【正文】 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 1 第一章 緒論 全自動沖孔機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 日新月異的高新技術(shù)，帶動新材料、新設(shè)計(jì)、新工藝不斷推陳出新，作為現(xiàn)代化機(jī)械中的沖孔機(jī)，也以不斷創(chuàng)新的先進(jìn)技術(shù)和全新的面貌出現(xiàn)在用戶面前。目前兩大品類（有孔、無孔）的沖孔機(jī)中，都采用了現(xiàn)代電子技術(shù)，如 票據(jù)自動沖孔機(jī) 采用的票據(jù)打孔設(shè)備 是采用 PLC 控制伺服系統(tǒng)進(jìn)行票據(jù)自動定位，具有定位精度高、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn) [15]。 全自動打孔沖孔機(jī)中的自動調(diào)整、打孔、成型、燈光指示、自動報(bào)警、自動排屑等，構(gòu)成了手動、半自動、自動化產(chǎn)品系統(tǒng)；為了服務(wù)于不同用戶的需要， 小到個人用的經(jīng)濟(jì)型訂書機(jī)，大至機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位用的全自動專業(yè)沖孔機(jī)，都配套完備；面對不同用途，金屬、鐵圈、膠圈、螺旋圈（金屬、塑料），或圓鈕、打孔、無孔熱熔等各種沖孔機(jī)應(yīng)有盡有；對不同行業(yè)、不同業(yè)務(wù)、不同場合乃至不同零件及其厚度的需要，有專門設(shè)計(jì)的輕巧型的、辦公室用的、專業(yè)用的、票據(jù)用的、工廠用的產(chǎn)品等，各種沖孔機(jī)種類齊全；對于刻意追求形象美觀、色澤鮮艷、設(shè)計(jì)獨(dú)具個性的用戶，現(xiàn)代沖孔機(jī)也一改過去的老面孔，出現(xiàn)了各種顏色、多種造型、創(chuàng)意新穎、功能“二合一”、材料多樣的裝飾型沖孔機(jī)。總之，適應(yīng)時(shí)代潮流，適應(yīng)市場 需要，適應(yīng)用戶“上帝”的意愿，沖孔機(jī)正向著產(chǎn)品多樣化、系列化、功能化、操作簡單化、自動化、價(jià)位多元化方向發(fā)展。 目前，我國沖孔機(jī)市場也在向國際市場接軌，世界知名的辦公及工廠設(shè)備廠商如法國寶、彪馬、亞大力、美連、意必高、利寶等公司產(chǎn)品相繼進(jìn)入我國市場，歐美的、日本的及我國大陸、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)、臺灣省產(chǎn)的沖孔機(jī)，各式各樣品種不斷推陳出新并展示于中國市場，使廣大用戶大開眼界，領(lǐng)略各種新潮風(fēng)格的產(chǎn)品。 在日常生產(chǎn)和生活中，沖孔工作隨處可見，這樣的設(shè)備也多種多樣，但集送料和沖孔功能于一身的聯(lián)合沖孔，迄 今為止在相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表還不多見?；诖朔N情況，我這次設(shè)計(jì)的全自動沖孔機(jī)將送料和沖孔功能集于一身，很好的解決了以前的人工送料問題，使結(jié)構(gòu)流程得到很好的簡化及縮短，提高了生產(chǎn)效率及工作環(huán)境的安全性能，力求做到環(huán)保及節(jié)省資源的效果，使得沖孔的效率大大的提高。 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 2 課題的來源、研究的目的及意義 隨著市場經(jīng)濟(jì)的繁榮，商業(yè)活動的效率越來越高，機(jī)械日趨成為重要的行業(yè)，而機(jī)械行業(yè)中的零部件如 保險(xiǎn)管帽孔 的沖孔又變得非常重要，但由于 傳統(tǒng)的保險(xiǎn)管帽孔的沖制是：由工人將工件一件一件放置在沖孔模具上，然后沖壓機(jī)動作完成沖孔，工人再 取出工件。該法結(jié)構(gòu)簡單，但效率低，成本高，易發(fā)生事故 [12]。正是基于上序情況，本課題根據(jù)社會的需求將設(shè)計(jì)出新型的全自動沖孔機(jī)。此設(shè)計(jì)的目的和意義主要是解決傳統(tǒng)的的 人工上料、取料 問題，采用傳輸裝置全自動送料，減少 人工壓緊工件 、 勞動強(qiáng)度大 、 安全可靠性差 及 模具容易損壞 等問題，避免工傷事故；其次是在滿足沖孔精度的條件下節(jié)省原材料及成本。 本設(shè)計(jì)的主要工作 在一臺現(xiàn)代化的機(jī)器中 ,常會包含著機(jī)械、電氣、液壓、潤滑、冷卻、信號、控制、檢測等系統(tǒng)的部分或全部 ,但是機(jī)器的主體 ,仍然是它的機(jī)械系統(tǒng)。無論分解哪一臺機(jī)器 ，它的機(jī)械系統(tǒng)總是由一些機(jī)構(gòu)組成；每個機(jī)構(gòu)又是由許多零件組成。所以，機(jī)器的基本組成要素是機(jī)械零件。 