自动制钉机送料机构方案设计

杨化动,张亦静

(1.华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071003;2.武汉理工大学机电工程学院,湖北 武汉 430070)

自动制钉机利用钢板或者钢丝制造需要型号的钉子,送料装置中的校直器将钢丝校直,然后由送料器送进.合模装置完成合模工序,将铁丝按照规格切断、压紧.冲压装置将已经切断的钢丝镦粗,冲模后退,然后出料.由于传统制钉机的进料机构必须在停机状态才能用人工将铁丝(盘丝)引入,同时每盘丝制钉后都要保留一段铁丝用人工取出,因此无法实现全自动高效生产.同时,不能利用废旧短直丝制造普通圆钉[1].

为了提高制钉机的自动化程度和生产效率,自动制钉机的送料机构必须能够自动进料.为了提高机器的适用范围,考虑既可使用全新的盘丝也能使用废旧钢丝用于生产,因此传统制钉机的送料机构必须改进.

1 设计参数及要求

所设计的自动制钉机制造的圆钉结构如图1所示,其适用范围为能制造出钉身直径d1=4.0,3.5,3.0 mm,钉身长度L=100,80,55mm,钉头直径 d2=10,8,5mm,钉头厚度s≈2mm 的三种圆钉,要求结构简单,噪音低,能耗小,使用、维护方便,生产率要求为 180～220个◦min-1.

根据对现有制钉机的调查分析,找出市场对产品的要求和与国外相关制钉机差距,对要设计的自动制钉机进料系统提出如下具体要求:①适应性强,可用于多种规格低碳钢钢钉的加工;②进丝均匀,不能时长时短,要保证外型上大致相同;③制钉机的进料机构能在不停机状态时引入新一盘丝;④能利用短直丝制造普通圆钉,小于钉长的铁丝自动掉出,不能卡在机器中.

图1 圆钉结构参数Fig.1 Con figu ration param eter of wire nail

2 功能原理设计

根据功能原理设计方法,利用黑箱法可以得出自动制钉机进料机构要完成的总功能是实现钢丝高效自动进料.根据制钉机的工艺流程,可将总功能分解为:间歇运动,钢丝校直和钢丝送进.根据设计目录法,对划分的分功能进行求解[2].

2.1 间歇运动[3～6]

(1)利用平面连杆机构中的曲柄摇杆机构先将电动机的连续单向转动转化为连续正反转,再用单向轴承将正反转转化为间歇单向转动.

(2)利用平面连杆机构中的曲柄摇杆机构先将电动机的连续单向转动转化为连续正反转,再用爪盘将正反转转化为间歇单向转动.

(3)利用曲柄滑块机构加上齿轮齿条实现.

(4)直接利用槽轮机构将连续正转转化为单向间歇转动.

2.2 钢丝送进

勒刀;圆柱进料辊;带沟槽的圆柱进料辊.

2.3 钢丝校直

校直辊;带沟槽的校直辊.

可以看出自动制钉机送料机构的设计方案有如下几种:C1为槽轮机构实现单向间歇性进料,勒刀,校直辊;C2为槽轮机构实现单向间歇性进料,圆柱进料辊,带沟槽的校直辊;C3为槽轮机构实现单向间歇性进料,带沟槽的圆柱进料辊,带沟槽的校直辊;C4为曲柄滑块机构加上齿轮齿条实现单向间歇进料,勒刀,校直辊;C5为曲柄滑块机构加上齿轮齿条实现单向间歇进料,圆柱进料辊,带沟槽的校直辊;C6为曲柄滑块机构加上齿轮齿条实现单向间歇进料,带沟槽的圆柱进料辊,带沟槽的校直辊;C7为曲柄摇杆机构加上爪盘实现单向间歇进料,勒刀,校直辊;C8为曲柄摇杆机构加上爪盘实现单向间歇进料,圆柱进料辊,带沟槽的校直辊;C9为曲柄摇杆机构加上爪盘实现单向间歇进料,带沟槽的圆柱进料辊,带沟槽的校直辊.

3 功能原理方案评价

从上述的九种设计方案中选择最优的解决方案,通常所采用的评价方法有计分法,但是由于功能原理方案设计是机械产品设计的第一步,存在很多未知的因素,因此传统的评价方法不利于设计师的综合评判.层次分析方法是一种多属性的决策方法,因此可以将其应用于功能原理方案的评价中.

3.1 层次分析法[7]

层次分析方法是20世纪70年代美国运筹学家Saaty提出的,是一种多准则思维的方法,将定性分析和定量分析相结合.功能原理方案通常情况下,根据个人的主观判断对众多的设计方案进行评价,选择在现有设计约束条件下的最优解,该方法无法定量地对各设计方案的优劣进行排列,因此可以应用层次分析方法解决上述问题.

根据心理学的研究,人们在进行定性的成对比较时,头脑中通常有5种明显的等级:相同、稍强、强、明显强、绝对强.因此层次分方法用1～9尺度进行度量,假设x和y为任意2个评价因素,其度量尺度如表1所示.

其评价过程如下:①将评价指标两两成对比较,根据上述的度量尺度构成成对比较矩阵;②选择合适的排序方法,对上述的成对比较矩阵进行归一化处理,从而得到评价指标的相对权重以及权重向量;③将众设计方案在同一评价指标层中进行两两比较,并获得其相对权重;④各设计方案的优劣排序等于二者的乘积.

