定尺剪畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題來源</b></p><p>　　近年來，我國中厚鋼板的產(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年底全國中厚鋼板軋機(jī)將近百套，其年產(chǎn)能力將達(dá)到7160萬噸。在新建熱軋生產(chǎn)線、熱處理線及落后生產(chǎn)線擴(kuò)能的過程中，由于受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，企業(yè)

2、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。</p><p>　　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)。但是我國企業(yè)的滾切剪生產(chǎn)技術(shù)大多是引進(jìn)國外西馬克(SMS)、日本石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社（IHI）、達(dá)涅力（Danieli）

3、、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)我國滾切剪設(shè)備的研究理論支持不足，制約了我國滾切剪設(shè)備的自主研發(fā)過程。</p><p>　　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)

4、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、智能化設(shè)計(jì)提供方法。</p><p>　　1.2 滾切剪國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　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)、圓盤式剪切機(jī)和飛

5、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)。</p><p>　　在1971年，西德摩納.紐曼公司（簡(jiǎn)稱MDN）首次研制成功滾切剪，此后該技術(shù)裝備在歐洲、美國、韓國、日本等發(fā)達(dá)國家的鋼鐵企業(yè)得到迅速推廣。目前，歐美等國在2300-5500mm寬厚

6、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。</p><p>　　目前滾切剪機(jī)構(gòu)分為曲柄連

7、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)。</p><p>　　雙軸雙偏心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</p><p>　　圖1.1 雙軸雙偏心曲柄連桿式滾切剪機(jī)構(gòu)</p><p>　　F

8、ig.1.1 Rolling shear mechanism of double-crank</p><p>　　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)。</p><p>　　圖1.

9、2 液壓缸連桿式滾切剪機(jī)構(gòu)</p><p>　　Fig. 1.2 Rolling shear mechanism driven by hydraulic cylinder</p><p>　　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

10、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。</p><p>　　1993年，我國沈陽重型機(jī)器廠與德國MDS公司合作為舞陽鋼廠提供的三曲軸滾切式雙邊剪是我國第一臺(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內(nèi)第二臺(tái)滾切式雙邊剪。近年來，我國一些重型制造企業(yè)先后通過與外國公司合作制造的方式為我國的舞鋼、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

11、切剪設(shè)備，極大提高了我國中厚鋼板軋鋼的生產(chǎn)能力。與此同時(shí)，國內(nèi)也涌現(xiàn)了一些研究滾切剪機(jī)構(gòu)的個(gè)人或單位，為我國開發(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。</p><p>　　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

12、新等人通過對(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，通過控制上剪刃動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)的軌跡來實(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。</p><p>　　綜上所述，目前國內(nèi)滾切剪機(jī)

13、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；后者通過控制上剪刃動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)的軌跡能夠保證上剪刃的剪

14、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)。</p><p>　　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)問題，即

15、尋找符合設(shè)計(jì)要求的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸最優(yōu)解。</p><p>　　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</p><p>　　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)的思想來最終求解。優(yōu)化方法也是連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合理論中使用較普遍的一種方法，尤其是近年來發(fā)展起來的基于隨機(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)化問題。</p><p>　　連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合方法

16、可分為直接法和間接法兩大類，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)理論建立起來的幾何圖解法概念清晰、直觀性強(qiáng)，但作圖過程繁雜，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

17、儲(chǔ)能力和快速檢索能力來實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)的綜合。</p><p>　　連桿機(jī)構(gòu)精確運(yùn)動(dòng)綜合中的大多數(shù)問題都可歸結(jié)為非線性方程組的求解問題，由于大多數(shù)非線性方程組沒有準(zhǔn)確解，因此下面只討論在沒有準(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)化問題。</p><p>　　對(duì)于非線性方程組，其數(shù)學(xué)模型可表示為：</p><p>　　f1(X) = 0</p>