本次設(shè)計(jì)的主要工作是在認(rèn)真分析目前已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用的幾種沖孔機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)之后，結(jié)合我國目前的保險(xiǎn)管帽孔的生產(chǎn)狀況，設(shè)計(jì)出了一臺比較先進(jìn)的全自動沖孔機(jī)。 要求 設(shè)計(jì)的為保險(xiǎn)管帽上沖孔的全自動沖孔機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單， 該機(jī)要求能在外徑為 ，壁厚 為 的保險(xiǎn)管帽（如圖 11）上自動沖出直徑為 的小孔，孔對零件中心的偏差不能超過177。 ，且每秒沖 3件。 圖 11 保險(xiǎn)管帽 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 3 針對設(shè)計(jì)的要求，決定 該沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)思路為：采用振動料斗自動送料的機(jī)構(gòu)，從料斗出來的加工零件進(jìn)入分度盤，而分度盤由不完全齒輪帶動，分度盤的的旋轉(zhuǎn)使加工零件準(zhǔn)確的進(jìn)入凹模部位等待加工；送料的同時(shí)由電動機(jī)帶動偏心輪軸旋轉(zhuǎn)，偏心輪帶動滾動軸承及上模座運(yùn)動，而上模座的運(yùn)動使使凸模的沖頭完成沖孔任務(wù)，偏心輪軸的另外一端裝錐齒輪，錐齒輪之間的傳動帶動不完全齒輪軸運(yùn)動，不完全齒輪帶動分度盤運(yùn)動，如此循環(huán)。 根據(jù)設(shè)計(jì)思路，本次設(shè)計(jì)主要要完成的工作為： 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)； 電動機(jī)的選擇； 偏心輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)； 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ； 錐齒輪的設(shè)計(jì)； 軸與零部件的設(shè)計(jì)； 模具的設(shè)計(jì)； 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 4 第二章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 總體方案的確定 由于保險(xiǎn)管帽的沖的孔徑較小，要求精度高。又由于傳統(tǒng)的沖孔是工人將工件一件一件的放置在沖孔模具上，然后沖壓機(jī)動作完成沖孔，工人再取出工件，該法結(jié)構(gòu)簡單，但效率低，成本高，易發(fā)生事故。所以本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)出一臺全新的全自動沖孔機(jī)，要求自動送料、沖孔與一體。 近些年來，國內(nèi)一些工廠和研究單位在開發(fā)沖孔機(jī)械上做了許多工作，也取得了一定的進(jìn)展。從控制方式上來分大體可總結(jié)為 PLC（可編程 控制器） +伺服系統(tǒng) +步進(jìn)電機(jī)或不完全齒輪系統(tǒng) +彈性阻尼裝置 +異步電動機(jī)。 PLC（可編程控制器） +伺服系統(tǒng) +步進(jìn)電機(jī)控制具有定位精度高、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)。此控制設(shè)計(jì)出來的全自動沖孔機(jī)能實(shí)現(xiàn)全自動操作的功能，生產(chǎn)效率同普通人工送料機(jī)相比增加了 90%，節(jié)約人力資源 50%。但是此機(jī)設(shè)計(jì)出來占用較大的空間，且要求操作嚴(yán)格及維修費(fèi)用制造費(fèi)用較高，不太適合小型企業(yè)的使用及制造，耗電較 ]18[大 。 不完全齒輪系統(tǒng) +彈性阻尼裝置 +異步電動機(jī)控制的全自動沖孔機(jī)具有結(jié)構(gòu)較簡單，外形美觀大方， 結(jié)構(gòu)合理，占地面積少，能精確的完成自動沖孔任務(wù)，要求人員操作的技術(shù)水平較低且操作便捷，整臺機(jī)器耗電量少，價(jià)格相對比較便宜，勞動生產(chǎn)率相對普通的人工送料機(jī)提高 2 倍左右。但是此機(jī)器加工的產(chǎn)品效率較低，使用年限較短，適合小型企業(yè)制造及使 ]16[用 。 綜上所述，結(jié)合所需公司的特點(diǎn)和借鑒其他全自動沖孔機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對二種沖孔機(jī)控制方案的反復(fù)論證，確定本沖孔機(jī)的控制采用不完全齒輪系統(tǒng) +彈性阻尼裝置控制，以三相電動機(jī)為動力，模具沖頭為工作執(zhí)行部件，振動料斗為送料部件。利用電動機(jī)帶動主 軸及偏心輪而實(shí)現(xiàn)沖孔的總體設(shè)計(jì)方案。 確定傳動方案，方案簡圖如下（圖 21 所示）： 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 5 （ a） （ b） 圖 21 方案簡圖 比較 2 種傳動方案，方案 (a)采用無級變速電動機(jī)帶動主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行沖孔，方案（ b）采用 Y型電動機(jī)帶動，采用齒輪減速器減速來達(dá)到?jīng)_孔的額定轉(zhuǎn)速。 