自動(dòng)制釘機(jī)送料機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

楊化動(dòng),張亦靜

(1.華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系,河北 保定 071003;2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

自動(dòng)制釘機(jī)利用鋼板或者鋼絲制造需要型號(hào)的釘子,送料裝置中的校直器將鋼絲校直,然后由送料器送進(jìn).合模裝置完成合模工序,將鐵絲按照規(guī)格切斷、壓緊.沖壓裝置將已經(jīng)切斷的鋼絲鐓粗,沖模后退,然后出料.由于傳統(tǒng)制釘機(jī)的進(jìn)料機(jī)構(gòu)必須在停機(jī)狀態(tài)才能用人工將鐵絲(盤(pán)絲)引入,同時(shí)每盤(pán)絲制釘后都要保留一段鐵絲用人工取出,因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)高效生產(chǎn).同時(shí),不能利用廢舊短直絲制造普通圓釘[1].

為了提高制釘機(jī)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率,自動(dòng)制釘機(jī)的送料機(jī)構(gòu)必須能夠自動(dòng)進(jìn)料.為了提高機(jī)器的適用范圍,考慮既可使用全新的盤(pán)絲也能使用廢舊鋼絲用于生產(chǎn),因此傳統(tǒng)制釘機(jī)的送料機(jī)構(gòu)必須改進(jìn).

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求

所設(shè)計(jì)的自動(dòng)制釘機(jī)制造的圓釘結(jié)構(gòu)如圖1所示,其適用范圍為能制造出釘身直徑d1=4.0,3.5,3.0 mm,釘身長(zhǎng)度L=100,80,55mm,釘頭直徑 d2=10,8,5mm,釘頭厚度s≈2mm 的三種圓釘,要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,噪音低,能耗小,使用、維護(hù)方便,生產(chǎn)率要求為 180～220個(gè)?min-1.

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有制釘機(jī)的調(diào)查分析,找出市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的要求和與國(guó)外相關(guān)制釘機(jī)差距,對(duì)要設(shè)計(jì)的自動(dòng)制釘機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)提出如下具體要求:①適應(yīng)性強(qiáng),可用于多種規(guī)格低碳鋼鋼釘?shù)募庸?②進(jìn)絲均勻,不能時(shí)長(zhǎng)時(shí)短,要保證外型上大致相同;③制釘機(jī)的進(jìn)料機(jī)構(gòu)能在不停機(jī)狀態(tài)時(shí)引入新一盤(pán)絲;④能利用短直絲制造普通圓釘,小于釘長(zhǎng)的鐵絲自動(dòng)掉出,不能卡在機(jī)器中.

圖1 圓釘結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 Con figu ration param eter of wire nail

2 功能原理設(shè)計(jì)

根據(jù)功能原理設(shè)計(jì)方法,利用黑箱法可以得出自動(dòng)制釘機(jī)進(jìn)料機(jī)構(gòu)要完成的總功能是實(shí)現(xiàn)鋼絲高效自動(dòng)進(jìn)料.根據(jù)制釘機(jī)的工藝流程,可將總功能分解為:間歇運(yùn)動(dòng),鋼絲校直和鋼絲送進(jìn).根據(jù)設(shè)計(jì)目錄法,對(duì)劃分的分功能進(jìn)行求解[2].

2.1 間歇運(yùn)動(dòng)[3～6]

(1)利用平面連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)先將電動(dòng)機(jī)的連續(xù)單向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連續(xù)正反轉(zhuǎn),再用單向軸承將正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為間歇單向轉(zhuǎn)動(dòng).

(2)利用平面連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)先將電動(dòng)機(jī)的連續(xù)單向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連續(xù)正反轉(zhuǎn),再用爪盤(pán)將正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為間歇單向轉(zhuǎn)動(dòng).

(3)利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加上齒輪齒條實(shí)現(xiàn).

(4)直接利用槽輪機(jī)構(gòu)將連續(xù)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為單向間歇轉(zhuǎn)動(dòng).

2.2 鋼絲送進(jìn)

勒刀;圓柱進(jìn)料輥;帶溝槽的圓柱進(jìn)料輥.

2.3 鋼絲校直

校直輥;帶溝槽的校直輥.

