机械原理课程设计
题目
学 院 专业年级
机械与汽车工程学院
12级卓越班
学号姓名 2012211201 倪非 指导教师
贺良国
全自动制钉机的设计书(课程设计)
一、机构运动的说明
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、送丝校直同时完成，并按要求用间歇的机构实现送丝和夹紧在时间上的配合。
2、夹紧机构要实现送丝时放松，其余时间夹紧。 3、冷镦钉帽、冷挤钉尖，两项运动同时完成。
4、挤压完成后剪断钢丝。
5、夹紧机构松开，成品钢钉落下，进入下一个工艺循环 二、原始数据及设计要求
原始数据：
1、铁钉直径Φ1.6～Φ3.4 mm。 2、铁钉长度25～80 mm。 3、生产率360枚/min。
4、最大冷墩力3000N，最大剪断力2500N。
5、冷墩滑块质量8kg，其它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。
设计要求及尺寸计算
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，即生产周期T为1/6秒。要求原动件所固连轴
的转速为 12 π
rad/s。
3、剩余部分尺寸计算在下面各部件设计中都有提到。
三、各机构的设计步骤及运动简图
1、校直钢丝和间歇输送
校直钢丝时，只需要多个成对称位置排列的摩擦轮即可实现（如右图）。
对于间歇送丝机构，有两种方案：
方案一：可采用基圆半径相同的两齿轮，一齿轮为不完全齿轮，不完全齿轮的有齿部分占1/3，啮合时，带动与其同轴滚子转动送丝，不啮合时，停止送丝，达到间歇性送丝的目的。
方案二：摩擦轮机构（如图）：结构简单，为了可靠的输送需要加轴向的压紧力。摩擦轮转动时，两轮挤压钢丝摩擦钢丝产生摩擦力带动钢丝前进，两摩擦轮不接触时则停止传送，机构简单实用。
由于我们处理的钉子长度为60mm，0-60°为
校直钢丝结构图
π
送料阶段，3r=60，r=57.32，由于摩擦轮间要夹着钢丝，去除长丝的厚度，取半径为57mm，与摩擦轮固连齿轮齿数z=30。
送丝夹紧装置图
2、夹紧装置
使用凸轮来实现机构的往复运动
3、冷镦装置
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。为了减小电动机容量和机械速度波动可加飞轮。
方案一： 下图为简单的冲压机构，用轮系传动实现构件的来回摆动，由于考虑到冷镦时受力较大而且有很大的冲击力，下列装置过于简单会造成对构件有较大的冲击力。故查阅资料后得出方案二。
方案二（网上查找的处理方法）：在普通的曲柄滑块机构上装上一个类似杠杆的装置，达到增加冲击力的目地，又有急回特性。
图8
对于冷镦机构（见图8）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长的钢丝冷镦为钉帽，而行程总长为25mm，经计算，开始冷镦时θ=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
0.3πsinθ
速度近似相等）为-4sinθ，将θ=126°带入，得冷镦时滑块的速度为0.57m/s。
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。以30mm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。
4、冷挤钉尖--同时切断装置
采用凸轮机构。其机构简图如图所示。其工件原理和夹紧装置相似。两个凸轮同步运动推杆顶端为方向向左倾斜的挤刀，将铁钉尖挤出来同时钉子也断了，铁钉则落下。
四、各机构的组合
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。
图为机构的运动循环图
电动机的选择及飞轮
为满足360枚/分的生产设计要求,根据运动循环图，凸轮转速360转/分. 由于机构完全相同，冷镦,冷挤和剪断机构的转速为360转/分，考虑到各执行构件的转速都较高,同时考虑到传动过程中的安装方便和协调传动比的问题,因此我们选用同步转速为n0=750 r/min，50Hz，380V的电动机。
为了减小机器的速度波动和减小原动机的功率，为了转动平稳，需在摩擦轮，凸轮和与曲柄固连的齿轮上安装飞轮。
凸轮设计
冷挤装置和夹紧装置均用到了凸轮结构，故对凸轮进行设计。从动件常用运动规律特性比较与适用场合如下表 从动件运动规律表
运动规律 等速（直线） 等加等减速（抛物线） 简谐（余弦加速度） 摆线（正弦加速度） 3-4-5次多项式（五次多项式）
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，取槽凸轮基圆半径为50mm，滚子半径为5mm。
夹紧机构：
无
1.88
5.77
60.0
高速中载
无
2.00
6.28
39.5
柔性
1.57
4.93
无穷
柔性
2.00
4.00
无穷
(hω/φ)vmax /
冲击特性
刚性
1.00
amax / hω/φ
(
22
)
jmax / hω3/φ3
()
适用场合 低速轻载 中速轻载
无穷
无穷
中速中载
高速轻载
和300-360°）进行送丝。 冷挤剪断机构：
冷挤和剪断同时进行，需要在夹紧机构的远休止程内进行，故可选择冷挤和剪断机构在200-300°内为远休止。
感想与收获
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。