18、<p>　　f2(X) = 0</p><p><b>　　… </b></p><p>　　fm(X) = 0</p><p>　　式中X=[x1,x2,…,xn] ∈R^n為待求的n個(gè)未知量。</p><p>　　對(duì)于精確運(yùn)動(dòng)綜合中的非線性方程組（1.1），若其沒有準(zhǔn)確解，則可轉(zhuǎn)化為非線性最

19、小二乘問題：</p><p><b>　　m </b></p><p>　　Min ∑ fi^2(X) (1.2)</p><p>　　X∈R^n i=1</p><p>　　或鞍點(diǎn)規(guī)劃（極大極?。﹩栴}：</p><p>　　Min max｜fi(X)｜

20、 (1.3)</p><p>　　X∈R^n 1≤ i≤ m</p><p>　　對(duì)于近似運(yùn)動(dòng)綜合，亦通常將其描述為形如式（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)化為如下的無約束（或約束）優(yōu)化問題：</p><p><b>　　m</b></p>

21、<p>　　Min Φp(X)= 1/p㏑∑exp(p)｜fi(X)｜ (1.4)</p><p>　　X∈R^n i=1</p><p>　　式中，p>0，且充分大。</p><p>　　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

22、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。</p><p>　　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)

23、曲線搜索算法求解該問題。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)合的方法求解該問題。</p><p>　　近年來發(fā)展起來的基于隨機(jī)性的智能算法是求解優(yōu)化問題的有效方法，如模擬退火算法（Simulated Annealing Algorithm, SAA）、遺傳算

24、法（Genetic Algorithm, 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)的選擇無關(guān)。因此對(duì)

25、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)）來逼近之。由于工程問題越來越復(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求解復(fù)雜的工程問題是目前發(fā)展的趨勢(shì)，這也是智能算法興起的重要原因。</p><p>　　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

26、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。</p><p>　　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 Renbi

27、n, LiuYong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。</p><p>　　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)展起來的智能優(yōu)化算法也被

28、人們應(yīng)用到連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合問題的求解中，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)化問題，目標(biāo)函數(shù)具有多峰性和不可微性，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求解該優(yōu)化問題。</p><p>　　第2章 滾切剪特性及相關(guān)理論</p><p>　　2.1 滾切剪的剪

29、切特性</p><p>　　滾切剪是通過圓弧上剪刃在鋼板上純滾動(dòng)來剪斷鋼板的。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口度要求，以順利的讓鋼板移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)剪切。</p><p>　　2.1.1 滾動(dòng)剪切</p><p>　　滾動(dòng)剪切是指圓弧上剪刃在固

30、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。</p><p>　　滾動(dòng)剪切鋼板的優(yōu)點(diǎn)主要有：</p><p>　　上剪刃沒有水平滑移，則剪刃磨損小，剪刃工作壽命長(zhǎng)；</p><p>　　剪切鋼板過程中上剪刃沿板材寬度方向上的切深保持不變，則鋼</p><p>　　板斷面不會(huì)發(fā)生彎曲變形，鋼板剪切質(zhì)量好。</p>&

31、lt;p>　　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)剪切鋼板的厚度來選擇的。所以實(shí)際剪切過程中，上刀刃的剪切線與直線</p><p>　　下剪刃有一個(gè)偏移量，即為上下剪刃之間重疊量大小。</p><p>　　2.1.2 開口度要求</p><p>　　滾切結(jié)束后上剪刃抬

32、起，為了使鋼板能順利通過上下剪刃，則上下剪刃間的開口度H大于某一給定設(shè)計(jì)值的要求稱為設(shè)計(jì)滾切剪機(jī)構(gòu)的開口度要求。雖然滾切剪有較大的開口度，但總行程比斜刃剪的行程大約減小了30%-40%，因此，傳動(dòng)上剪刃的偏心軸曲柄半徑減小了，傳動(dòng)力矩也按比例減小了。</p><p>　　2.1.3 剪切力峰值特性</p><p>　　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

33、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</p><p>　　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。</p><p>　　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