可以看出自動(dòng)制釘機(jī)送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案有如下幾種:C1為槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單向間歇性進(jìn)料,勒刀,校直輥;C2為槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單向間歇性進(jìn)料,圓柱進(jìn)料輥,帶溝槽的校直輥;C3為槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單向間歇性進(jìn)料,帶溝槽的圓柱進(jìn)料輥,帶溝槽的校直輥;C4為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加上齒輪齒條實(shí)現(xiàn)單向間歇進(jìn)料,勒刀,校直輥;C5為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加上齒輪齒條實(shí)現(xiàn)單向間歇進(jìn)料,圓柱進(jìn)料輥,帶溝槽的校直輥;C6為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加上齒輪齒條實(shí)現(xiàn)單向間歇進(jìn)料,帶溝槽的圓柱進(jìn)料輥,帶溝槽的校直輥;C7為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)加上爪盤(pán)實(shí)現(xiàn)單向間歇進(jìn)料,勒刀,校直輥;C8為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)加上爪盤(pán)實(shí)現(xiàn)單向間歇進(jìn)料,圓柱進(jìn)料輥,帶溝槽的校直輥;C9為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)加上爪盤(pán)實(shí)現(xiàn)單向間歇進(jìn)料,帶溝槽的圓柱進(jìn)料輥,帶溝槽的校直輥.

3 功能原理方案評(píng)價(jià)

從上述的九種設(shè)計(jì)方案中選擇最優(yōu)的解決方案,通常所采用的評(píng)價(jià)方法有計(jì)分法,但是由于功能原理方案設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步,存在很多未知的因素,因此傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法不利于設(shè)計(jì)師的綜合評(píng)判.層次分析方法是一種多屬性的決策方法,因此可以將其應(yīng)用于功能原理方案的評(píng)價(jià)中.

3.1 層次分析法[7]

層次分析方法是20世紀(jì)70年代美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出的,是一種多準(zhǔn)則思維的方法,將定性分析和定量分析相結(jié)合.功能原理方案通常情況下,根據(jù)個(gè)人的主觀判斷對(duì)眾多的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),選擇在現(xiàn)有設(shè)計(jì)約束條件下的最優(yōu)解,該方法無(wú)法定量地對(duì)各設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行排列,因此可以應(yīng)用層次分析方法解決上述問(wèn)題.

根據(jù)心理學(xué)的研究,人們?cè)谶M(jìn)行定性的成對(duì)比較時(shí),頭腦中通常有5種明顯的等級(jí):相同、稍強(qiáng)、強(qiáng)、明顯強(qiáng)、絕對(duì)強(qiáng).因此層次分方法用1～9尺度進(jìn)行度量,假設(shè)x和y為任意2個(gè)評(píng)價(jià)因素,其度量尺度如表1所示.

其評(píng)價(jià)過(guò)程如下:①將評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩成對(duì)比較,根據(jù)上述的度量尺度構(gòu)成成對(duì)比較矩陣;②選擇合適的排序方法,對(duì)上述的成對(duì)比較矩陣進(jìn)行歸一化處理,從而得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重以及權(quán)重向量;③將眾設(shè)計(jì)方案在同一評(píng)價(jià)指標(biāo)層中進(jìn)行兩兩比較,并獲得其相對(duì)權(quán)重;④各設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣排序等于二者的乘積.

3.2 進(jìn)料機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于自動(dòng)制釘機(jī)的送料機(jī)構(gòu)而言,為了保證送料準(zhǔn)確和高效,所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如下:b1為調(diào)整方便;b2為進(jìn)料精度;b3為運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性;b4為適應(yīng)性;b5為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.

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

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)專家評(píng)價(jià)結(jié)果,可以得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的成對(duì)比較矩陣如下,

式中:bij(i=1,2,…,5,j=1,2,…,5)為評(píng)價(jià)指標(biāo)bi和bj運(yùn)用層次分析法1～9尺度的評(píng)價(jià)結(jié)果.

綜合排序,歸一化之后得到權(quán)重向量為B=(b1,b2,b3,b4,b5)T=(0.174,0.384,0.298,0.085,0.059)T.

