定尺剪畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、第1章 緒論第1章 緒論1.1 課題來(lái)源近年來(lái)，我國(guó)中厚鋼板的產(chǎn)量逐年提高，隨之對(duì)滾切剪設(shè)備的需求也急劇增加，到2010年底全國(guó)中厚鋼板軋機(jī)將近百套，其年產(chǎn)能力將達(dá)到7160萬(wàn)噸。在新建熱軋生產(chǎn)線、熱處理線及落后生產(chǎn)線擴(kuò)能的過(guò)程中，由于受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，企業(yè)對(duì)舊線設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，中厚鋼板企業(yè)對(duì)滾切剪設(shè)備的需求量非常大。另外，隨著板材剪切斷口質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)滾切剪設(shè)備的剪切質(zhì)量提出了更高要求。 相比傳統(tǒng)斜刃剪，滾切剪是一種先進(jìn)的中厚鋼板剪切機(jī)，不論是在剪切質(zhì)量、剪切速度、還是在能耗和設(shè)備的自動(dòng)化程度方面都存在諸多優(yōu)點(diǎn)。但是我國(guó)企業(yè)的滾切剪生產(chǎn)技術(shù)大多是引進(jìn)國(guó)外西馬克(sms)、日本石

2、川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社（ihi）、達(dá)涅力（danieli）、奧鋼聯(lián)（vai）等公司的技術(shù)。由于外商的技術(shù)保護(hù)，加之國(guó)內(nèi)對(duì)滾切剪機(jī)構(gòu)學(xué)理論的研究很少，缺乏有效的滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)我國(guó)滾切剪設(shè)備的研究理論支持不足，制約了我國(guó)滾切剪設(shè)備的自主研發(fā)過(guò)程。 基于上述現(xiàn)狀，本文在分析滾切剪剪切工藝特性的基礎(chǔ)上，總結(jié)了與滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的工藝特性，關(guān)鍵的是上剪刃的純滾運(yùn)動(dòng)剪切特性。本文設(shè)計(jì)滾切剪機(jī)構(gòu)將以實(shí)現(xiàn)上剪刃的純滾運(yùn)動(dòng)為主要目標(biāo)，其他的工藝特性為輔助設(shè)計(jì)要求，提出系統(tǒng)有效的滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)方法，求解出符合剪切要求的最優(yōu)滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸，為滾切剪機(jī)構(gòu)的系列化、智能化

3、設(shè)計(jì)提供方法。1.2 滾切剪國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 用于對(duì)軋件進(jìn)行切頭、切尾或剪切成規(guī)定尺寸的機(jī)械成為剪切機(jī)。根據(jù)剪切機(jī)刀片形狀、配置以及剪切方式等特點(diǎn)，剪切機(jī)可分為平行刀片剪切機(jī)、斜刀片剪切機(jī)、圓盤(pán)式剪切機(jī)和飛剪機(jī)。滾切剪是在斜刀片剪切機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型剪切機(jī)，其特點(diǎn)是上刀片為圓弧形，能實(shí)現(xiàn)軋件的滾動(dòng)剪切。滾切剪繼承了斜刀片剪切機(jī)剪切力小等剪切優(yōu)點(diǎn)，并改善了斜刀片剪切機(jī)剪切軋件時(shí)上剪刃在板寬方向上切深不一致的缺點(diǎn)。 在1971年，西德摩納.紐曼公司（簡(jiǎn)稱(chēng)mdn）首次研制成功滾切剪，此后該技術(shù)裝備在歐洲、美國(guó)、韓國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼鐵企業(yè)得到迅速推廣。目前，歐美等國(guó)在2300-5500mm寬厚

4、板軋機(jī)生產(chǎn)線上，逐漸用滾切剪取代了老式的斜刀片剪切機(jī)和圓盤(pán)式剪切機(jī)，滾切剪在軋機(jī)生產(chǎn)線上取得了非常好的實(shí)際應(yīng)用效果。此項(xiàng)技術(shù)由德國(guó)西馬克公司（sms）和日本石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社（ihi）完善成熟，隨后被奧鋼聯(lián)（vai）、達(dá)涅力（danieli）、三菱日立制鐵株式會(huì)社（mitsubishi2hitachi）、日本川崎制鐵株式會(huì)社（khi）、俄羅斯nkmz等公司掌握。 目前滾切剪機(jī)構(gòu)分為曲柄連桿式和液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿式兩種，其中曲柄連桿式又可分為雙軸雙偏心式和單軸雙偏心式兩種；液壓驅(qū)動(dòng)連桿式分為液壓缸直推連桿式和液壓缸齒輪齒條式兩種。4300軋機(jī)滾切式定尺剪為雙軸雙偏心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。 雙軸雙偏心

5、曲柄連桿式滾切剪機(jī)構(gòu)如圖1.1所示，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)左右 圖1.1 雙軸雙偏心曲柄連桿式滾切剪機(jī)構(gòu) fig.1.1 rolling shear mechanism of double-crank曲柄回轉(zhuǎn),曲柄再帶動(dòng)連桿和上刀架運(yùn)動(dòng)，上刀架在導(dǎo)向桿的約束下做平面運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)剪切。隨著滾切剪技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在曲柄連桿式滾切剪機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上又衍生出了液壓缸驅(qū)動(dòng)連桿式滾切剪機(jī)構(gòu)，如圖1.2所示，該種滾切剪機(jī)構(gòu)由左右兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，為2自由度機(jī)構(gòu)。 圖1.2 液壓缸連桿式滾切剪機(jī)構(gòu) fig. 1.2 rolling shear mechanism driven by hydraulic cylinder

6、 日本工業(yè)大學(xué)的村川正夫教授介紹了一種液壓缸齒輪齒條滾切剪機(jī)構(gòu)。該滾切剪機(jī)構(gòu)由液壓缸帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，再由齒條帶動(dòng)齒輪曲軸回轉(zhuǎn)，曲軸帶動(dòng)上刀架實(shí)現(xiàn)滾切運(yùn)動(dòng)。該項(xiàng)技術(shù)由于液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置返程時(shí)，帶動(dòng)上剪刃還要進(jìn)行一次返回剪切，在剪切厚板時(shí)容易造成二次剪切，所以比較適用于薄板剪切。 1993年，我國(guó)沈陽(yáng)重型機(jī)器廠與德國(guó)mds公司合作為舞陽(yáng)鋼廠提供的三曲軸滾切式雙邊剪是我國(guó)第一臺(tái)滾切剪設(shè)備，隨后第二重型機(jī)器廠與日本ihi公司合作為重鋼五廠提供了國(guó)內(nèi)第二臺(tái)滾切式雙邊剪。近年來(lái)，我國(guó)一些重型制造企業(yè)先后通過(guò)與外國(guó)公司合作制造的方式為我國(guó)的舞鋼、首秦、寶鋼、沙鋼、萊鋼、鞍鋼等一大批中厚鋼板軋機(jī)生產(chǎn)線配備了滾切剪