34、。</p><p>　　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)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)過早抬起引起的剪刃切</p><p>　　入深度減小，從而減

35、小了剪切角。</p><p>　　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。</p><p>　　2.2 滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的提出</p><p>　　滾

36、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)中的非連架桿來實(shí)現(xiàn)滾切剪上剪刃的運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　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)該類滾切剪采用上剪刃上特殊點(diǎn)的軌跡來

37、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?；诖耍疚奶岢龌跈C(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)通過上刀架的動(dòng)、定瞬心線軌跡來保證，該方法的本質(zhì)為機(jī)構(gòu)瞬心線軌跡綜合問題。</p><p>　　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。</p><p>　　2.3 研究

38、的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 </p><p>　　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：Ⅰ 厚鋼板移動(dòng)的精確傳動(dòng)與定位 Ⅱ 為滾切剪的剪切提供動(dòng)力的傳動(dòng)設(shè)計(jì) Ⅲ 剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì) Ⅳ 鋼坯跟蹤系統(tǒng)</p><p>　?。?）厚鋼板移動(dòng)的精確傳動(dòng)與定位</p><p>　　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

39、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)。需要的問題有：</p><p>　　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。</p><p>　　2保證檢測(cè)輥的定位準(zhǔn)確，以保證厚鋼板的剪切質(zhì)量（鋼板沒有壓彎）。</p><p>　　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。</p><p>　　

40、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。</p><p>　?。?）為滾切剪的剪切提供動(dòng)力的傳動(dòng)設(shè)計(jì) </p><p>　　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)，主要通過曲軸的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。則需要解決的問題有：</p><p>　　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

41、運(yùn)轉(zhuǎn)的一致性，同步性，確保精確地剪切質(zhì)量。</p><p>　　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。</p><p>　?。?）剪切系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　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

42、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。 </p><p>　　第3章 滾切剪的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3.1 滾切剪的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig.3.1 structure of rolling shear

43、</p><p>　　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。為了調(diào)節(jié)上下剪刃的重疊量，兩個(gè)連桿的長(zhǎng)度

44、可調(diào)，其調(diào)節(jié)裝置是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)傘齒輪通過渦輪蝸桿傳動(dòng)偏心套來完成。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)，其同步由一個(gè)中間過橋齒輪保證。電動(dòng)機(jī)帶有反向電源制動(dòng)，靠行

45、程開關(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、</p><p><b>　　3.1 滾切剪原理</b></p><p>　　滾切式定尺剪的剪切過程用如圖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

46、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。</p><p>　　滾切式雙邊剪和剖分剪的剪切過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

47、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)的剪切過程。</p><p>　　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。</p><p>　　第4章 基于瞬心線的雙自由度滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　雙自由度滾切剪機(jī)構(gòu)的主體可歸結(jié)

48、為五桿機(jī)構(gòu)，用五桿機(jī)構(gòu)中的連桿來實(shí)現(xiàn)上剪刃的運(yùn)動(dòng)，而用連桿位置綜合的方法來設(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)該類滾切剪均采用上剪刃上特殊點(diǎn)的軌跡來綜合機(jī)構(gòu)尺寸的方法，如通過設(shè)計(jì)上剪刃動(dòng)態(tài)最低點(diǎn)集合軌跡來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)出來的滾切剪機(jī)構(gòu)不能很好的保證上剪刃的滾動(dòng)剪切?；诖?，本文在分析純滾運(yùn)動(dòng)問題本質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出了基于瞬心線設(shè)計(jì)該類滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸的方法。</

49、p><p>　　4.1 純滾剪切運(yùn)動(dòng)的瞬心線特性</p><p>　　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。</p><p>　　圖4.1 剛體在固定曲面上的純滾運(yùn)動(dòng) </p><p>　　Fig.4.1 Pure rolling of rigid on the fixed surface</p><

50、p>　　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。</p><p>　　任一形狀的剛體相對(duì)于一

51、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的運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)。</p><p>　　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。</p><p>

