飛剪的機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

1、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)廖漢元孔建益聞欣榮李佳編撰武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)與制造教研室1999年5月（02年再版）飛剪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)任務(wù)書一.工藝要求1.剪切運(yùn)動(dòng)速度為Vt=2m/s的鋼板，拉鋼系數(shù)二V刀/ V t =,=2.兩種鋼板定尺（長(zhǎng)度）L=1m;3 .剪切時(shí)上下剪刃有間隙，剪切后上下剪刃不發(fā)生干涉（相碰） ；4 .剪切時(shí)上、下剪刃沿鋼板運(yùn)動(dòng)速度方向的速度相對(duì)誤差：AV刀口二.給定參數(shù)1.工藝參數(shù)h h剪切力 F=10T=98kN;支座A距輾道面高約為h250mm口圖1);刀刃重合量 Ah5mm;鋼板厚度A b=1mm;2.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)按定尺L=1m給出機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)k、遠(yuǎn)極位傳

2、動(dòng)角2、搖桿擺角:1123522o表1參數(shù)與方案三.設(shè)計(jì)內(nèi)容1.根據(jù)工藝要求制定機(jī)構(gòu)方案，定性比較各方案的優(yōu)、劣；2.設(shè)計(jì)出滿足工藝要求的機(jī)構(gòu)尺寸及上下剪刃的位置尺寸；3.根據(jù)最終設(shè)計(jì)結(jié)果按比例繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及上下剪刃的軌跡；4.進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及力分析，檢驗(yàn)上下剪刃的速度相對(duì)誤差、拉鋼系數(shù)是否滿要求，并求出曲柄上的平衡力矩Mb飛剪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)指導(dǎo)書二，對(duì)剪機(jī)運(yùn)動(dòng)的要求:1 .曲柄轉(zhuǎn)一圈對(duì)鋼材剪切一次;2 .剪切時(shí)，上、下剪刃速度相對(duì)誤差小于其許用值：V刀二2|VeVf/(V Et+VFt) =.3.剪切時(shí)，上下剪刃應(yīng)與鋼材運(yùn)動(dòng)同步般希望剪刃速度略大于鋼材運(yùn)動(dòng)速度，即拉鋼系數(shù) >1:V

3、刀二（V Et+VJ/2 ；4.能調(diào)節(jié)鋼材的剪切長(zhǎng)度L1.工藝參數(shù)剪切力F=10T=98kN支座A距輾道面高約為h 250mm刀刃重合量 A h5mm鋼板厚度A b=1mm.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)按定尺L=1m給出機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)k、遠(yuǎn)極位傳動(dòng)角2、搖桿擺角如表1所示四.機(jī)構(gòu)的型綜合 首先對(duì)工藝要求進(jìn)行分析，把工藝要求變換為對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的要求， 然后根 據(jù)對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求進(jìn)行型綜合。1 .工藝對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求：(1)為完成剪切，上下剪刃應(yīng)完成相對(duì)分合運(yùn)動(dòng)；(2)為剪切運(yùn)動(dòng)中的鋼材，上下剪刃在完成相對(duì)分合運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還應(yīng)有沿鋼材方向的運(yùn)動(dòng)；(3)根據(jù)以上要求可知，上下剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡之一應(yīng)為封閉曲線(如圖 3a

4、)、b)、c)所示)。圖3 d)上下刀刃均為非封閉曲線，使得飛剪在空行程中沿鋼材運(yùn)動(dòng)方向逆向剪切，這是不允許的。(4)最簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)原則。首先采用最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合，不滿足要求時(shí)才采用較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)鏈。(5)最低級(jí)別機(jī)構(gòu)原則。一般采用多元連桿為機(jī)架不易得到高級(jí)別機(jī)構(gòu)。(6)不出現(xiàn)無功能結(jié)構(gòu)原則。(7)最低成本原則。加工易難及加工成本按如下順序遞增：轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、局副。(8)最符合工藝要求原則。表2、3和圖4、5給出F=1、F=2各類運(yùn)動(dòng)鏈及其結(jié)構(gòu)圖，作為進(jìn)行機(jī)構(gòu)變換的依據(jù)。圖4 F=1的運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)圖表2單自由度運(yùn)動(dòng)鏈組合序號(hào)特性N(1)n(2)Nbn(4)2(1)n/2)備注IN=4,L=

