自动制钉机机械原理课程设计

机械原理课程设计

题目名称自动制钉机

专业班级15 机制（专升本）

学生姓名刘备

学号

指导教师诸葛亮

机械与电子工程系

二○一六年六月十六日

目录

一、机械原理课程设计任务书.........................................................................3..

二、设计内容....................................................................................................4...

1.根据工艺动作要求拟定运动示意图..............................................................4.. 2．各机构的选型设计.......................................................................................5..

2.1 选型设计...............................................................................................5...

2.2 自动制钉机的功能分解........................................................................6..

2.3 系统运动转换功能图............................................................................9..

3.方案的比较.....................................................................................................9...

4.执行机构设计过程........................................................................................1..2

4.1.连杆机构.............................................................................................1..3.

4.2 夹紧凸轮.............................................................................................1..3.

4.3 冷挤（切断）凸轮..............................................................................1..3

4.4 齿轮的选择..........................................................................................1..4

4.5 槽轮半径的选择..................................................................................1..4

4.6 电动机的选择....................................................................................1..4

5.运动方案选择...............................................................................................1..5.

6.运动循环图.................................................................................................1..6. 总结..................................................................................................................1..

7. 参考文献..........................................................................................................1..

8.

一、机械原理课程设计任务书

专业15 机制（升本）学号XXXXXXXXXX姓名刘备

设计题目：自动制钉机的设计

一、设计题目

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。

6）要求结构紧凑，传动性能优良，噪声尽量减小

三、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、冷挤钉尖机构、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）按蚌埠学院相关格式要求编写设计说明书

二、设计内容

1.根据工艺动作要求拟定运动示意图

送丝校直机构（1）：首先送丝与校直动作要协调，又要使送丝有间隙性，因

此我们选用了槽轮机构带动滚轮完成间歇送丝运动，并通过摩擦轮初步校直。另外我们的槽轮没有直接接到摩擦轮，而是接到齿轮，可以通过齿轮的一套替换可以实现不同的传动比，从而使摩擦轮的转速可调，使送丝长度可以变化，因此可调整钉子的长度，更好的满足设计要求。

夹紧机构（2）：因为要在送丝后夹紧一段时间来实现其他工序，因此采用凸轮，利用其远休段夹紧铁丝一段时间来保障其他工序。虽然机构的尺寸设计比较复杂，但是传动平稳性较高，运行可靠。

冷镦钉帽机构（3）：采用曲柄滑块机构实现直线往复功能，制造和结构相对简单，具有急回特性，能提高生产效率。

冷挤钉尖机构（4）：为提高生产率，将冷镦和冷挤同时进行，因此该机构与

冷镦机构具有相同的运动规律，同时为简化设计工作量和减少加工生产该机构所

须的生产设备，时间准备，可设计将冷镦和冷挤使用同种曲柄滑块机构，只是装配的位置不同而已。

剪断钢丝机构（5）：采用曲柄滑块机构，运动规律与冷镦和冷挤相似，只不

过是在冷挤过后实现剪切，也可使用与冷镦和冷挤相同的曲柄滑块机构，只是起始状态和装配位置不同。

图3 所示为该方案的运动示意图。

2．各机构的选型设计

2.1 选型设计

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）送丝校直机构：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

图1.2（a）和1.2（b）分别为冷镦钉帽和冷挤钉尖的工作原理图：

图 1.2（a）

图1.2（b）

2.2 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

送丝校直槽轮的间隙

运动

夹紧凸轮直杆机构的

循环运动

自

动

制

钉剪断曲柄滑块机构的

往复运动

机

的

功

冷挤曲柄滑块机构的

往复运动

冷镦曲柄滑块机构的

往复运动

图 1 自动制钉机的树状功能图

（1）金属卷料校直，送料功能采用槽轮机构进行送料。当销轮连续转动一周时，槽轮转动1/4 周（其送料长度为1/4 槽轮周长）；槽轮送料时钢丝通过视图左边的滚子进行自动校直。