52、　　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。</p><p>　　4.2 基于瞬心線的滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 設(shè)計(jì)思路</p><p>　　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，

53、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)問題的本質(zhì)為機(jī)構(gòu)瞬心線軌跡的綜合問題，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：</p><p><b>　

54、　固定下剪</b></p><p>　　刃參數(shù) 定瞬心線 </p><p>　　工藝參數(shù) } 機(jī)構(gòu)尺寸</p><p>　　圓弧上剪 動(dòng)瞬心線</p><p><b>　　刃參數(shù)</b></p>&

55、lt;p>　　圖4.2 滾切剪機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)思路</p><p>　　Fig.4.2 Design idea of rolling shear mechanism size</p><p>　　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的誤差，下面將通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，使上剪刃所在剛體

56、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。</p><p>　　4.2.2 剪刃參數(shù)的確定</p><p>　?。?）滾切剪的工藝參數(shù)要求</p><p>　　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：</p><p>　　表4.1 滾切剪的工藝參數(shù)要求</p><p>

57、　　Tab.4.1 Process parameters of rolling shear</p><p>　　其中，上下剪刃的重疊量s和剪切角α需要根據(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α的范圍一般為2゜- 3゜。</p><p>　　(2)水平直線下剪刃參數(shù)的確定</p><p>　　固定的水平下剪刃長(zhǎng)度應(yīng)該不小于板

58、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。</p><p>　　（3）圓弧上剪刃參數(shù)的確定</p><p>　　通過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?。?lt;/p><p>

59、;　　R = hmax + s / 1 – cosα (4.1)</p><p>　　式中，hmax——為剪切板材的最大厚度，mm；</p><p>　　S——為上下剪刃的重疊量，mm;</p><p>　　α—— 為剪切角，゜ 。</p><p>　　理論純滾動(dòng)時(shí)，由于沒有相對(duì)滑移，動(dòng)接觸線的長(zhǎng)度與定

60、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。</p><p>　　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</p><p><b>　?。?）設(shè)計(jì)變量&l

61、t;/b></p><p>　　每一個(gè)設(shè)計(jì)方案，都可以用一組參數(shù)來表示，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)，也就是變化的量，稱為設(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，稱為設(shè)計(jì)變量。</p><p>　　設(shè)機(jī)構(gòu)有n個(gè)設(shè)計(jì)變量t1,t2,…,tn,

62、可用一個(gè)矢量t表示，寫成矩陣形式為：</p><p>　　t = [t1,t2,…,tn] t∈R^n （4.2）</p><p>　　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t^n表示，稱為優(yōu)化點(diǎn)或最優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　（2）目標(biāo)函數(shù)</b></p>

63、<p>　　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：</p><p>　　Min U(t) = U1(t) + U2(t) （4.3）</p><p>　　式中，U1(t)—

64、—為定瞬心線逼近水平下剪刃的誤差；</p><p>　　U2(t)——為動(dòng)瞬心線逼近圓弧上剪刃的誤差。</p><p>　　下面將分別定義U1(t) 和 U2(t)的大小。</p><p>　　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)

65、系和機(jī)構(gòu)的固定坐標(biāo)系下表示。</p><p>　　設(shè)上剪刃的定瞬心線方程為：</p><p>　　y = gt(x) (4.4)</p><p><b>　　動(dòng)瞬心線的方程為：</b></p><p>　　ym = gmt(xm) (4.5)</p

66、><p>　　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。</p><p>　　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：</p><p>　　y = f(x) = C (x1≤ x≤ xn) (4.6)</p&g

67、t;<p>　　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。</p><p>　　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)的均方根誤差值來定義U1(t)，即：</p><p>　　n

68、 n</p><p>　　U1(t)= 1/n ∑ (gt(xt)-f(xt))^2 = 1/n ∑ (gt(xt)-C)^2 (4.7)</p><p>　　i=1 i=1 </p><p>　　同理，在上剪刃所在連桿的活動(dòng)坐標(biāo)系Om—xmym下

