现代设计方法——自动制钉机

目录 1 简介 .............................................................................................................................. 1 1 .1 基本概况 ............................................................................................................ 1 1 .2 自动制钉机的工作原理及工艺过程 ................................................................ 2 1 .3 抽象化，识别问题的实质 ................................................................................ 5 2 方案设计步骤及要求 .................................................................................................. 3 2 .1 方案设计的工作步骤 ........................................................................................ 3 2 .2 阐明任务书 ........................................................................................................ 4 3 思路与方案 .................................................................................................................. 6 3 .1 方案一 ................................................................................................................ 6 3 .2 方案二 ................................................................................................................ 7 3 .3 方案三 ................................................................................................................ 8 3 .4 方案比较 ............................................................................................................ 8 4 总结 .............................................................................................................................. 9 厦门大学物理与机电工程学院

1 1 简介 1 .1 基本概况 1. 钢钉是用途极为广泛的建筑五金制品尤其在当今的建筑行业中需要大量的钢钉作为劳动的工具，所以要高效、合理、廉价地生产出钢钉需要一套整体结构紧凑，科学合理，性能稳定，操作简单简便利的自动制钉机。 2. 自动制钉机主要采用废旧钢筋来作为原料，通过拉直，镦尖等工序来生产我们日常生活中的所用圆钉子，具有原材料易取、广泛，投资较少等优点。  一下是两种钉的实物图

图1 图2

 一下是制钉机的实物图

图3 厦门大学物理与机电工程学院

2 1 .2 自动制钉机的工作原理及工艺过程 原理：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。 工艺过程： 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。 厦门大学物理与机电工程学院

3 2 方案设计步骤及要求 2 .1 方案设计的工作步骤 按照设计工作流程，在阐明任务书后即进入方案设计阶段。方案设计是设计过程中的这样一部分，即在阐明了任务书以后，通过抽象化、建立功能结构、寻求合适的作用原理并将其组合，而确定原理解（原理方案）。方案设计的工作步骤如下图：

图4 方案设计的工作步骤 确定要求表，转入抽象化以认清本质问题 建立功能结构（总功能-分）寻找作用原理以实现各分将作用原理组合为作用结选出合适的组合 具体化为各原理解的变型根据技术准则和经济准则确定原理解（方案）

方案设计 厦门大学物理与机电工程学院

4 2 .2 阐明任务书 根据制钉机的使用条件、适用情况、客户的成本要求以及人机工程条件等方面的信息，制定要求表1如下：

表1 要求表 用于：制钉机 张：1 页：1 必/愿 要 求 负责者 必 必 必 必 必 愿 必 必 必 必 必 必 必 必 愿 1. 动力源：自带驱动电机，转速要求970r/min 2. 生产率：360枚/分钟 3. 产品尺寸要求： 直径40×厚度5（mm） 长度25—80mm 4. 冲头压力：3000N 5. 最大剪断力：2500N 6. 机器平稳要求：机器运转不均匀系数δ=0.05 7. 冲头质量8kg 8. 制造方便，尽量使用通用件 9. 制钉机压力可以调整 10.维护：维修方便，性能稳定 11.机器运行噪声小 12.成本低廉，机器外形尽量简洁 13.容量可调整 14.厂牌装设醒目 15.增加成本不多情况下外设清洁装置 厦门大学物理与机电工程学院

5 2 .3 抽象化，识别问题的实质 根据要求表的要求可知，系统的总体功能是实现各种颗粒状原料压制成圆片，其暗箱模型如下：

图5 黑箱模型 制钉机主要用于制作各种不同型号的的钢钉，用于室内加工使用。可以将电能转变为机械能，通过校直、送料、夹紧、冷镦、冷挤、冷镦、剪切的6个动作来完成钢钉的压制。

能量 黑 箱

原料 成品

振动 噪音

温度 湿度 厦门大学物理与机电工程学院

6 3 思路与方案 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。

3 .1 方案一 在这个方案中，我们采用槽轮机构，产生间歇运动，带动摩擦轮传送钢丝。然后通过夹紧机构夹紧，挤钉尖机构，切断机构，和挤钉帽机构在同一平面内协调工作。夹紧机构和挤钉尖机构我们确定用内槽凸轮，避免用弹簧或依靠重力使推杆回复，而且比较平稳，等加速运动是柔性冲击，冲击相对较小。挤钉帽机构我们采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。 厦门大学物理与机电工程学院

7 图6 方案一-运动结构简图 3 .2 方案二 这个方案中我们考虑将挤钉尖和切断的动作同时进行，可以提高效率，同时又能避免复杂的协调工作。其次，我们将方案一中的曲柄滑块机构替换为增力机构，因为我们考虑到可能对于需要较大力的挤钉帽机构，普通的曲柄滑块机构无法产生足够大的力。

图7 方案二-运动结构简图 厦门大学物理与机电工程学院

8 3 .3 方案三 在这个方案中，我们仍旧采纳了槽轮机构作为送丝机构的主动件，但在槽轮机构并为直接接到摩擦轮，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。镦钉帽机构用增力机构，因为镦钉帽需要较大的力，采用这个机构能够增大压力角。切断机构采用曲柄滑块机构，能产生急回特性，但和方案一中不同，我们将切断机构放在了垂直平面，虽然这样协调较为复杂，但考虑到准确性将大大提高。镦钉尖机构和夹紧机构仍采用内槽凸轮。

图8 方案三-运动结构简图 3 .4 方案比较 1. 方案一最为简单紧凑，但镦钉帽的曲柄滑块机构所产生的力可能不够大，无法完成镦钉帽的功能。 2. 方案二中将切断机构分离出来，和镦钉尖不同完成，这样可以提高切断时的稳定性和准确性。采用加力机构又能够使方案一中镦力不够的情况得以解决。 3. 方案三中吸取了前两个方案的优点，同时避免了相应的缺陷。并且增加的齿轮能够通过调配齿轮，调整传动比，进而调整钉子的长度，能更好的符合设计要求。 4. 因此方案三成为我们的最终方案。