5、1, 2=4,N3=0,N3=0均為四桿運(yùn)動(dòng)鏈RN=6,L=2,N2=5,N3=0,N4=1mm-1N=6,L=2,N2-4,N3-2,N4-0022022m-2112112IVIV-1N=8,L=3,N2-6,N3-0,N4-202220222IV-211221122VV-1N-8,L-3,N-5,N3-2,N4-10120120022V-20120020122V-30121110112V-41111111111V-50120111122VIVI-1N=8,L=3,N2=4,N3=4,N4=0002002002002VI-2011011002002VI-3000011012012VI-400

6、1011011111VI-5011011011011VI-6001001012012VI-7002001011012表3兩自由度運(yùn)動(dòng)鏈組合序號(hào)特性N（1）KIRlZ（4）N3IU（1）N4K1（2）N4AAN=5,L=1,N=5,N3=0,N4=0BBN=7,L=2,N=6,N3=0,N4=13333CC-1N=7,L=2,N=5,N3=2,N4=0023023C-2113113C-3122122DD-1N=9,L=3,02230223D-2N=7,N3=0,N4=211231123D-312221222EE-1N=9,L=3,N=6,N3=2,N4=10020130123E-20020220

7、222D-30030120123E-40120121122E-50110131113E-60110221122E-70120130023E-80121120122E-90131110113E-100220220022E-110221120112E-121111121112E-131121121111FF-1N=9,L=3,N，=5,N3=4,N4=0000011013013F-2000012012022F-3001001013013F-4001002012022F-5001003011013F-6001011012112F-7001012012111F-8002011011112F-90020

8、02003003F-10002002012012F-11002011012111F-12011011003003F-13011011111111F-14011011012012圖5 F=2的運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)圖機(jī)構(gòu)變換例:選用圖4中最簡(jiǎn)單的F=1的四桿運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行機(jī)構(gòu)變換。如圖 6 a）所示以AD為機(jī)架；CD 為滑塊、D 為移動(dòng)副（圖6 b ） ；上、下刀刃分別裝在曲柄、滑塊上（圖6 c ） 。方案分析：方案滿足上、下剪刃運(yùn)動(dòng)軌跡之一應(yīng)為封閉曲線的運(yùn)動(dòng)要求。其最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但存在如下突出缺點(diǎn)：橫向尺寸大。偏距大、連桿長(zhǎng)度短將使機(jī)構(gòu)壓力角增大。為減小壓力角，必需增大連桿長(zhǎng)度 BC調(diào)節(jié)鋼材定尺困難。

9、定尺調(diào)短時(shí)曲柄轉(zhuǎn)速增高，為 使刀刃速度與鋼材速度 V同步，必需減小曲柄半徑AB和刀刃E的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑AE（圖中的AB AE）0由于剪切點(diǎn)由點(diǎn)K上移到K,因此必需將鋼材抬起方能進(jìn)行剪切，這是不允許的。此為一個(gè)壞方案?？梢娚系度胁荒苎b在曲柄上。BDc）圖6曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的飛剪五.機(jī)構(gòu)尺度設(shè)計(jì)分兩步進(jìn)行：1.四桿機(jī)構(gòu)的相對(duì)尺寸設(shè)計(jì)；2.計(jì)算四桿機(jī)構(gòu)的絕對(duì)尺寸。1.四桿機(jī)構(gòu)的相對(duì)尺寸設(shè)計(jì)（見“機(jī)械原理” P126）已知參數(shù)：k, 2，.計(jì)算機(jī)構(gòu)的相對(duì)尺寸a。,bo ,Co , d o=1.2.計(jì)算四桿機(jī)構(gòu)的絕對(duì)尺寸 （1）曲柄半徑a剪切鋼板一次所需的時(shí)間t :t=L/Vt （s）曲柄的轉(zhuǎn)速小和角速度1：若曲