69、，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：</p><p>　　ym = fm(xm) (xm1≤ xm≤ xmn) (4.8)</p><p>　　由于上剪刃為一段圓弧，故該圓弧的方程還可表示為：</p><p>　　（xm-xom）^2 + (ym-yom)^2 = R^2

70、 (4.9)</p><p>　　其中，xmn-xm1 = B; (xom, yom)為上剪刃圓弧的圓心坐標(biāo)。</p><p>　　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</p><p>　　散點(diǎn)的均方根誤差值來定義U2(t)，即：</

71、p><p>　　n </p><p>　　U2(t)= 1/n ∑ (gmt(xmt)-fm(xmt))^2 (4.10)</p><p>　　i=1 </p><p>　　故目標(biāo)

72、函數(shù)可表示為：</p><p>　　n </p><p>　　minU(t) = 1/n ∑ (gt(xt)-f(xt))^2 +</p><p>　　i=1 </p><p>&

73、lt;b>　　n</b></p><p>　　1/n ∑ (gmt(xmt)-fm(xmt))^2 （4.11）</p><p><b>　　i=1 </b></p><p><b>　　（3）約束條件</b></p><p>　　約束條件有兩種類型:

74、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。</p><p><b>　　開口度約束</b></p><p>　　由前面的分析可知，為了使得鋼板在滾切工藝動(dòng)作結(jié)束后順利的通過上</p><p>　　

75、下剪刃之間的位置，在機(jī)構(gòu)回程后上下剪刃之間的開口度H應(yīng)大于給定的設(shè)計(jì)值K，即：</p><p>　　H(t) ≥ K (4.12)</p><p>　　其中，H(t)為機(jī)構(gòu)方案確定后設(shè)計(jì)變量t的函數(shù)。</p><p>　　上下剪刃重疊量最大誤差約束</p><p>　　剪切鋼板時(shí)上下剪刃的重疊量

76、在板寬方向上保持均勻不變才能有較高的</p><p>　　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

77、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。</p><p>　　為了求剪切鋼板時(shí)上下剪刃的重疊量大小，首先需要求出該時(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)系來求解。</p><p>　　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)

78、系可以表示為：</p><p>　　xk = xh - Rsinβ</p><p>　　yk = yh – R(1-cosβ) (4.13)</p><p>　　式中，β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)。</p><p>　　通過坐標(biāo)變換首先求出上剪刃圓弧

79、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。</p><p>　　第5章 4300軋機(jī)滾切式定尺剪簡(jiǎn)單計(jì)算</p><p>　　5.1 最大剪切力的計(jì)算</p><p>　　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

80、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。</p><p>　　已知厚度為50mm的鋼板最大材料冷態(tài)抗拉強(qiáng)度為750N/mm^2,最大剪切力P可按下式計(jì)算：</p><p>　　P=0.6KбbF

81、 （5.1）</p><p>　　式中 бb ——被切軋件材料在相對(duì)剪切溫度下的強(qiáng)度極限；</p><p>　　F——鋼板最大面積；</p><p>　　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數(shù)，一般取K=1.1-1.3。 </p><p><b>　　分析：</b></p>

82、<p>　　F= 4200*50 = 210000 mm^2</p><p>　　бb=750 N/mm^2</p><p>　　取 K=1.2 ， 則</p><p>　　P= 0.6*1.2*750*210000 = 113400 KN</p><p>　　取 C=0.125 </p><p>　　Pm

83、ax = P*C = 113400*0.125 = 14175 KN</p><p>　　5.2 曲柄軸上的靜力矩</p><p>　　曲柄軸上的靜力矩Mj由三部分組成， 即Mj為</p><p>　　Mj=Mp+Mf+Mkon</p><p>　　式中 Mj——曲柄軸（或偏心軸）上的靜力矩；</p><p>　　M