7、設(shè)備，極大提高了我國(guó)中厚鋼板軋鋼的生產(chǎn)能力。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)了一些研究滾切剪機(jī)構(gòu)的個(gè)人或單位，為我國(guó)開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的滾切剪設(shè)備提供了理論支持。 太原科技大學(xué)的黃慶學(xué)、馬立峰等人對(duì)單軸雙偏心滾切剪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真，提出了四個(gè)位置精確綜合的單軸雙偏心滾切剪桿件優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并對(duì)單軸雙偏心非對(duì)稱(chēng)負(fù)偏置滾切剪機(jī)構(gòu)作了一些探索研究。馬鞍山鋼鐵股份有限公司的孫復(fù)森、北京科技大學(xué)的楊慧新等人通過(guò)對(duì)滾切式定尺剪機(jī)構(gòu)原理的分析，建立了以曲軸轉(zhuǎn)角為變量的上刀架任意點(diǎn)軌跡方程，通過(guò)控制上剪刃動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)的軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)上剪刃的純滾動(dòng)，對(duì)滾切剪機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。北京航空航天大學(xué)的張小平、太原科技大學(xué)的楊剛

8、俊等人采用單因素法分析了滾切剪剪切質(zhì)量和力能參數(shù)的影響因素。北方重工沈陽(yáng)重型機(jī)械集團(tuán)的李雷生、秦立學(xué)等人闡述了滾切剪的特點(diǎn)，并對(duì)滾切剪關(guān)鍵參數(shù)的確定進(jìn)行了分析。 綜上所述，目前國(guó)內(nèi)滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究主要有滾切剪機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾切剪性能的影響分析和滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化。滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸的優(yōu)化主要以實(shí)現(xiàn)滾切剪上剪刃的純滾運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)，方法主要有給定上剪刃的幾個(gè)位置精確綜合機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)和控制上剪刃動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)的軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)，而前者只能保證在給定位置上上剪刃的精確運(yùn)動(dòng)。在其他位置不確定因素很多，由于要實(shí)現(xiàn)的上剪刃純滾運(yùn)動(dòng)是連續(xù)剪切過(guò)程，因此該方法設(shè)計(jì)出的滾切剪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的純滾運(yùn)動(dòng)偏差較大；后者通過(guò)控制上剪刃動(dòng)態(tài)最

9、低點(diǎn)的軌跡能夠保證上剪刃的剪切線，從而獲得較好的上下剪刃重疊量，但是不能消除上剪刃的水平滑移，因而也不能完全保證上剪刃的純滾運(yùn)動(dòng)。 本文設(shè)計(jì)滾切剪機(jī)構(gòu)的尺寸，將以尋找實(shí)現(xiàn)上剪刃純滾運(yùn)動(dòng)方法為重點(diǎn)，提出系統(tǒng)有效的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方法，由于很難實(shí)現(xiàn)上剪刃精確的純滾運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)出的滾切剪機(jī)構(gòu)存在由于這種不能精確實(shí)現(xiàn)純滾運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的誤差，為了盡量減小誤差，使誤差最小，本文將這些滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方法的最終實(shí)現(xiàn)歸結(jié)為優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，即尋找符合設(shè)計(jì)要求的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸最優(yōu)解。1.3 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合理論優(yōu)化方法的研究現(xiàn)狀 本文中滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方法采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想來(lái)最終求解。優(yōu)化方法也是連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合理

10、論中使用較普遍的一種方法，尤其是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的基于隨機(jī)性的智能優(yōu)化算法，更能有效的求解各種復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題。 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合方法可分為直接法和間接法兩大類(lèi)，前者又可大致分為圖解法和數(shù)值法，數(shù)值法又進(jìn)一步分為代數(shù)法和優(yōu)化法。應(yīng)用經(jīng)典運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)理論建立起來(lái)的幾何圖解法概念清晰、直觀性強(qiáng)，但作圖過(guò)程繁雜，求解精度較低。代數(shù)法需要直接求解非線性方程組，這是其難點(diǎn)，代數(shù)法也是優(yōu)化法的基礎(chǔ)。優(yōu)化法不直接求解非線性方程組，而是以最小偏差為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)優(yōu)化技術(shù)獲得較高的求解精度。但傳統(tǒng)優(yōu)化法也存在某些不足，比如對(duì)初始點(diǎn)的選擇較敏感、收斂性不穩(wěn)定等。間接法主要利用計(jì)算機(jī)的海量存儲(chǔ)能力和快速檢索能力來(lái)實(shí)現(xiàn)連桿

11、機(jī)構(gòu)的綜合。 連桿機(jī)構(gòu)精確運(yùn)動(dòng)綜合中的大多數(shù)問(wèn)題都可歸結(jié)為非線性方程組的求解問(wèn)題，由于大多數(shù)非線性方程組沒(méi)有準(zhǔn)確解，因此下面只討論在沒(méi)有準(zhǔn)確解時(shí)求其非準(zhǔn)確解的情況，這時(shí)可將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題。 對(duì)于非線性方程組，其數(shù)學(xué)模型可表示為： f1(x) = 0 f2(x) = 0 fm(x) = 0式中x=x1,x2,xn rn為待求的n個(gè)未知量。 對(duì)于精確運(yùn)動(dòng)綜合中的非線性方程組（1.1），若其沒(méi)有準(zhǔn)確解，則可轉(zhuǎn)化為非線性最小二乘問(wèn)題： m min fi2(x) (1.2) xrn i=1 或鞍點(diǎn)規(guī)劃（極大極?。﹩?wèn)題： min maxfi(x) (1.3) xrn 1 im 對(duì)于近似運(yùn)動(dòng)綜合，亦通常將

12、其描述為形如式（1.2）或式（1.3）的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)加入約束條件。鞍點(diǎn)規(guī)劃模型（1.3）為不可微函數(shù)，可用極大熵方法近似轉(zhuǎn)化為如下的無(wú)約束（或約束）優(yōu)化問(wèn)題： mmin p(x)= 1/pexp(p)fi(x) (1.4)xrn i=1式中，p0，且充分大。 優(yōu)化模型（1.2）、（1.4）均為連續(xù)可微函數(shù)，其主要解法有nr法、最速下降法、共軛梯度法及變尺度法等數(shù)值迭代法。特別的，對(duì)于模型（1.2），其最有名算法為阻尼最小二乘法。但這類(lèi)算法的收斂性跟初始點(diǎn)選擇有關(guān)，容易陷入局部極值區(qū)域，難以獲得全局最優(yōu)解。 文獻(xiàn)對(duì)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合理論研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。k.h.hunt與h.nolle較