10、柄銷白速度為Vb,則曲本B半徑a為：a=V/i.設(shè)：ki=vjv刀（k i為曲柄銷B點(diǎn)的速度與刀刃平均速度之比）VB=kiV刀=kiV t.由此得到：a=ki V t/1,a=ki L/(2)初步設(shè)計(jì)時(shí)k1可任選。一機(jī)構(gòu)初步設(shè)計(jì)完成后再重新確定 k1）2四桿機(jī)構(gòu)的絕對(duì)尺寸相對(duì)尺寸為：a0 , b 0 ,c 0 ,d 0。絕對(duì)尺寸為：a ,b ,c ,d:求比例尺L=a/a0。得絕對(duì)尺寸：a=a0,b=Lb0,c=lc0,d=l。3.刀刃位置確定如圖8所示，取機(jī)架角4=10且使曲柄與機(jī)架共線的機(jī)構(gòu)位置來確定刀刃位置尺寸，這是圖8D點(diǎn)且有2=3）。若考慮到：可得到刀刃重合量A h,且此時(shí)有丫日丫白

11、（此時(shí)連桿的絕對(duì)瞬心在計(jì)算出f、3、e、2,即確定了刀刃F、E的位置f=dcos 4-he=(f- A h) 2+(d-a) 2-2(f- A h)(d-a)cos 4.初步計(jì)算3、 23=4+ A oA由ABCD®余弦定理求出。3求出后可由ABDE和ABDW出Lce、Lcf。然后由A BC或余弦定理求出2。注意到點(diǎn)E、F應(yīng)滿足重和，即Lce=Lcf。故令LCEF=(LCE+LCF)/2(5)按長(zhǎng)度Lcef及尺寸b,e,c,f重新計(jì)算2*、*34.剪切角J0)的確定：剪切角1( 0) 即剪切時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角。由圖9 知：1 ( 0) =4DAB.DAB由AADBK余弦定理求解。長(zhǎng)度

12、 Lbd由A BE ( F) D求得，A BED勺角 =BEC+DECBEC DE3另由A BEC A DECK余弦定理求解5.調(diào)整上下刀刃水平速度誤差E、F沿鋼材方向的速度誤當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角i=i(0)時(shí)飛剪對(duì)鋼材進(jìn)行剪切。此時(shí)若上、下刀刃 差太大，則出現(xiàn)傾斜的鋼材切口，甚至不能切斷鋼材。因此必需調(diào)整某參數(shù)以控制上、下 刀刃的速度誤差。上、下刀刃的速度可寫成如下矢量方程:Ve=VC+VEcVf=V+VFc若Vec、VFc垂直于鋼材運(yùn)動(dòng)方向(即CE (F)線與鋼材運(yùn)動(dòng)方向平行)，則其在鋼材 運(yùn)動(dòng)方向的分量為零， V V沿鋼材的分量即VC沿鋼材的分速度而相等。故計(jì)算 CE (F)的 位置角E,再使整個(gè)

13、機(jī)構(gòu)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)以使 CE (F)線與鋼材運(yùn)動(dòng)方向平行。即調(diào)整機(jī)架傾 角a4使上、下刀刃的速度誤差為零。先對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析求出2角(參考機(jī)械原理p29P30)，再由矢量多邊形方程BE=BC+CE(6)由下式求 e角：tan =esin()-bsin/ecos()-bcose -90E即整個(gè)機(jī)構(gòu)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。按下式計(jì)算機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)后的機(jī)架傾角和各構(gòu)件的位置角：（ 0）（ 0）4 = 4 - E 1 =1 - E6, 調(diào)整刀刃與鋼材運(yùn)動(dòng)速度同步先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析求出2、3,再由矢量方程AE=AB+BE上、下刀刃沿鋼材方向的速度分量 VEt=yE、VFt=yF(機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析參考機(jī)械原理p29P30

14、)。求出上、下刀刃沿鋼材方向的平 均速度V刀及拉鋼系數(shù)：V = (VEt+ VFt) /2(8)=V 刀/ Vt(9)一般，即上、下刀的速度不滿足拉鋼系數(shù)的要求。由于曲柄轉(zhuǎn)速不能調(diào)整故應(yīng)調(diào)整曲柄半徑。初定曲柄半徑a時(shí)公式中的K (為曲柄銷B點(diǎn)的速度與刀刃平均速度之比)是任意選 定的，故應(yīng)按下式計(jì)算出實(shí)際的 ki*值后重新計(jì)算曲柄半徑a* ：k 1* =a1/ V 刀 ，(10)a*=k1* V t/ 1,或a* =k1* L/(2)(11)為保證原始給定參數(shù)2、k、不變，各長(zhǎng)度尺寸應(yīng)作如下調(diào)整:b=, c=d=e=f=由此得到滿足給定設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)尺寸為帶*的參數(shù)，其剪切角為（0）i7,求曲柄