比較方案（ a）跟（ b），顯然方案（ a）簡單方便，占地面積少，結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、使用維護(hù)方便、工藝及經(jīng)濟(jì)合理，使用于軸受力較小的傳動。方案（ b）采用 Y 型電動機(jī)，因?yàn)?Y 型電動機(jī)的轉(zhuǎn)速都比較高，而要求的電動機(jī)轉(zhuǎn)速比較小，且采用齒輪減速，增加了成本 以及使機(jī)構(gòu)不緊湊，不方便安裝加工，占地面積較方案（ a）大，適合軸傳動受力較大的機(jī)構(gòu)。 因?yàn)榇舜螞_的孔為小孔，軸受力不大，所以經(jīng)過比較確定方案（ a）為最終方案。 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 6 工作原理和創(chuàng)新之處 工作原理 全自動沖孔機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖（如圖 22） 圖 22 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖 輪 9電機(jī)固定板 l0.電機(jī) 輪 l 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 7 全自動沖孔機(jī)的系統(tǒng)的工作原理簡述如下： 啟動調(diào)節(jié)沖孔開關(guān)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動。通過聯(lián)軸器，凸輪 軸軸帶動凸輪和錐齒輪旋轉(zhuǎn)。 偏心輪帶動軸承 座，軸承，模具的上模部分運(yùn)動，當(dāng)沖孔時(shí)，偏心輪給予向前的位移，模具卸料板內(nèi)的彈簧壓縮，凸模完成沖孔；當(dāng)卸料時(shí)，卸料板內(nèi)彈簧伸長，凸模向后運(yùn)動，卸料板卸掉已沖好的保險(xiǎn)管帽。 兩錐齒輪嚙合改變運(yùn)動方向，錐齒輪軸旋轉(zhuǎn)。軸帶動不完全主動齒輪，不完全從動齒輪和固定在不完全從動齒輪上的分度盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。主軸旋轉(zhuǎn)一周，不完全從動齒輪轉(zhuǎn) 1/4周，這樣可以把振動料斗出來的有序料一個一個地送到凹模上。主軸旋轉(zhuǎn)一周沖一個保險(xiǎn)管帽，從而實(shí)現(xiàn)自動沖孔。 完成全自動沖孔任務(wù) 先啟動振動料斗開關(guān)，振動料斗開始振動送料，經(jīng)過料斗斜槽后進(jìn)入料嘴。料嘴與分度盤的料槽相連，來料（保險(xiǎn)管帽）恰好每次只有一個進(jìn)入分度盤料槽。 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 8 創(chuàng)新之處 （ 1） 采用不完全齒輪機(jī)構(gòu)（如圖 32所示）作為間隙運(yùn)動機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動齒輪 1轉(zhuǎn)一周時(shí)，從動齒輪 2轉(zhuǎn)四分之一周，從動齒輪每轉(zhuǎn)停歇四次。當(dāng)從動齒輪停歇時(shí)，主動齒輪上的鎖止弧與從動齒輪上的鎖止弧互相配合鎖住，以保證從動齒輪停歇在鎖定位置。當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)不完全齒輪機(jī)構(gòu) （如 圖 23所示） 時(shí)，主動齒輪角速度增大，從 動齒輪的角速度亦增大，運(yùn)轉(zhuǎn)中慣性力增大，此時(shí)容易發(fā)生齒輪間卡死。為此我們在系統(tǒng)中增加了彈性阻尼系統(tǒng)（如圖 24所示）。 通過調(diào)節(jié)彈簧彈力大小來克服齒輪 的慣性力。如需在高速下運(yùn)行，齒輪的慣性力較大，則彈簧的彈力應(yīng)加大，反之，則彈力應(yīng)減小。從而保證不完全齒輪能夠在高速中正常運(yùn)行。 圖 23 不完全齒輪機(jī)構(gòu) （ 2） 此機(jī)構(gòu)利用沖孔模具的導(dǎo)向作用，省去了沖床的滑塊機(jī)構(gòu)；因沖裁力較小，省去了沖床的飛輪機(jī)構(gòu)，因而整個機(jī)構(gòu)得到簡化，加工方便。 （ 3） 模具通常垂直安裝在沖床上完成沖壓任務(wù)。而本機(jī)構(gòu)利用現(xiàn)有模架，并且考慮 到從振動料斗出來的保險(xiǎn)管帽是水平的，應(yīng)而將沖孔模具水平放置即水平方向完成沖孔任務(wù)。 （ 4） 此機(jī)構(gòu)自身就是一部小沖床和送料機(jī)構(gòu)，解決了占用其它沖床的矛盾。 （ 5）通過采用不完全齒輪和分度盤及彈性阻尼裝置在同一變速電機(jī)的驅(qū)動下 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 9 與沖孔實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的精準(zhǔn)配合使該沖孔機(jī)實(shí)現(xiàn)了真正的全自動沖孔，不再是 以往生產(chǎn)的半自動手工送料，安全省力且提高了送料精度。 