13、早應(yīng)用傳統(tǒng)優(yōu)化方法綜合鉸鏈四桿軌跡發(fā)生機(jī)構(gòu)。胡新生，伍饒宇和宗志堅(jiān)等給出了連桿機(jī)構(gòu)函數(shù)綜合的離散極大極小模型（1.3），并轉(zhuǎn)化為極大熵優(yōu)化模型（1.4），應(yīng)用非單調(diào)曲線搜索算法求解該問(wèn)題。文獻(xiàn)提出了簡(jiǎn)單曲線的自適應(yīng)擬合方法和法向誤差的統(tǒng)一評(píng)價(jià)模型，給出了平面與球面四桿機(jī)構(gòu)近似運(yùn)動(dòng)綜合的鞍點(diǎn)規(guī)劃模型（1.3），進(jìn)而轉(zhuǎn)化為極大熵優(yōu)化模型（1.4），并應(yīng)用遺傳算法和bfgs局部搜索相結(jié)合的方法求解該問(wèn)題。 近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的基于隨機(jī)性的智能算法是求解優(yōu)化問(wèn)題的有效方法，如模擬退火算法（simulated annealing algorithm, saa）、遺傳算法（genetic algorithm,

14、 ga）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificianeural net, ann）、人工免疫算法（artificialimmune algorithm, aia）、蟻群算法（antcolony optimization, aco）、粒子群算法（particleswarm optimization, pso）等。這類(lèi)算法不需導(dǎo)數(shù)信息，不受函數(shù)多峰、不連續(xù)、不可微等特性的影響，收斂性與初始點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)。因此對(duì)于非光滑的鞍點(diǎn)規(guī)劃模型（1.3），可直接應(yīng)用這些方法求解，不必構(gòu)造可微函數(shù)（如極大熵函數(shù)）來(lái)逼近之。由于工程問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型很難保證連續(xù)可微，應(yīng)用上述的智能算法來(lái)求解復(fù)雜的工程問(wèn)題是目前發(fā)展的

15、趨勢(shì)，這也是智能算法興起的重要原因。 j.a.cabrera, a.simon 和 m.prado給出了應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化綜合連桿機(jī)構(gòu)的一般算法。周洪和鄒慧君以機(jī)架桿方向結(jié)構(gòu)誤差或從動(dòng)桿桿長(zhǎng)結(jié)構(gòu)誤差為目標(biāo)函數(shù)，并應(yīng)用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行軌跡發(fā)生機(jī)構(gòu)的方法，并應(yīng)用遺傳算法求解該綜合問(wèn)題。林曉輝，黃衛(wèi)和林曉通提出了一種能以較大概率搜索到全局最優(yōu)解的遺傳退火耦合算法，并將該算法用于平面連桿變幅機(jī)構(gòu)的軌跡優(yōu)化綜合。 陳科、謝守振和趙韓利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模擬退火算法相結(jié)合的方法，構(gòu)造了優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用構(gòu)造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，取得了較滿意的結(jié)果。xiao renbin, l

16、iuyong和dougang在連桿曲線分析方法的基礎(chǔ)上，將機(jī)構(gòu)軌跡發(fā)生綜合視為多峰優(yōu)化問(wèn)題，并采用免疫網(wǎng)絡(luò)方法求解該模型。周桂紅和左春圣等提出了一種自適應(yīng)免疫算法，該算法自動(dòng)調(diào)節(jié)優(yōu)化參數(shù)，應(yīng)用該算法對(duì)起重機(jī)的轉(zhuǎn)向梯形函數(shù)發(fā)生機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化綜合，優(yōu)化結(jié)果表明該算法在保證全局收斂的同時(shí)提高了局部搜索能力。 綜上所述，優(yōu)化方法在連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合理論中使用較為普遍，新發(fā)展起來(lái)的智能優(yōu)化算法也被人們應(yīng)用到連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合問(wèn)題的求解中，并且不斷提出改進(jìn)的或新的優(yōu)化算法，在實(shí)際問(wèn)題求解中得到了較滿意的結(jié)果。本文提出的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方法，由于其設(shè)計(jì)模型是一個(gè)非線性約束優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)具有多峰性和不可微性

17、，用基于導(dǎo)數(shù)的傳統(tǒng)優(yōu)化方法難以求得全局意義上的最優(yōu)化解，本文采用遺傳算法來(lái)求解該優(yōu)化問(wèn)題。31第1章 緒論第2章 滾切剪特性及相關(guān)理論2.1 滾切剪的剪切特性 滾切剪是通過(guò)圓弧上剪刃在鋼板上純滾動(dòng)來(lái)剪斷鋼板的。滾切剪的一個(gè)工藝循環(huán)中包括兩個(gè)工藝動(dòng)作，滾切動(dòng)作和非剪切動(dòng)作，其中關(guān)鍵的是滾切動(dòng)作，指圓弧上剪刃純滾動(dòng)剪切鋼板的工藝動(dòng)作；非剪切動(dòng)作需要保證上下剪刃之間的開(kāi)口度要求，以順利的讓鋼板移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)剪切。2.1.1 滾動(dòng)剪切 滾動(dòng)剪切是指圓弧上剪刃在固定直線下剪刃上純滾運(yùn)動(dòng)剪切鋼板，可用圖3的六個(gè)分動(dòng)作表示。 滾動(dòng)剪切鋼板的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1） 上剪刃沒(méi)有水平滑移，則剪刃磨損小，剪刃工作壽命長(zhǎng)

18、；（2） 剪切鋼板過(guò)程中上剪刃沿板材寬度方向上的切深保持不變，則鋼板斷面不會(huì)發(fā)生彎曲變形，鋼板剪切質(zhì)量好。 另外，根據(jù)剪切鋼板的工藝特點(diǎn)，一般情況下上下剪刃之間有一個(gè)很小的重疊量，這是為了剪切時(shí)使板材的毛邊能夠清理干凈，重疊量的大小是根據(jù)剪切鋼板的厚度來(lái)選擇的。所以實(shí)際剪切過(guò)程中，上刀刃的剪切線與直線下剪刃有一個(gè)偏移量，即為上下剪刃之間重疊量大小。2.1.2 開(kāi)口度要求 滾切結(jié)束后上剪刃抬起，為了使鋼板能順利通過(guò)上下剪刃，則上下剪刃間的開(kāi)口度h大于某一給定設(shè)計(jì)值的要求稱(chēng)為設(shè)計(jì)滾切剪機(jī)構(gòu)的開(kāi)口度要求。雖然滾切剪有較大的開(kāi)口度，但總行程比斜刃剪的行程大約減小了30%-40%，因此，傳動(dòng)上剪刃的偏心

19、軸曲柄半徑減小了，傳動(dòng)力矩也按比例減小了。2.1.3 剪切力峰值特性 剪切力峰值特性是指上剪刃剛剪切鋼板時(shí)，剪切力比較大，出現(xiàn)剪切力曲線峰值的特性。剪切力的峰值特性與剪切角的大小有關(guān)，圓弧滾切剪一般第2章 滾切剪特性及相關(guān)理論剪刃的圓弧半徑很大，它和鋼板上沿接觸點(diǎn)q處的切線與直線形下剪刃之間的夾角即是剪刃傾角，也即剪切角。 在鋼板的材質(zhì)、厚度及設(shè)備等條件一定的前提下，影響剪切力的因素主要是：圓弧剪刃剪切鋼板時(shí)剪切角和剪切過(guò)程中剪切變形區(qū)的面積。分析兩者與剪切力之間的關(guān)系可知，剪切力與該剪切角成反比，而與該面積成正比。 在剪切初期階段，圓弧剪刃相對(duì)鋼板的切入深度較小，剪切角小，此時(shí)剪切力較大，導(dǎo)