15、的平衡力矩M如圖8所示，按瞬時(shí)功率法求曲柄的平衡力矩MMbi-FcVEx+FcVFx=0MB=Fc（VexMx）/ i（12）六.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)性能校驗(yàn)（用帶*號(hào)尺寸計(jì)算）1,檢驗(yàn)剪切（0）i）時(shí)，上下刀刃對(duì)刀誤差：2,檢驗(yàn)剪切時(shí)上下刀刃是否與鋼材運(yùn)動(dòng)速度同步（；x 2 xE xF /（ xE xF）y2|yEyF/（yE yF）3,檢驗(yàn)剪切時(shí)上下刀刃速度的相對(duì)誤差 v刀4,檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否達(dá)到給定設(shè)計(jì)要求（k、2、）5,從結(jié)構(gòu)尺寸、傳力性能等方面與方案5比較其優(yōu)劣。（作方案5的與方案1比較）七.設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求（一）設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容（僅供參考）1,設(shè)計(jì)任務(wù)（題目；具體設(shè)計(jì)內(nèi)容）；2,飛剪的工作原理及工藝

16、要求；3,原始數(shù)據(jù)（工藝參數(shù)；設(shè)計(jì)參數(shù)）；4,機(jī)構(gòu)型綜合（型綜合原理；工藝對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的要求；三種方案的比較：本計(jì)算方案、自己的方案、小組內(nèi)自選一方案）；5,機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)（四桿機(jī)構(gòu)相對(duì)尺寸計(jì)算；刀刃位置尺寸及剪切角的確定方法；機(jī)構(gòu)絕對(duì)尺寸計(jì)算及調(diào)整的原理與方法；最終設(shè)計(jì)結(jié)果）；6，機(jī)構(gòu)的平衡力矩計(jì)算；7，主要結(jié)論（與方案5（ 1）比較列出機(jī)器的尺寸參數(shù)及性能；從機(jī)器的尺寸大小、機(jī)重、傳力等方面比較本方案的優(yōu)缺點(diǎn)）；8，結(jié)束語（設(shè)計(jì)心得與體會(huì)）9，參考文獻(xiàn)（作者 . 文獻(xiàn)名 . 出版社 . 出版年月. 卷期號(hào) 或頁(yè)號(hào) ）（二）設(shè)計(jì)的具體要求1，按自己的設(shè)計(jì)繪制機(jī)構(gòu)型綜合3 圖一張。要求：1）如何

17、從運(yùn)動(dòng)鏈變換得到；2）按合理的比例繪制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖；3）按比例畫出上下刀刃的軌跡并判斷方案的合理性；分析優(yōu)缺點(diǎn)。4）圖面填充率不小于75%，文字用仿宋體書寫。2，按機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終尺寸，按比例繪制機(jī)構(gòu)圖（2 圖）及上下刀刃的軌跡。要求：1）標(biāo)出尺寸、運(yùn)動(dòng)副、位置參數(shù)等的代號(hào)，列表標(biāo)出其數(shù)值；2）以X為起始位置將曲柄圓周等分為12等分，圖解求點(diǎn)E、F的軌跡（加剪切點(diǎn)共13個(gè)點(diǎn)位）；3）列表標(biāo)出點(diǎn)E、F坐標(biāo)的圖解值與理論值及其相對(duì)誤差 （%4）圖面填充率不小于 75%文字用仿宋體書寫。3,設(shè)計(jì)說明書用鋼筆書寫、文字清晰 端正、內(nèi)容完整精煉流暢。飛剪機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)i:武漢科技大學(xué)mJ不少于15頁(yè)；4,闡明

