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自动冲切机原理方案设计


第7期

机械设计与制造

2007 年 7 月
文章编号: 1001- 3997 2007) 07- 0213- 02 (

Machinery Design & Manufacture

- 213-

自动冲切机原理方案设计
王春雨 张广文( 河北

理工大学, 唐山 063009) 李松江 ( 辽宁省机械研究院有限公司, 沈阳 110032)

De s ign on the principle s che me of the a utoma tic s e ve ring ma chine
WANG Chun- yu, ZHANG Guang- wen( Hebei Polytechnic University, Tangshan 063020,China) LI Song- jiang( Liaoning Provincial Machinery Research Institute Co.LTD., Shenyang 110032, China) !!!!!!!" !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" !!!!!!!"
【摘要】运用现代设计理论, 以自动冲切机为例, 论述了机械产品原理方案设计的方法. 关键词: 自动冲切机; 原理方案; 设计 【Abstr act】 Applying the theory of modern design and taking the automatic severing machine for ex- ample, discusses the technique on design of the principle scheme for mechanical products. Key wor ds:The automatic sever ing machine; Pr inciple scheme; Design 中图分类号: TH122 文献标识码: A

探索解决问题的物理效应和工作原理的过程, 是产品实现创新 的关键 [1][2].也就是运用系统科学理论, 从产品的功能分析入手, 研究产品的功能系统, 明确产品的总功能, 各子功能以及它们之 间的关系; 再依据设计要求, 探寻原理解法, 提出创造性方案. 该机 应天津哈娜好医材有限公司的要求, 为其设计自动冲切机. 用于切制透析用 血 液 回 路 过 滤 筒 中 的 双 面 切 断 管 " 其 设 计 要 " , 求见表 1 .
图 1 自动冲切机黑箱示意图

1 定义总功能
通常根据产品的输入输出转换关系 即黑箱法) 来定义产品 ( 的总功能 [1].图 1 为自动冲切机黑箱示意图, 图中左右两边输入 和输出有物料, 能量和信号三种形式, 图上方为自动冲切机工作 时, 对周围环境的影响, 如产生的振动和噪音.通过对图中输入 和输出的比较, 概括自动冲切机的总功能为分离物料. 表 1 自动冲切机设计要求
产 品: 自动冲切机 要 求 数 值 重要性

* 来稿日期: 2006- 10- 16

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
原理方案 设 计 是 针 对 产 品 的 主 要 功 能 提 出 原 理 性 的 构 思 ,

2 功能分析
功能分析就是在对产品总功能定义的基础上, 按照功能之 间的 目 的—— 段 " 系 , 将 产 品 的 总 功 能 进 行 分 解 构 建 功 能 " —手 关 结构系统 [2].自动冲切机的功能结构系统如图 2 所示.

1. 必达要求 1.1 生产能力 ≥2.5 万个 / 每班 1.2 送料长度误差 <±1mm 1.3 切断面平整 运转平稳 1.4 机器工作可靠, 1.5 手工上料 2. 最低要求 2.1 允许制造费用 <2.0 万元 坐 姿 2.2 操作姿势 2.3 3 米距离内噪声程度 ≤70dB 3. 希望 3.1 占地面积小 使用维护方便 3.2 结构简单, 3.3 运转费用低 3.4 设备造价低 3.5 采用气压传动

Ⅱ Ⅱ Ⅲ

图 2 自动冲切机的功能结构系统

3 功能综合
功能综合就是在功能分析的基础上, 进行功能元的求解和 方案的组合 [1]. 自 动 冲 切 机 总 功 能 共 分 解 为 10 个 功 能 元 , 为 了 得到更多的设计方案, 首先进行 "发散" 思维, 探寻实现功能元的 各种可能解, 再利用形态学矩阵表进行方案组合, 按表 2 可形成

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N 个组合方案: N=3× 4× 2× 4× 1× 2× 2× 2× 1× 1=768

王春雨等: 自动冲切机原理方案设计

第7期

形 送料和 PLC 控制,单片机控制的特点以及加工坯料的材 质 , 状等因素, 确定采用 超 越 离 合 器 传 动 的 辊 轮 式 送 料 , 械 冲 切 , 机 气压传动, PLC 控制的方案 Ⅲ 应为首选方案.

依据表 1 设计要求, 对众多方案进行 "收敛" 粗筛选, 把与设计要 求不符或各功能元解不相容的方案去除, 并根据实际经验, 选择 切实可行的解, 组成四个组合方案. 原理方案 Ⅰ : A3- B2- C2- D2- E2- F1- G2- H1- I1- J1 原理方案 Ⅱ:A3- B2- C4- D2- E2- F1- G2- H1- I1- J1 原理方案 Ⅲ:A3- B2- C2- D2- E2- F1- G3- H1- I1- J1 原理方案 Ⅳ : A3- B2- C4- D2- E2- F1- G3- H1- I1- J1 表 2 自动冲切机解的形态学矩阵表
功能元 功能元的解

4.2 定量评价
一般采用加权系数法进行评价, 其步骤如下: ( 1) 确定评价目标及加权系数 根据设计要求, 确定 6 项评价指标, 利用判别法计算各评价 指标的加权系数.具体的评价指标和加权系数见表 3 . ( 2) 方案评分 在方案设计阶段, 由于具体化程度较低, 通常采用 5 分制评 分标准 如表 4 所示) 进行评分.为了减少由于个人的主观因素 (