20、致了在剪切初期出現(xiàn)剪切力峰值現(xiàn)象。隨著圓弧剪刃相對(duì)鋼板的切入越深，剪切角逐漸變大，達(dá)到穩(wěn)定滾切時(shí)剪切角基本保持不變，此時(shí)剪切力大小趨于穩(wěn)定。有的剪切力實(shí)測(cè)曲線，還顯示剪切的末期階段也出現(xiàn)一個(gè)較小的峰值，原因在于上剪刃的鋼板尚未剪斷時(shí)過(guò)早抬起引起的剪刃切第2章 滾切剪特性及相關(guān)理論入深度減小，從而減小了剪切角。 常規(guī)設(shè)計(jì)中，只注意到了穩(wěn)定滾切時(shí)滾切效果等方面的要求，而忽略了剪切初始階段的剪切狀況。通常，如果不考慮剪切力峰值的影響，設(shè)備中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度將降低，影響滾切剪設(shè)備的工作壽命。本文在滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將考慮剪切角對(duì)剪切初始剪切力峰值的影響，盡量降低該峰值的大小。2.2 滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的提出

21、 滾切剪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要以實(shí)現(xiàn)上剪刃純滾動(dòng)剪切工藝為主，其他剪切特性為輔。從上面的分析可看出，上剪刃的運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)，而平面鉸鏈機(jī)構(gòu)中的連桿（非連架桿）能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，下面將考慮鉸鏈機(jī)構(gòu)中的非連架桿來(lái)實(shí)現(xiàn)滾切剪上剪刃的運(yùn)動(dòng)。 對(duì)于雙自由度滾切剪機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)主體為五桿機(jī)構(gòu)，要設(shè)計(jì)五桿機(jī)構(gòu)的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)上剪刃的平面運(yùn)動(dòng)，用位置綜合的方法較難實(shí)現(xiàn)，而目前大多數(shù)設(shè)計(jì)該類(lèi)滾切剪采用上剪刃上特殊點(diǎn)的軌跡來(lái)綜合機(jī)構(gòu)尺寸地方法，但點(diǎn)的軌跡綜合不能很好的實(shí)現(xiàn)上剪刃純滾動(dòng)的特性。基于此，本文提出基于機(jī)構(gòu)瞬心線的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方法，上剪刃的純滾運(yùn)動(dòng)通過(guò)上刀架的動(dòng)、定瞬心線軌跡來(lái)保證，該方法的本質(zhì)為機(jī)構(gòu)瞬心線

22、軌跡綜合問(wèn)題。 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就是在已知機(jī)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件的桿長(zhǎng)，原動(dòng)件的位置、速度和加速度的條件下，確定機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件的位置、速度和加速度。2.3 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題 滾切式定尺剪作為厚板精整線上的重要設(shè)備，其傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為兩大部分： 厚鋼板移動(dòng)的精確傳動(dòng)與定位 為滾切剪的剪切提供動(dòng)力的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 鋼坯跟蹤系統(tǒng)（1）厚鋼板移動(dòng)的精確傳動(dòng)與定位為了剪切不同型號(hào)的厚鋼板產(chǎn)品，保證在一定范圍內(nèi)可以對(duì)剪切寬度的任意調(diào)節(jié)，因此需要研究如何驅(qū)動(dòng)剪切機(jī)的移動(dòng)。需要的問(wèn)題有：1保證檢測(cè)輥的定位準(zhǔn)確，以保證滾切式定尺剪將鋼板剪切成所要求的定尺長(zhǎng)度。2保證檢測(cè)輥的定位準(zhǔn)確，以保證厚鋼板

23、的剪切質(zhì)量（鋼板沒(méi)有壓彎）。3保證液壓系統(tǒng)有足夠的壓下力，在剪切時(shí)，保證對(duì)厚鋼板的固定。4保證傳動(dòng)輥可以上下小距離移動(dòng)，以免劃傷厚鋼板表面。（2）為滾切剪的剪切提供動(dòng)力的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 滾切式定尺剪最主要的功能是對(duì)鋼板的剪切，因此對(duì)于這一部分的傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為重要。傳動(dòng)裝置應(yīng)為滾切剪提供傳動(dòng)，主要通過(guò)曲軸的傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。則需要解決的問(wèn)題有：1如何設(shè)計(jì)滾切式定尺剪的傳動(dòng)系統(tǒng)，可以同時(shí)確保上下刀片運(yùn)轉(zhuǎn)的一致性，同步性，確保精確地剪切質(zhì)量。2研究如何設(shè)計(jì)滾切式定尺剪的傳動(dòng)系統(tǒng)，確保傳動(dòng)效率高，驅(qū)動(dòng)裝置穩(wěn)定。（3）剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 頭尾掃描成像系統(tǒng)主要由ablyy-iii紅外式測(cè)寬儀和lsv激光測(cè)速儀組成。光

24、激測(cè)速儀位于測(cè)寬儀掃描線1到2個(gè)輥道后，作為粗軋出口中間坯的尾部速度基準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)粗軋機(jī)輸入速度進(jìn)行標(biāo)定作為頭部速度，把測(cè)寬儀測(cè)得的寬度邊緣值配合速度信號(hào)形成頭尾形狀，根據(jù)頭尾形狀的外形計(jì)算出剪切線位置，并在畫(huà)面上顯示出圖形及相關(guān)參數(shù)。對(duì)每種頭尾形狀設(shè)計(jì)了相應(yīng)的剪切線選擇算法。 第3章 滾切剪的結(jié)構(gòu)圖3.1 滾切剪的結(jié)構(gòu)圖 fig.3.1 structure of rolling shear 第3章 滾切剪的結(jié)構(gòu) 圖3.1為滾切剪的結(jié)構(gòu)圖，在剪切機(jī)的左右兩側(cè)面裝有兩個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的立柱，它們同下剪刃和焊接的上橫梁通過(guò)螺栓連接和預(yù)緊拉桿牢固地構(gòu)成架體。鑄鋼結(jié)構(gòu)的上刀架的四面都有限制，前后面有前護(hù)板和齒