18、原理，方法時(shí)應(yīng)配有示意圖（用鉛筆儀器繪制）；5,將設(shè)計(jì)說明 書及兩張圖紙裝訂后粘貼封面。附錄：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于飛剪機(jī)構(gòu)也可使用優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡管其結(jié)果不如上述理論求解精確但如果需要還可增加更多的設(shè)計(jì)條件。有興趣的學(xué)生可 以試試。與理論求解相同，為保證給定的參數(shù) k、2、，應(yīng)先計(jì)算出四桿機(jī)構(gòu)的相對(duì)尺寸 麗卜、 C0、兒。只要確定一個(gè)絕對(duì)尺寸（如曲柄半徑a）就可求出比例尺后再計(jì)算其它各絕對(duì)尺寸。x4(t)圖10設(shè)計(jì)變量參數(shù)a、4、e、2、f、3、i0均可作設(shè)計(jì)變量。注意到剪時(shí)要求點(diǎn)置尺寸e、2和f、3之一為非獨(dú)立參數(shù)，可根據(jù)E、F共點(diǎn)求出X=xi x

19、 2 x 3 x 4 x 5 T=a 4 e 2 ； T.如圖10所示f、3根據(jù)E、F共點(diǎn)按下式求出: 3=3-arctancsin3+LcEsin 目/ccos 3+LcefC0sE|f=csin 3+LcEsin e 2+ ccos 3+LceCOSe 2.E、F重合，上、下刀刃的位故以下參數(shù)為設(shè)計(jì)變量：(13)(14)目標(biāo)函數(shù)建立目標(biāo)函數(shù)考慮如下因素:1) VEt與VFt間的誤差;2) VEt、VFt要與鋼材Vt同步;3)能剪斷鋼材。 約束條件 由于已考慮機(jī)構(gòu)的傳力性能且一定有曲柄，故只考慮設(shè)計(jì)變量的邊界約束。 飛剪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)變量：X=x1 x 2 x 3 x 4 x 5

20、 T=a 4 e 2 10 T目標(biāo)函數(shù)：F (X)=wKi-2VEt-VFt/VEt+VFt+W2K2-(V日+3)/(2 Vt)+W3 Ka-A h約束條件：0<xipi(i=1,2,3,4,5)Pi為各設(shè)計(jì)變量的上限；W為各單項(xiàng)目標(biāo)的加權(quán)因子；Ki、K2、R分別為上下刀刃沿鋼 材方向的相對(duì)誤差許用值、拉鋼系數(shù)許用值和刀刃重合量許用值。Ah為刀刃實(shí)際重合量。按下式計(jì)算：A h = XFi max-X Ei min (i = 1 2 3 .用n 為曲柄轉(zhuǎn)角的分點(diǎn)數(shù)。約束隨機(jī)法源程序數(shù)學(xué)模型:minF(X)=(x-8) 2+(x-8) 2G 1(x)=x 1G2(x)=x 2-1G3(x)

21、=11-x 1-x 2設(shè)計(jì)變量的維數(shù)n=2; 約束數(shù) z=3; 最小步長(zhǎng)e=10-5; 搜索方向數(shù)m=50; 其優(yōu)化源程序如 下：/*/#define pi#include ""#include ""#include ""main() ( *優(yōu)化主程序)float x20,x020,f,f0,goalf(),constr(),sm,y20,s20,al=,kr,e=1e-5;int n=2,i,j,g,k,m=50,numb=0,numb0=0;loop1:for(i=0;i<n;i+)printf("x0%d=&qu

22、ot;,i);scanf("%f",&x0i);g=constr(x0);printf("g=%dn",g);if(g=1) goto loop1;f0=goalf(x0);for(i=0;i<n;i+) printf("x0%d=%fn",i,x0i);printf("f0=%f",f0);loop2:k=1;j=0;loop3:sm=0;for(i=0;i<n;i+)kr=random(200);kr=kr/200;yi=kr*2-1;sm=sm+yi*yi; for(i=0;i<n;

23、i+) si=yi/sqrt(sm);xi=x0i+al*si; loop4: g=constr(x);numb0=numb0+;if(g=1 ) if(j=0) goto loop6;else goto loop2; f=goalf(x);numb=numb+;if(f<f0) goto loop5;if(j=0) goto loop6;else goto loop2;loop5: for(i=0;i<n;i+) x0i=xi;f0=f;j=1;for(i=0;i<n;i+) xi=x0i+al*si;goto loop4;loop6: k=k+1;if(k<m)goto loop