84、p——剪切力矩，克服剪切力所需的力矩；</p><p>　　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</p><p><b>　　擦力矩所需的力矩；</b></p><p>　　Mkon—空載力矩；克服剪切機(jī)構(gòu)零件自重所引起的摩擦力矩，一般取</p><p>　　Mkon=(0.05-0.1)(Mp+

85、Mf)</p><p>　　5.2.1 剪切力矩Mp的確定</p><p>　　由《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》（主編：盧秀春）可知，剪切力矩Mp可寫成以下形式：</p><p>　　Mp = Pab*R*sinα*(λ*cosα+cosβ)</p><p>　　式中 Pab——連桿上的作用力</p><p>　　Pab=P/co

86、sβ</p><p><b>　　其中，P為剪切力；</b></p><p>　　R——曲柄半徑（曲柄軸偏心距），</p><p><b>　　α——曲柄軸轉(zhuǎn)角；</b></p><p>　　β——曲柄軸轉(zhuǎn)角為α?xí)r，連桿擺動(dòng)的角度；</p><p>　　λ——連桿比，即λ=R

87、/L</p><p>　　其中，L為連桿長(zhǎng)度。</p><p>　?。?）曲柄軸偏心距的確定 </p><p>　　曲柄軸偏心距R一般是根據(jù)刀片行程H或開口度Ho來確定的，即</p><p><b>　　R=H/2</b></p><p>　　R=(Ho+s)/2</p><

88、p>　　式中 H——刀片行程；</p><p>　　Ho——刀片開口度，即為上下刀片之間的開口距離；</p><p>　　s——上下刀片的重疊量。</p><p>　　這里剪刃最大開口度取Ho=200mm；上下刀片的重疊量取s=5mm； 則</p><p>　　R = (200+5)/2 = 102.5 mm</p>&l

89、t;p>　?。?）取曲柄軸轉(zhuǎn)角α=30度</p><p>　　（3）當(dāng)β< 5度時(shí)，cosβ≈1</p><p>　?。?）對(duì)于平行刀片剪切機(jī)，連桿比λ一般為0.075-0.15。取λ=0.1 </p><p><b>　　綜上所述： </b></p><p>　　Pab = 14175KN</p>

90、;<p>　　Mp = 14175000*0.1025*sin30*(0.1*cos30+1) ≈ 790 KN</p><p>　　5.2.2 摩擦力矩Mf的確定</p><p>　　摩擦力矩由四部分組成，即</p><p>　　Mf = Mfq+Mfa+Mfb+Mfo</p><p>　　式中，Mfq——由刀臺(tái)與滑槽之間摩

91、擦所增加的阻力矩；</p><p>　　Mfa——連桿鉸鏈點(diǎn)A處的摩擦力矩；</p><p>　　Mfb——連桿鉸鏈點(diǎn)B處的摩擦力矩；</p><p>　　Mfo——曲柄軸軸頸處（點(diǎn)O）的摩擦力矩。</p><p>　　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，但我沒算出呢，哈！)但依據(jù)功率選</p><p

92、>　　取電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)選取較大值。</p><p>　　通過求出摩擦當(dāng)量力臂mf就可求出摩擦力矩Mf</p><p>　　Mf = P mf = 14175×0.15 ≈ 2126kN m</p><p>　　5.2.3 空載力矩的計(jì)算</p><p>　　由，Mkon=(0.05-0.1)(Mp+Mf)得，</p>

93、<p>　　Mkon = 0.05*（790+ 2126 ） ≈ 145 KN.m</p><p><b>　　綜上所述：</b></p><p>　　由，Mj = Mp + Mf + Mkon 得，</p><p>　　Mj = Mp + Mf + Mkon = 790 + 2126 + 145</p>

94、;<p>　　= 3061kN m</p><p>　　5.3 電動(dòng)機(jī)的功率</p><p>　　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。</p><p>　　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</p><p>　　N = Mjm*nj*10^6/9550/λ1/η KW</p><p