25、輪箱箱體限位，靠楔形擋板調(diào)節(jié)上刀架升降的滑動(dòng)間隙；兩側(cè)有裝在立柱上的固定滑道和可動(dòng)滑道，其作用是保證精確的剪切運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)連桿將上刀架與偏心軸1號(hào)軸和偏心軸2號(hào)軸連接起來(lái)。為了調(diào)節(jié)上下剪刃的重疊量，兩個(gè)連桿的長(zhǎng)度可調(diào)，其調(diào)節(jié)裝置是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)傘齒輪通過(guò)渦輪蝸桿傳動(dòng)偏心套來(lái)完成。剪刃的側(cè)向間隙可根據(jù)鋼板不同的厚度要求進(jìn)行調(diào)整，它是靠上刀架剪刃后楔形擋板位置調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。楔形擋板的移動(dòng)是電機(jī)、蝸輪蝸桿完成的。在上刀架的前面裝有液壓壓板，液壓系統(tǒng)裝在平臺(tái)上，液壓缸經(jīng)連桿推動(dòng)壓板。當(dāng)壓板把鋼板壓在輥道上后開(kāi)始剪切。偏心3號(hào)軸經(jīng)連桿帶動(dòng)碎邊剪完成碎邊剪切。偏心1號(hào)、2號(hào)軸由兩臺(tái)電機(jī)經(jīng)齒輪箱驅(qū)動(dòng)，其同步由

26、一個(gè)中間過(guò)橋齒輪保證。電動(dòng)機(jī)帶有反向電源制動(dòng)，靠行程開(kāi)關(guān)和電機(jī)軸上的機(jī)械抱閘使偏心軸停留在要求的位置上。對(duì)于雙邊剪，移動(dòng)剪由剪機(jī)移動(dòng)裝置調(diào)節(jié)位置；固定剪和移動(dòng)剪的同步剪切靠剪機(jī)上方橫跨的橫軸保證。為了完成鋼板的對(duì)中、輸送、停止，在滾切剪的前后設(shè)有可調(diào)節(jié)開(kāi)口度的導(dǎo)板、輸送輥道、壓輥等機(jī)構(gòu)。被剪切的鋼板每次送進(jìn)長(zhǎng)度由脈沖計(jì)數(shù)器控制。3.1 滾切剪原理 滾切式定尺剪的剪切過(guò)程用如圖3所示的五個(gè)位置表示。安裝圓弧形上剪刃的上刀架由兩個(gè)偏心半徑相同、轉(zhuǎn)向相同、偏心相位不同的偏心軸帶動(dòng)。位置1為上剪刃的起始位置，兩個(gè)偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，圓弧剪刃的出口端首先下降，另一端相差一個(gè)相位下降，直到前緣下降到與下剪刃或與下

27、剪刃平行的一條假想線相切，即位置2，然后上剪刃沿假想線滾動(dòng)，位置4是上剪刃滾動(dòng)到與假想線中部相切，一直到與入口端相切，即位置5，之后升起恢復(fù)到原始位置1。 滾切式雙邊剪和剖分剪的剪切過(guò)程與滾切式定尺剪有些剪切，在位置5時(shí)，上剪刃與假想線的相切點(diǎn)距離端點(diǎn)還有一定的距離，在鋼板尚未被全部剪斷時(shí)，就停止剪切，上剪刃抬起，鋼板送進(jìn)，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的剪切過(guò)程。 為實(shí)現(xiàn)上剪刃相對(duì)于下剪刃做滾切運(yùn)動(dòng)，必須設(shè)計(jì)固定在兩側(cè)立柱上的固定在兩側(cè)立柱上的固定滑道和可伸縮滑道曲線。可伸縮滑道在剪切時(shí)所需要的壓力由液壓缸提供。第4章 基于瞬心線的雙自由度滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)第4章 基于瞬心線的雙自由度滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 雙自由度滾

28、切剪機(jī)構(gòu)的主體可歸結(jié)為五桿機(jī)構(gòu)，用五桿機(jī)構(gòu)中的連桿來(lái)實(shí)現(xiàn)上剪刃的運(yùn)動(dòng)，而用連桿位置綜合的方法來(lái)設(shè)計(jì)五桿機(jī)構(gòu)的尺寸較難實(shí)現(xiàn)。目前大多數(shù)設(shè)計(jì)該類(lèi)滾切剪均采用上剪刃上特殊點(diǎn)的軌跡來(lái)綜合機(jī)構(gòu)尺寸的方法，如通過(guò)設(shè)計(jì)上剪刃動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)集合軌跡來(lái)控制上剪刃的剪刃狀態(tài)，但上剪刃上特殊點(diǎn)的軌跡不能完全反應(yīng)上剪刃純滾運(yùn)動(dòng)的特性，設(shè)計(jì)出來(lái)的滾切剪機(jī)構(gòu)不能很好的保證上剪刃的滾動(dòng)剪切。基于此，本文在分析純滾運(yùn)動(dòng)問(wèn)題本質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出了基于瞬心線設(shè)計(jì)該類(lèi)滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸的方法。4.1 純滾剪切運(yùn)動(dòng)的瞬心線特性 首先分析任意形狀的剛體在任意形狀固定面上純滾運(yùn)動(dòng)的瞬心線特性。 圖4.1 剛體在固定曲面上的純滾運(yùn)動(dòng) fig.4.1

29、 pure rolling of rigid on the fixed surface 如圖4.1所示，剛體在固定曲面上作純滾運(yùn)動(dòng)，根據(jù)純滾動(dòng)的定義可知接觸點(diǎn)瞬時(shí)相對(duì)速度為零，又因其中一個(gè)曲面固定，故接觸點(diǎn)的瞬時(shí)絕對(duì)速度也為零，由瞬心的定義知道該接觸點(diǎn)即為瞬心點(diǎn)。在剛體上觀察，接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為上面曲線，稱(chēng)為動(dòng)接觸線；在固定曲面上觀察，接觸線的運(yùn)動(dòng)軌跡為下面曲線，稱(chēng)為定接觸線。根據(jù)瞬心線的定義可知，動(dòng)接觸線即為動(dòng)瞬心線，定接觸線即為定瞬心線。 任一形狀的剛體相對(duì)于一固定曲面做平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，若其瞬心即為接觸點(diǎn)，定瞬心線與定接觸線重合，動(dòng)瞬心線與動(dòng)接觸線重合，則按照純滾動(dòng)的定義推出該剛體在固定曲面上

30、的運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)。 對(duì)于滾切剪的純滾運(yùn)動(dòng)而言，其特點(diǎn)是動(dòng)接觸線為上剪刃圓弧曲線，定接觸線為固定的水平直線下剪刃，曲率半徑r1為上剪刃圓弧半徑，曲率半徑r2為無(wú)窮大。此時(shí)定瞬心線與下剪刃直線段重合；動(dòng)瞬心線與上剪刃圓弧曲線重合。 依據(jù)上面的結(jié)論，設(shè)計(jì)滾切剪機(jī)構(gòu)，保證上剪刃所在連桿的定瞬心線、動(dòng)瞬心線分別與直線下剪刃、圓弧上剪刃重合，則能夠?qū)崿F(xiàn)上剪刃在直線下剪刃上的純滾運(yùn)動(dòng)，即能實(shí)現(xiàn)鋼板的純滾動(dòng)剪切。4.2 基于瞬心線的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)4.2.1 設(shè)計(jì)思路 設(shè)計(jì)的滾切剪機(jī)構(gòu)若能滿足上剪刃所在連桿的定瞬心線與下剪刃直線段重合，動(dòng)瞬心線與上剪刃圓弧曲線重合，則能夠?qū)崿F(xiàn)上剪刃圓弧曲線在直線下剪刃上的純滾

