钢钉线卡机设计计划书

1 钢钉线卡机设计计划书 第一章 综述 计目的 钢钉线卡是一种塑料制品。它采用 注塑成型，具有弹性大，耐冲击，不破裂的特点。其产品系列多为插钉式，钢钉直接附在塑料线卡上，这样节省制作时间，降低生产成本。 使用方法：把电线放在卡内，用钉锤将钢钉钉上墙壁即可将电线固定。 其用途为：多用于室内固定电线。市场上比较成熟的产品都是采用 料，颜色为瓷白色，其优点为韧性好，拉力好，无毒，耐冲击，耐湿性，耐化性。 钢钉线卡应用广泛，给人们的生活带来了很大的便捷，但是当其他钢钉已经能从各式各样的射钉 枪发射时，工人们才发现背着工具包爬上梯子，用钉锤小心翼翼固定电线是多么的不方便。本设计的目的是从理论出发，联系实际，完成钢钉线卡机的设计，以求解放双手，用机械构建完成一些列动作，最终将线卡钉入墙体。 经过调查，发现市场上尚无类似的及其装置，所以设计具有一定的创新性，这样的研究对于实 图 1钉线卡 际问题的解决也是有意义的。 计任 务 市场上有很多种钢钉线卡，其型号有圆型钢钉线卡，方型钢钉线卡，钩型钢钉线卡，方型钢钉线卡。规格也是多种多样，因为本设备处于设计初级阶段， 所以选择了市面上引用比较广泛的一类方型线卡。此处选用金鑫塑胶电器厂的圆5 6 7型钢钉线卡为例设计与之相适配的容弹夹并通过设计设备完成其固定于墙面的任务。形状结构见图 1数为： 圆 5D=5H=钢钉标准 8，钉帽直径 4一章 综述 2 圆 6D=6H=钢钉标准 8，钉帽直径 4 7D=7H=钢钉标准 8，钉帽直径 4 1钉线卡三维建模和二维三视图 考虑到设计的实际应用情况，所以确 定以下设计参数：工作电压： 220v，额定频率 50/60夹容量： 10 枚钢钉线卡，每分钟装订钉卡数 100 枚。 具体设计任务为： 1. 钢钢钉线卡机机械系统及其零件设计。 2. 钢钉线卡机动力设计。 3. 钢钉线卡机机身及外壳设计。 4. 钢钉线卡机电控部分设计。 5. 其他辅助结构设计。 6. 完成零件设计图，三维图，以及设计书。 案选定 由于市面上没有此类产品，所以没有现成方案可供选择。参看其兄弟种族：射钉枪类，发现设计方案十分繁多，总结后发现设计主要存在两个方面的不同，一是动力方案，二是 传动方案。参照进行如下选定： 力方案选定 市面常见 射 钉枪的动力多采用三种方式。分别是： 3 电动式：用各种电机驱动机械零件工作。其特点是设备小巧，适应力强，但存在动力不足问题。随着技术发展，其应用前景广泛 。 以下配图为其中一种方案，用以说明电动式驱动工作方式。图 1某种电动射钉枪示意图： 图 1种电动电动射钉枪结构图 气动式：是应用最广泛的一种方式 。 在此类设备中 ，压缩空 气提供 锤击力，压缩空 经 常是由 一套 独立的空气压缩机 系统 产生。一个标准的空气压缩机 和 水泵的工作原 理是 一样 的。 它由一个或者多个活塞组成 ，活塞筒可以在上冲程的时候从大气中抽入空气，在下冲程的时候将空气输出并压入射钉枪。这样可以源源不断地通过软管将压缩空气输 送 到射钉枪的空气储气室中。 最后通过压缩空气对钢钉做功。图 1某种气动钉枪示意图： 图 1种气动 式 射钉枪结构图 第一章 综述 4 爆燃式 ； 爆燃式 是目前采用的比较广的动力方式 。 这一类 轻便的射钉枪通过火药 内部燃烧提供锤击力。 它的 动力与驱动汽车的动力是相同的。 从最基础的原理看 ，爆燃式射钉枪与气动式射钉枪有很多相似之处。它们都有一个与长刀片连接的滑动活塞， 同时 由气压的不 平衡来驱动。当活塞的 右边 具有更大的压力时，活塞向 左 移动。当其 左边 具有更大的压力时，活塞向 右 移动。 图 1其示意图： 图 1种 爆燃式 射钉枪结构图 考虑到设备的便捷性以及应用的广泛性本设计选择电动式作为装置的动力源。 