95、>　　式中，Mjm——曲柄軸上平均靜力矩，MN.m</p><p>　　nj——曲柄軸轉(zhuǎn)速，r/min；</p><p>　　λ1——電動(dòng)機(jī)過載系數(shù)，一般λ1=1.1-1.3</p><p>　　η——剪切機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)效率。</p><p>　　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。&l

96、t;/p><p>　　取 Mj=3000kN m，λ1=1.2，η=0.6，C=4.38</p><p>　　已知nj=40/3 r/min</p><p><b>　　代入整理得，</b></p><p>　　N=3000×40/3×10^3/9550×1.2×0.6×

97、4.38</p><p><b>　　≈1328kW</b></p><p>　　綜上所述，由得到的電機(jī)功率選用兩臺(tái)665kW的電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　第6章 剪切系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)</p><p>　　本例為雙自由度方案，需要兩個(gè)原動(dòng)件來驅(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，通過左右兩個(gè)曲軸作為機(jī)構(gòu)

98、的輸入。</p><p>　　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)通過上刀架的動(dòng)、定瞬心線軌跡來保證。</p><p>　　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

99、上剪刃重合，則能夠?qū)崿F(xiàn)鋼板的純滾動(dòng)剪切。</p><p>　　該滾切剪機(jī)構(gòu)選用的是雙自由度七桿機(jī)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)稱安裝在連桿CD上。機(jī)構(gòu)開始運(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。 </p><p>　　6.1 上下剪刃幾何參數(shù)的確定</p><p>　　為了表示上下剪刃的位置，在

100、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H—xy;在上剪刃所在連桿CD的中點(diǎn)建立了活動(dòng)坐標(biāo)系L—xmym</p><p>　　圖6.1 雙軸雙偏心曲柄連桿式滾切剪機(jī)構(gòu)</p><p>　　Fig.6.1 Rolling shear mechanism of double-crank</p><p>　　(1) 固定下剪刃參數(shù)</p>

101、<p>　　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)大于4200mm才能保證鋼板的完整剪切，取下剪刃長(zhǎng)度為4300mm。</p><p>　　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H—xy下的方程為： </p><p>　　y = f ( x ) = C = -400 （6.1） &l

102、t;/p><p>　　(2) 圓弧上剪刃參數(shù)</p><p>　　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L—xmym中縱向坐標(biāo)為-500mm。</p><p>　　由滾切剪的工藝參數(shù)要求有，剪切的鋼板最大

103、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：</p><p>　　R = hmax + S / 1 – cosα </p><p>　　= 50 + 5 / 1 - cos 2.24゜ </p><p>　　= 71978 mm</p><p>　　可以取上剪刃圓弧半徑 R=72

104、00mm.</p><p>　　6.2 優(yōu)化和改進(jìn)措施</p><p>　　針對(duì)定尺剪傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中所暴露的問題，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)可作如下改進(jìn)。</p><p>　　6.2.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)</p><p>　　（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）通過皮帶完成；</p>&

105、lt;p>　?。?）將原動(dòng)件系統(tǒng)中2級(jí)減速的齒輪減速機(jī)改為單機(jī)減速機(jī)（帶中間墮輪），速比與原第2級(jí)相同，離合器、制動(dòng)器分別安裝在減速機(jī)高速軸的兩端；</p><p>　?。?）為保證減速機(jī)整體剛度，縮短齒輪軸跨距，并在箱體鋼板厚度不變的條件下增加筋板數(shù)量和內(nèi)筋。</p><p>　　6.2.2 將離合器、制動(dòng)器分置</p><p>　　由于離合器、制動(dòng)器為一體

106、式，接合與制動(dòng)時(shí)慣量大，發(fā)熱嚴(yán)重，又因其處于減速機(jī)內(nèi)部、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間有限，只能采用軸套（銅套）做軸承，散熱和潤(rùn)滑不及時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)軸、套抱死的現(xiàn)象，雖然改進(jìn)了支撐套材質(zhì)（由銅套改為尼龍?zhí)祝请[患仍然存在。針對(duì)此隱患，將離合器與制動(dòng)器分置：離合器安裝在減速機(jī)高速軸大飛輪的外側(cè)，離合器的摩擦盤通過花鍵安裝在減速機(jī)的高速軸上；制動(dòng)器安裝在減速機(jī)高速軸的另一側(cè)，制動(dòng)器的制動(dòng)盤通過花鍵安裝在高速軸的另一側(cè)。離合器和制動(dòng)器外置后：</p&