圖 24 彈性阻尼系統(tǒng) （ 6） 以往采用的沖床功率較大，生產(chǎn)中耗電量大，成本較高。本機(jī)構(gòu)消耗功率 500W，大大節(jié)省能源，降低成本。 （ 7） 本設(shè)計(jì)采用無級電機(jī)變速代替以前復(fù)雜的傳動及變速裝置，它可以任意調(diào)節(jié)沖孔速度并減少了大量的傳動和變速裝置使機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小且傳動效率高、使用維護(hù)方便、工藝及經(jīng)濟(jì)合理， 以往采用的沖床功率較大，采用且對于生產(chǎn)中耗電量大，成本較高的問題，本機(jī)構(gòu)消耗功率 500W，大大節(jié)省能源，降低成本。 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 10 第三章 電動機(jī)的選擇 電動機(jī)的類型 經(jīng)查閱相關(guān)資料，得到無極變速電動機(jī)的類型主要有冶金及起重用變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)、電磁調(diào)速三相異步電動機(jī)、變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)等。其主要特點(diǎn)和應(yīng)用場合如下（表 31）： 表 ]4[13? 名稱 特點(diǎn)和應(yīng)用場合 YTSZ 冶金及起重用變頻調(diào)速三相異步電動機(jī) 冶金及起重用變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)，是在 YTSP 系列變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)冶金及起重用三相異步電動機(jī)的使用特點(diǎn)而開發(fā)的系列產(chǎn)品。開發(fā)中綜合了生產(chǎn)冶金及起重用直流電動機(jī)和交流電梯電機(jī)的豐富經(jīng)驗(yàn)，以及對交流變頻調(diào)速的研究成果，電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)既考慮了對變頻電源供電和寬范圍變頻調(diào)速的適應(yīng)能力，又體現(xiàn)了冶金及起重用三相異步電動機(jī)過載能力大、機(jī)械強(qiáng) 度高的特點(diǎn)。與變頻調(diào)速良好的起、制動功能相結(jié)合，特別適用于采用變頻調(diào)速、短時(shí)或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁起動和制動的場合。電機(jī)基本技術(shù)條件符合 IEC60034－ 1 和 GB755 國際和國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，安裝尺寸符合 IEC72 國際標(biāo)準(zhǔn) YCT 電磁調(diào)速三相異步電動機(jī) YCT電磁調(diào)速電動機(jī)是機(jī)械工業(yè)部組織設(shè)計(jì)的 Y系列異步電動機(jī)的主要派生系列。電磁調(diào)速電動機(jī)由拖動電機(jī) (Y 系列電動機(jī) )。電磁轉(zhuǎn)差離合器和控制器三部份組成，可用于恒轉(zhuǎn)距負(fù)載場合，特別適宜在遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)載中使用 (例如離心式水泵和風(fēng)機(jī) )、有較明顯的節(jié)能效果。 YCT 系列電磁調(diào)速電機(jī)能在規(guī)定的調(diào)速范圍內(nèi)均勻地、連續(xù)地?zé)o級調(diào)速、并能輸出額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)在運(yùn)行中當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動時(shí)可通過控制器的速度負(fù)反饋系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)離合器的勵磁電流，使輸出轉(zhuǎn)速基本上保持不變。本系列電機(jī)有全國統(tǒng)一的技術(shù)條件，并且外形安裝尺寸， 全自動沖孔機(jī)的設(shè)計(jì)研究 11 拖動電機(jī)及其它易損件全國生產(chǎn)廠均勻統(tǒng)一，可以互換。 YCT系列電機(jī)的特點(diǎn)： 無失控區(qū) 調(diào)速范圍廣，速度調(diào)節(jié)平 具有速度負(fù)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速變化率小 起動力矩大，起動平衡 結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用維護(hù)方便