动方案选定 方案一： 弹簧加载式。这种设计多 采用 电机 （由 电池 或 者 家用交流电 提供动力）来旋转驱动 各种零件运动 。 通过各种零件传动对弹簧做功，弹簧压缩后对钉锤以及撞针做功。这种方案稍显复杂，大多有紧凑的结构，设计时容易受到各个部件参数影响而影响其工作效果。（参见图 1 方案二： 电磁式 。它的原理是通过直线电动机驱动钉锤以及撞针对钢钉线卡做功，将其固定。这种方案中弹簧仅作为撞针回弹复位工具。其中直线电机主要的工作原理是 ： 利用电磁原理，将电能装换 为直线运动。 直线电机是现在见到的普通旋转电机的改进，将旋转运动变为直线运动。 实际应用中，为了保证在整个 5 行程初级和次级的耦合不变，一般将初级和次级制造成不同的长度。与旋转电机类似， 当 直线电机通入电 流 后，会在初级和次级的气隙中形成磁场，这个磁场在直线方向应当是成正弦分布的，只是这个磁场是平移而不是旋转的，所以有成为行波磁场。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，这就是直线的电机的工作原理。 航空母舰电磁弹射器就是基于这一原理。 图 1极直线同步电动机示意图 经过权衡利弊，最终本设计选用电磁式。通过电机推动 钉锤对钉子做功，完成奖钢钉线卡固定的目的 。 第二章 线卡机方案设计 6 第二章 线卡机方案设计 作流程 根据设计目标编订钢钉线卡机工作流程图 2 电 控 系 统直 线 电 机 线圈钉 锤 和 撞 针钢 钉 线 卡 的 钢 钉撞 针 复 位 ， 准 备 下次 激 发推 动发 出 电 流 脉 冲撞 击复 位 弹 簧当 线 圈 失 电图 2卡机工作流程图 作原理 如图 2一步：当按下电源按钮时，直线电机线圈 2 推动钉锤 4 和撞针1 克服弹簧阻力对钢钉线卡做功。使钢钉线卡钢钉钉入墙体。 第二步：直线电机线圈失去电流时，钉锤 4 和撞针 1 在复位弹簧 3 弹力作用下将钉锤和撞针复位。与此同时弹夹推送另一个线卡进入预定位置，准备下 一次发射。 7 1 撞针 2 直线电机线圈 3 复位弹簧 4 钉锤 图 2钉线卡机原理示意图 块化设计 为了完成以上动作，需要机构互相作用，从钢钉线卡到机器内部依次是：撞针，钉锤，直线电动机，筒形后座。零件附录钢钉线卡机三维图。其互相配合很重要，所以设计存在一定的难度。为了是设计能够有条理的进行，将整个设计拆分为几个模块进行设计，如图 2 图 2块化设计示意图 钢钉线卡机设计 线卡机弹夹设计线卡机其他部分设计主体机械设计撞针设计钉锤设计电控系统 和电机线圈 选定钢钉线卡器壳体设计弹夹紧固装置设计弹夹主体设计其他附件设计钉锤筒形后座设计复位弹簧设计滑盖设计第三章 主体机械设计 8 第三章 主体机械设计 计目标 主体机械部分的设计主要包括构成其主要 机械运动的零件设计，分别是是：撞针设计、钉锤设计、复位弹簧设计、钉锤筒形后座以及直线电机的选择。 针设计 撞针对于整个设备都是比较重要的零部件之一。特殊的工作环境以及工作方式要求其有相对应的工艺。所以需在材料选择、 零件表面粗糙度应注意，同事还需要对零件各部位强度进行校核计算。 构设计 撞针是和线卡上钢钉直接接触的零件，为了保证期在接触过程的的稳定，设计采用了如下结构，见图 3 3图 3 图 3撞针三维建模 1 钥匙形状的设计只要是为了满足滑动过程的稳定性。其圆柱结 构是对钢钉作用的主体结构。其直径为 6钢钉直径 4大。圆柱结构下方是一个10滑块，能与其他零件协同作用，保证撞针运行的准确以及稳定，突出的圆柱结构的则是考虑到钢钉线卡结构，特意如此设计，同样是有利于射击的平稳，减少对线卡的冲击。 9 图 3撞针三维建模 2 撞针背面才圆弧型长槽设计，其只要目的是当撞针回缩时，考虑到钢钉线卡上钢钉的钉帽对于撞针的阻力问题，这样的射击能让弹夹推送下一发线卡更稳定。