3.2 进料机构评价指标

对于自动制钉机的送料机构而言,为了保证送料准确和高效,所建立的评价指标体系如下:b1为调整方便;b2为进料精度;b3为运动平稳性;b4为适应性;b5为结构简单.

表1 层次分析方法度量尺度Tab.1 Eva luation sca le of analy tica l hierarchy process

3.3 评价指标相对权重计算

根据专家评价结果,可以得到评价指标的成对比较矩阵如下,

式中:bij(i=1,2,…,5,j=1,2,…,5)为评价指标bi和bj运用层次分析法1～9尺度的评价结果.

综合排序,归一化之后得到权重向量为B=(b1,b2,b3,b4,b5)T=(0.174,0.384,0.298,0.085,0.059)T.

3.4 设计方案相对指标层的评价

(1)将9个设计方案在评价指标b1准则下,进行两两比较,其成对比较矩阵如下:

(2)将9个设计方案在评价指标b2准则下,进行两两比较,其成对比较矩阵如下:

(3)将9个设计方案在评价指标b3准则下,进行两两比较,其成对比较矩阵如下:

(4)将9个设计方案在评价指标b4准则下,进行两两比较,其成对比较矩阵如下;

…,9)为第i个设计方案在指标层b4下的相对权重.

(5)将9个设计方案在评价指标b5准则下,进行两两比较,其成对比较矩阵如下:

3.5 设计方案总体评价

设计方案总排序计算公式如下:

式中:wi为第i个设计方案的评价结果.

矩阵形式表示为

归一化处理之后,其排序向量为(0.032,0.062,0.114,0.064,0.094,0.146,0.125,0.155,0.207).

根据以上的方案对比的结果可知方案9是最优方案,即:利用平面连杆机构中的曲柄摇杆机构先将电动机的连续单向转动转化为连续正反转,再用单向轴承将正反转转化为间歇单向转动从而实现间歇进料,进料辊和校直辊均选用带沟槽的圆柱辊.这样能使结构更加简单,易于调整,并且振动小,还能保证制钉质量,能较好地满足自动制钉机进料机构的设计要求.

设置2个进料滚,利用连杆机构使其实现同步摆动,并将进料辊定位于箱体上,形成进丝装置;校直辊固定于滑板之上,它同滑板一起组成校直装置,并将校直装置与进丝装置的2个箱体装配到一起;进丝辊、爪盘与连杆机构安装于同一个轴上,实现单向运动;曲柄连杆机构一端与减速器的输出轴相连,另一端与爪盘相连.进丝装置、校直装置、爪盘和连杆装置构成了整个进料机构.

4 结论

自动制钉机送料机构要求运动平稳、进料准确.用勒刀进料容易伤害钢丝,影响钢钉质量,用圆柱进料辊进料不会伤害钢丝截面.而带沟槽的进料辊和校直辊可以更好地实现钢丝的对心,使进料过程中钢丝所受的压力完全抵消,提高钢钉质量.虽然槽轮机构能简单地实现单向间歇运动,但是却不易调整间歇运动的时间,无法完成多种规格的钢钉的制造;而曲柄滑块机构加上齿轮齿条实现单向间歇运动时,只需要调整曲柄长度即可制造多种规格的钢钉.齿轮齿条机构在运动过程中振动和噪音较大,影响制钉质量;曲柄摇杆机构都是转动副组成,振动和噪音小,传动精度高,同时爪盘实现单向间歇利用的是止回原理,运用锲形,摩擦角单向锁死的方法,这样止动精确、灵敏,运动平稳,从而钢钉进料准确.

利用功能原理设计方法获得制钉机送料机构的形态学矩阵,从而获得系统的所有可能解.在系统最优解的求解过程中,采用层次分析方法对提出的9种设计方案进行了详细评价,最终确定方案9为最优方案.

[1] 安徽省马鞍山市科技局.全自动制钉机送丝器:中国,ZL02286263.3[P].2002-11-26.

Maanshan Science and Technology Bureau.Feeder for autom ative nailmaking machine:China,ZL02286263.3[P].2002-11-26.

[2] 黄靖远,贾延林.机械设计学[M].第2版.北京:机械工业出版社,2000.

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[3] 楼鸿棣,邹慧君.高等机械原理[M].北京:高等教育出版社,2000.

LOU Hongli,ZOU Huijun.Advanced principle of mechanics[M].Beijing:High Education Press,2000.

[4] 邹慧君.机械运动方案设计手册[M].上海:上海交通大学出版社,1994.

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[5] 刘政昆.间歇运动机构[M].大连:大连理工大学出版社,1991.

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[6] 邹慧君,殷鸿良.连杆机构设计与应用创新[M].北京:机械工业出版社,2008.

ZOU Huijun,YIN Hongliang.Linkage design and application innovation[M].Beijing:China Machine Press,2008.

[7] 古莹奎,杨震宇.概念设计方案评价的模糊多准则决策模型[J].计算机集成制造系统,2007,13(8):1504-1509.

GU Yingkui,YANG Zhenyu.Fuzzy multi-criteria decision-makingmodel for conceptual design candidates evaluation[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2007,13(8):1504-1509.