31、運(yùn)動(dòng)，也就能實(shí)現(xiàn)鋼板的純滾動(dòng)剪切。而上下剪刃的參數(shù)在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)尺寸前可以根據(jù)剪切鋼板的工藝參數(shù)獲得，則該滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)問(wèn)題的本質(zhì)為機(jī)構(gòu)瞬心線軌跡的綜合問(wèn)題，即機(jī)構(gòu)中剪刃所在連桿的定瞬心線軌跡逼近已知的直線下剪刃軌跡，機(jī)構(gòu)中剪刃所在連桿的動(dòng)瞬心線軌跡逼近已知的圓弧上剪刃軌跡。滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的思路為： 固定下剪 刃參數(shù) 定瞬心線 工藝參數(shù) 機(jī)構(gòu)尺寸 圓弧上剪 動(dòng)瞬心線 刃參數(shù) 圖4.2 滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)思路 fig.4.2 design idea of rolling shear mechanism size 多數(shù)情況下難以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)軌跡的精確綜合，本設(shè)計(jì)方法中難以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中連桿的動(dòng)、定瞬心

32、線與上、下剪刃的完全重合。為了盡量減少由于這種不能精確綜合帶來(lái)的誤差，下面將通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，使上剪刃所在剛體的動(dòng)瞬心線最佳的逼近圓弧上剪刃，定瞬心線最佳的逼近水平直線下剪刃。4.2.2 剪刃參數(shù)的確定 （1）滾切剪的工藝參數(shù)要求 根據(jù)剪切鋼板的工藝特性，首先確定的滾切剪工藝參數(shù)要求如下表所示： 表4.1 滾切剪的工藝參數(shù)要求 tab.4.1 process parameters of rolling shear 剪切鋼 板寬度 b剪切鋼板最大厚度 hmax 剪切 重疊量 s 剪切角 開(kāi)口度 要求 k 4300mm 50mm 5mm 2.24 200mm其中，上下剪刃的重疊量s和剪切角需要根

33、據(jù)剪切鋼板的厚度合理選擇。一般情況下，重疊量s的取值范圍為0-5mm，剪切角的范圍一般為2- 3。 (2)水平直線下剪刃參數(shù)的確定 固定的水平下剪刃長(zhǎng)度應(yīng)該不小于板材的寬度b，而參與剪切鋼板的下剪刃長(zhǎng)度為b，在本文的設(shè)計(jì)中，暫只考慮參與剪刃的下剪刃長(zhǎng)度，即取水平下剪刃的長(zhǎng)度為板材寬度b。在滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)好后，再適當(dāng)增加下剪刃長(zhǎng)度即可。而水平下剪刃的位置即為剪切板材的位置。 （3）圓弧上剪刃參數(shù)的確定 通過(guò)給定的滾切剪工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，可以求出所需要的上剪刃圓弧半徑的大?。?r = hmax + s / 1 cos (4.1)式中，hmax為剪切板材的最大厚度，mm； s為上下剪刃的重疊量，mm

34、; 為剪切角， 。 理論純滾動(dòng)時(shí)，由于沒(méi)有相對(duì)滑移，動(dòng)接觸線的長(zhǎng)度與定接觸線的長(zhǎng)度相等，所以就要求圓弧上剪刃的弧長(zhǎng)大于或等于下剪刃的長(zhǎng)度才能保證鋼板的完整剪切，為了方便設(shè)計(jì)，讓上剪刃圓弧的弦長(zhǎng)mn大于或等于下剪刃的長(zhǎng)度b即可滿足這一要求，在本設(shè)計(jì)中即取弦長(zhǎng)mn的大小為b。同理，在機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)好后，可以適當(dāng)增加上剪刃圓弧的長(zhǎng)度。4.2.3 基于瞬心線的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型 （1）設(shè)計(jì)變量 每一個(gè)設(shè)計(jì)方案，都可以用一組參數(shù)來(lái)表示，這些參數(shù)有構(gòu)件的長(zhǎng)度、初始相位角、構(gòu)件上點(diǎn)的坐標(biāo)等等。在這些參數(shù)中，有的是在優(yōu)化設(shè)計(jì)前根據(jù)要求預(yù)先就確定的，稱(chēng)為設(shè)計(jì)常量；有的則是在優(yōu)化計(jì)算中待選擇的參數(shù)，也就

35、是變化的量，稱(chēng)為設(shè)計(jì)變量；有的則是在優(yōu)化計(jì)算中待選擇的參數(shù)，也就是變化的量，稱(chēng)為設(shè)計(jì)變量。 設(shè)機(jī)構(gòu)有n個(gè)設(shè)計(jì)變量t1,t2,tn,可用一個(gè)矢量t表示，寫(xiě)成矩陣形式為： t = t1,t2,tn trn （4.2） 一個(gè)設(shè)計(jì)矢量代表著一個(gè)設(shè)計(jì)方案，它對(duì)應(yīng)著n維空間的一個(gè)點(diǎn)，其中最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案用tn表示，稱(chēng)為優(yōu)化點(diǎn)或最優(yōu)點(diǎn)。 （2）目標(biāo)函數(shù) 由前面分析可知，機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：在剪切鋼板區(qū)域，上剪刃所在剛體的動(dòng)瞬心線最佳的逼近圓弧上剪刃，定瞬心線最佳的逼近水平下剪刃，則鋼板剪切最接近于純滾動(dòng)剪切。故可定義優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為動(dòng)、定瞬心線與上、下剪刃逼近誤差之和： min u(t) = u1(

36、t) + u2(t) （4.3）式中，u1(t)為定瞬心線逼近水平下剪刃的誤差； u2(t)為動(dòng)瞬心線逼近圓弧上剪刃的誤差。下面將分別定義u1(t) 和 u2(t)的大小。 機(jī)構(gòu)中連桿所在剛體的動(dòng)、定瞬心線可以根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程和瞬心的定義綜合得到，且動(dòng)、定瞬心線的方程都為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。按照瞬心線的定義，動(dòng)、定瞬心線分別在上剪刃所在活動(dòng)坐標(biāo)系和機(jī)構(gòu)的固定坐標(biāo)系下表示。 設(shè)上剪刃的定瞬心線方程為： y = gt(x) (4.4) 動(dòng)瞬心線的方程為： ym = gmt(xm) (4.5)其中，下標(biāo)m代表活動(dòng)坐標(biāo)系；gt和gmt均為設(shè)計(jì)變量t的函數(shù)，即每一組設(shè)計(jì)變量t都對(duì)應(yīng)一組gt和gmt。