保证机器工作稳定。以下为二维三视图，详细参数见附录撞针 纸。 图 3撞针二维三视 图 料选择及其工艺处理 作为直接与线卡钢钉接触的零件，要求其具有承受重载、高速、冲击同时循环作用次数多所以在常见材料中选择渗碳钢 2020渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为 低碳钢。汽车上多用其制造传动 齿轮 ，是中淬透性渗碳钢中 n ，其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的第三章 主体机械设计 10 强度和韧性，特别是具有较高的低温冲 击韧性。 20面渗碳硬化处理用钢。良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。主要用途有：用于齿轮，轴类，活塞类零配件以及汽车，飞机各种特殊零件部位。 与此同时，对零件与线卡钢钉接触部分的硬度有一定要求，所以应对接触部分进行表面硬度处理。 表面粗糙度要求。 表面粗糙度影响零件的耐磨性。表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。表面粗糙度影响配合性质的稳定性。对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有 效过盈，降低了联结强度。 考虑到该零件易受到其他接触零件摩擦力影响的因素，应对零件表面做一定的处理。（具体表面粗糙度参数见附录 纸） 度校核 撞针轴向载荷校核，如下图所示，撞针右端固定，它将承受轴向载荷1 100据此可算出其横截面上的最大正应力，如图 3 图 3撞针横截面校核 1. 支反力计算 设撞针右端的支反力整个撞针的平衡方程 0得 1 100 N2. 轴向力分析 由截面法可知， 11 100 N 所得明其轴力为压力，根据上述值刻画出其轴力图 3示。 3. 应力分析 从图中可看出撞针横截面积最小的地方为圆柱状结构和方形结构连接处。其横截面为不规则图形，为了便于计算取与其近似面积的规则图形（上图阴影部分）使取值1 截面11 621100 0 . 6 4 15 . 2 3 1 0 M P 从上式可看出，当1，有1 A（A为真实横截面对应的正应力）。所以有撞针截面最大应力为 m a x 1 0 . 6 4 1A M P a 表 30数表 由 20数表看出撞针远小于屈服强度。零件能够安全工作。 锤设计 构设计 钉锤提供对钢钉线卡足够的力，是线卡机的主要零件。其设计的难点在于如何与撞针完美的连接。这里存在一个问题：若是钉锤和撞针完全固定死，可能由于装配和其他问题，造成两者不能协同工作，阻碍机器的运行，甚至折断撞针；如果钉锤和撞针连接太紧，又容易造成机器连接不紧凑，出现跳动等一系问题，同样会影响机器正常工作。考虑到这一点，设计采用 字槽圆柱头螺钉紧固，在遭遇突出的阻力时，它能够在一定程度上保护撞针，免遭折断。零件结构见 图3详见附录钉锤 纸） 第三章 主体机械设计 12 图 3锤三维建模 1 钉锤一侧开孔处有六角形凹槽，用语安装六角螺母。考虑到零件尺寸比较小，所以选择小六角特扁细牙螺母 ( 808 1988)。螺母凹槽，如图 3 图 3锤三维建模 2 13 图 3锤二维三视图 料选择及其工艺处理 由于钉锤将于线圈产生电磁效应，所以其应选择带有磁性的材料。此处设计到电磁材料方面的知识。 此零件对圆柱结构的外表面粗糙度有较高要求，参考轴类零件表面粗糙度处理。 锤筒形后座设计 构设计 筒形后座的意义在于加强钢钉线卡枪的结构强度，同时一定程度保证钉锤滑动的轨迹。另外对于复位弹簧有一定的固定作用。其设计在尾部留有直径 10免钉锤和后造成“注射筒效应”，导致后座腔体能空气阻碍钉锤正常滑动。