3.4 設(shè)計(jì)方案相對(duì)指標(biāo)層的評(píng)價(jià)

(1)將9個(gè)設(shè)計(jì)方案在評(píng)價(jià)指標(biāo)b1準(zhǔn)則下,進(jìn)行兩兩比較,其成對(duì)比較矩陣如下:

(2)將9個(gè)設(shè)計(jì)方案在評(píng)價(jià)指標(biāo)b2準(zhǔn)則下,進(jìn)行兩兩比較,其成對(duì)比較矩陣如下:

(3)將9個(gè)設(shè)計(jì)方案在評(píng)價(jià)指標(biāo)b3準(zhǔn)則下,進(jìn)行兩兩比較,其成對(duì)比較矩陣如下:

(4)將9個(gè)設(shè)計(jì)方案在評(píng)價(jià)指標(biāo)b4準(zhǔn)則下,進(jìn)行兩兩比較,其成對(duì)比較矩陣如下;

…,9)為第i個(gè)設(shè)計(jì)方案在指標(biāo)層b4下的相對(duì)權(quán)重.

(5)將9個(gè)設(shè)計(jì)方案在評(píng)價(jià)指標(biāo)b5準(zhǔn)則下,進(jìn)行兩兩比較,其成對(duì)比較矩陣如下:

3.5 設(shè)計(jì)方案總體評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)方案總排序計(jì)算公式如下:

式中:wi為第i個(gè)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)結(jié)果.

矩陣形式表示為

歸一化處理之后,其排序向量為(0.032,0.062,0.114,0.064,0.094,0.146,0.125,0.155,0.207).

根據(jù)以上的方案對(duì)比的結(jié)果可知方案9是最優(yōu)方案,即:利用平面連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)先將電動(dòng)機(jī)的連續(xù)單向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連續(xù)正反轉(zhuǎn),再用單向軸承將正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為間歇單向轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)間歇進(jìn)料,進(jìn)料輥和校直輥均選用帶溝槽的圓柱輥.這樣能使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,易于調(diào)整,并且振動(dòng)小,還能保證制釘質(zhì)量,能較好地滿足自動(dòng)制釘機(jī)進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求.

設(shè)置2個(gè)進(jìn)料滾,利用連桿機(jī)構(gòu)使其實(shí)現(xiàn)同步擺動(dòng),并將進(jìn)料輥定位于箱體上,形成進(jìn)絲裝置;校直輥固定于滑板之上,它同滑板一起組成校直裝置,并將校直裝置與進(jìn)絲裝置的2個(gè)箱體裝配到一起;進(jìn)絲輥、爪盤(pán)與連桿機(jī)構(gòu)安裝于同一個(gè)軸上,實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng);曲柄連桿機(jī)構(gòu)一端與減速器的輸出軸相連,另一端與爪盤(pán)相連.進(jìn)絲裝置、校直裝置、爪盤(pán)和連桿裝置構(gòu)成了整個(gè)進(jìn)料機(jī)構(gòu).

4 結(jié)論

自動(dòng)制釘機(jī)送料機(jī)構(gòu)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、進(jìn)料準(zhǔn)確.用勒刀進(jìn)料容易傷害鋼絲,影響鋼釘質(zhì)量,用圓柱進(jìn)料輥進(jìn)料不會(huì)傷害鋼絲截面.而帶溝槽的進(jìn)料輥和校直輥可以更好地實(shí)現(xiàn)鋼絲的對(duì)心,使進(jìn)料過(guò)程中鋼絲所受的壓力完全抵消,提高鋼釘質(zhì)量.雖然槽輪機(jī)構(gòu)能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)單向間歇運(yùn)動(dòng),但是卻不易調(diào)整間歇運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,無(wú)法完成多種規(guī)格的鋼釘?shù)闹圃?而曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加上齒輪齒條實(shí)現(xiàn)單向間歇運(yùn)動(dòng)時(shí),只需要調(diào)整曲柄長(zhǎng)度即可制造多種規(guī)格的鋼釘.齒輪齒條機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)和噪音較大,影響制釘質(zhì)量;曲柄搖桿機(jī)構(gòu)都是轉(zhuǎn)動(dòng)副組成,振動(dòng)和噪音小,傳動(dòng)精度高,同時(shí)爪盤(pán)實(shí)現(xiàn)單向間歇利用的是止回原理,運(yùn)用鍥形,摩擦角單向鎖死的方法,這樣止動(dòng)精確、靈敏,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),從而鋼釘進(jìn)料準(zhǔn)確.

利用功能原理設(shè)計(jì)方法獲得制釘機(jī)送料機(jī)構(gòu)的形態(tài)學(xué)矩陣,從而獲得系統(tǒng)的所有可能解.在系統(tǒng)最優(yōu)解的求解過(guò)程中,采用層次分析方法對(duì)提出的9種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)價(jià),最終確定方案9為最優(yōu)方案.

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