37、在機(jī)構(gòu)的固定坐標(biāo)系o-xy下，上剪刃所在剛體的定瞬心線方程為 y = gt(x)。設(shè)水平下剪刃的方程為： y = f(x) = c (x1 xxn) (4.6)其中，x1 - xn = b ；常數(shù)c的大小反映的是剪切鋼板的高度位置，可作為設(shè)計(jì)的已知量。 水平下剪刃和定瞬心線的交點(diǎn)為精確點(diǎn)，誤差值為r(x) = f(x) gt(x),為了使得定瞬心線最佳逼近已知的水平下剪刃，用曲線上一系列離散點(diǎn)的均方根誤差值來(lái)定義u1(t)，即： n nu1(t)= 1/n (gt(xt)-f(xt)2 = 1/n (gt(xt)-c)2 (4.7) i=1 i=1 同理，在上剪刃所在連桿的活動(dòng)坐標(biāo)系omxmy

38、m下，上剪刃所在剛體的動(dòng)瞬心線方程為ym = gmt(xm)。設(shè)圓弧上剪刃的方程為： ym = fm(xm) (xm1 xmxmn) (4.8) 由于上剪刃為一段圓弧，故該圓弧的方程還可表示為：（xm-xom）2 + (ym-yom)2 = r2 (4.9)其中，xmn-xm1 = b; (xom, yom)為上剪刃圓弧的圓心坐標(biāo)。 同理，圓弧下剪刃和動(dòng)瞬心線的交點(diǎn)為精確點(diǎn)，誤差值為rm(xm)= fm(xm)- gmt(xm),為了使得動(dòng)瞬心線最佳逼近已知的圓弧上剪刃，用曲線上一系列離散點(diǎn)的均方根誤差值來(lái)定義u2(t)，即： n u2(t)= 1/n (gmt(xmt)-fm(xmt)2 (

39、4.10) i=1 故目標(biāo)函數(shù)可表示為： n minu(t) = 1/n (gt(xt)-f(xt)2 + i=1 n 1/n (gmt(xmt)-fm(xmt)2 （4.11） i=1 （3）約束條件 約束條件有兩種類(lèi)型:邊界約束和性能約束。邊界約束為設(shè)計(jì)變量變化范圍的約束，下面重點(diǎn)介紹滾切剪機(jī)構(gòu)的性能約束。對(duì)滾切剪機(jī)構(gòu)的性能而言，有上下剪刃開(kāi)口度約束、上下剪刃重疊量誤差要求約束和剪切力峰值約束，分別介紹如下。 開(kāi)口度約束由前面的分析可知，為了使得鋼板在滾切工藝動(dòng)作結(jié)束后順利的通過(guò)上下剪刃之間的位置，在機(jī)構(gòu)回程后上下剪刃之間的開(kāi)口度h應(yīng)大于給定的設(shè)計(jì)值k，即： h(t) k (4.12)其中

40、，h(t)為機(jī)構(gòu)方案確定后設(shè)計(jì)變量t的函數(shù)。 上下剪刃重疊量最大誤差約束剪切鋼板時(shí)上下剪刃的重疊量在板寬方向上保持均勻不變才能有較高的鋼板剪切質(zhì)量。若設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)能夠精確的實(shí)現(xiàn)上刀刃圓弧在剪切線上的理論純滾動(dòng)，則能夠保證上剪刃圓弧的動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)與下剪刃之間的距離為常量，及重疊量在板寬方向上恒定不變。但由于難以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的精確綜合，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)誤差，也極不能夠保證上下剪刃的重疊量在板寬方向上的恒定不變，而是在一個(gè)定值的上下浮動(dòng)。按照剪切工藝要求上下剪刃的重疊量一般為0-5mm，故重疊量的上下浮動(dòng)量不能太大。因此，下面提出了上下剪刃重疊量最大誤差的約束條件。 為了求剪切鋼板時(shí)上下剪刃的重疊量大小，首先

41、需要求出該時(shí)刻上剪刃圓弧最低點(diǎn)的坐標(biāo)該點(diǎn)即為剪切點(diǎn)，其與下剪刃的重疊量即為該時(shí)刻上下剪刃的重疊量大小。上剪刃圓弧動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)k的坐標(biāo)，可根據(jù)它與上剪刃中點(diǎn)h的關(guān)系來(lái)求解。 在固定坐標(biāo)系中，任一瞬時(shí)的上剪刃圓弧動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)k與上剪刃圓弧中點(diǎn)h的坐標(biāo)關(guān)系可以表示為： xk = xh - rsin yk = yh r(1-cos) (4.13)式中，為上刀架傾角，r為上剪刃圓弧半徑。(xh,yh)為中點(diǎn)h在固定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。 通過(guò)坐標(biāo)變換首先求出上剪刃圓弧中點(diǎn)h在固定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后根據(jù)上面的幾何關(guān)系求出上剪刃圓弧動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)的集合。第5章 4300軋機(jī)滾切式定尺剪簡(jiǎn)單計(jì)算5.1 最大剪切

42、力的計(jì)算 因滾切式剪切機(jī)剪切力計(jì)算復(fù)雜，可由平行刀片剪切力推算而出。由機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)（主編：盧秀春）可知，根據(jù)被切軋件變形阻力的方法，平行刀片剪切機(jī)剪切力計(jì)算方法有四種：即單位剪切阻力曲線法；變形阻力（真實(shí)流動(dòng)極限）曲線法；近似曲線法；工程計(jì)算法。這里采用單位剪切阻力曲線法計(jì)算平行刀片剪切機(jī)剪切力，再乘以系數(shù)c（0.12-0.13）約為滾切式剪切機(jī)剪切力。 已知厚度為50mm的鋼板最大材料冷態(tài)抗拉強(qiáng)度為750n/mm2,最大剪切力p可按下式計(jì)算： p=0.6kbf （5.1）式中 b 被切軋件材料在相對(duì)剪切溫度下的強(qiáng)度極限； f鋼板最大面積； k考慮由于刀刃磨鈍、刀片側(cè)間隙增大而使剪切力提高的系

43、數(shù)，一般取k=1.1-1.3。 分析： f= 4200*50 = 210000 mm2 b=750 n/mm2 取 k=1.2 ， 則 p= 0.6*1.2*750*210000 = 113400 kn 取 c=0.125 pmax = p*c = 113400*0.125 = 14175 kn5.2 曲柄軸上的靜力矩 曲柄軸上的靜力矩mj由三部分組成， 即mj為 mj=mp+mf+mkon式中 mj曲柄軸（或偏心軸）上的靜力矩； mp剪切力矩，克服剪切力所需的力矩； mf摩擦力矩，克服滑槽與刀臺(tái)、連桿鉸鏈點(diǎn)以及曲柄軸軸頸處第5章 4300軋機(jī)滾切式定尺剪簡(jiǎn)單計(jì)算擦力矩所需的力矩； mkon空

44、載力矩；克服剪切機(jī)構(gòu)零件自重所引起的摩擦力矩，一般取mkon=(0.05-0.1)(mp+mf)5.2.1 剪切力矩mp的確定 由機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)（主編：盧秀春）可知，剪切力矩mp可寫(xiě)成以下形式： mp = pab*r*sin*(*cos+cos)式中 pab連桿上的作用力 pab=p/cos其中，p為剪切力； r曲柄半徑（曲柄軸偏心距）， 曲柄軸轉(zhuǎn)角； 曲柄軸轉(zhuǎn)角為時(shí)，連桿擺動(dòng)的角度； 連桿比，即=r/l其中，l為連桿長(zhǎng)度。 （1）曲柄軸偏心距的確定 曲柄軸偏心距r一般是根據(jù)刀片行程h或開(kāi)口度ho來(lái)確定的，即 r=h/2 r=(ho+s)/2式中 h刀片行程； ho刀片開(kāi)口度，即為上下刀片之間的