腔体后端装有橡胶垫圈，对钉锤其缓冲作用。见图 3详细参数见附录纸） 第三章 主体机械设计 14 图 3钉锤 筒形后座 三维建模 料选择及其工艺处理 材料选用弹簧钢 60 60于中碳合金弹簧钢，是标准件冷镦冲头的基本钢号。该钢具有屈服强度、疲劳极限高，淬透性较大 ，塑性优良，钢材价格低廉，以及热处理操作工艺简单的优点。 淬火处理，内壁粗糙度处理。 位弹簧设计 弹簧是一种弹性元件，它可以承载作用力产生较大的弹性变形，弹簧在各种接卸中应用都非常广泛。按照所承载的载荷的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧，扭转弹簧和弯曲弹簧等 4 种；按照弹簧的形状不同，又可分为螺旋弹簧、环形弹簧、蝶形弹簧、板簧和平面涡卷弹簧等。螺旋弹簧用弹簧丝卷制而成，由于制造简单，成本低，另外在本机构中所使用的弹簧是起到复位的作用，所以选用圆柱螺旋压缩弹簧 12。 根据实际用途和 使用环境，结合表 162 所选用的弹簧材料为不锈钢丝，类弹簧许用应力为 330 2 计算曲度系数 K 15 K= （ 3 C 旋绕比值 C 值在这里取 14，代入式（ 3 K= 5 6 1 0 . 6 1 5 1 . 1 0 25 6 4 1 4 3 根据安装控件初设弹簧中径 D=18据 C=得到弹簧钢丝直径d= 18 1 . 2 814D ，根据表 163可知许用应力 =330 4拟设弹簧最大工作载荷 0N， 根据 d 0 1 . 1 0 2 1 4330=表改取 d=表 16， =330 D=18C= 18 ，计算的 K= 于是 d 0 1 . 1 3 6 1 5330=值和估算接近，取弹簧钢丝标准直径为 时 D=18以外径 +d=18+径 为压缩弹簧长细比 间取值，这里取 4。 根据 b=到， 0 4 1 8 7 2H m m 。 5工作圈数的计算 对于压缩弹簧 n= （ 3 G 弹簧材料的切变模量，根据表 163选的 G=73000G/d 弹簧丝直径， d=最大变形量 =40入式（ 3到 n=37 3 0 0 0 2 . 5 4 0 3 38 1 0 1 4 第三章 主体机械设计 16 6. 自由高度 表 163 选择弹簧自由长 度为 70簧的二维示意简图见图 3维示意简图见图 3 图 3维 复位弹簧示意简图 图 3位弹簧三维建模 17 第四章 线卡机弹夹设计 此处弹夹设计以满足 圆 6D=6H=钢钉标准 8，钉帽直径 4钢钉线卡为目的，只需对弹夹几个地方的尺寸进行修改就能设计出适配其他两种钢钉线卡的弹夹。在设备使用时只需重新装配弹夹，就能完成对不同钢钉线卡的固定安装。 钉线卡弹夹主体结构设计 在既保证钢钉线卡机结构稳定的情况下，同时又保 证安全易用性。设计采用了弹夹 主体 固定于钢钉线卡机身的方式，这样能够增加设备强度，进而提高工作稳定性。见图 4 图 4夹主体三维造型图 弹夹主体圆板上有撞针型小孔。弹夹上端平台出与下端装线卡部分连接处有30 斜坡，是为了让线卡更容易滑出弹夹。见图 4 图 4夹主体顶部特写图 图 4夹主体背部特写图 第四章 线卡机弹夹设计 18 钉线卡弹夹滑盖设计 滑盖通过弹夹主体上的滑槽与它连接，滑槽上面有一正方形突出小块，其作用有二，其一是在完成滑盖安装后，在弹夹主体侧面安 装一个长螺钉（见图 4当弹夹滑盖向下滑动时小块碰到螺钉阻挡不能一直滑出弹夹主体。底部圆柱突起为固定弹簧之用。（详细参数见附录 ） 图 4卡弹夹滑板三维建模 盖及其他附件设计 盖设计 枪盖的作用是压住由弹夹弹簧推动的钢钉线卡，让线卡机时刻准备工作。同事枪盖要为线卡提供合适的固定到墙面的路径，并保证线卡不会发生不必要的松动二造成撞针撞击钢钉线卡失败。