机械原理课程设计
题目
学 院 专业年级
机械与汽车工程学院
12级卓越班
学号姓名 2012211201 倪非 指导教师
贺良国
全自动制钉机的设计书(课程设计)
一、机构运动的说明
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、送丝校直同时完成，并按要求用间歇的机构实现送丝和夹紧在时间上的配合。
2、夹紧机构要实现送丝时放松，其余时间夹紧。 3、冷镦钉帽、冷挤钉尖，两项运动同时完成。
4、挤压完成后剪断钢丝。
5、夹紧机构松开，成品钢钉落下，进入下一个工艺循环 二、原始数据及设计要求
原始数据：
1、铁钉直径Φ1.6～Φ3.4 mm。 2、铁钉长度25～80 mm。 3、生产率360枚/min。
4、最大冷墩力3000N，最大剪断力2500N。
5、冷墩滑块质量8kg，其它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。
设计要求及尺寸计算
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，即生产周期T为1/6秒。要求原动件所固连轴
的转速为 12 π
rad/s。
3、剩余部分尺寸计算在下面各部件设计中都有提到。
三、各机构的设计步骤及运动简图
1、校直钢丝和间歇输送
校直钢丝时，只需要多个成对称位置排列的摩擦轮即可实现（如右图）。
对于间歇送丝机构，有两种方案：
方案一：可采用基圆半径相同的两齿轮，一齿轮为不完全齿轮，不完全齿轮的有齿部分占1/3，啮合时，带动与其同轴滚子转动送丝，不啮合时，停止送丝，达到间歇性送丝的目的。
方案二：摩擦轮机构（如图）：结构简单，为了可靠的输送需要加轴向的压紧力。摩擦轮转动时，两轮挤压钢丝摩擦钢丝产生摩擦力带动钢丝前进，两摩擦轮不接触时则停止传送，机构简单实用。
由于我们处理的钉子长度为60mm，0-60°为
校直钢丝结构图
π
送料阶段，3r=60，r=57.32，由于摩擦轮间要夹着钢丝，去除长丝的厚度，取半径为57mm，与摩擦轮固连齿轮齿数z=30。
送丝夹紧装置图
2、夹紧装置
使用凸轮来实现机构的往复运动
3、冷镦装置
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。为了减小电动机容量和机械速度波动可加飞轮。
方案一： 下图为简单的冲压机构，用轮系传动实现构件的来回摆动，由于考虑到冷镦时受力较大而且有很大的冲击力，下列装置过于简单会造成对构件有较大的冲击力。故查阅资料后得出方案二。
方案二（网上查找的处理方法）：在普通的曲柄滑块机构上装上一个类似杠杆的装置，达到增加冲击力的目地，又有急回特性。
图8
对于冷镦机构（见图8）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长的钢丝冷镦为钉帽，而行程总长为25mm，经计算，开始冷镦时θ=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
0.3πsinθ
速度近似相等）为-4sinθ，将θ=126°带入，得冷镦时滑块的速度为0.57m/s。
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。以30mm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。
4、冷挤钉尖--同时切断装置
采用凸轮机构。其机构简图如图所示。其工件原理和夹紧装置相似。两个凸轮同步运动推杆顶端为方向向左倾斜的挤刀，将铁钉尖挤出来同时钉子也断了，铁钉则落下。
四、各机构的组合
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。
图为机构的运动循环图
电动机的选择及飞轮
为满足360枚/分的生产设计要求,根据运动循环图，凸轮转速360转/分. 由于机构完全相同，冷镦,冷挤和剪断机构的转速为360转/分，考虑到各执行构件的转速都较高,同时考虑到传动过程中的安装方便和协调传动比的问题,因此我们选用同步转速为n0=750 r/min，50Hz，380V的电动机。
为了减小机器的速度波动和减小原动机的功率，为了转动平稳，需在摩擦轮，凸轮和与曲柄固连的齿轮上安装飞轮。
凸轮设计
冷挤装置和夹紧装置均用到了凸轮结构，故对凸轮进行设计。从动件常用运动规律特性比较与适用场合如下表 从动件运动规律表
运动规律 等速（直线） 等加等减速（抛物线） 简谐（余弦加速度） 摆线（正弦加速度） 3-4-5次多项式（五次多项式）
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，取槽凸轮基圆半径为50mm，滚子半径为5mm。
夹紧机构：
无
1.88
5.77
60.0
高速中载
无
2.00
6.28
39.5
柔性
1.57
4.93
无穷
柔性
2.00
4.00
无穷
(hω/φ)vmax /
冲击特性
刚性
1.00
amax / hω/φ
(
22
)
jmax / hω3/φ3
()
适用场合 低速轻载 中速轻载
无穷
无穷
中速中载
高速轻载
和300-360°）进行送丝。 冷挤剪断机构：
冷挤和剪断同时进行，需要在夹紧机构的远休止程内进行，故可选择冷挤和剪断机构在200-300°内为远休止。
感想与收获
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。