图1.4

（2）工件夹紧功能采用凸轮机构进行夹紧。其机构简图如图 1.5 所示，通过推杆的往复运动实现钢丝的夹紧和放松，夹紧杆的来回运动则由凸轮的连续

转动来实现。

图1.5

(3)工件冷镦功能采用曲柄滑块机构对钢丝进行冷镦。其机构简图如图 1.6 所示,连杆与齿轮相连，齿轮转动时带动滑块来回往复运动，从而对钢丝进行冷

镦。

图1.6

（4）工件冷挤——切断功能采用凸轮机构。其机构简图如图 1.7 所示。其工件原理和夹紧装置相似。

图1.7

2.3 系统运动转换功能图

根据执行构件的运动形式，绘制机械系统运动转换功能图如下图所示

送料槽轮的间歇转动

运动分支

电机减速

冷挤杆的往复移动

压紧杆的往复移动

冷镦镦头的往复移动

图1.11

3.方案的比较

方案一、如图 1.8 所示

冷挤（切断）机构——曲柄滑块机构

9

图１.８

点评：本方案能够实现自动制钉机的４个主要动作，但冷镦机构的力要比较大，而对心曲柄滑块没有急回运动，故而会影响机器效率。另一个较大的缺陷是传递运动较为困难。

方案二、如图１.9 所示

送料机构——槽轮机构

夹紧机构——凸轮连杆机构

冷镦机构——曲柄滑块机构

冷挤（切断）机构——曲柄滑块机构

图1.9

点评：此方案与方案一相似，主要运动机构与方案一致。与方案一相比，此

方案优点在于夹紧，冷镦，冷挤三大运动连接在一起，槽轮通过一个齿轮就可传递运动，即传递运动方便。但是冷挤上下都要进行，上面的运动不好传递。

方案三、如图１.10 所示

送料机构——槽轮机构

夹紧机构——凸轮连杆机构

冷镦机构——曲柄滑块机构

冷挤机构——凸轮连杆机构

图1.10(a)主视图

向

图1.10(b)俯视图

点评:本方案较前二个方案有较大不同。四大运动中，夹紧，冷镦，冷挤都在水平面内进行。通过锥齿轮，将电机的转动传递给夹紧，冷镦，冷挤做运动。另一个槽轮送料机构只需通过齿轮就可将运动传达。

4.执行机构设计过程

4.1.连杆机构

冷镦过程中，采用了曲柄滑块机构。根据要求, 其移动、摆动的行程为25mm。因为冷镦过程的时间要根据送料，夹紧等过程来分配，故应采取偏置的曲柄滑块。根据图 1.11 所示，可推算出曲柄滑块来回运动时间，从而可以算出行程速比系

数K。K=t1:t2，K=1.4。180

K

(K

1

1)

，所以θ=30 度。取e=5mm，确定A

点。此机构的最大压力角为33 度,满足实际要求。故 A 点可取量取AC1=31.87,AC2=8.34，AB+BC=AC1 ，BC-AB=AC2 。

由AC1 与AC2 的距离可求出曲柄AB 与连杆BC 的长度。AB=11.765, BC=20.105

4.2 夹紧凸轮

夹紧机构采用了对心滚子凸轮。夹紧凸轮的运动行程应根据钢丝的直径来设

计。钢丝的直径为 1.6～3.4mm。由于此机构在水平面内工作，回程时需要靠弹

簧力使其回程。为使凸轮运动平稳，可使凸轮推程较小，能够实现夹紧功能即可。

故取基圆半径为R=80mm，升程为8mm。

4.3 冷挤（切断）凸轮

为了确保凸轮运动平稳，冷挤力较大，可取基圆半径为R=60mm,升程为

4mm。

4.4 齿轮的选择

由于冷镦，送料的周期相等，故齿轮4 与齿轮6 必须选择相同。从电机传递到飞轮2 的转速为360R/MIN ，要求生产率为360R/MIN ，故齿轮3 与齿轮4，6 规格也一样。齿轮 5 是连接 4 与6 的，考虑到实际工程，齿轮 5 应取大些.故几个齿轮参数如表 1.12所示

模数压力角齿数直径

（。）

（mm）（mm）齿轮3 4 20 24 96

齿轮4 4 20 24 96

齿轮5 4 20 40 160

齿轮6 4 20 24 96

表1.12

4.5 槽轮半径的选择

本机构中，槽轮是用来间歇传送钢丝的，槽轮每转动90 次度，送料一次。本机构制造铁钉长为70mm，冷镦时会挤压一些钢丝，故每次送料为75mm。即槽轮1/4 弧长为75mm。利用弧长与圆心角的关系，可求得R7=48mm。

4.6 电动机的选择

本机构要求生产率为360 枚/MIN ，即与曲柄焊接的齿轮转速为360R/MIN 。所以选择电机的转速为1440R/MIN 。由于电机转速较大，需要先减速，一般采

用带传动来减速。飞轮 1 与飞轮2 的半径比为R1:R2 =1:4. 如表1.12 所示

型号功率电流转速效率功率额定额定最大/kw /A / /

因数转矩电力额定

（r/min）% cosφ

转矩

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5.运动方案选择

通过三种方案的优缺点的比对，运动的可靠性，传递的稳写性与可行性，设计的新颖性，我们最终确定了“方案三”为设计方案。以下为运动方案简图：

(a)主视图

向

(b)俯视图

6.运动循环图

如图所示

总结

这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。

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。

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