其嘴部的设计还要考虑到与墙面没有固定的线缆结合问题，必须有特殊的设计来完成，见图 4 4图 4 图 4盖三维建模 1 图 4盖三维建模 2 19 图 4盖三维建模 3 图 4盖二维三视图 板设计 为了与钢钉线卡较好融合，设计采用压缩弹簧结合台阶型推板来接解决。图4图 4阶梯型推板。这样的设计能与钢钉线卡紧密接触（见图 4 图 4板三维建模图 1 4板三维建模 2 为了解决弹簧安装问题，通过设计推板上的的圆柱固定弹簧。与此同时 在弹夹的另一半滑盖上也有类似的结构，同样用于固定弹簧。见图 4 图 4卡和推板接触示意图 第四章 线卡机弹夹设计 20 夹压簧选择 通过查压缩弹簧标准，选择中径 D=5，弹簧丝 d=距为 弹簧，弹簧自由长度 155，如图 4 图 4弹夹压簧 夹各部分材料选择及其工艺要求 考虑到弹夹的使用环境极其用途，设计采用铝硅合金中的 号的材料制作弹夹，同时由于其出色的性能，它被广泛应用于气缸头，机匣以及液压泵壳。同时应注意对各个零部件的表面粗糙度的处理 。 (详见附录 ) 21 第五章 线卡机其他部分设计及装配 控系统及电机线圈选定 控系统的 选择 图 5卡机电控板电路图 如图 5 工作原理 ： 测绘电路图如附图所示。图中 S 是 轻触式按钮，用以控制射钉。如需要射下一颗钉，必须先松开 S 开关，然后再按下 S 按钮才能射出下一颗射钉，以保证使用安全。 机线圈选定 确定线圈的外形尺寸，选定能对钉锤推力为 80N 至 120N 的推力，线圈可定做。此处着重外形尺寸设计。如下： 图 5圈三维建模及其尺寸图 第五章 线卡机其他部分设计及装配 22 钉线卡机壳体设计 壳体设计应考虑散热，同时注意各个零件的安装尺寸，如图 5 图 5卡机壳体示意图 夹紧固装置设计 考虑到钢钉线卡机整体结构的稳定，应对弹夹和壳体进行加固。弹夹后侧留有螺钉孔，可安装紧固装置，紧固装置另一端接到壳体（此处设计略） 。 夹装配 以下为装配示意图 5 图 5夹装配示意图 23 卡机总体装配 线卡机总体装配就是把设计好的零件安装到线卡机壳体上。其安装顺序如图 5详见附录安装示意图） 图 5卡机装配顺序示意图 弹夹自身装配 弹夹安装 线圈钱垫圈安装 线圈安装 撞针，钉锤和复位弹簧 以及后座安装圆筒安装 枪盖安装 电路板安装 其他附件安装 安装另一半壳体，完成安装 总结 24 总结 计出一种能够替代装潢工人手工固定墙面钢钉线卡进而固定线缆的电动设备。通过总体方案的选定以及各传动动机构和执行机构的设计，结合当前世界的一些新的技术理论（直线电机理论），完成最终的理论设计 。现将本课题研究的 具体 内容、成果归纳如下： （ 1）撞针设计 ； （ 2）钉锤设计； （ 3） 钉锤通行后座设计 ； （ 4） 复位弹簧设计 ； （ 5）弹夹设计； （ 6）电控系统机直 线电机线圈选定； （ 7）线卡机壳体设计； 前市场上并没有类似的安装钢钉线卡的机器，在这一领域该设计具有一定的创新性。 本设计中具体创新点如下： （ 1）枪盖压板结构设计，根据线卡特有的形状设计出的枪盖能与线卡和待固定线缆紧密结合； （ 2）撞针结构设计，根据线卡结构设计的撞针结构独特； （ 3）弹夹的设计。 望：在设计方面 由于个人能力有限， 各方面学识 不足，本设计尚存在如下问题： （ 1）该设备扩展问题，通过改变弹夹某些尺寸能够一定程度适应不同的 钢钉线卡。首先其尺寸有一定的限制，另外由于市场上的线卡种类繁多，该设计并不能完全兼容。这样的问题留待以后设计的改进发展以及市场钢钉线卡标准的统一来解决（线卡的标准统一具有一定的趋势）； （ 2）设备的成熟化问题，由于该设计基于理论，所以设计处于初期阶段，某些方面表现不构成熟时必然的，设计的目的在于奠定后续设计的基础，为将来成熟可靠的产品设计打下基础； 由于本课题工作量较