107、gt;<p><b>　　散熱效果好；</b></p><p>　　接合、制動(dòng)時(shí)的速度低，工作零件少，從動(dòng)慣量小，產(chǎn)生熱量少；</p><p>　　產(chǎn)生的少量熱量被旋轉(zhuǎn)的離合器外殼和制動(dòng)器帶走，使平均工作溫度較原來有很大的降低，從根本上消除了軸、套因發(fā)熱及散熱不及時(shí)抱死的缺陷。由于離合器和制動(dòng)器外置，摩擦塊更換容易，不必打開箱體即可進(jìn)行更換，同時(shí)也便于檢

108、查、調(diào)節(jié)和拆裝。用于補(bǔ)償摩擦塊磨損的調(diào)節(jié)螺母調(diào)整方便，不需要卸離合器，提高了安全性和可靠性，便于維護(hù)。</p><p>　　第7章 板材定尺剪切自動(dòng)線</p><p>　　現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制的板材加工設(shè)備常常要求被加工的板材為尺寸精確的矩形。美國伊利諾斯卅Red Bud工業(yè)公司制造的卷材加工線能在高速下生產(chǎn)這種板材，這類自動(dòng)線通常稱為定尺剪切線(CTL線)，它能滿足“及時(shí)生產(chǎn)” 的要求：對(duì)于同

109、樣原度的板材，從加工一種長(zhǎng)度改變到另一種長(zhǎng)度只需幾秒鐘，即使在將卷材縱向剪切成條料的線(也稱 多刀縱切線” ) 上 也只需幾分鐘。</p><p>　　最近 中國最大的銅和黃銅生產(chǎn)廠上海有色金屬廠用7 5萬美元引進(jìn)了該公司的一條CTL線，加工3mmx762mm卷材，當(dāng)切斷長(zhǎng)度為2130mm時(shí) 最大速度為67m／min。</p><p>　　Pacesetter鋼鐵公司購買了兩條多刀縱切線，

110、每條價(jià)值120萬美元，安裝在伊利諾斯Sank Village和亞特蘭大的工廠里。這些生產(chǎn)線能加工厚度為0.38～1.9mm 的卷材，最大寬度為1828mm ，重量可達(dá)25t 。當(dāng)切斷長(zhǎng)度為2438mm時(shí)，最大速度可達(dá)76m／min。自動(dòng)線的加工速度和板材的生產(chǎn)率與切斷長(zhǎng)度有關(guān)。以最大加工速度為67m／min為例，生產(chǎn)線在加工2130mm長(zhǎng)的板材時(shí)，生產(chǎn)率為每分鐘31.4塊，當(dāng)以65m／min最太速度加工1828mm長(zhǎng)的板材時(shí),每分鐘可生

111、產(chǎn)35.8塊。</p><p>　　7.1 自動(dòng)線上的設(shè)備</p><p>　　Red Bud公司的CTL自動(dòng)線上的主要設(shè)備包括卷材升降機(jī)、卷材架或拆卷機(jī)、展卷裝置或展卷開卷裝置、校平機(jī)、環(huán)帶系統(tǒng)、液壓伺服夾持進(jìn)給測(cè)量系統(tǒng)、剪切機(jī)、堆垛機(jī)和托盤卸料系統(tǒng)。在展卷裝置或展卷開展裝置與校平機(jī)之間可放置一臺(tái)料頭剪切機(jī)來掉卷材兩端的無用部分。在多刀縱切線上，卷材縱切機(jī)放在夾持進(jìn)給裝置和剪切機(jī)中間。&