。

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，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。

方案的设计思路。

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。

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：

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。

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：

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）。

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）。

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。

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：

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：

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。

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