45、開(kāi)口距離； s上下刀片的重疊量。 這里剪刃最大開(kāi)口度取ho=200mm；上下刀片的重疊量取s=5mm； 則 r = (200+5)/2 = 102.5 mm （2）取曲柄軸轉(zhuǎn)角=30度 （3）當(dāng) 5度時(shí)，cos1 （4）對(duì)于平行刀片剪切機(jī)，連桿比一般為0.075-0.15。取=0.1 綜上所述： pab = 14175kn mp = 14175000*0.1025*sin30*(0.1*cos30+1) 790 kn5.2.2 摩擦力矩mf的確定 摩擦力矩由四部分組成，即 mf = mfq+mfa+mfb+mfo式中，mfq由刀臺(tái)與滑槽之間摩擦所增加的阻力矩； mfa連桿鉸鏈點(diǎn)a處的摩擦力矩；

46、 mfb連桿鉸鏈點(diǎn)b處的摩擦力矩； mfo曲柄軸軸頸處（點(diǎn)o）的摩擦力矩。 由于摩擦力計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，在此處可以忽略不計(jì)。(不可以忽略，但我沒(méi)算出呢，哈！)但依據(jù)功率選取電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)選取較大值。通過(guò)求出摩擦當(dāng)量力臂mf就可求出摩擦力矩mfmf = p mf = 141750.15 2126kn m5.2.3 空載力矩的計(jì)算 由，mkon=(0.05-0.1)(mp+mf)得， mkon = 0.05*（790+ 2126 ） 145 kn.m 綜上所述： 由，mj = mp + mf + mkon 得， mj = mp + mf + mkon = 790 + 2126 + 145 = 3061k

47、n m 5.3 電動(dòng)機(jī)的功率 求出曲柄軸上靜力矩mj后，就可進(jìn)行電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算。 剪切機(jī)電動(dòng)機(jī)功率可按平均靜力矩mjm進(jìn)行預(yù)選，即 n = mjm*nj*106/9550/1/ kw式中，mjm曲柄軸上平均靜力矩，mn.m nj曲柄軸轉(zhuǎn)速，r/min； 1電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)，一般1=1.1-1.3 剪切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)效率。 這里取平均靜力矩mjm用最大靜力矩mj代替，雖增大了力矩值，但可與忽略摩擦力矩mf相抵消。取 mj=3000kn m，1=1.2，=0.6，c=4.38已知nj=40/3 r/min代入整理得，n=300040/3103/95501.20.64.38 1328kw綜上所述，由得到的

48、電機(jī)功率選用兩臺(tái)665kw的電動(dòng)機(jī)。第6章 剪切系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)本例為雙自由度方案，需要兩個(gè)原動(dòng)件來(lái)驅(qū)動(dòng)，為雙軸雙偏心曲柄連桿式滾切剪機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)自由度為2，通過(guò)左右兩個(gè)曲軸作為機(jī)構(gòu)的輸入。雙自由度方案的主體可歸結(jié)為五桿機(jī)構(gòu)，用五桿機(jī)構(gòu)中的連桿來(lái)實(shí)現(xiàn)上剪刃的平面運(yùn)動(dòng)。要設(shè)計(jì)五桿機(jī)構(gòu)的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)上剪刃的平面運(yùn)動(dòng)，用位置綜合的方法較難實(shí)現(xiàn)?；诖?，采用機(jī)構(gòu)瞬心線的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方法，上剪刃的純滾運(yùn)動(dòng)通過(guò)上刀架的動(dòng)、定瞬心線軌跡來(lái)保證。依據(jù)純滾動(dòng)的理論設(shè)計(jì)滾切剪機(jī)構(gòu)，保證上剪刃所在連桿的定瞬心線、動(dòng)瞬心線分別與直線下剪刃、圓弧上剪刃重合，則能夠?qū)崿F(xiàn)鋼板的純滾動(dòng)剪切。該滾切剪機(jī)構(gòu)選用的是雙自由度七桿機(jī)

49、構(gòu)，如圖所示，曲柄ab和曲柄ef作為原動(dòng)件輸入，圓弧上剪刃對(duì)稱(chēng)安裝在連桿cd上。機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，左右端曲柄以相同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)，利用雙曲柄的相位角實(shí)現(xiàn)上剪刃的滾切動(dòng)作。 6.1 上下剪刃幾何參數(shù)的確定為了表示上下剪刃的位置，在機(jī)構(gòu)上建立了如圖所示坐標(biāo)系。在固定鉸鏈h處建立了固定坐標(biāo)系hxy;在上剪刃所在連桿cd的中點(diǎn)建立了活動(dòng)坐標(biāo)系lxmym第6章 剪切系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) 圖6.1 雙軸雙偏心曲柄連桿式滾切剪機(jī)構(gòu) fig.6.1 rolling shear mechanism of double-crank(1) 固定下剪刃參數(shù)由于設(shè)計(jì)中要求剪切鋼板的最大寬度為4200mm，所以下剪刃的長(zhǎng)度應(yīng)大

50、于4200mm才能保證鋼板的完整剪切，取下剪刃長(zhǎng)度為4300mm。根據(jù)剪切鋼板所在的位置，取水平下剪刃在固定坐標(biāo)系hxy下的方程為： y = f ( x ) = c = -400 （6.1） (2) 圓弧上剪刃參數(shù)由于設(shè)計(jì)中要求剪切鋼板的寬度為4300mm，所以取上剪刃圓弧的弦長(zhǎng)mn大小為4300mm。另外，上剪刃圓弧在連桿cd中的位置設(shè)計(jì)前可給定，根據(jù)以確定的剪刃寬度方向的尺寸比例，取上剪刃端點(diǎn)m或n在活動(dòng)坐標(biāo)系lxmym中縱向坐標(biāo)為-500mm。由滾切剪的工藝參數(shù)要求有，剪切的鋼板最大厚度為50mm，上下剪刃的重疊量為5mm，滾切角度為2.24 ，所以上剪刃圓弧半徑大小為： r = hmax + s / 1 cos = 50 + 5 / 1 - cos 2.24 = 71978 mm 可以取上剪刃圓弧半徑 r=7200mm.6.2 優(yōu)化和改進(jìn)措施 針對(duì)定尺剪傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中所暴露的問(wèn)題，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)可作如下改進(jìn)。6.2.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn) （1）將傳動(dòng)系統(tǒng)的第1級(jí)減速由裝在電機(jī)軸上的小帶輪和裝在減速機(jī)高速軸上的大帶輪（飛輪）通過(guò)皮帶完成； （2）將原動(dòng)件系統(tǒng)中2