1
送料

2
步进电机 气压传动

3
气压缸

4

对评分的影响, 常采用集体评分法. 由四人设计小组对自动冲切 机四个初选方案进行评价, 其平均分作为有效分值, 结果见表5 . ( 3) 计算各方案的有效分值 方案 Ⅰ :

A 送料动力源 电动机 子 机械传动 B 传递动力 功能 C 送料 普通
辊轮式

超越离合器 机械钳式 传动的辊轮式 气压缸 气压传动 加热熔断 单片机

气动钳式

分离 物料 子 功能

D 分离物料
动力源

电动机 机械传动 机械切断 凸轮分配轴 人力 人力 滑道

F1=3× 0.283+3× 0.15+3× 0.15+5× 0.217+4× 0.133+4× 0.067=3.634
表 3 加权系数判别计算表
比较 送料 结构 制造 指标 评价指标 送料可靠 结构简单 生产能力 寿命 成本 使用 可靠 简单 维修 能力 命 本 生产 寿 成

E 传递动力 F 分离物料 G 运动控制 H 上料 I 送料长度调节 J 下料

PLC

矩阵顺控器

k 3 1 1 - 1 1 4 2 2 3 - 1 4 3 3 3 3 - 17 9 9 13 8 4 ∑k=60

g=k/∑k 0.283 0.15 0.15 0.217 0.133 0.067 ∑g=1

- 1 1 0 0

3 - 2 3 2 1

3 2 - 3 2 1

4 评价决策
评价决策就是在功能综合的基础上, 对粗选的几个原理方 案, 按照预先确定的评价目标或评价指标给予定性或定量的评 价, 从中选择最佳方案.

制造使用维修 1

4.1 定性评价
粗略比较四种初选方案, 其差别是送料方法和控制方法不 同. 送料方法: 辊轮式送料和夹钳式送料. 辊轮式送料是利用一对间歇回转的辊轮靠辊轮与坯料之间 辊轮 的摩擦力实现送料的, 一般用于轻质的片料和线料的送料. 式送料结构简单,制造使用维修方便.由于没有往复运动的影 响, 其送料速度也比较高, 但送料精度略低. 夹钳式送料是利用一对往复运动的夹钳实现送料的.由于 夹钳和坯料之间基本上没有滑动, 因而低速时送料精度高于辊 轮式. 但是由于存在往复运动, 而且必须在夹钳夹紧以后才能开 始送料, 因而送料速度比辊轮式低; 由于存在夹钳的张开和闭合 动作, 其结构比辊轮式也复杂. 控制方法: 可编程序控制器 PLC) 控制和单片机控制. ( 可编程序控制器 PLC) 是一种专为在工业环境 下 应 用 而 设 ( 计的数字运算操 作 的 电 子 系 统 . 可 编 程 序 控 制 器 组 合 灵 活 , 安 装, 调试和操作方便, 编程容易, 工作可靠, 但价格昂贵.主要用 于以开关量控制为主的系统. 单 片 微 型 计 算 机 简 称 单 片 机 . 在 结 构 上 它 将 CPU, RAM,
五分 制 不能用

表 4 评分标准
勉强可用 可用 良好 很好 理想

0

1

2

3

4

5

表 5 自动冲切机评价分值表
评价指标 方案 送料可靠 结构简单 制造使用维修 生产能力 寿命 成本 方案 Ⅰ 良好 良好 良好 理想 很好 很好 方案 Ⅱ 很好 可用 可用 良好 很好 可用 方案 Ⅲ 良好 理想 理想 理想 理想 可用 方案 Ⅳ 很好 良好 良好 良好 理想 勉强

3 3 3 5 4 4

4 2 2 3 4 2

3 5 5 5 5 2

4 3 3 3 5 1

方案 Ⅱ :

F2=4× 0.283+2× 0.15+2× 0.15+3× 0.217+4× 0.133+2× 0.067=3.049
方案 Ⅲ :

F3=3× 0.283+5× 0.15+5× 0.15+5× 0.217+5× 0.133+2× 0.067=4.239
方案 Ⅳ :

F4=4× 0.283+3× 0.15+3× 0.15+3× 0.217+5× 0.133+1× 0.067=3.415
方案 Ⅲ 的有效评分值最高, 为最佳解. 通过对自动冲切机的四个初选方案进行定性分析和定量评 价, 确定方案 Ⅲ 为最佳原理方案.采用此方案设计的自动冲切 机, 已制成样机投入使用, 效果良好.

ROM, 等都集成在同一芯片上 , 具 有 计 算 机 的 功 能 特 点 . 其 I/O
功能强, 可靠性好, 功耗小, 价格低. 但需自己开 特点是: 体积小, 发接口, 不灵活, 不易改动. 根据自动冲切机的设计要求, 综合考虑辊轮式送料, 夹钳式

参考文献
1 廖林清等 . 机械设计方法学 [M]. 四川: 重庆大学出版社 ,1996. 2 叶元烈 . 机械现代设计方法学 [M]. 北京: 中国计量出版社 ,2000.

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